（通信与信息系统专业论文）controller+link网的研究及其在污水处理监控系统中的应用.pdf

c o n t r o l l e rl i n km 的研究发打：污水处理 临拄系统中的心用 c o n t r o ll e rl i n k 网的研究及其在污水处理监控系统中的应用 摘要 污水处理自动控制系统的研究可以追溯到上个世纪三十年代，但在我国的发展却推迟 了半个世纪。在污水厂的污水处理系统中采用自动控制技术，不仅可以提高系统的性台肇、 产率、可靠性，而且还可以增加系统的稳定性、降低操作成本等。由于污水处理过程是一 较复杂的连续批量生产过程，既有现场设备的运行协调，又有大量的现场数据采集和处理， 同时各功能单元地理位置分散，相互问由管道或管网互连，因此基于以上特点，本文探讨 了利用欧姆龙公司c o n t r o l l e rl i n k 网实现现场数据的交换处理的方法和可行性。 控制器网( c o n t r o l l e rl i n k ) 网是o m r o n 主推的种工业自动化( f a ) 网络，其节点为p l ( 和计算机。p l c 节点实现分散控制功能，计算机节点则负责监控网内各个p l c ，实现集中管 理功能。f i n s 是应用于o m r o nf a 网络的通信协议。利用控制器网开发污水处理监控系统具 有现实意义。 首先，第一章综述了我国现阶段水环境状况以及污水处理系统国内外的研究现状，歹r 绍了污水处理工艺过程，讨论了欧姆龙c o n t r o l l e rl i n k 网应用在城市污水处理监控系统中自! 意义。 其次，第二、三章详细介绍了可编程控制器( p l c ) 的特点、应用范围、发展趋势以 及控制器网的功能和配置。对c o n t r o l l e rl i n k 网的两大功能即数据链接和信息服务进行较茭 详细的描述。 最后，根据控制器网通信机制以及f i n s 通信协议，在v c 环境下利用f i n s g a t e w a y 驱乏多 软件提供的库函数设计了控制器网监控系统。验证了该系统在污水处理中应用的有效。i 生、 可行性。 关键词：可编程控制器c o n t r o i i e rl i n k ，网络监控，污水处理监控系统 c o n t r o l l e rl i n k 嘲的研了t 及e - 4 f 污水处理啦托系统中的融斤l r e s e a r c ho fc o n t r o l l e rl i n kn e t w o r ka n di t sa p p l i c a t i o n si ns e w a g e d i s p o s a lc o n t r o ls y s t e m a b s t r a c t s e w a g ed i s p o s a lc o n t r o ls y s t e mi sr e s e a r c h e di n3 0 so fl a s tc e n t u r y , b u th a l fac e n t u r yl a t e r i nc h i n a t h ec a p a b i l i t yo fs e w a g es y s t e m ，e f f i c i e n c ya n dr e l i a b i l i t ya r ei m p r o v e du s i n g a u t o m a t i o nc o n 耵o lt e c h n o l o g yi ns e w a g ed i s p o s a lc o n t r o ls y s t e m i ti sa l s oa d v a n c e di ns y s t e m s t a b i l i t ya n dr e d u c t i o no fo p e r a t i o nc o s t , e t c b e c a u s eo ft h es e w a g ed i s p o s a ls y s t e mi sa c o m p l e x ，c o n s e c u t i v ep r o d u c i n gp r o c e s si n c l u d ew o r ka n dc o o p e r a t i o na m o n gs p o td e v i c e sa n d l a r g eo fd a t ac o l l e c t i o na n dm a n a g e m e n t t h ep o s i t i o no fs u c hf u n c t i o nu n i t sa r es e p a r a t e d , w h i c ha r ec o n n e c t e dw i t ht h ep i p e l i n e i ti sd i s c u s s e dt or e a l i z es p o td a t ae x c h a n g i n gb y o m r o nc o n t r o l l e rl i n ka c c o r d i n gt oa b o v et