6ES7223-1BL22-0XA8正规授权
对排灌站的8个并列格栅和4台水泵进行统一管理，实现设备全工作过程(抽水、清污、输送、挤压)的自动化控制，出现故障及时报警停机并自我诊断，确保其正常运转，这是设计自控系统的思路和初衷。捞污、挤压设备及自行设计的整套自动控制系统现安装于江苏省南京市的一个水利排灌站，也适用于其它市政部门的泵站应用。
排灌设备主要由4台水泵、8台捞污机、2台输送机(水平和倾斜输送各1台)、1台污物挤压机和自控系统组成，湿落落的污物经设备处理后，变成干的块状垃圾，既可减少该站的污物存放场地(在城市尤为重要)，又能增加车辆装载量，减少运输次数和节约运输成本;可避免运输途中的抛撒、滴漏所造成的二次污染，有利于环境保护。
2 控制原理设计
该工程自控系统分手动、半自动、全自动间歇和全自动水位差等四种方式，操作人员可根据需要任选一种，四种控制方式实现互锁。
2.1 水泵
在自动状态下，水泵的开停由水位高度决定，当超声波传感器测得的模拟量相当于6m水位时，水泵电机按顺序启动，开始抽水;当模拟量相当于4.5m水位时，水泵全部停止抽水。自控系统根据水量的大小做出判断，自动选择开启水泵的数量。
(1) 水泵1工作30min后还未达到模拟量相对应的低水位(说明水量较大)，系统自动开启水泵2。
(2) 水泵1、2工作30min后还未达到低水位(说明水量很大)，系统自动开启水泵3。
(3) 水泵1、2、3工作30min后还未达到低水位(说明水量特大)，系统自动开启水泵4。
(4) 水泵1工作30min后还超过高水位(说明水量特大)，系统自动开启水泵2、3、4。
(5) 水泵过载时，热继电器将切断主电路，整套设备停止工作，做出水泵电流过载的声、光报警。
2.2 捞污机
(1)格栅前后两个超声波测得的模拟量相对应的水位之差大于等于300mm时(水泵在开启状态，否则就没有水位差)，自控系统通过模拟量比较，按顺序启动捞污电机开始回转捞取污物。
(2) 格栅前后水位差小于等于50mm时，捞污机全部停止工作。
(3)捞污机采用双重安全保护，捞污机过载时，热继电器或磁性开关动作，切断主电路，整套设备停止工作，并做出捞污机电流或机械过载的声、光报警。
2.3 输送机
(1) 捞污机启动数秒钟后，自控系统启动输送电机，水平再向上倾斜输送污物。
(2) 输送机过载时，热继电器将切断主电路，设备停止工作，做出输送机电流过载的声、光报警。
2.4 挤压机
(1) 大推头动作
箱内污物达到预定高度(可调，调节光电传感器的垂直角度)，2个光电传感器反馈信号，大推头进(水平初压)。
(2) 主压头动作
大推头进限位开关动作，主压头下(垂直高压)，下压8s钟后，延时15s钟进行次挤压污水;主压头继续下(垂直高压)，下限位开关动作，主压头停留15s钟进行第二次挤压污水。
(3) 二循环或三循环动作
如果污物挤压得较松散，可选用“二循环”或“三循环”，挤压机对污物高压后，主压头和大推头复位，再把第二批或第三批污物与批一起挤压。
(4) 小门动作
保压15s钟后，小门开(放料)，主压头上。
(5) 推头动作
小门开限位和主压头上限位开关动作，小推头进将污物推至污物车。
(6) 复位动作
小推头进限位开关动作，数秒钟后，小推头、主压头、小门、大推头按顺序复位。
(7) 挤压机过载时，压力继电器或热继电器动作，切断主电路，并做出挤压机油压或电流过载的声、光报警。
(8)液压站采用双重油压安全保护，当污物初压或高压过程中遇到硬物卡住，压力继电器动作，切断主电路，并做出挤压机油压过载的声、光报警;若其失灵，则溢流阀动作，避免液压部件受损。
2.5 基本控制流程
(1) 设备动作示意如图2所示。设备动作及信号反馈流程见图3和附
3 控制对象及任务分析
3.1 控制对象
