基于PLC水處理控制系統(tǒng)設計.doc

本 科 畢 業(yè) 設 計 第 34 頁 共 34 頁1 引言1.1 本課題的研究目的和意義純水在電子工業(yè)主要是電子元器件生產中的重要作用日益突出，純水水質已成為影響電子元器件產品質量、生產成品率及生產成本的重要因素之一，水質要求也越來越高。在電子元器件生產中，純水主要用作清洗用水及用來配制各種溶液、漿料，不同的電子元器件生產中純水的用途及對水質的要求不同。由于現(xiàn)代工業(yè)技術的發(fā)展，對水質提出日益嚴格的要求，因而直接采用原水作原料、工藝用水或生產過程用水的部門逐漸增多，制造純水的技術也相應得到迅速發(fā)展。在晶體管、集成電路生產中，純水主要用于清洗硅片，另有少量用于藥液配制，硅片氧化的水汽源，部分設備的冷卻水，配制電鍍液等。集成電路生產過程中的80%的工序需要使用超純水清洗硅片，水質的好壞與集成電路的產品質量及生產成品率關系很大。水中的堿金屬（K、Na等）會使絕緣膜耐壓不良，重金屬（Au、Ag、Cu等）會使PN結耐壓降低，族元素（B、Al、Ga等）會使N型半導體特性惡化，V族元素（P、As、Sb等）會使P型半導體特性惡化，水中細菌高溫碳化后的磷（約占灰分的20-50%）會使P型硅片上的局部區(qū)域變?yōu)镹型硅而導致器件性能變壞，水中的顆粒（包括細菌）如吸附在硅片表面，就會引起電路短路或特性變差。純水在食品、電子等工業(yè)領域有著廣泛的用途。由于各種原因，地球上天然飲用水的數(shù)量和質量正在逐年下降。這個問題是非常迫切的。凈水市場本身也在積極地發(fā)展，并且每年都會獲得大量的投資?，F(xiàn)今工業(yè)凈水的需求呈增長趨勢。所謂純水并非指化學純的水，而是指在一定程度上去除了各種雜質的水。用離子交換法主要去除的是水的硬度(Ca2+、Mg2+)，而并沒有把水中包括非硬度鹽在內的所有強電解質者去除，而且水中還存在硅酸等弱電解質以及氣體、膠體、有機物、細菌等雜質，根據這些雜質的去除程度把純水又分為除鹽水、純水和超純水幾個等級。按生產工藝的實際需要，許多部門都提出了對純水的要求。如在醫(yī)藥、精制糖、高級紙制造、合成纖維、電影膠片、電子工業(yè)、高壓鍋爐用水以及其他部門都要求使用除鹽水或純水。而在超高壓鍋爐、高絕緣材料、精密電子元件、原子能工業(yè)等則要求使用超純水。在精密工業(yè)清洗的許多領域，水中含有微量雜質都會影響制品的精度，如屬于最先進的精密工業(yè)的光學儀器、電子機械、半導體元件等領域，洗滌后沖洗用水中存在的微量雜質在干燥之后會在被洗物表面形成污點或斑跡，這是造成元件表面覆蓋膜會存在氣孔的原因，也是造成其導電性變差，機械性能變壞的原因。電子工業(yè)中一些精密元件的制造和清洗都要求使用高純水心口果電子管陰極涂面混入雜質則會影響電子發(fā)射；在電視攝像管和電視機熒光屏制造過程中混入微量銅、鐵等金屬就會使畫面變色。在半導體晶體管制造、集成電路蝕刻過程中對水質要求更高。由于大規(guī)模的集成電路對水質要求很高，這對對純水制備控制系統(tǒng)提出了較高要求，PLC作為傳統(tǒng)繼電接觸裝置替代產品，已廣泛應用于工業(yè)控制各個領域。引入PLC控制器可以大大簡化控制系統(tǒng)設計，提高抗干擾能力，增加可靠性，實現(xiàn)對整個系統(tǒng)進行水質控制， 而且極其方便連接上位機，從而實現(xiàn)純水系統(tǒng)與廠務監(jiān)控系統(tǒng)有機結合。純水處理PLC的控制系統(tǒng)可實現(xiàn)工藝流程可視化，現(xiàn)場儀表監(jiān)控，報警記錄，歷史趨勢可調出做比較。電氣設備有變頻器，溫度控制器，流量計。通過運行PLC控制系統(tǒng)，大大提高了系統(tǒng)設備自動化程度，降低了設備維護費用，保證了生產出連續(xù)合格的純水，滿足了集成電路生產線對超純水的要求，保證了工廠的正常運行，效果十分理想。1.2 本課題的研究現(xiàn)狀由生水制取高純水是一個較復雜的物理、化學過程。目前用離子交換法制取純水已在電力、冶金、化工等工業(yè)企業(yè)廣泛采用。一般采用陽離子交換樹脂，利用其氫離子置換水中的鈣、鎂等離子。陰離子交換樹脂置換水中的陰離子。隨著去離子過程一個周期，一個周期地進行，樹脂逐漸老化，即其氫離子和氫氧離子被其它陰陽離子所置換，因此，就必須再生，陽離子交換樹脂用酸類再生。采用分床再生，使失效的離子交換樹脂恢復其軟化的能力1。離子交換法是國內外一種較成熟的水處理技術，早期應用主要是作為物質分離，提純及水質處理的手段。它是利用離子交換樹脂對水中陽，陰離子的交換作用，從而將水中的電解質進行脫鹽處理。這種方法具有工藝成熟，除鹽率高，操作方便等優(yōu)點，因此，廣泛用于各種工業(yè)純水中除鹽，是當前水的脫鹽的主要方法和手段。離子交換法分為復床式和混床式兩種類型，前者用于制取初級純水，后者是制取超純水的重要裝置。在制取純水的工藝流程中采用何種再生方式是很重要的, 我國在用離子交換法制取純水系統(tǒng)中一般采用如下三種再生方式，即順流再生、半逆流再生、壓頂逆流再生1。后兩種再生方式日益被廣泛采用。純水工藝中需要除去原水中的溶解的離子，二氧化硅，細菌，總有機碳，各種粒子等。除去水中的溶解離子所采用的方法有離子交換，反滲透 ，以及半導體生產中用的較少的反電滲析。