6ES7222-1HF22-0XA8产品特点
南海市第二水厂设计总规模为日供水100万m3, 担负北江以北大部分镇区生产和生活用水的供应，首期工程为日供水25万m3，于1997年4月建成投产，二期25万m3/d工程即将建成，自控项目主要对一期自控工程进行改造和二期自控工程建设，并为后续扩建预留接口。
生产工艺
净水厂的生产过程如图1所示，主要分为以下几个工艺过程：
图1: 净水厂生产流程
■取水 通过多台大型离心泵将江河地表水抽入净水厂。
■投药 按一定的工艺要求投入混凝剂及氯气，达到混凝和消毒。
■ 絮凝 地表水投入混凝剂后的反应，并排出反应后沉淀的污泥。
■ 平流沉淀 与混凝剂反应后的水低速流过平流沉淀池，以便悬浮颗粒沉淀，并排出沉淀的污泥。
■ 过滤 沉淀水通过颗粒介质(石英砂)以去除其中悬浮杂质使水澄清，并定时反冲洗石英砂。
■ 送水 通过多台大型离心泵将自来水以一定的压力和liuliang送入城市管网。
控制方案
由于自来水生产工艺主要具有以下特点：
■ 各生产工艺段相对独立，单体设备多;
■ 采集的数据量大且种类多，但上下游相关联的生产参数少;
■自来水生产具有连续性、性和不间断性;
■各工艺段距离远，设备分散，组网相对复杂。
根据以上特点，本系统选用OMRON的中小型PLC对各工艺段或设备分散控制，通过OMRON Protocol和Controller bbbb组成网络，各工艺段控制室和中控室设置上位机，构建人机界面进行生产管理和对生产数据进行后续处理。全厂控制网络如图2所示。
图2：全厂控制网络图
监控系统的硬件配置为：上位机选用高可靠性的微型计算机，扩展了Controller bbbb 支持卡3G8F7 CLK211-E, 配置有8套中型PLC OMRON C200HG，1套OMRON CS1H，8套小型PLC OMRON CQM1，8套CPM2A ，全部中型PLC和上位机通过Controller bbbb线缆通信单元CLK21和操作站上扩展的通信单元3G8F7-CLK21-E组成Omron Controller bbbb网络，小型PLC通过OMRON Protocol与相关功能间的中型PLC相联。OMRON公司的Controller bbbb网络是OMRON主要的FA(工厂自动化)级别的网络，是一种使用令牌总线通信的网络，网络中的每个节点都可作为主站进行数据的发送和接收。
通过设置数据链接，节点间可以自动交换预置区域内数据。该网络中控制通信的节点称为发牌单元，它控制令牌，检查网络和执行相关的任务。这种总线型拓扑结构具有大的灵活性，易于扩充和维护，满足了系统可扩展性要求。由于采用了分布式控制技术，可确保Controller bbbb网络不会因某个站点故障而崩溃，tigao了系统的稳定性。本系统中采用屏蔽双绞线作为Controller bbbb网络的通信介质，整个网络由网桥分成两段，主要是为了满足其对通讯距离的要求，可适应以后扩展的需要。由于各节点距离较大，传输速率设为500kbps，可满足系统实时性要求。本控制方案全部选用中小型PLC，对主要的生产设备分散控制，利用网络将它们紧密联结，实现集中管理，降低了故障风险，tigao了可靠性，是一种经济可行的方案。
在取水及送水工艺段上，主要设备都为多台大型离心水泵和10kV高压直流电机，每一高压配电柜选用一台Sepam2000 (施耐德生产，专用于配电柜控制的小型PLC) 进行数据采集和控制，通过RS485接口连成网络，由控制室的OMRON C200HG中型 PLC利用OMRON Protocol协议与它们通讯，对其读写数据和进行统一调度，这样可以节省大量的数据采集电缆，当某台PLC发生故障时可以方便断开而不影响其他设备的正常生产。对于沉淀池排泥车的控制，由于排泥车在长达近百米的沉淀池上前后移动，其控制所用小型PLC利用电台与控制室间的C200HG通过RS232接口进行1：N通讯，电台型号为MDS-SCADA-24810，为直接数字调制解调电台，工作频率范围在2.4G～2.4835GHz，支持标准的异步通讯协议，工作稳定可靠，协议同样采用OMRON Protocol，软件用OMRON-CX-Protocol编制。二期滤池选用多个小型PLC(OMRON CQM1H)分散控制，可以较好地解决因控制设备故障而造成全部滤池停产的问题。
