产品描述
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1 引言
进入21世纪以来,我国人口数量快速增长,用水需求量明显加大,是我国城市可持续发展的主要矛盾之一,因此解决城市水资源缺乏和水环境恶化问题刻不容缓。而随着自动化技术在各行业的不断发展,污水处理行业的自动化水平也在快速提高。目前,在污水处理行业中多采用PLC控制器进行自动控制,上位计算机进行工艺参数监视和设置的系统控制模式[1]。本文以海兴县污水处理厂为例进行系统组成、功能等介绍。
海兴县污水处理厂设计规模为日处理污水二万吨,出水标准为一级A。水厂工程采用CASS+深度处理工艺,厂区主要由格栅及沉砂系统、提升泵房、CASS池生物反应系统、曝气生物滤池系统、V型滤池系统及污泥浓缩系统构成。
2 污水处理控制系统的硬件设计
2.1 控制系统整体结构
污水处理厂自动化控制系统分为三级管理,包括生产管理级(控制室)、现场控制级(PLC控制站)及就地控制级。现场各种数据通过PLC系统进行采集,并通过主干通讯网络——工业以太网传送到控制室监控计算机集中监控和管理。同样,控制室监控计算机的控制命令也通过上述通道传送到PLC的测控终端,实施各单元的分散控制。
(1)生产管理级(控制室)
中控室管理层是系统的,完成对污水处理过程各部分的管理和控制,并实现厂级的办公自动化。通过高分辨率液晶显示器及投影仪可直观地动态显示全厂各工艺流程段的实时工况、各工艺参数的趋势画面,操作人员可及时掌握全厂运行情况。
(2)现场控制级(PLC站)
控制层是实现系统自动控制的关键。按照自动控制工艺要求,控制层的PLC通过程序控制整个污水处理厂的设备,实现对现场设备运行状态以及参数(如压力、流量、温度、PH值等)的采集,以及执行管理层的命令。
(3)就地控制级(设备层)
将现场控制箱上的“就地/远程”旋钮切换至“就地”位置,通过箱上的“启动/停止”按钮实现设备的就地启停控制。
海兴县污水厂控制系统的拓扑结构与功能配置如图1 所示:
2.2 下位PLC系统配置
海兴县污水厂自动控制系统采用北京和利时公司的LK系列PLC作为主控制器对生产过程进行监视和控制。模块式PLC控制系统的硬件部分主要包括CPU模块、I/O模块、通讯模块、电源模块、接口模块等,根据控制功能的复杂程度和控制对象的点号统计进行相应的配置。据统计,整个污水厂需要PLC控制的I/O点共829,共分四个PLC控制站:1#PLC站仅有一个主站;2#PLC站仅有一个主站;3#PLC站包括主站和一个远程从站;4#PLC站包括主站和两个远程从站。各个控制站的功能和分别如下:
(1)污泥脱水机房工作站——1#PLC控制站
负责采集水厂进水水质数据,以及格栅系统、旋流沉砂系统、污泥浓缩系统设备的状态采集和设备的控制。
(2)鼓风机房工作站——2#PLC控制站
负责采集CASS池水质数据,以及搅拌系统、滗水系统、曝气系统设备状态的采集和设备的控制。
(3)曝气生物滤池工作站——3#PLC控制站
负责采集曝气生物滤池水质数据,以及二次提升系统、曝气系统、反冲洗系统设备状态的采集和设备的控制。
(4)V型滤池工作站——4#PLC控制站
负责采集V型滤池水质数据,以及反冲洗系统、出水系统设备状态的采集和设备的控制。
总而言之,PLC 控制系统实现了主站与从站的数据交换及数据处理,主站对各个从站的监控和人机交互的可视性。
2.3 上位监控系统硬件配置
工程师和操作员站设立在中控室,其主要由两套互为冗余的操作站、一套投影仪、一台故障打印机、一台图表打印机、一套UPS电源组成。
