自来水厂PLC控制系统设计

自来水厂PLC控制系统设计 摘 要 供水是一个关系国计民生的重要产业，随着我国改善人民生活条件、建设小康社会及提高劳动生产水平等目标的实现，对自来水水质的要求也越来越高。水处理厂计算机自动化控制系统是保证安全、连续、优质供水的措施。本文通过分析国内外已建水厂自动化控制系统的现状，结合工艺设备智能化的发展趋势，以及我国中小型水厂现状，设计了一套以PLC S7-200作为控制器的自来水自动控制系统，该系统能实时监测水质、取水流量、pH值、管网压力，监控厂区安全，自动控制投矾、加氯，还能自动存储历史数据。此系统不仅能降低能耗、节约成本、减少维修维护工作强度、提高管理水平、确保供水质量，还能推进我国给水工艺的发展，对减小与先进水平的差距都具有现实意义。通过运行情况表明，该系统功能齐全，性能稳定可靠，具有较强的实用性和推广价值。 关键词:PLC;自动化控制系统;上位机监控系统 目 录 1.引言„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„1 1.1 本课题的研究背景和意义 „„„„„„„„„„„„„„„„„„1 1.2 国内外水厂自动控制的现状 „„„„„„„„„„„„„„„„„1 1.3 本课题的主要研究的内容 „„„„„„„„„„„„„„„„„„2 1.4系统及仪器仪表说明„„„„„„„„„„„„„„„„„„3 2.PLC的概况及结构图 „„„„„„„„„„„„„„„„„„6 2.1 PLC的简介„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„6 2.2 PLC的工作原理„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„6 2.2.1自诊断测试扫描过程„„„„„„„„„„„„„„„„„„„6 2.2.2与网络进行通信的扫描过程„„„„„„„„„„„„„„„„6 2.2.3用户程序扫描过程 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„6 2.2.4读输入、写输出扫描过程„„„„„„„„„„„„„„„„6 2.3 PLC的结构图及其各部分的功能„„„„„„„„„„„„„„„„„7 2.3.1中央处理单元„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„7 2.3.2存储器„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„7 2.3.3输入单元„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„7 2.3.4输出单元„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„7 2.3.5电源„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„7 3.MCGS工控组态软件„„„„„„„„„„„„„„„„„8 3.1 MCGS组态软件简介 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„8 3.2 运用MCGS组态软件建立运行程序的过程 „„„„„„„„„„„„„9 4.PLC控制系统设计 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„12 4.1 PLC程序设计的步骤„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„12 4.2 S7-200PLC选型„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„13 4.3 控制过程设计 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„14 4.3.1 PLC控制自动加矾„„„„„„„„„„„„„„„„„„„14 4.3.2 PLC控制自动加氯„„„„„„„„„„„„„„„„„„„14 4.3.3 工控制单元 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„14 4.4 PLC编程„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„14 4.4.1 PLC控制系统工作流程„„„„„„„„„„„„„„„„„„14 4.4.2 西门子S7-200型PLC控制I/O分配表及中间变量分配表 „„„„15 4.4.3 西门子S7-200型PLC控制梯形图„„„„„„„„„„„„„16 4.5 程序调试„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„20 5. 