西门子6ES7223-1PM22-0XA8一级代理

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、前言

可编程控制器（plc）是以微处理器为核心，综合了计算机技术、自动控制技术和通信技术而发展起来的一种新型、通用的自动控制装置。具有结构简单、性能优越、可靠性高、灵活通用、易于编程、使用方便等优点。近年来，在工业自动控制、机电一体化、改造传统产业等方面得到了广泛的应用。

随着我国自动化技术和仪表检测技术的发展，自动调节仪表逐渐被污水处理厂所采用。尤其是近几年来，我国新建城市污水处理厂大都采用了目前较为先进的可编程控制器系统。一些利用外资兴建的污水处理厂也越来越多，它们几乎都采用了可编程控制系统，大大缩短了我国污水处理厂与世界上先进发达国家污水处理厂在自动控制领域的距离。1996年投入生产的河北保定污水处理厂也是其中的一个。

2、plc的主要特点

由于控制对象得复杂性，使用环境的特殊性和运行工作的连续长期性，使得plc在设计结构上具有许多其他控制器所无法相比得特点：

①可靠性高，抗干扰能力强
②通用性强，使用方便
③程序设计简单、易学、易懂
④采用先进的模块化结构，系统组合灵活方便
⑤系统设计周期短
⑥安装简便，调试方便，维护工作量小
⑦对生产工艺改变适应性强，可进行柔性生产

综合以上特点可见，plc的诸多特点正是迎合了广大用户的需求，弥补了其他控制器的不足。因而在冶金、能源、化工、交通、电力等领域得到了越来越广泛的应用。在现代自动化的污水处理厂更是不可缺少。污水处理厂的过程控制都有一个共同的特点，就是开关量多，模拟量少。以逻辑顺序控制为主，闭环回路控制为辅，因此，以次见长的可变成逻辑控制器在污水处理中得到了广泛的应用。

3、基本组成
①cpuplc的控制中枢，它由控制器和计算器组成，plc在cpu的控制下使全机有条不紊的协调工作，以实现对现场的各个设备进行控制。
②存储器 plc系统中的存储器主要用于存储系统程序，用户程序和工作状态数据。
③输入输出模块 生产过程中有许多控制变量，如温度、压力等plc与工业生产过程的联系是通过i/o模块实现的。
④编程器plc的重要外部设备，通过它将用户编写的程序送到plc的用户程序存储器，因为它的任务就是：输入程序、调试程序和监控程序的执行过程。

4、工作原理
plc的工作方式与微型计算机相比有较大的不同。plc不是利用微型计算机中的中断处理方式，而是采用循环扫描的工作方式。cpu按照系统程序所赋予的功能，接收并把用户程序和数据存在ram中，系统上电后，它按扫描方式开始工作，从条用户指令开始，逐条扫描并执行直到后一条用户指令为止。它不停地进行周期性扫描，没扫描一次，用户程序就被执行一次，
由于plc扫描用户程序的时间一般只有几十ms，因此可以满足大多数工业控制的需要，而且响应速度远远高于其他控制器。plc按扫描的方式执行程度是基本的工作方式，也是主要的。这种工作速度不仅适应于工业生产中80%以上的控制设备要求，就是在具有快速处理的高功能plc中，其主程序还是以扫描方式执行的。

5、现代污水处理厂
在此我们以河北省保定市银定庄污水处理厂举例说明。
保定银定庄污水处理厂采用二级分布式计算测控管理。由中心控制室的计算机对全厂监控主要工艺设备的运行，采集工艺参数和设备运行状态信息，必要时对工艺过程进行干预，发出指令，有相应的plc执行。系统的基本组成由下图所示：

保定银定庄污水处理厂自动化系统采用了4台芬兰alfalaval公司生产的系列plc控制现场的一次设备，配置为开放式的网络通信平台，支持串口通信，现场总线通信。操作员站选用了两台康柏工控机，软件开发平台选用的是sattgraph组态软件。本系统具有上位机监控功能和模拟盘监控功能，两者互为热备用方式并列运行

