西门子模块6ES7223-1BM22-0XA8厂家供应

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在污水处理系统中，PLC和变频器组成的自动控制系统实现了pH值的自动控制。分析了该系统硬件构成和软件编程的特点。现场运行的结果表明，该系统具有很好的可扩展性、灵活性和性。

关键词 可编程逻辑控制器 变频器 pH PID

0 引言

随着生活水平的提高及环境意识的增强，人们对自身生活环境的要求越来越高，对各种污染问题越来越关注。部门为了缓解并逐步解决污染问题，要求各个工厂和城镇建立污水处理厂。

根据**要求处理后水的pH值应在6～8之间，当pH值小于6呈酸性时，需要加入碱性药水来中和；当pH值大于8呈碱性时，需要进入酸性药水。通常某工厂的生产工艺稳定后，pH值要么呈现酸性，要么呈现碱性，不可能来回摆动，所以加入药水的性质也是一定的。由于水的pH值在7附近易波动，如果加入的中和用药水过多或过少，都会使其pH发生偏差。采用人工控制的方式很难完成控制要求，故需要依靠自动控制系统，并配以PID算法来**控制精度。在工厂中，通常有大量的强电设备，电源和电磁环境有时非常复杂，采用单片机自身在性能上的局限性，所以无法满足控制要求。采用工控机为的控制系统，在性能方面没有问题，但成本相对较高。由于可编程逻辑控制器性高、环境要求低，有多种输入/输出开关量点数组合，开关量和模拟量有良好的可扩展性，可立组成成本较低的自动控制系统，所以在污水处理控制系统中大量采用。

1 系统描述

采用三菱公司的  系列可编程逻辑控制器实现系统的自动控制，配置模拟量输入、输出模块FX-4AD和FX-2DA各一块。系统组成如图1所示。

图1 系统组成示意图

可编程逻辑控制器通电后立即对A/D和D/A模块进行初始化参数设定，对它们的工作状态进行规定；在运行过程中则负责控制A/D模块转换，接收传输来的pH模拟量，并且通过科学计算得到相应的控制用数字量，再把这个数字量传输到D/A模块。

A/D模块负责接收在线检测pH计传输过来的模拟量信号，将其转换为数字量信号传输给PLG。FX-4AD总共有4路A/D通道，大转换精度为12位，典型转换时间每通道每次为15ms，快为6ms，可以通过初始化设定缓存字段中的数据来选择。在A/D模块中有31个缓冲字段，除了少数几个保留未用外，其它各个字段都有特殊的含义和用途，在编程的过程中，合理地使用它们，可以使控制品质提高，控制加有效。

D/A模块接收PLG发出的数字信号，根据初始化时PLC对它的参数设定，把它转换为4～20mA的模拟量信号以控制变频器的输出频率，实现对药水泵转速的控制，使污水加入的药水量能根据信号大小而增减。采用三菱公司的F540系列变频器，功率为3.7kW。这种系列的变频器主要适用于风机、水泵类的负荷，有较高的性和性价比，非常适合这种场合使用。

工业污水处理系统中，应采用性能稳定、寿命较长的在线pH计，带自清洗装置，定期清洗pH探头，保系统能长期在高污染的水中测量。PH计由二次仪表和探头两部分组成，探头应固定在能比较真实地代表被测污水整体pH值的位置，二次仪表放置在离PLC系统较近的位置，便于pH值的位置，二次仪表放置在离PLC系统较近的位置，便于pH值信号的传输。PH计二次意表输出的模拟量信号大小为4～20mA与pH测量范围（0～14）成线性对应关系。

2 系统工作流程

PLC在上电工作时，初始化设定A/D模块和D/A模块的工作状态，然后才根据输入条件做出相应的输出反应。

在PLC的输入端口中，X0用于判断系统是否进入pH调节程序段（包括手、自动两种方式）。当X0闭合时，Y0控制中间继电器J11得电，并使变频器上电；同时变频器的输入端STF也得到J11输出的另一路闭号，使变频器可以输出电机正转的信号，变频器处于预备运行状态。

