6ES7223-1BF22-0XA8一级代理
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提高，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提高。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;再次是提高了运输成本，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，为提高城市排水管道清淤工作的机械化程度，提高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，可提高爆气的效率。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，提高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
2.1 上位机监控
利用工控机作为上位机。由它运行监控软件。它操作简单、思路清晰、界面友好。上位机软件主要包括以下几个模块:
(1) 数据采集、存储模块
上位机软机每隔1s向可编程控制器发送读温度命令，然后接受控制器返回的温度数据，经过错误校验以后进行存储并显示。
(2) 数据查询模块
上位机存储的历史数据可以按照不同的规则进行查询以供分析，系统的设置参数也可以进行查询。
(3) PID参数整定模块
虽然PID算法大部分是在下位机完成，但是上位机也可以根据需要调整参数kp、ki、kd的初始值。同时，为了更好的发挥上位机软件的强大作用也可以进行神经网络、专家控制、学习控制等智能算法的应用。
(4) 通讯模块
主要负责与下位机的数据交换及数据格式的转换。
2.2 温度控制
温度控制是波峰焊机控制系统的核心。系统利用K型热电偶采集温度信号。它通过控制固态继电器的输出来调节占空比，从而改变电阻丝两端的有效电压，达到控制温度的目的。在很多工业控制过程中一般都采用PID控制，特别是对于纯滞后、大惯性的温度控制。PID控制是按照实际温度和设定温度偏差的比例、积分、微分产生控制作用，实际运行效果和理论分析表明，这种控制规律可以得到比较满意的结果。
2.3 步进电机控制
在波峰焊机控制系统中有三种步进电机:链幅调节步进电机、流量控制步进电机和喷嘴移动步进电机。步进电机是将电脉冲信号变换成角位移的一种机电式数模转换器。它受脉冲信号控制，角位移与输入脉冲个数构成严格的正比例关系，每输入一个脉冲，步进电机就转动一定的角度。它具有定位精度高、惯性小、无积累误差、启动性能好等特点。因此，它广泛应用于要求精密定位的旋转或线性运动的控制系统。PLC输出的脉冲信号通过步进电机驱动器达到控制步进电机的目的。
2.4 网络通讯
上位机监控软件和S7-200可编程控制器之间以及PLC和变频器之间用RS-485连接。通信协议是基于S7-200自由口通讯的Modbus协议。Modbus协议是MODICON公司为其生产PLC设计的一种通讯协议。此协议定义了一个控制器能认识使用的消息结构。它描述了控制器请求访问其它设备的过程，回应来自其它设备的请求，以及怎样侦测错误并记录，制定了消息域结构和内容的公共格式。上位机和PLC的通信使用主－从结构，采用请求－响应方式，主站发出带有从站地址的请求报文，具有该地址的从站收到后发出响应报文进行应答。
Modbus协议有ASCII和RTU两种报文传输模式，在设置每个站的串口通信参数时，Modbus网络上所有的站都必须选择相同的传输模式和串口参数。本系统中我们采用RTU模式进行传输。如图2所示RTU通信帧的基本结构。
图2 RTU通信帧的基本结构
