西门子模块6ES7223-1HF22-0XA8详细解读

引言：

　　随着我国的社会和经济的高速发展，环境问题日益突出，尤其是城市水环境的恶化，加剧了水资源的短缺，严重影响着人民群众的身心健康，这些情况已经成为城市可持续发展的严重制约因素；我国现阶段很多大中型城市的废水排放量大，已造成城市地表水的严重污染；三峡库区水环境保护事关三峡工程长期安全运行和长江中下游地区经济社会的可持续发展，因此受到国内外广泛关注，但目前各城市仍然是直接排放污水或因水处理自控系统不完善没处理好就把污水排放了，很多操作和检测监控过程仍停留在人工阶段，监控时间覆盖率低，手工采集样品缺乏科学性和代表性，难以反映企业和城市污水处理及排放连续变化的情况。大范围的建立污水处理系统及在线自动控制监控体系，势在必行。

系统简介：

　　重庆巫山污水处理厂位于巫山县城边缘，厂区紧邻长江流域，处于三峡库区腹地，该污水处理厂采用的是改良型Orbal氧化沟工艺，日处理污水量3万吨，厂区主体构筑物有：综合楼、配电房、进水提升泵房、粗细格栅井及旋流沉砂装置、Orbal氧化沟、终沉池、污泥回流剩余泵井、脱水机房等；整个厂区设备及阀门均采用MCC和PLC两种控制方式，正常情况下可以实现仪表、PLC的完全自动检测控制及运行状况监控；下位机采用施耐德电气的Premium 系列PLC，上位机采用北京华富Control2000监控软件。该厂自动控制系统于2006年7月11日全面完成调试，目前系统运行正常。

污水处理系统详述：

一、Orbal氧化沟工艺介绍如（图一）

图一　Orbal氧化沟工艺简图

　　Orbal氧化沟水处理工艺起源于南非，后经不断改进和推广，在全球范围得到广泛应用。城市污水由管道集中后，水流首先经过粗格栅，将粗的垃圾去除，然后由提升泵将污水提高水头（后面工艺要求有高水头），再经过细格栅及旋流沉砂池，进一步去除小的垃圾和泥砂，污水进入水处理主体结构——氧化沟，污水在“O”型的氧化沟中经过曝气机调节曝气，使得污水得到缺氧、氧化、硝化、反硝化等反应，在该过程中完成BOD（生物耗氧量）、COD（化学耗氧量）的去除及污水脱氮的功能，并为下一步水的沉淀作好准备，经过氧化沟处理的水流入终沉池，加入Fe3+、或Al3+ 使得水中的（PO4）3- 得以沉淀，充分沉淀后，清水后经二氧化氯消毒后排入长江。沉淀的污泥经脱水机滤干后焚烧处理。

二、厂区主要设备控制要求

1、粗细格栅机及其附属输送压榨设备的控制

定时控制：根据外来污水状况和运行经验，通过设定相关定时参数，自动控制格栅机的启动时间和停止时间。
液位差控制：在格栅机的前后均设置一台超声波液位传感器，检测出格栅机的前后液位差。设定低液位差LDF2和高液位差LDF1，当检测到的液位差大于LDF1时，启动格栅机；当检测到的液位差低于LDF2时，停止格栅机（减少了运行时间，有效的节约成本）。控制过程如（图二）

图二

格栅附属设备的联动：皮带输送机和压榨机作为格栅机的附属输送压榨设备，它们在定时或自动运行模式下，一般与格栅机联动。附属设备适当的提前或延时运行。

图三　提升泵控制原理图

图四

2、 提升泵的自动控制

控制描述如（图三、四）：
(1) P1—变频器，BU1—软启动器，PT—超声波液位计，ZJ1、ZJ2—用于控制系统的MCC/PLC转换。
(2) 由图可见，变频器连接在台水泵电机上，需要加泵时，变频器停止运行，并由变频器的输出端口RO1～RO3输出信号到PLC，由PLC控制切换过程。
(3) PLC根据泵池液位高中低信号自动调节三台泵的启停；泵池水位到预设的低水位时启动1#泵，水位上升到预设的中水位时，1#泵由变频运行转换到工频运行，这时再变频启动2#泵，依次启动到3#泵。
(4) 切换开始时，变频器停止输出(变频器设置为自由停车)，利用水泵的惯性将台水泵切换到工频运行，变频器连接到第二台水泵上起动并运行，照此，将第二台水泵切换到工频运行，变频器连接到第三台水泵上起动并运行。
(5) 水位下降需要减泵时，系统将第三台水泵停止，第二台水泵切换到变频调节状态。水位继续下降，系统将第二台水泵停止，台水泵切换到变频调节状态。
(6) 另外，设置软启动器作为备用。当变频器或PLC故障时，可用软起动器现场手动轮流起动各泵运行以保证供水。作为多台提升泵的自动控制，满足先启先停的原则，以优化资源的利用率；为了提升泵的安全，系统设置了提升泵的干运转保护；同时，系统还设置了泵的频繁启停保护，群启动保护等，以延长其使用寿命。

