【正文】 動化水平的日益提高及微電子技術的飛速發(fā)展，在繼電器控制的基礎上產(chǎn)生的一種新型的工業(yè)控制裝置，是將微型計算機技術、自動化技術及通信技術融為一體，應用到工業(yè)控制領域的一種高可靠性控制器，是當代工業(yè)生產(chǎn)自動化的支柱。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。S7200CN 系列的強大功能使其無論獨立運行中，或相連成網(wǎng)絡皆能實現(xiàn)復雜控制功能，其在集散自動化系統(tǒng)中充分發(fā)揮其強大功能，適用范圍可覆蓋從替代繼電器的簡單控制到更復雜的自動化控制。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。由此可見，在多濾池系統(tǒng)中，正在反沖洗的狀態(tài)標識是最重要的一個，它類似于交通信號燈中的紅燈，禁止其它濾池與反沖洗系統(tǒng)進行非法通訊，保證通訊協(xié)調(diào)的正常秩序，避免混亂的發(fā)生。每個濾池控制器都能以此機制與反沖洗控制器溝通。而新方案中，閥門沒有到位，就不會送出標識，故障的處理僅由濾池控制器單獨進行。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(diào)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(diào)過程，對于簡化突發(fā)故障的處理也很有意義。沖洗完畢，反沖洗系統(tǒng)控制器會給濾池控制器一個標識，進入第三階段。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。與原來不同的是，沒有在氣沖或水沖閥半開時啟動鼓風機或水沖泵。流程示意圖見圖 。新的方案則可以減少這種條件，使通訊大為簡化。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。而且當系統(tǒng)中不只有兩臺控制器時，標識個數(shù)又會成倍增加，尤其在大系統(tǒng)中應用時，如此數(shù)量龐大的標識使溝通的編程實現(xiàn)十分困難。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。這一系列的標識，就是兩套控制器之間實現(xiàn)溝通協(xié)調(diào)的方法。同樣，還要有一個標識，通知反沖洗系統(tǒng)控制器開水沖泵。因此，要建立一個標識，表明有濾池在反沖洗時，其它濾池不能進行反沖洗，以阻止濾池控制器控制濾池進入反沖洗狀態(tài)。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(diào)整前的反沖洗過程 下面再討論一下標識的設立。一般的通訊溝通都要求接收方返回一個確認信號，表明正確收到被發(fā)送信號，以備信號在傳送過程中丟失。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?；旧?，這個機制就是一系列的標識，用來向其它控制器表明自己當前的狀態(tài)。整個過程，如圖 所示。到時間后，停掉兩臺水沖泵，關閉水沖閥，關閉排水閥，沖洗結束。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。液位足夠低時，關閉排氣閥，打開排水閥，準備開始沖洗。所以，反沖洗過程會伴隨著一系列的開閥關閥動作。在一般濾池系統(tǒng)的六個閥門中，進水閥、清水閥和排氣閥在過濾時應打開，而氣沖閥、水沖閥和排水閥則應關閉。相應的，液位低于設定而正在上升，閥門也不動作。之后再結合液位情況，確定閥門是否動作。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。當液位變化的趨勢(上升或下降)與控制預期相同時，閥門的動作是非必要的，可以免除，當趨勢與預期不同時，才需要閥門動作進行調(diào)節(jié)。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)。由于事實上不斷地有水流入濾池，實際的液位下降速度要比 厘米/秒慢很多，所以采樣的間隔可以設的比較長，達到十幾秒鐘。具體兩個時間如何確定，可以先估算，再具體調(diào)試。采樣周期和動作時間的結合，極大降低了閥門的動作頻率，系統(tǒng)也更加穩(wěn)定了。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。情況跟先前并沒什么不同，只是由一次動作變?yōu)槎啻蝿幼髁?，頻繁性沒有得到根本的改變。 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。所以，要控制動作時間，在執(zhí)行機構中就不能有連鎖。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。如果對這個動作時間作出限制，就可以對閥門開度進行控制。下面談談如何實現(xiàn)。這就是雙位調(diào)節(jié)導致閥門頻繁開關的原因。雙位調(diào)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。這一點在實際工程中非常重要，許多場合都必須刻意避免閥門頻繁動作。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。通過 PLC 計算得出山東科技大學學士學位論文 控制方案設計15閥門位置的機制也就不再適用，需要重新設計。開關閥的驅(qū)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(diào)節(jié)閥是由一個模擬量的開度信號驅(qū)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。