6ES7232-0HD22-0XA0库存充足

 1 引言

    废水生物处理技术中的批式活性污泥法又称SBR法，是一种简快速且低耗的污水处理工艺，具有工艺简单、效率高、脱氢除磷效果好，防止污泥膨胀性能强，耐冲击负荷和处理能力强等优点，非常适用于水质变化大的中小城镇的生活污水处理，以及易生物降解的工业废水处理。

    目前由于化学需氧量COD浓度在线检测仪器的出现，将COD浓度作为重要的工艺参数，系统通过在线检测COD的浓度值来调节曝气量，以保证出水质量，节省运行费用。

    2 SBR法污水处理过程分析

    图1所示为活性污泥处理流程示意图。SBR废水处理法初次沉淀池、曝气池、二次沉淀池、污泥回流和剩余污泥排放几个系统组成。初次沉淀池用以去除污水中原生悬浮物，悬浮物少时可不设置。污水和回流的活性污泥一起进入曝气池形成混合液，通过罗茨风机充入空气，使混合液得到足够的搅拌而呈悬浮状态，然后流入沉淀池。混合液中的悬浮固体在沉淀池中沉淀下来和水分离，流出沉淀池的净化水。沉淀池中的污泥大部分回流，成为回流污泥。

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    传统的控制方法是时间程序控制，即按照规定的时间和顺序进行：

    ·充水（打开进水电动阀）：7h

    ·曝气（开启罗茨风机）：1.75h

    ·搅拌（接通搅拌电机）：1.25h

    ·沉淀：1.5h

    ·排水（打开电磁阀）：0.5h

    从充水开始到排水结束为一个周期。在一个周期内，通过曝气、停气使充氧/缺氧状态相互交替进行。在分解污水中含碳化合物（以COD为代表）的同时，相继进行含氮化合物的硝化和反硝化，终达到脱碳、脱氨和脱氮的目的。

    一般情况下，采用每天执行两周期（12h/周期），但是，工业污水中有机物的浓度往往是随时间变化的，如果按固定的反应时间控制SBR法污水处理系统的运行，则既浪费能源又容易发生污泥膨胀。如时间设置不合适，还将影响处理效果。

    3 曝气量的变频调速控制设计

    化学需氧量COD是一个重要的工艺参数，如控制系统在污水处理过程中，在线检测COD的值来调节曝气量，使整个反应过程的化学需氧量COD处于适当的范围，这样既能保证出水质量，又能节省运行费用。

 图2为一种西门子变频器与PLC相结合实现PID调节的变频调速的风机控制系统，其中EM235为PLC模拟量I/O扩展模块。其工作过程是：系统在线检测的COD值，送入PLC模块后，进行PID的运算，其模拟量输出作为变频器的输入，控制变频调速，来达到调整风机转速，从而实现曝气量的调节控制。

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    图3给出了本例实现PID控制的流程图。

    4 变频调速的节电分析

    由图1可知，调节曝气量的大小，可采用调节风门控制风量和调节风机转速控制风量两种方法。此两种方法相比，后者有着明显的节电效果，其原理图如图4所示。

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    图中，曲线1为风机在恒速下的风压-风量（H-Q）特性曲线;曲线2为恒速下的功率一风量（Ps一Q）特性曲线;曲线3为管网风阻特性（风门全开）。

    设风机在设计时工作在A点，效率高，此时输出风量Q为，轴功率为Ps1，与Ql、H1的乘积成正比，即Ps1与AH1OQ1所包围的面积成正比。

    当需要调节风量时，例如，所需风量从减少到额定风量的50%，即从Q1减少到Q2时，如采用调节风门的方法来调节风量，使管网阻力曲线由曲线3变为曲线4。就是说，减小风门开度增加了管网阻力。此时，系统的工作点由原来的A点移至B点。可以看出，风量虽然降低了，但风压增加了，轴功率Ps2与面积BH2OQ2成正比，它与Ps1相比，减少不多。