消除二氧化硅的手段有反滲透和超過濾薄膜，解決細菌的問題目前典型的方法有多層過濾法，定期的全系統(tǒng)消毒，高的管道流速以及使用點過濾。使用反滲透，過濾，過氧化氫，臭氧或紫外線消毒法可以控制總有機碳。取出各種粒子常采用的辦法有反滲透，微過濾和超過濾。純水處理工藝流程分為預處理(Pretreatment)、生產(Make up)和拋光(Polish)3部分2。純水制備當中的淡化技術有蒸餾技術，電滲析技術，反滲透技術，離子交換技術，超過濾技術，微孔濾膜過濾技術3。預處理部分可以包括過濾，PH調節(jié)，脫氣，添加化學劑。反滲透純水處理系統(tǒng)由預處理與膜系統(tǒng)兩大部分組成。預處理系統(tǒng)主要是除去水中一些較粗的顆粒和雜質、懸浮物和異味、余氯、有機物等以及降低水的硬度，采用機械過濾和活性炭過濾、吸附及阻垢劑裝置。膜系統(tǒng)能精密地濾除水中的細菌、病毒、金屬離子、鹽類、農藥、及各種致癌物質。目前主采用的研究技術主要采用到PLC的控制系統(tǒng)，PLC系統(tǒng)主要是進行順序控制和過程控制。順序控制實現(xiàn)PLC對原水泵、沙濾器、換熱器、活性碳過濾器、陰陽離子交換塔、CO2 脫氣塔、紫外燈、反滲透膜、混床、薄膜脫氧器、拋光混床、超濾等組件的啟動、停車及各設備間的關聯(lián)控制。過程主要實現(xiàn)對系統(tǒng)溫度、液位、流量、壓力、電導率等工藝參數(shù)采集，以調節(jié)熱水和冰水閥門開度、超純水罐回流閥門開度、變頻器頻率設定、啟動沙濾器和活性碳過濾器反洗、陰陽離子交換塔和混床離子再生程序。達到最佳優(yōu)化控制效果。過程控制分為現(xiàn)場對象層、模塊層和現(xiàn)場主控控制層?，F(xiàn)場主控控制層通過現(xiàn)場總線通訊與IO模塊層連接。溫度控制器、流量傳感器、液位傳感器、導電度變送器等通過連接電纜連接到分布式模塊層，然后通過現(xiàn)場總線連接到PLC控制器。6 采用PLC可編程控制器，真正做到了無人值守，同時在工藝選材上采用推薦和客戶要求相統(tǒng)一的方法，使該設備與其它同類產品相比較，具有更高的性價比和設備可靠性。1.3 本課題的主要內容純水處理系統(tǒng)是一項發(fā)展型的研究項目，通過用過濾，除鹽，離子分離等技術手段來使生水達到工業(yè)用純水的指標。本系統(tǒng)以SIEMENS S7-200 PLC為核心，對硬件系統(tǒng)的各個模塊及其組成進行了設計，尤其對系統(tǒng)實施的方案進行了分析，同時針對整個系統(tǒng)進行了必要的程序設計，完成對純水處理整套系統(tǒng)的控制設計。隨著反滲透純水設備造價和運行費用的不斷降低，越來越多的行業(yè)(電力、石油、煤炭、化工等)都在使用反滲透系統(tǒng)生產各種工藝用脫鹽水，由于反滲透系統(tǒng)人工方式很難保證反滲透系統(tǒng)的長期穩(wěn)定運行，因此采用PLC作為反滲透系統(tǒng)的自動控制設備就變得非常必要。本文系統(tǒng)實際介紹一種反滲透PLC控制系統(tǒng)的編程方法，用來簡化系統(tǒng)的邏輯關系，提高PLC程序的易讀性。在此基礎上，本課題針對系統(tǒng)中“多介質過濾器”、“活性炭過濾器”進行了設計，并就故障中斷，報警程序進行了研究，解決了系統(tǒng)運行過程中無人值守，自動檢測監(jiān)控的問題。2 純水處理工藝流程純水處理工藝流程分為預處理、反滲透和EDI精處理3部分，如圖2.1所示。原水箱多介質過濾器活性炭過濾器一級反滲透中間水箱一級RO水箱二級反滲透二級RO水箱EDI 設備純水箱原水泵一級高壓泵二級高壓泵EDI水泵原水（自來水）使用點圖2.1 純水處理工藝流程圖原水即自來水，取自天然水體或蓄水水體，而純水是指化學純度極高的水，其主要應用在生物、化學化工、冶金、宇航、電力等領域，但其對水質純度要求相當高，所以一般應用最普遍的還是電子工業(yè)，例如電力系統(tǒng)所用的純水，要求各雜質含量低達“微克/升”級。本課題要研究的即是把原水經過一系列的工藝技術轉變?yōu)楣I(yè)用純水，原水水質指標如表2.1。 表2.1 原水水質 mg/L項目含量項目含量項目含量K+Na-總FeCODSO42-NO3-12.40.052.9067.04.44Sr2+Ba2-Zn2+HCO3-SiO20.200.0370.05110.07.4Ca2+Mg2+Mn2+Cl-PH74.816.916.925.07.882.1 預處理過程水的預處理是在水的精制處理之前，預先進行的初步處理，以便在水的經處理時取得良好效果，提高水質。因為自然界的水都有大量雜質，如泥沙、粘土、有機物、微生物、機械雜質等，這些雜質的存在，嚴重影響精制水的水質與處理效果，因此必須在精處理之前將一些雜質降低或去除，這就需要預處理，有時也稱前處理。對水質預處理的好壞，直接影響電滲析、反滲透、離子交換等主要處理工藝的技術經濟效果和長期安全運行，它是工業(yè)水處理中非常重要的一環(huán)。預處理的方法主要有多介質過濾和活性炭吸附，功能是濾除懸浮物、機械雜質、有機物等，從而提高水的澄明度。多介質過濾器，又稱機械過濾器，是以成層狀的無煙煤、砂、細碎的石榴石或其他材料為床層，床的頂層由最輕和最粗品級的材料組成，而最重和最細品級的材料放在床的低部。