西门子6ES7214-1BD23-0XB8参数选型

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生活和企业运作的需要，因此的计算机控制技术应运而生。通过的自动控制系统，可实现对水厂制水、污水处理、水软化、送配水等工程运作的监视和控制。江西省新余市四水厂于2008年9月建成通水，期规模为15万吨/天。四水厂采用图1所示的工艺流程，主要包括取水泵房、加矾加氯间、V型滤池站和送水泵房等控制站。该水厂实现了自动控制和系统主要参数的在线监测；同时为节约水资源，保护水体不受污染，对滤池反冲洗水进行回收，二期拟对污泥进行浓缩处理。

图1

2 系统构成

全厂设中控室及取水泵房、加矾加氯间、V型滤池站和送水泵房等4个PLC子站，考虑到系统尽可能分散的原则，在滤池单池设有PLC控制台，具体见图2。
各PLC站与中控室之间采用工业以太网通讯联络。中控室由2台分别用于生产管理与监控的计算机及2台激光打印机组成。计算机采用bbbbbbs XP(sp2)操作系统。其中监控计算机采用世纪星组态软件开发的应用软件，可显示多个包括涉及PLC控制的机电、加矾加氯设备与滤池等在内的模拟画面，可对系统的所有设备进行远程操作和控制，并具备显示工艺布置图、实时动态参数、设备的工作状态及实时/历史报警信号、在线仪表的实时/历史趋势曲线、水泵运行时间等功能，同时可进行离线/在线编程及设定参数的修改，编制和打印生产与管理报表。管理计算机采用Excel软件，用于与存储监控计算机检测的主要生产数据，以便用于管理。
依据PLC I/O模块，涉及PLC自控的设备，均可通过在机旁控制箱手/自动转换开关、在PLC站操作面板XBT上设置来实现机旁控制箱、PLC站XBT、中控室监控计算机三地控制。 PLC站XBT上均能够显示与设置该站现场操作所涉及到的所有自控设备、仪表等运行参数及上下限报警值，同时这些参数均可通过网络线传输到中控室监控计算机，由它来进行控制。

图2

取水泵房站
该站主要监控3台水泵机组的运行工况及相关的参数，同时在取水泵房吸水井中装有水位计，通过PLC可随时显示水库水位状况。取水泵房水泵机组开/停由清水池水位情况、送水泵的运行情况、用水高峰时段以及送水管网压力等因素决定。水泵机组只能在没有配电线路故障、机组设备完好、出水电动阀门完好并且处于关到位的状态才可依据程序自动开启。

加矾加氯站
从取水泵房过来的原水进入位于净水厂的流量计表井，在此通过在线仪表检测原水的流量、浊度、pH值、温度等，并将其转换成4～20mA DC信号输入PLC系统为加矾加系统提供控制参数。 加矾系统采用2套计量泵（配三菱变频调速器）投加，变频器运行频率由流量信号控制，控制流量为取水流量与回收流量之和，计量泵行程由流动电流仪(SCD)值控制。2 套计量泵1用1备，当正在使用的计量泵出现故障，PLC系统会自动切换。2套投矾系统的矾液取自3个贮矾池，每个贮矾池均装有液位计，可随时检测矾液高度，同时通过装在贮矾池的搅拌机定时搅拌，可防止药液沉淀影响浓度。3个贮矾池出矾管线上均装有电动球阀，通过手/自动转换开关，可选择机旁控制箱操作或中控室监控计算机人工操作，也可根据3个贮矾池液位PLC系统自动选择，切换工作池。
加氯系统采用真空加氯机，三点投加，滤前滤后出水各1台。滤前按比例流量投加，滤后采用流量与余氯信号双因子控制投加。加氯机所需的流量信号由PLC系统输入，余氯信号由余氯分析仪在线检测。滤前加氯机投加的控制流量取自取水流量与回收流量之和，再减去反应沉淀池排泥用水量。滤后加氯机的控制流量为滤前加氯机的控制流量减去滤池反冲用水量。出水加氯机的控制流量为出厂水余氯信号。氯库装有电子秤和自动切换单元，同时装有泄漏报警仪，通过检测泄漏报警信号经PLC系统可自动启动回收装置，并且PLC系统会自动关闭所有加氯系统等待故障处理。

