基于PLC的中水處理控制系統(tǒng)

基于PLC的中水處理控制系統(tǒng)1工藝流程及控制要求2控制系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)3電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)4PLC系統(tǒng)設(shè)計(jì)5安裝調(diào)試與項(xiàng)目驗(yàn)收返回總目錄1．工藝流程簡介中水處理系統(tǒng)的一般工藝流程框圖如圖5-1所示。利用機(jī)械過濾、生物接觸氧化、化學(xué)絮凝方法使水中的COD（化學(xué)需氧量）、BOD5（生化需氧量）、SS（懸浮物）等污染物大幅度減少，再采用活性炭和碳纖維復(fù)合吸附過濾方式，使出水達(dá)到除飲用以外的其他生活使用要求。圖5-1中水處理工藝流程框圖1工藝流程及控制要求2．控制要求初探整個(gè)工藝流程有4個(gè)水池的水位需要檢測，還有風(fēng)機(jī)、水泵等12臺設(shè)備及管路中的12個(gè)電磁閥需要根據(jù)工藝條件進(jìn)行自動(dòng)控制；整個(gè)系統(tǒng)要具有手動(dòng)/自動(dòng)運(yùn)行及其切換功能；要有中文操作界面，顯示正常、報(bào)警等各種運(yùn)行狀態(tài)，以及所有運(yùn)行條件、時(shí)間周期等主要參數(shù)的便捷設(shè)定與切換。圖5-2中水處理裝置工藝流程圖2.4選擇現(xiàn)場測控設(shè)備主要是水位測量而且是兩點(diǎn)或四點(diǎn)的位式測量，所以采用自行研制的多點(diǎn)電極式液位計(jì)；控制執(zhí)行器是水泵、風(fēng)機(jī)類電動(dòng)機(jī)以及電磁閥。3

電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)在完成了控制系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)后，整個(gè)系統(tǒng)的框架輪廓已經(jīng)成形。接下來就是為完成工程實(shí)施而進(jìn)行的深度的、詳盡的工程圖紙?jiān)O(shè)計(jì)，主要包括：工藝控制流程圖、電氣系統(tǒng)圖、電氣原理圖、變頻器接線圖、PLCI/O接線圖、電控柜布置圖、電氣管線敷設(shè)圖、自控設(shè)備表等。3.1工藝控制流程圖根據(jù)總體方案的設(shè)計(jì)，需要在工藝流程圖的基礎(chǔ)上，首先畫出自動(dòng)化系統(tǒng)工程的第一張圖紙——帶測控點(diǎn)的工藝流程圖或簡稱工藝控制流程圖，即用過程檢測和控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)符號來描述生產(chǎn)過程的測控內(nèi)容。圖5-3所示為中水處理控制流程圖，分別在調(diào)節(jié)池、中間水池、溢流井和中水儲池這4個(gè)池中設(shè)置了水位測量儀。其中，前三個(gè)水池只配置了上、下限的兩點(diǎn)水位測量，而最后一個(gè)中水儲池為上上限、上限、下限與下下限的四點(diǎn)水位測量。由水位測量的數(shù)字量DI信號，送入控制裝置PLC中，經(jīng)邏輯運(yùn)算輸出數(shù)字量DO信號控制水泵（以及相應(yīng)的電磁閥），從而構(gòu)成了4個(gè)回路的單回路控制系統(tǒng)。其中，圓圈外帶方框的圖例表示操作人員可以監(jiān)控的計(jì)算機(jī)控制裝置。圖5-3中水處理控制流程圖3.2電氣系統(tǒng)圖電氣系統(tǒng)圖表示系統(tǒng)的基本組成，是設(shè)備的驅(qū)動(dòng)電路，即從電源到電動(dòng)機(jī)的大電流通過的路徑，一般可稱為主電路圖。如圖5-4所示，由電流表、電壓表、總開關(guān)、分支開關(guān)、交流接觸器主觸點(diǎn)等電器構(gòu)成主回路。1．主要電氣元件（1）主空開QF（2）電壓表V、電流表A（3）分空開QF（4）接觸器KM（5）熱繼電器FR2．工作過程如圖5-4（a）所示，以第一支路風(fēng)機(jī)1為例。當(dāng)主空開QF合上，分空開1QF也合上時(shí)，只要交流接觸器1KM的線圈得電，其主觸點(diǎn)閉合，即第一支路通電，負(fù)載風(fēng)機(jī)1即啟動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)；反之，接觸器1KM的線圈失電，其主觸點(diǎn)斷開，即第一支路斷電，負(fù)載風(fēng)機(jī)1即停轉(zhuǎn)。圖5-4電氣系統(tǒng)圖（a）如圖5-4（b）所示，在中水泵1和中水泵2的支路中，設(shè)計(jì)了一臺變頻器V/F，其前后共有三個(gè)交流接觸器。它的啟、停和運(yùn)行要求比較復(fù)雜，詳見節(jié)。圖5-4電氣系統(tǒng)圖（b）

