自来水厂PLC控制系统设计.docx
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自来水厂PLC控制系统设计
摘要
供水是一个关系国计民生的重要产业，随着我国改善人民生活条件、建设小康社会及提高劳动生产水平等目标的实现，对自来水水质的要求也越来越高。
水处理厂计算机自动化控制系统是保证安全、连续、优质供水的措施。
本文通过分析国内外已建水厂自动化控制系统的现状，结合工艺设备智能化的发展趋势，以及我国中小型水厂现状，设计了一套以PLCS7-200作为控制器的自来水自动控制系统，该系统能实时监测水质、取水流量、pH值、管网压力，监控厂区安全，自动控制投矾、加氯，还能自动存储历史数据。
此系统不仅能降低能耗、节约成本、减少维修维护工作强度、提高管理水平、确保供水质量，还能推进我国给水工艺的发展，对减小与先进水平的差距都具有现实意义。
通过运行情况表明，该系统功能齐全，性能稳定可靠，具有较强的实用性和推广价值。
关键词：
PLC；自动化控制系统；上位机监控系统
1.引言………………………………………………………………1
1.1本课题的研究背景和意义 ………………………………………………1
1.2国内外水厂自动控制的现状 ……………………………………………1
1.3本课题的主要研究的内容 ………………………………………………2
1.4系统及仪器仪表说明………………………………………………3
2.PLC的概况及结构图………………………………………………6
2.1PLC的简介…………………………………………………………………6
2.2PLC的工作原理……………………………………………………………6
2.2.1自诊断测试扫描过程…………………………………………………6
2.2.2与网络进行通信的扫描过程…………………………………………6
2.2.3用户程序扫描过程……………………………………………………6
2.2.4读输入、写输出扫描过程…………………………………………6
2.3PLC的结构图及其各部分的功能……………………………………………7
2.3.1中央处理单元…………………………………………………………7
2.3.2存储器………………………………………………………………7
2.3.3输入单元……………………………………………………………7
2.3.4输出单元……………………………………………………………7
2.3.5电源…………………………………………………………………7
3.MCGS工控组态软件……………………………………………8
3.1MCGS组态软件简介…………………………………………………………8
3.2运用MCGS组态软件建立运行程序的过程…………………………………9
4.PLC控制系统设计…………………………………………………12
4.1PLC程序设计的步骤…………………………………………………………12
4.2S7-200PLC选型……………………………………………………………13
4.3控制过程设计……………………………………………………………14
4.3.1PLC控制自动加矾…………………………………………………14
4.3.2PLC控制自动加氯…………………………………………………14
4.3.3工控制单元………………………………………………………14
4.4PLC编程……………………………………………………………………14
4.4.1PLC控制系统工作流程………………………………………………14
4.4.2西门子S7-200型PLC控制I/O分配表及中间变量分配表…………15
4.4.3西门子S7-200型PLC控制梯形图…………………………………16
4.5程序调试……………………………………………………………………20
5.总结与展望…………………………………………………………24
参考文献………………………………………………………………25
致谢……………………………………………………………………26
自来水厂PLC控制系统设计
1.引言
1.1本课题的研究背景和意义
随着经济社会的发展，水对人民的生活与生产的影响日益突出，人们对供水的质量与安全可靠性的要求不断提高，同时也更加重视降低供水系统的能耗。
加强供水系统工况的监测是一项重要而有效的节水降耗措施，因此加强水处理厂的各个工艺环节的自动监测与控制具有重要意义。
我国城镇供水在改革开放的二十几年中得到了大发展与大提高。
卫生部公布的《第三次国家卫生服务调查主要结果》显示，我国城市自来水普及率达到96％，农村自来水普及率为34％。
因为我国总体上是一个水资源匮乏的国家，所以在发展供水事业的同时也要考虑节约用水，提高水资源利用率，特别是目前我国的城镇供水在水质处理、工艺设施和管网建设上，与发达国家相比还有一定差距，因此有必要提高城镇水厂的自动化程度。
水厂自动化的主要目的不仅是节省劳动力，更主要的是实现可靠、优质、高效的供水保证。
