自來水廠PLC控制系統(tǒng)設計

供水是一個關系國計民生的重要產業(yè)，隨著我國改善人民生活條件、建設小康社會及提高勞動生產水平等目標的實現(xiàn)，對自來水水質的要求也越來越高。水處理廠計算機自動化控制系統(tǒng)是保證安全、連續(xù)、優(yōu)質供水的措施。本文通過分析國內外已建水廠自動化控制系統(tǒng)的現(xiàn)狀，結合工藝設備智能化的發(fā)展趨勢，以及我國中小型水廠現(xiàn)狀，設計了一套以PLCS7-200作為控制器的自來水自動控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)能實時監(jiān)測水質、取水流量、pH值、管網(wǎng)壓力，監(jiān)控廠區(qū)安全，自動控制投磯、加氯，還能自動存儲歷史數(shù)據(jù)。此系統(tǒng)不僅能降低能耗、節(jié)約成本、減少維修維護工作強度、提高管理水平、確保供水質量，還能推進我國給水工藝的發(fā)展，對減小與先進水平的差距都具有現(xiàn)實意義。通過運行情況表明，該系統(tǒng)功能齊全，性能穩(wěn)定可靠，具有較強的實用性和推廣價值。關鍵詞：PLC；自動化控制系統(tǒng)；上位機監(jiān)控系統(tǒng)目錄TOC\o"1-5"\h\z.弓I言11本課題的研究背景和意義12國內外水廠自動控制的現(xiàn)狀13本課題的主要研究的內容21.4系統(tǒng)及儀器儀表說明3.PLC的概況及結構圖61PLC的簡介62PLC的工作原理62.1自診斷測試掃描過程62.2.2與網(wǎng)絡進行通信的掃描過程62.2.3用戶程序掃描過程62.2.4讀輸入、寫輸出掃描過程62.3PLC的結構圖及其各部分的功能TOC\o"1-5"\h\z2.3.1中央處理單元72.3.2存儲器72.3.3輸入單元72.3.4輸出單元72.3.5電源7.MCGS工控組態(tài)軟件81MCGS組態(tài)軟件簡介82運用MCGS組態(tài)軟件建立運行程序的過程9.PLC控制系統(tǒng)設計121PLC程序設計的步驟122S7-200PLC選型134.3控制過程設計144.3.1PLC控制自動加磯144.3.2PLC控制自動加氯144.3.3工控制單元144.4PLC編程144.4.1PLC控制系統(tǒng)工作流程144.4.2西門子S7-200型PLC控制I/O分配表及中間變量分配表154.4.3西門子S7-200型PLC控制梯形圖164.5程序調試20.總結與展望24參考文獻25致謝26自來水廠PLC控制系統(tǒng)設計1.引言1.1本課題的研究背景和意義隨著經濟社會的發(fā)展，水對人民的生活與生產的影響日益突出，人們對供水的質量與安全可靠性的要求不斷提高，同時也更加重視降低供水系統(tǒng)的能耗。加強供水系統(tǒng)工況的監(jiān)測是一項重要而有效的節(jié)水降耗措施，因此加強水處理廠的各個工藝環(huán)節(jié)的自動監(jiān)測與控制具有重要意義。我國城鎮(zhèn)供水在改革開放的二十幾年中得到了大發(fā)展與大提高。衛(wèi)生部公布的《第三次國家衛(wèi)生服務調查主要結果》顯示，我國城市自來水普及率達到96%，農村自來水普及率為34%。因為我國總體上是一個水資源匱乏的國家，所以在發(fā)展供水事業(yè)的同時也要考慮節(jié)約用水，提高水資源利用率，特別是目前我國的城鎮(zhèn)供水在水質處理、工藝設施和管網(wǎng)建設上，與發(fā)達國家相比還有一定差距，因此有必要提高城鎮(zhèn)水廠的自動化程度。水廠自動化的主要目的不僅是節(jié)省勞動力，更主要的是實現(xiàn)可靠、優(yōu)質、高效的供水保證。生產過程的自動檢測、調整、控制和事故報警可保證設備在規(guī)定狀態(tài)下運行，防范事故于未然，實現(xiàn)不間斷的可靠供水；投藥、過濾、消毒等工藝過程實施閉環(huán)控制，可以隨著水量、水質的變化及時調整工藝參數(shù)，保證出水水質達標；出廠水壓自動調整，能保證穩(wěn)定的服務水壓，減少爆管和漏失水量；生產過程的優(yōu)化運行可以大大減少水、氣、電和各種藥劑的浪費，達到低耗高效。縣鎮(zhèn)水廠不同于大中型水廠，其供水規(guī)模較小、占地面積較小、日變化系數(shù)和時變化系數(shù)均較大，水廠技術力量較薄弱、管理水平較低、財力較為緊張等，這就決定了設計思路有別于大中型水廠，但又因其覆蓋面廣、數(shù)量眾多，所以中、小型自來水廠的自動化控制系統(tǒng)研究有著廣泛的前景。依靠現(xiàn)代化技術手段對生產過程進行控制和管理，提高設備的運行效率和可靠性，節(jié)省寶貴的水、電資源，是技術發(fā)展的必然趨勢[1]1.2國內外水廠自動控制的現(xiàn)狀隨著電子信息技術、計算機技術以及光電技術等相關學科的飛速發(fā)展，近10年來工業(yè)自動化在各個方面都發(fā)生了許多變化，包括自動化感應部件、各種檢測傳感器、變送器、各種間接測量設備、各種執(zhí)行機構等等底層設備，以及自動回路調節(jié)器、自動控制單元、各種大中小型裝置控制系統(tǒng)乃至綜合優(yōu)化調度與協(xié)調系統(tǒng)和企業(yè)綜合管理信息系統(tǒng)等。