棗莊職業(yè)學院電氣工程系 丁曉東

PLC和觸摸屏在純凈水生產(chǎn)線控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

棗莊職業(yè)學院電氣工程系 丁曉東

某單位原有純凈水生產(chǎn)線電控部分由單片機和繼電器實施控制，存在硬件繁雜、電氣線路多、人機交流困難、聯(lián)動狀態(tài)差等問題；操作不便、維修困難、可靠性差，嚴重影響了產(chǎn)量和質(zhì)量。針對存在的問題，利用PLC、觸摸屏進行重新設(shè)計，達到了方便、穩(wěn)定、經(jīng)濟、高效的預定要求。詳細闡述了系統(tǒng)的工作原理、工作方式、控制系統(tǒng)的組成、PLC控制程序的設(shè)計思路、觸摸屏的設(shè)計及參數(shù)設(shè)定。

PLC；觸摸屏；系統(tǒng)；設(shè)計

1.引言

我國是世界貧水國，除水資源短缺外，水環(huán)境污染問題也相當突出，七大水系及主要湖泊污染嚴重，流經(jīng)城市的河流水質(zhì)90%不符合飲用水水源標準。一直以來，我國城鎮(zhèn)居民大多是飲用自來水，然而，隨著社會和工業(yè)的發(fā)展，地表水源和地下水源受到不同程度的污染，水質(zhì)不斷惡化，直接飲用自來水已不能滿足人民群眾喝上健康、安全、衛(wèi)生的飲用水的基本要求。自來水廠供應(yīng)的自來水，只能是提供基本符合衛(wèi)生要求的飲用水，衛(wèi)生潔凈的優(yōu)質(zhì)飲用水要采用深度凈化處理工藝才能獲得。凈水設(shè)備開始進入人們的生活當中，而自動化水平對凈水設(shè)備能否產(chǎn)出優(yōu)質(zhì)的純凈水起著關(guān)鍵作用。某單位原有的純凈水生產(chǎn)線的水處理系統(tǒng)的電氣控制部分是傳統(tǒng)的繼電器——接觸器控制方式，灌裝系統(tǒng)是單片機控制方式。在使用的過程中，存在生產(chǎn)工效低，響應(yīng)慢，故障率高，可靠性差，參數(shù)難以修改，系統(tǒng)的工作狀態(tài)、故障處理、設(shè)備監(jiān)控與維護等問題，在生產(chǎn)過程中容易產(chǎn)生二次污染，造成合格率低，生產(chǎn)成本增加。因此，如何提高水的品質(zhì)，提高生產(chǎn)效率、實現(xiàn)智能控制的需求日益凸顯。經(jīng)過具體研究和分析后，決定采用性價比高、穩(wěn)定可靠的PLC、觸摸屏控制方式，更換原有電氣控制部分。

2.純凈水生產(chǎn)工藝流程

純凈水生產(chǎn)線主要由凈水系統(tǒng)和自動灌裝系統(tǒng)組成。

2.1 凈水系統(tǒng)

該凈水系統(tǒng)為雙級反滲透系統(tǒng)。在生產(chǎn)過程中把水中的陰、陽離子用反滲透法及離子交換樹脂技術(shù)去除；水中的顆粒用超過濾膜過濾技術(shù)去除；水中的細菌，采用加藥、紫外燈照射、臭氧殺菌的方法去除；水中的TOC用活性炭、反滲透技術(shù)處理。

凈水系統(tǒng)可大體分為兩部分，分別為預處理部分（原水泵＋石英砂過濾器、活性碳吸附過濾器）、RO反滲透部分，純水最后進入純水箱備用，進入到灌裝控制系統(tǒng)。圖1為凈水系統(tǒng)流程框圖。

凈水工藝控制要求：

⑴原水箱通過外接設(shè)備供水，當原水箱液位檢測為低的時候，原水泵停止運行；當原水箱液位檢測為中的時候，原水泵運行；原水箱液位檢測為高的時候，外接設(shè)備停止供水。

