PLC与压力变送器在滤池中的改造中的应用.docx
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PLC与压力变送器在滤池中的改造中的应用
PLC与压力变送器在滤池改造的应用
目录
摘要1
前言1
一滤池出现滤干或溢流的主要原因1
1、进出水阀门的开度大小1
2、水泵流量的大小1
3、滤池的滤料所含的杂质2
二设计方案选择与论证2
1、设计方案选择2
2、方案分析比较2
三滤池控制系统设计的技术要求3
1、本次改造是的内容3
2、本次改造要达到的目标3
四滤池控制系统设计3
1、滤池的构造及组成3
2、滤池恒水位过滤的工作原理4
3、滤池控制系统硬件设计5
4、系统元件和设备的选用8
五滤池控制系统软件设计10
1、系统控制要求10
2、I/O端口分配11
3、I/O端口控制接线图12
4、出水调节阀控制接线图13
5、PLC参考程序流程图13
6、参考程序设计16
六滤池控制系统的调试、安装16
七滤池控制系统的运行分析18
结束语19
参考文献及资料20
附录121
附录222
PLC与压力变送器在滤池改造的应用
摘要
本文主要介绍PLC和压力变送器在滤池改造中的应用，其中包括系统的工作原理的介绍和对系统软硬件设计的介绍以及对系统调试及操作方法的介绍，并给出了系统运行中的正常工作参数及电路图，对滤池进行技术改造，实现了恒水位过滤的目的，提高系统的可靠性和自动化程度。
关键词：
PLC、压力变送器、恒水位、滤池改造
前言
作为深圳市龙岗区水务局的下属单位，沙湾水厂承担着布吉等地区近100万平方米、100万人口的供水重任，城市供水是人民生活和生产建设不可缺少的物质条件，也是城市国民经济发展的重要基础之一。
沙湾水厂筹建于1990年11月，安装设备和技术都比较落后，滤池的出水阀门用电动阀来控制，阀门开度的大小完全凭操作人员的工作经验进行调节，经常会出现滤池滤速过快见到底或者滤池滤速过慢造成水位过高而溢流，造成不必要的水资源浪费。
滤池出水阀门需要比较频繁调节，经常会出现阀门失灵、过位以及损坏等现象，加上设备陈旧故障率会更高，从而增加了维修工作量及维修费用，费时费力。
综上所述，为了节约能源和人力、物力需要对滤池系统进行技术改造，我利用在技师学院培训中心学习的知识，利用PLC和压力变送器等设备实现了沙湾水厂滤池的恒水位过滤，提高了自动化程度，有效的降低了维修费用，减轻了操作人员的劳动强度。
一滤池出现滤干或溢流的主要原因
1、进出水阀门的开度大小
进水阀门开度比出水阀门开度要大，滤池会出现溢流；出水阀门开度比进水阀门开度大，滤池则出现滤干。
2、水泵流量的大小
水泵的流量不是恒定不变的，受多方面因数的影响（如电压、转速）加上根据用户用水量需求的变化，需要多开或少开一台水泵，因此即使操作人员将进出水阀门调节平衡，但因流量的变化也会出现滤干或溢流。
3、滤池的滤料所含的杂质
比如操作人员将进出水阀门调节平衡，水泵的流量也基本保持不变，但由于水中的杂质附在滤料中形成堵塞而出现溢流。
根据上述的原因解决方法是可使滤池恒水位过滤。
如采用调节进水阀开度使滤池恒水位过滤这种方法，就是出水阀门开度不变，进水阀根据滤池水位高低控制阀门的开度，滤池水位高进水阀门开度减小，水位低时阀门开大，可以实现恒水位过滤。
但当滤池滤料所含杂质过多时，滤池滤速过慢水位升高到一定水位时进水阀全关，沉淀池就有溢流的可能。
如果采用进水阀和出水阀同时调节控制使滤池恒水位过滤，经过分析这种方法效果很好，由于考虑系统控制工艺要求不需要很高的要求，觉得没有必要用，因为一方面增加了系统的投资费用，另一方面控制系统的结构要复杂的多。
因此，经过大家的多次考虑觉得根据滤池水位高低调节出水阀门的开度大小使滤池恒水位过滤是比较理想的方法。
二设计方案选择与论证
1、设计方案选择
经过现场的多次观察和分析对出现滤干或溢流的问题，可用根据滤池水位高低自动调节出水阀的开度解决这个问题，有两种控制方案。
