1 引言 茂名市第二自來水廠的日產(chǎn)量為2×105立方米，提供茂名市區(qū)70%以上的日常用水。為緩解該市的供水緊張狀況，市政府加大投資力度，對該水廠進行擴建。該水廠設(shè)備自動化程度較高，整個自控系統(tǒng)采用（PC+PLC）的組成形式。濾池控制在水廠自動化中屬于較難設(shè)計的環(huán)節(jié)，主要表現(xiàn)在反沖洗過程中開、關(guān)閥順序和開、關(guān)閥條件的復(fù)雜上。本文主要闡述該廠擴建濾池自控系統(tǒng)的主要設(shè)計過程。 2 濾池系統(tǒng)的控制任務(wù) 2.1工藝要求 第二自來水廠新擴建的V型濾池共設(shè)六個濾格，每格安裝有一個液位計、一個阻塞儀，每濾格均有各自的進水閥、清水閥、氣沖閥、水沖閥以及排水閥和排氣閥。用于氣沖的鼓風機有3臺（兩用一備）；用于水沖的3臺反沖洗泵（兩用一備）；兩臺空氣壓縮機（一用一備）；1臺干燥器。 待濾水進入濾池的各單元濾格，經(jīng)石英沙恒速過濾后，再進入清水池。過濾的工藝要求濾格內(nèi)的水位保持在濾料上的1.2米處，在這個水位上，過濾的效果最好。為實現(xiàn)等速恒水位過濾，就要使濾池的出水量等于進水量，應(yīng)根據(jù)濾池水位變化來調(diào)節(jié)出水閥的開啟度以控制出水量的大小。而當濾池的運行滿足反沖洗的約束條件時，需要進行反沖洗清潔濾沙。反沖洗是通過控制濾池進水閥、清水出水閥、反沖進氣閥、排氣閥、反沖進水閥、反沖排水閥并運行反沖水泵、風機等來實現(xiàn)的。 因此，濾池控制系統(tǒng)的任務(wù)主要是過濾時的液拉控制和清潔過濾砂時的反沖洗控制，過濾和反沖洗不斷循環(huán)交替進行。 2.2 對控制系統(tǒng)的性能指標要求如 （1）實現(xiàn)自動恒水位過濾，誤差：±1.5㎝； （2）根據(jù)下列約束條件之一，能準確地實現(xiàn)自動反沖洗： ?過濾時間達到反沖洗設(shè)定周期（如48小時）仍未反沖洗的； ?過濾水頭損失值到達設(shè)定值（150）且延時時間（15分鐘）已到，仍未反沖洗的； ?強制反沖洗按鈕被觸發(fā)。 （3）反沖洗周期、反沖洗過程中各步驟的時間均可通過程序設(shè)定，滿足工藝及實際操作要求。 （4）能直觀顯示濾池過濾水位、水頭損失及出水閥開啟度，同時顯示反沖洗設(shè)備、本地濾池閥門等的開關(guān)狀態(tài)。 （5）對反沖洗設(shè)備、本地濾池閥門及反沖洗過程既可以實現(xiàn)全自動控制，也可以進行手動控制。 3 濾池的控制原理與運行過程 3.1 恒水位控制原理 濾池的恒水位控制如圖1所示。 每個濾池將濾池水位檢測值和水位設(shè)定值進行比較，得到水位偏差信號Δe，經(jīng)PID運算后把輸出信號送給輸出附加處理程序，再輸出給出水閥的伺服電機以控制出水閥的開度。開度增大的數(shù)值是由一定累積時間內(nèi)水位上升的速度及水位偏差共同決定的。若進水流速越快，出水閥開度就越大，反之越小。PID運算的目標是把水位保持在設(shè)定值，附加值可作為補償添加到輸出控制中。輸出附加處理程序是把PID的運算結(jié)果按一定的規(guī)律輸出給清水閥伺服電機。 [align=center] 圖1濾池恒水位控制系統(tǒng)圖[/align] 3.2 反沖洗過程 當控制系統(tǒng)接收到反沖洗指令信號時，按照先進先出的原則排隊進行反沖洗。反沖洗分氣洗、氣水混合洗、水洗三個階段，過程如下：首先關(guān)閉待濾水進水閥，當水位降至設(shè)定的反沖水位時，關(guān)閉清水出水閥并打開廢水排水閥，排水閥的信號到位后先關(guān)閉排氣閥，再打開反沖進氣閥，啟動第一臺風機進行氣沖，氣沖需要時間1-3min；完成后，打開反沖進水閥，再啟動第2臺風機及第1臺水泵，進行氣水混合洗，時間為5min；然后關(guān)閉2臺風機，關(guān)閉反沖進氣閥，打開排氣閥，啟動第2臺水泵，進行單水沖洗，需要時間3-6min，完成后關(guān)閉反沖進水閥，停2臺反沖洗水泵，關(guān)閉排廢水閥，打開待濾進水閥，打開濾后清水閥。當水位升到過濾恒水位時，系統(tǒng)又轉(zhuǎn)入正常的過濾程序。 