V型滤池自动控制系统的设计研究

开天源水务信息化2018-11-18 10:01:47

《自动化应用》2016年10期
赵德杭


引言


V型滤池以其高效的处理能力在水处理系统的初级处理中得到了广泛的应用,自控系统良好的设计、安装、调试是系统发挥其高效率的保障。


V型滤池配套设备包括进水闸门、出水阀、反洗水冲阀、气冲阀、排水阀、液位计,以及公用设备鼓风机、反冲泵等。

某公司共4座滤池,自控系统应能够使4座滤池协调完成恒水位过滤、自动反冲洗及数字量模拟量信号的采集上传等任务。该工程采用德国西门子公司的S7-412系列PLC完成设备控制、信号采集、通讯等功能。


1、自控系统硬件配置


滤池自控系统结构如图1所示。



系统结构根据现场情况,提出3种系统配置方案。


1.1 方案1

车间主站CPU采用CPU412-1,4个滤池分别设置智能Profibus-DP从站,控制器采用CPU412-2DP,触摸屏为KTP1000 basic dp,主站和4个子站采用Profibus-DP总线连接,主站通过光纤以太网和控制室PC机通讯,子站触屏通过MPI方式和子站CPU通讯。各子站控制本池设备,主站控制公用设备。


1.2 方案2

车间主站CPU采用CPU412-1,机柜内设置以太网交换机。4个滤池分别通过ET200M设置一个分布式标准I/O站,I/O站均通过Profibus-DP现场总线、接口模块IM153-1和主站CPU的DP口通讯,触摸屏选用KTP1000 basic dp,现场触摸屏均通过DP总线和主站CPU通讯,控制室PC机通过以太网交换机和主站CPU通讯。各分布式I/O站连接本池设备,主站I/O模块控制公用设备。


1.3方案3

车间主站CPU选用CPU412-2PN、机柜内设置以太网交换机。4个滤池分别通过ET200M设置一个分布式I/O站,接口模块采用IM153-4PN,I/O站均通过PROFINET现场总线、IM153-4PN和主站CPU通讯,触摸屏选用KTP1000PN,控制室PC机、现场触屏和4个分布式I/O从站均通过以太网交换机和主站CPU通讯。各分布式I/O站连接本池设备,主站I/O模块连接控制公用设备。


2、系统硬件配置方案选择


2.1 方案1的优、缺点分析

方案1灵活性最强、可扩展性最高,4个滤池的控制器均为CPU412-2DP,在系统内组态为智能远程I/O站。


此方案优点:

(1)每个站均为相对独立的系统,在主站PLC故障时可切换至本地运行方式以独立完成本站的设备控制,维持生产不间断。


(2)I/O站与主站采用Profibus-DP通讯连接,组态简单方便。


(3)Profibus通讯速度快、可靠性高、实时性能好。


缺点:

(1)硬件成本高。每个I/O站均采用S7-400系列CPU、开关量、模拟量模块,其价格较高,性价比相对较低。


(2)I/O站触摸屏采用MPI方式和子站CPU通讯,触屏只能采集本站CPU数据或主站通过DP通讯传到本站CPU的数据,触摸屏采集、显示数据的灵活性受到限制。


2.2 方案2的优、缺点分析

方案2在4个滤池的现场通过ET200M设置4个标准远程I/O站,通过接口模块IM153-1和主站CPU的DP口通讯。


此方案优点:

(1)通过IM153-1可以下挂S7-300全系列模块,在发挥S7-400系列CPU高性能的前提下,降低了系统硬件成本,组成了一套性价比很高的系统。


(2)组态时step7同对主站主机架一样自动对标准DP从站分配输入输出地址,无需为主从站之间的通讯另外组态,主站CPU对DP从站的I/O模块直接访问,不会额外增加编程工作量,系统设计、调试、维护简洁、方便。


(3)Profibus通讯速度快、可靠性高、实时性能好。


缺点:

