国产欧美日韩精品a在线观看-国产欧美日韩精品一区二区三区-国产欧美日韩精品综合-国产欧美中文字幕-一区二区三区精品国产-一区二区三区精品国产欧美

    洪濱（1962—）
男，安徽巢縣人，高級工程師（淮化設(shè)計院）、副教授（淮南聯(lián)合大學(xué)），1985年畢業(yè)于安徽省理工大學(xué)電氣自動化專業(yè)。現(xiàn)主要從事工業(yè)電氣與自控系統(tǒng)設(shè)計，智能建筑電氣設(shè)計及應(yīng)用軟件開發(fā)、設(shè)計與教學(xué)工作，并對節(jié)能技術(shù)、諧波治理、電纜故障測試及電氣安全技術(shù)有專門研究。

摘要:本文在介紹了自來水廠沉淀池排泥裝置的組成、控制過程以及水泵與排泥機控制原理的基礎(chǔ)上，根據(jù)水廠的工藝、節(jié)水節(jié)電的要求，并結(jié)合當(dāng)前的PLC技術(shù)與圖型化開發(fā)平臺技術(shù)，設(shè)計了自來水廠沉淀池排泥裝置柔性控制系統(tǒng)。論文對柔性系統(tǒng)硬件電路組成及控制軟件的動作規(guī)劃及時間調(diào)度PLC編程進行了較為詳細的分析，并對組態(tài)監(jiān)控軟件及界面設(shè)計予以特別說明。

關(guān)鍵詞：沉淀池排泥；柔性控制系統(tǒng)；工控組態(tài)軟件；動作規(guī)劃；時間調(diào)度；PLC編程  

Abstract:The article introduces the composition and control process of settling reservoir soil discharging facility, as well as the control principle of water pump and soil discharger machine. The flexible control system of settling reservoir soil discharging facility is designed according to the processing,  water-saving, and energy-saving requirements of waterworks, which combines the current PLC technology with graphic development platform .The article analyzes the composition of flexible system hardware circuit , action plan of control software and PLC programming for the time scheduling in detail. The configuration monitor software and interface design is especially explained.

Keywords: Settling Reservoir Soil Discharging; Flexible Control System;Configuration Software of Industrial Control; Layout of Action; Time-Scheduling for PLC Programming

1 引言

    自來水廠沉淀池排泥裝置是水廠生產(chǎn)中的重要環(huán)節(jié)，通過對排泥裝置的合理而精確地控制，既可以大大減輕工人勞動強度，提高生產(chǎn)效率，又可提高自來水廠的水質(zhì)，大幅度地降低水廠運行水耗、能耗,是建設(shè)節(jié)約型社會有益嘗試。

    自來水廠沉淀池排泥裝置傳統(tǒng)的繼電器——接觸器控制方式，體積大，故障率高，控制裝置使用壽命較短；且在工藝上耗源、費水，需要現(xiàn)場人工控制操作；若采用單片機嵌入式控制系統(tǒng)，也可針對性的對沉淀池排泥裝置實現(xiàn)自動控制，實踐證明：該方式雖然成本低，但耐用性與可靠性均達不到現(xiàn)場要求，而且，不利于系統(tǒng)集成與自來水廠自動化水平的整體提高；

    本控制系統(tǒng)采用現(xiàn)代成熟的PLC技術(shù)與強大的組態(tài)軟件技術(shù)，對沉淀池排泥裝置控制系統(tǒng)進行了柔性化設(shè)計，它既克服了傳統(tǒng)的繼電器——接觸器控制模式的不足，又克服了單片機控制系統(tǒng)或純PLC系統(tǒng)功能單一、工藝或環(huán)境變化難以適應(yīng)等缺陷。該系統(tǒng)可以選擇“PLC自控方式”使整個系統(tǒng)完全工作在獨立的自動化狀態(tài)；它還可以選擇“組態(tài)軟件集控方式”，使沉淀池排泥裝置控制系統(tǒng)，溶入自來水廠整個自動化系統(tǒng)（DCS）。它既可以按自動化方式開車，又可以單機調(diào)試運行（特別適合試車和檢修）。顯然，柔性控制模式具有極佳的現(xiàn)場可塑性和不同環(huán)境下的高適應(yīng)性。

