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    洪濱(1962～)，男，安徽省巢縣人，高級工程師（淮化設計院）、副教授（淮南聯合大學），1985年畢業于安徽省理工大學電氣自動化專業。現主要從事工業電氣與自控系統設計，智能建筑電氣設計及應用軟件開發、設計與教學工作，并對節能技術、諧波治理、電纜故障測試及電氣安全技術有專門研究。

1、引言

    自來水廠沉淀池排泥裝置是水廠生產中的重要環節，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，提高生產效率，又可提高自來水廠的水質，大幅度地降低水廠運行水耗、能耗,是建設節約型社會有益嘗試。

    自來水廠沉淀池排泥裝置傳統的繼電器——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，需要現場人工控制操作；若采用單片機嵌入式控制系統，也可針對性的對沉淀池排泥裝置實現自動控制，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場要求，而且，不利于系統集成與自來水廠自動化水平的整體提高；

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

2、關于柔性控制系統硬件設計

    2.1、原接觸器系統控制規律的分析

    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（極限開關）實現限位控制，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，使運動機構向右運動。當運動機構運行至右端位置時，運動機構上的撞塊撞到行程開關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，FR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、柔性控制系統主回路設計（強電部分）

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

    系統主電路如圖2所示。

【圖2】柔性控制系統主回路原理圖

    2.3、柔性控制系統PLC控制電路設計（弱電部分）

    經過對系統控制量的研究及系統的控制要求，統計出其需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、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，它是一種疊裝結構的小型PLC，指令豐富，含有系統時鐘，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，適應性好，結構緊湊，便于擴展，性價比較高。系統配置為：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。
 

【圖3】柔性控制系統PLC接線圖

3、柔性控制系統軟件設計

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

    為了減少浪費、節約成本，對裝置的動作進行了重新規劃，加強對沉淀池厚沉積區的排泥能力。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。

    為了使控制系統具有現場可塑性和不同環境下的高適應性，控制系統采用了柔性控制模式。它的設計思路是：通過高可靠性的PLC裝置完全實現工藝要求的固定控制方式的同時，實現不同環境要求下的空間與時間的調度；與此同時，還考慮到系統的集成性、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，引入了組態軟件技術（圖型化開發平臺），建立現場與監控層聯系的人機界面，使現場工程師可根據工作需要，隨時干預沉淀池排泥裝置的控制過程，從而，實現整個系統控制的柔性化。。

    3.1、控制規模與方案

    當前，自來水廠自控系統分為獨立模式和網絡模式兩種：獨立模式是一人一臺操作站、一個控制站和一個模型站，構成單一功能系統。這個模式是水廠自動化簡約控制模式。網絡模式是根據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成一個完整的生產流程。此時系統變得相對復雜，控制系統規模變大，因此可能需要多個控制站進行控制，設計師要根據系統的規模進行合理的硬件資源安排，并要通過網絡組態來實現多控制站的控制。這種模式是當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，同時具有獨立和網絡兩種模式，可通過組態軟件技術與擴展通訊接口進行切換。

    3.2、控制系統的構成

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

【圖4】 控制系統的結構框圖

    3.3、對象動作的規劃

    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，經反應池加料形成礬花后，進一步絮凝和沉淀使用的裝置。當礬花裹帶著水中細粒度的雜質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。傳統的排泥機運行方式會造成在厚沉積區與薄沉積區均勻用力，使用水量、用電量極大。

    為了加強在厚沉積區的排泥能力、減少浪費、節約成本，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，本設計對桁車式吸泥機的運行動作進行了重新規劃（見圖5）。動作規劃思路是：增加厚沉積區的運行次數，即：增加一個二分之一趟，一個三分之一趟。一個工作循環包括：一個整趟（長趟）、一個二分之一趟（中趟）、一個三分之一趟（短趟）。由于江河水質的不確定性，如果發現水質差、濁度高、沉泥厚，可按現場工藝要求隨時增加多個循環，或隨機增加長趟、中趟、短趟個數。

    （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“空間調度”向“時間調度”的轉換來完成。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“空間調度”向“時間調度”的轉換，是由于沉淀池桁車的軌道中間不能加裝限位開關。）
 

                              【圖5】對象動作規劃示意圖

    3.4、 時間與空間調度及PLC程序設計

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

    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運行一個整單趟，遇濁水限位開關后再向清水區運行一個整單趟再到清水限位開關，這是一次長趟來回，當設定長趟運行次數大于或等于1時，以上步驟完成運行，否則將被跳過而不運行。
    
    排泥機接著向清水區運行一個半趟行程，到達預定半趟時間后返濁水區，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，當設定半趟次數≥1則運行。否則該步驟也被跳過不運行。

    從濁水限位開關向清水區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處。該步驟為一次三分之一來回，返回第2步循環往下執行，長趟來回、半趟來回，三分之一趟來回，每運行完成一次相應形式的來回趟，其設定的趟數就減1，當某種形式的趟數為減到0時，就跳過該方式的運行轉下一運行方式，直至所有趟數為零后轉最后一步驟。

