1 引言 茂名市第二自來(lái)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(duì)該水廠進(jìn)行擴(kuò)建。該水廠設(shè)備自動(dòng)化程度較高，整個(gè)自控系統(tǒng)采用（PC+PLC）的組成形式。濾池控制在水廠自動(dòng)化中屬于較難設(shè)計(jì)的環(huán)節(jié)，主要表現(xiàn)在反沖洗過(guò)程中開(kāi)、關(guān)閥順序和開(kāi)、關(guān)閥條件的復(fù)雜上。本文主要闡述該廠擴(kuò)建濾池自控系統(tǒng)的主要設(shè)計(jì)過(guò)程。 2 濾池系統(tǒng)的控制任務(wù) 2.1工藝要求 第二自來(lái)水廠新擴(kuò)建的V型濾池共設(shè)六個(gè)濾格，每格安裝有一個(gè)液位計(jì)、一個(gè)阻塞儀，每濾格均有各自的進(jìn)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(fēng)機(jī)有3臺(tái)（兩用一備）；用于水沖的3臺(tái)反沖洗泵（兩用一備）；兩臺(tái)空氣壓縮機(jī)（一用一備）；1臺(tái)干燥器。 待濾水進(jìn)入濾池的各單元濾格，經(jīng)石英沙恒速過(guò)濾后，再進(jìn)入清水池。過(guò)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(gè)水位上，過(guò)濾的效果最好。為實(shí)現(xiàn)等速恒水位過(guò)濾，就要使濾池的出水量等于進(jìn)水量，應(yīng)根據(jù)濾池水位變化來(lái)調(diào)節(jié)出水閥的開(kāi)啟度以控制出水量的大小。而當(dāng)濾池的運(yùn)行滿足反沖洗的約束條件時(shí)，需要進(jìn)行反沖洗清潔濾沙。反沖洗是通過(guò)控制濾池進(jìn)水閥、清水出水閥、反沖進(jìn)氣閥、排氣閥、反沖進(jìn)水閥、反沖排水閥并運(yùn)行反沖水泵、風(fēng)機(jī)等來(lái)實(shí)現(xiàn)的。 因此，濾池控制系統(tǒng)的任務(wù)主要是過(guò)濾時(shí)的液拉控制和清潔過(guò)濾砂時(shí)的反沖洗控制，過(guò)濾和反沖洗不斷循環(huán)交替進(jìn)行。 2.2 對(duì)控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)要求如 （1）實(shí)現(xiàn)自動(dòng)恒水位過(guò)濾，誤差：±1.5㎝； （2）根據(jù)下列約束條件之一，能準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)自動(dòng)反沖洗： ?過(guò)濾時(shí)間達(dá)到反沖洗設(shè)定周期（如48小時(shí)）仍未反沖洗的； ?過(guò)濾水頭損失值到達(dá)設(shè)定值（150）且延時(shí)時(shí)間（15分鐘）已到，仍未反沖洗的； ?強(qiáng)制反沖洗按鈕被觸發(fā)。 （3）反沖洗周期、反沖洗過(guò)程中各步驟的時(shí)間均可通過(guò)程序設(shè)定，滿足工藝及實(shí)際操作要求。 （4）能直觀顯示濾池過(guò)濾水位、水頭損失及出水閥開(kāi)啟度，同時(shí)顯示反沖洗設(shè)備、本地濾池閥門(mén)等的開(kāi)關(guān)狀態(tài)。 （5）對(duì)反沖洗設(shè)備、本地濾池閥門(mén)及反沖洗過(guò)程既可以實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)控制，也可以進(jìn)行手動(dòng)控制。 3 濾池的控制原理與運(yùn)行過(guò)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(gè)濾池將濾池水位檢測(cè)值和水位設(shè)定值進(jìn)行比較，得到水位偏差信號(hào)Δe，經(jīng)PID運(yùn)算后把輸出信號(hào)送給輸出附加處理程序，再輸出給出水閥的伺服電機(jī)以控制出水閥的開(kāi)度。開(kāi)度增大的數(shù)值是由一定累積時(shí)間內(nèi)水位上升的速度及水位偏差共同決定的。若進(jìn)水流速越快，出水閥開(kāi)度就越大，反之越小。PID運(yùn)算的目標(biāo)是把水位保持在設(shè)定值，附加值可作為補(bǔ)償添加到輸出控制中。輸出附加處理程序是把PID的運(yùn)算結(jié)果按一定的規(guī)律輸出給清水閥伺服電機(jī)。 [align=center] 圖1濾池恒水位控制系統(tǒng)圖[/align] 3.2 反沖洗過(guò)程 當(dāng)控制系統(tǒng)接收到反沖洗指令信號(hào)時(shí)，按照先進(jìn)先出的原則排隊(duì)進(jìn)行反沖洗。反沖洗分氣洗、氣水混合洗、水洗三個(gè)階段，過(guò)程如下：首先關(guān)閉待濾水進(jìn)水閥，當(dāng)水位降至設(shè)定的反沖水位時(shí)，關(guān)閉清水出水閥并打開(kāi)廢水排水閥，排水閥的信號(hào)到位后先關(guān)閉排氣閥，再打開(kāi)反沖進(jìn)氣閥，啟動(dòng)第一臺(tái)風(fēng)機(jī)進(jìn)行氣沖，氣沖需要時(shí)間1-3min；完成后，打開(kāi)反沖進(jìn)水閥，再啟動(dòng)第2臺(tái)風(fēng)機(jī)及第1臺(tái)水泵，進(jìn)行氣水混合洗，時(shí)間為5min；然后關(guān)閉2臺(tái)風(fēng)機(jī)，關(guān)閉反沖進(jìn)氣閥，打開(kāi)排氣閥，啟動(dòng)第2臺(tái)水泵，進(jìn)行單水沖洗，需要時(shí)間3-6min，完成后關(guān)閉反沖進(jìn)水閥，停2臺(tái)反沖洗水泵，關(guān)閉排廢水閥，打開(kāi)待濾進(jìn)水閥，打開(kāi)濾后清水閥。