聚酯废水处理控制系统研究 99页

山东大学硕士学位论文摘要随着我国工业的迅速发展，工业废水的处理已成为我国可持续发展战略的一个重要组成部分。聚酷工业废水，尤其是精对苯二甲酸(PTA)生产装置的废水，具有含苯环物质，含油剂，高浓度的特点，其生化处理过程是一个多控制对象、不同控制要求的复杂系统。对聚醋废水的生化处理过程进行控制，以在稳定、达标的前提下达到高效、低耗、准确运行的目的，是一个极富实际意义的课题。本文以济南正昊化纤新材料有限公司的污水处理装置控制系统为研究对象，在设计和实现其软硬件的过程中，针对聚醋废水生化处理工艺厌氧中和过程的强非线性、大滞后对象的控制问题进行研究，采用仿人控制和模糊控制等先进控制技术设计实现的控制器，解决了传统控制器控制不稳定、精度差的问题;采用IPC+PLC控制技术，实现了对聚酷废水生化处理过程的自动监测控制，大大提高了污水处理效率，降低了设备能耗，减轻了操作工的工作强度。通过设计和实现控制系统过程中问题的研究和探讨，力争在理论和实际应用上能够有所创新。可编程序控制器(PLC)是污水处理控制系统的核心。PLC以其丰富的控制功能和良好的性价比，已成为现代工业控制应用发展方向的代表之一。本文采用西门子公司的S7-300PLC作为聚酷污水处理过程的控制装置。S7-300是小型的PLC，但功能强大，速度快，能够适应中型的控制规模，满足污水处理装置的模拟量实时控制要求。本文在详细介绍S7-300各模块的基础上，对工艺控制各环节的控制要求做了分析，给出了完成这些控制任务所需的测量和输出信号。控制软件方面，根据S7-300的编程环境和特点，介绍了控制软件开发时需要注意的问题，设计了软件结构和控制流程。对中和过程pH值控制的研究是本文的重点。pH值具有非线性、大滞后、时变性的特点，且难以建立数学模型，是公认的最难控制的单变量问题。目前废水处理的pH值控制基本上采用单回路控制器或简单肠PID算法，无法满足生产控制的安全、平稳、优质、高效等方面的要求。针对聚醋废水控制的特点，基于实际的滴定曲线，本文设计了基于非线性逆模型的前馈+反馈的控制方案，着重解决系统的大滞后和非线性问题，并实际应用在济南正昊化纤新材料公司的污水处理站，取得了良好的效果，达到了控制精度要求。另外，本文还探讨和实现了仿人控制策略的模糊前馈+PI反馈控制器。这种控制器借鉴了人在控制大滞后对象n山东大学硕士学位论文时的操作思路，采用模糊前馈与PI反馈复合控制以适应对象的非线性和时变性。实际应用表明其对中和过程的时变性有很好的适应性，且有效地克服了滞后。本文对两种控制器的控制效果和适用性进行了讨论，给出了改进方法和实际运行结果。在聚醋废水处理控制设计过程中，针对“耗能大户”鼓风机能耗高，效率低的问题，对鼓风曝气系统做了特性分析，设计实现了PLC与变频控制鼓风机的节能方案。实际运行情况证明该系统较改造前能够节能20%左右。本文基于人机界面软件WinCC开发了操作程序和应用程序，以实现模糊控制和一般控制模式的转换。设计并组态完成了PLC与工PC的通讯，以及工艺操作、记录、报警、打印等画面，实现了聚a废水监控和数据采集系统。一年多的运行实际证明该系统大大提高了聚酷废水处理的运行效率，废水的化学需氧量(COD)去除率提高10%左右，同时降低了操作人员劳动强度，实现了废水处理的高效、平稳、低耗运行。关键词:聚酷废水，PLC，非线性，大滞后，前馈十反馈控制，模糊控制n山东大学硕士学位论文ABSTRACTWiththerapiddevelopmentoftheindustryinourcountry,thedisposeofindustrywastewaterbecomesmoreandmoreimportantinthe`sustainable-development-strategy'.Asforthepolyesterprocesswastewater,especiallyfromtheprocessofpurifiedterephthalicacid(PTA)whichcontaininghighconcentrationofPTAresidueandchemicaloils,isthetypicalpart.Howtohandleittocomeuptotheaimofhighefect,lowcostandaccurateonthebaseofsteadyandstandard-achievedoperation,isofpracticalsignificance.ThispaperstudiedthecontrolsystemofthewastewaterprocessplantinJinanZhenghaoAdvancedFiberCoLtd.,discoveredandsummarizedsomequestionsindesigningandtransformingthehardwareandsoftwareofthesystem.Intheprocessofsolvingtheseproblems，thecontrolofnonlinearandlargelagobjective，theapplicationofPLC,etc,isprobedintoandmanagedtodevelopsomenewconclusionsinpracticeandtheory.Thecoreofcontrolsystemofpolyesterwastewatertreatmentisaprogrammablelogiccontroller(PLC).PLCbecomestherepresentativeofthetideoftemporaryindustrywithitsplentyofcontrolfunctionandhighquality-price-ratio.TheSIMATICS7-300PLCischosenforthecontrolofpolyesterwastewatertreatmentinJinanZhenghaoAdvancedFiberCo.Ltd..SIEMENSS7-300PLCisakindofprogrammablelogiccontrollerofsmallscale,whichispowerfulinfunctionandfastsoitcanmeettherequirementofmediumscalecontrolandalsoforthatofanalogycontrolwithrealtime.OnthebasisofadetailintroductionformodulesofS7-300,thispaperanalyzedcontrolrequirementofeverytechnicalprocess,listedallinputandoutputsignalsrequiredtocompletecontroltasks.Asforthecontrolsoftware,thispaperintroducedproblemsthatneedtobenoticedandsolvedinthecreationofcontrolsoftwareaccordingtothecircumstanceandfeaturesofS7-300'sprograms.Thestructureofsoftwareandcontrolflowwascomeupaccordinglyinordertobehelpfulintheunderstandingoftheworksofthepaper.ThehighlightofthispaperistheresearchofcontrolmethodforpHprocess.ProcessofpHisoflargelag,strongnonlinearandtime-varying.Itishardtoestablishn山东大学硕士学位论文aprecisemathematicalmodelforapHprocessandregardedthemosthard-to-controlobject.MostcontrolmethodsofpHisusedtobesimplelooporPID,whichisnotenoughtomeettherequirementofsafety,smooth,highqualityandefficiencyofprocesscontrol.Beaimedatthefeaturesofthepolyesterwastewatercontrolsystem,basedontheactualtitrationline,thepaperdesignedcontrolleroffeed-forward+feedbackandapplieditonthepolyesterwastewatertreatmentprocessinJinanZhenghaoAdvancedFiberCo.Ltd..Sofaritworkedsteadily,madegoodefectinmeetingthecontrolrequirement.Basedonthecontrolstrategysimulatinghumanintelligence,thispaperalsoinvestigatedanddesignedakindoffuzzy-feed-forthcombinedPI-feedbackcontroller,whichprovedtobeadapttoitstime-varyingandfitforitslargelagofpHprocess.Thepaperdiscussedthecontrolefectandadaptivescopeofthetwocontrollers,gavemethodsandresultofimprovingforthecontroller.IndesignofthecontrolsystemofPLC,thecharacterofair-blowerisanalyzedandthecontrolstrategybasedonPLCandfrequencyconverterswasincludedinthispaper.Thesystemadoptedcansave15%-20%powerofenergycomparedwitholdsystem.ThispaperalsodevelopedoperationsequencesandcontrolsequencesbasedonWinCCinterfacetoactuatethechangeoffuzzycontrollertothegeneralcontroller,andcommunicationwithindustrialPC,builtoperationpanelsinIPCforprocessrecord,alarmandprint.ItisprovedbyactualoperationthattheapplicationofthePLC+IPCcontrolsystemimprovedtheefectofwastewatertreatment,theremovementrateofCODisabout10%higher,anditreducedtheintensityoflabor.n原创性声明本人郑重声明:所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究所取得的成果。除文中己经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人承担。论文作者签名:日期:关于学位论文使用授权的声明本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅;本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。(保密论文在解密后应遵守此规定)论文作者签名:导师签名:日期:n山东大学硕士学位论文1序论1.1污水处理控制系统的发展现状1.1.1污水、污染物质及其指标污水是人类在自己的生活、生产活动中用过的、并为生活废料或生产废料所污染的水。污水包括生活污水、工业废水、被污染的降水和其他污染水。生活污水，是人类在日常生活中所用过，并被生活废料所污染的水。工业废水，是在工矿企业生产过程中所产生和排放的水。按自然组成，污水中的污染物质可分为无机及有机两大类。见表1-1.表卜.水污染物分类、构成及污染指标11121污染物类别性质特点污染物质指标1砂粒、土壤颗粒;1悬浮物无直接2无机盐、酸、碱;2pH值无机性毒害作用的3氮、磷等营养盐类。3总氮/氨一氮1磷等污染物有直接I重金属类如汞、福、铬、铅等;专用指标，每种物质毒害作用的2非重金属类如佩、氟、砷等。的含量1生物化学需氧量(BOD).，易于生物多属于碳水化合物、蛋白质、脂肪等自然生2化学需氧量(COD)*'降解的成的有机物.3总需氧量(TOD)*'有机性多属于人工合成的有机物质，如农药污染物I化学需氧量(COD)难以生物(DDT、六六六及有机氛农药等)、醛、酮、酚2总需氧量(TOD)降解的及聚氮联笨、芳香族氨基化合物、高分子合成3总有机碳(TOC)聚合物(塑料、合成橡胶、人造纤维)、染料等。注:由于有机污染物的组成非常复杂，难以对每一种物质一一定量测定，而有机污染物的污染特征主要是消耗水质的溶解氧，所以在实际工作中一般都采用以氧当量表示水中耗氧有机物含量的指标。a’:生物化学孺氧量(BiochemicalOxygenDemand简称BOD)是二重间接表示污水被有机物污染程度的指标。它是通过微生物呼吸所消耗的溶解氧盆来表示。化学需氧量(ChemicalOxygenDemand简称COD)用强氧化剂重铬酸钾在酸性条件下将有机物氧化为H刃和C02,此时所侧定出的耗氧量.总需氧量(TotalOxygenDemand简称TOD)是当有机物(C.H.N.S等元素)完全被氧化时，C.H.N.S分别被氧化位C02,H2O,NO和502，此时的需氧量称为总耗氧量.1.1.2废水处理控制技术发展现状随着水资源的短缺和水污染的日益严重，水己成为制约我国社会经济可持续发展的重要因素。2003年，据国家环保局统计，全国废水排量460亿吨，其中工业废水占46.2%，而水利部提供的数据是废水排放总量680亿立方米，工业废水占2/3。全国七大江河水系的407个监测断面中，近1/3的水丧失“水功能”，不可农业用，不可工业用，更不n山东大学硕士学位论文1序论1.1污水处理控制系统的发展现状1.1.1污水、污染物质及其指标污水是人类在自己的生活、生产活动中用过的、并为生活废料或生产废料所污染的水。污水包括生活污水、工业废水、被污染的降水和其他污染水。生活污水，是人类在日常生活中所用过，并被生活废料所污染的水。工业废水，是在工矿企业生产过程中所产生和排放的水。按自然组成，污水中的污染物质可分为无机及有机两大类。见表1-1.表卜.水污染物分类、构成及污染指标11121污染物类别性质特点污染物质指标1砂粒、土壤颗粒;1悬浮物无直接2无机盐、酸、碱;2pH值无机性毒害作用的3氮、磷等营养盐类。3总氮/氨一氮1磷等污染物有直接I重金属类如汞、福、铬、铅等;专用指标，每种物质毒害作用的2非重金属类如佩、氟、砷等。的含量1生物化学需氧量(BOD).，易于生物多属于碳水化合物、蛋白质、脂肪等自然生2化学需氧量(COD)*'降解的成的有机物.3总需氧量(TOD)*'有机性多属于人工合成的有机物质，如农药污染物I化学需氧量(COD)难以生物(DDT、六六六及有机氛农药等)、醛、酮、酚2总需氧量(TOD)降解的及聚氮联笨、芳香族氨基化合物、高分子合成3总有机碳(TOC)聚合物(塑料、合成橡胶、人造纤维)、染料等。注:由于有机污染物的组成非常复杂，难以对每一种物质一一定量测定，而有机污染物的污染特征主要是消耗水质的溶解氧，所以在实际工作中一般都采用以氧当量表示水中耗氧有机物含量的指标。a’:生物化学孺氧量(BiochemicalOxygenDemand简称BOD)是二重间接表示污水被有机物污染程度的指标。它是通过微生物呼吸所消耗的溶解氧盆来表示。化学需氧量(ChemicalOxygenDemand简称COD)用强氧化剂重铬酸钾在酸性条件下将有机物氧化为H刃和C02,此时所侧定出的耗氧量.总需氧量(TotalOxygenDemand简称TOD)是当有机物(C.H.N.S等元素)完全被氧化时，C.H.N.S分别被氧化位C02,H2O,NO和502，此时的需氧量称为总耗氧量.1.1.2废水处理控制技术发展现状随着水资源的短缺和水污染的日益严重，水己成为制约我国社会经济可持续发展的重要因素。2003年，据国家环保局统计，全国废水排量460亿吨，其中工业废水占46.2%，而水利部提供的数据是废水排放总量680亿立方米，工业废水占2/3。全国七大江河水系的407个监测断面中，近1/3的水丧失“水功能”，不可农业用，不可工业用，更不n山东大学硕士学位论文可作饮用水源。(据2004.11.1经济参考报报道)由此可见水污染，尤其是工业废水污染的问题是极其严重，极待解决的。“水工业”是九十年代以来水行业提出的新概念，它是以城市和工业为对象，以水质为中心，从事水资源的可持续开发利用，以满足社会经济可持续发展所要求的水量作为生产目标的特殊行业。水工业是具有时代意义的高科技含量的产业。它涉及众多的学科领域，是科技、工程、装备和综合管理技术的集成。水工业的研究包括水源的保护、水处理工程、微污染水的净化、城市污水处理、工业废水处理及污水回用技术等，形成一个闭环。工业废水处理是其重要组成环节。在污水处理的技术路线上，关键性的转变是由单项技术转变为技术集成。以往是以达标排放为目的，针对某些污染物去除而设计工艺流程，现在要调整到以水的综合利用为目的，将现有的技术进行综合、集成，以满足所设定的水资源化目标。这将必然促使技术路线和工艺流程的升级换代。以科技为先导，才能促使水工业的发展，达到可持续利用水资源的目的[5][6][71我国自70年代末开始建设第一个污水处理厂以来，废水处理系统近十年来发展很快，尤其是新建的大型企业都配套建设了具有先进水平的污水处理设施，应用了先进的自动控制设备和技术，对包括pH值、氧含量、COD等特殊参数在内的废水过程变量进行在线监测、分析及控制。PLC控制、DCS集散型控制系统(DistributedControlSystem),IPC(工业控制计算机)十PLC(可编程控制器)等控制系统类型都有应用。但总体来讲无论从设施配套还是从处理能力、管理水平上看都是很不完善、极不平衡的。占相当比例的企业还不具备足够的污水处理设施，或污水处理设施运行不正常;更多的企业污水处理厂自动化水平落后，自控设备简单、老旧，以监测流量、压力等几个简单参数为主;废水处理效率低，能耗高，成本高，不能适应工业废水处理要求。为了提高处理水平，确保达标排放，同时又能降低能耗，降低药耗，污水处理厂自动化控制技术有广阔的应用前景。依靠现代化技术手段对生产过程进行控制和管理，提高污水处理效率，提高设备运行效率和可靠性，节省宝贵的水、电资源是技术发展的必然趋势[3][411.1.3工业废水生化处理控制的难点和关键点工业废水处理系统中pH值是关键参数之一。