中控室的两台监控操作站,其中一台为系统监控管理计算机,可对在污水处理厂的各类设备状态、工艺过程参数进行实时和监控,给操作人员、管理人员进行运行管理的人机界面,另一台为信息监控管理计算机,负责实时和定时记录以及报表的生产和打印。
3 污水处理控制系统的软件设计
3.1下位PLC控制程序开发
PLC程序设计采用北京和利时公司推出的Powerpro 下位机软件,根据工艺要求,编写格栅、提升泵房、旋流沉砂池、CASS池、二次提升泵、曝气生物滤池、V型滤池等子程序。污水处理工艺流程图如图2所示:
(1)格栅系统控制
格栅系统主控对象为格栅机组、螺旋输送机以及声波液位计。其控制可在监控计算机上设置液位控制和定时控制,当采用液位控制时,是靠格栅的前后液位差来控制格栅机的启停,当液位差达到设定的水位上,PLC控制器会发出命令启动格栅设备;当水位差小于设置的下,格栅机组将接受到PLC控制器发出的停止的信号。操作人员可以在上位机上设定设备的启停液位或者运行周期。
(2)提升泵控制
提升泵的控制工艺要求是根据液位的高低来自动控制提升泵的启停,项目现场采用两用一备方式。当其中的泵出现故障时,故障泵会自动切出自控程序,备用泵会自动切入自控程序。这样长期运行能保泵的运行时间大致相同。
(3)旋流沉砂池系统控制
旋流沉砂系统主控对象为搅拌器、罗茨风机和砂水分离器。系统工作原理如下:污水从沉砂池的切向进入,具有一定的流速,从而对沙砾产生离心力,使较重的沙砾沿池壁沉降到池底集砂槽。搅拌器的桨叶旋转形成轴向涡流,产生一个轻微的上升流动,从而带动污水排出,流入下一道工艺流程进行处理。罗茨风机为旋流沉砂池提供空气,达到气提的作用,另外气提直接将沉砂输送到砂水分离器,实现沙砾与污水的分离[2]。其控制工艺要求如下:搅拌器、风机和砂水分离器以一定周期运转,通过工程师站可以设定运行时间。
(4) CASS池系统控制
CASS池系统操作周期分为四个步骤:曝气阶段,鼓风机向反应池内充氧,此时污染物被微生物氧化分解;沉淀阶段,微生物利用水中剩余的DO进行进一步氧化分解,活性污泥逐渐沉淀到池底,上层水变清,污泥回流泵将部分活性污泥送回预反应区,剩余污泥泵则将反应池多余污泥抽到污泥脱水间;滗水阶段,沉淀结束后,置于反应池末端的滗水器开始工作,自上而下逐渐排出上清液;闲置阶段,滗水器上升到原始位置阶段,等待下一周期滗水。根据上述工艺要求,对CASS工艺的各个阶段编写控制子程序。
(5)曝气生物滤池系统控制
曝气风机其控制工艺要求:曝气风机为24小时运转,每天中午12点换一台风机,这样可以保证三台风机运行的时间大体相等。
反冲洗系统控制主要是控制反洗风机、反洗泵以及阀门来实现反冲洗的功能,每两天进行一次反冲洗。
(6)V型滤池系统控制
V型滤池系统的自动控制主要是滤池的自动反冲洗功能。子程序控制的主要设备有反洗泵、反洗风机、阀门以及仪表工艺参数,每两天进行一次反冲洗。
3.2上位机监控系统的实现
本控制系统上位监控系统采用北京和利时公司的上位机软件FacView。软件将现场各分系统的运行状态形象、直观、实时地显示在中控室的工控机上,使操作员在中控室能实时获得现场数据和信息并对污水处理厂的运行进行管理。友好的人机界面把分散的、单回路的测控系统进行了统一的管理,另外还有数据报警、历史数据存储、报表显示、趋势显示等多种功能。
可编程控制器(PLC)作为新一代的工业控制装置,因其本身具有高性、较强的工业环境适应性以及编程简单、操作方便等特性,再配上各种测量控制仪表而在工业领域得到广泛应用。但当生产环境过于恶劣,电磁干扰特别强烈,或安装使用不当,就可能造成程序错误或运算错误,从而产生误输入并引起误输出,这将会造成设备的失控和误动作,从而不能保证PLC的正常运行。
1 影响PLC控制系统性的干扰及来源
