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(jì)算機(jī)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(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200093)

0 引言

近年來(lái)，全國(guó)水污染仍呈發(fā)展趨勢(shì)，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(lái)越先進(jìn)，現(xiàn)在的熱點(diǎn)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(yíng)養(yǎng)化水的除藻技術(shù)等等。此次主要是對(duì)工業(yè)水處理系統(tǒng)進(jìn)行模擬設(shè)計(jì)，其中主要涉及系統(tǒng)設(shè)計(jì)和PLC設(shè)計(jì)。采用“集中檢測(cè)、分散控制”的設(shè)計(jì)原則，此次設(shè)計(jì)采用DCS分布式控制系統(tǒng)，由計(jì)算機(jī)和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備連接而成，通過(guò)總線(xiàn)將現(xiàn)場(chǎng)儀表、現(xiàn)場(chǎng)控制站和監(jiān)測(cè)操作管理站連接起來(lái)，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(jì)中的水處理主要分為進(jìn)水、加藥和出水三個(gè)環(huán)節(jié)，分別設(shè)立三個(gè)PLC控制站。PLC采用西門(mén)子S7 300系列中的S7 315-2DP。它能配置多個(gè)機(jī)架的PLC系統(tǒng)及超強(qiáng)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(jī)與各PLC現(xiàn)場(chǎng)控制器之間采用現(xiàn)場(chǎng)總（PROFIBUS）來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊。這樣使系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化，設(shè)備與連線(xiàn)減少，現(xiàn)場(chǎng)儀表內(nèi)部功能增強(qiáng)，減少了信號(hào)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(jì)，該處理廠主要是將江河水進(jìn)行取水，加藥，沉淀，再加藥，過(guò)濾，最后進(jìn)行供水。

首先，對(duì)如圖1所示的流程圖進(jìn)行大致地說(shuō)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(lái)的污泥流入污泥濃縮，脫水，最后壓縮成餅運(yùn)出。沉淀后的水再進(jìn)行濁度采樣，將沒(méi)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(guò)濾，處理完后的水再進(jìn)行余氯檢查，如果余氯不夠則再補(bǔ)充氯，而此時(shí)再將一部分處理后的水進(jìn)入反沖洗泵房對(duì)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(shí)還要對(duì)其進(jìn)行一系列的清水采樣看看是否滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)。

2 PLC的系統(tǒng)設(shè)計(jì)

此次的水處理系統(tǒng)由三個(gè)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(jī)機(jī)架，配置相應(yīng)的監(jiān)控終端。主機(jī)與分布式I/O機(jī)柜采用PROFIBUS總線(xiàn)通信，各站間設(shè)立通訊口進(jìn)行通訊。

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

2號(hào)分控站主要完成氯池水位監(jiān)控，反沖洗自動(dòng)控制功能。

3號(hào)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(kāi)停、電機(jī)軸承溫度，水泵出水壓力、流量、變配電總進(jìn)線(xiàn)電壓、電流、功率、其它高壓回路電流，管網(wǎng)測(cè)點(diǎn)水壓值。

控制內(nèi)容：通過(guò)管網(wǎng)測(cè)點(diǎn)的壓力值測(cè)定，通過(guò)工作人員控制送水泵的開(kāi)停及運(yùn)轉(zhuǎn)數(shù)量，同時(shí)采用變頻調(diào)速技術(shù)，自動(dòng)控制送水水量和水壓。

3 PLC三號(hào)分控站程序設(shè)計(jì)

1)PLC機(jī)架分配如圖3所示。

圖3 機(jī)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(jì)

此次設(shè)計(jì)的是水處理廠的三號(hào)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(duì)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(gè)運(yùn)行模式：自動(dòng)，手動(dòng)和點(diǎn)動(dòng)。而變量則是前面端的中間變量，如圖6所示。

2）這是電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的梯形圖，由于原理是流量計(jì)采集來(lái)的參數(shù)與給定的參數(shù)比較，而產(chǎn)生的控制信號(hào)，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(guò)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(cè)量出來(lái)，變換成電阻、電流、電壓信號(hào)，與模擬過(guò)程變化相對(duì)應(yīng)，這些信號(hào)就是模擬量。增加了處理模擬量功能。 AO模塊將計(jì)算機(jī)輸出的數(shù)字量運(yùn)算結(jié)果轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬信號(hào)(電壓或電流)，完成對(duì)伺服電機(jī)、調(diào)節(jié)閥等執(zhí)行機(jī)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(dòng)器等部分組成。在根據(jù)PLC 程序通過(guò)管網(wǎng)測(cè)點(diǎn)的壓力值測(cè)定和工作人員控制送水泵的開(kāi)停及運(yùn)轉(zhuǎn)數(shù)量，同時(shí)采用變頻調(diào)速技術(shù)，自動(dòng)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(yǔ)

本論文針對(duì)水處理系統(tǒng)自動(dòng)化程度不高的現(xiàn)狀，研究設(shè)計(jì)了PLC和DCS 控制水處理系統(tǒng)。成功實(shí)現(xiàn)了變配電站參量監(jiān)控，采集各個(gè)參數(shù)的水處理系統(tǒng)的自動(dòng)控制。成功解決了靠人工檢測(cè)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(dòng)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(shí)現(xiàn)了對(duì)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(gè)傳感器及系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài),使維護(hù)更加方便。經(jīng)過(guò)反復(fù)的實(shí)驗(yàn)和修正,設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠、控制簡(jiǎn)單方便,對(duì)水質(zhì)參數(shù)的誤差也在可控范圍之內(nèi),對(duì)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。

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