西门子模块6ES7223-1BM22-0XA8技据

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1  引言
        投加在自来水生产过程中至关重要，直接影响人民的饮水健康，且人民对水质的直观印象就是水中的余氯含量是否标。国内的投加还停留在人工投加的阶段，由于投加过程的大时滞和大惯性的特点，工人仅凭经验投加，不可避免的要造成出厂水的不合格，影响人民的饮水健康。

2  加氯工艺的介绍
        我国大部份自来水厂净水工艺流程都包括取水、加矾、沉淀、过滤、加氯、出水等过程，图1是南京市某自来水厂的自来水生产工艺。

图1  自来水生产工艺

        利用对自来水，为了有比较好的效果，保证和水一定的接触时间；另外，为了使自来水在城市管网中还具有持续和作用，在经过氯与水的充分接触之后，出厂水中还要有一定的余氯含量。在一般的自来水厂中，加氯工艺包含两个部分：滤前水加氯环节(前加氯)和滤后水加氯环节(后加氯)。前加氯在原水进入沉淀池之前进行，目的主要是为了杀灭原水中的藻类，以防止其在沉淀池或滤池中滋生繁殖。后加氯在滤后水进入清水池前进行，其目的是通过与水在清水池中充分接触后水解生成的强氧化剂次氯酸杀灭水中的各种细菌和病毒。

3  加氯控制方案
3.1 比例投加
        在水生产过程中，加氯量与流量成正比，亦即比例投加。数学公式为：
        cl=k×f          (1)
        其中，cl为加氯量，k为比例系数(投加浓度比例系数)，f为流量。比例投加为关键的一点是比例系数k的选取，表1格列出了对比例系数k影响的各个因素以及影响大小。

        从附表可以看出，对k影响较大的有清水池进水量，出水量和氮含量。
3.2 串级控制方案
        副回路选择了从加氯点到入口余氯仪反馈处，将入口余氯作为控制目标，使入口余氯在目标值附近波动。主回路选择了从加氯点到二泵房出厂水余氯仪处，将出厂水余氯作为控制目标，使出厂水余氯在目标值附近。这样的控制方案，使得加氯系统能够快速响应水流量的变化，克服流量变化对加氯系统的干扰，使系统的主参数在设定值附近，亦即余氯在目标值附近。

4  水流量的估计
        由于水厂的设计原因，并不适合安装流量仪，这给加氯环节带来很大的困难，因此设计一种方案，能够对流量进行准确估计。
4.1 流量估计的基本思路
        清水池入口流量应该等于出厂水流量加上水位的变化。根据这样的思路，得出下面的公式：
         (2)
        其中，fin为清水池进口流量，fout为二泵房出厂水流量，h为水位。
        这里公式可以简化为：
        (3)
        其中，f为液位变化一厘米时，清水池进口流量的变化， 为清水池水位变化。
4.2 流量处理
        用公式(3)得出来的流量，由于液位仪测得的数据波动过大，导致得出来的流量变化过于剧烈，不符合实际流量，因此，要对公式(3)得出的流量进行滤波处理。
滤波方式为带有遗忘因子的滤波方式。1阶的滤波公式为：
          (4)
        其中，α为遗忘因子， 为滤波后流量， 为未滤波流量。
        实际实用过程中发现效果并不理想，改用二阶滤波：
         (5)
        其中，α、β为遗忘因子，为二阶滤波后流量，为一阶滤波后流量，为未滤波流量。
4.3 反冲洗的处理
        通过公式(5)处理后，不可避免的要遇到，当反冲洗时，流量剧烈变化，二阶滤波响应过慢的问题。因此我们要对反冲洗经行处理。二阶滤波处理实质上是二阶惯性环节，而反冲洗时流量成呈阶跃状变化，二阶滤波处理相当于阶跃响应，对滤波器的阶跃响应进行拟合，可以用 来代替，因此为了加快速度而又不影响二阶滤波，在反冲洗时减去，而在反冲洗结束时加上 。如图3所示。

