西门子PLC模块6ES7511-1UK01-0AB0型号规格

MPI网络 PLC 监控系统

目前，应用于各种领域和场合的计算机分布式监控系统种类繁多，设计方法和构成方式各不相同，但共同的目标都是朝着高效、可靠和通用方向发展。此外，所设计的监控系统应具有较高的性能价格比也是业内人士的共识。笔者根据多年的开发经验，设计了一种性能价格比较高的适用于中小型的分布式数据采集与监控，运行效果良好。

1 监控系统的构成

某自来水厂按功能分为两部分，一部分是水源地；另一部分是水厂区，二者距离 900m。水源地的任务是通过三台深井泵对水厂区的蓄水池进行供水；而水厂区的任务是对水池的水进行消毒处理后，通过加压泵向市区管路进行恒压供水。

整个监控系统由位于水厂区的上位PC机、主站PLC和水源地的三个从站PLC构成（见图1）。上位PC机通过CP5611MPI卡与主站PLC完成整个系统的现场数据检测、数据处理及计量等工作。主站PLC完成两方面任务，一是水厂区现场数据的采集及市区恒压供水的控制；二是与水源地的三个从站进行通信，完成水源地现场数据的采集与深井泵的控制。

    监控系统的主站和从站PLC都选用西门子S7系列产品。该产品在工程领域应用广泛，尤其是有较强的是有较强的组网能力。S7系列PLC通常有四种组网方式：点对点、MPI多点网络、PROFIBUS和工业以太网。其中PROFIBUS现场总线的应用目前较为普遍，它有较好的通用性，速度达12Mbps，距离达28.5km，相关应用著作也较多。而其它方式如工业以太网方式对硬件要求较高；点对点的速度太慢，都不适合本监控系统。相对而言，MPI网络速度可达187.5Mbps；通过一级中继器可达距离1km。根据水厂的具体情况，我们后确定了以MPI方式组成网络，主站CPU为S7-300系列的CPU312IFM；从站为S7-200系列的CPU222.这样既满足了系统要求，又相对于PROFIBUS网络节省了三分之一的开销，更重要的是为中小规模场合的分布式监控系统的设计提供了一种较高性能价格比的设计方法。至于中继器的选择，由于PLC的物理层采用RS485接口，所以有很多相关的第三方产品支持。从中我们选用一种带防雷保护的中继器，使系统的安全运行得到了保障。

2 主站PLC控制原理

主站PLC有三个任务：

（1）水厂现场数据采集；

（2）供水管恒压力控制；

（3）水源地数据采集及深井泵远程控制。

以CPU312IMF为核心的主站控制电路如图2所示。

首先，水厂现场数据有7路模拟量，我们选择的AI/AO扩展模块为SM334，它包括4路模拟量输入和2路模拟量输出。为降低成本，我们用2片CD4066模拟开关进行扩展，构成8路AI输入。当AO2输出0V时，选通4066-1的4路模拟量输入；而当AO2输出10V时选通4066-2的4路模拟量。这种分时采集的方法利用PLC编程较易实现。实际应用中，分时操作时间间隔为100ms，各个采集量的含义及内存地址如表1所示。

表1 水厂区模拟量数据

其次，对水厂加压泵的控制采取变频调速技术，以供水母管压力为被控量，实现恒压力控制。水厂加压泵有P1和P2两台，在恒压力控制过程中，根据市政区用水**的大小变化，PLC要通过数字输出端口Q124.0～3控制两

1 控制系统硬件组成及功能

　　本文主要介绍由2台智能仪表、2台PLC和3台远程数据采集模块组成的控制系统的应用方法，其连接示意图如下图所示：

图 1

　　PLC1和PLC2均为带BD-485通信板的三菱FX2N型PLC，多可带16台，用于设备的开关控制。智能仪表1、智能仪表2为带RS-485通信功能的智能仪表，可用于温度、压力、**、液位等过程量的控制。采用PID控制规律。

　　多可以带64台。ICP-7017。ICP-7024，ICP-7033D为具有RS-485通信功能的各种数据模块。可用于监控现场的一些物理参数，如液位、**、压力、温度等，多可带256个。

