組態王及西門子PLC在廢水處理控制系統中的應用探究

方澤文

（汕頭市大澤自動化設備有限公司，廣東 汕頭 515000）

1 電鍍廢水處理工藝流程

電鍍生產中產生的廢水，根據所含有害物質不同，分別暫存于銅、鎳、鉻、氰各集水井中，再經集水井提升泵送入調節池，廢水在調節池和反應池中，根據需要加入PAC、PAM、酸、堿、還原劑等藥劑進行處理后，進入沉淀池進行沉淀，分離出來的上清液進入砂濾器和離子交換器中進行過濾和離子交換，再進入中和池進行pH調節，水質達到排放標準后，匯入巴氏排放槽，流經環保監測管道進行排放；沉淀池分離出來的污泥進入污泥池中，經氣動隔膜泵送入壓濾機進行固液分離，壓濾液泵回調節池再處理，固體廢泥則交由專業資質單位進行無害化處理。

本廢水處理項目采用1座3層的車間，占地面積1200m2，設備分布于車間3層，共有設備及儀表200多臺（套），處理廢水能力為800t/d。

考慮到設備運行的連續性，每臺工藝設備均采用1用1備的工作方式，平時2臺設備互為備用，按設定時間輪換工作，避免單臺設備長時間過負荷工作。當其中1臺設備出現故障時，另1臺設備能自動啟動，同時發出聲光報警，提醒操作者及時進行維修更換。

2 自動控制系統組成

根據系統工藝控制要求及客戶的成本限制，從經濟耐用、高性格比的思路出發，本控制系統由1套上位機組態系統、5臺PLC控制箱、2臺現場觸摸屏組成。PLC沒有采用價格較高的西門子S7-1200系列，而是采用價位較低的S7-200 SMART系列，相應的觸摸屏采用SmartLine系列，因為生產環境可能存在一定的酸堿性物質，交換機不采用廉價的家用交換機，而是采用臺灣MOXA品牌，考慮交換機無需網管功能，故采用非網管型EDS-108產品。現場配置17臺超聲波液位計，21臺pH/ORP（酸堿度/氧化還原電位）儀表。中控室采用1臺聯想商用電腦，1臺50吋4K高清顯示器，組態軟件使用北京亞控科技發展有限公司的組態王。

每臺控制箱均配置1臺西門子SMART LINE 10吋觸摸屏，為方便現場觀察和操作，在操作臺上，另外增設了2臺觸摸屏。觸摸屏與PLC采用以太網通訊方式，因而操作臺上的觸摸屏可以很方便地與5臺PLC進行直接通訊，在操作臺的觸摸屏上就可查看和操作整個系統的各臺儀表和設備。

3 PLC控制箱之間的通訊

綜合考慮現場設備通訊布線因素，上位機、PLC、觸摸屏之間采用2臺交換機進行通訊。通訊架構中，二樓控制箱定義為主站，其他控制箱為分站。由于不同設備之間的聯動要求，PLC控制箱之間需要進行數據交換，利用 PLC CPU與其他 S7-200 SMART CPU之間的 Get/Put通信，可方便地實現5臺PLC之間的以太網快速通訊。在西門子PLC編程軟件STEP 7-Micro/WIN SMART中，點擊工具菜單中的“Get/Put”向導，逐步添加與各控制箱進行讀寫操作的數據區（見圖2），最后點“生成”按鈕，完成向導。在主站PLC中，規劃出1個300字節的區間作為“公用數據區”，用于儲存各分站的數據，各PLC分站可以在該數據區中獲取所需的控制數據。

在各PLC的程序中，設置了心跳生成與檢測的通訊程序（見圖3），每臺PLC有1個字節的數據區生成變化的數據，其他PLC讀取該PLC的數據區時，如果該數據區的數值一直沒有變化，即可判斷與該PLC的通訊已經中斷，從而發出報警提示和做出相應的控制動作，防止出現工藝處理事故。

4 液位檢測

本項目采用了17臺超聲波液位計對各個工藝水池進行液位檢測，相對于浮球、干簧管、磁翻板或投入式壓力傳感器，超聲波液位計具有安全、清潔、精度高、壽命長、穩定可靠、安裝維護方便等特點，適用酸、堿、鹽、腐蝕、高溫等各種領域。另外，在整個廢水處理過程中，沒有泡沫或飄浮物的產生，因而選用超聲波液位計是非常合適的。

數據采集使用Modbus-RTU通訊輪詢的方式，由就近的3臺PLC進行讀取，程序上，利用PLC內置的庫文件（Modbus-RTU Master）對各液位計進行輪詢。為提高RS-485線路的穩定性，PLC的RS-485通訊口不是直接連接至液位計的RS-485通訊口，而是采用了RS-485通訊交換機進行擴容，使通訊交換機每個RS-485通訊終端口只連接1臺液位計，這樣，當其中1臺液位計出現故障時，不會影響其他液位計的正常運行，同時，現場的電纜管線布置安裝較為方便，接線可靠性也大大提高。為防止干擾，通訊線路采用2芯屏蔽雙絞線。