4 控制系統(tǒng)設(shè)計 4.1 硬件構(gòu)成及網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) 本系統(tǒng)采用PC+PLC的構(gòu)成形式。上位機由一臺COMPAQ微機和兩臺打印機組成，下位機由模擬屏PLC8、公共沖洗PLC7和六個單元濾池PLC1-6共八臺施奈德公司的PLC組成，如圖2所示。 各PLC采用雙絞線電纜連成的總線形接出式拓樸結(jié)構(gòu)通信網(wǎng)，其又稱FIPWAY通信網(wǎng)，傳輸速率為1Mbps。各PLC之間彼此進行通信，實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。單元濾池和公共沖洗的PLC，均配備一臺現(xiàn)場XBT—B（人工智能接口），它通過電纜與PLC聯(lián)系，在XBT操作盤上可以對濾池進行現(xiàn)場手動控制。各單元濾池PLC通過FIPWAY網(wǎng)絡(luò)與公共沖洗PLC相連，公共沖洗PLC又通過網(wǎng)絡(luò)進入水廠中控室和微機聯(lián)網(wǎng)，故系統(tǒng)能在中控室內(nèi)對濾池的運行進行遠程監(jiān)控，實現(xiàn)了中控室計算 [align=center] 圖2濾池自控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)圖[/align] 機集中監(jiān)控、PLC遠程控制、現(xiàn)場XBT操作的三級控制，從而確保了濾池生產(chǎn)運行的安全可靠性。 本系統(tǒng)PLC配置如下： PLC8：TSX47/415的CPU/COM、POWER、DI各一塊；DO為9塊。模擬屏設(shè)有D/A轉(zhuǎn)換器。 PLC7：TSX67/455的CPU/COM、POWER、DO和AI（TSXAEM811）各1塊；DI為2塊。 PLC1-6：TSX47/415的CPU/COM、POWER、DI、DO、AI（TSXAEM411）各1塊。 PLC與PC機的通訊，要先在PC機安裝TE公司的專用FIPWAY通訊網(wǎng)卡，然后通過RS422通訊接口進行數(shù)據(jù)通訊。 4.2 PLC的控制功能 單元濾池的PLC主要完成本格濾池的恒水位過濾控制和每格濾池的進水閥、出水閥、排污閥、反沖進氣閥、排氣閥、反沖水閥等的自動控制，及數(shù)據(jù)采集，并與公共沖洗PLC交換數(shù)據(jù)信息。當濾板下的阻塞儀將濾床阻塞程度信號轉(zhuǎn)送給濾池單元PLC，PLC接收信號后，與水頭設(shè)定值進行比較、顯示出來，用以決定濾池是否要反沖洗，并傳送至公共沖洗PLC。濾池的開啟個數(shù)由進水流量決定，每個濾池由液位計和阻塞儀測出濾池的水位和水頭損失值，并和濾后水閥門開度這三個參數(shù)送單元PLC，經(jīng)PLC內(nèi)置PID運算后，若水位偏差超過1.5cm時，PLC立即啟動控制單元自動調(diào)整濾池出水蝶閥的開度，維持濾池水位基本恒定，從而實現(xiàn)恒水位過濾。 公共沖洗PLC負責六個濾池的反沖洗排隊協(xié)調(diào)、和對反沖洗設(shè)備（反沖水泵、鼓風機等）及其進出口閥門的監(jiān)控。當單元PLC向公共沖洗PLC發(fā)出反沖洗請求時，公共沖洗PLC則開始啟動反沖洗程序?qū)υ摓V池進行反沖洗控制。當某濾格正在反沖洗時，若又有一個或多個濾池發(fā)出反沖洗請求信號時，則此信號被存入公共沖洗PLC存儲器中，然后按存儲先后順序進行沖洗，排隊等待反沖洗的濾池則維持正常的生產(chǎn)。 模擬屏PLC的作用是驅(qū)動模擬屏工作及實現(xiàn)與水公司電臺系統(tǒng)、微機的通訊。在模擬屏上能動態(tài)顯示整個水廠的工藝流程和設(shè)備運行狀態(tài)以及其主要的工藝參數(shù)，并實現(xiàn)聲光報警，便于生產(chǎn)調(diào)度管理。 4.3 程序設(shè)計 當濾池滿足反沖洗控制約束條件之一時進行反沖洗。本系統(tǒng)用一個反沖洗PLC實現(xiàn)六個濾池的排隊反沖洗，通過公共程序的讀寫命令采集整組濾池的反沖信息及濾池具體水位情況并發(fā)出命令。公共程序的主要內(nèi)容包括：反沖水泵風機控制程序、公共PLC與其他各單元PLC信息的讀寫程序和濾池排隊程序。 每格濾池的工藝過程基本相同，其PLC程序結(jié)構(gòu)也相同，可用子程序的形式，如圖3所示。