王 芳 雷菊陽

(上海工程技術(shù)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院)

基于PLC的水處理控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)①

王 芳 雷菊陽

(上海工程技術(shù)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院)

為了解決鍋爐供水、乳產(chǎn)品巴氏消毒連續(xù)給水等難題，設(shè)計(jì)了一個(gè)基于S7-200 PLC的水處理閉環(huán)控制系統(tǒng)。給出系統(tǒng)的軟硬件組成和工作原理。針對(duì)PLC控制要求，設(shè)計(jì)了進(jìn)出水壓力控制程序和觸摸屏交互功能。實(shí)際運(yùn)行結(jié)果表明：系統(tǒng)輸出水流量能長(zhǎng)時(shí)間保持穩(wěn)定，達(dá)到水流量基本恒定、連續(xù)供給不中斷的要求；系統(tǒng)水壓力輸出基本與設(shè)定壓力保持一致，滿足供水壓力恒定且接近管道最大壓力的要求。

水處理系統(tǒng) S7-200 PLC 進(jìn)出水壓力控制 閉環(huán)控制

近年來，水處理方式向著高效節(jié)能、高自動(dòng)化水平、高可靠性的方向發(fā)展。國(guó)外水處理控制系統(tǒng)起步較早，自動(dòng)化水平較高，廣泛采用PLC控制、網(wǎng)絡(luò)、基礎(chǔ)自動(dòng)化、系統(tǒng)管理和應(yīng)用技術(shù)，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了全過程的自動(dòng)控制[1]。而我國(guó)水處理控制系統(tǒng)起步較晚，計(jì)算機(jī)控制技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和硬件控制技術(shù)發(fā)展緩慢，導(dǎo)致系統(tǒng)自動(dòng)化水平較低。雖然有些水處理控制系統(tǒng)配置了機(jī)算機(jī)管理控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了機(jī)械設(shè)備的自動(dòng)控制，但主要還是依靠人工操作與自動(dòng)檢測(cè)顯示相結(jié)合的方式，并沒有實(shí)現(xiàn)智能化，存在效率低的缺點(diǎn)。

目前，我國(guó)水處理控制系統(tǒng)存在3種控制模式：手動(dòng)操作，這種方法完全依賴人工，可靠性、準(zhǔn)確性較差，大多數(shù)操作依靠操作員的經(jīng)驗(yàn)，雖然投資少，但是效率低；半自動(dòng)控制，該方式中設(shè)備操作、數(shù)據(jù)采集記錄等主要依靠人工來實(shí)現(xiàn)，勞動(dòng)強(qiáng)度大，中間存在數(shù)據(jù)延遲，導(dǎo)致處理后的水質(zhì)不穩(wěn)定；全自動(dòng)控制，采用工業(yè)控制計(jì)算機(jī)技術(shù)對(duì)水處理過程進(jìn)行全自動(dòng)控制，水處理過程中的各種信號(hào)、數(shù)據(jù)等通過相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集裝置同步到基礎(chǔ)自動(dòng)化系統(tǒng)，再通過工業(yè)以太網(wǎng)將數(shù)據(jù)傳輸至工業(yè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。

筆者針對(duì)燃?xì)忮仩t加熱成飽和蒸汽和乳脂產(chǎn)品巴氏消毒對(duì)水質(zhì)的高要求，設(shè)計(jì)一套滿足需求的自動(dòng)化水處理控制系統(tǒng)，用戶可以根據(jù)不同的應(yīng)用需求選取標(biāo)準(zhǔn)型和經(jīng)濟(jì)型模塊，最大限度地控制成本。

1 硬件部分

1.1 系統(tǒng)工作原理

基于PLC的水處理控制系統(tǒng)硬件部分包括觸摸屏、PLC、變頻器、電氣元器件、傳感器、泵及電磁閥等。其中，觸摸屏選用西門子SMART 700v3顯示屏，與PLC連接，通過Modbus 485進(jìn)行通信，通信速率19.2kbit/s，從站為2，通過以太網(wǎng)與上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，遵守TCP/IP傳輸協(xié)議。PLC選用的是S7-200 PLC SR40[2]，主站為1，通過以太網(wǎng)與DCS系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，遵守TCP/IP傳輸協(xié)議，數(shù)據(jù)接入互聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。

系統(tǒng)首先通過西門子7寸觸摸屏(人機(jī)界面)設(shè)置參數(shù)[3]，然后將傳感器檢測(cè)的信號(hào)傳輸至PLC后實(shí)現(xiàn)泵、風(fēng)機(jī)和電磁閥的開關(guān)啟停，再由PLC將信號(hào)傳送至觸摸屏進(jìn)行監(jiān)控顯示，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。

