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摘 要：使用西门子6SE70系列变频器和S7-300系列PLC完成水处理系统中数据的采集和对电机等设备的控制任务，采用PLC的PID算法达到系统的优化控制和实时调节，解决了生产过程中减轻劳动强度，保障生产的可靠性、安全性、降低生产成本，减少环境污染、提高产品的质量及经济效益。
关键词：变频器 PLC 水处理
1、引言
基于可持续发展和节能减排降本增效的需要，利用交流变频调速技术对生产现场的电机进行转速调节已逐渐普及，本系统利用变频器和PLC实现水位的控制。考虑到电机的启动、运行、调速和制动的特性，采用西门子的6SE70系列变频器和S7-300系列PLC完成数据的采集和对变频器、电机等设备的控制任务。基于S7300PLC的编程软件，采用模块化的程序设计方法，减少软件的开发和维护。系统利用对PLC软件的设计，实现变频器的参数设置、故障诊断和电机的启动和停止控制。
2、系统控制结构
水处理控制系统由下位PLC和上位计算机构成两级集散控制系统。下位机系统采用了SIEMENS公司的Step7软件为下位机编程组态软件，上位监控机为DELL公司台式机，以支持实时多任务多用户网络操作系统的公司SIEMENS的Wincc6.0为上位机监控组态软件。在水处理控制室设2台操作员站，其中1台兼做工程师站。操作员站通过工业以太网交换机与PLC联接
PLC采集传感器、电机及变频器等有关的各类对象的信息。对电机采用变频器来进行频率的调节控制，PLC输出模拟量信号作为变频器的控制端输入信号，从而控制电机转速大小，并且向PLC反馈自身的工作状态信号，当发生故障时，能够向PLC发出报警信号。由于变频调速是通过改变电动机定子供电频率以改变同步转速来实现的，故在调速过程中从高速到低速都可以保持有限的转差功率，因此具有高效率、宽范围、高精度的调速性能。如图1所示。
图1 水处理电气控制图
3、设备的选型
3.1 PLC及其扩展模块的选型
本系统主要有18台75kw以上电机、12台变频器、40个电动阀、400多个继电器组成，它们构成系统的被控对象。综合分析各类PLC的特点，最终选西门子公司的S7300系列PLC。用于较高要求的控制系统，具有更多的输入/输出点，更强的模块扩展能力，更快的运行速度和功能更强的内部集成特殊功能。
3.2 变频器模块的选型
在传统变频控制系统中，变频器的启动/停止由PLC通过开关量输出控制，变频器频率由PLC通过模拟量输出端口输出0～5（10）V或4～20mA信号控制的，这需要购买比较昂贵的PLC模拟量输出端口模块。对变频器故障的检测只是由PLC读取变频器的故障报警触点，判断故障原因较难。本系统中PLC对变频器的控制是通过MODBUS-DP通讯的方式实现的，变频器选用SIEMENS的6SE70系列风机/泵类专用变频器，它们具有MODBUS-DP通讯接口，性价比较高。PLC通过与变频器通讯，控制变频器的运行，读取变频器自身的电压、电流、功率、频率、累计运行时间和过压、过流、过负荷等报警信息等参数，并通过触摸屏显示出来，这比通过外部端口控制变频器的运行具有更高的可靠性，节省了I/O端口，获得了大量变频器的信息。
4、程序结构
本程序分为三部分：主程序、各个子程序和中断程序。逻辑运算及报警处理等放在主程序中。系统初始化的一些工作及液位显示放在子程序中完成，用以节省时间。利用定时中断功能实现PID控制的定时采样及输出控制。按偏差的比例、微分、积分进行控制（简称PID控制）是连续系统控制中技术最成熟，应用最广泛的一种控制技术。它的结构简单，参数调整方便，是在长期的工程实践中总结出来的一套控制方法。在工业控制中由于难以建立精确的数学模型，系统的参数经常发生变化，所以采用PID控制技术，根据经验进行在线调整，从而得到满意的控制效果。