每個濾池程序包括初始化命令及濾池的自動狀態(tài)、手動狀態(tài)、現(xiàn)場狀態(tài)等程序。濾池自動狀態(tài)程序包含反沖洗狀態(tài)、整理狀態(tài)、正常過濾狀態(tài)三個子程序。濾池手動狀態(tài)程序包含各個閥門的手動操作命令。濾池現(xiàn)場狀態(tài)程序主要內(nèi)容包含：（1）在濾池由自動狀態(tài)轉(zhuǎn)到現(xiàn)場時已發(fā)出的命令必須全部復(fù)位。（2）自動狀態(tài)中的某些變量，如時間變量、計數(shù)器變量等必須復(fù)位。（3）針對反沖必須在這個狀態(tài)下發(fā)出一個結(jié)束反沖命令。 4.4系統(tǒng)監(jiān)控軟件 本系統(tǒng)上位機采用Windows NT操作系統(tǒng)，實時監(jiān)控軟件選用Wonderware公司的InTouch7.0工業(yè)組態(tài)軟件,它主要包含WindowMaker和WindowViewer兩個程序。上位機配備有遵循FIPWAY通訊協(xié)議的通訊網(wǎng)卡，實時采集生產(chǎn)數(shù)據(jù)。通過監(jiān)控計算機可清晰地顯示濾池的過濾、等待、反沖等運行過程中動態(tài)的工藝模擬畫面，可對系統(tǒng)的所有設(shè)備進行遠程操作和控制，并具備顯示工藝布置圖、實時動態(tài)參數(shù)、設(shè)備的工作狀態(tài)及實時/歷史報警信號、在線儀表的實時/歷史趨勢曲線、馬達運行時間等功能，同時可進行離線/在線編程及設(shè)定參數(shù)的修改，編制和打印生產(chǎn)與管理報表。 5 新舊系統(tǒng)的聯(lián)網(wǎng)問題 由于新建的濾池系統(tǒng)與水廠原系統(tǒng)是用不同公司的PLC開發(fā)成的兩套獨立系統(tǒng)，兩系統(tǒng)的通信協(xié)議不同，它們之間沒有數(shù)據(jù)通信，這給生產(chǎn)和管理帶來一定的麻煩。兩期的監(jiān)控組態(tài)軟件都采用了InTouch，但所用版本不同。從技術(shù)改造成本和公司技術(shù)力量來考慮，決定利用InTouch基于以太網(wǎng)并兼容TCP/IP通信協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)功能來實現(xiàn)兩套獨立系統(tǒng)的聯(lián)網(wǎng)控制。具體方法如下： 先用交換機組建一個以太網(wǎng)，系統(tǒng)示意圖如圖4，并在原系統(tǒng)監(jiān)控微機PC1 和新建系統(tǒng)監(jiān)控微機PC2上分別安裝TCP/IP通信協(xié)議、NetDDE程序。 再對InTouch監(jiān)控系統(tǒng)軟件進行設(shè)茫篴. 運行InTouch的開發(fā)環(huán)境windowmaker，利用“import”功能將新舊兩期程序數(shù)據(jù)整合成為一個完整的應(yīng)用程序，分別安裝在PC1和PC2上，這樣就可以在任一臺PC上對生產(chǎn)進行監(jiān)控；b.對InTouch的DDE Access進行設(shè)置，方法是在“Modify DDE Access Name”對話框中的“DDE Application/Server Name”欄增加“\\PC2\viewer”（在PC1上）和“\\PC1\viewer”（在PC2上）。通過這個設(shè)置，PC1和PC2就可通過以太網(wǎng)進行實時數(shù)據(jù)通信；c. 初始化NetDDE，運行InTouch windowviewer，PC1和PC2即可進行實時通信。 6 結(jié)束語 濾池經(jīng)一段時間的運行后顯示出控制系統(tǒng)應(yīng)用效果良好，系統(tǒng)的各項控制性能指標均能達到設(shè)計要求。在正常情況下，本濾池水位波動被控制在設(shè)定值的±1.5cm范圍內(nèi)，實現(xiàn)了自動過濾及六個濾池自動排隊和反沖洗，并間接實現(xiàn)了與水廠原系統(tǒng)的聯(lián)網(wǎng)控制，整個控制系統(tǒng)的設(shè)計基本滿足了生產(chǎn)要求，達到了預(yù)期效果。