[摘 要]從硬件設(shè)計(jì)和軟件開發(fā)兩部分探討西門子Wincc及PLC在工業(yè)除鹽水工程自動(dòng)控制的應(yīng)用，分析工業(yè)除鹽水（工業(yè)回用水）工藝生產(chǎn)特點(diǎn)，結(jié)合控制說明設(shè)計(jì)了一套完整的控制系統(tǒng)。通過自動(dòng)化設(shè)備的精確控制，工作效率得到了顯著提升，同時(shí)處理質(zhì)量也更加穩(wěn)定可靠。系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控功能準(zhǔn)確地掌握處理過程中各項(xiàng)數(shù)據(jù)和狀態(tài)，為操作人員提供了極大便利，從而可做出更加科學(xué)的決策。

[關(guān)鍵詞]工業(yè)除鹽水；控制系統(tǒng)；Wincc；PLC；博圖

[中圖分類號(hào)]TP273 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A [文章編號(hào)]2095–6487（2024）06–0015–05

Application of Automatic Control in Industrial Demineralized Water Engineering Based on Wincc and PLC

YANG Zeyou

[Abstract]This paper discusses the application of Siemens Wincc and PLC in the automatic control of industrial debrine engineering from two parts： hardware design and software development， analyzes the production characteristics of industrial debrine（industrial water reuse） process， and designs a complete control system combined with control instructions. Through the precise control of the automation equipment， the work efficiency is significantly improved， while the processing quality is more stable and reliable. The real-time monitoring function of the system can accurately grasp the data and status of the processing process， which provides great convenience for the operator， so that more scientific decisions can be made.

[Keywords]industrial demineralized water； control system； Wincc； PLC； Botou

1 工業(yè)除鹽水功能配置

1.1 工藝流程

工業(yè)除鹽水系統(tǒng)涵蓋多個(gè)關(guān)鍵組成部分，包括：①原水池。用于儲(chǔ)存未經(jīng)處理的原水。原水可能包含各種雜質(zhì)、顆粒物和溶解物，需要進(jìn)一步處理。②提升泵房。通過水泵將原水從原水池提升到后續(xù)的處理系統(tǒng)中。這是因?yàn)楹罄m(xù)的處理設(shè)備通常需要在一定的水壓下進(jìn)行工作。③多介質(zhì)系統(tǒng)。其為一種過濾系統(tǒng)，通過多層不同材質(zhì)的介質(zhì)（如砂、礫石、活性炭等）去除原水中的懸浮物、顆粒物及某些有機(jī)物。④超濾系統(tǒng)。其采用膜分離技術(shù)，用于去除水中的大分子有機(jī)物、膠體、微生物等。超濾膜的孔徑較小，可有效截留這些雜質(zhì)。⑤反滲透系統(tǒng)。反滲透是除鹽水系統(tǒng)中的核心技術(shù)之一，其利用半透膜的原理，在高壓下使水分子通過膜而阻止溶解鹽和其他雜質(zhì)通過，從而得到高純度的水。⑥混床系統(tǒng)?；齑餐ǔＶ鸽x子交換床，其中混合了陽離子交換樹脂和陰離子交換樹脂。通過離子交換，混床可進(jìn)一步去除水中的離子態(tài)雜質(zhì)，提高水質(zhì)。⑦加藥系統(tǒng)。該系統(tǒng)用于向水中加入特定的化學(xué)藥劑，以調(diào)節(jié)水的pH值，抑制微生物生長或去除特定雜質(zhì)。加藥是確保水質(zhì)穩(wěn)定和延長處理設(shè)備使用壽命的重要措施。

根據(jù)上述情況，設(shè)計(jì)了工業(yè)除鹽水整體工藝流程，確保了原水經(jīng)過逐步處理后，最終得到符合工業(yè)應(yīng)用要求的高純度除鹽水。工業(yè)除鹽水整體工藝流程圖示意如圖1所示。