图2  串级控制方案图

图3  滤波器拟合曲线

5  自适应规律
        比例投加系数k受到水温、水质的影响会发生的缓慢的变化。因此，设计一个控制方式能适应水质缓慢变化的情况。针对水厂加氯工艺中的大时滞、大惯性的特点，设计了自适应控制和分段pid控制相结合的方案。
5.1 时延的计算
        时延是指从加氯点投加到余氯仪反应的时间，根据经验，与水位成正比，与流量成反比。于是设计飞升实验，得出不同流量不同水位下的数据，再通过小二乘法可得出下面的经验公式：
          (1)
        式中，t表示时延，a表示截距，b表示斜率，f表示流量，h表示水位。
5.2 分段pid控制
        设进口余氯设置为 ，进口余氯实际值为 。则通过比较进口余氯设定值与实际值之间的差来调节比例投加系数。
           (2)
        上式中，k为投加比例系数， 为pid中的p参数。为防止扰动，对 做均值滤波，即取5分钟内进口余氯实际值的平均值作为入口余氯实际值。
       这里的 ，为了防止震荡以及加快调节速度，采取了分段pid控制的方式。
        经验公式：
        当时 ， =1.1 ；
        当 时， =1.2；
        当 时， =1.3；
        当e<-0.35时， =1.6；
        当e>0.35时， =1.5，其余情况， =1。
        其中e为 与 的差。
5.3 比例系数的自适应
        针对水质缓慢变化，设计一种方法，能够解决投机比例系数自适应问题，使系统能适应各种环境。提到，流量对投加比例系数的影响，因此这里考虑针对不同的流量设置不同的工况，以每2000m3/h为一个工况。
        ，判断流量是否平稳。设流量为f，取一段时间t，t时间内取f的平均值 

        (5)
        若 ， 且 ，则可得出加氯量是合理的，若此时流量亦平稳，则将这段时间内的投加比例系数的平均值作为新的投加比例系数来新工况。
        设出口余氯为 ，取一段时间段 ， 时间内取 的平均值 ，取

6  加氯工艺的实现
        自动加氯系统的硬件平台主要采用以plc为下位机、计算机为上位机的scada(数据采集与监视控制)系统的解决方案。scada(supervisory control and data acquisition)系统，即数据采集与监视控制系统，集自动控制技术，通信技术、传感技术和计算机技术于一体，是以计算机为基础的生产过程控制与调度自动化系统。它可以对现场的运行设备进行监视和控制，以实现数据采集、设备控制、测量、参数调节以及各类信号报警等各项功能。
        上位机采用rockwell公司的通讯软件rsbbbb及组态软件rswiew -32，利用rswiew32基于组件的集成mmi系统，可以很方便地实现监控界面的设计和设备动作的动画效果。系统的控制算法部分利用rswiew32中的嵌入式vba脚本程序编写实现，其采用基于事件驱动的动态调度策略，即当事件触发条件满足时，调用相应的vba程序。

7  实际控制效果

        图4  实际运行效果对比图

         参见图4，本控制系统的目标是使出厂水余氯在合格范围内。从实际运行的效果图，可以很明显的看出，采用了串级控制、分段pid和自适应控制以后，系统的抗干扰能力明显加强，使余氯在目标值附近波动，且波动较人工大为减小。

8  结束语
        水生产过程是典型的过程控制，具有大时滞、大惯性的特点。针对这些特点，设计了基于自适应的复杂控制方案。采用了分段pid以及自适应控制方式，有效的克服了水质缓慢变化，流量突变以及水质突变等各种水生产过程中常见的问题。系统具有很好的智能能力，能够模拟人类的加氯过程。在实际应用中，很好的克服了各种突变状况，具有良好的实际效果

一 引言

检品机是一种具有、高灵敏度的复卷、检品设备。适用于卷筒状的印刷薄膜、复合薄膜及卷筒纸制品的印刷、涂布、复合后的全自动品质检验，也可用于上述材料的复卷，是印刷、涂布、复合等工序的检验设备。