r a i to f s e w a g ed i s p o s a lc o n t r o ls y s t e m c o n t r o l l e rl i n ki saf a c t o r ya u t o m a t i o nn e t w o r kd e v e l o p e db yo m r o n ，w h i c hi s c o m p o s e do fp l ca n dp cn o d e s t h ep l cn o d ei su s e dt or e a l i z ei t sd e c e n t r a l i z e dc o n t r o l ， w h e r e a sp cn o d ei su s e dt om o n i t o rp l cn o d ea n dr e a l i z ei t se e n t r a l i z e dm a n a g e m e n t f i n si sa c o m m u n i c a t i o np r o t o c o lu s e di no m r o nf an e t w o r k am o n i t o rs y s t e md e s i g no fc o n t r o l l e r l i n ku s i n gv c 6 0 ，b a s e do nc - l a n g u a g el i b r a r yf u n c t i o n so ff i n s g a t e w a yi sg i v e ni nt h i sp a p e r i ti ss i g n i f i c a t i v et or e a l i z es e w a g ed i s p o s a lm o n i t o rs y s t e mu s i n gc o n t r o l l e rl i n k f i r s t l y , w a t e re n v i r o n m e n ti nc h i n aa n dd e v e l o p m e n to fs e w a g ed i s p o s a lc o n t r o ls y s t e mi n t h ew o r l da r ed e s c r i b e di nc h a p t e ro n e i ti sa l s oi n t r o d u c e dt h ep r o c e s so fs e w a g ed i s p o s a l t e c h n i c sa n ds i g n i f i c a n c eo f c i t yd i s p o s a lm o n i t o rs y s t e mb yo m r o nc o n t r o l l e rl i n kn e t s e c o n d l y , i ti si n t r o d u c e dt h et r a i t ，a p p l i c a t i o nf i e l d ，d e v e l o p m e n t a lt r e n do fp l c ，f u n c t i o n a n dc o n f i g u r a t i o no fc o n t r o l l e rl i n ki nc h a p t e rt w ot of i v e i ti sd e s c r i b e dt w of u n c t i o n sa b o u t c o n t r o l l e rl i n k ，w h i c ha r ed a t a l i n ka n dm e s s a g es e r v i c e f i n a l l y , am o n i t o rs y s t e md e s i g no fc o n t r o l l e rl i n ko nt h ec o m p u t e rn o d e ，b a s e do nf i n s p r o t o c o lb yr i s eo f v i s u a lc + + 6 0 i sg i v e ni nt h i sp a p e r i ti sp r o v e dt h ev a l i d i t ya n d f e a s i b i l i t yi n t h es e w a g ed i s p o s a lc o n t r o ls y s t e m k e y w o r d sp l c ；c o n t r o l l e rl i n k ；n e t w o r km o n i t o r i n g ；s e w a g ed i s p o s a lm o n i t o rc o n t r o l s y s t e m 独创声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含未获得( 逵! 塑邃直墓丝益蔓挂型直塑丝：奎拦互窒! 