Wincc及PLC在工業(yè)除鹽水工程自動控制的應用

[摘 要]從硬件設計和軟件開發(fā)兩部分探討西門子Wincc及PLC在工業(yè)除鹽水工程自動控制的應用，分析工業(yè)除鹽水（工業(yè)回用水）工藝生產特點，結合控制說明設計了一套完整的控制系統(tǒng)。通過自動化設備的精確控制，工作效率得到了顯著提升，同時處理質量也更加穩(wěn)定可靠。系統(tǒng)的實時監(jiān)控功能準確地掌握處理過程中各項數據和狀態(tài)，為操作人員提供了極大便利，從而可做出更加科學的決策。

[關鍵詞]工業(yè)除鹽水；控制系統(tǒng)；Wincc；PLC；博圖

[中圖分類號]TP273 [文獻標志碼]A [文章編號]2095–6487（2024）06–0015–05

Application of Automatic Control in Industrial Demineralized Water Engineering Based on Wincc and PLC

YANG Zeyou

[Abstract]This paper discusses the application of Siemens Wincc and PLC in the automatic control of industrial debrine engineering from two parts： hardware design and software development， analyzes the production characteristics of industrial debrine（industrial water reuse） process， and designs a complete control system combined with control instructions. Through the precise control of the automation equipment， the work efficiency is significantly improved， while the processing quality is more stable and reliable. The real-time monitoring function of the system can accurately grasp the data and status of the processing process， which provides great convenience for the operator， so that more scientific decisions can be made.

[Keywords]industrial demineralized water； control system； Wincc； PLC； Botou

1 工業(yè)除鹽水功能配置

1.1 工藝流程

工業(yè)除鹽水系統(tǒng)涵蓋多個關鍵組成部分，包括：①原水池。用于儲存未經處理的原水。原水可能包含各種雜質、顆粒物和溶解物，需要進一步處理。②提升泵房。通過水泵將原水從原水池提升到后續(xù)的處理系統(tǒng)中。這是因為后續(xù)的處理設備通常需要在一定的水壓下進行工作。③多介質系統(tǒng)。其為一種過濾系統(tǒng)，通過多層不同材質的介質（如砂、礫石、活性炭等）去除原水中的懸浮物、顆粒物及某些有機物。④超濾系統(tǒng)。其采用膜分離技術，用于去除水中的大分子有機物、膠體、微生物等。超濾膜的孔徑較小，可有效截留這些雜質。⑤反滲透系統(tǒng)。反滲透是除鹽水系統(tǒng)中的核心技術之一，其利用半透膜的原理，在高壓下使水分子通過膜而阻止溶解鹽和其他雜質通過，從而得到高純度的水。⑥混床系統(tǒng)。混床通常指離子交換床，其中混合了陽離子交換樹脂和陰離子交換樹脂。通過離子交換，混床可進一步去除水中的離子態(tài)雜質，提高水質。⑦加藥系統(tǒng)。該系統(tǒng)用于向水中加入特定的化學藥劑，以調節(jié)水的pH值，抑制微生物生長或去除特定雜質。加藥是確保水質穩(wěn)定和延長處理設備使用壽命的重要措施。

根據上述情況，設計了工業(yè)除鹽水整體工藝流程，確保了原水經過逐步處理后，最終得到符合工業(yè)應用要求的高純度除鹽水。工業(yè)除鹽水整體工藝流程圖示意如圖1所示。

1.2 控制系統(tǒng)結構

選用西門子S7-1500PLC及4個遠程站ET200SPPN與成套設備自帶的S7-1200PLC組成控制系統(tǒng)，上位機選用Wincc作為組態(tài)監(jiān)控軟件。PLC控制系統(tǒng)與Wincc的結合，實現(xiàn)了控制技術的深度整合與應用。PLC具有強大的邏輯控制、數據處理、通信功能等，其能夠根據組態(tài)好的程序，對生產過程中的各種設備進行精確的控制和調節(jié)，確保生產過程的穩(wěn)定性和高效性。而Wincc上位機系統(tǒng)，作為西門子的人機界面軟件，為PLC控制系統(tǒng)提供了直觀、友好的操作界面。操作人員可通過Wincc實時監(jiān)控設備的生產數據、運行狀態(tài)及報警信息，從而實現(xiàn)對整個生產過程的全面掌控。同時，Wincc還支持多種數據采集和處理方法，包括數據庫、文件記錄和報表生成等，為生產過程的優(yōu)化和改進提供了有力支持。工業(yè)除鹽水自控系統(tǒng)結構如圖2所示。

1.3 低壓控制柜電氣原理

低壓控制柜及其電氣原理圖是電氣系統(tǒng)中的重要部分。其中，動力柜通常包含電源進線、斷路器、保護裝置（電機綜保、變頻器）、接觸器、繼電器等元件，用于實現(xiàn)對電機設備的供電和控制。通過電氣原理圖，可清晰地看到各元件間的連接關系和控制邏輯，這對于系統(tǒng)的安裝、調試和維護都非常重要。