它直接决定着生化处理的效果。而pH值具有非线性和大滞后的特性，是工业过程控制中最难控制的变量之一[33][401。从国内外有关的研究来看，尽管取得了很多成果，然而由于存在着精确建模难[401、控制方案复杂、实现难等问题，目前仍然是理论成果多于实际应用成果。大部分的工业废水处理装置pHn山东大学硕士学位论文值采用单回路控制器或简单的PID控制，还有为数不少的手动控制，远远不能满足废水处理生产控制的安全、稳定、优质、高效的要求。因此急需研究利用现代控制技术和控制设备，寻找有效的控制方法，研制有效而实用的pH控制系统，以在实际工程中得到良好的控制效果，并易于实现。鼓风机是废水生化处理装置的关键设备和用电大户，如何采用先进的控制技术使其高效节能运行是另一个关键点。另外，废水处理系统是一个包含若干个子系统的复杂系统。其各个子系统相互关联，给控制系统集成和设计带来很大困难。在工业废水处理装置中采用先进的控制系统和控制技术，从实际运行效果看，能够为企业带来直接的、可观的经济效益和良好的社会效益，因此本研究课题具有很高的理论和应用价值。1.2项目背景和本文的主要工作l.2.1项目背景本文的研究内容是济南正昊化纤新材料有限公司污水处理站的自动控制系统，它是该公司技改项目“污水处理站扩容”的配套部分。主要内容包括增加庆氧处理系统，改造自动控制系统。污水处理主要工艺流程如图I.I.水封罐燃烧器}沼气AF+UASB(Fk氧复合床)深度净化池十图1.1聚酷废水处理工艺流程图排放聚酷废水中的主要污染物质是有机物。污染指标可用化学需氧量(COD)综合衡量。其特点是浓度高，含大量的苯系物和油剂，难降解，难处理。该公司采用先进的生物厌氧一好氧工艺进行聚醋废水处理。好氧部分为接触氧化法(A/。法)，厌氧则采用AF+UASB复合床工艺。来自主要生产装置的高浓度(CODCT约为4000mg/1)废水进入调节池，调节水质水量，在中和罐中用30%的NaOH溶液调节pH值后，经厌氧装置处理，废水的CODC，降低到17001900m酬，与低浓度污水混合进入一、二级曝气池。池中装有半软性填料，填料上生长着生物膜，由鼓风机曝气系统提供微生物所需氧气，生物膜与污水n山东大学硕士学位论文值采用单回路控制器或简单的PID控制，还有为数不少的手动控制，远远不能满足废水处理生产控制的安全、稳定、优质、高效的要求。因此急需研究利用现代控制技术和控制设备，寻找有效的控制方法，研制有效而实用的pH控制系统，以在实际工程中得到良好的控制效果，并易于实现。鼓风机是废水生化处理装置的关键设备和用电大户，如何采用先进的控制技术使其高效节能运行是另一个关键点。另外，废水处理系统是一个包含若干个子系统的复杂系统。其各个子系统相互关联，给控制系统集成和设计带来很大困难。在工业废水处理装置中采用先进的控制系统和控制技术，从实际运行效果看，能够为企业带来直接的、可观的经济效益和良好的社会效益，因此本研究课题具有很高的理论和应用价值。1.2项目背景和本文的主要工作l.2.1项目背景本文的研究内容是济南正昊化纤新材料有限公司污水处理站的自动控制系统，它是该公司技改项目“污水处理站扩容”的配套部分。主要内容包括增加庆氧处理系统，改造自动控制系统。污水处理主要工艺流程如图I.I.水封罐燃烧器}沼气AF+UASB(Fk氧复合床)深度净化池十图1.1聚酷废水处理工艺流程图排放聚酷废水中的主要污染物质是有机物。污染指标可用化学需氧量(COD)综合衡量。其特点是浓度高，含大量的苯系物和油剂，难降解，难处理。该公司采用先进的生物厌氧一好氧工艺进行聚醋废水处理。好氧部分为接触氧化法(A/。法)，厌氧则采用AF+UASB复合床工艺。来自主要生产装置的高浓度(CODCT约为4000mg/1)废水进入调节池，调节水质水量，在中和罐中用30%的NaOH溶液调节pH值后，经厌氧装置处理，废水的CODC，降低到17001900m酬，与低浓度污水混合进入一、二级曝气池。池中装有半软性填料，填料上生长着生物膜，由鼓风机曝气系统提供微生物所需氧气，生物膜与污水n山东大学硕士学位论文充分接触，吸附氧化污水中的有机物质，同时合成新细胞物质(微生物增量)，老化脱落的生物膜随混合液流入二沉池，进行泥液分离。污水经沉淀澄清后，排入深度净化池再度进行天然净化和悬浮物最终截留，达到排放标准后排出厂区。该厌氧一好氧生物污水处理系统设计了80多个测量、控制点。测量参数包括各装置污水流量、曝气池及厌氧罐进出口流量、PH值、温度值;曝气池进风量、进风压力等模拟量和泵、风机起停、联锁保护等数字量。对重要参数如厌氧工艺中的中和罐出口PH值、厌氧罐温度、曝气池进风量等进行控制。主要控制回路:(1)厌氧罐进口PH值控制回路来自各生产装置的高浓度废水(CODcr在4000-5000mg/1)先进入厌氧罐，由厌氧菌生物处理，降低CODc:浓度。厌氧发酵对PH值要求非常严格，最佳PH值为6.8一7.2.PTA废水含有醋酸，如果不进行PH值调整，会造成颗粒污泥解体，污泥大量流失，装置无法运行。因此必须在PH中和罐内用NaOH液体中和，将废水的PH值调节至最佳值附近，进入厌氧复合床反应器，保证工艺正常运行。在高浓度废水进入厌氧反应罐前加装流量计和PH计，检测废水PH值并控制30%的NaOH溶液计量泵，向废水中加碱中和，调节废水PH值在6.3^"7.2之间。PH值小于6则报警。(2)厌氧罐温度控制回路厌氧生物处理的适宜温度为280C^-450C。温度越低生物活性越差，温度过高则不但耗能高，还会杀灭生物。故在进厌氧罐前的废水管道上加装加热蒸汽夹套并设计了蒸汽流量调节阀，由PLC根据温度调节蒸汽流量。设低限报警200Co(3)曝气池鼓风机风量变频控制回路曝气量是好氧处理中最重要的参数。鼓风机向曝气池吹入空气，一方面提供好氧菌所需的有氧环境，另一方面搅动池水，促使老化的生物膜脱落，新的生物不断繁殖。曝气量太大会使搅动力量过大，生物膜难以附着生长且使填料脱落，处理效果差，耗电量大:曝气量太小则不能提供足够的溶解氧给好氧生物繁殖，同样降低处理效率。由于鼓风机原设计能力远远大于实际要求，因此设计了基于西门子公司的MICROMASTER430系列变频器的控制方案，PLC根据检测曝气系统压力来控制风机频率，达到控制曝气量的目的。(4)调节池液位控制回路调节池在整个污水处理装置中起到入口缓冲作用。厂区生产和生活废水在调节池中n山东大学硕士学位论文调节到一定的浓度后分别进入厌氧或好氧装置。调节手段是在调节池到曝气池入口加装调节阀，由PLC通过调节曝气池进水量来控制调节池液位。液位高于80%或低于304o报警。(5)安全联锁报警包括鼓风机、曝气池进水泵、加碱计量泵、厌氧回流泵、二沉池回流泵等重要设备的状态监测、报警、联锁回路。1.2.2本文的主要研究内容和所做工作本文是济南正昊化纤新材料有限公司技改扩容项目“污水处理站扩容”的一部分。针对聚酷废水生化处理过程设计了基于西门子SIMATICS7-300PLC与工业控制计算机(IPC)的控制系统。该项目己于2003年完成并投入使用。本文的主要研究内容密切结合工程实际，利用先进的控制理论和技术解决实际问题。所做的主要工作:(1)第一章序论，主要介绍了课题的目的、意义、国内外废水处理控制现状和发展趋势，及本文的主要工作内容和研究方向;(2)第二章研究聚醋废水处理过程中pH值的特性和控制方法。针对pH值的特性和本系统的工作原理，提出了基于逆模型的前馈十反馈的控制算法，并用S7-300语言编程实现;针对存在的问题与不足，用拟人控制的思路，设计了模糊前馈+PI反馈控制算法构成控制器，利用WinCC编程实现。对于两种控制器的适用范围、控制效果分别用实际控制曲线进行了分析;(3)第三章对关键设备鼓风机做了特性分析，设计实现了PLC与变频调速控制风机的方案，并做了效益分析:(4)第四章介绍聚醋废水处理过程中的逻辑控制应用方案;(5)第五章控制系统软硬件及构成，介绍PLC+IPC的控制系统构成;(6)第六章基于WinCC的通讯及图形界面设计，介绍了基于WinCC实现的S7-300PLC与工业计算机(IPC)的通讯，以及监控和数据采集系统的组态设计:(7)第七章总结，就所做项目的理论研究及工程实现等工作总结出相应的结论，并对存在的问题和下一步的工作做了简单的讨论。n山东大学硕士学位论文2厌氧中和过程的pH值控制本章分析聚酷废水中和过程的工艺特点.针对pH值的大滞后、非线性和时变的特性设计了两种控制算法:基于逆模型的前馈控制+PI反馈控制，以及模糊前馈+PI反馈控制算法。实际运用证明两种控制算法都能够有效克服pH值的大滞后和非线性，具有较强的鲁棒性。结合特定的工艺要求切换控制，互为补充，能够实现更好的控制效果。同时两种算法都能方便地利用PLC和IPC实现，在工程上具有较高的应用价值。2.1pH值控制方法研究2.1.1pH值控制研究现状和趋势pH值控制于工业生产的酸碱中和过程中广泛存在，特别是在化工、印染、废水处理等行业中。由于其反应过程的非线性、大滞后的特性，可以说是最难的单维控制问题之一。由于难以获得该类对象的精确的数学模型，因此传统的控制方法无法取得好的控制效果。关于pH值控制问题的研究已并非新的课题。许多专业人士不断寻求非传统的控制方法以实现对pH值的高质量控制。1962年ShinskeyF.G针对pH过程测量和负载中的非线性，提出了由线性控制器加上合适的“函数发生器(functiongenerator)”进行补偿的控制方法131;1973年ShinskeyF.G用增益自适应的PI控制器来解决中和点附近的高增益这一难题，但只是运用化学分析的方法，针对某一特定的中和过程进行控制Ial;1979年FlemingB.和MogensK.使用了一个双线性模型描述pH中和过程，并根据模型的特点设计自整定调节器，文章采用最小二乘法对过程参数进行实时辨识，控制器硬件使用一台计算机实现，使用矩阵形式，编程极其复杂，特别是参数辨识过程复杂['la1983年GustassonTX给出州过程动态模型的试验研究，文中详述了一个快速酸碱反应实验系统的建模过程及应用一个简单的PID控制器对所得模型进行反馈控制和参数自适应控制1'].1994年，PapaR和HuX设计了模糊PI控制器，用模糊方法作为两个PI控制器的软开关，实质上仍属于PID控制(7laSangD.L和JietaeL、SunwonP.针对一元弱酸一强碱系统、多元弱酸一强碱系统分别进行了讨论，提出了一个非线性自整定调节器，用具有可变遗忘因子的递推最小二乘法来实时估算弱酸的浓度和电离常数等未知参数，并用一步超前控制律进行了控制[181。但模型复杂，实施n山东大学硕士学位论文2厌氧中和过程的pH值控制本章分析聚酷废水中和过程的工艺特点.针对pH值的大滞后、非线性和时变的特性设计了两种控制算法:基于逆模型的前馈控制+PI反馈控制，以及模糊前馈+PI反馈控制算法。实际运用证明两种控制算法都能够有效克服pH值的大滞后和非线性，具有较强的鲁棒性。结合特定的工艺要求切换控制，互为补充，能够实现更好的控制效果。同时两种算法都能方便地利用PLC和IPC实现，在工程上具有较高的应用价值。2.1pH值控制方法研究2.1.1pH值控制研究现状和趋势pH值控制于工业生产的酸碱中和过程中广泛存在，特别是在化工、印染、废水处理等行业中。由于其反应过程的非线性、大滞后的特性，可以说是最难的单维控制问题之一。由于难以获得该类对象的精确的数学模型，因此传统的控制方法无法取得好的控制效果。关于pH值控制问题的研究已并非新的课题。许多专业人士不断寻求非传统的控制方法以实现对pH值的高质量控制。1962年ShinskeyF.G针对pH过程测量和负载中的非线性，提出了由线性控制器加上合适的“函数发生器(functiongenerator)”进行补偿的控制方法131;1973年ShinskeyF.G用增益自适应的PI控制器来解决中和点附近的高增益这一难题，但只是运用化学分析的方法，针对某一特定的中和过程进行控制Ial;1979年FlemingB.和MogensK.使用了一个双线性模型描述pH中和过程，并根据模型的特点设计自整定调节器，文章采用最小二乘法对过程参数进行实时辨识，控制器硬件使用一台计算机实现，使用矩阵形式，编程极其复杂，特别是参数辨识过程复杂['la1983年GustassonTX给出州过程动态模型的试验研究，文中详述了一个快速酸碱反应实验系统的建模过程及应用一个简单的PID控制器对所得模型进行反馈控制和参数自适应控制1'].1994年，PapaR和HuX设计了模糊PI控制器，用模糊方法作为两个PI控制器的软开关，实质上仍属于PID控制(7laSangD.L和JietaeL、SunwonP.针对一元弱酸一强碱系统、多元弱酸一强碱系统分别进行了讨论，提出了一个非线性自整定调节器，用具有可变遗忘因子的递推最小二乘法来实时估算弱酸的浓度和电离常数等未知参数，并用一步超前控制律进行了控制[181。但模型复杂，实施n山东大学硕士学位论文困难，也没有对此进行实验研究和稳定性分析。1998年HaoWang.YoungsoekOh和EnsupYoon针对一个存在严重非线性的pH过程使用了神经网络建立模型，并用非线性预测控制算法进行控制，取得了较为满意的效果。但由于建模和控制都很复杂，多于一个参数时，复杂程度增加，实时性不能满足实际过程的要求。另外文中强调了应用神经网络建模时应该注意的各种问题，并且网络输入节点的增加并不能改善神经网络建模的性能，相反会引起收敛性的问题191。总的说来六、七十年代pH值控制多采用简单的PID控制，但中和点附近的高增益使传统的PID参数调整非常困难，因为控制器只能采用很小的增益，否则系统不稳定;但比例增益小，又使系统的动态性能变坏。90年代后，随着计算机和智能技术的发展，许多学者试图应用先进的控制技术来实现对pH值过程的辨识和控制，但从发表的结果看，大多是针对某一特定的中和过程来进行建模和控制器设计，而且理论和仿真结果多于实际应用结果。另外从控制软件方面，己有多家公司研制了pH值控制专用软件，如美国通控博软公司的CoybconpH控制软件。但由于算法和技术尚未公布，因此价格昂贵ilal国内的中和过程pH值控制也有很多的成果。较具有代表性的有:1994年，卞平针对工业废液中的pH值控制问题，应用KMM可编程序控制器组成非线性串级控制系统，即当入口流量变化时(工业废液处理中的主要干扰)，流量变送器送出的信号到KMM可编程序控制器的副调节环，产生相对应的输出信号来控制调节阀。主调节环是采用PID调节比例度111101998年，商建东、陈康宁提出的工业生产过程的新型智能控制器[1121;杨翠容、庞全、张玉清提出的智能pH控制器【131，都是专家智能控制方法。共同特点是需要根据实验获取经验数据，把经验数据、特性曲线和反应类型等参数做成知识库，工作时计算机首先根据反应类型到知识库中查取该反应中和曲线，再根据控制类型的要求，确定控制方式。这种方法较为先进，理论上也较为完善，但知识库的建立比较复杂，如果经验不足或有偏差，可能会导致控制失败。另外，硬件采用的是基于80%的单片机，存在着结构复杂，稳定性差，控制精度低的缺点。近年来也有将PLC用于pH值中和控制的开发实例，如李瑾、凌文俊等利用西门子公司的S7-200PLC作为控制系统，对单槽间歇式中和反应器的pH值实现自动控制，取得了良好的控制效果，但对于连续过程的pH值控制则存在着不少问题，难以适用1141。总的说来，目前n山东大学硕士学位论文pH值控制的方法按形式可分为两类，一类是基于对象近似模型的方法，一类是基于操作经验的方法;按设计思路可分为三类:(1)着重于解决对象的大滞后问题:(2)着重解决对象的非线性问题;(3)综合考虑。从控制系统硬件设计来看，随着工业计算机和PLC的性价比不断提高，越来越多的智能控制算法的应用，促使PLC和工业控制计算机越来越广泛的应用于PH值控制中，成为主要趋势。2.1.2酸碱中和过程特性pH值的非线性表现在两方面:负载的非线性和自测量的非线性。负载的非线性是指酸碱反应本身的非线性;自测量的非线性是由于pH值本身的定义为氢离子浓度的负对数而导致的非线性变换，如式2-115]所示:pH=-log夕Fr](2-1)许多控制工程师用带时滞的一阶惯性环节来近似描述pH值的数学模型，如式2-2a:·竿=KupH(2-2)T为时间常数，Ku为过程增益，随pH值和缓冲溶液的浓度不同而变化。但实际上这个模型过于简略，不能反映pH值的非线性变化的特点。ShinskeyF.G基于中和反应的机理，从质量平衡(反应前和反应后的质量相等)和电荷平衡(反应中的正电荷数目与负电荷数目相等)出发进行中和过程建模，对强碱一强酸及包含一元弱酸的强碱一弱酸两种反应类型推导出了相应的数学模型。其中典型的一元弱酸一强碱反应的数学模型1161为(式2-3):(2-3)pKc=一IgKc，Kc为弱酸的电离常数;xe为碱浓度，单位为每升克离子;这是个反映pH值非线性特征的静态方程。根据此方程用MATLAB语言仿真画出用O.OIN〔当量浓度)的NaOH溶液滴定O.OIN的HCL溶液的滴定曲线，和用同样浓度的NaOH溶液滴定O.OIN的醋酸(HAC)溶液的滴定曲线，如图2.1.可以看出，在中和点(pH=7)附近，滴定曲线的斜率非常大，也就是说，中和剂量的微小变化，就会造成pH值的大幅变化。而相对于强酸一强碱中和反应的曲n山东大学硕士学位论文pH值控制的方法按形式可分为两类，一类是基于对象近似模型的方法，一类是基于操作经验的方法;按设计思路可分为三类:(1)着重于解决对象的大滞后问题:(2)着重解决对象的非线性问题;(3)综合考虑。从控制系统硬件设计来看，随着工业计算机和PLC的性价比不断提高，越来越多的智能控制算法的应用，促使PLC和工业控制计算机越来越广泛的应用于PH值控制中，成为主要趋势。2.1.2酸碱中和过程特性pH值的非线性表现在两方面:负载的非线性和自测量的非线性。负载的非线性是指酸碱反应本身的非线性;自测量的非线性是由于pH值本身的定义为氢离子浓度的负对数而导致的非线性变换，如式2-115]所示:pH=-log夕Fr](2-1)许多控制工程师用带时滞的一阶惯性环节来近似描述pH值的数学模型，如式2-2a:·竿=KupH(2-2)T为时间常数，Ku为过程增益，随pH值和缓冲溶液的浓度不同而变化。但实际上这个模型过于简略，不能反映pH值的非线性变化的特点。ShinskeyF.G基于中和反应的机理，从质量平衡(反应前和反应后的质量相等)和电荷平衡(反应中的正电荷数目与负电荷数目相等)出发进行中和过程建模，对强碱一强酸及包含一元弱酸的强碱一弱酸两种反应类型推导出了相应的数学模型。其中典型的一元弱酸一强碱反应的数学模型1161为(式2-3):(2-3)pKc=一IgKc，Kc为弱酸的电离常数;xe为碱浓度，单位为每升克离子;这是个反映pH值非线性特征的静态方程。根据此方程用MATLAB语言仿真画出用O.OIN〔当量浓度)的NaOH溶液滴定O.OIN的HCL溶液的滴定曲线，和用同样浓度的NaOH溶液滴定O.OIN的醋酸(HAC)溶液的滴定曲线，如图2.1.可以看出，在中和点(pH=7)附近，滴定曲线的斜率非常大，也就是说，中和剂量的微小变化，就会造成pH值的大幅变化。而相对于强酸一强碱中和反应的曲n山东大学硕士学位论文线形状，弱酸一强碱的曲线斜率要缓和些，即非线性相对弱一些，但仍然表现出典型的非线性。