基于PLC的水处理系统设计
作者姓名：张宽 专业班级：2006060503 指导教师：姬有仓
摘要
本文针对传统锅炉水处理过程的继电器控制方式，介绍了一种基于PLC控制的水处理系统的设计。通过阐明锅炉水处理的工艺特点及PLC控制系统的各项功能，介绍了可编程序控制器在水处理监控系统中的应用。依据PLC的控制原理和组态软件的功能，设计了锅炉水处理过程的自动监控系统。本设计包括系统硬件设计、软件设计以及监控画面设计。通过PLC程序的编译、仿真和实验模拟，验证了设计的可行性。该系统能够有效地实现对锅炉水处理过程的自动监控，安全、可靠、自动化程度高，是一种简单、经济、实用的控制系统，能够满足普通锅炉对用水的要求。
关键词：PLC；锅炉水处理；控制系统；系统画面
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Design of water disposal system based on
PLC
Abstract: Introducing a kind of design about water treatment based on PLC control by taking into consideration the control way of the traditional one＇s process .Introducing the application of PLC monitoring system by clarifying the characteristics of Chemical water treatment process and the function of PLC control system.Designing the monitoring system of the boiler water treatment process according to the control principle of PLC and the function of configuration software. This kind of design includes system hardware、software and monitor screen ones. Through the translation、simulation and experiment simulation, it shows that the design is feasible. It can effectively achieve the automatic control of chemical water treatment processes, besides it is safe 、reliable and of high degree of automation. In brief, it is a simple、economical and practical control system which can meet the general requirements of the boiler on the water.
Keywords: PLC; chemical water treatment; control system; System picture
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目录
第1章 前言 ......................................................... 1 1.1 课题的目的和意义 .............................................. 1 1.2 主要研究内容 .................................................. 2 1.3 PLC在水处理中的应用 .......................................... 2 1.4 国内外现状 .................................................... 3 1.4.1中国水处理市场的现状 ....................................... 3 1.4.2 国外水处理发展现状 ........................................ 4 1.5 研究方法 ...................................................... 4 第2章 任务分析与方案选择 ........................................... 5 2.1 任务分析 ...................................................... 5 2.2 拟解决的主要问题 .............................................. 5 2.3 方案选择 ...................................................... 5 2.3.1 方案一 .................................................... 5 2.3.2 方案二 .................................................... 6 2.3.3 方案三 .................................................... 7 2.3.4 结论 ...................................................... 7 2.4 设计要求 ...................................................... 8 2.4.1 设计技术指标 .............................................. 8 2.4.2 执行标准 .................................................. 8 第3章 硬件选择 ..................................................... 9 3.1 硬件选型 ...................................................... 9 3.1.1上位机的选择 ............................................... 9 3.1.2 PLC 型号的选择 ............................................ 