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鄉(xiāng)鎮(zhèn)自來水廠PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
引言
我國總體上是一個水資源匱乏的國家，在發(fā)展供水事業(yè)的同時也要考慮節(jié)約用水，提高水資源利用率，特別是目前我國的城鎮(zhèn)供水在水質(zhì)處理、工藝設(shè)施和管網(wǎng)建設(shè)上，與發(fā)達(dá)國家相比還有一定差距，因此有必要提高城鎮(zhèn)水廠的自動化程度。水廠自動化的主要目的不僅是節(jié)省勞動力，更主要的是實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)、高效率的供水保證。生產(chǎn)過程的自動檢測、調(diào)整、控制和事故報警可保證設(shè)備在規(guī)定狀態(tài)下運(yùn)行，防范事故于未然，實(shí)現(xiàn)不間斷的供水；投藥、過濾、消毒等工藝過程實(shí)施閉環(huán)控制，可以隨著水量、水質(zhì)的變化及時調(diào)整工藝參數(shù)，保證出水水質(zhì)達(dá)標(biāo)；出廠水壓自動調(diào)整，能保證穩(wěn)定的服務(wù)水壓，減少爆管和漏失水量；生產(chǎn)過程的優(yōu)化運(yùn)行可以大大減少水、氣、電和各種藥劑的浪費(fèi)，達(dá)到低耗。
本文介紹的自來水廠自動化系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)對各水處理設(shè)備和生產(chǎn)過程的自動監(jiān)控，達(dá)到“現(xiàn)場無人值守、控制中心少人值班”的自動化程度。本設(shè)計(jì)的控制過程主要完成加礬、加氯量的調(diào)節(jié)，通過可編程邏輯控制器PLC來實(shí)現(xiàn)。具體如下：收集傳感器對壓力、流量、濁度、余氯、PH值數(shù)據(jù)的采集，具體包括壓力值、取水口流量、出水口流量、取水口濁度、沉淀池濁度、出水口濁度、沉淀池余氯、出水口余氯、PH值傳送給PLC，PLC根據(jù)數(shù)字顯示，通過控制加氯儀和投礬儀的開關(guān)來實(shí)現(xiàn)自來水的消毒與凈化。PLC實(shí)時監(jiān)測上述9路輸入的信號，并把信號傳給工控機(jī)，通過組態(tài)軟件實(shí)時顯示、報警、控制操作和實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)管理。用于生產(chǎn)管理的計(jì)算機(jī)根據(jù)PLC上傳的各儀表所檢測到的數(shù)據(jù)，結(jié)合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，經(jīng)過分析后，將結(jié)果下傳給PLC，終控制加礬、加氯。
1 系統(tǒng)介紹
系統(tǒng)包括中控室、取水井、加礬加氯間、反應(yīng)池、過濾池、清水池、送水泵房、管網(wǎng)等各環(huán)節(jié)組成，各子系統(tǒng)由PLC站控制，中控室有2臺分別用于生產(chǎn)管理與監(jiān)控的算機(jī)，中控計(jì)算機(jī)可實(shí)時顯示各PLC單元控制的儀表、機(jī)電、加礬、加氯設(shè)備和濾池在內(nèi)的工作情況，可對系統(tǒng)的所有設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程操作和控制。PLC接收流量、濁度、壓力無線遠(yuǎn)傳信號，控制加氯、加礬量；管理計(jì)算機(jī)用于顯示、存儲視頻信號，以便于管理。
本系統(tǒng)能實(shí)時顯示流量值、濁度值、壓力值以及pH值，還能根據(jù)濁度調(diào)節(jié)加礬量，能在很短的時間內(nèi)將濁度維持在2到5之間，能顯示漏水以及安全報警。