耳---一PHa61I}---tt三土二lNNcl，0于0.005一而-t0.0.15xaN图2.1根据酸碱平衡方程画出的强酸一强碱和弱酸一强碱中和滴定曲线应当看到，每一种pH值过程特性并不完全一致，不可能用一种通用的控制方法对各种过程都取得好的控制效果。还应看到，对于同时具有大滞后和非线性的对象的控制问题始终没有找到理想而精确的控制方法，现有的控制方法都是为满足生产要求针对特定的控制对象而设计的，相对于传统的控制器，能在某些方面取得好的效果，但并不能从根本上解决该类问题。本文针对聚酷废水生化处理系统中和反应的特点，设计了基于逆模型的前馈+P1反馈控制器，以及模糊前馈(17]+pl反馈控制器。主要解决对象的大滞后和非线性及时变性问题。2.1.3对象特性分析聚酩生产排放的高浓度废水(COD浓度高达4000-6000mg/1)中含醋酸，含苯系物、油剂等多种物质，成分复杂。目前多采用生物化学处理的方法降解去除其中的高分子物质及其他有机物。在聚醋废水的厌氧生化处理过程中，pH值是一个关键参数，它直接决定着生化处理的效果。厌氧发酵对pH值要求非常严格，最佳pH值为6.8-7.2.PTA废水含有醋酸，如果不进行pH值调整，会造成颗粒污泥解体，污泥大量流失，装置无法运行。因此必须在pH中和罐内用NaOH液体中和，将pH废水的值调节至最佳值附近，进入厌氧复合床反应器。如图2.2所示，中和剂30%的NaOH溶液通过废水管道上的静态混合器加入系统，与聚酷废水一同进入中和罐中和。在中和罐出口处装有pH计，检测中和n山东大学硕士学位论文线形状，弱酸一强碱的曲线斜率要缓和些，即非线性相对弱一些，但仍然表现出典型的非线性。耳---一PHa61I}---tt三土二lNNcl，0于0.005一而-t0.0.15xaN图2.1根据酸碱平衡方程画出的强酸一强碱和弱酸一强碱中和滴定曲线应当看到，每一种pH值过程特性并不完全一致，不可能用一种通用的控制方法对各种过程都取得好的控制效果。还应看到，对于同时具有大滞后和非线性的对象的控制问题始终没有找到理想而精确的控制方法，现有的控制方法都是为满足生产要求针对特定的控制对象而设计的，相对于传统的控制器，能在某些方面取得好的效果，但并不能从根本上解决该类问题。本文针对聚酷废水生化处理系统中和反应的特点，设计了基于逆模型的前馈+P1反馈控制器，以及模糊前馈(17]+pl反馈控制器。主要解决对象的大滞后和非线性及时变性问题。2.1.3对象特性分析聚酩生产排放的高浓度废水(COD浓度高达4000-6000mg/1)中含醋酸，含苯系物、油剂等多种物质，成分复杂。目前多采用生物化学处理的方法降解去除其中的高分子物质及其他有机物。在聚醋废水的厌氧生化处理过程中，pH值是一个关键参数，它直接决定着生化处理的效果。厌氧发酵对pH值要求非常严格，最佳pH值为6.8-7.2.PTA废水含有醋酸，如果不进行pH值调整，会造成颗粒污泥解体，污泥大量流失，装置无法运行。因此必须在pH中和罐内用NaOH液体中和，将pH废水的值调节至最佳值附近，进入厌氧复合床反应器。如图2.2所示，中和剂30%的NaOH溶液通过废水管道上的静态混合器加入系统，与聚酷废水一同进入中和罐中和。在中和罐出口处装有pH计，检测中和n山东大学硕士学位论文后的pH值，达到要求的范围后进入厌氧反应器。其中废水流量由厌氧工艺要求决定，废水的pH值由上游生产装置决定，废水的成分也是不确定并且时变的，其中许多物质对中和过程起到缓冲作用，其影响是未知且时变的。NaOH溶液的流量由调节装置控制，可根据要求改变其流量，以达到中和废水pH值的目的。进厌氧系统聚酗废水入口图2.2厌氧中和过程pH值控制流程图图2.3所示为聚醋废水的一条实际的中和滴定曲线。中和剂为1N(当量浓度)的NaOH溶液。可以看到曲线呈S形，在低pH值附近，随中和剂的增加pH值上升缓慢，而在接近pH=7时，添加总量的3.7%的中和剂使pH值从6.28上升到8.79。也就是说，缓冲指数(。=(pH的变化量)/(中和剂的变化量)在pH=7附近为低pH值的40倍。表现出强烈的非线性。::。一25一3075一100125130175图23实际的滴定曲线由以上分析可知，在设计中和剂流量控制规律时，必须考虑入口流量和pH值的不确定因素。另外，由于管路的长度(约3m)以及中和罐体积因素(8m3),势必导致pH值的变化与检测落后于流量的变化，即系统具有大的纯滞后。可以将这一对象概括为对象参数以一定方式受控于不确定量的时变系统:A宁厂台，u,q,r)(2-4)n山东大学硕士学位论文其中.f‘夕是一个非线性函数，qCt)是流量随时间变化的函数，rW是缓冲干扰。2.2基于静态逆模型的前馈+P1反馈控制器2.2.1控制器设计控制器的设计思路基于以下几点:(1)克服非线性;(2)克服大滞后:(3)易于工程实现。基于中和过程的电化学分析和推导，对象特征可概括如下:首先，对象的非线性特性可视为静态特性:其次，对象的大滞后只影响过程的动态特性，与其静态特性无关[391。另外，虽然难以建立对象的准确模型，但可以通过中和滴定实验获得滴定曲线，间接获知静态特性。因此，理论上讲只要系统是非二次积分型大滞后对象且闭环稳定，只需找到其静态逆模型，按照逆模型构造控制律，就能有效地抑制pH值的非线性，实现无静差的逆控制。但直接的逆控制存在如下问题:(1)鲁棒性差，对受控对象的参数变化过于敏感;(2)对辨识逆模型的精度要求较高;(3)动态特性差。当输出误差较大时系统反应速度没有变化。因此对于参数时变，模型近似，要求控制精度高的聚酷废水中和过程不适用。虽然直接逆控制难以满足控制要求，但考虑如下的线性系统前馈十反馈复合控制系统(如图3.4):F(s)是前馈控制器，控制作用通过前馈控制器作用于被控对象G(s)上，它实现的是开环控制。它与反馈控制的根本区别在于:第一，不需要等到输出量发生变化并形成偏差以后才产生纠正偏差的控制作用，而是在控制作用施加于系统的同时，前馈控制作用就产生了。因此，它比反馈控制更为“及时”，且不受系统延迟的影响。第二，由于通过F(s)的信号不能形成闭环;没有反馈作用，所以如F(s)搜rsi}+圈2.4线性系统前饭+反馈复合控制框图果F(s)本身有偏差，或者有外部扰动作用于F(s)上，致使F(s)的输出有了偏差，则这个误差将与控制作用一道加到控制对象上，从而造成输出量的误差。因此，n山东大学硕士学位论文其中.f‘夕是一个非线性函数，qCt)是流量随时间变化的函数，rW是缓冲干扰。2.2基于静态逆模型的前馈+P1反馈控制器2.2.1控制器设计控制器的设计思路基于以下几点:(1)克服非线性;(2)克服大滞后:(3)易于工程实现。基于中和过程的电化学分析和推导，对象特征可概括如下:首先，对象的非线性特性可视为静态特性:其次，对象的大滞后只影响过程的动态特性，与其静态特性无关[391。另外，虽然难以建立对象的准确模型，但可以通过中和滴定实验获得滴定曲线，间接获知静态特性。因此，理论上讲只要系统是非二次积分型大滞后对象且闭环稳定，只需找到其静态逆模型，按照逆模型构造控制律，就能有效地抑制pH值的非线性，实现无静差的逆控制。但直接的逆控制存在如下问题:(1)鲁棒性差，对受控对象的参数变化过于敏感;(2)对辨识逆模型的精度要求较高;(3)动态特性差。当输出误差较大时系统反应速度没有变化。因此对于参数时变，模型近似，要求控制精度高的聚酷废水中和过程不适用。虽然直接逆控制难以满足控制要求，但考虑如下的线性系统前馈十反馈复合控制系统(如图3.4):F(s)是前馈控制器，控制作用通过前馈控制器作用于被控对象G(s)上，它实现的是开环控制。它与反馈控制的根本区别在于:第一，不需要等到输出量发生变化并形成偏差以后才产生纠正偏差的控制作用，而是在控制作用施加于系统的同时，前馈控制作用就产生了。因此，它比反馈控制更为“及时”，且不受系统延迟的影响。第二，由于通过F(s)的信号不能形成闭环;没有反馈作用，所以如F(s)搜rsi}+圈2.4线性系统前饭+反馈复合控制框图果F(s)本身有偏差，或者有外部扰动作用于F(s)上，致使F(s)的输出有了偏差，则这个误差将与控制作用一道加到控制对象上，从而造成输出量的误差。因此，n山东大学硕士学位论文其中.f‘夕是一个非线性函数，qCt)是流量随时间变化的函数，rW是缓冲干扰。2.2基于静态逆模型的前馈+P1反馈控制器2.2.1控制器设计控制器的设计思路基于以下几点:(1)克服非线性;(2)克服大滞后:(3)易于工程实现。基于中和过程的电化学分析和推导，对象特征可概括如下:首先，对象的非线性特性可视为静态特性:其次，对象的大滞后只影响过程的动态特性，与其静态特性无关[391。另外，虽然难以建立对象的准确模型，但可以通过中和滴定实验获得滴定曲线，间接获知静态特性。因此，理论上讲只要系统是非二次积分型大滞后对象且闭环稳定，只需找到其静态逆模型，按照逆模型构造控制律，就能有效地抑制pH值的非线性，实现无静差的逆控制。但直接的逆控制存在如下问题:(1)鲁棒性差，对受控对象的参数变化过于敏感;(2)对辨识逆模型的精度要求较高;(3)动态特性差。当输出误差较大时系统反应速度没有变化。因此对于参数时变，模型近似，要求控制精度高的聚酷废水中和过程不适用。虽然直接逆控制难以满足控制要求，但考虑如下的线性系统前馈十反馈复合控制系统(如图3.4):F(s)是前馈控制器，控制作用通过前馈控制器作用于被控对象G(s)上，它实现的是开环控制。它与反馈控制的根本区别在于:第一，不需要等到输出量发生变化并形成偏差以后才产生纠正偏差的控制作用，而是在控制作用施加于系统的同时，前馈控制作用就产生了。因此，它比反馈控制更为“及时”，且不受系统延迟的影响。第二，由于通过F(s)的信号不能形成闭环;没有反馈作用，所以如F(s)搜rsi}+圈2.4线性系统前饭+反馈复合控制框图果F(s)本身有偏差，或者有外部扰动作用于F(s)上，致使F(s)的输出有了偏差，则这个误差将与控制作用一道加到控制对象上，从而造成输出量的误差。因此，n山东大学硕士学位论文F(s)一般不单独使用。在图3.4所示的系统中:(2-5)I+G(s)如果选择前馈控制器F(s夕为F(s)一击(2-6)、J〔J尸(2-7)即输出Y(s)与输入R(s)完全一致。尽管由于G(s)总是真有理分式因此F(s)-定不是真有理分式，这样的F(s)不可能实现，但可以根据G(s)构造F(s)以实现静态无差[30]借鉴经典理论中的前馈+反馈复合控制系统，考虑聚醋废水中和过程的大滞后、强非线性和参数时变的特点，设计pH控制器结构如图2.5所示。将过程输入和干扰因素(废水流量Q、进水pH值pHl)引入前馈控制环节，把废水的实际中和曲线(pHf(x动作为对象的静态模型，求逆后xB丫.1(pH)(2-8)得到输出IF-Q*xs(2-9)(式中xB是中和剂NaOH的摩尔浓度，Q是废水流量，pH=rg[H+I)作为前馈部分。利用前馈环节的超前性克服对象的大纯滞后，利用静态逆模型抑制对象的非线性，并利用一个乘积关系抑制主要干扰。经过前馈控制“粗调”能够将pH值的波动限制在给定的范围内。反馈控制环节采用PI控制，作为“细调”，可发挥PID控制作用的优势，达到克服静差、改善动态性能以达到控制精度的目的。废水流量F前懊控制环节u,=k,'Q进水刀万值出水pH设定值F!反馈控制环节而矶HM仁rpe-H,,执行单元2=Kp0(e+Iedl图2.spH控制器框图为了实现此前馈+反馈的控制方案，在中和罐入口设有废水流量计FT和pH计，将测量信号Q和pH)送给PLC。将实测的废水加碱中和滴定曲线做成pHfxBn山东大学硕士学位论文对应关系表，存入PLC中，由pHj值查表得出xe乘以废水流量，得出加碱量作为控制量，对废水的pH值进行粗调。这是前馈部分。中和罐出口处pH计检测粗调结果pH2，送入PLC进行PID反馈控制计算，算出加碱量进行微调。两次运算的结果相加送给现场执行机构，控制加碱量。2.2.2前馈+反馈控制器编程实现用PLC实现前馈控制的程序框图如图2.6所示。如前所述，式2-8和2-9是，理论上的表述，实际上没有准确的数学表达式。实现时首先依据实际的滴定曲线，按照控制范围和精度的要求，将pH值控制范围(phLph沪划分为n个区段。这图2.6前馈控制程序框图n个区段分别对应着滴定曲线上中和单位废水所需的碱量。这n个单位碱量经浓度换算、单位转换后，成为n个计算系数k;(i=1,2,"""n)，存入PLC中。因此PLC首先检查废水入口PHI的值，与预先存入的各pH值比较，确定其对应区段，从而确定相应的k;值。用当前的废水流量Q乘以k,(i=1,2,-""n)得到前馈控制输出。前馈控制将pH值调整到6.3左右后，6.8士0.5这一段基本上是线性的。故采用常规PID反馈控制。考虑到前馈控制环节的超前特性，反馈控制采用PI控制方案，以达到减小静差，满足控制精度和防止振荡的目的。反馈控制和前馈控制的输出n山东大学硕士学位论文对应关系表，存入PLC中，由pHj值查表得出xe乘以废水流量，得出加碱量作为控制量，对废水的pH值进行粗调。这是前馈部分。中和罐出口处pH计检测粗调结果pH2，送入PLC进行PID反馈控制计算，算出加碱量进行微调。两次运算的结果相加送给现场执行机构，控制加碱量。2.2.2前馈+反馈控制器编程实现用PLC实现前馈控制的程序框图如图2.6所示。如前所述，式2-8和2-9是，理论上的表述，实际上没有准确的数学表达式。实现时首先依据实际的滴定曲线，按照控制范围和精度的要求，将pH值控制范围(phLph沪划分为n个区段。这图2.6前馈控制程序框图n个区段分别对应着滴定曲线上中和单位废水所需的碱量。这n个单位碱量经浓度换算、单位转换后，成为n个计算系数k;(i=1,2,"""n)，存入PLC中。因此PLC首先检查废水入口PHI的值，与预先存入的各pH值比较，确定其对应区段，从而确定相应的k;值。用当前的废水流量Q乘以k,(i=1,2,-""n)得到前馈控制输出。前馈控制将pH值调整到6.3左右后，6.8士0.5这一段基本上是线性的。故采用常规PID反馈控制。考虑到前馈控制环节的超前特性，反馈控制采用PI控制方案，以达到减小静差，满足控制精度和防止振荡的目的。反馈控制和前馈控制的输出n山东大学硕士学位论文相加后送到执行机构作为控制输出。该方案的工程实现简单易行。利用STEP?编程语言实现前馈控制的采样、比较、算术运算、输出等，反馈控制则定义并直接调用PID模块即可。非常方便简捷。2.2.3控制效果评价该方案实施后，根据实际的运行曲线绘制的pH设定值阶跃变化一pH值变化曲线如图2.7和2.8所示。可以看出:(1)系统的静态误差在士0.2pH以内，超调最大为0ApH，达到了预期的控制精度，稳定性很好;(2)根据废水流量从40t/h--60tIh变化试验可知流量变化对于中和反应出口pH值基本无影响(图略);(3)进水pH<4.。时动态、静态误差明显增大，出现振荡趋势;(4)分析其原因主要为:①进水pH值超出滴定曲线边界;②进水组分中缓冲剂的大幅度变化影响改变了滴定曲线的形状，使得前馈模型失配;③其他原因如中和剂NaOH溶液浓度改变、设备问题等。pH87,-----------~D亡﹂t10(z00)图2.7基于逆棋型的前馈+pl反恢控制系统在设定值6.8--7.5-6.8变化时的出CIpH值曲线〔图中虚线为设定值，实线为中和反应出口p日值)n山东大学硕士学位论文相加后送到执行机构作为控制输出。该方案的工程实现简单易行。利用STEP?编程语言实现前馈控制的采样、比较、算术运算、输出等，反馈控制则定义并直接调用PID模块即可。非常方便简捷。2.2.3控制效果评价该方案实施后，根据实际的运行曲线绘制的pH设定值阶跃变化一pH值变化曲线如图2.7和2.8所示。可以看出:(1)系统的静态误差在士0.2pH以内，超调最大为0ApH，达到了预期的控制精度，稳定性很好;(2)根据废水流量从40t/h--60tIh变化试验可知流量变化对于中和反应出口pH值基本无影响(图略);(3)进水pH<4.。时动态、静态误差明显增大，出现振荡趋势;(4)分析其原因主要为:①进水pH值超出滴定曲线边界;②进水组分中缓冲剂的大幅度变化影响改变了滴定曲线的形状，使得前馈模型失配;③其他原因如中和剂NaOH溶液浓度改变、设备问题等。pH87,-----------~D亡﹂t10(z00)图2.7基于逆棋型的前馈+pl反恢控制系统在设定值6.8--7.5-6.8变化时的出CIpH值曲线〔图中虚线为设定值，实线为中和反应出口p日值)n山东大学硕士学位论文PH76卜一、、1、....，5卜·、:/工异7-、、__，-t10(0s0)图2.8基于逆模型的前馈+pl反馈控制系统在进水pH值大幅变化时的反应曲线(图中虚线为进水pH值曲线，实线为中和反应出口pH值曲线)小结:该前馈十反馈系统基于特定的废水性质设计，能够有效地克服大滞后和非线性，具有良好的精确度和鲁棒性。经过观察，正常生产时(约占95%的时间)废水指标(pH值)非常稳定。而在生产装置检修或异常时间里出现控制指标劣化的情况。原因如效果评价(4)所分析，其中关键在于非线性模型一实际的中和滴定曲线与废水指标的拟合程度。由于前馈模型失配(废水组分的大幅变化、中和剂浓度的变化和设备性能的变化等)，致使产生的动静态误差非常大，出现大的超调甚至振荡的趋势。2.3模糊前馈+pI反馈控制器由于基于逆模型的前馈+pl反馈控制器在大的pH偏差时出现模型失配现象，使控制性能劣化.为此模仿人在控制大偏差时的思路，设计了模糊前馈[35]+pl反馈控制器。2.3.1模糊控制原理模糊控制属于智能控制范畴。与传统的控制相比，具有以下优点[25][26][271(1)适用于不易获得精确数学模型的被控对象，其结构参数不很清楚或难以求得，但根据现场操作人员或有关专家的经验、知识或操作数据进行控制，可以获得满意的控制效果;(2)模糊控制是一种语言变量控制器，其控制规则只用语言变量的形式定性地表达，避开了状态方程和传递函数，力图对人们关于控制某个对象的成功与失败的经验进行加工，总结出知识，进而从中提炼出规则，直接用语言变量给出，再n山东大学硕士学位论文PH76卜一、、1、....，5卜·、:/工异7-、、__，-t10(0s0)图2.8基于逆模型的前馈+pl反馈控制系统在进水pH值大幅变化时的反应曲线(图中虚线为进水pH值曲线，实线为中和反应出口pH值曲线)小结:该前馈十反馈系统基于特定的废水性质设计，能够有效地克服大滞后和非线性，具有良好的精确度和鲁棒性。经过观察，正常生产时(约占95%的时间)废水指标(pH值)非常稳定。而在生产装置检修或异常时间里出现控制指标劣化的情况。原因如效果评价(4)所分析，其中关键在于非线性模型一实际的中和滴定曲线与废水指标的拟合程度。由于前馈模型失配(废水组分的大幅变化、中和剂浓度的变化和设备性能的变化等)，致使产生的动静态误差非常大，出现大的超调甚至振荡的趋势。2.3模糊前馈+pI反馈控制器由于基于逆模型的前馈+pl反馈控制器在大的pH偏差时出现模型失配现象，使控制性能劣化.为此模仿人在控制大偏差时的思路，设计了模糊前馈[35]+pl反馈控制器。2.3.1模糊控制原理模糊控制属于智能控制范畴。