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摘要：为了确保净水厂水处理工艺过程安全、可靠、稳定、高效地运行，出厂水达到国家水质标准，降低饮水处理成本，减轻劳动强度，改善操作环境，促进技术进步，充分发挥现代通信网络技术的优越性，实现城市供水信息化，建立净水厂管理信息化，本文介绍了一种基于PLC控制的铁岭净水厂净水车间滤池，该控制系统设置了1个PLC控制主站和12个PLC现场控制子站，建立了PROFIBUS通讯网络和RS485网络，取得了提高净水厂生产效率、提高净水车间滤池反冲洗时安全性的良好效果、实现了净水车间滤池系统设备的计算机监控、减少现场净水车间滤池反冲洗时的人员操作。
关键词：可编程控制器现场总线控制系统滤池
80年代以来，各种现场总线技术开始出现，人们要求对传统的模拟仪表和控制系统变革的呼声也越来越高，从而使现场总线成为一次世界性的技术变革浪潮。现场总线是连接现场智能设备和自动化控制设备的双向串行、数字式、多节点通信网络。目前，现场总线技术已经用于净水厂自动化、配水厂自动化、污水处理厂自动化等给排水领域的现场智能设备互连通信网络之中。作为净水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在净水厂自动化领域有明显的优势，如具有很高的精确性、设计组态简单、扩展安装方便、易于维护、节省软硬件投资等。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；一个全分散控制同时又集中管理、全数字化、全开放和可互操作的生产过程自动控制系统。现场总线技术解决了目前传统DCS控制系统间的不相兼容，以及传统DCS控制系统的现场传感器、变送器、执行器与计算机之间传输的模拟信号抗干扰能力差、接线多等缺点。
一、PROFIBUS特性及设计方案选择
1.PROFIBUS网络特性
PROFIBUS技术将分布式现场系统集成在过程控制系统中。PROFIBUS是一种简单、坚固和可靠的现场总线系统，是世界上应用最广泛的现场总线技术，主要包括最高波特率达12M的高速总线PROFIBUS DP和用于过程控制的本安型低速总线PROFIBUS PA。PROFIBUS DP和PROFIBUS PA的完美结合使得PROFIBUS现场总线在结构和性能优越于其他现场总线。PROFIBUS既适合于自动化系统与现场信号子站的通信，也可用于直接连接带有接口的变送器、执行器、传动装置和其它现场仪表设备，对现场信号进行采集和监控，并用一对双绞线替代传统大量的传输电缆，大量节省电缆费用，也相应节省了施工调试以及后期维护时间和费用。据统计使用PROFIBUS可使工程总造价降低20%～40%。
目前PROFIBUS已成为事实上的国际公认标准。按照IEC61158-2的定义，PROFIBUS提供了三种通信协议类型：DP、PA、FMS。本系统采用PROFIBUS DP现场总线作为支撑网络。系统内控制装置采用SIEMENS公司的S7-300系列和S7-200系列PLC两种，分级控制着现场及车间设备的运行。
PROFIBUS DP基本功能和特性如下：(1) 系统的设计、安装调试工作量减少可编程控制器PLC用软件功能取代了继电器控制系统中大量的中间继电器、时间继电器、计数器等器件，使控制柜的设计、安装、接线工作量大大减少(2) 可靠性高、抗干扰能力强 接线可减少到继电器控制系统的1/10～1/100，因触点接触不良造成的故障大为减少。(3) 节省工程造价费用更容易、更快捷和低成本安装；减少硬件成分（I/O、终端块、隔离栅）。(4)远距离高速通信EM277 PROFIBUS DP接口模块可接入PROFIBUS网络，支持9.6Kbps到12Mbps的传输速率，传输速率可达12Mbps，最大传输距离为23.8Km(光纤电缆)/9.6Km(双绞线)，另外还可以用中继器延长传输距离。(5)制造灵活性准确、可靠的数据传输技术；减少故障时间；改进功能；可靠的诊断数据。(6)从上到下组态方式分布式结构 各主站间令牌传递，主站与从站为主－从传送；每段可有32个站，用连接线可扩展到127个站。(7) 节省运行维护费用更容易维修和保养；更容易组态。(8) 维修工作量小，维修方便可编程控制器PLC的故障率很低，且有完善的自诊断和显示功能。
