西门子模块6ES7223-1PM22-0XA8一级代理

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 引言

　　滤池作为保障水质的重要环节，其作用越来越受到重视。滤池恒水位控制技术也随之不断发展。从模拟PID、数字PID到优控制、自适应控制，再发展到智能控制，每一步都使控制的性能得到了改善。本文以郑州市柿园水厂为例，将改进的PID算法应用到滤池自控流程中，使其能够根据水位的变化实时控制清水阀开度，从而使水位始终保持平衡。

2 PID算法在恒水位控制上的实现

　　2.1 PID控制算法

　　PID（Proportional Integral　Differential）控制算法就是经典的闭环控制，它是连续系统中技术成熟、应用广泛的调节方式。PID调节的实质就是根据输入的偏差值，按比例、积分和微分的函数关系进行运算，其运算结果用以输出控制[1]。在系统输出误差值较大时系统采取饱和输出工作方式，这样可以减小液位系统的时滞性。同时为了防止系统过大的超调量，在系统误差的值比较小时采用增大积分系数的办法，从而可以提高系统的稳态精度[2]。微分控制算法简单，参数调整方便，并且有一定的控制精度，能感觉出误差的变化趋势。增大微分控制作用可加快系统响应，使超调减小，可以获得比较满意的控制效果。因此它成为当前为普遍采用的控制算法。

　　PID控制器，其控制规律为：

　　………………（2-1）

　　由于式（2-1）为模拟量表达式，而PLC程序只能处理离散数字量，为此，必须将连续形式的微分方程化成离散形式的差分方程。令

　　…………… （2-2）

　　则可得可得到位置式数字PID算法

　　……………（2-3）

　　使用位置式PID数字控制器会造成PID运算的积分积累，引起系统超调，这在生产过程中是不允许的。由此，经过转换得到增量式算法

　　……………（2-4）

　　增量式PID控制算法是对偏差增量进行处理，然后输出控制量的增量，即执行机构位置的增量。增量式PID数字控制器不会出现饱和，而且当计算机出现故障时能保持前一个采样时刻的输出值，保持系统稳定，因此在此系统中增量式算法被采用作为编程算法来使用。

　　2.2 恒水位控制

　　为保证生产安全，滤池分站的待滤水流量和滤后水流量应基本保持平衡，所以每个滤格在过滤时应保持水位恒定。正常滤水工作期间，每组滤池在就地PLC控制台的控制下，依据来水量的大小，及时调整滤水阀的开度，保证滤池恒水位运行;当达到反冲洗条件或人为强制反冲时，每组滤池就地控制柜向主站发出反冲洗请求，主PLC对需要反冲洗的滤组进行排序，采用先进先出的堆栈式管理，在满足反冲洗条件后，调整首先要反冲的滤组的阀门状态，待水位降到一定高度后，启动鼓风机，进行气洗，按约定时间气洗结束后，开启反冲泵进行气水联洗，联洗结束后，关闭鼓风机，再开启一台反冲水泵进行水洗，水洗结束后，恢复本组滤池的正常滤水状态，进行下一组反冲洗。所有反冲结束后，进入正常的恒水位滤水工作周期。

　　由于恒水位的根本目的是保证待滤水流量与滤后水流量基本恒定，因此转化为控制各个滤格的水位保持基本恒定[3]。用PID闭环控制可以根据水位的变化实时控制清水阀开度，把以上所有影响水量变化的条件转化为滤格水位的控制。

　　2.3 PID对清水阀的逻辑控制指令及参数的设定

　　当进水量增大或因池内水头损失增大导致出水量减少，使水位上升高于设定水位时水位偏差e为正，e越大则u也越大，从而使出水阀开度增大，相应地出水量也增大，使水位下降趋于设定水位;当进水量减少或因其它因素使水位下降低于设定水位时，水位偏差e为负，e的值越大则u越小，从而使出水阀减小开度，相应地出水量也减小，使水位上升趋于设定水位，从而把水位控制在以设定水位为中心的一定波动范围之内。从式（2-1）中的积分控制项可知，控制器输出u与积分时间T成反比。当T。较小时，相同的水位偏差将造成较大的积分控制作用。若积分控制作用过强，将造成过调现象：当水位偏离设定水位时，过强的积分控制作用使出水阀开度改变过大，使水位矫正过大，造成大的振荡起伏。积分时间T愈小，过调现象愈严重，被控量（水位）的振荡幅度愈大，终超出允许范围。因此，正确设定控制参数是保证控制系统能达到设计要求的重要前提[4]。对于实际生产过程，要jingque确定其数学模型比较困难，本系统是通过试验方法来确定控制参数