生产过程的自动检测、调整、控制和事故报警可保证设备在规定状态下运行，防范事故于未然，实现不间断的可靠供水；投药、过滤、消毒等工艺过程实施闭环控制，可以随着水量、水质的变化及时调整工艺参数，保证出水水质达标；出厂水压自动调整，能保证稳定的服务水压，减少爆管和漏失水量；生产过程的优化运行可以大大减少水、气、电和各种药剂的浪费，达到低耗高效。
县镇水厂不同于大中型水厂，其供水规模较小、占地面积较小、日变化系数和时变化系数均较大，水厂技术力量较薄弱、管理水平较低、财力较为紧张等，这就决定了设计思路有别于大中型水厂，但又因其覆盖面广、数量众多，所以中、小型自来水厂的自动化控制系统研究有着广泛的前景。
依靠现代化技术手段对生产过程进行控制和管理，提高设备的运行效率和可靠性，节省宝贵的水、电资源，是技术发展的必然趋势[1]。
1.2国内外水厂自动控制的现状
随着电子信息技术、计算机技术以及光电技术等相关学科的飞速发展，近10年来工业自动化在各个方面都发生了许多变化，包括自动化感应部件、各种检测传感器、变送器、各种间接测量设备、各种执行机构等等底层设备，以及自动回路调节器、自动控制单元、各种大中小型装置控制系统乃至综合优化调度与协调系统和企业综合管理信息系统等。
有关控制系统的研究与应用也一直是现代工业生产中的重点工作之一，并且在控制理论和自动控制系统水平方面都发生了极大的变化。
现代水处理厂采用计算机控制技术日益普遍。
欧美国家一些地方水处理厂已经用计算机进行数据记录和运行过程控制，甚至实现全自动化无人值守控制模式。
如美国爱荷华水厂，在七十年代初开始研究微机自动控制水厂投加药剂，1975年应用直接数字式计算机控制自动加矾，运转一年就降低矾耗20%，并且提高了管理水平和稳定了水质。
此外，俄罗斯的莫斯科水厂、日本东京朝霞水厂等也先后采用计算机自动控制系统进行控制。
在厂区范围内设有若干台现场计算机，对整个水处理过程实现多环路控制，其中包括沉淀、过滤和反冲洗、化学药剂投放等。
设在中心控制室内的计算机主机从各个现场计算机中搜集数据，并入提供图表显示、曲线、各个设备动作记录[2]。
我国水处理行业采用自动控制系统起步较晚，七十年代才开始采用集中巡检，在检测设备与监视设备方面与国外有较大的差距。
随着计算机技术，信息技术和自动控制技术的飞速发展，近年来我国从国外引进了一些先进设备和先进的处理工艺，国内的水处理自动控制水平有了较快发展。
由于历史现实的原因，我国水厂自动化的总体发展水平还不高，发展也不平衡。
大中城市的水厂特别是发达地区的大型水厂，自动化程度较高，而小城市和城镇的水厂特别是落后地区的小型水厂，自动化程度较低，甚至还是空白。
而且，在一些已实现自动化的水厂中，虽然其自动化系统和设备与其它行业如化工、电力等相比不差甚至更先进，但是，其功能并未充分发挥出来。
有的自控系统从未运行过，一直处于闲置状态；有的运行一段时间后变为了手动，甚至处于瘫痪状态，造成了自动化系统和设备的极大浪费[3]。
1.3本课题的主要研究的内容
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。
针对以上要求，本系统设计遵循的原则如下：
先进性：
系统的总体设计结构、软硬件选型、通信手段、开发方式，均应采用已被广泛长期应用和考验、实践证明属先进性的产品和方法，保证系统在建设投运以后在较长时间内具有“技术先进”的生命力。
开放性：
选用符合国际标准的硬件设备和软件平台，便于二次开发和系统扩展升级。
应用软件设计开发要组态方便，相关系统中留有相应的软件接口，使各类型数据得到很好的共享，便于进一步扩展。
做到总体规划、统一标准，系统开放、信息共享，保证前期投资的有效性和后续投资的连续性。
经济实用性：
系统建设要满足工艺要求，切合生产管理的实际情况，并为用户今后的使用、维护及扩展升级考虑，具有高性价比。
应根据工艺设备的控制条件、控制频率和控制重要性等因素框定控制范围，避免过分追求控制范围的扩大化，提高系统的实用性和经济性。
可靠性：
考虑系统的抗干扰和防雷问题；采用冗余热备份技术，提高系统可靠性；考虑系统的网络安全性，使系统具有一定的抗入侵能力[4]。
根据以上原则，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。
PLC实时监测上述9路输入的信号，并把信号传给工控机，通过组态软件实时显示、报警、控制操作和实现数据管理。
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，最终控制加矾、加氯。
1.4系统及仪器仪表说明
本系统包括中控室、取水井、加矾加氯间、反应池、过滤池、清水池、送水泵房、管网等各环节组成，各子系统由PLC站控制，中控室有2台分别用于生产管理与监控的算机，中控计算机可实时显示各PLC单元控制的仪表、机电、加矾、加氯设备和滤池在内的工作情况，可对系统的所有设备进行远程操作和控制。
PLC接收流量、浊度、压力无线远传信号，控制加氯、加矾量；管理计算机用于显示、存储视频信号，以便于管理。