或其他教育机构的学位或证书使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：育勿一j 莉 签字闩期溯7 年占月1 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国家有 关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权学校可以 将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、缩印或扫描 等复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：膏勿，j 莉 签字开期劫d t 年月l 同 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签字鹰“k 黼飙7 年6 刖同 电话： 邮编： c o n t r o l l e rl i n k 网的研究及梵存污水腑拧处理系统巾的应用 1 绪论 1 1 我国水环境基本状况 随着我国经济的迅速发展，人口的增加，人民牛活水平逐步提高，工业化和城市化步伐 的加快，用水量急剧增加，污水排放量也相应增加，加剧了淡水资源的短缺和水环境的污染， 己成为阻碍城市可持续发展的严重因素。 我国水环境污染相当严重。丰要水系长江、黄河、松花江、珠江、辽河、海河、淮河的 断面监测结果表明，3 6 9 的河段达到或优于地面水环境质量i i 级标准，6 3 1 河段的水质为 i v ，v 或劣v 类，失去了作为饮用水源的功能。湖泊的污染比河流更加严重，如滇池、巢湖都 严重富营养化，全湖水质为v 一劣v 类：太湖中等富营养化，湖水i v ，劣v 类。1 9 9 8 年我国海域监 测到赤潮2 2 起，对近海牛态j 手u 水产资源造成严重的破坏。 1 2 污水处理系统简介 1 。2 1 概述 污水处理就是利用各种设施、设备和工艺技术，将污水中所含的污染物质从水中分离去 除，使有害的物质转化为无害的物质或有用的物质，水得到净化，并使资源得到充分利用。 按污水处理的程度，可分为一级、二级和三级处理。 污水一级处理。一级处理也称机械处理，丰要采用物理法或化学法将污水中漂浮物_ 羊u 部 分悬浮物、污染物除去，调节p h 值，以减轻水的腐化程度和后续处理的工艺负荷。常用的办 法有沉淀法、上浮法、曝气法等。一级处理一般不作为终级处理，而作为二级处理的前级处 璀。 二级处理是指污水经一级处理后，除去污水中呈胶体和溶解状态的有机污染物。常采用 的方法丰要有活性污泥和牛物膜法。 三级处理又称污水高级处理或深度处理。污水经过二级处理后，仍含有磷、氯、病原微 生物、矿物质和难牛物降解的有机物等，需要进行二级处理，以便进一步去除上述污染物或 回收利用有用物质。经三级处理后的污水可供再利用。 1 2 2 污水相关指标 污水所含有的污染物随着污水的来源的不同而千差万别，可以通过检测和分析定性、定 c o n t r o l l e rl i n k 网的研究及其存污水豁拧处理系统巾的膨片j 量地确定污水的水质。概括起来说，反映污水水质的指标可以分为物群指标、化学指标和牛 物指标二大类。 物群指标一般分为温度、色度、嗅和味、固体物质。一些工业废水具有较高的温度，这 些废水进入水体后会使水体温度升高，引起水体热污染。水温度的升高会影响水牛物的生存 以及水资源的利用价值，同时水温的升高会降低饱和溶解氧的浓度，从而导致水体缺氧或水 质恶化。色度是一种感官指标，纯净的水是无色的，仙含有有机化合物的或金属化合物污染 物的污水会呈现各种颜色，影响观瞻；嗅和味也是一种感官指标，水体受污染后会发出异味 还原性硫、挥发性有机物和抓气等污染物会使水发出异臭，不同的盐份也会使水产生不同的 异味；水中所有残渣的总和称为总固体( t s ) ，总固体包括溶解性物质( d s ) 和悬浮固体物质 ( s s ) 。溶解性固体表示水中盐类物质的含量，悬浮固体表示水中不溶性固态物质的量，挥发 性固体则表示不溶性有机物的含量。 化学指标包括有机物指标、无机物指标、牛物指标。污水所含的碳水化合物、蛋白质、 脂肪等有机物在微生物的作用下分解时，会大量的消耗水中的溶解氧，使水体产生黑臭。污 水中有机污染物组成复杂，一般很难测定各种有机物的含量。由于有机污染物的丰要危害是 消耗水中的溶解氧，因此在实际工作中一般采用乍物化学需氧量( b o d ) 、化学需氧量( c o d ) 、 总有机含碳( t o c ) 、总耗氧量( t o d ) 等指标来反映水中需氧有机物的含量。污水中的无机性指 标包括植物元索( 或富营养化物质) 、p h 值、重金属离予等。 牛物指标有两个，即细菌总数和大肠菌群数。污水中的细菌总数反映了污水受细菌污染 的程度，t u 细菌总数不能说明污染的来源，必须结合大肠菌群数来判断水体污染的来源和安 全程度，大肠菌群数的值可表明水体被粪便污染的程度，可间接反映污水中有无肠道病菌存 在的可能性。 1 2 3 污水处理工艺概述 目前，污水处理的丰导工艺有a b 法与s b r 法： 1 a b 法工艺 a b 法是吸附生物降解工艺的简称。该工艺将曝气池分为高、低负荷两段，各有独立 的沉淀和污泥回流系统。