    最后，從濁水限位開關處返清水區到達清水限位開關處停車（水泵也停止）。
控制器系統是根據設定的次數與一個完整趟所用的時間自動計算出運行一次循環所需要的總時間，當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，則說明桁車發生了爬軌之類的故障，系統將實施保護性停車（位置不固定）；當單向運行超過1.5小時而未遇限位開關時，系統同樣將保護停機。PLC基本算法見流程圖。
   

       
                             （a）                           （b）
                            
                                    【圖6】PLC基本程序流程圖 

    3.4.2、“時間調度”編程設計
    
    因沉淀池排泥裝置動作較復雜，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“時間調度”的方式來實現。所謂“時間調度”，就是根據對象動作情況，做出信號隨時間變化的圖形，并在此基礎上，進行PLC程序設計。同時，針對信號在不同時間上的不同狀態，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。“時間調度”編程大致可分3個步驟：
    
    (1)、根據信號的輸入、輸出要求，進行PLC的I／O地址分配。
    
    (2)、確定定時(或計數)關系，找出臨界點，即輸出信號應出現變化的點，并以這些點為界限，把時段劃分為若干時間區間。根據各時間區間形成條件，建立對應的邏輯程序；確定時間區間與動作的對應關系，建立動作程序。

    (3)、作時序圖，并在此基礎上畫梯形圖。

    當系統首次投入運行時，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，本系統設置了自學習功能：可以通過一次從清水區開始運行至到濁水區限位開關處的試運行，以掃描該行程運行需要的總時間，來計算出目標沉淀池的長度。此外，該池長的掃描時間可以動態修正，每一次新的循環開始的每一趟從清水到濁水區運行到達濁水限位開關處，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部位，以防本循環的半趟、三分之一趟延時不準確，不過在PLC的內部已設置了重新預置池長時間的起點值30分鐘或者說當運行的池長時間不大于30分鐘時則本次執行循環的學習功能就被忽略，本次的半、三分之一趟的延時時間自動以上一個循環的半、三分之一趟延時時間計算。）
“時間調度”編程具體步驟見下面的圖表。

    就排泥裝置I／O地址分配，針對程序可設計7個臨界點，可組成6個時間區間。這6個時間區別可用6個定時器(TIM000～TIM005)予以控制。時序圖見【圖7】。

    時間區間的邏輯條件可由定時器的工作狀態劃分，主要目的是控制沉淀池排泥裝置的運動狀態。其關系如下。

    l區間與2區間的邏輯關系組合，控制邏輯是：1000.NOT(TIM000)，控制排泥機前進；4區間與6區間的邏輯關系組合，控制邏輯是：TIM002.NOT(TIM004)，控制排泥機后退；2區間與3區間的邏輯關系組合，控制邏輯是TIM000.NOT(TIM001)，控制1#吸泥泵。4區間與6區間的邏輯關系組合，控制邏輯是TIM002.NOT(TIM004)，
控制2#吸泥泵。

    在時序圖基礎上，經組合后可作出如【圖8】所示梯形圖。
    
    配合【圖8】，來分析整個程序。00002為啟動信號，它“ON”后可使01000“ON”并保持。01000“ON"啟動TIM000。經延時，其常開接點“ON”，啟動TIM001。經延時，其常開接點“ON”，啟動TIM002。以此類推，直到TIM005工作。經延時后，TIM005“OFF”。
 

【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常閉又恢復為“ON”狀態，TIM000又工作(TIM000的啟動條件是TIM005常閉狀態)。TIM000工作后，要延時才會使其常開接點“ON”。以后的工作，又將重復曾經有過的時序。循環將不停地重復進行著。二是若已按下00003(要結束循環)，則TIM005的常閉接點將01000“OFF”。這樣可保證結束循環工作，但只能在循環結束時才發生。
 

【圖8】排泥裝置控制程序的梯形圖

    按下現場控制箱上的運行按鈕，排泥機即開始啟動向濁水區運行；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運行，水泵隨之啟動運行；當前時間到達循環設定天數的設定時刻時，不論排泥機處不處于運行狀態，都開始一次新的運行循環。比如當設定循環的天數為2天即48小時，設定的開機時間為上午8:10分則排泥機在運行完當前循環在清水區停止后一直待機，直到48小時后的8:10分自動啟動運行。

4、柔性控制系統組態軟件的應用與設計

    4.1、組態軟件的特點及選用

    組態軟件是完成系統硬件與軟件的溝通、建立現場與監控層聯系的人機界面的軟件平臺，它主要由系統開發環境（組態環境）、系統運行環境（組態軟件解釋執行）和實時數據庫（組態結果）三部分組成。

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

    4.2、利用組態軟件對沉淀池排泥裝置監控界面的設計

    控制系統所選用可在Windows98／NT／2000／XP系統中運行的工控組態王軟件作為上位機監控平臺，根據控制系統的要求進行組態監控界面的開發，系統組態監控界面如圖7所示。

    用組態方式完成遠程監控的各種功能，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設置按鈕進行各種參數的設置。工控組態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絡系統結合，向更高一級的控制層和管理層提供軟、硬件的全部接口，并進行有效系統集成。
 

【圖9】 系統組態監控界面