組態(tài)王及西門(mén)子PLC在廢水處理控制系統(tǒng)中的應(yīng)用探究

方澤文

（汕頭市大澤自動(dòng)化設(shè)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(chǎn)中產(chǎn)生的廢水，根據(jù)所含有害物質(zhì)不同，分別暫存于銅、鎳、鉻、氰各集水井中，再經(jīng)集水井提升泵送入調(diào)節(jié)池，廢水在調(diào)節(jié)池和反應(yīng)池中，根據(jù)需要加入PAC、PAM、酸、堿、還原劑等藥劑進(jìn)行處理后，進(jìn)入沉淀池進(jìn)行沉淀，分離出來(lái)的上清液進(jìn)入砂濾器和離子交換器中進(jìn)行過(guò)濾和離子交換，再進(jìn)入中和池進(jìn)行pH調(diào)節(jié)，水質(zhì)達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)后，匯入巴氏排放槽，流經(jīng)環(huán)保監(jiān)測(cè)管道進(jìn)行排放；沉淀池分離出來(lái)的污泥進(jìn)入污泥池中，經(jīng)氣動(dòng)隔膜泵送入壓濾機(jī)進(jìn)行固液分離，壓濾液泵回調(diào)節(jié)池再處理，固體廢泥則交由專(zhuān)業(yè)資質(zhì)單位進(jìn)行無(wú)害化處理。

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

考慮到設(shè)備運(yùn)行的連續(xù)性，每臺(tái)工藝設(shè)備均采用1用1備的工作方式，平時(shí)2臺(tái)設(shè)備互為備用，按設(shè)定時(shí)間輪換工作，避免單臺(tái)設(shè)備長(zhǎng)時(shí)間過(guò)負(fù)荷工作。當(dāng)其中1臺(tái)設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)，另1臺(tái)設(shè)備能自動(dòng)啟動(dòng)，同時(shí)發(fā)出聲光報(bào)警，提醒操作者及時(shí)進(jìn)行維修更換。

2 自動(dòng)控制系統(tǒng)組成

根據(jù)系統(tǒng)工藝控制要求及客戶(hù)的成本限制，從經(jīng)濟(jì)耐用、高性格比的思路出發(fā)，本控制系統(tǒng)由1套上位機(jī)組態(tài)系統(tǒng)、5臺(tái)PLC控制箱、2臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)觸摸屏組成。PLC沒(méi)有采用價(jià)格較高的西門(mén)子S7-1200系列，而是采用價(jià)位較低的S7-200 SMART系列，相應(yīng)的觸摸屏采用SmartLine系列，因?yàn)樯a(chǎn)環(huán)境可能存在一定的酸堿性物質(zhì)，交換機(jī)不采用廉價(jià)的家用交換機(jī)，而是采用臺(tái)灣MOXA品牌，考慮交換機(jī)無(wú)需網(wǎng)管功能，故采用非網(wǎng)管型EDS-108產(chǎn)品。現(xiàn)場(chǎng)配置17臺(tái)超聲波液位計(jì)，21臺(tái)pH/ORP（酸堿度/氧化還原電位）儀表。中控室采用1臺(tái)聯(lián)想商用電腦，1臺(tái)50吋4K高清顯示器，組態(tài)軟件使用北京亞控科技發(fā)展有限公司的組態(tài)王。

每臺(tái)控制箱均配置1臺(tái)西門(mén)子SMART LINE 10吋觸摸屏，為方便現(xiàn)場(chǎng)觀察和操作，在操作臺(tái)上，另外增設(shè)了2臺(tái)觸摸屏。觸摸屏與PLC采用以太網(wǎng)通訊方式，因而操作臺(tái)上的觸摸屏可以很方便地與5臺(tái)PLC進(jìn)行直接通訊，在操作臺(tái)的觸摸屏上就可查看和操作整個(gè)系統(tǒng)的各臺(tái)儀表和設(shè)備。

