基于S7-300 PLC 的水廠濾水池自動控制系統設計

唐祥可 顧曉猛 夏余平 唐雅媛 楊 鈺

（湖南科技學院 電子與信息工程學院，永州 425199）

濾水池是水廠的重要工藝設施，直接影響著水質的好壞。傳統方法依靠人工現場操作和觀察濾水池的情況[1]，存在設備多、維修量大、控制不能實現自動化、運行管理麻煩以及沖洗后無法達到標準要求等缺點，難以保證水質，同時沒有控制反沖強度的裝置，導致濾料流失嚴重，造成了一定的經濟損失[2]。運用可編程控制器（Programmable Logical Controller，PLC）對水池濾水和反沖洗進行嚴格控制，不但有效保證了水質，而且大大減少了設備維修次數和濾料的流失量，降低了水廠的運營能耗、人力資源浪費和管理的復雜程度，提高了設備的利用率，保證了人們的日常用水。

本文針對水廠濾水池自動控制系統的特點，結合過程反饋控制原理，設計了基于MCGS 設計系統的組態監控程序和以PLC 為核心的電氣控制體系，實現了濾水池的智能控制，節省了人力成本[3]。

1 濾水池系統工藝流程

濾池過濾是水處理的重要環節，其過濾程度控制的好壞直接影響水質[4]。本文選用的濾池為V 型濾池，共設4個濾格。同時，為保證控制的可靠性，在每個濾格上分別安裝有一個阻塞儀、一個液位計、若干個進水閥、清水閥、污泥及雜物排出閥以及用于水沖的反沖洗泵（一用一備）[5]。當需要過濾的水進入濾水系統后，首先被分流到各單元濾格，經石英砂恒速過濾后，再進入清水池。該過濾過程中要求水位必須保持在濾料上方1.2m 處。根據文獻及工作經驗發現，這個水位過濾的效果最好。上述過程中，濾水過石英砂處必須保持恒速，這就要求系統的出水量必須和進水量相等，并且控制系統必須要根據系統的水位適時調節出水閥的開啟程度。當系統的運行情況滿足了反沖洗條件后，系統要進行反沖洗清洗過濾材料。反沖洗是通過控制系統反沖進氣閥、反沖排水閥、反沖進水閥、進水閥、排氣閥以及清水出水閥，并運行反沖水泵和風機等來實現的[6]。

因此，濾池控制系統的任務主要是過濾時的液拉控制和清潔過濾砂時的反沖洗控制，其中過濾和反沖洗不斷循環交替進行。控制指標主要有實現自動恒水位過濾、準確實現自動反沖洗以及直觀顯示濾池過濾水位和出水閥開啟度，同時顯示反沖洗設備和本地濾池閥門等的開關狀態[7]。為實現上述控制指標，本文采用基于S7-300 PLC 的濾水池自動控制系統。

2 硬件配置及控制程序

2.1 硬件選擇

本控制系統硬件選擇如下：電源模塊選用PS307，輸出24V 直流5A 電流；CPU 模塊選用CPU312，以滿足濾水池控制所需輸入輸出點數和儲存要求；模擬量輸入模塊選用SM331 8AI×12 位模塊，用于連接8 個輸入模擬量；數字量輸入模塊選用SM321 DI32×DC24V，用于連接32 個數字量輸入；數字量輸出模塊選用SM322 DI32×DC24V，連接26 個數字量輸出；模擬量輸出模塊選用SN332 8AI×12位模塊，連接4 模擬量輸出。

2.2 PID 程序設計

此次系統設計中加入了PID 的反饋控制系統，即利用I動作消除偏差作用和用D 動作抑制振蕩作用，并結合P 動作構成了PID 控制[8]。PID 控制器各校正環節的作用包括兩個方面。一方面，比例環節即成比例地反映控制系統的偏差信號，一旦產生偏差，控制器立即發揮控制作用，以減少偏差。另一方面，積分環節主要用于消除靜差，提高系統的無差度。積分作用的強弱取決于積分時間常數。

2.3 PLC 程序設計

PLC 主要控制的是濾池中的各類參數，如液位、濁度和位置信號等[9]。為保證各個參數的正確反饋，需要為各個輸入輸出口分配地址，具體分配方案如表1 所示。

表1 各輸入輸出地址分配

分配地址后需要對各個程序進行編輯，包括模擬量采樣程序、采樣子程序、數據求平均子程序、行車移動控制子程序、反沖控制子程序、濾池濾水控制子程序、PID 控制子程序、主程序設計以及報警子程序9 個子程序[10]。由于程序較多，現只展示主程序，如圖1 所示。

圖1 主程序

2.4 人機交互的設計

本系統使用的是基于MCGS 設計系統的一種人機交互模式，需要設計控制界面、實時數據庫、通道連接以及動畫設置。設計后的效果圖如圖2 所示。

圖2 濾水池自動控制系統人機界面

3 結語

本文運用了S7-300 PLC 設計了濾水池自動控制系統，可以實現濾水池的智能控制。該系統包括主程序、初始化子程序、主控制子程序、數據采集濾波子程序、控制子程序、PID 控制子程序以及報警子程序。系統采用PID 控制，得到了一個反應迅速、控制精度高、穩定可靠的控制系統。實驗表明，該系統的設計不僅能有效控制濾水池工作，而且在程序中加入PID 參數控制后提高了系統性能。此外，本文采用基于MCGS 設計系統的模擬組態畫面，能夠保證操作人員實時監控濾池系統的連續運作情況。