每个可编程控制器均采用标准的模块式结构，由电源、处理器、接口、输入输出模块和通讯模块组成，它们之间通过sattbus总线连接，每个plc均采用相同的编程方法，有利于程序的编写和扩散。plc工作方式为循环法，即每个周期扫描输入端口一次，读入输入模拟量和数字量，输入程序制定的存储单元，按照程序设计对每个模块进行检查，如发现错误则运行相应错误管理程序并报警。如各个单元正常，则通过输出模块管理各个设备的工作状态，控制机器运行，同时，对这个周期的输入输出数据进行保存，通过sattbus总线传递到上位机，进行数据曲线显示和报表打印。设在现场的plc根据既定的程序，对其管辖区域中的工艺和电气设备进行控制，可用编程器对程序进行修改，一经确认，系统可按新的程序有规律的运转。

该方案配置体现了分散控制系统的优点，即控制功能分散，操作管理集中。控制功能分散意味着系统实时相应快和系统危险分散，操作管理集中便于集中管理。

下图为可编控制器用于泵站水位控制的示意图：

在污水处理厂进水泵站，回流污泥泵站，为了保持水泵的高效率运行，常常对其水池液位进行控制，，如下图所示，用一台液位计来测量进水泵站积水池的液位，并将该液位信号送入可编程控制器系统，由可编程控制器根据液位高低来控制泵的开、停，使进水池液位保持在一定的范围内。在该系统中，输入/输出plc的信号包括：液位信号输入（模拟量输入）、每台泵的运行状态信号（开、停或报警，开关量输入）、开/停泵的控制信号（开关量输出）。

泵站水位控制

保定市银定庄污水处理厂一期工程自1996年投产运行以来，日处理污水量8万吨，生活污水占65％，工业污水35％，至今已正常运行七年，自动控制系统运行良好自动控制显著，可编程控制器与工控机的有机结合以及计算机网络的应用大大提高了生产现场的自动化控制水平和管理水平。

6、前景

随着工业自动化、计算机集成技术的飞速发展，plc也在向高功能、高速度、大容量发展，plc系统的的应用范围和应用规模也将会越来越大。城市污水处理工程的建设正以前所未有的速度发展，大大加快了我国工业自动化的进程。