方案一：
用单片机与压力变送器及转换模块对滤池进行恒水位的控制方法。
单片机具有控制功能强、功耗小、编程灵活的特点；采用8051单片机为主，辅以LM324线性运放集成电路、ADC0809A/D转换电路、DAC0832D/A转换电路和压力变送器，并用两组电源供电+5V和+15V。
使滤池恒水位过滤。
方案二：
用可编程逻辑控制器与压力变送器及转换模块对滤池进行恒水位的控制方法。
可编程是工业自动控制的首先产品，具有极高的可靠性，抗干扰能力强能经受恶劣的环境考验；采用FX1N-40MR型可编程为主，以FX2N-4AD、FX2N-2DA、压力变送器及24V的直流电源为辅，使滤池恒水位过滤。
2、方案分析比较
采用单片机控制，单片机虽然具有控制功能强，成本低、体积小、功耗小等优点，但控制柜安装在滤池现场，工作环境比较恶劣，电磁干扰较大。
由于单片
机抗干扰能力低，虽然可以采取系统的抗干扰技术，但工作环境恶劣仍怕系统运
行不稳定，再加上单片机输出工作电压较低需要外加驱动器控制执行元件从而增
加了接触点的故障率；采用PLC控制，PLC价格比单片机要贵，适用于恶劣的工作环境、抗干扰能力强，编程方便可现场修改参数和直接控制执行元件等多方面优点。
经过大家多次讨论和对各方案因数的综合分析觉得虽然采用PLC的控制方案投资价格要比单片机控制方案投资贵的多，但考虑到系统长期运行的稳定性和今后的扩展性，决定采用可编程逻辑控制器（PLC）控制方案。
三滤池控制系统设计的技术要求
1、本次改造是针对沙湾水厂滤池控制系统而设计的，内容包括如下四点：
（1）滤池的各阀门电气控制回路。
（2）滤池及公共设备的PLC控制，每格滤池采用一个FX1N-40MR进行控制。
（3）滤池压力变送器、高低水位计及显示仪表的设计。
（4）滤池就地控制柜的设计。
2、本次改造要达到的目标为：
（1）要有自动、停止、手动转换功能。
（2）滤池处在自动控制方式下时，可自动调节出水阀门开度以实现恒水位过滤。
（3）当滤池处在手动控制方式下时，操作员可在就地操作柜手动调节出水阀门的开度实现过滤，可控制各设备开关的。
四滤池控制系统设计
1、滤池的构造及组成
滤池由电气部分和配水系统组成，电气部分主要控制各阀门的开关，配水系统主要由滤格、滤头、滤料和各控制阀门组成，如下图所示：
1进水阀2排水阀3气水分配渠4水冲阀5出水阀6气冲阀
7排气阀8压力变送器
滤池底部至排水槽的顶部高为170CM，在这高度安装压力变送器；225CM为恒水位过滤的给定值。
滤池的剖面图
2、滤池恒水位过滤的工作原理
（1）滤池闭环控制系统如下图所示：
实际水位
（2）工作原理：
将转换开关打到自动，各阀门就状态初始化，状态初始化是指关闭排水阀、水冲阀、气冲阀、排气阀、打开进水阀。
阀门初始化后，滤池开始进水，水位慢慢升高，压力变送器根据滤池水位的高低输出一个与压力信号成比例关系的4~20ma标准直流电流信号送到模拟量输入模块（FX2N-4AD）经过A/D转换后得到与压力成比例的数字量送到PLC的CPU中，CPU将它与水位给定值进行比较，并经PID（比例、积分、微分）对差值进行运算，将运算结果送给模拟输出模块（FX2N-2DA）经D/A转换后输出4~20MA的电流信号控制出水阀调节阀中的执行器，执行器接受电流指令信号，经执行机构其转换相应的直线位移去操纵阀门开度的控制；阀门定位器克服调节阀压差影响的不平衡力，提高阀门的线性度，使出水阀门的开度按FX2N-2DA输出的4~20ma电流信号成对应比例关系，从而实现了准确阀门的大小的。
阀门开度的大小可以改变滤池中流量的大小，阀门开度越大流量也越大，阀门开度与流量成正比关系，而流量越大滤池水位就越低成反比关系如下图所示。
因此控制阀门的开度可以控制滤池水位的高低，从而可以使滤池水位保持在一定波动范围内，实现了恒水位过滤。
