西门子模块6ES7223-1BF22-0XA8诚信经营

西门子模块6ES7223-1BF22-0XA8诚信经营

1 系统简介
为改善生产环境，沱牌公司清洁水技改工程并建成一座日产水2.5万顿的供水系统，分别建设了抽水泵系统、加压泵系统和高位水池。根据公司用水需求特点，从抽水泵系统过来的水一部分直接供给生产用水部门，一部分则需通过加压泵输送到高位水池，而供给生产用水部门的水压与供给高位水池的水压相差较大。同时高位水池距抽水泵房较远达十多公里，高位水池的液位高低和加压泵系统的设计以及如何与抽水泵系统“联动”也是较难解决的。

鉴于以上特点，从技术和经济实用角度综合考虑，我们设计了用PLC控制与变频器控制相结合的自动恒压控制供水系统，同时通过主水管线压力传递较经济地实现了加压泵系统与抽水泵系统“远程联动”的控制目的。
2 系统方案
系统主要由三菱公司的PLC控制器、ABB公司的变频器、施耐德公司的软启动器、电机保护器、数据采集及其辅助设备组成。

2.1 抽水泵系统
整个抽水泵系统有150KW深井泵电机四台，90KW深井泵电机两台，采用变频器循环工作方式，六台电机均可设置在变频方式下工作。采用一台150KW和一台90KW的软起动150KW和90KW的电机。当变频器工作在50HZ，管网压力仍然系统设定的下，软起动器便自动起动一台电机投入到工频运行，当压力达到高，自动停掉工频运行电机。

系统为每台电机配备电机保护器，是因为电机功率较大，在过载、欠压、过压、过流、相序不平衡、缺相、电机空转等情况下为确保电机的良好使用条件，达到延长电机的使用寿命的目的。
系统配备水位显示仪表，可进行高低位报警，同时通过PLC可确保取水在合理水位的水质监控，同时也保护电机制正常运转工况。
系统配备流量计，既能显示一段时间的累积流量，又能显示瞬时流量，可进行出水量的统计和每台泵的出水流量监控。

2.2 公司内不同压力供水需求的解决
为稳定地满足公司内部分区域供水太力（0.4~0.45Mpa）主管网水压力（0.8~0.9Mpa）的要求，配备稳压减压阀来调节，可调范围为0.1~0.8Mpa。

2.3 加压泵系统
由于抽水泵房距离高位水池较远，直接供水到高位水池抽水泵的扬程不足，为此在距离高位水池落差为36米处设计有一加压泵房，配备立式离心泵两台（一用一备）电机功率为75KW，扬程36米。该加压泵的控制系统需考虑以下条件：
（1）若高位水池水位低和主管有水，则打开进水电动蝶阀和起动加压泵向高位水池供水；
（2）若高位水池水位满且主管有水，则给出报警信号并关闭加压泵和进水电动蝶阀；
（3）若主管无水表明用水量增大或抽水泵房停止供水，开启出水电动蝶阀由高位水池向主管不。

像抽水泵一样，我们为加压泵配备了软起动器和电机保护器，确保加压泵长期地运转，同时配备了高位水池的水位传感器和数显仪和缺水传感器。

为保证整个主水管网的恒压供不，当高位水池满且主水管有水时，加压泵停止，此时主管压力将“憋压”，终导致主管压力上升，并将此压力传递到抽水泵房，抽水泵的控制系统检测到此压力进行恒压变频控制，进而达到整个主管网的恒压供水，这是整个控制系统设计的关键。

3 系统实现功能

3.1 全自动平稳切换，恒压控制
主水管网压力传感器的压力信号4~20mA送给数字PID控制器，控制器根据压力设定值与实际检测值进行PID运算，并给出信号直接控制变频器的转速以使管网的压力稳定。当用水量不是很大时，一台泵在变频器的控制下稳定运行；当用水量大到变频器全速运行也不能保管网的压和稳定时，控制器的压力下限信号与变频器的高速信号同时被 PLC检测到，PLC自动将原工作在变频状态下泵投入到工频运行，以保持压力的连续性，同时将一台备用的泵用变频器起动后投入运行，以加大管网的供水量保证压力稳定。若两台泵运转仍，则依次将变频工作状态下的泵投入到工频运行，而将另一台备用泵投入变频运行。

当用水量减少时，表现为变频器已工作在速信号有效，这时压力上限信号如仍出现，PLC将工频运行的泵停掉，以减少供水量。当上述两个信号仍存在时，PLC再停掉一台工频运行的电机，直到后一台泵用主频器恒压供水。另外，控制系统设计六台泵为两组，每台泵的电机累计运行时间可显示，24小时轮换一次，既保证供水系统有备用泵，又保证系统的泵有相同的运行时间，确保了泵的寿命。