5 PLC编程程序
5.1上位组态画面
本系统采用SIMATICWinCC组态软件对系统进行监控。WinCC运行于个人计算机环境，可以于多种自动化设备及控制软件集成，具有丰富的设置项目、可视窗口和菜单选项，使用方式灵活，功能齐全。用户在其友好的界面进行组态、编程和数据管理，可形成所需要的操作画面、控制画面、监视画面、报警画面、实时趋势曲线、历史趋势曲线和打印报表等。用户登陆系统后看到主画面显示整个水处理的工艺流程。通过主画面上的几个按钮可以进入各个分画面。分画面包括工艺流程的各个部分以及报警、趋势画面。监控画面包括系统中的各个开关量和模拟量。系统设计流程图如图2所示。
图2 水处理PLC系统设计流程图
5.2 PID算法在PLC中的实现
考虑到PLC的运算速度，需要对PID算法进行转化，特别是积分项的计算。由PID的离散形式方程可知，积分项包括第一次采样到当前采样时刻的所有误差；微分项由本次和上次的采样值决定；而比例项只由本次的采样值决定。在PLC中要存储所有的采样的误差时不实际的，也是不必要的。因为自第一个采样时刻开始，每次采样获得一个误差，要由PLC计算一次输出，所以需将上一次的误差和上一次的积分项存储。
在水处理系统中，在提升泵、补水泵等处用到PID控制。所以在S7300PLC中将PID控制程序编制为一个程序块（FB），为每个需要PID程序控制的设备建立一个背景数据块（DI），这样每次PID运算之后的MX将会被保存。PID运算的输出通过模拟量输出模块（AO）输出到变频器的控制端，从而实现程序自动控制电动机转速。
6、结束语
S7-300系列PLC以及西门子6SE70系列变频器在水处理控制系统中得到了成熟的应用。利用所设计的闭环控制系统，对电机转速进行控制，提高了供水系统动态响应能力，实现流量的自动控制，同时减少了冷却水和电能的损耗。降低工人劳动强度，实现了PLC、变频器、自动配水等自动控制功能，使整个系统简洁、可靠、易于维护，为带钢的稳产、高产打下了坚实的基础。
关键词：变频器 PLC 水处理
1、引言
基于可持续发展和节能减排降本增效的需要，利用交流变频调速技术对生产现场的电机进行转速调节已逐渐普及，本系统利用变频器和PLC实现水位的控制。考虑到电机的启动、运行、调速和制动的特性，采用西门子的6SE70系列变频器和S7-300系列PLC完成数据的采集和对变频器、电机等设备的控制任务。基于S7300PLC的编程软件，采用模块化的程序设计方法，减少软件的开发和维护。系统利用对PLC软件的设计，实现变频器的参数设置、故障诊断和电机的启动和停止控制。
2、系统控制结构
水处理控制系统由下位PLC和上位计算机构成两级集散控制系统。下位机系统采用了SIEMENS公司的Step7软件为下位机编程组态软件，上位监控机为DELL公司台式机，以支持实时多任务多用户网络操作系统的公司SIEMENS的Wincc6.0为上位机监控组态软件。在水处理控制室设2台操作员站，其中1台兼做工程师站。操作员站通过工业以太网交换机与PLC联接
PLC采集传感器、电机及变频器等有关的各类对象的信息。对电机采用变频器来进行频率的调节控制，PLC输出模拟量信号作为变频器的控制端输入信号，从而控制电机转速大小，并且向PLC反馈自身的工作状态信号，当发生故障时，能够向PLC发出报警信号。由于变频调速是通过改变电动机定子供电频率以改变同步转速来实现的，故在调速过程中从高速到低速都可以保持有限的转差功率，因此具有高效率、宽范围、高精度的调速性能。如图1所示。
图1 水处理电气控制图
3、设备的选型
3.1 PLC及其扩展模块的选型
