西门子6ES7231-7PD22-0XA8产品特点

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滤池系统的控制任务

2.1工艺要求

   第二自来水厂新扩建的V型滤池共设六个滤格，每格安装有一个液位计、一个阻塞仪，每滤格均有各自的进水阀、清水阀、气冲阀、水冲阀以及排水阀和排气阀。用于气冲的鼓风机有3台（两用一备）；用于水冲的3台反冲洗泵（两用一备）；两台空气压缩机（一用一备）；1台干燥器。

   待滤水进入滤池的各单元滤格，经石英沙恒速过滤后，再进入清水池。过滤的工艺要求滤格内的水位保持在滤料上的1.2米处，在这个水位上，过滤的效果好。为实现等速恒水位过滤，就要使滤池的出水量等于进水量，应根据滤池水位变化来调节出水阀的开启度以控制出水量的大小。而当滤池的运行满足反冲洗的约束条件时，需要进行反冲洗清洁滤沙。反冲洗是通过控制滤池进水阀、清水出水阀、反冲进气阀、排气阀、反冲进水阀、反冲排水阀并运行反冲水泵、风机等来实现的。

   滤池控制系统的任务主要是过滤时的液拉控制和清洁过滤砂时的反冲洗控制，过滤和反冲洗不断循环交替进行。

2.2 对控制系统的性能指标要求如

（1）实现自动恒水位过滤，误差：±1.5㎝；
（2）根据下列约束条件之一，能准确地实现自动反冲洗：
?过滤时间达到反冲洗设定周期（如48小时）仍未反冲洗的；
?过滤水头损失值到达设定值（150）且延时时间（15分钟）已到，仍未反冲洗的；
?强制反冲洗按钮被触发。
（3）反冲洗周期、反冲洗过程中各步骤的时间均可通过程序设定，满足工艺及实际操作要求。
（4）能直观显示滤池过滤水位、水头损失及出水阀开启度，显示反冲洗设备、本地滤池阀门等的开关状态。
（5）对反冲洗设备、本地滤池阀门及反冲洗过程既可以实现全自动控制，也可以进行手动控制。

3 滤池的控制原理与运行过程

3.1 恒水位控制原理

    滤池的恒水位控制如图1所示。

    每个滤池将滤池水位检测值和水位设定值进行比较，得到水位偏差信号Δe，经PID运算后把输出信号送给输出附加处理程序，再输出给出水阀的伺服电机以控制出水阀的开度。开度增大的数值是由一定累积时间内水位上升的速度及水位偏差共同决定的。若进水流速越快，出水阀开度就越大，越小。PID运算的目标是把水位保持在设定值，附加值可作为补偿添加到输出控制中。输出附加处理程序是把PID的运算结果按一定的规律输出给清水阀伺服电机。

图1滤池恒水位控制系统图

3.2 反冲洗过程

    当控制系统接收到反冲洗指令信号时，按照先进先出的原则排队进行反冲洗。反冲洗分气洗、气水混合洗、水洗三个阶段，过程如下：关闭待滤水进水阀，当水位降至设定的反冲水位时，关闭清水出水阀并打开废水排水阀，排水阀的信号到位后先关闭排气阀，再打开反冲进气阀，启动台风机进行气冲，气冲需要时间1-3min；完成后，打开反冲进水阀，再启动第2台风机及第1台水泵，进行气水混合洗，时间为5min；关闭2台风机，关闭反冲进气阀，打开排气阀，启动第2台水泵，进行单水冲洗，需要时间3-6min，完成后关闭反冲进水阀，停2台反冲洗水泵，关闭排废水阀，打开待滤进水阀，打开滤后清水阀。当水位升到过滤恒水位时，系统又转入正常的过滤程序。

4 控制系统设计 

4.1 硬件构成及网络结构

    本系统采用PC+PLC的构成形式。上位机由一台COMPAQ微机和两台打印机组成，下位机由模拟屏PLC8、公共冲洗PLC7和六个单元滤池PLC1-6共八台施奈德公司的PLC组成，如图2所示。

    各PLC采用双绞线电缆连成的总线形接出式拓朴结构通信网，其又称FIPWAY通信网，传输速率为1Mbps。各PLC之间彼此进行通信，实现数据共享。单元滤池和公共冲洗的PLC，均配备一台现场XBT—B（人工智能接口），它通过电缆与PLC联系，在XBT操作盘上可以对滤池进行现场手动控制。各单元滤池PLC通过FIPWAY网络与公共冲洗PLC相连，公共冲洗PLC又通过网络进入水厂中控室和微机联网，故系统能在中控室内对滤池的运行进行远程监控，实现了中控室计算 