1.2 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

選用西門子S7-1500PLC及4個(gè)遠(yuǎn)程站ET200SPPN與成套設(shè)備自帶的S7-1200PLC組成控制系統(tǒng)，上位機(jī)選用Wincc作為組態(tài)監(jiān)控軟件。PLC控制系統(tǒng)與Wincc的結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了控制技術(shù)的深度整合與應(yīng)用。PLC具有強(qiáng)大的邏輯控制、數(shù)據(jù)處理、通信功能等，其能夠根據(jù)組態(tài)好的程序，對(duì)生產(chǎn)過程中的各種設(shè)備進(jìn)行精確的控制和調(diào)節(jié)，確保生產(chǎn)過程的穩(wěn)定性和高效性。而Wincc上位機(jī)系統(tǒng)，作為西門子的人機(jī)界面軟件，為PLC控制系統(tǒng)提供了直觀、友好的操作界面。操作人員可通過Wincc實(shí)時(shí)監(jiān)控設(shè)備的生產(chǎn)數(shù)據(jù)、運(yùn)行狀態(tài)及報(bào)警信息，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)生產(chǎn)過程的全面掌控。同時(shí)，Wincc還支持多種數(shù)據(jù)采集和處理方法，包括數(shù)據(jù)庫、文件記錄和報(bào)表生成等，為生產(chǎn)過程的優(yōu)化和改進(jìn)提供了有力支持。工業(yè)除鹽水自控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

1.3 低壓控制柜電氣原理

低壓控制柜及其電氣原理圖是電氣系統(tǒng)中的重要部分。其中，動(dòng)力柜通常包含電源進(jìn)線、斷路器、保護(hù)裝置（電機(jī)綜保、變頻器）、接觸器、繼電器等元件，用于實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)設(shè)備的供電和控制。通過電氣原理圖，可清晰地看到各元件間的連接關(guān)系和控制邏輯，這對(duì)于系統(tǒng)的安裝、調(diào)試和維護(hù)都非常重要。

2 PLC系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 PLC系統(tǒng)組態(tài)

選用1臺(tái)S7-1515PLC加4個(gè)ET200SP遠(yuǎn)程站的模式組成PLC核心控制系統(tǒng)。上位機(jī)安裝博圖V15.1編程軟件，打開軟件，新建一個(gè)項(xiàng)目，設(shè)置項(xiàng)目名稱、路徑和版本控制等參數(shù)；在項(xiàng)目中添加所需的硬件組件，如ET200SP（遠(yuǎn)程站通訊模塊）、IO模塊等。配置硬件的屬性和參數(shù)，如地址、通信協(xié)議等。使用博途集成的編程環(huán)境（如SCL、STL、LAD等）編寫PLC的程序邏輯，本項(xiàng)目使用LAD語言編程。編寫函數(shù)塊、數(shù)據(jù)塊等，定義變量、常量和程序結(jié)構(gòu)。在仿真模式下運(yùn)行程序，檢查邏輯是否正確，使用調(diào)試工具對(duì)程序進(jìn)行單步跟蹤、變量監(jiān)視等，在實(shí)際硬件上進(jìn)行測(cè)試，驗(yàn)證程序的可靠性和穩(wěn)定性，建立硬件之間的連接，完成所有設(shè)備編程下載至CPU，程序循環(huán)掃描過程如圖3所示。

2.2 PLC主站系統(tǒng)設(shè)計(jì)

PLC主站系統(tǒng)中的低壓控制柜內(nèi)電機(jī)綜合保護(hù)器、變頻器、電能表等數(shù)據(jù)采用Modbus-585通訊方式接入PLC系統(tǒng)中的Modbus模塊，CPU程序處理后至中控室上位機(jī)顯示。CPU與總廠計(jì)算機(jī)系統(tǒng)通訊，將數(shù)據(jù)發(fā)送至總控用于生產(chǎn)數(shù)據(jù)分析。

