【正文】 （4）CPU 自診斷測(cè)試自診斷測(cè)試包括定期檢查 CPU 模塊操作的狀態(tài)是否正常，將監(jiān)控定時(shí)器復(fù)位，以及完成一些別的內(nèi)部工作。在RUN 模式下程序執(zhí)行階段，如果沒(méi)有跳轉(zhuǎn)指令，CPU 從第一條指令開(kāi)始，逐條順序地執(zhí)行用戶(hù)程序。為了使 PLC 的輸出及時(shí)地響應(yīng)各種輸入信號(hào)，初始化后 PLC 要反復(fù)不停地分階段處理各種山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 硬件設(shè)計(jì)23不同的任務(wù)，這種周而復(fù)始的循環(huán)工作方式稱(chēng)為掃描工作方式 [2]。(10)系統(tǒng)在一種現(xiàn)場(chǎng)不需要時(shí)，仍可改在另一種現(xiàn)場(chǎng)上使用等一系列優(yōu)點(diǎn)。(6)可直接將數(shù)據(jù)送入處理器中，可直接連接到現(xiàn)場(chǎng)。(2)簡(jiǎn)單，易于使用，不必要求微機(jī)硬件方面的知識(shí)，編程不需要高級(jí)語(yǔ)言。表 S7200 系列機(jī)型配置一覽表型號(hào) I/O 點(diǎn)數(shù) 擴(kuò)展功能CPU221 6 輸入，4 輸出，共 10 個(gè) 無(wú) I/O 擴(kuò)展能力CPU222CN 8 輸入，6 輸出，共 14 個(gè) 可連接 2 個(gè)擴(kuò)展模塊CPU224CN 14 輸入，10 輸出，共 24 個(gè) 可連接 7 個(gè)擴(kuò)展模塊CPU224XPCN 14 輸入，10 輸出，共 24 個(gè) 可連接 7 個(gè)擴(kuò)展模塊CPU226CN 24 輸入，16 輸出，共 40 個(gè) 可連接 7 個(gè)擴(kuò)展模塊大本文根據(jù) I/O 點(diǎn)數(shù)和性?xún)r(jià)比綜合考慮可選擇 CPU224CN。3 硬件設(shè)計(jì) PLC 選型 PLC 型號(hào)選擇 S7200PLC 是德國(guó)西門(mén)子公司生產(chǎn)德一種小型 PLC，其許多功能達(dá)到大、中型 PLC 的水平，而價(jià)格卻和小型 PLC 一樣，因此，它一經(jīng)推出，山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 控制方案設(shè)計(jì)21即受到了廣泛的關(guān)注。每個(gè)濾池控制器都能以此機(jī)制與反沖洗控制器溝通。關(guān)閉進(jìn)水閥 、 清水閥 ， 打開(kāi)排水閥 、 氣沖閥和水沖閥關(guān)閉水沖閥 、 氣沖閥 、 排水閥 ，打開(kāi)進(jìn)水閥 、 清水閥氣沖 、 水沖開(kāi) 、 關(guān)閥階段完成后 ，產(chǎn)生反沖洗標(biāo)識(shí)沖洗完后給出沖洗結(jié)束標(biāo)識(shí)圖 調(diào)整后的反沖洗過(guò)程這個(gè)方案中，兩個(gè)控制器的控制作用階段分得很清晰，便于控制器集山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 控制方案設(shè)計(jì)20中完成控制任務(wù)，不僅簡(jiǎn)化了協(xié)調(diào)過(guò)程，對(duì)于簡(jiǎn)化突發(fā)故障的處理也很有意義。所有閥門(mén)到位后，濾池控制器向反沖洗系統(tǒng)控制器傳遞一個(gè)標(biāo)識(shí)，進(jìn)入第二階段。流程示意圖見(jiàn)圖 。經(jīng)過(guò)與老師和同學(xué)的討論，可以對(duì)原先的反沖洗過(guò)程作一些修改，以得到一套簡(jiǎn)化許多的通訊方案。原因如下:上述的標(biāo)識(shí)只是一山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 控制方案設(shè)計(jì)19部分，實(shí)際的工程中還涉及了故障報(bào)警，故障處理等問(wèn)題，需要添加大量標(biāo)識(shí)。