商丘西门子S7-300代理商

1 引言
在工业生产中，常需要用闭环控制方式来实现温度、压力、liuliang等连续变化的模拟量控制。无论使用模拟控制器的模拟控制系统，还是使用计算机(包括PLC)的数字控制系统，PID控制都得到了广泛的应用。
PID控制器是比例－积分－微分控制的简称，具有
(1) 不需要jingque的控制系统数学模型;
(2) 有较强的灵活性和适应性;
(3) 结构典型、程序设计简单，工程上易于实现，参数调整方便等优点。积分控制可以消除系统的静差，微分控制可以改善系统的动态相应速度，比例、积分、微分三者有效地结合可以满足不同的控制要求。

2 PLC实现PID的控制方式
2.1 PID过程控制模块
这种模块的PID控制程序是PLC生产厂家设计的，并存放在模块中，用户使用时序要设置一些参数，使用起来非常方便，一个模块可以控制几路甚至几十路闭环回路。
2.2 PID功能指令
现在很多PLC都有供PID控制用的功能指令，如S7-200的PID指令。它们实际上是用于PID控制的子程序，与模拟量输入/输出模块一起使用，可以得到类似于使用PID过程控制模块的效果。
2.3 用自编的程序实现PID闭环控制
有的PLC没有PID过程控制模块和PID控制用的功能指令，有时虽然可以使用PID控制指令，但是希望采用某种改进的PID控制算法。在上述情况下都需要用户自己编制PID控制程序。

3 PLC-PID控制器的实现
本文以西门子S7-200PLC为例，说明PID控制的原理及PLC的PID功能指令的使用及控制功能的实现。
3.1 PID控制器的数字化
PLC的PID控制器的设计是以连续系统的PID控制规律为基础，将其数字化写成离散形式的PID控制方程，再跟据离散方程进行控制程序设计。
在连续系统中，典型的PID闭环控制系统如图1所示。图1中sp(t)是给定值，pv(t)是反馈量，c(t)是系统的输出量，PID控制的输入输出关系式为:

式中:
M(t)—控制器的输出量，M0为输出的初始值;
e(t)=sp(t)-pv(t)－误差信号;
KC比例系数;
TI－积分时间常数;
TD－微分时间常数。

图1 连续闭环控制系统方框图

式(1)的右边前3项分别是比例、积分、微分部分，它们分别与误差，误差的积分和微分成正比。如果取其中的一项或两项，可以组成P、PD或PI控制器。
假设采样周期为TS，系统开始运行的时刻为t＝0，用矩形积分来近似jingque积分，用差分近似jingque微分，将公式1离散化，第n次采样时控制器的输出为:  (2)

式中:
en-1－第n-1次采样时的误差值;
KI－积分系数;
KD－微分系数。
基于PLC的闭环控制系统如图2所示。图中的虚线部分在PLC内。其中spn、pvn、en、Mn分别为模拟量在sp(t)、pv(t)、e(t)、M(t)在第n次采样时的数字量。

图2 PLC闭环控制系统方框图

在许多控制系统内，可能只需要P、I、D中的一种或两种控制类型。如可能只要求比例控制或比例与积分控制，通过设置参数可对回路进行控制类型进行选择。
3.2 输入输出变量的转换
PID控制有两个输入量:给定值(sp)和过程变量(pv)。多数工艺要求给定值是固定的值，如加热炉温度的给定值。过程变量是经A/D转换和计算后得到的被控量的实测值，如加热炉温度的测量值。给定值与过程变量都是与被控对象有关的值，对于不同的系统，它们的大小、范围与工程单位有很大的区别。应用PLC的PID指令对这些量进行运算之前，必须将其转换成标准化的浮点数(实数)。
同样，对于PID指令的输出，在将其送给D/A转化器之前，也需进行转换。

3.3 回路输入的转换
转换的步是将给定值或A/D转换后得到的整数值由16位整数转换成浮点数，可用下面的程序实现这种转换:
XORD AC0, ACO
//清除累加器
MOVW AIWO, AC0
//将待转化的模拟量存入累加器
LDW＞＝ AC0, 0
//如果模拟量数值为正
JMP 0
//直接转换成实数
ORD 16#FFFF0000, ACO
//将AC0内的数值进行符号扩展，扩展为32位负数
LBL 0
DTR AC0, AC0
//将32位整数转换成实数
转换的下一步是将实数进一步转换成0.0~1.0之间的标准化实数，可用下面的式(3)对给定值及过程变量进行标准化:
RNorm=(RRaw/Span)+Offset (3)
式中:
RNorm－标准化实数值;
RRaw－标准化前的值;
Offset－偏移量，对单极性变量为0.0，对双极性变量为0.5;
Span－取值范围，等于变量的大值减去小值，单极性变量的典型值为32000，双极性变量的典型值为64000。
下面的程序将上述转换后得到的AC0中的双极性实数(其Span=64000)转换成0.0~1.0之间的实数:
/R 64000.0， AC0
//累加器中的实数标准化
＋R 0.5， AC0
//加上偏移值，使其在0.0~1.0之间
MOVR ACO， VD100
//加标准化后的值存入回路表内
3.4 回路输出的转换
回路输出即PID控制器输出，它是标准化的0.0~1.0之间的实数。将回路输出送给D/A转换器之前，必须转换成16位二进制整数。这一过程是将pv与sp转换成标准化数值的逆过程。用下面的公式将回路输出转换成实数:
RScal=(Mn－Offset)×Span (4)
式中，RScal是回路输出对应的实数值，Mn是回路输出标准化的实数值。
下面的程序用来将回路输出转换为对应的实数:
MOVR VD108, AC0
//将回路输出送入累加器
-R 0.5, AC0
//仅双极性数才有此语句
*R 64000.0, AC0
//单极性变量乘以32000.0
用下面的指令将代表回路输出的实数转换成16位整数:
ROUND AC0, AC0
//将实数转换为32位整数
MOVW AC0, AQW0
//将16位整数写入模拟输出(D/A)寄存器
3.5 PID指令及回路表
S7-200的PID指令如图3所示:

