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基于ControlNet網(wǎng)絡(luò)的水廠濾池自動控制系統(tǒng)

1.引言
  
水廠生產(chǎn)工藝復(fù)雜、質(zhì)量要求嚴(yán)格。我國現(xiàn)有的絕大部分水廠生產(chǎn)線工藝設(shè)備落后,生產(chǎn)過程控制水平低下,自動化程度不高,大部分操作要通過操作員的控制來實(shí)現(xiàn)。天津某水廠也是在原有設(shè)備的基礎(chǔ)上進(jìn)行擴(kuò)建。并在擴(kuò)建工程中應(yīng)用了SCADA系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了整個(gè)水處理生產(chǎn)過程的自動控制。
  
羅克韋爾自動化的AB可編程控制器(PLC)及其監(jiān)控組態(tài)軟件RSView32已經(jīng)在國內(nèi)水處理行業(yè)有了廣泛的應(yīng)用[1]。天津某水廠的擴(kuò)建項(xiàng)目中也采用了羅克韋爾新一代控制器ControlLogix5550作為主控制器,用RSView32編制人機(jī)界面,并在此基礎(chǔ)上組建了羅克韋爾公司的ControlNet為主的現(xiàn)場總線控制網(wǎng)絡(luò),以實(shí)現(xiàn)水廠濾池的自動控制。

2.水廠監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)成
  
水廠濾池控制系統(tǒng)從屬于水廠監(jiān)控系統(tǒng)。整個(gè)水廠網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)包括一個(gè)中心控制站、三個(gè)系統(tǒng)監(jiān)控點(diǎn)和八個(gè)PLC控制站。其中中心控制站位于中心控制室,控制室配備兩臺工控機(jī)作為操作員站,一臺工控機(jī)作為工程師站;三臺工控機(jī)作為系統(tǒng)監(jiān)控點(diǎn)安裝在現(xiàn)場;PLC1控制站—PLC6控制站位于凈化車間內(nèi);PLC7控制站位于加氯間;PLC8控制站位于加氨間。
  
整個(gè)水廠的輸入/輸出信息量大,對系統(tǒng)功能要求高。中控室各監(jiān)視站以及現(xiàn)場監(jiān)測點(diǎn)的工控機(jī)不僅僅是對單一站點(diǎn)進(jìn)行檢測,而是要對整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控。以PLC和計(jì)算機(jī)為核心的信息處理機(jī)制將完成對綜合信息的管理、生產(chǎn)過程的監(jiān)視、調(diào)度和控制。在此基礎(chǔ)上,系統(tǒng)以Rockwell A-B品牌的系列ControlLogix系列產(chǎn)品為核心,采用了包含NetLinx的所有三層網(wǎng)絡(luò)(即信息網(wǎng)、控制網(wǎng)、設(shè)備網(wǎng))的混合體系結(jié)構(gòu)。因此整個(gè)系統(tǒng)也按照上述三層進(jìn)行架設(shè)。
  
2.1 信息層
  
信息層采用EtherNet/IP 網(wǎng)絡(luò),主要用于連接一個(gè)工程師站、兩個(gè)操作員站以及三個(gè)現(xiàn)場監(jiān)控點(diǎn)。其中兩個(gè)操作員站工控機(jī)通過PCIC網(wǎng)卡連接到控制層,其他工控機(jī)利用EtherNet信息傳遞,通過操作員站間接進(jìn)入ControlNet網(wǎng),對整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控。采用這種方法不僅實(shí)現(xiàn)了計(jì)算機(jī)與控制器之間的大量信息的高速交換,對生產(chǎn)過程進(jìn)行監(jiān)控,還可以進(jìn)一步用于組建企業(yè)信息網(wǎng)[2-3]。
  
