10.1基于PLC的控制系統在污水處理中的應用

10.2

PLC在燈泡行業中的應用

10.3

PLC在電梯自動控制系統中的應用

10.4基于PLC控制的自動門系統10.1基于PLC的控制系統在污水處理中的應用

1．工藝介紹一般污水處理絕大部分采用活性污泥法處理工藝，如AB法、A/O法、A2/O法、SBR法、氧化溝法等。它們適用于不同場合，能滿足不同出水水質要求。中小規模污水處理廠選用氧化溝、SBR法有明顯優點，而對大型污水處理廠來說，推流式活性污泥法仍是首選方案。這里介紹一個中小規模污水處理控制系統，采用的是典型氧化溝(Orbal)工藝。污水處理工藝流程如圖10-1所示，大致分為三個階段。圖10-1工藝簡圖

(1)預處理階段(格柵間、進水泵房和沉砂池)。城市污水由管道集中后，水流首先經過粗格柵，將粗的垃圾去除，在工作過程中，根據格柵前后水井液位差啟動格柵機。污水在進水泵房用水泵提升，再經過細格柵及旋流沉砂池。在沉砂池中，通過攪拌使池內水呈螺旋狀運動，進一步去除小的垃圾和泥砂。進水泵房一般裝有多臺大功率污水提升水泵。

(2)生化處理及后處理階段(氧化溝、二沉池和出水井)。污水進入水處理主體結構——氧化溝，污水在氧化溝中經過曝氣機調節曝氣，使得污水得到缺氧、氧化、硝化、反硝化等反應，經過氧化溝處理的水流入二沉池，加入Fe3+或Al3+，使得水中的(PO4)3-得以沉淀。充分沉淀后，清水最后經二氧化氯消毒后排入河流。

(3)污泥處理(污泥濃縮池和脫水機房)。沉淀的污泥經脫水機濾干，以便于運輸和處置。

2．控制系統構成污水處理有大量的開關量需要控制，因此，采用PLC作為現場控制器是非常合適的。

1)系統結構系統結構如圖10-2所示。中央控制室、PLC現場控制器、ET200系列分布式I/O組成計算機分布式控制系統。中央控制室集中實現對全廠污水處理過程的實時監測、分析、管理和遠程控制，主要由兩臺上位計算機構成。采用WinCC組態軟件開發中控室監控畫面，根據工藝繪制流程圖，顯示所有相關測控儀表的實時值，建立中心監控系統平臺，使操作員能隨時監視運行狀態。建立歷史數據查詢系統和重要數據保存系統，能對日報表、月報表、年報表進行打印。圖10-2污水處理系統拓撲圖三臺西門子S7-300系列PLC、分布式I/OET200和液晶屏連成PROFIBUS現場總線網。PLC為主站，通過通信處理器模塊和網絡連接。PLC與中控室通信采用工業以太網絡，星型連接方式。采用西門子的STEP7編程軟件完成PLC的實時測控軟件。

PLC1站處于進水提升泵房，主要完成粗/細格柵間、提升泵、沉砂池、電動閥門等預處理單元設備的控制。

PLC2站為曝氣池站，主要完成提升泵、氧化溝和二沉池等物化生化處理單元設備的控制。

PLC3站處于污泥回流泵房，控制污泥回流泵、壓縮機、脫水機等設備。現場各個監控點的參數包括水位、溫度、流量、溶解氧濃度等模擬量，由對應的一次儀表傳感器或變送器檢測，并轉變為4～20mA電流信號，經屏蔽電纜送至各個子系統的輸入模塊，由PLC通過各種模塊接口采樣電信號。同樣，模擬量控制信號由PLCD/A輸出模塊以4～20?mA電流形式送到執行機構，控制執行機構的動作。用STEP7對PROFIBUS網絡組態，網絡中所有站都設置相同數據傳輸率，從站地址單一賦值。在STEP7中，建立一個DP主站的步驟如下：

(1)在站點窗口中選擇一個機架。

(2)在硬件列表中選擇主站CPU，如CPU315-2DP。

(3)拖動一個模塊到合適的機架行，選擇【屬性】項，則PROFIBUS節點窗口打開。這時可以創建一個PROFIBUS的子網，或選擇已經存在的子網，設置子網屬性，如傳送速率等，設置這個主站的地址，確認設置。在STEP7中，設置DP從站模塊的步驟如下：

