基于PLC和MCGS的水处理控制系统

湖州职业技术学院自动化类专业毕业论文0毕 业 论 文题 目: 基于 PLC 和 MCGS 的水处理控制系统学 生 倪泽旭 专 业 生产过程自动化技术 指导教师 魏翠琴 完成日期 2011 年 5 月 湖州职业技术学院自动化类专业毕业论文1湖职院自动化类专业毕业论文基于 PLC 和 MCGS 的水处理控制系统学 生： 倪泽旭指导教师： 魏翠琴2011 年 5 月湖州职业技术学院自动化类专业毕业论文摘 要本文采用 PLC、触摸屏设计了纯净水处理控制系统，阐明了纯净水处理的工艺过程（正常生产流程和装置清洗流程）及 PLC 的控制功能（控制泵的启停、阀门的通断和现场模拟量数据的采集） 。系统运行表明，设计合理有效，产水水质达到了纯净水水质的各项指标。对系统的硬件、软件结构和工作原理进行了说明，并且重点介绍了西门子PLC 的子程序调用结构和对模拟量处理的软件编程及在与 MCGS 嵌入式一体化触摸屏通讯时的编程注意事项。本系统为无人值守系统，运行表明，有效地解决了该煤矿饮用水水质差的问题，为纯净水给水创造了客观的经济效益和社会效益，达到了节能、降耗的目的。关键词：PLC；MCGS；石英砂过滤器；活性碳过滤器；超滤；反渗透；湖州职业技术学院自动化类专业毕业论文I目 录. 摘 要.目 录.第 1 章 绪 论 .11.1 水处理国内外的现状 .11.2 水处理的背景 .21.3 课题设计的内容 .2第 2 章 系统控制方案的确定 .32.1 水处理的工艺流程 .32.2 水处理的控制要求 .42.3 系统设计的方案及组成 .5第 3 章 系统硬件的选型 .73.1 PLC 型号的选择 .73.2 相关仪器选型 .9第章 系统软件设计 .114.1 PLC 控制器程序设计 .114.2 人机界面结构设计 .13结 论 .17致 谢 .17参考文献 .18附录控制接线图 .19附录系统程序 .20湖州职业技术学院自动化类专业毕业论文0第 1 章 绪 论1.1 水处理国内外的现状国际上，大规模的水污染治理是在第二次世界大战后，随着 50 年代经济的蓬勃发展带来的 60 年代日益严重的环境污染而展开的。水处理设施中，城市排水管线和水处理厂的兴建在水污染控制中发挥着骨干作用。至 70 年代末，美国投入了数千亿美元兴建了 18000 余座城市水处理厂，英国、法国、德国耗费巨资兴建 7000 至 8000 座城市水处理厂。这些水处理厂的投入对国家的水体污染改善起了关键的作用，也为人类治理水污染积累了丰富的经验。现在这些国家的水处理水平又有了进一步提高。我国的水处理发展较慢，近年来，受到各级政府的高度重视，建设的水处理厂近 200 座，总投资百亿元。目前，我国已建成并投入运行的水处理厂 266座。但同其他发达国家相比还存在很大差距，且具有明显的地区差别。我国水处理落后不仅体现在水处理厂的数量上，更重要的是，我国的自动控制水平与发达国家相比还存在很大差距，控制技术不能满足许多复杂的工艺要求，导致水处理率严重低下。图 1-1 有关国家水处理情况对比图 1-1 有关国家水处理情况对比图 1-1 有关国家水处理情况对比湖州职业技术学院自动化类专业毕业论文11.2 水处理的背景环境保护是我国的一项基本政策。随着国家西部大开发战略的推进和三峡工程的兴建，三峡库区的环境保护，尤其是库区沿江河水污染的防治已陆续启动。目前，在全国 684 个城市中我国仅有 200 余座在建和建成的城市水处理厂，并且集中在七八十个城市中，全国大约还有 600 个城市没有水处理厂。又因为我国的自动化水平比较低，全国城市水处理率仅达到 20%,其他发达国家已达到 85%以上。我国在水处理自动化控制方面控制水平低、品质也比较差，这也是造成我国和发达国家水处理指标差距的一个重要因素。前几年国家环境保护总局曾对我国 55 个城市的 5000 多套工业废水处理设施进行了大规模的调查。结果表明，进行效果良好的只占 24%，而简称后没能运作或处理能力达不到设计能力一半的设施竟占 63.8%。为了改变我国水处理技术的这种现状，中央政府、有关部门和研究机构都倾注了较大的注意力，十分重视这方面的研究。2001 年国家自然科学基金列出专项，支持开展水处理厂自动控制系统的研究，力求使我国水处理行业的监控水平达到人机和谐，便于管理监测的高水平。1.3 课题设计的内容利用可编程控制器（PLC）和 MCGS 监控软件实现对水处理的控制（1）运行方式：自动运行和手动操作无扰动切换（2）用户界面：现场工艺流程图显示（3）生产过程数据实时监控：动态显示水箱液位、阀、泵的开/关状态（4）报警功能：实时报警和历史报警的功能，记录故障时间、原因（5）实时趋势和历史趋势显示功能湖州职业技术学院自动化类专业毕业论文2第 2 章 系统控制方案的确定2.1 水处理的工艺流程根据原水水质条件、纯水系统对水质的要求，纯净水处理工艺流程为：另外包括过滤器反洗系统、加药系统、各种电磁阀、压力保护开关等。（1）原水箱用于贮存进入本系统的原水，其目的是为了缓冲和调节过滤器正常工作和反冲洗时的流量调节，防止水压波动影响到系统运行，保证系统的进水量及进水水质的稳定。