西门子6ES7222-1BD22-0XA0参数规格

西门子6ES7222-1BD22-0XA0参数规格

琅琊山抽水蓄能电站位于滁州市西南郊的琅琊山麓，是由奥地利政府出口信贷支持的重大项目和安徽省“861”重点建设项目。电站总装机容量60万千瓦，装设4台单机容量为15万千瓦的单级可逆式抽水蓄能机组。整个电站关键部分由上水库、输水系统、地下厂房、下水库和地面开关站5部分。电站建成后，将在电网中发挥调峰填谷、调频调相和紧急事故备用等重要作用，将改善安徽省及华东电网的火电机组运行条件，进步电网运行的安全可靠性和经济性，经济效益和社会效益都十分明显。
　　琅琊山水电站公用及透风空调设备采用多层式控制，主控工作站设1台公用设备上位机，各个子系统设就地控制单元，在主控及网络失效的情况下，就地控制单元仍能独立完成其系统内设备的监测和控制功能。 
　　各就地控制子系统采用PLC为控制系统，对于PLC要求有较高的性价比。该蓄能电站选用ABB AC31系列可编程控制器。ABB AC31系列可编程控制器可以完成辐射几百米甚至几公里的分布式应用，并且具有经济可靠、配置灵活、通讯功能强大等特点，完全满足该蓄能电站的控制要求。 
　　系统网络结构见下图：

　　公用设备主控工作站负责协调合治理公用设备就地各子系统的工作，记录和计算运行信息，并把经过处理的数据存进数据库中，同时完成公用及透风空调设备的远方监测和远方控制功能。各子系统站分别为：厂内渗漏排水泵系统、低压空压机系统、消防泵和雨淋阀控制系统、透风空调系统，ABB AC31 50系列可编程控制器系统负责对各子站进行控制。其中，透风空调系统分为主厂房、副厂房、安装场副厂房以及出线竖井几个远程控制站，每个远程控制站又分别由几套远程I/O进行分散控制，远程I/O选用50系列Modbus远程扩展模块，不仅进步了系统的性价比，而且能够保证系统的稳定运行。每套PLC子站都采用MODBUS协议与公用设备上位机进行通讯，子站与主控工作站的间隔长为1380米。整套系统利用了ABB AC31系列可编程控制器的上风，实现了优化的控制。 该套系统计算机监控软件采用杰控Fameview软件，FameView是一套实现产业数据采集、过程监控、数据治理的高性能产业自动化软件，它具有强大的图形功能、变量、图形替换的模块化功能，通讯速度以及画面刷新的速度很快，同时还集成手机短信、数据处理和报警等服务。  
　　整个系统设计公道、操纵简单、安全可靠，系统投进运行后完全达到用户要求，并且一直运转良好，得到了用户的好评。

长期以来,在我国城市建设快速发展的过程中，由于对环境保护基础设施建设重视不够、投进不足，污水直接排进城市水系及相关流域,造成江河湖泊水质和地下水污染,城市水环境污染题目日益突出，污水净化就成为改善城镇居民生活环境、进步人民健康水平的主要手段之一。为保证污水处理工艺可靠、顺利实施，自动控制系统的设计及控制技术的运用要以可靠性为基础，综合考虑控制技术先进性、可扩展性，同时兼顾降低系统造价。

在污水处理控制系统中，除了存在分布区域广、设备分散、控制点多及控制信息复杂等要求外，同时具有控制输进和输出以开关量参数居多，模拟量参数少的特点，而这些都是PLC控制系统的上风所在，因此，以PLC为主体就成为污水处理厂自动控制系统的主要控制模式[1]。本文将以某市的污水处理厂为例，扼要先容S7-400 PLC在污水处理控制系统中的应用。

1 系统工艺先容

    某市污水处理厂是省重点工程,近期污水水量为30万立方米/天，高峰污水量16250立方米/小时，远期污水水量为40万立方米/天，采用具有脱氮除磷功能的A/A/O活性污泥法工艺法，污水经二级处理后排进四周河流进行浇灌，污泥采用机械浓缩脱水后外运。同时该工程还预留了污泥消化处理工段，所以对系统的扩展性、开放性及该系统的可持续性，具有相当高的要求。系统工艺流程见图1。

2 控制系统组成

   污水处理采用分布式计算机监控治理方式，由中心控制室的上位计算机治理控制系统、厂区三个现场控制站组成。中心控制室和厂区三个现场控制站之间以一个冗余的100Mbps光纤产业以太网组成一个有线数据通讯网络系统。各个现场控制站可以独立运行，在现场进行工艺检测参数、设备运行工况信号的采集、检测和控制，并通过该站的人机界面对设备运行操纵，同时通过ProfiBus总线向中心控制室进行实时传送，以备工作职员监视;中控室的操纵职员通过ProfiBus将必要的控制参数下传到各个现场控制单元，以调整控制和工艺参数。同时，为备现场操纵，每个现场监控单元均有手动/自动按钮，可实现现场和远控操纵，从而进步了整个系统的可靠性、安全性以及运行的经济性。另外，污水控制系统还通过Ethernet经厂数据交换机与厂治理网进行互联，实现企业管控一体化。系统组成结构见图2。