总结 初级经济法重点总结下载党员个人总结TXt高中句型全总结.doc高中句型全总结.doc理论力学知识点总结pdf 与展望„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„24 参考文献„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„25 致谢 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„26 自来水厂PLC控制系统设计 1.引言 1.1 本课题的研究背景和意义 随着经济社会的发展，水对人民的生活与生产的影响日益突出，人们对供水的质量与安全可靠性的要求不断提高，同时也更加重视降低供水系统的能耗。加强供水系统工况的监测是一项重要而有效的节水降耗措施，因此加强水处理厂的各个工艺环节的自动监测与控制具有重要意义。我国城镇供水在改革开放的二十几年中得到了大发展与大提高。卫生部公布的《第三次国家卫生服务调查主要结果》显示，我国城市自来水普及率达到96,，农村自来水普及率为34,。因为我国总体上是一个水资源匮乏的国家，所以在发展供水事业的同时也要考虑节约用水，提高水资源利用率，特别是目前我国的城镇供水在水质处理、工艺设施和管网建设上，与发达国家相比还有一定差距，因此有必要提高城镇水厂的自动化程度。水厂自动化的主要目的不仅是节省劳动力，更主要的是实现可靠、优质、高效的供水保证。生产过程的自动检测、调整、控制和事故报警可保证设备在规定状态下运行，防范事故于未然，实现不间断的可靠供水;投药、过滤、消毒等工艺过程实施闭环控制，可以随着水量、水质的变化及时调整工艺参数，保证出水水质达标;出厂水压自动调整，能保证稳定的服务水压，减少爆管和漏失水量;生产过程的优化运行可以大大减少水、气、电和各种药剂的浪费，达到低耗高效。县镇水厂不同于大中型水厂，其供水规模较小、占地面积较小、日变化系数和时变化系数均较大，水厂技术力量较薄弱、管理水平较低、财力较为紧张等，这就决定了设计思路有别于大中型水厂，但又因其覆盖面广、数量众多，所以中、小型自来水厂的自动化控制系统研究有着广泛的前景。依靠现代化技术手段对生产过程进行控制和管理，提高设备 [1]的运行效率和可靠性，节省宝贵的水、电资源，是技术发展的必然趋势。 1.2 国内外水厂自动控制的现状 随着电子信息技术、计算机技术以及光电技术等相关学科的飞速发展，近10年来工业自动化在各个方面都发生了许多变化，包括自动化感应部件、各种检测传感器、变送器、各种间接测量设备、各种执行机构等等底层设备，以及自动回路调节器、自动控制单元、各种大中小型装置控制系统乃至综合优化调度与协调系统和企业综合管理信息系统等。有关控制系统的研究与应用也一直是现代工业生产中的重点工作之一，并且在控制理论和自动控制系统水平方面都发生了极大的变化。 1 现代水处理厂采用计算机控制技术日益普遍。欧美国家一些地方水处理厂已经用计算机进行数据记录和运行过程控制，甚至实现全自动化无人值守控制模式。如美国爱荷华水厂，在七十年代初开始研究微机自动控制水厂投加药剂，1975年应用直接数字式计算机控制自动加矾，运转一年就降低矾耗20%，并且提高了管理水平和稳定了水质。此外，俄罗斯的莫斯科水厂、日本东京朝霞水厂等也先后采用计算机自动控制系统进行控制。在厂区范围内设有若干台现场计算机，对整个水处理过程实现多环路控制，其中包括沉淀、过滤和反冲洗、化学药剂投放等。设在中心控制室内的计算机主机从各个现场计算机中搜集数据，并入提供图表 [2]显示、曲线、各个设备动作记录。 我国水处理行业采用自动控制系统起步较晚，七十年代才开始采用集中巡检，在检测设备与监视设备方面与国外有较大的差距。随着计算机技术，信息技术和自动控制技术的飞速发展，近年来我国从国外引进了一些先进设备和先进的处理工艺，国内的水处理自动控制水平有了较快发展。 由于历史现实的原因，我国水厂自动化的总体发展水平还不高，发展也不平衡。大中城市的水厂特别是发达地区的大型水厂，自动化程度较高，而小城市和城镇的水厂特别是落后地区的小型水厂，自动化程度较低，甚至还是空白。而且，在一些已实现自动化的水厂中，虽然其自动化系统和设备与其它行业如化工、电力等相比不差甚至更先进，但是，其功能并未充分发挥出来。有的自控系统从未运行过，一直处于闲置状态;有的运行一段时间后变为 [3]了手动，甚至处于瘫痪状态，造成了自动化系统和设备的极大浪费。 1.3 本课题的主要研究的内容 自来水厂自动化系统的总体要求是可靠地实现对各水处理设备和生产过程的自动监控，达到“现场无人值守、控制中心少人值班”的自动化程度。 