PLC和無紙記錄儀在純凈水處理控制系統中的應用*

魏翠琴 , 張建斌

(1.湖州職業技術學院, 湖州 313000；2.湖州遠來工控有限公司，湖州 313000)

本文以山西某煤礦純凈水處理控制系統----1.5 M3/h膜處理裝置為例，論述了PLC和無紙記錄儀在水處理領域的應用。對系統的硬件、軟件結構和工作原理進行了分析，并且重點介紹了西門子PLC的子程序調用結構和對模擬量處理的軟件編程及在與MCGS嵌入式一體化觸摸屏通訊時的編程注意事項。本系統運行表明，有效地解決了該煤礦飲用水水質差的問題，并且創造了一定的經濟效益和社會效益，達到了節能、降耗的目的。

1 水處理工藝流程及控制要求簡介

本系統為1.5 M3/h水處理系統，主體設備主要包括石英砂過濾器1臺，活性炭過濾器1臺，超濾裝置1臺，反滲透裝置1臺，保安過濾器3臺，風機-水泵4臺。所有設備由不同的管道相連構成純水處理系統。從原水泵來的原水首先進入石英砂過濾器除去大顆粒懸浮物等雜質，再進入活性炭過濾器處理，使水的濁度和導電度達到一定的標準后經保安過濾器、超濾裝置進入反滲透裝置除去大量的含鹽離子，此時的水變為淡水，系統出力為1.5 M3/h，出水水質指標符合國標GB17323-1998。此外，砂濾、碳濾、超濾及反滲透裝置每次運行結束后都需要清洗，這些都由PLC程序控制完成。

1.1 水處理生產工藝流程簡介

根據原水水質條件及純水系統對水質的要求，純凈水處理系統流程為：原水→原水箱→原水泵→石英砂過濾器→活性炭過濾器→保安過濾器→超濾裝置→中間水箱→增壓泵→保安過濾器→高壓泵→反滲透裝置→純水箱→資源化回用。另外包括過濾器反洗系統、加藥系統、各種電磁閥、壓力保護開關等。

原水箱用于貯存進入本系統的原水；石英砂過濾器是一種壓力式過濾器，對原水進行初次過濾；活性炭過濾器也是一種壓力式過濾器，對原水作出進一步過濾；保安過濾器可防止預處理裝置在工作或反沖洗時微小顆粒泄漏，進入超濾及反滲透裝置中，影響裝置的使用壽命；超濾裝置可去除水中含有的大部分膠體硅，大量的有機物等，使水得到凈化；中間水箱可降低超濾裝置產水側承受的壓力，避免超濾膜受到背壓而導致不可恢復的損壞；增壓泵和高壓泵為反滲透裝置提供正常的工作壓力，保證反滲透系統的正常運行；反滲透裝置可除去水中大部分碳酸根、硫酸根等無機離子，及水中絕大部分的有機物、細菌、熱源病毒和微粒等；純水箱在系統中起儲存和緩沖作用，平衡產水和出水。

此外在原水泵出口處、超濾裝置進口處和反洗入口出、反滲透裝置進口處都裝有壓力保護開關(高壓保護)，防止后面閥門沒有打開，造成“憋壓”；在高壓泵入口處裝有壓力保護開關(低壓保護)，當供水量不足(表現為入口壓力偏低)，低于某個設定值(正常值)時，開關會發出信號停止高壓泵的啟動，保護高壓泵不在空轉情況下工作。

1.2 總體控制要求及功能簡介

純凈水處理自動控制系統的要求是：(1)砂濾、碳濾的正、反洗時間、超濾的反洗時間及砂濾、碳濾、超濾和反滲透的連續工作時間都可以從觸摸屏上設置；(2)砂濾、碳濾先反洗后正洗再運行，砂濾、碳濾正反洗時，超濾進水閥關閉；超濾反洗時，砂濾、碳濾出水閥關閉；且正反洗及運行切換時，相關氣動閥遵循先開后關的原則，防止入口壓力波動太大，發生“憋壓”現象；(3)四路模擬量信號：進水壓力、濃水壓力、進水電導、產水電導經過一進二出隔離模塊，一路送無紙記錄儀，一路送PLC以便觸摸屏顯示；(4)系統正常運行時，進水壓力量程為0- 2.5 MPa,濃水壓力量程為0- 1.0 MPa、進水電導量程為0- 2 000 μs/cm、產水電導量程為0- 200 μs/cm；(5)原水進過處理后，產水水質指標達到國標GB17323- 1998的要求。

本系統為無人值守系統，具體實現的功能有：(1)手動試車。出廠調試或系統運行故障時，可進行手動調試。(2)顯示功能。實時顯示現場被控設備的各種參數；(3)參數設置。操作人員可對過濾器的正、反洗時間和工作時間進行設置；(4)報警功能。當某一模擬量(如壓力)測量值超過給范圍或某一開關量(如泵的啟停)發生變化時，可根據不同的需要發出不同等級的報警；(5)打印功能。無紙記錄儀AR4000通過讀卡器、CF卡和電腦連接，可以對現場數據實現遠程實時監控、組態管理、歷史數據讀取和打印等功能。

