1 引言
70年代以前,控制系統(tǒng)中采用模擬量對(duì)傳輸及控制信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換、傳遞,其精度差、受干擾信號(hào)影響大,因而整個(gè)控制系統(tǒng)的控制效果及系統(tǒng)穩(wěn)定性都很差。70年代末,隨著大規(guī)模集成電路的出現(xiàn),微處理器技術(shù)得到很大發(fā)展。微處理器功能強(qiáng)、體積小、可靠性高、通過適當(dāng)?shù)慕涌陔娐酚糜诳刂葡到y(tǒng),控制效果得到提高;但是盡管如此,還是屬于集中式控制系統(tǒng)。隨著過程控制技術(shù)、自動(dòng)化儀表技術(shù)和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的成熟和發(fā)展,控制領(lǐng)域又發(fā)生了一次技術(shù)變革。這次變革使傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)(如集散控制系統(tǒng))無論在結(jié)構(gòu)上還是在性能上都發(fā)生了巨大的飛躍,這次變革的基礎(chǔ)就是現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的產(chǎn)生。
現(xiàn)場(chǎng)總線是連接現(xiàn)場(chǎng)智能設(shè)備和自動(dòng)化控制設(shè)備的雙向串行、數(shù)字式、多節(jié)點(diǎn)通信網(wǎng)絡(luò)?,F(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)(field control system, fcs)定義為:由各種現(xiàn)場(chǎng)儀表通過互連與控制室內(nèi)人機(jī)界面所組成的系統(tǒng);一個(gè)全分散、全數(shù)字化、全開放和可互操作的生產(chǎn)過程自動(dòng)控制系統(tǒng)。80年代以來,各種現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)開始出現(xiàn),人們要求對(duì)傳統(tǒng)的模擬儀表和控制系統(tǒng)變革的呼聲也越來越高,從而使現(xiàn)場(chǎng)總線成為一次世界性的技術(shù)變革浪潮。
目前,現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)已經(jīng)用于過程自動(dòng)化、制造自動(dòng)化、樓宇自動(dòng)化等領(lǐng)域的現(xiàn)場(chǎng)智能設(shè)備互連通信網(wǎng)絡(luò)中。作為工廠數(shù)字通信網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ),溝通了生產(chǎn)過程現(xiàn)場(chǎng)與控制設(shè)備之間的聯(lián)系外,還連接著更高控制管理層。因此,它不僅是一個(gè)基層網(wǎng)絡(luò), 而且還可構(gòu)成一種開放式、新型全分布控制系統(tǒng), 即集智能、傳感、控制、計(jì)算機(jī)、數(shù)字通信技術(shù)于一身的控制系統(tǒng)。正由于這些特點(diǎn),以現(xiàn)場(chǎng)總線作為技術(shù)支撐的fcs在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域有明顯的優(yōu)勢(shì),如很高的精確性、設(shè)計(jì)組態(tài)簡(jiǎn)單、擴(kuò)展安裝方便、易于維護(hù)、節(jié)省軟硬件投資等。它被公認(rèn)為第五代控制系統(tǒng),成為當(dāng)今工業(yè)自動(dòng)化發(fā)展的必然趨勢(shì)。
2 現(xiàn)場(chǎng)分析及profibus特性
2.1 現(xiàn)場(chǎng)分析
進(jìn)行張士?jī)羲畯S普通快濾池設(shè)計(jì)時(shí),選用現(xiàn)場(chǎng)總線作為控制系統(tǒng)支撐技術(shù)。基于現(xiàn)場(chǎng)總線的張士?jī)羲畯S普通快濾池自動(dòng)控制系統(tǒng),應(yīng)達(dá)到如下要求:
(1) 系統(tǒng)具有較高的可靠性;
(2) 張士?jī)羲畯S普通快濾池設(shè)計(jì)以全自動(dòng)化,無人值守為目標(biāo);
(3) 具有自動(dòng)故障診斷和故障處理功能;
(4) 具有遠(yuǎn)程監(jiān)控功能;
(5) 系統(tǒng)具有較強(qiáng)的開放性,能與全廠計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)交換信息。