在下位机PLC中使用Modbus从站协议进行设计。在用户程序中调用Modbus从站指令。如图3所示，MBUS_INIT指令用来设置或改变Modbus通信参数。该指令应只在一个扫描周期内执行，一般用在扫描时工作一个扫描周期的SM0.1的常开触点来驱动它。程序中只能使用一条MBUS_SLAVE指令，每次扫描都应调用该指令，以响应接收到的通信请求。
3.2 模糊PID参数自整定算法研究
由于电阻炉温度是一种大惯性、纯滞后的控制对象，因此PID算法的参数很难确定。一般的参数整定方法就是根据经验设定其参数初值，然后根据具体工艺条件再进行调整。这种方法费时费力还不准确，所以项目开发了基于继电反馈的模糊PID参数自整定方法。
模糊控制器是以人的控制经验作为控制的知识模型，以模糊集合、模糊语言变量和模糊逻辑推理作为控制算法的数学工具，并利用计算机数字控制技术来实现的一种智能控制器。控制器的输出和参数的调整是通过过程函数的逻辑模型产生的，改善模糊控制特性的有效方法是优化控制规则。图6为模糊控制系统的基本结构。
图6 模糊控制系统的基本结构
此模糊控制器由四个基本部分组成，即模糊化、知识库、模糊推理和反模糊化。设计模糊控制器的步就是要选择论域和模糊子集的隶属函数。将确定的隶属函数曲线离散化，就得到有限个点上的隶属度，便构成了一个相应的模糊变量的模糊子集。在本控制系统中笔者设误差的基本论域为{-6,-5,-4,-3,-2,-1,0,+1,+2,+3,+4,+5,+6},误差变化的基本论域为{-6,-5,-4,-3,-2,-1,0,+1,+2,+3,+4,+5,+6}。为了进行模糊化处理，必须将输入变量从基本论域转换到相应的模糊集的论域。误差的量化因子
，误差变化的量化因子
。这两个量化因子使得误差实现了从基本论域变换到模糊论域的作用，即由基本论域中的任意一点通过量化因子映射到模糊集论域中相近的整数点。另外，每次采样经模糊算法给出的控制量还不能直接控制被控对象，还必须将其转换到控制对象所能接受的基本论域中。接下来就是进行模糊控制规则的选取和模糊推理方法的选择。模糊控制器的控制规则其实是基于专家的控制策略，它基于经验和技术知识，而控制器则是基于某种控制算法的数值运算。具体而言就是:当误差大或较大时，选择控制量以尽快消除误差为主，而当误差小或较小时，选择控制量要注意防止超调，以系统的稳定性为主要出发点。
通过实验得到的波峰焊炉温模型进行仿真。假定电阻炉的温度模型为:
，Ke=0.1，Kec=1， Ku=12，控制周期为1s，模糊控制器输出为工频电压。仿真效果如图7所示。
图7 波峰焊温度控制仿真效果
4 结束语
波峰焊机控制系统的核心是温度控制。只要控温精度上去了，就可以说此控制系统已经达到基本要求了。本文研究的波峰焊机控制系统利用西门子公司的S7-200系列PLC作为下位机控制器，它的抗干扰能力强、稳定、可靠。利用其PID参数自整定模块可以达到较好的效果，但是由于此模块刚推出不久，它的控制功能有待进一步考验。因此可以根据模糊PID自整定算法原理自己编写程序，同样可以达到很好的温度控制精度。为了促进无铅焊接设备的进一步发展，其它智能控制理论也将越来越多的应用于此类控制系统中
1、引言
用PLC做控制系统核心，成本较低，稳定性很高，程序编写调试方便，但PLC在人机对话、故障判断、在线修改等方面有一些不便，需要对编程非常熟悉的人员进行操作。并且，要想直观地了解生产过程和监控信号的动态变化必须选择一个上位机来配合PLC，才能组成较好的自动控制系统。因此，本系统采用触摸屏与PLC通信，共同组成生产监控系统。