(1)在硬件列表窗口中選擇從站模塊。

(2)將從站模塊拖至所屬DP主站標志符，在主站后會出現連線，示意主從之間的關系。

(3)在PROFIBUS子網屬性對話框中設置子網傳輸速率及從站地址。

2)通信程序通過通信處理器模塊和網絡連接的PLC，直接調用通信模塊中的數據管理功能塊(DHB)來實現通信程序。首先對通信模塊初始化，然后設置PLC的發送數據區、接收數據區，最后編寫初始化、發送、接收功能程序模塊。

DHB采用形式參數編程，調用時必須對形式參數賦值。DHB主要有以下幾種功能塊：

SEND發送塊：用來啟動CP通信模塊發送數據。

RECEIVE接收塊：用來啟動CP通信模塊接收數據。

FETCH取入塊：用來啟動一個作業，這個作業的功能是從網上目的站讀取數據，再經網絡取回自己的CPU模塊。

CONTROL控制塊：用來更新特定作業的作業狀態字或給出正在執行的作業的作業號。

RESET復位塊：用來對指定接口正在執行的作業或全部作業進行復位。

SYNCHRON同步塊：在PLC啟動時，使通信模塊和CPU模塊同步，并對通信模塊的接口進行初始化，以保證DHB正常運行。

PLC的CPU模塊和通信模塊之間采用共享存儲器通信法交換數據。共享區是通信模塊中的雙端口RAM。

PLC的通信模塊包括初始化模塊、發送模塊、接收模塊。初始化模塊在PLC冷啟動組織塊(OB20)和熱啟動組織塊(OB21)及故障重啟動(OB22)中編制。在PLC周期循環掃描中編制發送、接收功能模塊。初始化模塊調用SYNCHRON，使CPU與CP通信模塊同步。調用時的參數有雙口RAM中頁面號，一次能夠交換的數據幀的最大字節數，參數賦值出錯標志。發送模塊調用SEND，啟動通信模板發送數據。需要準備的參數有雙口RAM中頁面號、作業號、作業狀態字、數據類型、數據源塊編號、數據源開始地址、數據塊長度、參數賦值出錯標志。接收模塊調用RECEIVE，啟動通信模板接收數據。需要賦值的參數有雙口RAM中頁面號、作業號、作業狀態字、數據類型、數據目的塊編號、數據目的區開始地址、數據塊長度、參數賦值出錯標志。

PLC與智能從設備通信的實現：先設置好智能從設備的通信參數，PLC的通信模塊組態時，建立一個集中的數據庫，將從站設為主站的一部分I/O區，采用周期I/O方式通信。通信模板會自動刷新此數據庫。PLC對此數據庫的訪問采用簡單的讀寫I/O指令輸入(LIW)，輸出指令(TQW)。

3．電氣設計圖10-3是電機運行控制主電路和控制電路。污水處理中大部分設備是電機，如格柵機、提升水泵、曝氣機等。電機運行有單向或雙向(可逆)運行。圖10-3是可逆運行電路。這些電機的啟、停可以是手動或PLC自動控制，通過主令開關SAK來選擇。圖10-3電機運行控制主電路和控制電路當主令開關選擇①②時，電機采用手動控制，按下啟動按鈕SB1或SB2，交流接觸器KM1或KM2通電動作，電機正向或反向運行，SB3、SB4為停止按鈕。當主令開關選擇③④時，電機采用自動控制，用PLC輸出控制繼電器KA1、KA2，接觸器KM1、KM2動作，以達到控制電機正反轉。圖10-4是PLC外部接線圖的示例，輸出信號有電機驅動和運行指示，輸入信號有手動開關和運行狀態。圖10-4PLC外部接線圖簡單示例

4．主要控制系統設計

(1)粗/細格柵機的控制。進水提升泵房內設置一PLC，主要完成粗細格柵間、進水泵房和沉砂池等預處理單元設備的控制。在這個實例中，設有三臺格柵機在進水泵房集水井的進口處，采用可逆運行三相異步電機三臺。控制方案采用液位差控制，描述如下：在格柵機的前后均設置一臺超聲波液位傳感器，檢測格柵機的前后液位差，由變送器將4～20?mA的液位差信號送到PLC模擬量輸入模塊，設定低液位差和高液位差，當檢測到的液位差大于設定上限時，PLC強制啟動格柵機進行清渣，否則按預定的周期清渣。當檢測到的液位差低于設定下限時，停止格柵機。