V型滤池站
该站主要监控5格V型滤池的过滤、反冲洗过程及相关参数。每个滤池均装有一个水位计和一个差压计，用来检测滤池的液位和滤池的阻塞情况。滤池的清水阀为无级可调比例阀（开启度为0～**），根据滤池的液位、阻塞值（即水头损失值）、清水阀现有开度的反馈信号通过PLC系统自动调整阀门的开度，从而确保滤池恒水位过。滤池反冲洗的控制方式有3 种：①强制反冲；②根据阻塞值PLC系统自动反冲；③根据过滤时间PLC系统自动反冲。原则是：①种方式为，②种方式次之，后为③种。
滤池的操作方式有3种：①单池PLC控制台操作，每格滤池单设有PLC控制台，每个控制台装有5个阀门（进水阀、清水阀、水冲阀、气冲阀、排污阀）控制按键与1个显示面板，可显示5个阀门；②公共冲洗泵PLC站XBT操作；③中控室监控计算机操作。

公共冲洗泵站
该站主要监控3台鼓风机、3台冲洗泵、2台空压机开/停、故障信号以及滤池水位、阻塞值等参数及反应沉淀池36个气动排泥阀的状态。

送水泵房站
该站主要监控1台变频水泵与1台大水泵及2台小水泵运行工况及相关的参数，同时在出厂管线上装有压力表、流量计、浊度计、余氯分析仪、pH计等仪器仪表，用于在线出厂水的生产与卫生指标。送水泵房水泵机组开/停由管网压力等因素决定。送水泵运行要求配电系统、机组设备等性能完好，且吸水井达到一定水位才能正常实现。

3 系统特点

3.1 画面监控功能丰富，所有需要监测的各种参数的实时和历史曲线图，各种运行和管理报表，水厂的工艺流程图和动画等显示。

3.2 实现快速数据采集，并能对这些数据进行处理和分析，处理后的数据记录到历史数据库，以备系统调用和随时查询。

3.3 具有完善的报警和访问功能，保证系统的。

3.4 系统可扩展性好，与二期污泥处理工艺、与企业的生产工艺调度、生产水质监控等密切结合的自动信息系统提供接口。

4 软件应用
中控室监控计算机采用bbbbbbs XP操作系统，与各PLC站之间通过以太网交换机，用工业以太网通信联络实现资源共享，各PLC站之间通过工业以太网通讯联络，除了对本站设备进行操作显示外，还可了解其他站的情况。
上位监控系统用世纪星V7.22组态软件开发，该监控系统人机界面精美，能直观、生动呈现整个水生产过程中的工艺，动画形式多样、直观、逼真，且与各种型号的PLC通讯简单。该中控室监控计算机监控系统完成的功能主要有：
A、远程控制各PLC现场子站，实时接收PLC采集的各种数据，建立检测参数数据库；处理并显示各种数据。
B、监测整个生产工艺流程和各细部的动态模拟图形。该系统实现了水厂整体工艺流程、各主要工艺设备运行状态、过程控制及各生产环节生产数据的实时采集与现实。主要流程画面有：取水泵房流程图、加矾间流程图、加氯间流程、反应沉淀池流程、V型滤池流程、公共冲洗泵房流程、送水泵房流程、10kV一次系统、低压系统等画面。实现的工艺生产设备监控功能有：所有被监控设备的运行状态、启停控制、设备与设备之间的连锁控制、工艺参数的设定，以及设备温度、电流、压力、液位、流量等参数的显示、报警、记录、趋势及累积量计算等。
C、从检测项目中，按需要显示历史记录和趋势分析曲线。能够了解生产参数的动态情况，便于生产调度管理。
D、重要设备主要参数的工况及事故报警、打印制表。包括工艺数据报警、设备故障报警、系统故障报警，并根据不同的报警提供不同的报警画面。