2 關(guān)于柔性控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

    2.1 原接觸器系統(tǒng)控制規(guī)律的分析

    自來水廠沉淀池排泥裝置控制，主要的變化量有行程、時間、速度等。但原繼電器——接觸器控制系統(tǒng)僅對行程進行控制；速度采樣帶齒輪減速的三相異步電動機進行減速控制；時間由人工進行周期控制。下面僅對行程控制分析之。

    如圖1所示，原沉淀池排泥裝置控制利用行程開關(guān)（極限開關(guān)）實現(xiàn)限位控制，主電路參見圖1-甲。接通電源后，按下右移按鈕SB1，接觸器KM1通電吸合并自鎖，KM1主動合觸頭閉合，控制電動機M正轉(zhuǎn)，使運動機構(gòu)向右運動。當(dāng)運動機構(gòu)運行至右端位置時，運動機構(gòu)上的撞塊撞到行程開關(guān)SQ2，SQ2動斷觸頭斷開，使接觸器KM1斷電釋放，電動機M斷電，運動機構(gòu)停止。即：

    SB1↑→KM↑→KM=1→M↑，右移，

    至右終端位置，SQ2↑→KM↓→M↓，停止。

    反向運動過程類似，電路中，F(xiàn)R為熱繼電器。該控制方式最大特點是：每次排泥過程必須走完沉淀池全長，而不管泥漿分布的厚薄。其結(jié)果是泥漿厚處排不盡，泥漿薄處排清水，這樣一來，既耗電能又浪費寶貴的水資源。
   

 

圖1-甲主電路                    圖1-乙控制電路

圖1   原排泥裝置行程控制

    2.2 柔性控制系統(tǒng)主回路設(shè)計（強電部分）

    對沉淀池排泥裝置行走系統(tǒng)自控設(shè)計時，因考慮排泥機前進后退運行控制調(diào)速平滑性要求并不很高，根據(jù)經(jīng)濟性、適用性的原則，排泥機動力系統(tǒng)仍然采樣帶齒輪減速的三相異步電動機進行速度控制。 

    系統(tǒng)主電路如圖2所示。

圖2   柔性控制系統(tǒng)主回路原理圖

    2.3 柔性控制系統(tǒng)PLC控制電路設(shè)計（弱電部分）

    經(jīng)過對系統(tǒng)控制量的研究及系統(tǒng)的控制要求，統(tǒng)計出其需6個信號輸入點，6個信號輸出控制點。同時又對各種PLC性能指標(biāo)、適用性、認知程度等進行比較，最后選擇了西門子公司的S7—200PLC，它是一種疊裝結(jié)構(gòu)的小型PLC，指令豐富，含有系統(tǒng)時鐘，功能強大，并帶有485通訊輸出口以便于遠程通訊且可靠性高，適應(yīng)性好，結(jié)構(gòu)緊湊，便于擴展，性價比較高。系統(tǒng)配置為：主機CPU224(14點輸入，10點輸出)將輸入信號和輸出控制量置于其上。同時為了增加系統(tǒng)的可靠性以及PLC本身的安全，PLC的輸出采用不接觸強電，而是通過直流24V的中間繼電器進行隔離。PLC的外圍接線如圖3所示。

3 柔性控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

    對控制系統(tǒng)的要求是：根據(jù)自來水廠沉淀池排泥裝置的生產(chǎn)工藝要求，并考慮到自來水廠沉淀池的污泥沉淀，呈斜坡分布規(guī)律；為了控制方便，把沉積區(qū)泥漿近似看成階梯狀分布。

    為了減少浪費、節(jié)約成本，對裝置的動作進行了重新規(guī)劃，加強對沉淀池厚沉積區(qū)的排泥能力。筆者采取了特定的算法，解決了PLC按階梯狀分布對池排泥裝置進行控制的問題。

