PLC技术在水净化处理方面的应用

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摘 要：主要介绍 plc在水净化处理的具体应用实例，系统介绍了水净化处理工艺流程及基于西门子S7-200 系列PLC的水净化处理实施方案。PLC是综合计算机技术、自控技术和通信技术的一种通用型自动控制装置。它具有功能强、可靠性高、使用灵活方便、易于编程以及适应性强等一系列优点。目前，PLC也成为了水净化处理控制系统的重要组成单元之一，在该系统中各单元按一定拓扑结构互相连接构成了水净化处理的控制系统。

关键词：水净化处理；自动控制系统；PLC；PROFIBUS-DP

1 课题背景

水与我们的生活息息相关，特别是在现代社会，人们对水的需求量可谓与日俱增。然而随着现代工业和城市建设的发展， 我国的水污染问题和水资源匮乏问题已日益严重。水质的恶化和水资源的短缺已成为制约社会经济可持续发展、影响人民生活和身心健康的突出问题。因此，建设水净化处理系统己成为我国亟待解决的问题，对改善环境、建立可持续发展社会有着重要的意义。

2 可编程逻辑控制器PLC

2.1 PLC的特点

PLC即可编程序逻辑控制器，具有可靠性高、抗干扰能力强、结构灵活、便于扩展、编程语言简单、安装维护方便、性价比高等优点，已在工业控制领域得到了越来越广泛的应用，在水净化和处理行业也得到了一定程度的推广。

2.2 PLC系统的基本结构

作为以微处理器为核心的用于数字逻辑控制的特殊计算机，其硬件配置与一般的微机装置类似，包括中央处理单元（CPU）、电源组件、I/O单元组件和编程装置等部分。

CPU模块是PLC的主要组成部分，是直接决定PLC基本性能的关键部件。与普通计算机一样，CPU是PLC的核心，在系统程序的控制下进行工作。

I/O模块是对信号输入模块和输出模块总和的简称，是PLC的CPU模块与控制元件及执行元器件相联系的纽带。

编程装置是编制、编辑、调试、监测用户程序的必备设备。它通过通信接口与CPU相连接，用以实现人机对话。

2.3 PLC的工作原理

以PLC为核心的系统可以按照用户程序存储器中预先编制的控制程序，通过输入接口采集信息，执行逻辑判断和数值运算，进而通过输出接口控制各种执行机构的动作。与计算机一样，PLC控制任务的完成是建立在硬件配置的支持下的，通过执行反应控制要求的用户程序来实现对被控对象的控制功能。

3 PROFIBUS现场总线

3.1 现场总线的概念

现场总线是一种广泛应用于工业现场的，连接现场智能设备和自动化控制系统的数字式、双向性、结构上多分支的通信网络。

3.2 PROFIBUS现场总线的特点

PROFIBUS现场总线的标准具有开放性，并不以某些特定生产厂商的通信技术标准为依托。其中，PROFIBUS-DP现场总线技术在实际工程应用中所拥有较强的抗干扰性，以及高速、高效、低成本、即插即用等优点，使其作为高速、便捷、可靠性高的数据传输手段在自动化控制网络的建设中得到了非常广泛的应用。

3.3 PROFIBUS-DP的工作原理

PROFIBUS-DP应用于设备级现场高速数据传输时，将主站（即中央控制器，如PLC、PC机等）同分散在现场的设备（如各种I/O接口、驱动器、阀门等）通过高速的串行线路进行通信。除为主站提供周期性地读取设备输入信息并发送输出指令的数据传输通道外，PROFIBUS-DP还能够提供智能化设备所需要的非周期性的通讯，用以进行系统组态、故障诊断和报警信息处理。

4 水净化处理的应用举例

4.1 处理方案的选择和确定

水净化处理的过程，是去除混合或溶解在水中的对人畜健康或环境有危害的物质的过程。方法可分为物理法、化学法和生物法三大类。

对于含固体渣滓污染物的水净化处理的方法一般采用物理法。

1）物理法水净化处理技术方案。物理法是利用物理作用使水中处于悬浮状态的污染物质与水分离，且不影响各成分的物理和化学特性。

应用物理法进行水净化处理有三种常用的技术方案截留法、膜分离的电渗析法和磁力分离法。

截留法是以格栅或筛网作为污水处理厂的第一个处理工序。该方法的优点在于所用设备结构简单，且处理过程简单、便于控制。缺点则是设备过于庞大和笨重，不利于现场安装、调试以及后期的维护和保养。

膜分离电渗析法分两步走，即膜分离和电渗析。所谓膜分离是利用膜的选择透过性对水中杂质进行浓缩、分离的方法。而电渗析是在电场作用下使溶液中的离子通过离子交换膜进行传递的过程。

磁力分离法可去除废水中的磁性及非磁性悬浮物和重金属离子。该方法具有设备结构简单、操作方便、滤除的杂质便于再回收等优点。此方案尤其适用于含金属杂质较多的水的净化处理之中。