3.3電氣原理圖電氣原理圖是由接觸器和繼電器線圈、各種電器的常開和常閉觸點(diǎn)組成的邏輯電路，用以實(shí)現(xiàn)所要求的控制功能，一般也稱為控制電路圖。圖5-5（a）所示電氣原理圖描述了風(fēng)機(jī)、水泵與對應(yīng)指示燈控制電路的工作原理，由分支空開、中間繼電器常開觸點(diǎn)、交流接觸器線圈、按鈕指示燈和電鈴等電器構(gòu)成控制電路。圖5-5電氣原理圖（a）風(fēng)機(jī)水泵與指示燈圖5-5（b）所示電氣原理圖描述了電磁閥控制電路的工作原理，由分支空開K15、中間繼電器常開觸點(diǎn)等構(gòu)成控制電路。圖5-5電氣原理圖（b）電磁閥而對應(yīng)的指示燈控制電路的電氣原理圖如圖5-5（c）所示。圖5-5電氣原理圖（c）指示燈3.4變頻器接線圖變頻調(diào)速器是對交流電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速的一種裝置。其工作原理是：在外來直流電壓或直流電流等控制信號作用下，將電網(wǎng)提供的工頻交流電變換為與控制信號一一對應(yīng)的變壓變頻的交流電，以實(shí)現(xiàn)對交流電動(dòng)機(jī)的無級調(diào)速。如圖5-6所示，遠(yuǎn)傳壓力表送出與水壓成比例的0～10V電壓信號，變頻器根據(jù)設(shè)定的水壓恒定值，改變驅(qū)動(dòng)水泵的交流電頻率以調(diào)節(jié)水壓（流量），從而實(shí)現(xiàn)恒壓供水。圖5-6變頻器接線圖3.5PLCI/O接線圖根據(jù)上述工程圖的設(shè)計(jì)，可以清楚地計(jì)算出本控制系統(tǒng)總計(jì)有輸出接點(diǎn)29個(gè)、輸入接點(diǎn)37個(gè)，據(jù)此選用西門子S7-200系列PLC作為核心控制裝置。圖5-7PLC輸入/輸出接線圖3.6水位計(jì)原理及配線圖1．原理框圖利用一般水（非純凈水）具有一定電阻的特性，構(gòu)成橋式電阻輸入電路，使用比較電路來判斷水位是否到達(dá)設(shè)定電極，從而低成本準(zhǔn)確地測出同一池中4點(diǎn)的水位狀態(tài)，并通過繼電器開關(guān)點(diǎn)位輸出到PLC中。圖5-8給出電極式水位計(jì)的原理框圖，由橋式輸入、比較器、功率放大、繼電器、開關(guān)輸出、直流穩(wěn)壓電源、輸出顯示幾部分組成。

圖5-6變頻器接線圖

2．電路原理圖現(xiàn)以4點(diǎn)水位計(jì)為例進(jìn)行介紹，如圖5-9所示。檢測電極與公共電極之間的電阻值或者無窮大或者是10～20k

的電阻值（與水的渾濁程度有關(guān)），它取決于水位是否到達(dá)某個(gè)電極，而這個(gè)電阻又是比較器前橋路的一個(gè)橋臂電阻。因此，當(dāng)水位到達(dá)某個(gè)電極時(shí)，就會觸發(fā)比較器翻轉(zhuǎn)輸出一個(gè)高電平，從而導(dǎo)通三極管使繼電器得電，輸出一個(gè)水位到限的接點(diǎn)信號到PLC中，同時(shí)點(diǎn)亮發(fā)光二極管。相應(yīng)的輸出接點(diǎn)為2、4、6、8，C為公共端。圖5-9水位計(jì)電路原理圖3．水位計(jì)配線圖電極式水位計(jì)包括探頭與儀表盒兩部分。儀表盒固定在墻體上，盒下部有3個(gè)穿線孔，自左向右分別穿過探頭導(dǎo)線、電源與信號電纜，全部用PVC套管保護(hù)。探頭采用白鋼棍，一端接引入導(dǎo)線，另一端直接入水，電源與信號電纜來自于控制柜。水位計(jì)配線圖如圖5-10所示。圖5-10水位計(jì)配線圖

