罗泾水厂PLC自动生产控制系统的设计与运用金鸣

罗泾水厂PLC自动生产控制系统的设计与运用金鸣

金鸣

（上海水务建设工程有限公司上海200082）

摘要：在当今社会中，自来水行业与人们的生活，生产的关系越来越紧密。PLC作为新一代的工业控制器，以其高可靠性和技术先进性，在自来水行业的工作系统中逐步取代的传统的继电器控制等控制系统，得到了广泛的应用。从而使自来水厂设备控制更简单，更稳定，极大的提高了生产效率和产品质量。传统的水厂制水工艺从原水的取得，进入水厂之后第一步进入沉淀池进行加药后的沉淀，清水进入滤池反渗透后流入清水库，再通过出水泵房的电动机组将合格的自来水通过管道输送至千家万户。这一路的生产工艺以前靠传统的继电器人工控制，人力成本大，设备容易老化，故障率高，不利于制水的稳定。随着科技的进步，PLC控制越来越受到工业用户的欢迎，它具有，可靠性高，体积小及稳定性高等多种优点，广泛应用与水厂的控制设备里，大大提高了设备的安全。

关键词：PLC；自动生产控制；设计与运用

1、引言

1.1选题背景及意义

在当今社会中，自来水行业与人们的生活，生产的关系越来越紧密。随着科技发展，社会进步，上海作为国际特大型城市，对城市供水要求也越来越高，这就对供水系统提出更高的要求，供水设备的稳定可靠就尤为显得重要，自来水行业原有的一些设备基本都是使用传统的继电器控制系统，完全依赖于手工操作，存在着人工成本高、维修难度大，使用寿命短，维修费用高，控制复杂，生产效率比较低等缺点，这就促使我们需要寻找一种更好，更经济更先进的控制方式来弥补这些缺点。PLC作为新一代的工业控制器，以其高可靠性和技术先进性，在自来水行业的工作系统中逐步取代的传统的继电器控制等控制系统，得到了广泛的应用，从而使自来水厂设备控制更简单，更稳定，极大的提高了生产效率和产品质量。

1.2研究的主要内容及设计思路

本次毕业设计主要是对可编程控制器（PLC）在罗泾水厂控制系统中的应用，通过对系统硬件设计方法和程序设计思路的介绍，给出了自来水厂净水系统的控制方法，可靠的实现了对制水设备和生产过程的全自动操作，达到“现场无人值守，中控室少人值班”的现代化自控系统。本文详细介绍了自来水净水系统的工艺要求以及三菱FX2N系列可编程序控制器和它的工作方式及编程语言等。

根据近年来PLC控制方式在各行各业及在部分自来水企业中的运用所体现出来的良好效果，并结合其控制简单方便，工作效率高，使用年限长，控制精度高等特点和优点，对罗泾水厂的整个生产系统做了本次PLC自控的设计。主要涉及自来水从原水（从陈行水库通过管道输送）→加药（混凝剂、消毒剂）→反应池（絮凝）→沉淀池（沉淀）→快滤池（过滤）→滤后消毒（次氯酸钠）→清水库→二级泵房→城市管网→用户的整个生产过程中所涉及到的用电设备，电动阀门，加药系统，液位系统及机组出水系统的PLC控制系统的总体设计方案、组成及模块化程序设计。

2、可编程控制器（PLC）的简介和选用原则

2.1三菱FX2NPLC的简介

20世纪初90年代，三菱公司在TX系列PLC基础上又推出了FX2N系列产品。该机型在运算速度，指令数量及通讯能力方面有了较大的进步，它具有速度快，功能强，基本指令执行时间高达0.08us。而且内置用户储存数达到8k步，I/O点数可达256个。是一种小型化，高速，高性能各方面都相当于TX系列中最高档次的超小型PLC，最大范围的包容了标准特点，执行速度更快，通讯功能更齐全，为工厂自动化运用提供了更大的灵活性和控制能力。

