自動控制系統在軟化、脫鹽水項目中應用實例

江蘇核工業格林水處理有限責任公司 張 凌

一、引言

水處理行業中多采用PLC控制器進行自動控制，上位計算機進行工藝參數監視和設置的系統控制模式。PLC控制是分三級控制，中央控制、現場PLC控制以及就地控制，這三級控制之間通過低壓線路進行溝通、鏈接，本文就我們格林公司所承接的柳鋼軟化、脫鹽水工程對自動控制系統應用進行介紹

二、控制系統

1.概述

根據工藝條件，本裝置的控制信號主要是開關量和模擬量，涉及到的控制對象除了開關閥以外，主要是泵設備的控制與儀表的監控。也就是說系統是一個以開關量、4～20mA模擬量控制為主的系統。根據系統特點采用集中可編程邏輯控制器(PLC)+上位機方式實現自動控制。系統可實現現場就地和控制室集中控制兩種操作方式，可進行自動與手動運行方式的切換。同時完成電氣和儀表部分的自動控制與監控。

2.PLC控制原理

控制系統軟件組成為：

圖1 控制流程圖

PLC應用軟件：運行于PLC，實現各種控制功能。采用西門子公司原版STEP7-V5.3

上位機操作軟件：Windows 2000 PLC監控軟件：WINCC6.0PLC即可編程邏輯控制器，它根據編制的程序以及采得的數據信息進行邏輯運算，并將運算結果通過信號輸出到執行機構來控制系統設備的運行。

采集的數據信號（如流量、液位、閥門、水質和電機的反饋信號等）通過開關量輸入、模擬量輸入等卡件傳送至中央處理器CPU，CPU經過邏輯運算，將運算結果通過開關量輸出、模擬量輸出等卡件以及配合的外圍電路，驅動執行機構（如閥門、電機等），用戶將編制的程序下傳至CPU，CPU按用戶指令進行運算，實現可編程控制。

3.控制系統功能描述

圖2 低壓線路圖

圖3 變頻器接線圖

數據采集與數據處理：采集整個裝置的重要工藝參數（流量、電導、pH、壓力等）、設備運行狀態（工藝流程、動態仿真）等重要數據，控制相應對象的運行狀態。當參數越限報警或控制對象故障或狀態變化時，在CRT上以不同的顏色或動態畫面進行顯示，同時具有相關音響提示。

過程輸入/輸出信號（I/O）模擬量輸入信號：4～20mADC輸入，最大輸入阻抗為250Ω，系統提供4～20mA二線制變送器的直流24V電源。對1～5VDC輸入，輸入阻抗≥500KΩ。

數字量輸入信號：負端接到隔離地上，系統提供對現場輸入接點的“查詢”電壓，“查詢”電壓為48VDC，過程輸入信號中各模件都采用有效的電隔離措施，即使用48V帶隔離的輸入模塊（每模塊容量為16路）。

數字量輸出信號：在模塊外采用中間繼電器隔離輸出，以便能直接用于電動機、電動閥門、電磁閥的控制回路。我方將在控制系統中提供中間繼電器、繼電器柜及可靠的工作電源。中間繼電器滿足3A 220VAC或1A 220VDC的分斷能力。每個繼電器柜內的繼電器控制在適當的數量進行合理排布。

4.主要控制回路

儲水及輸送系統、離子交換設備的控制、再生系統的控制、加氨系統控制、軟化機組的控制這些控制回路均采用自動控制、CRT監視，同時保留必要手動切換，現場就地和集中控制兩種操作方式。低壓電路中可進行手動和自動切換。

三、低壓系統

本處理裝置有多路控制回路，每一回路的線路原理基本相似，其原理是將數字量輸出模塊通過硬接線到電氣控制回路中控制水泵的啟停和閥門的開閉，綜合輸入信號編寫程序控制模擬量輸出信號，以實現對現場設備的自動控制。由于受篇幅限制，不對每一控制回路作一一細述，下面就加氨系統控制進行闡述。

