【正文】 （4）CPU 自診斷測試自診斷測試包括定期檢查 CPU 模塊操作的狀態(tài)是否正常，將監(jiān)控定時器復位，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，如果沒有跳轉指令，CPU 從第一條指令開始，逐條順序地執(zhí)行用戶程序。為了使 PLC 的輸出及時地響應各種輸入信號，初始化后 PLC 要反復不停地分階段處理各種山東科技大學學士學位論文 硬件設計23不同的任務，這種周而復始的循環(huán)工作方式稱為掃描工作方式 [2]。(10)系統(tǒng)在一種現(xiàn)場不需要時，仍可改在另一種現(xiàn)場上使用等一系列優(yōu)點。(6)可直接將數(shù)據(jù)送入處理器中，可直接連接到現(xiàn)場。(2)簡單，易于使用，不必要求微機硬件方面的知識，編程不需要高級語言。表 S7200 系列機型配置一覽表型號 I/O 點數(shù) 擴展功能CPU221 6 輸入，4 輸出，共 10 個 無 I/O 擴展能力CPU222CN 8 輸入，6 輸出，共 14 個 可連接 2 個擴展模塊CPU224CN 14 輸入，10 輸出，共 24 個 可連接 7 個擴展模塊CPU224XPCN 14 輸入，10 輸出，共 24 個 可連接 7 個擴展模塊CPU226CN 24 輸入，16 輸出，共 40 個 可連接 7 個擴展模塊大本文根據(jù) I/O 點數(shù)和性價比綜合考慮可選擇 CPU224CN。3 硬件設計 PLC 選型 PLC 型號選擇 S7200PLC 是德國西門子公司生產(chǎn)德一種小型 PLC，其許多功能達到大、中型 PLC 的水平，而價格卻和小型 PLC 一樣，因此，它一經(jīng)推出，山東科技大學學士學位論文 控制方案設計21即受到了廣泛的關注。每個濾池控制器都能以此機制與反沖洗控制器溝通。關閉進水閥 、 清水閥 ， 打開排水閥 、 氣沖閥和水沖閥關閉水沖閥 、 氣沖閥 、 排水閥 ，打開進水閥 、 清水閥氣沖 、 水沖開 、 關閥階段完成后 ，產(chǎn)生反沖洗標識沖洗完后給出沖洗結束標識圖 調整后的反沖洗過程這個方案中，兩個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學士學位論文 控制方案設計20中完成控制任務，不僅簡化了協(xié)調過程，對于簡化突發(fā)故障的處理也很有意義。所有閥門到位后，濾池控制器向反沖洗系統(tǒng)控制器傳遞一個標識，進入第二階段。流程示意圖見圖 。經(jīng)過與老師和同學的討論，可以對原先的反沖洗過程作一些修改，以得到一套簡化許多的通訊方案。原因如下:上述的標識只是一山東科技大學學士學位論文 控制方案設計19部分，實際的工程中還涉及了故障報警，故障處理等問題，需要添加大量標識。同樣，還要有一個標識，通知反沖洗系統(tǒng)控制器開水沖泵。山東科技大學學士學位論文 控制方案設計18正常過濾關進水閥關出水閥 、開排污閥開反氣沖閥開鼓風機關鼓風機關反沖氣閥開反沖水閥 、 開反沖水泵關反沖水閥 、 停水泵關排污閥開進水閥圖 調整前的反沖洗過程 下面再討論一下標識的設立。當濾池或反沖系統(tǒng)處于某一狀態(tài)時，相應標識置門置“1” ，向另一控制器發(fā)送，當這一狀態(tài)結束時，標識清零，再向另一控制器發(fā)送。整個過程，如圖 所示。一定時間后，開水沖閥，半開時啟動第一臺水沖泵，進行氣水沖。所以，反沖洗過程會伴隨著一系列的開閥關閥動作。相應的，液位低于設定而正在上升，閥門也不動作。具體實現(xiàn)是一次采樣后，將該值備份，使其不會在下次采樣時備更新。在本例中，最終的取值是這樣的: 采樣間隔 15 秒，一次動作時間 1 秒(由全開至全關的動作時間為 18 秒)。具體兩個時間如何確定，可以先估算，再具體調試。參考常被應用在較強的滯后系統(tǒng)中的采樣 PID，它通過延長反饋信號的采樣周期，延緩 PID 輸出的更新頻率，以山東科技大學學士學位論文 控制方案設計16適應系統(tǒng)的滯后性。 然而，僅僅縮短一次性動作時間仍然不能實現(xiàn)穩(wěn)定控制。一般的開關閥，執(zhí)行機構是由連鎖的，只要動作信號一給出，不管是否保持，閥門都要持續(xù)動作到底(關死或開足) ，不會中途停止。下面談談如何實現(xiàn)。