3.7電控柜布置圖1．正面布置圖最上方裝配了一塊電壓表、一塊電流表，特別配置了一塊可以中文顯示系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)及操作控制參數(shù)的TD200液晶顯示器。控制柜面共設(shè)有27個(gè)帶燈按鈕1AN～27AN，每個(gè)按鈕含1個(gè)常開接點(diǎn)和1個(gè)指示燈。①1AN～12AN：12個(gè)被控負(fù)荷的啟停按鈕及指示燈（綠色）。②13AN～24AN：12個(gè)電磁閥的啟停按鈕及指示燈（綠色）。③25AN：備用按鈕（綠色）。④26AN：手動(dòng)/自動(dòng)切換按鈕（綠色或黃色）。⑤27AN：消除報(bào)警信號按鈕及指示燈（紅色）。圖5-11電控柜布置圖2．內(nèi)部布置圖3．側(cè)視圖3.8電氣管線敷設(shè)圖如圖5-12所示，在土建平面圖與工藝設(shè)備布置圖的基礎(chǔ)上，標(biāo)注出主要設(shè)備的位置，畫出與測控有關(guān)的儀表、控制設(shè)備及其位號以及控制柜的位置，標(biāo)出電纜走向及其敷設(shè)方式等。

表5-2PLC的I/O點(diǎn)分配（數(shù)字量輸出）

3.9自控設(shè)備表圖5-12電氣管線敷設(shè)圖3.模擬量擴(kuò)展模塊模擬量I/O模塊的主要任務(wù)就是實(shí)現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換和D/A轉(zhuǎn)換。在工業(yè)控制中，某些輸入量（如壓力、溫度、流量、轉(zhuǎn)速等）是模擬量，某些執(zhí)行機(jī)構(gòu)（如晶閘管調(diào)速裝置、電動(dòng)調(diào)節(jié)閥和變頻器等）要求PLC輸出模擬信號，而PLC的CPU只能處理數(shù)字量。被控變量首先被傳感器或變送器轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)的電流或電壓信號，如4～20mA、1～5V、0～10V，PLC再用A/D轉(zhuǎn)換器將它們轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。這些數(shù)字量可能是二進(jìn)制數(shù)的形式，也可能是十進(jìn)制數(shù)的形式，帶正負(fù)號的電流或電壓在A/D轉(zhuǎn)換后用二進(jìn)制補(bǔ)碼表示。D/A轉(zhuǎn)換器將PLC的數(shù)字輸出量轉(zhuǎn)換為模擬電壓或電流，再去控制執(zhí)行器。這一控制過程同其他計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)如出一轍。4.熱電偶、熱電阻擴(kuò)展模塊EM231熱電偶、熱電阻模塊具有冷端補(bǔ)償電路，如果環(huán)境溫度迅速變化，則會產(chǎn)生額外的誤差，建議將熱電偶和熱電阻模塊安裝在環(huán)境溫度穩(wěn)定的地方。EM231熱電偶模塊可用于J、K、E、N、S、T和R型熱電偶，用戶可用模塊下方的DIP開關(guān)來選擇熱電偶的類型。熱電阻的接線方式有2線、3線和4線三種。5.通信模塊EM277PROFIBUS-DP通信擴(kuò)展從站模塊用來將S7-200連接至PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)，EM277模塊通過串行I/O總線連接到S7-200CPU模塊，PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)經(jīng)過DP通信端口連接到EM277模塊，這個(gè)端口可按9600bps～12Mbps之間的PROFIBUS波特率運(yùn)行。作為從站，EM277模塊接收從主站來的I/O配置，向主站發(fā)送數(shù)據(jù)和接收來自主站的數(shù)據(jù)。EM277可以讀寫S7-200CPU中定義的變量存儲區(qū)中的數(shù)據(jù)塊，使用戶能與主站交換各種類型的數(shù)據(jù)。類似地，從主站傳來的數(shù)據(jù)存儲到PLC的變量存儲區(qū)中后，可以傳送到其他數(shù)據(jù)區(qū)中。6.通信處理器SIMATICNETCP243-2通信處理器是S7-200的AS-i主站，它最多可以連接31個(gè)AS-i從站。S7-200可以同時(shí)處理兩個(gè)CP243-2，每個(gè)CP243-2的AS-i網(wǎng)絡(luò)上最多能有124點(diǎn)開關(guān)量輸入（DI）和124點(diǎn)開關(guān)量輸出（DO），通過AS-i網(wǎng)絡(luò)可以增加S7-200的數(shù)字量輸入、輸出的點(diǎn)數(shù)。在S7-200的映像區(qū)中，模塊占用一個(gè)數(shù)字量輸入字節(jié)（狀態(tài)字節(jié)）、一個(gè)數(shù)字量輸出字節(jié)（控制字節(jié)）、8個(gè)模擬量輸入字和8個(gè)模擬量輸出字。7.中文顯示屏與西門子PLC主機(jī)配套的顯示器種類很多，從TD、OP到TP、MP觸摸屏系列。