2.设计方案的选择
针对铁岭净水厂净水车间工艺的实际情况，采用现场总线技术，借鉴其在给排水行业内的经验，构建净水厂的全集成综合自动化系统。实现净水厂净水车间滤池生产过程的自动化，人力资源、设备仪表、采购库存等生产要素的信息化，以及生产调度、生产过程可视化，具有高度自动化和信息化水平的净水车间滤池自动控制系统，应达到如下要求：(1) 高速度、大容量的控制器。(2) 系统具有高度的可靠性和稳定性。(3) 客户、服务器的结构(4) 配方功能的批量处理包。(5) 集中的从上到下组态方式(6) 净水车间滤池设计以全自动化，无人值守为目标。(7) 能灵活、可靠地兼容老系统。(8) 具有远程监控功能。(9) 集中、友好的人机画面。(10) 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。(11) 具有自动故障诊断和故障处理功能。(12) 开放的结构，可以同管理级进行通信。
二、系统软件结构
1.净水车间滤池现场控制子站软件结构
净水车间滤池现场控制子站软件结构如图1所示
净水车间滤池现场控制子站软件包括：下位机（PLC）、P网络管理(PROFIBUS网络)、R网络管理(RS485网络)、实时数据、反冲洗泵监控、故障诊断、人机界面、单个滤池控制等功能。
2.净水车间滤池集控主站软件结构
净水车间滤池集控主站件结构如图2所示：
净水车间滤池集控主站软件包括上位机(PLC)、中心站通信、实时数据、阀门管理、P网络管理(PROFIBUS网络)、R网络管理(RS485网络)、反冲泵监控、人机界面、故障诊断、列队冲洗等。
三、系统硬件结构
1.净水车间滤池现场控制子站硬件结构
净水车间滤池现场控制子站硬件结构如图3所示
净水车间单个滤池由4个阀门组成： F1进水阀、F2出水阀、F3反冲洗进水阀、F4反冲洗排水阀。由一台S7-224 PLC控制单个滤池的自动过滤和自动反冲洗。净水车间滤池现场控制子站即PROFIBUS总线的一个从站，执行单个滤池的控制过程内部数据交换。PLC与触摸屏通过RS485网络互连，净水车间滤池现场控制子站功能包括：
(1)实现软手动操作
在触摸屏上可执行对两台反冲泵的直接启动、停止控制。
(2)实时操作
在触摸监控方式下对滤池各个阀门进行开关控制；包括滤格状态(全自动/触摸监控方式)选择；故障复位。
(3)声光报警功能
当滤池水位高于超高水位时，全开出水阀，等待水位下降；当滤池水位高于最高水位时，自动关闭进水阀停止进水，开大出水阀，给出声光报警提示。
(4)流程的选择和控制方式
根据具体实际工艺情况选择单纯水冲洗流程。能识别机械手动、软手动和自动集控(包括上位机、下位机及触摸监控)方式。
(5)诊断和故障检测
诊断阀门在反冲洗时是否开、关到位，进行检错分析，为反冲洗泵的起、停提供依据。
(6)组态动画
实时显示反冲洗泵运行及故障情况；显示水位值；显示各个滤格状态(包括正常过滤、反冲洗、触摸屏状态、手动控制等)；显示滤池各个阀门开关状态、到位情况、故障发生情况等。
(7)净水车间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，由水位计和堵塞传感器测出滤池的水位和水头损失，并将滤后水阀门开度等参数送至PLC，经运算后由PLC调整其开度以使进、出水达到平衡，从而实现恒水位自动过滤。当运行周期到或强冲或水头损失以达到设定值时，关闭滤池进水阀，滤池进行自动反冲洗，控制器监测滤池水位到达低水位时，关闭滤池出水阀，开启反冲洗排水阀，开启反冲洗进水阀和反冲洗泵,水冲10min后关闭反冲洗泵和反冲洗进水阀，关闭反冲洗排水阀，反冲洗结束。