a 段( 高负荷段) 停留时间约2 0 - 4 0 分钟，以牛物絮凝吸附作用为辛， 同时发生不完全氧化反应，牛物丰要为短世代的细菌群落，去除b o d 达5 0 以上。b 段( 低负荷 段) 段与常规活性污泥法相似，负荷较低，泥龄较长。 2 c o n t r o l l e rl i n k 网的研究及芟存污水监挖处理系统巾的膨爿j 2 s b r 工艺 s b r 法是序批式活性污泥法的简称，它是一种连续进水、间歇曝气、间歇排水的工艺。它 的原理是通过微生物的活动来净化污水的( 即河川的自净原理) 。它与传统的活性污泥法工艺 相同，只是运行方式不同。s b r t 艺早在2 0 世纪初已有应用，由于人工仟理的闲难和繁琐未用 于推广应用。此法集进水、曝气、沉淀在一个池了中完成。一般由多个池了构成一组，各池 工作状态轮流变换运行，单池由潍水器间歇出水。该工艺将传统的曝气池、沉淀池由空间上 的分布改为时间上的分布，形成一体化的粲约构筑物，并利于实现紧凑的模块布置，最大的 优点是节省占地。此外，这种工艺也利于减少污泥回流量，有节能效果。在此基础上，s b r 又 发展演变了c a s s 和c a s t 等工艺，在除磷脱氮及自动控制等方面有新的特点，大大丰富了s b r 工 艺的内容。 s b r 法虽然工艺优势明显，f u 对自动化控制要求很高。它需要大量的电控阀门和机械滗水 器，稍有故障将不能运行，目前一般弓l 进全套进口设备。其典型工艺流程如图1 1 所示。 剩余污泥 图1 i s b r 法典型丁艺流程 在工艺流程中，调节池起重要作用，即将池内的酸性废水自行中和调整，使之达到一定 的p h 值，同时兼有预曝气池作用。搅拌池可使药剂分布均匀，充分和污水反应。搅拌池分为 一级搅拌池和二级搅拌池。一级搅拌池所加药剂为磷酸和氢氧化钠，磷酸的作用是生成磷酸 盐，除去重金属离予：过量的酸性再由氢氧化钠来中和。二级搅拌池所加药剂为聚合氯化铝 ( p a c ) 和聚丙烯酞胺( p a m ) ，聚合氯化铝平u 聚丙烯酞胺是新型高效的无机高分予混凝剂和絮凝 剂，具有良好的凝聚和絮凝作用。由于这两种药剂吸附力和凝聚力都很强，从而使絮凝物的 生成和沉降速度大大加快。反应后的污水在浓密池中沉淀，经过预处理后的污水在均衡池中 和牛活污水相混合，调节其水质和水量，送至i s b r 池。甲醇可以提供s b r 池反应所需要的碳源。 1 3 污水处理监控系统国内外发展概况 近些年来我国政府开始关注环境污染问题，特别是提出可持续发展战略后，政府在经济 快速发展的同时也注意环境的保护和治理。环境保护己成为我国的摹本国策之一。 c o n t r o l l e rl i n k 网的研究及其存污水船柠处理系统巾的虑爿j 从近几年环境治理来看，我国的环保理论、工艺研究和应用与国外差距不大，差距比较 大的是环保单元设备和自动控制系统。有些污水处理j + 所采用的检测仪表大部分是精确度和 可靠性较差的离线仪表，监测丁段也是靠取样后测量，然后根据测量结果去调整设备运行状 态。因此很难进行快速和有效的在线实时控制，往往导致出水水质的不稳定。而经济发达的 国家如美国、日本和西欧等国家在研究新的理论和工艺的同时，也重视污水处理自动控制系 统的研究。这些国家先后纷纷投资研究开发高效型、智能型、集约型污水处理设备和自动化 控制仪表。由于这些水处理设备自动化程度、智能化程度相当高，能连续稳定运行，所以达 到令人满意的水处理效果。 近年来，许多高校和研究机构都在致力于污水处理工艺和污水处理自动控制的研究，并 取得了显著成果。 1 3 1 国外污水处理厂监控系统的研究现状 国外发达国家由于经济发展较旱，水资源不足和污染问题也较早得到重视。现在一些发 达国家经过数十年的努力，城市污水处理牢达到8 0 _ 一9 0 以上，城市水污染大大缓解，水质 明显改善。随着城市污水处理j 的大规模兴建，污水处理工艺的不断完善和复杂化，国外污 水处理j 监控水平也迅速提高。特别是近二十年间，计算机和网络技术的飞速发展使得污水 处理j 的监控水平也相应地发生了本质变化。从国外和国内引进的一些大型污水处理j 的情 况可以看到，甘前国外污水处理j 监控系统普遍具有以下特点： ( 1 ) 采用分布式计算机监控系统，根据厂区分布情况分设数个分控站，设置中央控制 室，操作人员通过控制和通讯网络锕；理牛产过程，实现牛产现场无人值守。 ( 2 ) 监控系统采用兀余化设计，各分控站有独立工作能力，提高系统的安全性和可靠性。 ( 3 ) 生产过程在不同程度采用智能化控制，可以根据水源变化自动对工艺过程进行调整。 ( 4 ) 大量采用先进的在线式水质分析仪表和智能化仪表，可提供高精度的检测数据和准 确的控制数据。 ( 5 ) 大量采用遥测、遥控设备，并开始有效地利用现有的公共信息资源，如电话、因特 网等。 1 3 2 国内污水处理厂监控系统的研究现状 随着一大批利用国际贷款的大型污水处理厂在我国建成，我国污水处理监控系统现状来 看，己广泛采用集散式计算机监控系统，应用了白动化程度较高的检测仪表，各种新工艺、 4 c o n t r o l l e rl i n k 网的研究及其存污水峨拧处耻系统中的应崩 新设备也大量出现并得到应用，其中几个大型污水处理j 如杭州四堡污水处理j 。、天津东郊 污水处理j 。