针对以上要求，本系统设计遵循的原则如下: 先进性:系统的总体设计结构、软硬件选型、通信手段、开发方式，均应采用已被广泛长期应用和考验、实践证明属先进性的产品和方法，保证系统在建设投运以后在较长时间内具有“技术先进”的生命力。 开放性:选用符合国际标准的硬件设备和软件平台，便于二次开发和系统扩展升级。应用软件设计开发要组态方便，相关系统中留有相应的软件接口，使各类型数据得到很好的共享，便于进一步扩展。做到总体规划、统一标准，系统开放、信息共享，保证前期投资的有效性和后续投资的连续性。 经济实用性:系统建设要满足工艺要求，切合生产管理的实际情况，并为用户今后的使 2 用、维护及扩展升级考虑，具有高性价比。应根据工艺设备的控制条件、控制频率和控制重要性等因素框定控制范围，避免过分追求控制范围的扩大化，提高系统的实用性和经济性。 可靠性:考虑系统的抗干扰和防雷问题;采用冗余热备份技术，提高系统可靠性;考虑 [4]系统的网络安全性，使系统具有一定的抗入侵能力。 根据以上原则，本设计的控制过程主要完成加矾、加氯量的调节，通过可编程逻辑控制器PLC来实现。具体如下:收集传感器对压力、流量、浊度、余氯、PH值数据的采集，具体包括压力值、取水口流量、出水口流量、取水口浊度、沉淀池浊度、出水口浊度、沉淀池余氯、出水口余氯、PH值传送给PLC，PLC根据数字显示，通过控制加氯仪和投矾仪的开关来实现自来水的消毒与净化。 PLC实时监测上述9路输入的信号，并把信号传给工控机，通过组态软件实时显示、报警、控制操作和实现数据管理。 用于生产管理的计算机根据PLC上传的各仪表所检测到的数据，结合相关标准，经过分析后，将结果下传给PLC，最终控制加矾、加氯。 1.4 系统及仪器仪表说明 本系统包括中控室、取水井、加矾加氯间、反应池、过滤池、清水池、送水泵房、管网等各环节组成，各子系统由PLC站控制，中控室有2台分别用于生产管理与监控的算机，中控计算机可实时显示各PLC单元控制的仪表、机电、加矾、加氯设备和滤池在内的工作情况，可对系统的所有设备进行远程操作和控制。PLC接收流量、浊度、压力无线远传信号，控制加氯、加矾量;管理计算机用于显示、存储视频信号，以便于管理。 图1.1是水厂自动化控制系统总体结构图。本设计将以此为蓝本，结合农村中大型自来水厂的具体情况及客户要求，设计出最合适的 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 : 整个系统分为三部分:水质监测系统、视频监控系统、管网压力无线远传系统。 水质监测系统主要由信息采集、信息分析、信息管理与反馈三部分组成。其中信息采集部分由流量检测仪、浊度检测仪、余氯分析仪、pH检测仪、压力变送器组成;信息分析部分由PLC可编程控制器组成;信息管理与反馈部分由组态软件MCGS、工控机组成。 视频监控系统由前端摄像、信号传输、图像处理、显示和记录四部分组成。前端摄像:负责摄取现场的画面并将图像信号转变为可传输的电信号，包括摄像机、镜头、防护罩、支架等;信号传输:用于传送现场的视频信号，包括解码器、视频电缆、图像采集卡等;图像处理:集中接收和处理现场发送回来的各种信号，并进行相应的控制和管理工作;显示和记录:将前端设备传回的视频信号转化为图像信号并显示和记录，主要包括显示器和大容量硬 3 盘两部分。 管网压力无线远传系统主要由数据采集设备、数据传输设备、数据接收设备三大部分组成。数据采集设备是压力变送器;数据传输设备是无线网络转换器;数据接收设备是对接收到的数据进行存储和管理，将实时数据和历史数据传送给电脑软件系统。 仪器仪表的分布主要设置在三个地段:取水口处检测水源各项指标，保证最快地决策投矾量，避免由于延迟带来的投矾量误差;滤池后检测的各项指标起到反馈调节的作用，自动微调投矾加氯量，使整个系统成为一个闭环调节系统，保证实现最佳控制;在自来水出厂之前再对所有指标做一次检测，一方面这个数据上报管理机构存档，可以直接打印报表，另一方面是为防止特殊环境下清水池污染等突发事件发生时可以及时报警。 4 2. PLC的概况及结构图 2.1 PLC的简介 5 可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller)简称PLC，最初只能进行计数、定时及开关量的逻辑控制。随着计算机技术的发展，可编程逻辑控制器的功能不断扩展和完善，其功能远远超出了逻辑控制的范围，具有了PID、A\D、D\A、算术运算、数字量智能控制、监控、通信联网等多方面的功能，它已变成了实际意义上的一种工业控制计算机。PLC与通用计算机没有什么区别，只是一台增强了I/O功能的可与控制对象方便连接的计算机。其完成控制的实质是按一定算法进行I/O变换，并将这个变换实现，应用于工业现场。 [6]PLC的编程语言有梯形图语言、语句表语言、逻辑图语言、功能表语言和高级语言。本设计使用梯形图语言编程。 2.2 PLC的工作原理 PLC开始运行后，在系统程序的监控下周而复始地按照一定的顺序对系统内部的各种任务进行查询，判断和执行，这个过程实质上是按照巡回扫描的方式进行的。