同樣，還要有一個(gè)標(biāo)識(shí)，通知反沖洗系統(tǒng)控制器開(kāi)水沖泵。山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 控制方案設(shè)計(jì)18正常過(guò)濾關(guān)進(jìn)水閥關(guān)出水閥 、開(kāi)排污閥開(kāi)反氣沖閥開(kāi)鼓風(fēng)機(jī)關(guān)鼓風(fēng)機(jī)關(guān)反沖氣閥開(kāi)反沖水閥 、 開(kāi)反沖水泵關(guān)反沖水閥 、 停水泵關(guān)排污閥開(kāi)進(jìn)水閥圖 調(diào)整前的反沖洗過(guò)程 下面再討論一下標(biāo)識(shí)的設(shè)立。當(dāng)濾池或反沖系統(tǒng)處于某一狀態(tài)時(shí)，相應(yīng)標(biāo)識(shí)置門(mén)置“1” ，向另一控制器發(fā)送，當(dāng)這一狀態(tài)結(jié)束時(shí)，標(biāo)識(shí)清零，再向另一控制器發(fā)送。整個(gè)過(guò)程，如圖 所示。一定時(shí)間后，開(kāi)水沖閥，半開(kāi)時(shí)啟動(dòng)第一臺(tái)水沖泵，進(jìn)行氣水沖。所以，反沖洗過(guò)程會(huì)伴隨著一系列的開(kāi)閥關(guān)閥動(dòng)作。相應(yīng)的，液位低于設(shè)定而正在上升，閥門(mén)也不動(dòng)作。具體實(shí)現(xiàn)是一次采樣后，將該值備份，使其不會(huì)在下次采樣時(shí)備更新。在本例中，最終的取值是這樣的: 采樣間隔 15 秒，一次動(dòng)作時(shí)間 1 秒(由全開(kāi)至全關(guān)的動(dòng)作時(shí)間為 18 秒)。具體兩個(gè)時(shí)間如何確定，可以先估算，再具體調(diào)試。參考常被應(yīng)用在較強(qiáng)的滯后系統(tǒng)中的采樣 PID，它通過(guò)延長(zhǎng)反饋信號(hào)的采樣周期，延緩 PID 輸出的更新頻率，以山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 控制方案設(shè)計(jì)16適應(yīng)系統(tǒng)的滯后性。 然而，僅僅縮短一次性動(dòng)作時(shí)間仍然不能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定控制。一般的開(kāi)關(guān)閥，執(zhí)行機(jī)構(gòu)是由連鎖的，只要?jiǎng)幼餍盘?hào)一給出，不管是否保持，閥門(mén)都要持續(xù)動(dòng)作到底(關(guān)死或開(kāi)足) ，不會(huì)中途停止。下面談?wù)勅绾螌?shí)現(xiàn)。雙位調(diào)節(jié)可以看作是一個(gè)極端的比例系數(shù)很大的比例控制，對(duì)任何一個(gè)偏差，不論大小，都會(huì)產(chǎn)生飽和滿(mǎn)載的輸出。此方法非常容易實(shí)現(xiàn)，但缺點(diǎn)也非常突出:它的動(dòng)作非常頻繁。開(kāi)關(guān)閥的驅(qū)動(dòng)信號(hào)有兩個(gè)，一個(gè)開(kāi)閥，一個(gè)關(guān)閥，兩者都是開(kāi)關(guān)量，只要持續(xù)為 ON，閥門(mén)就會(huì)持續(xù)動(dòng)作，直到全開(kāi)或全關(guān)，不會(huì)始終保持在一個(gè)位置上；而調(diào)節(jié)閥是由一個(gè)模擬量的開(kāi)度信號(hào)驅(qū)動(dòng)的，閥門(mén)隨著該信號(hào)的變化而動(dòng)作，若信號(hào)不變，閥門(mén)位置不變。這種控制實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，效果很好，可以十分精確的控制液位。2.. 濾池控制器濾池控制器首先控制濾池的液位，把液位大致穩(wěn)定在一個(gè)范圍內(nèi)，達(dá)到維持相對(duì)穩(wěn)定的濾速的目的。