图2滤池自控系统网络图

    机集中监控、PLC远程控制、现场XBT操作的三级控制，从而确保了滤池生产运行的安全可靠性。

    本系统PLC配置如下：

    PLC8：TSX47/415的CPU/COM、POWER、DI各一块；DO为9块。模拟屏设有D/A转换器。

    PLC7：TSX67/455的CPU/COM、POWER、DO和AI（TSXAEM811）各1块；DI为2块。

    PLC1-6：TSX47/415的CPU/COM、POWER、DI、DO、AI（TSXAEM411）各1块。
    PLC与PC机的通讯，要先在PC机安装TE公司的专用FIPWAY通讯网卡，通过RS422通讯接口进行数据通讯。

4.2 PLC的控制功能

    单元滤池的PLC主要完成本格滤池的恒水位过滤控制和每格滤池的进水阀、出水阀、排污阀、反冲进气阀、排气阀、反冲水阀等的自动控制，及数据采集，并与公共冲洗PLC交换数据信息。当滤板下的阻塞仪将滤床阻塞程度信号转送给滤池单元PLC，PLC接收信号后，与水头设定值进行比较、显示出来，用以决定滤池是否要反冲洗，并传送至公共冲洗PLC。滤池的开启个数由进水liuliang决定，每个滤池由液位计和阻塞仪测出滤池的水位和水头损失值，并和滤后水阀门开度这三个参数送单元PLC，经PLC内置PID运算后，若水位偏差超过1.5cm时，PLC立即启动控制单元自动调整滤池出水蝶阀的开度，维持滤池水位基本恒定，从而实现恒水位过滤。

    公共冲洗PLC负责六个滤池的反冲洗排队协调、和对反冲洗设备（反冲水泵、鼓风机等）及其进出口阀门的监控。当单元PLC向公共冲洗PLC发出反冲洗请求时，公共冲洗PLC则开始启动反冲洗程序对该滤池进行反冲洗控制。当某滤格正在反冲洗时，若又有一个或多个滤池发出反冲洗请求信号时，则此信号被存入公共冲洗PLC存储器中，按存储先后顺序进行冲洗，排队等待反冲洗的滤池则维持正常的生产。
模拟屏PLC的作用是驱动模拟屏工作及实现与水公司电台系统、微机的通讯。在模拟屏上能动态显示整个水厂的工艺流程和设备运行状态以及其主要的工艺参数，并实现声光报警，便于生产调度管理。 

4.3 程序设计

    当滤池满足反冲洗控制约束条件之一时进行反冲洗。本系统用一个反冲洗PLC实现六个滤池的排队反冲洗，通过公共程序的读写命令采集整组滤池的反冲信息及滤池具体水位情况并发出命令。公共程序的主要内容包括：反冲水泵风机控制程序、公共PLC与其他各单元PLC信息的读写程序和滤池排队程序。

    每格滤池的工艺过程基本相同，其PLC程序结构也相同，可用子程序的形式，如图3所示。每个滤池程序包括初始化命令及滤池的自动状态、手动状态、现场状态等程序。滤池自动状态程序包含反冲洗状态、整理状态、正常过滤状态三个子程序。滤池手动状态程序包含各个阀门的手动操作命令。滤池现场状态程序主要内容包含：（1）在滤池由自动状态转到现场时已发出的命令必须全部复位。（2）自动状态中的某些变量，如时间变量、计数器变量等必须复位。（3）针对反冲必须在这个状态下发出一个结束反冲命令。

4.4系统监控软件

    本系统上位机采用bbbbbbs NT操作系统，实时监控软件选用Wonderware公司的InTouch7.0工业组态软件,它主要包含bbbbbbMaker和bbbbbbViewer两个程序。上位机配备有遵循FIPWAY通讯协议的通讯网卡，实时采集生产数据。通过监控计算机可清晰地显示滤池的过滤、等待、反冲等运行过程中动态的工艺模拟画面，可对系统的所有设备进行远程操作和控制，并具备显示工艺布置图、实时动态参数、设备的工作状态及实时/历史报警信号、在线仪表的实时/历史趋势曲线、马达运行时间等功能，可进行离线/在线编程及设定参数的修改，编制和打印生产与管理报表。

5 新旧系统的联网问题

    由于新建的滤池系统与水厂原系统是用不同公司的PLC开发成的两套独立系统，两系统的通信协议不同，它们之间没有数据通信，这给生产和管理带来一定的麻烦。两期的监控组态软件都采用了InTouch，但所用版本不同。从技术改造成本和公司技术力量来考虑，决定利用InTouch基于以太网并兼容TCP/IP通信协议的网络功能来实现两套独立系统的联网控制。具体方法如下：

