西门子PLC模块6ES7214-1AF40-0XB0型号规格

1  引言
        氯气投加在自来水生产过程中至关重要，直接影响人民的饮水健康，且人民对水质的直观印象就是水中的余氯含量是否超标。国内的氯气投加还停留在人工投加的阶段，由于氯气投加过程的大时滞和大惯性的特点，工人仅凭经验投加，不可避免的要造成出厂水的不合格，影响人民的饮水健康。

2  加氯工艺的介绍
        我国大部份自来水厂净水工艺流程都包括取水、加矾、沉淀、过滤、加氯、出水等过程，图1是南京市某自来水厂的自来水生产工艺。

图1  自来水生产工艺

        利用氯气对自来水进行消毒时，为了有比较好的消毒效果，必须保证氯气和水一定的接触时间；另外，为了使自来水在城市管网中还具有持续杀菌和消毒作用，必须在经过氯与水的充分接触之后，出厂水中还要有一定的余氯含量。在一般的自来水厂中，加氯工艺包含两个部分：滤前水加氯环节(前加氯)和滤后水加氯环节(后加氯)。前加氯在原水进入沉淀池之前进行，目的主要是为了杀灭原水中的藻类，以防止其在沉淀池或滤池中滋生繁殖。后加氯在滤后水进入清水池前进行，其目的是通过氯气与水在清水池中充分接触后水解生成的强氧化剂次氯酸杀灭水中的各种细菌和病毒。

3  加氯控制方案
3.1 比例投加
        在水生产过程中，加氯量与流量成正比，亦即比例投加。数学公式为：
        cl=k×f          (1)
        其中，cl为加氯量，k为比例系数(投加浓度比例系数)，f为流量。比例投加为关键的一点是比例系数k的选取，表1格列出了对比例系数k影响的各个因素以及影响大小。

        从附表可以看出，对k影响较大的有清水池进水量，出水量和氨氮含量。
3.2 串级控制方案
        副回路选择了从加氯点到入口余氯仪反馈处，将入口余氯作为控制目标，使入口余氯在目标值附近波动。主回路选择了从加氯点到二泵房出厂水余氯仪处，将出厂水余氯作为控制目标，使出厂水余氯在目标值附近。这样的控制方案，使得加氯系统能够快速响应水流量的变化，克服流量变化对加氯系统的干扰，使系统的主参数在设定值附近，亦即余氯在目标值附近。

4  水流量的估计
        由于水厂的设计原因，并不适合安装流量仪，这给加氯环节带来很大的困难，因此必须设计一种方案，能够对流量进行准确估计。
4.1 流量估计的基本思路
        清水池入口流量应该等于出厂水流量加上水位的变化。根据这样的思路，得出下面的公式：
         (2)
        其中，fin为清水池进口流量，fout为二泵房出厂水流量，h为水位。
        这里公式可以简化为：
        (3)
        其中，f为液位变化一厘米时，清水池进口流量的变化， 为清水池水位变化。
4.2 流量处理
        用公式(3)得出来的流量，由于液位仪测得的数据波动过大，导致得出来的流量变化过于剧烈，不符合实际流量，因此，必须要对公式(3)得出的流量进行滤波处理。
滤波方式为带有遗忘因子的滤波方式。1阶的滤波公式为：
          (4)
        其中，α为遗忘因子， 为滤波后流量， 为未滤波流量。
        实际实用过程中发现效果并不理想，改用二阶滤波：
         (5)
        其中，α、β为遗忘因子，为二阶滤波后流量，为一阶滤波后流量，为未滤波流量。
4.3 反冲洗的处理
        通过公式(5)处理后，不可避免的要遇到，当反冲洗时，流量剧烈变化，二阶滤波响应过慢的问题。因此我们必须要对反冲洗经行处理。二阶滤波处理实质上是二阶惯性环节，而反冲洗时流量成呈阶跃状变化，二阶滤波处理相当于阶跃响应，对滤波器的阶跃响应进行拟合，可以用 来代替，因此为了加快速度而又不影响二阶滤波，在反冲洗时减去，而在反冲洗结束时加上 。如图3所示。