9 3.1.3 扩展模块的选择 ........................................... 10 3.1.4 水处理设备的选择 ......................................... 10 3.1.5 传感器的选择 ............................................. 10 3.2 I/O资源配置 ................................................. 12 3.2.1数字输入量地址分配 ........................................ 12 3.2.2数字输出量地址分配 ........................................ 12 3.2.3模拟量输入地址分配 ........................................ 12 第4章 系统设计 .................................................... 13 4.1系统运行过程 ................................................. 13 4.2 硬件设计 ..................................................... 14 4.2.1系统拓扑图 ................................................ 14 4.2.2硬件框图 .................................................. 14 4.2.3控制系统硬件连线图 ........................................ 15 4.3 软件设计 ..................................................... 16 4.3.1软件介绍 .................................................. 16 4.3.2 PLC程序设计 .............................................. 17
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4.4 系统组态设计 ................................................. 23 4.4.1组态画面设计 .............................................. 23 4.5 PLC与上位机的通信 ........................................... 24 4.6 PLC控制系统的可靠性措施 ..................................... 24 第5章 测试 ........................................................ 27 5.1 PLC仿真 ..................................................... 27 5.2 实验模拟 ..................................................... 29 结论 ............................................................... 32 致谢 ............................................................... 33 参考文献 ........................................................... 34 附录 ............................................................... 35
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第1章 前言
1.1 课题的目的和意义
锅炉是工业生产和人们生活中使用广泛的设备之一，锅炉水的处理工作，对确保锅炉安全、经济运行、节约燃料有着重要的意义，它是锅炉运行中的一项重要的技术基础工作。
锅炉水质不良会使受热面结垢，大大降低锅炉传热效率，堵塞管子，受热面金属过热损坏，如鼓包、爆管等。另外还会产生金属腐蚀，减少锅炉寿命。因此，做好锅炉水处理工作对锅炉安全运行有着及其重要的意义。
水在锅内受热沸腾蒸发后，为水中的杂质提供了化学反应和不断浓缩的条件。当这些杂质在锅水中达到饱和时，就有固体物质产生。产生的固体物质，如果悬浮在锅水中就称为水渣；如果附着在受热面上，则称为水垢，主要是CaCO3和Mg(OH)2。
炉又是一种热交换设备，水垢的生成会极大的影响锅炉传热。水垢的导热能力是钢铁的十几分之一到几百分之一。因此锅炉结垢会产生如下几种危害。 （1） 浪费燃料。水垢的导热性很差。它的导热系数只有钢板的1/30～1/50。
也就是说1毫米厚度水垢的热阻相当于30～50毫米钢板的热阻,由此可见,结垢后会使受热面传热情况恶化，增高排烟温度，降低锅炉热效率，浪费燃料。
（2） 影响运行安全。锅炉正常运行时，钢板受热后很快将热量传递给炉水，两
者温度相差30～100℃。有水垢时，钢板的热量受水垢的阻挡，很难传递给炉水，要使炉水达到同样的温度，钢板的温度要上升几倍至十几倍。钢板温度急剧升高，导致强度显著下降，造成钢板受热变形、鼓包、裂缝，甚至破裂，严重威胁锅炉的运行安全。
（3） 影响水循环。锅炉内结生水垢后，管内水通过的截面积减小，增加了循环
的流动阻力，造成锅炉出力不足、蒸发量下降。
（4） 缩短锅炉寿命。水垢附在锅炉受热面上，特别是附着在锅炉管内，很难清
除。为了除垢，需经常清洗锅炉，从而增加了检修费用，不仅仅耗费人力、物力，而且由于经常采用机械方法与化学法除垢，会使受热面受到损伤，缩短锅炉的使用寿命。
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水处理就是通过采用各种方法将水中所含有的污染物分离出来，或将其转化为无害和稳定的物质，从而使原水得到净化，以达到预防结垢、使腐蚀和沸腾延迟减至最小。从而减少能量损失或燃料损耗、延长锅炉寿命、确保最佳热传递以及减少不必要的停炉或维修【1】。
1.2 主要研究内容
锅炉水处理的一般方法有： （1）物理处理方法
主要是利用过滤、沉淀、浮选等方法除去悬浮物。 （2）化学处理方法
主要是锅炉内加药法和锅炉外加药法即离子交换法，锅炉内加药或离子交换达到水软化的目的。