、沈阳北部污水处理j j 采用德国或法国全套工艺和设备在系统运行和工艺过程 控制等方面都达到了相当的水准。 城市污水处理已得到极大重视，国内投入污水处理设备和污水处理j 监控系统研究的部 门和人员日益增多。从监控系统的总体结构来讲，耳前国内污水j 。的计算机监控系统通常采 用以下几种常用形式。 ( 1 ) s c a d a 系统 s c a d a 系统由一个主控( m t u ) 和若干远程终端站( r t u ) 组成，m t u 与r t l 3 之间用物理链路层或 数据链路层联系。系统最初用于通讯系统，联网通讯功能较强，可实现连续及顺序控制适用 于被测点地域分布较广的场合。 该系统的特点是：组网范围大，通讯方式灵活，与其它网络的| 百联功能强。1 u 是系 统实时性较差，无法实现大规模和复杂的控制功能。 ( 2 ) d c s 系统 d c s 集敬监控系统，是由多台计算机矛u 现场终端连接组成。通过网络将现场控制站、检测 站和操作符理站、控制伶王! | 站及工程师站联接起来，共同完成分散控制和集中操作、篇：理的 综合监控系统。o c s n 重于连续性生产过程控制。 该系统的特点是： 采用分级分布式控制。系统按不同功能组成分级分布予系统，各予系统执行自己的控 制程序，处珲现场输入输出信息，减少了对系统的信息传输量，使系统应用程序较为简单。 在物理上实现了真正的分散控制，使系统的危险性分散，可靠性提高。 有较好的扩展能力。借助网络技术，可以完成纵向和横向通讯以及高层的话；珲机通讯， 系统扩展方便。 系统软、硬件资源丰富，可适应各种特殊要求。 实时性好、响应时间快。 应用软件的编程工作量大，对开发和维护人员要求高，开发周期较长。 ( 3 ) p c + p l c 系统 p c + p l c 系统由高性能个人计算机( p c ) 和可编程控制器( p l c ) 组成。中控窒设置p c 组成的操 作监控站和工程师监控站，通过网络联结p l c 组成的多个分控站，其性能与d c s 系统接近，而 c o n t r o l l e r l i n k 网的研究及其存污水龄拧处耻系统巾的膨片j 价格l l d c s 低很多，开发方便，应用也非常灵活。 该系统的特点是： 可实现分级分布式控制，可实现“集中竹；理、分散控制”，大大提高了系统的安全性。 可靠性高、组网方便。硬件系统配置简洁，很容易在网络中增减p l c 来实扩展网络的 目的。 编程方便、开发周期短、维护简易。 系统内配置和调整非常方便。 与工业现场信号直接相连，易于实现机电一体化。 ( 4 ) 工业现场总线控制系统 现场总线控制系统f c s 是摹于现场总线的自动控制系统，即以现场总线作为工j 。底层网 络，通过网络集成而构成的自动控制系统网络，按照公开、规范的通讯协议在智能设备之间、 智能设备与远程计算机之间实现数据传输和信息交换，从而实现控制与符理一体化的综合自 动控制系统。当前国际上具有代表性的现场总线技术与产品是e i a r s - 4 8 5 总线、p r o f i b u s ， c a n b u s 与l o n w o r k s 等。预计在今后的一段时期内，会出现几种现场总线标准共存、伺一牛产 现场有几种异构网络瓦连通讯的局面。 u 是发展共同遵从的统一的标准规范，真正形成开放 的互连系统，将是现场总线技术的发展趋势。 1 4 课题的意义 就全国范围现状来看，我国城市污水处理厂监控系统有以下的特点和不足： ( 1 ) 多种类型、不同等级的监控系统和控制方式并存。大部分新建污水开始采用计算机 集敏型监控系统，t u 在大量的现有和改造的污水j 砷监控系统仍然延续着巡检和人工方式。 ( 2 ) 国产自控系统、仪表、设备的质量、成套和系列化急需进一步提高，特别是国内一 些复杂高效新工艺的出现，对相应的自动控制设备提出了更高的要求。开始大量采用可靠性 高、维护简便的各种检测仪表和在线水质分析仪表，为进一步提高污水厂自动控制水平提供 了基础条件。但目前使用的大多是进口仪器、仪表，在使用和维护方面仍存在许多问题。 ( 3 ) 各种新的污水处理工艺不断出现，单元监控系统，如混凝剂投加控制、牛物滤池控 制，曝气控制，己逐渐开始采用自动控制方式，各种控制理论开始得到广泛应用。 ( 4 ) 污水处理监控系统的监控和通讯功能在硬件和软件开发利用方面存在极大不足， 特别是软件方面。如许多监控系统的设计和实际工艺不相符，进口软件汉化比较差，软件价 c o n t r o l l e r l i n k 网的研究及其存污水监拧处理系统叶1 的麻用 格昂贵，系统扩充性和维护性较差等等。这都妨碍了污水处理监控系统的高效、经济运行。 虽然国外的硬件设备和监控软件可以全面引进，化工艺改进和软件功能维护很难自行实 施。软件出现故障，只能让原设计单位进行维护，效率低且价格昂贵。因此，在吸收国外先 进经验和充分了解工艺过程的摹础上，设计和开发性价比高的适合我国国情的大中型城市污 水处理计算机监控系统是一个迫切的问题。 控制器( c o n t r o l l e r l i n k ) 网是o m r o n 推出的一种工j 一自动化网络，能在p l c 和计算机节 点间方便的传送数据，具有可靠性高、操作快捷等优点。其中，p l c 节点实现分散控制功能； 计算机节点负责监控网内各个p l c 。 