基于PLC控制的水处理系统的设计

【摘要】21世纪以来节水节能已成为时代特征，水资源已经成为各国的战略保护资源，从而衍生出各种自动控制水处理系统，实现对水资源的循环利用和高效率利用，并对其设计要求逐步提高。本文设计了一种基于PLC的自动控制水处理系统，该水处理控制系统能够很好地满足用户对于水处理自动控制的要求。

【关键词】水处理系统；自动控制；PLC

一、引言

我国是水资源短缺国家，随着经济的日益快速增长，生活用水质量逐步下降，水质问题将直接影响居民正常生活和经济的发展。传统水处理方式普遍存在着效率低、自动化程度不高等缺点。现代水处理方式应采用电气自动化一体技术，朝节能高效、自动化程度高以及可靠性高的方向发展。本文采用PLC控制技术，设计一套满足水质要求的自动化水处理系统，对于提高企业生产效率和居民生活质量有着很重要的现实意义。

二、水处理行业自动控制需求及设计要求

1．水处理行业自动控制需求

针对我国水处理行业发展的趋势和特点，水处理行业对电气自动化控制的需求主要表现在以下几个方面：

1) 控制器和各仪表支持开放的标准通讯协议。由于控制现场设备数量和种类繁多，设备与控制器之间需要通过总线的方式进行通信，从成本和工作效率考虑，各种控制器以及仪表能够支持通用的开放通讯协议标准。

2) 上位机支持丰富的组态软件驱动程序。上位机组态软件需要包含丰富的控制器的驱动程序，保证能够同时支持多家控制器同时通信和界面组态。

3) 控制器设备运行稳定可靠性高。针对水处理系统，控制器要求具有较强的抗干扰能力，较长的平均无故障时间，并且保证系统即使故障情况下，能够最低限度的减少故障损失。

4) 提高现场调试效率。自动控制系统的调试是水厂正常运行调试的最后一个环节，调试主要保证控制系统是调试期短和调试效果好。

2．水处理自动控制系统设计控制要求

设手动/自动转换功能，可以随时根据系统各设备的运行状况对系统的控制方式及工艺参数进行调整。在手动方式下，对各单元（如自动阀，水泵）进行独立操作。在自动方式下，整个系统工作过程无需人员干预实现系统全自动运行。在系统工作过程中，如果系统出现故障时，系统应具有及时发出警报和保护功能，报警主要包括高液位报警、中液位报警、低液位报警以及水泵故障报警，保护主要包括高压泵低压保护和高压泵高压保护。系统的主要的工作参数，如压力、电导率等，均可直接在现场仪表上显示，便于工作人员实时了解系统各设备的运行参数。

三、水处理控制系统的设计

1. 控制系统总体设计

目前先进的水自动处理系统大部分采用可编程逻辑控制器（PLC）进行开发，本文中设计的水自动处理系统也不例外。可编程控制器，简称PLC(Programmable logic Controller)，是指以计算机技术为基础的新型工业控制装置，它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。PLC作为自动化水处理控制系统处理器满足水处理系统控制器选择要求, 对水处理系统运行状态进行实时监控和管理，保证整个系统运行可靠、安全，获得最佳的运行状态。本文设计的PLC控制的水处理系统主要由PLC、压力传感器、继电器、液位计以及现场三个水泵组成。PLC根据管网压力自动控制三个水泵之间切换，并根据压力传感器的检测值和给定的阈值之间偏差进行PID计算，并将PID运算值输出给水泵变频器控制变频器的输出频率，从而控制水泵自动调节水管流量，使得水管网压力恒定。PLC采用西门子公司的小型PLC S7-200，在1998年升级为第二代产品，2004年升级为第三代产品，其功能强大，内部有5种CPU模块，最多可以外扩7个扩展模块，能够支持24路数字量，38路模拟量，最大程序存储空间为30KB，具有先进的程序结构，灵活方便的寻址方法，编程软件功能强大、使用方便的。控制系统框图如图1所示。

在本设计中PLC的I/O端口具体分配如下：系统自动、原水箱高位、原水箱中位、原水箱低位、中水箱高位、中水箱中位、中水箱低位、反洗信号分别接I0.0到I0.7端口；一级高压泵入水低压、一级高压泵入水高压、二级高压泵入水低压、二级高压泵入水高压、原水泵过载、一级高压泵过载分别与I1.0到I1.5端口相连；二级高压泵过载、中间水泵过载、纯水箱高液位、纯水箱中液位、纯水箱低液位、实验水池高位、消音、复位分别与I2.0到I2.7端口相连；原水进水阀、原水泵、预处理阀、阻垢剂泵、一级高压泵、一级浓水阀、中间水泵、PH泵分别与Q0.0到Q0.7相连；二级高压泵、二级浓水阀分别与Q1.0和Q1.1端口相连；纯水泵、光报警、声报警分别与Q2.0到Q2.2端口相连；原水箱空、原水箱满、中间水箱空、中间水箱满、纯水箱空、纯水箱满、实验水池满分别与M0.0 到M0.6端口相连。

2. 软件设计

PLC控制程序采用SIEMENS公司提供的V5.5 STEP 7编程软件开发。该软件的SIMATIC指令集包含三种语言，即语句表(STL)语言、梯形图(LAD)语言、功能块图(FWD)语言。语句表(STL)语言类似于计算机的汇编语言，特别适合于来自计算机领域的工程人员，它使用指令助记符创建用户程序，属于面向机器硬件的语言。梯形图(LAD)语言最接近于继电器接触器控制系统中的电气控制原理图，是应用最多的一种编程语言，与计算机语言相比，梯形图可以看作是PLC的高级语言，几乎不用去考虑系统内部的结构原理和硬件逻辑，因此，它很容易被一般的电气工程设计和运行维护人员所接受，是初学者理想的编程工具。功能块图的图形结构与数字电路的结构极为相似，功能块图中每个模块有输入和输出端，输出和输入端的函数关系使用与、或、非、异或逻辑运算，模块之间的连接方式与电路的连接方式基本相同。PLC控制程序由一个主程序、若干子程序构成，程序的编制在计算机上完成，编译后通过PC/PPI 电缆把程序下载到PLC，控制任务的完成。

四、结语

通过具体实例介绍小型中水回用设备自动控制系统中可编程控制器(PLC)的应用情况，针对工业水质的要求，开发了一套基于PLC的电气自动化控制水处理系统，并利用西门子V5.5 STEP 7编程软件设计了一个用于纯水处理系统的程序，该系统具有全自动控制、工作可靠、施工简单、无二次污染的优点。