基于PLC和MCGS的水处理控制系统.docx
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基于PLC和MCGS的水处理控制系统
毕业论文
题目:
基于PLC和MCGS的水处理控制系统
学生 倪泽旭
专 业生产过程自动化技术
指导教师魏翠琴
完成日期2011年5月
湖职院自动化类专业毕业论文
基于PLC和MCGS的水处理控制系统
学生：
倪泽旭
指导教师:
魏翠琴
2011年5月
摘要
本文采用PLC、触摸屏设计了纯净水处理控制系统，阐明了纯净水处理
的工艺过程（正常生产流程和装置清洗流程）及PLC的控制功能（控制泵的启停、阀门的通断和现场模拟量数据的采集）。
系统运行表明,设计合理有效，产水水质达到了纯净水水质的各项指标。
对系统的硬件、软件结构和工作原理进行了说明，并且重点介绍了西门子PLC的子程序调用结构和对模拟量处理的软件编程及在与MCGS嵌入式一体化触摸屏通讯时的编程注意事项.本系统为无人值守系统，运行表明，有效地解决了该煤矿饮用水水质差的问题，为纯净水给水创造了客观的经济效益和社会效益，达到了节能、降耗的目的。
关键词:
PLC；MCGS;石英砂过滤器；活性碳过滤器；超滤;反渗透;
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目录。
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..Ⅱ
第1章 绪 论
1.1水处理国内外的现状
国际上，大规模的水污染治理是在第二次世界大战后，随着50年代经济的蓬勃发展带来的60年代日益严重的环境污染而展开的。
水处理设施中,城市排水管线和水处理厂的兴建在水污染控制中发挥着骨干作用.至70年代末,美国投入了数千亿美元兴建了18000余座城市水处理厂，英国、法国、德国耗费巨资兴建7000至8000座城市水处理厂。
这些水处理厂的投入对国家的水体污染改善起了关键的作用，也为人类治理水污染积累了丰富的经验。
现在这些国家的水处理水平又有了进一步提高.
我国的水处理发展较慢，近年来,受到各级政府的高度重视,建设的水处理厂近200座,总投资百亿元。
目前,我国已建成并投入运行的水处理厂266座。
但同其他发达国家相比还存在很大差距，且具有明显的地区差别.我国水处理落后不仅体现在水处理厂的数量上，更重要的是，我国的自动控制水平与发达国家相比还存在很大差距，控制技术不能满足许多复杂的工艺要求，导致水处理率严重低下。
图1-1有关国家水处理情况对比
图1-1有关国家水处理情况对比
图1—1有关国家水处理情况对比
1.2水处理的背景
环境保护是我国的一项基本政策。
随着国家西部大开发战略的推进和三峡工程的兴建，三峡库区的环境保护,尤其是库区沿江河水污染的防治已陆续启动。
目前,在全国684个城市中我国仅有200余座在建和建成的城市水处理厂，并且集中在七八十个城市中，全国大约还有600个城市没有水处理厂。
又因为我国的自动化水平比较低，全国城市水处理率仅达到20％，其他发达国家已达到85％以上。
我国在水处理自动化控制方面控制水平低、品质也比较差，这也是造成我国和发达国家水处理指标差距的一个重要因素。
前几年国家环境保护总局曾对我国55个城市的5000多套工业废水处理设施进行了大规模的调查.结果表明，进行效果良好的只占24%，而简称后没能运作或处理能力达不到设计能力一半的设施竟占63.8％.为了改变我国水处理技术的这种现状,中央政府、有关部门和研究机构都倾注了较大的注意力，十分重视这方面的研究。
2001年国家自然科学基金列出专项，支持开展水处理厂自动控制系统的研究,力求使我国水处理行业的监控水平达到人机和谐，便于管理监测的高水平.
1.3课题设计的内容
利用可编程控制器（PLC）和MCGS监控软件实现对水处理的控制
（1）运行方式:
自动运行和手动操作无扰动切换
（2）用户界面：
现场工艺流程图显示
（3）生产过程数据实时监控:
动态显示水箱液位、阀、泵的开/关状态
（4）报警功能：
实时报警和历史报警的功能，记录故障时间、原因
（5）实时趋势和历史趋势显示功能
第2章 系统控制方案的确定
2。
1 水处理的工艺流程
根据原水水质条件、纯水系统对水质的要求，纯净水处理工艺流程为：
另外包括过滤器反洗系统、加药系统、各种电磁阀、压力保护开关等.
