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河北机电职业技术学院-1-1绪论1.1课题的提出水和电是人类生活、生产中不可缺少的重要物质，在节水节能已成为时代特征。我们这个水资源和电能源短缺的国家，面临城市污水肆意排放，生活用水水质日益下降，如何使水质达到日常生活、工业生产可靠性、稳定性的要求，直接影响着居民正常工作和经济的发展。随着工业制造的迅速发展，仪器设备对水质的要求也越来越高。传统方式普遍不同程度的存在浪费水力、电力资源；效率低；可靠性差；自动化程度不高等缺点，严重影响了工业系统中的用水。目前的供水方式应朝着高效节能、自动可靠的方向发展，基于PLC电气控制技术、电气自动化技术于一体。采用该系统进行供水可以提高供水系统的稳定性和可靠性，同时该系统具有良好的节能性，这在能源日益紧缺的今天尤为重要，所以研究设计该系统，对于提高企业效率以及人民的生活水平、降低能耗等方面具有重要的现实意义。1.2水处理自动控制的发展前景水处理自控系统的发展始终追随水处理行业的发展趋势，其目的是使净水、污水和中水回用的处理更加完善、控制更加准确、系统运行更加稳定、操作更加方便、系统运行效率更高、更加环保和节能。1.2.1水处理行业的发展趋势在净水行业，现有的城镇净水厂已经趋于完善，但在农村的饮水状况却让人担忧，大部分的农村人口直接饮用地下水或地表水，农村集中供水是一种发展趋势。农村净水厂的建设将是净水厂的主要组成之一。我国是一个严重缺水的国家，中水处理回用使城市污水成为一种清洁安全的城市水资源，能够在很大程度上缓解城市水资源匮乏的状态，并进一步减少对下游城市水资源的污染，降低下游城市水资源的净化难度。根据《城市污水处理及污水防治技术政策》，2010年全国省市城市和建制镇的污水平均处理率不低于50％，省市城市的污水处理率不低于60％，重点城市的污水处理率不低于70％。新建污水厂仍是我国治理水资源的一个重要组成。水处理行业，由于各厂的水源不同，所包含的污染物不同，相应的处理工艺也不同。水处理工艺的多样性、复杂性也是水处理行业发展的一个必然趋势。净水处理、污水处理和中水处理的设备众多，设备也更加专业化。怎样实现对其便捷稳定的控制变得至关重要1.2.2水处理行业自动控制需求针对水处理行业发展的趋势，水处理行业对自动控制的需求主要有以下几个方面：PLC及仪表开放的标准的通讯协议。由于现场设备众多，大部分需要通讯，而不是由一个PLC通过硬接线的方式采集所有设备的信号，实现控制。在短期内，需要PLC能够支持现场各种仪表和第三方厂家的通讯协议；从长期考虑，各种PLC以及仪表能够支持通用的开放通讯协议标准。上位组态软件丰富的驱动程序。在改造和扩建项目中，有很多情况是现场有几家PLC要与上位组态软件通讯，上位组态软件需要包含多家PLC的驱动。即使在新建项目中，也要考虑之后的项目改造和扩建，需要上位组态软件能够具有丰富的驱动程序，能够同时支持与多家PLC同时通讯和画面组态。水厂运行节能环保。节能和环保是现代社会发展对各种工厂、产品的需求，在水处理行业同样需要考虑到节能和环保的问题。这就需要PLC的程序编写能够与现场工艺和设备结合，使控制更加准确，使现场设备在低能耗运行以及加氯、加药适量的情况下满足出水水质的要求。PLC设备稳定运行。PLC设备能够稳定运行，是对自动系统的基本要求，也是最高的要求。PLC设备有较强的抗干扰能力，平均无故障时间长，即使在系统故障的情况下，也能够最低限度的减少故障损失。河北机电职业技术学院-2-提高现场调试效率。由于污水及中水处理项目大部分是BOT项目，承包商需要最快的资金周转周期，而自动系统的调试是水厂正常运行调试的最后一个环节，这就需要现场调试的效率高。效率主要体现在两个方面，一个是调节周期短，二是调试效果好，系统运行稳定合理。1.2.3水处理行业自控系统发展趋势为适应水处理行业的发展趋势，满足水处理行业对自控系统的需求，水处理行业的自控系统在未来发展主要方向包含以下几个方面。