其原理為按深度過濾水中較大的顆粒在頂層被去除，較小的顆粒在過濾器介質的較深處被去除，從而使水質達到粗過濾后的標準。這樣把顆粒無煙煤作為其上層濾料，而大比重的小顆粒石英砂放在其下層，用以除去原水中的懸浮物質、固體顆粒。懸浮固體是水中不溶解的非膠態(tài)的固體物質，它們在條件適宜時可以沉淀。用過濾器截留懸浮固體，以過濾介質截留懸浮固體前后的重量差作為衡量過濾器發(fā)揮作用的依據。過濾介質一般使D=0.5-1.0mm的濾料介質.根據水中的雜質成份可以采用單層過濾、雙層過濾和多層過濾。吸附法是利用多孔性固體物質，使水中一種或多種有害物質被吸附在固體表面而去除的方法。在水質預處理系統(tǒng)中，活性炭過濾器能夠吸附前級過濾中無法去除的余氯以防止后級反滲透膜受其氧化降解，同時還吸附從前級泄漏過來的小分子有機物等污染性物質，對水中異味、膠體及色素、重金屬離子、COD等有較明顯的吸附去除作用?？梢赃M一步降低RO進水的SDI值，保證SDI5，TOC2.Oppm?；钚蕴课狡魃蠈訛?030目的活性炭顆粒，下層為0.82.0mm的石英砂顆粒。內裝優(yōu)質活性炭，其工作是通過炭床來完成的。組成炭床的活性炭顆粒有非常多的微孔和巨大的比表面積，具有很強的物理吸附能力，水通過炭床，水中有機污染物被活性炭有效地吸附，此外活性炭表面非結晶部分上有一些含氧管能團，使通過炭床的水中之有機污染物被活性炭有效地吸附?；钚蕴窟^濾器一般作為給水處理或污水處理的深度處理設備，其作用主要去除水中的懸浮物質、大分子有機物、膠體、異味、余氯、色度、重金屬等雜質，降低COD含量以保證后序系統(tǒng)的正常運行，延長反滲透膜的使用壽命，其主要技術參數(shù)如表2.2。表2.2 活性炭過濾主要技術參數(shù)工作壓力0.05MPa0.6Mpa工作溫度540操作方式手動或自動控制簡體材料04、316L、A3碳鋼及玻璃鋼2.2 反滲透過程反滲透是60年代發(fā)展起來的一項新的膜分離技術,是依靠反滲透膜在壓力下使溶液中的溶劑與溶質進行分離的過程。因為它和自然滲透的方向相反，故稱反滲透。RO（Reverse Osmosis）反滲透技術是利用壓力表差為動力的膜分離過濾技術，源于美國二十世紀六十年代宇航科技的研究，后逐漸轉化為民用，目前已廣泛運用于科研、醫(yī)藥、食品、飲料、海水淡化等領域。如圖2.2所示。鹽水淡水鹽水淡水滲透壓滲透壓半透膜半透膜滲透原理反滲透原理圖2.2反滲透技術是當今最先進和最節(jié)能有效的膜分離技術。反滲透水處理設備作為純水過濾的專用設備，在水過濾時利用反滲透膜的選擇性透過原理，通過設備的高壓泵對經過反滲透膜的原水施加一定壓力，在壓力作用下，原水中的水分子可以透過膜而滲析出來，而其他無機鹽、微生物與有機物等卻由于反滲透膜對這些物質的截留特性而不能透過膜，從而可以獲得純凈的無離子水。由于反滲透膜的膜孔徑非常?。▋H為10A左右），因此能夠有效地去除水中的溶解鹽類、膠體、微生物、有機物等（去除率高達97%-98%）。反滲透是目前高純水設備中應用最廣泛的一種脫鹽技術，它的分離對象是溶液中的離子范圍和分子量幾百的有機物。近年來反滲透（RO）脫鹽技術正以驚人的速度進入純水制備領域，一方面是大批引進國外的成套設備，一方面是國內對膜技術的研究，開發(fā)和應用飛速發(fā)展。由于新技術的廣泛采用，對純水系統(tǒng)的處理工藝也相應提出了更高的要求，幾種主要脫鹽工藝的進水水質標準見表2.3。表2.3 幾種主要脫鹽工藝的進水水質標準項目進水質標準離子交換（IE）電滲透（ED）反滲透（RO）中空PA膜卷式CA膜濁度逆流再生2順流再生5130.30.5SDI1035朗格利爾指數(shù)（LSI）0（或濃水0.5）0（或濃水0.5）COD(mg/IO2)231.51.5余氯（mg/L）0.10.100.21PH41147總Fe（mg/L）0.30.30.050.1反滲透（RO）的進水水質標準比一般脫鹽工藝要嚴格。污染指數(shù)是（SDI）是反滲透進水控制的一個重要指標，它是以0.45um微孔濾膜的堵塞程度來間接表征低濁度水中膠體雜質的含量，實踐證明SDI是保證反滲透（RO）正常運行十分有效的指標，同時對離子交換（IE）電滲析（ED）的預處理也有一定的借鑒作用，當SDI偏高時會造成交換樹脂或離子交換膜的污染，使交換容量和出水水質下降。在反滲透處理中，會加堿來提高脫除率，在反滲透進水中注入堿液用來提高PH，PH升高會增加LSI、降低碳酸鈣及鐵和錳的溶解度，因此在一級反滲透中加堿使用較少，最常見的加堿應用是二級RO系統(tǒng)。在二級反滲透系統(tǒng)中，一級RO產水供給二級RO作為原水，二級反滲透對一級反滲透產水進行“拋光”處理，二級RO產水的水質可達到4兆歐。而在二級RO進水中加堿有4個原因：1) 在pH8.2以上，二氧化碳全部轉化為碳酸根離子，碳酸根離子可以被反滲透脫除。而二氧化碳本身是一種氣體，會隨透過液自由進入RO產水，對于下游的離子交換床拋光處理造成不當?shù)呢摵伞?) 某些TOC成分在高pH下更容易脫除。3) 二氧化硅的溶解度和脫除率在高pH下更高（特別是高于9時）。4) 硼的脫除率在高pH下也較高（特別是高于9時）。2.3 EDI精處理過程EDI技術是離子交換核電滲析技術相結合的產物,因此EDI的除鹽機理具有很強的離子交換和電滲析的工作特性。