有關控制系統(tǒng)的研究與應用也一直是現(xiàn)代工業(yè)生產中的重點工作之一，并且在控制理論和自動控制系統(tǒng)水平方面都發(fā)生了極大的變化?，F(xiàn)代水處理廠采用計算機控制技術日益普遍。歐美國家一些地方水處理廠已經用計算機進行數(shù)據(jù)記錄和運行過程控制，甚至實現(xiàn)全自動化無人值守控制模式。如美國愛荷華水廠，在七十年代初開始研究微機自動控制水廠投加藥劑，1975年應用直接數(shù)字式計算機控制自動加磯，運轉一年就降低磯耗20%，并且提高了管理水平和穩(wěn)定了水質。此外，俄羅斯的莫斯科水廠、日本東京朝霞水廠等也先后采用計算機自動控制系統(tǒng)進行控制。在廠區(qū)范圍內設有若干臺現(xiàn)場計算機，對整個水處理過程實現(xiàn)多環(huán)路控制，其中包括沉淀、過濾和反沖洗、化學藥劑投放等。設在中心控制室內的計算機主機從各個現(xiàn)場計算機中搜集數(shù)據(jù)，并入提供圖表顯示、曲線、各個設備動作記錄［2］。我國水處理行業(yè)采用自動控制系統(tǒng)起步較晚，七十年代才開始采用集中巡檢，在檢測設備與監(jiān)視設備方面與國外有較大的差距。隨著計算機技術，信息技術和自動控制技術的飛速發(fā)展，近年來我國從國外引進了一些先進設備和先進的處理工藝，國內的水處理自動控制水平有了較快發(fā)展。由于歷史現(xiàn)實的原因，我國水廠自動化的總體發(fā)展水平還不高，發(fā)展也不平衡。大中城市的水廠特別是發(fā)達地區(qū)的大型水廠，自動化程度較高，而小城市和城鎮(zhèn)的水廠特別是落后地區(qū)的小型水廠，自動化程度較低，甚至還是空白。而且，在一些已實現(xiàn)自動化的水廠中，雖然其自動化系統(tǒng)和設備與其它行業(yè)如化工、電力等相比不差甚至更先進，但是，其功能并未充分發(fā)揮出來。有的自控系統(tǒng)從未運行過，一直處于閑置狀態(tài)；有的運行一段時間后變?yōu)榱耸謩?，甚至處于癱瘓狀態(tài)，造成了自動化系統(tǒng)和設備的極大浪費⑶。1.3本課題的主要研究的內容自來水廠自動化系統(tǒng)的總體要求是可靠地實現(xiàn)對各水處理設備和生產過程的自動監(jiān)控，達到“現(xiàn)場無人值守、控制中心少人值班”的自動化程度。針對以上要求，本系統(tǒng)設計遵循的原則如下：先進性：系統(tǒng)的總體設計結構、軟硬件選型、通信手段、開發(fā)方式，均應采用已被廣泛長期應用和考驗、實踐證明屬先進性的產品和方法，保證系統(tǒng)在建設投運以后在較長時間內具有“技術先進”的生命力。開放性：選用符合國際標準的硬件設備和軟件平臺，便于二次開發(fā)和系統(tǒng)擴展升級。應用軟件設計開發(fā)要組態(tài)方便，相關系統(tǒng)中留有相應的軟件接口，使各類型數(shù)據(jù)得到很好的共享，便于進一步擴展。做到總體規(guī)劃、統(tǒng)一標準，系統(tǒng)開放、信息共享，保證前期投資的有效性和后續(xù)投資的連續(xù)性。經濟實用性：系統(tǒng)建設要滿足工藝要求，切合生產管理的實際情況，并為用戶今后的使用、維護及擴展升級考慮，具有高性價比。應根據(jù)工藝設備的控制條件、控制頻率和控制重要性等因素框定控制范圍，避免過分追求控制范圍的擴大化，提高系統(tǒng)的實用性和經濟性?？煽啃裕嚎紤]系統(tǒng)的抗干擾和防雷問題；采用冗余熱備份技術，提高系統(tǒng)可靠性；考慮系統(tǒng)的網(wǎng)絡安全性，使系統(tǒng)具有一定的抗入侵能力[4]根據(jù)以上原則，本設計的控制過程主要完成加磯、加氯量的調節(jié)，通過可編程邏輯控制器PLC來實現(xiàn)。具體如下：收集傳感器對壓力、流量、濁度、余氯、PH值數(shù)據(jù)的采集，具體包括壓力值、取水口流量、出水口流量、取水口濁度、沉淀池濁度、出水口濁度、沉淀池余氯、出水口余氯、PH值傳送給PLC，PLC根據(jù)數(shù)字顯示，通過控制加氯儀和投磯儀的開關來實現(xiàn)自來水的消毒與凈化。PLC實時監(jiān)測上述9路輸入的信號，并把信號傳給工控機，通過組態(tài)軟件實時顯示、報警、控制操作和實現(xiàn)數(shù)據(jù)管理。用于生產管理的計算機根據(jù)PLC上傳的各儀表所檢測到的數(shù)據(jù)，結合相關標準，經過分析后，將結果下傳給PLC，最終控制加磯、加氯。1.4系統(tǒng)及儀器儀表說明本系統(tǒng)包括中控室、取水井、加磯加氯間、反應池、過濾池、清水池、送水泵房、管網(wǎng)等各環(huán)節(jié)組成，各子系統(tǒng)由PLC站控制，中控室有2臺分別用于生產管理與監(jiān)控的算機，中控計算機可實時顯示各PLC單元控制的儀表、機電、加磯、加氯設備和濾池在內的工作情況，可對系統(tǒng)的所有設備進行遠程操作和控制°PLC接收流量、濁度、壓力無線遠傳信號，控制加氯、加磯量；管理計算機用于顯示、存儲視頻信號，以便于管理。圖1.1是水廠自動化控制系統(tǒng)總體結構圖。