嘉兴西门子中国一级代理商CPU供应商

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   5)具有水位过高、过低报警和提示用户功能；

    2本设计控制结构:

    由于现场有一台电机作为被控对象，可以使用单台PLC进行单个对象的控制，只要适当的选用的PLC,能够胜任此功能。系统控制结构如图1所示。

    PLC采集传感器、监控电机及变频器等有关的各类对象的信息。本系统中，对电机采用一台变频器来进行频率的调节控制。采用PLC输出的模拟量信号作为变频器的控制端输入信号，从而控制电机转速大小，并且向PLC反馈自身的工作状态信号，当发生故障时，能够向PLC发出报警信号。由于变频调速是通过改变电动机定子供电频率以改变同步转速来实现的，故在调程中从高速到低速都可以保持有限的转差功率，因此具有率、宽范围、的调速性能。

    3设备的选型

    （1）PLC及其扩展模块的选型：

    目前，存在着种类繁多的大、中、小型PLC，小到作为少量的继电器装置的替代品，大到作为分布式系统中的上位机，几乎可以满足各种工业控制的需要。另外，新的PLC产品还在不断的涌现，那么，如何选择一个合适PLC？

    本系统有一台电机、一个液位传感器、一个变频器、五个继电器，共有十八个I/O点，它们构成被控对象。综合分析各类PLC的特点，终选西门子公司的S7系列PLC。

    由于CPU226集成24输入/16输出共40个数字量I/O点，能满足控制要求。此PLC可连接7个扩展模块，大扩展至248路数字量I/O点或35路模拟量I/O点。26K字节程序和数据存储空间。6个立的30kHz高速计数器，2路立的20kHz高速脉冲输出，具有PID控制器。2个RS485通讯/编程口，具有PPI通讯协议、MPI通讯协议和自由方式通讯能力。I/O端子排可很容易地整体拆卸。用于较高要求的控制系统，具有多的输入/输出点，强的模块扩展能力，快的运行速度和功能强的内部集成特殊功能。

    根据上述分析，参照西门子S7-200产品目录，选用主机为CPU226PLC一台、另加上一台模拟量扩展模块EM235。

    （2）变频器模块的选型：

    目前，市场上存在各种各样的变频器，本设计采用ABB公司的ABBACS800变频器。ACS800系列传动产品大的优点就是在全功率范围内统一使用了相同的控制技术，例如启动向导，自定义编程，DTC控制，通用备件，通用的接口技术，以及用于选型、调试和维护的通用软件工具。内含启动引导程序，令您调试易如反掌；自定义编程：内置可编程模块，犹如PLC令您发挥自如；体积小巧：内置滤波器，斩波器及电抗器、性能。

    4系统的控制流程：

    （1）程序设计前准备工作：了解系统概况，形成整体概念，熟悉被控对象、编制出高质量的程序，充分利用手头的硬件和软件工具。

    变频器技术是一门综合性的技术，它建立在控制技术、电子电力技术、微电子技术和计算机技术的基础上。它与传统的交流拖动系统相比，利用变频器对交流电动机进行调速控制，有许多优点，如节电、容易实现对现有电动机的调速控制、可以实现大范围内的连续调速控制、实现速度的控制。容易实现电动机的正反转切换，可以进行高额度的起停运转，可以进行电气制动，可以对电动机进行高速驱动。完善的保护功能:变频器保护功能很强，在运行过程中能随时检测到各种故障，并显示故障类别(如电网瞬时电压降低，电网缺相，直流过电压，功率模块过热，电机短路等)，并立即封锁输出电压。这种“自我保护”的功能，不仅保护了变频器，还保护了电机不易损坏。