EDI和傳統(tǒng)混床相比具有著無法比擬的優(yōu)勢，現(xiàn)在已得到了越來越多的應用。特別是EDI使水處理成為了綠色行業(yè)，滿足了當今世界對環(huán)保的要求。電除鹽(Electordeionization縮寫為EDI)，是一種新型的純水處理技術，它是將電滲析和離子交換技術有機結合的深度除鹽新工藝。在EDI中，陰、陽混合離子交換樹脂被填充在淡水室中，利用除鹽過程中的濃度極化和水電離產生的H+ 、OH一再生混合離子交換離子樹脂，相當于連續(xù)獲得再生的混合離子交換樹脂，從而具有連續(xù)再生能力，再生過程不需要酸、堿等化學試劑，被稱為新型綠色環(huán)保水處理技術。依據用水水質的不同要求，EDI一般和反滲透水處理技術(RO)結合使用，用于反滲透水處理設備之后的精處理來替代混床，也可以作為混床的前處理。EDI是一種物理除鹽工藝，一套EDI由多個除鹽單元組成，一個EDI單元由離子交換樹脂、離子選擇性膜以及直流電場組成，如圖2.3所示。離子交換樹脂、離子選擇性膜以及直流電場組成，離子選擇性膜分為陰離子選擇性透過膜和陰離子選擇性透過膜，兩者間隔排列，陽離子選擇性透過膜只允許陽離子通過，陰離子和水不能通過。同樣，陰離子選擇性透過膜只允許陰離子通過。陰、陽混合樹脂夾在陽、陰選擇性透過膜中間，在外加直流電場的作用下Ca 、Mg計、Na 、H 等陽離子向陰極移動，HCO 、SO；一、OH一等陰離了向陽極移動，通過選擇透過性膜分別進入相臨的棄水通道，從而降低淡水通道水中的離子含量，達到凈化的目的。離子交換樹脂所起的作用有兩點，是使產水通道中的電阻降低，加強了離子遷移，增強了電離子的去除能力，提高產水水質；二是在直+陽極-陰極陰離子選擇性膜陰離子選擇性膜混合離子交換樹脂圖2.3 EDI結構示意圖流電場中不斷地水解出H+ 、OH一，這種分離出來的H+、OH一在EDI中充當樹脂的再生劑，可以始終維持一部分樹脂處于再生狀態(tài)，從而顯著地提高產水量。這樣，離子交換樹脂的再生在產水的同時完成，不需要額外添加酸堿等化學藥品而具有連續(xù)再生能力。系統(tǒng)的設計水源為地下水，原水經過絮凝、多介質過濾等預處理后，達到RO 進水要求，RO 出水滿足EDI進水要求，原水溫度為1525 C，最低溫度為5C ，RO 的設計脫鹽率為97 。系統(tǒng)的設計RO出水水質、EDI產水水質分別見表2.4、2.5。表2.4 EDI進水要求項目含量項目含量項目含量PH5.09.0可溶硅0.5余氯0.05總硬度（CaCO3）1.0TOC0.5Fe、Mn、H2S0.01表2.5 EDI產水水質項目參數(shù)項目參數(shù)PH硬度6.09.00 umol/LSiO2電導率0.05mg/L0.2 us/cm不同原水情況下RO、EDI的實際運行也會有所不同，如表2.6所示。在EDI的實際運行中，其出水水質是可調的。出水的導電率可高于設計出水，是因為24uscm 的水質既能滿足實際生產的需要，又能將系統(tǒng)的運行控制在較高的經濟性水平。水的利用率高是EDI系統(tǒng)的另一優(yōu)點，在實際生產中，EDI排水回收可作為RO的進水，能提高整個系統(tǒng)的水利用率。表2.6 不同原水時RO、EDI的運行指標項目地下水（設計水源）黃河水硬度（umol/L）SiO2（mg/L）電導率（us/cm）硬度（umol/L）SiO2（mg/L）電導率（us/cm）原水51207.445060503.791074RO出水480.120.1881510140.100.151525EDI出水00.10.5300.124EDI作為一種新型的純水技術，我國已經在實驗室純水提供、化工、醫(yī)藥以及中溫中壓鍋爐補給水方面有了許多成功的實際應用。就目前的運行狀況而言，EDI技術在大型火力發(fā)電廠水處理系統(tǒng)中的應用還處于探討階段，其出水的水質、穩(wěn)定性等較高溫高壓發(fā)電機組補給水要求還有一定難度。但國外EDI技術已經應用在大型火力發(fā)電廠、核電廠，而且運行的出水水質、穩(wěn)定性都能滿足生產運行的需要。因而，作為一種環(huán)保、清潔、可以連續(xù)再生運行的純水處理技術，EDI代表了水處理技術未來的一種發(fā)展趨勢，具有廣闊的應用前景。2.4 主要設備的組成及控制方式系統(tǒng)的設備組成如表2.7所示。表2.7 設備組成設備名稱數(shù)量增壓泵3高壓泵2多介質過濾器1活性炭過濾器1反滲透主機2EDI設備1純水處理系統(tǒng)采用順序控制和過程控制，順序控制實現(xiàn)PLC對原水泵、多介質過濾器、活性碳過濾器、反滲透膜等組件的啟動、停止及各設備間的關聯(lián)控制。過程控制主要實現(xiàn)對系統(tǒng)溫度、液位、流量、壓力、電導率等工藝參數(shù)采集，以調節(jié)閥門開度、變頻器頻率設定、啟動多介質過濾器和活性碳過濾器反洗、達到最佳優(yōu)化控制效果。順序控制按照工藝要求對純水處理系統(tǒng)的各個單元進行先后控制，并對水質出現(xiàn)意外情況時進行單元順序調整，從而控制整個制備系統(tǒng)水質。過程控制分為現(xiàn)場對象層、IO模塊層和S7200現(xiàn)場主控控制層?，F(xiàn)場主控控制層與IO模塊層連接。溫度控制器、流量傳感器、液位傳感器、導電度變送器等通過連接電纜連接到分布式IO模塊層，然后連接到PLC控制器。