基于PLC的工業(yè)水處理系統(tǒng)的設(shè)計

戴 森，劉子龍

DAI Sen1,2,LIU Zi-long1,2

(1. 上海理工大學(xué) 光電信息與計算機工程學(xué)院，上海 200093；2. 上海理工大學(xué) 上海現(xiàn)代光學(xué)系統(tǒng)重點實驗室，上海 200093)

0 引言

近年來，全國水污染仍呈發(fā)展趨勢，工業(yè)發(fā)達(dá)地區(qū)水域污染尤為嚴(yán)重。水處理技術(shù)將越來越先進(jìn)，現(xiàn)在的熱點水處理技術(shù)有：微污染水源水處理技術(shù)、制造純水的膜濾技術(shù)、富營養(yǎng)化水的除藻技術(shù)等等。此次主要是對工業(yè)水處理系統(tǒng)進(jìn)行模擬設(shè)計，其中主要涉及系統(tǒng)設(shè)計和PLC設(shè)計。采用“集中檢測、分散控制”的設(shè)計原則，此次設(shè)計采用DCS分布式控制系統(tǒng)，由計算機和現(xiàn)場設(shè)備連接而成，通過總線將現(xiàn)場儀表、現(xiàn)場控制站和監(jiān)測操作管理站連接起來，共同完成分散控制和集中操作、管理的綜合控制系統(tǒng)。

本文的設(shè)計中的水處理主要分為進(jìn)水、加藥和出水三個環(huán)節(jié)，分別設(shè)立三個PLC控制站。PLC采用西門子S7 300系列中的S7 315-2DP。它能配置多個機架的PLC系統(tǒng)及超強的CPU處理能力。并用STEP 7編程軟件進(jìn)行PLC編程。

在網(wǎng)絡(luò)部分，上位機與各PLC現(xiàn)場控制器之間采用現(xiàn)場總（PROFIBUS）來進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊。這樣使系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡化，設(shè)備與連線減少，現(xiàn)場儀表內(nèi)部功能增強，減少了信號的往返傳輸，提高了系統(tǒng)的工作可靠性。

1 系統(tǒng)工藝原理

這是一套水處理廠的工業(yè)系統(tǒng)設(shè)計，該處理廠主要是將江河水進(jìn)行取水，加藥，沉淀，再加藥，過濾，最后進(jìn)行供水。

首先，對如圖1所示的流程圖進(jìn)行大致地說明：

圖1 水處理工藝流程

由變頻器控制的進(jìn)水泵將河水抽入進(jìn)水池，然后由傳感器，變送器進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣并且由PLC控制進(jìn)水流量及進(jìn)水井的液位，然后加礬，再進(jìn)入管式混合器進(jìn)行攪拌混合，接著進(jìn)入反應(yīng)池反應(yīng)，再在平流沉淀池中沉淀。沉淀下來的污泥流入污泥濃縮，脫水，最后壓縮成餅運出。沉淀后的水再進(jìn)行濁度采樣，將沒有沉淀完全的水再由回收泵返回到管式混合器中進(jìn)行沉淀。而將沉淀完全的水加氯消毒，在V型濾池中進(jìn)行過濾，處理完后的水再進(jìn)行余氯檢查，如果余氯不夠則再補充氯，而此時再將一部分處理后的水進(jìn)入反沖洗泵房對V型濾池進(jìn)行反復(fù)清洗，而大部分的水進(jìn)入清水池，再由出水泵將其排出，此時還要對其進(jìn)行一系列的清水采樣看看是否滿足標(biāo)準(zhǔn)。

2 PLC的系統(tǒng)設(shè)計

此次的水處理系統(tǒng)由三個分控站組成，各站分別位于加藥間、濾池控制間、送水泵房控制間。每站配備本機機架，配置相應(yīng)的監(jiān)控終端。主機與分布式I/O機柜采用PROFIBUS總線通信，各站間設(shè)立通訊口進(jìn)行通訊。