执行一次巡回扫描所需要的时间称作扫描周期。 PLC可被看作是在系统软件支持下的一种扫描设备。它一直周而复始地循环扫描并执行由系统软件规定好的任务。用户程序只是扫描周期的一个组成部分，用户程序不运行时，PLC也在扫描，只不过在一个周期中去除了用户程序和读输入、写输出这几部分内容。典型的PLC在一个周期中可完成以下几个扫描过程: 2.2.1自诊断测试扫描过程 为保证设备的可靠性，即使反应所出现的故障，PLC都具有自监视功能。 2.2.2与网络进行通信的扫描过程 一般小型系统没有这一扫描过程，配有网络的PLC系统才有通信扫描过程，这一过程用于PLC之间及PLC与上位计算机或终端设备之间的通信。 2.2.3用户程序扫描过程 机器处于正常运行状态下，每一个扫描周期内都包含该扫描过程。 2.2.4读输入、写输出扫描过程 在读输入阶段，CPU对各个输入端子进行扫描，通过输入电路将各输入点的状态锁入输入映像寄存器。在写输出阶段，将输出映像寄存器的状态集中锁定到输出锁存器，再经输出电路传递到输出端子。 2.3 PLC的结构图及其各部分的功能 PLC由中央处理单元，存储器，输入单元，输出单元，电源五部分组成。如图2.1所示。 6 图2.1 PLC的结构图 2.3.1中央处理单元(简称CPU) 1.组成:由控制器，运算器，寄存器组成。 2.作用:处理和运行用户程序，进行逻辑和数学运算，控制整个系统，使之协调工作。 2.3.2存储器 1.作用:存放系统程序，用户程序，逻辑变量和其它一些信息。 2.结构:由存储体，地址译码电路，读写控制电路，数据寄存器组成。 3.存储器的类型:ROM、RAM、EPROM、EEPROM。 2.3.3输入单元 1.作用:接收主令元件、检测元件传来的信号。 2.输入方式:数字量、模拟量。 3.输入类型:直流、交流、交直流。 2.3.4输出单元 1.作用:将中央处理器输出的弱电信号，转换成为现场需要的电平信号输出，驱动。 2.被控设备的执行元件。 3.输出类型:继电器输出、晶体管输出、晶闸管输出。 2.3.5电源 [7]1.作用:将交流电转换成PLC内部所需的直流电源，供PLC正常工作。 ,.MCGS工控组态软件 ,.1 MCGS工控组态软件简介 MCGS(Monitor and Control Generated System)是一套基于Windows平台的，用于快速构造和生成上位机监控系统的组态软件包，它为用户提供了从设备驱动、数据采集到数据处理、流程控制、动画显示、报表输出等解决实际工程问题的完整方案和操作工具。MCGS组态软 7 件具有多任务、多线程功能，其系统框架采用VC++编程，通过OLE技术向用户提供VB编程接口，提供丰富的设备驱动构件、动画构件、策略构件，用户可随时扩展系统的功能。 主要特点如下: 1.丰富的设备驱动程序，通过Active DLL把设备驱动挂接在系统中，配置简单、速度快、可靠性高。 2.强大的网络功能。MCGS强大的网络功能可把TCP/IP网、485/422/423网、Modem网结合在一起构成大型的监控系统和管理系统。 3.开放的OLE接口。MCGS以OLE自动化技术为基础的开放式扩充接口允许用户使用VB来快速编制各种设备驱动构件、动画构件和各种策略构件，通过OLE接口，用户可以方便地定制自己特定的系统。 系统结构图如图3.1所示。 图3.1 MCGS工控组态软件系统结构图 MCGS组态软件系统包括组态环境和运行环境两大部分，用户所有组态配置过程都是在组态环境中进行的，用户组态后可生成一个“组态结果数据库”文件。MCGS运行环境是一个独立的运行系统，它能按照“组态结果数据库”中的组态方式进行各种处理，完成用户组 [8]态设计的目标和功能。 系统整体框图如图3.2所示。 8 图3.2 MCGS系统整体框图 3.2 运用MCGS建立运行程序的过程 1.启动MCGS组态环境，建立工程项目。项目名称是云梦县倒店水厂自动化控制。 2.进行设备配置。设备配置的目的是实现上下位机通讯，即实现计算机与智能仪表之间的连接。通过设备窗口配置数据采集与控制输出设备，注册设备驱动程序，定义连接与驱动设备共用的数据变量。本控制系统中是实现计算机与PLC之间的连接。首先在“设备窗口”中通过设备工具箱完成设备组态，再双击“通用串口父设备0”进入通用串口父设备属性编辑界面，根据通讯要求和连接情况，完成通用串口父设备属性编辑界面中相关的参数设置，具体设置如图3.3 。 图3.3 通用串口设备属性编辑框 3.构造数据库。在实时数据库窗口建立新的数据库文件。要求与设备要求的数据库一致。该窗口定义不同类型和名称的变量。作为数据采集、处理、 9 [9]输出控制、动画连接及设备驱动的对象。实时数据库窗口如图3.4 。 图3.4 实时数据库窗口 4.制作图形画面，在用户窗口实现。主要用于设置工程中人机交互的界面。本控制系统是根据水厂控制的工艺要求以及需要显示的数据，设计人机交互的画面。