本文研究的主要内容就是如何采用PLC和组态软件组建一个水处理自动控制系统。在水处理过程中通过PLC来控制各种水泵、电磁阀、过滤器、阴阳离子交换器以及离子交换器再生加药装置，以实现系统自动运行，达到提高效率的目的【2】。
1.3 PLC在水处理中的应用
水处理的工艺流程十分复杂，特别是化学水处理，以往都采用继电器进行程序控制，因安装接线复杂，程序修改困难，维护量大，以及设备老化等原因，使得其可靠性差，投运率较低。
为了改善上述利用继电器控制存在的缺陷，应用PLC进行程序控制，可以有效地解决上述存在的问题。
PLC具有高可靠性，编程方便，易于使用，环境要求低，与其他装置的配置连接方便，鉴于PLC有上述优点，所以PLC用于化学水处理系统中，可以很好的解决继电器控制存在的问题。
例如化学水处理的方法主要是离子交换法，即利用离子交换树脂将水中溶盐的离子吸收。经过一定时间的运行之后，离子交换树脂会失效，这就需要停止运行以对树脂进行再生还原以便使树脂可以重新使用。对化学水处理进行自动化监测和实时控制，是提高水处理效率，降低能耗的关键【3】。
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1.4 国内外现状
1.4.1中国水处理市场的现状
水处理在国民生产和生活中占有非常重要地位，有无水处理、水处理技术的先进与否，是一个国家生产、生活水平高低和文明程度的重要标志之一，而水处理服务在中国还是一个新型行业。
我国进入八十年代以来， 生产力的提高和经济的发展给人们的物质和精神生活带来了巨大的变化。高速发展的经济也造成了自然资源的严重短缺和生态环境的日趋恶化。我国水处理技术相对来说比较落后，诸如加氯消毒、化学软化、离子交换除盐等水处理的方法，存在消耗资源、 牺牲环境、 顾此失彼等弊端。水处理技术装备如何适应经济高速发展的形势、如何适应污染水源的处理、如何在处理过程中减少对环境的污染是摆在水处理工作者面前的繁重而紧迫的任务，也只有加快我国水处理技术进步和装备更新的步伐，才能摆脱当前的被动局面。
随着国家建设步伐的不断加快，水处理服务会遍及各个行业各个领导，覆盖面相当广泛，如石油、电力、化工、核工业、煤炭、冶金、水泥、造纸、卷烟、制药、啤酒、邮电、民航、铁路、银行、酒店、宾馆、商场、家庭、机关、学校、城镇等，市场潜力巨大，有人类生存的地方就涉及到水处理服务，水处理服务是一个永恒的市场。水处理服务走专业道路将成为必然。
目前，中国各类工业区、商住区建筑保有量在千万幢以上，有数百万台的换热器、锅炉、中央空调、冷却塔、数万公里的管线。传统的运行模式绝大部分带垢、带锈运行。实验表明，水垢的导热性很差，只有钢的1/10～1/50，传热面若附着0.2～1毫米垢，将使传热效率降低10～40%，生产效率严重降低，能源消耗大大增加，设备故障频出，给生产、生活及人类生存的健康带来极大的危害。结垢后再清洗，这是一种事后处理方式。随着人们的认识及生活、环境的改善，一种事前处理（预防为主）的方式摆在人们面前，即：要求水系统不结垢、不腐蚀、安全、卫生、经济、环保、持续运行。通过科学的水处理方式，能有效地预防水垢，并通过防腐、防垢水质处理后，达到节能降耗，延长设备寿命，安全、高效、长周期运转的目的，也为创造卫生、健康的用水治理环境提供可靠的保障。
回顾中国经济过去二十几年的飞速发展规模与速度，可以预见，伴随着中
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国经济的蓬勃发展，中国水处理行业将在未来几年全面进入调整发展的阶段，将真正形成促进中国经济发展的另一股重要力量【4】。 1.4.2 国外水处理发展现状
世界上许多地区正面临着最严重的缺水。据世界银行的统计，全球80%的国家和地区都缺少民用和工业用淡水。随着资源成本不断上升和环保意识逐渐增强，许多企业开始运用绿色技术，降低碳排放，尽量减少废物产生。其中水处理技术就是其中非常重要的一项绿色技术。
根据联合国统计，到2025年，三分之二的世界人口可能会面临水资源短缺，因此水处理技术将会越来越得到重视，这包括了高效率的水资源管理和污水处理。例如：在北美尤其在加拿大，水管理及污水处理设施的面临的问题十分急切。63%的目前运行的设施都在超期运行，他们的平均运行时间已经达到18.3年。其中52%污水处理设施在超期运行。在美国的干旱地区，对海水淡化技术的需求越来越高。海水淡化技术主要局限在于效率，而随着淡水的短缺，这些局限逐渐被淡化和忽视。水处理技术的发展拥有巨大的前景，许多国家都在实施水处理的政策和项目。根据全球知名增长咨询公司Frost&Sullivan的预测，至2010年，全球水资源管理和污水处理技术市场规模预计将达到3，500亿美元。
目前先进的水管理和污水处理技术及其发展趋势包括了循环用水、反渗透海水淡化和臭氧化等。例如，反渗透海水淡化技术正在迅速占领的大型设施市场，而这一领域过去主要以热工过程设备为主。处理效率的提升和渗透膜价格的回落，促使反渗透海水淡化市场在过去5年中迅速发展，现在应用反渗透海水淡化技术的已不再是小规模的工厂，大型反渗透海水淡化厂已是司空见惯【5】。
1.5 研究方法
为达到控制目的，本系统将采用组态软件和PLC组建自动监控系统，本系统将充分利用工控机组态软件的强大数据处理和图形表现能力，融合较先进的自动化技术、计算机技术、通讯技术、和软件技术，具有可靠性高、维护容易等特【6】。
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第2章 任务分析与方案选择
2.1 任务分析
锅炉水处理的自动控制就是通过PLC对水处理的各种设备进行控制，按照水处理的工艺流程编制相应的程序，使PLC能够按照一般锅炉水处理的要求对原水进行软化处理，以达到锅炉用水的标准。采用以PLC为核心的工艺过程自动监控系统，对整个水处理系统的各个设备，包括水泵的启停控制、电磁阀的开合控制、过滤器的过滤与再生控制、离子交换器等的投运与再生控制等，就可以达到系统自动运行的目的。同时在系统中加入一些模拟量测量单元，对流量、液位、电导率等进行实时测量达到对系统运行状况的了解，从而保证系统良好运行。在此基础上通过上位机和监控软件对现场设备运行状况做出及时放映，以便于操作人员更好地控制系统运行，达到整个处理系统安全、可靠、高效地运行。
在这个过程中，首先要清楚系统的整个工艺流程，明确控制对象，再次要能够将现场设备、PLC和上位机连接起来成为一个整体，能够实现各部分之间的通信。本设计要完成的任务主要包括设备选型、硬件设计和软件设计。
2.2 拟解决的主要问题
由于水处理工艺较复杂，所以为了能够实现水处理的自动控制，并达到预期的目的，在设计中主要需解决以下几个问题：
1、整个系统网络的架构； 2、系统硬件选型；
3、软件设计，使PLC控制水处理设备自动运行； 4、上位机监控画面设计。
2.3 方案选择
2.3.1 方案一
方法：采用锅炉内水处理，通过传感器采集水质数据，送到PLC，PLC根据预先设定的程序控制加药装置对锅炉水进行处理。
