现场总线控制系统在净水厂普通快滤池的应用

1 引言
70年代以前，控制系统中采用模拟量对传输及控制信号进行转换、传递，其精度差、受干扰信号影响大，因而整个控制系统的控制效果及系统稳定性都很差。70年代末，随着大规模集成电路的出现，微处理器技术得到很大发展。微处理器功能强、体积小、可靠性高、通过适当的接口电路用于控制系统，控制效果得到提高;但是尽管如此，还是属于集中式控制系统。随着过程控制技术、自动化仪表技术和计算机网络技术的成熟和发展，控制领域又发生了一次技术变革。这次变革使传统的控制系统(如集散控制系统)无论在结构上还是在性能上都发生了巨大的飞跃，这次变革的基础就是现场总线技术的产生。
现场总线是连接现场智能设备和自动化控制设备的双向串行、数字式、多节点通信网络。现场总线控制系统(Field Control System, FCS)定义为:由各种现场仪表通过互连与控制室内人机界面所组成的系统;一个全分散、全数字化、全开放和可互操作的生产过程自动控制系统。80年代以来，各种现场总线技术开始出现，人们要求对传统的模拟仪表和控制系统变革的呼声也越来越高，从而使现场总线成为一次世界性的技术变革浪潮。
目前，现场总线技术已经用于过程自动化、制造自动化、楼宇自动化等领域的现场智能设备互连通信网络中。作为工厂数字通信网络的基础，沟通了生产过程现场与控制设备之间的联系外，还连接着更高控制管理层。因此，它不仅是一个基层网络, 而且还可构成一种开放式、新型全分布控制系统, 即集智能、传感、控制、计算机、数字通信技术于一身的控制系统。正由于这些特点，以现场总线作为技术支撑的FCS在工业自动化领域有明显的优势，如很高的精确性、设计组态简单、扩展安装方便、易于维护、节省软硬件投资等。它被公认为第五代控制系统，成为当今工业自动化发展的必然趋势。
2 现场分析及PROFIBUS特性
2.1 现场分析
进行张士净水厂普通快滤池设计时，选用现场总线作为控制系统支撑技术。基于现场总线的张士净水厂普通快滤池自动控制系统，应达到如下要求:　　
(1) 系统具有较高的可靠性;　　
(2) 张士净水厂普通快滤池设计以全自动化，无人值守为目标;　
(3) 具有自动故障诊断和故障处理功能;　
(4) 具有远程监控功能;　
(5) 系统具有较强的开放性，能与全厂计算机控制系统实时交换信息。　　
目前国际上现有总线及总线标准不下200种,最具代表性的现场总线是PROFIBUS(Process Fieldbus)。PROFIBUS是由SIEMENS公司推出的一种开放式现场总线标准，1989年成为德国标准DIN19245，1996年成为欧洲标准EN50170，1999年12月被接受为国际标准IEC61158的一部分。用于工厂自动化系统三级网络中的底层，即车间级监控和现场设备层数据通信与控制;使用于分散的、具有通讯接口的现场受控设备对底层设备有较高的数据集成和远程诊断、故障报警及数字化要求的系统。
经过对几家现场总线性能价格认真比较，本系统采用PROFIBUS总线网络作为支撑网络。系统内控制装置采用采用SIEMENS公司的S7-300系列和S7-200系列PLC两种，分级控制着现场及车间设备运行。
2.2 PROFIBUS网络特性　
PROFIBUS网络特性图如图1所示:






图1 PROFIBUS 网络特性

PROFIBUS是一种用于工厂自动化车间级监控和现场设备层数据通信与控制的现场总线技术。可实现现场设备层到车间级监控的分散式数字控制和现场通信网络，从而为实现工厂综合自动化和现场设备智能化提供了可行的解决方案。
PROFIBUS-DP基本功能和特性如下:
(1) 远程离高速通信
支持9.6Kbps到12Mbps的传输速率;12Mbps时最大传输距离为100m，1.5Mbps时为200m，另外还可以用中继器延长。
(2) 分布式结构
各主站间令牌传递，主站与从站为主-从传送;每段可有32个站，用连接线可扩展到126个站。
(3) 节省硬件和安装费用
减少硬件成分(I/O、终端块、隔离栅);更容易、更快捷和低成本安装。
(4) 节省工程费用
更容易组态;更容易保养和维修;更容易和更快捷的系统启动。
(5) 更大的制造灵活性
改进功能;减少故障时间;准确、可靠的诊断数据;可靠的数据传输技术。
3 系统硬件设计
3.1 现场控制单元硬件设计　　
现场控制单元不仅具有自动控制功能，由于触摸屏的使用，而具有直观的动态画面监视功能，其结构如图2所示:






图2 滤池就地控制单元硬件结构图

如图2所示，单个滤池由6个阀门组成: F1进水阀、F2出水阀、F3反冲洗进水阀、F4反冲洗进气阀、F5反冲洗排水阀、F6排气阀。由一台S7-224 PLC控制单个滤池的自动过滤和自动反冲洗。滤池就地控制单元即PROFIBUS总线的一个从站，执行单个滤池的控制过程内部数据交换。PLC与触摸屏通过RS-485网络互连，滤池就地控制单元功能包括:
(1) 控制单格滤池的自动过滤和自动反冲洗
自动过滤监测滤池水位，据滤池水位的情况及时调整出水阀的开度，使滤池保持在恒定水位。当运行周期到或强冲或水头损失以达到设定值时，滤池进行自动反冲洗。控制器监测滤池水位到达低水位，开启反冲洗排水阀，开启反冲洗进气阀和鼓风机、气冲5min;开启反冲洗进水阀和反冲洗泵、气水混合冲5min;关闭反冲洗进气阀和鼓风机、水冲5min;关闭反冲洗进水阀和反冲洗泵，关闭排水阀，反冲洗结束。　
(2) 控制方式和流程的选择。识别手动、自动集控(包括全自动及触摸监控)方式。根据实际情况选择气水冲洗和单纯水冲流程。　　
(3) 保护功能
当滤池水位高于最高水位时，自动停止进水，开大出水阀。给出报警提示。当滤池水位高于超高水位时，全开出水阀，等待水位下降。
(4) 故障检测和诊断
检测阀门在规定时限内是否到位，进行检错分析，为可靠性控制提供依据。　　
(5) 动画监视
以动画形式实时显示滤池各个阀门开关状态、到位情况、故障发生情况等;显示各个滤格状态(包括正常过滤、反冲洗、触摸屏状态、手动控制等);显示风机水泵运行及故障情况;实时显示水位值。　　
(6) 实时操作
包括滤格状态(全自动/触摸监控方式)选择;故障复位;在触摸监控方式下对滤池各个阀门进行开关控制。　　
(7) 远程操作
在触摸屏上可执行对两台风机及两台反冲泵的直接启、停控制。
3.2 集控主站硬件设计　
集控主站置于净水车间的控制室内，由S7-300 PLC 作为主控制器。其硬件结构图如图3所示:






图3 滤池集控主站硬件结构图

滤池集控主站管理PROFIBUS总线上8个从站(每个从站监控1个滤池)共对8个滤池的400点数据进行处理和交换;监控2台风机、2台反冲洗泵运行;对关键数据进行处理并上送到水厂控制中心。滤池集控主站的功能有:　
(1) 动画监视
以动画形式实时显示8个滤池各个阀门开关状态、到位情况、故障发生情况等;显示各个滤池状态(包括正常过滤、反冲洗、触摸屏状态、手自动控制等);显示风机水泵运行及故障情况;实时显示水位值及2小时内滤格水位变化趋势。　
(2) 监控2台风机、2台反冲泵运行
对风机、水泵变频器进行选择控制、变频器频率设置。
(3)) 实时操作
执行对滤池进行强冲;排水阀、排气阀、气冲阀、水冲阀的统一控制管理。　　
(4) 流程的选择
根据实际情况选择气水冲洗和单纯水冲流程。　　
(5) 实时数据的显示
以数字和曲线形式实时显示8个滤池的水位及2小时内水位走势;以数字和图形式实时显示8个滤池的累计运行时间。　　
(6) 历史数据查询
触摸屏可存储2000条记录(保持三个月的运行参数不刷新)。记录包括:8个滤池冲洗发生时间结束时间;滤池所处状态(全自动/触摸监控);8个滤池各个阀门故障发生时间等。
(7) 故障查询
当滤格阀门故障报警发生时，用户查看具体的故障类型、位置和发生时间。　　
(8) 参数设置
可对滤池运行时间、运行水位;滤池水冲时间、气冲时间;阀门开关时限;启动反冲泵台数;风机变频器选择等，通过人机对话方式由技术人员设置，此功能只能通过密码进入。　
　
4 系统硬件设计　　
4.1 滤池集控主站软件设计
滤池集控主站其结构图如图4所示。






图4 滤池集控主站软件结构图

主站软件包括8个滤池排队冲洗、PROFIBUS网络管理、2台风机监控、2台反冲泵监控、实时数据监测、故障诊断报警、与中心站通信等。
4.2 滤池就地控制单元软件设计
滤池就地控制单元其结构图如图5所示。






图5 滤池就地控制软件结构图

图5中滤池就地控制单元包括:单个滤池控制、P网络管理(PROFIBUS网络)、R网络管理(RS-485网络)、人机界面、实时数据、故障诊断、风机及反冲泵监控等功能。
单格滤池控制执行自动过滤监测滤池水位，根据滤池水位的情况及时调整出水阀的开度，使滤池保持在过滤水位。当运行周期到或强冲或水头损失以达到设定值时，滤池进行自动反冲洗。单个滤池控制软件流程如图6所示。






图6 单格滤池控制流程图


5 结束语
张士净水厂普通快滤池系统在投入运行10个月来，一直稳定可靠。当滤池进水浊度在10NTU以下时，可保证滤后水浊度在0.7NTU以下，同时反冲洗配水、配气均匀;整个自控系统运行良好，实现滤池工艺自动化，保证了水厂优质、低耗、安全供水。工人的劳动强度得到大幅降低，激发工人强烈的学习兴趣。系统的自诊断功能充分发挥作用，设备的维护率得到了很大提高。基本上能实现无人值守。