在橡塑机械生产制造业，生产现场情况复杂，油污多。普通的工业触摸屏的稳定性很难保证。而选用进口的触摸屏，性能较好，但在复杂环境中，寿命大大减短，其价格昂贵，必然增加生产成本。LEODO人机界面是由32位嵌入式微处理器、WinCE．net操作系统和组态软件构成的新颖的人机界面产品，适用于工业现场环境，安全可靠，可广泛应用于生产过程设备的操作和数据显示，它与传统的人机界面相比又增添了信息处理和网络功能。LEODO人机界面，功耗低，温升小，热稳定性相对较高，并且不怕遇到断电情况。
在工业测控软件中，组态软件能充分利用bbbbbbs的图形编辑功能，方便地构成监控画面，以动画方式显示控制设备的状态，具有报警窗口，实时趋势曲线等功能。并可运用PC机丰富的软硬件资源进行二次开发，方便地生成各种报表，为应用程序的开发提供了十分方便的平台，因此它在工业控制中运用越来越广泛。
在本系统中，利用ET组态软件构成监控画面。通过串行口与PLC进行通信，这样可实现对各种信号的监测以及现场数据的采集和处理。
2、系统配置
本控制系统由14路开关量和62路模拟量组成，人机界面与西门子200系列PLC通过人机界面上的串口COM1口连接实现通信，PLC与工业现场变频器通过PLC智能模块连接实现通信。系统整体配置如图1所示。
图1 系统配置简图
在ET组态软件中定义了串口类设备S7200PLC，串口号为COM1。设备定义结束后，定义62个I／0实型变量，分别与设备模拟量输入寄存器V连接，实现模拟量的采集。定义l4个I／0离散变量，分别与串口设备的输出寄存器连接，实现开关量的控制。
3、系统特点
本系统具有实时数据采集与监控显示功能。对于来自现场的三辊(上，中，下辊)主机状态，主机电流，主机速度，导开，卷取，冷却，贴合，喂料，摆料状态和速度等信号，进行实时监控，通过数值或图形来实时反映生产现场的信号变化隋况，并通过相应处理可存储于数据库，利用网络开发送到其它站点。本系统具有数据运算、保存及打印等功能。可将结果按照制定的格式保存到ET组态软件的内部数据库中，也可以将数据传送到外部通用数据库中。用户可利用历史曲线形式查询数据，并打印查询结果。
本系统可通过加密、设定用户权限等形式对一些操作进行限制，只要用户定义了记录报警和事件文件，系统将自动记录操作员的操作过程。
另外，在线修改工程流程时也非常容易。
LEODO嵌入式人机界面内置bbbbbbs CE．net操作系统，它是一种紧凑，高效，可伸缩的操作系统，主要面向各种嵌入式系统和产品。bbbbbbs CE．net继承传统bbbbbbs系统的风格，具有多线程，多任务，完全抢占式的特点，专为严格资源限制的硬件系统所设计。其内嵌的ET1．0版嵌入式组态软件可读取PLC监测到的设备运行状态、模拟量采样数据等信息，根据这些实时数据，在屏幕上动态显示整个系统的运行隋况、包括速度，浮辊位置，电流等。一旦发现故障报警信息，系统即显示明显报警画面，并向PLC发出相应动作指令，保存并记}乙故障发生的时间、原因等原始数据。
4、ET软件的设计
ET嵌入版1．0中用“工程”来表示组态软件组态生成的应用系统。创建一个新工程就是创建一个新的用户应用系统。建立工程的一般步骤为：构造数据库(定义变量)，定义设备，设计图形界面，建立动画连接，运行和调试。但是，在进行设计的时候，它们不是独立的，而是交替进行的，需要综合考虑。
首先，创建一个新工程，定义路径和名称，在设备选项中选定一个COM 口，进行PLC连接。ET提供的设备连接向导对话框列出了工业生产常用的一些硬件设备(如PLC、板卡、智能仪表、变频器等)，并且已经根据这些常用设备各自的通信协议制作了相应的通信协议，使应用人员从繁琐的底层驱动程序中解脱出来。选择了西门子公司$7200系列PLC后，选择通信方式，并给定设备名称和地址，还要设置采样时间和通信参数。
