自清洗过滤器的plc控制系统-毕业设计

PAGE50实用文档1绪论1.1课题的来源及意义随着人类环境和资源保护意识的增强，如何合理地利用水、降低污水对环境所造成的污染，己经越来越引起人们的重视。如何提高水的利用率，降低污水对环境造成的破坏，保护珍贵的水资源，对我们具有更加重要的现实意义。工业生产和日常生活中所产生的废水，其实也是一种可再生的资源。如果能够通过一定的技术手段对其进行回收处理和再次利用，就能大幅提高水的利用效率，同时也是缓解淡水资源匮乏的有效途径。在水处理过程中，无论是原水净化还是污水的再处理，过滤始终是重要的环节，是对水进行深度处理的基础。过滤的目的是去除水中的悬浮物、胶体杂质等，降低水的浊度和色度。工业上一般把原水水质分为四类:很差水质、较差水质、一般水质和优良水质，针对不同的水质，要采用不同的过滤手段和设备[1]。我国过滤与分离机械，不论是大型化、高参数产品的开发，节能型、多功能设备的研制，还是传统设备的机械化、自动化、智能化水平的提高与完善，都与世界存在着十分明显的差距。目前很多企业使用的仍然是传统的单向流通过滤器，这种过滤器在过滤持续过程中，液体内的固态杂质被过滤元件截留在表面，逐步沉积，导致过滤元件两端压力差增大，过滤的效率随之下降。为了克服上述缺点，近年来国内外开发研制了具备自清洗功能的过滤器。这种过滤器不仅占地面积小，而且可以在不打断过滤连续性的同时，对过滤元件进行清洗，自动化程度较高，节省了人力资源，使过滤效率大大提高[2]。1.2自动清洗过滤器国内外发展状况自清洗过滤器的发源地是以色列，源于以色列属于极度缺水的国家。以色列被迫开发了多样化的水资源管理技术和节水新技术。他们首先发明自清洗过滤器并用于农业喷灌、滴灌并逐渐发展到工业及各行各业。以色列的自清洗过滤器目前已在世界80多个国家和地区广泛应用。美国依靠先进的科学技术也发展了多种自清洗过滤器，有影响的公司有:美国欧锐公司、美国全自动过滤器公司、美国施罗德工业公司和美国RPA工艺流程技术公司[3]。自动清洗过滤器，又称为自动清洗式管道过滤器，它突出的优点是体积小，造价低、技术水平高、使用方便，可直接装置在管道上。在冶金行业的循环水系统中，自动清洗过滤器的应用日趋广泛，我国近期引进的连铸、高炉、热轧用水系统各种加热炉、乳化剂系统以及封闭的水循环系统，大量采用了具有V型断面缝隙式自动清洗过滤器。自清洗过滤器根据清污方式分为如下几种：吸污式自清洗过滤器、刷(刮)式自清洗过滤器和反冲洗式自清洗过滤器。我国自行研制成功多种新型V型断面的缝隙式过滤网筒，使我国的自动清洗过滤器设计制造技术步入了一个新的水平。其主要技术指标和参数均达到了国外同类产品水平，正广泛应用于我国的冶金、石油、化工、食品、制药、造纸、制糖、化纤、供水厂、热电厂、海水、自来水源等行业[4]。1.3自清洗过滤器控制系统的特点在用PLC设计的过滤器全自动控制系统中，设备工作过程由专用的PLC控制器控制，过滤、冲洗状态之间能够自动切换。控制系统反应灵敏，运行精确。由于控制系统采用PLC控制使得功能改变变得简单，能够随时按客户的要求改变功能，可操作性强，并且清洗高效、彻底，系统可恢复性强。该系统还具有结构设计紧凑合理，占地面积小，安装灵活方便等优点。它具有以下几个特点：（1）全自动过滤器采用标准模块化，处理能力强，占地小。过滤器采用时间或压差方式进行控制，实现全自动运行。（2）全自动过滤器工作过程由专用的PLC控制器控制，工作、反洗状态之间自动切换，不需人工干预。（3）全自动过滤器使用寿命长。新型过滤元件坚固、无磨损、无腐蚀、极少结垢，经多年工业实用验证，使用数年也没有磨损，不会老化，过滤和反洗效果不会因使用时间而变差。（4）全自动过滤器质量高，维护量少。其使用不需专用工具，零部件很少，易于使用，仅需定期检查，几乎不需日常维护[5]。1.4本文主要工作内容综述过滤技术、过滤设备的现状以及发展趋势，并对具体的自动清洗过滤器的控制系统做详细介绍，得出本文研究的意义所在。介绍全自动自清洗过滤器开发设计的方案，包括过滤器的工作原理、主要组件和过滤器的控制系统，最终确定本文使用的自清洗过滤器控制系统的主要组件型号及参数。根据PLC的基本结构和工作原理，对过滤器控制系统进行设计分析，具体分析设计自清洗过滤器的硬件系统和软件系统。最终设计一套，以PLC作为控制主机的过滤器自动控制系统，完成可人工、自动切换，功能扩展方便的控制方案，绘制过滤器启动、运行、自清洗(反冲洗)、停机的控制梯形图。最后模拟实验调试程序，验证控制系统的可行性。2自清洗过滤器的原理与结构2.1自清洗过滤器的结构及工作原理2.1.1过滤机理过滤是从流体中分离固体颗粒的过程。其基本原理是：在压强的作用下，迫使流固体两相混合通过多孔介质(过滤介质)，固体颗粒则截留于介质上，从而达到液体与固体分离的目的[6]。2.1.2自清洗过滤器工作原理自清洗过滤技术是一种20世纪70年代末期发展起来的新型过滤技术，其最主要的优点是可利用水压自我操作、自我清洗，且清洗时不停止过滤。最简单的过滤方法就是让液体通过滤网，除去滤网上泥层最简单的方法就是反洗。经验告诉我们，这种反洗虽然可以去掉滤泥，但是有缺点:（1）很快就形成滤层，滤网两侧出现压差，过滤放慢；（2）反洗用水量大，且洗不彻底；（3）反洗时必须停止过滤，不能连续。自清洗过滤原理示意图，即一个最简单的过滤器，但增加了一根排泥管和一个阀门，阀门通大气，另一端接近滤网泥层。由图2-1所示，P1>P2时，正常过滤，滤渣随之附着在滤网上，使得内外压差逐步增大。当P1、P2压差大于预设压差值时，打开阀门，由于P2>P0，排污管口的滤渣被过滤水反冲并随排污管排出。这样就可以实现滤网的反冲洗，而与此同时，过滤过程仍正常进行。图2-1自清洗过滤器原理示意图P1—入水压力P2—出水压力P0—大气压2.1.3自清洗过滤器结构及工作流程根据以上介绍的过滤原理，设计开发的全自动自清洗过滤器结构简图如图2-2所示。图2-2全自动自清洗过滤器结构简图1—粗滤网；2—弹簧；3—支撑筒；4—吸污组件；5—筒身6—细滤网；7—液动转子；8—排污口；9—出水口；10—入水口该过滤器的工作原理如下：待过滤水从入水口(10)流入过滤器，经过粗滤网(1)初滤后，再通过细滤网(6)过滤，流向出水口(9)。当脏污聚在细滤网的内面时便形成压差，达到预定值时，由冲洗控制器打开冲洗电子阀门，产生一股很强的反冲洗水经排污口(8)流向大气。这种反冲洗可以在吸污组件(4)上产生一股吸力，清洁吸污嘴相对的细滤网面。反冲洗水经过排污管，再通过液动转子(7)流向冲洗阀门，带动整个吸污组件与吸污管转动。由于过滤器工作压力大于阀门外大气压，足以推动液动转子带动吸污管轴向运动。轴向与旋转运动相结合，便可确保吸污嘴清扫到整个过滤网面。当细滤网内外压差低于预定值，冲洗完成，吸污组件和吸污管由粗过滤一端弹簧拉回到原来位置，完成一次自清洗过程。