目前國(guó)際上現(xiàn)有總線及總線標(biāo)準(zhǔn)不下200種,最具代表性的現(xiàn)場(chǎng)總線是profibus(process fieldbus)。profibus是由siemens公司推出的一種開放式現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn),1989年成為德國(guó)標(biāo)準(zhǔn)din19245,1996年成為歐洲標(biāo)準(zhǔn)en50170,1999年12月被接受為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)iec61158的一部分。用于工廠自動(dòng)化系統(tǒng)三級(jí)網(wǎng)絡(luò)中的底層,即車間級(jí)監(jiān)控和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層數(shù)據(jù)通信與控制;使用于分散的、具有通訊接口的現(xiàn)場(chǎng)受控設(shè)備對(duì)底層設(shè)備有較高的數(shù)據(jù)集成和遠(yuǎn)程診斷、故障報(bào)警及數(shù)字化要求的系統(tǒng)。
經(jīng)過對(duì)幾家現(xiàn)場(chǎng)總線性能價(jià)格認(rèn)真比較,本系統(tǒng)采用profibus總線網(wǎng)絡(luò)作為支撐網(wǎng)絡(luò)。系統(tǒng)內(nèi)控制裝置采用采用siemens公司的s7-300系列和s7-200系列plc兩種,分級(jí)控制著現(xiàn)場(chǎng)及車間設(shè)備運(yùn)行。
2.2 profibus網(wǎng)絡(luò)特性
profibus網(wǎng)絡(luò)特性圖如圖1所示:
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圖1 profibus 網(wǎng)絡(luò)特性[/align]
profibus是一種用于工廠自動(dòng)化車間級(jí)監(jiān)控和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層數(shù)據(jù)通信與控制的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)。可實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層到車間級(jí)監(jiān)控的分散式數(shù)字控制和現(xiàn)場(chǎng)通信網(wǎng)絡(luò),從而為實(shí)現(xiàn)工廠綜合自動(dòng)化和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備智能化提供了可行的解決方案。
profibus-dp基本功能和特性如下:
(1) 遠(yuǎn)程離高速通信
支持9.6kbps到12mbps的傳輸速率;12mbps時(shí)最大傳輸距離為100m,1.5mbps時(shí)為200m,另外還可以用中繼器延長(zhǎng)。
(2) 分布式結(jié)構(gòu)
各主站間令牌傳遞,主站與從站為主-從傳送;每段可有32個(gè)站,用連接線可擴(kuò)展到126個(gè)站。
(3) 節(jié)省硬件和安裝費(fèi)用
減少硬件成分(i/o、終端塊、隔離柵);更容易、更快捷和低成本安裝。
(4) 節(jié)省工程費(fèi)用
更容易組態(tài);更容易保養(yǎng)和維修;更容易和更快捷的系統(tǒng)啟動(dòng)。
(5) 更大的制造靈活性
改進(jìn)功能;減少故障時(shí)間;準(zhǔn)確、可靠的診斷數(shù)據(jù);可靠的數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)。
3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
3.1 現(xiàn)場(chǎng)控制單元硬件設(shè)計(jì)
現(xiàn)場(chǎng)控制單元不僅具有自動(dòng)控制功能,由于觸摸屏的使用,而具有直觀的動(dòng)態(tài)畫面監(jiān)視功能,其結(jié)構(gòu)如圖2所示:
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圖2 濾池就地控制單元硬件結(jié)構(gòu)圖[/align]
如圖2所示,單個(gè)濾池由6個(gè)閥門組成: f1進(jìn)水閥、f2出水閥、f3反沖洗進(jìn)水閥、f4反沖洗進(jìn)氣閥、f5反沖洗排水閥、f6排氣閥。由一臺(tái)s7-224 plc控制單個(gè)濾池的自動(dòng)過濾和自動(dòng)反沖洗。濾池就地控制單元即profibus總線的一個(gè)從站,執(zhí)行單個(gè)濾池的控制過程內(nèi)部數(shù)據(jù)交換。plc與觸摸屏通過rs-485網(wǎng)絡(luò)互連,濾池就地控制單元功能包括:
(1) 控制單格濾池的自動(dòng)過濾和自動(dòng)反沖洗
自動(dòng)過濾監(jiān)測(cè)濾池水位,據(jù)濾池水位的情況及時(shí)調(diào)整出水閥的開度,使濾池保持在恒定水位。當(dāng)運(yùn)行周期到或強(qiáng)沖或水頭損失以達(dá)到設(shè)定值時(shí),濾池進(jìn)行自動(dòng)反沖洗。控制器監(jiān)測(cè)濾池水位到達(dá)低水位,開啟反沖洗排水閥,開啟反沖洗進(jìn)氣閥和鼓風(fēng)機(jī)、氣沖5min;開啟反沖洗進(jìn)水閥和反沖洗泵、氣水混合沖5min;關(guān)閉反沖洗進(jìn)氣閥和鼓風(fēng)機(jī)、水沖5min;關(guān)閉反沖洗進(jìn)水閥和反沖洗泵,關(guān)閉排水閥,反沖洗結(jié)束?!?