采用西门子S7-200PLC主要控制水泵的4台电机、捞污机的8台电机、输送机的2台电机的开停和液压站的4个油缸的双向动作。
其中包括:
(1) 控制手动、半自动、全自动间歇和全自动水位差等四种运行方式。
(2) 控制14台电机分别完成抽水、捞取污物、输送污物等动作。
(3) 控制液压站电机完成复位、水平初压、垂直高压、放料、出料等动作。
(4)控制设备的运行技术安全。即控制各运行方式的互锁保护;控制垂直方向与水平方向动作的互锁保护;控制水泵、捞污机、输送机和油泵的电流过载保护;控制捞污机的机械过载保护;控制液压站的油压过载保护。
3.2 控制任务
(1) 现手动方式控制，即手动独立完成上述9个基本动作。
(2) 实现半自动方式控制，即自动完成上述基本动作1至动作9。
(3)实现全自动间歇和全自动水位差方式控制，在间歇工作开或水位差≤50mm的状态下，即自动进行上述基本动作5至动作9的循环。
4 硬件选型与配置设计
4.1 主控系统选型与配置
系统采用了西门子S7-200可编程控制器，使自控系统结构紧凑，执行指令快捷，可靠性提高。编程软件基于bbbbbbs平台。PLC在清污设备中的应用，使修改控制参数、扩展控制功能等变得非常简便，避免了分立电气元件抗震性能差、误动作多、定位精度不高等弊端。设计中该系统的控制点数为116点，其中输入点数66点，输出点数50点，拟选用的PLC的控制点数为120点。实际选用的主要控制硬件有:PLC选用西门子的中央处理单元CPU224一块(14入10出)、数字量扩展模块EM223二块(16入16出)、EM223一块(8入8出)、EM221二块(8入)，总输入点数70点，总输出点数50点，实际使用为66入50出，一般需要预留出5至10%的点数，考虑到成本问题，所有的按钮输入都采用点动方式，省去了不必要的输入点数，预留输入点数为5%，能够满足设计要求。
4.2 前端传感变送器选型
(1) 控制水位和水位差的反馈元件选用德国TU- RCK超声波传感器(型号Q45ULIU64BCR)。
(2) 控制大推头、主压头、小门、小推头两端限位的元件选用行程开关。
(3) 控制捞污机安全销过载的信号反馈元件选用霍尔式传感器。
(3) 控制水泵、捞污机、输送机、液压站电机电流的元件选用热继电器。
5 控制程序设计
5.1 固定时序工作方式
全自动间歇方式即设备工作X小时，停机Y小时(简化为X/Y)，共有4档可调(2h/1h;1h/1h;1h/2h;2h/2h)，如果遇到停机时间，正在进行的程序保持至结束，设备停机待命(与水泵的自动开停无关)。
5.2 水位差工作方式
全自动水位差方式即当格栅前后两个超声波传感器测得的水位之差大于等于300mm时(水泵在开启状态，否则就没有水位差)，自控系统从捞取污物开始，至出料结束，等待下一个污物箱装满信号;当水位差小于等于30mm时，抽水、捞污、输送停止，而正在进行的程序将保持至结束，等待下一个水位差信号(与水泵的自动开停无关)。
.1 主要特点
(1) 水位控制
安装在格栅前的传感器控制高水位，安装在格栅后的控制低水位，传感器的测量范围为250至3000mm，实际监控距离为1000mm(对应水位6000mm)至2500mm(对应水位4500mm)，当高于等于高水位时PLC自动开启水泵;当低于等于低水位时PLC自动停止抽水。
(2) 水位差控制
调节格栅前后2个传感器反馈的模拟信号差值，当对应水位差大于等于300mm时，PLC自动开始捞污;当其小于等于30mm时PLC自动停止捞污。
(3) 污物高度控制
2个光电传感器属“与”的关系，主要用于PLC判断污物装载量的多少，调节其垂直角度或水平距离，均可以调整污物的装载高度。
(4) 水泵控制
PLC根据较大、很大、特大的水量，自动选择开启水泵的数量。
(5) 捞污机控制
因为捞污电机起动电流较大，由PLC对8台捞污电机按顺序延时开启。