2.2 控制層
  
控制層采用高速、確定的ControlNet現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò),實(shí)現(xiàn)控制器之間的通信以及對遠(yuǎn)程擴(kuò)展I/O的控制[4-5]?,F(xiàn)場控制站(即各PLC控制站)和中控室兩臺操作員站工控機(jī)通過同軸電纜采用ControlNet網(wǎng)絡(luò)協(xié)議相連,實(shí)現(xiàn)控制信號的高速傳輸。PLC控制站的各PLC自動監(jiān)測各工藝段設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)、儀表的參數(shù)變化等現(xiàn)場信息,并對設(shè)備進(jìn)行自動控制。系統(tǒng)的8個(gè)PLC控制站是按照工藝要求設(shè)立的,其中PLC5控制站監(jiān)控No.1-No.5 、No.12-No.16濾池;PLC6控制站監(jiān)控No.6-No.11、No.17-No.22濾池;PLC3控制站負(fù)責(zé)濾池公共沖洗設(shè)備的控制以及濾池沖洗排隊(duì)。
  
2.3 設(shè)備層
  
設(shè)備層采用高效、低價(jià)的DeviceNet網(wǎng)絡(luò),實(shí)現(xiàn)對底層現(xiàn)場設(shè)備的監(jiān)控[5]。設(shè)備層連接分布于水廠各處的傳感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu),將變頻器、儀表等直接采用總線電纜連接,實(shí)現(xiàn)了數(shù)字和模擬量輸入/輸出模塊及可編程控制器PLC之間的數(shù)據(jù)數(shù)字化傳輸,把I/O信號通道分散到實(shí)際需要的現(xiàn)場設(shè)備附近,減少了安裝和布線費(fèi)用,節(jié)省了成本[6]。

3. 濾池監(jiān)控系統(tǒng)
  
濾池位于凈化車間內(nèi),本系統(tǒng)共有22個(gè)快速重力過濾池用來清除水中從凈化階段帶來的少量的殘留固體。每個(gè)濾池都包括進(jìn)水閥、清水閥、水沖閥、排水閥、氣沖閥、排氣閥、液位計(jì)、壓差計(jì)和流量計(jì)等設(shè)備。濾池上位監(jiān)控畫面如圖1所示。



圖1 濾池上位監(jiān)控畫面
  
每個(gè)濾池運(yùn)行模式分為不服務(wù)模式、過濾模式和沖洗模式三種,并可以通過上位操作或是運(yùn)行需求自動在三種模式之間自動切換,濾池切換控制流程圖如圖2示。



圖2 濾池切換控制流程圖
  
3.1 不服務(wù)模式
  
不參與過濾的濾池運(yùn)行在該模式下,此時(shí)所有的閥都關(guān)閉。在過濾模式或是沖洗模式下的濾池,如果出現(xiàn)故障或上位的進(jìn)入不服務(wù)命令,會自動關(guān)閉所有的閥門,進(jìn)入不服務(wù)模式,并對各閥門是否關(guān)閉進(jìn)行確認(rèn)。
  
2.2 過濾模式
  
過濾模式可以直接由不服務(wù)模式或是沖洗模式進(jìn)入。在不服務(wù)模式下,收到進(jìn)入過濾模式命令時(shí),濾池首先經(jīng)過“慢速啟動階段”和“中間沉淀物階段”打開進(jìn)水閥和清水閥,最后進(jìn)入過濾模式。在沖洗模式下,經(jīng)過沖洗各階段后,最后也進(jìn)入過濾模式。另外在沖洗模式下,如果有返回過濾模式指令,濾池可在“向下排水”階段開始之前或是“慢速啟動”階段之后進(jìn)入過濾模式。
  
在過濾模式下,PLC使用PID調(diào)節(jié)濾池清水閥的開度,使濾池出水流量達(dá)到由進(jìn)水渠制定的濾池出水流量設(shè)定值。PLC監(jiān)控每個(gè)濾池的水位,將測得的瞬時(shí)值顯示在SCADA上。
  
3.3 沖洗模式
  
濾池的沖洗全都由PLC自動控制完成,并且所有的22個(gè)濾池公用一套沖洗設(shè)備,即兩臺鼓風(fēng)機(jī)和三臺沖洗水泵。濾池要進(jìn)行沖洗,首先通過沖洗請求進(jìn)入沖洗排隊(duì)隊(duì)列,最后從隊(duì)列中得到?jīng)_洗信號后,才開始進(jìn)入沖洗模式 (這部分詳細(xì)控制由濾池排隊(duì)沖洗系統(tǒng)去執(zhí)行)。濾池的整個(gè)沖洗過程分為以下幾個(gè)階段,濾池沖洗過程控制流程如圖3所示。



