基于PLC的水處理控制系統設計與實現①

王 芳 雷菊陽

(上海工程技術大學機械工程學院)

基于PLC的水處理控制系統設計與實現①

王 芳 雷菊陽

(上海工程技術大學機械工程學院)

為了解決鍋爐供水、乳產品巴氏消毒連續給水等難題，設計了一個基于S7-200 PLC的水處理閉環控制系統。給出系統的軟硬件組成和工作原理。針對PLC控制要求，設計了進出水壓力控制程序和觸摸屏交互功能。實際運行結果表明：系統輸出水流量能長時間保持穩定，達到水流量基本恒定、連續供給不中斷的要求；系統水壓力輸出基本與設定壓力保持一致，滿足供水壓力恒定且接近管道最大壓力的要求。

水處理系統 S7-200 PLC 進出水壓力控制 閉環控制

近年來，水處理方式向著高效節能、高自動化水平、高可靠性的方向發展。國外水處理控制系統起步較早，自動化水平較高，廣泛采用PLC控制、網絡、基礎自動化、系統管理和應用技術，已經實現了全過程的自動控制[1]。而我國水處理控制系統起步較晚，計算機控制技術、網絡技術和硬件控制技術發展緩慢，導致系統自動化水平較低。雖然有些水處理控制系統配置了機算機管理控制系統，實現了機械設備的自動控制，但主要還是依靠人工操作與自動檢測顯示相結合的方式，并沒有實現智能化，存在效率低的缺點。

目前，我國水處理控制系統存在3種控制模式：手動操作，這種方法完全依賴人工，可靠性、準確性較差，大多數操作依靠操作員的經驗，雖然投資少，但是效率低；半自動控制，該方式中設備操作、數據采集記錄等主要依靠人工來實現，勞動強度大，中間存在數據延遲，導致處理后的水質不穩定；全自動控制，采用工業控制計算機技術對水處理過程進行全自動控制，水處理過程中的各種信號、數據等通過相應的數據采集裝置同步到基礎自動化系統，再通過工業以太網將數據傳輸至工業計算機系統。

筆者針對燃氣鍋爐加熱成飽和蒸汽和乳脂產品巴氏消毒對水質的高要求，設計一套滿足需求的自動化水處理控制系統，用戶可以根據不同的應用需求選取標準型和經濟型模塊，最大限度地控制成本。

1 硬件部分

1.1 系統工作原理

基于PLC的水處理控制系統硬件部分包括觸摸屏、PLC、變頻器、電氣元器件、傳感器、泵及電磁閥等。其中，觸摸屏選用西門子SMART 700v3顯示屏，與PLC連接，通過Modbus 485進行通信，通信速率19.2kbit/s，從站為2，通過以太網與上位機進行數據交換，遵守TCP/IP傳輸協議。PLC選用的是S7-200 PLC SR40[2]，主站為1，通過以太網與DCS系統進行數據交換，遵守TCP/IP傳輸協議，數據接入互聯網，實現遠程監控。

系統首先通過西門子7寸觸摸屏(人機界面)設置參數[3]，然后將傳感器檢測的信號傳輸至PLC后實現泵、風機和電磁閥的開關啟停，再由PLC將信號傳送至觸摸屏進行監控顯示，實現人機交互。

1.2 主要控制對象和設備

系統主要控制對象和設備見表1。

表1 系統主要控制對象和設備

2 軟件部分

軟件部分由WinCC flexible SMART V3和Step 7-MicroWin SMART構成。水處理工藝流程比較復雜，尤其是對化學水的處理[4]，所以通常采用繼電器對程序進行控制。但是這種方法在安裝中存在接線復雜、修改程序困難、維護工作量大及相關系統設備老化等缺點，使得水處理系統可靠性極低。因此，為了能夠對繼電器控制存在的缺陷進行改善，筆者采用PLC對程序進行控制，依據工藝流程參數與PLC程序，擺脫人工干預對設備參數與設備啟停過程進行自動控制調節，從而實現全過程的自動化。

2.1 PLC控制要求

為了實現PLC控制，需滿足以下幾點控制要求：

a. 除二氧化碳水箱在高液位時，陽床出水電磁閥關閉，除二氧化碳水箱在低液位時，陽床出水電磁閥開啟；

b. 除二氧化碳水箱在高液位時，除二氧化碳水泵(一用一備)開啟，除二氧化碳水箱在低液位時，除二氧化碳水泵關閉；

c. 在陽床出水電磁閥開啟時，風機開，在陽床出水電磁閥關閉時，風機關，風機與陽床出水電磁閥同步開關；

d. 陰床出水電磁閥與除二氧化碳水泵(一用一備)通過變頻控制保持恒壓，在陰床用水時除二氧化碳水泵啟動(當除二氧化碳水箱在低液位時，除二氧化碳水泵關閉[5])。

2.2 PLC控制程序

系統由單沖量壓力經過PID調節來控制變頻器頻率，達到水泵連續給水的目的[6]。如圖1所示，進水壓力地址AIW16每隔0.5s采樣信號一次，濾波數據，使輸出數據波形平穩、起伏小。濾波值兩兩相加后再與VD2832相加，除以8后，數據給VD2836，得到進水壓力平均值。雙精整數VD36轉換為整數后轉移至VW2840，然后通過模擬量轉換模塊輸出對應壓力。現場采集信號為4～20mA信號，通過模擬量模塊輸入后轉換為5530～27648(5 530對應4mA，27 648對應20mA)。通過函數運算得到實際壓力存入VD132，再通過數據類型轉換得到實數型數據并存入VD920，即觸摸屏壓力顯示地址。