整个冲洗时间约为10-15秒[7]。2.1.4自清洗过滤器性能参数及整体结构本文以北京沃特瑞环境保护技术有限公司生产的F-MAXXP"线上式自动反冲洗过滤机为样机，设计一台工作压力0.6Mpa，预计处理量为120m3/h的全自动自清洗过滤器。F-MAXXP"线上式自动反冲洗过滤机不用外来能源，即不用电，不用气，只要管道中有水流动即可进行过滤，是传统过滤器和砂滤设备的替代品，过滤过程大体分为3个过程：粗滤、细滤和反冲洗[6]。其工作特点与本文介绍的自清洗过滤原理和工作流程相同。（1）过滤元件过滤元件采用烧结滤网或双层金属滤网，精度可以根据料液过滤的工艺要求调整，用环向纵向压条固定在内筒上，保证了最大过滤面积，而且具有足够的抗变形的刚度和强度。本文选择不锈钢金属滤网作为过滤元件。（2）自清洗装置自清洗装置是由吸污组件和吸污管密封连接组成，在液动装置驱动下做旋转以及轴向运动，配合细滤网内筒长度，将细滤网整体扫描，全面完成自清洗。吸污嘴采用柔性硅胶材料，对滤网上难以冲洗的滤渣进行刮擦，自清洗效果更好。（3）驱动装置利用滤液自身液压能转化为机械能，驱动液动转子做旋转运动，并同时依靠滤筒与排污口外部压差推动液动转子做轴向运动，从而带动实现自清洗装置的旋转和轴向运动。（4）执行模块执行模块完成调整过滤单元工作状态的任务。在进水口，排污口和反冲洗口各装有一个电动球阀，电动球阀的开关状态可由PLC控制。通过改变这三个电磁阀的开关状态，达到改变过滤工作状态的目的[7]。2.2自清洗过滤器控制系统的结构自清洗过滤器的控制系统总框图如图2-3所示，本系统由可编程逻辑控制器（PLC）为核心控制器，通过检测操作面板按钮的输入、以及各类传感器的输入，控制对应通过对球阀的开关。并利用滤液自身液压能转化为机械能，驱动液动转子转动完成过滤器的启动、停止和自清洗控制。同时该控制系统还具有自清洗次数、压差值显示及超时报警功能。全自动控制采用三种方式：(1)压差方式：当滤网内外压差超过预定值时，由压差控制器输送一个信号给控制系统，过滤器开始自清洗，直至检测到吸污管与过滤筒壁相接触，自清洗结束。(2)定时方式：根据介质情况以及生产需要设定自清洗时间，每隔预定时间自清洗完成一次。(3)点动方式：按下点动按钮时，控制系统要求过滤器自清洗一次。此控制方式根据具体的工作情况而定，灵活方便[7]。可编程逻辑控制器PLC操作面板可编程逻辑控制器PLC操作面板进水口球阀压力传感器输入吸污管位移传感器输入细滤网内外侧差压变送器输入显示面板进水口球阀出水口球阀排污口球阀图2-3自清洗过滤器的控制系统总框图2.3自清洗过滤器控制系统开发环境2.3.1STEP7—Micro/WIN32编程软件介绍根据自动过滤器系统的电气控制系统的功能要求，以及其复杂程度，从经济性、可靠性等方面来考虑，本文选择西门子S7—200系列PLC作为自动过滤器系统的控制主机。，编程软件采用西门子公司为S7-200系列PLC开发的STEP7—Micro/WIN32作为编程软件。它是基于Windows的应用软件，功能强大，既可用于开发用户程序，又可实时监控用户程序的执行状态。STEP7是一种用于对SIMATIC可编程逻辑控制器进行组态和编程的标准软件包。它是SIMATIC工业软件的一部分。STEP7具有以下功能：硬件配置和参数设置、通讯组态、编程、测试、启动和维护、文件建档、运行和诊断功能等。在STEP7中，用项目来管理一个自动化系统的硬件和软件。STEP7用SIMATIC管理器对项目进行集中管理，它可以方便地浏览SIMATICS7、M7、C7和WinAC的数据。实现STEP7各种功能所需的SIMATIC软件工具都集成在STEP7中。STEP7-Micro/WIN窗口界面如图2-4所示[8]。图2-4STEP7-Micro/WIN窗口界面2.3.3EasyBuilder500组态软件介绍人机界面是在操作人员和机器设备之间作双向沟通的桥梁，用户可以自由的组合文字、按钮、图形、数字等来处理或监控管理及应付随时可能变化信息的多功能显示屏幕。使用人机界面能够明确指示并告知操作员机器设备目前的状况，使操作变的简单生动，并且可以减少操作上的失误，即使是新手也可以很轻松的操作整个机器设备。使用人机界面还可以使机器的配线标准化、简单化，同时也能减少PLC控制器所需的I/O点数，降低生产的成本同时由于面板控制的小型化及高性能，相对的提高了整套设备的附加价值。MT500系列触摸屏是专门面向PLC应用的，它不同于一些简单的仪表式或其它的一些简单的控制PLC的设备，其功能非常强大，使用非常方便，非常适合现代工业越来越庞大的工作量及功能的需求。MT500系列触摸屏人机界面提供功能强大、简单易用的组态软件EasyBulider500,它具备简体中文的操作环境，采用图形化的操作界面支持“多语言”之间的切换功能，可以实现四种语言之间切换显示，并支持宏指令功能。EasyBuilder5OO组态软件操作界面如图2-5所示。EasyBuilder5OO组态软件的特点：（1）丰富的元件图库EasyBuilder500组态软件提供向量图库、位图库、群组图库等三种元件图库，已经为用户提供了丰富的图形供用户选用，并且任意图库都可以接受自制的图形，让用户随时可以添加自己设计的元件图形，使设计的画面体现个人的风格。（2）Windows的设计风格EasyBuilder5OO凭借着多达4MBSDRAM的系统存储器为用户提供多窗口的支持，用户可以在一个画面上最多同时显示6个窗口，分别执行不同的监控功能，软件还提供快速按窗口、公共底层窗口、任务栏等特别属性的窗口，提供由位或字寄存器控制窗口弹出的功能，并提供最小化、窗口控制条等功能键，让用户轻松实现MicrosoftWindows风格的界面程序。（3）方便灵活的数据传输和PLC控制功能EasyBuilder500组态软件提供数据传输和配方传输元件，使用户可以方便灵活地实现触摸屏人机界面与PLC控制器之间的数据传输；还有功能完备的PLC控制元件，可以帮用户实现由PLC控制窗口切换、打印机打印、数据传输等各种功能[9]。图2-5EasyBuilder5OO组态软件操作界2.3.4S7_200PLC仿真软件介绍仿真软件可以仿真大量的S7-200指令（支持常用的位触点指令、定时器指令、计数器指令、比较指令、逻辑运算指令和大部分的数学运算指令等）。仿真程序提供了数字信号输入开关、两个模拟电位器和LED输出显示，仿真程序同时还支持对TD-200文本显示器的仿真，在实验条件尚不具备的情况下，完全可以作为学习S7-200的一个辅助工具。使用方法：（1）本软件无需安装，解压缩后双击S7_200.exe即可使用。（2）仿真前先用STEP7-MicroWIN编写程序，编写完成后在菜单栏“文件”里点击“导出”，弹出一个“导出程序块”的对话框，选择存储路径，填写文件名，保存类型的扩展名为awl，之后点保存。