profibus總線的網(wǎng)絡(luò)特性及實(shí)現(xiàn)水廠快濾池自動控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1、引言

70年代以前，控制系統(tǒng)中采用模擬量對傳輸及控制信號進(jìn)行轉(zhuǎn)換、傳遞，其精度差、受干擾信號影響大，因而整個(gè)控制系統(tǒng)的控制效果及系統(tǒng)穩(wěn)定性都很差。70年代末，隨著大規(guī)模集成電路的出現(xiàn)，微處理器技術(shù)得到很大發(fā)展。微處理器功能強(qiáng)、體積小、可靠性高、通過適當(dāng)?shù)?a target="_blank">接口電路用于控制系統(tǒng)，控制效果得到提高;但是盡管如此，還是屬于集中式控制系統(tǒng)。隨著過程控制技術(shù)、自動化儀表技術(shù)和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的成熟和發(fā)展，控制領(lǐng)域又發(fā)生了一次技術(shù)變革。這次變革使傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)（如集散控制系統(tǒng)）無論在結(jié)構(gòu)上還是在性能上都發(fā)生了巨大的飛躍，這次變革的基礎(chǔ)就是現(xiàn)場總線技術(shù)的產(chǎn)生。

現(xiàn)場總線是連接現(xiàn)場智能設(shè)備和自動化控制設(shè)備的雙向串行、數(shù)字式、多節(jié)點(diǎn)通信網(wǎng)絡(luò)。現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（field control system， fcs）定義為：由各種現(xiàn)場儀表通過互連與控制室內(nèi)人機(jī)界面所組成的系統(tǒng);一個(gè)全分散、全數(shù)字化、全開放和可互操作的生產(chǎn)過程自動控制系統(tǒng)。80年代以來，各種現(xiàn)場總線技術(shù)開始出現(xiàn)，人們要求對傳統(tǒng)的模擬儀表和控制系統(tǒng)變革的呼聲也越來越高，從而使現(xiàn)場總線成為一次世界性的技術(shù)變革浪潮。

目前，現(xiàn)場總線技術(shù)已經(jīng)用于過程自動化、制造自動化、樓宇自動化等領(lǐng)域的現(xiàn)場智能設(shè)備互連通信網(wǎng)絡(luò)中。作為工廠數(shù)字通信網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)，溝通了生產(chǎn)過程現(xiàn)場與控制設(shè)備之間的聯(lián)系外，還連接著更高控制管理層。因此，它不僅是一個(gè)基層網(wǎng)絡(luò)， 而且還可構(gòu)成一種開放式、新型全分布控制系統(tǒng)， 即集智能、傳感、控制、計(jì)算機(jī)、數(shù)字通信技術(shù)于一身的控制系統(tǒng)。正由于這些特點(diǎn)，以現(xiàn)場總線作為技術(shù)支撐的fcs在工業(yè)自動化領(lǐng)域有明顯的優(yōu)勢，如很高的精確性、設(shè)計(jì)組態(tài)簡單、擴(kuò)展安裝方便、易于維護(hù)、節(jié)省軟硬件投資等。它被公認(rèn)為第五代控制系統(tǒng)，成為當(dāng)今工業(yè)自動化發(fā)展的必然趨勢。

2、現(xiàn)場分析及profibus特性

2.1 現(xiàn)場分析

進(jìn)行張士凈水廠普通快濾池設(shè)計(jì)時(shí)，選用現(xiàn)場總線作為控制系統(tǒng)支撐技術(shù)?；诂F(xiàn)場總線的張士凈水廠普通快濾池自動控制系統(tǒng)，應(yīng)達(dá)到如下要求：

（1） 系統(tǒng)具有較高的可靠性;

（2） 張士凈水廠普通快濾池設(shè)計(jì)以全自動化，無人值守為目標(biāo);

（3） 具有自動故障診斷和故障處理功能;