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锅炉内水处理的方法是通过向锅炉内加入一定数量的软水剂 , 使锅炉给水中的污垢转变成泥垢然后将泥垢从锅内排出,从而达到防止水垢结生或减缓的目的。
锅内水处理常用药剩用量的计算水处理药剂的用量一般需要根据原水的硬度、碱度和锅炉水维持的碱度或药剂浓度及锅炉排污率大小等来确定。通常 无机药剂可按化学反应物质的量进行计算 ; 而有机药剂 ( 如栲胶、腐殖酸锅、磷酸盐或竣酸盐等水质稳定剂 ) 则大多按实验数据或经验用量进行加药。
系统组成如图2-1所示：
打印 上位机 PLC 报警 加药控制 显示 I/O 模块 PH值传感器 电导率传感
图2-1方案一系统组成
优点 ：1. 锅炉内加药处理法对环境没有污染,不像离子交换等水处理法,处理掉天然水多少杂质,再生后还排出多少杂质,而且还排出大量剩余的再生后产物和再生剂。而锅内加药处理方法是把水中的主要杂质变成不溶性的泥垢,不会造成对自然的污染。2. 锅炉水处理不需要复杂的设备,故成本低、投资小,操作方便。
缺点：1. 锅炉水处理还不能完全防止锅炉结生水垢,特别是生成的泥垢,在排污不及时很容易结生二次水垢。 2. 锅炉内加药纯理法使用的配方需与给水水质匹配,一般不适用于高硬度水质。 2.3.2 方案二
方法：采用离子交换法进行锅炉外水处理，离子交换器顺流再生，通过PLC控制各种水处理设备的运行。
离子交换系统是通过阴、阳离子交换树脂对水中的各种阴、阳离子进行置换的一种传统水处理工艺。原水依次经过一次阳离子交换器和一次阴离子交换器处
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理、称为一级复床除盐。通过一级复床除盐处理，出水电导率可达10μΩ/cm以下，SiO2＜0.1mg/L。当处理水质要求更高时，则需要二级复床处理。固定床的再生主要有顺流和逆流两种方式。再生剂流向与交换时水流方向相同者，称为顺流再生，反之称为逆流再生．
系统组成如图2-2所示：
泵 电磁阀 报警 加药控制 打印 上位机 PLC I/O 模块 显示 液位开关 流量传感器 电导率传感
图2-2方案二系统组成
顺流再生的优点：顺流再生的优点是设备简单，操作方便，工作可靠。 顺流再生的缺点：再生剂用量多，再生效率低，交换时，出水水质较差。 2.3.3 方案三
方法：采用离子交换法进行锅炉外水处理，离子交换器逆流再生，通过PLC控制各种水处理设备的运行。系统组成同方案二。
逆流再生优点：逆流再生时，再生剂耗量少(比顺流法少40％左右)，再生效率高，而且能保证出水质量。
逆流再生缺点：设备较复杂，操作控制较严格，不利于自动控制。 2.3.4 结论
通过对比，采用离子交换法进行水处理，工艺成熟，出水水质稳定，出水质量高，能够满足锅炉对用水的要求，在原水低含盐量的应用区域运行成本较低。 同时采用顺流再生易于自动控制，所以选用方案二进行设计。
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2.4 设计要求
2.4.1 设计技术指标
1．电源：～220V，50HZ；
2. I/O点数：6点数字量输入、27点数字量输出、2点模拟量输入； 3．工作时间：≤24小时/天； 4．处理能力：≤100 m3/h； 5．流速：15～20m/h；
6. 适应水质总硬度：500mg/L≤硬度≤1000mg/L； 7. 出水电导率：≤5μS/cm。 2.4.2 执行标准
本系统设计的各项技术指标严格依照GB1576—2001《工业锅炉水质》执行。
工业锅炉的水质主要有以下几项：
(1) 悬浮物。指悬浮状态的粗分散杂质含量，单位mg/L。GB1576—2001标准规定悬浮物≤5mg/L。即使加热至煮沸也无法沉淀消除。
(2)总硬度(H)。水中能形成水垢或水渣的钙镁的总含量，单位为m mol/L。GB1576—2001标准规定，给水硬度≤0．03mmol/L。总硬度包括暂时硬度和永久硬度。暂时硬度。水中钙和镁主要是重碳酸盐如Ca(HCO)2、Mg(HCO)2形式存在时，这些盐形成的硬度称为暂时硬度，当这些盐类加热煮沸时，会分解形成成沉淀除去，暂时硬度大部分消除。永久硬度。除碳酸盐、重碳酸盐以外，钙和镁形成的其它盐类，如硫酸盐CaSO4，MgSO4及氯化物CaC12，Mg C12，硅酸钙CaSiO3等等，这些盐形成的硬度叫做非碳酸盐硬度或永久硬度。水中的永久硬度
(3)总碱度(A)。水中的氢氧根OH-、碳酸根离子CO2-、重碳酸根离子HCO3-及其它一些弱酸盐类在水溶液中呈碱性，总碱度就表示这些离子总和的数目，单位为mmol/L。水中的阳离子主要是Ca2+及Na+。OH-、CO2-、及HCO3-与Ca2+、Mg2+形成的碱度称为钙镁盐碱度，与Na+形成的碱度称为钠盐碱度。总碱度(A)=钙镁盐碱度+钠盐碱度。Ca2+及Mg2+与CO32-及OH形成的物质都易形成沉淀从水中分离出来。因此一般水中钙镁盐碱度只可能是钙镁与重碳酸根的 盐类，即：Ca(HCO)2 、Mg(HCO)2。而钠盐碱度则可能是NaOH、NaHCO3或Na2CO3。
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(4)含盐量。水中各种盐类的总和，亦即水中全部阴离子与阳离子的总和，单位为mg/L。
(5)pH值。水中氢离子的负对数。pH=7表示水呈中性；pH>7呈碱性 ；pH<7呈酸性。
(6)溶解氧。表示单位体积水中的所溶解的氧气量，单位为mg/L。GB1576—2001标准规定蒸发量>6t/h的锅炉必须除氧，且含氧指标≤0．1mg/L。
第3章 硬件选择
3.1 硬件选型
3.1.1上位机的选择
上位机采用研华工业控制计算机，具有性能稳定配置高、抗干扰能力强等优点，主要实现整个系统的数据监视和参数设定工作。 3.1.2 PLC 型号的选择
可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用一类可编程的存贮器，用于其内部存贮程序、执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术操作等面向用户的指令，并通过数字式或模拟式输入输出控制各种类型的机械或生产过程。可编程控制器及其有关外部设备，都按易于工业控制系统联成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。
根据所设计的水处理控制系统的功能要求，以及其复杂程度，从经济、可靠等方面来考虑，选择西门子S7-200系列PLC作为污水处理系统的电气控制系统的控制主机。考虑到系统输入/输出端口的数量较少，控制过程比较简单，因此采用CPU222CN作为控制系统主机。
西门子S7-200系列CPU222CN主要技术指标：
