基于PLC水处理控制系统设计.doc

本 科 毕 业 设 计 第 34 页 共 34 页1 引言1.1 本课题的研究目的和意义纯水在电子工业主要是电子元器件生产中的重要作用日益突出，纯水水质已成为影响电子元器件产品质量、生产成品率及生产成本的重要因素之一，水质要求也越来越高。在电子元器件生产中，纯水主要用作清洗用水及用来配制各种溶液、浆料，不同的电子元器件生产中纯水的用途及对水质的要求不同。由于现代工业技术的发展，对水质提出日益严格的要求，因而直接采用原水作原料、工艺用水或生产过程用水的部门逐渐增多，制造纯水的技术也相应得到迅速发展。在晶体管、集成电路生产中，纯水主要用于清洗硅片，另有少量用于药液配制，硅片氧化的水汽源，部分设备的冷却水，配制电镀液等。集成电路生产过程中的80%的工序需要使用超纯水清洗硅片，水质的好坏与集成电路的产品质量及生产成品率关系很大。水中的碱金属（K、Na等）会使绝缘膜耐压不良，重金属（Au、Ag、Cu等）会使PN结耐压降低，族元素（B、Al、Ga等）会使N型半导体特性恶化，V族元素（P、As、Sb等）会使P型半导体特性恶化，水中细菌高温碳化后的磷（约占灰分的20-50%）会使P型硅片上的局部区域变为N型硅而导致器件性能变坏，水中的颗粒（包括细菌）如吸附在硅片表面，就会引起电路短路或特性变差。纯水在食品、电子等工业领域有着广泛的用途。由于各种原因，地球上天然饮用水的数量和质量正在逐年下降。这个问题是非常迫切的。净水市场本身也在积极地发展，并且每年都会获得大量的投资。现今工业净水的需求呈增长趋势。所谓纯水并非指化学纯的水，而是指在一定程度上去除了各种杂质的水。用离子交换法主要去除的是水的硬度(Ca2+、Mg2+)，而并没有把水中包括非硬度盐在内的所有强电解质者去除，而且水中还存在硅酸等弱电解质以及气体、胶体、有机物、细菌等杂质，根据这些杂质的去除程度把纯水又分为除盐水、纯水和超纯水几个等级。按生产工艺的实际需要，许多部门都提出了对纯水的要求。如在医药、精制糖、高级纸制造、合成纤维、电影胶片、电子工业、高压锅炉用水以及其他部门都要求使用除盐水或纯水。而在超高压锅炉、高绝缘材料、精密电子元件、原子能工业等则要求使用超纯水。在精密工业清洗的许多领域，水中含有微量杂质都会影响制品的精度，如属于最先进的精密工业的光学仪器、电子机械、半导体元件等领域，洗涤后冲洗用水中存在的微量杂质在干燥之后会在被洗物表面形成污点或斑迹，这是造成元件表面覆盖膜会存在气孔的原因，也是造成其导电性变差，机械性能变坏的原因。电子工业中一些精密元件的制造和清洗都要求使用高纯水心口果电子管阴极涂面混入杂质则会影响电子发射；在电视摄像管和电视机荧光屏制造过程中混入微量铜、铁等金属就会使画面变色。在半导体晶体管制造、集成电路蚀刻过程中对水质要求更高。由于大规模的集成电路对水质要求很高，这对对纯水制备控制系统提出了较高要求，PLC作为传统继电接触装置替代产品，已广泛应用于工业控制各个领域。引入PLC控制器可以大大简化控制系统设计，提高抗干扰能力，增加可靠性，实现对整个系统进行水质控制， 而且极其方便连接上位机，从而实现纯水系统与厂务监控系统有机结合。纯水处理PLC的控制系统可实现工艺流程可视化，现场仪表监控，报警记录，历史趋势可调出做比较。电气设备有变频器，温度控制器，流量计。通过运行PLC控制系统，大大提高了系统设备自动化程度，降低了设备维护费用，保证了生产出连续合格的纯水，满足了集成电路生产线对超纯水的要求，保证了工厂的正常运行，效果十分理想。1.2 本课题的研究现状由生水制取高纯水是一个较复杂的物理、化学过程。目前用离子交换法制取纯水已在电力、冶金、化工等工业企业广泛采用。一般采用阳离子交换树脂，利用其氢离子置换水中的钙、镁等离子。阴离子交换树脂置换水中的阴离子。随着去离子过程一个周期，一个周期地进行，树脂逐渐老化，即其氢离子和氢氧离子被其它阴阳离子所置换，因此，就必须再生，阳离子交换树脂用酸类再生。采用分床再生，使失效的离子交换树脂恢复其软化的能力1。离子交换法是国内外一种较成熟的水处理技术，早期应用主要是作为物质分离，提纯及水质处理的手段。它是利用离子交换树脂对水中阳，阴离子的交换作用，从而将水中的电解质进行脱盐处理。这种方法具有工艺成熟，除盐率高，操作方便等优点，因此，广泛用于各种工业纯水中除盐，是当前水的脱盐的主要方法和手段。离子交换法分为复床式和混床式两种类型，前者用于制取初级纯水，后者是制取超纯水的重要装置。在制取纯水的工艺流程中采用何种再生方式是很重要的, 我国在用离子交换法制取纯水系统中一般采用如下三种再生方式，即顺流再生、半逆流再生、压顶逆流再生1。后两种再生方式日益被广泛采用。纯水工艺中需要除去原水中的溶解的离子，二氧化硅，细菌，总有机碳，各种粒子等。除去水中的溶解离子所采用的方法有离子交换，反渗透 ，以及半导体生产中用的较少的反电渗析。