（3）打开仿真软件，双击PLC面板选择CPU型号，点击菜单栏的“程序”，点“装载程序”，在弹出的对话框中选择要装载的程序部分和STEP7-MicroWIN的版本号。一般情况下，选“全部”就行了，之后“确定”，找到awl文件的路径“打开”导出的程序，在弹出的对话框点击“确定”，再点那个绿色的三角运行按钮让PLC进入运行状态，点击下面那一排输入的小开关给PLC输入信号就可以进行仿真了。仿真软件的界面如图2-6所示，和所有基于Windows的软件一样，仿真软件最上方是菜单，仿真软件的所有功能都有对应的菜单命令；在工件栏中列出了部分常用的命令（如PLC程序加载，启动程序，停止程序、AWL、KOP、DB1和状态观察窗口等）。图2-6S7_200PLC仿真软件界面3自清洗过滤器硬件系统配置3.1自清洗过滤器主体结构选型3.1.1过滤器筒体选择1)过滤流量计算D体D图3-1筒身直径在设计过滤流速时通过过滤器的流量称为设计流D体D图3-1筒身直径Q=3.6×102f×A×V式中Q——过滤器的设计流量(m3/h)；A——过滤器中滤网的实际使用面积(m3)；f——滤网的净面积系数，取7‰；V——设计速度(m/s)。式中A=πD×L=π×0.5×1=π/2（m2），D、L分别为细滤筒内筒直径以及筒身长。所以Q=3.6×102×7‰×π×1.5/2≈120m3/h。2)过滤筒身直径、长度和种类的选择过滤器外壳直径要满足强度要求之后能够方便安装过滤元件：其次是过滤元件与壳体之间的面积应该满足这样的要求，即水流通过该面积的速度应等于或小于过滤元件内部纵向水流速度。参阅《容器简体和封头直径标准表》[6]，本文选取D体=1.3×D=650mm（D=500mm）。筒身直径剖视图如图3-1所示。按照JB4732-95《钢制压力容器一分析设计标准》的规定，参考相关文献[6][7]，过滤器外筒可选用不锈钢0Crl8Ni9，屈服强度σs=235Mpa，可满足强度要求。总体设计参数：①过滤器罐体的工作最高压力:P=0.6MPa；②容器设计压力：P=0.6MPa；③操作温度：50～100℃；④筒体内径：D=500m。3.1.2过滤器过滤网选择滤网过滤器的清污效果主要取决于所用滤网的目数，而选择滤网目数的依据是由污水中所含污物的性质和滤液最终要求杂质的最小直径所决定的。本文设计过滤器的适用杂质颗粒尺寸很小，略带腐蚀性。依据参考文献[6]所写到的比较试验确定选用1000目/in的斜纹编织密纹滤网。此过滤网为不锈钢金属丝，直径为0.040×0.025mm(经×纬)，基本孔径约为8m。根据参考文献[6][10]所示，此精度的过滤网工作在0.6Mpa，120m3/s的环境中，自清洗过滤器的压力损失为0.1~0.3Mpa。滤网堵塞后，当压差达到设定值(≥0.03Mpa)，可由差压变送器发出信号，由PLC控制进行反冲洗。并且为了保证过滤及反冲洗的正常运行，进水口压力不得小于0.2Mpa。3.1.3吸污器的选择及分布吸污器是过滤器的重要部件，它是空心结构，在其排污管轴线上按一定距离均匀分布着若干个吸污管，自清洗时，吸污管按照固定的转速作螺旋式的运动，这样几个吸嘴就能吸遍整个滤网内表面。吸污嘴采用柔性硅胶材料，可以对滤网上难以冲洗的滤渣进行刮擦。根据过滤器筒身尺寸，参考过滤器实用手册[6]，绘制吸污器分布图，如图3-2所示。设计排污管内径80mm，吸污管的内径24mm，吸污管间距145mm，成60°螺旋排列，排污管总长1010mm。吸污管距离排污筒壁最近的距离为248mm。1010mm200mm1010mm200mm248mm145mm145mm145mm145mm145mm24mm25mm80mm图3-2吸污器分布图图3-3DQF41M-0.25电动球阀图3-3DQF41M-0.25电动球阀控制执行模块完成调整过滤单元工作状态的任务。在进水口，排污口和反冲洗口各装有一个电动球阀，电动球阀的开关状态可由PLC控制。通过改变这三个球阀的开关状态，达到改变工作状态的目的。因废水具有腐蚀性，所以管路材料选用抗腐蚀性材料OCrl8Ni9，依据参考文献[4]，直径根据进出口水和排污阀水流量确定为D150，D50两种。进水管道和出水管道直径为150mm，排污管道为50mm。依据参考文献[6]，根据阀门在工作过程中所承受的工作压力、阀门的适用温度、所设计管路的直径、阀门适用的介质、阀门的重量和价格等因素选用。本文选用中孝阀门有限公司生产的DQF41M-0.25电动球阀，如图3-3所示。工作原理：DQF系列电动球阀在无外来开启继电信号的情况下，在工作电源的作用下，保持全闭电锁定，电指示开关继电信号无输出。当加入开启电信号，内部小型继电器动作，主电机立即旋转，其转动轴上小齿轮同位开关的作用下，电机停止旋转，且保持电锁定，同时电信号指示开关被碰触动作，开关信号输出使控制室内指示灯有相应指示，此时指示盘处于全开指示位置。反之，当加入关闭电信号后，电机立即反转，经过2秒钟，在反向限位开关作用下，电机停止，此时阀位全闭，且保持全闭电锁定。ZY系列执行机构可直接接收计算机或工业仪表等输出的4～20mADC或1～5VDC控制信号。220VAC电源,根据阀位反馈信号与设定值比较偏差对执行机构驱动电机进行智能步距调整，同时输出4～20mADC的位置反馈信号。本文研究对象只需控制球阀开启与关闭，无需控制其开度。3.2检测设备选型3.2.1位移传感器的选型图3-4KYCM-L磁致伸缩位移传感器本文选择北京康宇公司生产的KYCM-L磁致伸缩位移传感器图3-4KYCM-L磁致伸缩位移传感器参考该产品说明，磁致伸缩线性位移传感器是应用“磁致伸缩”技术研制而成。此项技术用于要求测量精度高、使用环境较恶劣的位移和液位测量系统中。可广泛应用于石油、化工、制药、食品等行业。工作原理：该产品主要由测杆、电子仓和套在测杆上的非接触的磁环或浮球组成。测杆内装有磁致伸缩线(波导线)。工作时，由电子仓内电子电路产生起始脉冲，此起始脉冲在波导丝中传输时，同时产生了沿波导丝方向前进的旋转磁场，当这个磁场与磁环或浮球中的永久磁场相遇时，产生磁致伸缩效应，使波导丝发生扭动，这一扭动被安装在电子仓内的识能机构所感知并转换成相应的电流脉冲，通过电子电路计算出两个脉冲之间的时间差，即可精确测出被测的位移和液位。根据本文吸污器的分布，位移传感器选用量程为300mm，输出信号为4~20mADC/+24VDC±10%。由于吸污管距离排污筒壁最近的距离为248mm，所以当位移传感器移动240mm时，即可认定吸污管与排污筒壁相接触。3.2.2压力传感器的选型在过滤器工作过程中，为了保证过滤及反冲洗的正常进行，进水口压力不得小于0.2Mpa。当压力变送器检测到进水口压力小于0.2Mpa时，可由PLC控制过滤器停机。本文研究对象工作压力为0.6Mpa，故选用量程为0~1Mpa的压力变送器。