　　2.3.1参数设计中的特殊处理

　　设定完参数后，根据现场实际情况在外部程序还可进行一些程序处理，该项目中作了以下处理:

　　①把PID的计算结果放到一个中间变量中，当水位处于设定水位的上下5cm以内，3分钟输出一次PID的计算结果到输出模板;反之10秒钟输出一次PID的计算结果，这是为了水位在可接受的范围之内尽量少动作清水阀，但超过范围以外则以保证生产安全和水质为，同时很大程度上消除了输入模拟量在受到外界干扰时而出现的计算误差。

　　②即使在上述条件满足的条件下，程序会比较当前的PID计算结果与上一次输出值的差值，如开度在两个开度范围以内则不输出当前PID计算结果，反之则输出计算结果。因清水阀开度在两个开度范围以内对水位调节作用不大，而小开度调节清水阀会出现阀门开度不到位而造成电磁阀频繁动作的现象。

　　③当清水阀开度小于10个开度时，过水量基本与全关时一样，因此我们把PID计算结果为7个开度以下就直接输出全关信号。

　　2.4 PID控制梯形图子程序

　　每个滤池的自控部分的实现需要数字量输入点 28 个，数字量输出点 18 个，模拟量输入输出点 13 个，整个 PLC 自控系统具有自保护和掉电数据保护功能，在发生供电及其他严重故障时，可立即进入紧急处理状态，工艺条件和程序时间都得以记忆，待故障消除后，系统能够立即恢复到故障前的状态，大大提高了整机可靠性[5]。 表 1 为 PLC 系统的 I/O 地址表. 这里仅仅列出了主要的 I/O 地址。

　　表 1PLC 控制 I/O 地址分配表（部分）

　　通过以上参数就可以完成相应的控制过程在水厂滤池自动化的安装调试阶段，数据采样频率恒定，系统调试人员通过调整相应的参数，使滤后水阀开启度随滤池水位的高低而变化，进而使滤池水位基本保持（2.00± 0.20）m 范围内。下图为滤池在反冲洗过程中部分梯形图程序：

图1：滤池在反冲洗过程中部分梯形图程序

3 运行效果前后对比

　　调试后我们经过统计，基本上的清水阀动作次数小于200次，比其它水厂平均4000次要少得多，基本上与手动凭经验调节清水阀的效果相同，但大大的减少了工人的劳动强度。但各个水厂的实际情况有所不同，所以在系统调试过程中所处理的手段也会有所不同，参数设置也会有所不同。

　　经过对滤池改进前后数据分析，绘制出下面的波动曲线对比图。从图3可以看出，经PID调解后的滤池水位变化很小，滤池液位能够保持恒水位运行。

4 小结

　　本项目应用于郑州市柿园水厂的滤池自动化改造系统中，系统以工控机为核心，采用了模糊化积分分离数字PID控制方案、梯形图语言以及组态王软件。该系统经过三个月来运行，完全符合生产要求，系统的可靠性、易操作性和信息容量都有了很大提高，真正实现了现场的滤池自动化管理，实现了自动过滤和定时自动排队及反冲，新系统使滤池的净水效果得到很大改善。采用标准PID控制软件包实现了对滤池水位的闭环自动控制，使多组滤池同时自动运行，运行水位保持在工作水位的4%范围内。恒水位的控制使得滤池反冲洗次数减少，水量和电量损耗减少1/3，产生经济效益300万元。大大降低了生产成本，同时还改善了水质，具有重要应用价值。