程序结构
本系统全部设备的控制都由PLC来完成，PLC程序利用OMRON-CX-Programmer软件编制。在各工艺段及单体设备其控制程序亦相对独立，部分相同的工艺采用子程序模式，程序结构比较简单，调试和维修方便。
人机界面
该系统人机界面以组态软件iFix3.0为平台开发，由若干个画面组成：总画面(水厂水处理工艺)、各系统工艺图、报警窗口等。为增加画面的可读性和可观赏性，主要画面均采用立体图形式(用3ds、flash等软件绘制)，在画面的相关位置显示该设备的所有主要运行参数。设备的控制通过点击该设备进入，shift+鼠标左键可打开该设备的帮助文件，包括设备档案、运行规程等。iFix与OMRON PLC的通讯由OMRON的FinsGateway和Inbbblution 的驱动程序OMF或OMR完成，这是整个系统正常运行的关键。
■ 总画面：表现的是整个水厂的水处理工艺(立体图形式)，从取水、投药、投氯、絮凝沉淀、过滤到供水。在相关位置显示水处理的各主要控制参数以及重要设备的主要控制参数，可以点击进入各分站。
■ 各系统工艺图：主要有取水工艺图、投矾工艺图、投氯工艺图、絮凝池、排泥车、滤池、送水工艺图、高低压配电图等。除配电图外，均采用立体图形式，画面直观醒目，能够表达比平面图更丰富的信息。
■ 报警窗口：所有报警显示的喇叭会一直响到确认为至。也可以按需要分类显示。
■ 设备控制参数设定：参数设定时会检查输入参数是否正确(错误参数不能输入)、参数有无正确下载至PLC，如果出错会报告操作人员。
■ 生产报表：分生产情况(设备运行参数)、生产统计两种报表。老系统没有生产情况报表，生产统计报表也不能正确生成。针对这种情况，我们全面修改了PLC程序，并且为节省存储空间和查询方便起见，将平时的生产数据都存放在历史数据库里，在需要时可即时生成报表。
■ 历史曲线：可查询全厂所有主要运行参数的历史情况。为便于设备运行情况分析，可以在同一画面下显示设备的历史运行情况与当前的运行情况以作对比。
■ 为防止设备控制出错，所有设备分别有中控(中控室上位机控制)、现控(现场车间上位机控制)、自动、就地(设备不受PLC控制)4种控制方式，可以随需要随时转换。
■全厂的所有工作站都可看到全厂的运行情况 0 引言
供水系统是国民生产生活中不可缺少的重要一环。传统供水方式占地面积大，水质易污染，基建投资多，而主要的缺点是水压不能保持恒定，导致部分设备不能正常工作。变频调速技术是一种新型成熟的交流电机无极调速技术，它以其独特优良的控制性能被广泛应用于速度控制领域，特别是供水行业中。由于安全生产和供水质量的特殊需要，对恒压供水压力有着严格的要求，变频调速技术得到了更加深入的应用。恒压供水方式技术先进、水压恒定、操作方便、运行可靠、节约电能、自动化程度高，在泵站供水中可完成以下功能：（1）维持水压恒定；（2）控制系统可手动/自动运行；（3）多台泵自动切换运行；（4）系统睡眠与唤醒。当外界停止用水时，系统处于睡眠状态，直至有用水需求时自动唤醒；（5）在线调整PID参数；（6）泵组及线路保护检测报警，信号显示等。 其工作原理如图1所示。
将管网的实际压力经反馈后与给定压力进行比较，当管网压力不足时，变频器增大输出频率，水泵转速加快，供水量增加，迫使管网压力上升。水泵转速减慢，供水量减小，管网压力下降，保持恒压供水。
1 系统硬件构成
系统采用压力传感器、PLC和变频器作为中心控制装置，实现所需功能。图2为3台泵恒压供水系统的结构图。
安装在管网干线上的压力传感器，用于检测管网的水压，将压力转化为4～20mA的电流信号，提供给PLC与变频器。