本設計將以此為藍本，結合農村中大型自來水廠的具體情況及客戶要求，設計出最合適的方案：整個系統(tǒng)分為三部分：水質監(jiān)測系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、管網(wǎng)壓力無線遠傳系統(tǒng)。水質監(jiān)測系統(tǒng)主要由信息采集、信息分析、信息管理與反饋三部分組成。其中信息采集部分由流量檢測儀、濁度檢測儀、余氯分析儀、pH檢測儀、壓力變送器組成；信息分析部分由PLC可編程控制器組成；信息管理與反饋部分由組態(tài)軟件MCGS、工控機組成。視頻監(jiān)控系統(tǒng)由前端攝像、信號傳輸、圖像處理、顯示和記錄四部分組成。前端攝像：負責攝取現(xiàn)場的畫面并將圖像信號轉變?yōu)榭蓚鬏數(shù)碾娦盘?，包括攝像機、鏡頭、防護罩、支架等；信號傳輸：用于傳送現(xiàn)場的視頻信號，包括解碼器、視頻電纜、圖像采集卡等；圖像處理：集中接收和處理現(xiàn)場發(fā)送回來的各種信號，并進行相應的控制和管理工作；顯示和記錄：將前端設備傳回的視頻信號轉化為圖像信號并顯示和記錄，主要包括顯示器和大容量硬盤兩部分。管網(wǎng)壓力無線遠傳系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集設備、數(shù)據(jù)傳輸設備、數(shù)據(jù)接收設備三大部分組成。數(shù)據(jù)采集設備是壓力變送器；數(shù)據(jù)傳輸設備是無線網(wǎng)絡轉換器；數(shù)據(jù)接收設備是對接收到的數(shù)據(jù)進行存儲和管理，將實時數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)傳送給電腦軟件系統(tǒng)。儀器儀表的分布主要設置在三個地段：取水口處檢測水源各項指標，保證最快地決策投磯量，避免由于延遲帶來的投磯量誤差；濾池后檢測的各項指標起到反饋調節(jié)的作用，自動微調投磯加氯量，使整個系統(tǒng)成為一個閉環(huán)調節(jié)系統(tǒng)，保證實現(xiàn)最佳控制；在自來水出廠之前再對所有指標做一次檢測，一方面這個數(shù)據(jù)上報管理機構存檔，可以直接打印報表，另一方面是為防止特殊環(huán)境下清水池污染等突發(fā)事件發(fā)生時可以及時報警。2?PLCS葬言汩>曲網(wǎng)2?1PLCsMn實時分析監(jiān)測控制計算機計算機r濁度投磯加氯余氯取水口IiI1加藥車間1II中控室PLC視頻管理歷史記錄運程模塊輸入輸出加藥調節(jié)一|r濁度壓力余氯流1沉淀過濾I1出水口GPRS模塊壓力遠程模塊大關鍵設備"管網(wǎng)壓力J"廠區(qū)監(jiān)控'圖L1水廠自動化控制系統(tǒng)總體結構圖可編程邏輯控制器(ProgrammableLogicController)簡稱PLC,最初只能進行計數(shù)、定時及開關量的邏輯控制。隨著計算機技術的發(fā)展，可編程邏輯控制器的功能不斷擴展和完善，其功能遠遠超出了邏輯控制的范圍，具有7PID、A\D、D\A、算術運算、數(shù)字量智能控制、監(jiān)控、通信聯(lián)網(wǎng)等多方面的功能，它已變成了實際意義上的一種工業(yè)控制計算機°PLC與通用計算機沒有什么區(qū)別，只是一臺增強了【/。功能的可與控制對象方便連接的計算機。其完成控制的實質是按一定算法進行I/O變換，并將這個變換實現(xiàn)，應用于工業(yè)現(xiàn)場。PLC的編程語言有梯形圖語言、語句表語言、邏輯圖語言、功能表語言和高級語言［6］本設計使用梯形圖語言編程。PLC的工作原理PLC開始運行后，在系統(tǒng)程序的監(jiān)控下周而復始地按照一定的順序對系統(tǒng)內部的各種任務進行查詢，判斷和執(zhí)行，這個過程實質上是按照巡回掃描的方式進行的。執(zhí)行一次巡回掃描所需要的時間稱作掃描周期。PLC可被看作是在系統(tǒng)軟件支持下的一種掃描設備。它一直周而復始地循環(huán)掃描并執(zhí)行由系統(tǒng)軟件規(guī)定好的任務。用戶程序只是掃描周期的一個組成部分，用戶程序不運行時，PLC也在掃描，只不過在一個周期中去除了用戶程序和讀輸入、寫輸出這幾部分內容。典型的PLC在一個周期中可完成以下幾個掃描過程：2.2.1自診斷測試掃描過程為保證設備的可靠性，即使反應所出現(xiàn)的故障，PLC都具有自監(jiān)視功能。2.2.2與網(wǎng)絡進行通信的掃描過程一般小型系統(tǒng)沒有這一掃描過程，配有網(wǎng)絡的PLC系統(tǒng)才有通信掃描過程，這一過程用于PLC之間及PLC與上位計算機或終端設備之間的通信。2.2.3用戶程序掃描過程機器處于正常運行狀態(tài)下，每一個掃描周期內都包含該掃描過程。2.2.4讀輸入、寫輸出掃描過程在讀輸入階段，CPU對各個輸入端子進行掃描，通過輸入電路將各輸入點的狀態(tài)鎖入輸入映像寄存器。在寫輸出階段，將輸出映像寄存器的狀態(tài)集中鎖定到輸出鎖存器，再經輸出電路傳遞到輸出端子。