基于PLC的水质监测系统的设计

李澍源，曾明海，余文泉，兰家祥，林寿英

（福建农林大学机电工程学院，福建福州 350002）

基于PLC的水质监测系统的设计

李澍源，曾明海，余文泉，兰家祥，林寿英

（福建农林大学机电工程学院，福建福州 350002）

文章阐述了基于 PLC 的水质监测系统，本系统采用西门子的 S7-200 PLC 为控制器，通过以太网通讯，将下位机采集的水质各参数传输给触摸屏显示，同时在计算机上应用 iFIX 组态软件实现数据的实时传输以实现远程监控。水质检测系统能根据下位机收集的数据与设置的标准数据进行对比，实现对水质的监测。整个系统包括编写逻辑控制程序、搭建触摸屏组态画面、iFIX 组态软件画面。

水质监测；西门子 S7-200 PLC；控触摸屏；iFIX；远程监控

1 系统组成及硬件设计

本系统为基于 PLC 的水质监测系统，主要是对水质中pH 值、浊度、溶解氧、温度等参数进行检测，并能在参数超出规定标准时进行报警；本系统的上位机采用以太网与下位机通讯，通过组态软件设计监控画面，以实现水质参数值在计算机中的显示、报警等功能。还需人机界面的设计实现水质参数在触摸屏上的显示/控制。如图1 为系统结构图。

图1 系统结构图

（1）PLC 的选型及其扩展模块的确定。根据对水质监测系统的作用分析、选择并确定合适的 PLC 型号，完成系统组态或硬件的配置。该控制系统应有 8 个数字量输入点、4 个数字量输出点、4 个模拟量输入点，I/O 点总数为 16 个。根据输入输出点数以及要实现的水质监测系统的功能，选用西门子S7-200 的 PLC。该 PLC 的 CPU 类型为 CPU224，含 14DI/10DO，可扩展模块数量为 7。另加一个扩展模块 EM231（4AI）以及以太网模块 CP243-1，这样就完全能够满足设计要求。

图2 传感器实物图

（2）传感器的选择。如图2（a）即为浊度传感器加了外围电路以组成的浊度传感器模块 SEN0189，该模块工作电压：DC 5V，工作电流：30mA（MAX），工作温度：-30 ℃～80℃，量程：0℃～50℃，提供模拟信号和数字信号两种输出模式，本系统用到的是 0～4.5V 模拟输出。

如图2（b）所示为 BNC 接口型 PH 传感器。该 pH 传感器工作电压：DC 5V，工作温度：0℃～60℃，测量范围：0～14pH，精度：±0.1pH（25℃），输出的是以模拟电压信号输出。

如图2（c）所示为 DO530 溶解氧传感器。该溶解氧传感器采用酸性胶体电解质原电池原理，不受二氧化碳干扰。该溶解氧传感器的测量误差：溶解氧≤0.1mg/L 温度≤0.5℃，自动温度补偿功能：自动 0℃～60℃，测量范围：0～10mg/L，4～20mA 电流信号输出。

如图2（d）所示为温度传感器选用 Pt100 三线制铂电阻及变送器模块。该模块可以接收热电阻或各类热电偶输入，可直接安装于温度传感器接线盒内，并输出标准电流信号，工作电压：DC 24V，工作温度：-20℃～80℃，工作湿度：＜95%，量程：0℃～50℃，输出信号：4～20mA 电流信号输出。

2 水质监测系统的 PLC 程序设计

编写 PLC 程序之前，需要先对所需用到的编程地址进行分配，这不仅有利于编程，更方便今后在程序调试过程很快找出对应的控制点。根据对水质监测系统的功能分析，可知该控制系统有 8 个数字量输入点、4 个数字量输出点、4 个模拟量输入点。根据功能确定编程元件的地址分配如表1 所示。