与传统的控制相比，具有以下优点[25][26][271(1)适用于不易获得精确数学模型的被控对象，其结构参数不很清楚或难以求得，但根据现场操作人员或有关专家的经验、知识或操作数据进行控制，可以获得满意的控制效果;(2)模糊控制是一种语言变量控制器，其控制规则只用语言变量的形式定性地表达，避开了状态方程和传递函数，力图对人们关于控制某个对象的成功与失败的经验进行加工，总结出知识，进而从中提炼出规则，直接用语言变量给出，再n山东大学硕士学位论文PH76卜一、、1、....，5卜·、:/工异7-、、__，-t10(0s0)图2.8基于逆模型的前馈+pl反馈控制系统在进水pH值大幅变化时的反应曲线(图中虚线为进水pH值曲线，实线为中和反应出口pH值曲线)小结:该前馈十反馈系统基于特定的废水性质设计，能够有效地克服大滞后和非线性，具有良好的精确度和鲁棒性。经过观察，正常生产时(约占95%的时间)废水指标(pH值)非常稳定。而在生产装置检修或异常时间里出现控制指标劣化的情况。原因如效果评价(4)所分析，其中关键在于非线性模型一实际的中和滴定曲线与废水指标的拟合程度。由于前馈模型失配(废水组分的大幅变化、中和剂浓度的变化和设备性能的变化等)，致使产生的动静态误差非常大，出现大的超调甚至振荡的趋势。2.3模糊前馈+pI反馈控制器由于基于逆模型的前馈+pl反馈控制器在大的pH偏差时出现模型失配现象，使控制性能劣化.为此模仿人在控制大偏差时的思路，设计了模糊前馈[35]+pl反馈控制器。2.3.1模糊控制原理模糊控制属于智能控制范畴。与传统的控制相比，具有以下优点[25][26][271(1)适用于不易获得精确数学模型的被控对象，其结构参数不很清楚或难以求得，但根据现场操作人员或有关专家的经验、知识或操作数据进行控制，可以获得满意的控制效果;(2)模糊控制是一种语言变量控制器，其控制规则只用语言变量的形式定性地表达，避开了状态方程和传递函数，力图对人们关于控制某个对象的成功与失败的经验进行加工，总结出知识，进而从中提炼出规则，直接用语言变量给出，再n山东大学硕士学位论文应用近似推理的方法进行观测与控制。(3)系统的鲁棒性强，尤其适用于非线性、时变、大滞后系统的控制;(4)从不同的观点出发，可以设计几个不同的指标函数，其语言控制规则是分别独立的，但整个系统的设计可以得到总体的协调控制。一般模糊控制器的结构如图2.4所示。输入变量经过模糊化转化为模糊变量、根据模糊规则和数据库进行模糊推理获得模糊控制量，再经解模糊转换为精确的控制量作用于被控对象。绝辈图2.4模糊控制器原理图2.3.2控制器设计思路根据上节分析的对象特性，采用了模糊前馈+pl反馈复合控制器形式。在模糊前馈装置中同时引入PH值和进水流量两个变量，以快速遏制PH值和流量的较大变化，克服大滞后和大偏差;反馈控制部分仍采用传统PI控制，以加快收敛速度减小静态误差，使PH值稳定。控制系统方框图见图2.10.进水pH值进水pH变化值出水PH设定值G(s)=ko+kds执行机构广一州中和雄PH值图2.10模糊前该+Pi反馈控制攀原理框图二维模糊控制器具有类似常规的PD控制器的作用。由线性控制理论可知，它有可能获得较好的动态特性，但却无法消除静差。在这里根据操作员的经验设计前馈模糊规则，利用其超前性和非线性控制，及时消除进水PH值和流量的大的偏差;再运用常规的PI控制进一步消除该PH值的小偏差，改善系统的静态性n山东大学硕士学位论文应用近似推理的方法进行观测与控制。(3)系统的鲁棒性强，尤其适用于非线性、时变、大滞后系统的控制;(4)从不同的观点出发，可以设计几个不同的指标函数，其语言控制规则是分别独立的，但整个系统的设计可以得到总体的协调控制。一般模糊控制器的结构如图2.4所示。输入变量经过模糊化转化为模糊变量、根据模糊规则和数据库进行模糊推理获得模糊控制量，再经解模糊转换为精确的控制量作用于被控对象。绝辈图2.4模糊控制器原理图2.3.2控制器设计思路根据上节分析的对象特性，采用了模糊前馈+pl反馈复合控制器形式。在模糊前馈装置中同时引入PH值和进水流量两个变量，以快速遏制PH值和流量的较大变化，克服大滞后和大偏差;反馈控制部分仍采用传统PI控制，以加快收敛速度减小静态误差，使PH值稳定。控制系统方框图见图2.10.进水pH值进水pH变化值出水PH设定值G(s)=ko+kds执行机构广一州中和雄PH值图2.10模糊前该+Pi反馈控制攀原理框图二维模糊控制器具有类似常规的PD控制器的作用。由线性控制理论可知，它有可能获得较好的动态特性，但却无法消除静差。在这里根据操作员的经验设计前馈模糊规则，利用其超前性和非线性控制，及时消除进水PH值和流量的大的偏差;再运用常规的PI控制进一步消除该PH值的小偏差，改善系统的静态性n山东大学硕士学位论文能.以图在大的成分变化时也能满足厌氧反应对pH值的要求。2.3.3控制器的实现(1)前馈部分前馈模型采用基于表格查询学习算法的模糊控制系统。表2.1pHl,dpH,与Ui的控制采用Mamdani控制规则，表2.2pH,、2Q与U,控制关系是利用操作员经验，用推理合成法建立模糊规则。采集系统输入一输出数据对，通过反复实验和误差反馈，选出一组较为满意的输入一输出数据对，这些数据对对应一条较好的控制曲线。如前所述，输入变量选为进水pH值pHl、进水pH值的变化率ApH,，以及进水流量F的变化量ZQ;输出为U,。其范围分别为:pH,:[0,9],dpH,二[一1,1],ZQ:[-30,30],U,:[-3,3].各变量语言值均选为尸双PM,PS,ZE,NS,NM,NB。隶属函数取三角隶属函数。如图2.11所示。入'BN凡f八SCE尸S尸人9图2.11变t模枷空间的划分及其隶属函数由数据对修正产生的模糊规则库的规则表格如表2.1,2.2所示。表2.1PH值模糊控制规则表NS用PMPSPS以CEcECEPMPSPsCENSNs服PScECENsNS服洲PS以以昭服删NBn山东大学硕士学位论文能.以图在大的成分变化时也能满足厌氧反应对pH值的要求。2.3.3控制器的实现(1)前馈部分前馈模型采用基于表格查询学习算法的模糊控制系统。表2.1pHl,dpH,与Ui的控制采用Mamdani控制规则，表2.2pH,、2Q与U,控制关系是利用操作员经验，用推理合成法建立模糊规则。采集系统输入一输出数据对，通过反复实验和误差反馈，选出一组较为满意的输入一输出数据对，这些数据对对应一条较好的控制曲线。如前所述，输入变量选为进水pH值pHl、进水pH值的变化率ApH,，以及进水流量F的变化量ZQ;输出为U,。其范围分别为:pH,:[0,9],dpH,二[一1,1],ZQ:[-30,30],U,:[-3,3].各变量语言值均选为尸双PM,PS,ZE,NS,NM,NB。隶属函数取三角隶属函数。如图2.11所示。入'BN凡f八SCE尸S尸人9图2.11变t模枷空间的划分及其隶属函数由数据对修正产生的模糊规则库的规则表格如表2.1,2.2所示。表2.1PH值模糊控制规则表NS用PMPSPS以CEcECEPMPSPsCENSNs服PScECENsNS服洲PS以以昭服删NBn山东大学硕士学位论文表2.2AROM控制规则表P人礴阴PSPSPA4P材PBPBPMNsPSPsPS阴PM阴PBcEcEPsPsPSPM阴阴Ps以CEPsPsPsPs阴阴此cEcEcE以以以模糊条件推理:根据表2.1和表2.2所列的模糊规则风(1=1^'49)，按照Mamdani推理法推理:设有万、万、乙分别是论域上X,Y,Z的模糊子集，则由模糊条件语句“if万and万then云”所决定的模糊关系万由下式计算:R=(万、B)Tx亡(2-10)其中(AxB)T为模糊关系矩阵(Ax扔7nxm构成的run维列向量，n和m分别是模糊集合A与B的论域元素数。基于推理合成规则，可求得在给定输入模糊集合属及夙下对应的输出模糊集合已为:已=[属x凰)T]}oR(2-11)其中【A,x夙)T]}为(A,x夙)T的转置。根据表2.1,2.2中的模糊关系语句确定模糊关系互(i=1,2,"""49)，各模糊关系分别如下列各式计算(简便起见下式中X，表示PHr"XZ表示ZpH=Q表示ZQ,YI表示Ulf、Y2表示U12模糊变量):R,,=[(NB)X，x(NB)X,]TX(PR)y}R,Z=[(NB)X。x(NB)d]TX(I'B);:同理::元R.=’'=[(PBB)，X.‘x(PBB)，X:]TTx(X(N,6),,=R,9'_[(PB)X.x(PB)Q]TX(峋、n山东大学硕士学位论文并根据公式进行模糊“并”运算可求得前馈控制的两个模糊关系R'和R2:尸=匆v几v⋯=Yk(2-12-1)49Y补--R2=k,VR2V⋯(2-12-2)间再根据公式2-13由加权平均法去模糊:艺X1,pr=(XI)YU=一l=1，2,"""49;n=3(2-13-1)艺/,r,;(XI)艺X2,Pr=(X2)YZI二一l=1,2,"--49;n=3(2-13-2)艺fir=(X2)其中X,，和X2，是论域中的每个元素，fir=(XU,2,)和PY,(X11.21)是其隶属度，平均值Yb和Y21就是用加权平均法求得的模糊集合儿和场的判决结果。根据操作者经验修正，就得到如表2.3,2.4所示的查询表。在实际应用中只需将查询表2.3,2.4存入控制器内存中查询即可，这样可避免庞大的计算量。表2.3模糊前饭控制查询表I一一:_:3000-1-2-2-3n山东大学硕士学位论文表2.4模糊前馈控制查询表2eQp月}—-3-2一10123_:_:一:3001)-1-2-2一:3---一‘.‘...‘.目.目...‘.........，....叫，.叫......，........(2)反馈部分考虑到前馈控制器的PD作用，反馈部分采用传统的PI控制器。目的在于改善静态性能，减小误差。基于计算机实现的PI反馈控制算法为:U2系统由原来的工况点A变到新的工况点B运行，尽管此时1x6量由Ql减小到Q21但风压反而由Hi增加到H2，轴功率F2与Q2,H:的乘积面积BH20Q:成正比，功率的减少并不多，可见耗能仍然很大。经过对于该鼓风机的运行情况观察记录，以及能力计算，可知鼓风机最大运行负荷在额定负荷的80%左右。由图3.1中可以看出，当风量下降时，用调节管道风门的方法来改变风道阻力，风机的功率下降不多，耗能仍很大。3.1.2风机变频调速节能原理交流异步电动机的转速公式为[41..__60，，__、.,一_气jJ/(3-1)P其中:。为电机转速，r/min,,f为电源频率，Hz,p为磁极对数，、为转差率。由式(3-1)可以看出，转速n与电源频率.f成正比。即改变频率可改变电机的转速。当改变风机的转速，由额定转速n，调整到某一转速n:时，理论上风量Q、风压H及轴功率p变化的关系如下:Q2二QlCnz/nt)(3-2)n山东大学硕士学位论文(1)风压管路中单位面积上风的压力，用H表示;t2)风量即空气的流量，指单位时间内排出气体的量，用Q表示。(3)功率风机的输出功率，用P表示。风机特性:(1)风压特性在转速不变的情况下，风压H和风量Q之间的关系曲线，称为风压特性曲线，如图3.1中曲线1和曲线5所示。(2)风阻特性在风门开度不变的情况一F，表示风量与风压的关系的曲线，如图3.1中曲线3,4所示.(3)风机工作点风压特性与风阻特性的交点，如图3.1中A,B,C点。(4)风机输出功率与风压和流量的乘积成I=.比。曲线2为恒速下调节风门时风机功率与流量的关系曲线。假设风机在设计时工作在A点效率最高，输出风量Q，为100%。此时，轴功率P,与Qj,Hi的乘积。即与面积AH,OQI成正比(AHiOQ，为耗能);根据生产工艺要求，当风量需从Q1减少到Q2(例如50%风量)时，如采用调节风门的方法调整风量，相当于增加了管网阻力，使管网阻力特性由曲线3变到曲线4>系统由原来的工况点A变到新的工况点B运行，尽管此时1x6量由Ql减小到Q21但风压反而由Hi增加到H2，轴功率F2与Q2,H:的乘积面积BH20Q:成正比，功率的减少并不多，可见耗能仍然很大。经过对于该鼓风机的运行情况观察记录，以及能力计算，可知鼓风机最大运行负荷在额定负荷的80%左右。由图3.1中可以看出，当风量下降时，用调节管道风门的方法来改变风道阻力，风机的功率下降不多，耗能仍很大。3.1.2风机变频调速节能原理交流异步电动机的转速公式为[41..__60，，__、.,一_气jJ/(3-1)P其中:。为电机转速，r/min,,f为电源频率，Hz,p为磁极对数，、为转差率。由式(3-1)可以看出，转速n与电源频率.f成正比。即改变频率可改变电机的转速。当改变风机的转速，由额定转速n，调整到某一转速n:时，理论上风量Q、风压H及轴功率p变化的关系如下:Q2二QlCnz/nt)(3-2)n山东大学硕士学位论文H2二H,(n2/nl)2(3-3)P2=PI(n2/nd3(3-4)可见，风量与转速的一次方成正比，风压与转速的平方成正比，轴功率与转速的三次方成正比。由图3.1可以看出当风机转速由n，降到月:，根据风机参数的比例定律，在转速。，下的风压一风量特性如曲线5所示。可见，在满足同样风量Q2的情况下，风压H3大幅度降低，功率P3(相当于面积CH30Q2)明显减小，节省的功率损耗DP=Pj-P?与面积BH2H3C成正比，节能效果十分明显。所以，采用改变风机转速的方法对风量和风压进行控制是最合理和经济的。3.2系统构成由鼓风机系统出n管道上的压力变送器测定管道的风量变化，通过PLC对管道压力信号的变换和处理，为变频调速装置提供参变量，实现对频率的自动调整，即对电机的转速进行调整，以达到根据负荷变化调整输出功率，节能降耗的目的。经过比较，我们选用西门子MICROMASTER430系列6SE6430-2UD42-OGAO变频器，与S7-300PLC组成风压变频调速自动控制装置。系统构成框图如图3.2所示。去曝气池飞IA)(B)lcY户丫、丫/丫}og#}图3.2风机变频控制系统构成图(1)工业计算机IPC。实现系统操作控制及参数的设定与显示。(2)可编程序控制器(PLC)S7-300。完成风压信一5和操作信号输入，以及PLC的控制输出。(3)变频器。选用西门子MICROMASTER430系列6SE6430-2UD42-OGAO变频器，具有手动和自动调速功能。n山东大学硕士学位论文H2二H,(n2/nl)2(3-3)P2=PI(n2/nd3(3-4)可见，风量与转速的一次方成正比，风压与转速的平方成正比，轴功率与转速的三次方成正比。由图3.1可以看出当风机转速由n，降到月:，根据风机参数的比例定律，在转速。，下的风压一风量特性如曲线5所示。可见，在满足同样风量Q2的情况下，风压H3大幅度降低，功率P3(相当于面积CH30Q2)明显减小，节省的功率损耗DP=Pj-P?与面积BH2H3C成正比，节能效果十分明显。所以，采用改变风机转速的方法对风量和风压进行控制是最合理和经济的。3.2系统构成由鼓风机系统出n管道上的压力变送器测定管道的风量变化，通过PLC对管道压力信号的变换和处理，为变频调速装置提供参变量，实现对频率的自动调整，即对电机的转速进行调整，以达到根据负荷变化调整输出功率，节能降耗的目的。经过比较，我们选用西门子MICROMASTER430系列6SE6430-2UD42-OGAO变频器，与S7-300PLC组成风压变频调速自动控制装置。系统构成框图如图3.2所示。去曝气池飞IA)(B)lcY户丫、丫/丫}og#}图3.2风机变频控制系统构成图(1)工业计算机IPC。实现系统操作控制及参数的设定与显示。(2)可编程序控制器(PLC)S7-300。完成风压信一5和操作信号输入，以及PLC的控制输出。(3)变频器。选用西门子MICROMASTER430系列6SE6430-2UD42-OGAO变频器，具有手动和自动调速功能。n山东大学硕士学位论文(4)切换装置。由继电器、接触器，开关等组成，实现1台变频器控制3台鼓风机的切换，以及在变频器故障时鼓风机的旁路工频运行。(5)压力变送器。选用CECY型电容器式变送器，测定管道的风量变化。3.3控制方式和软件实现变频控制采用“一拖三”的方式。即用1台变频控制3台鼓风机。控制主电路如图3.3所示。假设最初变频控制1号鼓风机，其工作过程如下:图3.3"1控3”主电路(1)当用风量增大，风压减小，1号风机己经到达50Hz而风压仍低时，经短暂的延时(looms)，将1号风机切换为1频运行，同时变频器的输出频率迅速降为OHz，然后使2号风机投入变频运行;(2)当2一号风机也到达50Hz而风压仍低时，又使2号风机切换为T频T作，将3号风机投入变频运行;(3)当用气量减少时，则先从1号从机，然后2号风机依次退出工作，完成一次加减风机的循环。“一拖三”的主电路如图3.3所示。图中接触器1KM2,2KM2,3KM2分别将各台风机接至变频器:接触器1KM3,2KM3,3KM3分别用于将各风机接至工频电源。变频控制子程序框图如图3.4所示。在软件设计中利用PLC定时中断功能完成数据采样，数字滤波，PID运算以及控制输出。n山东大学硕士学位论文(4)切换装置。由继电器、接触器，开关等组成，实现1台变频器控制3台鼓风机的切换，以及在变频器故障时鼓风机的旁路工频运行。(5)压力变送器。选用CECY型电容器式变送器，测定管道的风量变化。3.3控制方式和软件实现变频控制采用“一拖三”的方式。即用1台变频控制3台鼓风机。控制主电路如图3.3所示。假设最初变频控制1号鼓风机，其工作过程如下:图3.3"1控3”主电路(1)当用风量增大，风压减小，1号风机己经到达50Hz而风压仍低时，经短暂的延时(looms)，将1号风机切换为1频运行，同时变频器的输出频率迅速降为OHz，然后使2号风机投入变频运行;(2)当2一号风机也到达50Hz而风压仍低时，又使2号风机切换为T频T作，将3号风机投入变频运行;(3)当用气量减少时，则先从1号从机，然后2号风机依次退出工作，完成一次加减风机的循环。“一拖三”的主电路如图3.3所示。图中接触器1KM2,2KM2,3KM2分别将各台风机接至变频器:接触器1KM3,2KM3,3KM3分别用于将各风机接至工频电源。变频控制子程序框图如图3.4所示。在软件设计中利用PLC定时中断功能完成数据采样，数字滤波，PID运算以及控制输出。n山东大学硕士学位论文首先PLC采样压力信号和风机状态信号，进行数字滤波后，调用PID模块计算控制压力，将结果输出给变频。如不需调整设定参数，则判断是否操作输出低于或高于设定范围，超出此范围则需调用电机起停逻辑开或停一台风机电机。否则直接用变频调节风机频率改变风量。如需改变设定参数，则在IPC上输入，PLC读入后再进行采样循环。此循环利用PLC定时中断功能实现，定时2秒进行一次。信号输入数字采样图3.4风机变频控制子程序框图3.4运行效果变频调速装置安装投入运行后，阀门全部打开，在压力为50000Pa，风量为16000m3/h，即可满足生产要求。在80%左右的时间为满负荷运转，此时2台风机工频运转，一台变频运转。其参数如下:变频器输出频率为40Hz，电爪为189V，电流为180A;电机转速为2360r/min。实际运行工况在以下几个方面有了明显改善:风量〔压力)控制自动化，降低劳动强度:噪声降低，故障率降低:n山东大学硕士学位论文首先PLC采样压力信号和风机状态信号，进行数字滤波后，调用PID模块计算控制压力，将结果输出给变频。