（4） 具有遠(yuǎn)程監(jiān)控功能;

（5） 系統(tǒng)具有較強(qiáng)的開放性，能與全廠計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)交換信息。

目前國際上現(xiàn)有總線及總線標(biāo)準(zhǔn)不下200種，最具代表性的現(xiàn)場總線是profibus（process fieldbus）。profibus是由siemens公司推出的一種開放式現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)，1989年成為德國標(biāo)準(zhǔn)din19245，1996年成為歐洲標(biāo)準(zhǔn)en50170，1999年12月被接受為國際標(biāo)準(zhǔn)iec61158的一部分。用于工廠自動化系統(tǒng)三級網(wǎng)絡(luò)中的底層，即車間級監(jiān)控和現(xiàn)場設(shè)備層數(shù)據(jù)通信與控制;使用于分散的、具有通訊接口的現(xiàn)場受控設(shè)備對底層設(shè)備有較高的數(shù)據(jù)集成和遠(yuǎn)程診斷、故障報(bào)警及數(shù)字化要求的系統(tǒng)。

經(jīng)過對幾家現(xiàn)場總線性能價(jià)格認(rèn)真比較，本系統(tǒng)采用profibus總線網(wǎng)絡(luò)作為支撐網(wǎng)絡(luò)。系統(tǒng)內(nèi)控制裝置采用采用siemens公司的s7-300系列和s7-200系列plc兩種，分級控制著現(xiàn)場及車間設(shè)備運(yùn)行。

2.2 profibus網(wǎng)絡(luò)特性

profibus網(wǎng)絡(luò)特性圖如圖1所示：

profibus是一種用于工廠自動化車間級監(jiān)控和現(xiàn)場設(shè)備層數(shù)據(jù)通信與控制的現(xiàn)場總線技術(shù)?？蓪?shí)現(xiàn)現(xiàn)場設(shè)備層到車間級監(jiān)控的分散式數(shù)字控制和現(xiàn)場通信網(wǎng)絡(luò)，從而為實(shí)現(xiàn)工廠綜合自動化和現(xiàn)場設(shè)備智能化提供了可行的解決方案。

profibus-dp基本功能和特性如下：

（1） 遠(yuǎn)程離高速通信

支持9.6kbps到12mbps的傳輸速率;12mbps時(shí)最大傳輸距離為100m，1.5mbps時(shí)為200m，另外還可以用中繼器延長。

（2） 分布式結(jié)構(gòu)

各主站間令牌傳遞，主站與從站為主-從傳送;每段可有32個(gè)站，用連接線可擴(kuò)展到126個(gè)站。

（3） 節(jié)省硬件和安裝費(fèi)用

減少硬件成分（i/o、終端塊、隔離柵）;更容易、更快捷和低成本安裝。

（4） 節(jié)省工程費(fèi)用

更容易組態(tài);更容易保養(yǎng)和維修;更容易和更快捷的系統(tǒng)啟動。

（5） 更大的制造靈活性

改進(jìn)功能;減少故障時(shí)間;準(zhǔn)確、可靠的診斷數(shù)據(jù);可靠的數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)。

3、系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1 現(xiàn)場控制單元硬件設(shè)計(jì)

現(xiàn)場控制單元不僅具有自動控制功能，由于觸摸屏的使用，而具有直觀的動態(tài)畫面監(jiān)視功能，其結(jié)構(gòu)如圖2所示：

如圖2所示，單個(gè)濾池由6個(gè)閥門組成： f1進(jìn)水閥、f2出水閥、f3反沖洗進(jìn)水閥、f4反沖洗進(jìn)氣閥、f5反沖洗排水閥、f6排氣閥。由一臺s7-224 plc控制單個(gè)濾池的自動過濾和自動反沖洗。濾池就地控制單元即profibus總線的一個(gè)從站，執(zhí)行單個(gè)濾池的控制過程內(nèi)部數(shù)據(jù)交換。plc與觸摸屏通過rs-485網(wǎng)絡(luò)互連，濾池就地控制單元功能包括：