FX2NPLC的基本单元可以根据控制规模大小外加扩展单元、扩展模块及特殊功能单元构成叠装式PLC控制系统，基本单元内置2轴独立最高20kHz定位功能（晶体管输出型）

2.2PLC的特点

（1）可靠性高，抗干扰能力强

高可靠性是电气控制设备的关键性能。PLC由于是采用现代大规模集成电路技术，内部采用了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性。例如三菱公司生产的F系列PLC平均无故障时间高达30万小时。

（2）配套齐全，功能完善，实用性强

近年来PLC的功能模块大量涌现，使PLC渗透到了位置控制、温度控制、计算机数控等各种工业领域。

（3）系统设计周期短，维护方便，改造容易

PLC采用存储逻辑代替接线逻辑，大大减少了控制设备的外部接线，使控制系统设计周期大大缩短，由于PLC具有完善的自我诊断等功能，便于故障的查找和处理，使维护变得十分容易。

（4）体积小，重量轻，能耗低

超小型的PLC，其产品都采用的是单元箱体结构，其体积和重量只有通常的接触器大小，功耗非常地，易于安装在机械内部控制运动物体，是实现机电一体化的理想控制设备。

2.3.PLC的选型

2.3.1PLC的选用原则

选择PLC是首待解决的事情，一方面要选择大容量的PLC，另一方面是选择什么公司的PLC及外设。首先根据图纸及控制流程，将所有的I/O点找出来，包括开关量和模拟量以及输出是用继电器还是晶体管，这些内容尤为重要。在一般情况下继电器输出的PLC使用最多。对于第二个问题，则有以下几个方面需要考虑：

1、功能方面所有PLC一般都具有常规的功能，但对某些特殊要求，就要知道所选用的PLC是否具有能力控制任务，如通信要求，位置等特殊要求。

2、价格方面不同厂家的PLC产品价格相差非常大，有些功能类似，质量相当，I/O点数相当的PLC价格能相差40%以上。

在本次设计中所涉及到的I/O点数较多，并包含了若干辅助继电器和时间信号点位，因此考虑到维修，采购费用等综合因素，并考虑今后的发展，增加30%的点位余量，经权衡各项指标，决定选用三菱FX2N系列的PLC可编程控制器。

2.3.2PLC设计步骤

PLC程序设计一般分为以下几个步骤：设计前准备工作、工艺流程图设计和程序指令的编制。

1、设计前准备工作：弄懂水厂的整个制水过程和中间环节，根据设计图纸及运行单位的要求，了解运行规模、功能要求、控制方式、信号要求等相关技术条件。

2、工艺流程图的设计：根据提供的技术要求，设计出整套水厂的工艺流程及相关设备的电气线路图，并标注有关技术条件。

3、根据流程图及电气控制图编制指令表及梯形图。此步骤是最为核心的部分。梯形图作为最普通的编程语言，在编写过程中要及时进行注释，以免忘记相互之间的关系。标注可以是逻辑关系、程序的功能和信号的来源等。

4、输入编制好的指令表进行单机调试。调试是设计中一项最重要的步骤，它不仅可以检验程序编制的是否正确，也能测试设备是否达到预期要求。可以在实验室里进行模拟调试，也可以在现场进行设备的联动调试。

3、工艺控制步骤

本次设计采用三菱FX2N型PLC可编程控制器，对整个厂区内的各电器生产设备进行自动化控制。PLC内分为DO模块和DI模块，分别承担着动作命令和信号反馈命令，通过自控设备的通讯接口发送至PLC内部，由PLC来决定是否执行哪种命令。下面简单介绍一下罗泾水厂的工艺控制步骤，更加直观的了解水厂的工艺及技术条件。