　　本文作者创新点是将改进了的增量式PID算法与恒水位控制相结合，优化恒水位控制方法，降低水耗及电耗，减轻工人劳动强度，提高了滤池水处理的自动化水平和效率。

1 引言

　　近年我国不少矿山企业为了实现高效、节能、环保等各方面日益增长的要求，积极进行设备的更新改造。某金矿在碎矿生产环节引进了Nordberg HP圆锥破碎机，以进一步优化生产指标和提高效率。但是该矿原先采用的碎矿生产控制系统是以人工操作为主的常规继电器控制方式，自动化水平低，对生产过程的各种信息缺乏有效的监控手段，不能及时响应各种情况，加上电气设备老化，故障率高，维护频繁，严重制约了新装备生产效率的发挥。因此，需要对原有控制系统一并进行改造。可编程控制器（PLC）作为一种先进的工业自动控制装置，具有功能强大、编程灵活、调试使用方便，且等众多优点，特别是它适应各种工业环境的能力和高可靠性，使它得到广泛的应用。因此在本改造项目中，决定采用PLC来改造并扩展原有控制系统的功能，并且运用组态软件，设计生动直观、功能丰富的监控流程画面，实现生产过程信息的集中显示和处理。

2 工艺与控制要求

　　某金矿碎矿工艺为三段一闭路流程：原矿首先从原矿仓通过重型板式给矿机送入鄂式破碎机进行粗碎，然后由1# 皮带给入标准圆锥破碎机进行中碎，再经2# 皮带给入振动筛，筛上产品经3# 皮带返回短头圆锥破碎机进行细碎，细碎产品汇入2# 皮带，与振动筛构成闭路;筛下合格产品由4# 皮带送至粉矿仓。在控制上主要是对破碎、筛分及输送设备的起/停控制、联锁控制及保护，以及对设备运行状态和关键参数的监测记录，包括：①重板给矿机、鄂式破碎机、2台圆锥破碎机、振动筛及4台皮带设备的电机起停控制、电机过载（热继电器状态）的监测及自动联锁;②2个圆锥破碎机稀油站、自动除铁装置、及3台除尘风机起停控制和工作状态监测;③粉矿仓超声波料位计的信号监测;④控制室与现场各车间联络的声光警示信号。

　　本次改造还增加了以下项目：⑤鄂式破碎机、2台圆锥破碎机和轴瓦温度监测;⑥2台圆锥破碎机的电机工作负荷电流监测，以实现恒定负荷控制;⑦1#和3#皮带安装电子皮带秤和变频器，以实现给矿量控制;⑧控制室原有集中操作台和设备就地开关保留，和PLC控制系统通过转换开关进行工作方式切换。

3 系统硬件配置

　　根据前述控制要求，在充分考虑了系统的可靠性、稳定性、通用性基础上，确定本监控系统采用集中式的控制结构，分为3级：过程监控站、PLC控制器和现场电气驱动和信号检测。PLC控制器选用西门子SIMATIC S7-300，该型PLC技术成熟可靠，应用广泛，具有功能强、速度快、模块化等特点，具体配置为：CPU314，带有MPI接口，配64k EPROM存储卡做程序掉电保护;16通道DI模块SM321，5个;16通道DO模块SM322，3个;8通道AI模块SM331，2个;4通道AO模块SM332，1个;考虑系统的总点数和今后扩展的需要，配置了1个扩展机架，主机架和扩展机架之间通过通信模块IM360和IM361通信。监控站采用研华工控机，运行澳大利亚的CitectSCADA过程监控组态软件。S7-300和监控站计算机的通信采用MPI接口，在上位机中安装CP5613通讯卡，通过MPI电缆进行连接。

4 PLC控制功能设计

　　PLC程序是实现整个系统功能的核心，设计内容较多，下面主要介绍生产设备的起停联锁逻辑控制和破碎机恒定负荷控制。

　　4.1设备起停联锁逻辑控制

　　碎矿设备控制具有以下特点：逆流程起动，即先起动4 # 皮带机，后起动重板给矿机;顺流程停机，即先停重板给矿机，后停4 # 皮带机，并根据皮带速度、长度加以延时间隔，以免发生堆料的现象。为保护设备及人员安全，还需要满足较为复杂的联锁关系：①当皮带机、振动筛、圆锥破碎机、颚式破碎机中任一设备发生非正常停车或严重故障时，立即停止上游设备的运行，下游设备保持原工作状态不变;当重板给矿机、除尘器和除铁装置等辅助设备发生故障跳闸时，只向主控室发出故障信号，而不中断系统的运行;②重要设备如圆锥破碎机等受到监测的轴瓦温度、电机负荷电流和稀油站工作参数信号也参与联锁，在信号超限时自动停机，以防止设备受损;③根据皮带机系统的故障性质，进行紧急停机、顺序停机或发出声光报警;④在监控站画面上及操作台都设有“紧急停止”按钮，当出现重大险情和故障时，操作“紧急停止”按钮能立即停止全线设备。

