基于PLC和組態(tài)的循環(huán)水旁濾監(jiān)控系統(tǒng)

季凱源，夏 爽，汪 湛

（中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七二三研究所，江蘇揚(yáng)州 225001）

0 引言

循環(huán)水旁濾系統(tǒng)在工業(yè)循環(huán)水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中十分重要，它的主要作用是去除循環(huán)冷卻水中的濁度[1]，可廣泛運(yùn)用到農(nóng)業(yè)灌溉、化工、石油、冶金、工礦等各行業(yè)。循環(huán)水旁濾系統(tǒng)的核心設(shè)備是砂濾器。砂濾器，即淺層介質(zhì)過(guò)濾器。它是一種利用過(guò)濾介質(zhì)去除水中各中懸浮物、微生物、以及其他微細(xì)顆粒，最終達(dá)到降低水濁度、凈化水質(zhì)效果的一種高效過(guò)濾設(shè)備。常用濾料有石英砂、活性碳、無(wú)煙煤、錳砂等。針對(duì)某循環(huán)水旁濾項(xiàng)目，本文設(shè)計(jì)了一種基于S7-300系列PLC和WinCC7.0組態(tài)軟件的循環(huán)水旁濾監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)不僅可以完成所設(shè)定的工藝要求，而且能夠人為設(shè)定工藝時(shí)間，并在水位達(dá)到閾值時(shí)做出自動(dòng)調(diào)整，防止事故的發(fā)生。在實(shí)際運(yùn)行中，系統(tǒng)可以全自動(dòng)運(yùn)行，無(wú)需專人看守，這不僅減輕操作人員勞動(dòng)強(qiáng)度，而且提高了系統(tǒng)的自動(dòng)化水平，為企業(yè)提高工作效率做出了貢獻(xiàn)。

1 工藝介紹

循環(huán)水旁濾系統(tǒng)的工藝過(guò)程實(shí)際上是循環(huán)水進(jìn)入砂濾器的相關(guān)流程[2]。下面以一臺(tái)砂濾器來(lái)闡述工藝，如圖1所示。一臺(tái)砂濾器與其相關(guān)的設(shè)備主要有1臺(tái)水泵，4個(gè)電磁閥，3個(gè)手動(dòng)閥和1臺(tái)液位儀表。

手動(dòng)閥K1，K2，K3認(rèn)為是永久打開(kāi)的，只有當(dāng)出現(xiàn)緊急狀況或者檢修時(shí)，才會(huì)人為手動(dòng)關(guān)閉閥門(mén)。循環(huán)水工作主要分三個(gè)流程：正常過(guò)濾過(guò)程，反洗過(guò)程和停止過(guò)程。首先啟動(dòng)水泵從進(jìn)水管進(jìn)行抽水，正洗過(guò)程主要是打開(kāi)閥門(mén)KV1，KV3；關(guān)閉閥門(mén)KV2，KV4；此時(shí)循環(huán)水由砂濾器頂部向底部運(yùn)動(dòng)進(jìn)入循環(huán)水池，砂濾器中的濾網(wǎng)和石英砂主要在上層，當(dāng)水流過(guò)填料層時(shí)，雜質(zhì)被截留在填料層內(nèi)，這樣便做到了循環(huán)水的過(guò)濾作用。隨著雜質(zhì)在填料層中的不斷聚積，當(dāng)它聚集到達(dá)一定的設(shè)定限度時(shí)，就必須進(jìn)行反洗過(guò)程。反洗過(guò)程同樣是水泵從進(jìn)水管進(jìn)行抽水，此時(shí)打開(kāi)閥門(mén)KV2，KV4；關(guān)閉閥門(mén)KV1，KV3；循環(huán)水由砂濾器底部向頂部運(yùn)動(dòng)，排到廢水收集池中，這樣做到反沖將雜質(zhì)去除出砂濾器的作用。停止流程，即閥門(mén)KV1，KV2，KV3，KV4全部關(guān)閉。根據(jù)一般經(jīng)驗(yàn)，正常過(guò)濾時(shí)間可設(shè)為48小時(shí)，反洗時(shí)間設(shè)為3分鐘，停止時(shí)間設(shè)為1分鐘。循環(huán)水系統(tǒng)由正常過(guò)濾——停止過(guò)程——反洗過(guò)程這樣循環(huán)運(yùn)行。當(dāng)液位儀表發(fā)生報(bào)警時(shí)，即水位超過(guò)砂濾器的上限或者低于下限時(shí)，會(huì)自動(dòng)停止水泵運(yùn)行，并發(fā)出報(bào)警。

