嘉兴西门子模块代理商交换机供应商

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引言

    随着我国经济发展和城镇化进程的加快，中小城市污水量呈现逐年增加趋势，为减少污水收集管网的工程建设投资，中小城市污水处理设施呈现分散、规模小等特点。受经济发展水平、处理要求、运营管理经验和水平等影响，大型污水处理控制系统难以适应这些中小污水处理工程的建设要求，寻找适合城市中、小污水厂的污水处理控制系统显得十分重要。本文介绍西门子S7-300 PLC软冗余系统在安徽无为县城污水处理厂的成功应用，该系统既**了系统的性、稳定性和实时性，又降低了工程建设成本。

1 系统介绍

    安徽无为县城污水处理厂是一座由安徽现代污水处理有限公司按BOT方式(建设-运行-移交)筹资建设的的城市污水处理厂，处理规模一期40000m3／d，厂址位于无为县城东北部陈家村西侧，占地面积约3．34公顷。无为污水处理厂主要处理来自县城东北区约13的生活污水及工业废水，采用A／A／O工艺，主要构筑物包括粗格栅及进水泵房、细格栅及旋流沉沙池、生物反应池、二沉池配水井及污泥泵房、二沉池、紫外线渠和储泥池等，其流程图如图1所示。设计要求出水水质达到GBl8918-2002国家一级B排放标准，污水处理过程中产生的污泥采用浓缩脱水处理后外运至垃圾填埋场填埋。

图1 无为污水处理厂一期工艺流程图

    无为污水处理厂控制系统设1个监控(中控室)、3个现场PLC站(模拟屏站PLC01、变配电间站PLC02、污泥脱水间PLC03站)。其中变配电间站为重要，主要控制提升泵站、格栅井、沉沙池、氧化沟、二沉池、回流泵站、剩余污泥泵站、贮泥池的自动运行。关键控制对象是氧化沟中的含氧量和回流污泥量，以**维持微生物的生存环境，达到去除原污水中污染物的目的。

2 选型比较

    对于变配电间站控制系统的选型，以前类似工程大多采用A-B公司的ControlLogix系列或是西门子S7-400系列的硬件冗余系统，具有稳定性好、切换速度快等优点，但造价相对昂贵，是国内大型污水处理控制系统的选择。目前中小城市的污水项目很多为BOT项目且对控制系统切换时间要求条件不是太高，所以要求控制系统选型时既要**性能，又要降。据德国西门子公司提供的资料，硬件双机冗余系统的价格比软冗余系统高40％左右，但可用率只提高O．08％。在国外大部分同等规模的污水处理厂中也未采用双机硬件冗余系统，所以需要对控制系统的技术有深入的了解，避免在设计选型上照抄、照搬。通过对西门子硬件冗余和软件冗余系统的深入分析和性能比较，后决定选用价格相对而性能又比较稳定的软冗余系统。

3 软冗余系统结构和原理

    控制系统冗余常见方式是处理器冗余、I／O冗余和通讯冗余。处理器冗余是在主处理器失效时，备用处理器自动投入运行从而接管控制。在控制权的交互方式上又分为硬件冗余和软件冗余两种。硬件冗余是采用硬件方式进行切换，除成对的使用处理器外，还需的热备模块负责检测处理器，一旦发现主处理器失效，马上将系统控制权交给备用处理器。硬件冗余采用光纤通讯，通讯速度快，系统稳定，切换时间短，但是成本也高。软件冗余方式只需要成对的处理器，用软件编程的方式进行处理器的切换，组成比较经济，构成十分灵活，但程序处理需要一定的时间，对于时钟同步及切换时间要求不是十分严格的场合，选用软件冗余方式是非常经济有效的。

    3．1 系统结构

    软冗余系统的基本结构如图2所示。

图2 软冗余系统的基本结构

    西门子S7-300 PLC软冗余系统由A和B两套PLC控制站组成。开始时A站为主，B站为备用，当主站A中的任何一个组件出错，控制任务会自动切换到备用站B当中执行，这时，B站为主，A站为备用，这种切换过程是包括电源、CPU、通讯电缆和IMl53接口模块的整体切换。系统运行过程中，即使没有任何组件出错，操作人员也可以通过设定控制字，实现手动的主备系统切换。这种手动切换功能对控制系统的软硬件调整、换和扩容非常有用的。

  1、引言

    为适应国民经济持续发展的需要，缓解山西、陕西、内蒙古西部煤炭外运通道港口装船能力不足的状况，秦皇岛港于2004年下半年正式启动煤四期升级工程。利用煤四期工程预留的卸车能力，增加相应工艺设备及配套设施，新建5万吨级和3.5万吨级泊位各一个，增加吞吐能力1500万吨。