如不需调整设定参数，则判断是否操作输出低于或高于设定范围，超出此范围则需调用电机起停逻辑开或停一台风机电机。否则直接用变频调节风机频率改变风量。如需改变设定参数，则在IPC上输入，PLC读入后再进行采样循环。此循环利用PLC定时中断功能实现，定时2秒进行一次。信号输入数字采样图3.4风机变频控制子程序框图3.4运行效果变频调速装置安装投入运行后，阀门全部打开，在压力为50000Pa，风量为16000m3/h，即可满足生产要求。在80%左右的时间为满负荷运转，此时2台风机工频运转，一台变频运转。其参数如下:变频器输出频率为40Hz，电爪为189V，电流为180A;电机转速为2360r/min。实际运行工况在以下几个方面有了明显改善:风量〔压力)控制自动化，降低劳动强度:噪声降低，故障率降低:n山东大学硕士学位论文运行参数观测直观，可同时显示压力、频率、转速、电压、电流、转矩等运行参数;管道阀门全部打开，降低了压损。采用变频调速的电机减速后消耗功率P'为:P'=(40/50)'P,=0.512凡(几为额定功率)节能可达:AP=(1-0.512)P,,=48.8%P=在欠负荷运行条件下，即一台风机工频运转，另一台变频运转。变频器输出频率为23Hz。此时电机消耗功率P'为:P'=(23/50)’耳=0.0973凡(凡为额定功率)节能可达:AP=(1-0.097336)P,,=90.3%凡全年按80%时间满负荷运转，20%时间欠负荷运转，则全年节能总量为:175X0.488X24X365X0.8+175X0.903X24X365X0.2=875343kW·h875343/(175X3X24X365X0.8+175X2X24X365X0.8)=20.4%粗略计算此方式变频总节能达20.49/o,n山东大学硕士学位论文4聚醋废水处理控制系统中的逻辑控制4.1集水池、调节池液位控制在聚酌废水处理系统中，需要控制集水池和调节池的液位。控制要求是将水池液位保持在一定的工作范围内，液位既不能太高导致溢出，又不能太低导致泵空转或流量减小。根据工艺要求和控制特点，可以将液位控制简化为一系列逻辑开关控制，使液位稳定在一个合理的工作区间即可。另外，由于调节液位的操作只能通过进水阀门的开、闭或水泵的起停来完成，所以难以对液位进行准确的闭环控制。集水池的进水一是厂区生活污水、清净污水等，通过地下管网自流进入集水池，没有调节阀门;二是来自深度净化池的回流水，管路上设有一个开关阀。附设泵房一座，内有出水提升泵3台，将水抽出供下一道工序使用。液位高时，须关闭回流管道阀门，防止溢出;液位低时，须停止出水泵，防止打空。调节池进水包括来自PTA装置、PET装置和纺丝装置的高浓度废水，以及来自集水池的低浓度废水。其中集水池来水管路上装有开关阀。出口同样有2台离心泵，负责向曝气池进水，该管路上设有调节阀一台，作曝气池进水流量调节装置.当液位达到上限时，则须关闭集水池进水阀:液位低到下限时，则须停泵使液位不再下降。集水池和调节池的液位控制原理分别如图4.1和4.2所示。为了避免液位在两个界限之间来回变化使系统产生周期性的振荡，另外设定了两个解除极限状态的液位参数，即准上限和准下限。当液位从上限回落到准上限以下或者从下限上升到准下限以上时，系统恢复正常工作状态，使池水有进有出，基本上能够维持系统动态平衡。即进水阀开且水泵开.实际应用中由于两个准上限和准下限之间相距较远，进水阀和水泵都不会因为液位的小变化便频繁动作，因而不会影响设备寿命和系统稳定工作。图4.1集水池液位控制原理30n山东大学硕士学位论文4聚醋废水处理控制系统中的逻辑控制4.1集水池、调节池液位控制在聚酌废水处理系统中，需要控制集水池和调节池的液位。控制要求是将水池液位保持在一定的工作范围内，液位既不能太高导致溢出，又不能太低导致泵空转或流量减小。根据工艺要求和控制特点，可以将液位控制简化为一系列逻辑开关控制，使液位稳定在一个合理的工作区间即可。另外，由于调节液位的操作只能通过进水阀门的开、闭或水泵的起停来完成，所以难以对液位进行准确的闭环控制。集水池的进水一是厂区生活污水、清净污水等，通过地下管网自流进入集水池，没有调节阀门;二是来自深度净化池的回流水，管路上设有一个开关阀。附设泵房一座，内有出水提升泵3台，将水抽出供下一道工序使用。液位高时，须关闭回流管道阀门，防止溢出;液位低时，须停止出水泵，防止打空。调节池进水包括来自PTA装置、PET装置和纺丝装置的高浓度废水，以及来自集水池的低浓度废水。其中集水池来水管路上装有开关阀。出口同样有2台离心泵，负责向曝气池进水，该管路上设有调节阀一台，作曝气池进水流量调节装置.当液位达到上限时，则须关闭集水池进水阀:液位低到下限时，则须停泵使液位不再下降。集水池和调节池的液位控制原理分别如图4.1和4.2所示。为了避免液位在两个界限之间来回变化使系统产生周期性的振荡，另外设定了两个解除极限状态的液位参数，即准上限和准下限。当液位从上限回落到准上限以下或者从下限上升到准下限以上时，系统恢复正常工作状态，使池水有进有出，基本上能够维持系统动态平衡。即进水阀开且水泵开.实际应用中由于两个准上限和准下限之间相距较远，进水阀和水泵都不会因为液位的小变化便频繁动作，因而不会影响设备寿命和系统稳定工作。图4.1集水池液位控制原理30n山东大学硕士学位论文图4.2调节池液位控制原理4.2碱罐加碱控制碱罐为厌氧中和反应提供30%的NaOH溶液作为中和剂。碱罐中装有两个液位开关，当碱罐液位低于下限时，下限液位开关给出高电平信号，此时应开始进碱;当液位高于上限时，上限液位开关给出高电平信号，此时应停止向碱罐内注碱。加碱的执行机构是计量泵和两个电磁阀。计量泵提供进碱的动力，将贮碱槽中的碱打入碱罐:两个电磁阀一个装在进碱管道上，控制碱液的通断，另一个装在工业水管道上控制进水。正常情况下，两个电磁阀应同时开启或关闭。另外要求计量泵在两个电磁阀打开后开启，关闭之前停止，以免损坏阀门及设备。加碱逻辑控制的原理见图4.3.图4.3碱峨注碱控制原理图4.3故障报普当系统出现异常时，由PLC检测到出现问题的设备故障信号，并根据信号类型确定故障部位、种类及需要执行的操作，如亮报替灯、响报警铃，置状态标志位或关闭某些设备等。故障信号分两类，数字信号和模拟信号。数字信号由相应设备的辅助开关或现场智能仪表产生，这些信号直接触发PLC的相关操作，输出报警信号。数字信号包括提升水泵故障信号、风机故障信号、加碱计量泵异常信号、废水进水泵异常信号、电动阀开关不到位信号、厌氧反应异常信号等。模拟信号由各传感器n山东大学硕士学位论文图4.2调节池液位控制原理4.2碱罐加碱控制碱罐为厌氧中和反应提供30%的NaOH溶液作为中和剂。碱罐中装有两个液位开关，当碱罐液位低于下限时，下限液位开关给出高电平信号，此时应开始进碱;当液位高于上限时，上限液位开关给出高电平信号，此时应停止向碱罐内注碱。加碱的执行机构是计量泵和两个电磁阀。计量泵提供进碱的动力，将贮碱槽中的碱打入碱罐:两个电磁阀一个装在进碱管道上，控制碱液的通断，另一个装在工业水管道上控制进水。正常情况下，两个电磁阀应同时开启或关闭。另外要求计量泵在两个电磁阀打开后开启，关闭之前停止，以免损坏阀门及设备。加碱逻辑控制的原理见图4.3.图4.3碱峨注碱控制原理图4.3故障报普当系统出现异常时，由PLC检测到出现问题的设备故障信号，并根据信号类型确定故障部位、种类及需要执行的操作，如亮报替灯、响报警铃，置状态标志位或关闭某些设备等。故障信号分两类，数字信号和模拟信号。数字信号由相应设备的辅助开关或现场智能仪表产生，这些信号直接触发PLC的相关操作，输出报警信号。数字信号包括提升水泵故障信号、风机故障信号、加碱计量泵异常信号、废水进水泵异常信号、电动阀开关不到位信号、厌氧反应异常信号等。模拟信号由各传感器n山东大学硕士学位论文图4.2调节池液位控制原理4.2碱罐加碱控制碱罐为厌氧中和反应提供30%的NaOH溶液作为中和剂。碱罐中装有两个液位开关，当碱罐液位低于下限时，下限液位开关给出高电平信号，此时应开始进碱;当液位高于上限时，上限液位开关给出高电平信号，此时应停止向碱罐内注碱。加碱的执行机构是计量泵和两个电磁阀。计量泵提供进碱的动力，将贮碱槽中的碱打入碱罐:两个电磁阀一个装在进碱管道上，控制碱液的通断，另一个装在工业水管道上控制进水。正常情况下，两个电磁阀应同时开启或关闭。另外要求计量泵在两个电磁阀打开后开启，关闭之前停止，以免损坏阀门及设备。加碱逻辑控制的原理见图4.3.图4.3碱峨注碱控制原理图4.3故障报普当系统出现异常时，由PLC检测到出现问题的设备故障信号，并根据信号类型确定故障部位、种类及需要执行的操作，如亮报替灯、响报警铃，置状态标志位或关闭某些设备等。故障信号分两类，数字信号和模拟信号。数字信号由相应设备的辅助开关或现场智能仪表产生，这些信号直接触发PLC的相关操作，输出报警信号。数字信号包括提升水泵故障信号、风机故障信号、加碱计量泵异常信号、废水进水泵异常信号、电动阀开关不到位信号、厌氧反应异常信号等。模拟信号由各传感器n山东大学硕士学位论文产生，这些信号由PLC检测并分析判断，若不是正常值或超过某一规定极限则得出故障结论，并按照故障类型进行相应的操作。模拟信号包括厌氧罐液位、pH值、温度值等。部分故障分类和相应操作列于表4.1中。表4，I故障分类表信号来源故障类型执行操作提升泵过载保护装置101/102/103泵故障停泵、报要灯亮进水泵过载保护装置105/106泵故障停泵、报警灯亮风机过载保护装置风机故障停风机，报等灯亮、报警铃嗬营养盐泵过载保护装置营养盐泵故障停泵、报警灯亮回流泵过载保护装置回流泵故障停泵、报赞灯亮碱罐液位开关碱罐液位低于下限报等灯亮、报警铃响碱罐液位开关碱储液位高于上限外部报臀铃响厌氧罐pH计PH值<6报替灯亮厌氧嘴PH计PH值)9报带灯亮厌氧罐温度计温度值(23'C报替灯亮，开启蒸汽伴热阀门厌氧罐温度计温度值》32'C关闭蒸汽伴热阀门4.4计量泵保护和故障处理碱计量泵为废水处理加碱中和过程的执行机构，它的正常工作与否直接影响到废水处理流程的畅通，因此非常重要。同时由于计量泵电机工作于强电流、大负荷下，很容易因操作不当或过载而损坏。因此针对计量泵工作时可能出现的各种操作和异常情况，在控制系统中设计了一套逻辑保护电路，以保证设备的安全和系统的正常运转。另外，为计量泵的控制设计了一套变频控制系统，二者控制效果等同，以在冲程调节出现问题时采用变频调节。两种调节方式由PLC协调。在PLC中设置了状态开关z1和Z2,当z1闭合Z2打开时，计量泵控制采用冲程控制;反之用变频控制。n山东大学硕士学位论文产生，这些信号由PLC检测并分析判断，若不是正常值或超过某一规定极限则得出故障结论，并按照故障类型进行相应的操作。模拟信号包括厌氧罐液位、pH值、温度值等。部分故障分类和相应操作列于表4.1中。表4，I故障分类表信号来源故障类型执行操作提升泵过载保护装置101/102/103泵故障停泵、报要灯亮进水泵过载保护装置105/106泵故障停泵、报警灯亮风机过载保护装置风机故障停风机，报等灯亮、报警铃嗬营养盐泵过载保护装置营养盐泵故障停泵、报警灯亮回流泵过载保护装置回流泵故障停泵、报赞灯亮碱罐液位开关碱罐液位低于下限报等灯亮、报警铃响碱罐液位开关碱储液位高于上限外部报臀铃响厌氧罐pH计PH值<6报替灯亮厌氧嘴PH计PH值)9报带灯亮厌氧罐温度计温度值(23'C报替灯亮，开启蒸汽伴热阀门厌氧罐温度计温度值》32'C关闭蒸汽伴热阀门4.4计量泵保护和故障处理碱计量泵为废水处理加碱中和过程的执行机构，它的正常工作与否直接影响到废水处理流程的畅通，因此非常重要。同时由于计量泵电机工作于强电流、大负荷下，很容易因操作不当或过载而损坏。因此针对计量泵工作时可能出现的各种操作和异常情况，在控制系统中设计了一套逻辑保护电路，以保证设备的安全和系统的正常运转。另外，为计量泵的控制设计了一套变频控制系统，二者控制效果等同，以在冲程调节出现问题时采用变频调节。两种调节方式由PLC协调。在PLC中设置了状态开关z1和Z2,当z1闭合Z2打开时，计量泵控制采用冲程控制;反之用变频控制。n山东大学硕士学位论文5控制系统软硬件及构成根据聚酷废水处理控制任务的分析，统计出模拟量和数字量输入/输出点的数量，并考虑工艺运行操作方式的要求，本控制系统选用了西门子SIMATICS7-300PLC作为主要控制器，选用DELL的工业控制计算机(IPC)作为人机操作界面。选用此PLC+IPC系统结构主要基于其适用性、可靠性、先进性以及低成本的考虑。5.1PLC应用简介可编程序控制器(ProgrammableLogicController)简称PLC.PLC从早期的继电器逻辑控制系统发展而来，不断吸收计算机技术，使其功能不断增强，己从最初的仅有逻辑控制、顺序控制功能，发展成为具有模拟量控制、过程控制及远程联网通信等强大功能的现代PLC。国际电工委员会(IEC)1987年对PLC的定义是:PLC是专为在工业环境下应用而设计的一种数字运算操作的电子装置，是带有存储器、可以编制程序的控制器。它能够存储和执行指令，进行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术等操作，并通过数字与模拟的输入输出，控制各种类型的机械和生产过程。PLC及其相关的外围设备，都应按易于与工业控制系统形成一体，易于扩展功能的原则设计。目前，PLC以其高可靠性和高的性能价格比等一系列独特的优点，已广泛应用于工业领域的控制系统中。其主要优点如下1271[281.(1)高可靠性。这是PLC最突出的特点之一。PLC采用了微电子技术，大量的开关动作由无触点的半导体电路来完成;采用了屏蔽、滤波、隔离等抗干扰措施;吸收了计算机硬件设计和制造技术，使其具有高可靠性，能够适应工业过程控制对可靠性的较高要求。(2)灵活性。基于强大的控制功能，PLC能够完成绝大多数的控制任务。使用PLC的各种功能模块组合，配以相应的软件，就能满足工业过程控制的要求，在一定范围内可大可小，扩展灵活。(3)设计方便。其编程语言丰富、直观;软件修改方便:允许模拟调试、“线圈”接点可无限制使用、图纸简化、出图方便等特点都使得设计人员便于使用PLC.(4)具有丰富的UO接口。PLC对于不同的工业现场信号(勿直流电压、电n山东大学硕士学位论文5控制系统软硬件及构成根据聚酷废水处理控制任务的分析，统计出模拟量和数字量输入/输出点的数量，并考虑工艺运行操作方式的要求，本控制系统选用了西门子SIMATICS7-300PLC作为主要控制器，选用DELL的工业控制计算机(IPC)作为人机操作界面。选用此PLC+IPC系统结构主要基于其适用性、可靠性、先进性以及低成本的考虑。5.1PLC应用简介可编程序控制器(ProgrammableLogicController)简称PLC.PLC从早期的继电器逻辑控制系统发展而来，不断吸收计算机技术，使其功能不断增强，己从最初的仅有逻辑控制、顺序控制功能，发展成为具有模拟量控制、过程控制及远程联网通信等强大功能的现代PLC。国际电工委员会(IEC)1987年对PLC的定义是:PLC是专为在工业环境下应用而设计的一种数字运算操作的电子装置，是带有存储器、可以编制程序的控制器。它能够存储和执行指令，进行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术等操作，并通过数字与模拟的输入输出，控制各种类型的机械和生产过程。PLC及其相关的外围设备，都应按易于与工业控制系统形成一体，易于扩展功能的原则设计。目前，PLC以其高可靠性和高的性能价格比等一系列独特的优点，已广泛应用于工业领域的控制系统中。其主要优点如下1271[281.(1)高可靠性。这是PLC最突出的特点之一。PLC采用了微电子技术，大量的开关动作由无触点的半导体电路来完成;采用了屏蔽、滤波、隔离等抗干扰措施;吸收了计算机硬件设计和制造技术，使其具有高可靠性，能够适应工业过程控制对可靠性的较高要求。(2)灵活性。基于强大的控制功能，PLC能够完成绝大多数的控制任务。使用PLC的各种功能模块组合，配以相应的软件，就能满足工业过程控制的要求，在一定范围内可大可小，扩展灵活。(3)设计方便。其编程语言丰富、直观;软件修改方便:允许模拟调试、“线圈”接点可无限制使用、图纸简化、出图方便等特点都使得设计人员便于使用PLC.(4)具有丰富的UO接口。PLC对于不同的工业现场信号(勿直流电压、电n山东大学硕士学位论文流、电阻、开关量、脉冲信号等)有相应的1/0模块与工业现场的器件和设备(按钮、行程开关、接近开关、传感器与变送器、电磁开关、电机启动器、控制阀门等)直接连接。另外PLC还具有通信模块、特殊功能模块等。(5)动作快。PLC的接点动作很快，内部是微秒级的，外部是毫秒级的，远远比传统继电器的动作时间(一般为几百毫秒)快，能满足更多的工业监控任务的要求。(6)是集成的控制系统。PLC是一个完整的控制系统，提供了控制所需要的各种器件。既有控制器，又有各种继电器、计数器、定时器等控制元件。仅用PLC,就可搭建实现各种控制方案。PLC把自动化技术、计算机技术、通信技术融为一体，能够完成逻辑控制、定时/计数控制、顺序控制、A/D.D/A转换、数据处理、通讯与联网以及监控功能等。PLC控制系统应用设计主要包括两个方面:硬件设计和应用软件设计。其中硬件设计主要是选型设计和外围电路的设计;应用软件的设计则是依据控制要求和PLC指令系统来进行的。一个PLC构成的控制系统，其控制功能的强弱、控制效果的好坏，是由这两部分共同决定的。可编程序控制器应用设计的一般步骤:(1)根据工艺过程分析控制要求。如需要完成的动作(动作顺序、动作条件、必须的保护和联锁等)、操作方式(手动、自动、单步、单周期等);(2)根据控制要求确定系统的控制方案;(3)根据工艺要求确定系统的运行方式;(4)根据控制要求确定用户所需的输入/输出设备，据此确定系统的1/0点数;(5)选择PLC;(6)分配PLC的1/O点，设计1/O连线图;(7)PLC应用程序设计，可同时进行硬件和现场设备施工安装调试;(8)联机调试。如不满足要求则返回修改程序或检查硬件接线，直到满足要求为止;(9)编制文件;(10)交付使用。n山东大学硕士学位论文应用软件设计的基本原则:(1)对CPU外围设备的管理，由系统自身完成，不必由应用人员再行处理;程序设计时，一般只需关注用户程序;(2)对信号的输入、输出统一操作，确定各个信号在同一周期内为唯一状态:避免因同一信号不同状态而引起的逻辑混乱;(3)由于CPU在每个操作周期内都固定进行某些操作服务，占用一定机器时间，使周期时间不能无限期缩短;(4)计时器的时间设定值不能小于周期扫描时间，而且在定时器设定时间不是扫描周期的整数倍的时候，会有定时误差;(5)用户程序中如果多次对同一变量进行赋值操作，则最后一次赋值有效，且前几次操作结果不影响实际输出状态;(6)程序设计的基本内容包括:参数表的定义、程序框图的绘制、程序编制和程序说明书编写四项内容。5.2S7-300的物理与逻辑结构根据聚醋废水处理系统的规模和控制要求，控制系统选用了西门子公司的S7-300PLC.S7-300是小型化的PLC系统，但能满足中等性能要求的应用。模块化、无排风扇结构，易于实现分布、易于用户掌握等特点使S7-300非常适用于本系统。