消除二氧化硅的手段有反渗透和超过滤薄膜，解决细菌的问题目前典型的方法有多层过滤法，定期的全系统消毒，高的管道流速以及使用点过滤。使用反渗透，过滤，过氧化氢，臭氧或紫外线消毒法可以控制总有机碳。取出各种粒子常采用的办法有反渗透，微过滤和超过滤。纯水处理工艺流程分为预处理(Pretreatment)、生产(Make up)和抛光(Polish)3部分2。纯水制备当中的淡化技术有蒸馏技术，电渗析技术，反渗透技术，离子交换技术，超过滤技术，微孔滤膜过滤技术3。预处理部分可以包括过滤，PH调节，脱气，添加化学剂。反渗透纯水处理系统由预处理与膜系统两大部分组成。预处理系统主要是除去水中一些较粗的颗粒和杂质、悬浮物和异味、余氯、有机物等以及降低水的硬度，采用机械过滤和活性炭过滤、吸附及阻垢剂装置。膜系统能精密地滤除水中的细菌、病毒、金属离子、盐类、农药、及各种致癌物质。目前主采用的研究技术主要采用到PLC的控制系统，PLC系统主要是进行顺序控制和过程控制。顺序控制实现PLC对原水泵、沙滤器、换热器、活性碳过滤器、阴阳离子交换塔、CO2 脱气塔、紫外灯、反渗透膜、混床、薄膜脱氧器、抛光混床、超滤等组件的启动、停车及各设备间的关联控制。过程主要实现对系统温度、液位、流量、压力、电导率等工艺参数采集，以调节热水和冰水阀门开度、超纯水罐回流阀门开度、变频器频率设定、启动沙滤器和活性碳过滤器反洗、阴阳离子交换塔和混床离子再生程序。达到最佳优化控制效果。过程控制分为现场对象层、模块层和现场主控控制层。现场主控控制层通过现场总线通讯与IO模块层连接。温度控制器、流量传感器、液位传感器、导电度变送器等通过连接电缆连接到分布式模块层，然后通过现场总线连接到PLC控制器。6 采用PLC可编程控制器，真正做到了无人值守，同时在工艺选材上采用推荐和客户要求相统一的方法，使该设备与其它同类产品相比较，具有更高的性价比和设备可靠性。1.3 本课题的主要内容纯水处理系统是一项发展型的研究项目，通过用过滤，除盐，离子分离等技术手段来使生水达到工业用纯水的指标。本系统以SIEMENS S7-200 PLC为核心，对硬件系统的各个模块及其组成进行了设计，尤其对系统实施的方案进行了分析，同时针对整个系统进行了必要的程序设计，完成对纯水处理整套系统的控制设计。随着反渗透纯水设备造价和运行费用的不断降低，越来越多的行业(电力、石油、煤炭、化工等)都在使用反渗透系统生产各种工艺用脱盐水，由于反渗透系统人工方式很难保证反渗透系统的长期稳定运行，因此采用PLC作为反渗透系统的自动控制设备就变得非常必要。本文系统实际介绍一种反渗透PLC控制系统的编程方法，用来简化系统的逻辑关系，提高PLC程序的易读性。在此基础上，本课题针对系统中“多介质过滤器”、“活性炭过滤器”进行了设计，并就故障中断，报警程序进行了研究，解决了系统运行过程中无人值守，自动检测监控的问题。2 纯水处理工艺流程纯水处理工艺流程分为预处理、反渗透和EDI精处理3部分，如图2.1所示。原水箱多介质过滤器活性炭过滤器一级反渗透中间水箱一级RO水箱二级反渗透二级RO水箱EDI 设备纯水箱原水泵一级高压泵二级高压泵EDI水泵原水（自来水）使用点图2.1 纯水处理工艺流程图原水即自来水，取自天然水体或蓄水水体，而纯水是指化学纯度极高的水，其主要应用在生物、化学化工、冶金、宇航、电力等领域，但其对水质纯度要求相当高，所以一般应用最普遍的还是电子工业，例如电力系统所用的纯水，要求各杂质含量低达“微克/升”级。本课题要研究的即是把原水经过一系列的工艺技术转变为工业用纯水，原水水质指标如表2.1。 表2.1 原水水质 mg/L项目含量项目含量项目含量K+Na-总FeCODSO42-NO3-12.40.052.9067.04.44Sr2+Ba2-Zn2+HCO3-SiO20.200.0370.05110.07.4Ca2+Mg2+Mn2+Cl-PH74.816.916.925.07.882.1 预处理过程水的预处理是在水的精制处理之前，预先进行的初步处理，以便在水的经处理时取得良好效果，提高水质。因为自然界的水都有大量杂质，如泥沙、粘土、有机物、微生物、机械杂质等，这些杂质的存在，严重影响精制水的水质与处理效果，因此必须在精处理之前将一些杂质降低或去除，这就需要预处理，有时也称前处理。对水质预处理的好坏，直接影响电渗析、反渗透、离子交换等主要处理工艺的技术经济效果和长期安全运行，它是工业水处理中非常重要的一环。预处理的方法主要有多介质过滤和活性炭吸附，功能是滤除悬浮物、机械杂质、有机物等，从而提高水的澄明度。多介质过滤器，又称机械过滤器，是以成层状的无烟煤、砂、细碎的石榴石或其他材料为床层，床的顶层由最轻和最粗品级的材料组成，而最重和最细品级的材料放在床的低部。其原理为按深度过滤水中较大的颗粒在顶层被去除，较小的颗粒在过滤器介质的较深处被去除，从而使水质达到粗过滤后的标准。这样把颗粒无烟煤作为其上层滤料，而大比重的小颗粒石英砂放在其下层，用以除去原水中的悬浮物质、固体颗粒。