PLC主站還負(fù)責(zé)對(duì)提升泵房、過濾器、超濾系統(tǒng)、反滲透系統(tǒng)、混床系統(tǒng)、加藥系統(tǒng)等生產(chǎn)工藝環(huán)節(jié)的控制，包括對(duì)所有儀器儀表進(jìn)行數(shù)據(jù)采集等。

2.3 遠(yuǎn)程站系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1號(hào)遠(yuǎn)程站主要用于收集多介質(zhì)過濾器系統(tǒng)的氣動(dòng)閥、液位、壓力、流量等設(shè)備的IO信號(hào)，經(jīng)ET200SP通訊模塊將IO信號(hào)傳輸至主站，同時(shí)接收主站發(fā)開的啟停設(shè)備信號(hào)。

2號(hào)遠(yuǎn)程站主要用于收集多超濾系統(tǒng)的氣動(dòng)閥、液位、壓力、流量、PH等設(shè)備的IO信號(hào)。

3號(hào)遠(yuǎn)程站主要用于收集反滲透及混床系統(tǒng)的高壓泵、氣動(dòng)閥、液位、壓力、流量、PH、電導(dǎo)率、電阻率等設(shè)備的IO信號(hào)。

4號(hào)遠(yuǎn)程站主要用于收集加藥系統(tǒng)的加藥泵、氣動(dòng)閥、液位、等設(shè)備的IO信號(hào)。

2.4 多介質(zhì)過濾器的控制

多介質(zhì)過濾器與原水池超聲波液位計(jì)、多介質(zhì)過濾器產(chǎn)水池超聲波液位計(jì)、提升泵房提升泵、反洗泵有聯(lián)動(dòng)關(guān)系。當(dāng)PLC檢測(cè)到原水池液位大于設(shè)定的中液位及多介質(zhì)過濾器產(chǎn)水池低于低液位時(shí)，控制系統(tǒng)依次開啟多介質(zhì)過濾器出水閥、進(jìn)水閥、開啟提升泵、排氣閥（30 s后關(guān)閉排氣閥），過濾器投運(yùn)完畢；當(dāng)PLC檢測(cè)到原水池液位低于設(shè)定的低液位或多介質(zhì)過濾器產(chǎn)水池高于高液位時(shí)，停提升泵、關(guān)過濾器。

多介質(zhì)過濾器累計(jì)運(yùn)行24 h（可調(diào)）后需進(jìn)行一次常規(guī)反洗。多介質(zhì)過濾器控制方式流程如圖4所示。

當(dāng)多套過濾器同時(shí)運(yùn)行時(shí)（如4用1備），其中一臺(tái)過濾器反洗條件達(dá)到，進(jìn)入反洗程序時(shí)，備用過濾器自動(dòng)投入運(yùn)行，并依次輪換，始終保持至少5臺(tái)處于運(yùn)行，確保產(chǎn)水量，反沖洗后的過濾器進(jìn)入備用狀態(tài)。當(dāng)運(yùn)行的提升泵發(fā)生故障時(shí)，備用提升泵（處于自動(dòng)狀態(tài)）自動(dòng)投入運(yùn)行，故障信號(hào)發(fā)送至PLC控制站，中央控制室上位機(jī)操作界面彈出報(bào)警提示窗口及語音報(bào)警信號(hào)，提示操作人員及時(shí)處理。

2.5 超濾設(shè)備的控制

一般超濾主機(jī)含6個(gè)氣動(dòng)閥，分別是進(jìn)水閥、產(chǎn)水閥、反洗進(jìn)水閥、反洗上排閥、反洗下排閥、進(jìn)氣氣動(dòng)閥；電機(jī)包含供水泵、反洗泵、加酸計(jì)量泵、加堿計(jì)量泵；儀表包含流量計(jì)、壓力變送器、PH儀等。超濾工作模式分為制水、常規(guī)反洗、維護(hù)性清洗（加酸或家堿洗），控制邏輯如圖5所示。

