西门子6ES7241-1AA22-0XA0货源充足

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1 引言

近年来，随着社会经济的高速发展，城市化进程持续加快，生活条件的改善和生活水平的提高，市民人均污泥水排放量也不断增长，加之市容、市貌、道路、房屋等基础设施建设带来的泥渣等经雨水冲刷，大多也进入排水管道，下水道污泥沉积速度加快，清淤和污水运输的工作量剧增。由于城市建设的发展，城区地域也以惊人的速度扩大，城市生活小区越来越多，相距越来越远，相应的排水管道的长度快速增长，排水管道疏通、清淤的工作量也成倍提高。**排水部门除了定期疏通和清淤排水管道外，还要承担由于突发原因造成的排水管道堵塞的疏通抢险任务。因此，**部门的排水管道疏通、清淤和污泥运输工作非常繁重，任务十分艰巨。

2 国内外比较

目前国内城市排水管道污泥的取出仍然靠人工作业，采用原始的拉、刮横道污泥至检查井，再人工一匙一匙地将其挖出，然后连泥带水一起运至地点集中处理。这种传统型的下水道清淤工作，与建设现代化文明大都市的要求相距甚远，其弊端也是显而易见的。是**工人的劳动强度大，工作条件差，工作效率低；其次是造成了路面和环境的二次污染，因为运输过程中不可避免的抛撒滴漏现象，特别是在盛夏，污泥水是臭气熏天，而且大量污水无处可倒，集中排放又而造成污染；再次是提高了运输成本，由于抽取的大部分是污水，只有少量污泥，所以增加了污水的运输次数和相应费用。

国外发达国家在城市规划时，排水管道设计得较为宽大，人员和机械均可进入地下管道作业，污泥可直接用泵输送至污水处理厂进行集中处理。而较小管道的清淤，基本使用车辆，采用高压水冲穿清淤，然后再用泵将泥水吸上来后运走。该种车辆的优点是将高压冲穿和吸取泥水二项功能集于一身，其缺点是不具备泥水分离装置，其运输物也主要以水份为主，因此运输效率较低。这种车辆在日本、美国、意大利和德国等国均有生产，我国也有少量进口。但是，价格昂贵，使用费用也较大，同时须带大量清水，对于人均水资源不高的国家和地区是不适宜的，加上我国城市排水管道中介质复杂，常常含有塑料袋、木块、较大砖块等杂物，因此，该车并不适合我国城市排水管道清淤的实际情况，使用效果不够理想。

鉴于以上情况，为提高城市排水管道清淤工作的机械化程度，提高工作效率和运输效率，我公司开发了这种集检查井取泥、泥水分离为一体的**工程设备，并安装在辆上，国内这一领域的空白。这样一次污泥的运输量为十几仍至几十个窨井的污泥总量，该设备采用PLC控制技术，可实现多次工作循环，从抽污泥水到输出污泥，可自动一步完成，也可人工分步完成。

3 原理与系统设计

设备主要有检查井取泥装置、污泥水快速自动分离装置、污泥输送装置、机组拖挂系统和自动控制系统等部件组成。

3.1 原理设计

先将抽污软管放入窨井中，启动车上发动机，开启取力器，接通控制电源，真空马达抽吸污泥水时，箱内气体经阀2抽出，污泥水经阀1吸入，然后将污水箱后端抬起，同时将底部低端的污泥送往，再由真空马达反向操作排压污水，气体经阀2充入，污水经阀1排出，通过一次排压将污水排出水量的二分之一或三分之一，接下来将所有阀门关闭进行抽真空，达到规定真空度后，大气先由旁通阀进入箱底管道，当箱内外气压相等时，真空马达再反向操作进行爆气，大气通过管道小孔从水底爆出，使气泡带着污泥漂浮起来，快速分离出其中的水份，使污泥达到一定的浓度，这时真空马达进行二次排压，将污水全部排至下水管道，如果污泥含量太低，可循环作业数次，后将污泥输送出箱。

