基于PLC的水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

李澍源，曾明海，余文泉，蘭家祥，林壽英

（福建農(nóng)林大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，福建福州 350002）

基于PLC的水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

李澍源，曾明海，余文泉，蘭家祥，林壽英

（福建農(nóng)林大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，福建福州 350002）

文章闡述了基于 PLC 的水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)，本系統(tǒng)采用西門子的 S7-200 PLC 為控制器，通過以太網(wǎng)通訊，將下位機(jī)采集的水質(zhì)各參數(shù)傳輸給觸摸屏顯示，同時(shí)在計(jì)算機(jī)上應(yīng)用 iFIX 組態(tài)軟件實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。水質(zhì)檢測系統(tǒng)能根據(jù)下位機(jī)收集的數(shù)據(jù)與設(shè)置的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，實(shí)現(xiàn)對水質(zhì)的監(jiān)測。整個(gè)系統(tǒng)包括編寫邏輯控制程序、搭建觸摸屏組態(tài)畫面、iFIX 組態(tài)軟件畫面。

水質(zhì)監(jiān)測；西門子 S7-200 PLC；控觸摸屏；iFIX；遠(yuǎn)程監(jiān)控

1 系統(tǒng)組成及硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)為基于 PLC 的水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)，主要是對水質(zhì)中pH 值、濁度、溶解氧、溫度等參數(shù)進(jìn)行檢測，并能在參數(shù)超出規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)時(shí)進(jìn)行報(bào)警；本系統(tǒng)的上位機(jī)采用以太網(wǎng)與下位機(jī)通訊，通過組態(tài)軟件設(shè)計(jì)監(jiān)控畫面，以實(shí)現(xiàn)水質(zhì)參數(shù)值在計(jì)算機(jī)中的顯示、報(bào)警等功能。還需人機(jī)界面的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)水質(zhì)參數(shù)在觸摸屏上的顯示/控制。如圖1 為系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

（1）PLC 的選型及其擴(kuò)展模塊的確定。根據(jù)對水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)的作用分析、選擇并確定合適的 PLC 型號，完成系統(tǒng)組態(tài)或硬件的配置。該控制系統(tǒng)應(yīng)有 8 個(gè)數(shù)字量輸入點(diǎn)、4 個(gè)數(shù)字量輸出點(diǎn)、4 個(gè)模擬量輸入點(diǎn)，I/O 點(diǎn)總數(shù)為 16 個(gè)。根據(jù)輸入輸出點(diǎn)數(shù)以及要實(shí)現(xiàn)的水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)的功能，選用西門子S7-200 的 PLC。該 PLC 的 CPU 類型為 CPU224，含 14DI/10DO，可擴(kuò)展模塊數(shù)量為 7。另加一個(gè)擴(kuò)展模塊 EM231（4AI）以及以太網(wǎng)模塊 CP243-1，這樣就完全能夠滿足設(shè)計(jì)要求。

圖2 傳感器實(shí)物圖

（2）傳感器的選擇。如圖2（a）即為濁度傳感器加了外圍電路以組成的濁度傳感器模塊 SEN0189，該模塊工作電壓：DC 5V，工作電流：30mA（MAX），工作溫度：-30 ℃～80℃，量程：0℃～50℃，提供模擬信號和數(shù)字信號兩種輸出模式，本系統(tǒng)用到的是 0～4.5V 模擬輸出。

如圖2（b）所示為 BNC 接口型 PH 傳感器。該 pH 傳感器工作電壓：DC 5V，工作溫度：0℃～60℃，測量范圍：0～14pH，精度：±0.1pH（25℃），輸出的是以模擬電壓信號輸出。

如圖2（c）所示為 DO530 溶解氧傳感器。該溶解氧傳感器采用酸性膠體電解質(zhì)原電池原理，不受二氧化碳干擾。該溶解氧傳感器的測量誤差：溶解氧≤0.1mg/L 溫度≤0.5℃，自動(dòng)溫度補(bǔ)償功能：自動(dòng) 0℃～60℃，測量范圍：0～10mg/L，4～20mA 電流信號輸出。

如圖2（d）所示為溫度傳感器選用 Pt100 三線制鉑電阻及變送器模塊。該模塊可以接收熱電阻或各類熱電偶輸入，可直接安裝于溫度傳感器接線盒內(nèi)，并輸出標(biāo)準(zhǔn)電流信號，工作電壓：DC 24V，工作溫度：-20℃～80℃，工作濕度：＜95%，量程：0℃～50℃，輸出信號：4～20mA 電流信號輸出。

2 水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)的 PLC 程序設(shè)計(jì)

編寫 PLC 程序之前，需要先對所需用到的編程地址進(jìn)行分配，這不僅有利于編程，更方便今后在程序調(diào)試過程很快找出對應(yīng)的控制點(diǎn)。根據(jù)對水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)的功能分析，可知該控制系統(tǒng)有 8 個(gè)數(shù)字量輸入點(diǎn)、4 個(gè)數(shù)字量輸出點(diǎn)、4 個(gè)模擬量輸入點(diǎn)。根據(jù)功能確定編程元件的地址分配如表1 所示。