　　系统从安全可靠、灵活高效的原则出发，设置3种控制方式：①计算机控制方式，正常生产时使用，操作员在监控站画面实现设备联动或单动;②操作台控制，是保留系统原来的操作方式，作为监控站失效时的备用;③就地控制，可以用机旁电气开关实现设备的起/停，满足设备检修、试车、紧急事故处理的需要;在PLC柜上设有转换开关和转换预置按钮，可在3种控制方式间进行任意转换。

　　通过对上述控制功能和PLC各个输入输出信号的仔细分析，确定出单台设备的控制逻辑，利用西门子STEP7编程软件编写出梯形图（LAD）程序，见图1。其中，K为控制设备起/停的PLC输出信号，Y为启动逻辑信号，T为停止逻辑信号，由以下信号按一定逻辑关系产生：L ，与该设备有联锁关系的其他设备运行状态;S1，上台设备启动后延时触发信号;S2，转换开关处于计算机控制方式;S3，监控画面单动/联动方式选择按钮，“1”为联动，“0”为单动;S4，监控画面单动按钮;S5，控制方式预转换按钮;S6，转换开关状态，为“1”表示处于就地控制;S7，设备正在运行状态，是中间继电器信号;B1，联动停止信号，由上台设备停止后触发产生;B2，监控画面停止按钮;D1，预转换过程结束信号，“1”表示转换结束，由定时器延时触发;B3，监控画面紧急停止按钮;B4，操作台紧急停止按钮;S8，与该设备存在联锁关系的其他设备运行状态;S9，该设备PLC控制输出状态，为“1”表示PLC控制线路接通。

图1 单台设备起/停控制梯形图

　　4.2 破碎机恒定负荷控制

　　Nordberg HP 圆锥破碎机是本次项目改造中的关键设备，为使其稳定在佳工作负荷状态，达到大处理能力，采用恒定功率控制方式，以主传动电机的功率（电流）作为被控参数，通过变频调速，动态调整给矿皮带给矿量的大小。经实验分析发现，若仅以电机功率作为被控参数构成单回路控制系统，由于给矿皮带的传输需要一定的时间，即存在纯滞后，当给矿量扰动发生后，将导致调节作用大大滞后，且易发生振荡，系统动态品质难以保证。为了克服系统的纯滞后，决定采用串级控制：在给矿皮带上安装电子皮带秤，以给矿量为副参数，主传动电机的功率为主参数构成串级控制系统，见图2。

图2 圆锥破碎机恒定负荷控制方框图

　　由图可见，当粒度、硬度、黏度等因素发生变化引起给矿量扰动发生时，给矿串级控制系统多了一个副回路，不等扰动影响到负荷功率，副回路立刻进行调节，从而具有较强的抗扰动能力，提高了系统的动态特性和主参数的控制质量。

5 监控站人机界面设计

　　监控软件采用澳大利亚的CitectSCADA组态软件。CitectSCADA采用开放式结构，支持多种型号的PLC和I/O设备，只要在组态时设置PLC类型和通信参数，并在监控画面的控件属性中设置正确的PLC位地址或字地址，监控软件就能建立起与PLC内部地址的连接和通信。我们利用它强大的图形组态技术和丰富的用户函数，设计了以下功能：①流程监控画面（见图3），通过动态、变色、闪烁、数字、棒图及曲线的方式实时监视各电气设备、工艺参数的工况，操作人员点击画面按钮可以实现全线设备单动起/停、联动起/停、紧急停车、现场询问等控制功能;②生产数据统计，对设备的起/停时间，班运转时间、起/停次数累计等信息自动记录并显示，对于合理安排生产和设备检修具有重要意义;③自动报表，将生产统计数据按生产班次定时打印;同时，在监控画面设计了报表打印按钮，可以在任何需要的时候进行打印;④在线操作指导，采用bbbbbbs超级链接文本帮助的形式，向操作人员提供了方便、快捷的查找关于生产工艺操作、软件使用方法和设备维护等信息;⑤报警功能，在每幅画面上都有报警标志，设备故障、工艺参数异常都会触发相应的报警，每个报警都有详细的说明和原因解释，并有完善的报警确认、报警屏蔽和报警历史记录;⑥权限安全设置，通过设置工程师和操作员2级权限，明确了生产操作和管理职责，防止了误操作，有效的增强了系统的安全性、可靠性。