(2)提升泵的自動控制。系統有三臺提升泵，一臺變頻器。PLC根據泵池液位高、中、低信號自動調節三臺泵的啟停。泵池水位到預設的低水位時啟動1#?泵，水位上升到預設的中水位時，1#?泵由變頻運行轉換到工頻運行，這時再變頻啟動2#?泵，依次啟動到3#?泵。切換開始時，變頻器停止輸出(變頻器設置為自由停車)，利用水泵的慣性將第一臺水泵切換到工頻運行，變頻器連接到第二臺水泵上啟動并運行，照此，將第二臺水泵切換到工頻運行，變頻器連接到第三臺水泵上啟動并運行。水位下降需要減泵時，系統將第三臺水泵停止，第二臺水泵切換到變頻調節狀態。水位繼續下降，系統將第二臺水泵停止，第一臺水泵切換到變頻調節狀態。作為多臺提升泵的自動控制，滿足先啟先停的原則，以優化資源的利用率。為了提升泵的安全，系統設置了提升泵的干運轉保護。同時，系統還設置了泵的頻繁啟停保護，群啟動保護等，以延長其使用壽命。

(3)曝氣系統的自動控制。曝氣池作為污水處理的核心，具有舉足輕重的作用。污水經過預處理后，在這里通過微生物吸附污水中的有機物，達到除磷脫氮的目的。水中氧的含量對污水的處理效果是至關重要的。對生化池的自動控制，主要是溶解氧濃度的控制。

PLC用來控制從污水進入曝氣池到處理后的污水流出曝氣池的整個過程。在每個曝氣池的不同地點設溶解氧測試儀(DO儀)，測量池中污水的含氧量。PLC定時檢測曝氣池內的溶解氧值，與給定的溶解氧值比較，控制調節輸出量(即曝氣機開啟臺數)，使被控量(氧化溝溶解氧濃度)接近給定值。在這個例子中，設有三臺曝氣機(鼓風機)用于向曝氣池供氧，其中有一臺變頻風機。在曝氣池的不同地點設有三塊溶解氧測試儀(即DO儀)測量池中的含氧量。PLC根據現場測量值來調節鼓風量。鼓風機的開啟臺數由PLC根據溶解氧的平均值來控制。PLC每隔10min判斷一次曝氣池內的溶解氧值，溶解氧低于設定下限時，調頻風機增加10%。若調頻風機已達最大值，則增開一臺普通分風機。溶解氧高于設定上限時，調頻風機減少10%，若調頻風機已達最小值，則關閉一臺普通風機。控制流程如圖10-5所示。圖10-5曝氣池控制流程表10-1為曝氣系統PLC站設備配置。10.2PLC在燈泡行業中的應用

1．設計任務描述石英晶體成型是燈泡行業中比較常見的一道生產工序。由于不同種類的燈泡對石英制品的尺寸、規格、均勻度等指標的要求不同，因此生產設備亦不同，但其生產工藝大致都由幾道順序相連的工序構成，即送料、加熱、模具合攏、吹氣成型等。本節我們介紹吹泡機控制系統的設計過程，希望通過這個例子使學習者初步掌握中、小規模PLC控制系統的設計開發。

2．控制系統的特點及基本功能控制系統設備是金屬鹵化物燈生產過程中的重要環節之一，自動化程度較高，分為自動型和半自動型兩類。主要工藝流程包括送料、加熱(預熱和精熱)、吹泡成型、下料等過程，加工精度是0.01mm。其關鍵技術是批量控制與運動控制相結合，在傳統的順序控制中嵌入了兩個自由度的運動控制。運動控制包括堆料軸(下稱尾架)和加熱軸(下稱火架)的自動歸零和工作空間中以指定方向、速度和距離的定位(單軸或雙軸聯動)。生產中先將石英管加熱，并由堆料軸將石英管均勻堆積在指定區域，待石英管吹泡成型后，泡壁的厚度與均勻度需滿足要求。因此，加熱軸與堆料軸的協調控制就顯得非常重要。當然，最終吹出的泡型還與氫、氧燃燒壓力值、氮氣(吹泡用氣體)壓力值、機構動作時間等參數有關，但這些參數調整起來相對都是比較容易的，也較容易控制。設備的輸入量含多個零位開關、限位開關和手動輸入信號；輸出量包括送料、夾模、退料汽缸和氫氣、氧氣、氮氣等閥門執行機構。針對這一控制任務，較好的解決辦法是采用分級控制思想：加工流程由上位機實現，運動控制由下位機實現，這樣可以保證對速度、加速度等指標的實時監控。考慮系統對運動速度和精度的要求，選用步進電機作為驅動。基本功能包括：①生產方式：手動、自動(自動方式下能根據設置完成四種規格產品加工)。②生產規格：50W、70W、100W、150W四類。③加工精度：±0.01mm。