⑵原水泵與加絮凝劑供給泵聯(lián)動。

⑶原水泵在開始運行的同時，濃水閥打開，開始排放濃水，2分鐘后，一級高壓泵自動啟動，濃水閥自動關(guān)閉，停止排放。

⑷當原水泵停止運行的時候，一級高壓泵停止運行。

⑸純水箱液位檢測為高時，二級高壓泵停止運行；純水箱液位檢測為中時，二級高壓泵啟動運行。

⑹純水箱液位檢測為低時，純水泵停止運行；純水箱液位檢測為中時，純水泵啟動運行。

⑺純水泵與殺菌器聯(lián)動。

⑻停機控制為手動控制，當按下停機按鈕，系統(tǒng)在5秒后自動停止。

表1

表2

2.2 自動灌裝系統(tǒng)

自動灌裝系統(tǒng)由洗桶、灌裝、壓蓋3部分組成，并有氣源泵一個。

(1)洗桶部分

洗桶部分主要由機架、輸送鏈、沖洗管路、水箱等組成。洗桶部分第一工位為消毒水沖洗，第二工位為純水沖洗，第三工位為滴干。當電源接通時，PLC得電開始工作，控制接觸器吸合，消毒液水泵開始工作，隨后輸出信號到變頻器，使沖洗輸送電機和灌裝輸送鏈電機工作，這時洗桶機構(gòu)使桶體逐步進入各道工序開始沖洗，沖洗時間可由PLC控制器編程調(diào)節(jié)；沖洗完畢，桶落至輸送鏈上。

(2)灌裝部份

沖洗過的桶，進入灌裝部份灌裝。灌裝部份由機架、容蓋器、理蓋器，掛蓋裝置、壓蓋裝置、進水管、灌裝閥等組成。容蓋器用于貯存桶蓋。當理蓋器內(nèi)的桶蓋需要補充時，啟動容器下滑板上的振動器，氣缸自動打開箱門，桶蓋即可源源不斷地、定量地送到理蓋器內(nèi)。

(3)理蓋器

主要由電機旋轉(zhuǎn)圓盤、下蓋軌道、箱體等組成，理蓋器的作用即是通過電機帶動圓盤旋轉(zhuǎn)帶動箱體內(nèi)的桶蓋－進入下蓋軌道，并通過特定的機構(gòu)使進入軌道內(nèi)的桶蓋統(tǒng)一朝下并按特定的順序排列。

(4)灌裝閥

灌裝頭帶有水滿溢檢測器。當桶中水滿溢出時，檢測器發(fā)出信號上移灌裝閥停止灌裝。當桶被送至灌裝位置時，自動落下灌裝閥，對水桶進行灌裝。灌滿時，灌裝閥退回，水桶前行。桶蓋經(jīng)理蓋后溜至掛蓋部位，對桶進行掛蓋。

(5)壓蓋裝置

壓蓋是由壓蓋氣缸完成。當水桶接近壓蓋位置時，檢測器檢測到并發(fā)出信號，壓蓋氣缸瞬時動作，壓蓋完成。

以上3部分各自獨立，可手動/自動切換。由氣泵推動水桶前進，由2只電磁閥控制托桶架的升降，2只電磁閥控制壓蓋的行程。驅(qū)動部分有：清水泵、無菌泵、清洗輸送、灌裝輸送、灌裝泵。

2.2.1 手動控制工作狀態(tài)

將操作臺上旋鈕置手動，各工位工作狀態(tài)如下：

(1)按洗桶按鈕，清洗泵啟動，里外各洗一次，間隔3秒；

(2)按洗桶輸送帶按鈕，輸送帶把洗過的空桶送到托桶架上；

(3)按托桶架按鈕，托桶架啟動，把洗過的空桶送到灌裝機的灌裝口；

(4)按灌裝按鈕，灌裝泵啟動，灌滿后自動停止；

(5)按灌裝輸送帶按鈕，通過輸送帶把滿桶送到壓蓋機上，壓蓋機自動套蓋、壓蓋，最后把產(chǎn)品送出機外。

2.2.2 自動控制工作狀態(tài)

將操作臺上旋轉(zhuǎn)按鈕置自動，生產(chǎn)線進入自動工作狀態(tài)。此時，PLC首先檢測水箱的水位、清洗泵非故障狀態(tài)、氣壓≥0.6Mpa、灌裝泵非故障等各種信號，具備工作條件后，進行以下流程。