X1只有在X0闭合时才有效，它是手、自动切换开关。当X1的开关没有闭合时，PLC不进行加药自动控制；这时，可以手动调节频率设定器来人为控制药水的流入量。通常在某些设备发生故障不能使用自动方式来控制时，才会采用手动调节频率控制方式。

当X1输入端闭合后，PLG即会自动地向待处理污水水池中加入中和药水，进行pH值控制。在自动控制中，PLC会通过读取A/D模块中特殊存储器中的数据表针pH值的数字量，利用PLC内部PID（88号）特殊指令可以计算出输出数值，再将该数值输出给D/A模块。如前所述，D/A会输出与该数值相应的电量信号来控制药水泵的转速以控制加药量，完成对污水pH值的控制，使pH能稳定在6～8之间，位置是7。

3 软件编制

软件的编制分别为初始化、采样、分析和输出四个部分。PH值控制的总体框图如图2所示。

图2 总体程序框图

3.1 初始化

程序的初始化部分是pH控制软件编制中为重要的部分之一，主要完成对A/D和D/A模块工作状态的设置，调入数据处理和计算时所需的各个参数。如图3所示，在FX-4AD中，用1＃通道接收表示pH值的4～20mA信号，其它通道不使用，这就需要设定0＃字段，数值为“H3331”其中三个“3”表示2、3、4号通道不使用，“1”代表1＃通道接收4～20mA的pH值信号。在1＃字段中置入的数值表示A/D要经过几次累加后取出平均值作为转换的，若在这个字段中置入10，表示A/D模块自动累加10次A/D转换数值后，再除以10，得到A/D数字量。这样，可以起到滤波的作用，防止A/D信号突变。对于其它字段，如数据采集速度，各个通道的偏差量和增益量等可以根据实际情况设定。对于FX-2DA，它的0＃字段，数值设为：“H11”，“1”表示输出的电量信号为4～20mA。另外还要设置停机后数据是否要求保存到下次开机、各个通道的偏差量和增益量等。

图3 A/D和D/A模块初始化程序

PID指令所涉及到的24个数据寄存器也需要设定，如采样时间、滤波常数，积分时间、微分增益等。这些数据需要根据被控对象的实际情况来定量，如pH值的存在范围、污水的流量大小、加入中和药水的品质、中和速度等。通常工厂的生产工艺相对较为稳定，污水的pH值和流量基本稳定，即使有些变化，只要控制参数设置合理一般不会有太大出入，而其它的影响因数比较容易控制，所以这些参数可以定值设置，并在PLC上电工作时就调入并在控制过程中使用。

3.2 采样过程

采样的间隔时间可以根据实际情况定置，时间因子可以采用PLC内部的时间基准，如图4中M8013为秒脉冲的时钟继电器。

图4所示的A/D转换程序可以每秒钟完成一次pH值的采样。

图4 A/D 转换程序

3.3 分析、计算过程

采样完成后，利用PID指令进行分析和计算。

图5 PID指令程序

在图5所示的PID指令程序中，目标值是指用户希望被控对象应稳定在哪一个模拟值所对应的数字量。如pH值0～14的模拟量4～20mA对应的数值为0～1000，若被控对象的pH值需要稳定在7，那么目标值数字量就应设定为500。测定值是指A/D采样所得到的pH值的数字量 。参数D20表示PID指令在执行时所需的24个参数的个参数，同时也指明了这24个参数的地址指针。从D20至D43应专门留给PID指令用于存储参数，通常需要在系统上电初始化时完成参数的输入，或者还可以使用编程器输入到受电池保护的D200以后的数据存储器，这样就不需要在每次上电时都把参数调入了。由PID指令分析后所得到的输出值存储在D50中。