3 PLC控制箱之間的通訊

綜合考慮現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備通訊布線(xiàn)因素，上位機(jī)、PLC、觸摸屏之間采用2臺(tái)交換機(jī)進(jìn)行通訊。通訊架構(gòu)中，二樓控制箱定義為主站，其他控制箱為分站。由于不同設(shè)備之間的聯(lián)動(dòng)要求，PLC控制箱之間需要進(jìn)行數(shù)據(jù)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(shí)現(xiàn)5臺(tái)PLC之間的以太網(wǎng)快速通訊。在西門(mén)子PLC編程軟件STEP 7-Micro/WIN SMART中，點(diǎn)擊工具菜單中的“Get/Put”向?qū)?，逐步添加與各控制箱進(jìn)行讀寫(xiě)操作的數(shù)據(jù)區(qū)（見(jiàn)圖2），最后點(diǎn)“生成”按鈕，完成向?qū)?。在主站PLC中，規(guī)劃出1個(gè)300字節(jié)的區(qū)間作為“公用數(shù)據(jù)區(qū)”，用于儲(chǔ)存各分站的數(shù)據(jù)，各PLC分站可以在該數(shù)據(jù)區(qū)中獲取所需的控制數(shù)據(jù)。

在各PLC的程序中，設(shè)置了心跳生成與檢測(cè)的通訊程序（見(jiàn)圖3），每臺(tái)PLC有1個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)區(qū)生成變化的數(shù)據(jù)，其他PLC讀取該P(yáng)LC的數(shù)據(jù)區(qū)時(shí)，如果該數(shù)據(jù)區(qū)的數(shù)值一直沒(méi)有變化，即可判斷與該P(yáng)LC的通訊已經(jīng)中斷，從而發(fā)出報(bào)警提示和做出相應(yīng)的控制動(dòng)作，防止出現(xiàn)工藝處理事故。

4 液位檢測(cè)

本項(xiàng)目采用了17臺(tái)超聲波液位計(jì)對(duì)各個(gè)工藝水池進(jìn)行液位檢測(cè)，相對(duì)于浮球、干簧管、磁翻板或投入式壓力傳感器，超聲波液位計(jì)具有安全、清潔、精度高、壽命長(zhǎng)、穩(wěn)定可靠、安裝維護(hù)方便等特點(diǎn)，適用酸、堿、鹽、腐蝕、高溫等各種領(lǐng)域。另外，在整個(gè)廢水處理過(guò)程中，沒(méi)有泡沫或飄浮物的產(chǎn)生，因而選用超聲波液位計(jì)是非常合適的。

數(shù)據(jù)采集使用Modbus-RTU通訊輪詢(xún)的方式，由就近的3臺(tái)PLC進(jìn)行讀取，程序上，利用PLC內(nèi)置的庫(kù)文件（Modbus-RTU Master）對(duì)各液位計(jì)進(jìn)行輪詢(xún)。為提高RS-485線(xiàn)路的穩(wěn)定性，PLC的RS-485通訊口不是直接連接至液位計(jì)的RS-485通訊口，而是采用了RS-485通訊交換機(jī)進(jìn)行擴(kuò)容，使通訊交換機(jī)每個(gè)RS-485通訊終端口只連接1臺(tái)液位計(jì)，這樣，當(dāng)其中1臺(tái)液位計(jì)出現(xiàn)故障時(shí)，不會(huì)影響其他液位計(jì)的正常運(yùn)行，同時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)的電纜管線(xiàn)布置安裝較為方便，接線(xiàn)可靠性也大大提高。為防止干擾，通訊線(xiàn)路采用2芯屏蔽雙絞線(xiàn)。

5 現(xiàn)場(chǎng)儀表數(shù)據(jù)采集

21臺(tái)pH/ORP（酸堿度/氧化還原電位）儀表，由于工藝上對(duì)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性要求較高，信號(hào)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(xiàn)，以提高微弱信號(hào)傳輸?shù)目垢蓴_性能。由于現(xiàn)場(chǎng)設(shè)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(shù)值求平均的方式來(lái)獲得穩(wěn)定有效的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)。