变频器是水泵电机的控制设备，能按照水压恒定需要将0～50Hz的频率信号供给水泵电机，调整其转速。ACS变频器功能强大，预置了多种应用宏，即预先编置好的参数集，应用宏将使用过程中所需设定的参数数量减小到小，参数的缺省值依应用宏的选择而不同。系统采用PID控制的应用宏，进行闭环控制。该宏提供了6个输入信号：启动/停止（DI1、DI5）、模拟量给定（AI1）、实际值（AI2）、控制方式选择（DI2）、恒速（DI3）、允许运行（DI4）；3个输出信号：模拟输出（频率）、继电器输出1（故障）、继电器输出2（运行）；DIP开关选择输入0～10V电压值或0～20mA电流值（系统采用电流值）。变频器根据给定值AI1和实际值AI2，即根据恒压时对应的电压设定值与从压力传感器获得的反馈电流信号，利用PID控制宏自动调节，改变频率输出值来调节所控制的水泵电机转速，以保证管网压力恒定要求。
根据泵站供水实际情况与需求，利用一台变频器控制3台水泵，除改变水泵电机转速外，还要通过增减运行泵的台数来维持水压恒定，当运行泵满工频抽水仍达不到恒压要求时，要投入下一台泵运行。当变频器输出频率降至小，压力仍过高时，要切除一台运行泵。不仅需要开关量控制，还需数据处理能力，采用FX－4AD（4模拟量入）获得模拟量信号。它在应用上的一个重要特征就是由PLC自动采样，随时将模拟量转换为数字量，放在数据寄存器中，由数据处理指令调用，并将计算结果随时放在指定的数据接触器中。通过其可将压力传感器电流信号和变频器输出频率信号转换为数字量，提供给PLC[1>，与恒压对应电流值、频率上限、频率下限（考虑到水泵电机在低速运行时危险，必须保证其频率不低于20Hz，频率上限设为工频50Hz，下限设为20Hz）进行比较，实现泵的切换与转速的变化。
系统在设计时应使水泵在变频器和工频电网之间的切换过程尽可能快，以保证供水的连续性，水压波动尽可能小，从而tigao供水质量。但元件动作过程太快，会有回流损坏变频器。为了防止故障的发生，硬件上必须设置闭锁保护，即1Q与4Q，2Q与5Q，3Q与6Q不能闭合。
2 系统软件设计
控制系统软件是指用梯形图语言编制的对3台泵进行控制的程序。它对3台泵的控制，主要解决系统的手动及自动切换、各元件和参数的初始化、信号及通讯数据的预处理、3台泵的启动、切换及停止的条件、顺序、过程等问题。
当变频器输出频率达到频率上限，供水压力未达到预设值时，发出加泵信号，投入下1台泵供水。当供水压力达到预设值，变频器输出频率降到频率下限时，发出减泵信号，切除在工频运行方式中的1台泵。系统刚启动时，情况简单，启动一号泵即可。但考虑3台泵联合运行时情况复杂，任1台或2台泵可能正在工频自动方式下运行，而其他泵则可能在变频器控制下运行，必须预先设定增减水泵的顺序。即获得加泵信号后，按照1号泵、2号泵、3号泵的顺序优先考虑。获得减泵信号后，按照3号泵、2号泵、1号泵的顺序优先考虑。
为了防止故障的发生，软件上也必须设置保护程序，保证1Q与4Q、2Q与5Q、3Q与6Q不能闭合。在加减泵时必须设置元件动作顺序及延时，防止误动作发生。系统切换泵流程见图3。
考虑到系统工作环境对运行状态的影响，在设计中采用硬件、软件上的双重滤波来消除干扰的影响。硬件上变频器提供了滤波时间常数，当模拟输入信号变化时，63％的变化发生在所定义的时间常数中；软件上采用数字滤波的方式，系统采用平均值的方法。
计算近10次采样的平均值，其计算公式如下：
3 系统参数的确定
系统变频运行主要靠变频器来实现。变频器有一数量很大的参数群，初始情况下，只有所谓的基本参数可以看到。只需设定简单的几个参数，变频器就可以工作。 主要基本参数见表1。
除基本参数外，还必须对完整参数进行设定。
完整参数的设定主要是PID参数的整定，它是按照工艺对控制性能的要求，决定调节器的参数Kp，TI，TD。控制表达式为：
系统运算程序见图4。
变频器根据偏差调节PID的参数，当运行参数远离目标参数时，调节幅度加快，随着偏差的逐步接近，跟踪的幅度逐渐减小，近似相等时，系统达到一个动态平衡，维持系统的恒压稳定状态。
4 试验结果