PLC控制系统主要集中安装在主控室中,是由于其系统复杂,设备种类多,输入/输出(I/O)端口多,特别是外部的连接电缆又多又长。它们大多处在强电设备所形成的恶劣电磁环境中。除了恶劣的电磁环境外,PLC系统还涉及机械振动、化学腐蚀等场合。总体来说,PLC系统的干扰主要是2种形式:电磁干扰和机械振动干扰。现场电磁干扰是PLC控制系统中常见也是易影响系统性的因素之一,找出问题所在,才能提出解决问题的办法。
1.1 电磁干扰源及一般分类
电磁干扰大都产生于用电设备电流或电压急剧变化,其原因是电流改变(电压变化也同时会导致电流变化)会在用电设备周围产生可变磁场,对周边设备产生电磁辐射;电磁辐射又会在该设备的薄弱部位产生电位差,即电磁干扰。
通常电磁干扰按干扰模式不同,分为差模干扰和共模干扰。差模干扰是指作用于信号两间的干扰电压,主要由空间电磁场在信号间耦合感应及由不平衡电路转换共模干扰所形成的电压,这种干扰叠加在信号上,直接影响测量与控制精度。共模干扰是每个被干扰点对地的电位差,主要由电网串人、地电位差及空间电磁辐射在信号线上感应的共态(同方向)电压叠加所形成。共模电压通过不对称电路可转换成差模电压,直接影响测控信号,造成元器件损坏(这就是一些系统I/o模件损坏率较高的主要原因),这种共模干扰可为直流,亦可为交流。
1.2 PLC系统中电磁干扰的主要来源及途径
1)电网干扰。普通供电网络,由于电网覆盖范围广,电网上会有各种各样的用电设备。电源设备的停送电操作浪涌、大型设备的起停、交直流传动装置引起的谐波、电网短路暂态冲击等都会在线路上感应出电压而在PLC系统所处空间形成电磁干扰,这些电压噪声会通过电源内阻耦合到PLC系统的电路中,给系统造成大的危害。所以PLC如果直接从公用电网供电,将是很危险的。
2)柜内干扰。如果PLC系统与其他大电感设备、高电压设备混装,控制柜内的高压电器,大电感性负载,混乱的布线都容易对PLC造成一定程度的干扰。
即使PLC系统只与小容量电器安装在一起,这些电器的通断控制同样会产生电磁干扰。
3)信号线干扰。与PLC控制系统相连的各类信号线,除了传输各类有效的信息之外,还会有外部干扰信号侵入。外部干扰主要有2种:一是通过变送器供电电源或共用信号仪表的供电电源串入的电网干扰,这往往被忽视;二是信号线受空间电磁辐射感应的干扰,即信号线上的外部感应干扰,这是很严重的。信号线干扰会引起I/0信号工作异常并大大降低测量精度,严重时将损伤元器件。
4)接地系统的干扰。接地是提高电子设备电磁兼容性的有效手段之一。正确的接地,可以抑制电磁干扰的影响,还可抑制设备向外发出干扰;模拟电路的影响,逻辑地与模拟地的相互影响及元器件间的相互不匹配使用等。
5)变频器的干扰。变频器启动和运行过程中产生的谐波可以对电网产生传导干扰,从而引起电网电压畸变,影响电网的供电质量;变频器的输出也会产生较强的电磁辐射干扰,进而影响周边设备的正常工作。
1.3 非电磁干扰
1)由于机械拉扯,线路自身老化等原因造成传输信号时断时续,现场信号无法准确地传送给PLC,造成控制出错。
2)机械触点抖动,现场触点虽然只闭合一次,PLC却认为闭合了多次,但由于PLC扫描周期太短,仍可能在计数、累加、移位等指令中出错,出现错误控制。
3)现场执行变送器、机械开关自身出故障,如触点接触不良,变送器反映现场非电量偏差较大或不能正常工作等。这些故障同样会使控制系统不能正常工作。影响执行机构出错的主要原因有:①控制负载的接触不能动作,虽然PLC发出了动作指令,但执行机构并没按要求动作;②各种电动阀、电磁阀开、关不能到位,使得执行机构无法按PLC的理想控制要求动作,导致系统无法正常工作,降低了系统性。