3.2 主要动作

该设备进出水、气的阀门管道较粗，所以设计采用电、液和电、气控制，各阀门及反馈元件的动作见附表。

（1） 抽吸污泥水

通过真空马达对污水箱进行抽真空，当箱内达到一定真空度时，下水道中的污泥水通过管道开始吸入箱内；当污水箱中的水位达到限位时，液位传感器反馈信号停止该动作。

（2） 排压污水

当污水与泥沙次分离后，由真空马达反向操作对污水箱进行充气，当气压达到规定值时，气压将分离后的污水从污水箱中排压出去，当污水占箱中水量二分之一或三分之一时，液位传感器反馈信号停止该动作；当爆气结束后，再进行二次排压污水。

（3）　抽真空

对污水箱进行抽真空处理，当箱内气压达到规定真空度时，压差传感器反馈信号停止该动作，这是为了增加爆气的效果。

（4）　爆气

在污水箱真空的情况下，对箱内水底充气，产生爆气效果，使气泡带着淤泥漂浮至水面，当箱内气压达到规定的标准时停止该动作。

（5）　输送污泥

由箱内螺旋和箱外螺杆同时工作将污泥输送出来。

3.3 系统设计

（1） 控制真空马达的开和关，完成抽吸污泥水、排压污水及抽真空、爆气的工作；

（2）　控制四通电液阀的左开、右开和断电，完成真空马达的正（抽气）、反（充气）转换的操作；

（3） 控制举升换向阀的左开、右开和断电，驱动油缸完成污水箱后端的上升和下降工作；

（4） 控制筒盖换向阀的左开、右开和断电，驱动油缸完成筒盖的开、关工作；

（5）　控制螺旋换向阀的左开、右开和断电，驱动油马达完成螺旋输送器的正、反转工作，达到污泥的前后输送或搅拌之目的；

（6） 控制螺杆换向阀的左开、右开和断电，驱动油马达完成螺杆输送器进入、退出污水箱及输出污泥的工作；

（7）　控制旁通阀的开启，可提高爆气的效率。污水箱在真空负压状态下转入爆气高压状态，需要大气快速进入箱内，如果由真空马达充入气体，那么时间既长、效果又不好，因为真空马达的转速是一定的，所以充气量就受到了限制，大气由旁通阀进入，在短时间内就能负压；

（8）　控制溢流阀和发动机油门的开启，完成单个或数个液压执行元件动作的工作。溢流阀和油门的开关正好相反，当单个液压执行元件动作时，开启溢流阀，同时关闭油门；当数个液压执行元件动作时，关闭溢流阀，同时开启油门；

（9）　控制气阀的开关组合，完成抽吸污泥水、排压污水和抽真空、爆气的工作。

4 控制系统硬件及软件

控制元件选用SIEMENS　CPU224和EM223，设计输入总点数为22点，输出总点数为22点，现用的可编程控制器输入总点数为30点，输出总点数为26点，能够满足设计要求。反馈元件为选用正负压差计、液位传感器、磁性传感器等所编制的程序因篇幅太长特省略。

5 难点与

5.1 难点

原来控制液位采用声波传感器，现场调试发现声波在真空及高压状态下工作不稳定，容易出现误动作，后来改用浮球液位传感器，使用效果良好。在抽吸污水、抽真空和排出污水、爆气的过程中，因为是同一管道进出污水，所不同的是四通阀的动作，左旋为抽气，则抽进污水；右旋为充气，则排压污水，所以当四通阀在排污水时发生误动作，就会出现故障，严重时会导致事故，污水进入真空泵而将其损坏，经过改进，在四通阀上加装了传感器后，避免了这一现象的发生。因为电源为车用蓄电池，故要尽量减少各阀的通电时间，同时为了使各电磁阀在工作中开关，在操作中均采用双向电控，即关闭时也通电，然后通过程序延时再进行断电，这样使程序较为复杂。

5.2

该设备在快速污泥水分离、防堵塞、自动控制等方面已达到国内水平和接近国外近期水平。

（1） 将排水管道检查井取泥、泥水快速分离地组合在一起，形成体积较小、效率较高的排水管道清淤流动工作站，适应了城市排水管道清淤面广量大的特点，，必将受到**排水部门的欢迎。

（2） 在泥水分离方面，采用高速离心分离技术，适应了城市排水管道泥水成分复杂、易堵塞、腐蚀性强的特点，工作介质范围较宽，具有防堵塞能力，而且能自动排渣、分离，水份回流至排水管道，不仅对井下污泥起到冲稀作用，而且防止了清淤和运输过程中路面的二次污染，符合环保的要求。