    PLC特点：，性高、抗干扰能力强，平均故障时间为几十万小时。而且PLC采用了许多硬件和软件抗干扰措施。二，编程简单、使用方便目前大多数PLC采用继电器控制形式的梯形图编程方式，很容易被操作人员接受。一些PLC还根据具体问题设计了如步进梯形指令等，进一步简化了编程。三，设计安装容易，维护工作量少。四，适用于恶劣的工业环境，采用封装的方式，适合于各种震动、腐蚀、有毒气体等的应用场合。五，与外部设备连接方便，采用统一接线方式的可拆装的活动端子排，提供不同的端子功能适合于多种电气规格。六，功能完善、通用性强、体积小、能耗低、性能价格比高。

    在应用PLC系统设计时，应遵循以下的基本原则，才能保证系统工作的稳定。

    （1）大限度地满足被控对象的控制要求；

    （2）系统结构力求简单；

    （3）系统工作要稳定、；

    （4）控制系统能方便的进行功能扩展、升级；

    （5）人机界面友好。

    本系统中，为了实现能源的充分利用和生产的需要，需要对电机进行转速调节，考虑到电机的启动、运行、调速和制动的特性，采用ABB公司的ABBACS800变频器，系统中由S7-200系列PLC完成数据的采集和对变频器、电机等设备的控制任务。基于S7-200PLC的编程软件,采用模块化的程序设计方法，大量采用代码重用，减少软件的开发和维护。系统利用对PLC软件的设计,实现变频器的参数设置、故障诊断和电机的启动和停止。

    1本设计的控制要求：

    1)系统要求用户能够的直观了解现场设备的工作状态及水位的变化；

    2)要求用户能够远程控制变频器的启动和停止；

    3)用户可自行设置水位的高低，以控制变频器的起停；

    4)变频器及其他设备的故障信息能够及时反映在远程PLC上；

2.1闸门自动监控系统主控级
闸门主控级设备主要负责集中监视、集中控制、运行记录和指导、自诊断、培训及开发、通信等方面的功能实现。通过主控级这些功能达到集中控制溢洪门的各现地设备的目的。

主控级设备配置如下：溢洪门主控级计算机及外围设备；报置；网络设备；隔离装置；UPS电源；黑白喷墨式打印机；彩色激光打印机；监控系统所有设备之间所需的连接屏蔽电缆、光缆、适配器、光电转换器以及其他附件。主控制级上位机设备均采用。主控级计算机采用DELL工作站。网络交换机采用某INS-801以太网交换机，用于连接溢洪门LCU和主控级计算机。

主控级功能：自动监控系统能、准确有效地完成对被控对象的监控。主控级具有数据采集与处理，实时控制、参数设定、监视、记录、报表、运行参数计算、通信控制、系统诊断、软件开发和画面生成、系统扩充（包括硬件、软件）、运行管理和操作指导等功能。

2.2现地控制设备层
系统配置溢洪门LCU单元，LCU单元与溢洪门现地控制设备连接，将各现地控制柜采集的电机运行状态、故障报警、机械限位和闸门开度值等数据上送至上位机，进行监视。并下发上位机的集中控制命令，对闸门进行开启/关闭/停止控制。

溢洪门LCU单元PLC采用某S7-412H系列PLC和7.5″TFT彩色液晶触摸屏作为系统的控制器件，PLC含冗余电源、冗余 CPU，高度的系统稳定运行。溢洪门LCU单元功能有数据；自动采集各现地控制设备的实时数据。自动接收来自主控级的命令信息和数据。数据处理；控制和监视。操作人员可以通过LCU控制单元配置的触摸屏对监控对象进行控制。

2.3系统结构
闸门监控系统采用分层、分布开放式系统结构，数据库实行分布管理方式。分层控制系统具有以下的优点：1）是适合于电力系统结构的系统；2）易于保证自动化系统的性；3）可灵活地适应系统的扩大和变；4）可提高投资效率；5）能好地适应现代技术水平的发展[1]。系统结构按功能分布要求可分为两层：集中控制层和现地控制层。系统结构按主要设备配置状况可分为两级：集中控制级设备和现地控制级设备。

