西门子6ES7214-1BD23-0XB8技术支持

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ABBPLC-AC500控制系统及其应用

介绍了AC500系列PLC控制系统及基于其的三级分布式污水处理自控系统。给出了系统构成、功能、主要特点,同时论述了该系统在SBR污水处理中的应用。

关键词：可编程控制器;控制系统;污水处理.

一，引言

ABB公司在收购了贝利(Bailey)公司后，将它旗下的多款控制系统整合到了以工业IT为基础，针对目标技术的800XA系列控制系统中。在继续为国内的电力，冶金，石化，造纸等行业提供整体的解决方案以外，已将它旗下的一款已有十几年发展历史的中小型控制系统AC31作为产品引入中国。目前在此基础上推出为现进的AC500系列，可为国内的系统集成和OEM等应用提供多的选择。本文将介绍此系统及其在污水处理中的应用。

二，AC500控制系统介绍

AC500系统由CPU，通讯模块，CPU底板，I/O模块和端子板，FBP接口模块和端子板，CPU底板等组成。

CPU

CPU有PM571、PM581 和PM591三个不同的等级。均带有：LCD显示、操作按键、一个SD卡的扩展口和两个集成的串行通讯口。CPU可直接插在CPU底板上，底板可选择集成以太网或者ARCNET网络接口。此外，保留的CS31的通讯接口是考虑到了和AC31等ABB公司其他系列PLC的兼容性。

通讯模块

除了CPU上集成的通讯接口外，每一个CPU上还可多扩展4个通讯接口。这4个通讯接口可扩展为任意的标准总线协议。CPU上集成的两个Modbus通讯接口和可选集成的以太网或ARCNET网络接口外，通过通讯扩展接口还能扩展 : ProfibusDP-V1、DeviceNet、CANopen和以太网等总线接口。

I/O 模块

输入/输出模块有模拟量和开关量两大种类。每个输入/输出模块均可直接插到端子板上，CPU本地和通过FBP分布式扩展的子站，可大扩展到7个输入/输出模块。AC500还可以提供每一点都可以根据用户的需求及可设置为输入又可设置为输出的开关量模块。

FBP 的接口模块

这种模块集成了一定数量的开关量输入/输出，并且通过它实现和CPU 的通讯和分布I/O。这个分布模块后面又可大扩展7个输入/输出模块。

AC500 Control Builder 编程

AC500 Control Builder 编程是一套可对所有系列AC500 CPU进行编程的工程工具，这套编程软件符合IEC61131-3的标准，可支持五种不同的编程语言：

-功能块(FBD)

-语句表(IL)

-梯形图(LD)

-结构文本(ST)

-顺控图(SFC)

这套软件可完成AC500系统的全部设置，包括所有的总线接口，而且还有的自诊断功能、报警处理、可视化调试工具和开放的数据接口。此外还可以提供离线,变量跟踪功能,配方管理和监视列表,可视化的调试工具,通讯接口的设置,开放的数据接口,工程接口.

三，SBR污水处理工艺介绍

序批式活性污泥法简称SBR (Sequence Batch Reactor)法，是早期充排式反应器的一种改进。随着自动控制水平的提高，SBR法引起人们的重新重视，并对他进行了加深入的研究与改进，自1985年我国座SBR处理设备在的投产，目前已经广泛的应用在工业污水和城市污水的处理中 。

SBR工艺的基本操作流程由进水，反应，沉淀，出水和闲置等五个基本过程组成，从污水流入到闲置结束构成一个周期，在每个周期里上述过程都是在一个设有曝气或搅拌装置的反应器内依次进行的。

SBR工艺系统组成简单，不设二沉池，曝气池兼具二沉池的功能，无污泥回流设备。SBR具有效，脱氢除磷效果好，防止污泥膨胀性能强，耐冲击负荷和处理能力强等优点。

四，AC500在SBR控制中的具体实现

SBR污水处理厂的自动控制系统由三级分布式控制系统组成。

级—监控管理，由控制室的操作站实现。选用工控计算机，以TCP/ IP工业以太网与PLC系统通讯,实行集中控制。通过工控软件实时监视全厂工艺参数变化、设备运行、故障发生等情况，同时负责日常报表打印、事故打印和数据记录等。

二级—过程控制，由现场的各分系统或成套设备的控制系统实现。以AC500 PLC系统作为现场控制 ,按场区配置分站 ,通过CS31网与所属分布I/O通讯对流量、液位、pH值、电机等参数进行采集、控制。

