基于PLC和組態(tài)的循環(huán)水旁濾監(jiān)控系統(tǒng)

季凱源，夏 爽，汪 湛

（中國船舶重工集團公司第七二三研究所，江蘇揚州 225001）

0 引言

循環(huán)水旁濾系統(tǒng)在工業(yè)循環(huán)水系統(tǒng)的設計中十分重要，它的主要作用是去除循環(huán)冷卻水中的濁度[1]，可廣泛運用到農業(yè)灌溉、化工、石油、冶金、工礦等各行業(yè)。循環(huán)水旁濾系統(tǒng)的核心設備是砂濾器。砂濾器，即淺層介質過濾器。它是一種利用過濾介質去除水中各中懸浮物、微生物、以及其他微細顆粒，最終達到降低水濁度、凈化水質效果的一種高效過濾設備。常用濾料有石英砂、活性碳、無煙煤、錳砂等。針對某循環(huán)水旁濾項目，本文設計了一種基于S7-300系列PLC和WinCC7.0組態(tài)軟件的循環(huán)水旁濾監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)不僅可以完成所設定的工藝要求，而且能夠人為設定工藝時間，并在水位達到閾值時做出自動調整，防止事故的發(fā)生。在實際運行中，系統(tǒng)可以全自動運行，無需專人看守，這不僅減輕操作人員勞動強度，而且提高了系統(tǒng)的自動化水平，為企業(yè)提高工作效率做出了貢獻。

1 工藝介紹

循環(huán)水旁濾系統(tǒng)的工藝過程實際上是循環(huán)水進入砂濾器的相關流程[2]。下面以一臺砂濾器來闡述工藝，如圖1所示。一臺砂濾器與其相關的設備主要有1臺水泵，4個電磁閥，3個手動閥和1臺液位儀表。

手動閥K1，K2，K3認為是永久打開的，只有當出現緊急狀況或者檢修時，才會人為手動關閉閥門。循環(huán)水工作主要分三個流程：正常過濾過程，反洗過程和停止過程。首先啟動水泵從進水管進行抽水，正洗過程主要是打開閥門KV1，KV3；關閉閥門KV2，KV4；此時循環(huán)水由砂濾器頂部向底部運動進入循環(huán)水池，砂濾器中的濾網和石英砂主要在上層，當水流過填料層時，雜質被截留在填料層內，這樣便做到了循環(huán)水的過濾作用。隨著雜質在填料層中的不斷聚積，當它聚集到達一定的設定限度時，就必須進行反洗過程。反洗過程同樣是水泵從進水管進行抽水，此時打開閥門KV2，KV4；關閉閥門KV1，KV3；循環(huán)水由砂濾器底部向頂部運動，排到廢水收集池中，這樣做到反沖將雜質去除出砂濾器的作用。停止流程，即閥門KV1，KV2，KV3，KV4全部關閉。根據一般經驗，正常過濾時間可設為48小時，反洗時間設為3分鐘，停止時間設為1分鐘。循環(huán)水系統(tǒng)由正常過濾——停止過程——反洗過程這樣循環(huán)運行。當液位儀表發(fā)生報警時，即水位超過砂濾器的上限或者低于下限時，會自動停止水泵運行，并發(fā)出報警。

圖1 系統(tǒng)的工藝流程

本系統(tǒng)共有4個砂濾器，編號為A～D。當自動運行時，同時進行正常過濾，當達到設定正洗時間后，砂濾器由A罐到D灌依次進行反洗，這樣能最大限度地提高反沖洗效率。如圖2所示為各個砂濾器工作的時間流程圖，圖中等待過程等價于停止過程。

圖2 各個砂濾器工作時間流程圖

2 系統(tǒng)結構

由循環(huán)水工藝流程可知，本系統(tǒng)主要對砂濾器的各個水泵，電磁閥和液位儀表進行聯網監(jiān)控。水泵的設備控制，采用普通電氣電路控制方式，電路中含有運轉和過載信號反饋；電磁閥采用直流24 V電磁鐵通斷進行控制，閥門具有開，關信號反饋；液位儀表符合標準的HART協(xié)議。這些設備均獨立運行，相互之間沒有通信。系統(tǒng)供電由UPS進行供電，水泵運轉需380 V交流電，PLC控制柜供電需220 V交流電。系統(tǒng)結構如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)總體結構圖