PLC的結構圖及其各部分的功能PLC由中央處理單元，存儲器，輸入單元，輸出單元，電源五部分組成。如圖2.1所示。圖2.1PLC的結構圖2.3.1中央處理單元(簡稱CPU)組成：由控制器，運算器，寄存器組成。作用：處理和運行用戶程序，進行邏輯和數(shù)學運算，控制整個系統(tǒng)，使之協(xié)調工作。2.3.2存儲器作用：存放系統(tǒng)程序，用戶程序，邏輯變量和其它一些信息。結構：由存儲體，地址譯碼電路，讀寫控制電路，數(shù)據(jù)寄存器組成。存儲器的類型:ROM、RAM、EPROM、EEPROM。2.3.3輸入單元作用：接收主令元件、檢測元件傳來的信號。輸入方式：數(shù)字量、模擬量。輸入類型：直流、交流、交直流。2.3.4輸出單元作用：將中央處理器輸出的弱電信號，轉換成為現(xiàn)場需要的電平信號輸出，驅動。被控設備的執(zhí)行元件。輸出類型：繼電器輸出、晶體管輸出、晶閘管輸出。2.3.5電源作用：將交流電轉換成PLC內部所需的直流電源，供PLC正常工作[7]3.MCGS工控組態(tài)軟件3.1MCGS工控組態(tài)軟件簡介MCGS(MonitorandControlGeneratedSystem)是一套基于Windows平臺的，用于快速構造和生成上位機監(jiān)控系統(tǒng)的組態(tài)軟件包，它為用戶提供了從設備驅動、數(shù)據(jù)采集到數(shù)據(jù)處理、流程控制、動畫顯示、報表輸出等解決實際工程問題的完整方案和操作工具。

MCGS組態(tài)軟件具有多任務、多線程功能，其系統(tǒng)框架采用VC++編程，通過OLE技術向用戶提供VB編程接口，提供豐富的設備驅動構件、動畫構件、策略構件，用戶可隨時擴展系統(tǒng)的功能。主要特點如下：豐富的設備驅動程序，通過ActiveDLL把設備驅動掛接在系統(tǒng)中，配置簡單、速度快、可靠性高。強大的網(wǎng)絡功能。MCGS強大的網(wǎng)絡功能可把TCP/IP網(wǎng)、485/422/423網(wǎng)、Modem網(wǎng)結合在一起構成大型的監(jiān)控系統(tǒng)和管理系統(tǒng)。開放的OLE接口°MCGS以OLE自動化技術為基礎的開放式擴充接口允許用戶使用VB來快速編制各種設備驅動構件、動畫構件和各種策略構件，通過OLE接口，用戶可以方便地定制自己特定的系統(tǒng)。系統(tǒng)結構圖如圖3.1所示。用戶窗口實數(shù)據(jù)畦；|設密r南n1-圖3.1MCGS實數(shù)據(jù)畦；|設密r南n1-MCGS組態(tài)軟件系統(tǒng)包括組態(tài)環(huán)境和運行環(huán)境兩大部分，用戶所有組態(tài)配置過程都是在組態(tài)環(huán)境中進行的，用戶組態(tài)后可生成一個“組態(tài)結果數(shù)據(jù)庫”文件°MCGS運行環(huán)境是一個獨立的運行系統(tǒng)，它能按照“組態(tài)結果數(shù)據(jù)庫”中的組態(tài)方式進行各種處理，完成用戶組態(tài)設計的目標和功能[8]系統(tǒng)整體框圖如圖3.2所示。

娘云禾食一■:「-忘芬構建動uUi時據(jù)岸<x>時據(jù)庫<x>動畫顯示e1程技制<x>現(xiàn)般制報警紹盛<x>報警輜出設汁報表<x><x>報表打1連接沒督<x><x>設備輸出建動袖1L圖3.2MCGS系統(tǒng)整體框圖3.2運用MCGS建立運行程序的過程啟動MCGS組態(tài)環(huán)境，建立工程項目。項目名稱是云夢縣倒店水廠自動化控制。進行設備配置。設備配置的目的是實現(xiàn)上下位機通訊，即實現(xiàn)計算機與智能儀表之間的連接。通過設備窗口配置數(shù)據(jù)采集與控制輸出設備，注冊設備驅動程序，定義連接與驅動設備共用的數(shù)據(jù)變量。本控制系統(tǒng)中是實現(xiàn)計算機與PLC之間的連接。首先在“設備窗口”中通過設備工具箱完成設備組態(tài)，再雙擊“通用串口父設備0”進入通用串口父設備屬性編輯界面，根據(jù)通訊要求和連接情況，完成通用串口父設備屬性編輯界面中相關的參數(shù)設置，具體設置如圖3.3。圖3.3通用串口設備屬性編輯框構造數(shù)據(jù)庫。在實時數(shù)據(jù)庫窗口建立新的數(shù)據(jù)庫文件。要求與設備要求的數(shù)據(jù)庫致。該窗口定義不同類型和名稱的變量。作為數(shù)據(jù)采集、處理、