2.3.1系统设备层次
整个闸门计算机监控系统设备分现地控制级、集中控制级二层：现地控制级由各有关设备的现地控制柜和现地控制箱构成，完成设备的现地监控任务；集中控制级完成全厂闸门设备的实时信息处理、监视与控制任务，由主控级计算机、溢洪门LCU等构成；二个层次功能各有侧重，相互协调配合，完成电站闸门计算机监控系统的全部功能。

2.3.2网络层次
网络分电站控制网和外部通信网两层。电站控制网：主要连接现地控制层和集中控制层有关设备。与现场实时监控有关的信息主要由电站控制网传输，如LCU上行信息和控制命令等；外部通信网：主要连接外部系统；闸门监控系统采用星形以太网，集中控制级和现地控制级中的各计算机智能设备通过交换机进行相互连接实现数据通信，采用TCP／IP协议，传输介质光纤。

采用上述分层结构，使不同性质的信息分类在不同的网络通道上传输，避免相互之间的干扰，确保系统控制的实时性、性和性。对于溢洪门LCU与其它智能装置通信，则可根据具体需要和选择的设备情况，采用串行通信接口。

3系统功能
整个闸门监控系统的功能分布在不同层次的不同设备之中，各设备的协调配合，完成全厂闸门监控功能。具体功能分布情况如下：
1）主控级计算机
系统主机主要负责运行档案管理、事故故障信号的分析处理、测点定义及限值存储、各类运行报表生成和储存、历史数据库的生成、转储、系统时钟管理等。作为操作员人机接口工作站则负责监视、控制及调节命令发出、报表打印等人机界面（MMI）功能。并兼备通讯计算机的功能，用于处理闸门监控系统与电站计算机监控系统、水情测报系统、水务管理系统等其它系统进行信息交换。
2）溢洪门LCU单元
主要负责各闸门的集中运行监视、数据采集、控制和调节等任务，通过计算机网络向集中控制设备上送各种信息和数据，接受集中控制设备下发的各种控制和调节指令并执行，并能单对闸门进行集中控制。
3）溢洪门现地控制箱
现地控制箱的操作立于PLC，可直接对闸门进行操作。闸门的现地控制箱内设有“现地/远方”选择开关，在“现地”位置时可进行一对一操作，且远方命令不起作用。通过功能的合理分布，确保系统各节点的负荷率满足设计的要求，当局部设备的故障时，不影响系统其余部分功能正常运行。

4方案特点
本方案充分考虑设计的性、性和型，其主要器件均选择西门子进口产品，系统的使用寿命长将大大延长。

4.1冗余
溢洪门LCU单元选用某S7-400H系列PLC，PLC具备冗余电源、冗余CPU、冗余通讯模块，从而保证系统的性和程度[2]。

为了确保监控系统运行，监控系统主要环节采用各种有效的冗余措施，提高系统的性。主要冗余措施包括：1）溢洪门LCU单元PLC 采用某系列的S7-400H，PLC含双CPU、双电源模块、双通讯模块的冗余配置，冗余模件的工作方式为在线热备用，切换无扰动。两个CPU以热备用方式运行，确保系统的不间断运行。2）系统设备双网络（互为冗余），保网络系统的程度。3）现地控制柜配置冗余开关电源，在一块故障时另一块仍能够提供全部负载电源，提高供电性，确保系统地运行[3]。

4.2高性
系统器件、部件性能优越、通用性强；系统具备远方和现地操作、监控等功能：能对整个电站的启闭机进行单机操作、成组操作、选孔操作等；能接收电站监控系统、调度下发的开启、关闭闸门命令；能在电站监控系统、溢洪门监控系统、调度对整个溢洪门进行监视，能实是观察到各启闭机的运行状态及开度位置；系统运行参数设有出厂默认设定值，可根据现场的具体情况通过显示面板或远方通讯方式进行调整和设定；若系统出现故障，系统能发出声光报警信号，并通过现地显示面板显示和远方报警，以提示运行及维护人员；系统设有足裕量的I/O接口，用户可根据需要进行扩展，不需修改任何硬件；柜体采用全框架结构，内部结构可以根据要求随意进行组合；具械强度高、电气防护等级高、抗电磁干扰能力强。

