关键词：ControlNet, ControLogix, 罗克韦尔，自动控制
Abstract: According to the techniques and requirements of the filters in water plant, a automatic control system of filters in water plant is designed based on ControlNet and Rockwell Automation NetLinx three layer network, which uses ControLogix 5550 as the controller, ControlNet and EtherNet as the communication network, RSView as the supervisory configuration software, to realize the automatic work under each mode and the automatic switch among different modes of filters in the whole plant.
Keyword: ControlNet, ControLogix, Rockwell，automation
1.引言
水厂生产工艺复杂、质量要求严格。我国现有的绝大部分水厂生产线工艺设备落后，生产过程控制水平低下，自动化程度不高，大部分操作要通过操作员的控制来实现。天津某水厂也是在原有设备的基础上进行扩建。并在扩建工程中应用了SCADA系统，实现了整个水处理生产过程的自动控制。
罗克韦尔自动化的AB可编程控制器（PLC）及其监控组态软件RSView32已经在国内水处理行业有了广泛的应用[1]。天津某水厂的扩建项目中也采用了罗克韦尔新一代控制器ControlLogix5550作为主控制器，用RSView32编制人机界面，并在此基础上组建了罗克韦尔公司的ControlNet为主的现场总线控制网络，以实现水厂滤池的自动控制。
2.水厂监控系统构成
水厂滤池控制系统从属于水厂监控系统。整个水厂网络监控系统包括一个中心控制站、三个系统监控点和八个PLC控制站。其中中心控制站位于中心控制室，控制室配备两台工控机作为操作员站，一台工控机作为工程师站;三台工控机作为系统监控点安装在现场;PLC1控制站—PLC6控制站位于净化车间内;PLC7控制站位于加氯间;PLC8控制站位于加氨间。
整个水厂的输入/输出信息量大，对系统功能要求高。中控室各监视站以及现场监测点的工控机不仅仅是对单一站点进行检测，而是要对整个系统进行监控。以PLC和计算机为核心的信息处理机制将完成对综合信息的管理、生产过程的监视、调度和控制。在此基础上，系统以Rockwell A-B品牌的系列ControlLogix系列产品为核心，采用了包含NetLinx的所有三层网络（即信息网、控制网、设备网）的混合体系结构。因此整个系统也按照上述三层进行架设。
2.1 信息层
信息层采用EtherNet/IP 网络，主要用于连接一个工程师站、两个操作员站以及三个现场监控点。其中两个操作员站工控机通过PCIC网卡连接到控制层，其他工控机利用EtherNet信息传递，通过操作员站间接进入ControlNet网，对整个系统进行监控。采用这种方法不仅实现了计算机与控制器之间的大量信息的高速交换，对生产过程进行监控，还可以进一步用于组建企业信息网[2-3]。
2.2 控制层
控制层采用高速、确定的ControlNet现场网络，实现控制器之间的通信以及对远程扩展I/O的控制[4-5]。现场控制站（即各PLC控制站）和中控室两台操作员站工控机通过同轴电缆采用ControlNet网络协议相连，实现控制信号的高速传输。PLC控制站的各PLC自动监测各工艺段设备的运行状态、仪表的参数变化等现场信息，并对设备进行自动控制。系统的8个PLC控制站是按照工艺要求设立的，其中PLC5控制站监控No.1-No.5 、No.12-No.16滤池;PLC6控制站监控No.6-No.11、No.17-No.22滤池;PLC3控制站负责滤池公共冲洗设备的控制以及滤池冲洗排队。
2.3 设备层
设备层采用高效、低价的DeviceNet网络，实现对底层现场设备的监控[5]。设备层连接分布于水厂各处的传感器和执行机构，将变频器、仪表等直接采用总线电缆连接，实现了数字和模拟量输入/输出模块及可编程控制器PLC之间的数据数字化传输，把I/O信号通道分散到实际需要的现场设备附近，减少了安装和布线费用，节省了成本[6]。
3. 滤池监控系统
滤池位于净化车间内，本系统共有22个快速重力过滤池用来清除水中从净化阶段带来的少量的残留固体。每个滤池都包括进水阀、清水阀、水冲阀、排水阀、气冲阀、排气阀、液位计、压差计和流量计等设备。滤池上位监控画面如图1所示。