根據現場設備的分布結構，采用分散控制、集中操作、分級管理的思想進行設計[3]。本監(jiān)控系統(tǒng)分為三級架構，第一級是設備部分，主要包括水泵、電磁閥和液位儀表。第二級是控制級，PLC通過它的各個不同功能的擴展模塊先與安全柵連接，再通過安全柵與現場的開關量、數字量、模擬量設備連接，從而對所有設備進行監(jiān)控。第三級是管理級，由一臺工控機通過工業(yè)以太網與PLC連接，可遠程對設備進行有效地監(jiān)控，同時可查看參數數據、曲線、報表、設置相關權限等。

3 PLC系統(tǒng)設計

控制級采用Siemens S7-300作為可編程控制器。由于本系統(tǒng)有4個砂濾器，故控制系統(tǒng)的主要被控對象含有4臺水泵，16個電磁閥，4臺液位儀表。每臺水泵上有正常運轉和過載指示各1個；電磁閥上有閥門開、關指示各1個，總計40個數字量輸入。電磁閥通過電磁鐵控制，水泵通過輔助控制電路的繼電器控制，總計20個數字量輸出。每臺液位儀表為標準4～20 mA模擬量輸入，總計4個模擬量輸入。

3.1 主要硬件選型

根據現場砂濾器的管道和工藝的實際情況，水泵采用上海凱仕KSW型臥式離心泵，電磁閥采用亞德客B03-3V1型電磁閥并配有韓國HKC公司的APL限位開關，液位儀表采用羅斯蒙特3051c雙法蘭液位壓差變送器。

根據現場設備數量和實際控制要求，結合安全穩(wěn)定性和實際成本等因素，CPU模塊選用西門子CPU314-2PN/DP，此模塊集成以太網接口，無須獨立的以太網模塊便可以通過工業(yè)以太網實現遠程監(jiān)控。PLC及其模塊背板供電選用交流供電的PS307-2A，共1塊。輸入/輸出模塊的選擇不僅要根據上文計算所得的I/O點數，而且需要一定可擴展備用余量，以便系統(tǒng)升級和改造，其中，24V DC輸入的SM321（DI16）選用3塊，24V繼電器輸出的SM322（DO16）選用2塊，模擬量輸入SM331（AI8）選用1塊。與DI、DO、AI模塊配套的各個類型的安全柵分別需要40、20、4個。同時PLC控制柜中還配有西門子SI?TOP開關電源（輸出24V 10A）2臺。其中，1臺用于數字輸入量檢測和安全柵供電，另1臺用于電磁閥和繼電器供電。觸點變?yōu)槌ｉ]觸點才進行反洗，并復位M1.0，使標志位可用于下一次循環(huán)；依此類推C、D砂濾器。

圖4 設置反洗時間程序

3.2 控制功能實現

根據控制要求，系統(tǒng)中開關量輸出設備有就地和遠程2種控制模式，就地就是現場直接按鈕對設備進行啟停；遠程控制又分為自動和手動方式，手/自動方式可進行自由切換。處于自動狀態(tài)時系統(tǒng)按照一定的程序運轉，當切換到手動狀態(tài)，系統(tǒng)跳出自動狀態(tài)，可通過遠程自由設定手動控制任一設備。正常運行過程中，首先工藝人員檢查外部設備是否完好，PLC控制柜各項指示是否正常，檢查完畢后可根據實際工藝要求設置每個砂濾器的正常過濾時間，反洗時間；然后設置液位報警值的上下限度，若水位超過或低于閾值，系統(tǒng)會自動關閉水泵，發(fā)出報警，等待設備人員進行檢修。系統(tǒng)設置有急停按鈕，當出現緊急狀況，便于使所有設備緊急停止運行。同時PLC系統(tǒng)是一個獨立的控制系統(tǒng)，在正常運行時，若出現上位機和PLC發(fā)生通訊故障等情況，不會影響PLC執(zhí)行當前的工藝流程。

圖5 依次反洗程序設計

PLC系統(tǒng)程序的好壞決定了循環(huán)水過濾的質量。整個程序由若干個子程序模塊組成，包括初始化程序、手動控制程序、自動控制程序、通信處理程序、模擬量采集處理程序等。在OB1主程序中對這些子程序模塊進行組織和調用[5]。程序流程圖如圖6所示。

3.3 PLC程序設計

本系統(tǒng)PLC程序采用STEP7軟件進行編程，使用LAD語言進行功能實現。程序采用模塊化設計思想[4]，減少了開發(fā)周期，提高了開發(fā)效率。為了快速得到穩(wěn)定、準確的液位值，直接調用STEP軟件中的模擬量處理功能塊模塊FC105，可直接把模擬量轉化為液位值。