    基于此对原plc自动化控制系统进行升级，升级后的控制系统将与已投产的煤四期合成一个完整的生产系统，在中控室的统一控制下，实现各个装卸生产任务。

    2、系统设计

    2.1 升级内容

    本次升级内容包括：中控室的处理器从plc5升级至controllogix系列；中控室i/o模块升级至controllogix系列；处理器程序增加升级部分、数据库传输以及通信部分；中控室广播系统在原有的基础上升级；除尘洒水处理器从plc5-40e升级至plc5-80e，程序在原有基础上增加以太网通讯指令；其余变电所plc程序主体不变，与升级后的controllogix成为一体；监控系统与plc通讯软件升级；监控系统开发软件由intouch v7.0升级至intouch v9.0，遵循程序改动小原则。

    2.2 升级系统设计

    中控室部分把plc5升级至controllogix系列，主处理器为1756-l55m24，i/o模块的容量留有15%以上的余量，存储器具有后备电池保护功能，plc具有远程i/o能力和故障诊断功能，所有的plc i/o模块、电源模块及其它功能模块均能带电插拔，所有模块插入机架都有锁定装置[1]。处理器程序预先在实验室内进行流程的模拟与测试，**在现场切换后可以立即投入到生产中。切换plc5模块时，拆除plc5系列模块，并在原有位置安装controllogix系列模块。输出模块的电压等级与原有系统保持一致，输入模块的电压等级改为dc 24v，模拟量模块与原有模块的电压等级一致。在升级前，仔细检查并做好每一根控制电缆的标记，**切换过程中正确无误，并且占用小的停产时间来进行系统切换。换后，系统将**基本的工作需要，并在调试过程中逐步完善。

    升级后的plc框架结构如图1所示。

图1 中控室框架结构示意

    中控室原通信柜内包含光纤收发器、无线调制解调器和交换机三类主要设备，其中光纤收发器和无线调制解调器主要指各个变电所、各个大机通讯所用的数据收发器。所有通讯设备将择机从原通信柜切换至新通信柜中，而后切换各个大机信号设备，同时对通信路径作明确标示，以便于维护。

    在中控操作台、新柜内各放置一台3com交换机，用于中控室内pc机与其他设备的数据交换。中控操作台交换机通过双绞线与plc室内交换机相连。ccr plc、各变电所plc、原有大机plc通过光纤与ccr plc进行数据交换。

    升级后形成了一个以中控室plc处理器为，与现场变电所和各个单机实时通信的以太网控制系统。该系统采用tcp/ip协议，利用msg指令进行设备间通信。整个控制系统网络的通讯结构如图2所示。

图2 plc控制系统网络结构示意图

    中控室内原有3台cgp，此次新增3台cgp，同时对原系统的3台cgp的intouch软件做相应的升级。

    中控室plc主要完成原有系统plc的所有功能，新系统翻堆、取装线的流程操作功能，以及向数据库提供生产作业数据等功能。

    对于老系统，所有程序位于“_2_ladder ”内，原有程序保持不变，完成原有系统的流程选择、大机的流程控制等工作。

    程序段“comm”完成通讯功能。主要完成与取装线plc处理器、翻堆线plc处理器、r52处理器、r62处理器、cd5处理器、ccr_dc处理器等6个处理器的以太网通讯读写控制。当取装线或者翻堆线通讯异常时，正在运行的流程将立刻停止。当ccr_dc处理器通讯异常时，相当于ccr处理器与所有其他老系统处理器的通讯中断，此时涉及到老系统设备的流程不能作业。当r52、r62、cd5这3台处理器通讯异常时，系统会产生报警信息，提示相关人员维修检查。

    程序段“database”用于整理数据，把数据库需要的信息整理好，向数据库提供数据。

    程序段“flownoview”用于向上位画面提供流程号码的显示。当有流程选中、启动、停止、故障、授权时，升级部分的上位画面就会有相应的流程号码显示。

    程序段“new”为升级部分流程选择、启动、停止、授权的控制主程序。

    煤四期升级工程建成后，与原煤四期工程要形成一个统一完整的生产系统。包括31个plc节点，彼此之间的通信传输的数据量非常大，要求作为通信的中控plc采取有效的通信方式，以避免缓慢或出现丢包、堵塞问题。中控室plc由plc5系列升级为controllogix系列后，由于产品新换代的原因，plc5/40e中c.e系列之前的产品不支持cip协议，无法直接与controllogix通讯，这就意味着老系统中的plc将无法与中控plc直接通信。基于此，采用如图3所示的通信结构。

图3 老系统数据方向通讯示意图

    这种通信路径减少了与中控plc直接通信的plc数量，使plc的资源能得到合理利用。

    15号变电所有两个plc处理器ss15_fd、ss15_qz，分别实现的是翻堆线流程和取装线流程。现场各大机与该处理器通信，然后该处理器再与中控plc通信。升级系统通信结构示意图见图4。