(6) 报警控制
PLC对水泵、捞污机、输送机、油泵的电流过载报警，对捞污机的安全销机械过载报警，对油泵的油压过载报警。为了用户能迅速准确地找出故障部位，PLC对各种故障分别用指示灯加以显示，用铃声进行提醒。
(7) 一键式清理
由于残留污物会对设备产生腐蚀，会腐烂产生臭味，当设备工作结束时，在不开水泵的情况下，可按“清理”按钮，设备自动将捞污机、输送机上的剩余污物全部装入污物箱，2min后再将污物挤压推出。
6.2 主要技术难点
(1) 标定水位值
超声波传感器的模拟信号通过模数转换成为数字信号，具体对应的水位只有在操作现场才能调试出来。将大、小模拟电信号与高、低水位对应起来，理论计算出水位的单位毫米数所对应的电信号模拟量，后还需现场标定和调整，因为传感器安装角度或位置等因素的影响，实际上高、低水位对应的模拟量数值与理论上的有一定的出入。
(2) 标定水位差值
2个超声波传感器应选用技术参数相近的，尽量做到“匹配”，将2个传感器的“模拟量/毫米”进行平均，再计算出水位差300mm和30mm对应的模拟量差值，后进行现场标定和调整。
(3) 设计光电传感器的安装方案
由于污物箱为金属结构，电容式、电感式、霍尔式等接近传感器均不适用在此箱中测定污物量，经过比较终选定了光电传感器。原设计将其放在有机玻璃后面，但经污水污物覆盖风干后，或经污物及大推头的长期磨擦后，有机玻璃透明度就会降低，导致光电传感器失灵，通过多次方案论证和试验，后将其安装在大推头上端的污物箱壁上，且有挡板覆盖，避免了接触污物，使用效果比较满意。
(4) 各类传感器的反馈信号有时会伴有脉冲信号，使设备出现误动作，采用PLC中的计时器，就很好地解决了这个问题。
(5)在调试程序过程中，发现各动作有相互干涉现象，主要表现在循环或复位等程序中，这样不得不采用大量的辅助继电器，增加了调试难度，终采用步进法进行编程，调试效果令人满意。
排灌站设备控制程序框图如图4所示。
7 结束语
清污设备在市政和水利部门具有广泛的应用，而PLC在排灌站智能化管理中的成功应用，为人机对话和远距离控制奠定了基础。
目前的水面污物清捞设备正在朝多功能、智能化、网络化的方向发展，市政泵站和水利排灌站的发展趋势是控制远程化、管理无人化。下一步的设想就是将各种传感器采集的信号或摄像探头拍摄的图像，随时反馈至控制室，或通过Internet网络反馈至控制中心，操作人员通过监视器中各个角度、放大或缩小的多组画面，可直接看清其水位和水面的情况、设备的运行状况等，通过触摸屏进行人机对话，直接干预设备的运行，对设备采用机械、电流、温度、应力、限位等多重保护，确保远程控制的安全性和可靠性，并有PLC自动诊断故障，显示故障部位和原因、维修保养建议等，真正实现市政泵站和水利排灌站各种设备的智能化、网络化、无人化控制。
1 引言
PLC由于具有功能强、程序设计简介，维护方便等优点，特别是高可靠性、较强的适应恶劣工业环境的能力，已被广泛应用于自来水行业。但由于现场环境条件恶劣、湿度高、以及各种工业电磁、辐射干扰等，会影响系统的正常工作,必须重视工程的抗干扰设计。
水厂应用中的PLC所受的干扰源主要有电源系统引入的干扰、接地系统引入的干扰和输入输出电路引入的干扰三类。如果PLC的干扰问题解决得不好，系统将无法可靠运行，将会影响到正常供水。有必要对PLC应用系统中的干扰问题进行探讨。主要本文分别讨论PLC的三种抗干扰技术。
2 抗干扰的技术对策分析
为防止干扰，可采用硬件和软件的抗干扰措施，其中，硬件抗干扰是基本和重要的抗干扰措施，一般从抗和防两方面入手来抑制和消除干扰源，切断干扰对系统的耦合通道，降低系统对干扰信号的敏感性。
2.1 电源系统引入的干扰
电网的干扰，频率的波动，将直接影响到PLC系统的可靠性与稳定性。如何抑制电源系统的干扰是提高PLC的抗干扰性能的主要环节。
