基于S7-300 PLC 的水廠濾水池自動控制系統(tǒng)設計

唐祥可 顧曉猛 夏余平 唐雅媛 楊 鈺

（湖南科技學院 電子與信息工程學院，永州 425199）

濾水池是水廠的重要工藝設施，直接影響著水質的好壞。傳統(tǒng)方法依靠人工現(xiàn)場操作和觀察濾水池的情況[1]，存在設備多、維修量大、控制不能實現(xiàn)自動化、運行管理麻煩以及沖洗后無法達到標準要求等缺點，難以保證水質，同時沒有控制反沖強度的裝置，導致濾料流失嚴重，造成了一定的經(jīng)濟損失[2]。運用可編程控制器（Programmable Logical Controller，PLC）對水池濾水和反沖洗進行嚴格控制，不但有效保證了水質，而且大大減少了設備維修次數(shù)和濾料的流失量，降低了水廠的運營能耗、人力資源浪費和管理的復雜程度，提高了設備的利用率，保證了人們的日常用水。

本文針對水廠濾水池自動控制系統(tǒng)的特點，結合過程反饋控制原理，設計了基于MCGS 設計系統(tǒng)的組態(tài)監(jiān)控程序和以PLC 為核心的電氣控制體系，實現(xiàn)了濾水池的智能控制，節(jié)省了人力成本[3]。

1 濾水池系統(tǒng)工藝流程

濾池過濾是水處理的重要環(huán)節(jié)，其過濾程度控制的好壞直接影響水質[4]。本文選用的濾池為V 型濾池，共設4個濾格。同時，為保證控制的可靠性，在每個濾格上分別安裝有一個阻塞儀、一個液位計、若干個進水閥、清水閥、污泥及雜物排出閥以及用于水沖的反沖洗泵（一用一備）[5]。當需要過濾的水進入濾水系統(tǒng)后，首先被分流到各單元濾格，經(jīng)石英砂恒速過濾后，再進入清水池。該過濾過程中要求水位必須保持在濾料上方1.2m 處。根據(jù)文獻及工作經(jīng)驗發(fā)現(xiàn)，這個水位過濾的效果最好。上述過程中，濾水過石英砂處必須保持恒速，這就要求系統(tǒng)的出水量必須和進水量相等，并且控制系統(tǒng)必須要根據(jù)系統(tǒng)的水位適時調(diào)節(jié)出水閥的開啟程度。當系統(tǒng)的運行情況滿足了反沖洗條件后，系統(tǒng)要進行反沖洗清洗過濾材料。反沖洗是通過控制系統(tǒng)反沖進氣閥、反沖排水閥、反沖進水閥、進水閥、排氣閥以及清水出水閥，并運行反沖水泵和風機等來實現(xiàn)的[6]。

因此，濾池控制系統(tǒng)的任務主要是過濾時的液拉控制和清潔過濾砂時的反沖洗控制，其中過濾和反沖洗不斷循環(huán)交替進行。控制指標主要有實現(xiàn)自動恒水位過濾、準確實現(xiàn)自動反沖洗以及直觀顯示濾池過濾水位和出水閥開啟度，同時顯示反沖洗設備和本地濾池閥門等的開關狀態(tài)[7]。為實現(xiàn)上述控制指標，本文采用基于S7-300 PLC 的濾水池自動控制系統(tǒng)。

2 硬件配置及控制程序

2.1 硬件選擇

本控制系統(tǒng)硬件選擇如下：電源模塊選用PS307，輸出24V 直流5A 電流；CPU 模塊選用CPU312，以滿足濾水池控制所需輸入輸出點數(shù)和儲存要求；模擬量輸入模塊選用SM331 8AI×12 位模塊，用于連接8 個輸入模擬量；數(shù)字量輸入模塊選用SM321 DI32×DC24V，用于連接32 個數(shù)字量輸入；數(shù)字量輸出模塊選用SM322 DI32×DC24V，連接26 個數(shù)字量輸出；模擬量輸出模塊選用SN332 8AI×12位模塊，連接4 模擬量輸出。

2.2 PID 程序設計

此次系統(tǒng)設計中加入了PID 的反饋控制系統(tǒng)，即利用I動作消除偏差作用和用D 動作抑制振蕩作用，并結合P 動作構成了PID 控制[8]。PID 控制器各校正環(huán)節(jié)的作用包括兩個方面。一方面，比例環(huán)節(jié)即成比例地反映控制系統(tǒng)的偏差信號，一旦產(chǎn)生偏差，控制器立即發(fā)揮控制作用，以減少偏差。另一方面，積分環(huán)節(jié)主要用于消除靜差，提高系統(tǒng)的無差度。積分作用的強弱取決于積分時間常數(shù)。

2.3 PLC 程序設計

PLC 主要控制的是濾池中的各類參數(shù)，如液位、濁度和位置信號等[9]。為保證各個參數(shù)的正確反饋，需要為各個輸入輸出口分配地址，具體分配方案如表1 所示。

表1 各輸入輸出地址分配

分配地址后需要對各個程序進行編輯，包括模擬量采樣程序、采樣子程序、數(shù)據(jù)求平均子程序、行車移動控制子程序、反沖控制子程序、濾池濾水控制子程序、PID 控制子程序、主程序設計以及報警子程序9 個子程序[10]。由于程序較多，現(xiàn)只展示主程序，如圖1 所示。

圖1 主程序

2.4 人機交互的設計

本系統(tǒng)使用的是基于MCGS 設計系統(tǒng)的一種人機交互模式，需要設計控制界面、實時數(shù)據(jù)庫、通道連接以及動畫設置。設計后的效果圖如圖2 所示。

圖2 濾水池自動控制系統(tǒng)人機界面

3 結語

本文運用了S7-300 PLC 設計了濾水池自動控制系統(tǒng)，可以實現(xiàn)濾水池的智能控制。該系統(tǒng)包括主程序、初始化子程序、主控制子程序、數(shù)據(jù)采集濾波子程序、控制子程序、PID 控制子程序以及報警子程序。系統(tǒng)采用PID 控制，得到了一個反應迅速、控制精度高、穩(wěn)定可靠的控制系統(tǒng)。實驗表明，該系統(tǒng)的設計不僅能有效控制濾水池工作，而且在程序中加入PID 參數(shù)控制后提高了系統(tǒng)性能。此外，本文采用基于MCGS 設計系統(tǒng)的模擬組態(tài)畫面，能夠保證操作人員實時監(jiān)控濾池系統(tǒng)的連續(xù)運作情況。