侯寶剛 王世新

（天津現(xiàn)代職業(yè)技術(shù)學(xué)院，天津 300350）

0 引言

天津某水務(wù)集團(tuán)供水系統(tǒng)的水處理工序中，由于水中存有懸浮物、有機(jī)物、膠體、泥沙和活性氯等物質(zhì)，在水軟化處理之前必須對(duì)水進(jìn)行過(guò)濾[1]。早期的過(guò)濾控制系統(tǒng)要依賴人工完成電機(jī)啟動(dòng)、閥門開(kāi)關(guān)、物理參數(shù)檢測(cè)、數(shù)值記錄等操作，然而手動(dòng)操作具有控制流程復(fù)雜、參數(shù)監(jiān)控不精準(zhǔn)、數(shù)據(jù)記錄過(guò)程煩瑣的特點(diǎn)，造成了人力、物力和財(cái)力的浪費(fèi)[2]。為了改善上述情況，本文設(shè)計(jì)了一套基于PLC的濾站自動(dòng)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了全自動(dòng)化生產(chǎn)，提升了生產(chǎn)效率，降低了人工成本。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)

濾站控制系統(tǒng)主要涉及過(guò)濾和反沖洗兩個(gè)過(guò)程，其中過(guò)濾是主要的運(yùn)行過(guò)程，在此過(guò)程中把進(jìn)水閥打開(kāi)，將水源引入到濾池中，然后通過(guò)在濾池里填充濾料來(lái)去除雜質(zhì)，過(guò)濾后的水經(jīng)過(guò)出水閥流入下一工序；當(dāng)濾池過(guò)濾了一定水量后，濾料中將混有大量雜質(zhì)，此時(shí)需要進(jìn)行反沖洗操作來(lái)對(duì)濾料進(jìn)行清洗，在此過(guò)程中將進(jìn)水閥和出水閥關(guān)閉，同時(shí)打開(kāi)反沖洗閥和排污閥，通過(guò)水的反向沖洗將雜質(zhì)去除，并通過(guò)排污閥將廢水排掉。

考慮到反沖洗過(guò)程與過(guò)濾過(guò)程必須分開(kāi)運(yùn)行，為了不影響水的正常產(chǎn)量，將濾站劃分為5個(gè)濾池分階段進(jìn)行生產(chǎn)，目的是錯(cuò)開(kāi)過(guò)濾時(shí)間保證連續(xù)生產(chǎn)。濾站系統(tǒng)包括反沖洗系統(tǒng)和過(guò)濾系統(tǒng)，如圖1所示（以一個(gè)濾池為例），其中反沖洗系統(tǒng)由進(jìn)水閥門和高位水箱組成，過(guò)濾系統(tǒng)由進(jìn)水閥、出水閥、反沖洗閥和排污閥組成。

圖1 濾站系統(tǒng)示意圖

2 電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

電氣控制系統(tǒng)主要由PLC、上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)、離心泵、蝶閥、調(diào)節(jié)閥、液位計(jì)、濾頭損失傳感器、泵后壓力傳感器和液位限位傳感器組成。其中PLC選用的是西門子ET 200SP系列CPU，另外配置兩個(gè)DI數(shù)字量輸入模塊、一個(gè)DQ數(shù)字量輸出模塊、一個(gè)AI模擬量輸入模塊和一個(gè)AQ模擬量輸出模塊；上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)選用北京亞控公司出品的KingSCADA組態(tài)軟件；離心泵、蝶閥采用交流接觸器進(jìn)行開(kāi)關(guān)控制，采用斷路器和熱繼電器進(jìn)行短路和過(guò)載保護(hù)，其控制方式分為遠(yuǎn)程和就地兩種模式，其中遠(yuǎn)程模式是指采用PLC控制器對(duì)其啟停狀態(tài)進(jìn)行控制，此時(shí)現(xiàn)場(chǎng)控制箱的啟停按鈕無(wú)效，而就地模式是指采用現(xiàn)場(chǎng)就地箱的啟停按鈕對(duì)其啟停狀態(tài)進(jìn)行控制，此時(shí)PLC的輸出信號(hào)無(wú)效；調(diào)節(jié)閥采用4～20 mA電流輸出控制其開(kāi)度；液位計(jì)、濾頭損失傳感器和泵后壓力傳感器通過(guò)4～20 mA電流信號(hào)的轉(zhuǎn)換傳至PLC進(jìn)行數(shù)據(jù)采集；液位限位傳感器通過(guò)開(kāi)關(guān)量信號(hào)傳至PLC進(jìn)行信號(hào)采集。電氣控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示，PLC機(jī)柜如圖3所示。

圖2 電氣控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖3 PLC機(jī)柜圖

3 PLC程序設(shè)計(jì)

PLC控制程序分為正常過(guò)濾和反沖洗兩部分，具體流程設(shè)計(jì)如下。

3.1 過(guò)濾程序設(shè)計(jì)