1、引言
　　近年来可编程序控制器(plc)以及变频调速技术日益发展，性能价格比日益提高，并在机械、冶金、制造、化工、纺织等领域得以普及和应用。为满足温度、速度、流量等工艺变量的控制要求，常常要对这些模拟量进行控制，plc模拟量控制模块的使用也日益广泛。
　　通常情况下，变频器的速度调节可采用键盘调节或电位器调节方式，但是，在速度要求根据工艺而变化时，仅利用上述两种方式则不能满足生产控制要求，因此，我们须利用plc灵活编程及控制的功能，实现速度因工艺而变化，从而保证产品的合格率。
　　2、变频器简介
　　交流电动机的转速n公式为： 
　　式中:f—频率;
　　p—极对数;
　　s—转差率(0～3%或0～6%)。
　　由转速公式可见，改变三相异步电动机电源频率，可以改变旋转磁通势的同步转速，达到调速的目的。额定频率称为基频，变频调速时，可以从基频向上调(恒功率调速)，也可以从基频向下调(恒转距调速)。因此变频调速方式，比改变极对数p和转差率s两个参数简单得多。同时还具有很好的性价比、操作方便、机械特性较硬、静差率小、转速稳定性好、调速范围广等优点，因此变频调速方式拥有广阔的发展前景。
　　3、plc模拟量控制在变频调速的应用
　　plc包括许多的特殊功能模块，而模拟量模块则是其中的一种。它包括数模转换模块和模数转换模块。例如数模转换模块可将一定的数字量转换成对应的模拟量(电压或电流)输出，这种转换具有较高的精度。
　　在设计一个控制系统或对一个已有的设备进行改造时，常常会需要对电机的速度进行控制，利用plc的模拟量控制模块的输出来对变频器实现速度控制则是一个经济而又简便的方法。
　　下面以三菱fx2n系列plc为例进行说明。同时选择fx2n-2da模拟量模块作为对变频器进行速度控制的控制信号输出。如图1所示，控制系统采用具有两路模拟量输出的模块对两个变频器进行速度控制。
　　图2为变频器的控制及动力部分，这里的变频器采用三菱s540型，plc的模拟量速度控制信号由变频器的端子2、5输入。
　　3.1系统中plc模拟量控制变频调速需要解决的主要问题
　　(1)模拟量模块输出信号的选择
　　通过对模拟量模块连接端子的选择，可以得到两种信号，0~10v或0~5v电压信号以及4~20ma电流信号。这里我们选择0~5v的电压信号进行控制。
　　(2)模拟量模块的增益及偏置调节
　　模块的增益可设定为任意值。然而，如果要得到大12位的分辨率可使用0~4000。如图3，我们采用0~4000的数字量对应0~5v的电压输出。当然，我们可对模块进行偏置调节，例如数字量0~4000对应4~20ma时。
　　(3)模拟量模块与plc的通讯
　　对于与fx2n系列plc的连接编程主要包括不同通道数模转换的执行控制，数字控制量写入fx2n-2da等等。而重要的则是对缓冲存储器(bfm)的设置。通过对该模块的认识，bfm的定义如附表。
　　从附表中可以看出起作用的仅仅是bfm的#16、#17，而在程序中所需要做的则是根据实际需要给予bfm中的#16和#17赋予合适的值。其中：
　　#16为输出数据当前值。
　　#17:b0:1改变成0时，通道2的d/a转换开始。
　　b1:1改变成0时，通道1的d/a转换开始
　　(4)控制系统编程
　　对于上例控制系统的编写程序如图4所示。
　　在程序中：
　　1)当m67、m68常闭触点以及y002常开触点闭合时，通道1数字到模拟的转换开始执行;当m62、m557常闭触点以及y003常开触点闭合时，通道2数字到模拟的转换开始执行。
　　2)通道1
　　将保存个数字速度信号的d998赋予辅助继电器(m400~m415);
　　将数字速度信号的低8位(m400~m407)赋予bfm的16#;
　　使bfm#17的b2=1;
　　使bfm#17的b2由1→0，保持低8位数据;
　　将数字速度信号的高4位赋予bfm的16#;
　　使bfm#17的b1=1;
　　使bfm#17的b1由1→0，执行通道1的速度信号d/a转换。
　　3)通道2
　　将保存第二个数字速度信号的d988赋予辅助继电器(m300~m315);
　　将数字速度信号的低8位(m300~m307)赋予bfm的16#;
　　使bfm#17的b2=1;
　　使bfm#17的b2由1→0，保持低8位数据;
　　将数字速度信号的高4位赋予bfm的16#;
　　使bfm#17的b0=1;
　　使bfm#17的b0由1→0，执行通道2的速度信号d/a转换。
　　4)程序中的k0为该数模转换模块的位置地址，在本控制系统中只用了一块模块，因此为k0，假如由于工艺要求控制系统还要再增加一块模块，则新增模块在编程时只要将k0改为k1即可。
　　(5)变频器主要参数的设置
　　根据控制要求，设置变频器的运行模式为外部运行模式，运行频率为外部运行频率设定方式，pr.79=2;模拟频率输入电压信号为0~5v，所以，pr.73=0;其余参数根据电机功率、额定电压、负载等情况进行设定。
　　3.2注意事项
　　(1)fx2n-2da采用电压输出时，应将iout与com短路;
　　(2)速度控制信号应选用屏蔽线，配线安装时应与动力线分开。
　　4、结束语
　　上述控制在实际使用过程中运行良好，很好的将plc易于编程与变频器结合起来，当然不同的可编程序控制器的编程和硬件配置方法也不同，比如罗克韦尔plc在增加d/a模块时，只要在编程环境下的硬件配置中添加该模块即可。充分利用plc模拟量输出功能可以控制变频器从而控制设备的速度，满足生产的需要。