在研制带处理器的电子产品时，如何提高抗干扰能力和电磁兼容性？

1、 下面的一些系统要特别注意抗电磁干扰：

(1) 微控制器时钟频率特别高，总线周期特别快的系统。

(2) 系统含有大功率，大电流驱动电路，如产生火花的继电器，大电流开关等。

(3) 含微弱模拟信号电路以及A/D变换电路的系统。

2、 为增加系统的抗电磁干扰能力采取如下措施：

(1) 选用频率低的微控制器：

选用外时钟频率低的微控制器可以有效降低噪声和提高系统的抗干扰能力。同样频率的方波和正弦波，方波中的高频成份比正弦波多得多。虽然方波的高频成份的波的幅度，比基波小，但频率越高越容易发射出成为噪声源，微控制器产生的有影响的高频噪声大约是时钟频率的3倍。

(2) 减小信号传输中的畸变

微控制器主要采用高速CMOS技术制造。信号输入端静态输入电流在1mA左右，输入电容10PF左右，输入阻抗相当高，高速CMOS电路的输出端都有相当的带载能力，即相当大的输出值，将一个门的输出端通过一段很长线引到输入阻抗相当高的输入端，反射问题就很严重，它会引起信号畸变，增加系统噪声。当Tpd＞Tr时，就成了一个传输线问题，考虑信号反射，阻抗匹配等问题。

信号在印制板上的延迟时间与引线的特性阻抗有关，即与印制线路板材料的介电常数有关。可以粗略地认为，信号在印制板引线的传输速度，约为光速的1/3到1/2之间。微控制器构成的系统中常用逻辑电话元件的Tr（标准延迟时间）为3到18ns之间。

在印制线路板上，信号通过一个7W的电阻和一段25cm长的引线，线上延迟时间大致在4~20ns之间。也就是说，信号在印刷线路上的引线越短越好，长不宜过25cm。而且过孔数目也应尽量少，不多于2个。

当信号的上升时间快于信号延迟时间，就要按照快电子学处理。此时要考虑传输线的阻抗匹配，对于一块印刷线路板上的集成块之间的信号传输，要避免出现Td＞Trd的情况，印刷线路板越大系统的速度就越不能太快。

用以下结论归纳印刷线路板设计的一个规则：

信号在印刷板上传输，其延迟时间不应大于所用器件的标称延迟时间。

(3) 减小信号线间的交叉干扰：

A点一个上升时间为Tr的阶跃信号通过引线AB传向B端。信号在AB线上的延迟时间是Td。在D点，由于A点信号的向前传输，到达B点后的信号反射和AB线的延迟，Td时间以后会感应出一个宽度为Tr的页脉冲信号。在C点，由于AB上信号的传输与反射，会感应出一个宽度为信号在AB线上的延迟时间的两倍，即2Td的正脉冲信号。这就是信号间的交叉干扰。干扰信号的强度与C点信号的di/at有关，与线间距离有关。当两信号线不是很长时，AB上看到的实际是两个脉冲的迭加。

CMOS工艺制造的微控制由输入阻抗高，噪声高，噪声容限也很高，数字电路是迭加100~200mv噪声并不影响其工作。若图中AB线是一模拟信号，这种干扰就变为不能容忍。如印刷线路板为四层板，其中有一层是大面积的地，或双面板，信号线的反面是大面积的地时，这种信号间的交叉干扰就会变小。原因是，大面积的地减小了信号线的特性阻抗，信号在D端的反射大为减小。特性阻抗与信号线到地间的介质的介电常数的平方成反比，与介质厚度的自然对数成正比。若AB线为一模拟信号，要避免数字电路信号线CD对AB的干扰，AB线下方要有大面积的地，AB线到CD线的距离要大于AB线与地距离的2~3倍。可用局部屏蔽地，在有引结的一面引线左右两侧布以地线。

(4) 减小来自电源的噪声

电源在向系统提供能源的同时，也将其噪声加到所供电的电源上。电路中微控制器的复位线，中断线，以及其它一些控制线容易受外界噪声的干扰。电网上的强干扰通过电源进入电路，即使电池供电的系统，电池本身也有高频噪声。模拟电路中的模拟信号经受不住来自电源的干扰。

(5) 注意印刷线板与元器件的高频特性

在高频情况下，印刷线路板上的引线，过孔，电阻、电容、接插件的分布电感与电容等不可忽略。电容的分布电感不可忽略，电感的分布电容不可忽略。电阻产生对高频信号的反射，引线的分布电容会起作用，当长度大于噪声频率相应波长的1/20时，就产生天线效应，噪声通过引线向外发射。