图1 污水处理系统工艺流程

         
图2 系统组成结构示意图

现场控制站采用西门子S7 400 PLC，CPU采用416-3DP CPU，配有开关量输进DI模块、开关量输出DO模块、模拟量AI模块和通讯模块，并采用STEP7 5.1软件对PLC各个模块的参数进行组态。现场控制站在与设备自带的PLC通讯时，采用ProfiBus-FMS的方式[2]，包括现场自动化单元、集控单元和现场总线通讯三个部分，现场总线物理层采用EIA-RS-485协议，通讯板卡采用CP5611，用于主站和从站之间通讯。CP5611的传输速率从9.6k bit/s 到12M bit/s，每个字符为11个位。在CP5611通讯软卡安装时，与Softnet-DP软件配套使用;10KV及各变电所的相关信号，通过智能继电保护装置及智能空气断路器、用PROFIBUS-DP的通讯方式与现场控制站交换数据，每个间隔保护及丈量装置均作为现场控制站的从站。

中心控制室的上位计算机采用产业计算机，并用大型电子投影仪作为电子屏，操纵系统选用bbbbbbs2000 Professional，并配用WinCC组态软件。该工控组态软件是一个集成的HMI系统和监控治理系统，具有画面显示、趋势曲线、报警处理、报表处理、数据治理、网上浏览等功能。其特性之一是全面开放，各系统集成商可用WinCC 作为其系统扩展的基础，通过开放接口开发自己的应用软件。本系统将WinCC 与STEP7 配合使用。由于在STEP7 中定义的变量可以在WinCC中直接使用，从而节省了工程开发时间。另外，WinCC中的C语言脚本及提供的与数据库之间的接口更增加了其应用功能，可满足用户的复杂要求[3]。

3 主要控制功能

    污水处理控制系统主要有6个子系统组成[4]：粗细格栅程控系统、水泵程控系统、生物反应池空气量调节系统、回流污泥量调节系统、泥温调节系统、清化调节系统。

3.1 粗细格栅程控系统

    粗细格栅均采用液位差控制，在粗细格栅前后装有超声波液位探头，由变送器将0～10V的液位差信号送到PLC模拟量输进模块，当液位差超过设定值时，PLC强制启动格栅进行清渣，否则按预定周期清渣。为保证控制可靠运行，需定期对超声波液位计进行维护和校正。格栅程控系统根据格栅前后的水位差，自动控制栅耙，按预定周期运行，以保证格栅正常工作，格栅调节有现场控制（手动）和远程控制（自动）两种模式。

3.2 水泵程控系统

    水泵程控系统按水泵池的液位经过MicroMaster通用变频器，并采用数字增量式PID方式控制水泵的转数和流量。每台泵房均有主运行泵、备用泵，以备不测。对每个泵的控制，同样有现场控制和远程控制两种模式。

3.3 生物反应池空气量调节系统

     生物反应池是污水进行生化反应的场所，主要通过转刷控制污水的曝气时间。生物反应池中设有转刷，并在出水口设有溶解氧仪、氧化还原电位计和污泥浓度计、SIPAN32液体分析仪。溶解氧仪和氧化还原电位计输进信号连接在PLC不同的输进模块上，以免由于模块损坏造成控制失调。曝气空气量的调整，采用控制鼓风机导叶片的方式，即通过改变鼓风机导叶片的角度来改变空气量，从而保证溶解氧的需求量。

3.4 回流污泥量调节系统

     回流污泥量的调节是为了将氧化沟中的悬浮污泥浓度控制在规定的范围内，其调节采用数字式增量PID控制方式，按进进氧化沟的水量控制回流污泥泵的开启台数和回流污泥管道上阀门的角度，以保证回流污泥管道上阀门的合适比例，所有泵的调节均由变频器控制。

3.5 泥温调节系统

     其任务是为了控制污泥沟中的泥温在答应范围内，以保证其在35℃内充分发酵。泥温调节采用热平衡控制方式，即改变换热器的热水温度或流量来改变换热量，以实现污泥温度的调节。对每个泵的控制，也都有现场控制和远程控制两种模式。

3.6 清化调节系统

   清化调节系统由沼气搅拌程控系统、消化池配泥程控系统、滤池程控系统等组成，主要完成水质的清化过程，满足环保要求。若以上各现场控制单元PLC任何一台出现故障，现场报警信号立即通过网络反馈到中控监视室，并在监视屏上显示故障位置，同时声光报警，操纵职员便可根据实际情况进行操纵，排除故障或自动启动备用泵。