图4 扩容系统通信结构示意图

    在msg的通讯指令控制上，采用轮循方案控制。每个plc5或者controllogix处理器中都有不止一条的指令。上一条指令执行的完成或者故障触发为下一条指令的使能位。以此类推，直到后一条指令的完成或者故障位触发条指令的完成。为防止connection碰撞发生，在每两条msg指令的执行中间，增加500ms左右的延时等待。这种方式要比以往的广播方式优化，能避免同时通信造成网络堵塞和大数据流的发生。

    3、结束语

    自动控制系统升级以来的生产情况表明，系统运行稳定、，网络速度明显提升，设备的运行率较之前有所提高，各项指标均达到既定目标，说明本次升级很好地解决了不同系列plc组网的问题。

  设备运行速度经计算转化成频率，系统软件通过modwd指令将转化后的频率写入变频器地址，后由变频器驱动变频电机运转来拖动设备运行，另外通过modrd指令读取变频器的运行状态(温度、频率、电流)数据，通过触摸屏显示出来，以便用户对变频器运行状态的查询，通过变频器温度、频率、电流等数据判断变频器及设备运行是否正常，及时对设备进行维护，达到生产。

    计数程序主要是对计数传感器采集的脉冲信号进行处理，通过高速计数器c235来记录脉冲信号，每经过一个计数周期后就将c235所记录的脉冲信号数进行计算，转化成棉网的长度，经过几个计数周期，采集的脉冲数经累计后到达了用户设置长度，电机停止运行，完成其他一些列动作。

    由于该设备在运行过程中执行动作比较多，所以在程序设计时采用了步进指令来完成这些动作，一个步进指令执行三个任务：

    (1) 驱动输出线圈； 

    (2) 转移条件； 

    (3) 步进点的控制权要转移给那一个步进点。

    下面是设备控制程序部分步进指令：

    stl  s0     步进从初始状态s0开始
    ldi  x25    空管检测，无空管及x25=off 转移到s20步进点
    set  s20
    ld   x25    空管检测，有空管及x25=on 转移到s21步进点  
    tmr  t31    延时后转移到s21步进点
    out  m132  驱动继电器m132
    ld   t31
    set   s21
    ret

    控制动作程序利用步进指令编写使得程序思路明确、条理清晰，在相关的动作互锁上容易处理，设备系统调试时也容易查错。

    根据设备工艺要求控制程序具有停止、自动、调试三个工作状态，当设备被在停止状态时，除了通信程序外，其余程序都被禁止运行。当设备被在调试状态下时，plc只能运行通信程序和调试程序，此时，通过触摸屏可以对设备动作进行单步执行，同时，当设备出现故障时，可以在调试状态下进行故障排除。当设备被在自动工作状态时，按下启动按钮，设备将按图1流程图所示进行工作。

    3.3 人机界面

    控制柜上人机界面可使过程可视化，智能化，方便系统调试，增强系统故障之后的恢复能力，改善系统的可维护性，降低运行成本。

    根据画面显示信息量采用十八个画面，各画面之间通过触摸键进行切换，同时触摸屏上各类组件的内存单元和与plc中数据存储区的的单元相关联，构成系统整体监控。根据设备工艺要求设计了参数设定、系统调试、故障信息查询参数设定等画面。

    参数设定画面(如图3)主要是为了给现场操作人员进行设备工艺参数调节使用的，根据棉纺工艺的不同，对棉卷大小进行调节，设备运行速度调节，棉卷滚出停止位置调节，动作的快慢进行调节等。系统调试画面是为设备调试和故障排除而设计的，通过此画面的24个按钮，可以对动作流程图中的每个动作进行单步执行来进行故障排除和设备调试。故障信息查询画面提供了故障报警和历史数据查找功能，一旦系统发生故障，屏上主画面出现故障原因，点击信息查询按钮故障报警画面分析报警原因，触摸屏提供了一个十分灵活和友好的窗口，方便现场人员的使用，增强了系统的可操作性。

图3  参数设定画面

    在对dop-ae10thtd65536触摸屏进行组态设计开发过程中，运用宏指令对控制程序进行了保护，防止用户对控制程序私自修改，造成事故发生，以下是部分宏指令：

    $133 = (1@d1003)  将控制程序内存校验和送给触摸屏内部存储器$133
    if $133 != 13877(dw)   将控制程序大小与原始控制程序内存校验和做对比
    clrb (1@m1072)   禁止plc运行
    endif

    该段宏指令禁止了用户对plc控制程序的随意修改，提高了设备的性。

    4、结束语

    hxfa368条并卷联合机是集机、电、气为一体化的自动化设备，基于台达plc和触摸屏进行自动控制是整机一个很重要的组成部分，具有系统稳定、操作方便、性能等特点，该设备投入运行后受到用户的。