3、滤池控制系统硬件设计
（1）控制柜及操作面板设计
操作柜选用长为800mm,宽为600mm,高为1200mm,上盖和前门可开启，采用暗铰链，操作面板有15度的倾斜角度方便操作人员观察与操作，操作面板如下图所示：
图中HR为红色指示灯表示开的信号，HG为绿色指示灯表示关的信号，HY为黄色指示灯表示故障信号。
WB为光柱显示仪，显示水位及阀门的开度。
SC为阀门开关控制。
SA1为手动自动停止转换开关。
（2）控制柜配电系统图：
（3）滤池电气信号原理图：
（4）滤池控制柜主接线图：
（见附录1）
AC220V
4、系统元件和设备的选用
（1）对阀门和继电器控制的输入输出点数、质量和通用性问题，选用日本三菱公司生产的小型PLC，主机型号FX1N-40MR型。
转换模块采用FX2N-4AD和FX2N-2DA型，PLC有24点输入和16点输出并可接扩展性功能模块，能满足设计的要求。
（2）用于滤池水位检测的压力变送器，根据测量对象、使用环境、灵敏度、频率响应性、以及测量范围，采用深圳秦仪电子公司生产的ST318型通用压力变送器，体积小、重量轻、安装维修方便，接口为M20*1.5标准螺纹，量程为0~0.25Mpa，输出信号为4~20MA直流电流信号，能满足实际测量的需要。
量程压力范围选择过大，检测信号误差偏大，而选择过小，水位振幅波动过大。
（3）用于显示水位及出水阀门开度的光柱显示仪，同样采用深圳秦仪电子公司生产的DY2000系统仪表，输出电压为24V，50MA可直接配送二线制变送器。
本产品抗干扰能力较强，能在电磁干扰环境下长期稳定工作，功能转换灵活，适用性好。
（4）出水阀门调节阀采用GB09型气动调节阀，正反双程、分程控制，控制为直流电流4~20ma,可直接由FX2N-2D/A输出信号控制，结构牢固，调校简单，控制阀门开度定位准确。
（5）控制器总电源开关根据电流设备总电流的大选用C45N-2P型额定电流为10A两极；每个回路空气开关选C45N-1P型，单极额定电流为2A，能满足选择要求。
（6）继电器选OMON牌MY2-24型，线圈工作电压为24V。
（7）电磁阀选三位五通双线圈位置开放型，线圈工作电压为DC24V，耗电量为3W，使用压力为0.1~0.7Mpa。
（8）直流电源采用S-150-24型开关电源，输出电压为24V，额定容量为150VA，能满足系统的容量要求。
（9）避雷器选用V20C氧化锌避雷器，它具有动作迅速，通流量大、残压低无续流，对大气过电压和内部过电压都能保护作用。
（10）空气压缩机
5、元器件明细表：
序号
设备名称
型号规格
单位
数量
备注
1
三菱FX可编程处理器
FX1N-40MR
块
1
2
三菱模拟输入模块
FX2N-4AD
块
1
3
三菱模拟输出模块
FX2N-2DA
块
1
4
压力变送器
ST318型
个
1
5
光柱显示仪
DY2000
个
2
6
继电器
MY2J-24
只
10
7
熔断器
韩国FS-10
只
4
8
空气开关
CN45-2P-10
个
1
9
空气开关
CN45-1P-2
个
3
10
直流电源
S-150-24
个
1
11
调节阀
DY22GB09
个
1
12
电磁阀
4V-130E-06-24
个
4
13
旋扭开关
SC1
个
5
14
旋扭开关
SA1
个
1
15
避雷器
V20C
个
1
16
信号灯
HR
个
12
17
信号灯
HG+HY
个
4+1
18
控制柜
800*600*1200
个
1
19
接线端子
1
20
空气压缩机
台
五滤池控制系统软件设计
1、系统控制要求
滤池处在自动状态下，过滤阀门初始化后，进入恒水位状态，PLC对水位进行PID调节，控制出水阀门开度，使水位保持在给定值225cm左右过滤，当水位大于给定值时，阀门根据PID调节按要求适当增大阀门的开度，当水位小于给定值，阀门根据PID调节按要求适当减少阀门的开度，每10秒进行一次PID调节运算。