图2  串级控制方案图

图3  滤波器拟合曲线

5  自适应规律
        比例投加系数k受到水温、水质的影响会发生的缓慢的变化。因此，必须设计一个控制方式能适应水质缓慢变化的情况。针对水厂加氯工艺中的大时滞、大惯性的特点，设计了自适应控制和分段pid控制相结合的方案。
5.1 时延的计算
        时延是指从加氯点投加到余氯仪反应的时间，根据经验，与水位成正比，与流量成反比。于是设计飞升实验，得出不同流量不同水位下的数据，再通过小二乘法可得出下面的经验公式：
          (1)
        式中，t表示时延，a表示截距，b表示斜率，f表示流量，h表示水位。
5.2 分段pid控制
        设进口余氯设置为 ，进口余氯实际值为 。则通过比较进口余氯设定值与实际值之间的差来调节比例投加系数。
           (2)
        上式中，k为投加比例系数， 为pid中的p参数。为防止扰动，对 做均值滤波，即取5分钟内进口余氯实际值的平均值作为入口余氯实际值。
       这里的 ，为了防止震荡以及加快调节速度，采取了分段pid控制的方式。
        经验公式：
        当时 ， =1.1 ；
        当 时， =1.2；
        当 时， =1.3；
        当e<-0.35时， =1.6；
        当e>0.35时， =1.5，其余情况， =1。
        其中e为 与 的差。
5.3 比例系数的自适应
        针对水质缓慢变化，必须设计一种方法，能够解决投机比例系数自适应问题，使系统能适应各种环境。前面提到，流量对投加比例系数的影响，因此这里考虑针对不同的流量设置不同的工况，以每2000m3/h为一个工况。
        首先，判断流量是否平稳。设流量为f，取一段时间t，t时间内取f的平均值 

，取
       ，
       (4)
       若 且 则可判断流量平稳。
        然后判断加氯量是否合理，即判断入口与出口余氯是否平稳且在入口与出口余氯设定值附近。设入口余氯为 ，取一段时间段 ， 时间内取 的平均值 ，取

        (5)
        若 ， 且 ，则可得出加氯量是合理的，若此时流量亦平稳，则将这段时间内的投加比例系数的平均值作为新的投加比例系数来更新工况。
        设出口余氯为 ，取一段时间段 ， 时间内取 的平均值 ，取

            (6)
        若 ， 且 ，则可得出加氯量是合理的，若此时流量亦平稳，则将这段时间内加氯比例系数的平均值作为新的投加比例系数来更新工况。
        当下次出现相同工况时，不经过pid调节，直接调用此工况中的投加比例系数。此方法有利于加快调节速度以及自适应水质缓慢变化。
5.4 入口余氯设定值的自适应
        入口余氯设定值作为副回路的控制目标，其设定是非常重要的。
        设出口余氯设定值为 ，出口余氯实际值为 。 为出口余氯与出口余氯设定值之差。针对不同的e，可以得到入口余氯的自适应规律。
        (1) 当时 ，说明入口余氯设定值合理，即 保持不变。
        (2) 当时 ，说明入口余氯设定不合理，需要调整。调整公式如下：
           (7)
        (3) 当 时，说明入口余氯设定很不合理，需要较大的调整。调整公式如下：
          (8)
        其中 大于1。

6  加氯工艺的实现
        自动加氯系统的硬件平台主要采用以plc为下位机、计算机为上位机的scada(数据采集与监视控制)系统的解决方案。scada(supervisory control and data ac)系统，即数据采集与监视控制系统，集自动控制技术，通信技术、传感技术和计算机技术于一体，是以计算机为基础的生产过程控制与调度自动化系统。它可以对现场的运行设备进行监视和控制，以实现数据采集、设备控制、测量、参数调节以及各类信号报警等各项功能。
        上位机采用rockwell公司的通讯软件rsbbbb及组态软件rswiew -32，利用rswiew32基于组件的集成mmi系统，可以很方便地实现监控界面的设计和设备动作的动画效果。系统的控制算法部分利用rswiew32中的嵌入式vba脚本程序编写实现，其采用基于事件驱动的动态调度策略，即当事件触发条件满足时，调用相应的vba程序。

7  实际控制效果

        图4  实际运行效果对比图

         参见图4，本控制系统的目标是使出厂水余氯在合格范围内。从实际运行的效果图，可以很明显的看出，采用了串级控制、分段pid和自适应控制以后，系统的抗干扰能力明显加强，使余氯在目标值附近波动，且波动较人工大为减小。

8  结束语
        水生产过程是典型的过程控制，具有大时滞、大惯性的特点。针对这些特点，设计了基于自适应的复杂控制方案。采用了分段pid以及自适应控制方式，有效的克服了水质缓慢变化，流量突变以及水质突变等各种水生产过程中常见的问题。系统具有很好的智能能力，能够模拟人类的加氯过程。在实际应用中，很好的克服了各种突变状况，具有良好的实际效果。