原水从陈行水库通过输水管道通过水厂1#进水阀后进入沉淀池，由沉淀池1#液位仪传感器控制开关，低水位2米阀门开，高水位4.3米阀门关，并在水位2.8米上设一点，作为2#进水阀开启的必要条件；前加药电动机泵在1#进水阀开启状态下自动开启，向原水投加絮凝剂，达到规定剂量后1#进水阀关闭，加药电动机泵自动停止，同时前加氯泵进行首次加氯消毒。原水经与絮凝剂反应后，沉淀的杂质和淤泥沉入池底，初步处理后的水通过沉淀池上的集水槽流入滤池。此时沉淀池吸泥行车独立运行，运行时间为每隔3小时南北方向往返一次，利用虹吸原理将池底淤泥排出池外。采用南北2个限位开关及3个辅助继电器实现；2#进水阀由滤池2#液位仪传感器控制，低水位1.3米阀门开启，高水位3米阀门关闭，并在水位2米上设一点，同时在滤池里设置浊度仪一台，用于检测滤后水的浊度，当测得浊度NTU时，两者同时作为3#进水阀开启的必要条件。经沉淀池处理过的水在V型滤池内通过石英砂进行渗透过滤，水中杂质和泥土被吸附在石英砂上，清水则透过石英砂流入清水池。3#进水阀通过清水库3#液位仪传感器控制，低水位2米阀门开启，高水位4.5米阀门关闭。清水库后加氯电动机组由清水库内余氯测定仪控制，当余氯测定值250mg/L时后加氯机组停止运行；4#阀门在清水库水位2.5米以上时自动开启，2.5米以下时自动关闭。清水则流入出水泵房机组的进水管道。出水水泵机组设立3台，其中2备1用，只有当阀门4开启状态下才可以启动，使用独立控制。出水泵房机泵启动需根据供水中心调度室的指令，调度室视供水地区的管网压力及用户需求等综合因素来决定开启几台机泵。当水泵机组开启后出口压力传感器测值0.4MPA以上，时间满1分钟后，5#（6#，7#）阀门自动开启，水泵机组停车按钮按下时，先关闭5#（6#，7#）阀门，延迟3分钟停水泵机组，水泵机组每3小时自动轮换开停车。根据这套流程，罗泾水厂控制设备基本实现PLC全自动控制及操作，各项设备指标可以通过上位机反应到中控室的电脑屏幕上，大大减少人力成本和设备维修成本。

4、PLC及手动控制接线图

根据生产工艺过程中各电器设备的实际工作情况和具体控制要求，对本设计中所涉及到的电器设备的控制系统图做以下的接线。通过以下控制系统图实现电气设备的手动/PLC自动控制。这样能简单，直观的反映，控制要求和接线位置。在实际工作中也便于操作。

4.1PLC系统图

4.2电动阀门控制系统图

4.3吸泥行车控制系统图

4.4出水电动机控制系统图

4.5电动机（加药）控制系统图

5、电气控制图的工作原理分析

5.1电动阀门控制原理图分析

电气原理：当设备需要手动开阀时，先将转换开关拨到手动位置，按下开阀按钮SB2，开阀继电器1KM线圈得电，主继电器1KM吸合，阀门开启，同时关阀回路1KM常闭接点断开，切断关阀回路，保证不会在开阀的同时操作人员误操作。当阀门开足时，阀体内的开阀限位开关1ST断开，阀门停止开启，同时开足指示灯亮，阀门开到位。当需要手动关阀时，按下SB3，关阀继电器2KM线圈得电，关阀继电器2KM吸合，阀门开始关闭，同时开阀回路2KM常闭接点断开，切断开阀回路。当阀门关足时，阀体内关阀限位开关2ST断开，阀门停止关闭，同时关足指示灯亮起，阀门关到位。图中，阀体内1SL，2SL为阀门的过力矩限位，只有当开足限位或者关足限位失灵时，为防止阀门失灵造成无法停止运行通过机械动作将过力矩限位顶开，从而切断回路，保证设备的安全。