1.2 主要控制對(duì)象和設(shè)備

系統(tǒng)主要控制對(duì)象和設(shè)備見表1。

表1 系統(tǒng)主要控制對(duì)象和設(shè)備

2 軟件部分

軟件部分由WinCC flexible SMART V3和Step 7-MicroWin SMART構(gòu)成。水處理工藝流程比較復(fù)雜，尤其是對(duì)化學(xué)水的處理[4]，所以通常采用繼電器對(duì)程序進(jìn)行控制。但是這種方法在安裝中存在接線復(fù)雜、修改程序困難、維護(hù)工作量大及相關(guān)系統(tǒng)設(shè)備老化等缺點(diǎn)，使得水處理系統(tǒng)可靠性極低。因此，為了能夠?qū)^電器控制存在的缺陷進(jìn)行改善，筆者采用PLC對(duì)程序進(jìn)行控制，依據(jù)工藝流程參數(shù)與PLC程序，擺脫人工干預(yù)對(duì)設(shè)備參數(shù)與設(shè)備啟停過程進(jìn)行自動(dòng)控制調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)全過程的自動(dòng)化。

2.1 PLC控制要求

為了實(shí)現(xiàn)PLC控制，需滿足以下幾點(diǎn)控制要求：

a. 除二氧化碳水箱在高液位時(shí)，陽床出水電磁閥關(guān)閉，除二氧化碳水箱在低液位時(shí)，陽床出水電磁閥開啟；

b. 除二氧化碳水箱在高液位時(shí)，除二氧化碳水泵(一用一備)開啟，除二氧化碳水箱在低液位時(shí)，除二氧化碳水泵關(guān)閉；

c. 在陽床出水電磁閥開啟時(shí)，風(fēng)機(jī)開，在陽床出水電磁閥關(guān)閉時(shí)，風(fēng)機(jī)關(guān)，風(fēng)機(jī)與陽床出水電磁閥同步開關(guān)；

d. 陰床出水電磁閥與除二氧化碳水泵(一用一備)通過變頻控制保持恒壓，在陰床用水時(shí)除二氧化碳水泵啟動(dòng)(當(dāng)除二氧化碳水箱在低液位時(shí)，除二氧化碳水泵關(guān)閉[5])。

2.2 PLC控制程序

系統(tǒng)由單沖量壓力經(jīng)過PID調(diào)節(jié)來控制變頻器頻率，達(dá)到水泵連續(xù)給水的目的[6]。如圖1所示，進(jìn)水壓力地址AIW16每隔0.5s采樣信號(hào)一次，濾波數(shù)據(jù)，使輸出數(shù)據(jù)波形平穩(wěn)、起伏小。濾波值兩兩相加后再與VD2832相加，除以8后，數(shù)據(jù)給VD2836，得到進(jìn)水壓力平均值。雙精整數(shù)VD36轉(zhuǎn)換為整數(shù)后轉(zhuǎn)移至VW2840，然后通過模擬量轉(zhuǎn)換模塊輸出對(duì)應(yīng)壓力?，F(xiàn)場(chǎng)采集信號(hào)為4～20mA信號(hào)，通過模擬量模塊輸入后轉(zhuǎn)換為5530～27648(5 530對(duì)應(yīng)4mA，27 648對(duì)應(yīng)20mA)。通過函數(shù)運(yùn)算得到實(shí)際壓力存入VD132，再通過數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)換得到實(shí)數(shù)型數(shù)據(jù)并存入VD920，即觸摸屏壓力顯示地址。

圖1 部分進(jìn)出水壓力控制程序

部分PID控制程序如圖2所示。其中，觸摸屏采樣時(shí)間輸入地址為VD276，傳送至PID的采樣時(shí)間地址為VD420。觸摸屏比例增益輸入地址為VD264，傳送至PID的比例增益地址為VD416。觸摸屏積分時(shí)間輸入地址為VD268，傳送至PID的積分時(shí)間地址為VD424。觸摸屏微分時(shí)間輸入地址為VD272，傳送至PID的微分時(shí)間地址為VD428。觸摸屏設(shè)定壓力地址為VD260，經(jīng)過整定的過程壓力地址為VW2840。經(jīng)過PID計(jì)算后，輸出地址為VW286。死區(qū)計(jì)算后，將得到的值存入VW294，然后傳送給輸出模塊AQW16，轉(zhuǎn)換成4～20mA信號(hào)來控制變頻器頻率，達(dá)到控制水泵的目的。

圖2 部分PID控制程序

2.3 觸摸屏交互

觸摸屏顯示界面如圖3所示[7,8]，主要控制功能如下：

a. 除二氧化碳水泵控制。點(diǎn)擊觸摸屏1#除二氧化碳水泵圖標(biāo)，彈出水泵設(shè)置菜單，點(diǎn)擊手/自動(dòng)切換按鈕[3]。自動(dòng)狀態(tài)下，主泵故障時(shí)系統(tǒng)自動(dòng)切換至備泵；手動(dòng)狀態(tài)下，通過觸摸屏按鍵來手動(dòng)啟停主泵、備泵。手動(dòng)啟動(dòng)泵時(shí)，泵故障不報(bào)警，以便調(diào)試。當(dāng)主備泵同時(shí)故障時(shí)，則提示“主備泵同時(shí)故障”。