根据量程及工作环境，本文选用佛山市贺迪传感仪器有限公司生产的HDP704腐蚀性液体压力变送器。如图3-5所示。参考产品说明，HDP704耐腐蚀压力传感器采用陶瓷压阻芯片、耐强酸强碱的高聚合物高密度材质有防腐蚀电缆。图3-5HDP704腐蚀性液体压力变送器主要技术参数：量程：0～1(MPa)，输出信号：4～20mA(二线制)、0～5V、1～5V、0～10V(三线制)，供电电压：24DCV(9～36DCV)。图3-5HDP704腐蚀性液体压力变送器3.2.3压差变送器的选型图3-6HW-180系列差压变送器在过滤过程中，滤网堵塞后，滤网内外侧的水压差持续变化，当压差达到设定值(≥0.03Mpa)后，可由差压变送器发出信号，由PLC控制进行反冲洗。根据设定值和工作环境，本文选用江苏金湖恒达自动化仪表厂生产的HW—180系列差压变送器，如图3-6所示。图3-6HW-180系列差压变送器参考产品说明，HW-180系列压力变送器采用进口扩散硅或陶瓷芯体作为压力检测元件，不锈钢外壳隔离防腐，传感器信号经高性能电子放大器转换成0-10mA或4-20mA统一输出信号。可替代传统的远传压力表，霍尔元件、差动变送器。能与各种型号的仪表使用，也能与各种自动调节系统或计算机系统配套使用。本系统压差设定值为0.03Mpa，因此本文选用HW180BⅡERC型差压变送器。量程范围0-20KPa-70KPa，精度等级0.25%，输出特性二线制4-20mA输出，标准供电DC24V。3.3PLC设备选型3.3.1PLC简介PLC(可编程控制器)是20世纪60年代发展起来的一种新型自动化控制装置，最早是用于替代传统的继电器控制装置，功能上只有逻辑计算、计时、计数以及顺序控制等，而且只能进行开关量控制。上世纪60年代，由于美国汽车工业需要进行大规模的技术改造和设备更新，由传统的继电器控制装置来进行控制，不仅体积庞大、故障率高、柔性差、不灵活、耗能，而且调试困难，可靠性也差。1969年，美国DEC公司首先研制成功了第一台可编程逻辑控制器。PLC技术代表了当今电气程序控制的最先进水平。通过PLC与各种单元自动化装置以及现场总线、计算机网络系统，构成了车间和工厂自动化的完整体系。根据IEC标准，给PLC下的定义是：它是在工业环境中使用的数字操作的电子系统，它使用可编程存储器内部储存用户设计的指令，这些指令用来实现特殊的功能，诸如逻辑运算、顺序操作、定时、计数以及算术运算和通过数字或模拟输入／输出来控制各种类型的机械或过程。3.3.2PLCS7-200系列性能简介(1)系统简介S7-200是西门子公司生产的具有高性能价格比的微型可编程控制器，这一系列产品可以满足多种多样的自动化控制需要，由于具有紧凑的设计、良好的扩展性。低廉的价格以及强大的指令，使得S7-200可以近乎完美地满足小规模的控制要求，完全适合本次设计的控制系统。在机械结构上，其外壳紧凑坚固，便于安装，易于接线，操作方便。其电气特点包含：在CPU中配有EEPROM，可永久地存储用户的程序和其它重要的用户的参数；内置可直接与传感器／负载相连接的直流24V驱动电源；可以极快的速度来响应中断请求信号的上升沿和下降沿：具有记数频率高达30KHZ的高速计数器：备有专用数字扩展模块，方便实现输入／输出点扩展等等.(2)S7-200PLC的工作原理首先CPU读入所有输入端上各控制信号状态．并存入过程输入映像区(PIQ)。然后，CPU在内部计数器、位存储器和定时器的控制下逐行扫描用户程序，并执行有关运算和操作：最后CPU将处理所得到的结果输出到过程结果映像区(PIQ)，并在周期的结尾，将输出映像区的信号同时输出到它们的输出端。如此循环，实现对现场过程的控制。其强大功能表现在：具有丰富的指令集，极高的指令执行速度；灵活的中断功能；输入／输出的直接查询和赋值；严格的121令保护；友好的调试和故障诊断功能以及波特率高达384KBIT／S的高速通讯功能等等。在实际应用中它需要一个S7-200CPU模块。一台个人计算机，STEP7.MICRO／WIN32编程软件，以及一条PC／PPI通讯电缆[11]。3.3.3S7-200系列CPU模块性能概述CPU221：小型PLCCPU221，价格低廉，能满足多种集成功能的需要。CPU222：S7-200中低成本单元。通过可连接扩展模块，即可处理模拟量。CPU224和CPU224XP：具有更多的输入、输出点及更大的存储器。CPU226：功能最强的单元，可完全满足一些中小型复杂控制系统的要求。四种CPU具有： （1）集成的24V负载电源：可直接连接到传感器和变送器（执行器）可用作负载电源。（2）本机数字量输入/输出点：CPU221具有6个输入点和4个输出点，CPU222具有8个输入点和6个输出点，CPU224具有14个输入点和10个输出点，CPU224XP具有14个输入点和10个输出点，CPU226具有24个输入点和16个输出点。（3）高速计数器：CPU221/2224个高速计数器（30kHz），可编程并具有复位输入，2个独立的输入端可同时做加、减计数。CPU224/224XP/2266个高速计数器，具有CPU221/222相同的功能。（4）CPU222/224/224XP/226可方便地用数字量和模拟量扩展模块进行扩展。可使用仿真器（选件）对本机输入信号进行仿真，用于调试用户程序[12]。3.3.4自清洗过滤器的PLC设备选择根据自动过滤器系统的电气控制系统的功能要求，以及其复杂程度，从经济性、可靠性等方面来考虑，选择西门子S7—200系列PLC作为自动过滤器系统的电气控制系统的控制主机。由于自动过滤器电气控制系统涉及较多的输入输出端口，其控制过程相对复杂，因此采用CPU226作为控制系统的主机。CPU266的订货号：6ES7216-2AD23-0XB0。CPU226主要技术数据[12]： 数字量输入：24个，数字量输出：16个，数字I/O映象区：256(128输入/128输出)模拟I/O映象区：64(32输入/32输出)；允许最大的扩展I/O模块：7个，允许最大的智能模块：7个模块，高速计数器：6个；脉冲输出：2个20kHz。3.3.5扩展模块选择在本系统中，还需要采集三个模拟量，且三个模拟量输入范围都是4—20mA，因此需要在扩展一个模拟量输入输出扩展模块。西门子公司专门为S7—200系列PLC配置了模拟量输入输出模块EM235，该模块具有较高的分辨率，可满足控制系统的功能要求。EM235订货号：6ES7235-0KD22-0XA8。EM235主要技术数据[12]：单极性量程范围：0～32000；双极性量程范围：-32000～+32000；分辨率：12位A/D转换器；电压输出：±10V；电流输出：0～20mA。3.3.6供电电源选择供电电源部分采用220V50Hz三相交流电，为电动球阀和DC24V供电电源供电，DC24V供电电源为PLC226、EM235、差压传感器、压力传感器、位置传感器供电。