（3） 采用PLC技术，实现了全自动控制，增加了过载保护、温升保护、故障自我诊断等控制功能，做到人工启动，自动作业，、。

（4） 集液控、气控、电控为一体，机电液气组合，具有一定的技术难度，已获得国家实用新型和国家发明。

6 结束语

PLC可编程控制器特别适用于小批量非标设备的自动控制，其可编程性对单位研究开发新产品尤为有用，目前在各行各业中其用途之广泛，发展之迅猛，且应用的人员众多，以至于在自动控制方面占据半壁江山，甚至可以与电子控制、数字控制相，这可能是开发其软硬件的技术人员所始料未及的。

城市下水道污泥水分离设备在**部门具有广阔的发展前景，为减轻工人劳动强度，提高工作效率提供了的产品，而PLC技术在**机械上的成功应用，使其具有了自动化程度高，工作性能等特点，可以用来替代国外同类产品，为进一步提升国内**机械的档次奠定了基础。

引言
工业过程控制系统应用多种多样，范围覆盖从简单的流量控制到复杂的电网，从环境控制系统到炼油厂过程控制。这些自动化系统的智能性依赖于它们的测量和控制单元。可编程逻辑控制器(PLC)1和分布式控制系统(DCS)2是用于控制机器和过程、处理各种各样模拟和数字输入及输出的两个常见计算机系统，这些系统包含电源、处理单元(CPU)，以及多种模拟输入、模拟输出、数字输入和数字输出模块。

标准通信协议已经存在很多年了；模拟变量的范围主要为4mA至20mA、0V至5V、0V至10V、±5V和±10V。关于下一代系统无线解决方案的讨论已有很多，但是设计人员仍然认为4mA至20mA通信和控制环路可继续使用多年。下一代系统的标准涵盖高的性能、小的尺寸、好的系统诊断、别的保护，以及低的成本——所有要素都将帮助制造商实现区别于其竞争对手的差异化设备产品。

我们将讨论过程控制系统的关键性能要求，以及所包含的模拟输入/输出模块，还将介绍一个过程控制评估系统，该系统采用新集成电路技术将这些构件整合在一起。我们还着眼于应对鲁棒系统的设计挑战，这类系统将能经受工业环境下的电快速瞬变脉冲群()、静电放电(ESD)和浪涌电压干扰，并提供检验设计鲁棒性的测试数据。

PLC概览和应用实例
一个过程变量，例如流率或气体浓度，是通过输入模块进行监控的。这些信息由控制单元处理；输出模块则采取一些行动，如驱动一个执行器。

这种类型的一个典型工业子系统。CO2气体传感器测定一个受保护区域的气体积累浓度，并将此信息传送给一个控制点。该控制单元包含一个模拟输入模块——用来调理来自传感器的4mA至20mA信号，一个处理单元，以及一个模拟输出模块——用来控制必需的系统变量。电流环路能够处理大的电流负载——这些负载经常存在于一些工业系统中常见的数百米长的通信路径上。表述气体浓度级别的传感器单元输出被转换为标准的4mA至20mA信号，通过电流环路传送。这个简化的例子所示的是一个单的4mA至20mA传感器输出连接到一个单通道输入模块，以及一个单一的0V至10V输出。在实际情况下，大多数模块都具有多个通道和可配置范围。

输入/输出模块的分辨率范围一般是12至16位，在工业温度范围上具有0.1%的精度。对于桥式传感器，输入范围可小至±10mV ；对于执行器控制，可扩大至±10V；过程控制系统的输入范围为4mA至20mA电流。模拟输出电压和电流范围一般包括±5V、±10V、0V至5V、0V至10V、4mA至20mA和0mA至20mA。数模转换器(DAC)的稳定时间要求从10μs到10ms不等，取决于具体应用和电路负载。