图3 PID指令

指令中TBL是回路表的起始地址，LOOP是回路的编号。编译时如果指令指定的回路表起始地址或回路号超出范围，CPU将生成编译错误(范围错误)仪器编译失败。PID指令对回路表中的某些输入值不进行范围检查，应保证过程变量、给定值等不超限。回路表参见附表。

附表 PID指令的回路表

如果PID指令中的算术运算发生错误，特殊存储器SMI.1(溢出或非法数值)被置1，并将终止PID指令的执行。要想消除错误，在下次执行PID运算之前，应改变引起运算错误的输入值，而不是更新输出值。

4 PID指令编程举例
某一水箱里的水以变化速度流出，一台变频器驱动的水泵给水箱打水，以保持水箱的水位维持在满水位的75％。过程变量由浮在水面上的水位测量仪提供，PID控制器的输出值作为变频器的速度给定值。过程变量与回路输出均为单极性模拟量，取值范围为0.0~1.0。
本例采用PI控制器，给定值为0.75，选取控制器参数的初始值为:KC＝0.25，TS＝0.1s，TI＝30min。编程如下:
//主程序(OBI)
LD SM0.1 //扫描时
CALL 0 //调用初始化子程序
//子程序
LD SM0.0
MOVR 0.75, VD104 //装入给定值75％
MOVR 0.25, VD112 //装入回路增益0.25
MOVR 0.10, VD116 //装入采样时间0.1s
MOVR 30.0 VD120 //装入积分时间30min
MOVR 0.0, VD124 //关闭微分作用
MOVB 100, SMB34
//设置定时中断0的时间间隔为100ms
ATCH 0, 10
//设定定时中断以执行PID指令
ENI
//允许中断，子程序0结束
//中断程序0
LD SM0.0
LTD AIW0, AC0
//单极性模拟量经A/D转换后存入累加器
DTR AC0, AC0
//32位整数转换为实数
/R 32000.0, AC0
//标准化累加器中的实数
MOVR AC0, VD100 //存入回路表
LD 10.0
//在自动方式下，执行PID指令
PID VB100, 0
//回路表的起始地址为VB100，回路号为0
LD SM0.0
MOVB VD108, AC0
//PID控制器的输出值送入累加器
*R 32000.0 AC0
//将累加器中的数值标准化
ROUND AC0, AC0
//实数转换为32位整数
DTI AC0, AQW0
//将16位整数写入到模拟量输出(D/A)寄存器

5 结束语
PLC实现PID控制的方法多种，直接应用PID指令来实现基于PLC的PID控制，是一种易于实现且经济实用的方法

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tigao，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tigao。市政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，市政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指定地点集中处理。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。首先是市政工人的劳动强度大，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，污泥水更是臭气熏天，而且大量污水无处可倒，集中排放又而造成污染;再次是tigao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，基本使用专用车辆，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tigao城市排水管道清淤工作的机械化程度，tigao工作效率和运输效率，我公司开发了这种集检查井取泥、泥水分离为一体的市政工程专用设备，并安装在特种车辆上，填补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。
设备的阀门控制示意如图1所示。

图1 设备的阀门控制示意图

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高端，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。

附表 液、气、电阀动作表

(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高限位时，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，再进行第二次排压污水。
(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tigao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，在短时间内就能消除负压;
(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。程序框图见图2、图3所示。所编制的程序因篇幅太长特省略。

图2 程序框图之一

图3 程序框图之二

5 难点与创新
5.1 难点
原来控制液位采用超声波传感器，现场调试发现超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，zuoxuan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xudianchi，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可靠，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 创新
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先进水平。
(1) 将排水管道检查井取泥、泥水快速分离有机地组合在一起，形成体积较小、效率较高的排水管道清淤流动工作站，完全适应了城市排水管道清淤面广量大的特点，，必将受到市政排水部门的欢迎。
(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、高效分离，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，高效、安全。
(4) 集液控、气控、电控为一体，机电液气有机组合，具有一定的技术难度，已获得国家实用新型专利和国家发明专利。

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、数字控制相媲美，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市政部门具有广阔的发展前景，为减轻工人劳动强度，tigao工作效率提供了价廉物美的产品，而PLC技术在市政机械上的成功应用，使其具有了自动化程度高，工作性能可靠等特点，完全可以用来替代国外同类产品，为进一步tisheng国内市政机械的档次奠定了基础。