當(dāng)水位升到過(guò)濾恒水位時(shí)，系統(tǒng)又轉(zhuǎn)入正常的過(guò)濾程序。 4 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 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(jī)由一臺(tái)COMPAQ微機(jī)和兩臺(tái)打印機(jī)組成，下位機(jī)由模擬屏PLC8、公共沖洗PLC7和六個(gè)單元濾池PLC1-6共八臺(tái)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(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。單元濾池和公共沖洗的PLC，均配備一臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)XBT—B（人工智能接口），它通過(guò)電纜與PLC聯(lián)系，在XBT操作盤(pán)上可以對(duì)濾池進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)控制。各單元濾池PLC通過(guò)FIPWAY網(wǎng)絡(luò)與公共沖洗PLC相連，公共沖洗PLC又通過(guò)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)入水廠中控室和微機(jī)聯(lián)網(wǎng)，故系統(tǒng)能在中控室內(nèi)對(duì)濾池的運(yùn)行進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)了中控室計(jì)算 [align=center] 圖2濾池自控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)圖[/align] 機(jī)集中監(jiān)控、PLC遠(yuǎn)程控制、現(xiàn)場(chǎng)XBT操作的三級(jí)控制，從而確保了濾池生產(chǎn)運(yùn)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(jī)的通訊，要先在PC機(jī)安裝TE公司的專用FIPWAY通訊網(wǎng)卡，然后通過(guò)RS422通訊接口進(jìn)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(guò)濾控制和每格濾池的進(jìn)水閥、出水閥、排污閥、反沖進(jìn)氣閥、排氣閥、反沖水閥等的自動(dòng)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(dāng)濾板下的阻塞儀將濾床阻塞程度信號(hào)轉(zhuǎn)送給濾池單元PLC，PLC接收信號(hào)后，與水頭設(shè)定值進(jìn)行比較、顯示出來(lái)，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(kāi)啟個(gè)數(shù)由進(jìn)水流量決定，每個(gè)濾池由液位計(jì)和阻塞儀測(cè)出濾池的水位和水頭損失值，并和濾后水閥門(mén)開(kāi)度這三個(gè)參數(shù)送單元PLC，經(jīng)PLC內(nèi)置PID運(yùn)算后，若水位偏差超過(guò)1.5cm時(shí)，PLC立即啟動(dòng)控制單元自動(dòng)調(diào)整濾池出水蝶閥的開(kāi)度，維持濾池水位基本恒定，從而實(shí)現(xiàn)恒水位過(guò)濾。 公共沖洗PLC負(fù)責(zé)六個(gè)濾池的反沖洗排隊(duì)協(xié)調(diào)、和對(duì)反沖洗設(shè)備（反沖水泵、鼓風(fēng)機(jī)等）及其進(jìn)出口閥門(mén)的監(jiān)控。當(dāng)單元PLC向公共沖洗PLC發(fā)出反沖洗請(qǐng)求時(shí)，公共沖洗PLC則開(kāi)始啟動(dòng)反沖洗程序?qū)υ摓V池進(jìn)行反沖洗控制。當(dāng)某濾格正在反沖洗時(shí)，若又有一個(gè)或多個(gè)濾池發(fā)出反沖洗請(qǐng)求信號(hào)時(shí)，則此信號(hào)被存入公共沖洗PLC存儲(chǔ)器中，然后按存儲(chǔ)先后順序進(jìn)行沖洗，排隊(duì)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(dòng)模擬屏工作及實(shí)現(xiàn)與水公司電臺(tái)系統(tǒng)、微機(jī)的通訊。在模擬屏上能動(dòng)態(tài)顯示整個(gè)水廠的工藝流程和設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)以及其主要的工藝參數(shù)，并實(shí)現(xiàn)聲光報(bào)警，便于生產(chǎn)調(diào)度管理。 4.3 程序設(shè)計(jì) 當(dāng)濾池滿足反沖洗控制約束條件之一時(shí)進(jìn)行反沖洗。本系統(tǒng)用一個(gè)反沖洗PLC實(shí)現(xiàn)六個(gè)濾池的排隊(duì)反沖洗，通過(guò)公共程序的讀寫(xiě)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(fēng)機(jī)控制程序、公共PLC與其他各單元PLC信息的讀寫(xiě)程序和濾池排隊(duì)程序。 