基于PLC、變頻器自動控制的水處理設備改造與實現

曲鵬璽

（國家廣播電視總局二○二四臺，黑龍江 佳木斯154000）

1 概述

二○二四臺原水處理設備在運行中不斷出行各種故障，故障率高無報警，沖洗過程繁瑣，勞動強度大，工作效率低，抗干擾能力差，運行不穩定，自動化程度不高；敞開式過濾罐水是通過曝氣進入，屬于沉淀式過濾，活性炭的吸附性飽和后過濾效果不佳中等，具體存在以下問題：

電磁閥頻繁故障線圈燒毀造成供水中斷；外電閃絡或供電中斷后變頻器有時不能自動恢復工作；電氣元件（交流接觸器、熱繼電器、浮球）觸點粘連，使深井泵等泵不能及時斷開；在實際維護中進行設備定期反沖洗過程中，手動改接浮球控制線、手動開啟對應的閥門、手動切換等工作，稍有差錯，反沖洗就不能進行花費時間長等；循環過濾泵（KSR65-100 立式單級單吸管道離心泵）排氣，否則不出水或出水流量不足問題；實際運行中各類故障后無報警、無監控，造成供水中斷；沖洗過程需要長時間停水、可靠性低。改造前水處理設備系統圖水處理為圖1設備系統改造設計方案中，舊區設備部分。

圖1 水處理設備系統改造設計方案

2 水處理設備改造設計方案

針對存在的實際問題，我們進行分析、考察，結合原有設備改造與創新我們設計了采用PLC 自動控制兩套供水凈化設備，由一套PLC 自動化系統以及觸摸屏、按鈕指示燈、按鈕、浮球電動閥門、繼電器、空氣開關（小型斷路器）、浮球、閥門、水泵、管道、過濾罐、錳沙過濾料等組成凈化過程后，注入蓄水箱保證供水。在舊的一套過濾設備基礎上，新加一套設備，之間是互相獨立的、一主一備、互為備用、定期自動切投、定期自動反沖洗、可以實現一套檢修一套運行不間斷供水凈化；可通過需要任意設定；可實現遠程、就地控制和監控報警。如圖1、圖2 所示。圖中舊區設備為原有設備（改造前設備系統圖），新區設備為新加設備，整個系統有軟件和硬件組成。

圖2 系統設計總體結構圖

程序設計部分分為硬件部分和軟件部分。硬件部分由PLC S-1200 CPU1214C 和模塊SM1223、SM1221、M1234 以及嵌入式觸摸屏組成。軟件部分由PLC S-1200 軟件和嵌入式觸摸屏軟件共同。PLC S-1200 軟件按照工作流程完成兩套設備運行程序的編寫、條件的設定、模擬量和數字量的運用、運行的反饋等。

嵌入式觸摸屏軟件把人機交換功能的實現，把設備以及開關狀態實時反饋信息和記錄、對設備相關工作流程的參數進行修改設定等，通過兩個軟件的共同使用，通過觸摸屏可以實現人機交換，對正沖洗、反沖洗、供水時間進行設定；設備轉換到手動狀態可以按鈕操作啟停同時在觸摸屏上可以手自切換、啟動設備等，如圖3 所示。

圖3 觸摸屏參數設置圖

3 PLC 自動控制兩套供水凈化設備的工作原理

PLC 自動控制兩套供水凈化設備的工作原理：根據設備運行需要，通過液位變化，浮球傳遞繼電器信號，PLC 通過繼電器信號，進行邏輯判斷，程序發出指令驅動對應電動閥打開、關閉閥門，啟動對應的水泵，自動進行補水、過濾、打水等過程為保證蓄水箱水量始終保持充足；控制過程啟動時先開啟閥門后啟動泵，停止時先停止泵后關閉閥門。

4 PLC 自動控制兩套供水凈化設備的工作過程分為

獨立正、反沖洗管。比如"1#、2#、3#、4#過濾罐獨立正沖和反沖洗罐；2、兩級正沖。比如新區1#和2#過濾罐正沖洗罐、舊區3#和4#過濾罐正沖洗罐；3、新區和舊區過濾運行，同時只能運行其一，另一個可備用、檢修、沖洗等；4、深井泵的切換。

