引言

隨著控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、通訊技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等的飛速發(fā)展，信息交換溝通的領(lǐng)域也在順?biāo)俚母采w從工廠的現(xiàn)場設(shè)備層到控制、管理的各個(gè)層次，覆蓋從工段、車間、工廠、企業(yè)乃至世界各地的市場?？萍际堑谝簧a(chǎn)力，科學(xué)技術(shù)的發(fā)展水平?jīng)Q定著一個(gè)國家的前途和命運(yùn)。目前歐美等一些發(fā)達(dá)國家自動化的程度已達(dá)到相當(dāng)高的水平。相對而言，目前我國有一大批企業(yè)需要現(xiàn)代化的改造，以適應(yīng)社會的發(fā)展。其中工業(yè)以太網(wǎng)在自動化控制領(lǐng)域中占有舉足輕重的地位。如果工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)采用以太網(wǎng)，可使工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)納入計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展主流，但同時(shí)也要一定的技術(shù)來提高網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)性和可靠性以滿足工業(yè)控制現(xiàn)場的要求。

鍋爐是工業(yè)生產(chǎn)和人們生活中使用廣泛的設(shè)備之一，鍋爐水的處理工作，對確保鍋爐安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行、節(jié)約燃料有著重要的意義，它是鍋爐運(yùn)行中的一項(xiàng)重要的技術(shù)基礎(chǔ)工作．如果鍋爐給水沒有經(jīng)過水處理或水處理不當(dāng)，不但會縮短鍋爐的使用壽命、浪費(fèi)燃料，甚至?xí)斐芍卮笤O(shè)備事故和人員傷亡。目前鍋爐水處理系統(tǒng)的工藝流程設(shè)計(jì)中使用最廣泛的是離子交換法(化學(xué)處理法)和滲透法(物理處理法)。傳統(tǒng)的水處理過程多為繼電器控制或人工操作，系統(tǒng)故障多，工人勞動強(qiáng)度大，運(yùn)行成本高，本文介紹的是基于PLC的化學(xué)處理法的水處理過程控制系統(tǒng)。

工業(yè)自動控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的發(fā)展越來越分散化，同時(shí)系統(tǒng)越來越復(fù)雜，各部的連接也越來越高速化與緊密化。雖然現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)在工業(yè)控制領(lǐng)域具有多方面的優(yōu)勢，但是不同的現(xiàn)場總線通訊協(xié)議有很大差異，要實(shí)現(xiàn)整個(gè)工程的全系統(tǒng)的自動化集成就存在的諸多的問題，因此易于實(shí)現(xiàn)工廠全系統(tǒng)自動化集成的工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)逐漸成為研究的熱點(diǎn)。以太網(wǎng)由于具有應(yīng)用的廣泛性和技術(shù)的先進(jìn)性，已經(jīng)逐漸壟斷了商用計(jì)算機(jī)的通訊領(lǐng)域和過程控制領(lǐng)域中上層的信息管理與通訊，并且有進(jìn)一步直接應(yīng)用到工業(yè)現(xiàn)場的趨勢。

1、水處理工藝流程

圖1工藝流程示意圖

化學(xué)水處理的方法主要是離子交換法，即利用離子交換樹脂將水中溶鹽的離子吸收．經(jīng)過一定時(shí)間的運(yùn)行以后，離子交換樹脂會失效，這時(shí)就需要停止運(yùn)行將樹脂再生(還原)，以便使樹脂可以重新使用(陽離子交換樹脂失效時(shí)，使用酸進(jìn)行再生；陰離子交換樹脂失效時(shí)，使用堿進(jìn)行再生)。為了保證不問斷的供水，化學(xué)水處理車間設(shè)有3組離子交換器，輪流進(jìn)行再生。