3、曝气系统的自动控制

　　生化池作为全厂污水处理的核心，具有举足轻重的作用。污水经过预处理后，在这里通过微生物吸附污水中的有机物，达到脱磷脱氮的目的。对生化池的自动控制，主要是溶解氧浓度的控制。

　　曝气量自动控制系统作为一个恒值控制系统，系统给定一个保持不变的佳溶解氧值，通过PLC控制调节输出量（即曝气机开启台数），使被控量（实测氧化沟溶解氧浓度）不断地接近给定值。在这个系统中，要求稳定性和动态特性良好，被控量向给定值过渡的时间短，同时过程平稳，振荡幅度小。

　　曝气供氧系统是由鼓风机、电动调节阀和溶解氧仪共同组成的闭环系统，为反应池好氧段提供氧气，并维持好氧过程的溶解氧浓度值。依照好氧过程的溶解氧浓度值控制鼓风机的开启程度，维持溶解氧浓度值在一定的范围内变动。控制流程如（图五）。

三、控制模式

手动模式：手动模式又可以分为盘柜模式和就地模式。盘柜模式就是通过MCC上的按钮实现对设备的操作；就地模式就是通过现场控制箱上的按钮实现对设备的操作。
遥控模式：就是通过中心控制室上位操作站实现对设备的操作。
自动模式：设备的运行完全由各PLC根据污水厂的工况及工艺参数来完成对设备的启停控制，而不需要人工干予。

四、系统构成如（图六）

　　通过前面的描述，设备的控制还是比较复杂的，为达到以上的设备自动控制要求，该工程基本构成如下：
　　下位机：选用了施耐德 Premium PLC来做系统
　　上位机：选用了北京华富Control2000软件
　　中间协议：采用Simatic TOP Server，衔接上、下位机，进行数据交换

　　整个厂区共有3个PLC站，硬件采用施耐德电气Premium PLC，分别用光纤及光纤交换机，采用星型连接方式构成以太网络连接至中控室，在PLC2站，现场电力仪表采用Modbus通讯方式实现数据的采集；软件采用施耐德的PL7Pro，根据控制要求开发程序，完全可以实现前面描述的控制要求。三个站分别处于进水泵房、配电房、脱水机房，基本配置如下：

PLC1站	施耐德电气Premium PLC
电源模块	TSX PSY2600M	1	块
CPU模块	TSX P57 2623M	1	块
扩展存储卡	TSX MFP128P Flash EPROM 128K	1	块
模拟量输入模块	TSX AEY 800	2	块
模拟量输出模块	TSX ASY 410	1	块
开关量输入模块	TSX DEY 32D2K	2	块
开关量输出模块	TSX DSY 16T2	2	块
PLC机架	TSX RKY 8EX	1	个
PLC2站	施耐德电气Premium PLC
电源模块	TSX PSY2600M	1	块
CPU模块	TSX P57 2623M	1	块
扩展存储卡	TSX MFP128P Flash EPROM 128K	1	块
模拟量输入模块	TSX AEY 800	3	块
开关量输入模块	TSX DEY 32D2K	3	块
开关量输出模块	TSX DSY 16T2	2	块
PLC机架	TSX RKY 8EX	1	个
PLC3站	施耐德电气Premium PLC
电源模块	TSX PSY2600M	1	块
CPU模块	TSX P57 2623M	1	块
扩展存储卡	TSX MFP128P Flash EPROM 128K	1	块
模拟量输入模块	TSX AEY 800	1	块
模拟量输出模块	TSX ASY 410	1	块
开关量输入模块	TSX DEY 32D2K	2	块
开关量输出模块	TSX DSY 16T2	1	块
PLC机架	TSX RKY 8EX	1	个

　　上位机采用华富Control2000来开发监控画面进行监控：根据工艺绘制流程图，显示所有相关测控仪表的实时值；建立全厂的中心监控系统平台，使操作员能随时监视全厂运行状态，并对设备操作发出控制指令；建立历史数据查询系统和重要数据保存系统，并能对日报表、月报表、年报表进行打印；建立全厂设备的安全报警系统；

图七：厂区工艺流程图

图八：设备控制盘

图九：开发调试阶段报表查询数据示例

　　下位机采用施耐德电气Premium PLC，上位机用北京华富德Control2000，二者之间的标签连接及数据通讯必须有一个统一的协议驱动，本工程采用的是SIMATICA TOP SERVER来实现的，报表查询系统采用VB6.0来开发外挂程序实现报表的实时查询。