其中TD200中文文本顯示器是所有S7-200系列中最簡潔、價(jià)格最低的操作界面。TD200文本顯示器為液晶顯示覆膜鍵盤結(jié)構(gòu)。顯示器內(nèi)置漢字庫，可顯示最多80條信息，可在線修改過程參數(shù)，可編程的8個(gè)功能鍵可作為測試時(shí)的設(shè)置和診斷按鈕，也可作為運(yùn)行時(shí)的控制按鈕（可以節(jié)省8個(gè)輸入點(diǎn)），可設(shè)定實(shí)時(shí)時(shí)鐘，提供強(qiáng)制I/O點(diǎn)診斷功能，提供密碼保護(hù)功能，可選擇通信速率，可選擇顯示信息刷新時(shí)間。8.編程軟件STEP7-Micro/WIN是專門為S7-200設(shè)計(jì)的，在個(gè)人計(jì)算機(jī)Windows操作系統(tǒng)下運(yùn)行的編程軟件，它的功能強(qiáng)大，使用方便，簡單易學(xué)。CPU主機(jī)通過PC/PPI電纜或插在計(jì)算機(jī)中的CP5511、CP5611通信卡與計(jì)算機(jī)通信。通過PC/PPI電纜，可以在Windows下實(shí)現(xiàn)多主站通信方式。4.2PLC配置及接線1.PLC配置根據(jù)本項(xiàng)目只有數(shù)字量輸入接點(diǎn)37個(gè)/輸出接點(diǎn)29個(gè)，總計(jì)66個(gè)點(diǎn)的設(shè)計(jì)，我們選用CPU224（含有DI14/DO10）、擴(kuò)展數(shù)字量模塊EM223-PL（含有DI16/DO16）及EM223-PH（DI8/DO8），總計(jì)DI38/DO34點(diǎn)，完全滿足需要。另外，使用性價(jià)比高的中文顯示屏TD200。2.I/O點(diǎn)分配（1）輸出接點(diǎn)29個(gè)負(fù)載12個(gè)，包括1對風(fēng)機(jī)、4對潛水泵、1個(gè)反沖洗泵、1個(gè)CLO2發(fā)生器及其按鈕信號燈，電磁閥12個(gè)（及其按鈕信號燈），手動(dòng)/自動(dòng)切換按鈕信號燈1個(gè)，消音按鈕信號燈1個(gè)，變頻器啟動(dòng)、運(yùn)行接點(diǎn)各1個(gè)，備用按鈕信號燈1個(gè)。PLC的I/O點(diǎn)分配（數(shù)字量輸出）如表5-2所示。表5-2PLC的I/O點(diǎn)分配（數(shù)字量輸出）（2）輸入接點(diǎn)37個(gè)按鈕27個(gè)，水位計(jì)4個(gè)接點(diǎn)10個(gè)。PLC的I/O點(diǎn)分配（數(shù)字量輸入）如表5-3所示。根據(jù)此表繪制的PLC輸入/輸出接線圖如圖5-7所示。表5-3PLC的I/O點(diǎn)分配（數(shù)字量輸入）4.4TD200文本顯示器編程因?yàn)樵赟7-200系列的CPU中保留了一個(gè)專用區(qū)域用于與TD200交換數(shù)據(jù)，所以要使TD200顯示的各種信息與系統(tǒng)運(yùn)行的實(shí)際狀態(tài)保持吻合、同步，只要把反映實(shí)際狀態(tài)的相關(guān)變量信息與數(shù)據(jù)塊的位置相對應(yīng)即可。這包括14字節(jié)參數(shù)塊的起始字節(jié)地址、使能標(biāo)志字節(jié)的起始地址和信息存儲區(qū)起始字節(jié)地址等。現(xiàn)以“報(bào)警，中水池水位已達(dá)上上限”為例，說明TD200的編程過程。在STEP7-Micro/WIN32環(huán)境下，在左側(cè)“工具”區(qū)中選擇“文本顯示向?qū)А?，出現(xiàn)如圖5-18所示的文本顯示向?qū)АＨ缓髥螕簟跋乱徊健卑粹o，直到出現(xiàn)分配存儲區(qū)界面時(shí)，選擇此TD配置將使用的存儲區(qū)塊，一般默認(rèn)選擇起始字節(jié)地址、使能標(biāo)志字節(jié)起始地址、信息存儲區(qū)起始字節(jié)地址。之后進(jìn)入信息區(qū)，可依次輸入對應(yīng)地址的相關(guān)信息。例如，信息使能位V15.6中的信息內(nèi)容設(shè)置為“報(bào)警，中水池水位已達(dá)上上限”，如圖5-19所示。表5-3PLC的I/O點(diǎn)分配（數(shù)字量輸入）表5-3PLC的I/O點(diǎn)分配（數(shù)字量輸入）這條信息顯示的時(shí)機(jī)是信息使能位V15.6=1，參見前述的圖5-14所示主程序模塊中的Network13，如圖5-20所示，在TD200上的8個(gè)按鍵無一按下，即VB14=0，觸點(diǎn)閉合和中水池上上限水位接點(diǎn)接通，即I4.4=1觸點(diǎn)閉合。因此，當(dāng)中水池水位達(dá)到上上限時(shí)，TD200即顯示相應(yīng)的狀態(tài)信息“報(bào)警，中水池水位已達(dá)上上限”。圖5-20報(bào)警程序4.5TP170B觸摸屏編程4.6控制系統(tǒng)操作說明現(xiàn)仍以TD200文本顯示器組成的PLC控制系統(tǒng)（參見～節(jié)）為例，說明上述工程設(shè)計(jì)所形成的操作步驟。1.控制柜操作說明（1）手動(dòng)控制狀態(tài)（2）自動(dòng)控制狀態(tài)（3）反沖洗狀態(tài)5