(1)4个滤池的操作台共用一个CPU,当CPU故障时将导致系统瘫痪,因此系统的可靠性降低。


(2)触摸屏通过DP总线只能对主站CPU进行读写,不能直接读写其他协同车间控制系统CPU参数,因此系统的灵活性降低。


2.3 方案3的优、缺点分析

方案3在4个滤池的现场通过ET200M设置4个标准远程I/O站,通过接口模块IM153-4PN和主站CPU的PN口通讯。


此方案除具有方案2的前2点优点外,还具有以下优点:

(1)触摸屏通过Profinet总线能方便地实现对主站CPU和其他协同车间控制系统的CPU进行读写,系统采集数据的灵活性明显提高。


(2)发挥了西门子Profinet网络“一网到底”的优势,便于网络的安装、调试和维护。


(3)可以使用IE/PB链接器将现有的Profibus设备无缝地集成在Profinet中,有效地保护现有投资。


(4)Profibus通讯实时性能好,传输数据量大,通讯速度更快。

此方案的缺点:4个滤池的操作台共用一个CPU,CPU故障时将导致系统瘫痪,因此系统的可靠性降低。


综上所述,方案3具有高性能、高性价比的优势,系统设计、安装、调试、维护具有简洁、方便等特点,因此,决定选用方案3。但系统共用一个CPU而可靠性有所降低,若对系统可靠性有特别高的要求,可通过主站CPU冗余的方式解决。


3、软件设计


滤池过滤及反冲洗程序流程如图2所示。



3.1 恒水位过滤运行的程序设计

滤池的恒水位运行是水处理自动化、无人值守运行必备的重要条件之一,也是自动化调试的重点、难点。


在工程中,恒水位运行是根据水位的变化调整出水阀的开度的闭环控制工程,选择在OB35中使用PID功能块FB41来实现。OB35的循环周期为100ms,满足水位闭环控制的时间要求。FB41中的比例系数、积分时间、微分时间等参数需要在调试中根据运行效果反复调整,液位计数据的稳定性及气动阀气压的波动等都会影响PID控制的效果。


在工程的PID控制中,出水阀的开度是随着水位的升高而增大的,故FB41中的比例系数应取负值,否则会出现已达高液位而出水阀未能开启的现象。操作中可以使用step7提供的“PID参数赋值”功能中的曲线显示来帮助判断PID控制的效果。


工程实践中可能影响PID控制的效果的因素有:

(1)工业现场电磁环境复杂,强烈的电磁干扰可能使液位计输出异常波动,导致PID控制输出与实际不符。


(2)水处理工艺中大量使用气动阀,在远离气源的地方,气压有明显降低,使得阀门动作速度下降,导致相同配置的成套设施,PID调整效果不同。


3.2 滤池及公用设备的排队程序设计

工程实践中,可能多个滤池同时发出申请冲洗的信号,或一个滤池正在冲洗过程中有其他滤池发出申请冲洗信号,这是程序设计中必须解决的问题。


解决思路(以滤池总数为4为例):设置4个16位寄存器依次为1、2、3、4号冲洗队列移位寄存器,当某个滤池发出申请冲洗信号,系统允许该池进入冲洗队列,即将该池编号写入第4号移位寄存器,当第3号移位寄存器为0时,将4号寄存器内的值写入3号寄存器,同时4号寄存器置0;以此类推,直到滤池编号写入1号移位寄存器,程序判断1号寄存器不为0且公用设备均在待机状态即向该池发出允许冲洗信号,该池即进入自动反冲洗流程;冲洗结束将1号冲洗队列移位寄存器置零。


实践证明,按该思路编写的程序成功实现了4个滤池有条不紊地进行过滤、反冲洗的整个流程,为生产车间的无人值守打下了基础。


3.3 工控机组态软件的选择

常用的组态软件有iFIX、WinCC、组态王等。组态王自带对S7400系列PLC的以太网驱动,实现通讯简单方便,但功能及使用便捷性不及国外软件。


该工程采用iFIX配套S7A驱动软件实现PC机和PLC的以太网通讯。


4、系统可靠性、稳定性设计


4.1 软件方面

西门子PLC系统具有很强的自诊断、保护功能,当系统检测到模块故障、机架故障、通讯故障、时间错误、I/O访问错误等信息时,CPU将进入相关的错误处理程序,如果这些程序未编程,CPU将由RUN模式改变为STOP模式。实践中,在程序中加入了OB80、OB82、OB86、OB85、OB121、OB122等组织块,有效避免了生产过程中PLC意外停机的情况。


