摘 要：針對(duì)水廠(chǎng)凈化車(chē)間濾池生產(chǎn)工藝及要求，設(shè)計(jì)了一套以ControlNet為主的包括羅克韋爾（Rockwell）自動(dòng)化NetLinx三層網(wǎng)絡(luò)的水廠(chǎng)濾池自動(dòng)控制系統(tǒng)。系統(tǒng)采用了Rockwell的ControLogix5550作為可編程控制器，借助ControlNet和Ethernet平臺(tái)，采用RSView32監(jiān)控組態(tài)軟件，實(shí)現(xiàn)了水廠(chǎng)濾池在各種模式下的自動(dòng)運(yùn)行及不同模式間的切換。 關(guān)鍵詞：ControlNet, ControLogix, 羅克韋爾，自動(dòng)控制 Abstract: According to the techniques and requirements of the filters in water plant, a automatic control system of filters in water plant is designed based on ControlNet and Rockwell Automation NetLinx three layer network, which uses ControLogix 5550 as the controller, ControlNet and EtherNet as the communication network, RSView as the supervisory configuration software, to realize the automatic work under each mode and the automatic switch among different modes of filters in the whole plant. Keyword: ControlNet, ControLogix, Rockwell，automation 1.引言 　　水廠(chǎng)生產(chǎn)工藝復(fù)雜、質(zhì)量要求嚴(yán)格。我國(guó)現(xiàn)有的絕大部分水廠(chǎng)生產(chǎn)線(xiàn)工藝設(shè)備落后，生產(chǎn)過(guò)程控制水平低下，自動(dòng)化程度不高，大部分操作要通過(guò)操作員的控制來(lái)實(shí)現(xiàn)。天津某水廠(chǎng)也是在原有設(shè)備的基礎(chǔ)上進(jìn)行擴(kuò)建。并在擴(kuò)建工程中應(yīng)用了SCADA系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了整個(gè)水處理生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)控制。 　　羅克韋爾自動(dòng)化的AB可編程控制器（PLC）及其監(jiān)控組態(tài)軟件RSView32已經(jīng)在國(guó)內(nèi)水處理行業(yè)有了廣泛的應(yīng)用[1]。天津某水廠(chǎng)的擴(kuò)建項(xiàng)目中也采用了羅克韋爾新一代控制器ControlLogix5550作為主控制器，用RSView32編制人機(jī)界面，并在此基礎(chǔ)上組建了羅克韋爾公司的ControlNet為主的現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)控制網(wǎng)絡(luò)，以實(shí)現(xiàn)水廠(chǎng)濾池的自動(dòng)控制。 2.水廠(chǎng)監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)成 　　水廠(chǎng)濾池控制系統(tǒng)從屬于水廠(chǎng)監(jiān)控系統(tǒng)。整個(gè)水廠(chǎng)網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)包括一個(gè)中心控制站、三個(gè)系統(tǒng)監(jiān)控點(diǎn)和八個(gè)PLC控制站。其中中心控制站位于中心控制室，控制室配備兩臺(tái)工控機(jī)作為操作員站，一臺(tái)工控機(jī)作為工程師站;三臺(tái)工控機(jī)作為系統(tǒng)監(jiān)控點(diǎn)安裝在現(xiàn)場(chǎng);PLC1控制站—PLC6控制站位于凈化車(chē)間內(nèi);PLC7控制站位于加氯間;PLC8控制站位于加氨間。 　　整個(gè)水廠(chǎng)的輸入/輸出信息量大，對(duì)系統(tǒng)功能要求高。中控室各監(jiān)視站以及現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的工控機(jī)不僅僅是對(duì)單一站點(diǎn)進(jìn)行檢測(cè)，而是要對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控。以PLC和計(jì)算機(jī)為核心的信息處理機(jī)制將完成對(duì)綜合信息的管理、生產(chǎn)過(guò)程的監(jiān)視、調(diào)度和控制。在此基礎(chǔ)上，系統(tǒng)以Rockwell A-B品牌的系列ControlLogix系列產(chǎn)品為核心，采用了包含NetLinx的所有三層網(wǎng)絡(luò)（即信息網(wǎng)、控制網(wǎng)、設(shè)備網(wǎng)）的混合體系結(jié)構(gòu)。