    先用交换机组建一个以太网，系统示意图如图4，并在原系统监控微机PC1

    和新建系统监控微机PC2上分别安装TCP/IP通信协议、NetDDE程序。

    再对InTouch监控系统软件进行设茫篴. 运行InTouch的开发环境bbbbbbmaker，利用“import”功能将新旧两期程序数据整合成为一个完整的应用程序，分别安装在PC1和PC2上，这样就可以在任一台PC上对生产进行监控；b.对InTouch的DDE Access进行设置，方法是在“Modify DDE Access Name”对话框中的“DDE Application/Server Name”栏增加“\\PC2\viewer”（在PC1上）和“\\PC1\viewer”（在PC2上）。通过这个设置，PC1和PC2就可通过以太网进行实时数据通信；c. 初始化NetDDE，运行InTouch bbbbbbviewer，PC1和PC2即可进行实时通信。

6 结束语
    
    滤池经一段时间的运行后显示出控制系统应用效果良好，系统的各项控制性能指标均能达到设计要求。在正常情况下，本滤池水位波动被控制在设定值的±1.5cm范围内，实现了自动过滤及六个滤池自动排队和反冲洗，并间接实现了与水厂原系统的联网控制，整个控制系统的设计基本满足了生产要求，达到了预期效果。

引言

　　HT-7U超导托卡马克核聚变实验装置是中科院等离子体物理研究所承担的大科学工程项目，其目标是能在装置上对建造稳态先进的托卡马克核聚变堆的前沿性物理问题开展探索性的实验研究。HT-7U低温系统，作为该项目中主要子系统之一，是为HT-7U超导托卡马克的纵向和极向场超导磁体稳定运

　　行提供冷量，该系统的2KW/4K制冷机还用来生产液氦以满足其他实验及用户的需求。低温系统由三部分构成：压缩机站、制冷机冷箱部分、托卡马克磁体冷却部分。采用OMRON公司的CS1G CPU44 PLC作为数据采集、控制回路、自动顺序操作和运算的主要设备，其它测量监控设备为辅的方案，实现了压缩机站的实时监测、自动控制和系统运行诊断，满足了系统可靠性、稳定性和实时性的要求，。

1.系统介绍

图1 压缩机站系统流程图

　　HT-7U氦低温系统的压缩机站部分包括两级螺杆压缩机组、除油系统等设备，其系统流程图见图1。

　　压缩机部分由低压级和高压级二级串联组成，低压级为三台LG25Ⅱ型螺杆压缩机并联，将氦气从0.104Mpa（P0）压缩至0.51Mpa（P1），总的质量liuliang250g/s;高压级为两台LG20Ⅱ螺杆压缩机并联，将氦气从0.51Mpa（P1）压缩至2Mpa（P2），总的质量liuliang超过360g/s。压缩机站的作用是为制冷机的降温、回温、液化、制冷等各种运行模式提供需要的稳定压力和高纯度的氦气liuliang，它对整个低温系统的稳定性和制冷机的工作效率至关重要。根据制冷机需要的氦气liuliang选择投入或停止压缩机的台数，通过对螺杆压缩机能量滑阀和五个控制阀门的调节使PO、P1、P2稳定在要求的精度范围之内。螺杆压缩机站需要测量的工艺参数主要有：压力、温度、差压、liuliang、液位、转速、真空度、气体纯度、阀门开度、电机电流、压缩机能量滑阀位置，系统共有数字量输入99路, 模拟量输入59路, 数字量输出59路, 模拟量输出6路;需要控制的主要过程有螺杆压缩机的启动、停车和安全运转，压缩机油温的调节，各设备故障时的处理等。

2.监控系统硬件结构

　　压缩机组监控系统采用上位机和下位机组成，系统硬件结构图如图2所示。上位机使用两台研华工控机，一台作为操作站实现整个系统的监控和数据检测，另一台作为工程师站完成组态软件的设计和开发、PLC程序的开发以及将软件通过串口传送至PLC的CPU单元。下位机采用功能强大、可靠性高、维护方便且抗干扰能力强的可编程控制器OMRON CS1G-CPU44 PLC实现压缩机站大多数参数的采集和控制，一些不参与压力控制的参数如油吸附器压力、缓冲罐压力等信号由研华的ADAN数据采集模块采集，并以串行数据的形式传送给上位机，采用屏蔽电缆作为工控机串口与PLC和ADAM模块串行通信的介质。采用ADAN 4520 RS485/232C转换器是为解决RS232C的通讯距离短和干扰较大等问题