由于系统的显示和通讯功能，可以对系统工作情况进行监测。考虑到管网覆盖面积大，泵站海拔高度相对低，远端供水压力需维持3kg，泵站出水口压力必须维持5kg。试验条件为管网初始无压 力，电磁阀控制一定量相同用水情况下启动系统。获得的数据经MATLAB进行插值拟合可得系统在不同条件下跟踪压力变化的曲线[5]。
试验记录的数据显示，系统在未进行滤波和PID控制时，响应速度特别慢、误差大、振荡严重，见图5。在未进行滤波而引入数字PID控制时，响应速度明显加快，但振荡问题未能得到解决，这是由于喘振现象的存在；当管道压力与设定值近似相当时，水锤效应影响明显，压力波动异常，PID的参数跟踪整定，形成恶性循环，管道中空气的存在也会导致振荡问题，见图6。引入滤波与数字PID控制后，系统控制品质明显好转，响应速度快，克服了振荡问题，见图7。表2为试验数据表。
该系统是按照工业生产需求设计的，实现了预定的一系列功能，保证了系统的稳定和安全性，在长时间运行中取得了良好的效果。只需作相应修改就可推广到相关供水系统中
近年来，随着我国自动化技术的tigao，工厂自动化也上了一个新台阶。可编程逻辑控制器（PLC）作为一个从八十年代发展起来的新兴的工业控制器，是自动控制、计算机和通讯技术相结合的产物，是一种专门用于工业生产过程控制的现场设备。PLC以其体积小、功能齐全，价格低廉，可靠性高等方面具有独特的优点，在各个领域获得了广泛应用。
洪门水电厂是一个投产30多年老电厂，原有的自动化设备无法满足安全生产的需要。溢洪道是水电厂重要的水工建筑物之一，对于该建筑物日常运行维护特别重要，消力池排水廊道自动抽水系统的更新改造正是为了满足这要求。考虑到水工建筑物自然环境因素，根据可靠性，选用性价比较高的产品的原则，我们重点对AB、GE、三菱、OMRON（欧姆龙）、MODICON（莫迪康）、SIEMENS（西门子）等公司的PLC系列产品进行了综合的比较、选择，后选用了三菱公司的产品，这是因为三菱公司产品除具有上述优点外，还具有维护方便及操作简单直观易掌握的特点。PLC采用三菱 FX2N-48MR+2A/D+2D/A,主要负责水位的数据采集，控制潜水泵的启动/停止等。选用了一台三菱5.7寸触摸屏，主要负责参数显示和修改参数以及显示详细的故障信息等。
2 系统结构
洪门水电厂溢洪道消力池排水廊道排水系统主要由三部分组成。①一级堰廊道自动排水系统；②二级堰廊道自动排水系统；③人机对话系统。其中主控制系统安装在二级堰廊道它由水位变送器、液位开关、可编程控制器、接触器、控制开关等构成。除具有现地控制功能外，还具有通过远方的液晶触摸显示器完成水位检测、实时显示、传感器整定、实时控制、保护等功能。一级堰廊道只安装了水位变送器和接触器等水泵起动设备。液晶触摸屏也就是人机对话系统安装在溢洪道维护人员的办公地点，离主控中心有100米左右。
3 各部分工作元器件特性
3.1 PLC
PLC（FX2N-48MR）是整个控制系统的核心控制部件，其丰富齐备的控制运算指令、优越的性能、现场编程调试的方便已使其成为深受现场技术人员欢迎的控制设备。主要性能指标为：24点输入/24点继电器输出，内置8000步RAM可使用存储盒，运算速度为1.52цs～数100цs/步（应用指令）；其输出接点的大负载为80VA或100KW，输出接点的寿命为20VA/300万次，35VA/100万次，80VA/20万次。
3.2 2A/D及2D/A
FX2N-2A/D转换模块用于接收水位变送器输出的4～20 mA电流信号，并将其变为PLC程序可用的十进制数。（即将模拟量转换成数值量）FX2N-2D/A转换模块用于将PLC运算得到的控制量数值转换为-10V～+10V电压信号，通过RS485或RS422接口连接将电流模拟量信号输入到远方监控系统。
3.3液位变送器和液位开关
液位变送器采用高精度、高可靠性美国麦克产品，型号为MPM426W液位开关 采用台湾凡宜LTB产品，当水位达到设定值时，给可编程一个动作信号。
3.4 触摸屏