下图是云梦县倒店水厂自动化控制界面。 10 图3.5 云梦县倒店水厂自动化控制图 5.在主控窗口建立新工程。主控窗口中可以放置一个设备窗口和多个用户窗口，负责调度和管理这些窗口的打开或关闭。主要的组态操作包括:定义工程的名称，编制工程菜单，设计封面图形，确定自动启动的窗口，设定动画刷新周期，指定数据库存盘文件名称及存盘时间等。 6.定义动画链接。动画链接是将动画与数据库变量建立联系，当数据库变量发生改变时动画就可以表现出来。即当水管中的水开始流动时，动画可以适时显示。 7.运行与调试。当以上步骤完成以后，先进行组态检查通过后就可以进入运行环境 [10]调试。 ,.PLC控制系统设计 11 ,.1 PLC程序设计的步骤 PLC程序设计一般分为以下几个步骤:程序设计前的准备工作，程序框图设计，程序调试。 1.程序设计前的准备工作 程序设计前的准备工作大致可分为三个方面: (1)了解系统概况，形成整体概念。这一步的工作主要是通过系统设计方案和软件规格说明书来了解控制系统的全部功能，控制规模，控制方式，输入和输出信号的种类和数量，是否有特殊功能接口，与其它设备的关系、通信内容与方式等。没有对整个控制系统的全面了解，就不能对各种控制设备之间的关联有真正的理解，编出的程序拿到现场去运行，肯定是问题百出，不能使用。 (2)熟悉被控制对象，编出高质量的程序。这一步的工作是通过熟悉生产工艺说明书和软件规格说明书来进行的。可把控制对象和控制功能分类，按响应要求、信号用途或按控制区域进行划分。确定检测设备和控制设备的物理位置，深入细致地了解每一个检测信号和控制信号的形式、功能、规模、相互间的关系并预见以后可能出现的问题，使程序设计有的放矢。 在熟悉被控对象的同时，还要认真借鉴以前程序设计中的经验和教训，总结各种问题的解决方法。 (3)充分利用硬件和软件工具。如果是得用计算机编程，可以大大提高编程的效率和质量。 2.程序框图设计 这一步的主要工作是根据软件设计规格书的总体要求和控制系统的具体情况，确定应用程序的基本结构，按程序设计标准绘制出程序结构框图;然后再根据工艺要求，绘制出各功能单元的详细功能框图。有的系统的应用软件已经模块化，那就要对相应程序进行定义，规定其功能，确定各块之间的连接关系，然后再绘出各模块内部的详细框图。框图是编程的主要依据，要尽可能地详细。这步完成后，就会对全部控制程序功能的实现有一个整体概念。 3.编写程序 根据设计出的框图逐条地编写控制程序，这是整个程序设计工作的核心部分。梯形图语言是最普遍使用的编程语言。在编写程序的过程中，可以借鉴已有标准程序，但必须弄懂这些程序段，否则将会给后续工作带来困难和损失。另外，在编写程序的过程中要及时对程序进行注释，以免忘记相互之间的关系，要随编随注。注释要包括程序的功能、逻辑关系说明、 12 设计思想、信号的来源和去向，以便阅读和调试。 4.程序调试 程序调试是整个应用程序设计过程中一项很重要的内容，它可以初步检查程序的实际效果。程序调试和程序编写是分不开的，程序的许多功能是在调试中修改和完善的。调试时应先从各功能单元入手，设定输入信号，观察输出信号的变化情况，必要时可以借用某些仪器仪表。各功能单元测试完成后，再贯通全部程序，调试各部分的接口情况，直到满意为止。程序调试可以在实验室进行，也可以在现场进行。如果是在现场进行程序调试，就要将PLC系统与现场信号隔离，可以使用暂停输入输出服务指令，也可以切断输入输出模块的外部电 [11]源，以免引起不可预料的、可能造成事故的机械设备动作。 4.2 S7-200 PLC选型 西门子S7-200系列PLC可以应用于各种自动化系统，其结构紧凑并有功能强大的指令集。在V4.0 STEP 7 Micro/WIN SP3编程环境下用比较简单的梯形图进行编写程序更加灵活、方便的解决自动化任务。根据控制系统参数对PLC模拟量、数字量I/O点数、性质的要求，以及系统设计原则，综合考虑各I/O点电压、电流的性质，PLC选择S7-200系列，其CPU单元为CPU226，需要四个扩展模块，根据信号的大小，分布情况，对各I/O点进行分组分配。PLC S7-200系列实物图如图4.1所示。 图4.1 PLC S7-200系列实物图 4.3 控制过程设计 控制过程主要完成加矾、加氯量的调节，通过PLC来实现。 4.3.1 PLC控制自动加矾 自来水水质处理过程中，加矾是通过工控机分析接收到的相应传感器信号来控制阀门开关开合实现的。由于不同时段天然水源浊度不同、用户用水量不同，需要加入明矾的用量也 13 不同，所以在水输入前端要先检测这两个指标，以此控制加入矾的基本量。处理过后，还要对水质进行二次检验，即在沉淀池出水口再用浊度仪检测，与预设标准量比较后，由PLC产生相应的反馈值对阀门进行闭环调节，这样就可以保证处理过后的水浊度基本达标。 