1、引言
随着的蓬勃发展，我国单位GDP能耗与欧美发达国家的差距越来越大，引起了的大的关注，十一五规划是将“建立全社会的可持续发展能效目标”和“向低能耗方向有效调整产业结构”作为重中之重。
目前相当多的整厂节能、路灯节能、楼宇节能采用调压节能的方式，矩形科技生产的V80节能PLC——V80-C18DRMA-LD正是为节能行业专门开发的PLC。

2、节能方案：
2.1、灯光节能器的原理如下：
电压会随用电的峰谷而波动，路灯在输入电压UMIN和大于UMAX时发光率会降低，线路损耗和灯具热耗等无功功耗会加大。引入路灯控制器，对路灯输入电压/电流进行检测，并对路灯的供给电源进行一个合理控制，从而使得能够的节省电能。
同时节能器还起到一个智能控制的功能，当天黑后能自动的把灯打开，并根据不同的策略进行路灯的分组开关。因为各个地方的经纬度不同，冬天和夏天的天黑时间也各不相同。因此要根据不同的地区设置不同的开关灯策略。
比方说黑龙江，在夏天在晚上7点左右开灯，而冬天在下午4点开灯，为了满足不同地区不同时段的不同策略，一般需要将全年分成24个以上的段，不同的时间段使用不同的开关灯策略。
一般路灯节能都希望能在远方对现场的数据进行监控，同时本地也需要各种参数的显示，便于用户的调试。目前采用的方式多是RTU或者GPRS DTU为主，其中后者相对而言在成本上低，在可用性方面也好。
2.2、整厂节能的实现方式与灯光节能原理上比较类似，只不过增加了对功率因数的补偿和监控；同时整厂节能对于节能前与节能后的能耗比也需要有计录和比较，比方说在节能前，全厂耗电为13万度/月，节能后全厂的耗电为10万度/月，同时功率因数也比之前升高了，这些都需要有相关的记录和分析，同时数据要能得到用户的认同。
2.3、变频节能，原理上是根据对电机转速的调整来达到节能的效果，如注塑机节能、空压机节能等。
针对灯光节能、整厂节能、变频节能的需求，矩形科技开发的C18DRMA-LDPLC把所有调压调速节能需要的功能都集成进来了。包括市电的电压、电流采集、调压节能器的控制、可选的多种远程通讯方式、实时时钟、本地的7段数码管显示和LCD显示可选、本地的轻触按键和PVC按键可选。同时C18DRMA-LD还保留了PLC原有的所有特性，包括强的抗干扰能力、梯形图可编程能力、各种标准的通信和IO接口、带掉电保持的RAM区等。