　在过程控制中，由于工业现场非常分散，i/o点数众多，各种仪表的工作环境 非常恶劣，采用数据采集卡和labview开发平台来完成现场的数据采集和控制显然不可取。 考虑到过程控制中的过程参数变化不是很快，而plc恰恰可以克服数据采集卡在过程控制 中的不足，并且具有较高的性能比，因而采取以plc为下位机，以装有labvi ew软件的工控机为上位机开发平台，通过rs232或rs485串口与plc通讯，实现对工业现场的 监控与现场数据的分析。这样可以利用labview软件强大的数据处理功能和良好 的人机交互环境通过简单的编程实现上位机的scada功能。

1系统的基本结构
　　现以实验室中的双容水箱对象为例来构建基于labview与plc的过程控制系统。系统结构如图1所示。系统采用omron公司c200hg系列的plc为下位机，用rs232型电缆将ho stbbbb模块直接连到装有labview的工控机的串口上。

2plc与上位机连接系统的通讯
　　上位机与plc之间的通信实际上是计算机与plc通信模块hostbbbb之间交换命 令和响应的过程。上位机具有初始传送优先权，所有通讯均由上 位机启动，不需要plc编写通信程序，hostbbbb能够对上位机发送来的字符串进行分析，检查数据格式，分析指令代码，然后根据指令代码进行相应的操作，并向上位机发出响应信号。通知上位机已完成或反映通信的错误，如奇偶校验错误、fcs错误、代码错误等。在一次交换中传输的命令格式和应 答数据称之为一帧。命令帧要通过用户编写的上位机通讯程序实现，plc的上位链(hostbbbb )单元会根据上位机发来的命令帧自动生成响应帧返回给上位机。



2.1命令帧格式
　　上位机命令格式如下：
　　
　　其中@表示一帧的开始。节点号是上位机按该号来识别plc。识别码是含有两个字 符的上位机链接命令代码，它表示上位机要对plc进行何种操作，其识别码的含义见文献［4］。“正文”包括起始字和字数，起始字指的是要读写通道的起始地址，字数是指要读写的通道个数。fcs设置两个字符帧检查顺序码，fcs码由上位机计算，并设置在命令帧里。它主要是 用来保证在传送一帧数据时，在终止符前安排一个fcs码，以检查在传送数据时，是否发生 错误。fcs码的具体算法是：从一帧数据的开始到帧正文结束(fcs之前)所有数据字符的asci i码执行“异或”操作的结果，此结果是一个8位二进制数，然后分别把其高4位和低4位转换成两个16进制数并看成ascii码。终止符是“*”，“回车”符表示命令的结束。
2.2应答帧格式
　　应答帧是由plc自动返回的，其应答格式如下：
　　
　　其中“结束码”是两位16进制数，它是plc返回给上位机的通讯错误代码，其中00表示通讯无错误，不同错误代码的含义可参考编程手册。“正文”中每4位16进制表示一个通道的数据。
2.3labview与plc通讯的实现
　　(1)plc上位机链接设置
　　采用rs232c端口时，需要置dm6645的12～15位为0，plc的节点号设置在dm6648的00～07位。 文中采用omronc200plc的默认设置。即在cpu的dip开关j脚置off的情况下，plc与上位机 之间采用如下参数进行通讯：
　　启动位：1位；数据长度：7位；停止位：2位；奇偶校验：偶校验；波特率：9600 b/s。
　　(2)labview中串口通讯的步骤
　　labview共有5个串行通讯节点，包括初始化端口(serialport init.vi)、串口写(s erial p ortwrite.vi)、串口读(serial portread.vi)、检测串口输入缓存中的字节数(bytesat serial port.vi)、串口中断(serial portbreak.vi)等功能，各个节点端口参数表见文献［2］。
　　在labview的程序中可采用下列步骤实现与plc之间的通讯：
　　①初始化串口，设置双方通讯的端口号、波特率、数据位、停止位、奇偶校验等；
　　②把要发送的数据按plc命令帧的格式打包，包括计算帧校验序列fcs；
　　③写端口，把整个命令帧发送到串口；
　　④延时等待plc的应答帧到达串口；
　　⑤读串口，读取plc的应答帧；
　　⑥把读取的应答帧解包，读取相应的数据。
　　(3)labview中串口通讯的实现
　　①初始化串口，按照plc串口通讯的要求，通过serialportinit.vi节点设定，端口号设为0，即设定上位机的串口com1与plc通讯，若设其他串口，端口号依此类推；波特率设为9600b/s;数据位为7位；停止位设定为2位；奇偶校验设定为2，即对数据帧进行偶校验。
　　②对plc数据帧计算fcs并把数据帧打包，其子程序如图2所示：