整個系統(tǒng)分為三部分：水質(zhì)監(jiān)測控制系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、管網(wǎng)壓力無線遠(yuǎn)傳系統(tǒng)。
水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)主要由信息采集、信息分析、信息管理與反饋三部分組成。其中信息采集部分由流量檢測儀、濁度檢測儀、余氯分析儀、pH檢測儀、壓力變送器組成；信息分析部分由PLC可編程控制器組成；信息管理與反饋部分由組態(tài)軟件MCGS、工控機(jī)組成。
視頻監(jiān)控系統(tǒng)由前端攝像、信號傳輸、圖像處理、顯示和記錄四部分組成。前端攝像：負(fù)責(zé)攝取現(xiàn)場的畫面并將圖像信號轉(zhuǎn)變?yōu)榭蓚鬏數(shù)碾娦盘枺〝z像機(jī)、鏡頭、防護(hù)罩、支架等；信號傳輸：用于傳送現(xiàn)場的視頻信號，包括解碼器、視頻電纜、圖像采集卡等；圖像處理：集中接收和處理現(xiàn)場發(fā)送回來的各種信號，并進(jìn)行相應(yīng)的控制和管理工作；顯示和記錄：將前端設(shè)備傳回的視頻信號轉(zhuǎn)化為圖像信號并顯示和記錄，主要包括顯示器和大容量硬盤兩部分。
管網(wǎng)壓力無線遠(yuǎn)傳系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集設(shè)備、數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備、數(shù)據(jù)接收設(shè)備三大部分組成。數(shù)據(jù)采集設(shè)備是壓力變送器；數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備是無線網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)換器；數(shù)據(jù)接收設(shè)備是對接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲和管理，將實(shí)時數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)傳送給電腦軟件系統(tǒng)。
2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)
根據(jù)PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則，本自來水廠自動控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)包括：PLC的選型；PLC控制梯形圖的軟件設(shè)計(jì)；上位機(jī)通信的設(shè)計(jì)。
2.1 PLC的選型
根據(jù)控制系統(tǒng)參數(shù)對PLC模擬量、數(shù)字量I/O點(diǎn)數(shù)、性質(zhì)的要求，以及系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則，綜合考慮各I/O點(diǎn)的電壓、電流的性質(zhì)，PLC選擇S7—200系列，其CPU單元為CPU226，本機(jī)數(shù)字量I/O是24/16點(diǎn)，所以要對其進(jìn)行模擬量模塊的擴(kuò)展，選擇了3個輸入模擬量擴(kuò)展模塊EM23l，根據(jù)信號的大小、分布情況，對各I/O點(diǎn)進(jìn)行分組分配。
2.2 PLC控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
控制過程主要完成加礬、加氯量的調(diào)節(jié)，通過PLC來實(shí)現(xiàn)。基本控制過程是PLC實(shí)時監(jiān)測整個水處理過程中的9路工藝信號，一方面把信號傳給工控機(jī)，通過組態(tài)軟件實(shí)時顯示出來。另一方面主要根據(jù)各點(diǎn)的實(shí)時輸入信號，控制調(diào)節(jié)加藥量大小，保持成品水質(zhì)，達(dá)到自動控制水質(zhì)的目的。具體控制是保證自來水廠出水口濁度在2到5之間的前提下，盡量節(jié)省用礬量。對投礬儀的控制主要是通過PLC控制電動調(diào)節(jié)閥開口大小，電動調(diào)節(jié)閥控制電流為4～20mA。其中4mA對應(yīng)電動調(diào)節(jié)閥關(guān)閉狀態(tài)，20mA對應(yīng)電動調(diào)節(jié)閥開啟。