圖1 部分進出水壓力控制程序

部分PID控制程序如圖2所示。其中，觸摸屏采樣時間輸入地址為VD276，傳送至PID的采樣時間地址為VD420。觸摸屏比例增益輸入地址為VD264，傳送至PID的比例增益地址為VD416。觸摸屏積分時間輸入地址為VD268，傳送至PID的積分時間地址為VD424。觸摸屏微分時間輸入地址為VD272，傳送至PID的微分時間地址為VD428。觸摸屏設定壓力地址為VD260，經過整定的過程壓力地址為VW2840。經過PID計算后，輸出地址為VW286。死區計算后，將得到的值存入VW294，然后傳送給輸出模塊AQW16，轉換成4～20mA信號來控制變頻器頻率，達到控制水泵的目的。

圖2 部分PID控制程序

2.3 觸摸屏交互

觸摸屏顯示界面如圖3所示[7,8]，主要控制功能如下：

a. 除二氧化碳水泵控制。點擊觸摸屏1#除二氧化碳水泵圖標，彈出水泵設置菜單，點擊手/自動切換按鈕[3]。自動狀態下，主泵故障時系統自動切換至備泵；手動狀態下，通過觸摸屏按鍵來手動啟停主泵、備泵。手動啟動泵時，泵故障不報警，以便調試。當主備泵同時故障時，則提示“主備泵同時故障”。

b. 酸輸送泵控制。觸摸屏輸入“手動”或“自動”，兩者互鎖。自動狀態下，當酸液箱水位低時，酸輸送泵自動工作，主動補液；當酸液箱水位高時，酸輸送泵自動停止工作。手動狀態下，通過觸摸屏按鍵來手動啟停酸輸送泵，以維持酸液箱的正常液位。

c. 堿輸送泵控制。觸摸屏輸入“手動”或“自動”，兩者互鎖。自動狀態下，當堿液箱水位低時，堿輸送泵自動工作，主動補液；當堿液箱水位高時，堿輸送泵自動停止工作。手動狀態下，通過觸摸屏按鍵來手動啟停堿輸送泵，以維持堿液箱的正常液位。

圖3 觸摸屏顯示界面

3 結果與分析

圖4為水處理控制系統的水流量輸出曲線，可以看出，調整后的水流量能長時間保持穩定供給，達到水流量基本恒定、連續供給不中斷的要求。

圖4 水流量輸出曲線

管道最大承壓為0.5MPa，而水泵能打1.0MPa的壓力，因此需設置過壓保護。當實際壓力VD132超過觸摸屏設定壓力VD1200時，泵停止運轉并報警，待報警消除后繼續自動運行。若要求恒壓0.4MPa，而由于PID調節區間過小，導致壓力一直小于0.4MPa，達不到恒壓要求，此時可采取全頻與PID并存的控制模式。偏差值VD332由觸摸屏設定，當實際值VD132小于比較值VD592時，變頻器全頻50Hz運行，以保證壓力能達到0.4MPa以上；當實際壓力VD132大于比較值VD592時，變頻器在PID控制模式下運行，以達到恒壓0.4MPa的目的。圖5為水壓PID曲線，可以看出，本系統水壓力輸出基本與設定壓力保持一致，能很好地滿足客戶供水壓力恒定且接近管道最大壓力的要求。

圖5 水壓PID曲線

4 結束語

筆者基于S7-200 PLC設計了一個水處理控制系統，該系統自動化水平高，能夠降低工人勞動強度，具有運行穩定性高、故障率低、操作簡單方便及可移植性好等特點。由于在設計初期就對整個系統做了合理規劃，因此系統投運后，整個處理過程簡單高效，PLC的高效性和高可靠性保證了系統能夠完全滿足水處理要求，實現水處理過程的全自動化，提升了水處理效率。

[1] 徐金林.可編程序控制器(PLC)的實際應用[J].寧夏機械,2005,(4):24,26.

[2] 廖常初.S7-200 SMART PLC應用教程[M].北京:機械工業出版社,2015:35～37.

[3] 劉瑞.觸摸屏技術及其性能分析[J].裝備制造技術,2010,(3):69～70.

[4] 史廣睿,劉琳琳.電氣自動化控制技術在污水處理廠曝氣量控制的應用[J].黑龍江科技信息,2014,(35):112.

[5] 張開賀.小型PLC控制系統在化學水處理系統的中運用[J].山東工業技術,2015,(2):161.

[6] 張葉茂,楊曉武.自適應模糊PID在壓鑄機控制系統中的應用[J].熱加工工藝,2016,(23):96～99.

[7] 馬立明,魏小成,焦建勇.現場總線與現場總線控制系統[J].河北省科學院學報,2002,19(4):237～240.

[8] 晉磊.基于TCP/IP傳輸協議的無線遠程輪式機器人系統的設計與實現[D].昆明:云南大學,2016.

DesignandImplementationofWaterTreatmentControlSystemBasedonPLC

WANG Fang, LEI Ju-yang

(CollegeofMechanicalEngineering,ShanghaiUniversityofEngineeringScience)

In order to solve the problems of continuous water supply for boilers and pasteurization of milks, a S7-200 PLC-based closed-loop control system for water treatment was designed and its hardware and software composition and working principle thereof were presented. Considering PLC control requirements, the control program for in and out water pressures and interaction function of the touch screen were designed. The operation results show that, the water flow output by the system can remain stable for long time so that continuous water supply at certain flow rate can be realized; and water’s output pressure of the system can comply with the pressure designed so that the requirement of the pressure of water supply can keep constant and close to the pipeline’s maximum pressure.

water process system, S7-200 PLC, in and out water pressure control, closed-loop control

TH862

B

1000-3932(2017)08-0734-04

2017-03-09，

2017-04-05)

上海市研究生科研創新項目(16KY0123)。

王芳(1991-)，碩士研究生，從事機器學習的研究，1970310462@qq.com。