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网络通信技术在笔架山水厂普通快滤池的应用 |
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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器|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。
CC-LINK网络特性图如下：
CC-LINK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，CC-LINK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
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PC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。
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：
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
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。
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