PLC控制技术在自来水厂的应用.docx

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PLC控制技术在自来水厂的应用

目录

第1章PLC的概况及结构图1

1.1PLC的简介2

1.2PLC的工作原理2

1.3PLC的结构图及其各部分的功能3

第2章MCGS工控组态软件4

2.1MCGS工控组态软件简介4

2.2运用MCGS建立运行程序的过程5

第3章PLC控制系统设计8

3.1PLC程序设计的步骤8

3.2S7-200PLC选型9

3.3控制过程设计10

3.3.1PLC控制自动加矾10

3.3.2PLC控制自动加氯10

3.3.3工控机单元10

3.4PLC编程10

3.4.1PLC控制系统工作流程10

3.4.2I/O分配表及中间变量分配表11

3.4.3西门子S7-200型PLC控制梯形图12

3.5程序调试17

结束语21

参考文献21

PLC控制技术在自来水厂的应用

摘要

自来水厂自动化系统的总体要求是可靠地实现对各水处理设备和生产过程的自动监控，达到“现场无人值守、控制中心少人值班”的自动化程度。

本设计的控制过程主要完成加矾、加氯量的调节，通过可编程逻辑控制器PLC来实现。

具体如下：

收集传感器对压力、流量、浊度、余氯、PH值数据的采集，具体包括压力值、取水口流量、出水口流量、取水口浊度、沉淀池浊度、出水口浊度、沉淀池余氯、出水口余氯、PH值传送给PLC，PLC根据数字显示，通过控制加氯仪和投矾仪的开关来实现自来水的消毒与净化

关键词：

PLC技术控制系统编程

第1章PLC的概况及结构图

1.1PLC的简介

可编程逻辑控制器（ProgrammableLogicController）简称PLC，最初只能进行计数、定时及开关量的逻辑控制。

随着计算机技术的发展，可编程逻辑控制器的功能不断扩展和完善，其功能远远超出了逻辑控制的范围，具有了PID、A\D、D\A、算术运算、数字量智能控制、监控、通信联网等多方面的功能，它已变成了实际意义上的一种工业控制计算机。