S7-300功能强、速度快、扩展灵活，系统结构如图5.1所示。其主要组成部分为[23][241:导轨(RACK)、电源模块(PI)、中央处理单元CPU模块、接口模块(IM)、信号模块(SM)、功能模块(FM)等。通过MPI网的接口可直接与编程器、操作员面板OP,IPC或其他S7PLC连接。其结构如图5.1所示。导轨是安装S7-300各模块的机架.它是特制不锈钢异形板，其长度有160,482,530,830,2000(mm)五种，用户可根据需要选择。电源模板、CPU模块及其他模块都安装在它上面。S7-300采用背板总线的方式将各模块从物理上和电气上连接起来.除CPU模块外，每块信号模块都带有总线连接器，安装时先将总线连接器连到CPU模块上并固定在导轨上，再依次安装各模块。S7-300是模块化的组合结构。根据不同的应用，可选用不同数量和不同型号的模块，将他们安装在同一机架或几个机架上。CPU-3巧最大可扩展到4个机架。n山东大学硕士学位论文应用软件设计的基本原则:(1)对CPU外围设备的管理，由系统自身完成，不必由应用人员再行处理;程序设计时，一般只需关注用户程序;(2)对信号的输入、输出统一操作，确定各个信号在同一周期内为唯一状态:避免因同一信号不同状态而引起的逻辑混乱;(3)由于CPU在每个操作周期内都固定进行某些操作服务，占用一定机器时间，使周期时间不能无限期缩短;(4)计时器的时间设定值不能小于周期扫描时间，而且在定时器设定时间不是扫描周期的整数倍的时候，会有定时误差;(5)用户程序中如果多次对同一变量进行赋值操作，则最后一次赋值有效，且前几次操作结果不影响实际输出状态;(6)程序设计的基本内容包括:参数表的定义、程序框图的绘制、程序编制和程序说明书编写四项内容。5.2S7-300的物理与逻辑结构根据聚醋废水处理系统的规模和控制要求，控制系统选用了西门子公司的S7-300PLC.S7-300是小型化的PLC系统，但能满足中等性能要求的应用。模块化、无排风扇结构，易于实现分布、易于用户掌握等特点使S7-300非常适用于本系统。S7-300功能强、速度快、扩展灵活，系统结构如图5.1所示。其主要组成部分为[23][241:导轨(RACK)、电源模块(PI)、中央处理单元CPU模块、接口模块(IM)、信号模块(SM)、功能模块(FM)等。通过MPI网的接口可直接与编程器、操作员面板OP,IPC或其他S7PLC连接。其结构如图5.1所示。导轨是安装S7-300各模块的机架.它是特制不锈钢异形板，其长度有160,482,530,830,2000(mm)五种，用户可根据需要选择。电源模板、CPU模块及其他模块都安装在它上面。S7-300采用背板总线的方式将各模块从物理上和电气上连接起来.除CPU模块外，每块信号模块都带有总线连接器，安装时先将总线连接器连到CPU模块上并固定在导轨上，再依次安装各模块。S7-300是模块化的组合结构。根据不同的应用，可选用不同数量和不同型号的模块，将他们安装在同一机架或几个机架上。CPU-3巧最大可扩展到4个机架。n山东大学硕士学位论文IM360/361接口模块将S7-300背板总线从一个机架连接到另一个机架。FcI#*Zf-AiPtL0C-图5.1S7-300PLC系统结构框图中央处理单元总是在0号机架的2号槽位上，I号槽位总是电源模块，3号槽总是接口模块，4.11号槽位可自由分配信号模块、功能模块和通信模块。槽位号是相对的，每一机架的导轨并不存在物理的槽位。装在0号机架3号槽的接口模块IM-360，通过专用电缆将数据从IM360发送到IM-361.IM-360到IM-361的距离最大不能超过10米。模块IM-361具有接收功能，用于S7-300向机架1一机架3扩展。它除了具有数据传输功能，即接收IM-360通过专用电缆传来的数据，或者把数据从IM-361传到另一个IM-361，还能将24V直流电压转换为5V直流电压，给所在机架的背板总线提供直流电源00机架上的5V直流电源由CPU模块产生。每个机架上所能安装的模块数量除了不能超过8块外，还受到背板总线供电电流的限制，即每个机架上的模块所消耗的电流总和应小于该机架供电的最大电流。模拟f*出1模拟A*3出效字全愉入数字t抽入I数字Im出数字t物出接口模块模块模块SWM33k2{S$4M3A32机架ISM321SMMA21}SFMA3A22SM322384--3911400--40740.0--43.744.0-47.7148.0-49.760.0一51.7电撅模块CPU模块接口棋块椒拟f艳入棋拟f箱入模拟t翰入棋拟盆翱入架0通信棋块模块模块棋块模块PS307SN331SM331SM331SM331315IIM36FCP343-1272287288303304--319320-335圈52PLC模块结构与地址示意圈n山东大学硕士学位论文根据机架上模块的类型，地址可以为输入(I)或输出(O)。数字I/0模块每个槽位划分为4Byte(相当于32个110点)，模拟UO模块每槽位划分为16Byte(等于8个模拟量通道)，每个模拟量输入或输出通道的地址总是8位的(一个字地址)。模块位置和编程地址的对应关系参见图5,2.5.3聚醋废水处理PLC控制系统硬件构成5.3.1系统分析本文所研究的聚酷废水处理系统共有87个输入/输出信号。表5.1-5.4列出了聚醋废水处理控制系统中PLC的输入与输出信号。根据模拟量和数字量输入1输出点的数量、控制任务的分析、以及工艺操作运行方式的要求，本控制系统选用了西门子SIMATICS7-300PLC作为主要控制器，选用DELL的工业控制计算机作为人机操作界面。PLC部分包括一个中央处理器单元CPU315,2个数字量输入模块SM-321,2个数字量输出模块SM-322,4个模拟量输入模块SM-331和2个模拟量输出模块SM-332，一个通讯模块CP343-1。模块位置如图5.2所示。表5.I模拟输入信号表序弓测量点信号类别输入2输出(u/0数量1各装置废水流入童模拟z南、北一曝进口废水流量模拟3进厌氧装置废水流量模拟4各曝气他进口空气流量模拟5各曝气池进口空气压力模拟6南、北一曝进口pH值模拟7厌氧中和罐进、出口PH值模拟8厌氧储PH值模拟9调节池、集水池液位模拟10厌氧端温度模拟11各曝气池温度模拟合计表5.2模拟轴出信号表序号名称信号类别输N输出数里0碱计盘泵冲程控制模拟0进厌氧雄流量控制模拟0进曝气池流盆控制模拟0曝气池鼓风压力控制模拟0厌氧摊加热燕汽阀控制模拟合计n山东大学硕士学位论文根据机架上模块的类型，地址可以为输入(I)或输出(O)。数字I/0模块每个槽位划分为4Byte(相当于32个110点)，模拟UO模块每槽位划分为16Byte(等于8个模拟量通道)，每个模拟量输入或输出通道的地址总是8位的(一个字地址)。模块位置和编程地址的对应关系参见图5,2.5.3聚醋废水处理PLC控制系统硬件构成5.3.1系统分析本文所研究的聚酷废水处理系统共有87个输入/输出信号。表5.1-5.4列出了聚醋废水处理控制系统中PLC的输入与输出信号。根据模拟量和数字量输入1输出点的数量、控制任务的分析、以及工艺操作运行方式的要求，本控制系统选用了西门子SIMATICS7-300PLC作为主要控制器，选用DELL的工业控制计算机作为人机操作界面。PLC部分包括一个中央处理器单元CPU315,2个数字量输入模块SM-321,2个数字量输出模块SM-322,4个模拟量输入模块SM-331和2个模拟量输出模块SM-332，一个通讯模块CP343-1。模块位置如图5.2所示。表5.I模拟输入信号表序弓测量点信号类别输入2输出(u/0数量1各装置废水流入童模拟z南、北一曝进口废水流量模拟3进厌氧装置废水流量模拟4各曝气他进口空气流量模拟5各曝气池进口空气压力模拟6南、北一曝进口pH值模拟7厌氧中和罐进、出口PH值模拟8厌氧储PH值模拟9调节池、集水池液位模拟10厌氧端温度模拟11各曝气池温度模拟合计表5.2模拟轴出信号表序号名称信号类别输N输出数里0碱计盘泵冲程控制模拟0进厌氧雄流量控制模拟0进曝气池流盆控制模拟0曝气池鼓风压力控制模拟0厌氧摊加热燕汽阀控制模拟合计n山东大学硕士学位论文根据机架上模块的类型，地址可以为输入(I)或输出(O)。数字I/0模块每个槽位划分为4Byte(相当于32个110点)，模拟UO模块每槽位划分为16Byte(等于8个模拟量通道)，每个模拟量输入或输出通道的地址总是8位的(一个字地址)。模块位置和编程地址的对应关系参见图5,2.5.3聚醋废水处理PLC控制系统硬件构成5.3.1系统分析本文所研究的聚酷废水处理系统共有87个输入/输出信号。表5.1-5.4列出了聚醋废水处理控制系统中PLC的输入与输出信号。根据模拟量和数字量输入1输出点的数量、控制任务的分析、以及工艺操作运行方式的要求，本控制系统选用了西门子SIMATICS7-300PLC作为主要控制器，选用DELL的工业控制计算机作为人机操作界面。PLC部分包括一个中央处理器单元CPU315,2个数字量输入模块SM-321,2个数字量输出模块SM-322,4个模拟量输入模块SM-331和2个模拟量输出模块SM-332，一个通讯模块CP343-1。模块位置如图5.2所示。表5.I模拟输入信号表序弓测量点信号类别输入2输出(u/0数量1各装置废水流入童模拟z南、北一曝进口废水流量模拟3进厌氧装置废水流量模拟4各曝气他进口空气流量模拟5各曝气池进口空气压力模拟6南、北一曝进口pH值模拟7厌氧中和罐进、出口PH值模拟8厌氧储PH值模拟9调节池、集水池液位模拟10厌氧端温度模拟11各曝气池温度模拟合计表5.2模拟轴出信号表序号名称信号类别输N输出数里0碱计盘泵冲程控制模拟0进厌氧雄流量控制模拟0进曝气池流盆控制模拟0曝气池鼓风压力控制模拟0厌氧摊加热燕汽阀控制模拟合计n山东大学硕士学位论文表5.3开关t粉入信号表序号名称信号类别翰入了铀出数t碱计盆泵运行状态开关集水池提升泵状态开关调节池出水泵状态开关厌氧罐回流泵状态开关营养盐泵状态开关深度净化池回流泵状态开关深净池回流电磁阀状态开关集水池进调节池阀状态开关鼓风机状态开关碱罐高低限开关开关碱嫂进碱计量泵状态开关鼓风机变频运行参数开关合计表5.4开关A输出信号表序号名称信号类别输入/i9出数量1碱计是泵自动运行信号开关O.2集水池液位越限停泵控制开关O13调节池液位越限停泵控制开关O14厌氧回流泵切换控制开关O15深净池回流泵切换控制开关O16营养盐泵切换控制开关O17深净池回流电磁阀控制开关0.8集水池进调节池阀控制开关O19碱皓加碱泵控制开关O110碱雄液位高低限报苦开关O1I厌氧罐液位高低限报替开关O112调节池液位高低限报替开关O213厌氧峪pH值上下限报香开关O214厌氧嫂温度低限报苦开关O115中和雄出口pH值低限报开关O1合计175.3.2S7-300硬件配里数字量输入模块SM321将现场过程送来的数字信号电平转换为S7-300内部信号电平。n山东大学硕士学位论文表5.3开关t粉入信号表序号名称信号类别翰入了铀出数t碱计盆泵运行状态开关集水池提升泵状态开关调节池出水泵状态开关厌氧罐回流泵状态开关营养盐泵状态开关深度净化池回流泵状态开关深净池回流电磁阀状态开关集水池进调节池阀状态开关鼓风机状态开关碱罐高低限开关开关碱嫂进碱计量泵状态开关鼓风机变频运行参数开关合计表5.4开关A输出信号表序号名称信号类别输入/i9出数量1碱计是泵自动运行信号开关O.2集水池液位越限停泵控制开关O13调节池液位越限停泵控制开关O14厌氧回流泵切换控制开关O15深净池回流泵切换控制开关O16营养盐泵切换控制开关O17深净池回流电磁阀控制开关0.8集水池进调节池阀控制开关O19碱皓加碱泵控制开关O110碱雄液位高低限报苦开关O1I厌氧罐液位高低限报替开关O112调节池液位高低限报替开关O213厌氧峪pH值上下限报香开关O214厌氧嫂温度低限报苦开关O115中和雄出口pH值低限报开关O1合计175.3.2S7-300硬件配里数字量输入模块SM321将现场过程送来的数字信号电平转换为S7-300内部信号电平。n山东大学硕士学位论文对现场输入元件，仅要求提供开关触点。数字信号进入模块后，经过光电隔离和滤波，再送入缓冲器等待CPU采样。采样时，信号通过背板总线进入到输入映象区。SM321有4种模块型号可供选择:直流16点输入、直流32点输入、交流16点输入、交流8点输入。本系统选用的是直流32点输入模块。它采用24V直流负载电压，光祸隔离，典型输入延迟时间为1.2-4.8ms，消耗背板总线电流最大为25mAo数字量输出模块SM332将S7-300内部信号电平转换为过程所需要的外部信号电平。可直接用于驱动电磁阀、接触器、小型电机、灯和电动机启动器等。按负载回路使用的电源不同分为:直流输出模块、交流输出模块和交直流两用输出模块。按输出开关器件的种类不同又可分为:晶体管输出方式、可控硅输出方式和继电器触点输出方式。晶体管输出方式的模块，只能带直流负载，属于直流输出模块;可控硅输出方式属于交流输出模块;继电器触点输出模块属于交直流两用输出模块。从响应速度上看，晶体管响应最快，继电器最慢;从安全隔离效果和应用灵活性角度看，以继电器触点输出型为最佳。SM322有7种型号模块可供选择:8点/16点/32点晶体管输出、8点/16点可控硅输出、8点/16点继电器触点输出模块。本系统采用的是16点晶体管输出模块。它采用24V直流电压供电，光电祸合与背板总线隔离，最大输出电流0.5A,在阻性负载下的开关频率可达到IOOHz,消耗背板总线电流约90mA.SM331模拟量输入模块是由A/D转换部件、模拟切换开关、补偿电路、光电隔离部件、恒流源、逻辑电路等组成。A/D转换部件是该模块的核心。它采用积分方法进行转换。积分时间直接影响转换时间和转换精度。被测模拟量的精度是积分时间的正函数，即积分时间越长、A/D转换精度越高。SM331有四档可选积分时IrEl:2.5ms,16.7ms,20ms和looms。相对应的以位表示的精度为:9,12,12,14位。每一种积分时间有一个最佳噪声抑制频率，以上四种积分时间分别对应:40OHz,60Hz,50Hz,IOHz。在我国为了抑制工频及其谐波的干扰，一般选用20ms的积分时间。SM331的转换时间包括由积分时间决定的基本转换时间和用于电阻测量、断线监视的附加转换时间。对应上述四种积分时间的基本转换时间分别为:3ms,17ms,22ms,102ms。电阻测量的附加转换时间是lms，断线监视的附加时间是Toms，电阻测量和断线监视都有的附加时间为16mson山东大学硕士学位论文SM331的8个模拟量通道共用一个积分式A/D转换部件，即通过模拟切换开关，各输入通道一个接一个地顺序转换。某一通道从开始转换模拟量输入开始，一直持续到再次开始转换的时间称模拟量输入模块的循环时间。它是模块中所有活动的模拟量输入通道的转换时间总和。实际上，循环时间是对外部模拟量输入的采样间隔时间。为了缩短循环时间，应该用STEP7组态工具屏蔽掉不用的模拟量输入通道，使其不占用循环时间。对于一个积分时间20ms.8个输入通道都接有外部信号且都需要断线监视的SM331模块，其循环时间为(22+10)*8=256ms。因此，对于采样时间要求更快一些的场合，优先选用二输入通道的SM331模块。对于本系统来说，由于对采样速度要求不高，故选用8输入通道的SM331模块。SM331Al8*12位模块的电气原理图见图5.3.圈5.3棋拟11%入模块SH331A18X12位的电气原理图SM331模块的每两个输入通道构成一个输入通道组，可以按通道组任意选择测量方法和测量范围。模块上需接24VDC的负载电压，有反极性保护功能;对于变送器和热电偶输入具有短路保护功能。模块与CPU和负载电压之间是光电隔离的。SM332模拟量输出模块有2*12位和4*12位两种形式的模块。前者是2通道的模拟量输出模块，后者是4通道的模拟量输出模块.除了通道数不同，二者的工作原理、性能、技术参数等都完全相同。其原理如图5.4所示。模拟量输出模块的转换时间包括内部存储器传送数字化输出值的时间和数模转换的时间。各输出通道的转换是顺序进行的，模块的循环时间是所有活动的输出量通道转换时间的总和。模拟量输出的响应时间是一个重要指标。响应时间就是在内部存储器出现数字量输出值开始到模拟量到达规定值为止所用的时间总和。它与负载特性n山东大学硕士学位论文有关。SM332可以输出电压，也可以输出电流。输出电压时，可以采用两线回路或四线回路两种方式与负载连接。采用四线回路能获得比较高的精度，所以本系统采用四线回路接法。}__匕背板总线光电隔离厅几不于一三户不毛二二CND一一一一一斗-_二)下二二一CII1气一I-粉一县C甘2CH3内部电忍一一二一__Il}图5.4SM332A04x12位模拟量输出棋块的电气原理图5.4S7-300PLC的编程环境与循环扫描5.4.1S7-300PLC的编程环境PLC中的程序由两部分组成，一是操作系统，二是用户程序。操作系统由可编程序控制器厂家提供，它支持用户程序的运行;用户程序是用户为完成特定的控制任务而编写的应用程序，如设备管理、控制逻辑等。要开发应用程序，就要用到PLC的编程语言。S7-300PLC的编程语言是STEP7。它用文件块的形式管理用户编写的程序和程序运行所需的数据。如果这些文件块是子程序，可以通过调用语句，将他们组成结构化的用户程序。这样，PLC的程序组织明确，结构清晰，易于修改。通常，用户程序由组织块(OB)、功能块(FB.FC)、数据块(DB)构成。其中，OB是系统操作程序与用户应用程序在各种条件下的接口界面，用于控制程序运行.OB块根据操作系统调用的条件(如时间中断、报警中断等)分成几种类型，这些类型有不同的优先级，高优先级的OB可以中断低优先级的OBo每个S7CPU包含一套可编程的OB块(随CPU的不同而不同)，每种OB块执行特定的功能.OBI是主程序循环块，在任何情况下，它都是需要的。根据过程控制的复杂程度，可将所有程序放入OBI中进行线性编程，或将程序用不同的逻辑块加以结构化，通过OBI调用这些逻辑块。n山东大学硕士学位论文有关。SM332可以输出电压，也可以输出电流。输出电压时，可以采用两线回路或四线回路两种方式与负载连接。采用四线回路能获得比较高的精度，所以本系统采用四线回路接法。}__匕背板总线光电隔离厅几不于一三户不毛二二CND一一一一一斗-_二)下二二一CII1气一I-粉一县C甘2CH3内部电忍一一二一__Il}图5.4SM332A04x12位模拟量输出棋块的电气原理图5.4S7-300PLC的编程环境与循环扫描5.4.1S7-300PLC的编程环境PLC中的程序由两部分组成，一是操作系统，二是用户程序。操作系统由可编程序控制器厂家提供，它支持用户程序的运行;用户程序是用户为完成特定的控制任务而编写的应用程序，如设备管理、控制逻辑等。要开发应用程序，就要用到PLC的编程语言。S7-300PLC的编程语言是STEP7。它用文件块的形式管理用户编写的程序和程序运行所需的数据。如果这些文件块是子程序，可以通过调用语句，将他们组成结构化的用户程序。这样，PLC的程序组织明确，结构清晰，易于修改。通常，用户程序由组织块(OB)、功能块(FB.FC)、数据块(DB)构成。