技术规范 CPU 222CN 集成的数字量输入/输出 8入/6出 可连接的扩展模块数量 2 个 最大可扩展的数字量输入/输出范围 78 点 最大可扩展的模拟量输入/输出范围 10 点 用户程序区 4 KB 数据存储区 2 KB
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通讯接口 1 个RS-485 3.1.3 扩展模块的选择
整个水处理系统需要监控的现场设备如下： 6只开关：系统启停开关、液位开关。 2只分析仪表：流量、电导率等。 16只电磁阀。
5只继电器：5个水泵。 6个报警指示灯。
由于PLC主机自带的I/O不能满足需要，因此还需一定数量的I/O扩展模块。在此采用三块EM222CN数字量输出扩展模块（8点DC输出型），以及一块模拟量输入/输出模块EM235（3点模拟量输出/1点模拟量输入），正好可以满足控制系统的功能要求并留有足够的裕量。 3.1.4 水处理设备的选择 （1）过滤器：
本系统中过滤器选用砂缸过滤器。砂缸过滤器是利用一种或几种过滤介质进行过滤，常温操作、耐酸碱、氧化，PH适用范围为2～13。在一定的压力下，使原液通过该介质的触絮凝、吸附、截留，去除杂质，从而达到过滤的目的。
本系统采用北京东茂环保科技有限公司的QC-SYS2500型砂缸过滤器，处理流量100m3/h，滤速15～20m/h,反洗强度36m/h。 （2）阴、阳离子交换器：
离子交换技术在水处理领域中有十分广泛的应用。作为水质软化的钠离子交换器，主要用于中、低压锅炉水处理。离子交换脱盐设备，主要用于纯水和高纯水的制备。它与近年引进的反渗透装置相比较，具有去除离子性杂质彻底；对水的预处理要求低；设备造价便宜等优点。
本系统选用安阳市安星水处理设备有限责任公司的AXLZ-030型离子交换设备，工作压力0.2MPa ，工作温度5～45 ℃ ，流量200m3/h，树脂高度1200mm。 3.1.5 传感器的选择 （1）流量传感器：
液体流量传感器工作时，当被测液体流经传感器时，传感器内叶轮借助于液
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体的动能而旋转。此时叶轮叶片使检出装置中的磁路磁阻发生周周期性变化，因而在检出线圈两端感应出与流量成正比的电脉冲信号，经前置放大器放大后送至显示仪表。
选用天津市华水自动化仪表研究中心研制的LWGY型水处理专用涡轮流量传感器（如图3-1），使用环境温度为-20～+50℃；输出方式为脉冲输出或4～20mA两线制；信号传输距离最远可达1km。
图3-1涡轮流量传感器
（2）电导率传感器：
当传感器接通电源进入工作状态后，由变送器发出稳定的正弦波交变信号给置入液体内的传感器（探头）。根据电磁、磁电转换原理，此时环形探头的一组磁环产生交变磁场。环形探头里的液体与环形探头外的液体形成导电回路，在交变磁场的作用下产生交变电流。此时在液体回路交变电流的作用下，另一组磁环产生交变磁场，因而在其线圈上产生交变电流。由于导电液体回路电流的强度符合欧姆定律I=U/R ,又因为液体的电导等于电阻的倒数即：S = 1/R 。因此，对于不同导电率的液体在同一磁场作用下就产生与液体电导值一一对应的电流值即：S∝I 。这个与液体电导值对应的电流信号经过变送器的放大、处理以及变换即送出了标准的检测信号，供下级显示和控制仪器使用。
本系统选用广州太克电子科技有限公司的ISC210G电导率传感器（如图3-2），此传感器广泛应用于各种水处理以及制造工艺应用，输入电压为DC24V，输出电流4～20mA，输出接线方式为二线制或三线制，测量范围为0～0.5μS/cm或0～200μS/cm(电池常数: 0.05cm-1)。
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图3-2电导率传感器
3.2 I/O资源配置
3.2.1数字输入量地址分配
表3-1数字输入量地址分配表
输入地址 I0.0 I0.1 I0.2
输入设备 系统启动 系统停止 中间水箱高液位开关 输入地址 I0.3 I0.4 I0.5 输入设备 中间水箱低液位开关 除盐水箱高液位开关 除盐水箱低液位开关 3.2.2数字输出量地址分配
表3-2数字输出量地址分配表 输出地址 Q0.0 Q0.1 Q0.2 Q0.3 Q0.4 Q0.5 Q0.6 Q0.7 Q1.0 Q1.1 Q1.2 Q1.3 Q1.4 Q1.5
输出设备 清水泵 中间水泵 除盐水泵 过滤器进水阀 过滤器过滤阀 过滤器反洗阀 过滤器出水阀 阳离子交换器进水阀 阳离子交换器顶部排气阀 阳离子交换器正洗阀 阳离子交换器反洗阀 阳离子交换器出水阀 阴离子交换器进水阀 阴离子交换器顶部排气阀 输出地址 Q1.6 Q1.7 Q2.0 Q2.1 Q2.2 Q2.3 Q2.4 Q2.5 Q2.6 Q2.7 Q3.0 Q3.1 Q3.2 输出设备 阴离子交换器正洗阀 阴离子交换器反洗阀 阴离子交换器出水阀 阳离子交换器加药泵 阴离子交换器加药泵 阳离子交换器排水阀 阴离子交换器排水阀 中间水箱高液位报警 中间水箱低液位报警 除盐水箱高液位报警 除盐水箱低液位报警 过滤器再生报警 电导率不合格报警 3.2.3模拟量输入地址分配
表3-3模拟量输入量地址分配表
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输入地址 AIW0 AIW2
输入设备 电导率传感器 流量传感器 第4章 系统设计
4.1系统运行过程
当系统开始工作时，首先开启清水泵同时开过滤器进水阀和过滤阀，开始过滤除去水中悬浮物。开启阳离子交换器进水阀、顶部排气阀，进行正洗排气1分钟。然后开阳离子交换器正洗水阀，关顶部排气阀，进行正洗3分钟。之后关阳离子交换器正洗水阀，开阳离子交换器出水阀。同时开启中间水泵和阴离子交换器进水阀、顶部排气阀，进行正洗排气1分钟，然后开阴离子交换器正洗水阀，关顶部排气阀，进行正洗3分钟。然后关阴离子交换器正洗水阀，开阴离子交换器出水阀。阴离子交换器出水口的电导率传感器可以检测水的电导率是否符合标准，如符合则开除盐水箱的进水阀，如不符合标准则要使离子交换器进行再生，在此过程中当过滤器工作一段时间由于悬浮物的堵塞使得出水量变小时也要停止过滤，开始过滤器再生。
工艺流程图（如图4-1）：
源水 清水泵 过滤器 除悬浮物 阳离子交换器 除阳离子 中间水箱 锅炉 除盐水泵 除盐水箱 除阴离子 电导率检测 阴离子交换器 中间水泵 图4-1工艺流程
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4.2 硬件设计
4.2.1系统拓扑图
如图4-2所示，控制系统由上位机、PLC、I/O模块和现场设备组成。上位机的监控画面用组态软件为MCGS6.2设计，在 Windows XP环境下运行,利用组态软件的驱动程序与下位 S7200PLC进行数据通讯, 包括数据采集和发送数据指令。下位机S7200PLC则通过PPI方式与上位计算机交换数据,介质为RS-485。