PLC评估系统
这里描述的PLC评估系统3集成了生成一个完整输入/输出设计所需的所有级，它包含4个隔离的ADC通道，1个带RS-232接口的ARM7微处理器，以及4个隔离的DAC输出通道。该评估板由一个直流电源供电。硬件可配置的输入量程包括0V至5V、0V至10V、±5V、±10V、4mA至20mA、0mA至20mA、±20mA和热电偶及RTD。软件可编程的输出量程包括0V至5V、0V至10V、±5V、±10V、4mA至20mA、0mA至20mA以及0mA至24mA。

输出模块：表2列出了PLC输出模块的一些关键技术规格。因为真实系统的精度有赖于测量通道(ADC)，所以控制机制(DAC)仅需要足够的分辨率去调节输出。对于系统而言，需要16位的分辨率，采用标准数模转换架构很容易满足这个要求。精度并非至关重要；一般来说，12位积分非线性误差(INL)对于系统已经足够。

通过输出量程并调整达到期望值，可以很容易实现25℃时0.05%的校准精度。如今的16位DAC，例如AD5066,4 可提供25°C时0.05mV典型偏移误差，以及0.01%典型增益误差，在很多情况下校准。0.15%的总精度误差看起来很容易实现，但实际上在温情况下这个指标是比较严苛的。在工业温度范围上，30ppm/°C的输出漂移会增加0.18%的误差。

输出模块可具有电流输出、电压输出，或者两者兼具。6位nanoDAC®数模转换器 AD5660 可提供0V至5V输出电压，该电压通过感应电阻RS设置电流，再经由R1。此电流通过R2实现镜像。

这种分立设计方案有很多缺陷：器件数量多，造成系统复杂、大的电路板尺寸以及成本；总误差难以计算，多个器件导致误差度随着不同性系数而变化；这种设计不能提供短路/保护或者任何故障诊断；不包括许多工业控制模块中必需的电压输出。添加任何这类特性都将会导致设计复杂性和器件数量的增加，好的解决方案是集成上述所有特性的单芯片IC，例如， AD5412/AD5422 这些、的12位/16位数模转换器。基于这些器件的方案能够提供集成的可编程电流源和可编程电压输出，专为满足工业过程控制应用需求而设计。

输出电流范围可编程为：4mA至20 mA、0mA至20mA或者扩展的0mA至24mA。电压输出由立的引脚提供，输出范围可以设置为：0V至5V、0V至10V、±5V或±10V，并且所有范围都允许扩展10%。模拟输出具有短路保护，在发生错误接线输出时，这是一个关键特性——例如，用户将输出连接到地而非负载。AD5422也具有断路检测特性，能够监控电流输出通道，以确保在输出和负载之间没有故障发生。在断路情况下，FAULT管脚将，向系统控制器报警。可编程电流/电压输出驱动器 AD5750 则兼具短路检测和保护特性。

早期的系统一般需要隔离500V至1kV的电压，而现今通常需要隔离2KV的电压。 ADuM1401 数字隔离器采用 iCoupler5 技术，为MCU和远端负载之间，或者输入/输出模块和背板之间提供必要的隔离。ADuM1401的3个通道在一个方向上进行通信，4个通道在相反方向进行通信，提供来自转换器的隔离数据回读。对于新的工业设计，ADuM3401 及该系列数字隔离器的其它产品能够提供增强的系统级ESD保护。

AD5422产生自己的逻辑电源(DVCC)，它能被直接连接到ADuM1401的现场侧，而携带逻辑电源通过隔离势垒。AD5422包括一个内部感应电阻，但是当要求低的漂移时，也可采用一个外部感应电阻(R1)。因为感应电阻控制输出电流，其电阻的任何漂移都将影响输出。内部感应电阻的典型温度系数是15ppm/°C至20ppm/°C，在60°C温度范围上会增加0.12%的误差。在系统应用中，一个外部感应电阻(2ppm/°C)能被用于保持漂移小于0.016%。

AD5422内置基准电压源(大漂移10ppm/°C)，这个基准电压源在PLC评估系统中的所有4个通道上均可被。另一个选择方案是低噪声XFET基准电压源 ADR445 它具有0.04%的内部精度，温漂3ppm/°C，可用于两个输出通道，选择内置或是外部基准电压取决于总的系统性能需求。