(1) 加装滤波、隔离、屏蔽、开关稳压电源系统。
设置滤波器的作用是为了抑制干扰信号从电源线传导到系统中，使用隔离变压器，必须注意:屏蔽层要良好接地;次级连接线要使用双绕线(减少电线间的干扰)，隔离变压器的初级绕组和次级绕组应分别加屏蔽层，初级的屏蔽层接交流电网的零线;次级的屏蔽层和初级间屏蔽层接直流端。
为了抑制电网大容量设备起停(如送水泵等)引起电网电压的波动，保持供电电压的稳压，可采用开头稳压电源。
(2) 分离供电系统
PLC的控制器与I/O系统分别由各自的隔离变压器供电，并与主电源分开，这样当输入输出供电断电时，不会影响到控制器的供电。如图1所示。
图1 分离供电系统图
2.2 抑制接地系统引入的干扰
PLC系统分为逻辑电路接地和功率电路接地，有共地、浮地及机壳共地和电路浮地等三种方式。一般采用控制器与其它设备分别接地方式好，接地时注意:接地线尽量粗，一般大于2mm2的线接地;接地点应尽量靠近控制器，接地点与控制器之间的距离不大于50m;接地线应尽量避开强电回路和主回路的电线，不能避开时，应垂直相交，应尽量缩短平行走线的长度。
实践证明，接地往往是抑制噪声和防止干扰的重要手段，良好的接地方式可在很大程度上抑制内部噪声的耦合，防止外部干扰的侵入，提高系统的抗干扰能力。
2.3 抑制输入输出电路引入的干扰
为了实现输入输出电路上的完全隔离，近年来在控制系统中光电耦合得到广泛应用，已成为防止干扰的有效措施之一。光电耦合器具有以下特点:由于是密封在一个管壳内，不会受到外界光的干扰;由于靠光传送信号，切断了各部件电路之间地线的联系;第三，发光二极管动态电阻非常小，而干扰源的内阻一般很大，能够传送到光电耦合器输入输出的干扰信号就变得很小;第四，光电耦合器的传输比和晶体管的放大倍数相比，一般很小，远不如晶体管对干扰信号那么灵敏，而光电耦合器的发光二极管只有在通过一定的电流时才能发光。是在干扰电压幅值较高的情况下，由于没有足够的能量，仍不能使发光二极管发光，从而可以有效地抑制掉干扰信号。
由于光电耦合器的线性区一般只能在某一特定的范围内，应保证被传信号的变化范围始终在线性区内。为了保证线性耦合，既要严格挑选光电耦合器，又要采取相应的非线性较正措施，否则将产生较大的误差。
(1)光电耦合输入电路如图2所示。其中图2(a)、图2(b)用的较多，高电平时接成形式，低电平输入时接成形式。图2(c)为差动型接法，它具有两个约束条件，对于防止干扰有明显的优越性，适用于外部干扰严重的环境，当外部设备电流较大时，其传输距离可达100~200m，图2(d)考虑到COMS电路的输出驱动电流较小，不能直接带动发光二极管，加接一级晶体管作为功率放大，需要注意的是图中发光二极管和光敏三极管应分别由两个电源供电，电阻值视电压高低选取。
(2)光电耦合输出电路如图3所示。为了得到和输入同相的信号，可以采用图3(a)形式。若要求输出和输入反相，可以接成图3(b)形式。当输出电路所驱动的元件较多时，可以加接一级晶体管作为驱动功率放大，其接法如图3(c)所示。有时为了获得更好的输出波形，输出信号可经施密特电路整形。
图2 光电耦合输入电路
图3 光电耦合输出电路
以上两点是对开关量输入输出信号的处理方法，而对模拟输入输出信号，为了消除工业现场瞬时干扰对它的影响，除加A/D、D/A转换电路和光电耦合外，可根据需要采取软件的数字滤波技术如中值法、一阶递推数字滤波法等算法。
3 结束语
PLC控制系统的抗干扰性设计是一个复杂的系统工程，涉及到具体的输入输出设备和工业现场的环境，在设计抗干扰系统时要求要综合考虑各方面的因素。
1 引 言