图2 压缩机站监控系统硬件结构图

　　监控系统的硬件配置为：研华工控机，CPU为PIII 733，操作站还扩展了Controller bbbb 支持卡3G8F5 CLK01-E, PLC配置的模块有基本I/O单元：3块16点输入单元ID212、6块16点输出单元OC225，高密度I/O单元：2块32点输入单元ID216，特殊I/O单元：4块8路模拟量输入单元AD003、1块8路模拟量输出单元DA004、3块温度传感器单元TS102，Controller bbbb 通讯单元CS1W CLK21, ADAN模块有4块8通道模块ADAN 4017、2块3通道模块ADAN 4013和1块RS485/232 转换器ADAN 4520。

　　通过在现场级PLC的Controller bbbb线缆通信单元CLK21和操作站ISA插槽上扩展的通信单元3G8F5-CLK01-E，将上位机和下位机组成Omron Controller bbbb网络。OMRON公司的Controller bbbb网络（控制器网）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那的数据。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，由于各节点距离小于500m，传输速率达2Mbps，可满足系统实时性要求。PLC网络在完成物理连接后,必须对进行必要的参数设置并建立路径表, 这是整个网络配置过程中重要的部分。设置的参数包括通信单元的单元号、所在网络的节点号、I/O表、数据链接等。只有在完成这些必要的工作后，才能实现PLC网络的互连。本系统中CLK21和3G8F5 CLK01-E模块的参数设置见表1。

    表1 Controller bbbb 通信单元参数设置表

　　
3.监控软件结构设计

　　工业控制组态软件是可以从可编程控制器、各种数据采集卡等设备中实时采集数据，发出控制命令并监控系统运行是否正常的一种软件包，组态软件能充分利用bbbbbbs强大的图形编辑功能，以动画方式显示监控设备的运行状态，方便地构成监控画面和实现控制功能，并可以生成报表、历史数据库等，为工业监控软件开发提供了便利的软件开发平台，从整体上tigao了工控软件的质量。北京亚控公司开发的KingView 5.1是运行在bbbbbb98/NT上的一种组态软件，由工程浏览器TouchMAK和画面运行系统TouchVEW两部分组成。TouchMAK是KingView软件的核心部分和管理开发系统,它的功能是建立动画显示窗口。通过它提供的工具箱可方便建立实时曲线图、历史趋势图和报警记录显示。TouchVEW是显示TochMAK中建立的图形窗口的运行环境。在螺杆压缩机监控系统中，工程师站可运行TouchMAK和TouchVEW,而操作站只允许运行TochVEW。图3是监控软件的结构。KingView 5.1驱动程序通过Controller bbbb网络与PLC进行通信，通过串口与ADAN模块进行通信，分别访问相应的寄存器，以获取压缩机现场各工艺参数的实际值或对现场的开关量和模拟量如各控制阀门的开度进行控制。本系统中将PLC的DM0～DM199设置为可读写区，即上位机可对下位机该区域进行读写操作;将DM200～DM399设置为只读区，即上位机只能读出下位机该区域的值而不能改变。

图3 监控软件结构图

　　螺杆压机站测量和控制系统上位机的组态软件基本实现了螺杆压机站测控的要求。简洁且形象的模拟了压机站的工艺流程，操作人员能在中央控制室的计算机屏幕上了解压机站的全部运行状况，包括各种报警。取得权限的操作人员能在中央控制室实现对任何一台压缩机单独操作或联机操作，所有的自动与半自动之间的切换都是无扰切换。每个控制按钮和每个自动与半自动切换按钮都有的确认或取消，防止误操作。

4.控制系统设计思想

　　采用低压级和高压级二级串联的大型螺杆压缩机组系统在德国、日本和法国等国家有过成功例证，在国内尚应用不多。这种系统的压力控制方法主要有二种：一为前级控制，二为后级控制。前级控制把压缩机进气压力作为控制依据，这种方法使系统耦合减小，但压缩机排气压力波动较大;后级控制把压缩机排气压力作为控制依据，压缩机排气压力控制精度高，但系统耦合程度大，系统实现复杂。螺杆压缩机依靠被称为能量滑阀的结构元件的增减载（由电磁换向阀的通断实现）来调节压缩机的容积liuliang，。补气阀和收气阀调节系统中的气体liuliang。