系統(tǒng)的示意圖如圖1所示，該系統(tǒng)由三個(gè)系列的過濾器、陽床(陽離子交換器)、除CO，器、陰床(陰離子交換器)、除鹽水箱等多臺設(shè)備組成，程控系統(tǒng)控制工藝流程中的各個(gè)閥門、水泵和風(fēng)機(jī)，根據(jù)運(yùn)行時(shí)間選擇l#系列、2#系列以及3#系列的運(yùn)行，在工藝模擬圖板上顯示出工藝流程的實(shí)際流向，并反映閥門、水泵、風(fēng)機(jī)和加藥泵的運(yùn)行狀態(tài)。

本污水處理系統(tǒng)分為三級。一級處理是它通過機(jī)械處理，如格柵、沉淀或氣浮，去除污水中所含的石塊、砂石和脂肪、油脂等。處理的原理在于通過物理法實(shí)現(xiàn)固液分離，將污染物從污水中分離，二級處理是生物處理，污水中的污染物在微生物的作用下被降解和轉(zhuǎn)化為污泥。其工藝構(gòu)成多種多樣，可分成活性污泥法、AB法、A/O法、A2／Ｏ法、SBR法、氧化溝法、穩(wěn)定塘法、土地處理法等多種處理方法，本系統(tǒng)采用活性污泥法。三級處理是污水的深度處理，它包括營養(yǎng)物的去除和通過加氯、紫外輻射或臭氧技術(shù)對污水進(jìn)行消毒。可能根據(jù)處理的目標(biāo)和水質(zhì)的不同，有的污水處理過程并不是包含上述所有過程。

2、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)運(yùn)行的要求，控制裝置需控制三個(gè)系列的過濾器、陽床、陰床的投運(yùn)、停運(yùn)和再生，其運(yùn)行方式分為1#系列運(yùn)行、2#系列運(yùn)行、3#系列運(yùn)行、1#系列再生、2#系列再生、3#系列再生．三個(gè)系列的運(yùn)行和再生可通過選擇鍵點(diǎn)動或自動進(jìn)行．點(diǎn)動時(shí)按編制的程序進(jìn)行操作，用點(diǎn)動按鈕進(jìn)行轉(zhuǎn)步；自動時(shí)，按操作人員發(fā)出的啟動指令，由事先設(shè)定的時(shí)問自動轉(zhuǎn)步．3套設(shè)備同時(shí)在自動控制模式運(yùn)行時(shí)，所有設(shè)備均運(yùn)行產(chǎn)水，每套設(shè)備會自動按照預(yù)設(shè)定的運(yùn)行水量定期進(jìn)行再生及運(yùn)行程序，每套設(shè)備在運(yùn)行過程中PLC會自動比對已經(jīng)運(yùn)行的水量參數(shù)，當(dāng)兩套或三套設(shè)備的已運(yùn)行水量比較接近時(shí)系統(tǒng)會自動發(fā)出報(bào)警，提示設(shè)備管理人員調(diào)整進(jìn)水流量防止出現(xiàn)兩套或三套設(shè)備同時(shí)進(jìn)入再生狀態(tài)。

每套設(shè)備由設(shè)定的運(yùn)行水量以及陰床智能電導(dǎo)率儀的測量值配合決定是否進(jìn)行再生．正常運(yùn)行情況下設(shè)備由運(yùn)行轉(zhuǎn)入再生狀態(tài)是由預(yù)設(shè)定的運(yùn)行水量進(jìn)行控制的，當(dāng)設(shè)備運(yùn)行至設(shè)定的水量終點(diǎn)時(shí)，設(shè)備會自動由運(yùn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)入再生狀態(tài)．設(shè)備在正常運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，當(dāng)遇到突然停電、停水、純水箱高液位停機(jī)、氣動閥進(jìn)氣低壓等情況下，PLC的內(nèi)部計(jì)量器會自動保持，待重新啟動時(shí)，由原保持流量值繼續(xù)計(jì)量，保證系統(tǒng)不會在系統(tǒng)停機(jī)、停水、停氣錯誤時(shí)計(jì)量．另外，設(shè)備的陰床出水口裝有智能電導(dǎo)率儀，可以防止出現(xiàn)水質(zhì)超標(biāo)的現(xiàn)象．當(dāng)純水水質(zhì)到達(dá)預(yù)設(shè)的電導(dǎo)率時(shí)，電導(dǎo)率儀會自動輸出報(bào)警信號，PLC會自動接收信號，并強(qiáng)制觸發(fā)設(shè)備由運(yùn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)入再生狀態(tài)，這樣可以保證不會因?yàn)樵|(zhì)發(fā)生變化等原因而使出水水質(zhì)超標(biāo)。