雙位調節(jié)可以看作是一個極端的比例系數(shù)很大的比例控制，對任何一個偏差，不論大小，都會產(chǎn)生飽和滿載的輸出。此方法非常容易實現(xiàn)，但缺點也非常突出:它的動作非常頻繁。開關閥的驅動信號有兩個，一個開閥，一個關閥，兩者都是開關量，只要持續(xù)為 ON，閥門就會持續(xù)動作，直到全開或全關，不會始終保持在一個位置上；而調節(jié)閥是由一個模擬量的開度信號驅動的，閥門隨著該信號的變化而動作，若信號不變，閥門位置不變。這種控制實現(xiàn)簡單，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)定在一個范圍內(nèi)，達到維持相對穩(wěn)定的濾速的目的。令 )(ktUt?山東科技大學學士學位論文 控制方案設計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 稱為積分系數(shù)，Kd=KpTd/T 稱為微分系數(shù)，U(K)是 E(KT)的簡寫。缺點是對干擾同樣敏感，是系統(tǒng)對干擾的抑制能力降低。(2)積分控制作用山東科技大學學士學位論文 控制方案設計12 能對誤差進行記憶并積分，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 轉換模塊，軟件可購買廠家提供的 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)控制過程中，模擬量的 PID（比例、積分、微分）調節(jié)是常見的一種控制方式，這是由于 PID 調節(jié)不需要求出控制系統(tǒng)的數(shù)學模型，對于這一類系統(tǒng)，使用 PID 控制可以取得比較令人滿意的效果，同時 PID調節(jié)器又具有典型的結構，可以根據(jù)被控對象的具體情況，采用各種 PID的變種，又具有較強的靈活性和適用性。主控部分由一臺主控 PLC，一臺主控上位機組成，主控 PLC 負山東科技大學學士學位論文 控制方案設計10責和現(xiàn)場 PLC 的通信和氣水反沖洗的協(xié)調控制，上位機用于實現(xiàn)人機對話：每個現(xiàn)場 PLC 負責管理每個濾池恒水位運行和自動反沖洗。同時，還能把濾池的各信號，如濾池后水流量、濁度以及濾池的各個工作狀態(tài)，運行時間等，在聯(lián)網(wǎng)后，傳送到中央控制室。其中半自動反沖洗為強制反沖洗，即用戶可以在任何時候進行反沖洗。濾池正常過濾時，為實現(xiàn)恒水位過濾，設計以出水流量為控制參數(shù)的濾池液位 PID 控制系統(tǒng)。在正常的過濾條件下，生產(chǎn)工藝要求將水位的波動限制在 400177。設計濾速為 9m/h，氣沖強度為 當水位升到接近過濾恒水位時，濾池反沖洗正式結束，系統(tǒng)轉入正常的過濾程序。輸出附加處理程序是把 PID 方程的運算按一定的規(guī)律輸出給清水閥。即實際水位比設定水位的值大得越多，輸出的開度就越大?，F(xiàn)將濾池的基本工藝簡圖繪制如圖 所示。如果控制器故障，操作人員也可以通過電氣執(zhí)行機構的控制面板，對設備進行手動操作。反沖水泵：用于抽取清水對濾層進行反沖洗。排水閥：在集水渠另一端，用于將反沖洗的污水排出的閥門。山東科技大學學士學位論文 控制方案設計5濾池正常過濾工藝過程濾池反沖洗工藝過程實時處理模塊圖 濾池工藝過程簡圖 濾池的控制系統(tǒng)組成V 型濾池控制系統(tǒng)一般由受控設備、電氣執(zhí)行機構、 PLC 控制器組成。V 型濾池由法國德意滿公司在七十年代發(fā)展起來的，70 年代已在歐洲大陸廣泛使用，80 年代后期，我國南京、西安、重慶等地開始引進使用，90 年代以來，我國新建的大、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)所設計的控制系統(tǒng)設計監(jiān)控系統(tǒng)并進行仿真。 本設計的主要工作內(nèi)容本課題主要設計的是基于 PLC 控制的濾池恒水位過濾和自動反沖洗過程，主要設計流程如下：(1)在分析系統(tǒng)功能的基礎上確定系統(tǒng)的被控參數(shù)和控制參數(shù)，熟悉生產(chǎn)工藝過程，根據(jù)控制要求進行總體控制方案設計。因此70年代已在歐洲大陸廣泛使用。這些自動監(jiān)控系統(tǒng)并不完全符合提高水廠技術經(jīng)濟效益這一根本目的。