(1)洗桶：洗桶到位信號給PLC一個開關(guān)量，清洗泵和無菌泵同時啟動，對桶內(nèi)、外部進行2次清洗，清洗后又經(jīng)過滴水過程（其中清洗和滴水的過程由PLC內(nèi)部時間繼電器控制）。清洗完畢后，隨著洗桶輸送帶進入下一個工序。

(2)灌裝：當桶隨著輸送帶平穩(wěn)的進入托桶架時，托桶架的限位開關(guān)信號送給PLC，同時洗桶到位信號又一次送給了PLC，洗桶工序進入下一個循環(huán)，同時翻桶架的一組氣動電磁閥打開，汽缸開始工作，將桶送到灌裝口的下部，這時汽缸上限信號送入PLC，灌裝泵開始啟動，在灌裝的過程中翻桶架自動落下，灌裝到一定的時間（及灌滿）后自動停止，灌裝結(jié)束后，經(jīng)過一定的延時時間，灌裝輸送帶開始啟動。

(3)壓蓋：當灌裝輸送帶開始工作后，灌滿純凈水的桶子經(jīng)過自動套蓋，通過輸送帶送到壓蓋處時，壓蓋的開關(guān)信號送給PLC，壓蓋汽缸就工作一次，壓蓋結(jié)束后，將產(chǎn)品通過輸送帶送到機器外部，灌裝輸送帶自動停止，然后，每個工序又進入下一個循環(huán)。工作狀態(tài)循環(huán)流程如圖2所示。

3.硬件設(shè)計

通過研究工藝過程和機械運動的各個步驟，確定工作方式為手動/自動切換方式，由PLC組成的控制系統(tǒng)有20個開關(guān)量輸入信號，輸出信號10個，10個指示燈。電控系統(tǒng)最后選用三菱FX2N-48MR，滿足要求，并且還有余量。觸摸屏采用深圳步科MT4403T，8"TFT屏幕，相對較大，不易誤操作，性價比高。

輸入輸出信號地址的編號；

輸入信號地址如表1所示，輸出信號地址如表2所示。

4.軟件設(shè)計

4.1 純凈水生產(chǎn)控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計

PLC控制系統(tǒng)的軟件由凈水自動程序、灌裝自動程序、凈水手動程序、灌裝手動程序以及故障報警程序等五部分組成，程序總體結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

4.2 觸摸屏畫面設(shè)計

根據(jù)工藝控制要求，并考慮現(xiàn)場操作控制的需要，畫面能滿足控制的簡單化，并易于現(xiàn)場技術(shù)員的控制。畫面由五幅畫面組成：主畫面、控制選擇畫面、手動輸入控制畫面、自動控制狀態(tài)顯示畫面和控制流程圖畫面。它們彼此間可以切換，并可以返回上一級畫面，操作簡單，且可以滿足工廠現(xiàn)場控制需要。圖4為觸摸屏凈水系統(tǒng)流程圖畫面。

5.應(yīng)用效果

該系統(tǒng)電控部分結(jié)構(gòu)緊湊、功能強、控制精度高、操作簡便、生產(chǎn)效率高、抗干擾能力強，使生產(chǎn)線的穩(wěn)定性、可靠性大大提高，滿足了該單位用水需求；由于生產(chǎn)工藝實現(xiàn)了全過程自動控制，把原來的生產(chǎn)線改為全封閉式生產(chǎn)方式，基本上不與人體接觸，降低了二次感染率，產(chǎn)品合格率接近100%。經(jīng)所在市質(zhì)檢部門檢驗，各項指標完全符合國家質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局GB173223－1998《桶裝飲用純凈水》和GB17324－1998《桶裝飲用純凈水衛(wèi)生標準》。

6.結(jié)束語

由PLC和觸摸屏組成的控制系統(tǒng)在凈水設(shè)備中的應(yīng)用，提高了自動化水平，穩(wěn)定了純凈水的質(zhì)量和產(chǎn)量，降低了設(shè)備維護成本。像這樣的改造，花費不高，效果不錯，是類似小型純凈水生產(chǎn)線控制的理想解決方案。

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