图1 滤池上位监控画面
每个滤池运行模式分为不服务模式、过滤模式和冲洗模式三种，并可以通过上位操作或是运行需求自动在三种模式之间自动切换，滤池切换控制流程图如图2示。
图2 滤池切换控制流程图
3.1 不服务模式
不参与过滤的滤池运行在该模式下，此时所有的阀都关闭。在过滤模式或是冲洗模式下的滤池，如果出现故障或上位的进入不服务命令，会自动关闭所有的阀门，进入不服务模式，并对各阀门是否关闭进行确认。
2.2 过滤模式
过滤模式可以直接由不服务模式或是冲洗模式进入。在不服务模式下，收到进入过滤模式命令时，滤池首先经过“慢速启动阶段”和“中间沉淀物阶段”打开进水阀和清水阀，最后进入过滤模式。在冲洗模式下，经过冲洗各阶段后，最后也进入过滤模式。另外在冲洗模式下，如果有返回过滤模式指令，滤池可在“向下排水”阶段开始之前或是“慢速启动”阶段之后进入过滤模式。
在过滤模式下，PLC使用PID调节滤池清水阀的开度，使滤池出水流量达到由进水渠制定的滤池出水流量设定值。PLC监控每个滤池的水位，将测得的瞬时值显示在SCADA上。
3.3 冲洗模式
滤池的冲洗全都由PLC自动控制完成，并且所有的22个滤池公用一套冲洗设备，即两台鼓风机和三台冲洗水泵。滤池要进行冲洗，首先通过冲洗请求进入冲洗排队队列，最后从队列中得到冲洗信号后，才开始进入冲洗模式 （这部分详细控制由滤池排队冲洗系统去执行）。滤池的整个冲洗过程分为以下几个阶段，滤池冲洗过程控制流程如图3所示。
图3 冲洗过程控制流程图
（1）向下排水
由过滤模式进入冲洗模式的向下排水阶段，滤池的过滤运行时间计时被清零。滤池进水阀按照关闭时间和延迟关闭时间进入关闭阶段。对滤池的水位进行监控，仍使用过滤模式下的PID调节控制滤池清水阀的开度，让剩余的水继续过滤。
水位降到排水位时，关闭滤池清水阀，开放滤池排水阀和气冲阀。并确认污水池是否有充足的容量。
（2）气冲
当污水池的容量已经充足时，进入气冲阶段，启动鼓风机。确认鼓风机运行后，开始计时滤池气冲时间。当滤池气冲时间到时，进入气水联合冲洗阶段。
（3）气水联合冲洗
开水冲阀，启动低速水冲洗流程（即启动一台冲洗水泵）。气水联合冲洗时间开始计时，并监控滤池水位。当滤池水位达到“低速冲洗”水位或气水联合冲洗时间超过最大设定值，关闭鼓风机。关闭滤池气冲阀，开启滤池排气阀。
（4）排气
确认滤池气冲阀关闭和滤池排气阀开放后，排气时间和高速水冲洗延迟时间开始计时。当高速水冲洗延迟时间到设定值，进入高速水冲洗阶段。当排气时间到设定值，关闭滤池排气阀。
（5）高速水冲洗
高速水冲延迟时间到时后，启动高速水冲流程（即启动两台冲洗水泵），开始累计高速冲洗水流量，达到设定值，关闭已启动的两台冲洗水泵。关闭滤池水冲阀和滤池排水阀。
（6）滤池重新填充和中间沉淀物
确认滤池水冲阀和滤池排水阀关闭后，按照重行填充时间和中间沉淀时间开放滤池进水阀。
（7）慢速启动
确认滤池进水阀开放，重新开始清水阀的流量控制。流量控制值按设定斜率逐渐增大。当滤池流量控制值达到由进水渠决定的PID控制值，沿用由进水渠决定的PID控制值继续调节出水流量。滤池进入过滤模式，过滤运行时间开始重新计时。
4.结束语
本文的创新点是：基于ControlNet网络的水厂滤池自动控制系统用于水厂的扩建和改造，实现滤池部分的数据集中监控和管理的信息化。再加上整个系统具有较高的可靠性、稳定性，水厂可以节省大量的操作员，只需要很少的人值守就可以保证系统的正常运转。罗克韦尔自动化ControLogix系列PLC在该水厂的应用，不仅促进了该地区的经济快速健康发展、提高了城镇居民的生活质量，而且对该地区水处理事业的发展具有重大意义。
参考文献
[1] 衡军山,甄成刚.基于软件的双CPU冗余控制研究[J].2005.7. 21（7-1）.Pp. 59-61.
[2] W.Bolton.Programmable Logic Controllers[M]., Third Edition. Prentice Hall.2004.3.Pp.15-25.
[3] 王卫兵.PLC系统通信扩展与网络互连技术[M].北京：机械工业出版社.2005.3.Pp.1-20.
[4] Jon Stenerson. Programming PLCs Using Rockwell Automation Controllers[M]. Prentice Hall.2003.3. Pp.21-25.
[5] 贾爱民,王玉.Rockwell A-B可编程序控制器的编程. 北京：机械工业出版社1999.3.Pp.11-20
[6] 王勇.太原呼延净水厂自动控制系统[J].罗克韦尔自动化“A-B世纪杯”集成架构产品应用.2004.1.Pp.292-296
