西门子6ES7222-1BF22-0XA8全年质保
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1、 引言
触摸屏是一种新型可编程控制终端，是新一代高科技人机界面产品，适用于现场控制，可靠性高，编程简单，使用维护方便。在工艺参数较多又需要人机交互时使用触摸屏，可使整个生产的自动化控制的功能得到大大的加强。
PLC有着运算速度高、指令丰富、功能强大、可靠性高、使用方便、编程灵活、抗干扰能力强等特点。近几年，随着科学技术的不断进步，各行业对其生产设备和系统的自动化程度要求越来越高，采用现代自动化控制技术对减轻劳动强度、优化生产工艺、提高劳动生产率和降低生产成本起着很重要的作用。触摸屏结合PLC在闭环控制的变频节能系统中的应用是一种自动控制的趋势。
触摸屏和PLC在闭环控制的变频节能系统中的使用，可以让操作者在触摸屏中直接设定目标值（压力及温度等），通过PLC与实际值（传感器的测量值）进行比较运算，直接向变频节能系统发出运算指令（模拟信号），调节变频器的输出频率。并可实时监控到被控系统实际值的大小及变频器内的多个参数，实现报警、记录等功能。一般PLC结合触摸屏的闭环调节的变频节能系统如下图所示。
2、闭环控制的变频节能系统用途很广，各种场合的变频节能系统的拖动方式及控制方式各有不同，具体应用时应根据实际情况选择设计。下面列举一些：
中央空调节能：冷冻泵、冷却泵、主机、却塔风机、风机盘管等。
恒压供水：水厂一、二级泵，供水管网增压泵、大厦供水水泵等
锅炉：引风机、送风机、给水泵等，变频节能系统的控制调节预处理信号由锅炉自动控制系统、DCS或多冲量控制系统给出。
汽轮机：循环泵、凝结泵等，其控制调节预处理信号由汽轮机自动控制系统及DCS给出。
纯水处理系统：软化水泵、增压泵等。
洁净室：增压风机、FFUqunkong等等。
3、整个闭环控制的变频节能系统的组成设备及其作用：
(1)PLC选用SIEMENS公司的S7-200系列：由CPU224XP、DI/DO模块、AI/AO模块组成。PLC作为控制单元，是整个系统的控制核心。其主要的作用要体现以下几方面：
①完成对系统各种数据的采集以及数字量与模拟量的相互转换。
②完成对整个系统的逻辑控制及PID调节的运算。
③向触摸屏提供所采集及处理的数据，并执行触摸屏发出的各种指令。
④将PID运算的数据结果转换成模拟信号，作为调节变频器的输出频率的控制信号。
⑤通过通信电缆及USS4协议完成对变频器内部参数读写及控制。
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(2)触摸屏采用SIEMENS公司MP370： 其主要作用如下:
①可实时显示设备和系统的运行状态。
②通过触摸向PLC发出指令和数据,再通过PLC完成对系统或设备的控制。
③可做成多幅多种监控画面，替代了传统的电气操作盘及显示记录仪表等，且功能更加强大。
(3)变频器：采用SIEMENS公司440系列，通过USS4协议可由触摸屏通过PLC设置其内部的部分参数，根据PLC发送过来的数据（模拟量）值调节水泵或风机的转速，并将其内部运行参数反馈到PLC。
(4)压力、温度等传感器：将被控制系统（水系统或风系统）的实际参数值转变成电信号上传至PLC。
(5)电气元件：给PLC、触摸屏、变频器及传感器等供电，完成各种操作及驱动等。
4、 触摸屏画面设计
触摸屏画面由ProTool等专用软件进行设计，然后先通过编程电脑调试，合格后再下载到触摸屏。触摸屏画面总数应在其存储空间允许的范围内，各画面之间尽量做到可相互及强制切换。
（1）主画面的设计
一般的，可用欢迎画面或被控系统的主系统画面作为主画面，该画面可进入到各分画面。各分画面均能一步返回主画面。若是将被控主系统画面作为主画面，则应在画面中显示被控系统的一些住要参数，以便在此画面上对整个被控系统有大致的了结。
