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乡镇自来水厂PLC控制系统设计
引言
我国总体上是一个水资源匮乏的国家，在发展供水事业的同时也要考虑节约用水，提高水资源利用率，特别是目前我国的城镇供水在水质处理、工艺设施和管网建设上，与发达国家相比还有一定差距，因此有必要提高城镇水厂的自动化程度。水厂自动化的主要目的不仅是节省劳动力，更主要的是实现优质、高效率的供水保证。生产过程的自动检测、调整、控制和事故报警可保证设备在规定状态下运行，防范事故于未然，实现不间断的供水；投药、过滤、消毒等工艺过程实施闭环控制，可以随着水量、水质的变化及时调整工艺参数，保证出水水质达标；出厂水压自动调整，能保证稳定的服务水压，减少爆管和漏失水量；生产过程的优化运行可以大大减少水、气、电和各种药剂的浪费，达到低耗。
本文介绍的自来水厂自动化系统能实现对各水处理设备和生产过程的自动监控，达到“现场无人值守、控制中心少人值班”的自动化程度。本设计的控制过程主要完成加矾、加氯量的调节，通过可编程逻辑控制器PLC来实现。具体如下：收集传感器对压力、流量、浊度、余氯、PH值数据的采集，具体包括压力值、取水口流量、出水口流量、取水口浊度、沉淀池浊度、出水口浊度、沉淀池余氯、出水口余氯、PH值传送给PLC，PLC根据数字显示，通过控制加氯仪和投矾仪的开关来实现自来水的消毒与净化。PLC实时监测上述9路输入的信号，并把信号传给工控机，通过组态软件实时显示、报警、控制操作和实现数据管理。用于生产管理的计算机根据PLC上传的各仪表所检测到的数据，结合相关标准，经过分析后，将结果下传给PLC，终控制加矾、加氯。
1 系统介绍
系统包括中控室、取水井、加矾加氯间、反应池、过滤池、清水池、送水泵房、管网等各环节组成，各子系统由PLC站控制，中控室有2台分别用于生产管理与监控的算机，中控计算机可实时显示各PLC单元控制的仪表、机电、加矾、加氯设备和滤池在内的工作情况，可对系统的所有设备进行远程操作和控制。PLC接收流量、浊度、压力无线远传信号，控制加氯、加矾量；管理计算机用于显示、存储视频信号，以便于管理。
本系统能实时显示流量值、浊度值、压力值以及pH值，还能根据浊度调节加矾量，能在很短的时间内将浊度维持在2到5之间，能显示漏水以及安全报警。
整个系统分为三部分：水质监测控制系统、视频监控系统、管网压力无线远传系统。
水质监测系统主要由信息采集、信息分析、信息管理与反馈三部分组成。其中信息采集部分由流量检测仪、浊度检测仪、余氯分析仪、pH检测仪、压力变送器组成；信息分析部分由PLC可编程控制器组成；信息管理与反馈部分由组态软件MCGS、工控机组成。
视频监控系统由前端摄像、信号传输、图像处理、显示和记录四部分组成。前端摄像：负责摄取现场的画面并将图像信号转变为可传输的电信号，包括摄像机、镜头、防护罩、支架等；信号传输：用于传送现场的视频信号，包括解码器、视频电缆、图像采集卡等；图像处理：集中接收和处理现场发送回来的各种信号，并进行相应的控制和管理工作；显示和记录：将前端设备传回的视频信号转化为图像信号并显示和记录，主要包括显示器和大容量硬盘两部分。
管网压力无线远传系统主要由数据采集设备、数据传输设备、数据接收设备三大部分组成。数据采集设备是压力变送器；数据传输设备是无线网络转换器；数据接收设备是对接收到的数据进行存储和管理，将实时数据和历史数据传送给电脑软件系统。
2 系统设计
根据PLC控制系统的设计原则，本自来水厂自动控制系统的设计包括：PLC的选型；PLC控制梯形图的软件设计；上位机通信的设计。
2.1 PLC的选型