悬浮固体是水中不溶解的非胶态的固体物质，它们在条件适宜时可以沉淀。用过滤器截留悬浮固体，以过滤介质截留悬浮固体前后的重量差作为衡量过滤器发挥作用的依据。过滤介质一般使D=0.5-1.0mm的滤料介质.根据水中的杂质成份可以采用单层过滤、双层过滤和多层过滤。吸附法是利用多孔性固体物质，使水中一种或多种有害物质被吸附在固体表面而去除的方法。在水质预处理系统中，活性炭过滤器能够吸附前级过滤中无法去除的余氯以防止后级反渗透膜受其氧化降解，同时还吸附从前级泄漏过来的小分子有机物等污染性物质，对水中异味、胶体及色素、重金属离子、COD等有较明显的吸附去除作用。可以进一步降低RO进水的SDI值，保证SDI5，TOC2.Oppm。活性炭吸附器上层为2030目的活性炭颗粒，下层为0.82.0mm的石英砂颗粒。内装优质活性炭，其工作是通过炭床来完成的。组成炭床的活性炭颗粒有非常多的微孔和巨大的比表面积，具有很强的物理吸附能力，水通过炭床，水中有机污染物被活性炭有效地吸附，此外活性炭表面非结晶部分上有一些含氧管能团，使通过炭床的水中之有机污染物被活性炭有效地吸附。活性炭过滤器一般作为给水处理或污水处理的深度处理设备，其作用主要去除水中的悬浮物质、大分子有机物、胶体、异味、余氯、色度、重金属等杂质，降低COD含量以保证后序系统的正常运行，延长反渗透膜的使用寿命，其主要技术参数如表2.2。表2.2 活性炭过滤主要技术参数工作压力0.05MPa0.6Mpa工作温度540操作方式手动或自动控制简体材料04、316L、A3碳钢及玻璃钢2.2 反渗透过程反渗透是60年代发展起来的一项新的膜分离技术,是依靠反渗透膜在压力下使溶液中的溶剂与溶质进行分离的过程。因为它和自然渗透的方向相反，故称反渗透。RO（Reverse Osmosis）反渗透技术是利用压力表差为动力的膜分离过滤技术，源于美国二十世纪六十年代宇航科技的研究，后逐渐转化为民用，目前已广泛运用于科研、医药、食品、饮料、海水淡化等领域。如图2.2所示。盐水淡水盐水淡水渗透压渗透压半透膜半透膜渗透原理反渗透原理图2.2反渗透技术是当今最先进和最节能有效的膜分离技术。反渗透水处理设备作为纯水过滤的专用设备，在水过滤时利用反渗透膜的选择性透过原理，通过设备的高压泵对经过反渗透膜的原水施加一定压力，在压力作用下，原水中的水分子可以透过膜而渗析出来，而其他无机盐、微生物与有机物等却由于反渗透膜对这些物质的截留特性而不能透过膜，从而可以获得纯净的无离子水。由于反渗透膜的膜孔径非常小（仅为10A左右），因此能够有效地去除水中的溶解盐类、胶体、微生物、有机物等（去除率高达97%-98%）。反渗透是目前高纯水设备中应用最广泛的一种脱盐技术，它的分离对象是溶液中的离子范围和分子量几百的有机物。近年来反渗透（RO）脱盐技术正以惊人的速度进入纯水制备领域，一方面是大批引进国外的成套设备，一方面是国内对膜技术的研究，开发和应用飞速发展。由于新技术的广泛采用，对纯水系统的处理工艺也相应提出了更高的要求，几种主要脱盐工艺的进水水质标准见表2.3。表2.3 几种主要脱盐工艺的进水水质标准项目进水质标准离子交换（IE）电渗透（ED）反渗透（RO）中空PA膜卷式CA膜浊度逆流再生2顺流再生5130.30.5SDI1035朗格利尔指数（LSI）0（或浓水0.5）0（或浓水0.5）COD(mg/IO2)231.51.5余氯（mg/L）0.10.100.21PH41147总Fe（mg/L）0.30.30.050.1反渗透（RO）的进水水质标准比一般脱盐工艺要严格。污染指数是（SDI）是反渗透进水控制的一个重要指标，它是以0.45um微孔滤膜的堵塞程度来间接表征低浊度水中胶体杂质的含量，实践证明SDI是保证反渗透（RO）正常运行十分有效的指标，同时对离子交换（IE）电渗析（ED）的预处理也有一定的借鉴作用，当SDI偏高时会造成交换树脂或离子交换膜的污染，使交换容量和出水水质下降。在反渗透处理中，会加碱来提高脱除率，在反渗透进水中注入碱液用来提高PH，PH升高会增加LSI、降低碳酸钙及铁和锰的溶解度，因此在一级反渗透中加碱使用较少，最常见的加碱应用是二级RO系统。在二级反渗透系统中，一级RO产水供给二级RO作为原水，二级反渗透对一级反渗透产水进行“抛光”处理，二级RO产水的水质可达到4兆欧。而在二级RO进水中加碱有4个原因：1) 在pH8.2以上，二氧化碳全部转化为碳酸根离子，碳酸根离子可以被反渗透脱除。而二氧化碳本身是一种气体，会随透过液自由进入RO产水，对于下游的离子交换床抛光处理造成不当的负荷。2) 某些TOC成分在高pH下更容易脱除。3) 二氧化硅的溶解度和脱除率在高pH下更高（特别是高于9时）。4) 硼的脱除率在高pH下也较高（特别是高于9时）。2.3 EDI精处理过程EDI技术是离子交换核电渗析技术相结合的产物,因此EDI的除盐机理具有很强的离子交换和电渗析的工作特性。