二 系统选型设计

2.1 触摸屏选型设计

本系统选用的是艾默生EZ600-TT06P型 5.7 寸触摸屏， 显示色彩为64K色，解析度为 320×240像素。 按键包括 1 个清单键和 5 个使用者定义的功能键。 此外还有三个 RS232、RS422 和 RS485 的通讯接口， 以及 2个 USB连接口。 内建的 CF 卡插槽可以让您扩充历史记录和配方，以及进行数据备份。 前盖为 IP65 等级，这样对于任何方向的低压水流冲洗，它都能提供保护效果。

2.2 PLC选型设计

系统选用了艾默生EC20-1614BRA可编程控制器，作为主控单元，主要用于实现的逻辑控制功能；外加一个EC20-4DA模拟量输出模块作为扩展模块，主要用于实现系统的线速度设定和张力给定功能。

EC20是艾默生推出的小型PLC，具有快的运算速度，和12K步的大程序容量，并且自带两个通信口，一个通信口用于与触摸屏通信，实现系统的参数设定与状态显示功能，另一个通信口用于与变频器通信，实现变频器运行状态的读取，以及参数设定功能，这样大大降低了用户成本。

2.3 变频器选型设计

系统选用了艾默生EV6000变频器，用于系统的驱动及张力控制功能。

EV6000是艾默生新推出的一款型平台产品，集的无速度传感器矢量控制的算法技术、伺服定位控制技术、EMC技术和性技术的优势与一身，使之在性能上有了质的飞跃。

EV6000矢量控制变频器拥有大功率范围，可以从0.4到250kW之间进行选择，而它的输出频率也可高达1000Hz。EV6000可以实现无PG矢量控制和有PG矢量控制驱动永磁同步电机，而且在无PG矢量控制时，能在0.25Hz下可以满足200%额定负载突变时转矩能快速地响应和稳定运行，能满足众多低速大转矩应用要求，在变频低频脉动技术难题上迈出了一大步，处于水平。

三 系统介绍

3.1 系统原理介绍

（1）触摸屏：通过触摸屏，用户可以对工作速度、运行张力、料卷直径等参数进行设置；并且，通过触摸屏，可以显示设备的当前运行状态，并对当前的故障信息进行显示，以便用户作进一步处理。

（2）EC20控制器：该控制器是艾默生公司的控制器，它是整个系统的控制，协调外围设备的动作，并按用户设定的工艺控制设备的运作。通过EC20-4DA模块对变频器作张力给定和频率设定。

（3）变频器：本系统采用EV6000变频器做收放卷控制，通过该变频器可保证检品机械的张力恒定、速度稳定，是整套系统的控制部分。

3.2 控制流程图

3.2.1 系统正常启停流程：

正常启停流程主要是用于用户查找产品缺陷，当发现缺陷时，用户通过按钮记录当前位置，以备查找；难点主要是在于加减速，以及零频时张力的控制。

3.2.2 检查点启停流程：

检查点流程主要是用于缺陷的查找，这也是该设备的重要的功能之一，本系统是通过硬件中断的方法记录缺陷的位置的，所以，可以比较准确的发现缺陷的位置。由于本过程涉及到多次启停，而且在任何速度下都要保持张力稳定，所以对变频的张力控制性能要求很高。

3.3 电气原理图

图四是整个系统的张力控制示意图，EV6000作为主驱动，控制整个系统的运行，EV6000张力控制用变频，驱动收/放卷电机，通过张力传感器反馈回来的张力的大小，做闭环控制，以保证整个系统的张力恒定、速度稳定。利用编码器与变频器作闭环控制，使变频器可以在高速度精度和恒张力下运行，同时PG3把信号送给EC20，由PLC计算当前的运行速度、距离等数据。

PLC实现传动点的协调控制，逻辑控制处理。PLC实现线速度，运行命令传递到变频器，并收集变频器的运行状态。同时传递变频器参数信息。

选用EV6000张力控制变频器实现放卷和收卷控制，选用EV6000矢量控制变频器实现主牵引控制。变频器以闭环矢量控制运行，安装脉冲编码器（PG），编码器信号类型：集电开路输出型；

