基于PLC的污水凈化處理控制系統的設計

　　摘要：本文介紹了利用西門子公司的S7-224型PLC，來實現含氧化鐵雜質的污水凈化處理系統的自動控制，本文詳細介紹了系統的硬件配置以及軟件設計流程圖，并且介紹了編程中的關鍵問題。
　　
　　1、前言：
　　
　　在冶金企業中，有大量的工業用水用于冷卻，為此每天要消耗大量的水資源，由于用過的冷卻水中含有大量的氧化鐵雜質，不宜多次循環使用。為了保護環境、節約用水，需要對含有氧化鐵雜質的污水進行凈化處理。
　　
　　2、系統介紹：
　　
　　污水凈化處理系統組成示意圖如下：　　　　
　　2.1 工藝流程介紹：
　　
　　（1）濾水工序：打開進水閥和出水閥，污水流經磁濾器時，如果磁濾器的線圈一直通電，則污水中的氧化鐵雜質會吸附在磁濾器的磁鐵上，使水箱中流出的是凈化水。
　　
　　（2）反洗工序：濾水一段時間后，必須清洗附著在磁鐵上的氧化鐵雜質。這時只要切斷磁濾器線圈的電源，關閉進水閥和出水閥，打開排污閥和壓縮空氣閥，讓壓縮空氣強行把水箱中的水打入磁濾器中，沖洗磁鐵，去掉附著的氧化鐵雜質，使沖洗后的污水流入污水池，進行二次處理。
　　
　　2.2 控制任務和要求：
　　
　　（1）兩臺機組的濾水工序，可單獨進行，也可同時進行。而反洗工序只允許單臺機組進行，一臺機組反洗時，另一臺必須等待。兩臺機組同時要求反洗時，1號機組優先。
　　
　　（2）為保證濾水工序的正常進行，在每臺機組的管道上均安裝了壓差檢測儀表，只要出現了“管壓差高”信號，則應立即停止濾水工序，自動進入反洗工序。
　　
　　（3）為了增強系統的可靠性，將每臺機組的磁濾器及各個電磁閥線圈的接通信號反饋到PLC的輸入端，一旦某一輸入信號不正常，要立即停止系統工作，這樣可避免發生故障。
　　
　　（4）執行器輸出故障檢測及報警。
　　
　　3、控制系統設計：
　　
　　3.1 硬件設計：
　　
　　（1）確定PLC的CPU型號和擴展模塊型號：
　　
　　下表為凈水器的1號機組的輸入和輸出地址分配表：
　　　　
　　因為1號機組和2號機組的工作原理相同，故凈水系統總的輸入點數為18點，總的輸出點數為16點。為此選擇西門子公司的S7-200系列的CPU224可編程控制器和S7-200的數字量擴展模塊EM223，它們可以提供22點輸入和18點輸出。
　　
　　（2）壓差檢測儀表的選擇：壓差檢測儀表的作用是檢測磁濾器的入口和出口的壓差，如果壓差過高，表示磁濾器有堵塞故障，需要進入反洗工序。壓差檢測儀表應該具有設定壓差、顯示壓差、壓差信號輸出功能。綜上所述選擇美國德威爾公司（dwyer）的3000IMR系列的Photohelic壓力表/開關。
　　
　　（3）其它的輸入和輸出元件的選擇比較容易，限于篇幅限制，從略。
　　
　　3.2 軟件的設計：
　　
　　根據凈水機組的工藝要求和控制任務設計如下的順序功能圖：　　　　
　　根據以上的順序功能圖，很快能寫出梯形圖，在此不詳細列出梯形圖。只列出梯形圖設計的幾個小技巧：
　　
　　（1）PLC的其它編程元件的地址和作用在順序功能圖上有明確的標示，故沒有列表。
　　
　　（2）為了避免系統工序的切換所造成的沖擊，閥門和磁濾器的開啟和關閉采用延時順序動作。
　　
　　（3）1號機組和2號機組的反洗工序的調度算法：如果1號機組和2號機組同時進入反洗工序，由于2號機組延時0.1秒，故1號機組優先執行;如果不同時進入反洗工序，由于1號機組和2號機組反洗工序有互鎖功能，則哪個機組*入反洗工序，另一機組只能等待。
　　
　　（4）故障診斷子程序：
　　
　　（4.1）故障診斷子程序的作用：
　　
　　相對于PLC而言，外部輸出器件如電磁閥、磁濾器容易出現故障。如果電磁閥和磁濾器出現故障而不能及時處理，容易造成系統工作不正常，甚至會損壞系統。處理的方法是：外部主要輸出器件如果出現故障，必須停機并且報警，提醒工作人員維修。
　　
　　（4.2）故障診斷子程序的設計：
　　
　　本控制系統共有8個故障診斷子程序，它們的故障診斷算法都是類似的。具體的算法是：如果某個線圈通電，對應的常開輔助觸點應該閉和;如果沒有閉和，判斷該器件損壞。如果某個線圈斷電，對應的常閉觸點應該閉和;如果沒有閉和，判斷該器件損壞。下面以故障診斷子程序1為例，談談故障診斷子程序的實現。　　
　　故障診斷子程序的梯形圖見右圖。它用順序功能的邏輯語言解釋如下：在M1.1步即｛濾水工序｝如果磁濾器或者出水閥或者進水閥沒有打開、或者排污閥或者壓縮空氣閥打開了，則報警并且進入停機狀態。
　　
　　（5）磁濾器的壓差保護：如果磁濾器的入口和出口壓差大于設定壓差，則濾水工序無條件結束，順序進入反洗工序。
　　
　　4、本文作者的創新點：
　　
　　利用PLC實現了污水凈化處理系統的自動控制，詳細介紹了污水凈化處理控制系統的硬件設計和軟件設計方法。軟件設計給出了控制系統的順序功能圖，并且采用結構化程序設計方法。硬件設計采用了壓差檢測儀表，保證濾水工序的性能指標并且有防止濾水器堵塞的功能。由于采用PLC作為控制器，系統結構比傳統控制系統結構簡單，可靠性高，系統很少出故障;由于控制系統的控制算法由軟件實現，易于系統升級，易于聯網。為了解決1號機組和2號機組在反洗工序競爭的問題，采用了延時和互鎖的算法。為了保證系統可靠地工作，設計了外部輸出器件自診斷程序，能夠判斷外部執行器是否工作正常并且自動進入故障處理步驟。使系統有一定的自診斷智能，保證系統工作穩定、可靠。