5 現場儀表數據采集

21臺pH/ORP（酸堿度/氧化還原電位）儀表，由于工藝上對數據的實時性要求較高，信號輸入采用模擬量輸入的方式，儀表至PLC控制箱采用2芯屏蔽雙絞線，以提高微弱信號傳輸的抗干擾性能。由于現場設備有變頻器，為防止高次諧波干擾，在PLC程序處理上，采用濾波、比較去除偏離值及多次數值求平均的方式來獲得穩定有效的現場數據。

在PLC程序處理上，pH儀表輸入的模擬量數值為整型數據（數值范圍5530-27648），經過功能塊“S_ITR”處理，將模擬量的整型數據變成0.0~14.0之間的實數，通過在上位機調節“上限設置”和“上限設置”的數值，可以修正上位機的數值與現場儀表的數值趨于一致。

6 上位機組態控制

6.1 上位機系統組成

為降低成本，沒有使用專業的工控機，而是采用了1臺聯想商用電腦；顯示器采用1臺50吋的4K高清電視，1臺UPS作為短時后備電源。

使用組態王作為中控室的上位機軟件，上位機與各PLC之間通過以太網進行通訊。50吋的高分辨率顯示器，可以將所有設備的工作狀態顯示在管理人員面前。系統組態畫面，如圖4所示。

圖4 模擬量數值的轉換

圖5 上位機組態畫面

6.2 組態王與PLC的通訊問題

組態王與多臺S7-200 SMART進行以太網通訊時，需在Program FileskingviewDRIVER文件夾中，對其中的“kvS7200.ini”文件進行修改如下：

6.3 結構變量的使用

在工藝處理流程中，存在一些控制要求相同的設備，因而，采用結構變量能高效率地處理這些相似的工作。以液位計控制水泵啟停為例，創建“超聲液位計”結構變量，加入“停泵液位”“啟泵液位”“報警液位”等多個成員。結構變量創建完成后，在后續的程序編制中，就可以很方便地多次調用這個結構變量來控制不同的工藝池水泵，達到縮短程序開發時間的目的。

圖6 結構變量的使用

6.4 運行數據在SQL數據庫中的儲存與調用

利用軟件中的功能庫及相應控件，設置了設備的運行記錄表。根據查詢條件不同，可以生成各種條件下的報表、查詢各設備的運行及故障記錄、顯示模擬量數據的運行曲線。運行數據儲存于SQL數據庫中，硬盤的容量為1TB，運行記錄可儲存50年以上。

SQL數據庫應用中，首先創立數據源及數據庫；SQL訪問管理器用來建立數據庫字段和組態王變量之間的聯系，通過表格模板在數據庫表中建立相應的表格；通過記錄體建立數據庫字段和組態王之間的聯系。

使用“SQLInsert”命令插入記錄，使用“SQLSelect”命令查詢記錄，利用“KVADODBGrid Class”控件可方便地實現數據庫查詢工作。

7 系統安裝與調試

7.1 液位計安裝調試

超聲波液位計在安裝時，應注意儀表距離最高液面的距離應大于盲區的高度，盲區指儀表在探頭附近無法測量的區域，最高液位與探頭間距應大于盲區；探頭發波是個擴散過程，即有方向角，在方向角的范圍內，不能出現池壁、結構件、管路或設備。本項目設計的液位計垂直安裝位置比最高液面高出0.6m，能滿足盲區要求；水平位置距離池壁1m，液位計下方至液面之間未有雜物存在，這些設計措施，能保證液位計的工作環境符合預定要求。

根據現場工藝水池的液面高度，在超聲波液位計通電后，進入設置菜單，調整當前液位顯示數值，使其與實際液面高度一致。

設置各液位計的通訊地址、波特率、數據位、停止位、校驗方式與PLC程序中的通訊地址和通訊方式一致，為減少調試工作量，采用液位計默認的9600，8，N，1的通訊參數設置，每臺液位計只需修改不同的通訊地址即可。

7.2 pH/ORP（酸堿度/氧化還原電位）儀表調試

pH/ORP儀表，安裝于需實時測量數值的工藝水池旁邊，連接傳感器傳導測量信號的線纜不能與高壓高頻線混合布線，儀表在現場進行可靠接地，傳感器至儀表的引線，中間不應有接頭，以免影響測量精度和使用的穩定性。幾臺儀表集中安裝于1個現場小儀表箱里，再通過屏蔽電纜將儀表輸出信號引至PLC控制箱。

標定：pH傳感器是1種電化學傳感器，它的靈敏度隨時間和被測介質影響是遷延性衰減的，這是由傳感器的特性所決定的，欲使測量數據保持準確，需要經常地對儀表的傳感器斜率進行標定，標定的周期由被測介質對于傳感器的影響程度所決定。

使用前需進行測量值的校準，按儀表的說明正確配制緩沖液，進入儀表的標定界面，對儀表的測量值進行修正，使儀表讀數與緩沖液pH值一致。

8 結語

本控制系統自2016年投入使用至今，經過幾年來的全天候免維修持續運行，證明其運行的穩定性與可靠性，達到了減少人工、節約成本、避免出錯的目的。

以 組 態 王、 西 門 子S7-200 SMART小 型PLC、SmartLine觸摸屏為控制核心的控制系統，通過對工藝要求進行仔細規劃、認真設計，再加上現場安裝調試的細致周到，可以實現在這種中型控制系統中的長期穩定控制，在技術要求與成本控制上，均可達到預期目標。