收、放卷变频器工作于张力闭环速度模式，EV6000自带卷径计算功能和断带检测功能。为了保证系统的起停要求，尤其是急停的技术指标。变频器都需外接制动电阻。

3.4 电气配线图

3.4.1 主驱动变频器接线图

变频器通过端子进行起停运行控制，运行方向设定，运行速度设定，故障停机和复位处理。

3.4.2 收、放卷变频器接线图

变频器通过端子进行起停运行控制，运行方向设定，张力给定设置，张力方向设定，运行线速度设定，收、放卷模式设定，初始卷径复位，故障停机和复位处理。

四 参数设置

1 牵引变频器参数设置

牵引电机选用的是艾默生变频器EV6000-4T0220G，以下是该变频的主要功能码设置。

2 收、放卷变频器参数设置

收放卷电机选用的是艾默生张力型变频器EV6000-T-4T0370G，以下是该变频的主要功能码设置。

五 调试步骤及注意事项

检查电气接线；

脱开负载，进行电机参数调谐；

某一确定速度下，用测速器对电机和卷取辊进行速度测试，根据测试结果计算各传动点的传动比并设置；

设置基本参数，试运转，观察电机运行方向，调整到正确的方向；

穿料，带料调试，根据效果合理调整各参数设置，直到符合控制要求；

在机台规格所规定的线速度范围内，从线速度到线速度进行试车运行，观察控制效果，根据需要调整参数；

在空芯卷径和大卷径之间试车运行，观察控制效果，根据需要调整参数；

参数备份，上传到操作面板，并记录

检品机控制系统是一种对张力要求较为严格的电气控制系统，无论是在零频，还是在高速运行状态下，EV6000张力变频器均表现出为优良的张力控制性能，小张力可以控制到1.0kg，而保持张力的恒定，该方案对其它类似的张力控制系统具要重要的参考

二．系统概述

电池包装流水线主要由电池性能检测 、电池贴附商标及电池裹标三部分工艺及各设备机构的衔接传送控制部分。电池性能检测：此控制系统需要采集电池性能检测数据，处理后送入PLC，经PLC运算筛选电池良品；传动到贴附商标设备中，控制伺服电机对电池贴附功能，由角度扫描光纤测定电池贴附精度，筛选电池良品送入全自动裹标设备放料平台，经三个步进电机控制到裹标位置-裹标-下料。

三．系统构成及功能

PLC：CPU224；UniMAT扩展模块：UN221（32点数字量输入）、UN221（16点数字量输入）、UN222（32点数字量输出）、UN221（16点数字量输出）、UN253（运动控制模块）

1：控制要求

○1监视整个流水线的工作情况。
○2进行各设备时间参数及计数参数设置。
○3执行控制全局作用，负责各部分工艺工作的状态，处理使整个系统良好运行。

2：整个系统精度控制

○1伺服电机控制，通过对伺服发送脉冲数控制卷料商标角度达到的出标位置，实现的贴标任务。
○2步进电机的控制，此系统使用三个步进电机：步进电机传送电池到裹标位置，为减少误差累计的负面影响，使用发送高数脉冲数实现定位；裹标利用步进转动角度和转矩控制裹标的质量；下料为自动装置且下料机构须同一位置进行且不影响产品情况下选用步进电机收料到一定数量后整体移出。步进电机是将电脉冲信号变换成角位移的一种机电式数模转换器。它受脉冲信号控制，角位移与输入脉冲个数构成严格的正比例关系，每输入一个脉冲，步进电机就转动一定的角度。它具有定位精度高、惯性小、无积累误差、启动性能好等

3：系统需求

○1数据卡：采集电池性能检测信息功能；
○2数字量输入及输出；
○3高频脉冲输出。

手动及自动运行两套系统，且对各个输入点进行监视，如发现异常立即停止此系统，发出报警功能。

四．系统控制过程

此系统采取同步和异步控制程序，主要提高各工艺的利用率及生产效率。（部分动作控制流程图如下）

1、引言

目前国内外污水处理工艺主要采用传统活性污泥法及其变形工艺：A-B工艺、A-O工艺、A2O工艺（及其改良）、SBR工艺、CASS等工艺，其中污水处理过程中生化池的曝气量控制始终是个难题。污水处理曝气过程中溶解氧的分布情况，直接影响污水处理的效果及污泥活力甚至出水水质。在欧洲，溶解氧浓度的设定值由十年前2～5mg/l，近十年设定值2mg/l，到现在的1.0～1.2mg/l，国外也在结合不同的实际运行工况，不断地摸索合适的溶解氧浓度，降低原始设定值。