2.净水车间滤池集控主站硬件结构
净水车间滤池集控主站硬件结构如图4所示：
净水车间滤池集控主站对关键数据进行处理并上送到水厂控制中心；监控2台反冲洗泵运行；管理PROFIBUS总线上12个子站(每个子站监控1个净水车间滤池)共对6对净水车间滤池的439点数据进行处理和交换。净水车间滤池集控主站应具有功能如下：
(1)参数修改及设定
对滤池运行时间、运行水位；滤池水冲时间；阀门开关时限；启动反冲泵台数等，通过人机对话方式由技术人员修改及设定，此功能只能通过密码进入。
(2)实时数显
采用上位机数字和图形式实时显示6对净水车间滤池的累计运行时间；以数字和曲线形式实时显示6对净水车间滤池2小时内水位走势及水位。
(3)选择流程
根据工艺实际情况可自动和软手动、机械手动选择反冲洗工艺流程或净水处理工艺流程。
(4)故障报警
净水车间滤池阀门故障报警发生时，上位机以动画形式显示故障发生时、类型、位置和故障处理方案。
(5)动画组态
在上位机以动画形式实时显示水泵运行及故障情况；显示6对净水车间滤池状态(包括触摸屏状态、反冲洗、手自动控制、正常过滤等)；显示6对净水车间滤各个阀门开关状态、到位情况、故障发生情况等；实时显示2小时内滤格水位变化趋势及水位值。
(6)优先级操作
故障报警时，以机械手动和软手动执行对净水车间滤池进行强制性操作为最高优先级。
四、结束语
铁岭净水厂净水车间滤池自投入运行以来，性能稳定可靠，充分满足了净水车间滤池对控制系统的要求。PROFIBUS DP现场总线的应用，确保了净水厂净水车间滤池水处理工艺过程安全、可靠、稳定、高效地运行，出厂水达到国家水质标准，优化管理等方面起到了至关重要的作用。整个控制系统无论从完成的功能到自动化程度，各项技术指标均达到了设计要求。
参考文献
[1] 廖常初.《PLC编程及应用》. 北京：机械工业出版社2002：135
[2] 袁海洲. Profibus技术概述[J]. 电工技术,2002：83
[3] 阳宪惠. 现场总线技术及其应用[M]. 北京：清华大学出版社,1999：72
[4] 袁秀英. 《组态控制技术》. 北京：电子工业出版社2003：210
[5] 张传祥.《电气自动控制系统》. 北京：电子工业出版社2003：1
关键词：可编程控制器现场总线控制系统滤池
80年代以来，各种现场总线技术开始出现，人们要求对传统的模拟仪表和控制系统变革的呼声也越来越高，从而使现场总线成为一次世界性的技术变革浪潮。现场总线是连接现场智能设备和自动化控制设备的双向串行、数字式、多节点通信网络。目前，现场总线技术已经用于净水厂自动化、配水厂自动化、污水处理厂自动化等给排水领域的现场智能设备互连通信网络之中。作为净水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在净水厂自动化领域有明显的优势，如具有很高的精确性、设计组态简单、扩展安装方便、易于维护、节省软硬件投资等。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；一个全分散控制同时又集中管理、全数字化、全开放和可互操作的生产过程自动控制系统。现场总线技术解决了目前传统DCS控制系统间的不相兼容，以及传统DCS控制系统的现场传感器、变送器、执行器与计算机之间传输的模拟信号抗干扰能力差、接线多等缺点。
一、PROFIBUS特性及设计方案选择
1.PROFIBUS网络特性