表1 系统地址分配

图3 控制系统程序流程图

图3 为程序控制流程图，系统上电后先对存储 pH 值、浊度值、温度值、溶解氧值的 VD0、VD4、VD8、VD12 寄存器以及计数器 C0 的当前值进行初始化。然后判断自动或者手动开关哪个按下；若自动开关打开，则开始计时，计时时间到就开始采集 pH 值、浊度、温度、溶解氧；采集完之后与设置的标准数据进行对比，若某个量的数据超出范围，则相应的指示灯闪烁；若没超出范围，则相应的指示灯常亮直到采集时间到，如此循环。若手动开关开启，需判断哪个量的手动开关打开，然后开始计时，计时时间到就开始采集相对应的量，采集值与设置的标准数据对比，若某个量的数据超出范围则相应的指示灯闪烁，若没超出范围指示灯常亮直到采集时间到，如此循环。

3 水质监测系统的人机界面设计

（1）触摸屏人机界面的设计。本系统采用富昌维控触摸屏作为人机界面设备，触摸屏型号为 LEVI 777A，24V 供电，通过 USB 转串口与 PLC 进行通讯。由于 S7-200PLC 的编程元件输入继电器（I）只能由外部的输入信号来驱动，所以触摸屏上不能直接对输入继电器（I）进行控制。辅助继电器（M）没有外部的输入端子或者输出端子与之对应，因此它不会受到外部的输入信号直接控制，它的触点也不能直接驱动外部负载。故触摸屏上可采用辅助继电器（M）来代替输入继电器（I）。人机界面上辅助继电器（M）与输入继电器（I）对应的控制对象如表2 所示。

表2 人机界面上对应 I的控制对象

本系统的触摸屏界面分别是主画面、监测画面、模拟动画界面。主画面主要是显示了本设计的题目、当前时间、采集频率、总开关等，如图4（a）所示。监测画面主要是显示了自动、手动模式下采集的数据，如图4（b）所示。模拟动画界面是模拟实物采集的过程进行编写的一个模拟画面，如图4 （c）所示。

图4 触摸屏界面

（2）计算机人机界面的设计。iFIX 组态软件可以安装在工控机或者普通计算机上。采用以太网与 PLC 进行通讯，用 IGS软件采集 S7-200 的数据，用 iFIX 组态软件的 IGS 驱动采集IGS 软件上的数据。这样就可以实现用 iFIX 软件与 PLC 通讯，实现通过计算机对 PLC 的控制。本系统 iFIX 组态软件共有三个画面，分别是：主画面、模拟动画画面、报警汇总画面，编写完成的画面如图5（a）、（b）、（c）所示。

图5 iFIX界面

4 结语

基于 PLC 的水质监测系统能很好地对水质的各个参数进行检测，并将实时数据传送到计算机，并能对数据的变化进行监控报警。这很好地实现了对水质的实时监测，避免工业生产的污水和废水超标排放；同时也对居民生活用水的水源提供了保障。该系统具有较强的数据检测、处理能力，能稳定可靠运行，人及界面以及 iFIX 操作界面优良，这有很好的推广性和较高的实用价值。

Design of Water Quality Monitoring System based on PLC

LI Shu-yuan，ZE NG Ming-hai，YU Wen-quan，LAN Jia-xia，LIN Shou-ying
（School of Mechanical and Electrical Engineering，Fujian A griculture and Forestry University，Fuzhou，Fujian 350002，China）

The paper discusses the quality monitoring system based on PLC.This system adopts SIEMENS S7-200 PLC as the controller，transmitting parameters of water quality collected by slave computer to screen through the Ethernet communication，and realizes remote monitoring and real-time transmission by applying iFIX configuration software in computer.Water quality detection system can compare the data collected by the slave computer with the standard data to monitor water quality.The whole system includes writing logic control program，building touch screen configuration screen and iFIX configuration software screen.

water quality monitoring；SIEMENS S7-200 PLC；control touch screen；iFIX；remote monitoring

TP273

A

2095-980X（2016）12-0034-02

2016- 11-18

李澍源（1991-），男，福建福州人，硕士研究生，主要研究方向：电气化与自动化。

通迅作者：林寿英（1965 -），女，福建福州人，副教授，硕士生导师，主要研究方向：自动控制和应用电子研究。