2 控制系統硬件設計

由于水處理系統涉及的受控對象有16個電磁閥、原水泵、增壓泵、高壓泵、清洗泵、加藥泵等，還有4路模擬量，所以必須考慮所有的控制點數，然后給每個輸入或輸出點指定一個I/O口，這樣就可以計算出所有的I/O點數。根據系統的大小和控制對象的復雜程度及成本考慮，按照I/O點數，并留出足夠余量(15 %左右)作為備用，便于系統增容擴建或改造。本設計中PLC選擇了西門子S7200系列的PLCCPU226 CN*S7- 200CN可編程控制品產品目錄，西門子有限公司，2006.， AC/ DC/RLY，24點輸入/16點輸出；EM223CN數字量輸入/輸出混合模塊，該模塊為8點輸入/8點輸出；EM231CN模擬量輸入模塊，該模塊為4輸入點，接受壓力變送器和電導儀出來的4- 20 mA電流信號，即反滲透進水壓力、產水壓力、進水電導、濃水電導。另外配有無紙記錄儀同時顯示4路模擬量信號，通過讀卡器和CF卡可實現遠程監控、組態管理、歷史數據讀取和打印等功能。并配有觸摸屏，通過人機交互畫面，工作人員可以形象直觀的了解現場工藝參數及設備的運行狀況。

3 控制系統軟件設計

控制系統軟件包括控制器和觸摸屏兩部分。控制器PLC編程在西門子 STEP 7-Micro/WIM上實現[1]，人機界面采用昆侖通態MCGSTPC1062K嵌入式一體化觸摸屏來完成。

圖1 水處理循環程序流程圖

3.1 PLC控制器程序設計

本系統根據工藝特點，在PLC編程中采用了主程序調用子程序模塊的形式，增強了程序的可讀性，縮短了PLC的掃描周期。子程序有初始化、控制塊、液位塊、原水泵塊、砂濾塊、碳濾塊、超濾塊、反滲透塊、清洗塊、故障塊、模擬量塊、手動塊、顯示塊、均值塊、濾波塊等。以模擬量采集、運算為例，本系統使用的模擬量為來自壓力變送器和電導儀的4- 20 mA電信號，當來自變送器和電導儀的信號不在4- 20 mA范圍內(低于零點或超出量程)時，在模擬量塊子程序中去除超出范圍的干擾信號，對模擬信號采集100次，把100次信號進行均值和濾波運算后送到觸摸屏和無紙記錄儀進行數據的監控管理。

無紙記錄儀將工業現場的各種需要監視記錄的輸入信號，比如壓力變送器的壓力信號、電導儀的電導信號，通過優盤或CF卡轉存數據，將無紙記錄儀上的記錄數據轉存到電腦上，通過高性能32位ARM微處理器進行數據處理，一方面在大屏幕液晶顯示屏幕上以多種形式的畫面顯示出來，另一方面把這些監察信號的數據存放在本機內藏的大容量存儲芯片內，以便在本記錄儀上直接進行數據和圖形查詢、翻閱和打印。該系統硬件結構簡單，投資少，但它不但實現了水壓力和電導量的實時采集、顯示，為水處理系統的管理提供了方便，而且可以大大減少意外事故損失，圖1給出了系統程序流程圖。圖2給出了調試過程中無紙記錄儀電導探頭的顯示情況。

圖2 無紙記錄儀調試界面 圖3 設備通道組態窗口再見

3.2 人機界面設計

人機界面(HMI)的開發采用MCGS6.8嵌入式軟件②MCGSTPC中級教程，北京昆倉通態自動化軟件科技有限公司，2009。。系統監控操作畫面有多屏，用戶窗口設有工藝流程、泵手動操作、過濾器手動操作、超濾清洗手動操作、主菜單、壓力曲線、壓力歷史曲線、電導曲線、電導歷史曲線、故障信息、參數設置窗口。在設備窗口中進行設備組態，在設備管理器中選擇通用串口父設備和西門子-S7200PPI，在自設備中進行設備的添加，圖3給出了本工程的設備通道組態窗口。

圖4 控制系統工藝流程人機界面

圖4給出了工藝流程畫面。在工藝流程畫面中，可以準確形象的反映現場閥門的啟停狀態，泵的啟停狀態，并均有顏色變化來顯示其運行情況，如氣動閥(或泵)開啟時顏色為綠色，關閉時為紅色。通過百分比填充，形象地顯示了四個水箱的高、中、低液位。在整個系統管網的各個控制點均有相應的數據顯示，如過濾器工作時間， RO(反滲透)進水壓力、產水壓力、進水電導和濃水電導等，真實地反映了各個控制點的當前值。總之，畫面中，主體設備位置確切，工作狀態形象生動，各種參數“就地顯示”，整個系統運行工況集于一屏，一目了然，為現場操作人員提供了方便。

4 結 論

此控制系統運行系統穩定、可靠。該系統有效地解決了生產中的很多問題，如減少了生產過程中的突發故障，縮短了生產準備時間和搶修時間，減少了工人的勞動強度，為純凈水給水創造了客觀的經濟效益和社會效益，達到了節能、降耗的目的。該系統已在山西某煤礦地區凈水制備系統中使用。

參考文獻：

[1] 張運剛.從入門到精通----西門子S7-200PLC技術與應用[M].北京:人民郵電出版社,2007：25- 35.