（1）原水箱用于贮存进入本系统的原水，其目的是为了缓冲和调节过滤器正常工作和反冲洗时的流量调节，防止水压波动影响到系统运行，保证系统的进水量及进水水质的稳定。
原水泵是给石英砂过滤器、活性炭滤器等提供正常的工作压力（稳压供水）.
（2）石英砂过滤器是一种压力式过滤器,它利用过滤器内所填充的精制石英砂滤料，当原水自上而下流经滤料层时，水中的悬浮物、杂质和颗粒物及农药、锰、细菌、病毒等污染物被除去，从而使水的浑浊度降低。
（3）活性炭过滤器是一种压力式过滤器,经石英砂过滤器初步净化的水，自上而下流经活性炭料层时,水中的余氯、有机物、胶体硅、异味及部分重金属被活性炭吸附，从而达到原水的净化的作用.
（4）保安过滤器防止预处理装置在工作或反冲洗时的微小颗粒泄漏，进入超滤及反渗透装置中,影响装置的使用寿命。
（5）超滤装置的作用是去除水中含有的大部分胶体硅,大量的有机物等，使水得到净化。
（6）中间水箱的作用是使超滤装置产水侧承受较低的压力，避免超滤膜受到背压而导致不可恢复的损坏，同时缓冲由于后级反渗透装置增压泵和高压泵启停时造成的压力波动，并可通过中间水箱的液位控制超滤装置的启、停运行。
增压泵和高压泵的作用是为反渗透装置提供正常工作压力,保证反渗透系统的正
常运行.
（7）反渗透装置是一种新兴的膜分离高新技术产品,是本系统装置中最关键设备，它不仅能连续除去水中大部分碳酸根、硫酸根等无机离子，还能除去水中绝大部分的有机物、细菌、热源病毒和微粒等。
为进一步减少源水小颗粒对RO系统的影响,特设置5μ保安滤器作为RO系统的前置过滤器。
（8）纯水箱在系统中起储存和缓冲作用，平衡产水和出水。
图2-1给出了水处理工艺流程图。
图2-1工艺流程图
2.2水处理的控制要求
本系统为1。
5M3/H水处理系统，系统主体设备主要包括石英砂过滤器1台,活性炭过滤器1台，超滤装置1台，反渗透装置1台，保安过滤器3台,风机—水泵4台。
所有设备由不同的管道相连构成纯水处理系统。
从原水泵来的原水首先进入石英砂过滤器除去大颗粒悬浮物等杂质,再进入活性炭过滤器处理,使水的浊度和导电度达到一定的标准后经保安过滤器、超滤装置进入反渗透装置除去大量的含盐离子，此时的水变为淡水，系统出力为1。
5M3/H（20℃）,出水水质指标符合国标GB17323-1998.此外，砂滤、碳滤、超滤及反渗透装置每次运行结束后都需要清洗，这些工作都需要PLC程序控制来完成。
纯净水处理自动控制系统的要求是：
（1）砂滤、碳滤的正、反洗时间、超滤的反洗时间及砂滤、碳滤超滤和反渗透的连续工作时间可以从触摸屏上设置。
（2）砂滤、碳滤先反洗后正洗再运行，砂滤、碳滤正反洗时,超滤进水阀关闭；超滤反洗时,砂滤、碳滤出水阀关闭;且正反洗及运行切换时,相关气动阀遵循先开后关的原则,防止入口压力波动太大，发生“憋压"现象。
（3）四路模拟量信号：
进水压力、浓水压力、进水电导、产水电导经过一进二出隔离模块，一路送PLC以便触摸屏显示。
（4）系统正常运行时，进水压力量程为2。
5MPa，浓水压力量程为1。
0MPa、进水电导量程为2000μs/cm、产水电导量程为20μs/cm。
（5）原水进行水处理控制系统后，产水水质指标达到要求的范围。
无人值守的控制系统具体实现的功能如下：
（1）手动试车:
出厂调试或系统运行故障时，可进行手动调节。
（2）显示功能:
实时显示现场被控设备的运行状态（气动阀的开关状态、水箱水位状态、泵工作状态等）、过滤器工作时间、反渗透进出水压力值和电导值等。
（3）参数设置：
操作人员可对过滤器的正、反洗时间和工作时间进行参数设置.