　　上位机为带IPC-1602B通信卡的工控机，并装有世纪星组态监控软件。IPC-1602B带有2个RS-485通信端子，端口号设为COM5，COM6。

　　RS-485通信线为屏蔽双绞线，成本低，布线连接方便，应用于工业现场，可靠性好，能满足一般企业的要求。本系统中，智能仪表的通信波特率高可达19200 bit/s，PLC的通信波特率高可达19200bit/s，数据模块高可达921600 bit/s。本系统中建议使用9600 bit/s的波特率。

　　智能仪表的RS-485通信一般为无校验，8个数据位，1位停止位。数据模块可以是有校验也可以是无校验通信。FX2N PLC的RS-485通信需有校验，其通信方式与上两种设备不同。

　　装有世纪星组态监控软件的上位机主要起监控作用，它可以对由PLC、智能仪表、数据模块等的下位机进行读写。也可以实现对过程量的PID等控制。但由于可靠性及运算速度等原因，建议不要使用。PLC可对输入寄存器X进行读操作，对输出寄存器Y及中间寄存器M进行读写操作，对数据存储器D也可进行读写。智能仪表可通过上位机设置定值、PID参数等的读写及测量值、控制输出值、偏差等参数的读出处理等。数据模块可由上位机进行相应的读写操作，也可以由上位机实现过程参数的控制。组态软件可实现模拟控制对象的实时动画连接，并可以以图像、图符、报表、曲线等多种形式，为操作监控人员及时提供系统运行中的状态、品质及异常报警等有关信息；可用变化大小、改变颜色、明暗闪烁、移动翻转等各种手段增强画面的动态显示效果：利用组态软件的实时数据库可进行被控过程量的实时曲线、历史曲线和多种报警的组态，并可进行存储应答和打印输出等。

2 控制系统的软件使用

　　控制系统的硬件安装连接好以后，要使系统正常工作，还需要进行软件的安装调试。

2.1下位机参数设置

　　智能仪表1、智能仪表2地址通过仪表本身按键设置为4和5，波特率可设为9600 bit/s；3种数据模块可通过其驱动软件设地址分别为1，2，3，波特率都为9600 bit/s，并设为无校验。PLC1，PLC2的通信方式可通过其编程软件进行设置2台PLC的地址分别设为6和7。

2.2 组态软件的设置及功能

　　下位机各参数设置好后。还得在上位机上进行组态。

　　变量字典是世纪星组态软件的核心，相当于一个数据处理中心，同时也起到公用数据交换区的作用。从下位机设备采集的实时数据通过建立数据连接送入变量字典，系统其他部分操作的数据也来自变量字典。变量字典自动完成对实时数据的报警处理和存盘处理。同时，它还根据需要把有关信息以事件的方式发送给系统的其他部分，以便触发相关事件。进行实时处理，采用面向对象的技术为其他部分服务。提供了系统各个功能部件的数据共享。

　　世纪星中的变量字典主要是下位机中需要与上位机建立数据通信的信息。信息内容可为数据量及PLC内的输入、输出和中间寄存器的开关量等，数据有：智能仪表内的设定值、测量值、控制输出值、PID参数值等；数据模块的输入输出量；PLC内的数据存储器、计数器、定时器、通道等的值。上位机可对这些信息进行设定、记录、存盘、报警、打印输出等操作。组态完成后，把组态环境中的组态结果提交给运行环境。运行环境和结果一起就构成了用户自己的应用系统。

3 控制系统的实际应用

　　该控制系统应用在一真空冷冻干燥设备中，PLC主要用于电机、电磁阀等的开与关控制；智能仪表用于控制温度；ICP一7033D等模块用于采集各点温度和压力；装有世纪星的上位机主要用于温度控制曲线的给定。PID控制参数的设置，温度和压力的实时数据、实时曲线、历史数据、历史曲线记录，并可以根据需要打印输出。