本系统主要有18台75kw以上电机、12台变频器、40个电动阀、400多个继电器组成，它们构成系统的被控对象。综合分析各类PLC的特点，最终选西门子公司的S7300系列PLC。用于较高要求的控制系统，具有更多的输入/输出点，更强的模块扩展能力，更快的运行速度和功能更强的内部集成特殊功能。
3.2 变频器模块的选型
在传统变频控制系统中，变频器的启动/停止由PLC通过开关量输出控制，变频器频率由PLC通过模拟量输出端口输出0～5（10）V或4～20mA信号控制的，这需要购买比较昂贵的PLC模拟量输出端口模块。对变频器故障的检测只是由PLC读取变频器的故障报警触点，判断故障原因较难。本系统中PLC对变频器的控制是通过MODBUS-DP通讯的方式实现的，变频器选用SIEMENS的6SE70系列风机/泵类专用变频器，它们具有MODBUS-DP通讯接口，性价比较高。PLC通过与变频器通讯，控制变频器的运行，读取变频器自身的电压、电流、功率、频率、累计运行时间和过压、过流、过负荷等报警信息等参数，并通过触摸屏显示出来，这比通过外部端口控制变频器的运行具有更高的可靠性，节省了I/O端口，获得了大量变频器的信息。
4、程序结构
本程序分为三部分：主程序、各个子程序和中断程序。逻辑运算及报警处理等放在主程序中。系统初始化的一些工作及液位显示放在子程序中完成，用以节省时间。利用定时中断功能实现PID控制的定时采样及输出控制。按偏差的比例、微分、积分进行控制（简称PID控制）是连续系统控制中技术最成熟，应用最广泛的一种控制技术。它的结构简单，参数调整方便，是在长期的工程实践中总结出来的一套控制方法。在工业控制中由于难以建立精确的数学模型，系统的参数经常发生变化，所以采用PID控制技术，根据经验进行在线调整，从而得到满意的控制效果。
5 PLC编程程序
5.1上位组态画面
本系统采用SIMATICWinCC组态软件对系统进行监控。WinCC运行于个人计算机环境，可以于多种自动化设备及控制软件集成，具有丰富的设置项目、可视窗口和菜单选项，使用方式灵活，功能齐全。用户在其友好的界面进行组态、编程和数据管理，可形成所需要的操作画面、控制画面、监视画面、报警画面、实时趋势曲线、历史趋势曲线和打印报表等。用户登陆系统后看到主画面显示整个水处理的工艺流程。通过主画面上的几个按钮可以进入各个分画面。分画面包括工艺流程的各个部分以及报警、趋势画面。监控画面包括系统中的各个开关量和模拟量。系统设计流程图如图2所示。
图2 水处理PLC系统设计流程图
5.2 PID算法在PLC中的实现
考虑到PLC的运算速度，需要对PID算法进行转化，特别是积分项的计算。由PID的离散形式方程可知，积分项包括第一次采样到当前采样时刻的所有误差；微分项由本次和上次的采样值决定；而比例项只由本次的采样值决定。在PLC中要存储所有的采样的误差时不实际的，也是不必要的。因为自第一个采样时刻开始，每次采样获得一个误差，要由PLC计算一次输出，所以需将上一次的误差和上一次的积分项存储。
在水处理系统中，在提升泵、补水泵等处用到PID控制。所以在S7300PLC中将PID控制程序编制为一个程序块（FB），为每个需要PID程序控制的设备建立一个背景数据块（DI），这样每次PID运算之后的MX将会被保存。PID运算的输出通过模拟量输出模块（AO）输出到变频器的控制端，从而实现程序自动控制电动机转速。
6、结束语
S7-300系列PLC以及西门子6SE70系列变频器在水处理控制系统中得到了成熟的应用。利用所设计的闭环控制系统，对电机转速进行控制，提高了供水系统动态响应能力，实现流量的自动控制，同时减少了冷却水和电能的损耗。降低工人劳动强度，实现了PLC、变频器、自动配水等自动控制功能，使整个系统简洁、可靠、易于维护，为带钢的稳产、高产打下了坚实的基础。