（2）控制画面的设计
该种画面主要用来控制被控设备的启停及显示变频器内部的参数，也可将变频器参数的设定做在其中。该种画面的数量在触摸屏画面中占的多，其具体画面数量由实际被控设备决定。
（3）参数设置页面的设计
该画面主要是对变频器的内部参数进行设定，同时还应显示参数设定完成的情况，实际制做时还应考虑加密的问题。
（4）实时趋势页面的设计
该画面住要是以曲线记录的形式来显示被控值、变频器的主要工作参数（如输出频率）等的实时状态。
（5）信息记录页面的设计
该画面主要是记录可能出现的设备损坏、过载、数值超范围和系统急停等故障。另外该画面还可记录各设备启停操作，作为凭证。
（6） 节能画面的设计
该画面主要是记录和显示变频器的累积用电数及实时节电状态，以便向用户展示变频节能的好处，也可用来与其它的节电测量作比较。
5、 PLC程序设计
PLC程序由S7-200专用编程软件进行设计，然后通过编程电脑下载到PLC进行联机调试，合格后即可使用。PLC在编程前应先对各功能程序段的地址进行规划，以免重复使用同一地址，造成误动。
（1）逻辑功能的设计
这部分程序主要是完成各变频器、水泵（或风机）的启动停止、联动、联锁及自动投切等等功能，一般在离线状态下就能完成软件逻辑功能的测试。
（2）PID功能的设计
通过S7-200中的PID向导可完成PID调节程序，具体应用时需根据实际被控设备及采样设备决定其配置。
（3）采样程序的设计
采样元件使用标准配置时，应注意采样A/D转换后的具体数据是否与PID及显示等程序配套，实际制做时还应考虑采样是多路且相关联的情况。
（4）PLC与变频器通信程序的设计
SIEMENS S7-200PLC与SIEMENS 430等变频器的通信一般使用USS4协议程序来完成，该程序的主要目的是监控变频器的实时运行状态。
（5）其它辅助程序的设计
PLC程序在实际编程过程中，需考虑对一些程序进行修补，尽量减少程序漏洞，反复推敲，不断的总结完善。
结束语
在闭环控制的变频节能系统中采用触摸屏可以使用户简单直观监控整个中央空调变频节能系统及与其相关联的设备和系统，提高了整个被控系统以及企业的自动化程度和硬件档次。随着微电脑技术的不断发展，触摸屏本身的成本也在不断的降低，再与PLC在系统中使用，实现了整个被控系统自动化程度的质的飞跃，这必将使触摸屏与PLC被更多的应用在未来的各种生产系统中，并成为自动化控制发展的一个亮点。
近几年随着我国经济建设的快速发展，在能源供应上很多地区都出现电力资源紧缺的状况，因此许多电厂纷纷进行新建或扩建改造。深圳西部电厂原有4台(#1-#4)300MW 机组，为提高发电能力又续建#5、#6机组(2×300MW)。西部电厂原有两列化学水处理系统，续建工程的化学水处理系统扩建一列100~140m3/h化学除盐系统，其余设备与已有化学水处理系统共用。原有化学水处理系统使用传统的模拟屏方式进行监控，自动化水平不高并且效率很低。续建2台机组后，废除原有化学水处理系统的控制系统，将原有化学水处理系统和扩建的一列化学水处理系统统一采用一套冗余PLC控制系统进行集中控制。
2 化学水处理系统工艺流程
2.1 化学水处理系统流程
原有化学水处理系统流程为:自来水→蓄水池→升压泵→活性炭过滤器→阳离子交换器→除二氧化碳器→中间水箱→中间水泵→阴离子交换器→混合离子交换器→除盐水箱→除盐水泵。通过对现有系统运行状况的现场调查和对水质分析报告分析，自来水中的悬浮物含量较高，严重地污染了活性炭和离子交换树脂。因此，续建工程增加3台高效纤维过滤器对自来水进行深度过滤处理。
续建化学水处理系统流程为:自来水→蓄水池→升压泵→高效纤维过滤器→活性炭过滤器→阳离子交换器→除二氧化碳器→中间水箱→中间水泵→阴离子交换器→混合离子交换器→除盐水箱→除盐水泵。