在FX系列中，FX  是在内部固化了PID指令的PLC，它使用户在面对复杂控制时编程加方便、程序量可以大大减少，控制的准确性和反应速度得到了很大的提高。

3.4 输出程序

在PID指令执行后，所得数据将送至D/A模块，由它转换成4～20mA信号来控制变频器的输出，调节加药量，控制pH至。输出语句如图6所示。

图6 D/A转换程序

4 结束语

以PLC和变频器为的自动控制系统运用于pH值的控制，在工厂污水治理中了很好的效果。在以太湖流域为主要治理对象的“零点行动”中，许多污水处理厂采用这种自动控制系统都能很好地控制排放污水地pH值，提高了工作效率，降低了工人的劳动强度，提升了污水处理厂的现代化水平。

关键词：甘油脂 PLC+PC 自动输送 控制管理

滤嘴棒成型机是的过滤嘴生产的主要设备，其生产所用的固化剂是甘油脂。目前，我国成型机只带有一个储油箱，储油箱的甘油脂是由人工进行注入，平均每个工班加注2～3次，工人劳动强度大，在加注过程中不可避免的造成浪费，不利于企业管理。在此，我们介绍PLC+PC甘油脂自动控制管理系统。

1、现场条件及设计思想

厂的滤嘴棒生产线一般由几台到十几台成型机组成，这对集中甘油脂自动供料控制和管理带来便利，各成型机组即是生产线的一部分，又相对立。因此，系统设计应具备：

①能对各机台的储油箱的液位、加注、机台的启、停状态等进行检测，并对油箱加注进行控制。当生产线上某台机组的启动、停止或发生故障时，不影响整个系统的正常工作。并在每个机台设有故障诊断用I/O口，便于维修。

②能对集中供油的甘油脂槽进行油料注入和输出的控制，液位和流量的数据采集存储，并通过人机界面显示。甘油脂槽的油脂注入使用两台泵，可同时工作，也可分别单工作，控制方式可手动，也可自动，系统对注入的油液具有累计储存和显示。同样，油脂的输出也用两台泵，采用一开一备工作方式，控制同样具有手动和自动，系统能对实际消耗总量进行累计储存和显示。油槽的加注控制信号由油槽液位传感器产生，输出信号由各机台储油箱液位传感器产生，当生产线无加注请求时，输出泵处于待机状态。系统具有报警功能。

③车间控制室的计算机系统能对整个甘油脂自动输送系统进行远程监控、数据统计管理，并通过网络与厂管理控制进行信息传送。监控时，计算机具有良好的人机界面，全中文显示，主画面为三维效果系统状况图，对系统的各种工作状态参数进行数据采集、整理、统计和显示，并可随时调用和打印。出故障时，能自动显示故障部位，并给予故障提示，自动记录故障内容和时间。

④成型机、甘油脂槽和车间控制室三者相互之间通信和控制距离可达70m。

2、系统硬件结构

根据现场条件和设计思想，整个系统分监控管理层和现场测控层，如图1系统结构框图所示。监控管理层由1台PC机承担，现场测控层由PLC主站和现场机台从站组成。各层通过PROFIBUS工业现场总线连接。

监控PC机：监控选用IBMPC机，配有CITECT V5软件和CP5611现场总线接口卡，通过PROFIBUS-FMS工业现场总线PLC等数据采集设备中的数据，这样工业PC与现场总线连接成能完成组态、运行、操作、存储和打印等功能的完整的控制网络系统。

PLC主站：PLC采用SIMATIC S7-300的模块系列，主站为CPU315-2D模块化中型PLC，它具有强大的处理能力，并集成了PROFIBUS-DP现场总线接口装置。PLC的编程控制在编程器PG 的STES7 V5.1中完成后写入CPU315-2D，CPU315-2D就可读取总线上的所有I/O模块的状态字，同时进行甘油脂槽油料注入和输出的控制、液位和流量的数据采集处理和从站ET200控制。为方便现场操作，PLC配有立的OP操作面板、数据处理显示和报警功能。PLC的主要控制和数采的输入输出信号见表1。

