基于PLC的化學(xué)水處理控制系統的設計

摘要：介紹一種關(guān)于化學(xué)水處理工藝過(guò)程的PLC控制系統的設計，通過(guò)闡明化學(xué)水處理工藝特點(diǎn)及PLC控制系統各項功能，給出了一種詳細的設計方案．

關(guān)鍵詞 PLC；化學(xué)水處理；控制系統；系統畫(huà)面

0 引言

鍋爐是工業(yè)生產(chǎn)和人們生活中使用廣泛的設備之一，鍋爐水的處理工作，對確保鍋爐安全、經(jīng)濟運行、節約燃料有著(zhù)重要的意義，它是鍋爐運行中的一項重要的技術(shù)基礎工作．如果鍋爐給水沒(méi)有經(jīng)過(guò)水處理或水處理不當，不但會(huì )縮短鍋爐的使用壽命、浪費燃料，甚至會(huì )造成重大設備事故和人員傷亡．目前鍋爐水處理系統的工藝流程設計中使用最廣泛的是離子交換法(化學(xué)處理法)和滲透法(物理處理法)．傳統的水處理過(guò)程多為繼電器控制或人工操作，系統故障多，工人勞動(dòng)強度大，運行成本高，本文介紹的是基于PLC的化學(xué)處理法的水處理過(guò)程控制系統．

1 工藝流程[1]

化學(xué)水處理的方法主要是離子交換法，即利用離子交換樹(shù)脂將水中溶鹽的離子吸收．經(jīng)過(guò)一定時(shí)間的運行以后，離子交換樹(shù)脂會(huì )失效，這時(shí)就需要停止運行將樹(shù)脂再生(還原)，以便使樹(shù)脂可以重新使用(陽(yáng)離子交換樹(shù)脂失效時(shí)，使用酸進(jìn)行再生；陰離子交換樹(shù)脂失效時(shí)，使用堿進(jìn)行再生)．為了保證不問(wèn)斷的供水，化學(xué)水處理車(chē)間設有3組離子交換器，輪流進(jìn)行再生．

系統的示意圖如圖1所示，該系統由三個(gè)系列的過(guò)濾器、陽(yáng)床(陽(yáng)離子交換器)、除CO，器、陰床(陰離子交換器)、除鹽水箱等多臺設備組成，程控系統控制工藝流程中的各個(gè)閥門(mén)、水泵和風(fēng)機，根據運行時(shí)間選擇l#系列、2#系列以及3#系列的運行，在工藝模擬圖板上顯示出工藝流程的實(shí)際流向，并反映閥門(mén)、水泵、風(fēng)機和加藥泵的運行狀態(tài)。

2 運行方式和控制系統的構成

根據運行的要求，控制裝置需控制三個(gè)系列的過(guò)濾器、陽(yáng)床、陰床的投運、停運和再生，其運行方式分為1#系列運行、2#系列運行、3#系列運行、1#系列再生、2#系列再生、3#系列再生．三個(gè)系列的運行和再生可通過(guò)選擇鍵點(diǎn)動(dòng)或自動(dòng)進(jìn)行．點(diǎn)動(dòng)時(shí)按編制的程序進(jìn)行操作，用點(diǎn)動(dòng)按鈕進(jìn)行轉步；自動(dòng)時(shí)，按操作人員發(fā)出的啟動(dòng)指令，由事先設定的時(shí)問(wèn)自動(dòng)轉步．3套設備同時(shí)在自動(dòng)控制模式運行時(shí)，所有設備均運行產(chǎn)水，每套設備會(huì )自動(dòng)按照預設定的運行水量定期進(jìn)行再生及運行程序，每套設備在運行過(guò)程中PLC會(huì )自動(dòng)比對已經(jīng)運行的水量參數，當兩套或三套設備的已運行水量比較接近時(shí)系統會(huì )自動(dòng)發(fā)出報警，提示設備管理人員調整進(jìn)水流量防止出現兩套或三套設備同時(shí)進(jìn)入再生狀態(tài)。