当滤池水位高于280cm时，为了保证自动过滤生产的安全，程序关闭进水阀，全开出水阀，当水位回落后，程序回到恒水位过滤状态。
滤池处在手动控制状态下，调节光柱显示仪能够使出水阀门从0~100的开度调节，实现过滤。
2、I/O端口分配
PLCI/O端口分配表
输入口
输出口
软元件
电器元件
软元件
电器元件
X0
自动/手动转换
Y0
进水电磁阀开线圈
X1
进水电磁阀开
Y1
进水电磁阀关线圈
X2
进水电磁阀关
Y2
气冲电磁阀开线圈
X3
气冲电磁阀开
Y3
气冲电磁阀关线圈
X4
气冲电磁阀关
Y4
水冲电磁阀开线圈
X5
水冲电磁阀开
Y5
水冲电磁阀关线圈
X6
水冲电磁阀关
Y6
排水电磁阀开线圈
X7
排水电磁阀开
Y7
排水电磁阀关线圈
X10
排水电磁阀关
Y10
排气阀开线圈
X11
排气阀开
Y11
过滤指示灯（HR1）
Y12
自动指示灯（HR2）
Y13
手动指示灯（HR3）
Y14
故障指示灯（HY4）
D0
数字量输出
D150
PID输出
D10
实际水位值
D500
给定值
D13
设定值与实际值之差
3、I/O端口控制接线图
4、出水调节阀控制接线图
5、PLC参考程序流程图
（1）PID子程序调用流程图：
（2）PID控制器子程序框图
（3）自动过滤流程图：
6、参考程序设计
（1）滤池控制方式的选择
（2）自动过滤阀门初始化检测滤池水位如低于220CM，阀门开度为12度左右，高于230CM阀门开度为62度左右，给定值为225CM，然后根据水位的变化每10秒进行一次PID运算控制，使水位控制在给定值225CM进行恒水位过滤。
（3）为安全着想当水位高于280CM，离开自动过滤，关闭进水阀门。
（4）参考程序见附录2
六滤池控制系统的调试、安装
1、系统安装：
（1）PLC属于精密仪器，需考滤环境温度、湿度、电磁干扰等因素对PLC的影响，因此在安装时采取了，加装通风、防潮、防电磁干扰等相应措施。
（2）为了提高系统运行的可靠性，减少电磁干扰等因素，接线采用屏蔽线并加穿管保护。
PLC属于高速低电平控制装置，应采用直接接地方式。
（3）压力变送器及光柱显示仪等信号源接地时，屏蔽层应在信号侧接地，不接地时，应在PLC侧接地。
信号线中间有接头时，屏蔽层应牢固边接并进行绝缘处理，一定要避免多点接地。
2、系统调试：
（1）将控制柜通电，检查开关电源是否有24V输出。
检查各阀门开关是否正确。
（2）接通PLC电源将程序输入PLC，先不外接负载调试PLC输入输出是否正确，正确后接上负载，转换开关转到手动位，手动控制各阀，动作是否按要求动作。
（3）调节阀调试：
1）接线正确接通气源调整定值器，使其输出压力为20Kpa,观察阀门行程是否在0度位，调整定值器使其输出压力为100Kpa，观察阀门行程是否在90度位，如不准可调节器上的微调螺丝。
2）选输入信号20Kpa、40Kpa、60Kpa、80Kpa、100Kpa5个点进行校准对应阀位指示应为0、25%、50%、75%、100%。
3）通电选输入电流信号4ma、8ma、12ma、16ma、20ma5个点进行校准，对应阀位大概应为00、25%、50%、75%、100%。
正反都要进行校验。
（4）压力变送器调试：
1）工作原理：
ST318压力变送器由传感器及专用IC转换电路组成，介质压力通过改变膜片实现力电转换，再经电信号调整、放大、V/I转换、限流、防浪涌、反向保护、抗干扰措施后输出一个与压力信号成正比的4~20MA标准直流信号。
2）调试：
①将变送器接入压力校验系统，要求压力传输畅通、无泄漏。
②再按要求接电源、负载、标准电流表，要注意+、－极。
③关闭阀门开关，不加任何负载，通电15分钟后，检查光柱显示仪是否是零位，并将MA表串联在线路中，显示仪显示为0时，MA表输出应为4MA,如参数不对可调整调零电位器R3,使其输出值为正常值显示为零，MA表为4MA左右。