其中，OB是系统操作程序与用户应用程序在各种条件下的接口界面，用于控制程序运行.OB块根据操作系统调用的条件(如时间中断、报警中断等)分成几种类型，这些类型有不同的优先级，高优先级的OB可以中断低优先级的OBo每个S7CPU包含一套可编程的OB块(随CPU的不同而不同)，每种OB块执行特定的功能.OBI是主程序循环块，在任何情况下，它都是需要的。根据过程控制的复杂程度，可将所有程序放入OBI中进行线性编程，或将程序用不同的逻辑块加以结构化，通过OBI调用这些逻辑块。n山东大学硕士学位论文有关。SM332可以输出电压，也可以输出电流。输出电压时，可以采用两线回路或四线回路两种方式与负载连接。采用四线回路能获得比较高的精度，所以本系统采用四线回路接法。}__匕背板总线光电隔离厅几不于一三户不毛二二CND一一一一一斗-_二)下二二一CII1气一I-粉一县C甘2CH3内部电忍一一二一__Il}图5.4SM332A04x12位模拟量输出棋块的电气原理图5.4S7-300PLC的编程环境与循环扫描5.4.1S7-300PLC的编程环境PLC中的程序由两部分组成，一是操作系统，二是用户程序。操作系统由可编程序控制器厂家提供，它支持用户程序的运行;用户程序是用户为完成特定的控制任务而编写的应用程序，如设备管理、控制逻辑等。要开发应用程序，就要用到PLC的编程语言。S7-300PLC的编程语言是STEP7。它用文件块的形式管理用户编写的程序和程序运行所需的数据。如果这些文件块是子程序，可以通过调用语句，将他们组成结构化的用户程序。这样，PLC的程序组织明确，结构清晰，易于修改。通常，用户程序由组织块(OB)、功能块(FB.FC)、数据块(DB)构成。其中，OB是系统操作程序与用户应用程序在各种条件下的接口界面，用于控制程序运行.OB块根据操作系统调用的条件(如时间中断、报警中断等)分成几种类型，这些类型有不同的优先级，高优先级的OB可以中断低优先级的OBo每个S7CPU包含一套可编程的OB块(随CPU的不同而不同)，每种OB块执行特定的功能.OBI是主程序循环块，在任何情况下，它都是需要的。根据过程控制的复杂程度，可将所有程序放入OBI中进行线性编程，或将程序用不同的逻辑块加以结构化，通过OBI调用这些逻辑块。n山东大学硕士学位论文功能块FB,FC实际上是用户子程序，二者的区别是，FB是带“记忆”的功能块，FC是不带“记忆”的功能块。前者带有一个数据结构与该功能块的参数表完全相同的数据块DB。该数据块DB叫做背景数据块，它附属于FB，随FB的调用而打开，随FB调用结束而关闭。存放在背景数据块中的数据在FB调用结束时能继续保持，也即被“记忆”。功能块FC没有背景数据块，当FC完成操作后数据不能保持。S7CPU还提供标准系统功能块(SFB,SFC)，它们是预先编好的、经过测试集成在S7CPU中的功能程序库。它们是操作系统的一部分，不需要作为用户程序下载到PLC中运行。用户可直接调用它们，以高效编制应用程序。S7系列PLC的编程语言非常丰富。有梯形图(LAD)、语句表(STL)、标准控制语言(SCL)、顺序控制(GRAPH)、状态图(HIGRAPH)、连续功能图(CFC),C语言(CFORS7)等等。用户可以选择一种语言编程，也可以根据需要选用两种以上的语言编程。本系统选用梯形图语言编程。梯形图语言是在原电气控制系统中常用的接触器、继电器梯形图基础上演变而来的。它形象、直观、实用，为控制技术人员所熟悉，是PLC的主要编程语5.4.2S7-300PLC的循环扫描工作过程可编程序控制器的CPU采用分时操作的原理。每一时刻执行一个动作，随着时间的延伸一个动作接一个动作顺序地进行。这种分时操作进程称为CPU对程序的扫描。PLC用户程序由若干条指令组成，指令在存储器中按序号顺序排列。CPU从第一条指令开始，顺序逐条地执行用户指令，直到程序结束。然后返回第一条指令开始新一轮扫描。PLC就是这样周而复始地进行循环扫描。除了执行用户程序外，在每次扫描过程中还要完成输入、输出处理等工作。扫描一次所用的时间称为扫描周期。扫描周期与用户程序的长度及扫描速度有关。典型值在1一looms之间。PLC接通电源后，在进行扫描之前，PLC首先确定自身的完好性，这是起始操作的主要工作。PLC进行清零和复位处理，消除各元件状态的随机性;检查UO单元连接的正确性;启动监控定时器TO，执行一段涉及到各种指令和内存单元的程序。如果所用时间不超过TO，则证实自身完好，否则系统关闭。接着将TO定时器复位，允许扫描用户程序。n山东大学硕士学位论文功能块FB,FC实际上是用户子程序，二者的区别是，FB是带“记忆”的功能块，FC是不带“记忆”的功能块。前者带有一个数据结构与该功能块的参数表完全相同的数据块DB。该数据块DB叫做背景数据块，它附属于FB，随FB的调用而打开，随FB调用结束而关闭。存放在背景数据块中的数据在FB调用结束时能继续保持，也即被“记忆”。功能块FC没有背景数据块，当FC完成操作后数据不能保持。S7CPU还提供标准系统功能块(SFB,SFC)，它们是预先编好的、经过测试集成在S7CPU中的功能程序库。它们是操作系统的一部分，不需要作为用户程序下载到PLC中运行。用户可直接调用它们，以高效编制应用程序。S7系列PLC的编程语言非常丰富。有梯形图(LAD)、语句表(STL)、标准控制语言(SCL)、顺序控制(GRAPH)、状态图(HIGRAPH)、连续功能图(CFC),C语言(CFORS7)等等。用户可以选择一种语言编程，也可以根据需要选用两种以上的语言编程。本系统选用梯形图语言编程。梯形图语言是在原电气控制系统中常用的接触器、继电器梯形图基础上演变而来的。它形象、直观、实用，为控制技术人员所熟悉，是PLC的主要编程语5.4.2S7-300PLC的循环扫描工作过程可编程序控制器的CPU采用分时操作的原理。每一时刻执行一个动作，随着时间的延伸一个动作接一个动作顺序地进行。这种分时操作进程称为CPU对程序的扫描。PLC用户程序由若干条指令组成，指令在存储器中按序号顺序排列。CPU从第一条指令开始，顺序逐条地执行用户指令，直到程序结束。然后返回第一条指令开始新一轮扫描。PLC就是这样周而复始地进行循环扫描。除了执行用户程序外，在每次扫描过程中还要完成输入、输出处理等工作。扫描一次所用的时间称为扫描周期。扫描周期与用户程序的长度及扫描速度有关。典型值在1一looms之间。PLC接通电源后，在进行扫描之前，PLC首先确定自身的完好性，这是起始操作的主要工作。PLC进行清零和复位处理，消除各元件状态的随机性;检查UO单元连接的正确性;启动监控定时器TO，执行一段涉及到各种指令和内存单元的程序。如果所用时间不超过TO，则证实自身完好，否则系统关闭。接着将TO定时器复位，允许扫描用户程序。n山东大学硕士学位论文PLC扫描过程如图5.5所示。执输!日愉行出|输出用映叫出国驱户象缓动程存|冲日电序储器路器一输入采样阶段扫描程序阶段输出服11新阶段一~~-----林~~归一---卜‘‘，，，，，，~~-一~户.阅卜一---一一图5.5S7-300PLC扫描过程5.5PLC软件设计5.5.1程序结构整个用户程序由控制和操作界面两部分组成。这两部分程序分别存放于CPU3巧和工业计算机的程序存储器中。控制部分的程序在CPU315中运行，主要完成数据采集与处理、控制算法、控制流程等功能。操作界面程序由工业计算机运行，但可以通过通讯接口访问PLC数据和变量，可操作性和实时性很强。控制程序的主要模块有:主程序OBI、初始化模块OB100、采样模块OB35,pH值控制模块FC1--FC3、数据处理模块FC63、共享数据块DB1,DB3等。操作界面程序采用的是可视化的编程环境和面向对象的设计方法。每一个操作界面及其相应的功能构成一个完整的程序块，而它所需要的输入输出数据都要事先设置地址和名称，与CPU315中的数据有一一对应的关系。S7-300的存储区结构如图5.6所示。CPU有三个基本存储区，包括系统存储区、装载存储区和工作存储区。其中系统存储区为RAM类型，用于存放操作数据〔v0、位存储、计数器、定时器等)，装载存储区在物理上是CPU的部分RAM.加上内置的EEPROM或选用的可拆卸EEPROM卡，用于存放用户程序;工作存储区在物理上占用CPU模块部分的RAM，其存储内容是CPU运行时所执行的用户程序单元的复制件。CPU工作存储区也为程序块的调用安排了一定数量的本地临时数据存储区域，称为L堆栈。L堆栈中的数据在程序块工作时有效，并一直保持。当新的块n山东大学硕士学位论文PLC扫描过程如图5.5所示。执输!日愉行出|输出用映叫出国驱户象缓动程存|冲日电序储器路器一输入采样阶段扫描程序阶段输出服11新阶段一~~-----林~~归一---卜‘‘，，，，，，~~-一~户.阅卜一---一一图5.5S7-300PLC扫描过程5.5PLC软件设计5.5.1程序结构整个用户程序由控制和操作界面两部分组成。这两部分程序分别存放于CPU3巧和工业计算机的程序存储器中。控制部分的程序在CPU315中运行，主要完成数据采集与处理、控制算法、控制流程等功能。操作界面程序由工业计算机运行，但可以通过通讯接口访问PLC数据和变量，可操作性和实时性很强。控制程序的主要模块有:主程序OBI、初始化模块OB100、采样模块OB35,pH值控制模块FC1--FC3、数据处理模块FC63、共享数据块DB1,DB3等。操作界面程序采用的是可视化的编程环境和面向对象的设计方法。每一个操作界面及其相应的功能构成一个完整的程序块，而它所需要的输入输出数据都要事先设置地址和名称，与CPU315中的数据有一一对应的关系。S7-300的存储区结构如图5.6所示。CPU有三个基本存储区，包括系统存储区、装载存储区和工作存储区。其中系统存储区为RAM类型，用于存放操作数据〔v0、位存储、计数器、定时器等)，装载存储区在物理上是CPU的部分RAM.加上内置的EEPROM或选用的可拆卸EEPROM卡，用于存放用户程序;工作存储区在物理上占用CPU模块部分的RAM，其存储内容是CPU运行时所执行的用户程序单元的复制件。CPU工作存储区也为程序块的调用安排了一定数量的本地临时数据存储区域，称为L堆栈。L堆栈中的数据在程序块工作时有效，并一直保持。当新的块n山东大学硕士学位论文PLC扫描过程如图5.5所示。执输!日愉行出|输出用映叫出国驱户象缓动程存|冲日电序储器路器一输入采样阶段扫描程序阶段输出服11新阶段一~~-----林~~归一---卜‘‘，，，，，，~~-一~户.阅卜一---一一图5.5S7-300PLC扫描过程5.5PLC软件设计5.5.1程序结构整个用户程序由控制和操作界面两部分组成。这两部分程序分别存放于CPU3巧和工业计算机的程序存储器中。控制部分的程序在CPU315中运行，主要完成数据采集与处理、控制算法、控制流程等功能。操作界面程序由工业计算机运行，但可以通过通讯接口访问PLC数据和变量，可操作性和实时性很强。控制程序的主要模块有:主程序OBI、初始化模块OB100、采样模块OB35,pH值控制模块FC1--FC3、数据处理模块FC63、共享数据块DB1,DB3等。操作界面程序采用的是可视化的编程环境和面向对象的设计方法。每一个操作界面及其相应的功能构成一个完整的程序块，而它所需要的输入输出数据都要事先设置地址和名称，与CPU315中的数据有一一对应的关系。S7-300的存储区结构如图5.6所示。CPU有三个基本存储区，包括系统存储区、装载存储区和工作存储区。其中系统存储区为RAM类型，用于存放操作数据〔v0、位存储、计数器、定时器等)，装载存储区在物理上是CPU的部分RAM.加上内置的EEPROM或选用的可拆卸EEPROM卡，用于存放用户程序;工作存储区在物理上占用CPU模块部分的RAM，其存储内容是CPU运行时所执行的用户程序单元的复制件。CPU工作存储区也为程序块的调用安排了一定数量的本地临时数据存储区域，称为L堆栈。L堆栈中的数据在程序块工作时有效，并一直保持。当新的块n山东大学硕士学位论文被调用时，L堆栈被重新分配。输出Q翰入工累加器32位位存储区M!“器1}定时器T}‘加器2}计数器C地址寄存器32位可执行用户程序1作逻辑块(OB,FB,FO}地址寄存器1}存数据块(DB)储区!地址寄存器2}临时本地数据存储区(L堆栈)数据块地址寄存器32位装}打开的共享数据块号}动态装载存储区(RAM)载存存放用户程序}打开的背景，据块号}储可选的固定装载存储区状态字寄存器16位区(日PROM)图5.6S7-300存储区示意图叮PU程序所能访问的存储区包括系统存储区的全部、工作存储区中的数据块DB、临时局部时间存储区、外设v0存储区等。外设输入(PI)和外设输出(PQ)存储区除了和CPU型号有关外，还与具体的PLC模块配置有关，其最大范围是64KB.CPU可以通过输入(I)和输出(Q)过程映象存储区来访问1/0口。输入映象表128Byte是外设输入存储区首128Byte的映象，是在CPU循环扫描时读取输入状态时装入的。输出映象表128Byte是外设输出存储区首128Byte的映象。CPU在写输出时，可以将数据直接输出到外设输出存储区，也可以输出到输出映象表，在CPU循环扫描更新输出状态时，将输出映象表的值传送到物理输出。5.5.2控制流程控制流程决定了用户程序的结构和工作方式，同时也是控制系统软件开发的主要内容。根据生产工艺、现场设备、技术要求可以确定控制软件的基本功能及其相互关系，从而决定各控制功能的实现顺序.控制流程图见图5.7。从中可以看出，系统的控制功能主要包括手自动切换、pH值控制、液位控制、逻辑控制等。其中较复杂的pH值控制和风机变频控制、温度控制等由相应的子程序完成。逻辑控制包含了各种状态下的开关操作，是一n山东大学硕士学位论文被调用时，L堆栈被重新分配。输出Q翰入工累加器32位位存储区M!“器1}定时器T}‘加器2}计数器C地址寄存器32位可执行用户程序1作逻辑块(OB,FB,FO}地址寄存器1}存数据块(DB)储区!地址寄存器2}临时本地数据存储区(L堆栈)数据块地址寄存器32位装}打开的共享数据块号}动态装载存储区(RAM)载存存放用户程序}打开的背景，据块号}储可选的固定装载存储区状态字寄存器16位区(日PROM)图5.6S7-300存储区示意图叮PU程序所能访问的存储区包括系统存储区的全部、工作存储区中的数据块DB、临时局部时间存储区、外设v0存储区等。外设输入(PI)和外设输出(PQ)存储区除了和CPU型号有关外，还与具体的PLC模块配置有关，其最大范围是64KB.CPU可以通过输入(I)和输出(Q)过程映象存储区来访问1/0口。输入映象表128Byte是外设输入存储区首128Byte的映象，是在CPU循环扫描时读取输入状态时装入的。输出映象表128Byte是外设输出存储区首128Byte的映象。CPU在写输出时，可以将数据直接输出到外设输出存储区，也可以输出到输出映象表，在CPU循环扫描更新输出状态时，将输出映象表的值传送到物理输出。5.5.2控制流程控制流程决定了用户程序的结构和工作方式，同时也是控制系统软件开发的主要内容。根据生产工艺、现场设备、技术要求可以确定控制软件的基本功能及其相互关系，从而决定各控制功能的实现顺序.控制流程图见图5.7。从中可以看出，系统的控制功能主要包括手自动切换、pH值控制、液位控制、逻辑控制等。其中较复杂的pH值控制和风机变频控制、温度控制等由相应的子程序完成。逻辑控制包含了各种状态下的开关操作，是一n山东大学硕士学位论文种IF-THEN结构的位操作逻辑，同时还包括必要的联动与互锁，以满足系统安全和协调的需要。启动初始化手动图5.7PLC控制程序流程图n山东大学硕士学位论文6基于WinCC的通讯和图形界面设计“监控和数据采集系统”的设计和使用，是整个聚酷废水处理控制系统设计的重要部分。借助于这个系统，使现场操作人员能够看到各种数据，及时地实施各种控制，提高生产效率。管理人员也不需要再深入到生产现场，就可以获得实时和历史数据，优化控制现场作业。通过WinCC，用户能够很方便地完成监控和数据采集系统的设计组态。系统软硬件设计完成后，在正常工作情况下所有的操作都在工业计算机(IPC)上进行。IPC是整个系统的窗口，是系统与外界交换数据的主要通道，在很大程度上影响控制质量的高低。本系统采用西门子人机界面软件WincC组态完成IPC与PLC的通讯，并设计人机操作界面。操作界面由一个主界面和若干个子界面组成，采用全中文显示，按钮式操作，具有分页功能。另外，本系统还利用WinCC的全局脚本编辑器嵌入了模糊控制器，实现对聚醋废水的pH值控制，如第三章所述。6.1组态软件概貌WinCC是西门子公司的基于WindowsNT32位操作系统的人机界面。它提供了适用于工业的图形显示、消息、归档以及报表的功能模板，具有高性能的过程祸合、快速的画面更新及可靠的数据等特点，实用性很强。它还提供了开放的界面供用户开发应用程序，能够集成入复杂、广泛的自动控制解决方案，可以集成通过ODBC和SQL方式的归档数据访问，以及通过OLE和ActiveX控件的对象和文档链接。同时WinCC软件本身是32位的应用程序，可开发使用调制解调器、面向对象的软件编程技术[51]"[55]6.2WinCC的编辑器WinCC的编辑器是该软件的核心。各种画面、报警、报表等操作监控形式均以编辑器组态完成，直观方便，层次清晰。同时还有用户管理器和交叉索引，分层次授权保证安全性，在组态时保证变量的一致。(1)图形编辑器用于创建过程画面的面向矢量的作图程序，也可以用包含在对象和样式选项板中的众多的图形对象来创建复杂的过程画面。可以通过动作编程将动态加到单个图形对象上。在向导中提供了自动生成的动态支持并链接到对象。也可以在库中存储n山东大学硕士学位论文6基于WinCC的通讯和图形界面设计“监控和数据采集系统”的设计和使用，是整个聚酯废水处理控制系统设计的重要部分。借助于这个系统，使现场操作人员能够看到各种数据，及时地实施各种控制，提高生产效率。管理人员也不需要再深入到生产现场，就可以获得实时和历史数据，优化控制现场作业。通过WinCC，用户能够很方便地完成监控和数据采集系统的设计组态。系统软硬件设计完成后，在正常工作情况下所有的操作都在工业计算机(IPC)上进行。IPC是整个系统的窗口，是系统与外界交换数据的主要通道，在很大程度上影响控制质量的高低。本系统采用西门子人机界面软件WinCC组态完成IPC与PLC的通讯，并设计人机操作界面。操作界面由一个主界面和若干个子界面组成，采用全中文显示，按钮式操作，具有分页功能。另外，本系统还利用WinCC的全局脚本编辑器嵌入了模糊控制器，实现对聚酯废水的pH值控制，如第三章所述。6．1组态软件概貌WinCC是西门子公司的基于WindowsNT32位操作系统的人机界面。它提供了适用于工业的图形显示、消息、归档以及报表的功能模板，具有高性能的过程耦合、快速的画面更新及可靠的数据等特点，实用性很强。它还提供了开放的界面供用户开发应用程序，能够集成入复杂、广泛的自动控制解决方案，可以集成通过ODBC和SQL方式的归档数据访问，以及通过OLE和ActiveX控件的对象和文档链接。同时WinCC软件本身是32位的应用程序，可开发使用调制解调器、面向对象的软件编程技术[51】_【551。6．2WinCC的编辑器WinCC的编辑器是该软件的核心。