4自清洗过滤器软件系统设计本文采用西门子公司为S7—200系列PLC开发的STEP7—Micro/WIN32作为编程软件。上面介绍了自清洗过滤器控制系统的结构、工作原理和电气控制部分硬件型号。硬件结构的总体设计基本完成后，就要开始软件部分的设计，根据控制系统的控制要求和硬件部分的设计情况及PLC控制系统I/O的分配情况，进行软件编程设计。在软件的设计中，首先按照需要实现的功能要求绘制流程框图，其次按照不同功能编写不同的功能模块。4.1控制任务分析及主程序流程图绘制根据第二章自清洗过滤器工作原理介绍可知其工作流程，过滤器工作原理简图如图4-1所示。控制方案可以分成以下几种： 图4-1过滤器工作原理简图A—入水球阀；B—出水球阀；C—排污球阀（1）点动控制方式 按下过滤器启动按钮，球阀A打开，球阀B延时打开，球阀C处于关闭状态。处理污水经过粗过滤、细过滤阶段达到过滤目的，滤液从球阀B排出。人工根据经验判断过滤介质清洗时间，按下点动按钮，球阀C打开，过滤器开始自清洗，直至冲洗完成，球阀C关闭。（2）定时控制方式过滤器启动，过滤过程如点动控制方式。不同的是球阀C并非人工启动开关，而依靠PLC的时间设定来定时启动过滤器的自清洗工作。这种方式可以在过滤器长期工作以后，根据其自清洗动作规律来设定时间间隔。（3）压差控制方式过滤器启动，过滤过程如以上两种方式。根据从过滤网内、外测采集的压力值，经过差压变送器与预设压力值△P进行比较，如果压差超过预设值，可使PLC控制系统输出控制信号，进而控制球阀C打开，过滤器开始自清洗。直到压差小于预设值，自清洗结束。这种方式在过滤器刚刚投入生产时缺乏经验操作数据情况下，十分有效。一个完整的控制系统应该考虑到整个系统的运行安全。这里考虑了以下几点系统设计时应该考虑到的问题：（1）系统停机：因检修、故障等原因要求过滤器停止运行，需要设置停止运转输入，中断过滤过程的进行。（2）系统报警：因运行过程中，长时间检测不到吸污管与排污筒壁接触信号或者入水口处的压力不能保证过滤和反冲洗正常进行时(即压力传感器测得压力小于0.2Mpa)，系统报警并中断过滤进行。（3）互锁功能：球阀A、B、C在接通开启信号时，不能同时接通关闭信号，以避免电源短路，保证过滤能正常进行。（4）冲洗计数：考虑到吸污管和排污轴的强度以及腐蚀等方面的问题需要检修，以冲洗次数作为衡量标准，设置冲洗计数功能，即在排污轴边缘装有位置传感器，每次吸污管接触排污筒壁后产生电信号输入PLC，计数一次并关闭球阀C。（5）复位控制：过滤器停运之后或者启动之前，防止下一次启动出现异常情况，需将球阀A,B,C都关闭，起保护功能。根据以上控制任务的分析，确定选择过滤器的控制方案（1）选择点动控制方式→复位→系统启动→球阀A打开→球阀B延时打开→点动→计数→球阀C打开→吸污管与排污筒壁接触信号→球阀C关闭→循环……→停机→复位。（2）选择定时控制方式→复位→系统启动→球阀A打开→球阀B延时打开→延时→计数→球阀C打开→吸污管与排污筒壁接触信号→球阀C关闭→循环……→停机→复位。（3）选择压差控制方式→复位→系统启动→球阀A打开→球阀B延时打开→压差超过设定值信号→计数→球阀C打开→吸污管与排污筒壁接触信号→球阀C关闭→循环……→停机→复位。依照过滤任务，绘制自清洗过滤器控制系统主程序流程图，如图4-2所示。 YNYNNYYY系统启动点动控制方式定时控制方式压差控制方式复位启动按钮球阀A打开球阀B延时打开过滤进行球阀C打开压差>预设点动时间>预设球阀C关闭计数输出吸污管与外壁接触信号循环停机复位NNNY图4-2自清洗过滤器控制系统主程序流程图4.2自清洗过滤器控制系统的组成PLCEM235球阀A过滤PLCEM235球阀A过滤反冲洗停机全自动自清洗过滤器细滤网网内压力细滤网网外压力入水口压力传感器球阀B球阀C电源差压变送器位置传感器图4-3控制系统的组成4.3PLC的I/O资源配置根据控制要求和控制系统的组成，对PLC的I/O进行配置，具体分配如表4-1所示。表4-1PLC的I/O资源分配输入地址输入设备输出地址输出设备I0.0启动按钮Q0.0球阀A全开I0.1停机按钮Q0.1球阀A全关I0.2复位按钮Q0.2球阀B全开I0.3点动(控制按钮)Q0.3球阀B全关I0.4点动(选择按钮)Q0.4球阀C全开I0.5定时(选择按钮)Q0.5球阀C全关I0.6差压(选择按钮)Q0.6计数输出AIW0差压变送器输入Q0.7报警输出AIW2位置传感器输入Q1.0点动控制状态输出AIW4压力传感器输入Q1.1定时控制状态输出Q1.2压差控制状态输出4.4PLC硬件接线图根据PLC的I/O资源分配列表和PLC设备型号，绘制PLC硬件接线图，如图4-4所示。I0.0I0.1I0.0I0.1I0.2I0.3I0.4I0.5CPU266启动停机点动复位点动控制定时I0.6压差操作方式Q0.0Q0.1Q0.2Q0.3Q0.4Q0.5Q0.6Q0.7EM235AIW0AIW2位置传感器压差变送器压力传感器球阀A全开球阀B全开球阀C全开球阀A全关球阀B全关球阀C全关计数输出报警输出Q1.0Q1.1Q1.2AIW4定时控制状态差压控制状态点动控制状态图4-4PLC硬件接线图4.5三种控制方式流程图为了便于编程，根据自清洗过滤器控制系统主程序流程图，先绘制出三种控制方式的程序流程图，如图4-5所示。选择点动控制方式时，输入点I0.4接通，开始执行点动程序。即按下点动控制按钮，球阀C全开，自清洗过程开始。当吸污管轴向运动到排污筒壁处，位置传感器传出信号接通，同时有计数输出，球阀C全关，自清洗过程结束。选择压差控制方式时，输入点I0.6接通，执行差压程序，压差比较信号接通AIW0从而启动自清洗过程，位置传感器信号结束自清洗过程。选择定时控制方式时，输入点I0.5接通，执行定时程序，即根据经验预设自清洗启动所需时间(本文预设10分钟)，接通计数器并启动自清洗过程，位置传感器信号结束自清洗过程。YYYYYNNN点动控制点动控制方式压差控制方式定时控制方式达到预设时间10m压差超出设定0.03MPa球阀C打开吸污管与外筒接触信号计数球阀C关闭球阀C关闭球阀C关闭吸污管与外筒接触信号吸污管与外筒接触信号计数计数球阀C打开球阀C打开图4-5三种控制方式程序流程图4.6启动环节流程图根据主程序流程图可以得出，在三种运行方式下复位和启动控制是共用的。从而绘制启动环节流程图，如图4-6所示。按下复位按钮，输入点I0.2接通，三个球阀全部关闭，达到复位的要求，保证生产的安全开始。按下启动按钮，球阀A全开，计时器开始计时，根据流速和容积估算过滤器充满滤液的时间为l5S，之后球阀B全开，过滤器即开启运行。开始复位开始复位A、B、C球阀全关启动按钮球阀A打开延时15S球阀B打开图4-6启动环节流程图4.7停机与报警流程图观察主程序流程图中的停机过程，如图4-7所示。也是共通的。