PLC与通用计算机没有什么区别，只是一台增强了I/O功能的可与控制对象方便连接的计算机。

其完成控制的实质是按一定算法进行I/O变换，并将这个变换实现，应用于工业现场。

PLC的编程语言有梯形图语言、语句表语言、逻辑图语言、功能表语言和高级语言。

本设计使用梯形图语言编程。

1.2PLC的工作原理

PLC开始运行后，在系统程序的监控下周而复始地按照一定的顺序对系统内部的各种任务进行查询，判断和执行，这个过程实质上是按照巡回扫描的方式进行的。

执行一次巡回扫描所需要的时间称作扫描周期。

PLC可被看作是在系统软件支持下的一种扫描设备。

它一直周而复始地循环扫描并执行由系统软件规定好的任务。

用户程序只是扫描周期的一个组成部分，用户程序不运行时，PLC也在扫描，只不过在一个周期中去除了用户程序和读输入、写输出这几部分内容。

典型的PLC在一个周期中可完成以下几个扫描过程：

1.自诊断测试扫描过程

为保证设备的可靠性，即使反应所出现的故障，PLC都具有自监视功能。

2.与网络进行通信的扫描过程

一般小型系统没有这一扫描过程，配有网络的PLC系统才有通信扫描过程，这一过程用于PLC之间及PLC与上位计算机或终端设备之间的通信。

3..用户程序扫描过程

机器处于正常运行状态下，每一个扫描周期内都包含该扫描过程。

4.读输入、写输出扫描过程

在读输入阶段，CPU对各个输入端子进行扫描，通过输入电路将各输入点的状态锁入输入映像寄存器。

在写输出阶段，将输出映像寄存器的状态集中锁定到输出锁存器，再经输出电路传递到输出端子。

1.3PLC的结构图及其各部分的功能

PLC由中央处理单元，存储器，输入单元，输出单元，电源五部分组成。

如图2.1所示。

图2.1PLC的结构图

（1）中央处理单元（简称CPU）

1.组成：

由控制器，运算器，寄存器组成。

2.作用：

处理和运行用户程序，进行逻辑和数学运算，控制整个系统，使之协调工作。

（2）存储器

1.作用：

存放系统程序，用户程序，逻辑变量和其它一些信息。

2.结构：

由存储体，地址译码电路，读写控制电路，数据寄存器组成。

3.存储器的类型：

ROM、RAM、EPROM、EEPROM。

（3）输入单元

1.作用：

接收主令元件、检测元件传来的信号。

2.输入方式：

数字量、模拟量。

3.输入类型：

直流、交流、交直流。

（4）输出单元

1.作用：

将中央处理器输出的弱电信号，转换成为现场需要的电平信号输出，驱动。

2.被控设备的执行元件。

3.输出类型：

继电器输出、晶体管输出、晶闸管输出。

（5）电源

1.作用：

将交流电转换成PLC内部所需的直流电源，供PLC正常工作[7]。

第2章MCGS工控组态软件

2.1MCGS工控组态软件简介

MCGS（MonitorandControlGeneratedSystem）是一套基于Windows平台的，用于快速构造和生成上位机监控系统的组态软件包，它为用户提供了从设备驱动、数据采集到数据处理、流程控制、动画显示、报表输出等解决实际工程问题的完整方案和操作工具。

MCGS组态软件具有多任务、多线程功能，其系统框架采用VC++编程，通过OLE技术向用户提供VB编程接口，提供丰富的设备驱动构件、动画构件、策略构件，用户可随时扩展系统的功能。

主要特点如下：

1.丰富的设备驱动程序，通过ActiveDLL把设备驱动挂接在系统中，配置简单、速度快、可靠性高。

2.强大的网络功能。

MCGS强大的网络功能可把TCP/IP网、485/422/423网、Modem网结合在一起构成大型的监控系统和管理系统。

3.开放的OLE接口。

MCGS以OLE自动化技术为基础的开放式扩充接口允许用户使用VB来快速编制各种设备驱动构件、动画构件和各种策略构件，通过OLE接口，用户可以方便地定制自己特定的系统。

系统结构图如图3.1所示。

图3.1MCGS工控组态软件系统结构图

MCGS组态软件系统包括组态环境和运行环境两大部分，用户所有组态配置过程都是在组态环境中进行的，用户组态后可生成一个“组态结果数据库”文件。

MCGS运行环境是一个独立的运行系统，它能按照“组态结果数据库”中的组态方式进行各种处理，完成用户组态设计的目标和功能。

系统整体框图如图3.2所示。

图3.2MCGS系统整体框图

2.2运用MCGS建立运行程序的过程

1.启动MCGS组态环境，建立工程项目。

项目名称是云梦县倒店水厂自动化控制。

2.进行设备配置。

设备配置的目的是实现上下位机通讯，即实现计算机与智能仪表之间的连接。

通过设备窗口配置数据采集与控制输出设备，注册设备驱动程序，定义连接与驱动设备共用的数据变量。

本控制系统中是实现计算机与PLC之间的连接。

首先在“设备窗口”中通过设备工具箱完成设备组态，再双击“通用串口父设备0”进入通用串口父设备属性编辑界面，根据通讯要求和连接情况，完成通用串口父设备属性编辑界面中相关的参数设置，具体设置如图3.3。