圖1 系統(tǒng)的工藝流程

本系統(tǒng)共有4個(gè)砂濾器，編號(hào)為A～D。當(dāng)自動(dòng)運(yùn)行時(shí)，同時(shí)進(jìn)行正常過(guò)濾，當(dāng)達(dá)到設(shè)定正洗時(shí)間后，砂濾器由A罐到D灌依次進(jìn)行反洗，這樣能最大限度地提高反沖洗效率。如圖2所示為各個(gè)砂濾器工作的時(shí)間流程圖，圖中等待過(guò)程等價(jià)于停止過(guò)程。

圖2 各個(gè)砂濾器工作時(shí)間流程圖

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

由循環(huán)水工藝流程可知，本系統(tǒng)主要對(duì)砂濾器的各個(gè)水泵，電磁閥和液位儀表進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控。水泵的設(shè)備控制，采用普通電氣電路控制方式，電路中含有運(yùn)轉(zhuǎn)和過(guò)載信號(hào)反饋；電磁閥采用直流24 V電磁鐵通斷進(jìn)行控制，閥門(mén)具有開(kāi)，關(guān)信號(hào)反饋；液位儀表符合標(biāo)準(zhǔn)的HART協(xié)議。這些設(shè)備均獨(dú)立運(yùn)行，相互之間沒(méi)有通信。系統(tǒng)供電由UPS進(jìn)行供電，水泵運(yùn)轉(zhuǎn)需380 V交流電，PLC控制柜供電需220 V交流電。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的分布結(jié)構(gòu)，采用分散控制、集中操作、分級(jí)管理的思想進(jìn)行設(shè)計(jì)[3]。本監(jiān)控系統(tǒng)分為三級(jí)架構(gòu)，第一級(jí)是設(shè)備部分，主要包括水泵、電磁閥和液位儀表。第二級(jí)是控制級(jí)，PLC通過(guò)它的各個(gè)不同功能的擴(kuò)展模塊先與安全柵連接，再通過(guò)安全柵與現(xiàn)場(chǎng)的開(kāi)關(guān)量、數(shù)字量、模擬量設(shè)備連接，從而對(duì)所有設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控。第三級(jí)是管理級(jí)，由一臺(tái)工控機(jī)通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)與PLC連接，可遠(yuǎn)程對(duì)設(shè)備進(jìn)行有效地監(jiān)控，同時(shí)可查看參數(shù)數(shù)據(jù)、曲線、報(bào)表、設(shè)置相關(guān)權(quán)限等。

3 PLC系統(tǒng)設(shè)計(jì)

控制級(jí)采用Siemens S7-300作為可編程控制器。由于本系統(tǒng)有4個(gè)砂濾器，故控制系統(tǒng)的主要被控對(duì)象含有4臺(tái)水泵，16個(gè)電磁閥，4臺(tái)液位儀表。每臺(tái)水泵上有正常運(yùn)轉(zhuǎn)和過(guò)載指示各1個(gè)；電磁閥上有閥門(mén)開(kāi)、關(guān)指示各1個(gè)，總計(jì)40個(gè)數(shù)字量輸入。電磁閥通過(guò)電磁鐵控制，水泵通過(guò)輔助控制電路的繼電器控制，總計(jì)20個(gè)數(shù)字量輸出。每臺(tái)液位儀表為標(biāo)準(zhǔn)4～20 mA模擬量輸入，總計(jì)4個(gè)模擬量輸入。

3.1 主要硬件選型

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)砂濾器的管道和工藝的實(shí)際情況，水泵采用上海凱仕KSW型臥式離心泵，電磁閥采用亞德客B03-3V1型電磁閥并配有韓國(guó)HKC公司的APL限位開(kāi)關(guān)，液位儀表采用羅斯蒙特3051c雙法蘭液位壓差變送器。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備數(shù)量和實(shí)際控制要求，結(jié)合安全穩(wěn)定性和實(shí)際成本等因素，CPU模塊選用西門(mén)子CPU314-2PN/DP，此模塊集成以太網(wǎng)接口，無(wú)須獨(dú)立的以太網(wǎng)模塊便可以通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。PLC及其模塊背板供電選用交流供電的PS307-2A，共1塊。輸入/輸出模塊的選擇不僅要根據(jù)上文計(jì)算所得的I/O點(diǎn)數(shù)，而且需要一定可擴(kuò)展備用余量，以便系統(tǒng)升級(jí)和改造，其中，24V DC輸入的SM321（DI16）選用3塊，24V繼電器輸出的SM322（DO16）選用2塊，模擬量輸入SM331（AI8）選用1塊。與DI、DO、AI模塊配套的各個(gè)類型的安全柵分別需要40、20、4個(gè)。同時(shí)PLC控制柜中還配有西門(mén)子SI?TOP開(kāi)關(guān)電源（輸出24V 10A）2臺(tái)。其中，1臺(tái)用于數(shù)字輸入量檢測(cè)和安全柵供電，另1臺(tái)用于電磁閥和繼電器供電。觸點(diǎn)變?yōu)槌ｉ]觸點(diǎn)才進(jìn)行反洗，并復(fù)位M1.0，使標(biāo)志位可用于下一次循環(huán)；依此類推C、D砂濾器。

