基于PLC的工業水處理系統的設計

戴 森，劉子龍

DAI Sen1,2,LIU Zi-long1,2

(1. 上海理工大學 光電信息與計算機工程學院，上海 200093；2. 上海理工大學 上海現代光學系統重點實驗室，上海 200093)

0 引言

近年來，全國水污染仍呈發展趨勢，工業發達地區水域污染尤為嚴重。水處理技術將越來越先進，現在的熱點水處理技術有：微污染水源水處理技術、制造純水的膜濾技術、富營養化水的除藻技術等等。此次主要是對工業水處理系統進行模擬設計，其中主要涉及系統設計和PLC設計。采用“集中檢測、分散控制”的設計原則，此次設計采用DCS分布式控制系統，由計算機和現場設備連接而成，通過總線將現場儀表、現場控制站和監測操作管理站連接起來，共同完成分散控制和集中操作、管理的綜合控制系統。

本文的設計中的水處理主要分為進水、加藥和出水三個環節，分別設立三個PLC控制站。PLC采用西門子S7 300系列中的S7 315-2DP。它能配置多個機架的PLC系統及超強的CPU處理能力。并用STEP 7編程軟件進行PLC編程。

在網絡部分，上位機與各PLC現場控制器之間采用現場總（PROFIBUS）來進行數據通訊。這樣使系統的結構簡化，設備與連線減少，現場儀表內部功能增強，減少了信號的往返傳輸，提高了系統的工作可靠性。

1 系統工藝原理

這是一套水處理廠的工業系統設計，該處理廠主要是將江河水進行取水，加藥，沉淀，再加藥，過濾，最后進行供水。

首先，對如圖1所示的流程圖進行大致地說明：

圖1 水處理工藝流程

由變頻器控制的進水泵將河水抽入進水池，然后由傳感器，變送器進行數據采樣并且由PLC控制進水流量及進水井的液位，然后加礬，再進入管式混合器進行攪拌混合，接著進入反應池反應，再在平流沉淀池中沉淀。沉淀下來的污泥流入污泥濃縮，脫水，最后壓縮成餅運出。沉淀后的水再進行濁度采樣，將沒有沉淀完全的水再由回收泵返回到管式混合器中進行沉淀。而將沉淀完全的水加氯消毒，在V型濾池中進行過濾，處理完后的水再進行余氯檢查，如果余氯不夠則再補充氯，而此時再將一部分處理后的水進入反沖洗泵房對V型濾池進行反復清洗，而大部分的水進入清水池，再由出水泵將其排出，此時還要對其進行一系列的清水采樣看看是否滿足標準。

2 PLC的系統設計

此次的水處理系統由三個分控站組成，各站分別位于加藥間、濾池控制間、送水泵房控制間。每站配備本機機架，配置相應的監控終端。主機與分布式I/O機柜采用PROFIBUS總線通信，各站間設立通訊口進行通訊。

1號分控站主要完成源水參數采集及監控，對加氯加礬及沉淀池的工藝監控。

2號分控站主要完成氯池水位監控，反沖洗自動控制功能。

3號分控站是送水泵房中送水泵控制；變配電站參量監控。采集參數：水泵開停、電機軸承溫度，水泵出水壓力、流量、變配電總進線電壓、電流、功率、其它高壓回路電流，管網測點水壓值。

控制內容：通過管網測點的壓力值測定，通過工作人員控制送水泵的開停及運轉數量，同時采用變頻調速技術，自動控制送水水量和水壓。

3 PLC三號分控站程序設計

1)PLC機架分配如圖3所示。

圖3 機架分配

2）AI 模塊分配如圖4所示。

3）AO 模塊分配如圖5所示。

4）梯形圖設計

此次設計的是水處理廠的三號分控站，PLC的I/O端口地址定義及與變頻器的連接已經完成，只需在STEP 7軟件中對PLC進行變成即可。配置：

1）正轉使得梯形圖，由于正轉是可有三種控制方法，因此前端要并聯三個運行模式：自動，手動和點動。而變量則是前面端的中間變量，如圖6所示。

2）這是電動調節閥的梯形圖，由于原理是流量計采集來的參數與給定的參數比較，而產生的控制信號，因此用到減法器和MOVE器，如圖7所示。

模擬量輸入（AI）模塊，表現生產過程狀況的很多物理量呈緩慢變化，如溫度、壓力、液位、流量、成分，用傳感器或變送器測量出來，變換成電阻、電流、電壓信號，與模擬過程變化相對應，這些信號就是模擬量。增加了處理模擬量功能。 AO模塊將計算機輸出的數字量運算結果轉換成相應的模擬信號(電壓或電流)，完成對伺服電機、調節閥等執行機構的控制；輸出給直接數字控制系統設定值等。模擬量輸出通道一般由數據緩沖器、數／模(D／A)轉換器和驅動器等部分組成。在根據PLC 程序通過管網測點的壓力值測定和工作人員控制送水泵的開停及運轉數量，同時采用變頻調速技術，自動控制送水水量和水壓。

圖4 AI模塊分配圖

圖5 AO模塊接口分配圖

圖6 梯形圖1

圖7 梯形圖2

4 結束語

本論文針對水處理系統自動化程度不高的現狀，研究設計了PLC和DCS 控制水處理系統。成功實現了變配電站參量監控，采集各個參數的水處理系統的自動控制。成功解決了靠人工檢測的方法已不適應工業水處理發展的需要，取而代之的是自動化及集成度高的水處理系統。

基于PLC 的工業水處理的控制系統,實現了對濁度，PH值，電導率，溶解氧等水質參數的采集、處理、顯示和控制,利用WINCC在屏上顯示各個傳感器及系統的運行狀態,使維護更加方便。經過反復的實驗和修正,設計的控制系統運行穩定可靠、控制簡單方便,對水質參數的誤差也在可控范圍之內,對今后工業水處理設備的研制及研究具有重要的借鑒意義。

[1] 劉志猛,陳平,鄧橙.水力空化水處理設備的控制系統設計[J].自動化技術與應用,2012,31(11).

[2] 汪大暈,雷樂成.水處理新技術及工程設計[J].化學工業出版社,2001.

[3] 劉自放,龍北生.給水排水自動控制與儀表.北京:中國建筑工業出版社.2001.

[4] S7-300 Automation System CPU 31Xc Technological Functions[Z].德國SIEMENS公司,2000.

[5] R.GOGATE PARAG,B.PANDIT ANIRUDDHA.A review and assessment of hydrodynamic cavitation as a technology for the future[J].Ultrasonics Sonochemistry,2005,(12):21-27.

[6] Ioannides M G.Design and implementation of PLC-based monitoring control system for induction motor[J].IIEE Transactions on Energy Conversion,2004,19(3):469-476.