（1）超濾制水程序。設(shè)計(jì)4套超濾設(shè)備，工作臺(tái)套數(shù)根據(jù)后續(xù)水處理設(shè)備的用水量情況，可全部開啟4套超濾。超濾設(shè)備運(yùn)行與停運(yùn)閥門開啟順序如下：當(dāng)超濾產(chǎn)水池到達(dá)中液位后，開啟超濾產(chǎn)水閥、進(jìn)水閥（5 s），開啟供水泵，超濾投運(yùn)完畢。當(dāng)超濾產(chǎn)水池到達(dá)高液位或收到停運(yùn)信號(hào)后，同時(shí)關(guān)閉供水泵、超濾產(chǎn)水閥、超濾進(jìn)水閥，超濾停運(yùn)完畢。多套設(shè)備投運(yùn)與停運(yùn)的閥門開啟順序與單套開啟的程序相同。

（2）超濾常規(guī)反洗程序。當(dāng)1套超濾裝置運(yùn)行完成一個(gè)過濾周期后，則按順序依次進(jìn)行自動(dòng)沖洗，同時(shí)按順序啟動(dòng)另外1套備用的超濾系統(tǒng)，自動(dòng)沖洗的超濾系統(tǒng)清洗完成后進(jìn)入備用狀態(tài)。如果4套超濾裝置同時(shí)運(yùn)行，當(dāng)其中1套或多套超濾裝置運(yùn)行完成一個(gè)過濾周期后，則按到達(dá)順序依次進(jìn)行反洗，反洗結(jié)束后投入運(yùn)行。超濾裝置每運(yùn)行一個(gè)周期（30～60 min）后，都要進(jìn)行一次常規(guī)反洗，常規(guī)反洗包括反洗、氣洗、正洗。

（3）超濾化學(xué)反洗程序。每套超濾運(yùn)行一段時(shí)間后，超濾膜會(huì)出現(xiàn)物堵，維護(hù)性清洗通常在反洗水中加入化學(xué)藥劑以提高反洗效率。每套超濾裝置都有加藥反洗的設(shè)定，計(jì)數(shù)單位為過濾周期。超濾化學(xué)反洗程序控制邏輯見表1。

2.6 反滲透裝置的控制

反滲透裝置由設(shè)備內(nèi)反滲透膜、增壓泵、高壓泵、氣動(dòng)閥、儀表等組成。自動(dòng)運(yùn)行根據(jù)反滲透裝置設(shè)置的參數(shù)先啟動(dòng)增壓泵，當(dāng)高壓泵前壓力高于0.2 MPa（可調(diào)）后，啟動(dòng)高壓泵，相應(yīng)的加藥設(shè)備自動(dòng)投入運(yùn)行。反滲透產(chǎn)水池達(dá)到H液位后（5 m，可調(diào)），正在運(yùn)行的所有反滲透裝置相關(guān)設(shè)備全部停運(yùn)，即增壓泵、高壓泵、相關(guān)的加藥設(shè)備全部停止運(yùn)行。

（1）定時(shí)濃水大流量排放。反滲透進(jìn)入正常運(yùn)行后，除正常連續(xù)排濃外，每隔40 min，反滲透裝置濃水排放氣動(dòng)閥打開一次，濃水大流量排放1～2 min（暫定2min，可調(diào)）。

（2）停運(yùn)淡水沖洗。反滲透裝置停運(yùn)后（10 s），沖洗泵啟動(dòng)，沖洗進(jìn)水氣動(dòng)閥、濃水排放氣動(dòng)閥同時(shí)開啟。使用反滲透產(chǎn)品水對(duì)反滲透膜組件自動(dòng)沖洗5min（可調(diào)），以避免濃水中的高濃度鹽類在膜表面沉積結(jié)垢而影響膜的性能。5 min后自動(dòng)停止沖洗，進(jìn)入備用狀態(tài)。如多套反滲透裝置均需進(jìn)行淡水沖洗，則依次進(jìn)行。反滲透系統(tǒng)制水及淡水沖洗控制方式流程如圖6所示。