（1） 控制單格濾池的自動過濾和自動反沖洗

自動過濾監(jiān)測濾池水位，據(jù)濾池水位的情況及時(shí)調(diào)整出水閥的開度，使濾池保持在恒定水位。當(dāng)運(yùn)行周期到或強(qiáng)沖或水頭損失以達(dá)到設(shè)定值時(shí)，濾池進(jìn)行自動反沖洗。控制器監(jiān)測濾池水位到達(dá)低水位，開啟反沖洗排水閥，開啟反沖洗進(jìn)氣閥和鼓風(fēng)機(jī)、氣沖5min;開啟反沖洗進(jìn)水閥和反沖洗泵、氣水混合沖5min;關(guān)閉反沖洗進(jìn)氣閥和鼓風(fēng)機(jī)、水沖5min;關(guān)閉反沖洗進(jìn)水閥和反沖洗泵，關(guān)閉排水閥，反沖洗結(jié)束。

（2） 控制方式和流程的選擇。識別手動、自動集控（包括全自動及觸摸監(jiān)控）方式。根據(jù)實(shí)際情況選擇氣水沖洗和單純水沖流程。

（3） 保護(hù)功能

當(dāng)濾池水位高于最高水位時(shí)，自動停止進(jìn)水，開大出水閥。給出報(bào)警提示。當(dāng)濾池水位高于超高水位時(shí)，全開出水閥，等待水位下降。

（4） 故障檢測和診斷

檢測閥門在規(guī)定時(shí)限內(nèi)是否到位，進(jìn)行檢錯(cuò)分析，為可靠性控制提供依據(jù)。

（5） 動畫監(jiān)視

以動畫形式實(shí)時(shí)顯示濾池各個(gè)閥門開關(guān)狀態(tài)、到位情況、故障發(fā)生情況等;顯示各個(gè)濾格狀態(tài)（包括正常過濾、反沖洗、觸摸屏狀態(tài)、手動控制等）;顯示風(fēng)機(jī)水泵運(yùn)行及故障情況;實(shí)時(shí)顯示水位值。

（6） 實(shí)時(shí)操作

包括濾格狀態(tài)（全自動/觸摸監(jiān)控方式）選擇;故障復(fù)位;在觸摸監(jiān)控方式下對濾池各個(gè)閥門進(jìn)行開關(guān)控制。

（7） 遠(yuǎn)程操作

在觸摸屏上可執(zhí)行對兩臺風(fēng)機(jī)及兩臺反沖泵的直接啟、?？刂?。

3.2 集控主站硬件設(shè)計(jì)

集控主站置于凈水車間的控制室內(nèi)，由s7-300 plc 作為主控制器。其硬件結(jié)構(gòu)圖如圖3所示：

濾池集控主站管理profibus總線上8個(gè)從站（每個(gè)從站監(jiān)控1個(gè)濾池）共對8個(gè)濾池的400點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和交換;監(jiān)控2臺風(fēng)機(jī)、2臺反沖洗泵運(yùn)行;對關(guān)鍵數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并上送到水廠控制中心。濾池集控主站的功能有：

（1） 動畫監(jiān)視

以動畫形式實(shí)時(shí)顯示8個(gè)濾池各個(gè)閥門開關(guān)狀態(tài)、到位情況、故障發(fā)生情況等;顯示各個(gè)濾池狀態(tài)（包括正常過濾、反沖洗、觸摸屏狀態(tài)、手自動控制等）;顯示風(fēng)機(jī)水泵運(yùn)行及故障情況;實(shí)時(shí)顯示水位值及2小時(shí)內(nèi)濾格水位變化趨勢。