    如果采用调节转速来调节风量的方法，风机转速由原来的n1降到n2。根据风机参数的比例定律，可以画出在转速n2下的风压一风量（H—Q）特性曲线5，风机工作在C点。可见，在满足同样风量Q2的情况下，风压将大幅度降低到H3，轴功率Ps2（与面积CH3OQ2成正比）也明显降低。所节约的功率与面积AH1OQ1和CH3OQ2之差成正比。由此可见，用调速的方法来减少风量的经济效益是十分显著的。

    由流体力学可知，风量Q与转速n的一次方成正比，风压H与转速n的平方成正比，轴功率Ps与转速n的三次方成正比。即：

    Q∝nH∝n2Ps∝n3

    当所需风量减少，风机转速降低时，其功率按转速的三次方下降。如所需风量为额定风量的80%，则转速也下降为额定转速的80%，而轴功率下降为额定功率的51.2%;当所需风量为额定风量的50%时，轴功率可以下降为额定功率的12.5%。当然，转速降低时，效率也会有所降低，同时还应考虑控制装置的附加损耗等影响。即使如此，这种方法的节电效果也是非常可观的。另一方面，使用通用变频器来改变转速后，当风机转速下调10%时，则风机输出功率下降到额定功率的73%;当风机转速下调20%时，则风机输出功率下降到额定功率的51%。可见应用变频器技术调速又比普通调速来控制曝气量的大小其节电效果更加显著。

    5 结束语

    本例采用变频调速技术与PLC相结合进行曝气量的调节控制，既保留了PLC控制系统可靠、灵活、适应能力强等特点，又提高了控制系统的智能化程度。

    本文作者的创新点在于，利用了变频器与PLC相结合，对风机的曝气量实现了jingque的PID调节控制。这种控制方法不仅提高了污水处理系统的可靠性、节约了能源，而且对于进一步实现各种活性污泥法的实时控制提供了一较为理想的控制方案

　　以往化纤生产设备来说，现在的设计思想中越来越多的引入了“柔性生产”这一概念，柔性生产线具有配置简单，自动化程度高，可程序化和重新配置的优点，而被广大用户所采用。

　　在化纤柔性生产线中，挤出机是整个设备的重要部分，而后续各卷绕部分的速度同步才是整个系统的关键。系统中多电机速度同步精度的高低，直接影响着化纤丝成品的质量。

　　在以前的此类生产线中，大多数采用在各辊上安装现场操作箱，根据实际情况人为调整速度的方法进行控制。这种方案存在如下缺点：（1）不便于数据的集中管理；（2）需要根据各个速度，手工计算牵伸比；（3）实际速度不满足要求，需要再循环跑到各个区域去调节，操作非常麻烦；（4）废品率偏高。

　　针对上述问题，此次设计中，在理念上采用集中控制与分散控制相结合的方式，将触摸屏与PLC作为控制的核心。触摸屏设置配方数据，PLC直接计算牵伸比，通讯控制变频器速度。集中的操控人机界面，并在各辊上安装现场操作箱，既能在触摸屏上进行所有的控制，又能在现场进行整个系统的操作。

　　通讯的应用是现代工业发展的一大主题，用通讯方式设计的系统结构简单，运行可靠，能有效的避免硬件故障带来的整个系统的损失。

2系统简介

工艺流程如图1所示。

图1 化纤柔性生产线流程图

　　化纤柔性生产线是化纤丝生产中的一种重要的生产线，它的结构包括挤出机，计量泵，分丝盘，水箱，牵伸辊机（包括加热和不加热），导轮，冷却箱，力矩辊机和收丝机。在加工时，将化纤颗粒放入挤出机漏斗，经过挤出机加热挤出并在分丝盘将化纤溶体分成几百束的初级化纤丝后经水冷却，然后将化纤丝几十根为一把经过导轮缠绕在各牵伸辊机上逐级拉伸后变成很细的化纤丝成品卷绕在收线盘上。从初的化纤丝到成品之间化纤丝的初细就靠各辊机运行速度的逐渐加快来确定，具体的快慢由牵伸比设定，不同的产品牵伸比不同。

　　本系统在设计时充分考虑了操作的简易性，只需要设定其中的主速度，通过牵伸比就可以把各级的速度分别计算出来，在调节速度时，各级的牵伸比也会自动计算出来，并进行自动保存。