输入模块： 输入模块的技术规格与输出模块相似。通常，高分辨率和低噪声是很重要的。在工业应用中，当测量来自热电偶、应变计以及桥式压力传感器的低水平信号时，通常需要差分输入信号，以抑制来自电机、交流电力线，或其它的噪声源(这些噪声源将噪声引入模数转换器(ADC)模拟输入端)的共模干扰信号。

对于输入模块而言，Σ-Δ型ADC是的选择，因为它们能够提供及高分辨率。此外，其内置可编程增益放大器(PGA)可以测量小的输入信号。图7所示为用于评估系统的输入模块设计。3通道、24位Σ-Δ模数转换器AD7793 被配置为可提供较大范围的输入信号，例如4mA至20mA、±10V以及直接来自传感器的小信号输入。

这种普遍的输入设计很容易适应RTD/热电偶模块。如图所示，每个输入通道提供两个输入接线端子。一个输入端子直接连到AD7793。用户可以对内置PGA进行编程，以提供高达128的模拟增益。二个输入端子使信号能够通过JFET输入仪表放大器 AD8220 被调理。这样，输入信号就被削弱、放大，并经过电平转换，以提供单端输入信号给ADC。除了提供电平转换功能，AD8220还具有非常好的共模抑制特性，这在宽动态范围的应用中很重要。

低功耗、的AD7793功耗小于500μA，而AD8220功耗小于750μA。这个通道被设计为可接受4mA至20mA、0V至5V以及0V至10V的模拟输入信号。输入模块的其它通道针对双性工作方式设计，可接受±5V 和±10V的输入信号。

为测量一个4mA至20mA输入信号，一个低漂移精密电阻通过开关(S4)连入电路。在这个设计中，该电阻的阻值为250Ω，但是，只要产生的电压在AD8220的输入范围内，就可以用任意电阻值。在测量电压时，S4保持断开状态。

大多数输入模块设计都需要隔离。图7展示了在PLC评估系统的一个通道上如何实现隔离。4通道数字隔离器ADuM5401 采用isoPower®6 技术，可提供2.5kV的有效值(RMS)信号和功率隔离。除了提供4个隔离的信号通道，ADuM5401还包含1个隔离的DC-DC转换器，能够提供一个稳定的5V、500mW输出信号，以驱动输入模块的模拟电路

完整的系统： ADuC7027 精密模拟微控制器7是主要的系统控制器。其内嵌ARM7TDMI内核，32位架构可轻松实现该器件与24位ADC的连接。它还支持16位thumb模式，如果需要，可实现高的代码密度。ADuC7027带有16kB片上闪存，并可外接512kB存储器。、低压降稳压器(LDO)ADP3339 可为微控制器提供稳压电源。

评估板和PC之间的通信通过ADM3251E提供，该器件与RS-232收发器隔离。ADM3251E结合了isoPower技术，另外的隔离式DC-DC转换器。它非常适于严苛电力环境下的操作，或者需要频繁插拔RS-232电缆的场合，因为RS-232的引脚，包括Rx和Tx，都需要防范±15kV的静电放电干扰。

评估系统软件和评估工具：这套评估系统具有多种功能。与PC的通信可通过LabView8实现。微控制器(ADuC7027)的固件用C语言编写，能够控制往来ADC和DAC通道的低级命令。

左侧的下拉菜单使用户能够选择的ADC和DAC通道。在每一个ADC和DAC菜单下方是一个范围设置下拉菜单，用于选择期望的输入和输出范围进行测量和控制。它支持的输入和输出范围包括：4mA至20mA、0mA至20mA、0mA至24mA、0V至5V、0V至10V、±5V和±10V。通过利用内置的PGA，ADC可直接提供小的信号输入范围。

ADC配置屏，用于设置ADC通道、新速率和PGA增益；使能或禁止激励电流；以及其它通用ADC设置。通过将相应的DAC输出通道连接到ADC输入端，并调整每个范围，可以校准每个ADC通道。采用这种校准方法时，AD5422的偏移和增益误差指示每个通道的偏移和增益。如果这些不够，可采用电流和电压源进行校准。