EDI和传统混床相比具有着无法比拟的优势，现在已得到了越来越多的应用。特别是EDI使水处理成为了绿色行业，满足了当今世界对环保的要求。电除盐(Electordeionization缩写为EDI)，是一种新型的纯水处理技术，它是将电渗析和离子交换技术有机结合的深度除盐新工艺。在EDI中，阴、阳混合离子交换树脂被填充在淡水室中，利用除盐过程中的浓度极化和水电离产生的H+ 、OH一再生混合离子交换离子树脂，相当于连续获得再生的混合离子交换树脂，从而具有连续再生能力，再生过程不需要酸、碱等化学试剂，被称为新型绿色环保水处理技术。依据用水水质的不同要求，EDI一般和反渗透水处理技术(RO)结合使用，用于反渗透水处理设备之后的精处理来替代混床，也可以作为混床的前处理。EDI是一种物理除盐工艺，一套EDI由多个除盐单元组成，一个EDI单元由离子交换树脂、离子选择性膜以及直流电场组成，如图2.3所示。离子交换树脂、离子选择性膜以及直流电场组成，离子选择性膜分为阴离子选择性透过膜和阴离子选择性透过膜，两者间隔排列，阳离子选择性透过膜只允许阳离子通过，阴离子和水不能通过。同样，阴离子选择性透过膜只允许阴离子通过。阴、阳混合树脂夹在阳、阴选择性透过膜中间，在外加直流电场的作用下Ca 、Mg计、Na 、H 等阳离子向阴极移动，HCO 、SO；一、OH一等阴离了向阳极移动，通过选择透过性膜分别进入相临的弃水通道，从而降低淡水通道水中的离子含量，达到净化的目的。离子交换树脂所起的作用有两点，是使产水通道中的电阻降低，加强了离子迁移，增强了电离子的去除能力，提高产水水质；二是在直+阳极-阴极阴离子选择性膜阴离子选择性膜混合离子交换树脂图2.3 EDI结构示意图流电场中不断地水解出H+ 、OH一，这种分离出来的H+、OH一在EDI中充当树脂的再生剂，可以始终维持一部分树脂处于再生状态，从而显著地提高产水量。这样，离子交换树脂的再生在产水的同时完成，不需要额外添加酸碱等化学药品而具有连续再生能力。系统的设计水源为地下水，原水经过絮凝、多介质过滤等预处理后，达到RO 进水要求，RO 出水满足EDI进水要求，原水温度为1525 C，最低温度为5C ，RO 的设计脱盐率为97 。系统的设计RO出水水质、EDI产水水质分别见表2.4、2.5。表2.4 EDI进水要求项目含量项目含量项目含量PH5.09.0可溶硅0.5余氯0.05总硬度（CaCO3）1.0TOC0.5Fe、Mn、H2S0.01表2.5 EDI产水水质项目参数项目参数PH硬度6.09.00 umol/LSiO2电导率0.05mg/L0.2 us/cm不同原水情况下RO、EDI的实际运行也会有所不同，如表2.6所示。在EDI的实际运行中，其出水水质是可调的。出水的导电率可高于设计出水，是因为24uscm 的水质既能满足实际生产的需要，又能将系统的运行控制在较高的经济性水平。水的利用率高是EDI系统的另一优点，在实际生产中，EDI排水回收可作为RO的进水，能提高整个系统的水利用率。表2.6 不同原水时RO、EDI的运行指标项目地下水（设计水源）黄河水硬度（umol/L）SiO2（mg/L）电导率（us/cm）硬度（umol/L）SiO2（mg/L）电导率（us/cm）原水51207.445060503.791074RO出水480.120.1881510140.100.151525EDI出水00.10.5300.124EDI作为一种新型的纯水技术，我国已经在实验室纯水提供、化工、医药以及中温中压锅炉补给水方面有了许多成功的实际应用。就目前的运行状况而言，EDI技术在大型火力发电厂水处理系统中的应用还处于探讨阶段，其出水的水质、稳定性等较高温高压发电机组补给水要求还有一定难度。但国外EDI技术已经应用在大型火力发电厂、核电厂，而且运行的出水水质、稳定性都能满足生产运行的需要。因而，作为一种环保、清洁、可以连续再生运行的纯水处理技术，EDI代表了水处理技术未来的一种发展趋势，具有广阔的应用前景。2.4 主要设备的组成及控制方式系统的设备组成如表2.7所示。表2.7 设备组成设备名称数量增压泵3高压泵2多介质过滤器1活性炭过滤器1反渗透主机2EDI设备1纯水处理系统采用顺序控制和过程控制，顺序控制实现PLC对原水泵、多介质过滤器、活性碳过滤器、反渗透膜等组件的启动、停止及各设备间的关联控制。过程控制主要实现对系统温度、液位、流量、压力、电导率等工艺参数采集，以调节阀门开度、变频器频率设定、启动多介质过滤器和活性碳过滤器反洗、达到最佳优化控制效果。顺序控制按照工艺要求对纯水处理系统的各个单元进行先后控制，并对水质出现意外情况时进行单元顺序调整，从而控制整个制备系统水质。过程控制分为现场对象层、IO模块层和S7200现场主控控制层。现场主控控制层与IO模块层连接。温度控制器、流量传感器、液位传感器、导电度变送器等通过连接电缆连接到分布式IO模块层，然后连接到PLC控制器。