3 主電路設計及PLC選型3.1 PLC概述3.1.1 PLC的基本概念可編程控制器(Programmable Controller)是計算機家族中的一員，是為工業(yè)控制應用而設計制造的。早期的可編程控制器稱作可編程邏輯控制器(Programmable Logic Controller)，簡稱PLC，它主要用來代替繼電器實現(xiàn)邏輯控制。隨著技術的發(fā)展，這種裝置的功能已經大大超過了邏輯控制的范圍，因此，今天這種裝置稱作可編程控制器，簡稱PC。但是為了避免與個人計算機(Personal Computer)的簡稱混淆，所以將可編程控制器簡稱PLC?？删幊炭刂破魇且晕⑻幚砥鳛榛A，綜合計算機技術，自動控制技術和通訊技術而發(fā)展起來的一種新型工業(yè)控制裝置，它將傳統(tǒng)繼電器控制技術和現(xiàn)代計算機信息處理兩者的優(yōu)點結合起來成為工業(yè)自動化領域中最重要，應用最多的控制設備。3.1.2 PLC的基本結構PLC實質是一種專用于工業(yè)控制的計算機，其硬件結構基本上與微型計算機相同，如圖3.1所示。系統(tǒng)程序用戶程序存儲器外設接口I/O擴展接口微處理器電源部件輸入部件輸出部件I/O擴展單元編輯器其他外設接受現(xiàn)場信號驅動受控元件基本單元圖3.1 PLC的硬件結構圖1） 中央處理單元(CPU)中央處理單元(CPU)是PLC的核心部分，是整個PLC系統(tǒng)的中樞。它按照PLC系統(tǒng)程序賦予的功能接收并存儲從編程器鍵入的用戶程序和數(shù)據,檢查電源、存儲器、I/O以及警戒定時器的狀態(tài)，并能診斷用戶程序中的語法錯誤。當PLC投入運行時，首先它以掃描的方式接收現(xiàn)場各輸入裝置的狀態(tài)和數(shù)據，并分別存入I/O映象區(qū)，然后從用戶程序存儲器中逐條讀取用戶程序，經過命令解釋后按指令的規(guī)定執(zhí)行邏輯或算數(shù)運算的結果送入I/O映象區(qū)或數(shù)據寄存器內。等所有的用戶程序執(zhí)行完畢之后，最后將I/O映象區(qū)的各輸出狀態(tài)或輸出寄存器內的數(shù)據傳送到相應的輸出裝置，如此循環(huán)運行，直到停止運行。為了進一步提高PLC的可靠性，近年來對大型PLC還采用雙CPU構成冗余系統(tǒng)，或采用三CPU的表決式系統(tǒng)。這樣，即使某個CPU出現(xiàn)故障，整個系統(tǒng)仍能正常運行。2） 存儲器PLC中的存儲器根據用途不同分為系統(tǒng)程序存儲器、用戶程序存儲器和工作數(shù)據存儲器三種。系統(tǒng)程序存儲器是存放系統(tǒng)程序的存儲器區(qū)域，為只讀存儲器，用戶不能更改其中的內容，它主要完成指令解釋、系統(tǒng)自診斷 、子程序調用管理、運算、通信和各種參數(shù)設定等功能。用戶程序存儲器是存放用戶程序的存儲器區(qū)域，用戶程序是用戶根據自己的控制要求而編寫的應用程序，用戶程序存儲器必須是可讀寫的。工作數(shù)據存儲器是用來存儲工作數(shù)據的存儲器區(qū)域，工作數(shù)據是隨著程序的運行和控制過程的進行而隨機變化的，因此工作數(shù)據存儲器也是采用RAM和EEROM存儲器。在工作數(shù)據區(qū)中，預先開辟了各種軟元件的映像寄存器區(qū)域好變量數(shù)據區(qū)。3） 電源PLC的電源在整個系統(tǒng)中起著十分重要的作用。如果沒有一個良好的、可靠的電源系統(tǒng)是無法正常工作的，因此PLC的制造商對電源的設計和制造也十分重視。一般交流電壓波動在+10%(+15%)范圍內，可以不采取其它措施而將PLC直接連接到交流電網上去。3.1.3 PLC的工作原理當PLC投入運行后，其工作過程一般分為三個階段，即輸入采樣、用戶程序執(zhí)行和輸出刷新三個階段。完成上述三個階段稱作一個掃描周期。在整個運行期間，PLC的CPU以一定的掃描速度重復執(zhí)行上述三個階段。1） 輸入采樣階段在輸入采樣階段，PLC以掃描方式依次地讀入所有輸入狀態(tài)和數(shù)據，并將它們存入I/O映象區(qū)中的相應得單元內。輸入采樣結束后，轉入用戶程序執(zhí)行和輸出刷新階段。在這兩個階段中，即使輸入狀態(tài)和數(shù)據發(fā)生變化，I/O映象區(qū)中的相應單元的狀態(tài)和數(shù)據也不會改變。因此，如果輸入是脈沖信號，則該脈沖信號的寬度必須大于一個掃描周期，才能保證在任何情況下，該輸入均能被讀入。2） 用戶程序執(zhí)行階段在用戶程序執(zhí)行階段，PLC總是按由上而下的順序依次地掃描用戶程序(梯形圖)。在掃描每一條梯形圖時，又總是先掃描梯形圖左邊的由各觸點構成的控制線路，并按先左后右、先上后下的順序對由觸點構成的控制線路進行邏輯運算，然后根據邏輯運算的結果，刷新該邏輯線圈在系統(tǒng)RAM存儲區(qū)中對應位的狀態(tài)；或者刷新該輸出線圈在I/O映象區(qū)中對應位的狀態(tài)；或者確定是否要執(zhí)行該梯形圖所規(guī)定的特殊功能指令。