2 主要抗干扰措施
2.1 电源的合理处理。抑制电网引入的干扰
对于电源引入的电网干扰可以安装一台带屏蔽层的变比为1:1的隔离变压器,以减少设备与地之间的干扰。采用的净化电源。PLC的CPU部分与I/0部分分别供电,以避免I/0外部回路短路造成PLC停机。
2.2 安装与布线
1)安装。PLC应远离强干扰源如电焊机、大功率硅整流装置和大型动力设备,不能与高压电器安装在同一个开关柜内。在柜内PLC应远离动力线(二者之间距离应大于200 mm)。与PLC装在同一个柜子内的电感性负载,如功率较大的继电器、接触器的线圈,应并联RC消弧电路。
2)柜内布线。柜内导线尽量按照不同的电压等级及类别分别走线,电源线采用双绞线。如在同槽内,分开捆扎交流信号线、直流信号线。
3)柜外布线。PLC的输入与输出、开关量与模拟量要分开敷设。模拟量信号的传送应采用屏蔽线,屏蔽层应一端接地,接地电阻应小于1 Q。不同电压等级的信号不能安排在同一根电缆中,交流信号与直流信号不能安排在同一根电缆中
0 引言
在工业控制领域,如何利用有限的资源实现对主要生产环节准确、稳定的控制,并对工业现场实施有效的监控,使生产和监控的结合起来,提高生产效率,是广大企业和从事工控行业的技术人员一直普遍关心的问题。而自动化水平的高低也成为衡量企业生产力的重要因素。
PLC作为一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作装置,以其性高、抗干扰能力强、适用性强、功能完善等优点在工业过程中得到了广泛的应用,并以其高的性价比奠定了它在现代工业中的地位。触摸屏是计算机技术和监控技术发展的产物,作为数据采集与过程控制的软件,它们是自动控制系统监控层一级的软件平台和开发环境,具有灵活的组态方式,为用户提供快速构建工业自动控制系统监控的功能。
电镀系统作为涂装企业的关键生产环节,对整个生产过程的影响具有举足轻重的作用,本文提出的基于触摸屏和PLC的电镀控制系统的设计,克服了原控制系统准确度低、稳定性差、生产效率低的缺点,提高了企业的生产效率和自动化水平。
1 系统的总体设计
龙门镀铜电镀自动生产线是电气器件等外表电镀的一种自动生产设备。生产环节包括三个基本阶段:镀前处理、电镀过程和镀后处理。整个镀铜电镀过程主要经过热浸除蜡、水洗、弱腐蚀、除垢、沉锌、预镀碱铜、碱铜、酸活化、焦铜、回收、水洗、防变色等。经过电镀的器件可以提高其使用寿命,具有性高和抗干扰能力强等特点,在电气工业控制中得到了广泛应用。
生产线为自动线,生产时由行车根据工艺及生产线状态自动移送工件,完成工件的电镀处理。行车主要执行挂钩的上升/下降运动,行车的前进/后退等4个动作,一辆行车分别装有2个三相异步电动机,并由变频器来控制电机运作。为了实现自动功能,主要采用三菱FX2N系列的PLC作为控制,同时采用三菱系列的触摸屏GOT1100作为上位机来执行动作操作,触摸屏产生人机界面和生产数据的监测及储存功能,和PLC构成实际的控制设备。
2 PLC控制系统
控制系统的设计以GX DEVELOP 8软件为平台,开发控制系统的程序。其编程方便,不但支持通常的逻辑、算术、位等,还直接支持子程序、跳转、文件和PID等指令和大量寄存器,并且有方便的注释功能(和程序在一起)。
2.1 软件设计
控制系统的控制对象是三台行车,对行车的运行动作进行控制,系统的被控量为电机的速度和正反转,执行机构为变频器,所以控制相对比较复杂。