    為了使控制系統(tǒng)具有現(xiàn)場可塑性和不同環(huán)境下的高適應(yīng)性，控制系統(tǒng)采用了柔性控制模式。它的設(shè)計思路是：通過高可靠性的PLC裝置完全實現(xiàn)工藝要求的固定控制方式的同時，實現(xiàn)不同環(huán)境要求下的空間與時間的調(diào)度；與此同時，還考慮到系統(tǒng)的集成性、可擴展性，以及人機界面友好，采用了具有電氣保護及DCS接點的電動機控制冗余電路方式，引入了組態(tài)軟件技術(shù)（圖型化開發(fā)平臺），建立現(xiàn)場與監(jiān)控層聯(lián)系的人機界面，使現(xiàn)場工程師可根據(jù)工作需要，隨時干預(yù)沉淀池排泥裝置的控制過程，從而，實現(xiàn)整個系統(tǒng)控制的柔性化。

    3.1 控制規(guī)模與方案

    當(dāng)前，自來水廠自控系統(tǒng)分為獨立模式和網(wǎng)絡(luò)模式兩種：獨立模式是一人一臺操作站、一個控制站和一個模型站，構(gòu)成單一功能系統(tǒng)。這個模式是水廠自動化簡約控制模式。網(wǎng)絡(luò)模式是根據(jù)自來水廠完整工藝流程而提出的一種方式，它首先針對流程進行合理的分割，按照工藝工序，對每個工藝階段進行建模，再通過模型之間的連接構(gòu)成一個完整的生產(chǎn)流程。此時系統(tǒng)變得相對復(fù)雜，控制系統(tǒng)規(guī)模變大，因此可能需要多個控制站進行控制，設(shè)計師要根據(jù)系統(tǒng)的規(guī)模進行合理的硬件資源安排，并要通過網(wǎng)絡(luò)組態(tài)來實現(xiàn)多控制站的控制。這種模式是當(dāng)前新建自來水廠對自動化水平要求相對較高的一種模式。模型站的簡單與復(fù)雜取決于控制對象與全廠自動化水平。

    沉淀池排泥裝置柔性控制系統(tǒng)，同時具有獨立和網(wǎng)絡(luò)兩種模式，可通過組態(tài)軟件技術(shù)與擴展通訊接口進行切換。

圖3   柔性控制系統(tǒng)PLC接線圖

    3.2 控制系統(tǒng)的構(gòu)成

    沉淀池排泥裝置電氣系統(tǒng)主要由吸泥泵電機、大跑行走驅(qū)動電機、空開、接觸器及熱保護等部分構(gòu)成。PLC控制系統(tǒng)由主機(上位機，用于控制室的運行操作和監(jiān)控)，PLC、吸泥泵控制，排泥機前進后退控制，故障報警等部分組成。控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖，如圖4所示。

圖4   控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖

    3.3 對象動作的規(guī)劃

    桁車式吸泥機廣泛用于平流式沉淀池的污泥刮、吸。水廠沉淀池的功能是對從水源抽吸進來的高濁度的原水，經(jīng)反應(yīng)池加料形成礬花后，進一步絮凝和沉淀使用的裝置。當(dāng)?shù)\花裹帶著水中細粒度的雜質(zhì)污物逐漸加大并沉積在沉淀池的底部，其沉積量將沿著沉淀池從反映池出口到沉淀池尾部呈梯形分布。傳統(tǒng)的排泥機運行方式會造成在厚沉積區(qū)與薄沉積區(qū)均勻用力，使用水量、用電量極大。

    為了加強在厚沉積區(qū)的排泥能力、減少浪費、節(jié)約成本，并在不改變排泥機的運行速度的前提下考慮到裝置的自動化，本設(shè)計對桁車式吸泥機的運行動作進行了重新規(guī)劃（見圖5）。動作規(guī)劃思路是：增加厚沉積區(qū)的運行次數(shù)，即：增加一個二分之一趟、一個三分之一趟。一個工作循環(huán)包括：一個整趟（長趟）、一個二分之一趟（中趟）、一個三分之一趟（短趟）。由于江河水質(zhì)的不確定性，如果發(fā)現(xiàn)水質(zhì)差、濁度高、沉泥厚，可按現(xiàn)場工藝要求隨時增加多個循環(huán)，或隨機增加長趟、中趟、短趟個數(shù)。