針對本工藝流程可通過上位機自由設定正洗時間和反洗時間；以設置反洗時間為例，程序如圖4所示，只需要通過上位機賦值變量MW216即可完成操作。

針對工藝流程中砂濾器A～D依次進行反洗流程，以A、B依次反洗為例，程序如圖5所示，可設置一個標志位M1.0，在A砂濾器結束反洗后，使標志位線圈置1。當B砂濾器正洗結束后，停止工作，等待標志位M1.0由常開

圖6 程序流程圖

4 上位機系統(tǒng)設計

為了實現上、下位機系統(tǒng)的信息交互，系統(tǒng)采用研華IPC-610L作為上位機主機。它采用奔騰處理器，500 G硬盤，1 G內存，配有網卡CP5611，運行Windows XP Pro?fessional操作系統(tǒng)，并裝有WinCC7.0和SQL Server 2005等軟件。采用WinCC7.0作為上位機監(jiān)控軟件，它是由Sie?mens公司開發(fā)的一種復雜的數據采集與監(jiān)控系統(tǒng)軟件[6]，通過它與PLC配合，能高效控制自動化過程，具有極強的系統(tǒng)穩(wěn)定性和開放性。

4.1 組態(tài)軟件設計

組態(tài)軟件通過工業(yè)以太網與PLC進行通信，具有可靠性高、靈活性好以及通信速率快等優(yōu)勢[7]。組態(tài)軟件設計過程包括以下步驟。

（1）創(chuàng)建新的項目，在變量管理器中添加PLC驅動程序并選擇通道單元TCP/IP，建立驅動程序的連接。

（2）定義PLC變量和組態(tài)變量。PLC變量需要變量地址，類型和PLC數據塊中的變量相一致，確保與上位機的對應關系；組態(tài)變量是組態(tài)程序的變量，可在上位機軟件中自由設定。

（3）功能畫面繪制和連接變量。采用組態(tài)系統(tǒng)自帶的元素、控件、圖形等進行畫面組合，并通過填充、表達式和腳本程序等方式實現畫面與變量的連接。

（4）測試功能完整性和可靠性。通過設置上位機和PLC中的IP進行相關通訊，測試上位機和下位機功能性和可靠性是否符合要求。

4.2 組態(tài)功能實現

圖7 組態(tài)總體結構圖

為了滿足組態(tài)監(jiān)控要求，對整個組態(tài)畫面進行設計，組態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)結構如圖7所示。參數設定畫面，可自由設置每個砂濾器的正常過濾，反洗時間和液位報警值的上下限；實時監(jiān)控畫面，可反映出設備當前狀態(tài)和工藝流程；手動測試畫面，可在此畫面手動測試設備，給設備的測試和檢修提供簡便的途徑；事件操作畫面，能夠準確地反映操作人員的操作記錄；系統(tǒng)報警畫面，提供發(fā)生報警設備的名稱和報警原因，為設備檢修提供了依據；趨勢畫面，能顯示實時液位曲線和歷史液位曲線，可與SQL Server 2005數據庫連接，實現數據的寫入和讀取，通過數據庫查表來查詢實時數據和歷史數據，并可使用打印機進行打印；用戶信息畫面，可設置瀏覽員、操作員和管理員三種用戶，進行修改用戶名和密碼操作[8]。

當上位機系統(tǒng)設置參數完畢并處于自動控制狀態(tài)時，點擊啟動運行按鈕，PLC系統(tǒng)進入自動控制程序，上位機系統(tǒng)進入實時監(jiān)控畫面，實時監(jiān)控畫面分信息欄和設備區(qū)上下兩部分。信息欄主要包含項目公司名稱，日期和時間，便于人們實時查看設備狀態(tài)。設備區(qū)主要模擬循環(huán)水系統(tǒng)工作流程，并顯示水泵，電磁閥的狀態(tài)和砂濾器液位大小。從設備區(qū)中還可以直觀地顯示目前所處的工藝流程及剩余的工作時間。這極大地提高了用戶管理效率，簡化并降低了設備操作復雜性。

5 結束語

采用基于PLC和組態(tài)的循環(huán)水旁濾監(jiān)控系統(tǒng)很好地完成了該項目的要求。自運行以來，系統(tǒng)一直處于高效、安全的運行狀態(tài)，控制效果和穩(wěn)定性也達到了預期的目標。實際運行驗證了系統(tǒng)設計的合理性和可靠性，有效地處理了循環(huán)水旁濾工藝流程。系統(tǒng)功能完善，操作簡單，維護方便，具有良好的推廣價值。