b. 酸輸送泵控制。觸摸屏輸入“手動(dòng)”或“自動(dòng)”，兩者互鎖。自動(dòng)狀態(tài)下，當(dāng)酸液箱水位低時(shí)，酸輸送泵自動(dòng)工作，主動(dòng)補(bǔ)液；當(dāng)酸液箱水位高時(shí)，酸輸送泵自動(dòng)停止工作。手動(dòng)狀態(tài)下，通過觸摸屏按鍵來手動(dòng)啟停酸輸送泵，以維持酸液箱的正常液位。

c. 堿輸送泵控制。觸摸屏輸入“手動(dòng)”或“自動(dòng)”，兩者互鎖。自動(dòng)狀態(tài)下，當(dāng)堿液箱水位低時(shí)，堿輸送泵自動(dòng)工作，主動(dòng)補(bǔ)液；當(dāng)堿液箱水位高時(shí)，堿輸送泵自動(dòng)停止工作。手動(dòng)狀態(tài)下，通過觸摸屏按鍵來手動(dòng)啟停堿輸送泵，以維持堿液箱的正常液位。

圖3 觸摸屏顯示界面

3 結(jié)果與分析

圖4為水處理控制系統(tǒng)的水流量輸出曲線，可以看出，調(diào)整后的水流量能長(zhǎng)時(shí)間保持穩(wěn)定供給，達(dá)到水流量基本恒定、連續(xù)供給不中斷的要求。

圖4 水流量輸出曲線

管道最大承壓為0.5MPa，而水泵能打1.0MPa的壓力，因此需設(shè)置過壓保護(hù)。當(dāng)實(shí)際壓力VD132超過觸摸屏設(shè)定壓力VD1200時(shí)，泵停止運(yùn)轉(zhuǎn)并報(bào)警，待報(bào)警消除后繼續(xù)自動(dòng)運(yùn)行。若要求恒壓0.4MPa，而由于PID調(diào)節(jié)區(qū)間過小，導(dǎo)致壓力一直小于0.4MPa，達(dá)不到恒壓要求，此時(shí)可采取全頻與PID并存的控制模式。偏差值VD332由觸摸屏設(shè)定，當(dāng)實(shí)際值VD132小于比較值VD592時(shí)，變頻器全頻50Hz運(yùn)行，以保證壓力能達(dá)到0.4MPa以上；當(dāng)實(shí)際壓力VD132大于比較值VD592時(shí)，變頻器在PID控制模式下運(yùn)行，以達(dá)到恒壓0.4MPa的目的。圖5為水壓PID曲線，可以看出，本系統(tǒng)水壓力輸出基本與設(shè)定壓力保持一致，能很好地滿足客戶供水壓力恒定且接近管道最大壓力的要求。

圖5 水壓PID曲線

4 結(jié)束語

筆者基于S7-200 PLC設(shè)計(jì)了一個(gè)水處理控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)自動(dòng)化水平高，能夠降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度，具有運(yùn)行穩(wěn)定性高、故障率低、操作簡(jiǎn)單方便及可移植性好等特點(diǎn)。由于在設(shè)計(jì)初期就對(duì)整個(gè)系統(tǒng)做了合理規(guī)劃，因此系統(tǒng)投運(yùn)后，整個(gè)處理過程簡(jiǎn)單高效，PLC的高效性和高可靠性保證了系統(tǒng)能夠完全滿足水處理要求，實(shí)現(xiàn)水處理過程的全自動(dòng)化，提升了水處理效率。

[1] 徐金林.可編程序控制器(PLC)的實(shí)際應(yīng)用[J].寧夏機(jī)械,2005,(4):24,26.

[2] 廖常初.S7-200 SMART PLC應(yīng)用教程[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2015:35～37.

[3] 劉瑞.觸摸屏技術(shù)及其性能分析[J].裝備制造技術(shù),2010,(3):69～70.

[4] 史廣睿,劉琳琳.電氣自動(dòng)化控制技術(shù)在污水處理廠曝氣量控制的應(yīng)用[J].黑龍江科技信息,2014,(35):112.

[5] 張開賀.小型PLC控制系統(tǒng)在化學(xué)水處理系統(tǒng)的中運(yùn)用[J].山東工業(yè)技術(shù),2015,(2):161.

[6] 張葉茂,楊曉武.自適應(yīng)模糊PID在壓鑄機(jī)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].熱加工工藝,2016,(23):96～99.

[7] 馬立明,魏小成,焦建勇.現(xiàn)場(chǎng)總線與現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)[J].河北省科學(xué)院學(xué)報(bào),2002,19(4):237～240.

[8] 晉磊.基于TCP/IP傳輸協(xié)議的無線遠(yuǎn)程輪式機(jī)器人系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].昆明:云南大學(xué),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)

上海市研究生科研創(chuàng)新項(xiàng)目(16KY0123)。

王芳(1991-)，碩士研究生，從事機(jī)器學(xué)習(xí)的研究，1970310462@qq.com。