　　压缩机控制系统要求在保证压力稳定的前提下，提供给制冷机在各个工况下不同的气体liuliang，压缩机控制系统要保持氦气循环系统的liuliang平衡;要保证供气压力（二级压力）的稳定性。按照压缩机系统的结构体系，将图1中P0、P1、P2分别单独进行控制，形成串级控制，这种控制方案可降低系统内部的耦合程度，减少控制的复杂性 。由于压缩机控制系统属于大滞后强耦合多变量过程控制系统，控制系统的数学模型难以辨识，调节各阀门开度的PID控制器参数采用凑试法整定。基于操作人员的手动控制经验，采用模糊控制+专家控制+PID控制的方案来实现系统的控制要求，控制系统结构图如图4所示。

图4 控制系统结构框图

　　构造两个模糊控制器Fuzzy Controller 1和Fuzzy Controller 2, 以Fuzzy Controller 1为例说明模糊控制器的设计。根据螺杆压缩机运行中积累的人工操作经验，确定被控制量和控制量的模糊子集如下：E1、EC1、U1:｛负向偏差大，负向偏差中，负向偏差小，无偏差，正向偏差小，正向偏差中，正向偏差大｝，简记为｛NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB｝,其中E1为低压级压缩机出口压力P1偏差，EC1为P1偏差变化率，U为电磁换向阀的通电时间。选取被控量与控制量的基本论域为e1:[-1,1];ec1:[-0.3,0.3];u1:[-10,10],其中u1为负值表示能量滑阀减载，正值表示增载，E1、EC1、U1的隶属函数根据专家经验确定，模糊推理采用Mamdani合成运算法，反模糊运算采用Centriod法。

　　1） 压缩机启动和运行时需要不断的吸入氦气，通过补气阀的PID调节使压缩机吸入的氦气压力P0维持在要求的精度之内。

　　2） 模糊控制+专家控制:当压缩机启动建立压力后，随着制冷机需气量的变化P0、P1、P2会发生变化。在压力偏差较大时，使用设计的两个模糊控制器分别调节低压级压缩机和高压级压缩机的能量滑阀的位置，从根本上使压缩机排出的气量与制冷机的需气量平衡，此过程中为避免由于能量滑阀的动作滞后而导致压力波动太大，根据专家经验分别给定两个旁通阀相应的开度，将能量滑阀来不及转移的气量通过旁通转移，随着能量滑阀的动作旁通阀的开度逐渐减小。

　　3） PID控制：压力偏差较小（设定一阈值）时，由于滑阀存在机械死区，需要采用旁通调节阀的精细调节来弥补滑阀的机械死区。此时能量滑阀不再动作，而是用旁通调节阀的PID控制P1、P2在要求的精度之内。

　　4） 当出现异常情况比如核聚变装置失超时，系统的回气量非常大，若能量滑阀和旁通阀动作仍然不能使P2有下降趋势，此时应使用收气阀将回流的氦气收到缓冲罐中。

5.系统软件配置

　　操作站和工程师站：bbbbbbs 2000操作系统和KingView 5.1，操作站还需：用来设置Controller bbbb网络的数据链接表和监视网络运行情况的OMRON FinsGateWay软件，用来监视ADAN模块运行状态的ADAN。工程师站还需：Omron CX-Programmer 2.0梯形图编程软件。

6.监控系统实现的主要功能

　　1）显示功能：工艺流程、测量值、设备运行状态、操作模式、报警等显示、画面调用等功能;

　　2）报警处理和报表生成功能：记录报警发生时间、故障内容等信息,并对报警信息进行管理，系统输出的报表有时报、日报、月报等;

　　3）历史趋势功能：对现场的氦气压力、液氦高度、氦气温度、阀门开度等以曲线图形显示。每个趋势曲线显示的画面主要包括画面名称、时间、趋势、说明等;

　　4）数据库存储与访问：实现Access历史数据库在每次系统运行时的自动创建并按分钟级记录，现场数据的存储，;

　　5）画面系统对系统参数、控制器参数进行修改与储存，能实现监控系统自动/半自动/手动操作模式间的无扰切换;

　　6）管理权限：实现不同级别的系统管理权限，系统操作员可以选择操作模式，查看趋势曲线及报表等;系统工程师可以根据实际情况对监控软件和下位机软件进行修改。

7.结语

　　本文研究的基于PLC和组态软件的螺杆压缩机组监控系统利用了PLC抗干扰能力强、组网方便、适用于工业现场的特点,又利用了组态软件强大数据处理和图形表现的能力，融合了较先进的自动化技术、计算机技术、通讯技术、故障诊断技术和软件技术，具有可靠性高、组网简单、维护容易等特点。目前该系统已经成功的在HT-7托卡马克核聚变实验和超导磁体实验中应用，效果良好，对制冷机的运行效率乃至核聚变实验的顺利开展具有重要意义，极大得tigao了自动化水平，降低了工人的劳动强度