　　现场操作时，在各级上有一现场操作箱，可以进行速度同升同降，单独启动、停止，联动启动、停止和紧急停止功能，另外在4热七辊机和8热五辊机的两个操作箱上还装有两个线速表，用以显示当前的线速度，便于现场调节。集中监控时，将控制柜上的选择开关拨到触摸屏端，即可用触摸屏进行启停操作，但不管集中控制还分散控制，都可在触摸屏上设定数据和显示当前频率和电流。

3硬件设计

　　本系统主要由触摸屏、PLC、变频器、测速编码器以及其它一些辅助元器件组成。整个系统通过通讯进行数据传输，结构简单，操作方便，运行可靠。PLC采用艾默生公司的EC20-3232BRA主控制模块，外带一个16点的EC20-1600ENN输入扩展模块。

　　EC20 PLC是艾默生小型PLC的高端产品，它具有高可靠性、高响应性，强劲的通讯功能，丰富的指令集等，其中程序容量可达到12K步，而基本指令时间才0.09μs。它的板件经过了严格的三防处理，工作电压AC85~280V，具有卓越的抗干扰性，是系统稳定运行的可靠保证。重要的是它自带了一个RS485/RS232的通讯接口，有丰富的通讯指令，使得和外部设备通讯变得更为简洁方便。

　　由于各牵伸辊机对速度要求非常高，所以各牵伸辊机的变频器均采用艾默生TD3000系列，一共使用了7台TD3000变频器，并且3五辊机、4热七辊机、6热七辊机、8热五辊机、9热七辊机和11七辊机都增加测速编码器以保证设备对速度精度的要求。12收线机由于设备对速度要求不是那么严格，所以采用了不带测速编码器的TD3000变频器。

　　TD3000变频器是艾默生公司高性能的矢量控制型变频器，可以加测速编码器组成速度闭环控制，能实现转矩的快速响应和准确控制，能以很高的控制精度进行宽范围的调速运行。具有自动调谐、零伺服控制、速度控制和转矩控制在线切换、编码器断线检测、能进行参数考贝等多种功能，并有RS485自由通讯接口，完全可以满足系统的要求。计量泵采用的是两台艾默生EV1000通用型变频器。

　　监控人机界面采用10.4寸触摸屏，进行数据显示和设定，直观可靠。

在整个系统中，PLC是控制中心，它可以独立完成整个控制过程，在触摸屏发生故障时，仍然可以通过现场操作箱进行控制而不影响整个系统的运行。

系统主控制部分如图2所示

图2 电气主控制原理图

系统PLC控制部分如图3所示。

图3 PLC电气原理图

4软件编程

　　本系统用触摸屏作为人机交互界面，编程简单，性能稳定。触摸屏主要操控画面如图4、图5所示。

图4 触摸屏主显示画面

图5 参数设定画面

　　“触摸屏主显示画面”是操作员经常需要查看的画面，主要用于显示计量泵1、2和各牵伸辊机的运行频率和电流以及它们当前的运行状态，同时还显示主令速度和收线的长度。它是只监测当前的运行情况，并不能进行设定。在画面上部设置了各个命令按钮，点击它们查询相应的状态或进行相应的操作。在上面点击“牵伸比”可以进入如图4画面，它是用户调试时的主要操作画面，调机时，用户先设定各牵伸辊机的线速度，然后点击“确认”计算出各级牵伸比和主牵伸比，确定好牵伸比后，只需调节主令速度，就可以根据牵伸比自动设定各辊机的运行速度，达到速度同升同降的目的。同时在操作箱上拨动“速度升/降”开关也可以起到同升同降的目的。“大限速”主要是为了防止操作不当而作的一个保护措施。PLC作为触摸屏的下位机，承担了数据的传送和处理工作，它和变频器之间通过通讯进行数据读取和设定，其网络组成如图6所示。

图6 PLC和变频器通讯网络通讯组成图

　　在构成此网络时，由于EV1000和TD3000变频器的通讯协议不一致，所以只能采取自由通讯协议进行通讯。EC20 PLC作为控制主站，在系统中具有的控制权，它主动给变频器发送指令，主动接收变频器的反馈数据。在这里，我们将EC20自带的COM1口作为RS485通讯口和变频器通讯，COM0口用于和触摸屏通讯，设置为MODBUS协议，下面就将艾默生PLC和变频器之间的通讯作简单介绍。