本课题正是在此背景下提出的，利用欧姆龙公司的控制器网采集污水处理监控系统所需 的泥位、液位、流量等数据简单灵活，而且维护方便，具有一定的现实意义。 1 5 论文章节安排 鉴于本课题的研究内容，并结合实际中的实践步骤，对论文的章节作如下的安排：第一 章综述了我国现阶段水环境状况以及污水处理系统国内外的研究现状，介绍了污水处理工艺 过程，讨论了欧姆龙c o n t r o l l e r l i n k 网应用在城市污水处理监控系统中的意义。第二章介绍了 可编程控制器( p l c ) 的特点、应用范围，发展趋势，详细介绍控制器网的功能和配置，为后 面的c o n t r o l l e r l i n k 网的研究奠定基础。第三章对控带4 器网的两大功能即数据链接和信息服务 进行较为详细的描述。第四章根据控制器网通信机制以及f i n s 通信协议，在忧环境下利用 f i n s g a t e w a y 驱动软件提供的库函数设计了控制器网监控系统。验证了该系统在污水处理系统 中应用的有效性、可行性。 c o n t r o l l e rl i n k 网的研究及其存污水髋栉处理系统i 十l 的麻片4 2c o n t r o i i e rl i n k 控制网 2 1 可编程控制器 2 1 1 可编程控制器概述 可编程控制器是计算机家族中的一员，是为工业控制应用而设计制造的。早期的可编程 控制器称作可编程逻辑控制器( p r o g r a m m a b l el o g i cc o n t r o l l e r ) ，简称p l c 。它丰要用来代 替继电器实现逻辑控制。随着科技的发展，这种装置的功能己经大大超过了逻辑控制的范围， 因此，今天对p l c 的定义为：一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电，了装 置。它采用可以编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计算 和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或 午产过程。 p l c 作为一种工业控制装置，其组成手要由中央处理单元c p u 、存储器、输入输出单元 ( i o 单元) 、电源、外部接口和各种功能模块组成。 c p u 是p l c 的运算、控制中心，丰要是接收和存储输入的程序和数据：接收和存储现场 输入的状态信息；诊断电源、p l c 内部电路的工作状态和编程的语法错误；读取用户程序进 行解释和执行并将结果送输出端等。存储器是p l c 存放系统程序、用户程序和运行数据的单 元。l j o 单元是p l c 与工业控制现场设备之间的连接部件，在输入输出单元中配有电平变换、 光电隔离和阻容滤波等电路，具有较好的抗干扰性。 2 1 2p l c 的特点 1 高可靠性 高可靠性是p l c 的最突出的优点之一。由于一些工业牛产过程是昼夜连续的，对用于工 业牛产过程的控制器提出了可靠性尽可能高的要求。而工业现场的各种电磁干扰特别严重， 针对这一情况，p l c 采取了一系列的措施，其中_ 丰要包括： ( 1 ) 所有的输入输出( 1 1 0 ) 接口电路均采用光电隔离，使工业现场的外围电路与p l c 内 部电路之间实现电气上隔离。 ( 2 ) 各输入端均采用r - c 滤波器，其滤波时间常数一般为1 0 、2 0 m s ，对于一些高速输入 端则采用数字滤波，其滤波时间常数可以用指令设定。 ( 3 ) 各模块均采用屏蔽措施，以防止辐射干扰。 c o n t r o l l e rl i n k 网的研究及其存污水临拧处理系统叶1 的麻片j ( 4 ) 采用性能优良的开关电源。 ( 5 ) 对采用的器件进行严格的筛选。 ( 6 ) 良好的自诊断功能，旦电源或其它软、硬件发牛异常情况，c p u 立即采取有效措 施，以防止故障扩散。 ( 7 ) 大型p l c 还可以采用由双c p u 构成的j 几余系统或由三c p u 构成的表决式系统，使可 靠性更进一步提高。 由于采取了上述一系列措施，使p l c 的平均无故障时间，又称为平均故障间隔时间 m t b f ( m e a nt i m eb e t w e e nf a i l u r e s ) 己经高达几十万小时。例如日本三菱公司的f 1 ，f 2 系列 p l c 的平均无故障运行时间可达三十万小时。事实上，如果一个控制装置连续运行几十万小时 不出故障，工业界就会将其称作无故障设备。所以，现在p l c 的技术性能指标中一般不再列 出这一指标了。 2 丰富的i 0 接口模块 由于工业控制机只是整个工业年产过程自动控制系统中的个控制中枢，为了实现对工业牛 产过程的自动控制，它还必须与各种工业现场的设备相连接，才能完成控制任务。因此，p l c 除了具有计算机的基本部分如c p u 、存储器以外，还有丰富的i 0 接口模块。 p l c 针对不同的工业现场信号( 如交流或直流、电压或电流、脉冲或电位、开关量或模拟 量、强电或弱电等) ，有相应的i o 模块与工业现场的器件或设备( 如行程开关、按钮、接近 开关、传感器及变送器、电磁线圈、马达肩动器等) 直接连接。