即在用戶程序執(zhí)行過程中，只有輸入點在I/O映象區(qū)內的狀態(tài)和數(shù)據不會發(fā)生變化，而其他輸出點和軟設備在I/O映象區(qū)或系統(tǒng)RAM存儲區(qū)內的狀態(tài)和數(shù)據都有可能發(fā)生變化，而且排在上面的梯形圖，其程序執(zhí)行結果會對排在下面的凡是用到這些線圈或數(shù)據的梯形圖起作用；相反，排在下面的梯形圖，其被刷新的邏輯線圈的狀態(tài)或數(shù)據只能到下一個掃描周期才能對排在其上面的程序起作用。3） 輸出刷新階段當掃描用戶程序結束后，PLC就進入輸出刷新階段。在此期間，CPU按照I/O映象區(qū)內對應的狀態(tài)和數(shù)據刷新所有的輸出鎖存電路，再經輸出電路驅動相應的外設。這時，才是PLC的真正輸出。3.2 PLC的輸入、輸出地址分配輸入/輸出模塊通常簡稱為I/O模塊或I/O接口。PLC通過I/O模塊與外部設備相互聯(lián)系，通過I/O模塊可以接受現(xiàn)場設備（傳感器）向PLC提供的被控對象的各種參數(shù)，或按鈕、操作開關、繼電器觸點和接近開關等提供的開關量信號。這些信號經過輸入接口電路的濾波、光電隔離和電平轉換等處理，變成CPU能夠接收和處理的信號。同時，通過I/O模塊可以將經過CPU處理的信號通過光電隔離和功率放大等處理，轉換成外部設備所需要的驅動信號，以驅動如繼電器、電磁閥、電磁鐵、調節(jié)閥、調速裝置等各執(zhí)行機構。PLC的I/O模塊的主要類型有：數(shù)字量輸入模塊、數(shù)字量輸出模塊、數(shù)字量輸入/輸出混合模塊、模擬量輸入模塊、模擬量輸出模塊和模擬量輸入/輸出混合模塊。正確地連接輸入和輸出電路，是保證PLC安全可靠工作的前提。本設計PLC的的輸入、輸出地址分配如表3.1、3.2、3.3所示。表3.1 開關量輸入輸入信號地址備注原水進水電動閥反饋I0.0輸入為0時，原水進水電動閥關閉，輸入為1時，原水進水電動閥打開原水泵反饋I0.1輸入為0時，原水泵停止，輸入為1時，原水泵運行多介質過濾器上進水電動閥反饋I0.2輸入為0時，多介質過濾器上進水電動閥關閉，輸入為1時，打開多介質過濾器下進水及反排污電動閥反饋I0.3輸入為0時，多介質過濾器下進水及反排污電動閥關閉，輸入為1時，打開多介質過濾器下排污電動閥反饋I0.4輸入為0時，多介質過濾器下排污電動閥關閉，輸入為1時，打開活性炭過濾器上進水電動閥反饋I0.5輸入為0時，活性炭過濾器上進水電動閥關閉，輸入為1時，打開活性炭過濾器下進水及反排污電動閥反饋I0.6輸入為0時，活性炭過濾器下進水及反排污電動閥關閉，輸入為1時，打開活性炭過濾器下排污電動閥反饋I0.7輸入為0時，活性炭過濾器下排污電動閥關閉，輸入為1時，打開活性炭過濾器出水電動閥反饋I1.0輸入為0時，活性炭過濾器出水電動閥關閉，輸入為1時，打開一級高壓泵反饋I1.1輸入為0時，一級高壓泵停止，輸入為1時，一級高壓泵運行二級高壓泵反饋I1.2輸入為0時，二級高壓泵停止，輸入為1時，二級高壓泵運行一級定時排放電動閥反饋I1.3輸入為0時，一級定時排放電動閥關閉，輸入為1時，打開二級定時排放電動閥反饋I1.4輸入為0時，二級定時排放電動閥關閉，輸入為1時，打開一級超標排放信號反饋I1.5輸入為0時，一級超標排放電動閥關閉，輸入為1時，打開二級超標排放信號反饋I1.6輸入為0時，二級超標排放電動閥關閉，輸入為1時，打開EDI水泵反饋I1.7輸入為0時，EDI水泵停止，輸入為1時，EDI水泵運行EDI產水超標排放信號反饋I2.0輸入為0時，EDI產水超標排放電動閥關閉，輸入為1時，打開純水泵反饋I2.1輸入為0時，純水泵停止，輸入為1時，純水泵運行表3.2 模擬量輸入名稱地址編號備注原水箱水位RA1輸入水位低于低水位時，原進水電動閥打開，高于高水位時，原進水電動閥關閉中間水箱水位RB1輸入水位低于低水位時，原水泵啟動，輸入水位高于高水位時，原水泵停止，檢測到水位低于無水水位時，立即停止原水泵并報警一級RO水箱水位RC1輸入水位低于低水位時，一級高壓泵啟動，輸入水位高于高水位時，一級高壓泵停止，檢測到水位低于無水水位時，立即停止一級高壓泵并報警二級RO水箱水位RD1輸入水位低于低水位時，二級高壓泵啟動，輸入水位高于高水位時，二級高壓泵停止，檢測到水位低于無水水位時，立即停止二級高壓泵并報警純水箱水位RA2輸入水位低于低水位時，EDI水泵啟動，輸入水位高于高水位時，EDI水泵停止，檢測到水位低于無水水位時，立即停止EDI水泵并報警表3.3 輸出量名稱地址編號備注原水進水電動閥Q0.1輸出為0時，原水進水電動閥關閉，輸出為1時，原水進水電動閥打開原水泵控制Q0.1輸出為0時，原水泵停止，輸出為1時，原水泵運行多介質過濾器上進水電動閥Q0.2輸出為0時，多介質過濾器上進水電動閥關閉，輸出為1時，打開多介質過濾器下進水及反洗排污電動閥Q0.3輸出為0時，多介質過濾器下進水及反排污電動閥關閉，輸出為1時，打開多介質過濾器下排污電動閥Q0.4輸出為0時，多介質過濾器下排污電動閥關閉，輸出為1時，打開活性炭過濾器上進水電動閥Q0.5輸出為0時，活性炭過濾器上進水電動閥關閉，輸出為1時，打開活性炭過濾器下進水及反洗排污電動閥Q0.6輸出為0時，活性炭過濾器下進水及反排污電動閥關閉，輸出為1時，打開活性炭過濾器下排污電動閥Q0.7輸出為0時，活性炭過濾器下排污電動閥關閉，輸出為1時，打開活性炭過濾器出水電動閥Q1.0輸出為0時，活性炭過濾器出水電動閥關閉，輸出為1時，打開一級高壓泵控制Q1.1輸出