三级—单机就地控制，由现场电气控制系统实现。采用ABB公司的AC31系列产品组成分布I/O,采集现场参数,执行上一级PLC主站的控制命令。

监控组态设计及与PLC主站的通讯

由于污水处理控制对象多且分散,生产工艺流程复杂,如果采用集中控制方式,则需要使用大量导线，在长距离传输过程中非常受到干扰,所以本系统采用分布式集散控制系统,将管理与控制分离。计算机选用HP工业PC机,预装北京昆仑通态公司的MCGS 5.5通用版。MCGS监控组态设计包含监控界面设计，定义数据变量，组态设计，动画等方面。用MCGS提供的基本绘图工具与元件库创建图形块并进行组态设计，污水处理系统工艺流程组态画面

鼓风机，水泵，运行阀的工作状态可以通过动画实时显示;污水，污泥，药水，空气的流动方向及流量表的数据也能根据现场的情况随时新。操作人员在登陆并输入用户名和密码后，可任意调入各局部工艺图、运行表、设定表和控制表，工艺图以图形的方式显示各个工段的工艺流程和数据，并能根据控制的需要直接设定现场的相应参数(例如，泵站的变频器的恒定水位，报警水位，停泵水位的设定，排泥时间的设定等)。此外，系统还可以提供故障报警查询，工作报表生成等功能。MCGS中的实时数据库是监控系统的，而数据变量是构成实时数据库的基本单元。将用户界面中的图形对象与实时数据库中的数据变量建立联系，现场的运行情况就可以通过动画实时的显示在监控界面上了。

工控计算机只需一块普通的网卡就可以通过Ethernet LAN接收到来自PLC主站的数据。PLC主站由1台AC500系列PLC及相应的外围设备组成,置于控制室。PLC主站从分布I/O接收数据，进行相关的处理与控制，同时通过标准工业以太网TCP/IP通讯模块(TB521-ETH)传输给工控计算机,传输速率为10Mbit/s ,介质为屏蔽双绞线。

PLC主站与分布I/O的通信

PLC主站通过CPU(PM581)上保留的CS31通讯接口、CS31通讯总线与分布I/O(AC31远程扩展模块)构成高速通讯网络,随时采集现场设备的运行状况和故障信息,并上传工控计算机 ,形成分布控制。

本系统共设8个分布I/O。从经济角度考虑，由于AC500系统可以兼容AC31的远程扩展模块， 1#～8# 分布I/O分别选用AC31系统的远程扩展模块(ICMK14 N1-24DC)。分布I/O置于污水控制现场, 就近控制所属设备,形成分布控制的能力,并采集现场设备的运行状况和故障信息,通过CS31总线联接到PLC主站 。CS31总线是一种点对多点的RS485串行通讯。每个通讯系统由一个主站和大31个从站组成。通讯距离不加中继为500米，加中继大可达到2000米。通讯介质为:屏蔽双绞线。

地址%MX0.0.0至%MX0.0.7是ICMK14N1-M的系统保留区域，不能使用。地址%MX0.1.0至%MX0.1.7作为此远程扩展模块自带的开关量输入，分别对应进水泵房及沉砂池的相应设备。依照同样的方法，可以继续定义1#分布I/O的(XI16E1,XC32L,HE10-20,…等)开关量及模拟量输入/输出模块，然后依次是2#～8#分布I/O的所有模块。

在完成所有I/O地址表的设定后，就可以通过AC500的Control Builder软件来编写PLC的内部通信程序。由于AC500的Control Builder软件可以提供现成的MODBUS功能块，编程十分简单。以1#分布I/O的读指令为例 。

只需设定好MODBUS功能块的(COM,SLAVE,FCT,ADDR,NB等)参数，PLC主站就可以顺利的从1#I/O子站读取数据。

运用MODBUS功能块依次完成1～8#分布I/O的读，写指令的编程，PLC主站与分布I/O之间的通信就建立完成了。在实际调试中，发现还需通过软件的PLC组态选项，将MODBUS的参数：RTS control设置为“bbbegram”, Parity设置为“none”，Operation Mode设置为：“Master”。至此，PLC的主站已经可以对I/O从站中的各种参数进行采集与控制，并通过以太网显示在工控计算机的监控界面上。