3 主电路设计及PLC选型3.1 PLC概述3.1.1 PLC的基本概念可编程控制器(Programmable Controller)是计算机家族中的一员，是为工业控制应用而设计制造的。早期的可编程控制器称作可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller)，简称PLC，它主要用来代替继电器实现逻辑控制。随着技术的发展，这种装置的功能已经大大超过了逻辑控制的范围，因此，今天这种装置称作可编程控制器，简称PC。但是为了避免与个人计算机(Personal Computer)的简称混淆，所以将可编程控制器简称PLC。可编程控制器是以微处理器为基础，综合计算机技术，自动控制技术和通讯技术而发展起来的一种新型工业控制装置，它将传统继电器控制技术和现代计算机信息处理两者的优点结合起来成为工业自动化领域中最重要，应用最多的控制设备。3.1.2 PLC的基本结构PLC实质是一种专用于工业控制的计算机，其硬件结构基本上与微型计算机相同，如图3.1所示。系统程序用户程序存储器外设接口I/O扩展接口微处理器电源部件输入部件输出部件I/O扩展单元编辑器其他外设接受现场信号驱动受控元件基本单元图3.1 PLC的硬件结构图1） 中央处理单元(CPU)中央处理单元(CPU)是PLC的核心部分，是整个PLC系统的中枢。它按照PLC系统程序赋予的功能接收并存储从编程器键入的用户程序和数据,检查电源、存储器、I/O以及警戒定时器的状态，并能诊断用户程序中的语法错误。当PLC投入运行时，首先它以扫描的方式接收现场各输入装置的状态和数据，并分别存入I/O映象区，然后从用户程序存储器中逐条读取用户程序，经过命令解释后按指令的规定执行逻辑或算数运算的结果送入I/O映象区或数据寄存器内。等所有的用户程序执行完毕之后，最后将I/O映象区的各输出状态或输出寄存器内的数据传送到相应的输出装置，如此循环运行，直到停止运行。为了进一步提高PLC的可靠性，近年来对大型PLC还采用双CPU构成冗余系统，或采用三CPU的表决式系统。这样，即使某个CPU出现故障，整个系统仍能正常运行。2） 存储器PLC中的存储器根据用途不同分为系统程序存储器、用户程序存储器和工作数据存储器三种。系统程序存储器是存放系统程序的存储器区域，为只读存储器，用户不能更改其中的内容，它主要完成指令解释、系统自诊断 、子程序调用管理、运算、通信和各种参数设定等功能。用户程序存储器是存放用户程序的存储器区域，用户程序是用户根据自己的控制要求而编写的应用程序，用户程序存储器必须是可读写的。工作数据存储器是用来存储工作数据的存储器区域，工作数据是随着程序的运行和控制过程的进行而随机变化的，因此工作数据存储器也是采用RAM和EEROM存储器。在工作数据区中，预先开辟了各种软元件的映像寄存器区域好变量数据区。3） 电源PLC的电源在整个系统中起着十分重要的作用。如果没有一个良好的、可靠的电源系统是无法正常工作的，因此PLC的制造商对电源的设计和制造也十分重视。一般交流电压波动在+10%(+15%)范围内，可以不采取其它措施而将PLC直接连接到交流电网上去。3.1.3 PLC的工作原理当PLC投入运行后，其工作过程一般分为三个阶段，即输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段。完成上述三个阶段称作一个扫描周期。在整个运行期间，PLC的CPU以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。1） 输入采样阶段在输入采样阶段，PLC以扫描方式依次地读入所有输入状态和数据，并将它们存入I/O映象区中的相应得单元内。输入采样结束后，转入用户程序执行和输出刷新阶段。在这两个阶段中，即使输入状态和数据发生变化，I/O映象区中的相应单元的状态和数据也不会改变。因此，如果输入是脉冲信号，则该脉冲信号的宽度必须大于一个扫描周期，才能保证在任何情况下，该输入均能被读入。2） 用户程序执行阶段在用户程序执行阶段，PLC总是按由上而下的顺序依次地扫描用户程序(梯形图)。在扫描每一条梯形图时，又总是先扫描梯形图左边的由各触点构成的控制线路，并按先左后右、先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运算，然后根据逻辑运算的结果，刷新该逻辑线圈在系统RAM存储区中对应位的状态；或者刷新该输出线圈在I/O映象区中对应位的状态；或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。即在用户程序执行过程中，只有输入点在I/O映象区内的状态和数据不会发生变化，而其他输出点和软设备在I/O映象区或系统RAM存储区内的状态和数据都有可能发生变化，而且排在上面的梯形图，其程序执行结果会对排在下面的凡是用到这些线圈或数据的梯形图起作用；相反，排在下面的梯形图，其被刷新的逻辑线圈的状态或数据只能到下一个扫描周期才能对排在其上面的程序起作用。