根据控制系统参数对PLC模拟量、数字量I/O点数、性质的要求，以及系统设计原则，综合考虑各I/O点的电压、电流的性质，PLC选择S7—200系列，其CPU单元为CPU226，本机数字量I/O是24/16点，所以要对其进行模拟量模块的扩展，选择了3个输入模拟量扩展模块EM23l，根据信号的大小、分布情况，对各I/O点进行分组分配。
2.2 PLC控制系统软件设计
控制过程主要完成加矾、加氯量的调节，通过PLC来实现。基本控制过程是PLC实时监测整个水处理过程中的9路工艺信号，一方面把信号传给工控机，通过组态软件实时显示出来。另一方面主要根据各点的实时输入信号，控制调节加药量大小，保持成品水质，达到自动控制水质的目的。具体控制是保证自来水厂出水口浊度在2到5之间的前提下，尽量节省用矾量。对投矾仪的控制主要是通过PLC控制电动调节阀开口大小，电动调节阀控制电流为4～20mA。其中4mA对应电动调节阀关闭状态，20mA对应电动调节阀开启。
基本控制思路是浊度控制分粗调和细调两步，先根据取水浊度初步决定调节输出范围，再根据成品水浊度进行精细调节确定加药量，保证成品水质。若取水口浊度大于50，电动调节阀开启到大，PLC控制输出20mA电流；若取水口浊度大于30小于等于50，电动调节阀门开启75%,PLC控制输出16mA电流；若取水口浊度大于15小于等于30，电动调节阀门开启50%,PLC控制输出12mA电流；若取水口浊度大于5小于等于15，电动调节阀门开启25%,PLC控制输出8mA电流；若取水口浊度大于2小于等于5，电动调节阀门开启为10%,PLC控制输出5.6mA电流。在以上初步设定范围内，再判断沉淀池浊度，当沉淀池浊度大于5时，增大电动调节阀的开启度，PLC的控制输出电流增大；当沉淀池的浊度小于2时，减小电动调节阀的开启度，PLC的控制输出电流减小。
工控机是整个系统的监控中心，该控制系统采用“工控机+PLC”模式，用于生产管理的计算机，根据PLC上传的各仪表所检测到的数据，结合相关标准，经过分析后，将结果下传给PLC，后由PLC控制如加矾、加氯，根据管压信号控制水流量。监控计算机主要是通过显示、存储接收到的视频信号来保证水厂安全，以便于管理，并可自动生成各监测点数据历史曲线，方便用户查看。
系统设计的目标是上位机监控系统提供一个友好的人机交互平台，作为工作人员方便直观地监控系统的运行情况。包括以下功能：实时显示压力、取水口流量、出水口流量、取水口浊度、沉淀池浊度、出水口浊度、沉淀池余氯、出水口余氯、pH值，并形成历史曲线；出水口浊度报警和出水口余氯报警；厂区安全监控及视频存储。
3 结束语
本文通过分析国内外净水厂及其计算机自动控制系统现状的比较，针对水厂的控制要求设计了一套自动化控制系统。经试验室调试和现场运行试验，系统能很好地完成调节任务，不论取水浊度在哪个范围系统都能在较短时间自动将加矾量调节到合适位置，保证成品水质浊度在2～5的技术要求。其它通讯、显示、操作、报警及历史曲线等各项功能工作正常，均达到了客户提出的系统要求。
参考文献
[1] 张扬，蔡春伟，孙明健．S7-200PLC原理与应用系统设计[M]．北京：机械工业出版社，2007，5（3）：133～160.
[2] 周万珍，高鸿斌．PLC分析与设计应用[M]．电子工业出版社．2004,5：108～132.
[3] 吴作明.工控组态软件与PLC应用技术[M]. 北京：北京航空航天大学出版社.2007：1～119．
[4] 农村供水工程自动化控制系统.武汉波光源科技有限公司.2009年8月．
[5] 廖常初．PLC梯形图程序的设计方法与技巧[M]．电工技术．1998，10：59～65.