作为一种新型的人机界面，从一出现就受到关注，它的简单易用，强大的功能及优异的稳定性使它非常适合用于工业环境。用户可以自由地组合文字，按钮，图形，数字等来处理或监控管理随时可能变化的信息。随着工业设备的飞速发展，以往的操作界面需由熟练的操作员才能操作，无法tigao效率。但使用人机界面，能明确指示并告知操作员机器设备目前的状况，使操作变得简单生动。使用触摸屏，还可以使机器配线标准化、简单化，也能减少PLC控制所需的I/O点数，降低生产成本，也相对tigao整套设备的附加价值。本系统选用三菱公司的GOT930触摸屏，它和三菱PLC有很好的通用性，能在线监视并修改程序，不必很麻烦的重复插拔接口。
4 本装置系统实现的主要功能
4.1具有三种运行方式:自动、手动和退出，采用操作把手手动切换。
4.2在“自动”运动方式下，根据液位开关（或液位变送器）提供的液位信号启动和停止潜水泵；在“手动”运行方式下，可以直接通过手动操作把手起动/停止潜水泵。在“退出”运行方式下，自动和手动操作均不起作用。
4.3自动定时切换各潜水泵间的主用/备用状态，也可以人为进行切换各泵间的主用/备用状态。
4.4采用发光二极管指示装置的运行状态和系统故障。
4.5采用液晶显示屏来进行参数显示（如：水位等）和修改参数（如：水泵启动和停止水位整定值、水泵切换时间参数、）以及显示详细的故障信息。
4.6具有故障报警功能，报警信息包括：电源故障、水泵故障、变送器故障、水位过高、水位过低、PLC故障等。
4.7具有自检功能和较强的容错能力。
4.8控制电源采用交直流两路输入的UPS电源。
4.9具有通信联网功能，将报警信号和模拟量信号等传送到远方计算机监控系统。
5 软件设计
根据溢洪道消力池排水廊道排水系统控制的要求，利用三菱公司PLC丰富的指令编制控制程序，并结合现场调试及优化控制程序的原则，本控制系统主要有以下几个控制程序模块。
5.1 二级堰廊道自动排水控制过程
5.1.1当两台水泵处于“自动”状态时，若液位开关达到“水位高”位置时，主用水泵起动；若液位开关达到“水位过高”或“水位很高”位置时，备用水泵也起动，并且发出“水位过高”告警信号。
5.1.2当液位开关低于“水位低”位置时，所有运行的水泵都停止工作；若“水位过低”时，除水泵停止运行外，还发“水位过低” 告警信号。
5.1.3当PLC发出某台水泵的运行指示后2秒内该台水泵的磁力起动器未动作，则该台水泵主/备用状态改变至备用状态，并发出告警信号。
5.1.4二级池水泵自动运行流程图见附录一所示。
5.2一级池水泵自动工作过程：
当水泵处于“自动”状态时，若一级池集水井水位达到“水位高”位置时，一级池水泵起动；若水位达到“水位过高”时，水泵起动并发出告警信号；若水位达到“水位低”位置时，一级池水泵停止。若水位达到“水位过低”位置时，一级池水泵停止并发出告警信号。
一级池水泵自动运行流程图
5.3 人机界面设计
在人机界面中，设计了16幅画面，包括状态信息，故障信息，参数设置，修改密码，系统维护等。状态信息包括一、二级堰廊道水位显示以及二级堰廊道1#潜水泵、2#潜水泵、一级堰廊道水泵的工作状态；故障信息显示水泵、电源、热继、水位超限等设备或信号的故障时间；参数修改包括压水位的整定值设置，水位的输入、输出值整定设置以及主/备。触摸屏的画面如图所示：
6 结束语
洪门水电厂溢洪道消力池排水廊道自动抽水系统是在可编程技术在该厂机组调速器压油罐油压和油位自动控制系统的基础上，自主设计安装、调戏而成功的一个项目。溢洪道消力池排水廊道自动抽水系统获得当年该厂“合理化建议”一等奖。。本系统从2003年改造至今正常运行两年，没有发现大问题，本系统设计合理、先进，运行安全、可靠，维护方便，操作简便直观，。由于PLC功能齐全，可靠耐用，指令简洁，其触摸屏与PLC有很好的通用性，可通过触摸屏监视并修改、优化程序，锻炼了该厂职工队伍，使电气维护人员基本掌握了PLC的原理及自动控制系统的软、硬件设计及制作的技术，tigao了职工的技术水平。为洪门水电厂设备自动化改造及维护节省了不少资金。