西门子PLC模块6ES7212-1AF40-0XB0型号规格
目前国内外污水处理工艺主要采用传统活性污泥法及其变形工艺：A-B工艺、A-O工艺、A2O工艺（及其改良）、SBR工艺、CASS等工艺，其中污水处理过程中生化池的曝气量控制始终是个难题。污水处理曝气过程中溶解氧的分布情况，直接影响污水处理的效果及污泥活力甚至出水水质。在欧洲，溶解氧浓度的设定值由十年前2～5mg/l，近十年设定值2mg/l，到现在的1.0～1.2mg/l，国外也在结合不同的实际运行工况，不断地摸索合适的溶解氧浓度，降低原始设定值。
现在国内大多数污水处理厂曝气量的分配、供应效果很不理想，溶解氧浓度振荡大，周围前后段溶解氧浓度相差很大，直接影响出水水质。大多数污水处理厂曝气量的分配、供应仍然靠人工远地手控，很容易产生差错，对系统造成人为的冲击。有一些污水处理厂也使用了自动化控制系统，其处理方法是以生化池溶解氧信号为控制信号，蝶阀为执行元件的方式进行控制，定值调节曝气池内溶解氧的浓度。在污水处理厂实际运行控制中，这两种方法均达不到很好的控制效果，控制滞后、精度低、溶解氧波动大、能耗高以及直接影响处理效果。
所以，研究和推广新的控制系统来**城市污水处理生产工艺水平很有必要，并且应该能满足以下要求：
**、稳定地控制污水曝气池中的溶解氧浓度，**生化处理率，改善出水水质;
实时根据风向、风力、温度、进水水质情况改善溶解氧浓度，调整气体**，以需定供，及时、准确、科学的分配气体;
优化鼓风机的运行，以达到节能减耗的目的;
避免由于溶氧仪仪表故障而造成整套工艺瘫痪，曝气不足或过量所造成的微生物的生长成活率，从而影响污水处理厂的正常生产;
降低污水处理厂的运行成本，减少值班人员的操作难度，**工作效率;
替代国外同类产品，出口创汇。
2、设计思想
在系统稳定的情况下，假设进水水量、水质、水温等条件都保持不变，鼓风机出口压力、曝气量也不变，耗氧速率和充氧速率基本平衡，溶解氧浓度稳定在给定值上。但在污水处理过程中不可能永远处于这么理想的平衡状态，干扰发生时必然会破坏上述的平衡，所以必须得通过**的自动调节手段才能使整个系统及时恢复稳定。
当水质水量不变时，系统如何保证曝气平衡
假如进水水质、水量相对比较稳定，当系统受到外界因素的影响使鼓风机的出口压力或**发生了变化，或由于其它就地控制回路的调节作用使该回路的曝气量发生了变化，平衡状态被打破。
控制系统的每个现场控制回路中，都配有一个高精度的气体**计，它会连续并且精
确的测量气体**的变化，当受到干扰时，该回路的**计立即测量到了这个变化，及时的反应到该回路的输入端，**控制回路很快对这个变化作出判断，迅速改变该回路中高精度调节阀的开度以保持曝气量不变。这样，经过**控制回路的控制，在干扰还未波及到溶解氧之前就已经被克服，即便是干扰较大，其大部分影响已经被**控制回路所克服，波及到溶解氧时，干扰已经很小，再通过**计算回路进一步调节，彻底消除干扰影响，使溶解氧恢复到给定值。
当水质水量发生变化时，系统如何保证曝气量
假如供气系统稳定，而进入曝气池的水质、水量等发生了变化，使溶解氧发生了波动，
破坏了原来的平衡。控制系统中包括**计算单元和**控制单元。当干扰发生时，**计将实际测得的气体**反应到**计算单元，溶解氧的设定值、溶解氧实际测量值、溶解氧变化趋势以及氨氮信号等也同时反应到**计算单元，结合系统的历史数据，通过系统内的模糊控制程序，系统会根据实际需要重新给定一个气体**设定值，反应给**控制单元，及时调节现场回路的曝气量，干扰被克服，很快使溶解氧恢复到给定值。
如何智能控制鼓风机的操作压力，达到节能的目的
曝气电耗占污水处理厂的80%左右，通过**控制算法来降低能耗十分必要。如果鼓风机的当前操作压力比较高，而阀门的开度都比较小，这样系统处于比较耗能的状态。所以由控制系统中的压力控制单元，综合所有的实际气体**信号及阀位信号，通过计算，给出一个低所需的压力设定，来重新调整鼓风机的操作压力（调节进口导叶或变频）），以达到按实际所需供应气体的目的。
3、系统实现
图1 系统控制回路图
3.1 系统配置
系统控制组成见图1所示。系统以热效应气体质量**计为主传感器，与DO仪相比，其测量数据更为准确，基本上不需维护。热式气体质量**计采用热扩散原理，热扩散技术是一种在苛刻条件下性能优良、可靠性高的技术。系统采用菱形调节阀来代替传统控制中的蝶阀。菱形调节阀有两个优点，一是在0-内调节均呈线性关系，具有等百分比**特性，而蝶阀仅在25-65%的范围内呈线性关系;二是该类型阀步进值较小，因此可以**地调整供风量。
图2控制配置图