3） 输出刷新阶段当扫描用户程序结束后，PLC就进入输出刷新阶段。在此期间，CPU按照I/O映象区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路，再经输出电路驱动相应的外设。这时，才是PLC的真正输出。3.2 PLC的输入、输出地址分配输入/输出模块通常简称为I/O模块或I/O接口。PLC通过I/O模块与外部设备相互联系，通过I/O模块可以接受现场设备（传感器）向PLC提供的被控对象的各种参数，或按钮、操作开关、继电器触点和接近开关等提供的开关量信号。这些信号经过输入接口电路的滤波、光电隔离和电平转换等处理，变成CPU能够接收和处理的信号。同时，通过I/O模块可以将经过CPU处理的信号通过光电隔离和功率放大等处理，转换成外部设备所需要的驱动信号，以驱动如继电器、电磁阀、电磁铁、调节阀、调速装置等各执行机构。PLC的I/O模块的主要类型有：数字量输入模块、数字量输出模块、数字量输入/输出混合模块、模拟量输入模块、模拟量输出模块和模拟量输入/输出混合模块。正确地连接输入和输出电路，是保证PLC安全可靠工作的前提。本设计PLC的的输入、输出地址分配如表3.1、3.2、3.3所示。表3.1 开关量输入输入信号地址备注原水进水电动阀反馈I0.0输入为0时，原水进水电动阀关闭，输入为1时，原水进水电动阀打开原水泵反馈I0.1输入为0时，原水泵停止，输入为1时，原水泵运行多介质过滤器上进水电动阀反馈I0.2输入为0时，多介质过滤器上进水电动阀关闭，输入为1时，打开多介质过滤器下进水及反排污电动阀反馈I0.3输入为0时，多介质过滤器下进水及反排污电动阀关闭，输入为1时，打开多介质过滤器下排污电动阀反馈I0.4输入为0时，多介质过滤器下排污电动阀关闭，输入为1时，打开活性炭过滤器上进水电动阀反馈I0.5输入为0时，活性炭过滤器上进水电动阀关闭，输入为1时，打开活性炭过滤器下进水及反排污电动阀反馈I0.6输入为0时，活性炭过滤器下进水及反排污电动阀关闭，输入为1时，打开活性炭过滤器下排污电动阀反馈I0.7输入为0时，活性炭过滤器下排污电动阀关闭，输入为1时，打开活性炭过滤器出水电动阀反馈I1.0输入为0时，活性炭过滤器出水电动阀关闭，输入为1时，打开一级高压泵反馈I1.1输入为0时，一级高压泵停止，输入为1时，一级高压泵运行二级高压泵反馈I1.2输入为0时，二级高压泵停止，输入为1时，二级高压泵运行一级定时排放电动阀反馈I1.3输入为0时，一级定时排放电动阀关闭，输入为1时，打开二级定时排放电动阀反馈I1.4输入为0时，二级定时排放电动阀关闭，输入为1时，打开一级超标排放信号反馈I1.5输入为0时，一级超标排放电动阀关闭，输入为1时，打开二级超标排放信号反馈I1.6输入为0时，二级超标排放电动阀关闭，输入为1时，打开EDI水泵反馈I1.7输入为0时，EDI水泵停止，输入为1时，EDI水泵运行EDI产水超标排放信号反馈I2.0输入为0时，EDI产水超标排放电动阀关闭，输入为1时，打开纯水泵反馈I2.1输入为0时，纯水泵停止，输入为1时，纯水泵运行表3.2 模拟量输入名称地址编号备注原水箱水位RA1输入水位低于低水位时，原进水电动阀打开，高于高水位时，原进水电动阀关闭中间水箱水位RB1输入水位低于低水位时，原水泵启动，输入水位高于高水位时，原水泵停止，检测到水位低于无水水位时，立即停止原水泵并报警一级RO水箱水位RC1输入水位低于低水位时，一级高压泵启动，输入水位高于高水位时，一级高压泵停止，检测到水位低于无水水位时，立即停止一级高压泵并报警二级RO水箱水位RD1输入水位低于低水位时，二级高压泵启动，输入水位高于高水位时，二级高压泵停止，检测到水位低于无水水位时，立即停止二级高压泵并报警纯水箱水位RA2输入水位低于低水位时，EDI水泵启动，输入水位高于高水位时，EDI水泵停止，检测到水位低于无水水位时，立即停止EDI水泵并报警表3.3 输出量名称地址编号备注原水进水电动阀Q0.1输出为0时，原水进水电动阀关闭，输出为1时，原水进水电动阀打开原水泵控制Q0.1输出为0时，原水泵停止，输出为1时，原水泵运行多介质过滤器上进水电动阀Q0.2输出为0时，多介质过滤器上进水电动阀关闭，输出为1时，打开多介质过滤器下进水及反洗排污电动阀Q0.3输出为0时，多介质过滤器下进水及反排污电动阀关闭，输出为1时，打开多介质过滤器下排污电动阀Q0.4输出为0时，多介质过滤器下排污电动阀关闭，输出为1时，打开活性炭过滤器上进水电动阀Q0.5输出为0时，活性炭过滤器上进水电动阀关闭，输出为1时，打开活性炭过滤器下进水及反洗排污电动阀Q0.6输出为0时，活性炭过滤器下进水及反排污电动阀关闭，输出为1时，打开活性炭过滤器下排污电动阀Q0.7输出为0时，活性炭过滤器下排污电动阀关闭，输出为1时，打开活性炭过滤器出水电动阀Q1.0