基本控制思路是濁度控制分粗調(diào)和細(xì)調(diào)兩步，先根據(jù)取水濁度初步?jīng)Q定調(diào)節(jié)輸出范圍，再根據(jù)成品水濁度進(jìn)行精細(xì)調(diào)節(jié)確定加藥量，保證成品水質(zhì)。若取水口濁度大于50，電動調(diào)節(jié)閥開啟到大，PLC控制輸出20mA電流；若取水口濁度大于30小于等于50，電動調(diào)節(jié)閥門開啟75%,PLC控制輸出16mA電流；若取水口濁度大于15小于等于30，電動調(diào)節(jié)閥門開啟50%,PLC控制輸出12mA電流；若取水口濁度大于5小于等于15，電動調(diào)節(jié)閥門開啟25%,PLC控制輸出8mA電流；若取水口濁度大于2小于等于5，電動調(diào)節(jié)閥門開啟為10%,PLC控制輸出5.6mA電流。在以上初步設(shè)定范圍內(nèi)，再判斷沉淀池濁度，當(dāng)沉淀池濁度大于5時，增大電動調(diào)節(jié)閥的開啟度，PLC的控制輸出電流增大；當(dāng)沉淀池的濁度小于2時，減小電動調(diào)節(jié)閥的開啟度，PLC的控制輸出電流減小。
工控機(jī)是整個系統(tǒng)的監(jiān)控中心，該控制系統(tǒng)采用“工控機(jī)+PLC”模式，用于生產(chǎn)管理的計(jì)算機(jī)，根據(jù)PLC上傳的各儀表所檢測到的數(shù)據(jù)，結(jié)合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，經(jīng)過分析后，將結(jié)果下傳給PLC，后由PLC控制如加礬、加氯，根據(jù)管壓信號控制水流量。監(jiān)控計(jì)算機(jī)主要是通過顯示、存儲接收到的視頻信號來保證水廠安全，以便于管理，并可自動生成各監(jiān)測點(diǎn)數(shù)據(jù)歷史曲線，方便用戶查看。
系統(tǒng)設(shè)計(jì)的目標(biāo)是上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)提供一個友好的人機(jī)交互平臺，作為工作人員方便直觀地監(jiān)控系統(tǒng)的運(yùn)行情況。包括以下功能：實(shí)時顯示壓力、取水口流量、出水口流量、取水口濁度、沉淀池濁度、出水口濁度、沉淀池余氯、出水口余氯、pH值，并形成歷史曲線；出水口濁度報警和出水口余氯報警；廠區(qū)安全監(jiān)控及視頻存儲。
3 結(jié)束語
本文通過分析國內(nèi)外凈水廠及其計(jì)算機(jī)自動控制系統(tǒng)現(xiàn)狀的比較，針對水廠的控制要求設(shè)計(jì)了一套自動化控制系統(tǒng)。經(jīng)試驗(yàn)室調(diào)試和現(xiàn)場運(yùn)行試驗(yàn)，系統(tǒng)能很好地完成調(diào)節(jié)任務(wù)，不論取水濁度在哪個范圍系統(tǒng)都能在較短時間自動將加礬量調(diào)節(jié)到合適位置，保證成品水質(zhì)濁度在2～5的技術(shù)要求。其它通訊、顯示、操作、報警及歷史曲線等各項(xiàng)功能工作正常，均達(dá)到了客戶提出的系統(tǒng)要求。
參考文獻(xiàn)
[1] 張揚(yáng)，蔡春偉，孫明健．S7-200PLC原理與應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007，5（3）：133～160.
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[5] 廖常初．PLC梯形圖程序的設(shè)計(jì)方法與技巧[M]．電工技術(shù)．1998，10：59～65.