圖4 設(shè)置反洗時(shí)間程序

3.2 控制功能實(shí)現(xiàn)

根據(jù)控制要求，系統(tǒng)中開(kāi)關(guān)量輸出設(shè)備有就地和遠(yuǎn)程2種控制模式，就地就是現(xiàn)場(chǎng)直接按鈕對(duì)設(shè)備進(jìn)行啟停；遠(yuǎn)程控制又分為自動(dòng)和手動(dòng)方式，手/自動(dòng)方式可進(jìn)行自由切換。處于自動(dòng)狀態(tài)時(shí)系統(tǒng)按照一定的程序運(yùn)轉(zhuǎn)，當(dāng)切換到手動(dòng)狀態(tài)，系統(tǒng)跳出自動(dòng)狀態(tài)，可通過(guò)遠(yuǎn)程自由設(shè)定手動(dòng)控制任一設(shè)備。正常運(yùn)行過(guò)程中，首先工藝人員檢查外部設(shè)備是否完好，PLC控制柜各項(xiàng)指示是否正常，檢查完畢后可根據(jù)實(shí)際工藝要求設(shè)置每個(gè)砂濾器的正常過(guò)濾時(shí)間，反洗時(shí)間；然后設(shè)置液位報(bào)警值的上下限度，若水位超過(guò)或低于閾值，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)關(guān)閉水泵，發(fā)出報(bào)警，等待設(shè)備人員進(jìn)行檢修。系統(tǒng)設(shè)置有急停按鈕，當(dāng)出現(xiàn)緊急狀況，便于使所有設(shè)備緊急停止運(yùn)行。同時(shí)PLC系統(tǒng)是一個(gè)獨(dú)立的控制系統(tǒng)，在正常運(yùn)行時(shí)，若出現(xiàn)上位機(jī)和PLC發(fā)生通訊故障等情況，不會(huì)影響PLC執(zhí)行當(dāng)前的工藝流程。

圖5 依次反洗程序設(shè)計(jì)

PLC系統(tǒng)程序的好壞決定了循環(huán)水過(guò)濾的質(zhì)量。整個(gè)程序由若干個(gè)子程序模塊組成，包括初始化程序、手動(dòng)控制程序、自動(dòng)控制程序、通信處理程序、模擬量采集處理程序等。在OB1主程序中對(duì)這些子程序模塊進(jìn)行組織和調(diào)用[5]。程序流程圖如圖6所示。

3.3 PLC程序設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)PLC程序采用STEP7軟件進(jìn)行編程，使用LAD語(yǔ)言進(jìn)行功能實(shí)現(xiàn)。程序采用模塊化設(shè)計(jì)思想[4]，減少了開(kāi)發(fā)周期，提高了開(kāi)發(fā)效率。為了快速得到穩(wěn)定、準(zhǔn)確的液位值，直接調(diào)用STEP軟件中的模擬量處理功能塊模塊FC105，可直接把模擬量轉(zhuǎn)化為液位值。

針對(duì)本工藝流程可通過(guò)上位機(jī)自由設(shè)定正洗時(shí)間和反洗時(shí)間；以設(shè)置反洗時(shí)間為例，程序如圖4所示，只需要通過(guò)上位機(jī)賦值變量MW216即可完成操作。

針對(duì)工藝流程中砂濾器A～D依次進(jìn)行反洗流程，以A、B依次反洗為例，程序如圖5所示，可設(shè)置一個(gè)標(biāo)志位M1.0，在A砂濾器結(jié)束反洗后，使標(biāo)志位線圈置1。當(dāng)B砂濾器正洗結(jié)束后，停止工作，等待標(biāo)志位M1.0由常開(kāi)

圖6 程序流程圖

4 上位機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)上、下位機(jī)系統(tǒng)的信息交互，系統(tǒng)采用研華IPC-610L作為上位機(jī)主機(jī)。它采用奔騰處理器，500 G硬盤(pán)，1 G內(nèi)存，配有網(wǎng)卡CP5611，運(yùn)行Windows XP Pro?fessional操作系統(tǒng)，并裝有WinCC7.0和SQL Server 2005等軟件。采用WinCC7.0作為上位機(jī)監(jiān)控軟件，它是由Sie?mens公司開(kāi)發(fā)的一種復(fù)雜的數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)軟件[6]，通過(guò)它與PLC配合，能高效控制自動(dòng)化過(guò)程，具有極強(qiáng)的系統(tǒng)穩(wěn)定性和開(kāi)放性。