各种画面、报警、报表等操作监控形式均以编辑器组态完成，直观方便，层次清晰。同时还有用户管理器和交叉索引，分层次授权保证安全性，在组态时保证变量的一致。(1)图形编辑器用于创建过程画面的面向矢量的作图程序，也可以用包含在对象和样式选项板中的众多的图形对象来创建复杂的过程画面。可以通过动作编程将动态加到单个图形对象上。在向导中提供了自动生成的动态支持并链接到对象。也可以在库中存储n山东大学硕士学位论文自己的图形对象。(2)报警记录提供了显示和操作选项来获取或归档结果。可以任意选择消息块，消息级别、消息类型、消息显示和报表。系统向导和组态对话框在组态时提供支持。(3)变量记录用于从运行过程中采集数据并准备将它们显示及归档。可自由选择归档、采集和归档定时器的数据格式。可通过WinCC在线趋势和表格控件采集过程值，并分别在趋势图和表格形式下显示。(4)报表编辑器为消息、操作、归档内容和当前或已归档的数据的定时器，或事件控制文档的集成的报表系统。有用户报表和项目文档两种形式可供用户选择。支持各种报表类型。(5)全局脚本是C语言函数和动作的统称。根据其不同的类型，可用于一个给定的项目或众多项目中。脚本被用于给对象组态动作并通过内部c语言编辑器来处理。全局脚本动作用于过程执行的运行中，一个触发可以开始这些动作的执行。(6)文本库可在其中编辑多种在运行中使用的文本模块。库中为组态的文本定义了外语输出文本。(7)用户管理器用于分配和控制用户的单个组态和运行系统编辑器的访问权限。每当建立了一个用户，就设置WinCC功能的访问权力并独立地分配给该用户。用户授权可在运行时分配。(8)交叉索引为对象寻找和显示所有使用处。例如变量、画面和函数等。使用链接功能可改变变量名称而不会导致组态不一致。项目构成和编辑器组态界面见图6．1。n山东大学硕士学位论文圈6．1项目构成及编辑器组态界面6．3基于WinCC的通讯设计监控和数据采集系统的主要任务之一是进行工业计算机IPC与PLC的通讯。WinCC站(IPC)可通过多点接口(MPI)方式、过程现场总线(PROFIBUS)以及工业以太网等方式与其他设备通讯。MPI适用于现场级和单元级的小型网络，且只能用于与s7PLC通讯。PROFIBUS是可用于单元级和现场级的子网，是一种独立于制造商的开放式系统。通过DP(分散设备)协议，PROFIBUS可与智能型现场设备通讯，具有快速、周期性传输数据的特点。工业以太网是一种适合于管理级和单元级的子网。可用于许多站之间长距离、大数据量的传送【57】。本系统采用通过多点接口(MPI)连接方式实现IPC与PLC通讯。MPI符合RS-485标准，具有多点通讯的性质。使用令牌传递访问方式，波特率设定为187．5kbit／s。这种方式使用CPU模块内置的MPI接口，直接与S7—300的K总线连接。MPI网在内置的S7协议支持下工作。由于不需要额外的硬件和软件，因此具有使用简单，成本低的特点。组态过程包括：(1)通讯驱动程序(w诂CC安装文件夹内)安装设置；(2)定义通道单元寻址的通讯模块：(3)建立与PLC的连接：(4)组态WinCC变量并定义变量的I／O区域：(5)诊断检查通讯连接的正确性。6。4基于WinCC的界面设计n山东大学硕士学位论文本聚酯废水处理系统的人机界面操作部分是由流程图(操作画面)、趋势图、报警画面等组成。下面以操作画面组态为例说明设计过程。使用图形编辑器组态操作画面。图形编辑器具有以下功能：(1)带有工具和图形选项板的简单方便的用户界面；(2)集成了对象和图库的组态方式；(3)开放的导入图形接口和支持OLE2．0接口；(4)具有辅助支持的画面对象的可配置动态行为(动态向导)；(5)通过功能强大的脚本组态可以链接附加的函数：(6)可以与创建的图形对象链接；(7)32位应用程序可在WindowsNT下运行。第一步：用图形编辑器建立画面：打开项目Project，在项目名称下找到GraphicDesigner点击打开；第二步：给画面命名：在GraphicDesigner打开的右侧窗口处点击右键选择NewName，打开相应对话框，填写名称；第三步：定义过程变量，连接变量到PLC：在项目名称的子项中选择“TagManagement”，再在其子项中选择“SIMATICS7PROTOCOLSUITE",在其子项中选PLC名称，并在其打开的右侧窗口中选相应的变量类型；第四步：定义变量，获取PC信息：在项目名称的子项中选择“TagManagement”，单击右键，在弹出菜单中选择“AddNewDriver”，随后弹出的“bin”文件夹中选择“SystemInfo”文件，添加为TagManagement的子项。打开“InternalTags”子项，定义为“CurrentUser”：再打开“SystemInfo”子项，单击右键在菜单中选择“NewDriverConnection”。在弹出的“ConnectionProperties”对话框中定义PC名称和服务器(在“ServerList”中选择)；第五步：将变量连接到过程：打开“TagManagement”，选“SystemInfo”子项，单击右键选择“NewTag”，在弹出的“tagproperties”对话框中定义变量名称(name)、变量类型(datatype)、变量长度(1ength)、作用(function)以及变量显示格式(format)等，确定后，即定义好一个变量；第六步：画图；(1)在名称处点击右键，选择OpenPicture，打开一个新的画图框；n山东大学硕士学位论文(2)在画图框中打开“文件”下拉式菜单，选择“属性”(Properties)；(3)添加各种图形对象到画面：在“属性”中选择图形框尺寸，并从图形选项板中选择各种图形。单击“view",选择“library”；(4)在“library”中选择所需的各种图形，如罐(tank)、泵(pump)、管道(pipe)等过程(process)图形以及按钮、开关、PLC、计算机等监控设备图形。定义过程如图6．1所示：第七步：根据需要，可将变量添加到过程图形，实现过程的实时显示和监测。如需实时显示反应器液位，则首先按前(1)、(2)、(3)步将反应器图形添加到画面，并已经定义了该反应器液位变量的属性。以右键点击图形，选择“属性”(properties)，在打开的对话框中选择“TagAssignment”，在打开的右侧窗口中的变量名称“FillLevel”用右键点击“Attribute”栏，在弹出的菜单中选择“Tag”，在随后弹出的已定义的变量窗口中选择反应器液位变量，存盘。则该反应器图形对象与过程液位变量连接起来。可以以直观的形式反映液位的实际变化，便于操作。如图6．2。图6．2用图形编辑器组态操作画面圈6．3操作砸面一实时显示组态示例50n山东大学硕士学位论文本文中的济南正吴化纤公司聚酯废水处理装置的操作主页画面以及厌氧中和过程pH值控截操作画面见图6．4和图6．5。(1)主界面开机自动进入污水处理控制系统主页画面。主页面由系统标识和操作画面按钮组成，点击相应的按钮进入操作流程图画面。(2)运行监视操作画面包括流程图监视模式和图表显示模式。以厌氧中和过程pH值控制操作画面为例，流程图画面中设有手／自动切换、碱计量泵手动停止、电机过载复位、碱液浓度20％／30％切换等操作按钮，并且设视图窗口、报表窗口按钮，可从流程图画面直接切换到趋势记录及总貌画面。图6．4污水处理控制系统主页画面图6．5厌氧中和过程pH值控制操作画面n山东大学硕士学位论文7结论污水处理是我国面临的越来越紧迫的极待解决的重大问题，关系到我国今后能否健康稳定地发展。提高污水处理装置的自动化水平，是我国乃至世界的大趋势和紧要任务。衡量一个污水处理系统自动化水平的高低，一方面要看它所采用的硬件设备是否先进，另一方面要看它的控制策略和控制方法是否合理，是否先进。聚酷废水生化处理过程控制系统是一个包含多个控制对象和不同的控制要求的复杂系统。本文所研究的系统“济南正昊化纤新材料公司污水处理装置控制系统”2002年设计施工，03年4月竣工投运，一年多来的实际运行效果表明该系统运行稳定，污水处理总量增加30%,COD去除率提高8%-12%，出水指标完全达到二级排放标准。操作简单方便，工人劳动强度大大降低。通过对该系统的设计和研究，得到以下几点结论:(1)采用S7-300PLC作为污水处理控制系统的核心设备，既是污水处理工艺设备特点的实际需要，也是满足工业生产过程先进性和可靠性要求的理想选择。PLC的应用符合现代工业的标准化和模块化潮流，安装使用简单，且易于进行功能扩充和系统升级，使控制软件开发可专注于算法和流程，提高了工作效率。系统总体结构采用PLC+IPC的方式，在保证过程控制的先进性可靠性的基础上，实现了参数集中显示操作，这也是现代工业控制的趋势之一。其具有低成本和灵活性、可靠性兼备的特点，非常适合中小规模的过程控制。(2)对中和过程pH值控制方法的研究，是针对工艺特点，以重点解决非线性、大滞后、时变性等问题为目的。本文提出了基于逆模型的前馈十反馈控制器以及基于模糊控制的前馈+反馈控制器。都是仿照人在控制大滞后对象时的思维方式，利用前馈部分作为“粗调”削弱及克服其大滞后:前者利用实际的中和曲线作为中和过程的“模型”直接克服其静态非线性，后者则利用模糊控制的适应性强的特点，引入入口流量和入口pH值两个模糊参数，把模糊控制作为前馈。二者都采用PI反馈控制作为“细调”，改善动态特性。通过理论分析和现场实践证明，前馈十反馈的控制方式能够有效地解决没有准确数学模型的大滞后的对象的控制，尤其是在对象具有强非线性特点时，这种拟人化的控制方式更有一般意义。同时，由于该控制器实现简单，非常适合PLC和IPC完成，因此在工程上有较高的实用价值。(3)采用PLC作为调节单元，通过变频器控制鼓风机转速达到控制鼓风机风量n山东大学硕士学位论文的目的。随着变频调速器的广泛应用，利用变频器的调速范围宽，机械特性硬等特点，在多级离心鼓风机上应用了西门子MICROMASTER430系列变频器。由于变频器的软启动大大的减小了电机起动时对电网的冲击，而且在正常运行的时候，将出气阀门开到最大，根据工艺和参数的要求，通过压力检测适当的调节(通过控制系统的电位器)电机的转速来调节管道的风量，从而调节污水中的氧气含量，具有明显的节电效果。就本文所涉及的“一拖三”运行方式下节能达20%左右。(4)采用西门子公司的WinCC软件，设计实现PLC与IPC〔工业控制计算机)的通讯，并组态操作画面，实现了“监控和数据采集系统”。根据系统特点，采用MPI(多点接u)方式实现二者的通讯。利用WinCC的各种编辑器，在IPC上组态操作画面、报警联锁画面、趋势记录画面等。同时利用WinCC的全局脚本(GiobleScript)组态实现pH值模糊前馈+反馈控制器，编程利用逻辑功能实现了控制切换。文章给出了组态操作画面的示例。实际的操作界面直观、实用，便于操作。(5)由于本课题工作量大，且受时间和条件限制，尚有一些工作需要继续开展。如:①进一步探讨pH值控制的有效方法。山于设计的两种控制器都是针对特定的过程，尚无法根本解决大滞后、非线性对象的控制问题;同时理论上对模糊控制器的研究也待进一步深入;②优化控制系统，提高IPC十PLC系统的可靠性;③进一步研究IPC与PLC通信及控制的互相协调问题。n山东大学硕士学位论文参考文献[1]张自杰等排水工程[明北京:中国建筑工业出版社，1986.6[2]吴婉娥，葛红光，张克峰.废水生物处理技术[M]北京:化学工业出版社，2003.2[3]杨立福，赵静生，张公度，给水排水自动化控制技术(SCADA)综述[J]，给水排水，2000(26)3:72^-76[4〕赵文耕.浅析自动化控制设备的国产化[J]第四届全国给水排水青年学术年会，中国水网，2000.11[5]陈文丽.我国污水处理水平概貌.2002年全国城市污水处理设施建设经验与技术研讨会发言，中国水网，2002.6.2[6]张雅玲，邵辉煌，方先金.国内外污水回用的发展状况及发展方向.2002年中国环境工程领域回顾与展望研讨会，中国水网，2002.6.2[7]郭凤文.水I业自动化的发展趋势[J].给水排水，2001(03):32^-34[8]Xu,G;Dong,J.X.Zhang,J.X.;Zhao,G;Yang,YL.;Sun,B.T.ApplicationofPLCinthecontrolofsectioncontinuousmill[J].WuhanKejiDaxueXuebao(ZiranKejiBan)/JournalofWuhanUniversityofScienceandTechnology(NaturalScienceEdition)Vol.24.No.3,September2001:231[9]Chen,B.;Yuan,Y;Pen,X.;Cheng,Z.;Fu,B.ThecontrolsystemofgantryplanebasedonPLCcontrol[J].WuhanDaxueXuebao/JournalofWuhanUniversityofScienceandTechnologyVol.23.No.10,October2001:46^49[10]ShinskeyF.GControlsfornonlinearprocesses[J].Chemicalengineering,March19,1962[11]ShinskeyF.GAself-adjustingsystemforeffluentpHcontrol[J].SpringJointConferenceISA.St.Louis,1973[12]FlemmingBuchholtandMogensKummel.Self-tunningcontrolofapHneutralization[J].Autmatica,Vol.15,1975:665-671[13]GustassonT.K.andWallerK.V.DynamicModelingandRecationInvariantControlofpH[J].Chem.Eng.Sci.1983,38:389^398[14]R.Papa,X.Hu.Acomparisonofmodelandnon-modelbasedcontrollersforpHcontrol[J].Proceedingsofthe13'"WorldCongress.IFAC.ComputerControl.Sann山东大学硕士学位论文Francisco.CA.USA.30June5,July1996[15]SangD.Lee,JietaeLeeandSunwonPark.Nonlinearself-tuningregulaterforpHsystem[J].Automatica,Vol.30.No.10:1579-1586[16]HaoWang,YangseokOhandEnsupYoon.Strategiesformodelingandcontrolofnonlinearchemicalprocessusingneutralnetworks[J].ComputerChem.Eng.,Vo1.22.Suppl.:823一826[17]GeorgeCheng.HowtoconfigureMFApHcontrollers[J].CybsoftGeneralCybernationGroupInc.USAAugust1999[18]SeborgD.E.FuzzymodelingofnonlinearpHprocessesthroughneuralapproach[J].IEEEonSystems,Vo1.2,June1994:p1224-1229[19]SingC.H.PostlethwaieB.PHcontrolhandlingnonlinearityanddeadtimewithfuzzrelationalmodel-basedcontro1[J].IEEEProc.ControlTheoryAppl.Vol.144.No.3,May1997:p263-268[20]GoodwinGC.andSinK.S.Ad叩tivefilteringpredictionandcontrol[M].Prentice-hall.Inc.EnglewoodClif's,1984[211卞平.KMM可编程序控制器在pH控制中的应用[J].自动化仪表，1995,7[22]商建东，陈康宁，专家智能pH控制器及其应用[J]北工自动化仪表，1998,25(3):46^-48[231杨翠容，庞全，张玉清.智能pH值控制在化工过程中的应用[J].自动化仪表，1999,20(8)[24]【美】F.G.欣斯基著，胡隆文，缪学勤，杨荣寰译.过程与废水处理中的pH和pION控制[M].北京:机械工业出版社，1986.8[251诸静等.模糊控制原理与应用[M].北京:机械工业出版社，2003.3[26]张乃尧，阎平凡.神经网络与模糊控制[M].北京:清华大学出版社，1998.10[27]章卫国，杨向忠.模糊控制理论与应用[M].西安:西北工业大学出版社，1999[28]吴中俊，黄永红.可编程序控制器原理及应用[M].北京:机械工业出版社，2004.4[29]陈在平，赵相宾可编程序控制器技术与应用系统设计四〕.北京:机械工业出版社，2002.6[30]吴麒.自动控制原理[M].北京:清华大学出版社，1999.3[31』杨志强，韩雪峰，孟倩，朱红冤，金纪伟.污水站自动控制系统改造[J].有色设55n山东大学硕士学位论文备，2001(6):17^-19r，Z，J..L月昊冈J，刘宝玉，何艳，邓广龙.PLC5在自来水厂中的应用[7l黑龙江电子技术，1999(10):23-24F凡fl..﹂J.L.J薛薇，叶强.pH过程的FUZZYPI复合控制研究石油化工自动化[J].2000(2):22^24[34]李瑾，凌文俊，顾炳峰，刘学茹，S7-200pH自动控制系统[J].江苏石油化工学院学报，1999(3):46^49[35]何小其，麻红昭，俞蒙槐，胡上序.废水中和处理pH值自动控制系统[J].轻工机械，2000(3):4^-7[36]石红瑞，郭利进，申亚芳，刘勇，刘宝坤炼油厂污水处理装置pH值模糊控制[J]北2自动化与仪表，2002.29(2):62.64[371韩红军.龙涤集团高浓度涤纶废水处理工程设计与处理效果分析[J].给水排水，1999(25)9:38^40[381周景振，韩曾晋.具有时滞的pH值中和过程模糊自适应控制[J]，控制与决策,1998(13):527^-537[39]SandraJ.Norquay,AhmetPalazoglu,andJoseAlbertoRomagnoli.ApplicationofWienermodelpredictivecontrol(WMPC)toapHneutralizationexperiment[J].IEEETransactionsofControlSystemsTechnology,Vol.7,No.4,July1999[40]余鹤龄，顾钟文，周春晖.pH过程的非线性最小方差控制[J].计算机与现代化，1995.4:34-38[41]陈传好.PLC在废水处理控制系统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