2.2 续建工程与原有系统的连接及运行方式
原有120t/h出力的一级除盐+混床设备2列，续建工程仅再扩建1列出力为120t/h的同样设备。除盐水泵、再生水泵、压缩空气系统、酸碱再生系统和废液处理系统与原有系统共用。
3台高效过滤器采用并联运行方式，正常工况2台运行，1台备用。高效过滤器不仅对续建工程所需的自来水进行预处理，而且对原有系统的自来水也进行预处理。
2台活性炭过滤器和一级除盐设备构成一个系列，采用串联运行方式，正常工况2列运行，一列备用。其中每系列的2台活性炭过滤器，当水质好时1台运行(去除游离余氯)，1台备用;当进水水质恶化时2台同时运行(去除有机物)。
混床采用并联，正常工况2台运行，1台备用。
3套一级除盐单元与3台混床之间设有切换阀门，受已有系统的限制，仅#1一级除盐设备和#1混床与#2一级除盐设备和#2混床可以同时交叉运行，#1一级除盐设备和#1混床与#3一级除盐设备和#3混床可以同时交叉运行。机组启动时，上述3列设备同时投入运行，满足大的补给水量。
3 系统配置
系统由两台上位计算机和一套冗余PLC系统构成。上位计算机系统采用工业级计算机构成功能强大的监测与控制系统，计算机上安装Inbbblution公司的FIX7.0工业监测与控制系统软件，通过合理的系统设计和系统组态，实现对整个化学水处理工艺流程的动态监视和控制。通过上位计算机系统和强大的工业控制传输网络，实现对整个生产工艺工程的自动化管理和控制。
PLC选用Siemens公司S7400冗余控制器，控制系统采用双机热备冗余方式，通过远程I/O的方式连接现场需要监测与控制的点，远程I/O由EM200通讯处理器和S7300系列I/O模块组成。冗余的主控制站可以保证系统的停机维护时间为零，大限度的减少人对系统的干预。主控制系统热备系统和远程I/O控制站之间采用高性能的冗余Profibus工业总线传输网络，实现信息的可靠、安全、稳定的传输。Profibus是一种高速和便宜的现场总线，它专门设计为自动控制系统和设备级分散的I/O之间进行通信使用，大传输速率可达12Mbps。
上位计算机系统安装CP1613通讯卡，与PLC控制单元之间采用工业以太网传输网络。以太网属，工业以太网已达到高传输安全性和可靠性要求，现已广泛用于程序维护、向MIS和MES系统传递工厂数据、监控、连接人机界面、记录事件和告警。工业以太网具有高传输速率(目前达到100Mbps)、集线器技术的确定性、不需考虑网络的拓扑结构、传输物理介质多样(双绞线、光纤、同轴电缆)、集线器的应用可不考虑网络的扩展等优点。
通过以太网络将上位计算机系统和现场监测与控制点紧密的结合为一个整体，构成一个完整的系统。在这样高速传输网络上，可以很方便的利用PLC系统所特有的功能，实现对整个控制系统的计算机在线远程诊断功能。图1为系统网络结构图。
图1 系统网络结构图
4 控制功能
水处理系统所有控制阀采用就地和远程控制方式，即使在程控系统完全故障的情况下还可以通过就地控制实现手动制水，保证机组锅炉的可靠用水。控制箱上选用3位选择开关，分别为就地开、就地关、远程控制。选择远程控制时，控制阀由操作员在操作站上控制。操作员可以在操作站对控制阀进行状态监视和动作控制，对控制阀的控制可分选择自动和手动方式。在自动方式时控制阀受PLC逻辑程序控制，在手动方式时控制阀由操作员直接在操作界面上点击控制。
一级除盐设备的投运和再生由PLC实现自动控制，也可通过键盘和鼠标在控制室内的操作站上进行远方操作。一级除盐设备的出水导电率超过规定值或周期制水量达规定值时，自动解列并报警，然后自动投入再生程序。混合离子交换器的投运和再生由PLC实现自动控制，或者通过键盘和鼠标进行远方操作。当混合离子交换器出水导电率和二氧化硅超过规定值，或周期制水量达规定值时，自动解列并报警，然后自动投入再生程序。高效过滤器和活性碳过滤器由PLC实现自动控制，也可采用键盘和鼠标在控制室内的操作站上进行远方操作。当其进出口压差超过规定值，或周期制水量达规定值时，自动解列并报警，然后自动投入反洗程序。以上操作以前都由操作人员执行，执行新系统后上述操作都可以不需要操作人员干预。图2示出操作界面。