3．系統分析及硬件構成系統采用SIEMENS公司生產的SIMATICS7-300系列PLC組成控制系統的硬件，該系列PLC具有模塊化、無排風扇結構、易于實現分布等特點，適合于小規模性能要求的控制對象。上位機即標準的CPU模板，運動控制功能由單軸步進電機定位模板(自帶CPU)實現步進電機控制。系統結構簡單，具有良好的硬件通用性和高的性能價格比。

CPU模板完成加工程序流程控制功能和人機界面交互功能，實現模式有手動模式和自動模式。手動模式下可借助操作員面板完成機械調試、更換規格等生產操作，此時若電機處于通電狀態，電機處于自鎖狀態，則許多基本操作不易實現。所以，利用兩個輸出點對電機的電源通斷(使能)進行控制，從而可以在手動方式下自由地移動各軸。自動模式下，CPU模板完成順序控制并調用定位模板完成加工任務。定位模板作為下位機完成尾架和火架的位置控制，支持數控指令(M指令和G指令)，可以獨立編程實現控制要求。

CPU模板通過內部總線與定位模板實現通信。由CPU將需要的運動信息通過總線傳遞給定位模板，并根據接收到的反饋信息判斷其執行情況。

I/O點數統計：①輸入：手動方式下，操作鍵9點、限位開關4點、HOME位置檢測2點、手動/自動切換、規格選擇開關2點、啟動、停止、急停，共21點。②輸出：電機使能(尾架、火架)、主軸旋轉、單火多火(氫、氧)、頭架/尾架夾頭、模具進退、模具開合、氮氣、報警、計數、運行指示，共15點。

PLC選型：根據系統規模、程序量、響應速度及運動控制功能等因素，CPU模塊選用西門子S7-300系列CPU314、其他模塊包括電源模塊PS-307、16DI模塊、16DO模塊、16DI/O模塊、2個定位模塊。控制系統的硬件構成如圖10-6所示。圖10-6控制系統硬件構成

4．系統硬件圖紙設計硬件圖紙設計應包括以下內容：①系統配置圖：用簡單的框圖說明各部件的相互關系。②控制系統原理圖：包括主回路原理圖(如圖10-7所示)、輔助回路、控制回路原理圖(如圖10-8為I/O接口原理圖)。③元器件布局圖。④接線圖。⑤材料清單，包括電線、電纜、接插件等。圖10-7控制系統主回路原理圖圖10-8控制系統主回路原理圖

5．系統軟件設計控制系統軟件設計的關鍵是要處理好順序控制如何嵌套運動控制。圖10-9說明了如何在順序控制中調用運動模塊動作，它的基本思想是將運動控制視為一個開關量輸出，當條件滿足時，觸發某軸按指定參數動作，而具體的運動參數已通過表10-2的形式編寫并保存在運動控制模塊中，指令形式為機床語言。圖10-9主程序與定位程序的關系運動控制模塊提供了特殊功能子程序，包括初始化程序、讀/寫模式、讀診斷信息、讀用戶DB中數據、讀中斷數據等操作(FC1～FC6)。工作參數的定義類似于數控車床的機床語言。對該模塊的操作通過上面6個封裝好的子程序即可實現，用戶使用起來非常方便。在處理好運動控制模塊與順序控制的關系后，程序由以下三部分構成：初始化程序、主程序、定位模板子程序。初始化程序完成硬件(含定位模板)的初始化工作；主程序是根據加工工藝實現順序控制，順序控制功能圖如圖10-10所示；定位模板子程序則是完成與下位機(運動控制模板)的通信，包括參數設定、運動程序子塊代碼接收與執行、使能信號處理等。具體的程序清單這里不再列出。圖10-10生產工藝順序功能圖

6．調試與編寫技術文檔在完成上述設計步驟后，進入離線和在線調試階段，可以發現，由于該設備具有順序控制特點，因此調試工作主要是時間參數和運動控制參數的優化兩方面，通過試驗即可得到最佳參數。技術文檔整理包括設計說明書、使用說明書、程序清單及各類圖紙。基于該結構研制的控制器不僅在性能上達到了同類型進口設備的最新水平，而且具有結構緊湊、性價比高、升級方便的特點，并在部分性能上超過了進口設備。通過一個主控程序完成現有四種規格的生產而不再需要更換上位機的主程序，簡化了操作工序；在主控程序改動不大的情況下可以很方便地增加新規格；在泡型一致性和縮短單件加工時間上也比原進口系統有一定程度的提高等。該控制器一方面可與現有設備互為冗余，消除企業隨時面臨停產的后顧之憂，另一方面也為擴大生產規模和研制開發新規格金鹵燈產品提供了技術上的支持。10.3PLC在電梯自動控制系統中的應用