图3 流程监控画面

6 运行效果

　　目前本控制系统已成功投入使用，取得了良好的效果：①生产效率显著提高。破碎机恒定负荷控制后，挤满给矿率由人工操作的60 %左右提高到90 %以上，主机运行负荷功率由人工操作的170 kW（主机电流28 A）左右，稳定提高到200 kW（主机电流33 A） 以上，处理能力得到充分发挥，台时处理量提高15 %，综合电耗降低了13%;②设备得到有效保护。破碎机负荷电流和轴温信号受到监控，一旦超限会及时报警和联锁制动，从而解决了因为堵料造成电机超载、皮带烧毁以及爆轴的问题;③系统故障率明显下降，维护工作大大减少，设备稳定运转得到充分保障;④减少了人员编制，仅需要2人就完成相当以前5人的工作。

：本文介绍了采用Siemens S7-300 PLC实现污水模拟生成装置的控制。包括控制系统的结构、任务分配及实现、控制方式及程序设计等。装置运行表明，该系统大大提高了运行的稳定性、经济性，收到了满意的控制效果。

关键词：污水处理、PLC、PID控制、PH值

　　随着经济的快速发展，作为生命之源的水资源也受到了日益严重的污染。在欧洲和北美约20-30%的人口利用小型污水处理系统，而我国有80%的人口分布在农村，城市郊区也有很多城市管网难以延伸到的地方，在人口密度较低的城镇地区，下水道使用效率较低的地方，发展小型污水处理装置更具现实意义。本文设计了污水处理实验装置的前置部分——污水模拟生成装置，此装置可以通过不同的配料量和配料组合方式，模拟生成现实生活中各种不同成分的污水，从而可以根据小城镇特点在后续的污水处理实验装置中研究和采用相适应的处理装置和处理工艺，避免延用或照搬大、中型规模的城市污水处理工艺及设计参数，进而避免造成工程投资和运行费用过高[1]。

　　针对上述情况，开发出污水模拟生成装置的控制系统。此系统具有控制精度高、配置简单、操作方便等特点。

1 污水模拟生成工艺

　　污水模拟生成装置由污水发生器、储液箱和应急箱三部分组成，如图1所示。

图1 污水模拟生成装置原理图

　　污水发生器将清水及其他物质（包括酸、碱、油脂、碳如蔗糖、鸟粪等）通过两个搅拌电机进行预混和混合。储液箱用作模拟生活污水的暂存单元，以保证上游来水中断时，后续工序仍能实现连续工作。应急箱中为检测到的不合格污水，在实验需要时可作为干扰信号由变量泵定量返回到污水发生器中。

　　控制系统通过智能仪表对污水的液位、PH值、电导率值、流量值等模拟量及各种开关位置的数字量进行自动检测，并将检测结果上传给下位机PLC，经数据计算处理后，送至各执行机构实行相应操作。

2 系统的硬件组成

　　根据污水模拟生成装置的操作和控制要求，控制系统由西门子S7-300系列CPU314PLC、SM321数字量输入模块、SM322数字量输出模块、SM331模拟量输入模块以及SM322模拟量输出模块等组成[2]。其硬件配置如图2所示。

图2污水模拟生成装置控制系统PLC及功能模块组成

3 模拟量的控制

　　系统的模拟量主要包括PH值、电导率值、流量、温度、液位等。本文将传统的PID控制与PLC的逻辑判断指令相结合，使PID的控制更加灵活。

　　以PH值的控制为例，在进行PID调节时，比例调节反映系统偏差的大小，只要有偏差存在，比例调节就会产生作用，以减少偏差。微分调节根据偏差的变化趋势来控制，以改善系统的动态响应速度。积分调节根据偏差积分的变化来控制，对系统的控制有滞后的作用，以消除静态误差。增大积分时间常数可提高静态精度，但积分作用太强，特别是在系统偏差较大时会使系统超调量较大，甚至引起振荡。因此本系统采用如下控制策略，组成智能控制系统。图3为 PH值偏差不同的控制策略

