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、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(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啟度，同時(shí)顯示反沖洗設(shè)備、本地濾池閥門等的開關(guān)狀態(tài)。 （5）對(duì)反沖洗設(shè)備、本地濾池閥門及反沖洗過(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)以控制出水閥的開度。開度增大的數(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，打開待濾進(jìn)水閥，打開濾后清水閥。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，并和濾后水閥門開度這三個(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。