在选择ADC的输入通道、输入范围和新速率之后，现在我们利用ADC Stats屏幕，如图11所示，显示一些被测量的数据。在这个屏幕上，用户选择数据点的数目进行记录；软件生成所选通道的柱状图，计算峰-峰(P-P)和有效值(RMS)噪声并显示结果。在此处显示的测量范例中，输入信号通过AD8220被连接到AD7793：增益=1，新速率=16.7Hz，采样数=512，输入范围=±10V，输入电压=2.5V。峰-峰分辨率为18.2位。

模拟输出保护： PLC评估系统可通过软件配置为各种范围内的输出模拟电压或电流。输出信号由AD5422提供，该器件是一款、、集成的16位数模转换器，它能提供可编程电流源和可编程电压输出。AD5422的电压和电流输出可被直接连到外部负载上，因此它们易受到电压浪涌和脉冲的影响。

一、概述

国家体育场(“”)为2008年29届运动会的主体育场，是会场馆的代表，它在设计、施工和运行中所体现的“””科技”理念，场馆和相关设施严格执行节能环保设计标准，在可再生能源与新能源利用、建筑节能、水资源保护和利用等方面采取了一系列有力措施。

“”在设计中包含了一套规模很大的雨水深度处理回用系统，体育场内70%的供水由回用水代替，其中23%来自系统处理后的雨水;引人注目的是，“”使用了地源热泵，从土壤中吸收能量，用于补偿体育场空调系统等。地源热泵是一种使用可再生能源、节能、环保的系统，通过地埋换热管，冬季吸收土壤中蕴含的热量为“”供热，夏季吸收土壤中存贮的冷量向“”供冷。

地源热泵机组选用Twido系列 PLC TWDLCAA40DRF及扩展模块，它本身所带的一个通讯口和XBTGT触摸屏相连。可以根据来自源热泵机房控制系统的给定信号进行启/停和能量自动调节，控制程序据负荷变化及变化率自动控制滑阀上载卸载，实现制冷能量无级调节，大限度降低设备能耗。通过人机界面可以设定压缩机的工作方式和运行参数，检查压缩机的运行状况，查看机组故障情况等。每一个PLC扩展一个通讯口，做MODBUS从站，连在MODBUS总线上，实现和源热泵机房控制系统PLC 的通讯。

源热泵机房控制系统PLC选用MICRO系列PLC TSX3721001。MICRO系列PLC的通讯功能非常强大，支持MODBUS，UN-bbbWAY，以太网TCP/IP等多种通讯协议。控制系统完成制冷系统及相应循环水系统的控制，如制冷/制热模式切换，对冷媒水供水和回水的温度及压力，冷却水供水和回水的温度及压力，冷却水泵，冷媒水泵等的监控，系统PLC扩展一个TSXSCP114通信卡，做MODBUS主站，通过MODBUS网络和Twido PLC通讯，自动控两台制地源热泵机组开停，使空调系统按程序节能运转。

MICRO PLC TSX3721本身带两个通讯口，其中一个通信口和触摸屏连接，另外一个通信口和施耐德工业以太网模块TSXETZ410相连。TSXETZ410模块在此起到一个网桥作用，一端通过系统PLC交换数据，另一端通过TCP/IP以太网联接到建筑智能系统上，从建筑智能系统可以监控整个地源热泵空调系统的运行状况。

地源热泵机房控制系统控制柜的PLC为Micro系列, 配置为： CPU:TSX3721101+2块TSXAEZ801+2块TSXDMZ28DR+TSXDEZ32D2+TSXSCP114通讯卡+以太网模块TSXETZ410

地源热泵机组制冷工况冷水设计温度为5/13度，制热工况热水设计供回水温度为55/50度。地下热源部分，冬季的设计供回水温度为5-2度，夏季为27 /32度。每台压缩机制冷机组包含2台压缩机，共有一个制冷回路，由Twido PLC 进行控制的，通过数字量模块和模拟量模块采集传感器信号，可以实现根据负荷状况实现自动能量调节。配置为：TWDLCAA40DRF+TWDDRA8RT+6块TWDAMI2HT+TWD485D+触摸屏XBTGT2110

五、结束语

地源热泵等环保节能技术和设备，在场馆中的成功应用，紧扣“”、“科技”的主题，会促进在各个领域中充分推广利用。在国家体育场地源热泵大型空调系统中，使用了施耐德Micro 和Twido 序列PLC和XBTGT触摸屏,除