網絡通信技術在筆架山水廠普通快濾池的應用
相關行業: 水處理 相關產品: CC-Link，PLC
2003-08-21
九十年代中期，國際上興起的現場總線技術是計算機網絡通信技術與自動化儀表系統相結合的成果。國際電工委員會（IEC）對現場總線定義為：現場總線是連接工業現場儀表與設置在控制室內控制設備的數字化、串行、雙向、多變量、多節點的通信網絡。現場總線控制系統（Field Control System,FCS）定義為：由各種現場儀表通過互連與控制室內人機界面所組成的系統；一個全分散、全數字化、全開放和可互操作的生產過程自動控制系統。
目前，現場總線技術已經用于過程自動化、制造自動化、樓宇自動化等領域的現場智能設備互連通信網絡中。作為工廠數字通信網絡的基礎，溝通了生產過程現場與控制設備之間的聯系外，還連接著更高控制管理層。因此，它不僅是一個基層網絡，而且還可構成一種開放式、新型全分布控制系統，即，集智能、傳感、控制、計算機、數字通信技術于一身的控制系統。正由于這些特點，以現場總線作為技術支撐的FCS在工業自動化領域有明顯的優勢，如很高的精確性、設計組態簡單、擴展安裝方便、易于維護、節省軟硬件投資等。它被公認為第五代控制系統，成為當今工業自動化發展的必然趨勢。
考慮上述因素， 對筆架山水廠普通快濾池設計時，選用現場總線作為控制系統支撐技術。基于現場總線的筆架山水廠普通快濾池自動控制系統，應達到如下要求：
⑴ 系統具有較高的可靠性。
⑵ 筆架山水廠普通快濾池設計以全自動化，無人值守為目標。
⑶ 具有自動故障診斷和故障處理功能。
⑷ 具有遠程監控功能。
⑸ 系統具有較強的開放性，能與全廠計算機控制系統實時交換信息。
經過對幾家（如MODBUS、PROFIBUS、CCLINK）現場總線的性能和價格認真比較，且考慮到過去使用情況。本系統采用日本三菱PLC的CCLINK總線網絡作為支撐網絡。系統內控制裝置采用三菱A系列PLC和FX系列PLC 兩種，分級控制著現場及車間設備運行。
CC-LINK網絡特性圖如下：
CC-LINK具有如下特性：
1） 在同行業中最快的通信速度，在需要高速應答時，可支持傳感器輸入及智能化設備之間進行大量數據傳送。在100米距離內通信速率達10MB，1200米距離通信速率也達156KB。
2） 對分散的PC（Progromme Controller）控制連網后進行循環傳送，即，在主控PC與本地PC之間進行N：N的 循環傳送。實現了控制系統的全分散、全開放、互操作、互換性。
3） 可連智能設備，進行信息傳送。
除了字數據的循環傳送以外，CC-LINK系統還能與智能化設備進行數據通 信，這些設備包括顯示設備、條形碼讀寫器、測量設備以及個人電腦等。
4） 完善的RAS功能。具有自動在線恢復、待機主控功能、切斷從站功能、確認鏈接狀態功能及測試和診斷功能，系統具有高度可靠性。
5） 多廠商的開放性網絡具有高度的安全性。
6） 采用雙絞線組成總線網，節省投資，提高控制性能。
一、 系統硬件設計
1． 就地控制單元硬件設計
就地控制單元不僅具有自動控制功能， 由于觸摸屏的使用，而具有直觀畫面監視功能，其結構如圖二所示。
如圖所示，單格濾池由五個閥門組成： DF進水電磁閥、F1出水閥、F2水沖閥、F3氣沖閥、F4排水閥。由一臺FX2N PLC控制單格濾池的自動過濾和自動反沖洗。濾池就地控制單元即CCLINK 網絡的一個從站，執行三格濾池的控制過程內部數據交換。三格濾池通過RS485網絡互連，這種RS485網絡速率為192KB、距離為50米、數據傳送量不大，但也是N`：N網絡，可實現主控PC與從站PC之間數據循環傳送。通過此網絡三格濾格的三臺FX2N PLC與觸摸屏互連。
濾池就地控制單元功能包括：
① 控制單格濾池的自動過濾和自動反沖洗。自動過濾監測濾池水位，據濾池水位的情況及時調整出水閥的開度，使濾池保持在過濾水位。當運行周期到或強沖或水頭損失以達到時，濾池進行自動反沖洗。控制器監測濾池水位到達低水位，開啟排水閥，開啟氣沖閥、氣沖5分鐘，關閉氣沖閥；開啟水沖閥、水沖5分鐘、關閉水沖閥；關閉排水閥，沖洗結束。