PROFIBUS技术将分布式现场系统集成在过程控制系统中。PROFIBUS是一种简单、坚固和可靠的现场总线系统，是世界上应用最广泛的现场总线技术，主要包括最高波特率达12M的高速总线PROFIBUS DP和用于过程控制的本安型低速总线PROFIBUS PA。PROFIBUS DP和PROFIBUS PA的完美结合使得PROFIBUS现场总线在结构和性能优越于其他现场总线。PROFIBUS既适合于自动化系统与现场信号子站的通信，也可用于直接连接带有接口的变送器、执行器、传动装置和其它现场仪表设备，对现场信号进行采集和监控，并用一对双绞线替代传统大量的传输电缆，大量节省电缆费用，也相应节省了施工调试以及后期维护时间和费用。据统计使用PROFIBUS可使工程总造价降低20%～40%。
目前PROFIBUS已成为事实上的国际公认标准。按照IEC61158-2的定义，PROFIBUS提供了三种通信协议类型：DP、PA、FMS。本系统采用PROFIBUS DP现场总线作为支撑网络。系统内控制装置采用SIEMENS公司的S7-300系列和S7-200系列PLC两种，分级控制着现场及车间设备的运行。
PROFIBUS DP基本功能和特性如下：(1) 系统的设计、安装调试工作量减少可编程控制器PLC用软件功能取代了继电器控制系统中大量的中间继电器、时间继电器、计数器等器件，使控制柜的设计、安装、接线工作量大大减少(2) 可靠性高、抗干扰能力强 接线可减少到继电器控制系统的1/10～1/100，因触点接触不良造成的故障大为减少。(3) 节省工程造价费用更容易、更快捷和低成本安装；减少硬件成分（I/O、终端块、隔离栅）。(4)远距离高速通信EM277 PROFIBUS DP接口模块可接入PROFIBUS网络，支持9.6Kbps到12Mbps的传输速率，传输速率可达12Mbps，最大传输距离为23.8Km(光纤电缆)/9.6Km(双绞线)，另外还可以用中继器延长传输距离。(5)制造灵活性准确、可靠的数据传输技术；减少故障时间；改进功能；可靠的诊断数据。(6)从上到下组态方式分布式结构 各主站间令牌传递，主站与从站为主－从传送；每段可有32个站，用连接线可扩展到127个站。(7) 节省运行维护费用更容易维修和保养；更容易组态。(8) 维修工作量小，维修方便可编程控制器PLC的故障率很低，且有完善的自诊断和显示功能。
2.设计方案的选择
针对铁岭净水厂净水车间工艺的实际情况，采用现场总线技术，借鉴其在给排水行业内的经验，构建净水厂的全集成综合自动化系统。实现净水厂净水车间滤池生产过程的自动化，人力资源、设备仪表、采购库存等生产要素的信息化，以及生产调度、生产过程可视化，具有高度自动化和信息化水平的净水车间滤池自动控制系统，应达到如下要求：(1) 高速度、大容量的控制器。(2) 系统具有高度的可靠性和稳定性。(3) 客户、服务器的结构(4) 配方功能的批量处理包。(5) 集中的从上到下组态方式(6) 净水车间滤池设计以全自动化，无人值守为目标。(7) 能灵活、可靠地兼容老系统。(8) 具有远程监控功能。(9) 集中、友好的人机画面。(10) 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。(11) 具有自动故障诊断和故障处理功能。(12) 开放的结构，可以同管理级进行通信。
二、系统软件结构
1.净水车间滤池现场控制子站软件结构
净水车间滤池现场控制子站软件结构如图1所示
净水车间滤池现场控制子站软件包括：下位机（PLC）、P网络管理(PROFIBUS网络)、R网络管理(RS485网络)、实时数据、反冲洗泵监控、故障诊断、人机界面、单个滤池控制等功能。
2.净水车间滤池集控主站软件结构
净水车间滤池集控主站件结构如图2所示：
净水车间滤池集控主站软件包括上位机(PLC)、中心站通信、实时数据、阀门管理、P网络管理(PROFIBUS网络)、R网络管理(RS485网络)、反冲泵监控、人机界面、故障诊断、列队冲洗等。
三、系统硬件结构
1.净水车间滤池现场控制子站硬件结构
净水车间滤池现场控制子站硬件结构如图3所示
净水车间单个滤池由4个阀门组成： F1进水阀、F2出水阀、F3反冲洗进水阀、F4反冲洗排水阀。由一台S7-224 PLC控制单个滤池的自动过滤和自动反冲洗。净水车间滤池现场控制子站即PROFIBUS总线的一个从站，执行单个滤池的控制过程内部数据交换。PLC与触摸屏通过RS485网络互连，净水车间滤池现场控制子站功能包括：