為0時，一級高壓泵停止，輸出為1時，一級高壓泵運行二級高壓泵控制Q1.2輸出為0時，二級高壓泵停止，輸出為1時，二級高壓泵運行一級定時排放Q1.3輸出為0時，一級定時排放閥門關閉，輸出為1時，打開二級定時排放Q1.4輸出為0時，二級定時排放閥門關閉，輸出為1時，打開一級超標排放Q1.5輸出為0時，一級超標排放閥門關閉，輸出為1時，打開二級超標排放Q1.6輸出為0時，二級超標排放閥門關閉，輸出為1時，打開EDI水泵控制Q1.7輸出為0時，EDI水泵停止，輸出為1時，EDI水泵運行EDI產水超標排放Q2.0輸出為0時，EDI產水超標排放閥門關閉，輸出為1時，打開純水泵控制Q2.1輸出為0時，純水泵停止，輸出為1時，純水泵運行EDI設備加電控制Q2.2EDI水泵運行后30s，EDI設備加電EDI設備斷電控制Q2.3EDI水泵停止，EDI設備立即斷電3.3 控制系統(tǒng)的方案結構基于課題要求和純水處理技術的發(fā)展現(xiàn)狀，參閱各方面資料，經過反復分析與比較，本次設計擬采用以下設計方案,采用PLC可編程控制器技術實現(xiàn)純水處理控制，方案結構如圖3.2所示。在觸摸屏上控制系統(tǒng)的啟動和停止，系統(tǒng)啟動后，PLC要采集的輸入量有各個閥門的開閉情況還有各個水箱的液位情況，PLC輸出控制各個水泵的啟停、系統(tǒng)的反洗、報警等。其中輸入量中水箱液位是模擬量輸入，所以系統(tǒng)中要用到液位傳感器來把水箱的液位情況傳遞給PLC，PLC控制也要擴展模擬輸入模塊與傳感器連接。系統(tǒng)運行過程中PLC自動檢測各個設備是否正常運行，如果檢測到故障時，PLC輸出報警信號并中斷相應的設備運行。另外EDI設備不可無水加電運行，所以EDI水泵的運行情況直接控制EDI電源設備。PLC觸摸屏傳感器水箱水位開關量輸入自動/停止原水泵EDI水泵純水泵高壓泵開關量輸出報警電鈴EDI斷/加電參數(shù)設定圖3.2 系統(tǒng)結構框圖3.4 PLC各模塊的選取及簡介系統(tǒng)中有18個開關輸入量，5個模擬輸入量，20個模擬輸出量，所以PLC選擇CPU 226 AC/DC/繼電器作為CPU主芯片，型號是6ES7 216-2BD23-0XB8。CPU 226有24個輸入，16個繼電器輸出，而系統(tǒng)中有20個輸出，因此還需要擴展一個繼電器輸出模塊，所以選擇EM 221數(shù)字輸出 8繼電器輸出模塊，型號是6ES7 222-1HF22-0XA8。另外，系統(tǒng)中還有5個模擬量輸入，所以系統(tǒng)還需要擴展模擬量輸入模塊，本設計中選取2個EM 235模擬量組合模塊，EM 235有4個輸入，其型號為6ES7 235-0KD22-0XA8。這樣，PLC設備的輸入輸出都留有裕量，能更可靠的使系統(tǒng)實現(xiàn)自動化控制運行。6ES7 216-2BD23-0XB8集成24個輸入和16個輸出，共40個數(shù)字量I/O 點?？蛇B接7個擴展模塊，最大擴展至248路數(shù)字量I/O點或35路模擬量I/O點。26K字節(jié)程序和數(shù)據存儲空間。6個獨立的30kHz高速計數(shù)器，2路獨立的20kHz高速脈沖輸出，具有PID控制器。2個RS485 通訊/編程口，具有PPI通訊協(xié)議、MPI通訊協(xié)議和自由方式通訊能力。I/O端子排可很容易地整體拆卸。用于較高要求的控制系統(tǒng)，具有更多的輸入/輸出點，更強的模塊擴展能力，更快的運行速度和功能更強的內部集成特殊功能。可完全適應于一些比較復雜的中小型控制系統(tǒng)。EM 235是最常用的模擬量擴展模塊，它能實現(xiàn)4路模擬量輸入和1路模擬量輸出的功能。EM 235模塊是組合強功率精密線性電流互感器、意法半導體（ST）單片集成變送器ASIC芯片于一體的新一代交流電流隔離變送器模塊，它可以直接將被測主回路交流電流轉換成按線性比例輸出的DC420mA（通過250電阻轉換DC 15V或通過500電阻 轉換DC210V）恒流環(huán)標準信號，連續(xù)輸送到接收裝置。EM 235模塊采用印制板直插安裝型結構,便于空間緊奏的機箱布局與安裝，原副邊高度絕緣隔離，兩線制輸出接線，輔助工作電源24V與輸出信號線DC420mA共用，具有精度高，體積小、功耗小、頻響寬、抗干擾、國內首創(chuàng)4種補償措施和6大全面保護功能，兩線端口防感應雷能力強，具有雷擊波和突波的保護能力等優(yōu)點。3.5 主電路圖設計系統(tǒng)中重主要控制原水泵，高壓泵，EDI水泵，純水泵。主電路圖如圖3.3所示。圖3.3 系統(tǒng)主電路圖 4 控制軟件設計4.1 系統(tǒng)的流程圖純水處理系統(tǒng)的詳細工藝流程圖如圖4.1所示。原水箱原水泵多介質過濾器上進水反排污下進水下排污下排污下進水反排污上進水多介質過濾器活性炭過濾器出水電動閥中間水箱一級高壓泵一級反滲透一級定時排放一級超標排放一級RO水箱二級高壓泵二級反滲透二級超標排放二級定時排放二級RO水箱水泵精處理純水箱產水超標排放原水進水電動閥自來水純水泵圖4.1 純水處理詳細工藝流程圖4.2 控制思路介紹 首先生活中的用水送到原水箱，經過多介質過濾器和活性碳過濾器的預處理的階段送到中間水箱，再送到一級RO水箱，二級RO水箱，經過二級反滲透技術的進一步處理。