4.3.2 PLC控制自动加氯 相比于浊度控制，加氯量控制了沉淀池前端检测环节，控制相对比较简单，直接在自来水出厂前检测，将其检测值传输给工控机，通过工控机分析，与标准量进行比较，用此差值来控制阀门开合状态。但是加氯量要有个预设值，这个预设值要根据安装现场调试确定，可选余氯测量采用人工取样、化验分析模式，根据检测数据，人工选取加氯量。 4.3.3 工控机单元 工控机是整个系统的监控中心，该控制系统采用“工控机+PLC”模式，用于生产管理的计算机，根据PLC上传的各仪表所检测到的数据，结合相关标准，经过分析后，将结果下传给PLC，最后由PLC控制如加矾、加氯，根据管压信号控制水流量。监控计算机主要是通过显示、存储接收到的视频信号来保证水厂安全，以便于管理，并可自动生成各监测点数据历史 [13]曲线，方便用户查看。 4.4 PLC编程 4.4.1 PLC控制系统工作流程 1.控制基本过程 PLC实时监测整个水处理过程中的9路工艺信号，一方面把信号传给工控机，通过组态软件实时显示出来。另一方面主要根据各点的实时输入信号，控制调节加药量大小，保持成品水质，达到自动控制水质的目的。 2.模拟量控制 (1)控制目的:保证自来水厂出水口浊度在2到5之间的前提下，尽量节省用矾量。对投矾仪的控制主要是通过PLC控制电动调节阀开口大小，电动调节阀控制电流为4,20mA。其中4mA对应电动调节阀关闭状态，20mA对应电动调节阀最大开启。 (2)基本控制思路:浊度控制分粗调和细调两步，先根据取水浊度初步决定调节输出范围，再根据成品水浊度进行精细调节确定加药量，保证成品水质。若取水口浊度大于50，电动调节阀开启到最大，PLC控制输出20mA电流;若取水口浊度大于30小于等于50，电动调节阀门开启75%,PLC控制输出16mA电流;若取水口浊度大于15小于等于30，电动调节阀门开启50%,PLC控制输出12mA电流;若取水口浊度大于5小于等于15，电动调节阀门开启25%,PLC控制输出8mA电流;若取水口浊度大于2小于等于5，电动调节阀门开启为10%,PLC 14 控制输出5.6mA电流。在以上初步设定范围内，再判断沉淀池浊度，当沉淀池浊度大于5时，增大电动调节阀的开启度，PLC的控制输出电流增大;当沉淀池的浊度小于2时，减小电动调节阀的开启度，PLC的控制输出电流减小。 4.4.2西门子S7-200型PLC控制I/O分配表及中间变量分配表 4.4.3 西门子S7-200型PLC控制梯形图 1.网络1，将各个输入模拟量传送到相应的显示存储单元，上位机通过RS485串行通信口读取显示存储单元中的数据，通过MCGS界面显示。中间分配网络如图4.2所示。 15 图4.2 中间变量分配网络 16 2.网络2实现加矾粗调。通过取水浊度初步设置加矾控制输出范围，将各个浊度段对应的控制输出电流初值放入变量寄存器。当取水口浊度值大于50时，PLC控制输出20mA电流，对应D/A的数字量为32767;当取水口浊度值大于30小于等于50时，PLC控制输出16mA电流，对应D/A的数字量为26214;当取水口浊度值大于15小于等于30时，PLC控制输出12mA电流，对应D/A的数字量为19660;当取水口浊度值大于5小于等于15时，PLC控制输出8mA电流，对应D/A的数字量为13107;当取水口浊度值大于2小于等于5时，PLC控制输出5.6mA电流，对应D/A的数字量为9175;当取水口浊度值小于等于2时，PLC控制输出4mA电流，对应D/A的数字量为6553。加矾粗调网络如图4.3所示。 图4.3 加矾粗调网络 3.网络3系统开关。系统在取水泵口设置有流量计，一方面可以测量取水流量，同时也 3作为系统开启的标志。可以选取一定的流量值作为标志，如本方案以10 m为界，若取水口流 3量值大于10 m证明取水开始工作，就需要开启数字量输出接口的加氯仪和投矾开关，若取水 3口流量值小于10 m就关闭数字量输出接口的加氯和投矾开关。这样能保证氯气和明矾的充分 17 利用从而避免资源浪费。系统开关网络如图4.4所示。 图4.4 系统开关网络 4.网络4实现加矾细调。取水口浊度大于50小于等于100,电动调节阀开启到最大，PLC控制输出20 mA电流，同时参考成品水浊度，即沉淀池浊度。 具体控制方法是先根据进水口浊度输出粗调量，延时一定时间后，判断沉淀池浊度，如果沉淀池浊度大于5，控制电流就在原值的基础上增加一个单位，增大加矾电磁阀开度，最大增加至全开，对应输出电流20mA;当沉淀池浊度的值小于等于2时，控制电流就在原值的基础上减小一个单位同时减小加矾电磁阀开度，最小减小至全关，对应输出电流4 mA。最终使沉淀池浊度保持在2和5之间。调节过程中输出电流值和阀门返回实际开度值可通过组态软件实时显示。如果控制输出值和阀门返回开度值相差超过一定范围还可输出故障报警。加矾细调网络如图4.5所示。 18 图4.5 加矾细调网络 5.