系统控制器选用法国Schneider公司 Modicon系列PLC，控制配置见图2。考虑到一个鼓风机带了四个曝气回路，选用8路输入模拟量模块和4路输出模拟量模块构成控制闭环，并将PLC纳入工厂控制网络，通过MODBUS PLUS网与厂级控制控制系统（含鼓风机控制、水质监控等）通信。选用Schneider公司的10.4寸 64色触模屏作为人机界面。
3.2 控制算法
针对上文所述的设计思想，系统采用串级PID控制系统：主回路的溶解氧浓度通过曝气量的设定来调节，采用前馈和反馈相结合的复杂控制，前馈控制的扰动变量取水质（氨氮、硝酸盐氮等），根据水质的变化、溶解氧的设定值、溶解氧当前值及一定时间内的历史数据，通过计算重新给定一个曝气量的设定值;副回路的曝气量通过阀门的开度来调节，也采用前馈和反馈相结合的复杂控制，前馈控制的扰动变量取鼓风机的出口总压力设定值，这样可快速克服由于鼓风机控制系统出口总压力设定值的变化带来的干扰，而反馈控制可以快速地根据曝气量调节阀门开度，同时克服由于不同管道共用一个鼓风机而带来的干扰。串级控制系统具有抗干扰、快速性、适应性和控制质量好的优点。
如果四个阀门的开度都比较小，这时管道阻力比较大，使得鼓风机能耗上升，效率下降。所以可以同时适当增加四个阀门的开度，而把鼓风机控制系统出口总压力设定值调小，这样达到了节能的目的。而由于鼓风机出口总压力的变化导致曝气量的变化可以很快被前馈环节消除。阀门的开度增加也不能太大，否则就没有留下多少调节的余地。
3.3 软件设计
Modicon 系列PLC的编程软件提供了丰富的函数库，在过程控制方面功能更为强大。下面就软件编写中用到的几个主要控制函数SAMPLETM、PIDFF和MS作简单介绍。
SAMPLETM函数用来进行定时，INTERVAL引脚用来指定时间间隔;PIDFF函数是带前馈输入引脚FF的PID控制器，功能十分强大，支持增量式和式PID运算，输出信号幅值和梯度限幅，自动/手动切换，Para_PIDFF引脚是PID参数数据块;MS是输出控制函数，其OUT引脚的值可以是PID运算的输出值，也可以是人机界面上的操作值，通过MAN_AUTO引脚进行设定，实现自动/手动双向无扰动切换。通过两组上面三个函数的连接很方便地实现了上文所述的串级PID控制算法。
图3 几个主要的过程控制函数
触摸屏软件采用Vijeo-Designer组态软件编写。在触摸屏上运行的监控系统具有主控自动、主控手动两种工作方式。主控自动指由PLC的内部算法进行控制，可以将控制方式切换成手动，直接在触摸屏上设定阀门的开度。
在触摸屏画面能显示工艺流程及测量参数，控制方式、程序运行工况、控制对象状态，历史曲线，也能显示成组参数。当参数越限报警、控制对象故障或状态变化时，可以不同颜色进行显示。
引言
近年来，随着卷烟生产的不断发展——特别是烟厂生产自动化、信息化管理水平的不断**，中国各大卷烟生产企业对于所拥有的生产设备不断提出更高的性能要求，例如数据采集、专家系统以及远程监控等功能。这些功能的实现不仅将为烟厂用户带来种种便利，而且对于**设计企业的技术等级具有迫切和现实的意义。
在这样的背景下，对现有滤棒成型机组进行技术升级，使原来只具备单机控制能力的机组成为具有网络通讯能力、远程监视能力并可接受远程控制的新型机组就显得尤为重要。
一、机组介绍
1.1 ZL22D型纤维滤棒成型机组的机组组成
ZL22D型纤维滤棒成型机组是由上海烟草机械有限责任公司自主设计、生产的，具有20世纪末世界**水平的滤棒成型机组，具有比较高的生产能力、比较高的可靠性能的集丝束开松、成型和装盘于一体的滤棒自动生产线，设计能力为400m/min（或者4000pieces/min）。
ZL22D机组由YL12D 型开松上胶机、YL22D型滤棒成型机和YJ35滤棒装盘机所组成。其中：YL12D型开松上胶机组的功能是把醋酸纤维丝束带展开、开松、消除卷曲、重新组合，然后在均匀展开的丝束带上涂洒增塑剂（常用的增塑剂为三醋酸甘油脂等）；YL22D型滤棒成型机的功能是将经过处理过的醋酸纤维丝束带包上滤纸，按规定的要求进行成型、切断，通过分烟轮等输送到装盘机装盘，完成整个由丝束带到滤棒的生产成型工艺；YJ35滤棒装盘机的功能就是将已经完成成型工艺的滤棒装盘。
1.2 ZL22D型纤维滤棒成型机组的工艺流程
ZL22D型纤维滤棒成型机组的工艺流程简介如图2，一般分为备料、丝束开松、施加增塑剂、卷制成型、切断、装盒、贮存固化、装箱等8个步骤：
1.3 ZL22D型纤维滤棒成型机组的电气控制和传动系统