輸出控制、動畫連接及設備驅動的對象［9］實時數(shù)據(jù)庫窗口如圖3.4。蹲二蘭EBqt|MCGS.；；廠攔劑.豈傾預.M"ffl主處的成賂窗口爵用戶的食時藐庫is運行策略岳字|@inputE7:me^InputSTime^InputUser!^@lnputUser2菌PH值航糧警框觸扼旋池余氧岳字|@inputE7:me^InputSTime^InputUser!^@lnputUser2菌PH值航糧警框觸扼旋池余氧觸扼旋i?濁度觸出水□流量觸出水□余氧觴出水□源度蔚出水網(wǎng)觴反管大干撩割觸反饋電流航加機裝置開啟異常fetoSK開關舫講木□濁度鼬正泳同糖控制大干反饋翰控制方式觸控制投機儀電流翰歷史OS觸手劫控制投磯枝...觸iS信狀點觸投01儀開光菌壓力1!觸余氯2上ISte*S2T?能濁度3上限里2型aasag型sgs.saa型asas.s型象象型S型S型型型型符野符??博關博薇值值通關博?■關關?值關?關<■對對每關關?每何憧類宰字字字數(shù)開款皴數(shù)蒙蒙開蒙蒙開開蒙數(shù)開蒙開斂ffla數(shù)開開數(shù)數(shù)數(shù)數(shù)注辭iraroi系統(tǒng)內建SiJS對象系統(tǒng)內建欲據(jù)對象系統(tǒng)內建款將對象新增對象成組增如對我屬性制作圖形畫面，在用戶窗口實現(xiàn)。主要用于設置工程中人機交互的界面。本控制系統(tǒng)是根據(jù)水廠控制的工藝要求以及需要顯示的數(shù)據(jù)，設計人機交互的畫面。下圖是夢縣倒店水廠自動化控制界面。云畛縣倒店水廠自動化控制實時惜恩IS史岸恩裾害信息根箸賣型幫瞽產生i'?njD5-102101:11Dated噩善堵京實時惜恩IS史岸恩裾害信息根箸賣型幫瞽產生i'?njD5-102101:11Dated噩善堵京1MJ05-10Z3：03：llD?tflOK瞥虐善120mM瑋HPaMPa版圖3.5云夢縣倒店水廠自動化控制圖在主控窗口建立新工程。主控窗口中可以放置一個設備窗口和多個用戶窗口，負責調度和管理這些窗口的打開或關閉。主要的組態(tài)操作包括：定義工程的名稱，編制工程菜單，設計封面圖形，確定自動啟動的窗口，設定動畫刷新周期，指定數(shù)據(jù)庫存盤文件名稱及存盤時間等。定義動畫鏈接。動畫鏈接是將動畫與數(shù)據(jù)庫變量建立聯(lián)系，當數(shù)據(jù)庫變量發(fā)生改變時動畫就可以表現(xiàn)出來。即當水管中的水開始流動時，動畫可以適時顯示。運行與調試。當以上步驟完成以后，先進行組態(tài)檢查通過后就可以進入運行環(huán)境調試[10]4.PLC控制系統(tǒng)設計PLC程序設計的步驟PLC程序設計一般分為以下幾個步驟：程序設計前的準備工作，程序框圖設計，程序調試。程序設計前的準備工作程序設計前的準備工作大致可分為三個方面：了解系統(tǒng)概況，形成整體概念。這一步的工作主要是通過系統(tǒng)設計方案和軟件規(guī)格說明書來了解控制系統(tǒng)的全部功能，控制規(guī)模，控制方式，輸入和輸出信號的種類和數(shù)量，是否有特殊功能接口，與其它設備的關系、通信內容與方式等。沒有對整個控制系統(tǒng)的全面了解，就不能對各種控制設備之間的關聯(lián)有真正的理解，編出的程序拿到現(xiàn)場去運行，肯定是問題百出，不能使用。熟悉被控制對象，編出高質量的程序。這一步的工作是通過熟悉生產工藝說明書和軟件規(guī)格說明書來進行的?？砂芽刂茖ο蠛涂刂乒δ芊诸悾错憫?、信號用途或按控制區(qū)域進行劃分。確定檢測設備和控制設備的物理位置，深入細致地了解每一個檢測信號和控制信號的形式、功能、規(guī)模、相互間的關系并預見以后可能出現(xiàn)的問題，使程序設計有的放矢。在熟悉被控對象的同時，還要認真借鑒以前程序設計中的經驗和教訓，總結各種問題的解決方法。充分利用硬件和軟件工具。如果是得用計算機編程，可以大大提高編程的效率和質量。程序框圖設計這一步的主要工作是根據(jù)軟件設計規(guī)格書的總體要求和控制系統(tǒng)的具體情況，確定應用程序的基本結構，按程序設計標準繪制出程序結構框圖；然后再根據(jù)工藝要求，繪制出各功能單元的詳細功能框圖。有的系統(tǒng)的應用軟件已經模塊化，那就要對相應程序進行定義，規(guī)定其功能，確定各塊之間的連接關系，然后再繪出各模塊內部的詳細框圖。框圖是編程的主要依據(jù)，要盡可能地詳細。這步完成后，就會對全部控制程序功能的實現(xiàn)有一個整體概念。編寫程序根據(jù)設計出的框圖逐條地編寫控制程序，這是整個程序設計工作的核心部分。梯形圖語言是最普遍使用的編程語言。在編寫程序的過程中，可以借鑒已有標準程序，但必須弄懂這些程序段，否則將會給后續(xù)工作帶來困難和損失。另外，在編寫程序的過程中要及時對程序進行注釋，以免忘記相互之間的關系，要隨編隨注。注釋要包括程序的功能、邏輯關系說明、設計思想、信號的來源和去向，以便閱讀和調試。程序調試程序調試是整個應用程序設計過程中一項很重要的內容，它可以初步檢查程序的實際效果。程序調試和程序編寫是分不開的，程序的許多功能是在調試中修改和完善的。調試時應先從各功能單元入手，設定輸入信號，觀察輸出信號的變化情況，必要時可以借用某些儀器儀表。各功能單元測試完成后，再貫通全部程序，調試各部分的接口情況，直到滿意為止。程序調試可以在實驗室進行，也可以在現(xiàn)場進行。如果是在現(xiàn)場進行程序調試，就要將PLC系統(tǒng)與現(xiàn)場信號隔離，可以使用暫停輸入輸出服務指令，也可以切斷輸入輸出模塊的外部電源，以免引起不可預料的、可能造成事故的機械設備動作［具］S7-200PLC選型西門子S7-200系列PLC可以應用于各種自動化系統(tǒng)，其結構緊湊并有功能強大的指令集。在V4.0STEP7Micro/WINSP3編程環(huán)境下用比較簡單的梯形圖進行編寫程序更加靈活、方便的解決自動化任務。