4 控制程序设计

    系统有四种控制方式：本地手动控制、单台设备点动控制、成组设备自动控制、全厂设备全自动控制。前三种方式一般只在设备调试或维修时使用，正常状况下系统主要以全自动控制方式运行，在这种方式下，所有各类设备都由PLC按照预先编制的程序自动控制，不需要操纵职员干预，各种现场数据通过PLC传至中控室的上位机，中控室可监视各现场站的全部运行信息，并可控制现场设备的启动和停止。生物反应池中的生物处理部分是整个污水处理的关键部分，限于篇幅，仅先容生物反应池空气量调节系统的程序设计。

反应池空气量调节系统用来控制从污水进进反应池到处理后的污水流出反应池的整个过程，在这个过程中，包括控制各种阀、泵、风机的顺序及定时开关和风机的转速调节等。污水在池中是通过微生物的生物氧化作用来往除有机物的，水中氧的含量对污水的处理效果是至关重要的，根据工艺要求，曝气池内的溶解氧含量通常控制在1～3mg/L范围内，在曝气阶段未溶解氧含量应不超过2mg/L，含氧量过低或过高，均会影响出水质量，每隔5min检测一次曝气池内的溶解氧值，根据溶解氧的均匀值来控制风机转速，若溶解氧低于设定下限时，调频风机转速增加5%，若溶解氧高于设定上限时，调频风机转速降低5%， 这样就实现了反应池供氧量的自动调节，既避免了不必要的能源损失，又优化了运行工艺。反应池溶解氧控制程序流程图如图3 所示：

图3 反应池溶解氧控制程序流程图

根据上述控制过程要求，应用程序主要由5个程序模块组成：

    （1）公用程序模块（OB1），包括初始化部分、反应周期设定、工艺时间设定、溶解氧设定、调用条件设定等。

    （2）开关量顺序控制模块（FC10），其功能包括协调控制各个阀、泵、风机等设备的运行及相关故障的报警，池的进气阀、进水阀、出水阀、回流泵、剩余污泥泵的控制。

      (3）断电保护模块（FC16），功能是系统断电后，将所有状态锁存，待加电后使PLC恢复所保持的状态继续运行。

     （4）通讯模块（FC20），用来完成PLC与上位机的各种数据传送。

     （5）溶解氧值自动调节模块（FC5），主要功能是根据溶解氧值来调节风机转速以及相关故障的报警。

5 结语

     系统采用了ProfiBus-FMS总线技术，将Simatic S7-400 PLC、变频器MicroMaster和工控机等主要控制设备有机结合，具有组网简单、运行速度快、通讯稳定性强等特点，通过与变频调速技术在污水处理系统中的配合使用，进步了整个污水处理系统的自动化水平。同时，由于其模块化特性，若处理规模加大，只需增加相应的功能模块，增加适当的软件功能就可在较小的投进下很方便地实现规模扩展，对我国污水处理的自动化建设具有一定的推广价值。

    一、改造前的设备情况

    上海大众汽车公司汽车一厂的汽车零件中凸轴的清洗工序所用的清洗机和冷却塔原设计用两条同步运行的链条输送工作，如图1所示图1中右面部分为清洗机及2#输送链，左面为冷却塔及1#输送链。这两条输送链的节距相等，1#输送链上每两个节距之间装有一挂钩，挂钩长度即是一个节距。链轮B和链轮A用同半径的两个小链轮通过铁链紧密相连，使这两条输送链保持同步运行。4为主动轮由电机拖动，B为从动轮。 

    该设备采用继电器控制系统。其工作流程为：工件经清洗机加温冲洗后，由2#输送链传送至D处，靠重力落到C处的挂钩上，然后再由1#输送链送到冷却塔进行冷却设备经过长期运行，由于两条输送链不均等的变形和机械磨损而引起两链条不能保持同步运行，以及每根工件在着落处（D处）所受的阻尼也不尽相同，落下的时间是非不一，从而导致工件经常不是落到挂钩上，而是掉在地上，造成相当多的工废。

    二、改造方案

    如图2所示，对原设备作如下技术改造。 

    1．加装一套由PLC控制的机械手以及相应控制部件所构成的传送装置，来实现这两段输送链之间工件的可靠接送。
    2．取消A、B轮间的铁链，转向轮改成链轮E，并增加一个带齿轮箱的电机Ml来直接驱动链轮E，将原来由一个电机带动两条输送链改成分别由两个电机拖动的两条独立的输送链这样，一方面将1#输送链作为独立的控制对象，解决挂钩在待料处的定位题目；另一方面增加了编程的可靠性和灵活性