（4）报警功能:
当某一模拟量（如压力）测量值超过给定值范围或某一开关量（如泵的启停）发生变化时，可根据不同的需要发出不同等级的报警。
2.3系统设计的方案及组成
系统方案的确定对一个控制系统的配置来说相当重要，整个系统的自动化程度与其有着密切的关系，它直接影响着整个系统操作功能的顺利实现，所以在对系统进行方案确定之前，必须搞清楚系统的所有受控对象以及参与控制的所有设备.由于水处理系统涉及的受控对象有16个电磁阀、原水泵、增压泵、高压泵、清洗泵、加药泵等，还有4路模拟量的监控，所以必须考虑所有的控制点数,然后给每个输入或输出点指定一个I/O位,这样就可以计算出所有的I/O点数。
根据系统的大小和控制对象的复杂程度及成本考虑，按照I/O点数最后
要留出足够余量（15％左右）作为备用，便于将来系统增容扩建或改造。
我们主PLC选择了西门子S7200系列PLCCPU226CN，AC/DC/RLY，24点输入/16点输出;EM223CN数字量输入/输出混合模块，该模块为8点输入/8点输出；EM231CN模拟量输入模块，该模块为4输入点,接受压力变送器和电导仪出来的4～20mA电流信号，即反渗透进水压力、产水压力、进水电导、浓水电导。
在无人值守的环境下，配有触摸屏，通过人机交互画面，工作人员可以形象直观的了解现场工艺参数及设备的运行状况。
图2—2给出了控制系统方框图.
图2—2控制系统方框图
第3章系统硬件的选型
3.1PLC型号的选择
该控制系统选用西门子公司的S7200CPU226AC/DC/RLY。
其中AC为模拟量输入,DC为数字量输入，RLY为继电器输出。
图3-1为OLC端子图。
图3-1PLC端子图
图3-2CPU226的特性
PLC的I/O模块的主要类型有：
数字量输入模块、数字量输出模块、数字量输入/输出混合模块、模拟量输入模块、模拟量输出模块和模拟量输入/输出混合模块。
正确地连接输入和输出电路，是保证PLC安全可靠工作的前提。
本系统根据控制要求的需求选用了EM223CN数字量输入/输出混合模块，该模块为8点输入/8点输出；EM231CN模拟量输入模块,该模块为4输入点。
表1为本系统的I/O分配表。
控制接线图详见附录Ⅰ。
表1I/O分配表
地址
输入
地址
输出
I0.0
启动按钮
Q0.0
原水泵启动
I0。
1
停止按钮
Q0。
1
增压泵启动
I0。
2
故障复位按钮
Q0.2
高压泵启动
I0。
3
原水箱高液位
Q0。
3
清洗泵启动
I0。
4
原水箱中液位
Q0。
4
加药泵启动
I0.5
原水箱低液位
Q0.5
石英沙过滤器进水阀
I0。
6
中间水箱高液位
Q0.6
石英沙过滤器出水阀
I0。
7
中间水箱中液位
Q0.7
石英沙过滤器反洗阀
I1。
0
中间水箱低液位
Q1。
0
石英沙过滤器上排阀
I1。
1
清洗水箱高液位
Q1.1
石英沙过滤器下排阀
I1.2
清洗水箱中液位
Q1.2
活性炭过滤器进水阀
I1。
3
清洗水箱低液位
Q1。
3
活性炭过滤器出水阀
I1。
4
纯水箱高液位
Q1。
4
活性炭过滤器反洗阀
I1.5
纯水箱中液位
Q1。
5
活性炭过滤器上排阀
I1。
6
纯水箱低液位
Q1。
6
活性炭过滤器下排阀
I1。
7
原水泵过载
Q1。
7
超滤进水阀
I2。
0
增压泵过载
Q2。
0
超滤出水阀
I2.1
高压泵过载
Q2。
1
超滤反洗阀
I2.2
清洗水泵过载
Q2。
2
超滤排放阀
I2.3
原水泵出口高压开关
Q2.3
反渗透排放阀
I2。
4
超滤进水压力保护
Q2。
4
清洗水箱进水阀
I2.5
超滤反洗压力保护
Q2.5