2 PLC系統(tǒng)設計

2.1 PLC系統(tǒng)組態(tài)

選用1臺S7-1515PLC加4個ET200SP遠程站的模式組成PLC核心控制系統(tǒng)。上位機安裝博圖V15.1編程軟件，打開軟件，新建一個項目，設置項目名稱、路徑和版本控制等參數；在項目中添加所需的硬件組件，如ET200SP（遠程站通訊模塊）、IO模塊等。配置硬件的屬性和參數，如地址、通信協(xié)議等。使用博途集成的編程環(huán)境（如SCL、STL、LAD等）編寫PLC的程序邏輯，本項目使用LAD語言編程。編寫函數塊、數據塊等，定義變量、常量和程序結構。在仿真模式下運行程序，檢查邏輯是否正確，使用調試工具對程序進行單步跟蹤、變量監(jiān)視等，在實際硬件上進行測試，驗證程序的可靠性和穩(wěn)定性，建立硬件之間的連接，完成所有設備編程下載至CPU，程序循環(huán)掃描過程如圖3所示。

2.2 PLC主站系統(tǒng)設計

PLC主站系統(tǒng)中的低壓控制柜內電機綜合保護器、變頻器、電能表等數據采用Modbus-585通訊方式接入PLC系統(tǒng)中的Modbus模塊，CPU程序處理后至中控室上位機顯示。CPU與總廠計算機系統(tǒng)通訊，將數據發(fā)送至總控用于生產數據分析。

PLC主站還負責對提升泵房、過濾器、超濾系統(tǒng)、反滲透系統(tǒng)、混床系統(tǒng)、加藥系統(tǒng)等生產工藝環(huán)節(jié)的控制，包括對所有儀器儀表進行數據采集等。

2.3 遠程站系統(tǒng)設計

1號遠程站主要用于收集多介質過濾器系統(tǒng)的氣動閥、液位、壓力、流量等設備的IO信號，經ET200SP通訊模塊將IO信號傳輸至主站，同時接收主站發(fā)開的啟停設備信號。

2號遠程站主要用于收集多超濾系統(tǒng)的氣動閥、液位、壓力、流量、PH等設備的IO信號。

3號遠程站主要用于收集反滲透及混床系統(tǒng)的高壓泵、氣動閥、液位、壓力、流量、PH、電導率、電阻率等設備的IO信號。

4號遠程站主要用于收集加藥系統(tǒng)的加藥泵、氣動閥、液位、等設備的IO信號。

2.4 多介質過濾器的控制

多介質過濾器與原水池超聲波液位計、多介質過濾器產水池超聲波液位計、提升泵房提升泵、反洗泵有聯(lián)動關系。當PLC檢測到原水池液位大于設定的中液位及多介質過濾器產水池低于低液位時，控制系統(tǒng)依次開啟多介質過濾器出水閥、進水閥、開啟提升泵、排氣閥（30 s后關閉排氣閥），過濾器投運完畢；當PLC檢測到原水池液位低于設定的低液位或多介質過濾器產水池高于高液位時，停提升泵、關過濾器。

多介質過濾器累計運行24 h（可調）后需進行一次常規(guī)反洗。多介質過濾器控制方式流程如圖4所示。

當多套過濾器同時運行時（如4用1備），其中一臺過濾器反洗條件達到，進入反洗程序時，備用過濾器自動投入運行，并依次輪換，始終保持至少5臺處于運行，確保產水量，反沖洗后的過濾器進入備用狀態(tài)。當運行的提升泵發(fā)生故障時，備用提升泵（處于自動狀態(tài)）自動投入運行，故障信號發(fā)送至PLC控制站，中央控制室上位機操作界面彈出報警提示窗口及語音報警信號，提示操作人員及時處理。

2.5 超濾設備的控制

一般超濾主機含6個氣動閥，分別是進水閥、產水閥、反洗進水閥、反洗上排閥、反洗下排閥、進氣氣動閥；電機包含供水泵、反洗泵、加酸計量泵、加堿計量泵；儀表包含流量計、壓力變送器、PH儀等。超濾工作模式分為制水、常規(guī)反洗、維護性清洗（加酸或家堿洗），控制邏輯如圖5所示。

（1）超濾制水程序。設計4套超濾設備，工作臺套數根據后續(xù)水處理設備的用水量情況，可全部開啟4套超濾。超濾設備運行與停運閥門開啟順序如下：當超濾產水池到達中液位后，開啟超濾產水閥、進水閥（5 s），開啟供水泵，超濾投運完畢。當超濾產水池到達高液位或收到停運信號后，同時關閉供水泵、超濾產水閥、超濾進水閥，超濾停運完畢。多套設備投運與停運的閥門開啟順序與單套開啟的程序相同。

