产品描述
西门子PLC模块6ES7231-0HF22-0XA0
| 概述 自来水厂水生产系统是一个多变量（如流量、温度、压力等）多任务（如水的输送、投药/加氯控制、格栅与排泥控制、滤池控制、出水泵起/停控制、压力控制、数据管理等）多设备（如电机、阀门、泵等）并具有时变性、耦合性和随机性的复杂非线性系统。图1表示了净水生产工艺流程。国内现有的自来水厂水生产系统大部分采用落后的常规仪表和后动操作。近年来，也有采用DCS技术的计算机控制，取代了常规仪表和手动操作，在实现水生产的分散自动控制和集中监控方面，取得了一定的进展。但基于DCS的系统存在一些重要缺陷，一方面传统的DCS系统是自封闭式的集散系统，难以实现设备之间以及系统与外界之间的依靠交互和共享，使 自动化系统成为"信息孤岛"；另一方面传统DCS系统的现场底层传感器和数据采集器之间采用物理连线和模拟信号传输导致大范围布线，给现场施工带来很烦，同时，信号传输的抗干扰能力也较差。随着计算机技术、通信技术和控制技术的迅猛发展，特别是开放系统互连协议（OSI）的制定和TCP/IP协议的广泛应用，工控领域也不断产生先进的控制模式，逐步形成了以网络集成自动化系统为基础的企业信息系统。现场总线（FIELDBUS）就是顺应这一形势发展起来的新技术。基于现场总线技术，我们针对某水厂设计了现场总线水生产系统，它以PROFIBUS现场总线为核心，以智能设备PLC为控制主体，以IPC-610工控机和PC机为系统编程、组态、维护、监控和管理的一体化工作平台。较好地解决了传统DCS系统中存在的问题，实现了水生产现场网络通信与计算机控制系统以及工业电视监视系统的集成。 现场总线技术 现场总线是20世纪80年代中期在国际上发展起来的一种先进的控制技术。目前国际行的现场总线主要有过程现场总线PROFIBUS、基金会现场总线FF、LonWorks总线、CAN总线等，世界上许多自动化技术生产商都推出了支持某种主流现场总线标准的产品。PROFIBUS是由Siemens等80家公司联合制定的标准规范。近年来，PROFIBUS在众多的现场总线应用中占居首位，已广泛应用于加工制造自动化、过程自动化、楼宇自动化等领域。 PROFIBUS是一个多种协议并存的现场总线技术，不同协议的数据在系统内透明传输，这使得PROFIBUS成为连接过去、现场和未来的一种十分有效的现场总线技术。所以，在水厂网络控制系统设计中，PROFIBUS成为当然的选择。 系统网络结构设计 现场总线技术的核心是网络技术。控制系统的计算机网络是一个实时网络，信息处理要满足实时性、完整性、一致性和可靠性的要求。基于水生产系统的特点，系统采用了企业局域网（Enterprise LAN）和现场总线的集成化结构，实现了从现场测控到水厂内部信息管理系统的集成结构，实现了从现场测控到水厂内部信息管理系统的集成以及与水厂外部信息交互的集成。 整个系统中的管理工作站、生产调度工作站、监控工程师站、监控操作员站和数据管理服务器构成系统的生产和调度、计划和管理、决策支持信息网络层。该层网上传递的是管理数据，数据量较大，但实时性要求不是很高，所以采用以太网。为提高系统可靠性，防止由于通信电缆故障引起的数据丢失和失控现象，采用以工业以太网方式互连，使系统具有冗余功能。通过网络能将水厂决策、计划、管理、经营和调度等所有功能信息进行有效地集成，使水厂各个职能部门和车间成为一个统一的整体。同时通过网络也可以访问水源地的源水信息，实现大范围的数据共享。