运行指示
I2.6
高压泵低压保护
Q2。
6
报警指示
I2.7
反渗透高压保护
Q2。
7
自动指示
I3。
0
手动/自动
3。
2相关仪器选型
压力变送器选用SP1M1F2A0D5。
SP系列压力变送器是引进国外关键部件和技术制作的产品，可以用来连续测量过程流体（液体、气体、蒸气）的压力变化将被测量压力转换成4～20mA标准电流信号输出，并与其它测控单元进行组合，构成自控系统，广泛用于石油、化工、冶金电力、医药、啤酒、水处理等行业的工艺流程测控。
触摸屏选用TPC7062K。
这款触摸屏是昆仑通态多年研究的众多人机界面中最经济实惠的一款，具有如下优势：
◆高清：
800X480分辨率
◆真彩：
65535色TFT，丰富的图形库
◆可靠：
按照工业三级标准生产，采用LED背光
◆性能:
400M主频、WinCE系统、MCGS组态软件、64M存储空间
◆方便：
支持U盘备份、恢复
◆环保:
低功耗，整机功耗仅6W
◆时尚:
宽屏、超轻、超薄
◆服务：
立足中国，全方位本土化服务
根据以上选择绘制了表2硬件配置一览表
表2硬件配置一览表
序号
名称
型号及规格
数量
1
可编程控制器
S7200CPU226CNAC/DC/RLY24/16
订货号：
6SE7216-2BD23-0XB8
1台
2
模拟量输入模块
EM231CN4输入
订货号:
6SE7231-0HC22-0XA8
1台
3
数字量输入/输出模块
EM223CN8输入/8输出24VDC
订货号：
6SE7223-1PH22-0XA8
1台
4
压力变送器
SP1M1F2A0D5
量程分别为：
0～2.5MPa和0～1。
0MPa
2只
5
MCGSTPC嵌入式一体化触摸屏
TPC7062K
1个
6
通讯电缆
USB
1条
7
1进2出隔离模块
2个
石英砂过滤器活性炭过滤器超滤器RO装置
图3-3现场装置
第４章系统软件设计
控制系统的软件包括控制器和触摸屏两部分.控制器PLC编程在西门子STEP7-Micro/WIM上实现，人机界面采用昆仑通态MCGSTPC1062K嵌入式一体化触摸屏来完成.
4。
1PLC控制器程序设计
本工程根据工艺特点,在PLC编程中采用了主程序调用子程序模块的形式,增强了程序的可读性,缩短了PLC的扫描周期.子程序有初始化、控制块、液位块、原水泵块、砂滤块、碳滤块、超滤块、反渗透块、清洗块、故障块、模拟量块、手动块、显示块、均值块、滤波块，如图4—1所示。
以模拟量采集、运算为例，本工程使用的模拟量为来自压力变送器和电导仪的4～20mA电信号,当来自变送器和电导仪的信号不在4～20mA范围内（低于零点或超出量程）时，我们在模拟量块子程序中去除超出范围（小于6400（4mA）和大于32000（20mA））的干扰信号，对模拟信号采集100次，把100次信号进行均值和滤波运算，使得送到触摸屏进行数据的监控管理.图4—2给出了控制系统程序流程图.系统程序详见附录Ⅱ。
图4-1PLC编程界面
图4—2控制系统程序流程图
4。
2人机界面结构设计
人机界面（HMI）的开发采用MCGS6。
8嵌入式软件。
MCGS嵌入版组态软件是昆仑通态公司开发专用于MCGSTpc的组态软件,主要完成现场数据的采集与检测、前端数据的处理与控制。
MCGS嵌入版组态软件与其他相关的硬件设备结合，可以快速、方便的开发各种用于现场采集、数据处理和控制的设备,如各种可以灵活组态的智能仪表、数据采集模块、无人值守的现场采集站、人机界面等专用设备。
MCGS组态设计过程如下:
１．工程建立
（1）鼠标单击文件菜单中“新建工程"选项，自动在安装目录下生成新建工程.