1.2.3.1冗余的控制系统结构由于水处理项目自动化控制对安全性的要求比较高，而现在通常应用的冗余系统中，多数为双机架冗余，成本相对单机系统会提高一倍，而低成本、高可靠性的单机架冗余方案将是PLC在水处理行业发展的趋势。采用单机架冗余方案中，每套PLC选用一个冗余的机架，两个支持冗余系统的CPU。冗余系统配置主要目的是提高PLC设备运行的可靠性和稳定性，保证水厂不间断的正常运行，保证出水水质。1.2.3.2PLC合理的通讯端口设置在水处理厂智能仪表与现场设备集成的PLC分布比较分散，通讯扩展接口应该可以，通过在主站以及从站任意槽位上增加通讯接口模块实现。即通讯接口模块的使用不能受到本地背板或远程背板的限制。1.2.3.3组态软件丰富的驱动程序组态软件应开发各种厂家的PLC、仪表、移动通讯设备以及其他具有通讯功能的自控设备的驱动程序，以便在项目改造、扩建过程中上位组态软件与下位自控设备兼容，使水处理项目可以通过一个组态软件实现对现场所有工艺进行监控，提高系统的集成度和现场工作人员的工作效率，同时降低项目成本1.2.3.4专业程序模块由于水处理工艺多样性，针对不同规模、不同工艺的水处理厂应该开发专业的程序模板。在PLC以及组态软件功能日趋完善，产品质量也逐步提高的情况下，谁能够为客户提供更加完善的服务将成为成败的主导竞争方式。1.2.3.5数据分析、技术支持在水厂的管理上，除了要能够支持远程监控，还要将现场IO服务器采集的现场数据长时间的存储，使用专业的数据分析软件对现场数据进行分析，从而得出最佳的运行参数，根据这些参数修改现场控制站的程序。1.2.3.6远程监控在水厂控制中心通过联网发布软件实现监控界面。将来PLC编程软件实现远程登录也是一个发展趋势，编程人员可以在任何能够登录Internet的地方修改PLC程序，进行远程调试。1.3PLC概述1.3.1可编程控制器的定义可编程控制器，简称PLC(ProgrammablelogicController)，是指以计算机技术为基础的新型工业控制装置。在1987年国际电工委员会(InternationalElectricalCommittee)颁布的PLC标准草案中对PLC做了如下定义:“PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出控制各种类型的机械或生产过程。PLC及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。”1.3.2PLC的发展和应用世界上公认的第一台PLC是1969年美国数字设备公司(DEC)研制的。限于当时的元器件条件及计算机发展水平，早期的PLC主要由分立组件和中小规模集成电路组成，可以完成简单的逻辑控制及定时、计数功能。20世纪70年代初出现了微处理器。人们很快将其引入可编程控制器，使PLC增加了运算、数据传送及处理河北机电职业技术学院-3-等功能，完成了真正具有计算机特征的工业控制装置。为了方便熟悉继电器、接触器系统的工程技术人员使用，可编程控制器采用和继电器电路图类似的梯形图作为主要编程语言[5]，并将参加运算及处理的计算机存储组件都以继电器命名。此时的PLC为微机技术和继电器常规控制概念相结合的产物。20世纪70年代中末期，可编程控制器进入实用化发展阶段，计算机技术已全面引入可编程控制器中，使其功能发生了飞跃。更高的运算速度、超小型体积、更可靠的工业抗干扰设计、模拟量运算、PID功能及极高的性价比奠定了它在现代工业中的地位。20世纪80年代初，可编程控制器在先进工业国家中已获得广泛应用。这个时期可编程控制器发展的特点是大规模、高速度、高性能、产品系列化。这个阶段的另一个特点是世界上生产可编程控制器的国家日益增多，产量日益上升。这标志着可编程控制器已步入成熟阶段。20世纪末期，可编程控制器的发展特点是更加适应于现代工业的需要。