我國總體上是一個水資源匱乏的國家，在發(fā)展供水事業(yè)的同時也要考慮節(jié)約用水，提高水資源利用率，特別是目前我國的城鎮(zhèn)供水在水質(zhì)處理、工藝設(shè)施和管網(wǎng)建設(shè)上，與發(fā)達(dá)國家相比還有一定差距，因此有必要提高城鎮(zhèn)水廠的自動化程度。水廠自動化的主要目的不僅是節(jié)省勞動力，更主要的是實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)、高效率的供水保證。生產(chǎn)過程的自動檢測、調(diào)整、控制和事故報警可保證設(shè)備在規(guī)定狀態(tài)下運(yùn)行，防范事故于未然，實(shí)現(xiàn)不間斷的供水；投藥、過濾、消毒等工藝過程實(shí)施閉環(huán)控制，可以隨著水量、水質(zhì)的變化及時調(diào)整工藝參數(shù)，保證出水水質(zhì)達(dá)標(biāo)；出廠水壓自動調(diào)整，能保證穩(wěn)定的服務(wù)水壓，減少爆管和漏失水量；生產(chǎn)過程的優(yōu)化運(yùn)行可以大大減少水、氣、電和各種藥劑的浪費(fèi)，達(dá)到低耗。
本文介紹的自來水廠自動化系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)對各水處理設(shè)備和生產(chǎn)過程的自動監(jiān)控，達(dá)到“現(xiàn)場無人值守、控制中心少人值班”的自動化程度。本設(shè)計(jì)的控制過程主要完成加礬、加氯量的調(diào)節(jié)，通過可編程邏輯控制器PLC來實(shí)現(xiàn)。具體如下：收集傳感器對壓力、流量、濁度、余氯、PH值數(shù)據(jù)的采集，具體包括壓力值、取水口流量、出水口流量、取水口濁度、沉淀池濁度、出水口濁度、沉淀池余氯、出水口余氯、PH值傳送給PLC，PLC根據(jù)數(shù)字顯示，通過控制加氯儀和投礬儀的開關(guān)來實(shí)現(xiàn)自來水的消毒與凈化。PLC實(shí)時監(jiān)測上述9路輸入的信號，并把信號傳給工控機(jī)，通過組態(tài)軟件實(shí)時顯示、報警、控制操作和實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)管理。用于生產(chǎn)管理的計(jì)算機(jī)根據(jù)PLC上傳的各儀表所檢測到的數(shù)據(jù)，結(jié)合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，經(jīng)過分析后，將結(jié)果下傳給PLC，終控制加礬、加氯。
1 系統(tǒng)介紹
系統(tǒng)包括中控室、取水井、加礬加氯間、反應(yīng)池、過濾池、清水池、送水泵房、管網(wǎng)等各環(huán)節(jié)組成，各子系統(tǒng)由PLC站控制，中控室有2臺分別用于生產(chǎn)管理與監(jiān)控的算機(jī)，中控計(jì)算機(jī)可實(shí)時顯示各PLC單元控制的儀表、機(jī)電、加礬、加氯設(shè)備和濾池在內(nèi)的工作情況，可對系統(tǒng)的所有設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程操作和控制。PLC接收流量、濁度、壓力無線遠(yuǎn)傳信號，控制加氯、加礬量；管理計(jì)算機(jī)用于顯示、存儲視頻信號，以便于管理。
圖1.1是水廠自動化控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖。本設(shè)計(jì)將以此為藍(lán)本，結(jié)合農(nóng)村中大型自來水廠的具體情況及客戶要求，設(shè)計(jì)出合適的方案。
本系統(tǒng)能實(shí)時顯示流量值、濁度值、壓力值以及pH值，還能根據(jù)濁度調(diào)節(jié)加礬量，能在很短的時間內(nèi)將濁度維持在2到5之間，能顯示漏水以及安全報警。
下圖是鄉(xiāng)鎮(zhèn)水廠自動化控制界面。
整個系統(tǒng)分為三部分：水質(zhì)監(jiān)測控制系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、管網(wǎng)壓力無線遠(yuǎn)傳系統(tǒng)。