PLC在数字量的输入、输出环节采取了光电隔离、触点防抖等措施,具有很高的抗干扰性能,但模拟量的输入、输出却容易受到工业现场复杂电磁环境的干扰,使模拟量测量值失真、溢出,甚至出现损坏模块的现象。因此,除了在硬件方面采取措施外,软件也应采取措施提高系统抗干扰能力,如:


(1)正确设置模拟量输入模块的积分时间。对于积分式A/D转换器,积分时间越长,精度越高,但快速性越差。实践中可根据现场情况改变积分时间以获得最佳的抗干扰效果,积分时间设为20ms,对50Hz的电磁干扰有很强的抑制作用,考虑到工程实践中大量的干扰为工频信号,因此设定积分时间为20ms。运行中采集到的模拟量测量值稳定、无剧烈跳变。


(2)对模拟量测量值进行滤波处理。西门子的部分模拟量模块能够对A/D转换值进行数字滤波,即对A/D转换后的模拟量值求平均值。实践中应注意滤波的等级越高,模拟量值越稳定,但测量的实时性、快速性越低。对于不支持数字滤波的模拟量模块,可以利用工控机组态软件进行数字滤波,如在iFIX的数据库中设置等。


4.2 硬件方面

从硬件方面提高系统抗干扰能力的措施有:

(1)采用CPU冗余。大型的系统如果只有一个CPU,发生故障时会导致整个系统瘫痪,可能造成严重的损失。CPU冗余则极大地提高了系统的可靠性。S7-400H系统有2个CPU、2个电源模块、2个IM153接口模块等,根据需要可以配置更多的冗余部件。冗余系统为热备用模式,系统正常时2单位均正常运行,主站故障时系统将无扰动地自动切换到备用站继续执行用户程序,保证生产正常进行。

CPU冗余在提高系统可靠性的同时也增加了成本,因此应根据自身需求决定是否配置CPU冗余。考虑到S7-400系列CPU具有很高的可靠性,即使系统故障崩溃也不至于造成重大损失,因此,此工程未采用CPU冗余。


(2)做好系统的等电位连接。自控系统为弱电系统,系统的等电位连接是提高抗干扰性能的重要措施。实践中应根据需要将模拟量输入模块的测量电路参考点、信号回路负端与CPU的M端做等电位连接。


(3)模拟信号的传输电缆应选用屏蔽电缆,电缆的屏蔽层应两端接地,但当电缆两端存在电位差时两端接地会特别引入干扰,故此时应单端接地。


(4)确保系统有良好的接地,接地极的接地电阻应不超过1Ω。


结束语语


在工业控制系统的自动化设计施工中,不应盲目追求系统的高配置、高性能,应根据自身的需要,合理配置,挖掘设备的潜力,搭建性价比高的系统。运行实践证明,按照上述思路搭建的自动控制系统动作准确、通讯连接配置简单灵活、通讯可靠、速度快、实时性能好、数据采集便捷,发挥了S7-400系列CPU的高性能,降低了系统成本,满足了水处理系统对自动控制系统的要求。


相关阅读:

 

基于污水处理厂自动化控制系统的智慧水务应用的实现


西门子S7-200PLC在污水处理系统的应用


↓↓↓ 深圳市开天源自动化工程有限公司

开天源公司专注于成为水行业领域专业的自动化系统集成商和设备供货商,公司与国际各大自动化和仪器仪表厂家在合作中形成水行业战略合作伙伴关系,同时多年潜心经营使得我们对水处理行业的技术、发展和最新工艺有着非常深的认识和理解,这保障了我们的成套产品和技术水平始终处于业界领先水平。开天源公司孜孜不倦、执着追求,只为打造最好的供排水自动化成套设备!



Copyright © 广州烤箱价格交流组@2017