孫強(qiáng)

（天津津?yàn)I石化設(shè)備有限公司，天津 300270）

1 工藝概況

天津石化2011年擴(kuò)建增加污泥干化裝置，污泥處理裝置包括污（濕）泥裝置和干化裝置。是將污水處理過程中產(chǎn)生的油泥、浮渣和活性污泥進(jìn)行濃縮、脫水、減量、干化處理，充分消除污泥對環(huán)境的二次污染。污泥干化工藝流程如圖1。

2 污泥干化PLC的硬件組成及配置

西門子S7-300/400系列PLC具有豐富、多種的模塊化結(jié)構(gòu)，其模塊化的輸入輸出電路均采用光電隔離技術(shù)，屏蔽工業(yè)現(xiàn)場的干擾信號(hào)，在輸入電路中還普遍采用RC濾波。主要由中央處理單元、輸入接口、輸出接口、通信接口等部分組成，其中CPU是PLC的核心，I/O部件是連接現(xiàn)場設(shè)備與CPU之間的接口電路，通信接口用于與編程器和上位機(jī)連接。模塊式PLC功能模塊獨(dú)立封裝，通過總線連接主要組成部分有導(dǎo)軌（RACK）、電源模塊（PS）、中央處理單元CPU模塊、輸入輸出I/O信號(hào)模塊（SM）、I/O通信接口模塊（IM）、功能模塊（FM）等，并由機(jī)架及電纜將各模塊連接，通過MPI網(wǎng)的接口直接與編程器PG、操作員面板OP和其它S7 PLC相連。

圖1 污泥干化工藝流程圖

2.1 中央處理單元CPU

CPU是PLC的控制中樞，一般由控制電路、運(yùn)算器和寄存器組成。在系統(tǒng)監(jiān)控程序的控制下，通過掃描方式將外部輸入信號(hào)的狀態(tài)寫入輸入映像區(qū)域，PLC進(jìn)入運(yùn)行后，從存儲(chǔ)器讀取用戶程序指令，按指令規(guī)定的任務(wù)去進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸、邏輯運(yùn)算、算術(shù)運(yùn)算等處理方式，并根據(jù)處理結(jié)果送到映像寄存區(qū)域，通過輸出裝置去控制外部設(shè)備。

CPU具有自診斷功能，能對異常情況進(jìn)行有效的處理。大中型PLC采用由雙CPU構(gòu)成冗余系統(tǒng)，進(jìn)一步提高了可靠性。

2.2 存儲(chǔ)器

基本由只讀存儲(chǔ) 器 ROM（Read Only Memory）、隨機(jī)存儲(chǔ)器RAM（R a n d o m A c e s s Memory）和可電擦寫存儲(chǔ)器EEPROM幾部分組成，主要用于存放系統(tǒng)程序、用戶程序及工作數(shù)據(jù)。ROM主要存放系統(tǒng)程序和用戶程序，系統(tǒng)程序是PLC制造商隨系統(tǒng)提供的管理程序，具有系統(tǒng)診斷、命令解釋、功能子程序管理、運(yùn)算、通信及參數(shù)設(shè)定等功能。RAM主要用來存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，包括輸入輸出數(shù)據(jù)、邏輯部件參數(shù)、中間變量等。西門子S7-400的RAM可用具有后備電池，可以在系統(tǒng)掉電后長期保持其內(nèi)容。

2.3 I/O單元及I/O擴(kuò)展接口

是PLC與工業(yè)現(xiàn)場設(shè)備相聯(lián)系的卡件。I/O輸入卡件得到如行程開關(guān)、按鈕、傳感器等控制命令、檢測被控對象或生產(chǎn)過程的各種參數(shù)信號(hào)，以這些現(xiàn)場數(shù)據(jù)作為PLC對控對象進(jìn)行控制的信息依據(jù)。經(jīng)過內(nèi)部具有信號(hào)隔離、濾波、電平轉(zhuǎn)換等處理電路將其外部提供符合PLC輸入電路要求的電壓信號(hào)，通過光耦合電路送至PLC內(nèi)部電路。輸入電路通常以光電隔離和阻容濾波的方式提高抗干擾能力，輸入響應(yīng)時(shí)間一般在0．1～15ms之間。為了與現(xiàn)場信號(hào)連接，輸入卡件上設(shè)有輸入針前連接器的接線端子。

同時(shí)，通過I/O輸出卡件將處理結(jié)果送給被控設(shè)備或工業(yè)生產(chǎn)過程，以實(shí)現(xiàn)控制現(xiàn)場設(shè)備進(jìn)行工作。在輸出卡件中的輸出級(jí)電路常采用一些大功率器件，如機(jī)械觸點(diǎn)式繼電器、無觸點(diǎn)交流開關(guān)（如雙向晶閘管）及直流開關(guān)（如晶體管）等，能直接驅(qū)動(dòng)一些現(xiàn)場執(zhí)行元器件，如電磁閥、接觸器、指示燈、報(bào)警器和微電機(jī)等設(shè)備，輸出卡件也與輸入卡件類似，有輸出狀態(tài)鎖存、顯示、電平轉(zhuǎn)換電路和輸出接線端子排。

I/O擴(kuò)展接口使I/O擴(kuò)展單元與PLC基本單元實(shí)現(xiàn)連接，以達(dá)到在基本I/O單元的輸入、輸出點(diǎn)數(shù)不夠使用時(shí)的擴(kuò)充。