在PLC程序處理上，pH儀表輸入的模擬量數(shù)值為整型數(shù)據(jù)（數(shù)值范圍5530-27648），經(jīng)過(guò)功能塊“S_ITR”處理，將模擬量的整型數(shù)據(jù)變成0.0~14.0之間的實(shí)數(shù)，通過(guò)在上位機(jī)調(diào)節(jié)“上限設(shè)置”和“上限設(shè)置”的數(shù)值，可以修正上位機(jī)的數(shù)值與現(xiàn)場(chǎng)儀表的數(shù)值趨于一致。

6 上位機(jī)組態(tài)控制

6.1 上位機(jī)系統(tǒng)組成

為降低成本，沒(méi)有使用專(zhuān)業(yè)的工控機(jī)，而是采用了1臺(tái)聯(lián)想商用電腦；顯示器采用1臺(tái)50吋的4K高清電視，1臺(tái)UPS作為短時(shí)后備電源。

使用組態(tài)王作為中控室的上位機(jī)軟件，上位機(jī)與各PLC之間通過(guò)以太網(wǎng)進(jìn)行通訊。50吋的高分辨率顯示器，可以將所有設(shè)備的工作狀態(tài)顯示在管理人員面前。系統(tǒng)組態(tài)畫(huà)面，如圖4所示。

圖4 模擬量數(shù)值的轉(zhuǎn)換

圖5 上位機(jī)組態(tài)畫(huà)面

6.2 組態(tài)王與PLC的通訊問(wèn)題

組態(tài)王與多臺(tái)S7-200 SMART進(jìn)行以太網(wǎng)通訊時(shí)，需在Program FileskingviewDRIVER文件夾中，對(duì)其中的“kvS7200.ini”文件進(jìn)行修改如下：

6.3 結(jié)構(gòu)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(shè)備，因而，采用結(jié)構(gòu)變量能高效率地處理這些相似的工作。以液位計(jì)控制水泵啟停為例，創(chuàng)建“超聲液位計(jì)”結(jié)構(gòu)變量，加入“停泵液位”“啟泵液位”“報(bào)警液位”等多個(gè)成員。結(jié)構(gòu)變量創(chuàng)建完成后，在后續(xù)的程序編制中，就可以很方便地多次調(diào)用這個(gè)結(jié)構(gòu)變量來(lái)控制不同的工藝池水泵，達(dá)到縮短程序開(kāi)發(fā)時(shí)間的目的。

圖6 結(jié)構(gòu)變量的使用

6.4 運(yùn)行數(shù)據(jù)在SQL數(shù)據(jù)庫(kù)中的儲(chǔ)存與調(diào)用

利用軟件中的功能庫(kù)及相應(yīng)控件，設(shè)置了設(shè)備的運(yùn)行記錄表。根據(jù)查詢(xún)條件不同，可以生成各種條件下的報(bào)表、查詢(xún)各設(shè)備的運(yùn)行及故障記錄、顯示模擬量數(shù)據(jù)的運(yùn)行曲線(xiàn)。運(yùn)行數(shù)據(jù)儲(chǔ)存于SQL數(shù)據(jù)庫(kù)中，硬盤(pán)的容量為1TB，運(yùn)行記錄可儲(chǔ)存50年以上。

SQL數(shù)據(jù)庫(kù)應(yīng)用中，首先創(chuàng)立數(shù)據(jù)源及數(shù)據(jù)庫(kù)；SQL訪(fǎng)問(wèn)管理器用來(lái)建立數(shù)據(jù)庫(kù)字段和組態(tài)王變量之間的聯(lián)系，通過(guò)表格模板在數(shù)據(jù)庫(kù)表中建立相應(yīng)的表格；通過(guò)記錄體建立數(shù)據(jù)庫(kù)字段和組態(tài)王之間的聯(lián)系。

使用“SQLInsert”命令插入記錄，使用“SQLSelect”命令查詢(xún)記錄，利用“KVADODBGrid Class”控件可方便地實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫(kù)查詢(xún)工作。