从控制规模上来说，这个时期发展了大型机和超小型机；从控制能力上来说，诞生了各种各样的特殊功能单元，用于压力、温度、转速、位移等各式各样的控制场合；从产品的配套能力来说，生产了各种人机界面单元、通信单元，使应用可编程控制器的工业控制设备的配套更加容易。目前，PLC在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、轻纺、交通运输、及文化娱乐等各个行业，被称为现代技术的三大支柱之一。1.3.3西门子S7-200PLC简介西门子公司具有品种非常丰富的PLC产品。S7系列是传统意义的PLC，S7-200属于小型PLC，在1998年升级为第二代产品，2004年升级为第三代产品，其特点如下：功能强大。S7-200有5种CPU模块，最多可扩展7个扩展模块，扩展到248点数字量I/O或38路模拟量I/O，最多有30多KB的程序存储空间和数据存储空间；先进的程序结构，功能强大、使用方便的编程软件；灵活方便的寻址方法。1.4本课题的主要研究内容本设计是以工业用水处理系统为控制对象，采用PLC控制技术，设计了一套满足工业水质要求的自动化水处理系统，并利用触摸屏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。PLC控制的水处理系统主要有可编程控制器、液位计、电磁阀、高低压力开关和现场的水泵机组一起组成一个完整的水处理系统，本设计中有3个贮水池，3台水泵，采用部分流量调节方法，即3台水泵中只有1台水泵在变频器控制下作变速运行，其余水泵做恒速运行。PLC根据管网压力自动控制各个水泵之间切换，并根据压力检测值和给定值之间偏差进行PID运算，输出给变频器控制其输出频率，调节流量，使供水管网河北机电职业技术学院-4-压力恒定。各水泵切换遵循先起先停、先停先起原则。根据以上控制要求，进行系统总体控制方案设计。硬件设备选型、PLC选型，估算所需I/O点数，进行I/O模块选型，绘制系统硬件连接图：包括系统硬件配置图、I/O连接图，分配I/O点数，列出I/O分配表，熟练使用相关软件，设计梯形图控制程序，对程序进行调试和修改并设计监控系统。2系统的理论分析及控制方案确定2.1水处理自动控制系统的控制要求2.1.1系统控制采用PLC控制方式实现自动控制，设有手动／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。生产过程中系统出现故障时，及时发出警报。主要的工艺参数（如压力，电导率等），均可直接在盘面或现场仪表上读出，实时了解系统各设备的运行参数。2.1.2报警及保护高液位报警：原水箱、中间水箱、纯水箱水位高过高设定值，发出高液位信号，受控单元停止工作。中液位报警：原水箱、中间水箱、纯水箱水位，水位低过中设定值，发出中液位信号，受控单元启动工作。低液位报警：原水箱、中间水箱、纯水箱水位，水位低过低设定值，发出低液位信号并停止出水泵。高压泵低压保护：进水压力低于低压开关设定值，发出水压低信号并停止高压泵及RO系统。高压泵高压保护：进水压力高于高压开关设定值，发出水压高信号并停止高压泵及RO系统。水泵故障报警：水泵热继电器动作，发出故障信号，并停止故障泵2.1.3手动／自动转换功能手动操作方式主要用于应急或检修，以保证生产供水需求自动操作方式：平时正常工作普遍采用的方式，其整个工作过程不需要人员干预，全自动运行。2.1.4系统单元控制预处理单元石英砂过滤器、活性炭过滤器为全自动操作运行和反洗。RO单元RO系统的启动、运行、冲洗、停机备用等过程均可由PLC实现自动控制。同时，RO系统还设置一块就地仪表盘和一块就地操作盘，在就地盘上可读出RO的有关工艺参数，以及能在就地操作盘上启停RO河北机电职业技术学院-5-进水高压泵及相关的自动阀门。对RO系统的重要参数如电导率等均设有检测仪表当高压泵管路前各进水阀门打开时，进水压力达到要求后，可启停高压泵，检测高压泵没有故障，同时打开产水不合格排放阀，进水压力达到反渗透工作压力，然后自动调整浓水排放