水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)主要由信息采集、信息分析、信息管理與反饋三部分組成。其中信息采集部分由流量檢測儀、濁度檢測儀、余氯分析儀、pH檢測儀、壓力變送器組成；信息分析部分由PLC可編程控制器組成；信息管理與反饋部分由組態(tài)軟件MCGS、工控機(jī)組成。
視頻監(jiān)控系統(tǒng)由前端攝像、信號傳輸、圖像處理、顯示和記錄四部分組成。前端攝像：負(fù)責(zé)攝取現(xiàn)場的畫面并將圖像信號轉(zhuǎn)變?yōu)榭蓚鬏數(shù)碾娦盘枺〝z像機(jī)、鏡頭、防護(hù)罩、支架等；信號傳輸：用于傳送現(xiàn)場的視頻信號，包括解碼器、視頻電纜、圖像采集卡等；圖像處理：集中接收和處理現(xiàn)場發(fā)送回來的各種信號，并進(jìn)行相應(yīng)的控制和管理工作；顯示和記錄：將前端設(shè)備傳回的視頻信號轉(zhuǎn)化為圖像信號并顯示和記錄，主要包括顯示器和大容量硬盤兩部分。
管網(wǎng)壓力無線遠(yuǎn)傳系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集設(shè)備、數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備、數(shù)據(jù)接收設(shè)備三大部分組成。數(shù)據(jù)采集設(shè)備是壓力變送器；數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備是無線網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)換器；數(shù)據(jù)接收設(shè)備是對接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲和管理，將實(shí)時數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)傳送給電腦軟件系統(tǒng)。
2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)
根據(jù)PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則，本自來水廠自動控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)包括：PLC的選型；PLC控制梯形圖的軟件設(shè)計(jì)；上位機(jī)通信的設(shè)計(jì)。
2.1 PLC的選型
根據(jù)控制系統(tǒng)參數(shù)對PLC模擬量、數(shù)字量I/O點(diǎn)數(shù)、性質(zhì)的要求，以及系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則，綜合考慮各I/O點(diǎn)的電壓、電流的性質(zhì)，PLC選擇S7—200系列，其CPU單元為CPU226，本機(jī)數(shù)字量I/O是24/16點(diǎn)，所以要對其進(jìn)行模擬量模塊的擴(kuò)展，選擇了3個輸入模擬量擴(kuò)展模塊EM23l，根據(jù)信號的大小、分布情況，對各I/O點(diǎn)進(jìn)行分組分配。
2.2 PLC控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
控制過程主要完成加礬、加氯量的調(diào)節(jié)，通過PLC來實(shí)現(xiàn)。基本控制過程是PLC實(shí)時監(jiān)測整個水處理過程中的9路工藝信號，一方面把信號傳給工控機(jī)，通過組態(tài)軟件實(shí)時顯示出來。另一方面主要根據(jù)各點(diǎn)的實(shí)時輸入信號，控制調(diào)節(jié)加藥量大小，保持成品水質(zhì)，達(dá)到自動控制水質(zhì)的目的。具體控制是保證自來水廠出水口濁度在2到5之間的前提下，盡量節(jié)省用礬量。對投礬儀的控制主要是通過PLC控制電動調(diào)節(jié)閥開口大小，電動調(diào)節(jié)閥控制電流為4～20mA。其中4mA對應(yīng)電動調(diào)節(jié)閥關(guān)閉狀態(tài)，20mA對應(yīng)電動調(diào)節(jié)閥開啟。