图2 操作界面
中间水箱水位由PLC实现自动控制(通过调节阳床入口调节阀)，使一级除盐系统投运时中间水箱水位稳定在正常位置。中间水泵启停与中间水位联锁，低液位启泵、高液位停泵，保证中间水泵的安全使用。
阀门、泵等的控制状态显示，自动/手动/就地操作和选择联锁。系统所有流量、压力可在操作界面上实时监视，原水流量、阴床出口流量、混床出口流量显示积算并作历史纪录，可分别查看一级除盐、混床再生制水量。
系统控制每列除盐装置的投运、停止和再生程序、自动加酸加碱程序、自动/半自动启动另一列除盐装置程序等。对于顺控设置必要的分步操作、成组操作或单独操作等，并有跳步、中断或旁路等操作功能。系统投运以及活性炭清洗、一级除盐再生和混床再生可由系统自动完成或操作员步延、步进手动干预，在操作站界面上显示各步骤设定时间和剩余时间以及步进、步延指示等。
5 结束语
深圳西部电厂化学水处理系统全部改造完成后于2003年7月正式投运，经过改造后自动化控制水平明显提高，制水量由原先的平均每小时120m3提升到平均每小时140～160m3，完全保证了6台发电机组的用水需要。由于控制水平的提高，制水过程中产生的废水量明显减少，起到了一定环保节能效果。系统高度的可靠性和直观简易的操作性使得控制中心值班室由原来的2人值班该为1人值班，大大节约了人力成本。该系统建成后运行可靠，生产效率明显提高，因此受到用户的好评，并经常成为其它电厂同行参观效仿的对象。
1．1机械手动作原理及示意图
机械手动作示意图如图1所示。其全部动作由汽缸驱动，而汽缸又由相应的电磁阀控制。其中，上升／下降和左移／右移分别由双线圈两位电磁阀控制。下降电磁阀通电时，机械手下降；下降电磁阀断电时，机械手下降停止。只有上升电磁阀通电时，机械手才上升；上升电磁阀断电时，机械手上升停止。同样，左移／右移分别由左移电磁阀和右移电磁阀控制。机械手的放松／夹紧由一个单线圈(称为夹紧电磁阀)控制。该线圈通电，机械手夹紧；该线圈断电，机械手放松。
当机械手右移到位并准备下降时，为确保安全，必须在右工作台上无工作时才允许机械手下降。也就是说，若上一次搬运到右工作台上的工件尚未搬走时，机械手自动停止下降。
图1机械手动作示意图
1．2机械手动作过程
机械手的动作过程如图2所示。从原点开始按下启动按钮时，下降电磁阀通电，机械手开始下降。下降到底时，碰到下限位开关，下降电磁阀断电，下降停止；同时接通夹紧电磁阀，机械手夹紧，夹紧后，上升电磁阀开始通电，机械手上升；上升到顶时，碰到上限位开关，上升电磁阀断电，上升停止；同时接通右移电磁阀，机械手右移，右移到位时，碰到右移极限位开关，右移电磁阀断电，右移停止。此时，右工作台上无工作，则光电开关接通，下降电磁阀接通，机械手下降。下降到底时碰到下限位开关下降电磁阀断电，下降停止；同时夹紧电磁阀断电，机械手放松，放松后，上升电磁阀通电，机械手上升，上升到极限时碰到极限位开关，上升电磁阀断电，上升停止；同时接通左移电磁阀，机械手左移；左移到原点时，碰到左极限开关，左移电磁阀断电，左移停止。至此，机械手经过八步动作完成一个循环。
图2机械手动作过程
1．3机械手操作方式
机械手的操作方式分为手动操作方式和自动操作方式。自动操作方式又分为单步、单周期和连续操作方式。
手动操作：就是用按钮操作，对机械手的每一种运动单独进行控制。例如：当选择上／下运动时，按下启动按钮，机械上升；按下停止按钮，机械手下降。当选择左／右运动时，按下启动按钮，机械手左移；按下停止按钮，机械手右移。当选择夹紧／放松运动时，按下启动按钮，机械手夹紧；按下停止按钮，机械手放松。