表1 主要输入输出信号
Table 1 mostly in-out **

现场机台从站：从站以ET200S远程I/O模块为，用于机台的储油箱的液位、加注、机台的启停状态等检测，并对加料进行控制。从站装于机台内，通过模板IM151与PROFIBUS-DP现场总线连接，按主/从模式向现场设备提供输出数据并向CPU或上位机馈送输入数据。I/O模块带可编程口用于故障检测。

3、系统软件结构

系统软件主要包括PLC程序、OP操作面板程序、网络配置和上位机软件。

3.1 PLC程序

PLC程序的编制是在编程器PG中完成。采用SIEMENS公司的SIMATIC S7-300的配套编程工具STEP7 V5.1完成硬件组态、参数设置、编程、测试、调试和文档处理。PLC程序由组织块（0B）、功能（FC）、数据块（DB）构成。其中，OB是系统操作程序与用户程序之间的接口，用于控制程序的运行。主程序循环OB1采用CALL指令调用功能FC程序。

OB1如下：
CALL FC1
CALL FC2
CALL FC3

FC是用户子程序，为了方便编程和调试，用户程序采用模块结构，即按各功能要求分为甘油脂槽的液位及输入和输出流量数据（FC1），甘油脂输入和输出的控制（FC2），从站ET200测控（FC3）等。用户程序采用逻辑梯形图编写,如其FC3如下：

DB是用户定义的用于存取数据的存储区。另外，PLC程序还包含辅助程序，如循环中断OB35、时间错误OB80、电源故障OB81、诊断中断OB82、插入/移走模板中断OB83、CPU硬件错误OB84、级错误OB85、机架故障OB86、通讯错误OB87、编程错误OB121、访问错误OB122等

3.2 OP操作面板程序

为方便现场操作，在PLC主站控制柜上装有OP操作显示面板，其采用SIEMENS公司的SIMATIC Protool/Pro P5.0软件进行组态，其主要功能是系统启/停、自动/手动转换、急停等操作和现场工作状态及数据显示等。

3.3 网络配置

网络组态采用SIEMENS公司的SIMATIC NET，NCM S7 PROFIBUS组态软件完成PROFIBUS S7通讯网的网络组态。

在上微机设计安装CP5611网卡，在PLC主站安装CP342-5通讯模块，通过PROFIBUS S7通讯电缆完成上微机与PLC主站之间的通讯网络硬件组态。

3.4 软件设计

监控计算机用户软件是在bbbbbbs2000平台上，应用SIEMENS公司的CITECT V5软件开发的。监控计算机以三维效果系统状况图的形式输出系统各设备运转状态、甘油脂瞬态流量和累计流量、甘油槽液位，并可对系统启动和停止、输出泵的选择及控制、输入泵的选择及控制等进行操作，同时，还装有STES7 V5.1，可对PLC进行远程编程或修改。为防止非专职操作人员非法操作，系统设有专职人员登录窗口。由于用户软件运行于bbbbbbs2000操作系统平台之上，给用户将来建立工厂管理网带来方便。

4、其它应考虑的问题

4.1 由于工业现场的恶劣环境，干扰较大，我们对PLC 交流供电采用380/220V的隔离变压器（变压器级间屏蔽层接地），对其进行悬浮供电，以隔离由电网引入的干扰。线路敷设时，将PLC控制信号线与交流电源线分开布线，大限度的降低静电和电磁感应干扰。这样做的好处是把输入和输出、强电和弱电明显隔离分开，进一步减小干扰，同时也避免了接线错误。

4.2 在控制柜结构设计时，要充分注意到散热和防尘问题。因热量向上散发，发热元器件尽可能装于柜子的上部，并增设散热风扇，通风道的进出口要进行防尘处理。

4.3在现场系统调试时，PLC应对流量计、液位计、甘油槽等进行计数校验。

4.4如果监控计算机、PLC、ET20太远，则应考虑增设中继站。

5、综述

用PLC+PC实现的甘油脂自动输送系统控制已用于厂生产，几年来的实践证明，该系统抗干扰能力强，控制精度高，实现了系统数据采集处理、系统各环节状况检测控制、系统监控管理等、全数字化、全开放的控制过程自动化、系统网络化，为企业降低了生产成本。