我国总体上是一个水资源匮乏的国家，在发展供水事业的同时也要考虑节约用水，提高水资源利用率，特别是目前我国的城镇供水在水质处理、工艺设施和管网建设上，与发达国家相比还有一定差距，因此有必要提高城镇水厂的自动化程度。水厂自动化的主要目的不仅是节省劳动力，更主要的是实现优质、高效率的供水保证。生产过程的自动检测、调整、控制和事故报警可保证设备在规定状态下运行，防范事故于未然，实现不间断的供水；投药、过滤、消毒等工艺过程实施闭环控制，可以随着水量、水质的变化及时调整工艺参数，保证出水水质达标；出厂水压自动调整，能保证稳定的服务水压，减少爆管和漏失水量；生产过程的优化运行可以大大减少水、气、电和各种药剂的浪费，达到低耗。
本文介绍的自来水厂自动化系统能实现对各水处理设备和生产过程的自动监控，达到“现场无人值守、控制中心少人值班”的自动化程度。本设计的控制过程主要完成加矾、加氯量的调节，通过可编程逻辑控制器PLC来实现。具体如下：收集传感器对压力、流量、浊度、余氯、PH值数据的采集，具体包括压力值、取水口流量、出水口流量、取水口浊度、沉淀池浊度、出水口浊度、沉淀池余氯、出水口余氯、PH值传送给PLC，PLC根据数字显示，通过控制加氯仪和投矾仪的开关来实现自来水的消毒与净化。PLC实时监测上述9路输入的信号，并把信号传给工控机，通过组态软件实时显示、报警、控制操作和实现数据管理。用于生产管理的计算机根据PLC上传的各仪表所检测到的数据，结合相关标准，经过分析后，将结果下传给PLC，终控制加矾、加氯。
1 系统介绍
系统包括中控室、取水井、加矾加氯间、反应池、过滤池、清水池、送水泵房、管网等各环节组成，各子系统由PLC站控制，中控室有2台分别用于生产管理与监控的算机，中控计算机可实时显示各PLC单元控制的仪表、机电、加矾、加氯设备和滤池在内的工作情况，可对系统的所有设备进行远程操作和控制。PLC接收流量、浊度、压力无线远传信号，控制加氯、加矾量；管理计算机用于显示、存储视频信号，以便于管理。
图1.1是水厂自动化控制系统总体结构图。本设计将以此为蓝本，结合农村中大型自来水厂的具体情况及客户要求，设计出合适的方案。
本系统能实时显示流量值、浊度值、压力值以及pH值，还能根据浊度调节加矾量，能在很短的时间内将浊度维持在2到5之间，能显示漏水以及安全报警。
下图是乡镇水厂自动化控制界面。
整个系统分为三部分：水质监测控制系统、视频监控系统、管网压力无线远传系统。
水质监测系统主要由信息采集、信息分析、信息管理与反馈三部分组成。其中信息采集部分由流量检测仪、浊度检测仪、余氯分析仪、pH检测仪、压力变送器组成；信息分析部分由PLC可编程控制器组成；信息管理与反馈部分由组态软件MCGS、工控机组成。
视频监控系统由前端摄像、信号传输、图像处理、显示和记录四部分组成。前端摄像：负责摄取现场的画面并将图像信号转变为可传输的电信号，包括摄像机、镜头、防护罩、支架等；信号传输：用于传送现场的视频信号，包括解码器、视频电缆、图像采集卡等；图像处理：集中接收和处理现场发送回来的各种信号，并进行相应的控制和管理工作；显示和记录：将前端设备传回的视频信号转化为图像信号并显示和记录，主要包括显示器和大容量硬盘两部分。
管网压力无线远传系统主要由数据采集设备、数据传输设备、数据接收设备三大部分组成。数据采集设备是压力变送器；数据传输设备是无线网络转换器；数据接收设备是对接收到的数据进行存储和管理，将实时数据和历史数据传送给电脑软件系统。
2 系统设计
根据PLC控制系统的设计原则，本自来水厂自动控制系统的设计包括：PLC的选型；PLC控制梯形图的软件设计；上位机通信的设计。
2.1 PLC的选型
根据控制系统参数对PLC模拟量、数字量I/O点数、性质的要求，以及系统设计原则，综合考虑各I/O点的电压、电流的性质，PLC选择S7—200系列，其CPU单元为CPU226，本机数字量I/O是24/16点，所以要对其进行模拟量模块的扩展，选择了3个输入模拟量扩展模块EM23l，根据信号的大小、分布情况，对各I/O点进行分组分配。
2.2 PLC控制系统软件设计