此時，可以用開關閥替代調(diào)節(jié)閥來調(diào)節(jié)液位，降低投資成本。這種控制實現(xiàn)簡單，效果很好，可以十分精確的控制液位。一般 PLC 都可以實現(xiàn)PID 功能。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。使用位置式 PID 數(shù)字控制器會造成 PID 運算的積分積累，引起系統(tǒng)超調(diào)，這在生產(chǎn)過程中是不允許的。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。因為其算法簡單，參數(shù)調(diào)整方便，并且有一定的控制精度，因此它成為當前最為普遍采用的控制算法。缺點是對干擾同樣敏感，是系統(tǒng)對干擾的抑制能力降低。(3)微分控制作用通過對誤差進行微分，能感覺出誤差的變化趨勢。(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。缺點是對于具有自平衡能力的被控對象存在靜差。在PID 控制算法中，存在著比例、積分、微分三種控制作用。比例 P積分 I微分 D被控對象R ( t )C ( t )+++E ( t )U ( t )圖 模擬 PID 系統(tǒng)原理框圖濾池恒水位控制技術的發(fā)展非常迅速，從模擬 PID、數(shù)字 PID 到最優(yōu)控制、自適應控制、再發(fā)展到智能控制，每一步都使控制的性能得到改善。硬件上只需配備 A/D 及 D/A 轉(zhuǎn)換模塊，軟件可購買廠家提供的 PID 編程功能模塊。大型的可編程控制器配置過程控制模塊可同時對幾十路模擬量進行閉環(huán)控制，單造價昂貴。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(diào)節(jié)是常見的一種控制方式，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(diào)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。其拓撲網(wǎng)絡如 所示主 控 西 門 子 P L CP C現(xiàn)場 P L C 1 現(xiàn)場 P L C 3現(xiàn)場 P L C 2 現(xiàn)場 P L C 4 現(xiàn)場 P L C 5 現(xiàn)場 P L C 6 現(xiàn)場 P L C 7 現(xiàn)場 P L C 81 號濾池 2 號濾池 3 號濾池 4 號濾池 5 號濾池 6 號濾池 7 號濾池 8 號濾池P C圖 濾池自控網(wǎng)絡拓撲圖 PID 控制算法的基本原理PID(Proportional Integral Differential)控制算法 [1]就是經(jīng)典的閉環(huán)控制，它是連續(xù)系統(tǒng)中技術最成熟、應用最廣泛的調(diào)節(jié)方式。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(diào)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。(7) 采用西門子公司的 PLC 系列產(chǎn)品，以保證濾池運行的穩(wěn)定和可靠。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。主 PLC 和各部分 PLC 既聯(lián)系又獨立，在正常運行時，他們各司其職，統(tǒng)一運行。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。山東科技大學學士學位論文 控制方案設計9 系統(tǒng)總體方案設計 濾池自控方案根據(jù)本濾池的結構，考慮到自動控制方式的先進性，穩(wěn)定性，可靠性和連續(xù)不停運行的特點，提出如下自控方案：(1) 在每個濾池上，各配置一臺 PLC，分別控制這個濾格在正常過濾狀態(tài)下和反沖洗狀態(tài)下的運行。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)。當濾池的運行滿足了反沖洗的條件（運行周期到、水頭信號或強沖信號） ，需要進行反沖洗，以去除濾料層的雜質(zhì)。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 過濾時要求維持一定的濾速。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(zhuǎn)入正常的過濾程序。首先關閉進水閥，濾池內(nèi)部的存留水經(jīng)出水閥繼續(xù)過濾排除，當水位降至設定的反沖水位時（ ） ，關閉山東科技大學學士學位論文 控制方案設計8出水閥并打開排污閥，排污閥的信號到位后打開反沖氣閥，啟動風機進行氣沖 6min，然后關閉鼓風機，關閉反沖氣閥。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。反應為進水流速越快，清水出水閥開度越大。即實際水位比設定水位的值大得越多，輸出的開度就越大。系統(tǒng)接收到水位計的水位信號，當水位信號高于設定的恒水位時，開大出山東科技大學學士學位論文 控制方案設計7水閥，調(diào)節(jié)閥門的開啟度；當水位信號低于設定的恒水位時，關小出水閥，調(diào)節(jié)閥門的開啟度；當水位信號等于恒水位時，保持出水閥開啟度，濾池恒水位過濾工作框圖如圖 所示。現(xiàn)將濾池的基本工藝簡圖繪制如圖 所示。所謂的濾池正常過濾過程就是通過濾料層將待濾水去除雜質(zhì)顆粒、細菌的過程，其主要目的是使濾后水的渾濁度達到國家飲用水的衛(wèi)生標準。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