每套設備由設定的運行水量以及陰床智能電導率儀的測量值配合決定是否進(jìn)行再生．正常運行情況下設備由運行轉入再生狀態(tài)是由預設定的運行水量進(jìn)行控制的，當設備運行至設定的水量終點(diǎn)時(shí)，設備會(huì )自動(dòng)由運行狀態(tài)轉入再生狀態(tài)．設備在正常運行狀態(tài)時(shí)，當遇到突然停電、停水、純水箱高液位停機、氣動(dòng)閥進(jìn)氣低壓等情況下，PLC的內部計量器會(huì )自動(dòng)保持，待重新啟動(dòng)時(shí)，由原保持流量值繼續計量，保證系統不會(huì )在系統停機、停水、停氣錯誤時(shí)計量．另外，設備的陰床出水口裝有智能電導率儀，可以防止出現水質(zhì)超標的現象．當純水水質(zhì)到達預設的電導率時(shí)，電導率儀會(huì )自動(dòng)輸出報警信號，PLC會(huì )自動(dòng)接收信號，并強制觸發(fā)設備由運行狀態(tài)轉入再生狀態(tài)，這樣可以保證不會(huì )因為原水水質(zhì)發(fā)生變化等原因而使出水水質(zhì)超標。

控制系統分為下位機和上位機：下位機采用德國西門(mén)子公司的S7—300 PLC，主要硬件配置[2]如下：

CPU315—2DP模件1塊

PS307—1E電源模件1塊

SM322 32點(diǎn)24V數字量輸出模塊6塊

SM321 32點(diǎn)24V數字量輸入模塊8塊

SM331 8通道模擬量輸入模塊3塊

CP341—1C，帶RS422／RS485接口的通訊模塊1塊

上位機的作用主要是提供一個(gè)人機交互界面，使操作人員可以直觀(guān)地了解現場(chǎng)各工藝參數，根據生產(chǎn)需要發(fā)出相應的控制指令．另外還可以使用大容量存儲器記錄歷史數據，管理人員據此了解一段時(shí)間內的生產(chǎn)狀況，為提高生產(chǎn)效率制定新的生產(chǎn)方案提供可靠的依據．為實(shí)現以上功能，組態(tài)軟件是最優(yōu)的選擇．這里使用的組態(tài)軟件為STEP7 V5．0及Kingview5．0．它集控制技術(shù)、數據庫技術(shù)、網(wǎng)絡(luò )技術(shù)、人機界面技術(shù)、圖形技術(shù)于一身，包含動(dòng)態(tài)顯示、報警、控件、趨勢、網(wǎng)絡(luò )通信等組件，提供了一個(gè)友好的用戶(hù)界面，只需編寫(xiě)少量的代碼即可生成高質(zhì)量的控制系統．系統構成框圖如圖2所示：

3 程序設計

化學(xué)水處理系統的程序設計，可按照s7 300PLC的編程指令要求，編制相應的程序[3]．此控制系統包括1#系列陽(yáng)床、陰床投運、停運程控，2#系列陽(yáng)床、陰床投運、停運程控，3#系列陽(yáng)床、陰床投運、停運程控，1#系列陽(yáng)床、陰床再生程控，2#系列陽(yáng)床、陰床再生程控，3#系列陽(yáng)床、陰床再生程控．下面以1#系列陽(yáng)床投運程控為例來(lái)說(shuō)明其程序設計．1#系列陽(yáng)床投運程序流程框圖如圖3所示．當1#系列投運時(shí)，同時(shí)開(kāi)啟1#陽(yáng)床進(jìn)水閥、頂部排氣閥及運行1#清水泵，進(jìn)行陽(yáng)床正洗排氣1分鐘，然后開(kāi)陽(yáng)床正洗水閥，關(guān)頂部排氣閥，進(jìn)行正洗3分鐘，之后關(guān)陽(yáng)床正洗水閥，開(kāi)1#陽(yáng)床出水閥，并投運l#CO，脫氣風(fēng)機，這就是陽(yáng)床的投運程控過(guò)程。

4 系統軟件

控制系統在Windows 2000環(huán)境下運行，組態(tài)軟件為STEP7 V5．0及Kingview5．0．系統利用組態(tài)軟件Kingview5．0的驅動(dòng)程序與下位s7—300PLC進(jìn)行數據通訊，包括數據采集和發(fā)送數據／指令；下位S7—300PLC則通過(guò)MPI卡與上位計算機交換數據，每一個(gè)驅動(dòng)程序都是一個(gè)COM對象，這種方式使通訊程序和組態(tài)軟件構成一個(gè)完整的系統，保證了系統高效率運行．