上位
PLC
I/O 模 块
……
加药控制 液位开关 流量传感器 电导率传感器 泵 电磁阀 报警 图4-2系统拓扑图
4.2.2硬件框图
如图4-3所示，此系统通过PLC实现自动控制，液位开关、流量传感器、电导率传感器实现对除盐水箱液位，进水流量和除盐水电导率的检测，通过I/O模块输入到PLC，PLC接受到相应的信号后通过I/O模块输出相应的控制信号，实现对水泵、电磁阀、报警等的控制。同时PLC将现场信号送到上位机，通过上位机的组态软件实现对系统运行情况的实时反映。
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泵 电磁阀 报警 加药控制 打印 显示 上位机 PLC I/O 模块 液位开关 流量传感电导率传图4-3硬件框图
4.2.3控制系统硬件连线图
如图4-4所示，1号端子为I0.0是系统启动信号的输入口，2号端子为I0.1是系统停止信号的输入口，3、4号端子为I0.2和I0.3分别是中间水箱高液位开关和低液位开关，用以监测中间水箱的液位以即使发出报警信号。7、8、9号端子依次为Q0.0、Q0.1、Q0.2分别接清水泵继电器、中间水泵继电器、除盐水泵继电器，控制清水泵、中间水泵、除盐水泵的运行。10-13号端子依次为Q0.3、Q0.4、Q0.5、Q0.6控制过滤器的进水电、过滤、再生和出水。14-18号端子依次为Q0.7、Q01.0、Q1.1、Q01.2、Q1.3控制阳离子交换器的进水、顶部排气、正洗、反洗、出水。19-23号端子依次为Q1.4、Q1.5、Q1.6、Q1.7、Q2.0、控制阴离子交换器的进水、顶部排气、正洗、反洗、出水。24、25号端子依次为Q2.1、Q2.2控制阳离子交换器和阴离子交换器加药泵继电器。26、27号端子为Q2.3和Q2.4控制排除阳离子交换器和阴离子交换器出来的不合格水。28、29号端子为Q2.4、Q2.5分别在中间水箱液位达到上限和下限时发出报警。30、31号端子为Q2.6、Q2.7分别在除盐水箱液位达到上限和下限时报。32号端子为Q3.1在过滤器需要再生时发出报警。33号端子为Q3.2在离子交换器需要再生时发出报警。34、35号端子是PLC的模拟量输入/输出扩展模块EM235的模拟量输入口，将电导率传感器、流量传感器的检测信号转换成数字量送入PLC。
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图4-4硬件连线
4.3 软件设计
4.3.1软件介绍
系统PLC的控制程序使用西门子PLC的编程软件STEP 7-MicroWIN V4.0编制。
STEP 7-MicroWIN V4.0是西门子公司专为S7-200系列可编程序控制器开发的编程软件，是基于Windows的应用软件，功能强大，主要用于开发程序，也可用于适时监控用户程序的执行状态。加上汉化后的程序，可在全汉化的界面下进行操作。
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4.3.2 PLC程序设计
此控制系统包括过滤器、阳离子交换器、阴离子交换器投运、停运程控，以及过滤器、阳离子交换器、阴离子交换器再生程控。
系统总流程图如图4-5所示。当系统开始工作时，首先需依次对阳离子交换器和阴离子交换器进行正洗3分钟。然后整个系统开始运行，进行水处理。通过阴离子交换器出水口的电导率传感器可以检测水的电导率是否符合标准，如符合系统继续运行，如不符合标准则要使离子交换器进行再生，在此过程中当过滤器工作一段时间由于悬浮物的堵塞使得出水量变小时也要停止过滤，开始过滤器再生。程序如附录1。
运行确认 准备投运 开始
交换器再生 图4-5系统总流程图
Y 电导率合格？ N 过滤器再生 运 行 冲 洗 （1）过滤器投运过程：
过滤砂缸是利用滤沙将池水中的悬浮物微小污物清除。滤沙作为清除污物的
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介质，被填装在过滤器的缸体中，当多开启过滤阀时，由水泵将池中有悬浮物的池水压入过滤管道中，经多向阀进入缸体，微小的悬浮污物被缸内的沙床捕捉滤除。过滤后的池水经滤爪进入中心管，再经多向阀致出水口，当过滤器工作一段时间由于悬浮物的堵塞使得出水量变小时要停止过滤，关闭出水口，开启反洗阀，开始过滤器再生。当再生完毕后再次投入使用。过滤器的再生时间根据出水流量确定，当出水流量减小到一定量时自动进行再生，而再生反洗时间可根据经验确定，暂定为10min。
如图4-6所示，此部分程序实现的功能是，当过滤器开始工作时，先开过滤器进水阀、过滤阀过滤阀以及过滤器出水阀开始过滤。当过滤器出水口流量小于设定值时，过滤器需要再生。此时，关过滤器出水阀，开过滤器反洗阀，进行反洗，当反洗时间到后重新投入使用。程序如附录1中网络1和网络22。
开始 滤器开始过滤 N 是否需要再生 Y 过滤器反洗再生 延时10min N 反洗时间到？ Y 图4-6过滤器投运过程
（2）阳离子交换器投运过程：
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如图4-7所示，此部分程序实现的功能是，当阳离子交换器投运时，先开启阳离子交换器进水阀、顶部排气阀，进行正洗排气1分钟。然后开阳离子交换器正洗水阀，关顶部排气阀，同时开阳离子交换器排水阀进行正洗3分钟。之后关阳离子交换器正洗水阀和排水阀，开阳离子交换器出水阀，开始离子交换，这就是阳离子交换器的投运程控过程。程序如附录1中网络2～4。
开 始 阳离子交换器正洗排气 延时1min N 延时时间到？ Y 阳离子交换器 正洗 延时1min 延时时间到？ Y 阳离子交换器 开始交换
图4-7阳离子交换器投运过程
N
（3）阴离子交换器投运过程：
如图4-8所示，此部分程序实现的功能是，当阴离子交换器投运时先开启阴离子交换器进水阀、顶部排气阀，进行正洗排气1分钟。然后开阴离子交换器正洗水阀，关顶部排气阀，同时开阴离子交换器排水阀进行正洗3分钟。之后关阴
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离子交换器正洗水阀和排水阀，开阴离子交换器出水阀，进行离子交换。程序如附录1中网络4～7。
延时时间到？ Y 阴离子交换器 开始交换 图4-8阴离子交换器投运过程
延时1min N 阴离子交换器 正洗 延时时间到？ Y 延时1min N 阴离子交换器 正洗排气 开 始 当阴离子交换器投运完毕后，通过阴离子交换器出水口德电导率仪检测水的电导率是否符合标准，如符合则开除盐水箱的进水阀，如不符合标准则进行离子交换器的再生。再生时先进行阳离子交换器的再生，当阳离子交换器再生完毕后再进行阴离子交换器的再生。再生方式选用操作简单的顺流再生方式。 （4）阳离子交换器的再生过程：