控制过程主要完成加矾、加氯量的调节，通过PLC来实现。基本控制过程是PLC实时监测整个水处理过程中的9路工艺信号，一方面把信号传给工控机，通过组态软件实时显示出来。另一方面主要根据各点的实时输入信号，控制调节加药量大小，保持成品水质，达到自动控制水质的目的。具体控制是保证自来水厂出水口浊度在2到5之间的前提下，尽量节省用矾量。对投矾仪的控制主要是通过PLC控制电动调节阀开口大小，电动调节阀控制电流为4～20mA。其中4mA对应电动调节阀关闭状态，20mA对应电动调节阀开启。
基本控制思路是浊度控制分粗调和细调两步，先根据取水浊度初步决定调节输出范围，再根据成品水浊度进行精细调节确定加药量，保证成品水质。若取水口浊度大于50，电动调节阀开启到大，PLC控制输出20mA电流；若取水口浊度大于30小于等于50，电动调节阀门开启75%,PLC控制输出16mA电流；若取水口浊度大于15小于等于30，电动调节阀门开启50%,PLC控制输出12mA电流；若取水口浊度大于5小于等于15，电动调节阀门开启25%,PLC控制输出8mA电流；若取水口浊度大于2小于等于5，电动调节阀门开启为10%,PLC控制输出5.6mA电流。在以上初步设定范围内，再判断沉淀池浊度，当沉淀池浊度大于5时，增大电动调节阀的开启度，PLC的控制输出电流增大；当沉淀池的浊度小于2时，减小电动调节阀的开启度，PLC的控制输出电流减小。
下面是加矾细调网络。取水口浊度大于50小于等于100,电动调节阀开启到大，PLC控制输出20 mA电流，同时参考成品水浊度，即沉淀池浊度。 具体控制方法是先根据进水口浊度输出粗调量，延时一定时间后，判断沉淀池浊度，如果沉淀池浊度大于5，控制电流就在原值的基础上增加一个单位，增大加矾电磁阀开度，大增加至全开，对应输出电流20mA；当沉淀池浊度的值小于等于2时，控制电流就在原值的基础上减小一个单位同时减小加矾电磁阀开度，小减小至全关，对应输出电流4 mA。终使沉淀池浊度保持在2和5之间。调节过程中输出电流值和阀门返回实际开度值可通过组态软件实时显示。如果控制输出值和阀门返回开度值相差超过一定范围还可输出故障报警。加矾细调网络如图2.1所示。
工控机是整个系统的监控中心，该控制系统采用“工控机+PLC”模式，用于生产管理的计算机，根据PLC上传的各仪表所检测到的数据，结合相关标准，经过分析后，将结果下传给PLC，后由PLC控制如加矾、加氯，根据管压信号控制水流量。监控计算机主要是通过显示、存储接收到的视频信号来保证水厂安全，以便于管理，并可自动生成各监测点数据历史曲线，方便用户查看。
系统设计的目标是上位机监控系统提供一个友好的人机交互平台，作为工作人员方便直观地监控系统的运行情况。包括以下功能：实时显示压力、取水口流量、出水口流量、取水口浊度、沉淀池浊度、出水口浊度、沉淀池余氯、出水口余氯、pH值，并形成历史曲线；出水口浊度报警和出水口余氯报警；厂区安全监控及视频存储。
3 结束语
本文通过分析国内外净水厂及其计算机自动控制系统现状的比较，针对水厂的控制要求设计了一套自动化控制系统。经试验室调试和现场运行试验，系统能很好地完成调节任务，不论取水浊度在哪个范围系统都能在较短时间自动将加矾量调节到合适位置，保证成品水质浊度在2～5的技术要求。其它通讯、显示、操作、报警及历史曲线等各项功能工作正常，均达到了客户提出的系统要求。
参考文献
[1] 张扬，蔡春伟，孙明健．S7-200PLC原理与应用系统设计[M]．北京：机械工业出版社，2007，5（3）：133～160.
[2] 周万珍，高鸿斌．PLC分析与设计应用[M]．电子工业出版社．2004,5：108～132.
[3] 吴作明.工控组态软件与PLC应用技术[M]. 北京：北京航空航天大学出版社.2007：1～119．
[4] 农村供水工程自动化控制系统.武汉波光源科技有限公司.2009年8月．
[5] 廖常初．PLC梯形图程序的设计方法与技巧[M]．电工技术．1998，10：59～65.
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