② 控制方式和流程的選擇。識別手動、自動集控（包括全自動及觸摸監控）方式。根據實際情況選擇氣水沖洗和單純水沖流程。
③ 保護功能。當濾池水位高于最高水位時，自動停止進水，開大出水閥。給出報警提示。當濾池水位高于超高水位時，除上述操作外，自動關閉出水閥。
④ 故障檢測和診斷。檢測閥門在規定時限內是否到位，進行檢錯分析，為可靠性控制提供依據。
⑤ 動畫監視。以動畫形式實時顯示濾池各個閥門開關狀態、到位情況、故障發生情況等；顯示各個濾格狀態（包括正常過濾、沖洗、觸摸屏狀態、手動控制等）；顯示風機水泵運行及故障情況；實時顯示水位值。
⑥ 實時操作。包括濾格狀態（全自動/觸摸監控方式）選擇；故障復位；在觸摸監控方式下對濾池各個閥門進行開關控制。
⑦ 遠程操作。在觸摸屏上可執行對兩臺風機及兩臺反沖泵的直接啟/停控制。
2． 集控主站硬件設計
集控主站放置于車間的值班室內，由A系列PLC 作為主控制器。其硬件結構圖如圖三所示。
濾池集控主站管理CCLINK網絡上八個從站（每個從站監控三個濾池）共對24個濾池的1100點數據進行處理和交換；監控兩臺風機、兩臺反沖泵運行；對關鍵數據進行處理并上送到廠級站 。濾池集控主站的功能有：
① 動畫監視。以動畫形式實時顯示24格濾池各個閥門開關狀態、到位情況、故障發生情況等；顯示各個濾格狀態（包括正常過濾、沖洗、觸摸屏狀態、手動控制等）；顯示風機水泵運行及故障情況；實時顯示水位值及1小時內濾格水位變化趨勢。
② 監控兩臺風機、兩臺反沖泵運行。對風機變頻器進行選擇、變頻器頻率設置。
③ 實時操作。執行對濾池進行強沖；排水閥、氣沖閥、水沖閥的統一管理（同一時刻只能打開一個閥門）。
④ 流程的選擇。根據實際情況選擇氣水沖洗和單純水沖流程。
⑤ 實時數據的顯示。以數字和曲線形式實時顯示24格濾池的水位及1小時內水位走勢；以數字和矩形圖形式實時顯示24格濾池的運行時間。
⑥ 歷史數據查詢。觸摸屏可存儲三千條記錄（保持三個月的運行參數不刷新）。記錄包括：24個濾池沖洗發生時間結束時間；濾池所處狀態（全自動/觸摸監控）；24格濾池各個閥門故障發生時間等。
⑦ 故障查詢。當濾格閥門故障報警發生時，用戶查看具體的故障類型、位置和發生時間。
⑧ 參數設置。可對濾池運行時間、運行水位；濾池水沖時間、氣沖時間；閥門開關時限；啟動反沖泵臺數；風機變頻器選擇等，通過人機對話方式由技術人員設置，此功能只能通過密碼進入。
二、 系統軟件設計
1、濾池集控主站軟件設計
濾池集控主站其結構圖如下：
主站軟件包括24格濾池排隊沖洗、CCLINK網絡管理、兩臺風機監控、兩臺反沖泵監控、實時數據監測、故障診斷報警、與廠站通信等。
2、濾池就地控制單元軟件設計
濾池就地控制單元包括：單格濾池控制、C網絡管理（CCLINK網絡）、R網絡管理（RS485網絡）、人機界面、實時數據、故障診斷、風機及反沖泵監控等功能。
單格濾池控制執行自動過濾監測濾池水位，根據濾池水位的情況及時調整出水閥的開度，使濾池保持在過濾水位。當運行周期到或強沖或水頭損失以達到時，濾池進行自動反沖洗。單格濾池控制軟件流程如圖六所示。
三、 系統運行
筆架山水廠普通快濾池系統在投入運行五個月來，一直穩定可靠。見圖七及圖八所示濾池車間改造前后濾池控制柜比較。濾池水質也有所提高，且運行周期比過去延長50%。工人的勞動強度得到大幅降低，激發工人強烈的學習興趣。系統的自診斷功能充分發揮作用，設備的維護率得到了很大提高。基本上能實現無人值守。
四、 結束語
現場總線技術，這種網絡通信技術滲透于自動控制儀表和系統中的結果。在自動控制領域已經得到越來越多的應用，毋庸置疑，該技術具有廣大前景。
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