输出为0时，活性炭过滤器出水电动阀关闭，输出为1时，打开一级高压泵控制Q1.1输出为0时，一级高压泵停止，输出为1时，一级高压泵运行二级高压泵控制Q1.2输出为0时，二级高压泵停止，输出为1时，二级高压泵运行一级定时排放Q1.3输出为0时，一级定时排放阀门关闭，输出为1时，打开二级定时排放Q1.4输出为0时，二级定时排放阀门关闭，输出为1时，打开一级超标排放Q1.5输出为0时，一级超标排放阀门关闭，输出为1时，打开二级超标排放Q1.6输出为0时，二级超标排放阀门关闭，输出为1时，打开EDI水泵控制Q1.7输出为0时，EDI水泵停止，输出为1时，EDI水泵运行EDI产水超标排放Q2.0输出为0时，EDI产水超标排放阀门关闭，输出为1时，打开纯水泵控制Q2.1输出为0时，纯水泵停止，输出为1时，纯水泵运行EDI设备加电控制Q2.2EDI水泵运行后30s，EDI设备加电EDI设备断电控制Q2.3EDI水泵停止，EDI设备立即断电3.3 控制系统的方案结构基于课题要求和纯水处理技术的发展现状，参阅各方面资料，经过反复分析与比较，本次设计拟采用以下设计方案,采用PLC可编程控制器技术实现纯水处理控制，方案结构如图3.2所示。在触摸屏上控制系统的启动和停止，系统启动后，PLC要采集的输入量有各个阀门的开闭情况还有各个水箱的液位情况，PLC输出控制各个水泵的启停、系统的反洗、报警等。其中输入量中水箱液位是模拟量输入，所以系统中要用到液位传感器来把水箱的液位情况传递给PLC，PLC控制也要扩展模拟输入模块与传感器连接。系统运行过程中PLC自动检测各个设备是否正常运行，如果检测到故障时，PLC输出报警信号并中断相应的设备运行。另外EDI设备不可无水加电运行，所以EDI水泵的运行情况直接控制EDI电源设备。PLC触摸屏传感器水箱水位开关量输入自动/停止原水泵EDI水泵纯水泵高压泵开关量输出报警电铃EDI断/加电参数设定图3.2 系统结构框图3.4 PLC各模块的选取及简介系统中有18个开关输入量，5个模拟输入量，20个模拟输出量，所以PLC选择CPU 226 AC/DC/继电器作为CPU主芯片，型号是6ES7 216-2BD23-0XB8。CPU 226有24个输入，16个继电器输出，而系统中有20个输出，因此还需要扩展一个继电器输出模块，所以选择EM 221数字输出 8继电器输出模块，型号是6ES7 222-1HF22-0XA8。另外，系统中还有5个模拟量输入，所以系统还需要扩展模拟量输入模块，本设计中选取2个EM 235模拟量组合模块，EM 235有4个输入，其型号为6ES7 235-0KD22-0XA8。这样，PLC设备的输入输出都留有裕量，能更可靠的使系统实现自动化控制运行。6ES7 216-2BD23-0XB8集成24个输入和16个输出，共40个数字量I/O 点。可连接7个扩展模块，最大扩展至248路数字量I/O点或35路模拟量I/O点。26K字节程序和数据存储空间。6个独立的30kHz高速计数器，2路独立的20kHz高速脉冲输出，具有PID控制器。2个RS485 通讯/编程口，具有PPI通讯协议、MPI通讯协议和自由方式通讯能力。I/O端子排可很容易地整体拆卸。用于较高要求的控制系统，具有更多的输入/输出点，更强的模块扩展能力，更快的运行速度和功能更强的内部集成特殊功能。可完全适应于一些比较复杂的中小型控制系统。EM 235是最常用的模拟量扩展模块，它能实现4路模拟量输入和1路模拟量输出的功能。EM 235模块是组合强功率精密线性电流互感器、意法半导体（ST）单片集成变送器ASIC芯片于一体的新一代交流电流隔离变送器模块，它可以直接将被测主回路交流电流转换成按线性比例输出的DC420mA（通过250电阻转换DC 15V或通过500电阻 转换DC210V）恒流环标准信号，连续输送到接收装置。EM 235模块采用印制板直插安装型结构,便于空间紧奏的机箱布局与安装，原副边高度绝缘隔离，两线制输出接线，辅助工作电源24V与输出信号线DC420mA共用，具有精度高，体积小、功耗小、频响宽、抗干扰、国内首创4种补偿措施和6大全面保护功能，两线端口防感应雷能力强，具有雷击波和突波的保护能力等优点。3.5 主电路图设计系统中重主要控制原水泵，高压泵，EDI水泵，纯水泵。主电路图如图3.3所示。图3.3 系统主电路图 4 控制软件设计4.1 系统的流程图纯水处理系统的详细工艺流程图如图4.1所示。原水箱原水泵多介质过滤器上进水反排污下进水下排污下排污下进水反排污上进水多介质过滤器活性炭过滤器出水电动阀中间水箱一级高压泵一级反渗透一级定时排放一级超标排放一级RO水箱二级高压泵二级反渗透二级超标排放二级定时排放二级RO水箱水泵精处理纯水箱产水超标排放原水进水电动阀自来水纯水泵图4.1 纯水处理详细工艺流程图4.2 控制思路介绍 首先生活中的用水送到原水箱，经过多介质过滤器和活性碳过滤器的预处理的阶段送到中间水箱，再送到一级RO水箱，二级RO水箱，经过二级反渗透技术的进一步处理。