基于PLC的水处理控制系统设计与实现①

王 芳 雷菊阳

(上海工程技术大学机械工程学院)

基于PLC的水处理控制系统设计与实现①

王 芳 雷菊阳

(上海工程技术大学机械工程学院)

为了解决锅炉供水、乳产品巴氏消毒连续给水等难题，设计了一个基于S7-200 PLC的水处理闭环控制系统。给出系统的软硬件组成和工作原理。针对PLC控制要求，设计了进出水压力控制程序和触摸屏交互功能。实际运行结果表明：系统输出水流量能长时间保持稳定，达到水流量基本恒定、连续供给不中断的要求；系统水压力输出基本与设定压力保持一致，满足供水压力恒定且接近管道最大压力的要求。

水处理系统 S7-200 PLC 进出水压力控制 闭环控制

近年来，水处理方式向着高效节能、高自动化水平、高可靠性的方向发展。国外水处理控制系统起步较早，自动化水平较高，广泛采用PLC控制、网络、基础自动化、系统管理和应用技术，已经实现了全过程的自动控制[1]。而我国水处理控制系统起步较晚，计算机控制技术、网络技术和硬件控制技术发展缓慢，导致系统自动化水平较低。虽然有些水处理控制系统配置了机算机管理控制系统，实现了机械设备的自动控制，但主要还是依靠人工操作与自动检测显示相结合的方式，并没有实现智能化，存在效率低的缺点。

目前，我国水处理控制系统存在3种控制模式：手动操作，这种方法完全依赖人工，可靠性、准确性较差，大多数操作依靠操作员的经验，虽然投资少，但是效率低；半自动控制，该方式中设备操作、数据采集记录等主要依靠人工来实现，劳动强度大，中间存在数据延迟，导致处理后的水质不稳定；全自动控制，采用工业控制计算机技术对水处理过程进行全自动控制，水处理过程中的各种信号、数据等通过相应的数据采集装置同步到基础自动化系统，再通过工业以太网将数据传输至工业计算机系统。

笔者针对燃气锅炉加热成饱和蒸汽和乳脂产品巴氏消毒对水质的高要求，设计一套满足需求的自动化水处理控制系统，用户可以根据不同的应用需求选取标准型和经济型模块，最大限度地控制成本。

1 硬件部分

1.1 系统工作原理

基于PLC的水处理控制系统硬件部分包括触摸屏、PLC、变频器、电气元器件、传感器、泵及电磁阀等。其中，触摸屏选用西门子SMART 700v3显示屏，与PLC连接，通过Modbus 485进行通信，通信速率19.2kbit/s，从站为2，通过以太网与上位机进行数据交换，遵守TCP/IP传输协议。PLC选用的是S7-200 PLC SR40[2]，主站为1，通过以太网与DCS系统进行数据交换，遵守TCP/IP传输协议，数据接入互联网，实现远程监控。

系统首先通过西门子7寸触摸屏(人机界面)设置参数[3]，然后将传感器检测的信号传输至PLC后实现泵、风机和电磁阀的开关启停，再由PLC将信号传送至触摸屏进行监控显示，实现人机交互。

1.2 主要控制对象和设备

系统主要控制对象和设备见表1。

表1 系统主要控制对象和设备

2 软件部分

软件部分由WinCC flexible SMART V3和Step 7-MicroWin SMART构成。水处理工艺流程比较复杂，尤其是对化学水的处理[4]，所以通常采用继电器对程序进行控制。但是这种方法在安装中存在接线复杂、修改程序困难、维护工作量大及相关系统设备老化等缺点，使得水处理系统可靠性极低。因此，为了能够对继电器控制存在的缺陷进行改善，笔者采用PLC对程序进行控制，依据工艺流程参数与PLC程序，摆脱人工干预对设备参数与设备启停过程进行自动控制调节，从而实现全过程的自动化。

2.1 PLC控制要求

为了实现PLC控制，需满足以下几点控制要求：

a. 除二氧化碳水箱在高液位时，阳床出水电磁阀关闭，除二氧化碳水箱在低液位时，阳床出水电磁阀开启；

b. 除二氧化碳水箱在高液位时，除二氧化碳水泵(一用一备)开启，除二氧化碳水箱在低液位时，除二氧化碳水泵关闭；

c. 在阳床出水电磁阀开启时，风机开，在阳床出水电磁阀关闭时，风机关，风机与阳床出水电磁阀同步开关；

d. 阴床出水电磁阀与除二氧化碳水泵(一用一备)通过变频控制保持恒压，在阴床用水时除二氧化碳水泵启动(当除二氧化碳水箱在低液位时，除二氧化碳水泵关闭[5])。

2.2 PLC控制程序

系统由单冲量压力经过PID调节来控制变频器频率，达到水泵连续给水的目的[6]。如图1所示，进水压力地址AIW16每隔0.5s采样信号一次，滤波数据，使输出数据波形平稳、起伏小。滤波值两两相加后再与VD2832相加，除以8后，数据给VD2836，得到进水压力平均值。双精整数VD36转换为整数后转移至VW2840，然后通过模拟量转换模块输出对应压力。现场采集信号为4～20mA信号，通过模拟量模块输入后转换为5530～27648(5 530对应4mA，27 648对应20mA)。通过函数运算得到实际压力存入VD132，再通过数据类型转换得到实数型数据并存入VD920，即触摸屏压力显示地址。