根據(jù)控制系統(tǒng)參數(shù)對PLC模擬量、數(shù)字量I/O點數(shù)、性質的要求，以及系統(tǒng)設計原則，綜合考慮各I/O點電壓、電流的性質，PLC選擇S7-200系列，其CPU單元為CPU226，需要四個擴展模塊，根據(jù)信號的大小，分布情況，對各I/O點進行分組分配。PLCS7-200系列實物圖如圖4.1所示。圖4.1PLCS7-200系列實物圖如圖4.1所示。圖4.1PLCS7-200系列實物圖RUNfSTOP開關及電位器控制過程主要完成加磯、加氯量的調節(jié)，通過PLC來實現(xiàn)。4.3.1PLC控制自動加磯自來水水質處理過程中，加磯是通過工控機分析接收到的相應傳感器信號來控制閥門開關開合實現(xiàn)的。由于不同時段天然水源濁度不同、用戶用水量不同，需要加入明磯的用量也不同，所以在水輸入前端要先檢測這兩個指標，以此控制加入磯的基本量。處理過后，還要對水質進行二次檢驗，即在沉淀池出水口再用濁度儀檢測，與預設標準量比較后，由PLC產生相應的反饋值對閥門進行閉環(huán)調節(jié)，這樣就可以保證處理過后的水濁度基本達標。4.3.2PLC控制自動加氯相比于濁度控制，加氯量控制了沉淀池前端檢測環(huán)節(jié)，控制相對比較簡單，直接在自來水出廠前檢測，將其檢測值傳輸給工控機，通過工控機分析，與標準量進行比較，用此差值來控制閥門開合狀態(tài)。但是加氯量要有個預設值，這個預設值要根據(jù)安裝現(xiàn)場調試確定，可選余氯測量采用人工取樣、化驗分析模式，根據(jù)檢測數(shù)據(jù)，人工選取加氯量。4.3.3工控機單元工控機是整個系統(tǒng)的監(jiān)控中心，該控制系統(tǒng)采用“工控機+PLC”模式，用于生產管理的計算機，根據(jù)PLC上傳的各儀表所檢測到的數(shù)據(jù)，結合相關標準，經過分析后，將結果下傳給PLC，最后由PLC控制如加磯、加氯，根據(jù)管壓信號控制水流量。監(jiān)控計算機主要是通過顯示、存儲接收到的視頻信號來保證水廠安全，以便于管理，并可自動生成各監(jiān)測點數(shù)據(jù)歷史曲線，方便用戶查看［臭］4.4PLC編程4.4.1PLC控制系統(tǒng)工作流程控制基本過程PLC實時監(jiān)測整個水處理過程中的9路工藝信號，一方面把信號傳給工控機，通過組態(tài)軟件實時顯示出來。另一方面主要根據(jù)各點的實時輸入信號，控制調節(jié)加藥量大小，保持成品水質，達到自動控制水質的目的。模擬量控制控制目的：保證自來水廠出水口濁度在2到5之間的前提下，盡量節(jié)省用磯量。對投磯儀的控制主要是通過PLC控制電動調節(jié)閥開口大小，電動調節(jié)閥控制電流為4?20mA。其中4mA對應電動調節(jié)閥關閉狀態(tài)，20mA對應電動調節(jié)閥最大開啟?；究刂扑悸罚簼岫瓤刂品执终{和細調兩步，先根據(jù)取水濁度初步決定調節(jié)輸出范圍，再根據(jù)成品水濁度進行精細調節(jié)確定加藥量，保證成品水質。若取水口濁度大于50，電動調節(jié)閥開啟到最大，PLC控制輸出20mA電流；若取水口濁度大于30小于等于50，電動調節(jié)閥門開啟75%,PLC控制輸出16mA電流；若取水口濁度大于15小于等于30，電動調節(jié)閥門開啟50%,PLC控制輸出12mA電流；若取水口濁度大于5小于等于15，電動調節(jié)閥門開啟25%,PLC控制輸出8mA電流；若取水口濁度大于2小于等于5，電動調節(jié)閥門開啟為10%,PLC控制輸出

5.6mA電流。在以上初步設定范圍內，再判斷沉淀池濁度，當沉淀池濁度大于5時，增大電動調節(jié)閥的開啟度，PLC的控制輸出電流增大；當沉淀池的濁度小于2時，減小電動調節(jié)閥的開啟度，PLC的控制輸出電流減小。4.4.2西門子S7-200型PLC控制I/O分配表及中間變量分配表表4、西門子S72<O^PLC控制UD分配表輸入彳言號輸出信號.茗稱輸入點編號名稱輸出點編號取水口濁度AIWOO投帆伙開關QD.0沉淀池濁度AIWO2加氯悅開美QO.4出水口濁度AIW04投磯儀升度調節(jié)開美AQW0取水口流量AIWO6出水口流量AIWO^沉淀池金氯AIW10出；K口余氯AIW12pH值AIW14壓力值Aiwirs電動詭節(jié)閥控制電流成憒值AIW1E表4.2中間變量分配表名稱變量寄存器名稱D<A數(shù)竽量變量寄存器取水口濁度’VW100電流赤mA32767VW0沉淀池濁度VW102電流IWmA26214.VW2出水口濁度VW104電流INmA19660VW4取水口流量VW106電流8mA13107.VW6出水口流量VW108電?殼56niA9175VW8■-沉.淀池余氯VWU0電流4mA6553VW10出水口余氯VW112自動調節(jié)穩(wěn)定后的苞毓值VW200pH值VW114手動調節(jié)穩(wěn)定后的電毓值VW202壓力值VWU6電動調節(jié)閥控制電流反憒值VW1184.4.3西門子S7-200型PLC控制梯形圖1.網(wǎng)絡1，將各個輸入模擬量傳送到相應的顯示存儲單元，上位機通過RS485串行通信口讀取顯示存儲單元中的數(shù)據(jù)，通過MCGS界面顯示。中間分配網(wǎng)絡如圖4.2所示。SMO.OTOC\o"1-5"\h\zEHEKO-aiwuourrvwiooEHEKO-AIW2__世OUTrVW102―EHEtTO-AIW4二甥OUT-VW1C+EHEKO-AIW6_一世OUT-VW1C5—EHEKO-AIW3-_理OUT-VW1C5—Fmn^—EHEKO-AIW10-_制OUT-VW110―7?7—EHEtTO-AIW12~L澎OUT|~WJ112―g—