ZL22D型纤维滤棒成型机组的电气控制和传动系统采用了Lenze公司的伺服系统、Digital公司的触摸式控制屏和Siemens公司的PLC，分别通过MPI和DP通讯控制。其基本框图如图3所示：
二、方案设计与实现
2.1 理论设计
由于原先系统的电气控制单元为Siemens公司的S7-300 PLC，所以仍然沿用其作为机组电气控制系统的控制器，为此，其数据采集和远程监控系统就采用与之配套的S7-300系列的网络通讯（CP343模块）进行数据提取和传送。
这样的设计虽然是利用工业Ethernet网，进行TCP/IP的浅层通讯模式，但是具有数据通用，使用方便等特征。尽管这样会产生网络传送效率相对较低的问题，不过凭借光纤网络的其他优势完全可以弥补这一缺点。
而国内和国外不同，中国的许多公司的公司局域网络并没有进行大规模的铜质通讯网络的建设，而是直接采用光纤网络作为各个局域网的基干网络。所以，设计中并不采用CP340等网络通讯模块，而是采用CP343系列的网络模块。
不过，采用CP343系列的网络模块由于直接采用固定IP地址的方式，就必须要求用户企业具有自己独立的VPN（Virtual Private Network）网络。但是，由于这样的网络系统往往费用较高，国内只有少数烟厂才配置了这样具有固定IP地址的网络，而大多数卷烟厂都是采用对广域网无固定IP地址的网络。这样就使得CP343模块的适用范围缩小到某一公司局域网内部远程监控，而不能够进行广域网的远程监控。所以，对于广域网的远程监控还必须使用其他手段才能实现。
同时，近几年的互联网的发展呈现出多样性，仅工业系统总线就从6种增加为22种。这样的多样性意味着网络基干网并没有确定后的形式，例如3G网络、3T网络等高速、超高速网络的发展极有可能取代目前以普通光纤组成的基干网络。基于多方面的考虑，不采用光纤网络而采用通讯网络IDN方式的ISDN综合服务数字网显然是实现广域网远程通讯的更为切实可行的一种方式。
2.2 具体方案
2.2.1 使用CP343-IT模块进行局域网的远程监控手段
在不对原先机组中央控制系统进行大规模调整的思想下，本设计附加了S7-300 CP343-IT作为通讯站点，该通讯模块是通过S7-300后连接器进行与CPU的通讯，其自身通过SMATIC Manager软件设置固定IP地址的方式，通过TCP/IP通讯口实现与用户公司内局域网的通讯。
设计中使用的软件为STEP7 V5.4、SMATIC NET 6.4；所使用的主要硬件为S7-300 CPU315-2DP、S7-300 CP343-IT。
2.2.2 使用易控INSPEC作为上位机的组态软件
本设计中，由于上位机采用的是研华公司制造的工业平板电脑——TPC1261H，所以在经过比较和分析后，采用了北京九思易科技有限公司的INSPEC通用组态软件。
出于系统稳定运行、采用“硬实时响应”和防止计算机病毒等多方面的综合考虑，设计中没有采用bbbbbbs®2000 Professional版的操作系统，而是安装bbbbbbs XP bbbbbded操作系统。同时，比较了硬件加密锁和软件加密锁之间的异同，选择将软件加密锁嵌入操作系统。
同时，考虑到用户可能存在的数据采集方面的数据交换问题，所以采用小型关系数据库软件Microsoft®Access数据库作为机组生产参数的存储访问平台，而使用大型关系数据库SQL Server数据库作为机组状态信息、生产信息的存储访问平台。
设计中采用的软件为bbbbbbs XP bbbbbded、INSPEC2007、Microsoft® Access、Microsoft® SQL Server2005；设计中主要使用的硬件为研华TPC1261H。
2.2.3 使用TS Adapter II模块进行广域网的远程监控手段
跨广域网的远程通讯则是利用IDN网络。本设计中，是由S7-300 CPU315-2DP作为远程站点，其MPI通讯口进行与TS Adapter II的通讯口，Profibus-DP通讯口作为与其他设备（如伺服系统等）的通讯口。PC/PG通过外置Modem与TS Adapter II通讯。
设计中使用的软件为STEP7 V5.4、bbbeservice V5.2；所使用的硬件为S7-300 CPU315-2DP、Ts adapter II、外置Modem。
四、结论
新的控制系统全面**了纤维滤棒成型机组的总体性能，控制功能得到完善和**。将原先由S7-300PLC系统为控制主体，不具备网络通讯能力，远程监控能力的机组升级成为为具备远程监控能力的新型机组，大大**了ZL22D型纤维滤棒成型机组的竞争力，势必将成为国内机组的主流机型。