图1 部分进出水压力控制程序

部分PID控制程序如图2所示。其中，触摸屏采样时间输入地址为VD276，传送至PID的采样时间地址为VD420。触摸屏比例增益输入地址为VD264，传送至PID的比例增益地址为VD416。触摸屏积分时间输入地址为VD268，传送至PID的积分时间地址为VD424。触摸屏微分时间输入地址为VD272，传送至PID的微分时间地址为VD428。触摸屏设定压力地址为VD260，经过整定的过程压力地址为VW2840。经过PID计算后，输出地址为VW286。死区计算后，将得到的值存入VW294，然后传送给输出模块AQW16，转换成4～20mA信号来控制变频器频率，达到控制水泵的目的。

图2 部分PID控制程序

2.3 触摸屏交互

触摸屏显示界面如图3所示[7,8]，主要控制功能如下：

a. 除二氧化碳水泵控制。点击触摸屏1#除二氧化碳水泵图标，弹出水泵设置菜单，点击手/自动切换按钮[3]。自动状态下，主泵故障时系统自动切换至备泵；手动状态下，通过触摸屏按键来手动启停主泵、备泵。手动启动泵时，泵故障不报警，以便调试。当主备泵同时故障时，则提示“主备泵同时故障”。

b. 酸输送泵控制。触摸屏输入“手动”或“自动”，两者互锁。自动状态下，当酸液箱水位低时，酸输送泵自动工作，主动补液；当酸液箱水位高时，酸输送泵自动停止工作。手动状态下，通过触摸屏按键来手动启停酸输送泵，以维持酸液箱的正常液位。

c. 碱输送泵控制。触摸屏输入“手动”或“自动”，两者互锁。自动状态下，当碱液箱水位低时，碱输送泵自动工作，主动补液；当碱液箱水位高时，碱输送泵自动停止工作。手动状态下，通过触摸屏按键来手动启停碱输送泵，以维持碱液箱的正常液位。

图3 触摸屏显示界面

3 结果与分析

图4为水处理控制系统的水流量输出曲线，可以看出，调整后的水流量能长时间保持稳定供给，达到水流量基本恒定、连续供给不中断的要求。

图4 水流量输出曲线

管道最大承压为0.5MPa，而水泵能打1.0MPa的压力，因此需设置过压保护。当实际压力VD132超过触摸屏设定压力VD1200时，泵停止运转并报警，待报警消除后继续自动运行。若要求恒压0.4MPa，而由于PID调节区间过小，导致压力一直小于0.4MPa，达不到恒压要求，此时可采取全频与PID并存的控制模式。偏差值VD332由触摸屏设定，当实际值VD132小于比较值VD592时，变频器全频50Hz运行，以保证压力能达到0.4MPa以上；当实际压力VD132大于比较值VD592时，变频器在PID控制模式下运行，以达到恒压0.4MPa的目的。图5为水压PID曲线，可以看出，本系统水压力输出基本与设定压力保持一致，能很好地满足客户供水压力恒定且接近管道最大压力的要求。

图5 水压PID曲线

4 结束语

笔者基于S7-200 PLC设计了一个水处理控制系统，该系统自动化水平高，能够降低工人劳动强度，具有运行稳定性高、故障率低、操作简单方便及可移植性好等特点。由于在设计初期就对整个系统做了合理规划，因此系统投运后，整个处理过程简单高效，PLC的高效性和高可靠性保证了系统能够完全满足水处理要求，实现水处理过程的全自动化，提升了水处理效率。

[1] 徐金林.可编程序控制器(PLC)的实际应用[J].宁夏机械,2005,(4):24,26.

[2] 廖常初.S7-200 SMART PLC应用教程[M].北京:机械工业出版社,2015:35～37.

[3] 刘瑞.触摸屏技术及其性能分析[J].装备制造技术,2010,(3):69～70.

[4] 史广睿,刘琳琳.电气自动化控制技术在污水处理厂曝气量控制的应用[J].黑龙江科技信息,2014,(35):112.

[5] 张开贺.小型PLC控制系统在化学水处理系统的中运用[J].山东工业技术,2015,(2):161.

[6] 张叶茂,杨晓武.自适应模糊PID在压铸机控制系统中的应用[J].热加工工艺,2016,(23):96～99.

[7] 马立明,魏小成,焦建勇.现场总线与现场总线控制系统[J].河北省科学院学报,2002,19(4):237～240.

[8] 晋磊.基于TCP/IP传输协议的无线远程轮式机器人系统的设计与实现[D].昆明:云南大学,2016.

DesignandImplementationofWaterTreatmentControlSystemBasedonPLC

WANG Fang, LEI Ju-yang

(CollegeofMechanicalEngineering,ShanghaiUniversityofEngineeringScience)

In order to solve the problems of continuous water supply for boilers and pasteurization of milks, a S7-200 PLC-based closed-loop control system for water treatment was designed and its hardware and software composition and working principle thereof were presented. Considering PLC control requirements, the control program for in and out water pressures and interaction function of the touch screen were designed. The operation results show that, the water flow output by the system can remain stable for long time so that continuous water supply at certain flow rate can be realized; and water’s output pressure of the system can comply with the pressure designed so that the requirement of the pressure of water supply can keep constant and close to the pipeline’s maximum pressure.

water process system, S7-200 PLC, in and out water pressure control, closed-loop control

TH862

B

1000-3932(2017)08-0734-04

2017-03-09，

2017-04-05)

上海市研究生科研创新项目(16KY0123)。

王芳(1991-)，硕士研究生，从事机器学习的研究，1970310462@qq.com。