在某水處理控制過程中，設(shè)計(jì)并調(diào)試通過了由工控機(jī)、S7-300PLC組成的工業(yè)以太網(wǎng)控制系統(tǒng)，利用iFIX組態(tài)軟件實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，實(shí)時(shí)報(bào)警，歷史曲線，歷史報(bào)表等功能，控制原理如圖2。

圖2控制原理圖

3、控制系統(tǒng)的硬件配置

軟硬件的配置是評價(jià)系統(tǒng)優(yōu)劣的一個(gè)重要參數(shù)。本系統(tǒng)硬件部分為工控機(jī)兩臺（一臺運(yùn)行，一臺熱備），S7-300PLC一套，交換機(jī)一臺，如圖3所示。由于生產(chǎn)過程中需要控制的點(diǎn)比較多，相互距離遠(yuǎn)，因此須選用S7-300以上PLC,使用工業(yè)以太網(wǎng)通訊。

下位機(jī)采用德國西門子公司的S7—300PLC，主要硬件配置如下：

CPU315—2DP模件1塊

PS307—1E電源模件1塊

SM32232點(diǎn)24V數(shù)字量輸出模塊6塊

SM32132點(diǎn)24V數(shù)字量輸入模塊8塊

SM3318通道模擬量輸入模塊3塊

CP341—1C，帶RS422／RS485接口的通訊模塊1塊

根據(jù)控制的需要，DI量290個(gè)，DO量130個(gè)，AI量32個(gè)，AO量16個(gè)，選用QuantumPLC一套。包括一個(gè)主站和四個(gè)子站。

圖3系統(tǒng)硬件配置

4、人機(jī)界面設(shè)計(jì)

上位機(jī)的作用主要是提供一個(gè)人機(jī)交互界面，使操作人員可以直觀地了解現(xiàn)場各工藝參數(shù)，根據(jù)生產(chǎn)需要發(fā)出相應(yīng)的控制指令．另外還可以使用大容量存儲器記錄歷史數(shù)據(jù)，管理人員據(jù)此了解一段時(shí)間內(nèi)的生產(chǎn)狀況，為提高生產(chǎn)效率制定新的生產(chǎn)方案提供可靠的依據(jù)．為實(shí)現(xiàn)以上功能，組態(tài)軟件是最優(yōu)的選擇．這里使用的組態(tài)軟件為STEP7V5．0及Kingview5．0．它集控制技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、人機(jī)界面技術(shù)、圖形技術(shù)于一身，包含動態(tài)顯示、報(bào)警、控件、趨勢、網(wǎng)絡(luò)通信等組件，提供了一個(gè)友好的用戶界面，只需編寫少量的代碼即可生成高質(zhì)量的控制系統(tǒng)。系統(tǒng)構(gòu)成框圖如圖4所示：