现在国内大多数污水处理厂曝气量的分配、供应效果很不理想，溶解氧浓度振荡大，周围前后段溶解氧浓度相差很大，直接影响出水水质。大多数污水处理厂曝气量的分配、供应仍然靠人工远地手控，很容易产生差错，对系统造成人为的冲击。有一些污水处理厂也使用了自动化控制系统，其处理方法是以生化池溶解氧信号为控制信号，蝶阀为执行元件的方式进行控制，定值调节曝气池内溶解氧的浓度。在污水处理厂实际运行控制中，这两种方法均达不到很好的控制效果，控制滞后、精度低、溶解氧波动大、能耗高以及直接影响处理效果。

所以，研究和推广新的控制系统来提高城市污水处理生产工艺水平很有必要，并且应该能满足以下要求：

、稳定地控制污水曝气池中的溶解氧浓度，提高生化处理率，改善出水水质;

实时根据风向、风力、温度、进水水质情况改善溶解氧浓度，调整气体流量，以需定供，及时、准确、科学的分配气体;

优化鼓风机的运行，以达到节能减耗的目的;

避免由于溶氧仪仪表故障而造成整套工艺瘫痪，曝气不足或过量所造成的微生物的生长成活率，从而影响污水处理厂的正常生产;

降低污水处理厂的运行成本，减少值班人员的操作难度，提高工作效率;

替代国外同类产品，出口创汇。

2、设计思想

在系统稳定的情况下，设进水水量、水质、水温等条件都保持不变，鼓风机出口压力、曝气量也不变，耗氧速率和充氧速率基本平衡，溶解氧浓度稳定在给定值上。但在污水处理过程中不可能永远处于这么理想的平衡状态，干扰发生时必然会破坏上述的平衡，所以得通过的自动调节手段才能使整个系统及时恢复稳定。

当水质水量不变时，系统如何保证曝气平衡

如进水水质、水量相对比较稳定，当系统受到外界因素的影响使鼓风机的出口压力或流量发生了变化，或由于其它就地控制回路的调节作用使该回路的曝气量发生了变化，平衡状态被。

控制系统的每个现场控制回路中，都配有一个的气体流量计，它会连续并且精

确的测量气体流量的变化，当受到干扰时，该回路的流量计立即测量到了这个变化，及时的反应到该回路的输入端，流量控制回路很快对这个变化作出判断，改变该回路中调节阀的开度以保持曝气量不变。这样，经过流量控制回路的控制，在干扰还未波及到溶解氧之前就已经被克服，即便是干扰较大，其大部分影响已经被流量控制回路所克服，波及到溶解氧时，干扰已经很小，再通过流量计算回路进一步调节，干扰影响，使溶解氧恢复到给定值。

当水质水量发生变化时，系统如何保证曝气量

如供气系统稳定，而进入曝气池的水质、水量等发生了变化，使溶解氧发生了波动，

破坏了原来的平衡。控制系统中包括流量计算单元和流量控制单元。当干扰发生时，流量计将实际测得的气体流量反应到流量计算单元，溶解氧的设定值、溶解氧实际测量值、溶解氧变化趋势以及氮信号等也同时反应到流量计算单元，结合系统的历史数据，通过系统内的模糊控制程序，系统会根据实际需要重新给定一个气体流量设定值，反应给流量控制单元，及时调节现场回路的曝气量，干扰被克服，很快使溶解氧恢复到给定值。

如何智能控制鼓风机的操作压力，达到节能的目的

曝气电耗占污水处理厂的80%左右，通过控制算法来降低能耗十分必要。如果鼓风机的当前操作压力比较高，而阀门的开度都比较小，这样系统处于比较耗能的状态。所以由控制系统中的压力控制单元，综合所有的实际气体流量信号及阀位信号，通过计算，给出一个所需的压力设定，来重新调整鼓风机的操作压力（调节进口导叶或变频）），以达到按实际所需供应气体的目的。