随着国民经济建设的快速发展，各级对环境保护加关注，各地陆续新建了一大批污水处理厂。这些新建的污水处理厂根据自身特点，对控制系统的性能和价格提出了新的要求。
重庆市奉节污水处理厂采用CASS工艺对生活污水进行处理，日处理量为3万吨。其DCS系统以高性价比的PLC为控制单元，采用商用计算机为监控站。整个系统在实现生产自动化的情况下，有效降低了系统成本，从2004年投产至今运行情况良好。
1 生产工艺简介
污水处理是一种连续的生化反应过程，有氧化沟工艺、AO、SBR、CASS等众多不同的处理工艺。奉节污水处理厂所采用的污水处理工艺为新型改良 CASS（Cyclic Activated Sludge System，循环式活性污泥法）工艺，属于改进型SBR工艺的一种，由格栅井、CASS 池、鼓风机房、加药间、储泥池、脱水机房、接触池组成。该工艺具有以下特点：
（1）可升降的滗水器大限度降低了排水水流对底部沉淀污泥扰动。
（2）抗冲击力强，对难降解物的去除，同时具有脱氮除磷功能。
（3）工艺流程短，占地面积小，建设，运转费用省。
（4）管理简单，运行，出水水质好，无异味。
（5）污泥产量低，污泥性质稳定，不发生污泥膨胀。
2 DCS控制系统选型及硬件配置
2．1 DCS系统的选型
重庆市奉节口前污水处理厂为三峡库区国债项目建设的批污水处理厂，根据实际的工艺要求及建设特点，该项目对控制系统提出了如下要求：
（1）受控设备控制点数在800点内。控制工艺较为复杂，但是我们所需要的算法并不复杂，基本以时间控制和位式控制为主。
（2）控制系统须成熟，便于调试和维护。
（3）考虑到会有三方产品，网络通讯及其协议须具备开放性和标准性。
（4）测量设备和受控设备均为传统设备，基本不带现场总线通讯能力，所以输入、输出控制还是以传统的I／O点为基础。
（5）作为国债投资项目，尽可能在满足要求的前提下降低造价。
经过比较，该厂的自动化控制系统采用以PLC为基础的DCS控制系统，该系统在满足生产要求的基础上其性能和价格上了很好的平衡。
2．2 基于PLC的DCS系统
传统DCS是针对流程工业的仪表控制系统发展起来的，主要功能是实现连续物理量的监视与调节。PLC是针对传统的继电器控制系统而发展起来的，主要功能是实现开关量的逻辑控制。
一般来说，PLC是一种局部的控制器，但随着应用规模的扩大以及工业以太网的出现，多台PLC能够互连起来而形成的较大控制系统。与单个的PLC相比有几点重大的改变：
（1）在网络上挂接了在线的通用计算机，其作用一是实现系统组态、编程和下装，二是在线监视被控过程的状态。这样，一个具有现场控制层和协调控制层的DCS雏形就出现了。
（2）在PLC中增加了模拟量I／O接口和数值计算功能，这样，PLC就不仅可以完成逻辑控制，也可以完成模拟量监测及控制和混合控制的功能。
（3）越来越多的PLC厂家把的网络改成为通用的网络，这样就使PLC有条件和其它各种计算机系统和设备实现集成，以组成大型的控制系统。
上述几点改变使得PLC组成的系统具备了DCS的形态。由于PLC产品已经进入市场多年，其I／O接口、编程方法、网络通信都趋于标准化和适应开放系统的要求，同时通过扩展能够增加现场总线通讯功能。加上PLC在价格上的优势，使得PLC在分布式控制系统领域有着很重要的地位，在很多应用领域具有相当大的竞争优势。PLC0控制站安装在管理的大屏幕马塞克模拟显示屏内，通过以太网采集各设备的状态信号并用RS232的通讯方式与马赛克屏通讯，将生产的整个流程以及设备状态显示出来。
PLC1安装在变配电所，负责控制格栅井、污水提升泵、沉砂池、1号CASS池、2号CASS池、3号CASS池、鼓风机房、储泥池及流量井流量检测、接触池的部分检测控制、配电室的部分电力参数监测。
PLC2安装于加药间。用于控制加药间的电磁阀、搅拌器、隔膜泵在内的全套加设备。
管理的两台监控计算机采用DELL公司的OptiPlex系列台式机。OptiPlex系列台式机定位于初级服务器应用，在的前提下其专门设计的钢丝屏蔽层结构以及散热系统保证了系统的高性和稳定性。所采用的软件是基于微软的bbbbbbs 2000平台的，商用机对操作系统的兼容性比工控机略好。