　近年来，为了实现高质量、低消耗、稳定可靠的运行，国内外许多污水处理厂采用了现代**控制技术和计算机技术，从而构成计算机监督、控制、管理系统，使系统优化运行。

　　本文介绍的污水处理厂，采用了成熟**的自动控制技术和计算机技术，对污水处理的整个过程进行实时监督和控制，达到降低系统运行成本，保证污水排放质量、实现少人/无人值守等目标。考虑到酸碱中和过程是污水处理的关键环节，对于污水处理的效果和效率有极大的影响，系统中采用了**的自动控制策略，实现了污水pH区间控制，极大地降低了生产成本。

1　工艺流程简述

　　由于该污水处理厂需要处理的污水水质比较复杂，特别是来自工业区的污水COD浓度高，组分多变，处理难度大。为确保污水处理达标、运行管理可靠、处理费用经济，采用了A/O +接触氧化工艺，工艺流程见图1。

　　图1　A/O＋接触氧化工艺流程

　　污水进入污水处理厂后，经格栅由**泵**至均质池，池内有搅拌机搅拌以防止悬浮物沉淀，并使水质均匀。均质池停留时间为24 h。当进水**超过设计允许**时，污水由均质池溢流至事故调节池，若直接进水水质超过设计允许值(非正常)时，污水由**泵**至事故调节池。在来水**正常时，将事故调节池内的污水逐量回流至**泵房吸水井。事故调节池调节时间为8 h ，池内有潜水搅拌机搅拌，以防止悬浮物沉淀。当来水pH短时非正常波动时，加药间酸、碱高位槽通过计算机控制系统向均质池出水管上的静态混合器投加酸或碱来调节pH。

　　经过均质后的污水进入初沉池，以去除可沉的固体悬浮物及化学污泥。初沉池出水进入活性污泥法缺/好氧生化池的缺氧段，缺氧段水力停留时间为6 h，缺氧段有搅拌机搅拌，使进水与二沉池回流来的活性污泥及好氧段出水回流来的硝化液混合，并维持缺氧状态。污水在缺氧段中去除部分有机物并促使回流液中所含硝态氮还原成氮气排除。为强化生化处理效果，引入生物铁法处理技术。在投加少量铁盐的情况下，可有效**微生物的活力，有利于维持生化系统较高的活性污泥浓度，生物铁法对COD的去除率及对含难降解物质的污水处理效果有明显**。经缺氧段的污水进入好氧段，好氧段水力停留时间为12 h。通过曝气软管和曝气管对好氧段污水鼓风曝气，维持水中溶解氧2 mg/L以上，大部分有机物在该段中通过微生物的好氧生化作用降解去除，同时污水中有机氮及氨氮除微生物自身生长利用一部分外，其余部分大多被氧化成硝态氮。好氧段出水一部分回流至缺氧段，其余进入二沉池进行泥水分离，并将二沉池活性污泥回流至缺氧段。

　　二沉池出水进入接触氧化池进一步降解污水中剩余的有机物。接触氧化池水力停留时间为 6 h，池内设TB/TA＋TH混合弹性波纹立体填料及组合填料，接触氧化池出水进入终沉池进行泥水分离。

　　污泥浓缩采用重力浓缩方式。初沉池污泥、二沉池剩余污泥及终沉池污泥混合进入浓缩池浓缩，浓缩后的污泥由螺杆泵**至带式压滤机进行脱水，同时投加聚丙烯酰胺絮凝剂。脱水后的泥饼通过胶带运输机送至污泥堆棚外运处置。浓缩池上清液及滤液排入厂区污水系统并进入**泵房集水池［5］。

2　计算机自动控制系统结构

　　根据该污水厂处理过程的工艺设备及流程特点，从可靠性、易维护性、经济性出发，并根据管理集中、控制分散的原则，本控制系统采用了分布式系统结构，即将整个控制结构分为3层：层采用工业控制计算机的中央控制层(操作站)，主要完成设定值的操作输入(如**设定值、pH控制设定值)、通讯、系统报警、运行管理以及所有工艺参数和设备运行状态的显示；第二层为现场控制层(PLC)，实现数据的采集、控制算法的实现、控制命令的下发以及工艺信号的连锁等功能；第三层为执行层，即各类传感器、变送器和执行机构，完成上一层下发的所有控制命令和数据采集。控制系统结构见图2。