令 )(ktUt?山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 控制方案設(shè)計(jì)13)(ktEt????t oijtdT0)( ktt)1(??（）由此可得位置式數(shù)字 PID 算法： ()??)1())()()(0 ????KEjEKUdkJip式中：T 為采樣周期，Kp 為比例增益系數(shù)，Ki=KpT/Ti 稱(chēng)為積分系數(shù)，Kd=KpTd/T 稱(chēng)為微分系數(shù)，U(K)是 E(KT)的簡(jiǎn)寫(xiě)。缺點(diǎn)是對(duì)干擾同樣敏感，是系統(tǒng)對(duì)干擾的抑制能力降低。(2)積分控制作用山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 控制方案設(shè)計(jì)12 能對(duì)誤差進(jìn)行記憶并積分，有利于消除系統(tǒng)的靜差。在PID 控制算法中，存在著比例、積分、微分三種控制作用。硬件上只需配備 A/D 及 D/A 轉(zhuǎn)換模塊，軟件可購(gòu)買(mǎi)廠家提供的 PID 編程功能模塊。在模擬系統(tǒng)中，控制器最常用的控制規(guī)律就是 PID 控制，在工業(yè)生產(chǎn)控制過(guò)程中，模擬量的 PID（比例、積分、微分）調(diào)節(jié)是常見(jiàn)的一種控制方式，這是由于 PID 調(diào)節(jié)不需要求出控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，對(duì)于這一類(lèi)系統(tǒng)，使用 PID 控制可以取得比較令人滿(mǎn)意的效果，同時(shí) PID調(diào)節(jié)器又具有典型的結(jié)構(gòu)，可以根據(jù)被控對(duì)象的具體情況，采用各種 PID的變種，又具有較強(qiáng)的靈活性和適用性。主控部分由一臺(tái)主控 PLC，一臺(tái)主控上位機(jī)組成，主控 PLC 負(fù)山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 控制方案設(shè)計(jì)10責(zé)和現(xiàn)場(chǎng) PLC 的通信和氣水反沖洗的協(xié)調(diào)控制，上位機(jī)用于實(shí)現(xiàn)人機(jī)對(duì)話：每個(gè)現(xiàn)場(chǎng) PLC 負(fù)責(zé)管理每個(gè)濾池恒水位運(yùn)行和自動(dòng)反沖洗。同時(shí)，還能把濾池的各信號(hào)，如濾池后水流量、濁度以及濾池的各個(gè)工作狀態(tài)，運(yùn)行時(shí)間等，在聯(lián)網(wǎng)后，傳送到中央控制室。其中半自動(dòng)反沖洗為強(qiáng)制反沖洗，即用戶(hù)可以在任何時(shí)候進(jìn)行反沖洗。濾池正常過(guò)濾時(shí)，為實(shí)現(xiàn)恒水位過(guò)濾，設(shè)計(jì)以出水流量為控制參數(shù)的濾池液位 PID 控制系統(tǒng)。在正常的過(guò)濾條件下，生產(chǎn)工藝要求將水位的波動(dòng)限制在 400177。設(shè)計(jì)濾速為 9m/h，氣沖強(qiáng)度為 當(dāng)水位升到接近過(guò)濾恒水位時(shí)，濾池反沖洗正式結(jié)束，系統(tǒng)轉(zhuǎn)入正常的過(guò)濾程序。輸出附加處理程序是把 PID 方程的運(yùn)算按一定的規(guī)律輸出給清水閥。即實(shí)際水位比設(shè)定水位的值大得越多，輸出的開(kāi)度就越大?，F(xiàn)將濾池的基本工藝簡(jiǎn)圖繪制如圖 所示。如果控制器故障，操作人員也可以通過(guò)電氣執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制面板，對(duì)設(shè)備進(jìn)行手動(dòng)操作。反沖水泵：用于抽取清水對(duì)濾層進(jìn)行反沖洗。排水閥：在集水渠另一端，用于將反沖洗的污水排出的閥門(mén)。