(2) 控制方式和流程的選擇。識(shí)別手動(dòng)、自動(dòng)集控(包括全自動(dòng)及觸摸監(jiān)控)方式。根據(jù)實(shí)際情況選擇氣水沖洗和單純水沖流程。
(3) 保護(hù)功能
當(dāng)濾池水位高于最高水位時(shí),自動(dòng)停止進(jìn)水,開大出水閥。給出報(bào)警提示。當(dāng)濾池水位高于超高水位時(shí),全開出水閥,等待水位下降。
(4) 故障檢測(cè)和診斷
檢測(cè)閥門在規(guī)定時(shí)限內(nèi)是否到位,進(jìn)行檢錯(cuò)分析,為可靠性控制提供依據(jù)?! ?
(5) 動(dòng)畫監(jiān)視
以動(dòng)畫形式實(shí)時(shí)顯示濾池各個(gè)閥門開關(guān)狀態(tài)、到位情況、故障發(fā)生情況等;顯示各個(gè)濾格狀態(tài)(包括正常過濾、反沖洗、觸摸屏狀態(tài)、手動(dòng)控制等);顯示風(fēng)機(jī)水泵運(yùn)行及故障情況;實(shí)時(shí)顯示水位值?! ?
(6) 實(shí)時(shí)操作
包括濾格狀態(tài)(全自動(dòng)/觸摸監(jiān)控方式)選擇;故障復(fù)位;在觸摸監(jiān)控方式下對(duì)濾池各個(gè)閥門進(jìn)行開關(guān)控制?! ?
(7) 遠(yuǎn)程操作
在觸摸屏上可執(zhí)行對(duì)兩臺(tái)風(fēng)機(jī)及兩臺(tái)反沖泵的直接啟、??刂啤?
3.2 集控主站硬件設(shè)計(jì)
集控主站置于凈水車間的控制室內(nèi),由s7-300 plc 作為主控制器。其硬件結(jié)構(gòu)圖如圖3所示:
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圖3 濾池集控主站硬件結(jié)構(gòu)圖[/align]
濾池集控主站管理profibus總線上8個(gè)從站(每個(gè)從站監(jiān)控1個(gè)濾池)共對(duì)8個(gè)濾池的400點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和交換;監(jiān)控2臺(tái)風(fēng)機(jī)、2臺(tái)反沖洗泵運(yùn)行;對(duì)關(guān)鍵數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并上送到水廠控制中心。濾池集控主站的功能有:
(1) 動(dòng)畫監(jiān)視
以動(dòng)畫形式實(shí)時(shí)顯示8個(gè)濾池各個(gè)閥門開關(guān)狀態(tài)、到位情況、故障發(fā)生情況等;顯示各個(gè)濾池狀態(tài)(包括正常過濾、反沖洗、觸摸屏狀態(tài)、手自動(dòng)控制等);顯示風(fēng)機(jī)水泵運(yùn)行及故障情況;實(shí)時(shí)顯示水位值及2小時(shí)內(nèi)濾格水位變化趨勢(shì)?!?