图3.3通用串口设备属性编辑框

3.构造数据库。

在实时数据库窗口建立新的数据库文件。

要求与设备要求的数据库一致。

该窗口定义不同类型和名称的变量。

作为数据采集、处理、

输出控制、动画连接及设备驱动的对象。

实时数据库窗口如图3.4。

图3.4实时数据库窗口

4.制作图形画面，在用户窗口实现。

主要用于设置工程中人机交互的界面。

本控制系统是根据水厂控制的工艺要求以及需要显示的数据，设计人机交互的画面。

下图是云梦县倒店水厂自动化控制界面。

图3.5云梦县倒店水厂自动化控制图

5.在主控窗口建立新工程。

主控窗口中可以放置一个设备窗口和多个用户窗口，负责调度和管理这些窗口的打开或关闭。

主要的组态操作包括：

定义工程的名称，编制工程菜单，设计封面图形，确定自动启动的窗口，设定动画刷新周期，指定数据库存盘文件名称及存盘时间等。

6.定义动画链接。

动画链接是将动画与数据库变量建立联系，当数据库变量发生改变时动画就可以表现出来。

即当水管中的水开始流动时，动画可以适时显示。

7.运行与调试。

当以上步骤完成以后，先进行组态检查通过后就可以进入运行环境调试。

第3章PLC控制系统设计

3.1PLC程序设计的步骤

PLC程序设计一般分为以下几个步骤：

程序设计前的准备工作，程序框图设计，程序调试。

1.程序设计前的准备工作

程序设计前的准备工作大致可分为三个方面：

（1）了解系统概况，形成整体概念。

这一步的工作主要是通过系统设计方案和软件规格说明书来了解控制系统的全部功能，控制规模，控制方式，输入和输出信号的种类和数量，是否有特殊功能接口，与其它设备的关系、通信内容与方式等。

没有对整个控制系统的全面了解，就不能对各种控制设备之间的关联有真正的理解，编出的程序拿到现场去运行，肯定是问题百出，不能使用。

（2）熟悉被控制对象，编出高质量的程序。

这一步的工作是通过熟悉生产工艺说明书和软件规格说明书来进行的。

可把控制对象和控制功能分类，按响应要求、信号用途或按控制区域进行划分。

确定检测设备和控制设备的物理位置，深入细致地了解每一个检测信号和控制信号的形式、功能、规模、相互间的关系并预见以后可能出现的问题，使程序设计有的放矢。

在熟悉被控对象的同时，还要认真借鉴以前程序设计中的经验和教训，总结各种问题的解决方法。

（3）充分利用硬件和软件工具。

如果是得用计算机编程，可以大大提高编程的效率和质量。

2.程序框图设计

这一步的主要工作是根据软件设计规格书的总体要求和控制系统的具体情况，确定应用程序的基本结构，按程序设计标准绘制出程序结构框图；然后再根据工艺要求，绘制出各功能单元的详细功能框图。

有的系统的应用软件已经模块化，那就要对相应程序进行定义，规定其功能，确定各块之间的连接关系，然后再绘出各模块内部的详细框图。

框图是编程的主要依据，要尽可能地详细。

这步完成后，就会对全部控制程序功能的实现有一个整体概念。

3.编写程序

根据设计出的框图逐条地编写控制程序，这是整个程序设计工作的核心部分。

梯形图语言是最普遍使用的编程语言。

在编写程序的过程中，可以借鉴已有标准程序，但必须弄懂这些程序段，否则将会给后续工作带来困难和损失。

另外，在编写程序的过程中要及时对程序进行注释，以免忘记相互之间的关系，要随编随注。

注释要包括程序的功能、逻辑关系说明、设计思想、信号的来源和去向，以便阅读和调试。

4.程序调试

程序调试是整个应用程序设计过程中一项很重要的内容，它可以初步检查程序的实际效果。

程序调试和程序编写是分不开的，程序的许多功能是在调试中修改和完善的。

调试时应先从各功能单元入手，设定输入信号，观察输出信号的变化情况，必要时可以借用某些仪器仪表。

各功能单元测试完成后，再贯通全部程序，调试各部分的接口情况，直到满意为止。

程序调试可以在实验室进行，也可以在现场进行。

如果是在现场进行程序调试，就要将PLC系统与现场信号隔离，可以使用暂停输入输出服务指令，也可以切断输入输出模块的外部电源，以免引起不可预料的、可能造成事故的机械设备动作。

