基于PLC的工业水处理系统的设计

戴 森，刘子龙

DAI Sen1,2,LIU Zi-long1,2

(1. 上海理工大学 光电信息与计算机工程学院，上海 200093；2. 上海理工大学 上海现代光学系统重点实验室，上海 200093)

0 引言

近年来，全国水污染仍呈发展趋势，工业发达地区水域污染尤为严重。水处理技术将越来越先进，现在的热点水处理技术有：微污染水源水处理技术、制造纯水的膜滤技术、富营养化水的除藻技术等等。此次主要是对工业水处理系统进行模拟设计，其中主要涉及系统设计和PLC设计。采用“集中检测、分散控制”的设计原则，此次设计采用DCS分布式控制系统，由计算机和现场设备连接而成，通过总线将现场仪表、现场控制站和监测操作管理站连接起来，共同完成分散控制和集中操作、管理的综合控制系统。

本文的设计中的水处理主要分为进水、加药和出水三个环节，分别设立三个PLC控制站。PLC采用西门子S7 300系列中的S7 315-2DP。它能配置多个机架的PLC系统及超强的CPU处理能力。并用STEP 7编程软件进行PLC编程。

在网络部分，上位机与各PLC现场控制器之间采用现场总（PROFIBUS）来进行数据通讯。这样使系统的结构简化，设备与连线减少，现场仪表内部功能增强，减少了信号的往返传输，提高了系统的工作可靠性。

1 系统工艺原理

这是一套水处理厂的工业系统设计，该处理厂主要是将江河水进行取水，加药，沉淀，再加药，过滤，最后进行供水。

首先，对如图1所示的流程图进行大致地说明：

图1 水处理工艺流程

由变频器控制的进水泵将河水抽入进水池，然后由传感器，变送器进行数据采样并且由PLC控制进水流量及进水井的液位，然后加矾，再进入管式混合器进行搅拌混合，接着进入反应池反应，再在平流沉淀池中沉淀。沉淀下来的污泥流入污泥浓缩，脱水，最后压缩成饼运出。沉淀后的水再进行浊度采样，将没有沉淀完全的水再由回收泵返回到管式混合器中进行沉淀。而将沉淀完全的水加氯消毒，在V型滤池中进行过滤，处理完后的水再进行余氯检查，如果余氯不够则再补充氯，而此时再将一部分处理后的水进入反冲洗泵房对V型滤池进行反复清洗，而大部分的水进入清水池，再由出水泵将其排出，此时还要对其进行一系列的清水采样看看是否满足标准。

2 PLC的系统设计

此次的水处理系统由三个分控站组成，各站分别位于加药间、滤池控制间、送水泵房控制间。每站配备本机机架，配置相应的监控终端。主机与分布式I/O机柜采用PROFIBUS总线通信，各站间设立通讯口进行通讯。

1号分控站主要完成源水参数采集及监控，对加氯加矾及沉淀池的工艺监控。

2号分控站主要完成氯池水位监控，反冲洗自动控制功能。

3号分控站是送水泵房中送水泵控制；变配电站参量监控。采集参数：水泵开停、电机轴承温度，水泵出水压力、流量、变配电总进线电压、电流、功率、其它高压回路电流，管网测点水压值。

控制内容：通过管网测点的压力值测定，通过工作人员控制送水泵的开停及运转数量，同时采用变频调速技术，自动控制送水水量和水压。

3 PLC三号分控站程序设计

1)PLC机架分配如图3所示。

图3 机架分配

2）AI 模块分配如图4所示。

3）AO 模块分配如图5所示。

4）梯形图设计

此次设计的是水处理厂的三号分控站，PLC的I/O端口地址定义及与变频器的连接已经完成，只需在STEP 7软件中对PLC进行变成即可。配置：

1）正转使得梯形图，由于正转是可有三种控制方法，因此前端要并联三个运行模式：自动，手动和点动。而变量则是前面端的中间变量，如图6所示。

2）这是电动调节阀的梯形图，由于原理是流量计采集来的参数与给定的参数比较，而产生的控制信号，因此用到减法器和MOVE器，如图7所示。

模拟量输入（AI）模块，表现生产过程状况的很多物理量呈缓慢变化，如温度、压力、液位、流量、成分，用传感器或变送器测量出来，变换成电阻、电流、电压信号，与模拟过程变化相对应，这些信号就是模拟量。增加了处理模拟量功能。 AO模块将计算机输出的数字量运算结果转换成相应的模拟信号(电压或电流)，完成对伺服电机、调节阀等执行机构的控制；输出给直接数字控制系统设定值等。模拟量输出通道一般由数据缓冲器、数／模(D／A)转换器和驱动器等部分组成。在根据PLC 程序通过管网测点的压力值测定和工作人员控制送水泵的开停及运转数量，同时采用变频调速技术，自动控制送水水量和水压。

图4 AI模块分配图

图5 AO模块接口分配图

图6 梯形图1

图7 梯形图2

4 结束语

本论文针对水处理系统自动化程度不高的现状，研究设计了PLC和DCS 控制水处理系统。成功实现了变配电站参量监控，采集各个参数的水处理系统的自动控制。成功解决了靠人工检测的方法已不适应工业水处理发展的需要，取而代之的是自动化及集成度高的水处理系统。

基于PLC 的工业水处理的控制系统,实现了对浊度，PH值，电导率，溶解氧等水质参数的采集、处理、显示和控制,利用WINCC在屏上显示各个传感器及系统的运行状态,使维护更加方便。经过反复的实验和修正,设计的控制系统运行稳定可靠、控制简单方便,对水质参数的误差也在可控范围之内,对今后工业水处理设备的研制及研究具有重要的借鉴意义。

[1] 刘志猛,陈平,邓橙.水力空化水处理设备的控制系统设计[J].自动化技术与应用,2012,31(11).

[2] 汪大晕,雷乐成.水处理新技术及工程设计[J].化学工业出版社,2001.

[3] 刘自放,龙北生.给水排水自动控制与仪表.北京:中国建筑工业出版社.2001.

[4] S7-300 Automation System CPU 31Xc Technological Functions[Z].德国SIEMENS公司,2000.

[5] R.GOGATE PARAG,B.PANDIT ANIRUDDHA.A review and assessment of hydrodynamic cavitation as a technology for the future[J].Ultrasonics Sonochemistry,2005,(12):21-27.

[6] Ioannides M G.Design and implementation of PLC-based monitoring control system for induction motor[J].IIEE Transactions on Energy Conversion,2004,19(3):469-476.