安裝調(diào)試與項(xiàng)目驗(yàn)收5.1調(diào)試步驟

類似于本項(xiàng)目的小系統(tǒng)，一般都需要經(jīng)過實(shí)驗(yàn)室PLC單機(jī)模擬調(diào)試、實(shí)驗(yàn)室控制柜空載調(diào)試和現(xiàn)場安裝調(diào)試三步。1．PLC模擬調(diào)試在實(shí)驗(yàn)室中，把PLC輸入端接上模擬現(xiàn)場信號的按鈕開關(guān)，輸出端則接上用于觀測PLC輸出的指示燈，并在輸入、輸出端均貼上名稱標(biāo)簽，以方便調(diào)試。把編制的程序下載到PLC中，然后運(yùn)行PLC，撥動(dòng)模擬按鈕，觀測輸出狀態(tài)。如果控制輸出有問題，可以進(jìn)入程序狀態(tài)監(jiān)控界面，邊調(diào)試、邊修改，直至調(diào)試成功。2．控制柜調(diào)試接著對整個(gè)控制柜進(jìn)行不帶負(fù)載的調(diào)試。先不帶電檢查：主回路、控制回路的端子連接是否正確、牢固。然后進(jìn)行帶電檢查：主回路、控制回路均合上電源，用短路線模擬現(xiàn)場開關(guān)點(diǎn)的通斷，運(yùn)行PLC程序，先手動(dòng)控制，再自動(dòng)控制。如果有問題，則一定是硬件線路上的問題，要仔細(xì)一一查找。3．現(xiàn)場安裝調(diào)試在所