单步操作：每按一下启动按钮，机械手完成一步动作后自动停止。
单周期操作：机械手从原点开始，按下启动按钮，机械手自动完成一个周期的动作后停止。在工作中若按一下停止按钮，则机械手动作停止。重新启动时需用手动操作方式将机械手移回到原点，然后按一下启动按钮，机械手又开始重新单周期操作。
连续操作：机械手从原点开始，按一下启动按钮，机械手将自动地、连续地周期性循环。在工作中若按一下停止按钮，则机械手停止工作。重新启动时，必须用手动操作将机械手移回到原点，然后按下启动按钮，机械手又开始重新连续工作。在工作中若按下复位按钮，则机械手将继续完成一个周期的动作后，回到原点自动停止。
2用户所需输入／输出设备的确定
2．1输入设备——用于产生输入控制信号
本设计中输入设备应包括以下几种：①操作方式转换开关，该开关应有手动、单步、单周期、连续等四个位置可供选择。②手动时的运动选择开关。该开关应有上／下、左／右、夹紧／放松三个位置可供选择。③启动、停止及复位按钮。开关及按钮在操作屏上的布置如图3所示。④位置检测元件。机械手的动做是按行程原则进行控制的，其上限、下限、左限、右限的位置分别用限位开关来检测。
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图3操作屏布置
2．2输出设备——由PLC的输出信号驱动的执行元件
本设计中输出设备应包括下降电磁阀、上升电磁阀、左移电磁阀、右移电磁阀、夹紧电磁阀等部分。为了对机械手原点位置进行指示，还要配置一个原点指示灯。
根据所确定的用户输入设备及输出设备可知，PLC共需要15点输入、6点输出。
3PLC的选择
该控制系统要实现的是步进控制，可以选择使用一般PLC，用移位寄存器和移位指令宋编程，由于所需的I／O点数为15／6点，考虑机械手操作的工艺是固定的，PLC的I／O基本上可不留余量。考虑经济、维修等因素可选择F1／F2系列可编程控制器。
F1／F2系列PLC的CPU为8039单片机芯片，执行时间为12／步，F1系列容量为1K。F2系统容量为2K步。储存方式有机内RAM、EPROM、EEPROM。输入为直流24V。输出有继电器、晶体管和可控硅三种输出方式。
F1／F2系列PLC大I／O点数为120点，可任意组合。用模拟量单元F2-6A-E后可进行模拟量控制。其中一台F2-6A-E可处理四路A／D、2路D／A。一台30点以上的主机可带三个模拟量单元，共计可处理12路A／D、6路D／A，且不占用开关量点数。用定位控制单元F2-30GM可进行位置控制，驱动伺服电机或步进电机。F1／F2系列PLC除可用简易型编程器外，还可进行图形编程，用IBM计算机或其他兼容机进行编程。经综合考虑，可选择F1／40M可编程控制器。
4PLC的程序设计
图4为机械手控制总程序结构框图。在该结构框图中，当操作方式选择开关置于“手动”时，输入点X407接通，其输入继电器常闭接点断开，执行手动操作程序。
图4总程序结构框图
当选择开关置于“单步”、“单周期”、“连续”时，其对应的输入点X410、X411、X412接通，其输入继电器常闭接点断开，执行自动操作程序。
在执行自动操作程序时，如操作选择开关置于“连续”时，启动后辅助继电器M200接通，程序自动循环。操作开关置于“单步”时，M200同样接通，程序也可以循环，但必须是每按一次启动按钮执行一步。如果操作开关置于“单周期”或运行过程中按下复位按钮时，则辅助继电器M200复位，程序执行完一个周期(即机械手回到原点)时自动停止。由于手动程序和自动程序采用了跳转指令，因此这两个程序段可以采用同一套输出继电器。
5结语
该机械手在改用PLC控制以前，采用传统的继电器控制，其控制线路复杂，继电器多；采用本程序控制之后，控制线路简单化，省去了全部继电器，安装十分方便，并且保证了系统运行的可靠性，减少了维修量，提高了工效，社会经济效益得到明显提高