山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 控制方案設(shè)計(jì)5濾池正常過(guò)濾工藝過(guò)程濾池反沖洗工藝過(guò)程實(shí)時(shí)處理模塊圖 濾池工藝過(guò)程簡(jiǎn)圖 濾池的控制系統(tǒng)組成V 型濾池控制系統(tǒng)一般由受控設(shè)備、電氣執(zhí)行機(jī)構(gòu)、 PLC 控制器組成。V 型濾池由法國(guó)德意滿(mǎn)公司在七十年代發(fā)展起來(lái)的，70 年代已在歐洲大陸廣泛使用，80 年代后期，我國(guó)南京、西安、重慶等地開(kāi)始引進(jìn)使用，90 年代以來(lái)，我國(guó)新建的大、中型凈水廠差不多都采用了 V 型濾池這種濾水工藝，特別是廣東省新建的凈水廠幾乎都采用了 V 型濾池。(5)根據(jù)所設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)監(jiān)控系統(tǒng)并進(jìn)行仿真。 本設(shè)計(jì)的主要工作內(nèi)容本課題主要設(shè)計(jì)的是基于 PLC 控制的濾池恒水位過(guò)濾和自動(dòng)反沖洗過(guò)程，主要設(shè)計(jì)流程如下：(1)在分析系統(tǒng)功能的基礎(chǔ)上確定系統(tǒng)的被控參數(shù)和控制參數(shù)，熟悉生產(chǎn)工藝過(guò)程，根據(jù)控制要求進(jìn)行總體控制方案設(shè)計(jì)。因此70年代已在歐洲大陸廣泛使用。這些自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)并不完全符合提高水廠技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益這一根本目的。我國(guó)在水廠關(guān)鍵環(huán)節(jié)混凝投藥控制技術(shù)與設(shè)備方面實(shí)現(xiàn)了流動(dòng)電流及透光率脈動(dòng)兩種控制設(shè)備的國(guó)產(chǎn)化，并在水廠獲得推廣應(yīng)用，取得顯著效果，在此方面已居于國(guó)際領(lǐng)先水平。進(jìn)入70年代以來(lái)，以微處理器為核心的各種控制設(shè)備發(fā)展迅速，使得控制系統(tǒng)的形式也發(fā)生了相應(yīng)的變化，組成種類(lèi)很多。山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 緒論2每個(gè)環(huán)節(jié)根據(jù)自身的情況進(jìn)行工作，只能解決該環(huán)節(jié)局部的控制調(diào)節(jié)問(wèn)題，環(huán)節(jié)之間的協(xié)調(diào)難以自動(dòng)實(shí)現(xiàn)，需要人工干預(yù)，這屬于分散式控制。由于 PLC 自動(dòng)控制的靈活性，可以在現(xiàn)場(chǎng)改變某些工藝參數(shù)和動(dòng)作順序，增加系統(tǒng)性能，并取代傳統(tǒng)的繼電器控制，使設(shè)備運(yùn)行更加平穩(wěn)、可靠，提高了經(jīng)濟(jì)效益。濾池的最大的特點(diǎn)就是控制參數(shù)多，閥門(mén)位置分散，環(huán)境惡劣，因此為了做到安全可靠地生產(chǎn)，應(yīng)采用自動(dòng)控制系統(tǒng)。但由于鄉(xiāng)鎮(zhèn)水廠技術(shù)力量相對(duì)薄弱，自動(dòng)化在生產(chǎn)中的維護(hù)存在一定困難。國(guó)內(nèi)實(shí)現(xiàn)水廠自動(dòng)化的方法山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 緒論1主要依靠新建和擴(kuò)建水廠。隨著自動(dòng)控制技術(shù)、系統(tǒng)控制設(shè)備和機(jī)電儀表設(shè)備的發(fā)展，濾池自動(dòng)化。