5 系統畫(huà)面

系統監控操作畫(huà)面可有多屏，包括了方便工人操作的監控畫(huà)面、為軟件工程師提供接口的整定畫(huà)面、形象直觀(guān)的模擬畫(huà)面、易于統計的參數畫(huà)面、便于追查事故原因的歷史趨勢畫(huà)面和提供技術(shù)分析信息的實(shí)時(shí)曲線(xiàn)畫(huà)面等等．

畫(huà)面分為兩大類(lèi)：操作員畫(huà)面和工程師畫(huà)面操作員畫(huà)面向操作人員提供了各種數據、曲線(xiàn)、功能鍵，顯示內容豐富鮮明、操作簡(jiǎn)捷可靠．系統中畫(huà)面的組態(tài)編制有很多新穎之處，其中模擬畫(huà)面中的調節閥的閥位均可以從畫(huà)面中翻板示意的角度來(lái)得知，并在閥旁邊給出了三位有效數字(一位小數)的百分開(kāi)度，形象、準確地反映了現場(chǎng)閥門(mén)的實(shí)際開(kāi)度，使操作人員感到熟悉親切；系統共有三套脫氣塔風(fēng)機及水泵，均為一用一備．為了準確反映各風(fēng)機和水泵的運轉情況，該畫(huà)面中設置了風(fēng)機和水泵動(dòng)態(tài)旋轉葉片，運轉的風(fēng)機及水泵其葉片在旋轉，備用風(fēng)機及水泵葉片不變化，故操作人員可以清晰明了地看到風(fēng)機及水泵的開(kāi)備情況，動(dòng)態(tài)顯示十分逼真；其它設備如氣動(dòng)閥門(mén)等設備均有顏色變化來(lái)顯示其運行情況，如氣動(dòng)閥門(mén)開(kāi)啟時(shí)顏色為綠色，關(guān)閉時(shí)為紅色，故障時(shí)為黃色；在整個(gè)系統管網(wǎng)的各個(gè)控制點(diǎn)均有相應的采集數字顯示，真實(shí)地反映了各個(gè)控制點(diǎn)的瞬時(shí)值，總之，畫(huà)面中三大管道走向明了，主體設備位置確切，工作狀態(tài)形象生動(dòng)，各種參數“就地顯示”，整個(gè)系統運行工況集于一屏，一目了然，實(shí)為操作員、技術(shù)員所喜愛(ài)的主畫(huà)面之一．

工程師畫(huà)面：為軟件工程師提供了進(jìn)行系統整定的良好界面，是工程師在調節中進(jìn)行參數修改和設定的重要環(huán)境，也是自控系統的核心．

6 歷史記錄的存儲和報表的打印

在定義變量時(shí)，記錄可設定為不記錄、數據變化時(shí)記錄和定時(shí)記錄．要根據實(shí)際情況選擇相應的設置，如流量變化較快，可選擇“定時(shí)記錄”；液位變化較慢，可選擇“數據變化時(shí)記錄”，這樣有利于節省存儲空間．對于歷史數據的查詢(xún)，提供了歷史趨勢曲線(xiàn)，可以通過(guò)設定查詢(xún)的起始、終止時(shí)間來(lái)顯示曲線(xiàn)的走向．

報表有實(shí)時(shí)報表和歷史報表兩種．實(shí)時(shí)報表的制作比較簡(jiǎn)單，可用Word創(chuàng )建報告的模板，然后借助系統軟件提供的相關(guān)函數，把當前的參數值顯示出來(lái)．歷史報表有日報、月報和年報，由于報表格式復雜，中間還有大量的公式計算，因此使用Excel電子表格自行編寫(xiě)程序從歷史數據庫中讀取相關(guān)變量，添入表格．

7 結束語(yǔ)

該系統的設計是以時(shí)間順序控制為主，同時(shí)加入智能現場(chǎng)分析儀表電導率儀的配合控制，使該化學(xué)水處理PLC控制系統具有別的控制器無(wú)法比擬的優(yōu)越性．該系統得到了水處理工程師及儀控工程師的肯定和好評，已在廣州某不銹鋼廠(chǎng)的鍋爐水制備系統中使用．

參考文獻：
[1]畢效輝，武麗．基于PLC的凈水控制系統的設計[J]．中國自動(dòng)化控制網(wǎng)，2003(3)：69-71．
[2]SIEMENS．SIMATIC s7系列、維修和編程[z]．
[3]王永華，送寅卯等．現代電氣控制及PLC應用技術(shù)[M]．北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2003． 來(lái)源：谷騰水網(wǎng)