当压力传感器信号小于0.2Mpa或球阀C打开后，长时间（本文预设90S）检测不到吸污管与排污筒壁接触信号时，则表明特殊原因使供液压力降低或者排污管被异物卡住，此时输出Q0.7报警，同时与停机按钮接通构成“或”的逻辑关系来控制过滤器停运。即球阀A全关，并接通计时延时15S，关闭球阀B,C，同时起到复位功能，为下一次过滤做好准备工作。 球阀C开启后90秒未收到接触信号入水口压力<0.2Mpa报警输出停止按钮球阀C开启后90秒未收到接触信号入水口压力<0.2Mpa报警输出停止按钮球阀A关闭延迟15秒球阀B、C关闭图4-7停机与报警流程图4.8控制系统梯形图编写4.8.1模拟量值和A/D转换值的计算在本系统中，使用到的模拟量，若想在PLC程序中应用就必须首先要经过电流信号转换成相应的数值。转化过程介绍如下：假设模拟量的标准电信号是A0—Am（如：4—20mA），A/D转换后数值为D0—Dm（如：6400—32000），设模拟量的标准电信号是A，A/D转换后的相应数值为D，由于是线性关系，函数关系A＝f（D）可以表示为数学方程：A＝（D－D0）×（Am－A0）／（Dm－D0）＋A0由此可以计算出，本文所选用压力传感器量程为0—1Mpa，输出4—20mA，欠压保护的临界值为0.2Mpa，对应EM235转换数值为11520。差压传感器量程为0—0.07Mpa，输出4—20mA，启动自清洗程序的临界值为0.03Mpa，对应EM235转换数值为17371。位移传感器量程为0—300mm，输出4—20mA，自清洗停止的标志为60mm（由300mm-240mm所得），对应EM235转换数值为11520。4.8.2主控制程序梯形图 主控制程序完成系统的复位，启动，停机，报警以及各个子程序的调用功能。图4-8主控制程序梯形图：复位程序如图4-8所示，复位按钮I0.2接通后，接通辅助继电器M0.0，M0.0接通计时器T37，并由辅助继电器M0.1保持。同时M0.1启动SBR_3系统复位子程序（主控制程序网络15），PLC输出球阀A、B、C关闭信号，Q0.1、Q0.3、Q0.5。由于球阀A、B、C开启与关断的动作时间都为2S，开启与关断信号需要保持2S时间，以保证控制系统的可靠性和安全性。复位信号由T37保持2S后，随着T37的接通而断开M0.1。所有关闭球阀的输出信号关断，复位过程结束。图4-9主控制程序梯形图：启动程序如图4-9所示，该部分完成系统的启动控制。按下启动按钮I0.0后，接通辅助继电器M0.2。继电器M0.2接通计时器T38，同时输出球阀A开启信号Q0.0，并由辅助继电器M0.3保持。T38延迟15秒，以保证过滤器内充满滤液。T38接通后，断开M0.3，此时Q0.0输出关断。同时接通计时器T39，并输出球阀B开启信号Q0.2，信号由辅助继电器M0.4保持。计时器T39经过2S后导通，随着T39的接通，继电器M0.4关断，此时Q0.2输出关断。图4-10主控制程序梯形图：三种控制方式的子程序调用如图4-10所示，系统启动以后，可选择三种控制方式。三种控制方式彼此互锁，只能选择其中一种。同时三种控制方式选择与报警信号Q0.7和关机按钮I0.1互锁，当有警报Q0.7输出或者按下I0.1时，停止调用相关子程序，并关断相应的状态指示信号。以调用点动控制子程序（主控制程序网络6）为例按下点动控制按钮I0.4后，调用点动控制子程序SBR_0，并由辅助继电器M1.0保持，同时输出点动控制状态信号Q1.0。当选择其他控制方式，系统报警Q0.7输出或者按下关机按钮I0.1时，结束该子程序的调用，并断开点动控制状态输出信号Q1.0。其他两种控制方式子程序调用过程与点动控制子程序调用类似。如图4-11所示，该部分完成控制系统的超时报警的计时过程。系统在任意控制方式下，当球阀C开启信号Q0.4（见相关控制方式子程序）接通时，会导通相应的信号保持辅助继电器（M1.2，M2.2，M3.2），同时相应的保持继电器会接通计时器T44，并由辅助继电器M0.7保持。图4-11超时报警计时程序如果在T44计时时间（90S）内，球阀C关闭信号Q0.5接通，则计时器T44停止计时并关断。相反如果Q0.5没有接通，则说明排污管可能被异物卡住。90S后，T44接通，并输出报警信号Q0.7（主控制程序网络11），执行停机程序（主控制程序网络11）。随着停机的进行，球阀C关闭信号Q0.5接通，关断T44，同时解除报警信号Q0.7。图4-12主控制程序梯形图：欠压报警激活与关断程序如图4-12所示，为了避免欠压报警程序在过滤器工作前或关闭后运行，特设置此程序。本程序欠压输入AIW4（主控制程序网络11）由图中辅助继电器M10.0接通。只有当启动按钮按下时，M10.0才会导通，并由自身保持。当关机程序结束或者按下复位按钮时，即Q0.3接通或者I0.2接通时。辅助继电器M10.0断开，系统停止接收进水口压力值，AIW4的信号输入，关闭欠压报警程序。图4-13主控制程序梯形图：报警程序如图4-13所示，为了保证过滤及反冲洗的正常运行，进水口压力不得小于0.2Mpa。当压力传感器检测到入水口压力小于0.2Mpa时（对应输出小于7.2mA，经过EM235的A/D转换数值应为11520），即AIW4的输入小于等于11520时，此时，系统输出报警信号Q0.7。超时报警计时器T44接通时，系统也会输出报警信号Q0.7。同时为了保证系统的安全工作，报警程序在系统启动和复位阶段不会工作。因此设置I0.0，M0.1和M0.3使报警程序与启动和复位程序互锁。图4-14主控制程序梯形图：停机程序如图4-14所示，按下停机按钮I0.1后，接通计时器T40，同时输出球阀A关闭信号Q0.1，并由辅助继电器M0.5保持。延迟15S后，计时器T40接通，此时Q0.1信号关断，同时继电器M0.5断开，计时器T40停止计时。如图4-15所示，此程序部分与主控制程序网络12（见图4-14）共同完成系统的停机过程。当接计时器T40接通时，通计数器T45，并由辅助继电器M0.6保持其接通状态，同时输出球阀B关闭信号Q0.3和球阀C关闭信号Q0.5。此信号由T45保持2S后，随着T45的接通而关断。在本文系统设计中，停机过程与开机过程，复位过程与开机过程，彼此构成互锁关系，不能同时进行，以保证设备的安全。图4-15主控制程序梯形图：出水球阀和排污阀关闭程序如图4-16所示，通过继电器M0.1的导通，完成复位子程序的调用。为了避免与其他控制程序发生冲突，故放在主程序的最后，具有较高的优先权。图4-16主控制程序梯形图：复位子程序调用4.8.3点动控制子程序梯形图如图4-17所示，按下点动控制按钮I0.4后（主控制程序网络6），调用点动控制子程序。随着过滤的进行，按下点动控制按钮I0.3后，输出计数信号Q0.6，并接通辅助继电器M1.1。