(1)实现软手动操作
在触摸屏上可执行对两台反冲泵的直接启动、停止控制。
(2)实时操作
在触摸监控方式下对滤池各个阀门进行开关控制；包括滤格状态(全自动/触摸监控方式)选择；故障复位。
(3)声光报警功能
当滤池水位高于超高水位时，全开出水阀，等待水位下降；当滤池水位高于最高水位时，自动关闭进水阀停止进水，开大出水阀，给出声光报警提示。
(4)流程的选择和控制方式
根据具体实际工艺情况选择单纯水冲洗流程。能识别机械手动、软手动和自动集控(包括上位机、下位机及触摸监控)方式。
(5)诊断和故障检测
诊断阀门在反冲洗时是否开、关到位，进行检错分析，为反冲洗泵的起、停提供依据。
(6)组态动画
实时显示反冲洗泵运行及故障情况；显示水位值；显示各个滤格状态(包括正常过滤、反冲洗、触摸屏状态、手动控制等)；显示滤池各个阀门开关状态、到位情况、故障发生情况等。
(7)净水车间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，由水位计和堵塞传感器测出滤池的水位和水头损失，并将滤后水阀门开度等参数送至PLC，经运算后由PLC调整其开度以使进、出水达到平衡，从而实现恒水位自动过滤。当运行周期到或强冲或水头损失以达到设定值时，关闭滤池进水阀，滤池进行自动反冲洗，控制器监测滤池水位到达低水位时，关闭滤池出水阀，开启反冲洗排水阀，开启反冲洗进水阀和反冲洗泵,水冲10min后关闭反冲洗泵和反冲洗进水阀，关闭反冲洗排水阀，反冲洗结束。
2.净水车间滤池集控主站硬件结构
净水车间滤池集控主站硬件结构如图4所示：
净水车间滤池集控主站对关键数据进行处理并上送到水厂控制中心；监控2台反冲洗泵运行；管理PROFIBUS总线上12个子站(每个子站监控1个净水车间滤池)共对6对净水车间滤池的439点数据进行处理和交换。净水车间滤池集控主站应具有功能如下：
(1)参数修改及设定
对滤池运行时间、运行水位；滤池水冲时间；阀门开关时限；启动反冲泵台数等，通过人机对话方式由技术人员修改及设定，此功能只能通过密码进入。
(2)实时数显
采用上位机数字和图形式实时显示6对净水车间滤池的累计运行时间；以数字和曲线形式实时显示6对净水车间滤池2小时内水位走势及水位。
(3)选择流程
根据工艺实际情况可自动和软手动、机械手动选择反冲洗工艺流程或净水处理工艺流程。
(4)故障报警
净水车间滤池阀门故障报警发生时，上位机以动画形式显示故障发生时、类型、位置和故障处理方案。
(5)动画组态
在上位机以动画形式实时显示水泵运行及故障情况；显示6对净水车间滤池状态(包括触摸屏状态、反冲洗、手自动控制、正常过滤等)；显示6对净水车间滤各个阀门开关状态、到位情况、故障发生情况等；实时显示2小时内滤格水位变化趋势及水位值。
(6)优先级操作
故障报警时，以机械手动和软手动执行对净水车间滤池进行强制性操作为最高优先级。
四、结束语
铁岭净水厂净水车间滤池自投入运行以来，性能稳定可靠，充分满足了净水车间滤池对控制系统的要求。PROFIBUS DP现场总线的应用，确保了净水厂净水车间滤池水处理工艺过程安全、可靠、稳定、高效地运行，出厂水达到国家水质标准，优化管理等方面起到了至关重要的作用。整个控制系统无论从完成的功能到自动化程度，各项技术指标均达到了设计要求。
参考文献
[1] 廖常初.《PLC编程及应用》. 北京：机械工业出版社2002：135
[2] 袁海洲. Profibus技术概述[J]. 电工技术,2002：83
[3] 阳宪惠. 现场总线技术及其应用[M]. 北京：清华大学出版社,1999：72
[4] 袁秀英. 《组态控制技术》. 北京：电子工业出版社2003：210
[5] 张传祥.《电气自动控制系统》. 北京：电子工业出版社2003：1