以本文的研究结果为基础的技术方案,在浙江某生活污水处理厂具体实施。实际的运行结果表明,其设计合理,,控制精度高，满足了生产的实际需要，。AC500 PLC系统除了有外形美观，性能，价格适中等特点，在项目具体实施中还具有如下优点：可设置输入/输出的开关量模块，为备用点数的设置提供了方便并能进一步降;模拟量的每个输入通道都可以设定电流，电压或者热电阻等输入信号，使用方便;编程软件中集成的MODBUS功能块，非常实用，易于操作，大大节省了编程时间;此外，CS31总线的连接只需要普通的屏蔽双绞线就可以完成，廉，操作灵活简单。

ABB-AC31系列PLC应用于水电站公用及通风空调设备

琅琊山抽水蓄能电站位于滁州市西南郊的琅琊山麓，是由奥地利出口支持的重大项目和安徽省“861”建设项目。电站总装机容量60万千瓦，装设4台单机容量为15万千瓦的单级可逆式抽水蓄能机组。整个电站枢纽部分由上水库、输水系统、地下厂房、下水库和地面开关站5部分。电站建成后，将在电网中发挥调峰填谷、调频调相和紧急事故备用等重要作用，将改善安徽省及华东电网的火电机组运行条件，提高电网运行的性和经济性，经济效益和社会效益都十分显著。

琅琊山水电站公用及通风空调设备采用多层式控制，主控工作站设1台公用设备上位机，各个子系统设就地控制单元，在主控及网络失效的情况下，就地控制单元仍能立完成其系统内设备的监测和控制功能。

各就地控制子系统采用PLC为控制系统，对于PLC要求有较高的性价比。该蓄能电站选用ABB AC31系列PLC。AC31系列PLC可以完成辐射几百米甚至几公里的分布式应用，并且具有经济、配置灵活、通讯功能强大等特点，满足该蓄能电站的控制要求。

公用设备主控工作站负责协调合管理公用设备就地各子系统的工作，记录和计算运行信息，并把经过处理的数据存入数据库中，同时完成公用及通风空调设备的远方监测和远方控制功能。各子系统站分别为：厂内渗漏排水泵系统、低压空压机系统、消防泵和雨淋阀控制系统、通风空调系统，AC31 50系列PLC系统负责对各子站进行控制。其中，通风空调系统分为主厂房、副厂房、安装场副厂房以及出线竖井几个远程控制站，每个远程控制站又分别由几套远程I/O进行分散控制，远程I/O选用50系列Modbus远程扩展模块，不仅提高了系统的性价比，而且能够保证系统的稳定运行。每套PLC子站都采用MODBUS协议与公用设备上位机进行通信，子站与主控工作站的距离长为1380米。整套系统利用了AC31系列PLC的优势，实现了优化的控制。

系统投入运行后达到用户要求，整个系统设计合理、操作简单、，并且一直运转良好，得到了用户的

2.加卸载控制系统

2.1 加卸载控制系统概述

自动加卸载是通过三相交流电动机(AO5624)经蜗轮/蜗杆、减速器使丝杆转动托盘上(卸载)下(加载)移动来实现的。通过选择合适的传动比和电机转速，获得合适的加载速度。并接在加载电机轴杆上的增量式编码器通过高速计数器以脉冲方式传给PLC224CPU，经比较运算后提供给控制系统作为自动加载的控制信号，实现自动加载的目的。

2.2 系统硬件配置

加卸载控制电路主要包括：空气开关、PLC及扩展模块、继电器，电机三相灭弧器、保险端子等……　　　本系统应用PLC高速计数器功能，选择模式9(A/B相正交计数器)并初始定义计数器(HSC0，HSC1，HSC2，HSC4)，由于一台PLC多只能控制4台电机，15台电机可由4台PLC224控制。以一台PLC为例，每个PLC224CPU扩展了两个模块EM221，具体输入点如下：

程序编制

2.3.1 上位机程序编写

由于开发环境为具有可视化功能的VB，上位机可以通过PLC控件PLC_COM方便的对PLC寄存器进行读写。很方便的做到数据的给定和反馈值的显示。具体系统方框图如下：

串行通讯口的设置

语法： bbbbbb.Setting Port_Seting As bbbbbb, Port_No As Integer, PLC0_ID As bbbbbb, PLC1_ID As bbbbbb, PLC2_ID As bbbbbb, PLC3_ID As bbbbbb, Step_Time As Integer, Wait_Time As Integer