3.2 半自动运行
当PLC系统出现问题时，自动控制系统失灵，这时候系统工作处于半自动状态，即一台泵具有变频自动恒压控制功能，当用水量不够时，可手动投入另外一台或几台工频泵运行。

3.3 手动
当压力传感器故障或变频器故障时，为确保用水，六台泵可分别以手动工频方式运行。

4 实施效果
实际运行证明本控制系统构成了多台深井泵的自动控制的经济结构，在软件设计中充分考虎变频与工频在切换时的瞬间压力与电流冲击，每台泵均采用软起动是解决该问题关键。变频器工作的上下限频率及数字PID控制的上下限控制点的设定对系统的误差范围也有不可忽视的作用。

①采用变频恒压供水，了主管网压力波动，保证了供水质量，而且节能效果明显，并延长了主管网及其阀门的使用寿命。
②用稳压减压阀经济地解决了不同用水压力的问题。
③拓宽运用变频恒压控制原理，较好地解决了加压泵房与抽水泵房的远程通讯总是并达到异地连锁控制的目的。
④在抽水泵房设置连续液位显示，并将信号传与PLC，防止泵缺水烧坏电机，设定的取水位置，确保水的质量。
⑤电机既有电机保护器，又有软起动器，克服了起动时的大电流冲击，相对延长了电机制使用寿命。

根据工艺设计选择的要求，米铺水厂采用了比较流行的PLC+制系统，将水处理中全部工艺参数由采样处理到调节过程全由微机实现三级监控，即：现场设备手动控制、各站PLC立控制、控制室集中监控，由此构成了的集中监视、分散控制系统。采用集散型控制系统，能使控制功能和任务分散，分散出现故障的危险性，提高系统的性。全厂控制系统由泵站控制MCC1、滤站控制MCC2、加药加氯控制MCC3、中控室、模拟屏PLC4组成。

1.1 加药、加氯控制(MCC3)

从龙塘水源厂过来的源水进入流量分配井，在此通过在线仪表检测源水的浊度、pH值、温度、余氯、流量、PAC投加量等，其中源水浊度、源水流量、PAC投加流量作为加药控制的重要参数，在线仪表将其转换为PLC可识别的4～20 mADC信号，并调用PID控制功能块对变频加药泵进行控制。由于源水基本没受到污染，水质符合《地面水卫生标准》，只有在台风或暴雨季节出现浊度偏高的现象，因此在控制程序设计时选用根据浊度投加的方法。程序能够根据源水的浊度选取不同的投率，分为浊度＜10 NTU、10～50 NTU、＞50 NTU三档，经过一段时间的运行证明，此控制能够满足工艺要求，沉后水浊度为5 NTU左右。此外为了保证系统的灵活以适应不同的情况(如浊度偏大偏小，或药液浓度改变等)，专门在中控室PC机上设计了一窗口，用来改变投加率，在保证工艺要求的前提下，起到节能降耗的目的。另外，加车间贮药池装有液位计，可随时了解药池情况，每个药池装有搅拌器，定时自动搅拌，以防止药液沉淀影响浓度。
加氯系统采用真空加氯机，由于加氯机本身为一个控制器，只需送入所需的流量和余氯信号，再通过相关的参数设置，加氯机即可自动投加。加氯机所需的流量信号由PLC送来，余氯信号由余氯分析仪在线检测。考虑到源水加氯主要藻类等，对出厂水余氯影响不大，所以采用比例投加；后加氯对出厂水余氯影响比较大，所以采用复合环控制以稳定出厂水余氯。加氯车间还可检测到氯瓶组重量、氯库泄漏及其吸收等信号。
1.2 滤站控制(MCC2)
滤站控制根据工艺要求控制12格普通快滤池的过滤、反冲过程及相关的参数。每个滤池都装有一声波液位计，用于检测滤池水位。滤池出水阀为一0～**无级可调比例阀，由4～20 mADC控制PLC程序，根据液位、阀门的开度信号控制阀门开度，从而保持滤池水位恒定在80%。如果水位为**，同时阀门开度为**，PLC即判断为反冲条件，从而调用相应的反冲程序。反冲方式有三种：①水头损失，②定时，③强制放冲。滤池的操作方式有三种：①就地控制柜操作，设于每个池旁，每个柜装有5个阀门控制按(旋)钮及LED显示的开/关、故障信号；2台鼓风机、3台反冲泵开/停、故障信号及水池水位、风机压力、流量、反冲水压力、流量、空压机压力等信号较为直观，易于操作。②滤池控制室控制，由OP37通过画面显示每个池及相关设备的信号、参数以及操作。③中控室控制，由于每个池控制所涉及的开关量较多，而现场距滤池控制室较远，因而12格池的开关及量信号由PLC扩展模块与PLC通讯，从而节省了大批量电缆，简化了系统。另外，滤池控制程序为模块化结构，过滤、反冲等每一步骤只需调用相应的功能块并赋于相应的参数即可。
1.3 泵站控制(MCC1)
泵站控制主要监控6台高压电机、水泵的运行工况以及相关的参数。泵站的控制原理主要根据二路出水管压力，同时根据吸水井水位、相关的电机桂、管道上的阀门情况相结合来开停电机。此外，每台泵都装有压力、流量传感器，二路出水管装有余氯分析仪、压力、浊度、流量传感器以检测水厂的生产和卫生指标。泵站的操作也由三级组成：①机旁操作箱控制；②泵站控制箱控制；③中控室控制。
中控室各站的现场数据通过PLC的通讯模块及RS485与2部PC机组成一个L2-Pro 总线网络，同时2部PC通过网卡联机，实现资源共享。各站的OP37除了对该站设备进行操作显示外，还可了解其他站的情况。所用的软件为IUCH，通过DDE(动态数据交换)与L2-Pro总线进行数据交换。IUCH软件人机界面好，能够根据需要进行动画链接，生动、直观。主要窗口有：①进水窗口，②加药车间窗口，③加氯车间窗口，④滤站窗口，⑤泵站窗口，⑥高压配电柜窗口，⑦实时报警窗口。每一窗口显示相关的生产工艺参数，并能进行相关设备的操作。中控室的一部打印机用于实时故障打印，一部用于画面打印。另外IUCH还具有实时、历史趋势功能，能够了解生产参数的动态情况。中控室还配有一大型马赛克模拟屏，由PLC4驱动，用于显示整个水厂主要设备的运行状态(手动/自动/开/停/故障等)及主要工艺参数，使人一目了然，便于生产调度管理。