（2）选择文件菜单中的“工程另存为”菜单项，弹出“保存”按钮,完成创建。
设备连接
（3）在“设备窗口”中双击“设备窗口”图标进入。
（4）点击工具条中的“工具箱”
图标，打开“设备工具箱”。
（5）单击“设备工具箱”中的“设备管理”按钮，弹出如图4-3所示窗口：
图4—3设备工具箱
（6）双击通用串口父设备，添加成功串口父设备。
（7）根据系统要求选择添加合适的子设备，因下位机采用西门子PLC，故选择“西门子_S7200PPI”，如图4-4所示。
图4—4设备管理窗口
（8）双击“设备0—西门子S7_200PPI"，进入设备编辑窗口，单击“增加设备通道"进行通道设置，“确认”后，如下图4-5所示。
图4-5设备通道
2。
建立画面
（1）在“用户窗口”中单击“新建窗口”按钮，建立“窗口0”、“窗口1”等等。
（2）选中“窗口0”,单击“窗口属性”,进入“用户窗口属性设置”。
（3）将窗口名称改为工艺流程，其他不变，单击“确定”.
（4）将工艺流程窗口设置为启动窗口如图4-6所示。
图4-6用户窗口
（5）双击进入“工艺流程"窗口,是一副空的图，在上面进行画面的绘制.同理建立“泵手动操作”窗口、“砂滤碳滤手动操作"窗口、“超滤渗透清洗手动操作”
窗口、“主菜单”窗口、“压力曲线”窗口、“电导曲线"窗口、“故障信息"窗口、“参数设置”窗口、“压力历史曲线”窗口、“电导历史曲线"窗口。
3。
MCGS组态软件监控
图4—7给出了工艺流程画面。
在工艺流程画面中，可以准确形象的反映现场阀门的启停状态,泵的启停状态,并均有颜色变化来显示其运行情况，如气动（或泵）开启时颜色为绿色，关闭时为红色。
通过百分比填充,形象地显示了四个水箱的高、中、低液位。
在整个系统管网的各个控制点均有相应的数据显示，如过滤器工作时间，RO（反渗透）进水压力、产水压力、进水电导和浓水电导等，真实地反映了各个控制点的当前值。
总之,画面中，主体设备位置确切,工作状态形象生动，各种参数“就地显示"，整个系统运行工况集于一屏，一目了然,为现场操作人员提供了方便。
图4—8为主菜单，我们可以在上面进行一系列操作.
通过对系统的控制可以得到一些数据,图4—9为阀门操作界面，图4-10为参数设置，我们可以在里面设置各个工作过程的时间。
图4—7工艺流程画面
图4—8操作主菜单
图4—9阀门操作界面
图4—10参数设置图
结论
我做的这个题目是有关于PLC系统理论与实践相结合的设计，这个控制系统运行系统稳定、可靠。
该系统有效地解决了生产中的很多问题，如减少了生产过程中的突发故障，缩短了生产准备时间和抢修时间，减少了工人的劳动强度，为纯净水给水创造了客观的经济效益和社会效益，达到了节能、降耗的目的。
该系统已在湖州某纯净水制备系统中使用。
在此时对以前学的知识的挑战和突破,在对这个设计的材料搜索过程中,对于办公软件的应用有了更进一步的提高。
在设计过程中，结合所学的理论知识以及应用能力,提高了实际操作和独立解决问题的能力。
通过这次设计,让我熟练的掌握了西门子编程软件以及MCGS组态软件的编程和使用方法，我相信这对于我以后工作过程中会有很大帮助的.
致谢
论文得以完成，首先要感谢魏翠琴老师，在做论文的过程中老师严谨的治学态度和一丝不苟的工作精神给了我深刻的启发，也给了我很大的触动。
另外，老师经常给我讲解不懂的地方，教我怎么入手,使我能尽快的完成论文。
还要感谢系里其它的老师的指导，给了我很大的帮助。
在此，对老师在工作和生活中给予的指导和关心致以最真诚的谢意。
同时在这里还要感谢系里给予我们的关心和帮助，感谢老师们给予我们的帮助。
感谢系里其它的一些同学在设计中提供大量的支持和帮助.
我们即将毕业，在此，再一次向三年中在学习和生活中给予过我帮助的老师和同学致谢.
参考文献
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北京昆仑通态自动化软件科技有限公司，2009
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西门子有限公司，12/2006
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S7—200可编程控制器系统手册，2007
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组态王用户手册，2006
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S7-200PLC基础教程.北京：
机械工业出版社，2006
［8］廖常初.PLC编程及应用。
北京:
机械工业出版社，2002
［9］陈振芳。
PLC和电子无笔记录仪在加热炉测温系统中的应用[J]。
山西冶金，No.4，2002
［10]崔江华等。
PLC和wincc在加热炉中的应用[J].电气技术，No.1,2010
附录Ⅰ控制接线图
附录Ⅱ系统程序
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