3.2S7-200PLC选型

西门子S7-200系列PLC可以应用于各种自动化系统，其结构紧凑并有功能强大的指令集。

在V4.0STEP7Micro/WINSP3编程环境下用比较简单的梯形图进行编写程序更加灵活、方便的解决自动化任务。

根据控制系统参数对PLC模拟量、数字量I/O点数、性质的要求，以及系统设计原则，综合考虑各I/O点电压、电流的性质，PLC选择S7-200系列，其CPU单元为CPU226，需要四个扩展模块，根据信号的大小，分布情况，对各I/O点进行分组分配。

PLCS7-200系列实物图如图4.1所示。

　图4.1PLCS7-200系列实物图

3.3控制过程设计

控制过程主要完成加矾、加氯量的调节，通过PLC来实现。

3.3.1PLC控制自动加矾

自来水水质处理过程中，加矾是通过工控机分析接收到的相应传感器信号来控制阀门开关开合实现的。

由于不同时段天然水源浊度不同、用户用水量不同，需要加入明矾的用量也不同，所以在水输入前端要先检测这两个指标，以此控制加入矾的基本量。

处理过后，还要对水质进行二次检验，即在沉淀池出水口再用浊度仪检测，与预设标准量比较后，由PLC产生相应的反馈值对阀门进行闭环调节，这样就可以保证处理过后的水浊度基本达标。

3.3.2PLC控制自动加氯

相比于浊度控制，加氯量控制了沉淀池前端检测环节，控制相对比较简单，直接在自来水出厂前检测，将其检测值传输给工控机，通过工控机分析，与标准量进行比较，用此差值来控制阀门开合状态。

但是加氯量要有个预设值，这个预设值要根据安装现场调试确定，可选余氯测量采用人工取样、化验分析模式，根据检测数据，人工选取加氯量。

3.3.3工控机单元

工控机是整个系统的监控中心，该控制系统采用“工控机+PLC”模式，用于生产管理的计算机，根据PLC上传的各仪表所检测到的数据，结合相关标准，经过分析后，将结果下传给PLC，最后由PLC控制如加矾、加氯，根据管压信号控制水流量。

监控计算机主要是通过显示、存储接收到的视频信号来保证水厂安全，以便于管理，并可自动生成各监测点数据历史曲线，方便用户查看。

3.4PLC编程

3.4.1PLC控制系统工作流程

1.控制基本过程

PLC实时监测整个水处理过程中的9路工艺信号，一方面把信号传给工控机，通过组态软件实时显示出来。

另一方面主要根据各点的实时输入信号，控制调节加药量大小，保持成品水质，达到自动控制水质的目的。

2.模拟量控制

（1）控制目的：

保证自来水厂出水口浊度在2到5之间的前提下，尽量节省用矾量。

对投矾仪的控制主要是通过PLC控制电动调节阀开口大小，电动调节阀控制电流为4～20mA。

其中4mA对应电动调节阀关闭状态，20mA对应电动调节阀最大开启。

（2）基本控制思路：

浊度控制分粗调和细调两步，先根据取水浊度初步决定调节输出范围，再根据成品水浊度进行精细调节确定加药量，保证成品水质。

若取水口浊度大于50，电动调节阀开启到最大，PLC控制输出20mA电流；若取水口浊度大于30小于等于50，电动调节阀门开启75%,PLC控制输出16mA电流；若取水口浊度大于15小于等于30，电动调节阀门开启50%,PLC控制输出12mA电流；若取水口浊度大于5小于等于15，电动调节阀门开启25%,PLC控制输出8mA电流；若取水口浊度大于2小于等于5，电动调节阀门开启为10%,PLC控制输出5.6mA电流。

在以上初步设定范围内，再判断沉淀池浊度，当沉淀池浊度大于5时，增大电动调节阀的开启度，PLC的控制输出电流增大；当沉淀池的浊度小于2时，减小电动调节阀的开启度，PLC的控制输出电流减小。