4.1 組態(tài)軟件設(shè)計(jì)

組態(tài)軟件通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)與PLC進(jìn)行通信，具有可靠性高、靈活性好以及通信速率快等優(yōu)勢(shì)[7]。組態(tài)軟件設(shè)計(jì)過(guò)程包括以下步驟。

（1）創(chuàng)建新的項(xiàng)目，在變量管理器中添加PLC驅(qū)動(dòng)程序并選擇通道單元TCP/IP，建立驅(qū)動(dòng)程序的連接。

（2）定義PLC變量和組態(tài)變量。PLC變量需要變量地址，類型和PLC數(shù)據(jù)塊中的變量相一致，確保與上位機(jī)的對(duì)應(yīng)關(guān)系；組態(tài)變量是組態(tài)程序的變量，可在上位機(jī)軟件中自由設(shè)定。

（3）功能畫(huà)面繪制和連接變量。采用組態(tài)系統(tǒng)自帶的元素、控件、圖形等進(jìn)行畫(huà)面組合，并通過(guò)填充、表達(dá)式和腳本程序等方式實(shí)現(xiàn)畫(huà)面與變量的連接。

（4）測(cè)試功能完整性和可靠性。通過(guò)設(shè)置上位機(jī)和PLC中的IP進(jìn)行相關(guān)通訊，測(cè)試上位機(jī)和下位機(jī)功能性和可靠性是否符合要求。

4.2 組態(tài)功能實(shí)現(xiàn)

圖7 組態(tài)總體結(jié)構(gòu)圖

為了滿足組態(tài)監(jiān)控要求，對(duì)整個(gè)組態(tài)畫(huà)面進(jìn)行設(shè)計(jì)，組態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖7所示。參數(shù)設(shè)定畫(huà)面，可自由設(shè)置每個(gè)砂濾器的正常過(guò)濾，反洗時(shí)間和液位報(bào)警值的上下限；實(shí)時(shí)監(jiān)控畫(huà)面，可反映出設(shè)備當(dāng)前狀態(tài)和工藝流程；手動(dòng)測(cè)試畫(huà)面，可在此畫(huà)面手動(dòng)測(cè)試設(shè)備，給設(shè)備的測(cè)試和檢修提供簡(jiǎn)便的途徑；事件操作畫(huà)面，能夠準(zhǔn)確地反映操作人員的操作記錄；系統(tǒng)報(bào)警畫(huà)面，提供發(fā)生報(bào)警設(shè)備的名稱和報(bào)警原因，為設(shè)備檢修提供了依據(jù)；趨勢(shì)畫(huà)面，能顯示實(shí)時(shí)液位曲線和歷史液位曲線，可與SQL Server 2005數(shù)據(jù)庫(kù)連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的寫(xiě)入和讀取，通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)查表來(lái)查詢實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)，并可使用打印機(jī)進(jìn)行打印；用戶信息畫(huà)面，可設(shè)置瀏覽員、操作員和管理員三種用戶，進(jìn)行修改用戶名和密碼操作[8]。

當(dāng)上位機(jī)系統(tǒng)設(shè)置參數(shù)完畢并處于自動(dòng)控制狀態(tài)時(shí)，點(diǎn)擊啟動(dòng)運(yùn)行按鈕，PLC系統(tǒng)進(jìn)入自動(dòng)控制程序，上位機(jī)系統(tǒng)進(jìn)入實(shí)時(shí)監(jiān)控畫(huà)面，實(shí)時(shí)監(jiān)控畫(huà)面分信息欄和設(shè)備區(qū)上下兩部分。信息欄主要包含項(xiàng)目公司名稱，日期和時(shí)間，便于人們實(shí)時(shí)查看設(shè)備狀態(tài)。設(shè)備區(qū)主要模擬循環(huán)水系統(tǒng)工作流程，并顯示水泵，電磁閥的狀態(tài)和砂濾器液位大小。從設(shè)備區(qū)中還可以直觀地顯示目前所處的工藝流程及剩余的工作時(shí)間。這極大地提高了用戶管理效率，簡(jiǎn)化并降低了設(shè)備操作復(fù)雜性。

5 結(jié)束語(yǔ)

采用基于PLC和組態(tài)的循環(huán)水旁濾監(jiān)控系統(tǒng)很好地完成了該項(xiàng)目的要求。自運(yùn)行以來(lái)，系統(tǒng)一直處于高效、安全的運(yùn)行狀態(tài)，控制效果和穩(wěn)定性也達(dá)到了預(yù)期的目標(biāo)。實(shí)際運(yùn)行驗(yàn)證了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的合理性和可靠性，有效地處理了循環(huán)水旁濾工藝流程。系統(tǒng)功能完善，操作簡(jiǎn)單，維護(hù)方便，具有良好的推廣價(jià)值。