结构化程序设计是编程中常用的并且是有效的方法,其思想就是采用子程序,将程序之间的耦合降低。采用这样的方式,也可以解决语句机械重复的问题。在这个程7芋就可以充分利用PLC编程时允许使用子程序的便利,采用结构化的编程思想,将行车挂钩的上下运动,及行车左右行走等分别编制子程序。自动程序采用的动作序列的思想,整个循环就是一个动作的序列,只要依次执行每个动作就可以完成自动所需要的动作。具体的每个动作则靠调用相应的子程序完成,避免程序机械重复的问题。主程序主要负责所有子程序的调度,判断在不同的情况下去执行相应的程序
2.2 编程中的几个细节处理
为了适应PLC编程的特点,在编程中对相关细节主要采取了以下几点措施:
(1)互锁处理
对于在运行中不容许同时出现的情况在程序上通过标志位进行互锁处理,这包括如下:挂钩的上和下;行车进和退;挂钩动作和行车动作;任何错误和动作输出;手动和自动。
(2)动作和故障的处理
动作子程序放在每个循环的结尾,这样在所有的情况都正常的情况下才输出实际的指挥行车动作的信号,只要有一个环节不正常,通过设置故障标志,动作子程序不输出实际的动作,这样确保行车的。
(3)手动和自动的转换
手动和自动的转换是该程序的一个难点。自动工作时随时可以切换到手动。但是手动切换到自动需要满足下面的条件才可以:三部行车都处在循环的初始状态,包括行车的位置和挂钩的位置;或者自动到一半时转手动,然后没有如何手动的动作后才转到自动。在其他情况下强行将手动切换到自动将作为可恢复性错误处理,发出报警声提醒操作者,并等待操作者切换到手动。
3 触摸屏软件的开发
3.1 软件的总体设计
该控制系统软件采用三菱公司开发的GOT系列的10寸触摸屏将用于现场控制的PLC控制系统和上位机监控系统连接起来。其次,从变量定义和I/O设备的管理人手,利用GOT多样化的绘图工具、强大的脚本语言处理能力和丰富的命令语言函数开发出生动、友好的主监控界面,以及含盖报警系统、行车操作,辅助控制等功能齐全的子监控界面。
经过开发的监控系统实时现场执行机构的操作模拟与监控,历史报警的查询等功能。其中还设有权限要求,要求操作时先要输入密码,以防非操作者的错误操作,以保证。
3.2 行车监控界面设计
作为整个软件的主要部分,行车监控界面的设计形象地反映了该行车在整个系统运行过程,并且可以通过对变量的正确调用,使主要行车的运行状态按操作人员的需要在系统运行时准确、生动地展现出来。管理人员可根据需要使行车处于手动或自动状态,甚至可以根据需求设定行车运行的目标槽位,通过行车监控界面图5报警界面上的按钮,管理人员还可以方便地进入操作,进而系统运行的详细信息。
3.3 辅助设备操作界面
为了实现系统的自动化,一些辅助设备如风机、移动小车、废水喷淋泵等的执行通过PLC来控制,然而其辅助设备的操作信号则通过触摸屏控制在该辅助设备的操作子界面里面,充分利用GT DESIGN软件提供的内部软元件,减少了PLC的输入点,从而减少了成本,又增加了可操作性。
3.4 报警系统界面
按照系统的设计要求,当行车行走提升、行走热继电器等过热,或者行车行走提升出要求范围时,要求监控系统能够做出及时、有效的报警。鉴于此在开发报警系统时,该设计建立了系统的报警注释,将用户创建的注释作为报警信息显示。然后通过报跟注释链接,与此同时与PLC中的寄存器链接从而储存。操作人员可通过上移,下移,检查等操作来查找以前出现的报警历史记录。
4 结语
该设计已经投入到企业的生产过程中,从现场的状况和产品的质量来看系统运行稳定,行车运行路线和辅助设备在理想的范围内,管理人员能够通过触摸屏及时、准确地了解生产现场的状况,并可以根据生产要求及时做出调整。该设计不仅改善了系统的稳定性和准确度,而且在很大程度上提高了企业的生产效率和自动化水平。
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