2）方案的确定。对上述三种利用物理法进行水净化处理的方案进行对比，不难发现磁力分离法是最适合进行水净化处理的，且此方案更便于加入PLC控制系统，进而实现经济性、安全性和可靠性的目标。使用该法进行水处理，不仅对水的净化效果较好，而且分离出来的杂质可以很方便的进行回收再利用。

4.2 系统构成

从经济性、实用性和可靠性三方面出发，系统由两台电磁过滤器、若干电磁阀和连接管道组成两路并联关系的系统，两路可单独运行亦可同时运行。如果某一路出现异常，将立即停止并切换到另一路工作。

这样的设计可避免由于故障停机造成的损失，在保证运行的前提下提高了系统的安全可靠性。

4.3 工艺流程简介

水净化处理的过程，分为滤水和反冲洗两道工序。

滤水工序：打开同一侧的进水阀和出水阀，当含有杂质的污染水流经电磁过滤器时，水中的磁性杂质将吸附于线圈已通电的电磁过滤器上，使水质得到净化后流入水箱。

反冲洗工序：在滤水工序运行一定的时间后，就必须对附着在过滤器上的杂质进行清理。此时，只需将进水阀和出水阀关闭并将过滤器线圈电源切断，然后打开排污阀和压缩空气阀。这样一来，压缩空气将强行把水箱中的水打回到过滤器中，使其能够把附着于过滤器上的杂质冲洗掉，并带到污水池中准备进行再次处理。

4.4 硬件的选择

1）选择PLC和PROFIBUS-DP的必要性。PLC在实际工程应用中所体现出的诸多优点，决定了使用PLC来控制水净化处理的过程可以更有效地达到净化的目的。同时，若辅以PROFIBUS-DP现场总线技术作为数据传输的手段，可以更好地实现系统运行和监管的可靠性以及生产过程的安全性。

2）PLC及其组件的选择。基于水治理的大环境和如上所述的PLC各项优势，为提高系统的自动化程度，保证水处理的质量，PLC控制系统无疑是在对水进行净化处理过程中发挥自动化控制和集中化管理的最佳选择。

在众多PLC生产厂家中，西门子S7-200系列PLC产品以广泛的应用和较高的性价比成为众多的用户首选。此设计中选择模块化的中小型PLC系统便能满足应用，而各种单独模块间的广泛组合方式也便于系统的扩展。

CPU选择CPU226，该型号CPU适用于复杂的中小型控制系统，且集成有PROFIBUS-DP和MPI通信接口，多点接入的特性使其可以同时连接编程器、PC机和HMI。

I/O模块的选择方面，信号模块选用模拟量输入输出模块EM223，模块输出点和输入点各有16点还可以扩展。而D/A转换器将PLC的数字输出量转换为模拟电压或电流，再去控制执行器。模拟量I/O模块的主要任务就是实现A/D转换和D/A转换。

3） PROFIBUS-DP的选用。若采用常规的PLC集中控制方式，将不得不面临现场控制范围分散造成的桥架和电缆大量敷设、施工难度增加等困难，而且现场信号也容易因传输路径过长而造成干扰。若采用PROFIBUS-DP现场总线技术，将大大减少现场布线的工作量并能够有效地提高数据传输过程中的抗干扰性，很大程度上缩短了设备开发及现场安装和调试的周期，提高工作效率。

4）磁滤器的选择。B03C型箱式磁滤器内置一个进水阀、一个出水阀、一个压缩空气阀和一个排污阀。具有经久耐磨，设计紧凑，响应迅速等优点，是最佳选择。

5）差压检测仪表的选择。差压检测仪表的作用是检测磁滤器入口和出口间的差压，如果差压过高，表示磁滤器内有堵塞，需要进行反洗。选择是应注意要有设定差压、显示差压、差压信号输出等功能。

4.5 系统软件的选用

编程软件选用西门子STEP7-Micro/WIN，该软件版本是建立在STEP7-Micro/WIN V4.0版和2004年推出的S7-200新产品的基础上的。较老的编程软件与V4.0版的功能和界面有一些的区别，老型号的PLC不能使用新产品的某些功能。

5 结论

采用西门子S7-200系列PLC作为分散控制、集中监控的分布式控制系统，并以可双向高速传输数据的现场总线PROFIBUS-DP作为通讯手段，实现了水净化处理过程的自动化控制，使系统的运行更加趋向于安全、稳定和可靠。本设计不仅解决了受污染的水资源的再利用问题，同时也对起到了保护环境的作用，保证了人类的生活环境。从而使得有限的淡水资源得到了更加有效的利用。

参考文献：

[1] 聂梅生. 废水处理及再利用. 北京：中国建筑出版社.许泽美，唐建国，周丹等主编.2002年第一版.

[2] 申玉霞，赵彩虹. 基于PLC的水净化设备的自动控制系统设计. 制造业自动化. 2012，11（下）：146-148.

[3] 罗红福等. PROFIBUS-DP现场总线工程应用实例解析. 北京：中国电力出版社.2008年9月第一版.