    三、硬件的设计

    考虑到输进、输出点数未几，选用经济实用的SIEMENS公司S5一90U可编程控制器作为控制核心，它有10个输进点、6个输出点，本身带有电源，结构紧凑。输进、输出配置如图3所示。   

    四、软件设计

    1．运行方式
    根据生产工艺及各种实际操纵的要求，设计三种运行方式：
    (1)自动运行方式。选择开关SB1拨至自动方式下，按启动按钮SB2后，系统就进进自动工作循环。
    (2)手动调整运行方式。SB1拨至调整方式下，拨动选择开关SB3可以使机械手至送料位置或出料位置；按下按钮SB4，点动电机M1，可使1#输送链连续运转。在此运行方式下，为避免机械手和1#输送链上的挂钩相撞，系统自动封闭清洗机，使2#输送链上不再有工件送出。
    (3)出空运行方式。在自动运行方式下，按一下按钮SB4，设备就会处于出空循环方式，逐渐将冷却塔内的工件全部排空，排出的周期由STEPS的软元件—计时器TS来决定。若要重新进进自动运行方式，只要再按一下启动按钮SB2即可。

    2．编程语言
    机械手的控制程序采用STEPS语言，选用顺序控制方式编写，既按照执行的动作一步一步进行，类似于GRAPHS程序的写法。在程序的主干中，每一步动作的控制逻辑都赋予一个中间标志M，由它再来控制相应的执行机构，然后再判定相应的反馈信号是否满足程序逻辑要求，若满足则执行下一步，若不满足则等待，当等待的时间超过监控时间后，程序就跳出往执行故障处理程序。整个程序由三个模块组成：
    2008 OBI循环控制，组织调用其它模块
    PBI调整运行方式
    PB2自动运行方式
    PB3故障处理
    设计顺序控制系统，首先需要对被控制对象，包括整个生产过程的运行方式、信号的获得、整个过程的动作顺序与相关设备的关系，以及某些特殊要求作全面的了解。在此基础上，画出动作顺序流程图，写出控制逻辑表达式，并选用适当的控制装置实现对系统的控制。

    3．程序流程
    具体程序流程如图4所示。由于篇幅有限，具体的程序清单从略。 

    在整个设计和制作过程中，需要留意的题目是：在每次自动循环开始前，要可靠地保证1#输送链上C点处的挂钩一定要处于能接到工件的位置，这也是整个改造成功与否的关键所在。
    如图2所示，链轮E上均匀分布了三个均布的凸块，链轮E逆时针旋转一周，1#输送链就传动三个挂钩。S4为感应式接近开关，检测凸块是否到达，在PLC：程序编写中规定，只有当S4的信号出现由“1”到“0”的变化时（此时E轮和S4的相对位置如图2所示），机械手才能将工件送向处于c点处的挂钩。当然，在调试时一定要调好C处挂钩和机械手送料时的相对位置，使工件能顺利送进该挂钩。所以在每次自动循环开始前，无论设备处在什么状态下，都要先执行“初始化”过程：①电机M1拖动1#输送链轮传动，只有当54(133.0)的信号发生由“1”到“0”的变化时，系统才能进进待命预备状态（M65.4= 1)，机械手才能进行传接工作。②机械手无条件回到接料位置（Q32. 2 = 0）进行等待。这样就保证工件能被可靠无误的传接。
    另外，考虑到在运行过程中有很多意外情况可能出现，诸如控制电机的接触器损坏、接近开关失灵、气缸的气路波动等等因素，在程序的设计中还运用了STEPS的软件—内部计时器对机械手动作所需的时间和1#输送链传送一个挂钩所需的时间进行了监控。由于清洗机的节拍为18s，故对机械手动作的监控计时器T10的时间常数设为10s（机械手在10s内还没有完成送料一等待一接料的过程，系统马上就出错报警），后者监控计时器T11的时间常数为4s（传送一个挂钩的时间不得小于4s)，这样，T10 + T11= 14s，小于清洗机的节拍时间18s，也就是说，1#输送链的节拍比2#输送链的快，在正常情况下机械手有足够的时间来完成接料、送料的动作，否则就作为有故障处理，保证机械手可靠接送料。

    五、结论

    设备改造后运行稳定可靠，再也没有过工件传接出错的题目同时，通过本次技术改造，笔者体会到可编程控制器的程序设计是硬软件知识的综合，需要科学技术和现抄验等诸方面的结合。程序设计主要依据控制系统的软件设计规格书和实际生产工艺要求。在整个设备改造的设计、制作过程中，程序编写是关键的一步，程序设计的方法和技巧也集中体现在这一步。程序编写时，一定要全面了解被控对象以及其动作顺序关系，对所涉及的题目的各方面考虑得是否彻底和充分，将直接影响程序的实际工作效果，甚至能造成程序锁死或控制事故，所以在程序设计中一定要考虑各种运行状态及可能出现的情况，发挥控制系统的功能。