'EH職□'AIW14~L筮OUT|~叫114―irtCTTJ亟口■Aiwie~iourrwjiis―EHEtTOAIW18~CUT~Wil5圖4.2中間變量分配網(wǎng)絡

網(wǎng)絡2實現(xiàn)加磯粗調。通過取水濁度初步設置加磯控制輸出范圍，將各個濁度段對應的控制輸出電流初值放入變量寄存器。當取水口濁度值大于50時，PLC控制輸出20mA電流，對應D/A的數(shù)字量為32767；當取水口濁度值大于30小于等于50時，PLC控制輸出16mA電流，對應D/A的數(shù)字量為26214；當取水口濁度值大于15小于等于30時，PLC控制輸出12mA電流，對應D/A的數(shù)字量為19660；當取水口濁度值大于5小于等于15時，PLC控制輸出8mA電流，對應D/A的數(shù)字量為13107；當取水口濁度值大于2小于等于5時，PLC控制輸出5.6mA電流，對應D/A的數(shù)字量為9175；當取水口濁度值小于等于2時，PLC控制輸出4mA電流，對應D/A的數(shù)字量為6553。加磯粗調網(wǎng)絡如圖4.3所示。圖4.3加磯粗調網(wǎng)絡網(wǎng)絡3系統(tǒng)開關。系統(tǒng)在取水泵口設置有流量計，一方面可以測量取水流量，同時也作為系統(tǒng)開啟的標志?？梢赃x取一定的流量值作為標志，如本方案以10m3為界，若取水口流量值大于10m3證明取水開始工作，就需要開啟數(shù)字量輸出接口的加氯儀和投磯開關，若取水口流量值小于10m3就關閉數(shù)字量輸出接口的加氯和投磯開關。這樣能保證氯氣和明磯的充分利用從而避免資源浪費。系統(tǒng)開關網(wǎng)絡如圖4.4所示。圖4.4系統(tǒng)開關網(wǎng)絡網(wǎng)絡4實現(xiàn)加磯細調。取水口濁度大于50小于等于100,電動調節(jié)閥開啟到最大，PLC控制輸出20mA電流，同時參考成品水濁度，即沉淀池濁度。具體控制方法是先根據(jù)進水口濁度輸出粗調量，延時一定時間后，判斷沉淀池濁度，如果沉淀池濁度大于5,控制電流就在原值的基礎上增加一個單位，增大加磯電磁閥開度，最大增加至全開，對應輸出電流20mA；當沉淀池濁度的值小于等于2時，控制電流就在原值的基礎上減小一個單位同時減小加磯電磁閥開度，最小減小至全關，對應輸出電流4mA。最終使沉淀池濁度保持在2和5之間。調節(jié)過程中輸出電流值和閥門返回實際開度值可通過組態(tài)軟件實時顯示。如果控制輸出值和閥門返回開度值相差超過一定范圍還可輸出故障報警。加磯細調網(wǎng)絡如圖4.5所示。

MOVWEOHWOO'INOUTIhlTONPTlOQtnsMOVWEOHWOO'INOUTIhlTONPTlOQtnsTONPTlOlta網(wǎng)絡5（濁度大于30小于等于50）,網(wǎng)絡6（濁度大于15小于等于30）,網(wǎng)絡7（濁度大于15小于等于30）,網(wǎng)絡8（濁度大于5小于等于2），網(wǎng)絡9（濁度小于等于2）的梯形圖都與網(wǎng)絡4相同，只是初值有變化，在此就不一一列舉了。在控制程序中用到了軟手動操作，就是通過PC機操作窗口完成現(xiàn)場設備的控制，也稱為遠程操作?，F(xiàn)場設備中的操作方式為軟手動如控制加磯量，通過軟手動操作面板，可以實現(xiàn)軟手動和自動之間的切換。如果過程變量超出正常范圍時的特殊狀態(tài)或供電系統(tǒng)、設備發(fā)生故障，系統(tǒng)就會報警。上位機監(jiān)控系統(tǒng)提供一個友好的人機交互平臺，作為工作人員方便直觀地監(jiān)控系統(tǒng)的運行情況。PLC的I/O地址分配是一項非常重要的工作，其主要作用是確定各I/O設備的具體功能及在PLCI/O模塊上的具體物理位置，以便對應唯一的PLC程序地址。I/O地址分配應按一定的規(guī)律進行，盡量將類似功能的I/O設備的地址編在一起，便于管理。由于PLC的程序設計不可能一步到位，同樣I/O地址的分配也不可能一次敲定，在以后的程序設計、調試或系統(tǒng)進一步改造過程中，都可能增加I/O點數(shù)。因此，在I/O點數(shù)的初次估算時，應盡量避免PLC的使用能力接近飽和，應該留有一定的裕量，一般為30%左右。這對于工程預算較為緊張的系統(tǒng)尤為必要。在編寫程序的時候我們用到了幾個方案，起初是多次判斷沉淀池濁度，當沉淀池濁度大于5，電動調節(jié)閥門就在原基礎上增大10%，PLC控制輸出增大1.6mA，再判斷出水口濁度，若其值大于2.5,電動調節(jié)閥門開啟就繼續(xù)增大，PLC控制輸出也繼續(xù)增大。