图3 PH值偏差不同的控制策略

　　1）实际PH值低于PH1时，为加快响应速度，加碱流量阀全开，加酸流量阀关闭。

　　2）实际PH值位于[PH1～PH2]范围内时，为避免积分饱和，分离积分项，采用PD控制加碱流量，加酸流量阀关闭。

　　3）实际PH值位于[PH2～PH3]范围内时，采用自适应PID控制加碱流量，加酸流量阀关闭。图4为PH值的自适应控制

图4 PH值的自适应控制

　　当实测PH > PH0+§且在采样周期中，PH值持续上升，则加碱流量阀关闭（a→b，g→h）;PH < PH0-§且在采样周期中，PH值持续下降，则加碱流量阀接通（d→e）;其他情况实行PID控制。（死区阀值§本系统设为0.2）。

　　这种控制方法不仅考虑了实测PH值和设定PH值的偏差，而且考虑了实测PH值的变化趋势，可减少超调波动，具有自适应效果。

　　4）实际PH值位于[PH3～PH4]范围内时，采用PD控制加酸流量，加碱流量阀关闭。

　　5）实际PH值高于PH4时，为加快响应速度，加酸流量阀全开，加碱流量阀关闭。

4 PLC软件实现

　　S7-300的用户程序由组织块（OB）、功能块（FC、FB）、数据块（DB）构成。其中OB1块是操作系统与用户应用程序在各种条件下的接口界面，用于控制程序的执行[3]。OB100为系统初始化程序块，系统启动时首先要调用（只调用一次）该程序块，将某些内存地址单元清零。功能块FC1～FC8分别用作起停、液位调节、PH值和导电率调节等子程序块。数据块用于存放从PLC的模拟量输入模块接收来的数据以及对这些数据的处理[4]。PLC流程图见图5。

　　其中各子程序的功能如下：

　　取数据子程序：将来自于PLC模拟量输入模块的数据经过处理变成工程量并存放于数据块中。

　　液位调节子程序：将污水发生器内的液位给定值与超声波液位传感器的检测值进行PID调节运算，运算结果作为流量大小的调节信号，使液位维持在合理范围内;将清水、应急箱废水流量给定值与检测值的偏差进行PID调节运算，运算结果作为电磁阀开口度的调节信号，使水流量维持在一定范围内，从而使液位满足要求，此控制属于级联控制。

　　PH值和导电率值调节子程序：将PH给定值、导电率给定值与检测值的偏差进行PID调节运算，运算结果作为加料口电磁阀开口度以及输送机电机电压调节信号，使PH值和导电率在合格范围内。

　　本系统使用FB10块作为PID调节子程序块，运算过程中为了保证精度，所有参数均以4字节浮点数表示。

图5 PLC程序流程图

5 人机界面设计

　　上位机采用bbbbbbsXP操作系统，用西门子的WinCC组态软件开发设计人机界面和监控程序。操作人员可通过本地人机界面的薄膜键盘和硬件开关，向下位机发出各种控制命令。同时程序完成由主从控制单元实时采集，处理模拟量、开关量、报警数据和操作数据，定时归档历史数据，实时记录、故障及开关变化信息，对操作人员所作的操作进行记载和输出打印。操作人员可在流程界面上对污水生成箱的液位进行监视，根据实验条件的不同以不同级别用户权限登陆到参数设定界面进行污水PH值的修改或设定[5]。

6 本文作者的创新点

　　可编程控制器（PLC）和计算机（PC）的联合应用简化了现场操作，提高了控制精度和人机界面的灵活性，同时也提高了控制系统的稳定性和安全性，具有广阔的应用前景。本文将传统的PID控制与PLC的逻辑判断指令相结合，使PID的控制更加灵活。该系统投运以来，运行效果较好，大大提高了小型污水处理试验装置的自动化水平。