印刷线路板的过孔大约引起0.6pf的电容。

一个集成电路本身的封装材料引入2~6pf电容。

一个线路板上的接插件，有520nH的分布电感。一个双列直扦的24引脚集成电路扦座，引入4~18nH的分布电感。

这些小的分布参数对于这行较低频率下的微控制器系统中是可以忽略不计的；而对于高速系统予以特别注意。

前言

    目前，三速单相电动机结构简单，成本较低，控制方便，它使电风扇具备高、中、低三档转速，提高了电风扇的供风质量，因此，这种单相电动机在家用电风扇得到广泛的应用。但是，当需要进一步提高电风扇的质量和品位时，仅具有三档转速的单相电动机就不能满足电风扇的要求，提高单相电动机的调速能力。我们使用无触点开关分时接通的方法，在硬件电路基本不变的条件下，使三速单相电动机具有二十档转速的调速能力。

     1 三速单相电动机开关调速的原理

     三速单相电动机调速电路如图1所示，L、M、H分别为单相电动机的低速抽头、中速抽头和高速抽头，单相电动机采用电容运行方式，三个抽头与电源的连接由三个双向晶闸管TL、TM、TH来控制，当TL导通时电动机的低速抽头与电源连接，电动机低速运转，同样，TM导通时电动机中速运转，TH导通时电动机高速运转。我们采用分时接通L、M、H的方法，可以调节电动机的转速，使三速单相电动机获得多于三档转速的变速能力。设电源频率为50HZ，其周期为0.02S，取调速周期TS=8T（T为电源周期），低速调速时，调速周期内不接通任何一个晶闸管，则电动机的转速0，调速周期内全接通晶闸管TL，则电动机低速运转，但如果在8个电源周期内，N个周期接通晶闸管TL（0≤N≤8），其他时间不接通，那么，在电动机的低速下可获得8档低的转速。同样，中速调速时，调速周期内全接通晶闸管TL，则电动机低速运转，全接通晶闸管TM，则电动机中速运转，如果在8个电源周期内N个周期接通晶闸管TM，（8-N）个周期接通TL，那么在电动机的低速和中速之间可获得8档转速。同样道理，在中速和高速间又可获得8档转速。由此可见采用分时接通的方法，可以使只有三档转速的三速单相电动机具有二十四档转速的调速能力。   

     2 三速单相电动机开关调速的硬件和软件设计

     三速单相电动机调速电路如图1所示，某家用电风扇的单相电动机采用单片机ATMEL89C2051控制，单片机的输出端口P1.5、P1.6、P1.7经反相器与晶闸管TL、TM、TH的控制连接，当P1.5=“0”时，晶闸管导通，电动机可低速运转，反之，P1.5=“1”时，晶闸管截止，电动机停转，即由P1.5输出电位控制电动机的低速档；同样，由P1.6输出电位控制电动机的中速档，P1.7控制电动机的高速档。同步电路每个电源周期产生一个脉冲信号，并在电源电压由负变正时产生脉冲的下降沿。同步信号由INT0中断口输入单片机。三速单相电动机开关调速的控制方法如下：在每个电源电源电压由负变正过零时，同步电路产生一个脉冲信号，向单片机申请中断，单片机响应中断后执行调速程序，按给定的转速代码输出转速信号，调节电动机转速。取调速周期Ts=8T（T为电源周期），调速程序经过8次中断才能输出一个转速代码的转速，在调速周期内不能接受新的转速代码，否则电动机的转速将不受控制。在调速程序中，采用一个存储单元（34H）作为转速输入单元，另一个存储单元（37H）作为电源周期指示器，记录已经输出的电源周期，控制器需要改变风扇的转速时，随时可以向（34H）单元写入转速代码，但只有电源周期指示器的数值为零时，调速程序才能将（34H）单元的数据变成实际输出的信号。电源周期指示器的初始值为00H，INT0每中断一次调速周期定时器加1，直至电源周期指示器为08H时，重新清零，并且读入转速输入单元（34H）的数据。