3、系统实现

3.1 系统配置

系统控制组成见图1所示。系统以热效应气体质量流量计为主传感器，与DO仪相比，其测量数据为准确，基本上不需维护。热式气体质量流量计采用热扩散原理，热扩散技术是一种在苛刻条件下性能优良、性高的技术。系统采用菱形调节阀来代替传统控制中的蝶阀。菱形调节阀有两个优点，一是在0-**内调节均呈线性关系，具有等百分比流量特性，而蝶阀仅在25-65%的范围内呈线性关系;二是该类型阀步进值较小，因此可以地调整供风量。

系统控制器选用法国Schneider公司 Modicon系列PLC，控制配置见图2。考虑到一个鼓风机带了四个曝气回路，选用8路输入模拟量模块和4路输出模拟量模块构成控制闭环，并将PLC纳入工厂控制网络，通过MODBUS PLUS网与厂级控制控制系统（含鼓风机控制、水质监控等）通信。选用Schneider公司的10.4寸 64色触模屏作为人机界面。

3.2 控制算法

针对上文所述的设计思想，系统采用串级PID控制系统：主回路的溶解氧浓度通过曝气量的设定来调节，采用前馈和反馈相结合的复杂控制，前馈控制的扰动变量取水质（氮、盐氮等），根据水质的变化、溶解氧的设定值、溶解氧当前值及一定时间内的历史数据，通过计算重新给定一个曝气量的设定值;副回路的曝气量通过阀门的开度来调节，也采用前馈和反馈相结合的复杂控制，前馈控制的扰动变量取鼓风机的出口总压力设定值，这样可快速克服由于鼓风机控制系统出口总压力设定值的变化带来的干扰，而反馈控制可以快速地根据曝气量调节阀门开度，同时克服由于不同管道共用一个鼓风机而带来的干扰。串级控制系统具有抗干扰、快速性、适应性和控制质量好的优点。

如果四个阀门的开度都比较小，这时管道阻力比较大，使得鼓风机能耗上升，效率下降。所以可以同时适当增加四个阀门的开度，而把鼓风机控制系统出口总压力设定值调小，这样达到了节能的目的。而由于鼓风机出口总压力的变化导致曝气量的变化可以很快被前馈环节。阀门的开度增加也不能太大，否则就没有留下多少调节的余地。

3.3 软件设计

Modicon Quantum系列PLC的编程软件提供了丰富的函数库，在过程控制方面功能为强大。下面就软件编写中用到的几个主要控制函数SAMPLETM、PIDFF和MS作简单介绍。

SAMPLETM函数用来进行定时，INTERVAL引脚用来时间间隔;PIDFF函数是带前馈输入引脚FF的PID控制器，功能十分强大，支持增量式和式PID运算，输出信号幅值和梯度限幅，自动/手动切换，Para_PIDFF引脚是PID参数数据块;MS是输出控制函数，其OUT引脚的值可以是PID运算的输出值，也可以是人机界面上的操作值，通过MAN_AUTO引脚进行设定，实现自动/手动双向无扰动切换。通过两组上面三个函数的连接很方便地实现了上文所述的串级PID控制算法。

触摸屏软件采用Vijeo-Designer组态软件编写。在触摸屏上运行的监控系统具有主控自动、主控手动两种工作方式。主控自动指由PLC的内部算法进行控制，可以将控制方式切换成手动，直接在触摸屏上设定阀门的开度。

在触摸屏画面能显示工艺流程及测量参数，控制方式、程序运行工况、控制对象状态，历史曲线，也能显示成组参数。当参数越限报警、控制对象故障或状态变化时，可以不同颜色进行显示。

4、结束语

本系统已成功应用，控制了曝气池中溶解氧浓度，控制精度达±0.2mg/l,提高了生化池的处理效率;优化了鼓风机的控制，降低了工厂运行成本。本文作者点：采用控制算法和智能模型，控制了溶解氧浓度，并根据阀门开度调整鼓风机压力，节能减耗。