④打开阀门开关变送器加载，调电位器R4使水位为240CM时MA表为20MA，观察显示仪的水位是滤池的水位是否一致，如果不是可重新再调一次，要是偏差还是过大，可修改显示仪上的校验参数设定中变送器上下限值修正，直致使其两个水位一致。
（5）光柱显示仪调试：
接线正确通电按SET3次，显示SSC表示标度设计按ENT显示，
按改变参数设定，低水位为0后按SET显示，按改变
数设定，高水位为5后按SET。
在正常工作下按SET键2次显示FUN按ENT键
择UA表示电流输入信号按SET键；量程小数点位置由ENT键移动，长按SET3
秒或连续15秒不进行任何操作返回正常工作状态。
（6）关闭排水阀、水冲阀、气冲阀，打开进水阀，滤池开始进水，当水位上升到一定水位时，用手动调节光柱显示仪检查出水阀开度跟光柱显示仪显示的开度是否一致，如不一致先将光柱显示仪调至零后，观察出水阀的开度是否也在零位，如果不是可调出水阀门控制电路上的R1，直到阀门为零为止，再将光柱显示仪调至100%，观察出水阀门的开度是否在100位，如不是可调出水阀门控制电路上可调电阻R2，如此调节几次使阀门开度跟显示仪的开度基本一致。
（7）观察一段时间后，检查各仪表是否有异常。
无异常将转换开关打到自动，观察滤池水位是否按设定的水位进行恒水位过滤，如不能按程序设定的要求过滤或者水位波动较大阀门动作频繁，可在现场适当的调节程序中KP、KI、KD的参数，直至自己觉得比较满意的效果为止。
七滤池控制系统的运行分析
本系统自投入使用以来，软硬件方面都运行正常，主要应用功能效果明显。
在安全使用方面，由于有多重保护装置因此设备得到了充分的保障，操作人员操作的都是经开关电路后输出的24V安全电压，至今没有出现过人身或设备的安全事故。
在系统结构方面，由于采用光标显示仪，能直接看到水位及出水阀门的开度，对设备运行过程比较直观、便利。
在硬件方面，主要器件选用的都属名牌产品，其产品质量保障表现良好，各设备运行状况良好，性能发挥正常，维护简便。
在维修费有方面，旧系统采用电动阀门，由于工作条件、环境因素，电动头很容易损坏，经常需要更换，电动头价格比较贵。
现在使用气动调节阀控制，阀门开关平稳、准确，不易损坏，从而有效降低维修费用。
在水资源利用方面，旧系统不能根据水位的高低而自动调节出水阀门的开度控制的大小，经常使水溢流造成水资源的浪费，现采用恒水位过滤，在正常工作下不会存在水位过高或过低，避免了不必要浪费。
综上所述，本系统提高了自动化程度，降低生产成本，减轻了劳动强度满足系统的运行要求达到了系统设计的初衷。
结束语
本系统自投入使用至今性能稳定、操作方便、直观、深受公司的好评，在PLC和特性功能模块及压力变送器功能的综合应用，其控制实现了自动化，为公司做出一点小的贡献。
但由于本人对CC-like通信性能方面认识不够，本系统无法实现根据过滤周期、水头损失进行自动反冲洗和通过触摸屏实时监控。
今后本人将通过努力学习，争取早日实现自动反冲洗和监控，使本系统自动化程度更高、更完善。
本人感谢技师学院老师一年多对本人的悉心培养和教育以及同学们的相互关怀和鼓励，也感谢家人对我的支持和帮助。
本文在撰写过程中得到了甘永雄老师的悉心指导和得到了深圳合技自动化公司沈光华工程师的大力支持，在此表示衷心的感谢。
本人由于水平及经验有限，加上成文时间仓促，文中难免有错漏之处，敬请各位专家、同行指正。
参考文献及资料
1、钟肇新、范建东编著《可编程控制器原理及应用》（第三版）华南理工大学出版社。
2、《FX1SFX1NFX2NFX2NC编程手册》三菱电机株式会社。
3、黄坚主编《自动控制器技术教程》高等教育出版社。
4、岳庆来主编《变频器、可编程序控制器及触摸屏综合应用技术》机械工业出版社。
附录1
附录2
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