在调速程序中，我们采用8位数据记录风扇的转速代码，其中低3位（b2b1b0）表示接通比例N，4、5位（b4b3）表示接通档次，高3位（b7b6b5）不用。接通档次表示调速为低速调速、中速调速还是高速调速，其值为b4b3={00B，01B，10B，11B}，当接通档次为00B时，在转速代码设定的接通比例内接通晶闸管TL，接通比例外不接通晶闸管；当接通档次为01B时，在转速代码设定的接通比例内接通晶闸管TM，接通比例外接通晶闸管TL，当接通档次为10B时，在转速代码设定的接通比例内接通晶闸管TH，接通比例外接通晶闸管TM；当接通档次为11B时，接通比例只有00H一种，这时在整个调速周期内接通晶闸管TH，电动机高速运转。接通比例的取值范围000B-111B，由此可知，转速代码的取值范围为00H-18H，总共25个代码，其中00H为零速，01H-08H为低速档代码，09H-10H为中速档代码，11H-18H为高速档代码。所以电动机除零速外共有二十四档转速。这样定义转速代码的优点是三档转速的代码时连续的，并且代码的大小与转速的高低相关。

     调速程序的控制算法如图2所示，电源周期指示器指示在一个调速周期内已经过的电源周期的数目，其初值为00H，N为转速代码中的接通比例。   

     INT0每中断一次电源周期指示器的值加1，直至08H时重新置零，因此，可以用电源周期指示器来控制接通晶闸管的电源周期数，实现转速代码中接通比例对电动机转速的控制。为了便于编程，我们引入一个控制位c，在转速代码设定的接通比例范围内，控制位置c=1，在转速代码设定的接通比例范围之外控制位置c=0，再根据转速代码的接通档次，可以算出需要接通晶闸管的代码，即

     晶闸管的代码（t1t0）=（接通档次位b4b3）+控制位（c）

     这里晶闸管的代码t1t0={00B，01B，10B，11B}，其中00B表示不接通，01B表示晶闸管TL，10B表示晶闸管TM，11B表示晶闸管TH。晶闸管代码算出之后即可根据晶闸管代码与控制信号的逻辑关系获得相应的控制信号，输出相对应的信号，对电动机的转速进行控制。晶闸管代码与输出控制信号的逻辑关系为：   

     根据上述控制算法，我们编写控制程序，实验证实上述方法可以调节三速单相电动机的转速，使仅有三档转速的电动机具备二十四档转速的调速能力，但这个方法有一些缺点，主要是：

     1）电动机的转矩是脉动的，使电动机的机械噪声增大，采取良好的润滑和防止转子轴向运动的措施减少噪声。为了在调速周期内电动机的转矩较为平滑，减少脉动，可采用改进的控制位波形如图3所示，在接通比例不变的前提下，平均分布接通控制位，减少电动机转矩的脉动程度，从而减低电动机的噪声。 

     2）低速档接通比例较低时，电风扇的风叶出现蠕行，不能正常送风，限制小转速代码。可去掉低速档转速代码中接通比例的四个代码，保留转速较高的二十档转速。

     实验实，采用改进的控制位波形和限制小转速代码之后，三速单相电动机在风扇应用中较好的调速和节能效果。三速单相电动机开关调速的实验测试如下：   

     本试验电动机所带的负载为风扇，有关技据如下：

     额定电压：220V±10%，额定频率：50Hz，风叶直径：300mm，

     转速：高-1150r/min中-900r/min低-600r/min。

     3 结束语

     在家用电风扇控制电路中，采用晶闸管分时接通的方法，可以使仅有高、中、低三档转速的单相电动机具有二十档转速的调速能力，这种方法增加较多的硬件，仅在控制程序中采用新的调速算法，即可达到提高风扇风速档次的目的，同时，电风扇的功率在调速时能随着转速下降而减少，使风扇具有良好的节能效果。这种方法的主要缺点是：

     1）电动机的转矩是脉动的，使电风扇的机械噪声增大。

     2）低速档接通比例较低时，电风扇的风叶出现蠕行，不能正常送风。

     对1）个问题，采用改进的控制位波形数据，在接通比例不变的前提下，平均分布接通控制位，减少电动机转矩的脉动程度，同时，采取良好的润滑和防止转子轴向运动的措施，减低电动机的噪声。对2）个问题，采用限制小转速代码即可防止电风扇在低速运行时风叶蠕行，不能送风。实验实，采用改进的控制位波形和限制小转速代码之后，三速单相电动机在风扇应用中较好的调果和节能效果。