    （說明：所謂“長趟”、“中趟”、“短趟”是相對與沉淀池的長度而言的。具體編程可通過對“空間調(diào)度”向“時間調(diào)度”的轉(zhuǎn)換來完成。比如說排泥裝置一整趟（單向）用120分鐘，則“中趟”定時為60分鐘，“短趟” 定時為40分鐘。之所以采用“空間調(diào)度”向“時間調(diào)度”的轉(zhuǎn)換，是由于沉淀池桁車的軌道中間不能加裝限位開關(guān)。）

    3.4 時間與空間調(diào)度及PLC程序設(shè)計

    一般PLC編程就是依照簡單順序(ON／0FF控制)的邏輯關(guān)系，用戶根據(jù)被控對象對控制系統(tǒng)的具體要求，借鑒傳統(tǒng)的繼電器控制的電路圖來設(shè)計梯形圖。它不需要復(fù)雜的指令，在小型PLC中應(yīng)用最多。它也一般分三個步驟：首先給出算法流程圖，然后，控制系統(tǒng)要求進行地址空間分配；最后，借鑒傳統(tǒng)的繼電器控制的電路圖來設(shè)計梯形圖。較復(fù)雜的PLC編程常常使用“時間調(diào)度”技術(shù)，它也分三個步驟，詳見下節(jié)所述。

    3.4.1 滿足工藝要求的基本控制算法

    排泥機啟動后自動向濁水區(qū)運行一個整單趟，遇濁水限位開關(guān)后再向清水區(qū)運行一個整單趟再到清水限位開關(guān)，這是一次長趟來回，當(dāng)設(shè)定長趟運行次數(shù)大于或等于1時，以上步驟完成運行，否則將被跳過而不運行。

圖5   對象動作規(guī)劃示意圖

    排泥機接著向清水區(qū)運行一個半趟行程，到達預(yù)定半趟時間后返濁水區(qū)，從沉淀池中間位置返回到濁水限位處。本步驟為一次半趟來回，當(dāng)設(shè)定半趟次數(shù)≥1則運行。否則該步驟也被跳過不運行。

    從濁水限位開關(guān)向清水區(qū)運行到達池長三分之一處，從池長三分之一處再返回濁水限位開關(guān)處。該步驟為一次三分之一來回，返回第2步循環(huán)往下執(zhí)行，長趟來回、半趟來回、三分之一趟來回，每運行完成一次相應(yīng)形式的來回趟，其設(shè)定的趟數(shù)就減1，當(dāng)某種形式的趟數(shù)為減到0時，就跳過該方式的運行轉(zhuǎn)下一運行方式，直至所有趟數(shù)為零后轉(zhuǎn)最后一步驟。

    最后，從濁水限位開關(guān)處返清水區(qū)到達清水限位開關(guān)處停車（水泵也停止）。
控制器系統(tǒng)是根據(jù)設(shè)定的次數(shù)與一個完整趟所用的時間自動計算出運行一次循環(huán)所需要的總時間，當(dāng)實際運行時間已達到該時間加一個完整趟的時間裕量而實際未停車時，則說明桁車發(fā)生了爬軌之類的故障，系統(tǒng)將實施保護性停車（位置不固定）；當(dāng)單向運行超過1.5小時而未遇限位開關(guān)時，系統(tǒng)同樣將保護停機。PLC基本算法見流程圖。

 

（a）                  （b）

圖6   PLC基本程序流程圖

    3.4.2 “時間調(diào)度”編程設(shè)計

    因沉淀池排泥裝置動作較復(fù)雜，僅使用一般PLC編程方法是解決不了問題的。還需對其運行使用“時間調(diào)度”的方式來實現(xiàn)。所謂“時間調(diào)度”，就是根據(jù)對象動作情況，做出信號隨時間變化的圖形，并在此基礎(chǔ)上，進行PLC程序設(shè)計。同時，針對信號在不同時間上的不同狀態(tài)，用時序圖相對順序邏輯編程，從而建立更為有效的控制程序。“時間調(diào)度”編程大致可分3個步驟：