2.4 外設(shè)接口

外設(shè)接口用于連接手持編程器或圖形、文本編輯器，并能通過外設(shè)接口組成PLC的控制網(wǎng)絡(luò)。PLC通過MPI模塊的RS-485串行通信接口，同時(shí)與現(xiàn)場總線兼容的PROFIBUS接口或RJ45接口（Ethermet網(wǎng)）連接于PLC、DCS、操作站上位機(jī)、編程器、打印機(jī)等外部設(shè)備，以實(shí)現(xiàn)編程、監(jiān)控、聯(lián)網(wǎng)等功能。

2.5 電源單元

電源單元包括系統(tǒng)的電源模塊及后備電池。電源模塊是把外部220VAC電源通過PLC內(nèi)部配有的一個(gè)專用開關(guān)式穩(wěn)壓電源，將交流/直流供電電源轉(zhuǎn)化為內(nèi)部電路需要的不同電壓等級(jí)的直流工作電源（如直流5V、±12V、24V），并為外部輸入元件提供24VDC查詢電源（僅供輸入端點(diǎn)使用），而驅(qū)動(dòng)PLC負(fù)載的電源則需要外部提供。

污泥干化PLC硬件配置如圖2。

西門子PLC S7-300/400系統(tǒng)采用S7-400CPU與S7-300模塊配合使用，利用遠(yuǎn)程上位機(jī)操作站（軟件為SIMATIC Manager和SIMATIC WinCC Explorer）、現(xiàn)場就地觸摸屏（軟件為Flexible）通過Ethernet和Profibus DP通訊結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程、就地控制操作，將過程實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、運(yùn)行操作監(jiān)視數(shù)據(jù)信息有效地傳遞。

圖2中的現(xiàn)場控制站采用2CPU（CP414-4HM14-0AB0）冗余，實(shí)現(xiàn)了在任何故障及隨機(jī)錯(cuò)誤產(chǎn)生的情況下進(jìn)行糾錯(cuò)、及時(shí)切換與連續(xù)不間斷地控制。I/O模塊包括24VDC電源模塊、CPU模塊、接口模塊、I/O卡件。

3 PLC系統(tǒng)主要功能

（1）數(shù)字量邏輯控制功能：PLC用“與”、“或”、“非”等邏輯指令來實(shí)現(xiàn)觸點(diǎn)和電路的串聯(lián)、并聯(lián)，代替繼電器進(jìn)行組合邏輯控制、定時(shí)控制與順序控制。數(shù)字量邏輯控制可以擁有單臺(tái)設(shè)備，也可以用于自動(dòng)生產(chǎn)線的連續(xù)控制。

（2）運(yùn)動(dòng)控制：PLC使用專用運(yùn)動(dòng)控制模塊，對直線運(yùn)動(dòng)或圓周運(yùn)動(dòng)的位置、速度和加速度進(jìn)行控制，可以實(shí)現(xiàn)單軸、雙軸和多軸控制，使運(yùn)動(dòng)控制與順序控制功能有機(jī)地結(jié)合在一起。

圖2 PLC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖及污泥干化PLC硬件配置圖

圖3 PLC功能塊圖

（3）閉環(huán)過程控制：過程控制室對溫度、壓力、流量和液位等參數(shù)連續(xù)變化的模擬量的閉環(huán)控制。PLC通過模擬量I/O模塊，實(shí)現(xiàn)模擬量（Analog）和數(shù)字量（Didital）之間的轉(zhuǎn)換。閉環(huán)控制還可以用PID子程序或?qū)Ｓ玫腜ID模塊（FB41，如圖3）來實(shí)現(xiàn)。PID控制算法是過程控制中最常見的控制算法。

（4）數(shù)據(jù)處理功能：PLC具有數(shù)學(xué)運(yùn)算（包括四則運(yùn)算、開方運(yùn)算、矩陣運(yùn)算、函數(shù)運(yùn)算、字邏輯運(yùn)算以及求反、循環(huán)、移位、浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算等）、數(shù)據(jù)傳送、數(shù)制轉(zhuǎn)換、排序和查表、位操作等功能（如模擬量輸入功能塊FC105、模擬量輸出功能塊FC106，如圖3），可以完成數(shù)據(jù)的采集、分析和處理。這些數(shù)據(jù)可以與儲(chǔ)存在存儲(chǔ)器中的參考值比較，也可以用通信功能傳送到別的智能裝置，或者將其打印制表。

（5）分布式控制系統(tǒng)：PLC的通信功能越來越強(qiáng)，能支持RS-485、以太網(wǎng)Ethernet、現(xiàn)場總線Profibus DP等多種通信方式。PLC通信包括主機(jī)與遠(yuǎn)程I/O之間的通信、多臺(tái)PLC之間的通信、PLC與其他智能設(shè)備（如計(jì)算機(jī)、變頻器、數(shù)控設(shè)備）之間的通信，實(shí)現(xiàn)順序和數(shù)據(jù)交換，如程序轉(zhuǎn)移、數(shù)據(jù)文檔轉(zhuǎn)移、監(jiān)視和診斷。一定規(guī)模的PLC可以組成大規(guī)模的“集中管理、分散控制”的分布式控制系統(tǒng)。通信接口或通信處置器按標(biāo)準(zhǔn)的硬件接口或?qū)Ｓ械耐ㄐ艆f(xié)議完成順序和數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)移。

4 結(jié)語

2012年10月該系統(tǒng)正式投入運(yùn)行以來，效果很好，控制系統(tǒng)功能豐富、全面，且易于操作和維護(hù)，可靠性高，至今計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)運(yùn)行正常，并帶來了可觀的效益。