网络5(浊度大于30小于等于50)，网络6(浊度大于15小于等于30),网络7(浊度大于15小于等于30)，网络8(浊度大于5小于等于2)，网络9(浊度小于等于2)的梯形图都与网络4相同，只是初值有变化，在此就不一一列举了。 19 在控制程序中用到了软手动操作，就是通过PC机操作窗口完成现场设备的控制，也称为远程操作。现场设备中的操作方式为软手动如控制加矾量，通过软手动操作面板，可以实现软手动和自动之间的切换。如果过程变量超出正常范围时的特殊状态或供电系统、设备发生故障，系统就会报警。上位机监控系统提供一个友好的人机交互平台，作为工作人员方便直观地监控系统的运行情况。 PLC的I/O地址分配是一项非常重要的工作，其主要作用是确定各I/O设备的具体功能及在PLC I/O模块上的具体物理位置，以便对应唯一的PLC程序地址。I/O地址分配应按一定的规律进行，尽量将类似功能的I/O设备的地址编在一起，便于管理。由于PLC的程序设计不可能一步到位，同样I/O地址的分配也不可能一次敲定，在以后的程序设计、调试或系统进一步改造过程中，都可能增加I/O点数。因此，在I/O点数的初次估算时，应尽量避免PLC的使用能力接近饱和，应该留有一定的裕量，一般为30%左右。这对于工程预算较为紧张的系统尤为必要。 在编写程序的时候我们用到了几个方案，起初是多次判断沉淀池浊度，当沉淀池浊度大于5，电动调节阀门就在原基础上增大10%，PLC控制输出增大1.6mA，再判断出水口浊度，若其值大于2.5，电动调节阀门开启就继续增大，PLC控制输出也继续增大。这样每个网络增加的数值不同，编写程序时的计算量也比较大，而当浊度降下来了之后，电动调节阀门的开启度不能及时减小，PLC控制输出的电流又不能相应的下降，整个程序缺少灵活性。通过多次试验，选择了PLC控制输出的电流值能增能减，使各个网络构成一个回路，既能保证所要加入的明矾量最少又能让浊度达到我们的要求值，使资源得到了充分得用。 4.5 程序调试 当程序编写完以后，要对程序进行调试，分两种方法，即静态调试和动态调试。先进行静态调试即由人工“代替”“模拟”计算机对程序进行仔细检查，主要检查程序中的语法规则和逻辑结构的正确性。很大一部分错误可以通过静态检查来发现。然后进行动态调试，可以设置不同的初值。在调试过程中我们设置不同的电流值，让其在各个网络中运行，看程序运行是否灵活，能否让沉淀池浊度保持在2到5之间。 在实验室对系统控制程序进行多次静态调试和动态调试之后，程序才得已逐步完善。我在程序的编写和调试期间遇到了很多问题，下面具体介绍一下其中的某些程序。 1.最初的加矾调节网络，如图4.6所示。 20 图4.6 最初的加矾调节网络 上图是最初编写的程序，很简单。当计数器T37的计数时间到达后，辅助继电器M0.0得电，执行整数加指令，即PLC控制输出的电流值增大，同时对M0.0复位。当计数器T38的计数时间到达之后，对M0.0置位。程序进入下一个循环阶段。该程序中PLC控制输出的电流值只能增大，即加矾量只能增加，不能减少，不符合控制原则。 21 2.改进的加矾调节网络，如图4.7所示。 图4.7 改进的加矾调节网络 上图是改进之后的程序，当计数器T37的计数时间到达后，判断沉淀池浊度，若沉淀池浊度大于5，PLC控制输出的电流值小于20mA，辅助继电器M0.0得电，执行整数加指令，即PLC控制输出的电流值增大，同时对M0.0复位;若沉淀池浊度小于等于2, PLC控制输出的电流值大于4mA，辅助继电器M0.0得电，执行整数减指令，即PLC控制输出的电流值减小，同时对M0.0复位。该程序能保证沉淀池的浊度在2到5之间，基本能满足要求。 3.手动调节网络，如图4.8所示。 22 图4.8 手动调节网络 以上是后来额外增加的手动调节梯形图，具体是添加了两个辅助继电器M11.0和M12.0。当M11.0得电，执行整数加指令，即PLC控制输出的电流值增加;当M12.0得电，执行整数减指令，即PLC控制输出的电流值减小。该程序能满足手动控制的要求，但是额外增加了梯形图，使整个程序看起来很复杂。并且自动控制和手动控制是孤立的，当手动调节达到要求后，转为自动时，所得到的电流值不是手动控制达到要求的那个值，即加矾量发生了变化，使控制系统不能实现手动与自动双向无扰动切换。 通过多次的反复修改调试程序，最后将手动调节和自动调节的程序写在一个网络里，仅仅只是增加了一个辅助继电器,得到最终的控制梯形图。在程序的编写过程中，还因每个分段网络中第二个计数器设置的控制时间相对机器周期过长，调试时在程序的运行中看不到中间变化值，PLC控制输出的电流值一下加到最大，一下又减小到最小。因此程序里面的参数要设置得合理，必需经过多次试验。在实验室调试成功之后，还要想到在现场可能遇到的很多问题，必需预先设计多套方案，以便在现场调试的时候能够顺利的解决实际控制中的问题，比如一些检测设备测量的值可能不精确，需要滤波等。 23 5 总结与展望 本文通过分析国内外净水厂及其计算机自动控制系统现状的比较，针对水厂的控制要求设计了一套自动化控制系统。