例如开关量输入模块就有交 流和直流二类，每类又按电压等级分成十多种。直流又分n p n 型与p n p 型。另外，为了提高 操作性能，它还有各种人机对话的接口模块；为了组成工业局部网络，它还有多种通讯模块， 等等。 3 采用模块化结构 为了适应各种工业控制需要，除了单元式的微、小型p l c 以外，绝大多数p l c 均采用模 块化结构。p l c 的各个部件，包括c p u 、直流电源、1 0 等均采用模块设计，由机架及电缆将各 模块连接起来，系统的规模和功能可根据用户需要臼行组合。 4 编程简单易学 p l c 的编程大多采用类似于继电器控制线路的梯形图编程，也可采用语句表或顺序功能 图。在梯形图中，主要由人们熟悉的常开触点、常闭触点和线圈、计时、计数等符号组成， 对于设计者来说，不需要具备计算机的专门知识，因此很容易被一般工程技术人员甚至技术 c o n l hl i n k 网的研究及茛存污水黼拧处理系统巾的廊崩 工人所理解和掌握。 5 安装简单，维修方便 p l c 可以在各种恶劣的工业环境下直接运行。使用时只需将现场的各种设备与p l c 相应的 i 0 端相连接，设置好相应的参数，系统便可以投入运行。各种模块上均设有运行_ 矛l | 故障指示 装置，便于用户了解运行情况和查找故障，一旦某个模块发牛故障，用户可以通过更换模块 的方法，使系统迅速恢复运行。有些p l c 还允许带电插卸i 0 模块。 6 系统设计、调试周期短 由于系统硬件的设计任务仅仅是依据对象的要求配置适当的模块，因此大大地简化了系 统的硬件设计工作，从而缩短了整个系统的设计、调试周期。 2 1 3p l o 的应用范围 经过三十多年的发展，p l c 己为广大工业界人士所认同，迅速渗透到工业控制的各个领域， 从单机自动化到工厂自动化：从机器人、柔性制造系统到工业局部网络。 从p l c 的功能来看，它的应用范围大致包括以下几个方面： 1 逻辑控制 p l c 具有逻辑运算功能，可以实现各种通断控制。 2 定时控制 p l c 具有定时控制功能。它为用户提供多种成百上千个计时器，其设定值既可以由在程序 内预置，也可以通过输入端口或人一机界面实时地设定，完成定时或延时控制。计时器的实 际计时值也可以通过人一机对话装置实时地读出或修改。 3 计数控制 p l c 具有计数控制功能。它为用户提供多种成百上千个计数器，其设定方式同计时器设定。 一般数字输入口的计数频枣较低，为几十赫兹。如需对频率较高的信号进行计数，则可选用 具有内部高速计数器的p l c 或增加高速粥致器模块，其最高计数频率可达5 0 k h z 。计数器的实 际计数值也可以通过人一机对话装置实时地读出或修改。 4 步进( 顺序) 控制 p l c 具有步进( 顺序) 控制功能。新型p l c 可以采用i e c 规定的用于顺序控制的标准化语 言一顺序功能图编制用户程序，使得p i | c 在实现按照事件或输入状态的顺序控制相应输出的 场合显得更简便。 c o n t r o l l e rl i n k 网的研究及其存污水峨控处理系统巾的麻用 5 p i d 控制 p l c 具有p i d 控制功能。p l c 可以连接模拟量输入和输出模拟量信号。为了既能完成对模 拟量的p i d 控制，又不加重p l c 的c p u 负担，因此，一般选用专门的p d 控制模块实现p i d 的控制。 6 数据处理 p l c 具有数据处理能力。它能进行这种算术运算、数据比较、数据传送、数据转换、数据 显示和打印、数据通信等功能。新一代的大、中型p l c 还能进行函数运算、浮点运算等。 7 通信和联网 新一代的各类p l c 都具有通信功能。它既可以对远程i 0 进行控制，又能实现p l c 和p l c ， p l c 和计算机之间的通信。因此，使用p l c 可以很方便地构成“集中带；理、分散控制”的分布 式控制系统，是实现工j 自动化的理想控制器。 2 1 4p l g 的发展趋势 可编程控制器实际上是一种工业控制计算机，它的硬件结构与一般微机控制系统相似， 甚至与之无异。可编程序控制器主要由c p u ( 中央处理单元) 存储器( r a i d 和e p r o m ) ，输入 输出模块( 简称为i o 模块) 、编程器和电源五大部分组成。近年来发展极为迅速、应用面极 广的工业控制装置。它按照成熟而有效的继电器控制概念和设计思想，利用不断发展的新技 术、新电予器件，逐步形成了具有特色的各种系列产品。 随着计算机技术的爆炸式发展，可编程序控制器也得到了迅速发展，功能越来越强，产 品不断完善，目前的高档p l c 产品的功能己经可以和集散控制系统d c s 相媲美，在很多应用 场合下，大有取而代之之势。甚至有专家预言“d c s 系统就要寿终正寝了”。p l c 与d c s 的发 展是相互渗透，相互融合，最后将和二为一是p l c 和d c s 发展的总趋势。 综合起来看，p l c 的发展有以下几个方面： ( 1 ) p l c 在功能上将存很大发展，有功能强大的高档微处理器加上完善的输入输出系统， c p u 处理能力的提高不仅使其可以实现顺序逻辑处理功能，而且可以通过采用实时多任务操作 系统同时实现模拟回路调节功能和复杂回路计算功能，使p l c 系统的功能日趋完美，能够满 足所有的生产控制需要。 ( 2 ) 采用i e c l i 3 1 3 软件标准实现多功能的组态，其中s f c 、功能块图和结构文本语言 都可以实现d c s 的控制组态功能。 c o n t r o l l e rl i n k 网的研究及其存污水临拧处理系统叶1 的应用 ( 3 ) 采用先进的s c a d a 软件实现丰富的h m i ( 人一机接口) 功能( 如回路状态显示，流 程图显示，控制调节操作，历史和实时跟踪，报表牛成和打印等) 。 ( 4 ) 对于关键部件( 如控制器，控制输出等) 可以实现j 凡余。 ( 5 ) 采用实时性，确定性( 如令牌总线和令牌环) 的兀余网络等。 c o n t r o l l e r l i n k 网的研究及其在污水监拧处理系统巾的麻片j 2 2c o n t r o l l e rl i n k 网的概述 c o n t r o l l e rl i n k 网为o m r o n 的一种f a ( 工厂自动化) 网络，其节点为c q m l h 、 c 2 0 0 h x h g h e ( c 2 0 0 h a ) 、c s l 、c j l 、c v c 1 等系列的p l c 和计算机。网络中的每个节点需 安装相应的通信单元，p l c 上安装c o n t r o l l e rl i n k ( c l k ) 单元，计算机在扩展槽上插上 c o n t r o l l e rl i n k ( c l k ) 支持g - 。 c o n t r o l l e rl i n k 网的功能如图3 1 所示。 仪对光纤系统“娥 仪埘牌环i ；l 式帕光纤环系统t r 敏 仪对令牌环榄武的光 r 环系统订散 i 仪时令牌环模式的光纤环系统订放 图3 1 c o n t r o l l e rl i n k 嗍的功能 c o n t r o l l e rl i n k 网的节点之间可灵活、方便地进行大容量的数据交换，且实时性强，可 靠性高。通信方式有两种：数据链接利信息通信。数据链接可以自动实现网络节点之间的数 据共享，一旦节点之间建立了数据链接并启动，不竹节点上的p l c 处于何种工作状态( 编程、 监控或运行) ，节点间的通信便可自动进行，从而达到数据共享。使用信息通信功能时，p l c 节点是在程序中用通信指令s e n d r e c v c m n d 向其他节点发起通信，从而实现p l c 与p l c 、p l c 与计算机之间的数据交换；计算机节点可使用c + + 等高级语言根据f i n s 协议编程向其他节点 发起通信，实现与p l c 节点、其他计算机节点的数据交换。信息通信是通过程序执行指令完 成的，可由用户根据需要设置，这种方式比数据链接要灵活：但数据链接可交换大容量的数 据，且自动进行，不需要编程。数据链接和信息通信这两种通信方式在c o n t r o l l e rl i n k 网 中可以同时使用。 1 3 差芸一 c o n t r o l l e rl i n k 网的研究及其存污水峨拧处耻系统r 卜的席并i c o n t r o l l e rl i n k 网的连接为总线结构或环行结构，它的介质访问控制为令牌总线方式或 令牌环方式。c o n t r o l l e rl i n k 网的通信介质采用屏蔽双绞线电缆或光纤电缆( h - p c f 、g i ) ， 支持光缆通信的只有c s i 系列、c v c v m l 系列p l c 。 图3 2 ( a ) ( b ) ( c ) 所示，为c o n t r o l l e rl i n k 网的基本结构。 a 1 删越般毁线f n 缆掣( 桦总线) 露黼珐鬻( c 洲v m 础i 。t l 式k t j 2 簿黼鬟；。c 令v 牌m 嚣野 ( b ) h p c f 光缆攫( 令鹪i 珂：) c s l w - c l k l 2c v m i - c l k l 2 ( 令脚心线_ ；! c )c s i w - c l k ii ( 肿总线敉式，i b mp c a ti b mp c a t ( c ) h p c f 光缆掣( 鹊总线) 用于计算机的c o n t r o l l e rl i n k 支持膏有5 种型号，如表3 1 2 所示。 表3 ，ic o n t r o l l e rl i n k 支持卡的技术舰格 4 c o n t r o l l e rl i n k 网的研究及其存污水豁拧处理系统巾的膨h j 址人宜袈致 3 g 8 f 5 _ c l k 2 1 e埘l l 【烈毁线令砰总线 3 g 8 符c l k i i - ei s a限p c f 兜缆辟总线j 3 g 8 f 7 _ c l k 2 l ep c i雕函l 【烈绞线令辫总线 4 脚总线 姗h c l k l 2 e ”l h p c f 光经 4 鼽。环 聊总线 3 g 8 f 7 c l u 2 bp c ig i 丸缆 4 争舯环 2 3c o n t r o i f o rl i n k 网的功能 c o n t r o l l e rl i n k 网络采用屏蔽双绞线电缆或光缆连接，实现高速度、大容量的数据通