根據(jù)控制要求設(shè)計(jì)自動(dòng)過(guò)濾控制流程，如圖4所示。

圖4 自動(dòng)過(guò)濾流程圖

在確定現(xiàn)場(chǎng)無(wú)特殊情況發(fā)生后，點(diǎn)擊啟動(dòng)按鈕，系統(tǒng)會(huì)首先判定閥門、電機(jī)是否處于遠(yuǎn)程控制狀態(tài)和是否有報(bào)警產(chǎn)生，同時(shí)會(huì)判定液位、濾頭損失是否存在報(bào)警，如果符合運(yùn)行條件則開(kāi)啟進(jìn)水閥，關(guān)閉反沖洗閥和排污閥；同時(shí)分三個(gè)階段，通過(guò)控制出水閥的開(kāi)度對(duì)水位進(jìn)行恒液位控制。具體過(guò)程如下：（1）將調(diào)節(jié)閥按照1.5%/s的速度快速開(kāi)至65%；（2）等待實(shí)際液位超過(guò)設(shè)定液位的95%，在沒(méi)有到達(dá)之前按照0.15%/s的速度關(guān)閉調(diào)節(jié)閥，其目的是讓液位繼續(xù)上升，直至達(dá)到設(shè)定值的95%；（3）當(dāng)實(shí)際液位達(dá)到液位設(shè)定值的95%時(shí)，開(kāi)啟PID自動(dòng)調(diào)節(jié)程序來(lái)保持液位恒定。

3.2 反沖洗程序設(shè)計(jì)

根據(jù)控制要求設(shè)計(jì)反沖洗自動(dòng)控制流程，如圖5所示。

圖5 自動(dòng)反沖洗流程圖

在確定現(xiàn)場(chǎng)無(wú)特殊情況發(fā)生后，選擇需要進(jìn)行反沖洗的濾池并點(diǎn)擊相應(yīng)的反沖洗啟動(dòng)按鈕，系統(tǒng)會(huì)首先判定閥門、電機(jī)是否處于遠(yuǎn)程控制狀態(tài)和是否有報(bào)警產(chǎn)生，同時(shí)會(huì)判定液位是否存在報(bào)警，如果符合運(yùn)行條件則打開(kāi)高位水箱進(jìn)水系統(tǒng)并及時(shí)對(duì)高位水箱液位進(jìn)行監(jiān)控，當(dāng)液位達(dá)到設(shè)定值時(shí)自動(dòng)關(guān)閉進(jìn)水系統(tǒng)，同時(shí)將進(jìn)水閥、排污閥和反沖洗閥關(guān)閉，僅打開(kāi)出水閥，目的是將濾池中現(xiàn)存的水過(guò)濾完畢后準(zhǔn)備進(jìn)行反沖洗。當(dāng)系統(tǒng)同時(shí)滿足高位水箱液位達(dá)到設(shè)定值、濾池現(xiàn)存的水已經(jīng)排至設(shè)定液位以下這兩個(gè)條件時(shí)，系統(tǒng)將自動(dòng)打開(kāi)反沖洗閥，高位水箱的水會(huì)依靠重力通過(guò)反沖洗閥以高壓態(tài)流入相應(yīng)濾池進(jìn)行反沖洗，當(dāng)反沖洗時(shí)間到達(dá)后自動(dòng)關(guān)閉反沖洗閥、排污閥和出水閥，并打開(kāi)進(jìn)水閥，結(jié)束反沖洗過(guò)程。

需要注意的是，關(guān)閉出水閥的目的是不讓水流出，快速將濾池液位升至工藝要求的液位，在下次過(guò)濾時(shí)再按照過(guò)濾流程打開(kāi)出水閥。

4 上位機(jī)組態(tài)

上位機(jī)監(jiān)控界面是對(duì)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行信息進(jìn)行圖形化顯示和向現(xiàn)場(chǎng)發(fā)出執(zhí)行命令的計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，用戶可通過(guò)監(jiān)控畫面對(duì)現(xiàn)場(chǎng)做集中管理。結(jié)合工藝需求，本上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)功能如表1所示。

4.1 狀態(tài)監(jiān)測(cè)

用戶可通過(guò)觀察相應(yīng)位置指示燈的顏色來(lái)對(duì)系統(tǒng)的各種狀態(tài)進(jìn)行判斷，其中紅色背景表示是，綠色背景表示否，因閥門打開(kāi)/關(guān)閉需要一定的時(shí)間，所以以綠色背景+閃爍的形式表示閥門正在關(guān)閉但是還沒(méi)有關(guān)到位，紅色背景+閃爍的形式表示閥門正在開(kāi)啟但是還沒(méi)有開(kāi)到位。以圖6為例進(jìn)行說(shuō)明。

通過(guò)觀察圖6發(fā)現(xiàn)：反沖洗泵的遠(yuǎn)程、備妥和泵后閥門的遠(yuǎn)程狀態(tài)顏色為紅色，這表示反沖洗泵正處于遠(yuǎn)程控制狀態(tài)、備妥狀態(tài)，泵后閥門正處于遠(yuǎn)程控制狀態(tài)；反沖洗泵和泵后閥門的運(yùn)行背景為綠色，這表示反沖洗泵為停止?fàn)顟B(tài)，泵后閥門處于未運(yùn)行且關(guān)到位狀態(tài)。