圖4控制系統(tǒng)構(gòu)成框圖

當(dāng)前流行的組態(tài)軟件較多，如INTOUCH、iFIX、組態(tài)王、LABview等，選用性價(jià)比較高的iFIX。iFIX功能強(qiáng)大，實(shí)現(xiàn)控制簡單，便于書寫程序，圖形庫豐富.在設(shè)計(jì)人機(jī)界面中，iFIX與以太網(wǎng)相連接是非常關(guān)鍵的一個(gè)方面，否則人機(jī)界面中的所有監(jiān)控都沒有任何意義。連接的方法為：在啟動iFIX前裝上MBE(ModbusEthernet)驅(qū)動軟件，啟動iFIX后雙擊系統(tǒng)配置圖標(biāo)，就會出現(xiàn)系統(tǒng)配置圖，然后單擊SCADA圖標(biāo)出現(xiàn)SCADA組態(tài)圖后，點(diǎn)擊I/O驅(qū)動器右邊的問號，選擇ModbusEthernetv7.17，單擊確定，回到iFIX編輯界面。如圖5所示為上位機(jī)啟動畫面。

圖5上位機(jī)啟動畫面

雙擊I/O驅(qū)動器，就會出現(xiàn)MBE圖標(biāo)，再雙擊MBE圖標(biāo)，就會出現(xiàn)配置IP的界面，這樣就可以設(shè)置需要控制的PLC的IP地址。，假如PLC主站的IP地址為：128.128.1.105，就把系統(tǒng)的IP地址設(shè)為：128.128.1.105。IP地址設(shè)定后，iFIX軟件上與PLC的通訊設(shè)置就設(shè)定完成。如果與有多個(gè)PLC通訊，只需繼續(xù)添加Device即可。

5、PC機(jī)與PLC的通訊方式

在用以太網(wǎng)使上位機(jī)與PLC通訊時(shí)，設(shè)置簡單方便，只需把上位PC機(jī)和下位PLC只需設(shè)置在一個(gè)網(wǎng)段內(nèi)即可，假定上位PC1地址設(shè)為128.128.1.64，上位PC2地址設(shè)為128.128.1.65，PLC的地址設(shè)為128.128.1.105，它們之間就可以相互通訊。擴(kuò)展也很方便，只需要把新加入的設(shè)備設(shè)置在此網(wǎng)段內(nèi)并給它分配一個(gè)IP地址即可。

圖6IP地址的設(shè)置

6程序設(shè)計(jì)

化學(xué)水處理系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)，可按照s7300PLC的編程指令要求，編制相應(yīng)的程序[3]．此控制系統(tǒng)包括1#系列陽床、陰床投運(yùn)、停運(yùn)程控，2#系列陽床、陰床投運(yùn)、停運(yùn)程控，3#系列陽床、陰床投運(yùn)、停運(yùn)程控，1#系列陽床、陰床再生程控，2#系列陽床、陰床再生程控，3#系列陽床、陰床再生程控．下面以1#系列陽床投運(yùn)程控為例來說明其程序設(shè)計(jì)．1#系列陽床投運(yùn)程序流程框圖如圖3所示．當(dāng)1#系列投運(yùn)時(shí)，同時(shí)開啟1#陽床進(jìn)水閥、頂部排氣閥及運(yùn)行1#清水泵，進(jìn)行陽床正洗排氣1分鐘，然后開陽床正洗水閥，關(guān)頂部排氣閥，進(jìn)行正洗3分鐘，之后關(guān)陽床正洗水閥，開1#陽床出水閥，并投運(yùn)l#CO，脫氣風(fēng)機(jī)，這就是陽床的投運(yùn)程控過程。

6、結(jié)論

該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是以時(shí)間順序控制為主，同時(shí)加入智能現(xiàn)場分析儀表電導(dǎo)率儀的配合控制，使該化學(xué)水處理PLC控制系統(tǒng)具有別的控制器無法比擬的優(yōu)越性。系統(tǒng)現(xiàn)場運(yùn)行結(jié)果表明，該系統(tǒng)控制靈活方便，功能強(qiáng)大，滿足了生產(chǎn)的需要。該系統(tǒng)得到了水處理工程師及儀控工程師的肯定和好評，已在某不銹鋼廠的鍋爐水制備系統(tǒng)中使用．

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