這樣每個網(wǎng)絡增加的數(shù)值不同，編寫程序時的計算量也比較大，而當濁度降下來了之后，電動調節(jié)閥門的開啟度不能及時減小，PLC控制輸出的電流又不能相應的下降，整個程序缺少靈活性。通過多次試驗，選擇了PLC控制輸出的電流值能增能減，使各個網(wǎng)絡構成一個回路，既能保證所要加入的明磯量最少又能讓濁度達到我們的要求值，使資源得到了充分得用。4.5程序調試當程序編寫完以后，要對程序進行調試，分兩種方法，即靜態(tài)調試和動態(tài)調試。先進行靜態(tài)調試即由人工“代替”“模擬”計算機對程序進行仔細檢查，主要檢查程序中的語法規(guī)則和邏輯結構的正確性。很大一部分錯誤可以通過靜態(tài)檢查來發(fā)現(xiàn)。然后進行動態(tài)調試，可以設置不同的初值。在調試過程中我們設置不同的電流值，讓其在各個網(wǎng)絡中運行，看程序運行是否靈活，能否讓沉淀池濁度保持在2到5之間。在實驗室對系統(tǒng)控制程序進行多次靜態(tài)調試和動態(tài)調試之后，程序才得已逐步完善。我在程序的編寫和調試期間遇到了很多問題，下面具體介紹一下其中的某些程序。1.最初的加磯調節(jié)網(wǎng)絡，如圖4.6所示。

圖4.6最初的加磯調節(jié)網(wǎng)絡上圖是最初編寫的程序，很簡單。當計數(shù)器T37的計數(shù)時間到達后，輔助繼電器M0.0得電，執(zhí)行整數(shù)加指令，即PLC控制輸出的電流值增大，同時對M0.0復位。當計數(shù)器T38的計數(shù)時間到達之后，對M0.0置位。程序進入下一個循環(huán)階段。該程序中PLC控制輸出的電流值只能增大，即加磯量只能增加，不能減少，不符合控制原則。

2.改進的加磯調節(jié)網(wǎng)絡，如圖4.7所示。圖4.7改進的加磯調節(jié)網(wǎng)絡上圖是改進之后的程序，當計數(shù)器T37的計數(shù)時間到達后，判斷沉淀池濁度，若沉淀池濁度大于5,PLC控制輸出的電流值小于20mA，輔助繼電器M0.0得電，執(zhí)行整數(shù)加指令，即PLC控制輸出的電流值增大，同時對M0.0復位；若沉淀池濁度小于等于2,PLC控制輸出的電流值大于4mA，輔助繼電器M0.0得電，執(zhí)行整數(shù)減指令，即PLC控制輸出的電流值減小，同時對M0.0復位。該程序能保證沉淀池的濁度在2到5之間，基本能滿足要求。3.手動調節(jié)網(wǎng)絡，如圖4.8所示。

ADDJENENOIN1OUTIN2ADDJENENOIN1OUTIN2SUBJENENOINIOUTIN2以上是后來額外增加的手動調節(jié)梯形圖，具體是添加了兩個輔助繼電器M11.0和M12.0。當M11.0得電，執(zhí)行整數(shù)加指令，即PLC控制輸出的電流值增加；當M12.0得電，執(zhí)行整數(shù)減指令，即PLC控制輸出的電流值減小。該程序能滿足手動控制的要求，但是額外增加了梯形圖，使整個程序看起來很復雜。并且自動控制和手動控制是孤立的，當手動調節(jié)達到要求后，轉為自動時，所得到的電流值不是手動控制達到要求的那個值，即加磯量發(fā)生了變化，使控制系統(tǒng)不能實現(xiàn)手動與自動雙向無擾動切換。通過多次的反復修改調試程序，最后將手動調節(jié)和自動調節(jié)的程序寫在一個網(wǎng)絡里，僅僅只是增加了一個輔助繼電器，得到最終的控制梯形圖。在程序的編寫過程中，還因每個分段網(wǎng)絡中第二個計數(shù)器設置的控制時間相對機器周期過長，調試時在程序的運行中看不到中間變化值，PLC控制輸出的電流值一下加到最大，一下又減小到最小。因此程序里面的參數(shù)要設置得合理，必需經過多次試驗。在實驗室調試成功之后，還要想到在現(xiàn)場可能遇到的很多問題，必需預先設計多套方案，以便在現(xiàn)場調試的時候能夠順利的解決實際控制中的問題，比如一些檢測設備測量的值可能不精確，需要濾波等。5總結與展望本文通過分析國內外凈水廠及其計算機自動控制系統(tǒng)現(xiàn)狀的比較，針對水廠的控制要求設計了一套自動化控制系統(tǒng)。經試驗室調試和現(xiàn)場運行試驗，系統(tǒng)能很好地完成調節(jié)任務，不論取水濁度在哪個范圍系統(tǒng)都能在較短時間自動將加磯量調節(jié)到合適位置，保證成品水質濁度在2?5的技術要求。其它通訊、顯示、操作、報警及歷史曲線等各項功能工作正常，達到了客戶提出的系統(tǒng)要求。水廠生產實現(xiàn)自動化控制，改變了傳統(tǒng)的生產運行管理方式，促進了凈水處理技術水平的提高。采用PLC來實現(xiàn)自來水加藥過程的自動控制，可使控制方案簡潔，設計和施工周期縮短，整個系統(tǒng)具有較高的可靠性，維護方便。同時將落后的手工操作方式改成全自動控制，不但有利于操作人員的身體健康，而且大大提高了生產效率和制水質量，本控制系統(tǒng)可廣泛適用于各種不同的水質和工藝流程，具有較高的實用價值。在應用方面，中小型自來水廠的自動化系統(tǒng)有著廣泛的前景。依靠現(xiàn)代化技術手段對生產過程進行控制和管理，提高設備運行效率和可靠性，