Port_Seting ——串行通讯口的设置。若9600 波特，无奇偶校验，8 位数据，一个停止位则Port_Seting="9600,n,8,1"

Port_No——串口号 MSComm1.PortOpen = True

PLC0_ID

PLC1_ID

PLC2_ID 可编程控制器编号："11" "12" "13" "14"

PLC3_ID

Step_Time ——从可编程控制器读数据时，可编程控制器间的间隔。应不小于70ms

Wait_Time——时等待时间(ms)。

● 往可编程控制器写数据：

bbbbbb. .No0_Write=bbbbbb 往0#可编程控制器写数据bbbbbb

bbbbbb. .No1_Write=bbbbbb 往1#可编程控制器写数据bbbbbb

bbbbbb. .No2_Write=bbbbbb 往2#可编程控制器写数据bbbbbb

bbbbbb. .No3_Write=bbbbbb 往3#可编程控制器写数据bbbbbb

bbbbbb中存有偶数个字符

● 从可编程控制器读数据：

通过bbbbbb. .No0_Write="1" 往0#可编程控制器发出"1"后，能产生COMMOK事件。

该事件中的 a——存有来自0#可编程控制器的40个字符

b——存有来自1#可编程控制器的40个字符

c——存有来自2#可编程控制器的40个字符

d——存有来自3#可编程控制器的40个字符

2.3.2 PLC程序的编写

S7-200系列PLC 具有自由通讯口，可由用户自主编制通讯协议及相关通讯程序，由于控制程序量较大，并且通讯程序占有PLC有限的内存，因此通讯程序简洁。在本控制器中，PLC始终作为从机，通过编程电缆(RS232转RS485)与上位机通讯，根据上位机发出的各种指令进行应答。通讯协议中，@表示起始字符，$表示结束字符，变量类型中W表示字型，B表示字节型，采用ASCⅡ码。在接收后再将ASCⅡ码转换为实际数据。

高速计数器都设为A/B脉冲正交计数器工作模式，对采用增量式编码器来进行位置控制有点难度，需要每次计数器采回码值都要存储到PLC内部寄存器，在下一次启动PLC时再把寄存器内的数值储存回计数器中。这样增量式编码器可以作为式编码器使用，方便控制，而且运行。

增量编码器的信号与PLC高速计数器连接，托盘位置。程序编制时，将高速计数器(HSC0、HSC1、HSC2和HSC4)初始化为模式9，即为A/B脉冲正交计数器。为提高分辨率，高速计数器都设为4X模式。

2.4系统保护

在系统保护方面，系统在软硬件都加了严密的保护，软件方面，不但在输出触点设置互锁保护而且在输入触点也进行互锁和连锁保护;硬件方面，在托盘的运行轨迹上下两个端面装有行程开关，起到限位和保护作用。在控制柜控制电路中，增加了单项电流为2A的保险丝的保险端子，和总电流20A的三相空气开关，对电机的过流提供了保护，可对电机在缺相的情况下提供保护;除此还在电机输入端并有电机三相灭弧器防止电机打火;总而言之，该系统在保护方面的工作是非常完善的。

2.3

3 系统调试结果

本套系统在2004年2月底正式投入使用，位置控制量程为350mm,k控制精度为△e(k)≤0.1mm 。由于砝码串之间的距离是固定的，只要在每换一个待校天平时，记下0串砝码的码值，就可以实现位置控制。

天平校正台砝码串加载系统运行两个月以来，故障率为零。加载一串砝码的时间大约需要0.3秒，系统可以同时控制15台电机同时加(卸)载，实现了高度的自动化操作。

天平校准台的测控系统是天平校准中的重要组成部分，现在已投入使用在天平校准中，该系统软件实现了校准的自动化，降低了工作者的劳动强度。系统中通过串口与PLC通讯，通过位移计测量装置进行信号测量及优化的复位控制算法，使整个系统稳定，精度各方面得到明显的提高和改善，充分满足了天平校准的要求，该系统采用了模块化结构，便于维护，操作界面简单、朴素，便于操作者使用。

本控制系统充分发挥了S7-200PLC的优异性能(1.程序编写方便，指令丰富;2. 性能价格比高，各项性能指标均有提高;3. 结构紧凑;4. 性大大提高;)，并大的降低了系统成本，投入运行后，证明具有性高、控制、操作简单等特点。

系统证明：用多台PLC编成分布式控制方式是一种既经济又的模式