五、该工程自控系统的特点

　　1、技术先进：现代化的工厂要求与时俱进，该自动化控制系统无论是从使用的现场总线、通讯网络、可编程控制器、组态软件，还是从自动化控制技术来讲，都具有时代性。
　　2、稳定可靠：选用的自动化产品绝大部分来自国外品牌，建立的自动化控制平台，经过严格的测试，可以保证系统稳定可靠地运行。
　　3、自动化程度高，使用简单：对于全厂的控制中心——中心控制室上位界面，采用全中文的设计界面，立体三维流程图形来表达工艺，便于操作员掌握；同时下位机PLC采用施耐德的PLC，系统稳定性好，自动化程度高，整个系统维护量小。
　　4、开放性：该系统采用的现场总线是国际通用的具有开放协议的现场总线，同时各控制站均留有I/O余量，以便于以后系统的改造和扩展。
　　5、安全性：该系统采用全面的设备保护体系，包括潜水泵的干运转保护、自控平台的防雷保护、进水水质异常保护、报警系统等，以防止因为某些意外或操作员的疏忽而发生事故。

六、应用总结

　　该城市污水处理系统建成后，施耐德电气Premium PLC系统运行稳定，采集数据准确快捷，控制的重要设备运行安全，程序开发好后，其维护量几乎为零，同时个人感觉该PLC现场安装、与其它设备的接口等均方便好用，系统投运后，自动化程度高，工作人员维护量小，出水水质能达到国家规定的标准，该系统的形成投运无疑给长江流域、三峡库区的环保事业作出了贡献，希望在长江流域沿线有更多的采用自动化程度高的污水处理厂。巫山污水处理厂的施耐德电气Premium PLC系统的应用将是一个很好的榜样。

 随着电力电子技术以及工业自动控制技术的发展，使得交流变频调速系统在工业电机拖动领域得到了广泛应用。另外，由于PLC的功能强大、容易使用、高可靠性，常常被用来作为现场数据的采集和设备的控制。本设计就是利用变频器和PLC实现水池水位的控制。

　　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高效连续调速控制、实现速度的jingque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：，可靠性高、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。第二，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。第三，设计安装容易，维护工作量少。第四，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。第五，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。第六，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、可靠；

　　（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ABB ACS800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S7-200 PLC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；

　　 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，只要适当的选用高性能的PLC,完全能够胜任此功能。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，故在调速过程中从高速到低速都可以保持有限的转差功率，因此具有高效率、宽范围、高精度的调速性能。

　　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，完全能满足控制要求。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个独立的30kHz高速计数器，2路独立的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，具有更多的输入/输出点，更强的模块扩展能力，更快的运行速度和功能更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CPU226 PLC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ABB ACS800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zhuoyue。

　　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。

　　（2）程序框图设计：这步的主要工作是根据软件设计规格书的总体要求和控制系统具体要求，确定应用程序的基本结构、按程序设计标准绘制出程序结构框图，然后在根据工艺要求，绘制出各功能单元的详细功能框图。

　　（3）编写程序：编写程序就是根据设计出的框图逐条地编写控制程序，这是整个程序设计工作的核心部分。

　　（4）程序测试和调试：程序测试和调试不同，软件测试的目的是尽可能多地发现软件中的错误，软件调试的任务是进一步诊断和改正软件中的错误。

　　（5）编写程序说明书：程序说明书是对程序的综合说明，是整个程序设计工作的总结。

　　下面是系统设计流程图：

 

 

图2 PLC水位控制流程图

　　5 程序结构：
　　本程序分为三部分：主程序、各个子程序、和中断程序（见第四章）。逻辑运算及报警处理等放在主程序中。系统初始化的一些工作及液位显示放在子程序中完成，用以节省时间。利用定时中断功能实现PID控制的定时采样及输出控制。在本系统中，只用比例积分控制，确定增益和时间常数为：增益Kc=0.25；采样时间Ts=0.1S；积分时间Ti=30S；微分时间Td=0S。
　　6 PLC编程软件。
　　本设计使用的是软件是STEP7-Micro/WIN,该软件主要协助用户开发应用程序，除了具有创建程序的相关功能，还有一些文档管理等工具性功能，还可直接通过软件设置PLC的工作方式、参数和运行监控等。
　　该软件可以工作于联机和离线两种工作方式，所谓联机是指直接与PLC连接，允许两者之间进行通信，如上装或下载用户程序和组态数据等。离线则是指不直接与PLC联系，所有程序及参数暂时存入磁盘，联机后再下载至PLC。