该厂整个控制的系统信息交换层和控制层两层合一。采用的工业以太网，具有高速的特点。工业以太网是以传统以太网为基础，针对工业控制的要求，改良后的一种信息及控制网，具有一网到底和降低网络造价的特点。
3 自控系统功能
3．1 软件
软件采用开物2000软件，开物2000为北京华富慧通开发的一款通用软件，该软件对OPC通讯方式支持较好。 OPC（OLE for ProcessContro1）是基于COM（Component bbbbbb Mode1）和 DCOM（Distributed Component bbbbbb Mode1）技术的面向对象软件协议。OPC为现场设备、自动控制应用软件和企业管理应用软件之间提供了开放、一致的接口规范，为来自不同供应商的软、硬件提供“即插即用”的连接。
本系统的软件和DCS硬件之间的通讯协议采用OPC方式，ROCKWELL的RSLINX软件为OPC SEVER端而软件作为OPC CLIENT读取数据，采用该方式通讯避免了软件对DCS系统驱动程序支持不完善的情况发生。
3．2 控制方式X
为便于操作调试和事故的紧急处理，系统控制方式分为三种：
（1）就地手动方式。即通过就地控制箱或MCC上的按扭、开关操纵设备。
（2）遥控方式。通过管理的两台计算机在手动模式下控制设备。
（3）自动方式。系统根据工况自动完成设备的启停、调节控制。
遥控和就地控制方式的切换由MCC柜或就地控制箱完成；自动方式和遥控方式的切换由两台监控计算机完成。
3．3 监控功能
两台计算机分别作为操作站和工程师站相互备用，设置于管理，对全厂工艺设备运行状况、运行参数进行集中监控，遥控现场设备。监控计算机通过集成的1000M网卡与PLC系统经工业以太网进行数据交换。
主要功能：
（1）工艺流程监控功能。系统能按工艺要求对污水处理的各环节参数及设备状态进行监视，同时根据工艺要求选择自动、顺序、定时等控制方式。
（2）报警及报警记录功能。当设备发生事故时，系统将在计算机、马赛克大屏幕、就地控制箱上进行报警指示。同时计算机将对所发生的报警内容、时间及确认时间进行记录。在计算机上还可进行语音报警。
（3）联锁保护功能。当系统检测到局部故障后启动相应的联锁保护程序。
（4）参数设定功能。可在管理的任何一台监控计算机或现场控制站的人机界面上进行报警上下限、调节参数、运行时间等参数的设定。
（5）数据记录存储功能。系统可对重要数据如工艺参数、工况、设备运行时间等进行记录储存，以备调用。
（6）操作记录功能。系统自动保存重要操作记录，如改动参数，操作设备的操作员代号、时间、内容等。
（7）实时数据曲线和历史数据曲线。对重要工艺参数可以进行实时曲线显示，并记录历史数据曲线。
（8）多级口令保护功能。在管理的任何一台监控计算机上可设定不同操作权限，只有相应操作权限的操作员，在输入正确的口令后才可访问该级画面。
（9）打印功能。可进行报表打印、曲线打印、图形打印。
4 工程效果
该工程于2003年5月份开始实施，2004年4月份设备移交厂方运行，其DCS系统运行稳定无损坏情况。系统投入使用后，操作人员在管理就能够了解整个工厂的运行情，DCS系统对泵及滗水器等主要设备能够根据预先设定好的参数进行自动控制。整个系统只需管理操作人员就能够保证系统的正常运行，大大降低了值班员的劳动强度。该系统的投运解决了以往污水处理厂自动化程度低，所有设备均需手动操作，值班人员劳动强度大、操作易出错，出水水质不稳定、生产过程无法集中监控的问题。该厂作为三峡库区批兴建的污水处理厂，对三峡库区水质的保护起到了积的作用。各级多次对该厂进行视察和工作指导，对该厂的生产以及工艺水平给予了良好的评价，了很好的社会效益和经济效益。
5 结语
PLC作为成熟的控制器其编程语言及系统结构具有统一性，便于控制系统的调试及维护。虽然PLC控制算法相对单一，但是却很好的满足了污水生产工艺的要求，在避免功能浪费的同时降低了系统造价。采用工业以太网技术，保了通讯网络良好的兼容性和稳定性，同时实现了通讯的高速化。以PLC为基础采用工业以太网搭建的DCS控制系统，在污水处理厂的自动化控制中具有成熟，既满足生产工艺要求，同时也降低了工程造价，具有很好的应用前景。
参考文献：