因此整個(gè)系統(tǒng)也按照上述三層進(jìn)行架設(shè)。 　　2.1 信息層 　　信息層采用EtherNet/IP 網(wǎng)絡(luò)，主要用于連接一個(gè)工程師站、兩個(gè)操作員站以及三個(gè)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控點(diǎn)。其中兩個(gè)操作員站工控機(jī)通過(guò)PCIC網(wǎng)卡連接到控制層，其他工控機(jī)利用EtherNet信息傳遞，通過(guò)操作員站間接進(jìn)入ControlNet網(wǎng)，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控。采用這種方法不僅實(shí)現(xiàn)了計(jì)算機(jī)與控制器之間的大量信息的高速交換，對(duì)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行監(jiān)控，還可以進(jìn)一步用于組建企業(yè)信息網(wǎng)[2-3]。 　　2.2 控制層 　　控制層采用高速、確定的ControlNet現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)控制器之間的通信以及對(duì)遠(yuǎn)程擴(kuò)展I/O的控制[4-5]?，F(xiàn)場(chǎng)控制站（即各PLC控制站）和中控室兩臺(tái)操作員站工控機(jī)通過(guò)同軸電纜采用ControlNet網(wǎng)絡(luò)協(xié)議相連，實(shí)現(xiàn)控制信號(hào)的高速傳輸。PLC控制站的各PLC自動(dòng)監(jiān)測(cè)各工藝段設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)、儀表的參數(shù)變化等現(xiàn)場(chǎng)信息，并對(duì)設(shè)備進(jìn)行自動(dòng)控制。系統(tǒng)的8個(gè)PLC控制站是按照工藝要求設(shè)立的，其中PLC5控制站監(jiān)控No.1-No.5 、No.12-No.16濾池;PLC6控制站監(jiān)控No.6-No.11、No.17-No.22濾池;PLC3控制站負(fù)責(zé)濾池公共沖洗設(shè)備的控制以及濾池沖洗排隊(duì)。 　　2.3 設(shè)備層 　　設(shè)備層采用高效、低價(jià)的DeviceNet網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)對(duì)底層現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的監(jiān)控[5]。設(shè)備層連接分布于水廠(chǎng)各處的傳感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)，將變頻器、儀表等直接采用總線(xiàn)電纜連接，實(shí)現(xiàn)了數(shù)字和模擬量輸入/輸出模塊及可編程控制器PLC之間的數(shù)據(jù)數(shù)字化傳輸，把I/O信號(hào)通道分散到實(shí)際需要的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備附近，減少了安裝和布線(xiàn)費(fèi)用，節(jié)省了成本[6]。 3. 濾池監(jiān)控系統(tǒng) 　　濾池位于凈化車(chē)間內(nèi)，本系統(tǒng)共有22個(gè)快速重力過(guò)濾池用來(lái)清除水中從凈化階段帶來(lái)的少量的殘留固體。每個(gè)濾池都包括進(jìn)水閥、清水閥、水沖閥、排水閥、氣沖閥、排氣閥、液位計(jì)、壓差計(jì)和流量計(jì)等設(shè)備。濾池上位監(jiān)控畫(huà)面如圖1所示。 [align=center] 圖1 濾池上位監(jiān)控畫(huà)面[/align] 　　每個(gè)濾池運(yùn)行模式分為不服務(wù)模式、過(guò)濾模式和沖洗模式三種，并可以通過(guò)上位操作或是運(yùn)行需求自動(dòng)在三種模式之間自動(dòng)切換，濾池切換控制流程圖如圖2示。 [align=center] 圖2 濾池切換控制流程圖[/align] 　　3.1 不服務(wù)模式 　　不參與過(guò)濾的濾池運(yùn)行在該模式下，此時(shí)所有的閥都關(guān)閉。在過(guò)濾模式或是沖洗模式下的濾池，如果出現(xiàn)故障或上位的進(jìn)入不服務(wù)命令，會(huì)自動(dòng)關(guān)閉所有的閥門(mén)，進(jìn)入不服務(wù)模式，并對(duì)各閥門(mén)是否關(guān)閉進(jìn)行確認(rèn)。 　　2.2 過(guò)濾模式 　　過(guò)濾模式可以直接由不服務(wù)模式或是沖洗模式進(jìn)入。在不服務(wù)模式下，收到進(jìn)入過(guò)濾模式命令時(shí)，濾池首先經(jīng)過(guò)“慢速啟動(dòng)階段”和“中間沉淀物階段”打開(kāi)進(jìn)水閥和清水閥，最后進(jìn)入過(guò)濾模式。在沖洗模式下，經(jīng)過(guò)沖洗各階段后，最后也進(jìn)入過(guò)濾模式。另外在沖洗模式下，如果有返回過(guò)濾模式指令，濾池可在“向下排水”階段開(kāi)始之前或是“慢速啟動(dòng)”階段之后進(jìn)入過(guò)濾模式。 　　