2.7 混床設(shè)備的控制

混合離子交換器依照自動(dòng)程序運(yùn)行。根據(jù)生產(chǎn)需要可單臺(tái)運(yùn)行，也可4套同時(shí)運(yùn)行。程序運(yùn)行及停機(jī)信號(hào)受除鹽水箱液位控制?；齑蚕到y(tǒng)制水及再生控制方式流程如圖7所示。當(dāng)除鹽水箱M液位時(shí)（1.5 m，可調(diào)），系統(tǒng)根據(jù)設(shè)定的臺(tái)數(shù)自動(dòng)啟動(dòng)混床供水泵及相關(guān)的氣動(dòng)閥門，同時(shí)在線儀表將信號(hào)上傳，可就地觀測(cè)、記錄數(shù)據(jù)。當(dāng)除鹽水箱H液位（5.5 m，可調(diào)）時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)停止混床供水泵及相關(guān)氣動(dòng)閥門，混床制水停止。當(dāng)混床出水連續(xù)10 min電阻率小于5 MΩ？cm時(shí)，設(shè)備自動(dòng)停止運(yùn)行，啟動(dòng)再生程序并報(bào)警。

3 Wincc組態(tài)及畫面開發(fā)

根據(jù)工藝PID流程圖、PLC系統(tǒng)的IO表、博圖編寫的PLC程序及組態(tài)的相關(guān)信息等數(shù)據(jù)，完成Wincc組態(tài)，主要包括以下幾個(gè)步驟：①打開Wincc軟件并新建一個(gè)項(xiàng)目，設(shè)置項(xiàng)目名稱、存儲(chǔ)路徑等相關(guān)信息；②在項(xiàng)目的左側(cè)，右鍵打開變量管理器，在變量管理器中添加驅(qū)動(dòng)程序（SIMATIC S7 1500，本項(xiàng)目選擇）；③新建連接，并在新連接上設(shè)置連接參數(shù)，例如，PLC的IP地址，訪問點(diǎn)名稱等需要在對(duì)話框中設(shè)置相應(yīng)的參數(shù)，并新建變量，這些變量將對(duì)應(yīng)PLC中的特定地址；④在項(xiàng)目管理器中新建畫面，畫面名稱可根據(jù)需要進(jìn)行修改，在新建的畫面中，可插入各種元素，如I/O域，用于顯示或修改變量的值，同時(shí)，也可插入控件，如Wincc 報(bào)警控件、報(bào)表控件等，用于直觀地查看電機(jī)的速度等參數(shù)；⑤在建立連接后，需要設(shè)置連接系統(tǒng)參數(shù)，確保在【訪問點(diǎn)】的邏輯設(shè)備名稱與設(shè)置PG/PC接口里的接入訪問點(diǎn)一致，若PG/PC中沒有該接入訪問點(diǎn)，則需要新建一個(gè)。

完成上述所有步驟后，可激活運(yùn)行系統(tǒng)。若通訊成功，那么在畫面中的I/O域?qū)⒛軌蝻@示對(duì)應(yīng)變量的實(shí)時(shí)值。項(xiàng)目激活后，可診斷連接狀態(tài)，出現(xiàn)綠鉤，則表示連接正常。

4 結(jié)束語

文章通過使用1500PLC、博圖編程軟件及Wincc軟件，成功組建了一套高效的除鹽水控制系統(tǒng)。通過合理的硬件配置和軟件設(shè)計(jì)，確保了系統(tǒng)能夠長時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行，并具備較高的容錯(cuò)能力。同時(shí)，還預(yù)留了足夠的擴(kuò)展接口和功能模塊，以便在未來根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行系統(tǒng)的升級(jí)和擴(kuò)展。在實(shí)際應(yīng)用中，該除鹽水控制系統(tǒng)表現(xiàn)出了優(yōu)異的性能。

參考文獻(xiàn)

[1] 崔堅(jiān).SIMATIC S7-1500與TIA博途軟件使用指南[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2020.