    （1）根據(jù)信號的輸入、輸出要求，進行PLC的I／O地址分配。

    （2）確定定時(或計數(shù))關(guān)系，找出臨界點，即輸出信號應(yīng)出現(xiàn)變化的點，并以這些點為界限，把時段劃分為若干時間區(qū)間。根據(jù)各時間區(qū)間形成條件，建立對應(yīng)的邏輯程序；確定時間區(qū)間與動作的對應(yīng)關(guān)系，建立動作程序。

    （3）作時序圖，并在此基礎(chǔ)上畫梯形圖。

    當(dāng)系統(tǒng)首次投入運行時，其半趟、三分之一趟延時間為初始默認值，半趟運行時間默認為20分鐘，三分之一趟運行默認時間為10分鐘。該默認值一般不能滿足不同池長的要求，本系統(tǒng)設(shè)置了自學(xué)習(xí)功能：可以通過一次從清水區(qū)開始運行至到濁水區(qū)限位開關(guān)處的試運行，以掃描該行程運行需要的總時間，來計算出目標(biāo)沉淀池的長度。此外，該池長的掃描時間可以動態(tài)修正，每一次新的循環(huán)開始的每一趟從清水到濁水區(qū)運行到達濁水限位開關(guān)處，就刷新池總長運行時間值，然后，再更新半趟及三分之一趟延時時間值。（故一般重新啟動時不易選擇排泥機處于沉淀池中間靠清水區(qū)部位，以防本循環(huán)的半趟、三分之一趟延時不準(zhǔn)確，不過在PLC的內(nèi)部已設(shè)置了重新預(yù)置池長時間的起點值30分鐘或者說當(dāng)運行的池長時間不大于30分鐘時則本次執(zhí)行循環(huán)的學(xué)習(xí)功能就被忽略，本次的半、三分之一趟的延時時間自動以上一個循環(huán)的半、三分之一趟延時時間計算。）

    “時間調(diào)度”編程具體步驟見表1。

    表1   I/O地址分配：

圖7   排泥裝置控制程序時序圖

    TIM005“OFF”有兩個效果：一是若未按下00003(未使其停止工作)，則它只使TIM000暫停工作，繼而使TIM001暫停工作……直到TIM005自身也停止工作。這時，TIM005常閉又恢復(fù)為“ON”狀態(tài)，TIM000又工作(TIM000的啟動條件是TIM005常閉狀態(tài))。TIM000工作后，要延時才會使其常開接點“ON”。以后的工作，又將重復(fù)曾經(jīng)有過的時序。循環(huán)將不停地重復(fù)進行著。二是若已按下00003(要結(jié)束循環(huán))，則TIM005的常閉接點將01000“OFF”。這樣可保證結(jié)束循環(huán)工作，但只能在循環(huán)結(jié)束時才發(fā)生。

圖8   排泥裝置控制程序的梯形圖

    按下現(xiàn)場控制箱上的運行按鈕，排泥機即開始啟動向濁水區(qū)運行；水泵不運行，按人機界面上的運行按鈕，排泥機即開始啟動向濁水區(qū)運行，水泵隨之啟動運行；當(dāng)前時間到達循環(huán)設(shè)定天數(shù)的設(shè)定時刻時，不論排泥機處不處于運行狀態(tài)，都開始一次新的運行循環(huán)。比如當(dāng)設(shè)定循環(huán)的天數(shù)為2天即48小時，設(shè)定的開機時間為上午8:10分則排泥機在運行完當(dāng)前循環(huán)在清水區(qū)停止后一直待機，直到48小時后的8:10分自動啟動運行。

