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案例頻道★ 李繼松（科德寶寶翎襯布（南通）有限公司，江蘇南通226000）
★ 袁霏（南通職業大學電子信息工程學院，江蘇南通226000）
摘要：針對紡織印染污水系統龐大、布線復雜且各單元散度大的問題，我們建立了基于三菱CC-Link以及三菱CC-LinkIE通信控制系統，實現了印染污水系統精確高效控制所有水泵、攪拌機和風機系統等，同時CC-Link通信方便了污水后續的單元控制擴展，如RO再生回用系統。將CC-Link通信技術運用到污水系統中，不僅簡化了電氣設計復雜度和布線成本，而且提高了污水系統的閉環控制能力，使系統運行更加穩定。
關鍵詞：CC-Link；污水處理
1 引言
傳統的印染污水處理控制系統，大多使用PLC為主控制，簡易增加控制按鈕及觸摸屏，輸出控制變頻器固定頻率或者模擬量控制變頻器。這種架構設備單元分散多，布線繁雜且調試過程較長。隨著三菱CC-Link通信技術的發展和應用，將污水現場散布的各單元設備通過CC-Link連接，只需要一根通信線即可連接各分散單元，并結合三菱協議對三菱變頻器實現通信控制，在簡化污水硬件基礎上，還可以實現完整地閉環監控污水控制設備。通過層級式通信架構控制污水的水泵變頻器、羅茨風機以及RO再生單元系統，保證了污水處理系統的穩定性和可擴展性。
2 印染污水工藝流程
科德寶寶翎襯布（南通）有限公司的污水處理系統采用MBR生物膜處理系統，污水站匯總車間來水。通過提升泵將污水投入到二級調節池中，再溢流至厭氧池進行水解酸化，停滯時間可達到一周左右，再流入SBR/好氧池反應，最后轉入MRB膜處理池中。羅茨風機曝氣進行污水處理，同時抽濾泵進行MBR模組抽吸，進而從系統中排出MBR中水，再經過處理或中水回用后，達標排放。整體過程中運用到各種電機的控制，需要變頻器根據液位狀態啟停和頻率調節。污水處理工藝如圖1所示。
圖1 污水處理工藝
3 控制系統
3.1 系統硬件結構
污水系統控制包括多個水泵變頻的控制、閥門、液位模擬量輸入和羅茨風機的控制等，且每個元件都比較分散。系統選擇L02型PLC作為主站控制器，可擴展輸入輸出模塊、模擬量模塊以及通信模塊。污水處理系統的硬件布局如圖2所示，將分散在整個污水區域內的各單元連接起來。主控系統中的主要布置污水提升泵、MBR抽濾泵、攪拌器至主體電氣柜內。這些電機多采用FR-E840或FR-E740系列的變頻器，總體電氣分散個數達到25個左右，針對這些變頻器設計為FX3U的從站2進行通信控制。螺桿風機及羅茨風機等大功率的變頻控制系統作為從站3布置在一個單獨的電柜內，變頻器個數達到5個左右。RO水處理系統作為從站4進行水處理再生控制。
圖2 污水硬件框架結構
系統主站擴展了LJ61BT11通信模塊，主站向下層擴展各個從站進行集散單元控制，由CC-Link通信至每個FX3U從站的擴展模塊FX3U-64CCL，只需要使用三菱特有的CC-Link通信線，設定相同的通信波特率和正確的站地址即可。
3.2 軟件設計分析
建立好硬件連接后，主站系統可以根據三菱L系列PLC選型軟件進行模塊擺放及地址配置，如確認基本的輸入輸出開關量節點信號，污水系統還主要擴展了模擬量模塊L60ADI8模塊，主要用于接收模擬量液位信號4~20mA。為連接從站FX3U搭載的通信CC-Link模塊FX3U-64CCL，通信采用Ver.2版本模式，這樣可以實現最大容量的數據通信字節數，L系列主站和每個FX3U從站的交互數據可達到32個寄存器，能夠滿足污水處理系統的25個變頻器的讀寫頻率要求。
圖3 污水系統的CC-Link通信架構
CC-Link通信架構如圖3所示。主站L系列通過LJ61BT11N模塊作為主站，采用T型架構連接到三個FX3U從站，分別是污水主系統柜的變頻器組，羅茨風機組和RO回用系統。每個從站的PLC再單獨控制各自相應數量的三菱變頻器。
圖4 FX3U-64CCL模塊開關設置
FX3U-64CCL模塊開關設置如圖4所示。FX3U作為從站時，通過FX3U-64CCL模塊上的撥碼開關。選擇設置地址可以通過調節“×10”和“×1”獲得站號1~63值，然后設置波特率“BRATE”撥碼，其中調節0~4分別代表波特率156kps，625kps，2.5Mbps，5Mbps和10Mps。最后調節站號撥碼開關至5，代表版本為Ver.2模式且占用2站，為該模塊最大用量。
圖5 L02系統CC-Link的設置