在内燃机动力装置的船舶上，锅炉是船舶的重要辅机设备，主要产生蒸汽用于加热燃油、主机暖缸、驱动辅助机械及生活杂用。当前船舶机舱自动化的要求越来越高，锅炉的自动控制在实现无人机舱中是必不可少的。目前我国船舶(特别在远洋渔船)上，虽有一定程度的自动化控制，但控制系统基本上是采用接触器—继电器系统,系统线路复杂、可靠性差、维护工作量大。为改造船舶设备，改善船员劳动强度，提高生产效率, 采用可编程序控制器来实现锅炉的自动控制,可以使线路简单、可靠性提高、维护方便且容易实现现场调试等。可编程序控制器控制系统的经济性能比高于接触器—继电器控制系统。
2 设备与工艺要求
本文主要针对的是船舶辅助燃油锅炉,其蒸发量一般为0.45-2.5t/h，蒸汽压力在0.3-0.7Mpa左右，但只要简单修改PLC程序就可以适用不同型号的船舶锅炉。船舶锅炉自动控制一般有以下几个环节:蒸汽压力自动控制，燃烧程序的自动控制，锅炉水位自动控制，保护与报警。
系统的全自动起动、停炉和故障事件处理，按照要求在PLC中编制用户程序，实现:给水、扫气、点火、燃烧等过程的全自动起、停控制。锅炉定期定时保养维护的自动提示和超期不维护的系统自动闭锁。为配合燃烧，PLC在系统的起停运行中，根据控制要求自动起停风机电机和开闭风门完成扫气工序，并根据燃烧情况，控制风门的开闭大小。风机电机故障、炉内压力超限联锁、燃烧发生故障的联锁控制和报警处理，报警联锁等控制处理等也由PLC用户程序实现。
2.1 水位控制
采用水位计对水位进行检测，根据控制需要将3个水位(下限水位、下下限水位、上限水位)的3个开关量信号接入PLC，经PLC控制水泵电机，实现合适给水量的控制、低水位联锁、报警处理给水水泵电机故障时的联锁控制等，使系统全自动平稳地运行。
2.2 蒸汽压力控制
蒸汽压力通过压力传感器测量实现。水位正常时，如蒸汽压力在0.4-0.46Mpa时锅炉正常燃烧;当负荷减少时，蒸汽压力上升到0.46Mpa时锅炉停止燃烧;如故障蒸汽压力仍上升至0.49Mpa时，切断电源并发出报警;当蒸汽压力下降到0.4Mpa以下时锅炉重新点火燃烧。
采用压力传感器测量当前蒸汽压力，通过压力开关，信号接入PLC的两点开关量输入，或者用压力传感器测量通过变送器将信号接入PLC的一路模拟量输入，实现两级燃烧(大、小火)控制和压力上限保护及实时监视。
2.3 燃烧程序自动控制
燃烧系统的自动控制就是蒸汽压力的自动控制。汽压是燃烧自动控制的被控参数。对锅炉发出起动信号后，自动起动油泵和风机，并把风门调到大而不向炉膛内供油，用压缩空气大风量吹扫，即“予扫风”，以防止点火时发生“冷爆”。预扫气结束后自动把风门关到小位置，打开点火喷油电磁阀，喷入少量燃油;接通点火变压器进行点火。点火成功后，自动断开点火变压器，燃油电磁阀正常打开，进入正常燃烧。
2.4 自动保护和报警
按照要求在PLC编制中实现过水位保护、高水位保护、点火失败报警、燃烧熄火报警等。
3 系统设计
3.1 PLC选型及I/O分配
根据以上控制要求，船用辅锅炉控制系统采用FX2N-32MRPLC，它是日本三菱公司的产品，具有运行速度快，功能强，提供的I／O点数为16/16，除实际使用外，有足够的余量供系统以后扩展。模拟块采用FX2N－4AD和FX2N-4DA。提供4路输入和输出。通信模块采用FX-232AWC。
本系统PLC的I／O分配表如表1。
为了节能，锅炉控制系统中的给水、燃烧控制部分能采用变频器，那么整个锅炉的控制水平(如温度、压力、水位的控制精度)将可得到较大的提高，并且其节能效益是十分明显的，这点在很多的锅炉系统，特别是较大容量的锅炉控制系统中己得到证实，其明显的节能效益使得由于使用变频器带来的控制系统成本提高在短期内就可得到回收，我们设计的控制器作了改进，以适应不同的要求。
为了利用船舶主机排出的废气余热，在控制系统中加入了主机废气控制开关。
表1 PLC的I／O分配表
3.2 系统软件设计
按照船舶锅炉的全自动控制流程，在PLC中编制用户程序[2]。图1、图2为控制系统程序。