3.4.2I/O分配表及中间变量分配表

3.4.3西门子S7-200型PLC控制梯形图

1.网络1，将各个输入模拟量传送到相应的显示存储单元，上位机通过RS485串行通信口读取显示存储单元中的数据，通过MCGS界面显示。

中间分配网络如图4.2所示。

图4.2中间变量分配网络

2.网络2实现加矾粗调。

通过取水浊度初步设置加矾控制输出范围，将各个浊度段对应的控制输出电流初值放入变量寄存器。

当取水口浊度值大于50时，PLC控制输出20mA电流，对应D/A的数字量为32767；当取水口浊度值大于30小于等于50时，PLC控制输出16mA电流，对应D/A的数字量为26214；当取水口浊度值大于15小于等于30时，PLC控制输出12mA电流，对应D/A的数字量为19660；当取水口浊度值大于5小于等于15时，PLC控制输出8mA电流，对应D/A的数字量为13107；当取水口浊度值大于2小于等于5时，PLC控制输出5.6mA电流，对应D/A的数字量为9175；当取水口浊度值小于等于2时，PLC控制输出4mA电流，对应D/A的数字量为6553。

加矾粗调网络如图4.3所示。

图4.3加矾粗调网络

3.网络3系统开关。

系统在取水泵口设置有流量计，一方面可以测量取水流量，同时也作为系统开启的标志。

可以选取一定的流量值作为标志，如本方案以10m3为界，若取水口流量值大于10m3证明取水开始工作，就需要开启数字量输出接口的加氯仪和投矾开关，若取水口流量值小于10m3就关闭数字量输出接口的加氯和投矾开关。

这样能保证氯气和明矾的充分利用从而避免资源浪费。

系统开关网络如图4.4所示。

图4.4系统开关网络

4.网络4实现加矾细调。

取水口浊度大于50小于等于100,电动调节阀开启到最大，PLC控制输出20mA电流，同时参考成品水浊度，即沉淀池浊度。

具体控制方法是先根据进水口浊度输出粗调量，延时一定时间后，判断沉淀池浊度，如果沉淀池浊度大于5，控制电流就在原值的基础上增加一个单位，增大加矾电磁阀开度，最大增加至全开，对应输出电流20mA；当沉淀池浊度的值小于等于2时，控制电流就在原值的基础上减小一个单位同时减小加矾电磁阀开度，最小减小至全关，对应输出电流4mA。

最终使沉淀池浊度保持在2和5之间。

调节过程中输出电流值和阀门返回实际开度值可通过组态软件实时显示。

如果控制输出值和阀门返回开度值相差超过一定范围还可输出故障报警。

加矾细调网络如图4.5所示。

图4.5加矾细调网络

　5.网络5（浊度大于30小于等于50），网络6（浊度大于15小于等于30）,网络7（浊度大于15小于等于30），网络8（浊度大于5小于等于2），网络9（浊度小于等于2）的梯形图都与网络4相同，只是初值有变化，在此就不一一列举了。

在控制程序中用到了软手动操作，就是通过PC机操作窗口完成现场设备的控制，也称为远程操作。

现场设备中的操作方式为软手动如控制加矾量，通过软手动操作面板，可以实现软手动和自动之间的切换。

如果过程变量超出正常范围时的特殊状态或供电系统、设备发生故障，系统就会报警。

上位机监控系统提供一个友好的人机交互平台，作为工作人员方便直观地监控系统的运行情况。

PLC的I/O地址分配是一项非常重要的工作，其主要作用是确定各I/O设备的具体功能及在PLCI/O模块上的具体物理位置，以便对应唯一的PLC程序地址。

I/O地址分配应按一定的规律进行，尽量将类似功能的I/O设备的地址编在一起，便于管理。

由于PLC的程序设计不可能一步到位，同样I/O地址的分配也不可能一次敲定，在以后的程序设计、调试或系统进一步改造过程中，都可能增加I/O点数。

因此，在I/O点数的初次估算时，应尽量避免PLC的使用能力接近饱和，应该留有一定的裕量，一般为30%左右。

这对于工程预算较为紧张的系统尤为必要。

在编写程序的时候我们用到了几个方案，起初是多次判断沉淀池浊度，当沉淀池浊度大于5，电动调节阀门就在原基础上增大10%，PLC控制输出增大1.6mA，再判断出水口浊度，若其值大于2.5，电动调节阀门开启就继续增大，PLC控制输出也继续增大。