介绍一种新型远程抄表系统，该系统通过PLC采集电量数据，由PLC及公用电话网实现远距离传输，具有结构简单、计量准确、易于操作等特点，有广阔的应用前景。

目前，电能表远程抄表及远控系统越来越受到电力部门的重视。使用Modem与计算机结合，利用公用电话网进行远程控制，不仅可以很方便地实现控制信息的传递问题，而且控制信息可以非常复杂和丰富。但系统造价较高，且结构复杂。本设计采用PLC实现供电系统的电量采集及控制，通过公用电话网与上位计算机相连。整个系统控制灵活、工作，且成本较低，有广阔的应用前景。

本设计采用电量定时采集方式，根据用户要求分时段进行数据和记录。通过脉冲电表将电量信号变成脉冲信号，并使其成正比关系，便于电量计量。设每天分为7个时段采集数据，则每路每天要记录16个字，即：标志及年1个字，月、日1个字，时、分共7组14个字。这些数据存于DM中，若每个周期按一个月记，需使用内存16×31大概500字。

存在DM中的数据，由上位计算机定时读取。

本系统的关键是要存储大量数据，并要有通讯能力。对PLC来讲，只需少量输入点，不用输出点，但应有系统时钟。CQM1系列PLC带有通讯口，且DM区较大，可配置带有系统时钟的内存单元。本设计中的具体配置如下：

通过MODEM及公用电话网即可实现电量的任意远程计量。

本系统采用定时采集方式，分别按时间分时段记录实际电量值，并存入DM数据区。具体过程为：

设置A17为实时时钟，代表时、分，与1000相比较，判断是否到了10点00分，若到，则相等标志ON，同时把要采集的通道的内容存于DM区中，存后指针加1，然后再判断指针是否出数据区范围。若不，则什么都不做；若，则把0000再赋给指针，即令其再从存贮区开始处存数，开始下一循环。

本设计中，为确保电量采集精度，不丢脉冲，采取定时不断的办法执行采集子程序，每10ms采集一次。由于采用定时采集方式，存数的格式固定，且存贮区的长度与存数的长度协调，在存数的同时，可不存时间。因为从指针值可知当前的数存到什么位置，而数据的不同位置，又代表不同时刻的数，规律性较明显，很易弄清楚该数据存放的时间。

为节省投资，提高控制效率，可采取远程控制方法。CQM1机以通过适当配置，可方便地实现远程控制，但不增加可控制的I/O总点数。

通过接口单元与输入或输出终端相连，大距离可达500m，此方案称为“接终端”。

该控制方式大传输距离为500m，但实际距离与传输时延及电源配线方式有关。在CQM1主体部分接B7A接口单元，而在远程接相应终端。终端与接口间靠双绞线连接。

接口单元的结构与CQM1的I/O模块类似，可用与I/O模块相同的方法，接在CQM1主系统中。接口单元分为接输入终端和接输出终端两种；终端分输入、输出两大类。

用此种方法，一台PLC可连接64-96户电表。

除采用上位机监视与记录以外，采用七段译码方式可以很方便的监视用电情况。本设计中，将电量数据直接由输出单元输出给七段译码器，译码后显示所采集的电量值。

一个数字占4个点，采用OMRON动态输出单元（一个单元可输出128点），外部硬件译码作成带锁存方式的，则一个单元可稳定地显示32位数字。

本设计中，PLC系统采用脉冲记数，不使用模拟量单元，使系统的抗干扰能力大大提高。此外，也可在数据采集过程中，把A17的内容存于修改后的指针指向的DM字，然后再修改，再判断控制指针。不仅A17，有时还可把年、月、日以及一些标志也预存贮，其方法与存数方式相同。

本系统经研究和实际应用证明：系统运行，电费计量。