每格濾池的工藝過(guò)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(gè)濾池程序包括初始化命令及濾池的自動(dòng)狀態(tài)、手動(dòng)狀態(tài)、現(xiàn)場(chǎng)狀態(tài)等程序。濾池自動(dòng)狀態(tài)程序包含反沖洗狀態(tài)、整理狀態(tài)、正常過(guò)濾狀態(tài)三個(gè)子程序。濾池手動(dòng)狀態(tài)程序包含各個(gè)閥門(mén)的手動(dòng)操作命令。濾池現(xiàn)場(chǎng)狀態(tài)程序主要內(nèi)容包含：（1）在濾池由自動(dòng)狀態(tài)轉(zhuǎn)到現(xiàn)場(chǎng)時(shí)已發(fā)出的命令必須全部復(fù)位。（2）自動(dòng)狀態(tài)中的某些變量，如時(shí)間變量、計(jì)數(shù)器變量等必須復(fù)位。（3）針對(duì)反沖必須在這個(gè)狀態(tài)下發(fā)出一個(gè)結(jié)束反沖命令。 4.4系統(tǒng)監(jiān)控軟件 本系統(tǒng)上位機(jī)采用Windows NT操作系統(tǒng)，實(shí)時(shí)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(gè)程序。上位機(jī)配備有遵循FIPWAY通訊協(xié)議的通訊網(wǎng)卡，實(shí)時(shí)采集生產(chǎn)數(shù)據(jù)。通過(guò)監(jiān)控計(jì)算機(jī)可清晰地顯示濾池的過(guò)濾、等待、反沖等運(yùn)行過(guò)程中動(dòng)態(tài)的工藝模擬畫(huà)面，可對(duì)系統(tǒng)的所有設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程操作和控制，并具備顯示工藝布置圖、實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)參數(shù)、設(shè)備的工作狀態(tài)及實(shí)時(shí)/歷史報(bào)警信號(hào)、在線儀表的實(shí)時(shí)/歷史趨勢(shì)曲線、馬達(dá)運(yùn)行時(shí)間等功能，同時(shí)可進(jìn)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(bào)表。 5 新舊系統(tǒng)的聯(lián)網(wǎng)問(wèn)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(kāi)發(fā)成的兩套獨(dú)立系統(tǒng)，兩系統(tǒng)的通信協(xié)議不同，它們之間沒(méi)有數(shù)據(jù)通信，這給生產(chǎn)和管理帶來(lái)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(lái)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(lái)實(shí)現(xiàn)兩套獨(dú)立系統(tǒng)的聯(lián)網(wǎng)控制。具體方法如下： 先用交換機(jī)組建一個(gè)以太網(wǎng)，系統(tǒng)示意圖如圖4，并在原系統(tǒng)監(jiān)控微機(jī)PC1 和新建系統(tǒng)監(jiān)控微機(jī)PC2上分別安裝TCP/IP通信協(xié)議、NetDDE程序。 再對(duì)InTouch監(jiān)控系統(tǒng)軟件進(jìn)行設(shè)茫篴. 運(yùn)行InTouch的開(kāi)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(gè)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(tái)PC上對(duì)生產(chǎn)進(jìn)行監(jiān)控；b.對(duì)InTouch的DDE Access進(jìn)行設(shè)置，方法是在“Modify DDE Access Name”對(duì)話框中的“DDE Application/Server Name”欄增加“\\PC2\viewer”（在PC1上）和“\\PC1\viewer”（在PC2上）。通過(guò)這個(gè)設(shè)置，PC1和PC2就可通過(guò)以太網(wǎng)進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通信；c. 初始化NetDDE，運(yùn)行InTouch windowviewer，PC1和PC2即可進(jìn)行實(shí)時(shí)通信。 6 結(jié)束語(yǔ) 濾池經(jīng)一段時(shí)間的運(yùn)行后顯示出控制系統(tǒng)應(yīng)用效果良好，系統(tǒng)的各項(xiàng)控制性能指標(biāo)均能達(dá)到設(shè)計(jì)要求。在正常情況下，本濾池水位波動(dòng)被控制在設(shè)定值的±1.5cm范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)過(guò)濾及六個(gè)濾池自動(dòng)排隊(duì)和反沖洗，并間接實(shí)現(xiàn)了與水廠原系統(tǒng)的聯(lián)網(wǎng)控制，整個(gè)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)基本滿足了生產(chǎn)要求，達(dá)到了預(yù)期效果。