7 系統(tǒng)安裝與調(diào)試

7.1 液位計(jì)安裝調(diào)試

超聲波液位計(jì)在安裝時(shí)，應(yīng)注意儀表距離最高液面的距離應(yīng)大于盲區(qū)的高度，盲區(qū)指儀表在探頭附近無(wú)法測(cè)量的區(qū)域，最高液位與探頭間距應(yīng)大于盲區(qū)；探頭發(fā)波是個(gè)擴(kuò)散過(guò)程，即有方向角，在方向角的范圍內(nèi)，不能出現(xiàn)池壁、結(jié)構(gòu)件、管路或設(shè)備。本項(xiàng)目設(shè)計(jì)的液位計(jì)垂直安裝位置比最高液面高出0.6m，能滿(mǎn)足盲區(qū)要求；水平位置距離池壁1m，液位計(jì)下方至液面之間未有雜物存在，這些設(shè)計(jì)措施，能保證液位計(jì)的工作環(huán)境符合預(yù)定要求。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工藝水池的液面高度，在超聲波液位計(jì)通電后，進(jìn)入設(shè)置菜單，調(diào)整當(dāng)前液位顯示數(shù)值，使其與實(shí)際液面高度一致。

設(shè)置各液位計(jì)的通訊地址、波特率、數(shù)據(jù)位、停止位、校驗(yàn)方式與PLC程序中的通訊地址和通訊方式一致，為減少調(diào)試工作量，采用液位計(jì)默認(rèn)的9600，8，N，1的通訊參數(shù)設(shè)置，每臺(tái)液位計(jì)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(diào)試

pH/ORP儀表，安裝于需實(shí)時(shí)測(cè)量數(shù)值的工藝水池旁邊，連接傳感器傳導(dǎo)測(cè)量信號(hào)的線(xiàn)纜不能與高壓高頻線(xiàn)混合布線(xiàn)，儀表在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行可靠接地，傳感器至儀表的引線(xiàn)，中間不應(yīng)有接頭，以免影響測(cè)量精度和使用的穩(wěn)定性。幾臺(tái)儀表集中安裝于1個(gè)現(xiàn)場(chǎng)小儀表箱里，再通過(guò)屏蔽電纜將儀表輸出信號(hào)引至PLC控制箱。

標(biāo)定：pH傳感器是1種電化學(xué)傳感器，它的靈敏度隨時(shí)間和被測(cè)介質(zhì)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(cè)量數(shù)據(jù)保持準(zhǔn)確，需要經(jīng)常地對(duì)儀表的傳感器斜率進(jìn)行標(biāo)定，標(biāo)定的周期由被測(cè)介質(zhì)對(duì)于傳感器的影響程度所決定。

使用前需進(jìn)行測(cè)量值的校準(zhǔn)，按儀表的說(shuō)明正確配制緩沖液，進(jìn)入儀表的標(biāo)定界面，對(duì)儀表的測(cè)量值進(jìn)行修正，使儀表讀數(shù)與緩沖液pH值一致。

8 結(jié)語(yǔ)

本控制系統(tǒng)自2016年投入使用至今，經(jīng)過(guò)幾年來(lái)的全天候免維修持續(xù)運(yùn)行，證明其運(yùn)行的穩(wěn)定性與可靠性，達(dá)到了減少人工、節(jié)約成本、避免出錯(cuò)的目的。

以 組 態(tài) 王、 西 門(mén) 子S7-200 SMART小 型PLC、SmartLine觸摸屏為控制核心的控制系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)工藝要求進(jìn)行仔細(xì)規(guī)劃、認(rèn)真設(shè)計(jì)，再加上現(xiàn)場(chǎng)安裝調(diào)試的細(xì)致周到，可以實(shí)現(xiàn)在這種中型控制系統(tǒng)中的長(zhǎng)期穩(wěn)定控制，在技術(shù)要求與成本控制上，均可達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。