最后經過EDI設備精處理送到純水箱供給用水點使用。純水箱設定一個高水位值為4.5m，一個低水位值1m和一個無水水位值0.5m。觸摸屏上選擇自動控制擋，按啟動按鈕，純水處理系統(tǒng)開始運行，液位傳感器首先檢測各個水箱的液位，如果原水箱的水位低于1m，原水進閥門自動打開，如果原水箱的水位高于4.5m，原水進水電動閥自動關閉。 系統(tǒng)進入預處理階段時，首先保證多介質過濾器上進水電動閥打開、活性炭過濾器上進水電動閥打開、活性炭過濾器出水閥門打開、多介質過濾器下進水及反排污電動閥關閉、多介質過濾器下排污電動閥關閉、活性炭過濾器下進水及反排污電動閥關閉、活性炭過濾器下排污電動閥關閉。然后要求中間水箱的水位低于1m，原水箱的水位高于0.5m。滿足以上所有條件時，方可啟動原水泵，系統(tǒng)開始對原水進行預處理。 設置原水泵累計工作時間達到4小時時，系統(tǒng)開始多介質過濾器和活性炭過濾器的反洗，首先對多介質過濾器進行反洗，4.3 觸摸屏軟件設計4.3.1 觸摸屏簡介在系統(tǒng)的自運行過程當中，獲得最大的透明性對操作員來說至關重要，操作員應該隨時能對系統(tǒng)的運作情況進行控制并監(jiān)控。這樣就要用到觸摸屏,觸摸屏是操作人員與設計儀器直接的接口，操作員能對系統(tǒng)的一些參數(shù)進行設定，對系統(tǒng)的報警信號作出相應的處理，還能對系統(tǒng)的運行有整體的監(jiān)控功能。觸摸屏有以下功能：1）過程可視化2）操作員對過程的控制3）顯示報警4）歸檔過程值和報警5）過程值和報警記錄6）過程和設備的參數(shù)管理本設計中用到的觸摸屏為GP37W2-BG41-24V （5.7 英寸，單色藍白LCD）。純水處理系統(tǒng)，由于其組成設備多，水的各種指標嚴格，如純度、PH值、電導率等。觸摸屏與PLC通訊引用在純水處理的控制系統(tǒng)中，改變了傳統(tǒng)復雜的按鈕控制方式，能很好的滿足工藝要求。4.3.2 PLC與觸摸屏的連接觸摸屏與PLC可以靠電纜線來連接，觸摸屏對每一臺它所支持的PLC都可以支持通信方式。連接上了之后，先在PLC程序中的“參數(shù)設置”里定義通訊地址和方式，設置主站和從站號，還要將連接的端口設置為“通訊功能”，如果是“編程功能”則無法正常使用。然后對觸摸屏進行定位,再用PLC軟件來定位PLC的位地址，也就是觸摸屏里的按鍵設置成PLC的位地址，然后在PLC里就這個地址來寫相關的邏輯。 觸摸屏首先要制作出它的畫面，并設置按鈕。在手動控制環(huán)境下，按鈕對應控制PLC中的中間存儲器，從而達到控制PLC的目的。同樣，在自動運行環(huán)境下為了把系統(tǒng)的各個電氣設備的工作狀態(tài)顯示出來，以便現(xiàn)場控制技術人員采取對應的措施繼續(xù)控制，所以觸摸屏上需要做出報警畫面，通過它來顯示系統(tǒng)各個電氣設備的工作狀態(tài)，還需要設置多個指示燈，它們是通過監(jiān)視PLC對應信號來顯示的。進入純水處理系統(tǒng)，首先有手動/自動選擇按鈕，本設計主要設計自動控制，以下就自動控制做介紹。純水處理工序有預處理階段一，預處理階段二，反滲透，EDI精處理過程，初始界面可設置按鈕，然后每個按鈕所指進入每個工序的監(jiān)控界面，顯示每個過程當中的系統(tǒng)中各個閥門的開閉情況，以達到對系統(tǒng)運行的最大的透明程度。1） 進入純水處理系統(tǒng)的初始界面，可選擇手動控制和自動控制，另外設置預處理階段一、預處理階段二、反滲透過程、EDI精處理過程、制水過程監(jiān)控、運行參數(shù)的按鈕來分類監(jiān)控通道，主要對每個程序可進行選擇性監(jiān)控。并設有復位按鈕來做出對系統(tǒng)的故障處理。如圖4.1所示。圖4.1 純水處理系統(tǒng)初始界面按鈕設置2） 在預處理階段一界面處，設置原水泵的運行狀況指示燈，還有原水進水閥門，多介質過濾器上進水電動閥，下進水及反排污電動閥，下排污電動閥，活性炭過濾器上進水電動閥，下進水及反排污電動閥，下排污電動閥，出水閥門的開閉情況指示燈，并就每個泵和閥門設置控制按鈕。如圖4.2所示。圖4.2 預處理階段一界面設置3） 在預處理階段二界面處，設置原水泵運行情況指示燈，設置活性炭過濾器上進水電動閥、下進水及反排污電動閥、下排污電動閥，出水閥門的開閉情況指示燈，并各設置控制按鈕。如圖4.3所示。圖4.3 預處理階段二界面設置4）在反滲透控制過程界面處，設置一級高壓泵和二級高壓泵的運行情況指示燈，設置一級定時排放閥門、一級超標排放閥門、二級定時排放閥門、二級超標排放閥門的開閉情況指示燈，并各設置控制按鈕。如圖4.4所示。圖4.4 反滲透過程界面設置5） 在EDI精處理過程界面處，設置EDI水泵和純水泵運行狀態(tài)指示燈，設置EDI超標排放、EDI加電設備、EDI斷電設備的開閉情況指示燈，并各設控制按鈕。如圖4.5所示。圖4.5 EDI精處理過程界面設置6） 在制水過程監(jiān)控界面處，設置原水箱、中間水箱、一級RO水箱、二級RO水箱、純水箱的水位情況指示燈、設置原水泵、一級高壓泵、二級高壓泵，EDI水泵、純水泵的運行情況指示燈、設置多介質反洗、活性炭反洗情況指示燈、設置原水進水電動閥、一級定時排放閥門、一級超標排放閥門、二級定時排放閥門、二級超標排放閥門、EDI產水