图4-17点动控制子程序梯形图：点动控制启动如图4-18所示，该部分程序与点动控制子程序网络1共同完成点动控制方式的系统控制，实现过滤器的自清洗过程。当辅助继电器M1.1导通时，接通定时器T41和保持继电器M1.2，同时输出球阀C开启信号Q0.4。该信号保持2S后，随着计时器T41的接通而关断。此时球阀A、B、C都应处于打开状态，过滤器处于反冲洗阶段。图4-18点动控制子程序梯形图：自清洗程序随着反冲洗的进行，吸污管不断响排污筒壁靠近，当轴向移动240mm时，吸污管与排污筒壁相接触。此时，位移传感器信号输出应该为7.2mA。该信号输出给EM235（信号对应EM235的A/D转换数值为11520）。当AIW2的数值小于或等于11520时，则表示吸污管与排污筒壁接触。此时，接通保持继电器M1.3和计时器T42，同时输出球阀C关断信号Q0.5。信号保持2S后，随着T42的接通而关断。此时，过滤器恢复到正常的过滤工作状态。4.8.4定时控制子程序梯形图如图4-19所示，定时控制方式的工作过程与点动控制类似。不同的是，当系统处于时间控制方式时，辅助继电器M2.0接通定时器T43，T43延迟10分钟后，接通继电器M2.1进行反冲洗，并输出计数信号Q0.6。当清洗完成后输出球阀C关闭信号Q0.5。当Q0.5接通后，关断计时器T43。Q0.5输出信号关断后，又重新接通T43，此时计时器重洗计时，准备下一次反冲洗。如此循环工作，满足定时控制要求。如图4-20所示，该部分程序与定时控制子程序网络1共同完成定时控制方式的系统控制，实现过滤器的自清洗过程。工作过程与点动控制方式类似。图4-19定时控制子程序梯形图：周期定时程序与计数输出图4-20定时控制子程序梯形图：自清洗程序4.8.5压差控制子程序梯形图图4-21压差控制子程序梯形图：差压比较程序如图4-21所示，当系统处于压差控制方式时，反冲洗信号由AIW0的值决定，本文启动自清洗程序的设定值值为0.03Mpa。当差压变送器测量值为0.03Mpa时，变送器的输出为10.85mA，对应EM235的A/D转换数值为17371。当AIW0的测量值大于等于17371时，接通辅助继电器M3.1进行反冲洗，并输出计数信号Q0.6。当一次反冲洗完成时，过滤筒内外压差应该恢复0.01—0.03Mpa之间，当压差再次大于等于0.03Mpa时，又重新执行反冲洗。图4-22压差控制子程序梯形图：自清洗程序如图4-22所示，该部分程序与压差控制子程序网络1共同完成压差控制方式的系统控制，实现过滤器的自清洗过程。工作过程与点动控制方式类似。4.8.6系统复位子程序图4-23系统复位子程序梯形图如图4-23所示，当系统调用复位子程序时，输出关闭球阀A、B、C的输出信号Q0.1、Q0.3和Q0.5，完成系统复位功能，为系统的启动做准备。4.8.7清洗计数程序图4-24系统自清洗计数程序如图4-24，当计数输出Q0.6接通时，计数器C10的值加1，并由触摸屏读取该数值以实现计数监控功能。停机输入I0.1和复位输入I0.2可以实现对C10的清零。5模拟实验编程调试和运行结果5.1实验目的自清洗过滤器自动控制系统设计、安装完成后，需要进行系统的调试和试运行，模拟全自动自清洗过滤器的工作过程，发现并解决设备、仪表、程序等方面出现的问题，检验系统是否能实现工艺要求，验证控制的可行性。5.2模拟实验设备选型根据第三章硬件设备选型和现有实验设备，选用THKGK-2型过程控制实验装置。本装置集多参数控制为一体，由过程控制对象、传感器、变送器、调节器、执行器、显示器和计算机等组成。实验用PLC采用实验装置当中的CPU266。在本系统中，需要采集模拟量，因此还需要使用实验装置当中的模拟量输入输出扩展模块EM235。由于实验设备有限，差压变送器，压力传感器和位置传感器的模拟信号，由实验箱GK-10的三个模拟量发生器代替，输出4—20mA直流电流，模拟传感器的输出电流。本文所选用的三个球阀采用ZY系列执行机构，可以直接接收计算机或工业仪表等输出的控制信号，且本系统只需要进行球阀的开关控制，无需控制其开度，因此可直接观察PLC设备上的输出信号指示灯，即可判断球阀的工作状态。5.3模拟实验软硬件设备调试按照系统设计要求将各硬件接线接好。调试过程首先检查总供电及各设备供电是否正常，然后检查设备的电气控制是否正常，能否正常开机，检查仪表及控制系统是否正常。在对系统进行必要的检查后，开始具体调试。供电线路的设置和检验，主要用万用表检测电路的连通是否实现，以及保证接线的正确性，防止220V与24V线路的错位接线发生。PLC单独检测，检查PLC单元能否正常工作，指示灯是否正常，该部分工作实际上在计算机模拟调试前就己经完成。经过测试，结果表明上述功能一切正常，可以进行总体调试。在STEP7-Micro/WIN32软件中，通过编程，将编好的程序下载到PLC中进行运行调试，检查程序是否有错误，是否能够实现相应的功能控制。调试时，根据功能模块分类分别调试，最后进行总体调试。在该控制程序中，需要根据外界输入的状态来控制三个球阀的开启与关闭，因此需要按照压力传感器，差压变送器和位置传感器的反馈信息来进行判断处理，然后再进行输出控制。软件编程与调试界面如图5-1所示。图5-1自清洗过滤器控制系统编程与调试界面5.4实验调试结果及分析 为了清晰直观地描述调试结果，本文以PLC仿真软件S7_200version2.0的仿真结果做分析。在加载自清洗过滤器控制系统程序之前，先选择对应的CPU型号和扩展模块，即CPU266和EM235。同时调节EM235的输入量程和相应输入端的输入数值，模拟现实启动前的状态。软件调试好后，加载程序。如图5-2所示。5.4.1复位程序调试程序加载后，点击运行按钮，使PLC仿真软件进入运行状态。按下复位按钮I0.2，观察仿真结果。按下复位按钮I0.2后，Q0.1，Q0.3，Q0.5接通，并保持2秒，如图5-3所示。图5-2仿真程序加载图5-3仿真复位控制5.4.2启动程序调试按下启动按钮I0.0后，球阀A开启信号Q0.0输出，同时接通辅助继电器M10.0，启动欠压报警程序，如图5-4所示。延迟15秒后，球阀A开启信号关断，同时球阀B开启信号Q0.2输出并保持2秒，如图5-5所示。图5-4仿真启动控制1图5-5仿真启动控制25.4.3停机程序调试按下停机按钮I0.1后，球阀A关闭信号Q0.1输出并延迟15秒。15秒后，球阀A开启信号关断，同时球阀B关闭信号Q0.3输出和球阀C关闭信号Q0.5，输出信号保持2秒，如图5-6所示。图5-6仿真停机控制5.4.4点动控制程序调试系统启动后，按下点动控制方式选择按钮I0.4，系统调用点动控制方式子程序SBR_0，同时输出点动控制状态指示Q1.0，如图5-7所示。按下点动控制按钮I0.3后，输出计数信号Q0.6，同时输出球阀C开启信号Q0.4，信号保持2S后关断。此时球阀A、B、C都应处于打开状态，过滤器处于反冲洗阶段。如图5-8所示。