一 引言

　　检品机是一种具有高精度、高灵敏度的复卷、检品设备。适用于卷筒状的印刷薄膜、复合薄膜及卷筒纸制品的印刷、涂布、复合后的全自动品质检验，也可用于上述材料的复卷，是印刷、涂布、复合等工序必不可少的检验设备。

二 系统选型设计

2.1 触摸屏选型设计

　　本系统选用的是艾默生EZ600-TT06P型 5.7 寸触摸屏， 显示色彩为64K色，解析度为 320×240像素。 按键包括 1 个清单键和 5 个使用者定义的功能键。 此外还有三个 RS232、RS422 和 RS485 的通讯接口， 以及 2个 USB连接口。 內建的 CF 卡插槽可以让您扩充历史记录和配方，以及进行数据备份。 前盖为 IP65 等级，这样对于任何方向的低压水流沖洗，它都能提供保护效果。

2.2 PLC选型设计

　　系统选用了艾默生EC20-1614BRA可编程控制器，作为主控单元，主要用于实现的逻辑控制功能；外加一个EC20-4DA模拟量输出模块作为扩展模块，主要用于实现系统的线速度设定和张力给定功能。

　　EC20是艾默生推出的高性能小型PLC，具有极快的运算速度，和12K步的大程序容量，并且自带两个通信口，一个通信口用于与触摸屏通信，实现系统的参数设定与状态显示功能，另一个通信口用于与变频器通信，实现变频器运行状态的读取，以及参数设定功能，这样大大降低了用户成本。

2.3 变频器选型设计

　　系统选用了艾默生EV6000变频器，用于系统的驱动及张力控制功能。

　　EV6000是艾默生新推出的一款创新型平台产品，集自主研发的无速度传感器矢量控制的核心算法技术、伺服定位控制技术、EMC技术和可靠性技术的优势与一身，使之在性能上有了质的飞跃。

　　EV6000高性能矢量控制变频器拥有超大功率范围，可以从0.4到250kW之间进行选择，而它的高输出频率也可高达1000Hz。EV6000可以实现无PG矢量控制和有PG矢量控制驱动永磁同步电机，而且在无PG矢量控制时，能在0.25Hz下可以满足200%额定负载突变时转矩能快速地响应和稳定运行，能满足众多低速大转矩应用要求，在变频低频脉动技术难题上迈出了一大步，处于国际水平。

三 系统介绍

3.1 系统原理介绍

图一 系统原理图

（1）触摸屏：通过触摸屏，用户可以对工作速度、运行张力、料卷直径等参数进行设置；并且，通过触摸屏，可以显示设备的当前运行状态，并对当前的故障信息进行显示，以便用户作进一步处理。

（2）EC20控制器：该控制器是艾默生公司的高性能控制器，它是整个系统的控制中心，协调外围设备的动作，并按用户设定的工艺控制设备的运作。通过EC20-4DA模块对变频器作张力给定和频率设定。

（3）变频器：本系统采用EV6000变频器做收放卷控制，通过该变频器可保证检品机械的张力恒定、速度稳定，是整套系统的控制核心部分。

3.2 控制流程图

3.2.1 系统正常启停流程：

图二 系统正常启停流程图

　　正常启停流程主要是用于用户查找产品缺陷，当发现缺陷时，用户通过按钮记录当前位置，以备查找；难点主要是在于加减速，以及零频时张力的控制。

3.2.2 检查点启停流程：

图三 检查点启停流程图

　　检查点流程主要是用于缺陷的查找，这也是该设备的重要的功能之一，本系统是通过硬件中断的方法记录缺陷的位置的，所以，可以比较准确的发现缺陷的位置。由于本过程涉及到多次启停，而且在任何速度下都要保持张力稳定，所以对变频的张力控制性能要求很高。

3.3 电气原理图

图四 张力控制示意图

　　图四是整个系统的张力控制示意图，EV6000作为主驱动，控制整个系统的运行，EV6000张力控制用变频，驱动收/放卷电机，通过张力传感器反馈回来的张力的大小，做闭环控制，以保证整个系统的张力恒定、速度稳定。利用编码器与变频器作闭环控制，使变频器可以在高速度精度和恒张力下运行，同时PG3把信号送给EC20，由PLC计算当前的运行速度、距离等数据。