基本控制思路是濁度控制分粗調(diào)和細(xì)調(diào)兩步，先根據(jù)取水濁度初步?jīng)Q定調(diào)節(jié)輸出范圍，再根據(jù)成品水濁度進(jìn)行精細(xì)調(diào)節(jié)確定加藥量，保證成品水質(zhì)。若取水口濁度大于50，電動調(diào)節(jié)閥開啟到大，PLC控制輸出20mA電流；若取水口濁度大于30小于等于50，電動調(diào)節(jié)閥門開啟75%,PLC控制輸出16mA電流；若取水口濁度大于15小于等于30，電動調(diào)節(jié)閥門開啟50%,PLC控制輸出12mA電流；若取水口濁度大于5小于等于15，電動調(diào)節(jié)閥門開啟25%,PLC控制輸出8mA電流；若取水口濁度大于2小于等于5，電動調(diào)節(jié)閥門開啟為10%,PLC控制輸出5.6mA電流。在以上初步設(shè)定范圍內(nèi)，再判斷沉淀池濁度，當(dāng)沉淀池濁度大于5時，增大電動調(diào)節(jié)閥的開啟度，PLC的控制輸出電流增大；當(dāng)沉淀池的濁度小于2時，減小電動調(diào)節(jié)閥的開啟度，PLC的控制輸出電流減小。
下面是加礬細(xì)調(diào)網(wǎng)絡(luò)。取水口濁度大于50小于等于100,電動調(diào)節(jié)閥開啟到大，PLC控制輸出20 mA電流，同時參考成品水濁度，即沉淀池濁度。 具體控制方法是先根據(jù)進(jìn)水口濁度輸出粗調(diào)量，延時一定時間后，判斷沉淀池濁度，如果沉淀池濁度大于5，控制電流就在原值的基礎(chǔ)上增加一個單位，增大加礬電磁閥開度，大增加至全開，對應(yīng)輸出電流20mA；當(dāng)沉淀池濁度的值小于等于2時，控制電流就在原值的基礎(chǔ)上減小一個單位同時減小加礬電磁閥開度，小減小至全關(guān)，對應(yīng)輸出電流4 mA。終使沉淀池濁度保持在2和5之間。調(diào)節(jié)過程中輸出電流值和閥門返回實(shí)際開度值可通過組態(tài)軟件實(shí)時顯示。如果控制輸出值和閥門返回開度值相差超過一定范圍還可輸出故障報警。加礬細(xì)調(diào)網(wǎng)絡(luò)如圖2.1所示。
工控機(jī)是整個系統(tǒng)的監(jiān)控中心，該控制系統(tǒng)采用“工控機(jī)+PLC”模式，用于生產(chǎn)管理的計(jì)算機(jī)，根據(jù)PLC上傳的各儀表所檢測到的數(shù)據(jù)，結(jié)合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，經(jīng)過分析后，將結(jié)果下傳給PLC，后由PLC控制如加礬、加氯，根據(jù)管壓信號控制水流量。監(jiān)控計(jì)算機(jī)主要是通過顯示、存儲接收到的視頻信號來保證水廠安全，以便于管理，并可自動生成各監(jiān)測點(diǎn)數(shù)據(jù)歷史曲線，方便用戶查看。
系統(tǒng)設(shè)計(jì)的目標(biāo)是上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)提供一個友好的人機(jī)交互平臺，作為工作人員方便直觀地監(jiān)控系統(tǒng)的運(yùn)行情況。包括以下功能：實(shí)時顯示壓力、取水口流量、出水口流量、取水口濁度、沉淀池濁度、出水口濁度、沉淀池余氯、出水口余氯、pH值，并形成歷史曲線；出水口濁度報警和出水口余氯報警；廠區(qū)安全監(jiān)控及視頻存儲。
3 結(jié)束語
本文通過分析國內(nèi)外凈水廠及其計(jì)算機(jī)自動控制系統(tǒng)現(xiàn)狀的比較，針對水廠的控制要求設(shè)計(jì)了一套自動化控制系統(tǒng)。經(jīng)試驗(yàn)室調(diào)試和現(xiàn)場運(yùn)行試驗(yàn)，系統(tǒng)能很好地完成調(diào)節(jié)任務(wù)，不論取水濁度在哪個范圍系統(tǒng)都能在較短時間自動將加礬量調(diào)節(jié)到合適位置，保證成品水質(zhì)濁度在2～5的技術(shù)要求。其它通訊、顯示、操作、報警及歷史曲線等各項(xiàng)功能工作正常，均達(dá)到了客戶提出的系統(tǒng)要求。
參考文獻(xiàn)
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