獨立正、反沖洗罐原則分別：正沖洗罐時上口注水，下口排水至污水管道；反沖洗罐是下口注水，上口排水至污水管道。獨立正、反沖洗時間，反沖5 小時，正沖2 小時。在工作過程中分區運行時，新區1-9#、24#、25#閥門除每步驟要求開啟的，其余都關閉；舊區10-22#閥門除每步驟要求開啟的，其余都關閉；深井泵1#、2#有變頻和工變。

4.1 新區設備獨立正、反沖過濾罐

1#（2#）過濾罐正沖洗：打開閥1，關閉閥2——觸摸屏登錄——切換到新區——設置控制正沖洗罐、時間等參數——沖洗自動——確定——PLC 程序啟動。對應的23#、5#、25#、6#、4#（23#、24#、6#、7#）電動閥打開——【低水位浮球控制——啟動1#深井泵】（根據具體曝氣水箱水位啟停）——正沖洗Z1 泵啟動——設定時間內完成停止沖洗，執行下一個程序，如圖4 所示。

圖4 新區舊區獨立正、反洗沖流程圖

1#（2#）過濾罐反沖洗:打開閥2，關閉閥1——觸摸屏登錄——切換到新區——設置控制反沖洗罐、時間等參數——沖洗自動——確定——PLC 程序啟動。對應的23#、1#、2#（23#、3#、4#）電動閥打開——【低水位浮球控制——啟動1#深井泵】（根據具體曝氣水箱水位啟停）——反沖洗F1 泵啟動——設定時間內完成停止沖洗，執行下一個程序。舊區的3#（4#）過濾罐獨立正、反沖洗罐工作根新區相似，嚴格正、反沖原則進行。

4.2 兩級正沖

1#、2#（3#、4#）過濾罐正沖洗:打開閥1，關閉閥2（打開閥4，關閉閥3 或打開閥3，關閉閥4）——觸摸屏登錄——切換到新區（舊區）——設置控制正沖洗罐、時間等參數——沖洗自動——確定——PLC 程序啟動。對應的23#、5#、25#、6#、7#（21#、9#、13#、17#或21#、9#、14#、17#）電動閥打開——【低水位浮球控制——啟動1#深井泵】（根據具體曝氣水箱水位啟停）——正沖洗Z1（Z2 或Z3）泵啟動——設定時間內完成停止兩級沖洗，執行下一個程序，如圖5 所示。

圖5 新區兩級正洗沖流程圖

4.3 新區和舊區過濾運行，同時只能運行其一，另一個可備用、運行其一，另一個可備用、檢修、沖洗等

在兩級正沖的基礎上把排污閥關閉，運行閥打開給蓄水箱補水。1#、2#（3#、4#）過濾罐過濾運行:打開閥1，關閉閥2（打開閥4，關閉閥3 或打開閥3，關閉閥4）——觸摸屏登錄——切換到新區（舊區）——設置控制新區供水（舊區供水）時間等參數——運行自動——確定——PLC 程序啟動。對應的23#、5#、25#、6#、8# （21#、9#、13#、18# 或21#、9#、13#、19# 或21#、9#、14#、18#或21#、9#、14#、19#）電動閥打開——【低水位浮球控制——啟動1#深井泵】（根據具體曝氣水箱水位啟停）——正沖洗Z1（Z2、Z4 或Z2、Z5 或Z3、Z4 或Z3、Z5）泵啟動——設定時間內過濾運行開始執行程序，如圖6 所示。

圖6 新區過濾運行流程圖

4.4 深井泵的手自動切換和給定頻率啟動

在手動狀態下深井泵的切換在正、反沖洗、兩級沖洗、過濾運行中均可以根據需要自行設置切換運行或者進行自動運行，在執行程序時邏輯判斷，執行對應的程序運行工作，對應的設備進行動作。

當在手動狀態下深井泵的快慢，可以通過手動旋鈕調節給定頻率，使變頻器的頻率變化，來實現深井泵的控制。

5 水處理PLC 來實現自動控制功能

我們采用PLC 來實現自動控制，在原來的一套水處理設備基礎上，結合實現自動化要求進行改進；同時新增加一套自動化全封閉式水處設備，改造后為兩套供水處理設備能可實現以下功能：