原水泵是给石英砂过滤器、活性炭滤器等提供正常的工作压力(稳压供水)。（2）石英砂过滤器是一种压力式过滤器，它利用过滤器内所填充的精制石英砂滤料，当原水自上而下流经滤料层时，水中的悬浮物、杂质和颗粒物及农药、锰、细菌、病毒等污染物被除去，从而使水的浑浊度降低。（3）活性炭过滤器是一种压力式过滤器，经石英砂过滤器初步净化的水，自上而下流经活性炭料层时，水中的余氯、有机物、胶体硅、异味及部分重金属被活性炭吸附，从而达到原水的净化的作用。（4）保安过滤器防止预处理装置在工作或反冲洗时的微小颗粒泄漏，进入超滤及反渗透装置中，影响装置的使用寿命。（5）超滤装置的作用是去除水中含有的大部分胶体硅，大量的有机物等，使水得到净化。（6）中间水箱的作用是使超滤装置产水侧承受较低的压力，避免超滤膜受到背压而导致不可恢复的损坏，同时缓冲由于后级反渗透装置增压泵和高压泵启停时造成的压力波动，并可通过中间水箱的液位控制超滤装置的启、停运行。增压泵和高压泵的作用是为反渗透装置提供正常工作压力，保证反渗透系统的正常运行。 （7）反渗透装置是一种新兴的膜分离高新技术产品，是本系统装置中最关键设备，它不仅能连续除去水中大部分碳酸根、硫酸根等无机离子，还能除去水中绝大部分的有机物、细菌、热源病毒和微粒等。为进一步减少源水小颗粒对RO 系统的影响，特设置 5 保安滤器作为 RO 系统的前置过滤器。（8）纯水箱在系统中起储存和缓冲作用，平衡产水和出水。图 2-1 给出了水处理工艺流程图。湖州职业技术学院自动化类专业毕业论文3图 2-1 工艺流程图2.2 水处理的控制要求本系统为 1.5M3/H 水处理系统，系统主体设备主要包括石英砂过滤器 1 台，活性炭过滤器 1 台，超滤装置 1 台，反渗透装置 1 台，保安过滤器 3 台，风机水泵 4 台。所有设备由不同的管道相连构成纯水处理系统。从原水泵来的原水首先进入石英砂过滤器除去大颗粒悬浮物等杂质，再进入活性炭过滤器处理，使水的浊度和导电度达到一定的标准后经保安过滤器、超滤装置进入反渗透装置除去大量的含盐离子，此时的水变为淡水，系统出力为 1.5M3/H（20） ，出水水质指标符合国标 GB17323-1998。此外，砂滤、碳滤、超滤及反渗透装置每次运行结束后都需要清洗，这些工作都需要 PLC 程序控制来完成。纯净水处理自动控制系统的要求是：（1）砂滤、碳滤的正、反洗时间、超滤的反洗时间及砂滤、碳滤超滤和反渗透的连续工作时间可以从触摸屏上设置。（2）砂滤、碳滤先反洗后正洗再运行，砂滤、碳滤正反洗时，超滤进水阀关闭；超滤反洗时，砂滤、碳滤出水阀关闭；且正反洗及运行切换时，相关气动阀遵循先开后关的原则，防止入口压力波动太大，发生 “憋压”现象。（3）四路模拟量信号：进水压力、浓水压力、进水电导、产水电导经过一进二出隔离模块，一路送 PLC 以便触摸屏显示。湖州职业技术学院自动化类专业毕业论文4（4）系统正常运行时，进水压力量程为 2.5MPa,浓水压力量程为 1.0MPa、进水电导量程为 2000s/cm、产水电导量程为 20s/cm。（5）原水进行水处理控制系统后，产水水质指标达到要求的范围。无人值守的控制系统具体实现的功能如下：（1）手动试车：出厂调试或系统运行故障时，可进行手动调节。（2）显示功能：实时显示现场被控设备的运行状态（气动阀的开关状态、水箱水位状态、泵工作状态等） 、过滤器工作时间、反渗透进出水压力值和电导值等。（3）参数设置：操作人员可对过滤器的正、反洗时间和工作时间进行参数设置。（4）报警功能:当某一模拟量（如压力）测量值超过给定值范围或某一开关量（如泵的启停）发生变化时，可根据不同的需要发出不同等级的报警。2.3 系统设计的方案及组成 系统方案的确定对一个控制系统的配置来说相当重要，整个系统的自动化程度与其有着密切的关系，它直接影响着整个系统操作功能的顺利实现，所以在对系统进行方案确定之前，必须搞清楚系统的所有受控对象以及参与控制的所有设备。由于水处理系统涉及的受控对象有 16 个电磁阀、原水泵、增压泵、高压泵、清洗泵、加药泵等，还有 4 路模拟量的监控，所以必须考虑所有的控制点数，然后给每个输入或输出点指定一个 I/O 位，这样就可以计算出所有的I/O 点数。根据系统的大小和控制对象的复杂程度及成本考虑，按照 I/O 点数最后要留出足够余量（15左右）作为备用，便于将来系统增容扩建或改造。我们主 PLC 选择了西门子 S7200 系列 PLCCPU226 CN， AC/ DC/RLY，24 点输入/16点输出；EM223CN 数字量输入/输出混合模块，该模块为 8 点输入/8 点输出；EM231CN 模拟量输入模块，该模块为 4 输入点，接受压力变送器和电导仪出来的 420mA 电流信号，即反渗透进水压力、产水压力、进水电导、浓水电导。在无人值守的环境下，配有触摸屏，通过人机交互画面，工作人员可以形象直观的了解现场工艺参数及设备的运行状况。图 2-2 给出了控制系统方框图。湖州职业技术学院自动化类专业毕业论文5图 2-2 控制