西门子PLC和WINCC在污水处理自动化监控系统中的应用

　　第6章控制策略研究

　　6.1PID算法

　　6.1.1PID算法介绍

　　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，所以人们往往采用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。

　　6.1.2PID算法在PLC中的实现

　　考虑到PLC的运算速度，需要对PID算法进行一下转化，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，所以只需要将上一次的误差和上一次的积分项存储。利用数字计算机的迭代运算，可将PID算式化为递推形式[3]。简化形式如下：





　　在该污水处理系统中，在提升泵、曝气机、罗茨风机、污泥回流泵等多处用到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。下面是PID功能块的程序：







　　6.2软起动器一拖三控制

　　提升泵房有4台提升泵，其中的三台采用施耐德ATS4837KW软起动器，工作在接触器旁路工作模式，实现一拖三控制。在一拖三级联控制系统中，ATS48的运行信号RUN，停止信号STOP和级联信号LIC由PLC的继电器输出给定。同时，将ATS48的输出继电器R1设置为“r1I（隔离继电器）”，把逻辑输入LI3设置为“LIC（级联控制）”。电机主回路控制图如下图所示。



　　图6.1电机主回路控制图

　　图中1KM1、2KM1、3KM1为电机1#、2#、3#的主接触器，1KM2、2KM2、3KM2为电机1#、2#、3#的旁路接触器。下面以电机1为例说明电机的启动停止过程。

　　启动时，按下启动按钮，经PLC延时后，输出一个500ms（该时间应大于100ms，小于1000ms）的脉冲启动信号给ATS48的RUN端，软启动器被允许启动，由于产生运行信号，ATS48内部继电器R1吸合，于是主接触器1KM1合上，ATS48按照设置的启动时间启动；启动结束后，ATS48内部继电器R2合上，于是旁路接触器1KM2合上，此时1KM1和1KM2同时吸合；在较短的一段时间（由ATS48决定）之后，R2在R1之后失电，1KM1断开，电机继续由1KM2供电，完成整个启动过程。同理可以启动2#电机和3#电机。

　　停止时，按下停止按钮，经PLC延时后，输出一个500ms（该时间应大于200ms）的脉冲信号给ATS48的LI3端，软启动器级联控制被激活，ATS48内部继电器R1、R2吸合（R2为脉冲信号，R1保持闭合直到电机完全停下来），于是主接触器1KM1吸合，ATS48与正在运行的电机接上；LI3脉冲信号的下降沿经PLC延时后，输出一个500ms（该时间应大于100ms）的负脉冲信号给ATS48的STOP端，ATS48的内部继电器R2断开，于是旁路接触器1KM2断开，ATS48软启动器按已设置的停车时间使电机停车，停车完成后，ATS48内部继电器R1断开，于是主接触器1KM1断开，完成整个停车过程。同理可以停止2#电机和3#电机。

　　在PLC内部，我们设置一个字节的变量作为启动状态的标志，分别标识软起准备好、软起中、软起完成、完成延时断开、停止等。同时，对启动器运行的时间进行计时。如果软起开始运行后经过设定的时间PLC还没有收到软起完成的信号，则认为是软起动器故障。

　　7结束语

污水处理自动化监控系统涉及到水处理、自动控制、计算机技术、仪器仪表、电力电子等众多学科，是一个复杂的综合性领域。本文以污水处理的工艺流程为线索，介绍了监控系统的整体设计方案。讲述了利用STEP7软件编程、利用WinCC软件完成组态的具体过程。同时，对在污水处理中的控制策略进行了介绍，包括PID算法在PLC中的实现以及一台软启动器拖动三台电动机的具体实现。

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