随着反冲洗的进行，吸污管不断响排污筒壁靠近，当轴向移动240mm时，吸污管与排污筒壁相接触。此时，位移传感器信号输出应该为7.2mA（对应EM235的A/D转换数值为11520）。调节EM235，当AIW2的数值小于或等于11520时，系统输出球阀C关断信号Q0.5（球阀C关断后，排污管位置应退回原位），信号保持2S后关断，如图5-9所示。此时，过滤器恢复到正常的过滤工作状态。图5-7点动控制方式仿真1图5-8点动控制方式仿真2图5-9点动控制方式仿真35.4.5定时控制程序调试系统启动后，按下定时控制方式选择按钮I0.5，系统调用定时控制方式子程序SBR_1，同时输出定时控制状态指示Q1.1。系统选择定时控制方式后，延迟10分钟，输出计数信号Q0.6，同时输出球阀C开启信号Q0.4，信号保持2S后关断，过滤器进行反冲洗。如图5-10所示。调节EM235，使AIW2的数值小于11520。系统输出球阀C关闭信号Q0.5，信号保持2秒。并且计时器重洗计时，准备下一次反冲洗。如图5-11所示。图5-10定时控制方式仿真1图5-11定时控制方式仿真25.4.6差压控制程序调试系统启动后，按下定压差制方式选择按钮I0.6，系统调用压差控制方式子程序SBR_2，同时输出压差控制状态指示Q1.2。当处于压差控制方式时，反冲洗信号由AIW0的值决定。当差压变送器测量值为0.03Mpa时，此时的输出为10.85mA（对应EM235的A/D转换数值为17371）。调节EM235中AIW0的值大于等于17371，系统输出计数信号Q0.6，并输出球阀C开启信号Q0.4，该信号保持2秒，如图5-12所示。调节EM235，使AIW2的数值小于11520。系统输出球阀C关闭信号Q0.5，信号保持2秒。当一次反冲洗完成时，过滤筒内外压差应该恢复0.01—0.03Mpa之间，当压差再次大于等于0.03Mpa时，又重新执行反冲洗。图5-12压差控制方式仿真5.4.7欠压报警程序调试以点动控制方式为例，当按下启动按钮I0.0后，继电器M10.0导通，激活欠压报警程序。为了保证过滤及反冲洗的正常运行，进水口压力不得小于0.2Mpa。当压力传感器检测到入水口压力小于0.2Mpa时，对应此时的输出小于7.2mA（对应EM235的A/D转换数值应为11520）。调节EM235的AIW4的输入，使其小于等于11520，此时，系统输出报警信号Q0.7，同时执行关机程序，如图5-13所示。当关机程序结束或者按下复位按钮时，即Q0.3接通或者I0.2接通时。系统停止接收进水口压力值，AIW4的信号输入，关闭欠压报警程序。此时，即使AIW4的信号输入小于设定值也不会报警。图5-13欠压报警仿真5.4.8超时报警程序调试在任意工作状态下，当球阀C开启信号Q0.4接通时，相应的保持继电器会同时接通计时器T44。如果在T44计时时间内（90S），球阀C关闭输出Q0.5接通，则关断计时器T44。如果Q0.5没有接通，则说明排污管可能被异物卡住。90S后，T44接通，并输出报警信号Q0.7，执行停机程序，如图5-14所示。随着停机的进行，球阀C关闭信号Q0.5接通，关断T44，同时消除报警信号。图5-14超时报警仿真通过以上实验结果能够看出，本文自清洗过滤器控制系统运行过程中的启动、停机和三种工作方式的控制能够正常准确地运行。其中复位、报警、计数等辅助功能，也能够有效的起到保护作用。因此，本文设计的自清洗过滤器控制系统能达到预期控制目的。各模块程序在实验室PLC硬件设备上进行调试时，也能同样实现相应功能的控制，基本达到了控制系统设计的目标要求。5.5监控组态软件设计MT500系列触摸屏人机界面提供功能强大、简单易用的组态软件EasyBulider500,它具备简体中文的操作环境，采用图形化的操作界面支持“多语言”之间的切换功能，可以实现四种语言之间切换显示，并支持宏指令[9]。5.5.1监控组态软件设计流程图监控组态软件设计流程图如图5-15所示。创建一个新工程绘制所需的按钮和需要显示的内容创建一个新工程绘制所需的按钮和需要显示的内容对应PLC的参数设定各个按钮编译下载到触摸屏图5-15监控组态软件设计流程5.5.2监控组态软件设计第一步：创建一个新的工程并设定相关参数安装好EB500后，双击快捷方式EasyManager启动程序。选择PLC类型为SIEMENSS7/200，人机类型选择相应的触摸屏,其他相关设置如图5-16所示。第二步：添加元件（1）添加位状态设定开关和位状态指示灯。选择菜单/元件/位状态设定，这时弹出位状态开关属性对话框，如图5-17所示。启动按钮SB1对应I0.0，复位按钮SB2对应I0.1，停机按钮SB3对应I0.2，定时控制方式选择按钮SB3对应I0.5，压差控制方式选择按钮SB4对应I0.6。点动控制方式选择按钮SB5对应I0.4，点动控制按钮SB6对应I0.3。图5-16触摸屏系统参数设置图5-17新建状态设定元件同理，绘制位状态指示灯，进水口多位状态指示灯WL_0对应Q0.0和Q0.1，出水口多位状态指示灯WL_1对应Q0.2和Q0.3，排污口多位状态指示灯WL_2对应Q0.4和Q0.5.系统报警位状态指示灯BL_3对应Q0.7。定时位状态指示灯BL_0对应Q1.1，压差位状态指示灯BL_1对应Q1.2，点动位状态指示灯BL_2对应Q1.0的输出。（2）功能元件和文本元件的绘制与位状态元件绘制相同。对应的属性如表5-1所示。最终绘制好的触摸屏窗口如图5-18所示。表5-1文本和功能元件配置表文本文件显示元件读取地址显示数值清洗次数数值显示元件C10十进制0-999进水口压力表针元件AIW4十进制0-1000过滤筒压差表针元件AIW0十进制0-700第三步：保存编译并下载（1）选择菜单/文件/保存，然后选择菜单/工具/编译。这时弹出编译对话框，单击编译按钮，完成编译后退出对话框。如图5-19所示。（2）编译完成后，下载程序到触摸屏。选择工具/下载。（3）下载完毕后，将触摸屏重新复位，这时可以在触摸屏上通过按键直接控制PLC的运行并监控自清洗过滤器的工作状态。图5-18触摸屏显示图图5-19触摸屏编译界面6结论经过本论文工作，提出了一套自清洗过滤器控制系统的设计方法，并对其中一些关键装置和参数进行了讨论。本文采用PLC作为主控机，对自清洗过滤器进行控制。经过调试和运行，本文设计的控制系统基本达到预期的控制要求，系统具有较高的准确性和可靠性，可基本实现自清洗过滤器的自动反冲洗控制，不仅节省了人力物力,而且提高了自清洗过滤器的运行效率。PLC通常称为可编程逻辑控制器，是一种以微处理器为基础，综合了现代计算机技术、自动控制技术和通信技术发展起来的一种通用的工业自动控制装置，由于它拥有体积小、功能强、程序设计简单、维护方便等优点，特别是它适应恶劣工业环境的能力和它的高可靠性，使它的应用越来越广泛，已经被称为现代工业的三大支柱(即PLC、