我國(guó)的水廠大規(guī)模建設(shè)是從解放后開(kāi)始的，取得了卓越成就，而且更加現(xiàn)代化、大規(guī)模的新型水廠也在成批的建設(shè)中，一些水廠的自動(dòng)化裝備已步入世界水平。人們對(duì)飲用水處理的歷史非常悠久，近千年，但這僅僅是小規(guī)模、家庭型的處理，面向社會(huì)興建水廠，工業(yè)化水處理的歷史還不到二年，特別是以快濾池為標(biāo)志的現(xiàn)代水廠歷史更短。我國(guó)水廠自動(dòng)化起步很晚，但發(fā)展很快。事實(shí)上，90 年代也是國(guó)內(nèi)水廠自動(dòng)化產(chǎn)生實(shí)質(zhì)性經(jīng)濟(jì)效益的時(shí)期。南方的情況體現(xiàn)了水廠自動(dòng)化在中小水廠蓬勃發(fā)展的現(xiàn)狀，其特點(diǎn)為：設(shè)計(jì)工作以本地技術(shù)力量為主，新建或改造舊水廠的投資渠道多樣化，在設(shè)備選型上實(shí)行土洋結(jié)合的辦法。濾池反沖洗工藝復(fù)雜，需要進(jìn)行濾池自動(dòng)化系統(tǒng)的改造。采用可編程器進(jìn)行水廠濾池的自動(dòng)化控制，可以縮短設(shè)計(jì)周期，并便于安裝調(diào)試，對(duì)于水廠這樣的不便于停產(chǎn)的生產(chǎn)單位來(lái)講，這一點(diǎn)很重要。這些設(shè)施可以一次建成，也可以分別建設(shè)，相互之間沒(méi)大有聯(lián)系。在此控制系統(tǒng)中，集中檢測(cè)，控制運(yùn)算工作量大，對(duì)計(jì)算機(jī)要求高。我國(guó)自80年代中后期起，陸續(xù)有一些較大型的水廠利用外資建設(shè)，引進(jìn)了成套的水廠現(xiàn)代化監(jiān)控儀表與設(shè)備。這種模式并不適應(yīng)我國(guó)相當(dāng)多的水廠原水水質(zhì)變化大而快的情況，也談不上保證水處理系統(tǒng)運(yùn)行的優(yōu)化，結(jié)果水質(zhì)的保證率低，而運(yùn)行費(fèi)用卻相對(duì)較高。V 型濾池就是在此基礎(chǔ)上由法國(guó)德利滿(mǎn)公司在70年代發(fā)展起來(lái)的，它具有出水水質(zhì)好、濾速高、運(yùn)行周期長(zhǎng)、反沖洗效果好、節(jié)能和便于自動(dòng)化管理等特點(diǎn)。水廠生產(chǎn)的基本工藝可分為加藥、反應(yīng)、沉淀、過(guò)濾、消毒、儲(chǔ)存、送水等幾個(gè)相關(guān)的過(guò)程，其中過(guò)濾過(guò)程又可分為正常過(guò)濾和濾池反沖洗兩個(gè)子過(guò)程，兩個(gè)子過(guò)程交替運(yùn)行，相互之間間隔一定時(shí)間。(4)相關(guān)軟件設(shè)計(jì)，利用相關(guān)軟件設(shè)計(jì)梯形圖控制程序，對(duì)程序進(jìn)行調(diào)試和修改。 （2）氣、水反沖再加始終存在的橫向表面掃洗，沖洗效果好，沖洗水量大大減少。工藝流程如圖 所示。清水閥：控制濾后水流出濾池進(jìn)入清水管的閥門(mén)。反沖洗系統(tǒng)一般包括：鼓風(fēng)機(jī)：用于產(chǎn)生強(qiáng)勁氣流對(duì)濾層進(jìn)行沖洗的閥門(mén)。電氣執(zhí)行機(jī)構(gòu)負(fù)責(zé)控制的具體實(shí)施，它從控制器接收控制命令，然后相關(guān)的繼電器接點(diǎn)閉合或斷開(kāi)，電路導(dǎo)通，設(shè)備獲得動(dòng)力繼而進(jìn)行動(dòng)作。而濾池的反沖洗，就是先后運(yùn)行氣洗、水洗兩種清洗方式去除濾料層中的雜質(zhì)，是濾池自?xún)舻墓に嚧胧?。?∑P I D 方程設(shè)定水位 S P輸出附加處理流速偏差前饋或輸出補(bǔ)償運(yùn)算輸出開(kāi)度可調(diào)的清水出水閥控制輸出濾格過(guò)程變量 P V濾格水位 超聲波水位計(jì)圖 恒水位過(guò)濾控制框圖 濾池水位的控制是一個(gè)典型的 PID 閉環(huán)控制系統(tǒng)，控制過(guò)程是:具有參數(shù)可調(diào)的 PID 方程根據(jù)設(shè)定值和過(guò)程變量輸入之間的誤