2 几点看法

① 采用分散控制和集中监视的控制方式，各站之间立操作，包括采用了手动/自动的控制方式，能够相互之间的影响。
② 如何对自动化设备的维护和保养自然是一件重要的任务，在使用过程中我们遇到以下一些问题：
a.PLC模块和仪表损坏。分析原因，主要有电压偏高、过电压、或安装时没有按照要求正确接地。
b.设备误动作。如滤池误反冲，电机误跳闸，余氯，浊度标报警等，分析原因一般为仪表故障所致。仪表作为自动控制的“眼睛”，按要求定期清洗、校验，才能保证系统的正常运行。
c.常因外线路故障而造成停电，恢复送电时出现设备的误动作情况。原因为主机判断失误所致，没有严格按照先外而后的顺序操作；许多仪表刚送电时都有一个自检过程，此其间会送出不正确的信号，从而引起主机判断失误，或引起PLC诸如时等故障，造成系统死机瘫痪。
d.由于二期建的接触池加氯管线较长，还有流量信号取自源水流量，造成接触池余氯变化很大。发现后，在该接触池计量堰板旁加装了流量计，结合声波液位计算接触池流量，流量信号通过L2—BUS传输到加氯机控制器，从而稳定了接触池余氯。
e.原先设计时没有报表打印功能，为提高管理水平，利用电子表格的DDE功能，每小时记录主要设备、仪表及工艺的参数，每天打印出一份完整的生产报表，弥原先设计上的不足。
③ 要充分利用现有的PLC接口资源对已有的设备进行自动化改造，以提高整厂的自动化水平。
④ 由于泵站选用6台定速电机，还有受到源水、城市管网等因素影响，泵站的自动化运行还需进一步优化。

外部时钟

对于数据采集卡来说，如同其它单芯片的应用，需要一个基本时钟(time-base)来推动板卡上的控制芯片及模拟/数字转换器的运作，此时钟来自于卡片上的石英震荡器，然后设计者依不同模拟/数字转换器的特性，将此周期性的方波信号经由计数器(counter)模块除频后，成为模拟/数字转换器的工作时脉，这也就决定了数据采集卡的取样频率(sampling rate)或新频率(update rate)，然而，由于板卡上石英震荡器的频率为固定，所以再经由计数器模块除频后，有可能无法达到使用者所需的特定频率，因此，如果数据卡可提供支持外部时钟的设计，将此时钟直接作为转换器的取样周期，将会大大增加使用者在应用取样频率及新频率上的弹性。另外，支持外部时钟的另一个用处是可以达成多个模块对于的需求。