系统网络中各计算机的主要功能是：生产调度工作站的功能是实现水厂各车间生产调度自动化，并自动生成水生产安排业务单；管理工作站的作用是对系统实时数据和历史数据的管理，生成水厂管理所必需的各种统计信息报表并打印；数据管理服务器选用大型数据库SQL Server2000来完成对数据的管理，数据库提供标准SQL查询，并通过ODBC或DDE或其它数据库连接；监控工程师站的作用是完成对系统工艺参数的设定和修改、报警上下限的设定、设备的组态以及系统运行、生产、报警历史资料的显示和查询等功能；监控操作员站的作用是完成系统的数据采集与处理、数据存储与交换及显示等功能。 现场控制网络层传递的是实时数据，数据量少，但实时性强。所以，现场控制网络选用PROFIBUS。 主控PLC之间可以通过PROFIBUS-FMS互连，同时也与以太网互连，主控PLC与分控PLC控制单元通过PROFIBUS-DP现场总线相连。各分控PLC可以独立工作。采用PROFIBUS-DP能使分控PLC、变频器、软启动器、各种智能传感器和外围I/O设备等同主控PLC或计算机联网。PROFIBUS-FMS用于现场控制单元网络的通信任务。 PROFIBUS网络设备主要由通信处理器CP（Communication Processor）和网络介质组成。通信处理器用于总线网络和点到点通信，通RS485接口使系统与其它厂商的总线系统互连，并能使系统中的主要现场设备，如变频器、软启动器等实现即插即用。另外，该网络结构还应包括工业电视监视系统，它由工业摄像机、镜头、云台、视频矩阵切换器、工业监视器、室外和录像机等硬件设备配以多媒体软件组成，完成对水生产工艺过程的重要工位进行监视管理。 系统功能描述 基于PROFIBUS设计的水处理网络控制系统主要具有如下功能： １、格栅与排泥控制 格栅间有4台格栅机，由一台输入点数为32、输出点数为16的SIEMENS S7-300PLC来控制，控制方式有自动和手动。在自动方式下，系统根据PLC中设定的定时值以及格栅前后水位差来自动控制格栅机的动作。吸砂机的工作状态也由PLC检测和控制。沉淀池PLC根据水浊度高低，设定吸泥机运行周期时间和运行方式，浊度高时，双程吸泥，运行时间长；浊度低时，单程吸泥，运行时间短。 ２、投药加氯控制 投药/加氯控制系统的输入输出点数较多，选用一台输入点数为192、输出点数为192的SIEMENS S7-400 PLC来控制。 投间有混凝剂加计量泵8台，助凝剂投加计量泵8台。每台计量泵均用一台交流变频调速器驱动，两种投加计量均为6台工作、2台备用。6台计量泵对应6组反应池，一对一投加混凝剂和助凝剂。投控制是水厂水处理的关键环节，它是一个大延时强耦合的非线性系统，在技术上有一定难度。我们设计了自学习模糊控制算法，系统根据PLC采集的原水温度、浊度、PH值等参数的大小，经自学习模糊控制器调整后，由PLC控制交流变频调速器的工作状态改变计量泵的频率和冲程，以此控制计量泵的频率和冲程，以此控制计量泵投药量的大小，控制效果较好。加氯间有7台真空式V型槽加氯机，其中4台负责进水管处的前加氯，其余3台加氯机作为加氯（后加氯）用，加氯采用流量、余氯复合闭环控制方式（2台工作，1台备用），向2个滤池出水管处加氯。另外，投药/加氯主控PLC还要担负投药间的干粉溶解、加氯间的瓶切换、漏气报警和安全控制等任务。 ３、滤池控制 滤池控制是水厂自动控制系统中*主要的控制环节，按其过程可以分为过滤过程控制和反冲过程控制。由于滤池个数多且每个滤池I/O点数较少，选用25台输入输出点数均为16的SIEMENS S7-300 PLC来控制。在过滤过程中，各滤池的PLC能根据对应滤池的水位、阻塞值以及运行时间自动调节各净水阀开启度并使各滤池水位保持恒定。当阻塞值或滤池运行时间超设定值时，滤池PLC向反冲洗PLC发出反冲洗请求，当请求被允许之后，滤池进入反冲洗过程。在反中洗过程中，反冲洗PLC需要控制反冲洗水的流量、反冲洗气的压力，并与对应滤池PLC配合控制反冲洗时间、漂洗时间以及反冲洗过程中有关阀门的开启与关闭。 ４、水泵制 制作好的净水要通过水泵输入到水管道中。出水泵房共有8台容量大小不等的水泵。系统用了一台输入点数为48、输出点数为16的SIEMENS S7-300 PLC来控制。根据管网压力和生产调度的要求系统能自动完成开泵和关泵过程。由于在开阀或关阀时，管网压力会突然变大或变小，为了避免因此而造成的误动作，系统设计时，对开阀或关阀指令进行记忆，在一定时间内系统自动停止开关阀门，等到管网压力稳定后自动继续开关阀门。同时，系统对阀门、机械、电路等多种故障具有监控报警功能。 ５、其他功能 系统除了具有以上控制功能外，还具有生产计划与调度、信息管理与决策支持等管理功能，以及视频监视功能等。 结论与展望 基于现场总线的水生产网络控制系统能有产地进行工作，与传统的方法相比，其*大的特点是造价低、功能强、结构灵活实用、可靠性高、安装调试简单且开发和维护费用低，根据不同的现场情况与用户要求，系统可以扩展为不同的模式。现场总线控制系统实现了现场通信网络、自动控制系统和计算机网络的有效无缝集成，从本质上完成现场通信网络、现场设备互连、通信线供电、统一组态、开放式互连网络等功能。 现场总线控制系统将为工业企业生产的全面自动化和远程控制提供强大的基础。 |
1 引言
可编程控制器是以微处理器技术为基础，综合了计算机技术、自动化技术和通讯技术的一种新型工业控制装置。其可靠性极高、耐恶劣环境能力强、使用极为方便等特点，与机器人技术、/CAM并列称为工业生产自动化的三大支柱。它是上世纪60年代发展起来的被国外称为“先进国家三大支柱”之首的工业自动化理想控制装置，是近年来发展极为迅速，运用面极广的工业控制装置，现已广泛运用于自动化的各个领域。
2 可编程序逻辑控制器(PLC)
PLC 英文名Programming Logic Controller 即可编程序逻辑控制器，是*早于汽车制造行业应用并发展起来的一项技术，用于代替继电器完成机器和设备的自动控制，它的*大的特点是可编程，即根据控制逻辑和控制要求的变化可重新编制程序，而不用象继电器线路一样需要重新更换原器件和重新接线。今天PLC已集成了许多高级计算功能、通信功能、完成特殊控制功能的功能模块如位置控制、速度控制、过程控制等，并具有了与计算机系统的集成和连网的能力，PLC自发明以来在工业自动化、交通控制、电力运输、楼宇自动化等领域得到了广泛的应用。
3 PLC发展历史
自1969年世界上第一台可编程控制器在美国DEC公司诞生以来，PLC走过了30余年的发展历程。回顾其发展历程，可将PLC技术分为3个阶段:
(1) 传统PLC阶段。它是PLC的*初阶段，也是现代PLC的基础。其结构如图1所示，工作原理 如图2所示。
如图2所表示的一样，PLC的工作原理是:首先读取输入接点的状态→然后执行程序→然后根据程序的执行刷新输出接点的状态→然后再读取输入接点的状态→读取输入接点的状态,如此循环执行。
HARD PLC则抛弃了传统PLC“程序”的概念，以“硬件线路”来实现控制功能，而编程改变的也只是其芯片内部的硬件连接，而不需运行软件程序，因此自然没有程序跑飞、开机复位及自带语言编译器等问题，其完成的功能与传统PLC相同，而系统的造价仅是传统PLC系统的十分之一，甚至更少。在硬件线路运行时所有的信号是并行运行的，而且信号的路径是可知的，信号传输的时间是可预测的，所以可用于精确控制的需要，如位置控制、速度控制、信号处理、图像处理、高速机械等。它从根本上解决了传统PLC存在的不足，代表了传统PLC的*终发展方向。
4 PLC的发展趋势
随着微处理器技术、超大规模集成电路技术和数字通讯技术的进步和发展，可编程序控制器也得到了迅速发展，其功能已远远超出了其定义所指的范围，其概念也日趋模糊，现代可编程控制器的发展趋势主要有以下几个方面:
(1) 用高性能器件，尽量缩小与工业控制计算机之间的差距。例如，德国FESTO公司的IPC(Industrial PC)由一系列符合工业标准的模块组成，它与微机兼容且具有PLC的功能。
(2) 丰富I/O模块，使PLC在实时性、精度、分辨率、人机对话等性能方面进一步得到改善和提高。
(3) 进一步强化网络功能，以实现信息管理自动化。例如IPC型控制器具备多种现场总线接口。如FESTO总线、Profibus、AS-I、CAN等，以及各种网络连接模块，如Novell等，从而使PLC与PLC、PLC与PC、PLC与现场设备之间建立通讯联网。
(4) 多种编程语言并存，互补不足。IPC型控制器除了采用梯形图、指令表编程以外，还可以用IEC1131规定的用于顺序控制的标准化语言以及C、Basic等计算机语言进行编程。
(5) 硬件结构集成化、冗余化。随着专用集成电路(ASIC，Application Specific Integrated Circuits)和表面安装技术(SMT，Surface-Mout Technology)在PLC硬件设计上的运用，使得PLC产品硬件元件数量更少，集成度更高，体积更小，其可靠性更高。同时，为了进一步提高系统的可靠性，PLC产品还采用了硬件冗余和容错技术。用户可以选择CPU单元、通信单元、电源单元或I/O单元甚至整个系统的冗余配置，使得整个PLC系统的可靠性得以进一步加强。
5 可编程控制器现场集成技术研究的意义
现行的可编程控制器均是由专门的生产厂商设计生产的，用户选用他们提供的专用控制器时，可能只用到它的部分功能，会造成一定的资源浪费，而且专用控制器价格高，不经济。而使用现代可编程逻辑器件来实现具有如下优点:
(1) 用户可以根据需要设计控制器的功能，不会造成太大的资源浪费;而且不用带自身专用的编译器，从而大大降低了系统的价格。
(2) 用户逻辑和接口部分可以做在同一个器件内，因而让接口和用户逻辑更紧密地结合;用FPGA/CPLD芯片组成的系统，很自然地避开CPU的程序跑飞、死循环、复位不可靠等缺点，无需采用过多措施就能使系统具有很高的可靠性。
(3) FPGA作为控制器的核心，其灵活的现场可更改性、可再配置能力，对系统的各种改进非常方便，在不更改硬件电路的基础上可以进一步提高系统的性能，也就是完成硬件的在系统升级;在线编程是FPGA/CPLD突出的特点，它无需改变芯片外部I/O口的连接线，可直接在用户自己设计的目标系统中或线路板上对FPGA/CPLD器件编程，这就打破了使用一般数字器件和PLC先设计后装配的惯例，而可以先装配后编程，用在实际系统后还可以反复编程，从而开创了数字电子系统设计技术的新一页。此外，还可以通过红外线编程、超声波编程或通过电话线、Internet进行在线编程。这些功能在远控或军事领域上有特殊的用途。
(4) FPGA的性能价格比很高，用它实现的控制器的价格，几乎只是和它具有相同输入/输出端子市售可编程控制器价格的十分之一;而且其逻辑实现是并行工作的，其速度远远大于PLC，这在实时系统中是非常有优势的。
(5) 它抛弃了传统PLC“程序”的概念，以“硬件线路”来实现控制功能，在硬件线路运行时所有的信号是并行运行的，而且信号的路径是可知的，信号传输的时间是可预测的，所以可用于精确控制的需要，如位置控制、速度控制、信号处理、图象处理、高速机械等。
从以上优点我们可以看出，基于FPGA/CPLD的HARD PLC能更经济、更稳定、更方便地适应用户的需求，而且其实时性、灵活性远远优于传统的可编程控制器(PLC)。因此，可编程控制器的现场集成技术应用非常广阔，具有很强的工程实用价值。
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