　　设备之间的通讯不但要有相应的硬件接口，如USB，RS232接口，RS485接口，以太网口等，还需要有相应软件支持，也就是通讯协议，本系统使用RS485接口和自由口通讯协议。RS485通讯可以理论上可以连接128台设备，通讯距离可以达到1200米，而且抗干扰性强，是目前工控中普遍采用的通讯方式。

　　下面是通讯程序的设计：在写程序之前我们必须设定串口参数，比如波特率，数据位，启始位，停止位以及奇偶校验，这里设定波特率=9600 ，数据位=8 ，启始位不用设，停止位=1，奇偶校验=不校验。具体参数设置如图7所示。

图7 艾默生PLC通讯参数设置

　　设定了这些参数以后，我们就可以编写通讯程序了，此程序比较长，我这里就不作详细解说，仅列举TD3000变频器频率设定和电流读取子程序供大家参考，具体数据读写请参考艾默生EV1000和TD3000自由口通讯协议。

入口参数：addr , freq_set

出口参数：end , freq

//设定频率，读取电流,使用长帧读取功能参数FF.05

//初始化短帧，帧头为02

LD SM0

MOV 16#2 V3

MOV #addr V4

MOV 16#1F V5

MOV 16#5 V6

MOV 16#0 V7

MOV 16#0 V8

MOV 16#44 V9

MOV 16#7F V10

MOV #freq_set K4M1980

MOV K2M1988 V11

MOV K2M1980 V12

MOV 0 Z0

MOV 0 V13

//异或校验

LD SM0

FOR 9

LD SM0

WXOR V13 V4Z0 V13

LD SM0

INC Z0

NEXT

//发送和接收

LD SM0

MPS

ANI SM122

XMT 1 V3 11

RCV 1 D7000 11

MRD

AND SM123

MOV D7004 K2M1988

MOV D7005 K2M1980

MOV K4M1980 #freq

MPP

AND SM123

SET #end

//发送完后，将完成标志位END置ON

　　此段程序为TD3000变频器设定频率和读电流的子程序，EV1000的通信程序可以根据它的通信协议进行设计。下面介绍变频器的参数设定，由于总共有九台变频器需要通信，所以我们将变频器的地址分别设为10到18，具体通讯参数TD3000在F9组里面进行设定，EV1000在FF组里进行设定，除了设定通讯参数外，还有编码器，摸拟量设置等参数，设定如下：

TD3000变频器 通讯参数 F9.00 3 F9.01 0 F9.02 12-18

编码器参数 Fb.00 1024

启停参数 F0.02 1 F0.03 6 F0.05 1

模拟量参数 F6.08 0 F6.11 7.8

EV1000变频器 通讯参数 FF.00 0005 FF.01 10-11

启停参数 F0.00 2 F0.03 1

此程序中，除了需要给变频器设定频率外，我们还要读取变频器的当前电流和故障状态，以反应当前设备的运行状况，另外还有参数计算，系统启停，故障报警等程序，这里不一一赘述。

5结束语

　　此化纤柔性生产线自运行以来，达到如下效果：

（1）的同步速度精度，使产品废品率明显降低。

（2）完善的集中控制，大幅降低工人的劳动强度。

（3）设备速度从以前设备的100米/分钟，提高到150米/分钟，效率提升了50%。

（4）生产过程的参数完整记录，为质量追溯提供了依据。

以上效果等到了用户的高度评价。

　　从本次的实际应用来看，艾默生公司高性能矢量变频器TD3000较高的速度精度与EC20系列PLC的强大的通信能力，完全可以为化纤行业提供高稳定性、高可靠性、高度自动化和高效率的系统性解决方案。

　　通讯越来越多地走进了现代控制领域，它直接引领着传统工控设计理念的变革。大到成千上万点的监控系控，小到单台设备，无处不见通讯的身影，它以快捷的硬件组态和高效率的运行获得了很多工控专家的支持。艾默生EC系列小型PLC增加了一个通讯接口和很多强劲实用的通讯功能，是当前小型PLC的发展方向。