最后经过EDI设备精处理送到纯水箱供给用水点使用。纯水箱设定一个高水位值为4.5m，一个低水位值1m和一个无水水位值0.5m。触摸屏上选择自动控制挡，按启动按钮，纯水处理系统开始运行，液位传感器首先检测各个水箱的液位，如果原水箱的水位低于1m，原水进阀门自动打开，如果原水箱的水位高于4.5m，原水进水电动阀自动关闭。 系统进入预处理阶段时，首先保证多介质过滤器上进水电动阀打开、活性炭过滤器上进水电动阀打开、活性炭过滤器出水阀门打开、多介质过滤器下进水及反排污电动阀关闭、多介质过滤器下排污电动阀关闭、活性炭过滤器下进水及反排污电动阀关闭、活性炭过滤器下排污电动阀关闭。然后要求中间水箱的水位低于1m，原水箱的水位高于0.5m。满足以上所有条件时，方可启动原水泵，系统开始对原水进行预处理。 设置原水泵累计工作时间达到4小时时，系统开始多介质过滤器和活性炭过滤器的反洗，首先对多介质过滤器进行反洗，4.3 触摸屏软件设计4.3.1 触摸屏简介在系统的自运行过程当中，获得最大的透明性对操作员来说至关重要，操作员应该随时能对系统的运作情况进行控制并监控。这样就要用到触摸屏,触摸屏是操作人员与设计仪器直接的接口，操作员能对系统的一些参数进行设定，对系统的报警信号作出相应的处理，还能对系统的运行有整体的监控功能。触摸屏有以下功能：1）过程可视化2）操作员对过程的控制3）显示报警4）归档过程值和报警5）过程值和报警记录6）过程和设备的参数管理本设计中用到的触摸屏为GP37W2-BG41-24V （5.7 英寸，单色蓝白LCD）。纯水处理系统，由于其组成设备多，水的各种指标严格，如纯度、PH值、电导率等。触摸屏与PLC通讯引用在纯水处理的控制系统中，改变了传统复杂的按钮控制方式，能很好的满足工艺要求。4.3.2 PLC与触摸屏的连接触摸屏与PLC可以靠电缆线来连接，触摸屏对每一台它所支持的PLC都可以支持通信方式。连接上了之后，先在PLC程序中的“参数设置”里定义通讯地址和方式，设置主站和从站号，还要将连接的端口设置为“通讯功能”，如果是“编程功能”则无法正常使用。然后对触摸屏进行定位,再用PLC软件来定位PLC的位地址，也就是触摸屏里的按键设置成PLC的位地址，然后在PLC里就这个地址来写相关的逻辑。 触摸屏首先要制作出它的画面，并设置按钮。在手动控制环境下，按钮对应控制PLC中的中间存储器，从而达到控制PLC的目的。同样，在自动运行环境下为了把系统的各个电气设备的工作状态显示出来，以便现场控制技术人员采取对应的措施继续控制，所以触摸屏上需要做出报警画面，通过它来显示系统各个电气设备的工作状态，还需要设置多个指示灯，它们是通过监视PLC对应信号来显示的。进入纯水处理系统，首先有手动/自动选择按钮，本设计主要设计自动控制，以下就自动控制做介绍。纯水处理工序有预处理阶段一，预处理阶段二，反渗透，EDI精处理过程，初始界面可设置按钮，然后每个按钮所指进入每个工序的监控界面，显示每个过程当中的系统中各个阀门的开闭情况，以达到对系统运行的最大的透明程度。1） 进入纯水处理系统的初始界面，可选择手动控制和自动控制，另外设置预处理阶段一、预处理阶段二、反渗透过程、EDI精处理过程、制水过程监控、运行参数的按钮来分类监控通道，主要对每个程序可进行选择性监控。并设有复位按钮来做出对系统的故障处理。如图4.1所示。图4.1 纯水处理系统初始界面按钮设置2） 在预处理阶段一界面处，设置原水泵的运行状况指示灯，还有原水进水阀门，多介质过滤器上进水电动阀，下进水及反排污电动阀，下排污电动阀，活性炭过滤器上进水电动阀，下进水及反排污电动阀，下排污电动阀，出水阀门的开闭情况指示灯，并就每个泵和阀门设置控制按钮。如图4.2所示。图4.2 预处理阶段一界面设置3） 在预处理阶段二界面处，设置原水泵运行情况指示灯，设置活性炭过滤器上进水电动阀、下进水及反排污电动阀、下排污电动阀，出水阀门的开闭情况指示灯，并各设置控制按钮。如图4.3所示。图4.3 预处理阶段二界面设置4）在反渗透控制过程界面处，设置一级高压泵和二级高压泵的运行情况指示灯，设置一级定时排放阀门、一级超标排放阀门、二级定时排放阀门、二级超标排放阀门的开闭情况指示灯，并各设置控制按钮。如图4.4所示。图4.4 反渗透过程界面设置5） 在EDI精处理过程界面处，设置EDI水泵和纯水泵运行状态指示灯，设置EDI超标排放、EDI加电设备、EDI断电设备的开闭情况指示灯，并各设控制按钮。如图4.5所示。图4.5 EDI精处理过程界面设置6） 在制水过程监控界面处，设置原水箱、中间水箱、一级RO水箱、二级RO水箱、纯水箱的水位情况指示灯、设置原水泵、一级高压泵、二级高压泵，EDI水泵、纯水泵的运行情况指示灯、设置多介质反洗、活性炭反洗情况指示灯、设置原水进水电动阀、一级定时排放阀门、一级超标排放阀门、二级定时排放阀门、二级超标排放阀门、EDI产水