如图4-9所示，此部分程序实现的功能是，当阳离子交换器需要再生时，先关阳离子交换器出水阀，开阳离子交换器排水阀和阳离子交换器反洗阀，进行反洗1分钟。接着关阳离子交换器反洗阀，开阳离子交换器加药阀，进行30分钟
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的顺流再生。然后关阳离子交换器加药阀，开阳离子交换器正洗阀，进行正洗3分钟。最后关阳离子交换器加药阀，关阳离子交换器排水阀，开阳离子交换器出水阀，再生完毕。程序如附录1中网络14～17。
图4-9阳离子交换器的再生过程
N延时时间到？ Y阳离子交换器开始交换 延时时间到？ Y 阳离子交换器 正洗 延时30min N 阳离子交换器 顺流再生 延时时间到？ Y 延时1min N 阳离子交换器 反洗 开 始 延时3min （5）阴离子交换器的再生过程：
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如图4-10所示，此部分程序实现的功能是，当阴离子交换器需要再生时，先关阴离子交换器出水阀，开阴离子交换器排水阀和阴离子交换器反洗阀，进行反洗1分钟。接着关阴离子交换器反洗阀，开阴离子交换器加药阀，进行30分钟的顺流再生。然后关阴离子交换器加药阀，开阴离子交换器正洗阀，进行正洗3分钟。最后关阴离子交换器加药阀，关阴离子交换器排水阀，开阴离子交换器出水阀，再生完毕。程序如附录1中网络18～21。
延时时间到？
延时时间到？ Y 阳离子交换器开始交换 图4-10阴离子交换器的再生过程
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开 始 阳离子交换器 反洗 延时1min N Y 阳离子交换器 顺流再生 延时30min N 延时时间到？ Y 阳离子交换器 正洗 延时3min N成都理工大学毕业设计（论文）
4.4 系统组态设计
4.4.1组态画面设计
组态画面使用MCGS6.2设计。MCGS(Monitor and Control Generated System)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系统。为用户提供了解决实际工程问题的完整方案和开发平台，能够完成现场数据采集、实时和历史数据处理、报警和安全机制、流程控制、动画显示、曲线和报表输出、企业监控网络以及高性能、高可靠性、低成本的嵌入系统等功能。使用MCGS，用户无须了解计算机编程的知识，就可以轻易完成一个稳定，成熟，具备专业水准的计算机监控系统。
本系统的组态画面要求能够实时放映现场设备的运行情况，包括水泵、电磁阀、过滤器、离子交换器等等的运行状态，画面中管道中水的流动、设备的运行状况都与实时数据库相连接，能够让操作人员及时了解现场状况，必要时发出报警指示提醒操作员。
组态画面如图4-11所示：
图4-11系统组态
实时数据库如图4-12所示：
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图4-12实时数据库
4.5 PLC与上位机的通信
在本工程中，我们采用的PLC为CPU222CN型，通信方式采用点对点PPI方式与上位机通信。该可编程控制器的通信端口为RS-485接口，由于PC机的串行端口为RS-232接口，且远离控制现场（PLC位置），因此PC机的RS-232接口必须通过RS-232/RS-485转换器转换后才能与PLC通信端口连接，这种通信方式可以实现最远1.2Km的远程通信。
PC机的标准串口为RS232。西门子公司提供的PC/PPI电缆带有RS232/RS485电平转换器，因此在不增加任何硬件的情况下，可以很方便地将PLC和PC机互联。
4.6 PLC控制系统的可靠性措施
（1）选用性能优良的电源，采取措施抑制电网干扰
在PLC控制系统中，电源占有极其重要的地位，也是干扰进入PLC的主要途径之一，电网干扰串入PLC控制系统，主要是通过PLC系统的供电源、变速器供电电源和与PLC系统具有直接电气连接的仪表供电电源等耦合进入的。如果使用PLC系统的交流供电电源，在干扰较强或可靠性要求很高的场合，可以在PLC的交流电源输入端加接带屏蔽层的隔离变压器和低通滤波器，屏蔽层应可靠接地；也可以在初级、次级绕组之间加屏蔽层，并将它们和铁芯一起接地，以提高高频
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共模干扰能力。对于变送器和共用信号仪表供电应选择分布电容小、抑制带大（如采用多次隔离和屏蔽及漏感技术）的配电器，以减少PLC系统的干扰。此外，为保证电网馈点不中断，可采用在线式不间断供电电源（UPS）供电，提高供电的安全性，并且，UPS还具有较强的干扰隔离性能，是PLC控制系统的理想电源。 （2）科学安装和布线
不同类型的PLC有不同的安装规范，如CPU与电源的安装位置、机架间的距离、接口模块的安装位置、I/O模块量、机架与安装部分的连接电阻等都有明确的要求，安装时必须按所用的产品的安装要求进行。PLC应设有独立、良好的接地装置，接地电阻要小于100Ω，接地线不能超过20m，PLC不能与其它设备共用一个接地体。PLC电源线、I/O线、动力线最好放在各自的电缆槽或电缆管中，线中心距要保持至少大于300mm的距离。模拟量输入/输出线最好加屏蔽，且屏蔽层应一端接地。PLC要远离干扰源，信号线若不能避开干扰源，应采用光纤电缆。在室外安装时须采取防雷击的措施，比如在两端接地的金属管线中走线。
（3）屏蔽抗干扰
传输线之间的相互干扰是来自传输分布电容、电感引起的电磁耦合，要防止这种干扰的有效方法：
①PLC机壳屏蔽。将机壳与电气柜悬空，在PLC机壳底板上加一块等位屏蔽板，有效消除电磁场干扰；
②电气柜配线屏蔽。模拟信号线与开关量信号线最好不在同一槽走线；直流信号线、交流信号线和模拟信号线不能同一根电缆线；信号和电源电缆应避免平行铺线，如必须平行铺，则最小间距应在30cm以上；在30m以上的长距离配线时，输入输出信号线分别使用各自的电缆；电气柜进出口屏蔽一定要接地；
③电缆屏蔽。屏蔽传输电缆应单端接地，可在控制室集中对电缆屏蔽接地，另一端不接地，把屏蔽层切断，包在电缆头内，以免形成磁场感性环；数字量信号的电缆两端接地可保证较好的排除高频干扰。
（4）接地抗干扰
控制器、控制盘柜与大地之间存在着电位差，良好的接地可以减少由电位差引起的干扰电流；混入电源输入信号的干扰也可以通过可靠的接地引入大地，从而减少干扰；良好的接地还可以通过可靠的接地引入大地，从而减少干扰；良好
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的接地还可以防止漏电流产生电动势。接地线应尽量粗，一般采用2mm2线接地，接地电阻不超过100Ω为佳；接地点应尽量靠近控制器，接地点与控制器间距不超过50m；当强电回路和主回路电线间距不能避开时，应垂直相交，尽量缩短走线长度。