然后，进行动画画面的设计和变量的定义。双击数据词典，定义和编写系统所有变量。变量可以设为只读、只写和读写模式。对于既要采集PLC状态，又要实现对PLC的远程控制的变量设置为读写模式，而不需要向PLC发送命令的变量设置为只读，这样可以节省PLC扫描时间，加快系统进程，提高PLC效率。绘制图形画面时，双击画面选项，在弹出的绘图环境下绘制与橡塑三辊压延生产线相对应的监控画面。系统监控的设备较多，为更清楚明了地显示不同设备的各个参数，需要绘制多副画面，既方便显示，又方便现场操作员进行控制。主画面里利用ShowPicture(“画面名”)函数实现对其他画面的调用。绘制完流程画面后，将系统与要监控的参数和画面中的变量一一对应起来。这样HMI组态基本完成。
5、画面功能介绍
在ET组态软件中编制系统的组态界面。根据本系统的特点及实际使用情况，界面设计由系统生产线流程、配方、浮辊指示、主机状态、主机电流、主机速度、急停指示、卷取、导开、贴合、冷却、喂料、摆料及登陆标题栏等13个画面组成。
5.1 生产线流程图
从流程图上可观察生产过程，主要运行参数及输出控制参数。(图略)
在系统开始运行后，ET组态软件读取PLC监测到的三辊压延生产线的运行状态、控制各电机变频器的信息，根据这些实时数据，在屏幕上动态显示整个三辊生产线的运行情况、包括整个系统的浮辊位置、模拟量示值、实时趋势曲线等，系统以数值及曲线两种方式反映数据的变化，LEODO人机界面内置硬盘，使得触摸屏在画面显示的同时还可以保存历史数据，方便了现场应用，并可以定时、实时打印数据或者整个画面。
生产线流程图下面的三个按钮下隐藏了三个按钮，都是停止按钮，只有当控制电机启动后才有效。启动、停止按钮通过命令语言函数BitSet()实现交替出现。
5.2 主机电流，速度和状态图
由三个画面共同描述，画面中的实时趋势曲线中的坐标并不表示实际值，而是将实际值放大或缩小的比例值，曲线只是描绘了参数的变化趋势，生动地体现主机可能存在的扰动和实际值对设定值的跟随隋况。
图2 主机电流界面
5.3 配方画面
在监控组态软件中，配方就是一个二维参数表，行表示变量的一组取值，列表示一组配方，即各变量的一种取值可能。可以通过名称访问已经定义好的配方，也可以在线修改，定制新配方，保存下载。对同一个生产过程可以通过改变其配方来生产不同批号的产品。配方变量一般设置为内存变量，保存在触摸屏系统硬件里。
5.4 急停指示
当有报警发生时，会自动弹出报警系统对话框，我们只有触摸复位按钮才能结束报警，以便继续工作。
图3 急停指示画面
5.5 卷取画面
卷取、导开，贴合，冷却，接取、摆料、喂料等画面设置相同。它们都是由卷径，电流和实际速度实时趋势曲线和离散数值描述的。
每幅画面都有设置用户登陆权限的标题栏，画面随时显示登陆用户名及用户登陆权限， 加强系统的安全性。
6、系统调试及运行情况
连接PC机和HMI，在PC机上运行ET，打开工程浏览器菜单“工具”下拉菜单“远程安装与调试”将组态工程下载到HMI，特别注意下载路径。用专用通信线PPI连接HMI和PLC，实现PLC与HMI通信。根据不同的设备逐一反复调整系统参数的配置使之达到佳工作状态，因为不同的设备对采集速率有不同的要求。重要的控制功能由稳定可靠的PLC去完成，当操作台发生故障时，不会影响控制，进而不会影响生产。制作HMI画面时，一定要符合用户的操作需求和习惯。
一年来的实际应用结果表明，采用LEODO人机界面，简化了控制系统结构，增加了许多功能，通过了用户苛刻的检验。ET组态软件能方便的实现复杂友好图形界面的编制，其本身与I／O设备通讯程序构成一个完整的系统，不需工程人员自行编制设备的通讯程序，这种方式既保证了运行系统的高效率，也方便了工程应用，是一种简便高效的工程应用系统。本监控系统大大提高。