自控原理：当电动阀需要PLC操作运行时，先将转换开关拨到PLC位置，通过预设的液位控制开关，达到2米时（1.3米或者2米），PLC得到液位控制器发来的开阀信号，通过输出继电器使开阀回路PLC接点闭合，阀门进行开阀动作。当水位达到4.3米时（3米或者4.5米），PLC得到液位控制器发来的关阀信号，通过输出继电器使关阀回路PLC接点闭合，阀门进行关阀动作。

5.2吸泥行车控制图原理分析

电气原理：当吸泥行车手动运行时，先将转换开关拨到手动位置，按下SB2，KM线圈得电，KM主继电器吸合，KM常开接点闭合，南向北回路出于待命状态。当吸泥行车行至南面时，1ST限位开关闭合，此时1KM线圈得电，1KM继电器吸合，常开接点闭合，行车开始由南向北运行，行进到北面时，顶开2ST限位开关，断开南向北回路，北向南回路2KM线圈得电，吸泥行车开始由北向南行进。

自控原理：通过上位机向行车发出行进命令，PLC输出继电器接点闭合，行车进入自动运行状态。

5.3出水电动机控制原理分析

电气原理：由于出水电动机功率大，启动电流也大，为保证电动机平稳启动，减少对电网的波动，故采用了软启动器降压启动方法来降低对电网的影响。软启动是电动机降压启动的一种，使电机输入电压从零以预设函数关系逐渐上升，直至起动结束，赋予电机全电压，即为软起动，在软启动过程中，输出转矩逐渐增大，转速也逐渐增大，直至达到额定转速。手动操作时，将转换开关拨到手动位置，按下SB2，中间继电器KC线圈得电，KC常开接点闭合，接通软启动器控制回路，同时电动机处于软启动。当运行后一段时间（30s左右），KM主接触器线圈得电，KM主回路闭合，电动机退出软启动进入全速运行状态。

自控原理：当转换开关拨到PLC位置时，通过上位机操作，使PLC得到开泵命令，输出继电器闭合，电动机进入软启动器降压启动，当运行30s后，电动机自动切换到全速运行状态。

5.4加药电动机控制原理分析

电气原理：手动操作时，将转换开关拨到手动，按下启动按钮SB2，KM线圈得电，主继电器KM闭合，电动机运行，相应指示灯亮起。

自控原理：转换开关拨到PLC时，根据外部余氯传感器发来的开泵信号，传送至PLC，使PLC输出继电器闭合，从而使KM线圈得电，加药电动机启动。

6、状态流程图

根据自来水加工工艺流程及设备的控制要求，本次设计状态流程如下：

7、电气控制图单机调试

程序设计完毕后，进入系统模拟调试。首先需检查程序和接线是否正确，模拟量和开关量是否接反，强电和弱电是否隔离，柜体接地系统是否完好，后备电源（UPS）是否投入运行等等。检查无误后根据I/O分配表，设置好原始状态下的各类信号，使PLC投入运行，同时观察PLC输出继电器是否动作正常，通讯接口传输是否到位。其次按梯形图程序，观察运行状况，经观察，符合预定程序状态。最后按照工艺流程模拟一个工序结束后转入下道工序，将转换的情况与设计要求相对比，完全符合设计要求，至此，PLC程序设计调试成功。

8、结论

本文根据罗泾水厂的生产要求及相关技术条件，设计出一套自动化控制系统，满足了设计要求，能较好的完成设备间的联动调试任务。水厂实现了自动化控制，改变了传统的运营管理模式，不仅满足了设备的安全运行及可靠性，提供更经济更优质的水质，而且在降本增效上发挥着极大的优势。这套系统的投入运行，只需在中控室设置两名值班人员，就可对整个水厂的设备进行远程操作，较常规水厂在人员设置上至少降低50%，节省了水电资源，真正实现无人值守的运行目标。