网络通信技术在笔架山水厂普通快滤池的应用

九十年代中期，国际上兴起的现场总线技术是计算机网络通信技术与自动化仪表系统相结合的成果。国际电工委员会（IEC）对现场总线定义为：现场总线是连接工业现场仪表与设置在控制室内控制设备的数字化、串行、双向、多变量、多节点的通信网络。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。
  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。
   考虑上述因素， 对笔架山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。基于现场总线的笔架山水厂普通快滤池自动控制系统，应达到如下要求：
⑴ 系统具有较高的可靠性。
⑵ 笔架山水厂普通快滤池设计以全自动化，无人值守为目标。
⑶ 具有自动故障诊断和故障处理功能。
⑷ 具有远程监控功能。
⑸ 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。
   经过对几家（如MODBUS、PROFIBUS、CCLINK）现场总线的性能和价格认真比较，且考虑到过去使用情况。本系统采用日本三菱PLC的CCLINK总线网络作为支撑网络。系统内控制装置采用三菱A系列PLC和FX系列PLC 两种，分级控制着现场及车间设备运行。
CCLINK网络特性图如下：

图一、CCLINK网络特性
CCLINK具有如下特性：
1）在同行业中最快的通信速度，在需要高速应答时，可支持传感器输入及智能化设备之间进行大量数据传送。在100米距离内通信速率达10MB，1200米距离通信速率也达156KB。
2）对分散的PC（Progromme Controller）控制连网后进行循环传送，即，在主控PC与本地PC之间进行N：N的 循环传送。实现了控制系统的全分散、全开放、互操作、互换性。
3）可连智能设备，进行信息传送。
    除了字数据的循环传送以外，CCLINK 系统还能与智能化设备进行数据通        信，这些设备包括显示设备、条形码读写器、测量设备以及个人电脑等。
4）完善的RAS功能。具有自动在线恢复、待机主控功能、切断从站功能、确认链接状态功能及测试和诊断功能，系统具有高度可靠性。
5）多厂商的开放性网络具有高度的安全性。
6）采用双绞线组成总线网，节省投资，提高控制性能。
一、系统硬件设计
1．就地控制单元硬件设计

图二、滤池就地控制单元硬件结构图
就地控制单元不仅具有自动控制功能， 由于触摸屏的使用，而具有直观画面监视功能，其结构如图二所示。
如图所示，单格滤池由五个阀门组成： DF进水电磁阀、F1出水阀、F2水冲阀、F3气冲阀、F4排水阀。由一台FX2N PLC控制单格滤池的自动过滤和自动反冲洗。滤池就地控制单元即CCLINK 网络的一个从站，执行三格滤池的控制过程内部数据交换。三格滤池通过RS485网络互连，这种RS485网络速率为192KB、距离为50米、数据传送量不大，但也是N`：N网络，可实现主控PC与从站之间数据循环传送。通过此网络三格滤格的三台FX2N PLC与触摸屏互连。
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，使滤池保持在过滤水位。当运行周期到或强冲或水头损失以达到时，滤池进行自动反冲洗。控制器监测滤池水位到达低水位，开启排水阀，开启气冲阀、气冲5分钟，关闭气冲阀；开启水冲阀、水冲5分钟、关闭水冲阀；关闭排水阀，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，除上述操作外，自动关闭出水阀。
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、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。
2．集控主站硬件设计
    集控主站放置于车间的值班室内，由A系列PLC 作为主控制器。其硬件结构图如图三所示。

图三、滤池集控主站硬件结构图         
    滤池集控主站管理CCLINK网络上八个从站（每个从站监控三个滤池）共对24个滤池的1100点数据进行处理和交换；监控两台风机、两台反冲泵运行；对关键数据进行处理并上送到厂级站 。滤池集控主站的功能有：
①动画监视。以动画形式实时显示24格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、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；实时显示水位值及1小时内滤格水位变化趋势。
②监控两台风机、两台反冲泵运行。对风机变频器进行选择、变频器频率设置。
③实时操作。执行对滤池进行强冲；排水阀、气冲阀、水冲阀的统一管理（同一时刻只能打开一个阀门）。
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24格滤池的水位及1小时内水位走势；以数字和矩形图形式实时显示24格滤池的运行时间。
⑥历史数据查询。触摸屏可存储三千条记录（保持三个月的运行参数不刷新）。记录包括：24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）；24格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。
二、 系统软件设计
1、滤池集控主站软件设计
    滤池集控主站其结构图如下：

图四、滤池集控主站软件结构图
主站软件包括24格滤池排队冲洗、CCLINK网络管理、两台风机监控、两台反冲泵监控、实时数据监测、故障诊断报警、与厂站通信等。               
2、滤池就地控制单元软件设计

图五、滤池就地控制软件结构图
   滤池就地控制单元包括：单格滤池控制、C网络管理（CCLINK网络）、R网络管理（RS485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时，滤池进行自动反冲洗。单格滤池控制软件流程如图六所示。
三、系统运行
笔架山水厂普通快滤池系统在投入运行五个月来，一直稳定可靠。见图七及图八所示滤池车间改造前后滤池控制柜比较。滤池水质也有所提高，且运行周期比过去延长50%。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。
四、结束语
现场总线技术，这种网络通信技术渗透于自动控制仪表和系统中的结果。在自动控制领域已经得到越来越多的应用，毋庸置疑，该技术具有广大前景。

图六 单格滤池控制流程图

图七  改造前滤池控制柜

图八 改造后滤池控制柜