圖3 沖洗過程控制流程圖
  
(1)向下排水
  
由過濾模式進(jìn)入沖洗模式的向下排水階段,濾池的過濾運(yùn)行時(shí)間計(jì)時(shí)被清零。濾池進(jìn)水閥按照關(guān)閉時(shí)間和延遲關(guān)閉時(shí)間進(jìn)入關(guān)閉階段。對濾池的水位進(jìn)行監(jiān)控,仍使用過濾模式下的PID調(diào)節(jié)控制濾池清水閥的開度,讓剩余的水繼續(xù)過濾。
  
水位降到排水位時(shí),關(guān)閉濾池清水閥,開放濾池排水閥和氣沖閥。并確認(rèn)污水池是否有充足的容量。
  
(2)氣沖
  
當(dāng)污水池的容量已經(jīng)充足時(shí),進(jìn)入氣沖階段,啟動鼓風(fēng)機(jī)。確認(rèn)鼓風(fēng)機(jī)運(yùn)行后,開始計(jì)時(shí)濾池氣沖時(shí)間。當(dāng)濾池氣沖時(shí)間到時(shí),進(jìn)入氣水聯(lián)合沖洗階段。
  
(3)氣水聯(lián)合沖洗
  
開水沖閥,啟動低速水沖洗流程(即啟動一臺沖洗水泵)。氣水聯(lián)合沖洗時(shí)間開始計(jì)時(shí),并監(jiān)控濾池水位。當(dāng)濾池水位達(dá)到“低速沖洗”水位或氣水聯(lián)合沖洗時(shí)間超過最大設(shè)定值,關(guān)閉鼓風(fēng)機(jī)。關(guān)閉濾池氣沖閥,開啟濾池排氣閥。
  
(4)排氣
  
確認(rèn)濾池氣沖閥關(guān)閉和濾池排氣閥開放后,排氣時(shí)間和高速水沖洗延遲時(shí)間開始計(jì)時(shí)。當(dāng)高速水沖洗延遲時(shí)間到設(shè)定值,進(jìn)入高速水沖洗階段。當(dāng)排氣時(shí)間到設(shè)定值,關(guān)閉濾池排氣閥。
  
(5)高速水沖洗
  
高速水沖延遲時(shí)間到時(shí)后,啟動高速水沖流程(即啟動兩臺沖洗水泵),開始累計(jì)高速沖洗水流量,達(dá)到設(shè)定值,關(guān)閉已啟動的兩臺沖洗水泵。關(guān)閉濾池水沖閥和濾池排水閥。
  
(6)濾池重新填充和中間沉淀物
  
確認(rèn)濾池水沖閥和濾池排水閥關(guān)閉后,按照重行填充時(shí)間和中間沉淀時(shí)間開放濾池進(jìn)水閥。
  
(7)慢速啟動
  
確認(rèn)濾池進(jìn)水閥開放,重新開始清水閥的流量控制。流量控制值按設(shè)定斜率逐漸增大。當(dāng)濾池流量控制值達(dá)到由進(jìn)水渠決定的PID控制值,沿用由進(jìn)水渠決定的PID控制值繼續(xù)調(diào)節(jié)出水流量。濾池進(jìn)入過濾模式,過濾運(yùn)行時(shí)間開始重新計(jì)時(shí)。

4.結(jié)束語
  
本文的創(chuàng)新點(diǎn)是:基于ControlNet網(wǎng)絡(luò)的水廠濾池自動控制系統(tǒng)用于水廠的擴(kuò)建和改造,實(shí)現(xiàn)濾池部分的數(shù)據(jù)集中監(jiān)控和管理的信息化。再加上整個(gè)系統(tǒng)具有較高的可靠性、穩(wěn)定性,水廠可以節(jié)省大量的操作員,只需要很少的人值守就可以保證系統(tǒng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。羅克韋爾自動化ControLogix系列PLC在該水廠的應(yīng)用,不僅促進(jìn)了該地區(qū)的經(jīng)濟(jì)快速健康發(fā)展、提高了城鎮(zhèn)居民的生活質(zhì)量,而且對該地區(qū)水處理事業(yè)的發(fā)展具有重大意義。

參考文獻(xiàn)
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