经试验室调试和现场运行试验，系统能很好地完成调节任务，不论取水浊度在哪个范围系统都能在较短时间自动将加矾量调节到合适位置，保证成品水质浊度在2,5的技术要求。其它通讯、显示、操作、报警及历史曲线等各项功能工作正常，达到了客户提出的系统要求。 水厂生产实现自动化控制，改变了传统的生产运行管理方式，促进了净水处理技术水平的提高。采用PLC来实现自来水加药过程的自动控制，可使控制方案简洁，设计和施工周期缩短，整个系统具有较高的可靠性，维护方便。同时将落后的手工操作方式改成全自动控制，不但有利于操作人员的身体健康，而且大大提高了生产效率和制水质量，本控制系统可广泛适用于各种不同的水质和工艺流程，具有较高的实用价值。 在应用方面，中小型自来水厂的自动化系统有着广泛的前景。依靠现代化技术手段对生产过程进行控制和管理，提高设备运行效率和可靠性，节省宝贵的水、电资源，是技术发展的必然趋势，也是适合我国国情的较好做法。 随着我国加工业和微电子产业的发展以及对水处理工艺的不断探索，如何有效地利用计算机技术和控制理论结合水厂的具体处理工艺突破传统控制的方式，使水处理向标准模式化、智能化、无人化发展将是水处理自动化发展的一个主要方向。 在今后的发展中，我们可以扩展更高端的功能，比如在线视频控制，远程质量监测等，采用该技术后，可将全区、市各自来水厂的数据实时入网，方便各监测部门实时监督，并自动生成报表，有很大的发展前景和空间。在设计中预留接口，可以方便以后将电机等主要设备的运行、报警数据如过流、过压、缺相等纳入本监控系统，集中显示记录，进一步提高整体运行的可靠性，数据记录的自动化以及完备性。在程序中还可以用到比例/积分/微分(PID)回路控制指令，通过PID调节，可以更精确的控制加矾量。但是在本系统中程序里面设置的延时时间较长，运用PID调节，容易形成振荡，并且在本系统中PID调节的参数整定很难，需要花费很多的时间和经历，因此本程序设计中没有采用这个控制方法。 参考文献 [1] 刘灿生.自动化是我国水厂的发展方向[J] .给水排水 1998，24(12):1( [2] 丁亚兰.国内外给水工程设计实例[M]. 北京:化学工业出版社.2000:61,65( [3] 吴月华.引进自动化控制设备存在的问题[J]..给水排水 1997，23(9):53,58. 24 [4] 郭凤文(水工业自动化控制技术的发展趋势[J](中国给水排水，2001，17(3):32,35( [5] 胡晓春.水厂自动化及设计[J](给水排水(2000( [6] 张扬，蔡春伟，孙明健(S7-200PLC原理与应用系统设计[M](北京:机械工业出版社， 2007，5(3):133,160. [7] 周万珍，高鸿斌(PLC分析与设计应用[M](电子工业出版社(2004,5:108,132. [8] 中国工控网. [9] 宋保民，张泾周.上位机与PLC组建分布式控制系统时串口通信的实现[J](机械与电子， 2005，(1):31,33( [10] 吴作明.工控组态软件与PLC应用技术[M]. 北京:北京航空航天大学出版社.2007:1, 119( [11] 杨后川，张学民，陈勇(SIMATIC S7-200可编程控制器原理与应用[M](北京:北京航 空航天大学出版社，2008，1(2):5,11. [12] 袁任光(可编程序控制器选用手册[M](北京:机械业出版社，2002，381,402( [13] 农村供水工程自动化控制系统.武汉波光源科技有限公司.2009年8月( [14] 常斗南(可编程序控制器原理、应用及通信[M](北京:机械工业出版社，1997:68, 96( [15] 廖常初(PLC梯形图程序的设计方法与技巧[M](电工技术(1998，10:59,65. 致谢 经过一段时间的忙碌和工作，本次毕业设计已经接近尾声了。作为一名本科学生，由于经验的缺乏，我在设计过程中难免有许多考虑不周全的地方，如果没有导师的督促指导，以及同学们的支持，我想要完成这个设计任务是难以想象的。 在这里首先要感谢我的导师何锡武老师。何老师平日里工作繁多，但在我做毕业设计的这段期间内，无论是从查阅资料到现场调试，还是设计草案的修改和确定，以及中期检查和后期详细设计等每个阶段都给予了我悉心的指导。每当在设计中遇到困难时，何老师总会耐心地帮助我解决一道道难题，并且鼓励我要勇于实践，这对我接下来能够顺利地完成设计工作起到了良好的铺垫作用。除了敬佩何老师的专业水平外，他严谨治学的态度和对工作充满热情的精神也是我永远学习的榜样，并将会积极影响我今后的学习和工作。 25 再次，要感谢在毕业设计过程中帮我提供研究资料的同学们，如果没有他们的帮助，此次设计的完成将变得非常困难。 最后，还要感谢我的母校——武汉大学东湖分校四年来对我的大力栽培;同时还要感谢我的爸爸妈妈、我的同学们，正是因为有了你们的支持和鼓励，我的毕业设计才会顺利地完成。 衷心感谢在百忙中评阅论文和参加答辩的各位老师～ 26