1．電梯的基本結構簡介電梯主要由曳引系統、轎廂、重量平衡系統、導軌、門系統、安全保護系統、電力拖動和電氣控制系統等部件組成。曳引系統的主要功能是輸出與傳遞動力，拖動電梯運行。曳引系統主要由曳引電動機、減速機、曳引輪和電磁抱閘組成。曳引電動機也稱主電機，通常采用交流電動機，目前大多采用變頻器對其進行速度和轉矩控制。轎廂是運送乘客和貨物的電梯組件，是電梯的工作部分。轎廂在井道中沿著導軌作升降運動。井道側壁對應各樓層的相應位置裝有減速、平層的遮磁板(或磁鐵等)，以便發送減速、停車信號。在井道中還設有各層的樓層編碼開關的磁塊(或磁鐵)，用做樓層指示信號。轎廂內門的操作盤上設有選層按鈕及相應的指示燈，還有開/關門按鈕、急停按鈕、有無司機開關及各種顯示電梯運行狀態的指示燈。門系統由轎廂門、層門、開門機、門鎖裝置組成。轎廂門的上方裝有開門機，開門機由一臺小電動機驅動來實現開/關門動作。在門開啟到不同位置時，壓動行程開關并發出位置信號，用以控制開門機減速或停止。在門上或門框上裝有機械的或電子的門探測器，當門探測器發現門區有障礙時，便發出信號給控制系統，控制系統立即停止關門動作，并輸出開門控制信號。在井道對應各樓層候梯廳一側開有廳門，廳門平時是關閉的，只有當轎廂停穩在該層時，廳門被轎門的連動機構帶動一起打開或關閉。在各層廳門的一側面裝有呼梯按鈕和樓層顯示裝置，呼梯按鈕通常有上行呼梯、下行呼梯各一個(最底層只有上行呼梯按鈕，最高層只有下行呼梯按鈕)。按鈕內(有時在按鈕旁)裝有呼梯響應指示燈，該燈亮表示呼梯信號被控制系統登記。樓層顯示裝置有時也設在廳門上方。電氣控制系統由PLC、變頻器、交流電動機、輸入/輸出電器部件和控制屏(柜)等組成，主要功能是對電梯的運行實行操縱和控制。

2．五層電梯的邏輯控制設計本例側重電梯的PLC控制系統的設計，不討論主電動機的升降速度的調節以及安全保護系統的實現。

(1)輸入/輸出點及內部繼電器的分配。采用三菱FX系列PLC，輸入/輸出點分配如表10-3所示。程序中使用的內部繼電器說明見表10-4。

(2)電梯邏輯控制主要為開關門、上下運行、呼梯信號記憶和顯示等。圖10-11～圖10-21為五層電梯的邏輯控制主要程序。控制程序的進入由MCMCR主控指令控制，X000為允許電梯自動控制的開關。圖10-11廳門(外呼)按鈕呼梯信號記憶和顯示圖10-12平層信號記憶及信號解除圖10-13轎廂內呼按鈕呼梯信號記憶和顯示圖10-14廳門開關門有效信號圖10-15轎廂內呼開關門有效信號圖10-16開關門控制圖10-17上升信號圖10-18下降信號圖10-19顯示信號圖10-20升降控制信號圖10-21開門信號10.4基于PLC控制的自動門系統在一些大型公司、研究所、政府機關等保密性較強的單位大都采用了自動門系統，內部職工通過非接觸式的IC卡出入，來訪人員則需要人為控制。該系統可有效控制非內部職工的出入，同時非接觸式IC卡可與考勤系統相連，進行人事考勤。

1．自動門簡介圖10-22為自動門控制結構示意圖，自動門內部和外部各有一個非接觸式IC卡門禁管理，門外設有門鈴，供外來人員使用。圖10-22自動門控制結構示意圖在正常上班時間，無論門內還是門外，內部職工通過非接觸式IC刷卡，非接觸式IC發出門禁信號，門自動打開；門打開后保持開的狀