自来水厂自控系统：PLC在自来水厂加药自控系统
日期: 2021-03-09 10:13:15
《科技与创新》2016年02期
张健
所谓“PLC”，是指可编程逻辑控制器，其主要被用于各类型的机械加工或生产中。近年来，随着水资源污染的逐渐加重，自来水厂对加药自控系统这一环节有了更高的要求。而将PLC应用到自来水厂的加药自控系统中，不仅能节省人力和降低成本，还能满足自来水厂的其他需求，值得推广。
1、工作原理
加药自控系统的上位机(人机界面)可与PLC通讯，并对S7-200进行数据检测和运行控制；浊度传感器可将应力数据转换为0~5V的模拟量信号，并发送到PLC模拟量输入口；PLC得到数据后进行PID计算(比较设定值与实际值)，并发送模拟量信号到变频器FR-D700；变频器FR-D700收到启动和模拟信号后，驱动加药计量泵电机运行，从而改变浊度传感器的测量值，最终达到设定的目标浊度值。
2、硬件方案
加药自控系统以一个水池为模型，使用浊度传感器来检测水的浑浊度，PIC通过PID控制算法控制计量泵加入一定量的矾来净化池子中的水。以西门子PLC(S7-200)为控制核心，结合模拟量输入/输出、浊度传感器、变频器和上位工控机等设计的水厂自动加药控制系统的结构如图1所示。
2.1 PLC选型
加药自控系统选用PLC控制器。由于PLC的编程比较为简单，采用类似继电器控制系统图中的梯形图语言，可实现易学、易懂的目标，且PLC有较高的可靠性和较强的抗振、防潮、耐热能力。S7-200是一种小型的可编程序控制器，适用于各行业的检测、监测和控制自动化进程。S7-200系列无论在独立操作，还是连接到任何网络中，都可以实现复杂的控制功能。因此，本文选用西门子S7-200系列的方案具有极高的性价比。
2.2 浊度传感器
通常以90°的散射光作为测试信号，其单位为NTU。由于散射光与浊度为多元线性关系，因此，传感器需要进行多点校准，且光源强度和温度变化均会影响测量结果的准确性。经多次研究和理论推算发现，散射光与透射光的比值与浊度为线性关系。本文采用WQ730水质浊度传感器，其原理如图2所示。该传感器采用散射光与透射光的比值代替单纯的散射光测量浊度，传感器的准确度、可靠性较高，维护简单，抗污性强。
2.3 变频器
变频器(变频驱动，VFD)是指应用变频技术和微电子技术，改变控制电机功率、交流电动机功率的控制设备。本文选用了三菱的FR-D700系列变频器控制电机。
2.4 人机界面
人机界面由硬件和软件产品组成。硬件部分包括处理器、显示装置、输入单元、通信接口和数据存储单元，处理器的性能会决定HMI产品的性能，是HMI的核心单元。本文采用台达DOP-A系列触摸屏，其具有65536色TFT，640×480的像素，内置7MB的FlashROM，支持USBHost，可外接U盘、打印机，可运行USB1.1高速下载规划程序，具有3组通讯端口，最多可支持16国语言画面设计，且符合IP65&NEMA4规格，通过了CE&UL认证。
3、软件方案
本文采用西门子PLC(S7-200)和台达DOP-A触摸屏的编程设计。
3.1S7-200编程软件
SIMATICS7系列工业控制产品具有参数设置、硬件配置、网络配置、测试、编程、启动维护、操作诊断等功能，包括C7、M7和WinAC等产品，基于PC可用的参数设置，其可编程和监控标准工具，是工业软件的重要组成部分之一。具体而言，本文的程序设计主要以PID闭环控制为主，PLC程序设计按照功能主要分为MAIN、SBR_0和INT_0三段。
PID作为最早的实际控制器已有70年，现仍为使用最广泛的工业控制器。由于PID控制器具有操作简单的特点，在使用中不需精确的系统模型等先决条件。PID控制器由比例单元(Proportion)、积分单元(Integral)和微分单元(Derivative)组成。其输入e(t)与输出u(t)的关系为：
式(1)中，积分的上、下限分别是0和t。因此，其传递函数为：式(1)(2)中：kp为比例系数；TI为积分时间常数；TD为微分时间常数。
PID控制如图3所示。
3.2 人机界面程序设计人机界面采用台达DOP-B系列触摸屏，台达公司免费提供了触摸屏编程软件ScreenEditor的下载。软件的具体使用方式参见《DOP/TP系列人机界面应用技术手册》。根据软件的特点和系统功能要求设计的人机界面的主界面如图4所示。主界面包含以下内容：①浑浊度表盘显示；②泵变频器表盘显示；③系统运行、报警等显示；④PID参数设置，包括增益、积分时间和微分时间；⑤浑浊度值实时监控；⑥浑浊度值目标值的设定；⑦启动和停止按钮可控制系统的启动和停止。
结束语
综上所述，目前，PLC不只应用到了加药自控系统中，更是被广泛应用到了自来水厂的各种工作中。希望本文的阐述会对PLC的应用推广起到一定的帮助。