表1 系統(tǒng)地址分配

圖3 控制系統(tǒng)程序流程圖

圖3 為程序控制流程圖，系統(tǒng)上電后先對存儲 pH 值、濁度值、溫度值、溶解氧值的 VD0、VD4、VD8、VD12 寄存器以及計(jì)數(shù)器 C0 的當(dāng)前值進(jìn)行初始化。然后判斷自動(dòng)或者手動(dòng)開關(guān)哪個(gè)按下；若自動(dòng)開關(guān)打開，則開始計(jì)時(shí)，計(jì)時(shí)時(shí)間到就開始采集 pH 值、濁度、溫度、溶解氧；采集完之后與設(shè)置的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，若某個(gè)量的數(shù)據(jù)超出范圍，則相應(yīng)的指示燈閃爍；若沒超出范圍，則相應(yīng)的指示燈常亮直到采集時(shí)間到，如此循環(huán)。若手動(dòng)開關(guān)開啟，需判斷哪個(gè)量的手動(dòng)開關(guān)打開，然后開始計(jì)時(shí)，計(jì)時(shí)時(shí)間到就開始采集相對應(yīng)的量，采集值與設(shè)置的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)對比，若某個(gè)量的數(shù)據(jù)超出范圍則相應(yīng)的指示燈閃爍，若沒超出范圍指示燈常亮直到采集時(shí)間到，如此循環(huán)。

3 水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)的人機(jī)界面設(shè)計(jì)

（1）觸摸屏人機(jī)界面的設(shè)計(jì)。本系統(tǒng)采用富昌維控觸摸屏作為人機(jī)界面設(shè)備，觸摸屏型號為 LEVI 777A，24V 供電，通過 USB 轉(zhuǎn)串口與 PLC 進(jìn)行通訊。由于 S7-200PLC 的編程元件輸入繼電器（I）只能由外部的輸入信號來驅(qū)動(dòng)，所以觸摸屏上不能直接對輸入繼電器（I）進(jìn)行控制。輔助繼電器（M）沒有外部的輸入端子或者輸出端子與之對應(yīng)，因此它不會受到外部的輸入信號直接控制，它的觸點(diǎn)也不能直接驅(qū)動(dòng)外部負(fù)載。故觸摸屏上可采用輔助繼電器（M）來代替輸入繼電器（I）。人機(jī)界面上輔助繼電器（M）與輸入繼電器（I）對應(yīng)的控制對象如表2 所示。

表2 人機(jī)界面上對應(yīng) I的控制對象

本系統(tǒng)的觸摸屏界面分別是主畫面、監(jiān)測畫面、模擬動(dòng)畫界面。主畫面主要是顯示了本設(shè)計(jì)的題目、當(dāng)前時(shí)間、采集頻率、總開關(guān)等，如圖4（a）所示。監(jiān)測畫面主要是顯示了自動(dòng)、手動(dòng)模式下采集的數(shù)據(jù)，如圖4（b）所示。模擬動(dòng)畫界面是模擬實(shí)物采集的過程進(jìn)行編寫的一個(gè)模擬畫面，如圖4 （c）所示。

圖4 觸摸屏界面

（2）計(jì)算機(jī)人機(jī)界面的設(shè)計(jì)。iFIX 組態(tài)軟件可以安裝在工控機(jī)或者普通計(jì)算機(jī)上。采用以太網(wǎng)與 PLC 進(jìn)行通訊，用 IGS軟件采集 S7-200 的數(shù)據(jù)，用 iFIX 組態(tài)軟件的 IGS 驅(qū)動(dòng)采集IGS 軟件上的數(shù)據(jù)。這樣就可以實(shí)現(xiàn)用 iFIX 軟件與 PLC 通訊，實(shí)現(xiàn)通過計(jì)算機(jī)對 PLC 的控制。本系統(tǒng) iFIX 組態(tài)軟件共有三個(gè)畫面，分別是：主畫面、模擬動(dòng)畫畫面、報(bào)警匯總畫面，編寫完成的畫面如圖5（a）、（b）、（c）所示。

圖5 iFIX界面

4 結(jié)語

基于 PLC 的水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)能很好地對水質(zhì)的各個(gè)參數(shù)進(jìn)行檢測，并將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳送到計(jì)算機(jī)，并能對數(shù)據(jù)的變化進(jìn)行監(jiān)控報(bào)警。這很好地實(shí)現(xiàn)了對水質(zhì)的實(shí)時(shí)監(jiān)測，避免工業(yè)生產(chǎn)的污水和廢水超標(biāo)排放；同時(shí)也對居民生活用水的水源提供了保障。該系統(tǒng)具有較強(qiáng)的數(shù)據(jù)檢測、處理能力，能穩(wěn)定可靠運(yùn)行，人及界面以及 iFIX 操作界面優(yōu)良，這有很好的推廣性和較高的實(shí)用價(jià)值。

Design of Water Quality Monitoring System based on PLC

LI Shu-yuan，ZE NG Ming-hai，YU Wen-quan，LAN Jia-xia，LIN Shou-ying
（School of Mechanical and Electrical Engineering，F(xiàn)ujian A griculture and Forestry University，F(xiàn)uzhou，F(xiàn)ujian 350002，China）

The paper discusses the quality monitoring system based on PLC.This system adopts SIEMENS S7-200 PLC as the controller，transmitting parameters of water quality collected by slave computer to screen through the Ethernet communication，and realizes remote monitoring and real-time transmission by applying iFIX configuration software in computer.Water quality detection system can compare the data collected by the slave computer with the standard data to monitor water quality.The whole system includes writing logic control program，building touch screen configuration screen and iFIX configuration software screen.

water quality monitoring；SIEMENS S7-200 PLC；control touch screen；iFIX；remote monitoring

TP273

A

2095-980X（2016）12-0034-02

2016- 11-18

李澍源（1991-），男，福建福州人，碩士研究生，主要研究方向：電氣化與自動(dòng)化。

通迅作者：林壽英（1965 -），女，福建福州人，副教授，碩士生導(dǎo)師，主要研究方向：自動(dòng)控制和應(yīng)用電子研究。