4 柔性控制系統(tǒng)組態(tài)軟件的應(yīng)用與設(shè)計

    4.1 組態(tài)軟件的特點及選用

    組態(tài)軟件是完成系統(tǒng)硬件與軟件的溝通、建立現(xiàn)場與監(jiān)控層聯(lián)系的人機界面的軟件平臺，它主要由系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境（組態(tài)環(huán)境）、系統(tǒng)運行環(huán)境（組態(tài)軟件解釋執(zhí)行）和實時數(shù)據(jù)庫（組態(tài)結(jié)果）三部分組成。

    組態(tài)軟件在結(jié)構(gòu)上，共分為三個層次，分別對應(yīng)不同的硬件部分。模型層處于控制系統(tǒng)的被控對象級，其上的軟件主要是模型庫以及相應(yīng)的通訊、顯示等軟件子系統(tǒng)；控制層運行控制算法，主要是控制軟件的運行；監(jiān)控層包括監(jiān)控組態(tài)軟件以及測試平臺的管理系統(tǒng)，監(jiān)控組態(tài)軟件完成控制方案的設(shè)計，管理系統(tǒng)維護正常管理工作的需要。

    4.2 利用組態(tài)軟件對沉淀池排泥裝置監(jiān)控界面的設(shè)計

    控制系統(tǒng)所選用可在Windows98/NT/2000/XP系統(tǒng)中運行的工控組態(tài)王軟件作為上位機監(jiān)控平臺，根據(jù)控制系統(tǒng)的要求進行組態(tài)監(jiān)控界面的開發(fā)，系統(tǒng)組態(tài)監(jiān)控界面如圖9所示。

    用組態(tài)方式完成遠程監(jiān)控的各種功能，如虛擬排泥機運行畫面，可觀察到排泥機實時運行的位置及行走的時間；可通過界面上的對應(yīng)的按鈕對排泥機及排泥機上的吸泥泵進行開停控制；從界面上還可以實時觀察到累計的排泥水量；用戶可以通過按下參數(shù)設(shè)置按鈕進行各種參數(shù)的設(shè)置。工控組態(tài)王軟件能同時支持多種硬件廠家的儀器儀表、PLC、變頻器，可與之進行可靠的通訊，它與高可靠的工控計算機和網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)合，向更高一級的控制層和管理層提供軟、硬件的全部接口，并進行有效系統(tǒng)集成。

圖9   系統(tǒng)組態(tài)監(jiān)控界面

    組態(tài)監(jiān)控界面系統(tǒng)進入正常工況以后，可以按下對應(yīng)面板中的手/自動開關(guān)，使對應(yīng)控制系統(tǒng)投入自動，系統(tǒng)投入自動后，即可以對該系統(tǒng)進行在線參數(shù)整定。由于控制系統(tǒng)的控制參數(shù)和操作參數(shù)都是分別通過接口程序和對應(yīng)對象數(shù)學(xué)模型參數(shù)連結(jié)，而當(dāng)系統(tǒng)投入正常運行以后，對象模型程序和接口程序均按優(yōu)先級、一定速度在后臺連續(xù)運行。

    本系統(tǒng)所用的參數(shù)既可以通過PLC編程時通過系統(tǒng)參數(shù)文件方式輸入或更改，也可以通過與PLC經(jīng)485通訊電纜連接的上位機上運行的組態(tài)軟件實時動態(tài)的進行修改或更新。系統(tǒng)主要參數(shù)如下：自動循環(huán)開停的時間間隔，系統(tǒng)實時時間與日期，整趟、半趟、三分之一趟的次數(shù)與保護時間等。

5 結(jié)束語

    筆者通過對柔性控制系統(tǒng)的研究、設(shè)計、開發(fā)，已經(jīng)取得初步成效。現(xiàn)場的實際運行證明：此系統(tǒng)完全能滿足自來水廠工程項目的控制要求。與那些使用大中型DCS的控制的自來水廠相比，它成本低，功能配置靈活。其柔性控制方式極易擴展，能方便地構(gòu)成水處理系統(tǒng)大中型工程項目的控制要求。

作者信息：

    洪  濱  （安徽淮化集團設(shè)計研究院，安徽   淮南   232038） 

    李  明  （淮南礦業(yè)集團張集煤礦北區(qū)綜機隊，安徽   淮南   232100）