（2）超濾常規(guī)反洗程序。當1套超濾裝置運行完成一個過濾周期后，則按順序依次進行自動沖洗，同時按順序啟動另外1套備用的超濾系統(tǒng)，自動沖洗的超濾系統(tǒng)清洗完成后進入備用狀態(tài)。如果4套超濾裝置同時運行，當其中1套或多套超濾裝置運行完成一個過濾周期后，則按到達順序依次進行反洗，反洗結束后投入運行。超濾裝置每運行一個周期（30～60 min）后，都要進行一次常規(guī)反洗，常規(guī)反洗包括反洗、氣洗、正洗。

（3）超濾化學反洗程序。每套超濾運行一段時間后，超濾膜會出現(xiàn)物堵，維護性清洗通常在反洗水中加入化學藥劑以提高反洗效率。每套超濾裝置都有加藥反洗的設定，計數單位為過濾周期。超濾化學反洗程序控制邏輯見表1。

2.6 反滲透裝置的控制

反滲透裝置由設備內反滲透膜、增壓泵、高壓泵、氣動閥、儀表等組成。自動運行根據反滲透裝置設置的參數先啟動增壓泵，當高壓泵前壓力高于0.2 MPa（可調）后，啟動高壓泵，相應的加藥設備自動投入運行。反滲透產水池達到H液位后（5 m，可調），正在運行的所有反滲透裝置相關設備全部停運，即增壓泵、高壓泵、相關的加藥設備全部停止運行。

（1）定時濃水大流量排放。反滲透進入正常運行后，除正常連續(xù)排濃外，每隔40 min，反滲透裝置濃水排放氣動閥打開一次，濃水大流量排放1～2 min（暫定2min，可調）。

（2）停運淡水沖洗。反滲透裝置停運后（10 s），沖洗泵啟動，沖洗進水氣動閥、濃水排放氣動閥同時開啟。使用反滲透產品水對反滲透膜組件自動沖洗5min（可調），以避免濃水中的高濃度鹽類在膜表面沉積結垢而影響膜的性能。5 min后自動停止沖洗，進入備用狀態(tài)。如多套反滲透裝置均需進行淡水沖洗，則依次進行。反滲透系統(tǒng)制水及淡水沖洗控制方式流程如圖6所示。

2.7 混床設備的控制

混合離子交換器依照自動程序運行。根據生產需要可單臺運行，也可4套同時運行。程序運行及停機信號受除鹽水箱液位控制?；齑蚕到y(tǒng)制水及再生控制方式流程如圖7所示。當除鹽水箱M液位時（1.5 m，可調），系統(tǒng)根據設定的臺數自動啟動混床供水泵及相關的氣動閥門，同時在線儀表將信號上傳，可就地觀測、記錄數據。當除鹽水箱H液位（5.5 m，可調）時，系統(tǒng)自動停止混床供水泵及相關氣動閥門，混床制水停止。當混床出水連續(xù)10 min電阻率小于5 MΩ？cm時，設備自動停止運行，啟動再生程序并報警。

3 Wincc組態(tài)及畫面開發(fā)

根據工藝PID流程圖、PLC系統(tǒng)的IO表、博圖編寫的PLC程序及組態(tài)的相關信息等數據，完成Wincc組態(tài)，主要包括以下幾個步驟：①打開Wincc軟件并新建一個項目，設置項目名稱、存儲路徑等相關信息；②在項目的左側，右鍵打開變量管理器，在變量管理器中添加驅動程序（SIMATIC S7 1500，本項目選擇）；③新建連接，并在新連接上設置連接參數，例如，PLC的IP地址，訪問點名稱等需要在對話框中設置相應的參數，并新建變量，這些變量將對應PLC中的特定地址；④在項目管理器中新建畫面，畫面名稱可根據需要進行修改，在新建的畫面中，可插入各種元素，如I/O域，用于顯示或修改變量的值，同時，也可插入控件，如Wincc 報警控件、報表控件等，用于直觀地查看電機的速度等參數；⑤在建立連接后，需要設置連接系統(tǒng)參數，確保在【訪問點】的邏輯設備名稱與設置PG/PC接口里的接入訪問點一致，若PG/PC中沒有該接入訪問點，則需要新建一個。

完成上述所有步驟后，可激活運行系統(tǒng)。若通訊成功，那么在畫面中的I/O域將能夠顯示對應變量的實時值。項目激活后，可診斷連接狀態(tài)，出現(xiàn)綠鉤，則表示連接正常。

4 結束語

文章通過使用1500PLC、博圖編程軟件及Wincc軟件，成功組建了一套高效的除鹽水控制系統(tǒng)。通過合理的硬件配置和軟件設計，確保了系統(tǒng)能夠長時間穩(wěn)定運行，并具備較高的容錯能力。同時，還預留了足夠的擴展接口和功能模塊，以便在未來根據實際需求進行系統(tǒng)的升級和擴展。在實際應用中，該除鹽水控制系統(tǒng)表現(xiàn)出了優(yōu)異的性能。

參考文獻

[1] 崔堅.SIMATIC S7-1500與TIA博途軟件使用指南[M].北京：機械工業(yè)出版社，2020.