我國在水廠關鍵環(huán)節(jié)混凝投藥控制技術與設備方面實現(xiàn)了流動電流及透光率脈動兩種控制設備的國產(chǎn)化，并在水廠獲得推廣應用，取得顯著效果，在此方面已居于國際領先水平。進入70年代以來，以微處理器為核心的各種控制設備發(fā)展迅速，使得控制系統(tǒng)的形式也發(fā)生了相應的變化，組成種類很多。山東科技大學學士學位論文 緒論2每個環(huán)節(jié)根據(jù)自身的情況進行工作，只能解決該環(huán)節(jié)局部的控制調節(jié)問題，環(huán)節(jié)之間的協(xié)調難以自動實現(xiàn)，需要人工干預，這屬于分散式控制。由于 PLC 自動控制的靈活性，可以在現(xiàn)場改變某些工藝參數(shù)和動作順序，增加系統(tǒng)性能，并取代傳統(tǒng)的繼電器控制，使設備運行更加平穩(wěn)、可靠，提高了經(jīng)濟效益。濾池的最大的特點就是控制參數(shù)多，閥門位置分散，環(huán)境惡劣，因此為了做到安全可靠地生產(chǎn)，應采用自動控制系統(tǒng)。但由于鄉(xiāng)鎮(zhèn)水廠技術力量相對薄弱，自動化在生產(chǎn)中的維護存在一定困難。國內(nèi)實現(xiàn)水廠自動化的方法山東科技大學學士學位論文 緒論1主要依靠新建和擴建水廠。隨著自動控制技術、系統(tǒng)控制設備和機電儀表設備的發(fā)展，濾池自動化。我國的水廠大規(guī)模建設是從解放后開始的，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中，一些水廠的自動化裝備已步入世界水平。人們對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志的現(xiàn)代水廠歷史更短。我國水廠自動化起步很晚，但發(fā)展很快。事實上，90 年代也是國內(nèi)水廠自動化產(chǎn)生實質性經(jīng)濟效益的時期。南方的情況體現(xiàn)了水廠自動化在中小水廠蓬勃發(fā)展的現(xiàn)狀，其特點為：設計工作以本地技術力量為主，新建或改造舊水廠的投資渠道多樣化，在設備選型上實行土洋結合的辦法。濾池反沖洗工藝復雜，需要進行濾池自動化系統(tǒng)的改造。采用可編程器進行水廠濾池的自動化控制，可以縮短設計周期，并便于安裝調試，對于水廠這樣的不便于停產(chǎn)的生產(chǎn)單位來講，這一點很重要。這些設施可以一次建成，也可以分別建設，相互之間沒大有聯(lián)系。在此控制系統(tǒng)中，集中檢測，控制運算工作量大，對計算機要求高。我國自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，引進了成套的水廠現(xiàn)代化監(jiān)控儀表與設備。這種模式并不適應我國相當多的水廠原水水質變化大而快的情況，也談不上保證水處理系統(tǒng)運行的優(yōu)化，結果水質的保證率低，而運行費用卻相對較高。V 型濾池就是在此基礎上由法國德利滿公司在70年代發(fā)展起來的，它具有出水水質好、濾速高、運行周期長、反沖洗效果好、節(jié)能和便于自動化管理等特點。水廠生產(chǎn)的基本工藝可分為加藥、反應、沉淀、過濾、消毒、儲存、送水等幾個相關的過程，其中過濾過程又可分為正常過濾和濾池反沖洗兩個子過程，兩個子過程交替運行，相互之間間隔一定時間。(4)相關軟件設計，利用相關軟件設計梯形圖控制程序，對程序進行調試和修改。 （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入清水管的閥門。反沖洗系統(tǒng)一般包括：鼓風機：用于產(chǎn)生強勁氣流對濾層進行沖洗的閥門。電氣執(zhí)行機構負責控制的具體實施，它從控制器接收控制命令，然后相關的繼電器接點閉合或斷開，電路導通，設備獲得動力繼而進行動作。而濾池的反沖洗，就是先后運行氣洗、水洗兩種清洗方式去除濾料層中的雜質，是濾池自凈的工藝措施?！?∑P I D 方程設定水位 S P輸出附加處理流速偏差前饋或輸出補償運算輸出開度可調的清水出水閥控制輸出濾格過程變量 P V濾格水位 超聲波水位計圖 恒水位過濾控制框圖 濾池水位的控制是一個典型的 PID 閉環(huán)控制系統(tǒng)，控制過程是:具有參數(shù)可調的 PID 方程根據(jù)設定值和過程變量輸入之間的誤