（5）断电数据保持设置
在S7-200的编程中，系统块中有一项功能为断电数据保持设置，设置范围包括V存储区、M存储区、时间继电器T和计数器C（其中定时器和计数器只有当前值可被保持，而定时器位或计数器位是不能被保持的）。其基本工作原是在PLC外部供电中断时，利用PLC内部的超级电容供电，保持系统块中所设置的断电数据保持区域的数值保持不变，而将非保持区域的数据值归零。
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第5章 测试
5.1 PLC仿真
使用西门子PLC的编程软件STEP 7-MicroWIN中的程序状态监控功能对部分程序进行仿真，结果如图5-1到5-8所示：
图5-1程序编译成功
图5-2程序下载到PLC
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图5-3开始状态监控
图5-4状态监控中1
图5-5状态监控中2
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图5-6状态监控中3
图5-7状态监控中4
由仿真过程可以看出，程序各步之间能按照预期目标进行转换，证明了控制程序的正确性。
5.2 实验模拟
由于程序无错误并不能证明系统能够按照所设计的水处理过程运行，所以特别通过实验的方法对系统的运行进行模拟。这里采用PLC实验箱进行试验，由于试验箱上的PLC输出点数和指示灯数量有限，故只能对部分过程进行模拟。
本次实验是2010年5月20日在6C902进行的，有刘宇、刘超等同学见证了实验的全过程，在此表示感谢。
实验接线图如图5-9所示：
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图5-8实验接线图
如图5-10到5-12所示为实验过程：
图5-9实验第一步
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图5-10实验第二步
图5-11实验第三步
由实验过程中指示灯的点亮与熄灭情况可以看出，系统能够按照预期目标进行运行。再一次证明了设计的可行性。
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结论
本文针对目前锅炉水处理系统存在的问题，根据中水处理的工艺要求，介绍的基于组态软件和PLC的锅炉水处理自动监控系统的设计方法，利用了工控机组态软件的强大数据处理和图形表现能力，融合了较先进的自动化技术、计算机技术、通讯技术、和软件技术，具有可靠性高、维护容易等特点。通过仿真和实验，充分证明了设计的可行性。此系统实现了数据的集中管理、自动控制、故障检测等多方面功能，为锅炉的连续、稳定、安全运行提供了保证。
本文所设计的锅炉处理 PLC 控制系统不仅能够满足锅炉水处理现场控制和远程监控的要求,对于其它类似结构的水处理系统，只要对有关控制参数加以改动，也可以满足其所要求工艺要求。
通过本次毕业设计，我学会了PLC工程应用设计的一般方法，使我更加熟练地掌握了所学的知识，提高了我分析问题、解决问题的能力，使我以后能够更好地完成工作任务。
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致谢
弹指一挥间，四年的读书生活在这个季节即将划上一个句号，而于我的人生却只是一个逗号，我将面对又一次征程的开始。四年的求学生涯在师长、亲友的大力支持下，走得辛苦却也收获满囊，在论文即将付梓之际，思绪万千，心情久久不能平静。
伟人、名人为我所崇拜，可是我更急切地要把我的敬意和赞美献给一位平凡的人，我的导师姬有仓。我不是您最出色的学生，而您却是我最尊敬的老师之一。您学识渊博，思想深邃，视野雄阔，为我营造了一种良好的精神氛围。授人以鱼不如授人以渔，置身其间，耳濡目染，潜移默化，使我不仅接受了全新的思想观念，树立了宏伟的学术目标，领会了基本的思考方式。姬老师每次对于我的疑问都给予细心的解答并给出写作建议，对我的论文进行细心的修改，使得我的论文结构一步一步的完善，内容日趋丰满。 从论文题目的选定到论文写作的指导,经由您悉心的点拨,再经思考后的领悟,常常让我有“山重水复疑无路,柳暗花明又一村”。 没有姬老师的细心指导，这篇论文是不可能完成的。
同时，从开始进入课题到论文的顺利完成，这期间还有许多可敬的师长、同学、朋友给了我无言的帮助，在此还要特别感谢康东老师、彭焕荣老师和专业其他老师在此次论文写作中给予我的帮助！同时也感谢学院为我提供良好的做毕业设计的环境。 最后再一次感谢所有在毕业设计中曾经帮助过我的良师益友和同学，以及在设计中被我引用或参考的论著的作者。
书到用时方恨少，在这篇论文的写作过程中，我深感自己的水平还非常的欠缺。生命不息，学习不止，人生就是一个不断学习和完善的过程，我会在以后的时间里不断学习提高自己，不辜负各位老师们对于我的辛勤培养。
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参考文献
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附录
PLC控制程序：
//系统启动，开清水泵和过滤器 //阳离子交换器正洗排气 //阳离子交换器开始正洗 //阳离子交换器开始制水
//阴离子交换器正洗排气
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//阴离子交换器开始正洗 //阴离子交换器开始制水
//除盐水泵开始工作
//将电导率、流量初值送入PLC //将电导率传感器的模拟量送入PLC
//将流量传感器的模拟量送入PLC
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//将采集的电导率值与初值比较
//将采集的流量值与初值比较 //电导率不合格开始阳离子交换器再生 //阳离子交换器反洗 //阳离子交换器顺流再生 //阳离子交换器正洗
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//阳离子交换器再生完毕，开始制水
//阴离子交换器反洗 //阴离子交换器顺流再生 //阴离子交换器正洗 //阴离子交换器再生完毕，开始制水
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//过滤器反洗再生
//过滤器再生完毕，开始过滤
//按下停止按钮，系统输出全部复位 //中间水箱水位超出上限，发出报警并停止清水泵 //中间水箱水位超出下限，发出报警并关闭阴离子交换器进水阀 //除盐水箱水位超出上限，发出报警并关闭阴离子交换器进水阀
//除盐水箱水位超出下限，发出报警并关闭除盐水泵
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