 1、引言

    切纸机械是印刷和包装行业的常用的设备，外形如图1所示。切纸机完成的基本动作是把待裁切的材料送到位置，然后进行裁切。其控制的是一个单轴定位控制。这次改造的切纸机是由单片机加编码器，变频器及刹车控制，当接收编码器的脉冲信号达到设定值后，单片机系统输出信号，令变频器停机，同时电磁刹车制动，从而实现定位。该系统陈旧，定位精度低，器件老化，故障频率高，给生产造成很大影响。通过我们用丰炜plc+海泰克触摸屏+东元伺服对该系统进行改造，不仅提高了系统的精度，稳定性，还增加了一些新功能，使操作加简单明了，了满意的效果。

图1 切纸机械设备外形图

    2、切纸工艺

    切纸机裁切工艺过程如图2所示，当推纸器将待切材料地推送到位置后，由工作人员经按钮发出裁切指令，使压纸器将材料压紧，延时1-4秒后，锁电磁铁自动获电，打开保险栓，同时气垫停止供气，床开始下移进行裁切，裁切完毕，床自动返回位置，保险栓锁住，裁切过程结束。

图2 切纸工艺

    在工艺上，压纸器将材料压紧延时的时间简称压差，应视不同的裁切材料自由设定，如裁切瓦楞纸，压差应小于1秒，裁切牛皮纸可设定2-3秒。另外，为使纸张在平台上轻便移动，在工作台面上设置了数百个微小的喷气孔，由气泵电机带动气泵供气，使平台上形成一个气垫，以便厚重的纸张移动。但是在压纸器压纸时，气垫应暂停工作。在床保护方面主要采用了锁电磁铁，由它控制机械保险栓，使床停止裁切时处于锁定状态。在裁切工作台两侧还设置了红外光栏保护器，它不受日光和灯光的干扰，在裁切时，当手或者其他物品进入床前方的危险区时，遮挡了红外光线，则床急速停，实现了保护。

    3、自动化系统设计

    3.1 系统设计

    人机界面由上海泰克hitech pws5600s触摸屏构成。plc选用丰炜vb1-32mt-d。伺服控制选用东元tsta20c控制器。原系统由单片机加编码器，变频器及刹车控制，当接收编码器的脉冲信号达到设定值后，单片机系统输出信号，令变频器停机，同时电磁刹车制动，从而实现定位。现我们采用丰炜vb1系列plc和东元的伺服配合再加触摸屏来取代原系统。

    丰炜vb1系列plc是专为高速输入及定位控制应用而设计的plc。其具有两个硬体高速计数器不但计数频率高达ab相200khz，而且具备硬体比较中断功能，可完成精密之定位控制。在速位控制方面，vb1-plc提供了4点高速脉冲输出，可同时执行4个立轴的定位控制。其中，y0及y1输出点可输出20khz脉冲，y2及y3输出点可输出高达200khz的脉冲。在多轴定位控制之应用场合可发挥之经济效益。在该系统中我们主要是用到其高速的脉冲输出及便利的定位指令。基于plc技术的自动化切纸显示操作界面如图3所示。

图3 切纸机显示操作界面

    3.2 系统特点

    该系统使用丰炜plc+东元伺服+海泰克触摸屏改造后的优点：

    (1) 该系统使用丰炜plc+东元伺服，采用200khz脉冲加方向的控制方式，比之前编码器加变频的方式精度高，控制灵活，现在系统定位精度为0.01mm，定位速度150mm/s。

    (2) 该系统利用丰炜plc定位指令的现在值寄存器实现全程的位置定位及显示，使定位寻址及显示加准确方便。

    (3) 该系统手动状态时，利用vb1系列定位和相对定位指令，既可以直接切断长度，也可以直接设定相对的位移量，或者直接任意速度点动。

    (4) 为确保精度，丝杠，皮带等的机械误差，该系统增加追差功能，即系统反向定位时多移动一个追差量，然后再正向移动相同追差量，以便间隙等机械误差。

    (5) 因客户其他相同机型可能选用不同导程的丝杠，需要该程序可以进行不同导程丝杠的切换。利用东元伺服驱动器可以设置多组电子齿轮比，通过多功能输入接点进行切换，省去了通过程序计算转换的麻烦。

    (6) 利用海泰克触摸屏的配方功能，可以将常用的工作位置流程存储，在今后的工作中可以直接调用设定好的工作流程，一步步进行裁切，方便客户的使用。

    4、结束语

    利用丰炜plc+东元伺服+海泰克触摸屏对切纸机系统进行改造后，使切纸机系统的工作精度及工作效率大大提高，工作正常。从运行结果看，达到了预先设计的要求，了令人满意的效果，增强客户对罗升企业一站式服务的信心。