　　图2　系统结构框图

　　中控室操作站、加药间一体化工控机、脱水机房一体化工控机、厂长室计算机、中控室PL C、加药间PLC以及脱水机房PLC通过8口HUB组成一个工业以太网。中控室操作站监控污水处理和污泥处理的全过程，是整个计算机系统的枢纽。加药间一体化工控机监控加药区域的过程，脱水机房一体化工控机监控浓缩池、脱水机房区域的处理过程。厂长室计算机系统仅有监测功能，没有控制功能，所监测的是污水处理、污泥处理的全过程。

　　中控室操作站和模拟屏之间通过RS232进行串行通信。上位机与上位机以及与PLC之间都是采用以太网通信方式。上位机只需插上普通网卡，装上SOFTNET软件，就可以通过工控软件自带的I/O SERVER软件和西门子SIMATIC S7-300 PLC通信。PLC的编程语言是STEP 7，通讯模块是CP340，它的I/O模块通过继电器隔离与现场信号连接［1，3］。

3　系统应用软件功能

　　系统应用软件分为PLC软件、InTouch工控软件和用VB软件开发的应用软件。

　　PLC软件从现场采集数据、控制**和控制pH。InTouch软件实现中控室的组态，并且通过 I/O SERVER 和其它上位机及PLC进行通讯，传送数据和报警信号。用VB软件开发的应用软件实现其它几台上位机的组态功能、与模拟屏通讯和产生数据报表等功能。

3.1　PLC软件功能

　　PLC软件实现一些简单的控制算法、数据采集、与上位机通讯、控制指令下发和就地控制等。控制算法主要有进入初沉池**的PID控制算法和混合器pH的模糊控制算法，参数由上位机给出。

　　因为曝气池中好氧菌的繁殖对pH大小有一定的要求，同时pH也会影响污水中氧化分解反应的速度。一般要求pH的范围保持在7.5～9.0左右［2］。根据测量得到的混合器pH以及pH的设定值，采用模糊控制方法通过调节稀释硫酸或稀释氢氧化钠管道上的电动控制阀实现pH的区间设定控制。如果pH已满足设定要求，控制系统自动停止加药，以节省运行成本。模糊控制器结构示意见图3［6～7］。

图3　模糊控制器结构示意

3.2　InTouch软件功能

　　InTouch工控软件实现了画面组态，形象地反映污水处理实际现场工艺控制过程，动态显示数据，同时可以查看数据的历史趋势、实时趋势和历史报警表。报警上、下限参数的设定和PLC控制参数的设置也是通过它来进行。

　　全厂工艺流程界面见图4。

图4　全厂工艺流程界面

　　历史趋势图多可以同时显示8根曲线，操作人员可以随意改变要显示的变量和显示的时间，并可打印。可以指示当前值，一段区域内的平均值、大值和小值［4］。

　　报警系统包括故障报警和超限报警。有报警产生时，相应部分的画面变成红色并不断闪烁地报警，一直到异常情况消失为止，同时把报警产生的时间和报警的情况记录下来。

4　结语

　　本系统在检测仪表、PLC控制、上位机以及网络上都选用了较为**、成熟和可靠的设备，并采用了**的控制策略进行pH的区间控制。由于对控制工艺的比较了解，开发、调试等过程都比较顺利，满足了用户的需求，实践证明了本控制系统的优越性。本控制系统的特点如下：

　　(1)易维护，通过计算机的操作界面，很直观地进行系统的检测和维护；

　　(2)操作方便，利用人机工程学理论设计的操作界面充分考虑了操作的简便。另外，所有现场的开关(包括电气开关)可以通过计算机系统的操作界面实现其软开关，从而对于一些简单的维护、检测等，可以直接在操作界面上完成，而不需要到现场或不需在仪表柜上操作开关(现场的电气开关仍保留)。

　　(3)高可靠性，系统采用了集中管理、分散控制的分布式控制技术，从而保证了系统具有较高的可靠性。

　　(4)采用了**的控制策略来进行pH的区间控制，节省了生产成本。