何谓同步

当两个(或多个)设备一起工作并对时间有要求的时候，就需要在它们之间进行同步。同步是基于在两个设备之间规定一个共同的时间参考，试想如果将不同音轨的音频讯号分别录在不同的磁带机上，则将这两个磁带机的磁带传送轴锁定在一起，否则将来拨放出来就会有相位上的误差，这个过程就称为同步。使这两个设备没有进行同步，无论它们开始的时间多么一致，也会由于两台设备在机械结构的差异而产生时间漂移。同样的，对于数据采集卡也是一样的概念，甚至在要求上为严格。而如何达到数据同步采集，基本的要求就是不同模块间要有相同的工作时脉与一致的触发信号，而这个相同的时脉信号需来自于共同的外部仪器。下图中的弦波是两张数据采集卡在同步与异步采集同一信号源所得的波形，在左图中因异步而存在一向位差，右图中则是同步触发下得迭的波形。

(图)同步与异步数据采集差异

触发信号

一般来说，触发信号的信号源可分为软件触发(software trigger)，模拟触发(analog trigger)及数字触发(digital trigger)，软件触发即是程序执行到启动数据采集的瞬间，即为触发点，对于模拟触发来说，可设定触发准位为或是某特定电压值，让板卡上的控制芯片认定此时为触发点。至于数字触发信号，其触发信号为一方波(TTL准位)，使用者可以设定触发点为上升缘(rising edge)触发或是下降缘(falling)触发，另外，在触发的模式上也有几种不同的区别，分别是延迟触发(delay-trigger)、预触发 (pre-trigger) 、中间触发(middle-trigger)及后触发(post-trigger)。其触发点与所采集到数据的关系如下图所示:

(图)触发模式

由上图可容易了解到，所谓延迟触发即是忽略触发后的前M笔数据后才开始采集N笔数据，预触发是采集触发信号的前N笔数据，中间触发是采集触发前M笔数据及触发后的N笔数据，后触发则是采集触发后的N笔数据，而所提到的软件触发即是指后触发的模式。

除此之外还有连续触发模式，连续触发可以采集每个触发信号后特定的数据数，但如果板卡不支持此模式的话，则使用者以完整的将所有数据取回，再删除无意义的数据，如此一来，势必增加使用者在后续数据处理上的复杂度。以凌华科技DAQ2000 系列多功能信号采集卡为例，全系列提供完整触发模式及支持外部时脉的设计，提供使用者弹性的取样频率及多张卡同步采集的能力，另外，DAQ2000系列提供SSI(system synchronization interface)接口，以达成多张卡的同步。其基本概念为，当两个（或多个）数据采集卡进行同步的时候，其中一台称为主机（以其工作时脉为准），而其它的则称为从机，主机(master)的工作时脉及触发信号可透过SSI接口发送给从机(slave)，以便多台从机进行同步。

使应用上需要在信号间或测量同步任务间有严格的时间关系，近年来逐渐成熟的PXI平台也是的选择，PXI为专门提供量测与自动化在同步与触发上的需求所发展出的一个仪器接口，PXI背板提供了一个用于定时、及小延迟之星状触发线以及一个10MHz的时脉信号以便多个模块，测量模块彼此间可以互相作用、触发、及控制。


握手模式

另一个与数据采集传输有关的特性是握手模式(handshaking mode)，相较于序列式的，并行传输提供了简单且高速的方式，不过其技术关键在于发送端与接收端之间的时序差问题，因此，针对此时序差的问题，高速数字I/O卡需提供握手模式，让两张卡以交握信号确保数据的正确性。下图为数据输出的时序图:


(图)握手信号时序图

在上图中，当有效数据在缓冲存储器中等待被输出时，此时板卡上DOREQ的信号准位会被拉高，以通知接收端输出数据已经被送出，当接收端收到数据时，则会产生DOACK的信号通知发送端数据已完成接收，发送端收到此一信号后，即将DOREQ准位拉低，并等待下一笔要输出的数据，而不断重复上述步骤，直到将所有数据输出完成。所以当两个支持交握信号的模块在时，其正确的接线方式为将输出端的ACK讯号线与输入端的REQ讯号线相联接，输出端的REQ讯号线与输入端的ACK讯号线相联接。凌华科技的PCI-7300A高速数字I/O卡，支持外部时脉及完整的信号交握传输，其传输速度达 80MB/sec，数据长度可依使用者的需求设定为8、16、及32位，适用于高速量测环境之需求，如IC测试、高速数据交换、IC逻辑讯号量测等。

总结

在测控的应用上，触发和同步及如何确保高速时之正确性是经常被大家所忽视，但却同时又是一个测量及自动化平台的一个关键因素。藉由以上的说明，希望能让读者在选购市面上资料卡时，能够正确的了解到自己所需要的特点为何，并做有效的应用。

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