图1.1是水厂自动化控制系统总体结构图。
本设计将以此为蓝本，结合农村中大型自来水厂的具体情况及客户要求，设计出最合适的方案：
整个系统分为三部分：
水质监测系统、视频监控系统、管网压力无线远传系统。
水质监测系统主要由信息采集、信息分析、信息管理与反馈三部分组成。
其中信息采集部分由流量检测仪、浊度检测仪、余氯分析仪、pH检测仪、压力变送器组成；信息分析部分由PLC可编程控制器组成；信息管理与反馈部分由组态软件MCGS、工控机组成。
视频监控系统由前端摄像、信号传输、图像处理、显示和记录四部分组成。
前端摄像：
负责摄取现场的画面并将图像信号转变为可传输的电信号，包括摄像机、镜头、防护罩、支架等；信号传输：
用于传送现场的视频信号，包括解码器、视频电缆、图像采集卡等；图像处理：
集中接收和处理现场发送回来的各种信号，并进行相应的控制和管理工作；显示和记录：
将前端设备传回的视频信号转化为图像信号并显示和记录，主要包括显示器和大容量硬盘两部分。
管网压力无线远传系统主要由数据采集设备、数据传输设备、数据接收设备三大部分组成。
数据采集设备是压力变送器；数据传输设备是无线网络转换器；数据接收设备是对接收到的数据进行存储和管理，将实时数据和历史数据传送给电脑软件系统。
仪器仪表的分布主要设置在三个地段：
取水口处检测水源各项指标，保证最快地决策投矾量，避免由于延迟带来的投矾量误差；滤池后检测的各项指标起到反馈调节的作用，自动微调投矾加氯量，使整个系统成为一个闭环调节系统，保证实现最佳控制；在自来水出厂之前再对所有指标做一次检测，一方面这个数据上报管理机构存档，可以直接打印报表，另一方面是为防止特殊环境下清水池污染等突发事件发生时可以及时报警。
2.PLC的概况及结构图
2.1PLC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[6]。
本设计使用梯形图语言编程。
2.2PLC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：
2.2.1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。
2.2.2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。
2.2.3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。
2.2.4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。
2.3PLC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
2.3.1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。
2.3.2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。
2.3.3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。
2.3.4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。
2.3.5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]。
３.MCGS工控组态软件
３.1MCGS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[8]。
系统整体框图如图3.2所示。
图3.2MCGS系统整体框图
3.2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[9]。
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[10]。
４.PLC控制系统设计
４.1PLC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[11]。
4.2S7-200PLC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
4.3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。
4.3.1PLC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。
4.3.2PLC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。
4.3.3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
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