(2) 監(jiān)控2臺(tái)風(fēng)機(jī)、2臺(tái)反沖泵運(yùn)行
對(duì)風(fēng)機(jī)、水泵變頻器進(jìn)行選擇控制、變頻器頻率設(shè)置。
(3)) 實(shí)時(shí)操作
執(zhí)行對(duì)濾池進(jìn)行強(qiáng)沖;排水閥、排氣閥、氣沖閥、水沖閥的統(tǒng)一控制管理。
(4) 流程的選擇
根據(jù)實(shí)際情況選擇氣水沖洗和單純水沖流程。
(5) 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的顯示
以數(shù)字和曲線形式實(shí)時(shí)顯示8個(gè)濾池的水位及2小時(shí)內(nèi)水位走勢(shì);以數(shù)字和圖形式實(shí)時(shí)顯示8個(gè)濾池的累計(jì)運(yùn)行時(shí)間?! ?
(6) 歷史數(shù)據(jù)查詢
觸摸屏可存儲(chǔ)2000條記錄(保持三個(gè)月的運(yùn)行參數(shù)不刷新)。記錄包括:8個(gè)濾池沖洗發(fā)生時(shí)間結(jié)束時(shí)間;濾池所處狀態(tài)(全自動(dòng)/觸摸監(jiān)控);8個(gè)濾池各個(gè)閥門故障發(fā)生時(shí)間等。
(7) 故障查詢
當(dāng)濾格閥門故障報(bào)警發(fā)生時(shí),用戶查看具體的故障類型、位置和發(fā)生時(shí)間?! ?
(8) 參數(shù)設(shè)置
可對(duì)濾池運(yùn)行時(shí)間、運(yùn)行水位;濾池水沖時(shí)間、氣沖時(shí)間;閥門開關(guān)時(shí)限;啟動(dòng)反沖泵臺(tái)數(shù);風(fēng)機(jī)變頻器選擇等,通過人機(jī)對(duì)話方式由技術(shù)人員設(shè)置,此功能只能通過密碼進(jìn)入?!?
4 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
4.1 濾池集控主站軟件設(shè)計(jì)
濾池集控主站其結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。
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圖4 濾池集控主站軟件結(jié)構(gòu)圖[/align]
主站軟件包括8個(gè)濾池排隊(duì)沖洗、profibus網(wǎng)絡(luò)管理、2臺(tái)風(fēng)機(jī)監(jiān)控、2臺(tái)反沖泵監(jiān)控、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)、故障診斷報(bào)警、與中心站通信等。
4.2 濾池就地控制單元軟件設(shè)計(jì)
濾池就地控制單元其結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。
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圖5 濾池就地控制軟件結(jié)構(gòu)圖[/align]
圖5中濾池就地控制單元包括:單個(gè)濾池控制、p網(wǎng)絡(luò)管理(profibus網(wǎng)絡(luò))、r網(wǎng)絡(luò)管理(rs-485網(wǎng)絡(luò))、人機(jī)界面、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、故障診斷、風(fēng)機(jī)及反沖泵監(jiān)控等功能。
單格濾池控制執(zhí)行自動(dòng)過濾監(jiān)測(cè)濾池水位,根據(jù)濾池水位的情況及時(shí)調(diào)整出水閥的開度,使濾池保持在過濾水位。當(dāng)運(yùn)行周期到或強(qiáng)沖或水頭損失以達(dá)到設(shè)定值時(shí),濾池進(jìn)行自動(dòng)反沖洗。單個(gè)濾池控制軟件流程如圖6所示。
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圖6 單格濾池控制流程圖[/align]
5 結(jié)束語
張士?jī)羲畯S普通快濾池系統(tǒng)在投入運(yùn)行10個(gè)月來,一直穩(wěn)定可靠。當(dāng)濾池進(jìn)水濁度在10ntu以下時(shí),可保證濾后水濁度在0.7ntu以下,同時(shí)反沖洗配水、配氣均勻;整個(gè)自控系統(tǒng)運(yùn)行良好,實(shí)現(xiàn)濾池工藝自動(dòng)化,保證了水廠優(yōu)質(zhì)、低耗、安全供水。工人的勞動(dòng)強(qiáng)度得到大幅降低,激發(fā)工人強(qiáng)烈的學(xué)習(xí)興趣。系統(tǒng)的自診斷功能充分發(fā)揮作用,設(shè)備的維護(hù)率得到了很大提高?;旧夏軐?shí)現(xiàn)無人值守。