1號分控站主要完成源水參數(shù)采集及監(jiān)控，對加氯加礬及沉淀池的工藝監(jiān)控。

2號分控站主要完成氯池水位監(jiān)控，反沖洗自動控制功能。

3號分控站是送水泵房中送水泵控制；變配電站參量監(jiān)控。采集參數(shù)：水泵開停、電機軸承溫度，水泵出水壓力、流量、變配電總進(jìn)線電壓、電流、功率、其它高壓回路電流，管網(wǎng)測點水壓值。

控制內(nèi)容：通過管網(wǎng)測點的壓力值測定，通過工作人員控制送水泵的開停及運轉(zhuǎn)數(shù)量，同時采用變頻調(diào)速技術(shù)，自動控制送水水量和水壓。

3 PLC三號分控站程序設(shè)計

1)PLC機架分配如圖3所示。

圖3 機架分配

2）AI 模塊分配如圖4所示。

3）AO 模塊分配如圖5所示。

4）梯形圖設(shè)計

此次設(shè)計的是水處理廠的三號分控站，PLC的I/O端口地址定義及與變頻器的連接已經(jīng)完成，只需在STEP 7軟件中對PLC進(jìn)行變成即可。配置：

1）正轉(zhuǎn)使得梯形圖，由于正轉(zhuǎn)是可有三種控制方法，因此前端要并聯(lián)三個運行模式：自動，手動和點動。而變量則是前面端的中間變量，如圖6所示。

2）這是電動調(diào)節(jié)閥的梯形圖，由于原理是流量計采集來的參數(shù)與給定的參數(shù)比較，而產(chǎn)生的控制信號，因此用到減法器和MOVE器，如圖7所示。

模擬量輸入（AI）模塊，表現(xiàn)生產(chǎn)過程狀況的很多物理量呈緩慢變化，如溫度、壓力、液位、流量、成分，用傳感器或變送器測量出來，變換成電阻、電流、電壓信號，與模擬過程變化相對應(yīng)，這些信號就是模擬量。增加了處理模擬量功能。 AO模塊將計算機輸出的數(shù)字量運算結(jié)果轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬信號(電壓或電流)，完成對伺服電機、調(diào)節(jié)閥等執(zhí)行機構(gòu)的控制；輸出給直接數(shù)字控制系統(tǒng)設(shè)定值等。模擬量輸出通道一般由數(shù)據(jù)緩沖器、數(shù)／模(D／A)轉(zhuǎn)換器和驅(qū)動器等部分組成。在根據(jù)PLC 程序通過管網(wǎng)測點的壓力值測定和工作人員控制送水泵的開停及運轉(zhuǎn)數(shù)量，同時采用變頻調(diào)速技術(shù)，自動控制送水水量和水壓。

圖4 AI模塊分配圖

圖5 AO模塊接口分配圖

圖6 梯形圖1

圖7 梯形圖2

4 結(jié)束語

本論文針對水處理系統(tǒng)自動化程度不高的現(xiàn)狀，研究設(shè)計了PLC和DCS 控制水處理系統(tǒng)。成功實現(xiàn)了變配電站參量監(jiān)控，采集各個參數(shù)的水處理系統(tǒng)的自動控制。成功解決了靠人工檢測的方法已不適應(yīng)工業(yè)水處理發(fā)展的需要，取而代之的是自動化及集成度高的水處理系統(tǒng)。

基于PLC 的工業(yè)水處理的控制系統(tǒng),實現(xiàn)了對濁度，PH值，電導(dǎo)率，溶解氧等水質(zhì)參數(shù)的采集、處理、顯示和控制,利用WINCC在屏上顯示各個傳感器及系統(tǒng)的運行狀態(tài),使維護(hù)更加方便。經(jīng)過反復(fù)的實驗和修正,設(shè)計的控制系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠、控制簡單方便,對水質(zhì)參數(shù)的誤差也在可控范圍之內(nèi),對今后工業(yè)水處理設(shè)備的研制及研究具有重要的借鑒意義。

[1] 劉志猛,陳平,鄧橙.水力空化水處理設(shè)備的控制系統(tǒng)設(shè)計[J].自動化技術(shù)與應(yīng)用,2012,31(11).

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