（1）實現兩套設備是互相獨立運行，實現一套檢修一套運行不間斷供水處理設備。

（2）能對水處理設備進行監控報警。

（3）實現遠程、就地一體化控制，通過按鈕、觸摸屏、PC 機實現。

能通過人機交換任意設定自動控制參數設置，實現自動沖洗水處理設備。比如：自動控制過程中一些參數需要設置，如下圖7 所示。

參考值：上限設定50 下限設定0 修正系數1 修正偏移0濾波系數1 ，上述參數均可根據實際修改。

6 改造后的PLC 控制水處理自動控制設備的優點

改造后的PLC 自動控制水處理設備，解決實際存在的問題，同時進行新的改進，具體如下：

6.1 采用全封閉式翻滾過濾

新增加一套自動化全封閉式水處理設備為新區，采用全封閉式過濾罐，有專門的加壓泵。它的結構跟舊區設備有很大區別，采用曝氣氧化、錳砂催化、吸附、過濾的除鐵除錳原理，除去地下水中除鐵除錳，達到凈化目的。錳沙使用中不需要反復長時沖洗，一般反沖洗5-15 分鐘就可以，曝氣一次性可除鐵除錳，使用年限是3-5 年等，水加壓力進入全封閉過濾罐內與錳沙過濾料形成翻滾式充分接觸反應。與之前舊設備的活性炭相比反沖洗時間短、凈化效果好優點。

6.2 采用PLC 實現自動控制

解決了人工頻繁手動切換、操作等問題，改為實現通過觸摸屏進行人機交換登錄、設置，程序化啟動控制、自動運行。

6.3 采用PLC 設計了斷電自動恢復、保護等功能

有效解決外電閃絡或供電中斷無法恢復運行情況，同時也保護和避免外電閃絡或供電中斷對變頻器的影響。

6.4 采用PLC 實現了軟、硬件雙重互鎖

改造后解決了硬件觸點黏連故障或主觸點熔焊引起的線路和電機短路，可靠性更高、快速響應、安全更高。

6.5 手動蝶閥更換為電動蝶閥

在改造前手動開啟閥門效率低，工作量大，容易失誤；改造后為PLC 自動化的實現打下基礎，同時受PLC 程序化控制，準確性好、效率高。

6.6 添加一套全封閉性水處理設備

實現設備沖洗與正常運行互不影響，各自獨立運行，對全臺不會造成供水長時間供水中短；錳沙過濾料效果好，沖洗所需時間短；增強了供水的保障能力，處理故障、檢修和運行互補耽誤，避免了全臺停水、定時供水的局面。

6.7 新加設備采用全封閉是過濾罐

解決了杜絕了循環過濾泵（KSR65-100 立式單級單吸管道離心泵）泵腔進入空氣的問題，是可靠性更強，而且采用PLC 控制工作完畢電動蝶閥會自動關閉也杜絕進入空氣的可能；全封閉過濾罐凈化能力更強。

圖7 量程參數設置

6.8 設備、線纜、狀態監控更細更全面

閥門、泵、位置狀態信號都實現一一對應關系，操作開關標識更加細致、線纜標識更加明確。

6.9 實現了人機界面交換控制、遠程監視PLC

解決了發生故障后被動的情況，能主動迅速應對和處理故障；同時對設備進行設備報警后，故狀態判斷更加簡單明了。

6.10 PLC 系統抗干擾能力強，可靠性高

由于內部電路采用先進抗干擾技術，解決了電臺高頻對設備的影響。

6.11 PLC 實現對硬件故障自我檢測、報警功能

解決了改造前逐一排查判斷故障的繁瑣環節，在于運行前自動對控制的硬件進行檢測，出現故障能及時發出報警信號。

6.12 PLC 實現定時周期性自動反沖洗工作

解決了改造前沖洗過程中各個環節專人負責的問題，沖洗設備更加便捷容易。

7 結論

通過此次改造前后運行、檢修、沖洗對比，PLC 工控組態控制，實現了控制的邏輯性和流程化，為今后運行打下“精細化、標準化、規范化”運行的基礎，同時也解決了改造前的一些問題，而且還實現“自動化、智能化、全方位、人性化”的理念，使改造后的水凈化系統從經濟角度講：省時、省力、省財、保障能力高。從維護角度講：簡單、易操作、易維護、方便。