對應的LJ61BT11N的軟件程序設置如圖5所示。基于通信模塊的起始I/O位置，設定為“主站”，選擇模式為“遠程網絡Ver.2模式”，傳輸速度為156kbps值。還需設定四個關鍵的參數，遠程輸入RX/輸出RY和遠程寄存器。總鏈接臺數為3個從站，同時在“站信號”中打開并設置為“Ver.2智能設備站”、“2倍設置”和“占用4站”。這樣設置也是FX3U-64CCL的上限數據傳輸量。總體上可以為每個從站點提供輸入輸出點位224個，接收和發送各32個16位寄存器值，主要用于變頻器的頻率值數據收發。
4 變頻器通信控制
關于精準控制變頻器，通過FX3U-485BD模塊，使用三菱特有的通信協議和指令可以實現變頻器的設定和監控需要。對于三菱E系列變頻器只需要將網口接入4芯線至通信的RDA，RDB以及SDA，SDB即可。相比于傳統的I/O方法控制變頻器，精準控制變頻器可以顯著地節約布線成本和電柜空間，簡化調試的復雜度，并且PLC可以實時準確獲取變頻器的運行狀態數據。
對于E系列/F系列變頻器通信參數設置如下：
PR117=1（站號設置根據變頻器增加1~27）
PR118=192（變頻器通信波特率為19200）
PR119=10（停1位7）
PR120=2（執行偶校驗）
PR121=PR122=PR123=9999
PR338=1（變頻器啟停信號使用外部端子命令）
PR339=0（采用通信方式設定變頻器頻率）
PR340=1（通信模式）
PR549=0（采用三菱通信協議）
通過以上設置，主站L02可以實現變頻器的頻率精確控制。FX3U控制器編寫的三菱PLC指令程序如圖6所示，用于控制每個從站變頻器的設定頻率和監控變頻器的實際輸出頻率值。
圖6 三菱變頻器的通信編寫FX3U程序段
因此，整體上污水的控制結構采用CC-Link和三菱485協議相結合的模式，這樣可以極大節約布線成本，減少電氣空間，使布局簡單。在調試的過程中，只需要編寫3個從站的FX3U的通信指令程序如上IVDR四段指令，簡單方便即可完整地控制三菱變頻器。而主站只需要設定好通信模塊的參數設置即可，無需編寫相應的CC-Link通信程序。
值得注意的是，由于污水系統結構采用了CC-Link的T型通信結構，所以在調試過程中我們發現，系統架構的通信波特率只能選擇156kbps或625kbps兩個低速率檔，且要安裝好對應的終端電阻才能保證通信暢通。但是污水本身的控制對于延遲要求不高，且變頻器控制對于這樣的通信速率已經足夠滿足實際使用要求。在調試過程中，FX3U-64CCL和LJ61BT11N模塊的通信指示燈RD/SD燈將亮起，以及run燈常亮，沒有錯誤ERR燈的提示，說明通信正常。
為了實現污水的整體可操作性和對上的數據通信，主站L02CPU也同時對網絡接口進行了設置，如圖7所示，設L02本身的網絡地址以及其它通信參數。
圖7 控制器L02的網絡接口設置
三菱L02型PLC自帶1個網絡接口，在觸摸屏中設置設備類型為“Mitsubishi MELSEC-Q/L-Binary Mode”，接口類型選擇“以太網”，同時選擇UDP協議。可實現觸摸屏上的參數操作，實現人機界面優化。從總體上操作人員通過先打開觸摸屏界面，觀察主站L02監控的污水數據；在界面中設定好水泵、羅茨風機或RO系統的參數，L02再通過擴展的LJ611BT11N模塊以CC-Link通信方式將頻率設定數據傳輸到每個從站FX3U控制器；每個FX3U控制器再經過FX3U-64CCL模塊將頻率數據最終發送給相應地址的變頻器。變頻器正常運轉，也會將自身的實時輸出頻率值經過相同的路徑逆向傳輸回到主站L02控制器，再由觸摸屏顯示出來，讓操作員識別。
5 結語
通過以上的CC-Link基礎架構，我們實現了污水系統精確控制三菱變頻器，節約了布線的復雜度，只需要讓每個變頻器插入通信網線即可。相比于以往的模擬量控制變頻器，精準控制變頻器不僅可將控制頻率的精度提高至0.01Hz，而且還增加了輸出頻率反饋監控，這樣更能掌控污水的控制穩定性，通信延遲也較小，足夠滿足要求。這種基于FX3U-64CCL和主站LJ61BT11N的通信模式，不僅有利于當前的控制模式，還可以快速實現污水處理系統的后期單元增加，滿足污水系統的擴展，不增加設計復雜度。
★基金項目：南通市基礎科學研究和社會民生科技計劃項目（JCZ2022128）。
作者簡介：
李繼松（1989-），男，江蘇宿遷人，中級工程師，碩士，現就職于科德寶寶翎襯布（南通）有限公司，主要從事集成電路方面的研究。
袁 霏（1989-），女，江蘇如皋人，講師，碩士，現就職于南通職業大學電子信息工程學院，主要從事電氣自動化方面的研究。
摘自《自動化博覽》2022年12月刊
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號