这样每个网络增加的数值不同，编写程序时的计算量也比较大，而当浊度降下来了之后，电动调节阀门的开启度不能及时减小，PLC控制输出的电流又不能相应的下降，整个程序缺少灵活性。

通过多次试验，选择了PLC控制输出的电流值能增能减，使各个网络构成一个回路，既能保证所要加入的明矾量最少又能让浊度达到我们的要求值，使资源得到了充分得用。

3.5程序调试

当程序编写完以后，要对程序进行调试，分两种方法，即静态调试和动态调试。

先进行静态调试即由人工“代替”“模拟”计算机对程序进行仔细检查，主要检查程序中的语法规则和逻辑结构的正确性。

很大一部分错误可以通过静态检查来发现。

然后进行动态调试，可以设置不同的初值。

在调试过程中我们设置不同的电流值，让其在各个网络中运行，看程序运行是否灵活，能否让沉淀池浊度保持在2到5之间。

在实验室对系统控制程序进行多次静态调试和动态调试之后，程序才得已逐步完善。

我在程序的编写和调试期间遇到了很多问题，下面具体介绍一下其中的某些程序。

图4.6最初的加矾调节网络

1.最初的加矾调节网络，如图4.6所示。

上图是最初编写的程序，很简单。

当计数器T37的计数时间到达后，辅助继电器M0.0得电，执行整数加指令，即PLC控制输出的电流值增大，同时对M0.0复位。

当计数器T38的计数时间到达之后，对M0.0置位。

程序进入下一个循环阶段。

该程序中PLC控制输出的电流值只能增大，即加矾量只能增加，不能减少，不符合控制原则。

2.改进的加矾调节网络，如图4.7所示。

图4.7改进的加矾调节网络

上图是改进之后的程序，当计数器T37的计数时间到达后，判断沉淀池浊度，若沉淀池浊度大于5，PLC控制输出的电流值小于20mA，辅助继电器M0.0得电，执行整数加指令，即PLC控制输出的电流值增大，同时对M0.0复位；若沉淀池浊度小于等于2,PLC控制输出的电流值大于4mA，辅助继电器M0.0得电，执行整数减指令，即PLC控制输出的电流值减小，同时对M0.0复位。

该程序能保证沉淀池的浊度在2到5之间，基本能满足要求。

3.手动调节网络，如图4.8所示。

图4.8手动调节网络

以上是后来额外增加的手动调节梯形图，具体是添加了两个辅助继电器M11.0和M12.0。

当M11.0得电，执行整数加指令，即PLC控制输出的电流值增加；当M12.0得电，执行整数减指令，即PLC控制输出的电流值减小。

该程序能满足手动控制的要求，但是额外增加了梯形图，使整个程序看起来很复杂。

并且自动控制和手动控制是孤立的，当手动调节达到要求后，转为自动时，所得到的电流值不是手动控制达到要求的那个值，即加矾量发生了变化，使控制系统不能实现手动与自动双向无扰动切换。

通过多次的反复修改调试程序，最后将手动调节和自动调节的程序写在一个网络里，仅仅只是增加了一个辅助继电器,得到最终的控制梯形图。

在程序的编写过程中，还因每个分段网络中第二个计数器设置的控制时间相对机器周期过长，调试时在程序的运行中看不到中间变化值，PLC控制输出的电流值一下加到最大，一下又减小到最小。

因此程序里面的参数要设置得合理，必需经过多次试验。

在实验室调试成功之后，还要想到在现场可能遇到的很多问题，必需预先设计多套方案，以便在现场调试的时候能够顺利的解决实际控制中的问题，比如一些检测设备测量的值可能不精确，需要滤波等。

结束语

通过这次论文的编写我深刻体会到要做好一个完整的事情，需要有系统的思维方式和方法，对待要解决的问题，要耐心、要善于运用已有的资源来充实自己。

同时我也深刻的认识到，在对待一个新事物时，一定要从整体考虑，完成一步之后再作下一步，这样才能更加有效。

参考文献

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