在過(guò)濾模式下，PLC使用PID調(diào)節(jié)濾池清水閥的開(kāi)度，使濾池出水流量達(dá)到由進(jìn)水渠制定的濾池出水流量設(shè)定值。PLC監(jiān)控每個(gè)濾池的水位，將測(cè)得的瞬時(shí)值顯示在SCADA上。 　　3.3 沖洗模式 　　濾池的沖洗全都由PLC自動(dòng)控制完成，并且所有的22個(gè)濾池公用一套沖洗設(shè)備，即兩臺(tái)鼓風(fēng)機(jī)和三臺(tái)沖洗水泵。濾池要進(jìn)行沖洗，首先通過(guò)沖洗請(qǐng)求進(jìn)入沖洗排隊(duì)隊(duì)列，最后從隊(duì)列中得到?jīng)_洗信號(hào)后，才開(kāi)始進(jìn)入沖洗模式 （這部分詳細(xì)控制由濾池排隊(duì)沖洗系統(tǒng)去執(zhí)行）。濾池的整個(gè)沖洗過(guò)程分為以下幾個(gè)階段，濾池沖洗過(guò)程控制流程如圖3所示。 [align=center] 圖3 沖洗過(guò)程控制流程圖[/align] 　?。?）向下排水 　　由過(guò)濾模式進(jìn)入沖洗模式的向下排水階段，濾池的過(guò)濾運(yùn)行時(shí)間計(jì)時(shí)被清零。濾池進(jìn)水閥按照關(guān)閉時(shí)間和延遲關(guān)閉時(shí)間進(jìn)入關(guān)閉階段。對(duì)濾池的水位進(jìn)行監(jiān)控，仍使用過(guò)濾模式下的PID調(diào)節(jié)控制濾池清水閥的開(kāi)度，讓剩余的水繼續(xù)過(guò)濾。 　　水位降到排水位時(shí)，關(guān)閉濾池清水閥，開(kāi)放濾池排水閥和氣沖閥。并確認(rèn)污水池是否有充足的容量。 　　（2）氣沖 　　當(dāng)污水池的容量已經(jīng)充足時(shí)，進(jìn)入氣沖階段，啟動(dòng)鼓風(fēng)機(jī)。確認(rèn)鼓風(fēng)機(jī)運(yùn)行后，開(kāi)始計(jì)時(shí)濾池氣沖時(shí)間。當(dāng)濾池氣沖時(shí)間到時(shí)，進(jìn)入氣水聯(lián)合沖洗階段。 　?。?）氣水聯(lián)合沖洗 　　開(kāi)水沖閥，啟動(dòng)低速水沖洗流程（即啟動(dòng)一臺(tái)沖洗水泵）。氣水聯(lián)合沖洗時(shí)間開(kāi)始計(jì)時(shí)，并監(jiān)控濾池水位。當(dāng)濾池水位達(dá)到“低速?zèng)_洗”水位或氣水聯(lián)合沖洗時(shí)間超過(guò)最大設(shè)定值，關(guān)閉鼓風(fēng)機(jī)。關(guān)閉濾池氣沖閥，開(kāi)啟濾池排氣閥。 　?。?）排氣 　　確認(rèn)濾池氣沖閥關(guān)閉和濾池排氣閥開(kāi)放后，排氣時(shí)間和高速水沖洗延遲時(shí)間開(kāi)始計(jì)時(shí)。當(dāng)高速水沖洗延遲時(shí)間到設(shè)定值，進(jìn)入高速水沖洗階段。當(dāng)排氣時(shí)間到設(shè)定值，關(guān)閉濾池排氣閥。 　?。?）高速水沖洗 　　高速水沖延遲時(shí)間到時(shí)后，啟動(dòng)高速水沖流程（即啟動(dòng)兩臺(tái)沖洗水泵），開(kāi)始累計(jì)高速?zèng)_洗水流量，達(dá)到設(shè)定值，關(guān)閉已啟動(dòng)的兩臺(tái)沖洗水泵。關(guān)閉濾池水沖閥和濾池排水閥。 　?。?）濾池重新填充和中間沉淀物 　　確認(rèn)濾池水沖閥和濾池排水閥關(guān)閉后，按照重行填充時(shí)間和中間沉淀時(shí)間開(kāi)放濾池進(jìn)水閥。 　?。?）慢速啟動(dòng) 　　確認(rèn)濾池進(jìn)水閥開(kāi)放，重新開(kāi)始清水閥的流量控制。流量控制值按設(shè)定斜率逐漸增大。當(dāng)濾池流量控制值達(dá)到由進(jìn)水渠決定的PID控制值，沿用由進(jìn)水渠決定的PID控制值繼續(xù)調(diào)節(jié)出水流量。濾池進(jìn)入過(guò)濾模式，過(guò)濾運(yùn)行時(shí)間開(kāi)始重新計(jì)時(shí)。 4.結(jié)束語(yǔ) 　　本文的創(chuàng)新點(diǎn)是：基于ControlNet網(wǎng)絡(luò)的水廠(chǎng)濾池自動(dòng)控制系統(tǒng)用于水廠(chǎng)的擴(kuò)建和改造，實(shí)現(xiàn)濾池部分的數(shù)據(jù)集中監(jiān)控和管理的信息化。再加上整個(gè)系統(tǒng)具有較高的可靠性、穩(wěn)定性，水廠(chǎng)可以節(jié)省大量的操作員，只需要很少的人值守就可以保證系統(tǒng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。羅克韋爾自動(dòng)化ControLogix系列PLC在該水廠(chǎng)的應(yīng)用，不僅促進(jìn)了該地區(qū)的經(jīng)濟(jì)快速健康發(fā)展、提高了城鎮(zhèn)居民的生活質(zhì)量，而且對(duì)該地區(qū)水處理事業(yè)的發(fā)展具有重大意義。 參考文獻(xiàn) 　　[1] 衡軍山,甄成剛.基于軟件的雙CPU冗余控制研究[J].2005.7. 21（7-1）.Pp. 59-61. 　　[2] W.Bolton.Programmable Logic 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