　　第0步为计算帧校验序列fcs程序；第1步为数据帧打包程序。
　　在编程时应注意以下几点：
　　1)对于长度为n的字符串，要进行n-1次“异或”，因此循环次数应为n-1；
　　2)利用循环结构的移位寄存器对每个字符的ascii码进行“异或”时，要对左侧的移位寄存器进行初始化［3］。在系统中，由于任何一帧数据都是以“@”开始，因此程序中采用“@”的ascii码来初始化左侧的移位寄存器；
　　3)在for循环与循环外部的数据交换通道采用无索引(disableindexing)形式，这样就可在循环结束后一次性读取fcs的数值；
　　4)由于数据帧中fcs的数字是字符型的，要通过“numberto hexadecimalbbbbbb”这个节点把整型表示的fcs数值转换成2个以16进制表示的ascii码字符；
　　5)程序中的“13”是回车符ascii码数值。
　　③对串口的发送与接收及解包程序
　　数据的发送与接收主要是通过串口写、串口读节点来实现的。在写串口完成后要延时一段时 间(如延时250ms)后再读串口，这样才能保证串口通讯正常进行。解包程序与打包程序类似，其过程正好相反。数据收发子程序如图3所示。

3系统的分析及方案设计
3.1系统分析
　　通过作双容水箱上升阶跃，采用labview的波形显示控件可得到一条与“s”型相近的响应曲线，可用一阶惯性环节加纯迟延近似表示其传递函数：
　　
　　由于τ/t=1.06＞1，故系统迟延较大［4］，且动态特性存在非线性。经分析，动态特性的非线性主要是由于变频器及水泵的非线性造成的。在采用单级pid控制时，由于系统迟延较大，在水箱b出现正偏差、降负荷的初级阶段，水箱a中的水位值已经开始下降，但水箱b中的水位继续上升，使系统的动态特性变差；基于上述现象的存在，系统动态特性呈现一种近似等幅振荡状态。因而系统不宜采用单级pid控制。
3.2系统设计
　　经分析，采用串级控制系统可以改善对象的动态特性，提高系统的工作频率；对负荷的变化具有一定的自适应力；适用于非线性对象［1］。故采用串级控制方案，其控制系统框图如图4所示。

　　主调节器和副调节器是在labview中用公式节点实现的，整个串级控制算法为［1］：
　　
　　kp、ti、kd分别为调节器的比例增益、积分时间、微分时间。
　　在整个串级控制中，把整个控制对象分为导前区(水箱a)和惰性区(水箱b)，其中副 调节器的任务 是快速消除系统内扰，以及克服变频器及水泵在系统负荷变化时对水位测量值的影响，起粗 调作用，故采用p调节规律；而主调节器的任务是维持水箱b水位的稳定，采用pid调节规律 。plc的d／a转换模块da004是12位的，所能接收大数字量为offf(即4095)，这时在主调节 器积分的作用下，在整个系统开始启动、停止或给定值变化幅度较大时，由于短时间内出现 很大的偏差，在积分作用下，整个调节器输出进入深度饱和状态，产生积分饱和［1］，使系统产生较大的超调和振荡。在控制程序中采用积分分离的pid算法。在偏差大于某一值m时，主调节器采用pd控制，在水位测量值接近给定值时，采用pid控制。整个控制 系统的阶跃响应曲线见图5。

4小结
　　以plc为下位机，以labview为上位机开发平 台，利用labview软件强大的数据 运算能力和数据分析能力并通过labview与plc之间的串口通讯，组成了完整的串级控制系统 ，试验表明，调节后水位的波动范围在±1mm范围内，而且作系统扰动试验时，水位能够很 快的实现平衡。从而符合系统所要达到的稳、准、快的特性。plc与labview的串 口通讯程序的设计方法亦要移植到其他上位机，整个系统的设计思想可应用于工业现场控制 的其他场合。