（2） 監(jiān)控2臺風(fēng)機(jī)、2臺反沖泵運(yùn)行

對風(fēng)機(jī)、水泵變頻器進(jìn)行選擇控制、變頻器頻率設(shè)置。

（3）） 實(shí)時(shí)操作

執(zhí)行對濾池進(jìn)行強(qiáng)沖;排水閥、排氣閥、氣沖閥、水沖閥的統(tǒng)一控制管理。

（4） 流程的選擇

根據(jù)實(shí)際情況選擇氣水沖洗和單純水沖流程。

（5） 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的顯示

以數(shù)字和曲線形式實(shí)時(shí)顯示8個(gè)濾池的水位及2小時(shí)內(nèi)水位走勢;以數(shù)字和圖形式實(shí)時(shí)顯示8個(gè)濾池的累計(jì)運(yùn)行時(shí)間。

（6） 歷史數(shù)據(jù)查詢

觸摸屏可存儲2000條記錄（保持三個(gè)月的運(yùn)行參數(shù)不刷新）。記錄包括：8個(gè)濾池沖洗發(fā)生時(shí)間結(jié)束時(shí)間;濾池所處狀態(tài)（全自動/觸摸監(jiān)控）;8個(gè)濾池各個(gè)閥門故障發(fā)生時(shí)間等。

（7） 故障查詢

當(dāng)濾格閥門故障報(bào)警發(fā)生時(shí)，用戶查看具體的故障類型、位置和發(fā)生時(shí)間。

（8） 參數(shù)設(shè)置

可對濾池運(yùn)行時(shí)間、運(yùn)行水位;濾池水沖時(shí)間、氣沖時(shí)間;閥門開關(guān)時(shí)限;啟動反沖泵臺數(shù);風(fēng)機(jī)變頻器選擇等，通過人機(jī)對話方式由技術(shù)人員設(shè)置，此功能只能通過密碼進(jìn)入。

4、系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

4.1 濾池集控主站軟件設(shè)計(jì)

濾池集控主站其結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

主站軟件包括8個(gè)濾池排隊(duì)沖洗、profibus網(wǎng)絡(luò)管理、2臺風(fēng)機(jī)監(jiān)控、2臺反沖泵監(jiān)控、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)測、故障診斷報(bào)警、與中心站通信等。

4.2 濾池就地控制單元軟件設(shè)計(jì)

濾池就地控制單元其結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。

圖5中濾池就地控制單元包括：單個(gè)濾池控制、p網(wǎng)絡(luò)管理（profibus網(wǎng)絡(luò)）、r網(wǎng)絡(luò)管理（rs-485網(wǎng)絡(luò)）、人機(jī)界面、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、故障診斷、風(fēng)機(jī)及反沖泵監(jiān)控等功能。

單格濾池控制執(zhí)行自動過濾監(jiān)測濾池水位，根據(jù)濾池水位的情況及時(shí)調(diào)整出水閥的開度，使濾池保持在過濾水位。當(dāng)運(yùn)行周期到或強(qiáng)沖或水頭損失以達(dá)到設(shè)定值時(shí)，濾池進(jìn)行自動反沖洗。單個(gè)濾池控制軟件流程如圖6所示。

5、結(jié)束語

張士凈水廠普通快濾池系統(tǒng)在投入運(yùn)行10個(gè)月來，一直穩(wěn)定可靠。當(dāng)濾池進(jìn)水濁度在10ntu以下時(shí)，可保證濾后水濁度在0.7ntu以下，同時(shí)反沖洗配水、配氣均勻;整個(gè)自控系統(tǒng)運(yùn)行良好，實(shí)現(xiàn)濾池工藝自動化，保證了水廠優(yōu)質(zhì)、低耗、安全供水。工人的勞動強(qiáng)度得到大幅降低，激發(fā)工人強(qiáng)烈的學(xué)習(xí)興趣。系統(tǒng)的自診斷功能充分發(fā)揮作用，設(shè)備的維護(hù)率得到了很大提高。基本上能實(shí)現(xiàn)無人值守。

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