4.2 數(shù)值監(jiān)測(cè)

用戶可通過(guò)觀察相應(yīng)位置的數(shù)值顯示來(lái)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)各參數(shù)的實(shí)時(shí)信息進(jìn)行監(jiān)控。以圖7為例進(jìn)行說(shuō)明。

圖7 數(shù)值監(jiān)測(cè)說(shuō)明

通過(guò)觀察圖7發(fā)現(xiàn)：該濾池的水池液位為1.26 m，濾頭損失為3.73 kPa。

4.3 過(guò)程設(shè)定值

用戶可通過(guò)在監(jiān)控計(jì)算機(jī)中對(duì)相應(yīng)控制流程的設(shè)定參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，來(lái)達(dá)到合理控制的目的。以圖8為例進(jìn)行說(shuō)明。

圖8 過(guò)程設(shè)定值說(shuō)明

通過(guò)觀察圖8發(fā)現(xiàn)：高位水箱高限位設(shè)定值為0.1 m，表示在自動(dòng)反沖洗過(guò)程中，當(dāng)高位水箱液位達(dá)到0.1 m后系統(tǒng)將自動(dòng)停止進(jìn)水流程；A開(kāi)閥泵后壓力設(shè)定值為0.3 MPa，表示開(kāi)啟進(jìn)水系統(tǒng)時(shí)先打開(kāi)泵，并且關(guān)閉閥，當(dāng)泵后壓力上升至0.3 MPa以后系統(tǒng)自動(dòng)將泵后閥門打開(kāi)，從而完成進(jìn)水系統(tǒng)的開(kāi)啟流程；A停閥壓力設(shè)定值為0.27 MPa，表示當(dāng)停止進(jìn)水系統(tǒng)時(shí)先關(guān)閉泵，并且保持閥門打開(kāi)狀態(tài)不變，當(dāng)泵后壓力下降至0.27 MPa以后系統(tǒng)自動(dòng)將泵后閥門關(guān)閉，從而完成進(jìn)水系統(tǒng)的停止流程。上述設(shè)定值均支持用戶自定義修改，以滿足不同流程的工藝要求。

4.4 啟停按鈕

用戶可通過(guò)使用鼠標(biāo)點(diǎn)擊相應(yīng)控制流程的啟停按鈕來(lái)對(duì)某些執(zhí)行過(guò)程進(jìn)行開(kāi)啟和關(guān)閉，或者對(duì)某些執(zhí)行過(guò)程的手/自動(dòng)控制方式進(jìn)行切換。以圖9為例進(jìn)行說(shuō)明。

圖9 啟停按鈕操作說(shuō)明

通過(guò)觀察圖9發(fā)現(xiàn)：當(dāng)點(diǎn)擊過(guò)濾過(guò)程的“啟動(dòng)”按鈕時(shí)，該濾池將啟動(dòng)過(guò)濾自動(dòng)程序來(lái)執(zhí)行過(guò)濾過(guò)程；當(dāng)點(diǎn)擊反沖洗過(guò)程的“啟動(dòng)”按鈕時(shí)，該濾池將啟動(dòng)反沖洗自動(dòng)程序來(lái)執(zhí)行反沖洗過(guò)程；當(dāng)點(diǎn)擊相應(yīng)泵或閥門的“故障復(fù)位”按鈕時(shí)，系統(tǒng)將對(duì)該故障進(jìn)行復(fù)位操作。

4.5 組態(tài)界面整體展示

濾站自動(dòng)控制系統(tǒng)監(jiān)控界面如圖10所示，共分為6個(gè)區(qū)域：（1）高位水箱控制系統(tǒng)手自動(dòng)控制選擇區(qū)；（2）報(bào)警展示和靜音區(qū)；（3）各濾池過(guò)濾過(guò)程手自動(dòng)控制選擇區(qū)；（4）反沖洗報(bào)警監(jiān)測(cè)區(qū)和水質(zhì)監(jiān)測(cè)區(qū)；（5）反沖洗過(guò)程監(jiān)控區(qū)；（6）各濾池運(yùn)行過(guò)程監(jiān)控區(qū)。

5 結(jié)論

自動(dòng)控制是生產(chǎn)方式的主流趨勢(shì)，相比于傳統(tǒng)的手動(dòng)控制，能大大提升生產(chǎn)效率，減少誤操作，節(jié)省人力、物力和財(cái)力。本文針對(duì)供水系統(tǒng)中的水過(guò)濾工序，設(shè)計(jì)了以PLC為控制核心的自動(dòng)控制系統(tǒng)，經(jīng)實(shí)踐運(yùn)行驗(yàn)證，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了關(guān)鍵參數(shù)監(jiān)控、故障提醒、生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化以及各類參數(shù)歷史存儲(chǔ)和查詢的功能，極大地滿足了現(xiàn)場(chǎng)的生產(chǎn)需求。