基于PLC的污水净化处理控制系统的设计

基于PLC的污水净化处理控制系统的设计

本文介绍了利用西门子公司的S7-224型PLC，来实现含氧化铁杂质的污水净化处理系统的自动控制，本文详细介绍了系统的硬件配置以及软件设计流程图，并且介绍了编程中的关键问题。
关键词：PLC 污水净化处理系统 顺序功能图 故障诊断 硬件配置 编程方法 竞争调度算法

Abstract: This paper introduced a method of automatic control system design which decontaminate sewage carried with Oxidized iron impurity ,control system based on PLC type of S7-224 belong to Siemens company. in this paper the system‘s hardware and software is also introduced in detail.
Keywords: PLC; sewage treatment system; sequential function chart; Break down diagnosis; hardware; programming-skill; competition adjusting calculate way

1、前言：

在冶金企业中，有大量的工业用水用于冷却，为此每天要消耗大量的水资源，由于用过的冷却水中含有大量的氧化铁杂质，不宜多次循环使用。为了保护环境、节约用水，需要对含有氧化铁杂质的污水进行净化处理。

2、系统介绍：

污水净化处理系统组成示意图如下：

图1、污水净化处理系统组成示意图

2.1工艺流程介绍：

（1） 滤水工序：打开进水阀和出水阀，污水流经磁滤器时，如果磁滤器的线圈一直通电，则污水中的氧化铁杂质会吸附在磁滤器的磁铁上，使水箱中流出的是净化水。

（2） 反洗工序：滤水一段时间后，必须清洗附着在磁铁上的氧化铁杂质。这时只要切断磁滤器线圈的电源，关闭进水阀和出水阀，打开排污阀和压缩空气阀，让压缩空气强行把水箱中的水打入磁滤器中，冲洗磁铁，去掉附着的氧化铁杂质，使冲洗后的污水流入污水池，进行二次处理。

2.2控制任务和要求：

（1） 两台机组的滤水工序，可单独进行，也可同时进行。而反洗工序只允许单台机组进行，一台机组反洗时，另一台必须等待。两台机组同时要求反洗时，1号机组优先。

（2） 为保证滤水工序的正常进行，在每台机组的管道上均安装了压差检测仪表，只要出现了“管压差高”信号，则应立即停止滤水工序，自动进入反洗工序。

（3） 为了增强系统的可靠性，将每台机组的磁滤器及各个电磁阀线圈的接通信号反馈到PLC的输入端，一旦某一输入信号不正常，要立即停止系统工作，这样可避免发生故障。

（4） 执行器输出故障检测及报警。

3、控制系统设计：

3.1硬件设计：

（1） 确定PLC的CPU型号和扩展模块型号：

下表为净水器的1号机组的输入和输出地址分配表：

1号机组的输入/输出地址分配表

因为1号机组和2号机组的工作原理相同，故净水系统总的输入点数为18点，总的输出点数为16点。为此选择西门子公司的S7-200系列的CPU224可编程控制器和S7-200的数字量扩展模块EM223，它们可以提供22点输入和18点输出。

（2） 压差检测仪表的选择：压差检测仪表的作用是检测磁滤器的入口和出口的压差，如果压差过高，表示磁滤器有堵塞故障，需要进入反洗工序。压差检测仪表应该具有设定压差、显示压差、压差信号输出功能。综上所述选择美国德威尔公司（dwyer）的3000IMR系列的Photohelic压力表/开关。

（3） 其它的输入和输出元件的选择比较容易，限于篇幅限制，从略。

3.2软件的设计：

根据净水机组的工艺要求和控制任务设计如下的顺序功能图：

图2、净水机组的控制系统顺序功能图

根据以上的顺序功能图，很快能写出梯形图，在此不详细列出梯形图。只列出梯形图设计的几个小技巧：

（1） PLC的其它编程元件的地址和作用在顺序功能图上有明确的标示，故没有列表。

（2） 为了避免系统工序的切换所造成的冲击，阀门和磁滤器的开启和关闭采用延时顺序动作。

（3） 1号机组和2号机组的反洗工序的调度算法：如果1号机组和2号机组同时进入反洗工序，由于2号机组延时0.1秒，故1号机组优先执行;如果不同时进入反洗工序，由于1号机组和2号机组反洗工序有互锁功能，则哪个机组先进入反洗工序，另一机组只能等待。

（4） 故障诊断子程序：

（4.1）故障诊断子程序的作用：

相对于PLC而言，外部输出器件如电磁阀、磁滤器容易出现故障。如果电磁阀和磁滤器出现故障而不能及时处理，容易造成系统工作不正常，甚至会损坏系统。处理的方法是：外部主要输出器件如果出现故障，必须停机并且报警，提醒工作人员维修。

（4.2）故障诊断子程序的设计：

本控制系统共有8个故障诊断子程序，它们的故障诊断算法都是类似的。具体的算法是：如果某个线圈通电，对应的常开辅助触点应该闭和;如果没有闭和，判断该器件损坏。如果某个线圈断电，对应的常闭触点应该闭和;如果没有闭和，判断该器件损坏。下面以故障诊断子程序1为例，谈谈故障诊断子程序的实现。

故障诊断子程序的梯形图见右图。它用顺序功能的逻辑语言解释如下：在M1.1步即｛滤水工序｝如果磁滤器或者出水阀或者进水阀没有打开、或者排污阀或者压缩空气阀打开了，则报警并且进入停机状态。

（5） 磁滤器的压差保护：如果磁滤器的入口和出口压差大于设定压差，则滤水工序无条件结束，顺序进入反洗工序。

4、本文作者的创新点：

利用PLC实现了污水净化处理系统的自动控制，详细介绍了污水净化处理控制系统的硬件设计和软件设计方法。软件设计给出了控制系统的顺序功能图，并且采用结构化程序设计方法。硬件设计采用了压差检测仪表，保证滤水工序的性能指标并且有防止滤水器堵塞的功能。由于采用PLC作为控制器，系统结构比传统控制系统结构简单，可靠性高，系统很少出故障;由于控制系统的控制算法由软件实现，易于系统升级，易于联网。为了解决1号机组和2号机组在反洗工序竞争的问题，采用了延时和互锁的算法。为了保证系统可靠地工作，设计了外部输出器件自诊断程序，能够判断外部执行器是否工作正常并且自动进入故障处理步骤。使系统有一定的自诊断智能，保证系统工作稳定、可靠。

参考文献：
[1]郭照新，李潮，张学东.PLC在一体化反应器污水处理系统中的应用[J].微计算机信息，2006.7：1-3
[2]廖常初.PLC编程及应用，北京：机械工业出版社 2005
[3]西门子公司 S7-200可编程序控制器系统手册