1.加氨系統配置

一只藥箱（PT—1500L）、兩只計量泵、PH儀及相應控制柜。

2.控制流程

此流程(如圖1)計算機發出操作指令，PLC開始采集信號，然后根據實時提供的PH值與設備上設定的期望PH值比較，PLC再輸出信號給控制箱供電給變頻器來控制計量泵自動調整加氨量。

3.控制系統低壓線路及原理

原理：控制電路設計成手動和自動部分，手動是以備自動出現故障是使用，用雙向開關控制，開關扭向2時，系統進入手動狀態，電源直接通過交流接觸器開啟供電給加藥計量泵，設計時必須要有手動部分，一旦控制部分出現故障或檢修時不會影響生產。此時停止運行變頻泵，使用備泵。而藥量由人工控制。正常情況使用自動控制，將雙面開關扭向1時，系統進入自動控制狀態，在計算機顯示屏上可以看到該控制回路工作狀態燈亮，說明它正常工作，PLC采集信息并輸出信號使隔離繼電器吸合，電路導通再將信息傳給變頻器。PLC提供的變頻信息使得電機的轉速發生改變，一般電機轉速n與頻率f成正比，當頻率f在0—50Hz的范圍內變化時，電機的轉速調整范圍較寬，變頻器就是通過改變電動機電源頻率實現速度調節的，是一種理想的高效率、高性能的調速手段。

4.工作原理

見圖2，SA打向2電路處于手動狀態，SS常閉導通，這時SF用手按導通，交流接觸器KM1線圈吸合，KM1常開導通工作指示燈亮，此回路處于手動工作狀態，加氨系統計量泵開始啟動，藥量大小由人工控制。SA打向1電路處于自動狀態，QA1為PLC控制系統，PLC系統發出信號KA2線圈吸合，圖3中KAI常開點開通變頻器開始工作，變頻器A1輸出頻率指令。R、S、T是交流輸入端，U、V、W是變頻器輸出端，它與計量泵連接，供給它經過PLC控制后的電源信號。變頻器輸出的頻率、電壓均可控制的交流電源，供給電機。PLC輸出的控制信號就是通過現場實時采集PH值與給定值比較而發出的，從而形成一個閉環系統，但被控制的系統特點是非線性、大慣性的系統，現在控制和PID相結合的方法，在壓力波動較大時使用模糊控制，以加快響應速度；在壓力范圍較小時采用PID來保持靜態精度。這通過PLC加智能儀表可時現該算法，同時對PLC的編程來時現泵的工頻與變頻之間的切換。本裝置設計了兩套加藥計量泵，1#加藥泵根據PH值自動調結頻率運行.根據實際情況PH探頭可能會由于使用時間等問題需要更換，所以2#泵設計為工頻運行.如1#變頻泵出現故障無法繼續使用，可手動更換1#2#加藥泵電機線使2#泵變頻運行.實現真正意義上藥量控制，我們通過一段時間的運行，效果的確很好，這就說明我們在這個項目的設計是比較成功的。

5.電器設備接地是一個重要環節，根據有關規程、規范，所有需要保護接地的電氣設備均可靠地接入相應地接地系統。主要包括配電裝置、PLC裝置、計算機系統、操作柜等。

四、結束語

隨著中國生產力不斷發展，人民生活水平不斷提高，對生存環境的要求越來越高，水處理行業勢必更為重要。也將會加快它的快速發展，自動控制已成為水處理工程中一個廣闊的拓展領域，它不僅提高了水處理的質量，而且創造良好的社會效益，在工藝、設備、儀器、儀表及管理上采用了現代化的高新科技。目前我國水處理大多采用國外進口設備與控制系統（比如西門子、三菱的軟件系統）價格高，維護困難，國產在線檢測儀還不能精度、準度要求，進行我國自主研發、設計、制造自動化控制系統，并提高測量儀器的精準度，這樣就會大大的降低水處理成本，而且也能促進我國水處理技術的發展。

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