自动控制系统在软化、脱盐水项目中应用实例

江苏核工业格林水处理有限责任公司 张 凌

一、引言

水处理行业中多采用PLC控制器进行自动控制，上位计算机进行工艺参数监视和设置的系统控制模式。PLC控制是分三级控制，中央控制、现场PLC控制以及就地控制，这三级控制之间通过低压线路进行沟通、链接，本文就我们格林公司所承接的柳钢软化、脱盐水工程对自动控制系统应用进行介绍

二、控制系统

1.概述

根据工艺条件，本装置的控制信号主要是开关量和模拟量，涉及到的控制对象除了开关阀以外，主要是泵设备的控制与仪表的监控。也就是说系统是一个以开关量、4～20mA模拟量控制为主的系统。根据系统特点采用集中可编程逻辑控制器(PLC)+上位机方式实现自动控制。系统可实现现场就地和控制室集中控制两种操作方式，可进行自动与手动运行方式的切换。同时完成电气和仪表部分的自动控制与监控。

2.PLC控制原理

控制系统软件组成为：

图1 控制流程图

PLC应用软件：运行于PLC，实现各种控制功能。采用西门子公司原版STEP7-V5.3

上位机操作软件：Windows 2000 PLC监控软件：WINCC6.0PLC即可编程逻辑控制器，它根据编制的程序以及采得的数据信息进行逻辑运算，并将运算结果通过信号输出到执行机构来控制系统设备的运行。

采集的数据信号（如流量、液位、阀门、水质和电机的反馈信号等）通过开关量输入、模拟量输入等卡件传送至中央处理器CPU，CPU经过逻辑运算，将运算结果通过开关量输出、模拟量输出等卡件以及配合的外围电路，驱动执行机构（如阀门、电机等），用户将编制的程序下传至CPU，CPU按用户指令进行运算，实现可编程控制。

3.控制系统功能描述

图2 低压线路图

图3 变频器接线图

数据采集与数据处理：采集整个装置的重要工艺参数（流量、电导、pH、压力等）、设备运行状态（工艺流程、动态仿真）等重要数据，控制相应对象的运行状态。当参数越限报警或控制对象故障或状态变化时，在CRT上以不同的颜色或动态画面进行显示，同时具有相关音响提示。

过程输入/输出信号（I/O）模拟量输入信号：4～20mADC输入，最大输入阻抗为250Ω，系统提供4～20mA二线制变送器的直流24V电源。对1～5VDC输入，输入阻抗≥500KΩ。

数字量输入信号：负端接到隔离地上，系统提供对现场输入接点的“查询”电压，“查询”电压为48VDC，过程输入信号中各模件都采用有效的电隔离措施，即使用48V带隔离的输入模块（每模块容量为16路）。

数字量输出信号：在模块外采用中间继电器隔离输出，以便能直接用于电动机、电动阀门、电磁阀的控制回路。我方将在控制系统中提供中间继电器、继电器柜及可靠的工作电源。中间继电器满足3A 220VAC或1A 220VDC的分断能力。每个继电器柜内的继电器控制在适当的数量进行合理排布。

4.主要控制回路

储水及输送系统、离子交换设备的控制、再生系统的控制、加氨系统控制、软化机组的控制这些控制回路均采用自动控制、CRT监视，同时保留必要手动切换，现场就地和集中控制两种操作方式。低压电路中可进行手动和自动切换。

三、低压系统

本处理装置有多路控制回路，每一回路的线路原理基本相似，其原理是将数字量输出模块通过硬接线到电气控制回路中控制水泵的启停和阀门的开闭，综合输入信号编写程序控制模拟量输出信号，以实现对现场设备的自动控制。由于受篇幅限制，不对每一控制回路作一一细述，下面就加氨系统控制进行阐述。

1.加氨系统配置

一只药箱（PT—1500L）、两只计量泵、PH仪及相应控制柜。

2.控制流程

此流程(如图1)计算机发出操作指令，PLC开始采集信号，然后根据实时提供的PH值与设备上设定的期望PH值比较，PLC再输出信号给控制箱供电给变频器来控制计量泵自动调整加氨量。

3.控制系统低压线路及原理

原理：控制电路设计成手动和自动部分，手动是以备自动出现故障是使用，用双向开关控制，开关扭向2时，系统进入手动状态，电源直接通过交流接触器开启供电给加药计量泵，设计时必须要有手动部分，一旦控制部分出现故障或检修时不会影响生产。此时停止运行变频泵，使用备泵。而药量由人工控制。正常情况使用自动控制，将双面开关扭向1时，系统进入自动控制状态，在计算机显示屏上可以看到该控制回路工作状态灯亮，说明它正常工作，PLC采集信息并输出信号使隔离继电器吸合，电路导通再将信息传给变频器。PLC提供的变频信息使得电机的转速发生改变，一般电机转速n与频率f成正比，当频率f在0—50Hz的范围内变化时，电机的转速调整范围较宽，变频器就是通过改变电动机电源频率实现速度调节的，是一种理想的高效率、高性能的调速手段。

4.工作原理

见图2，SA打向2电路处于手动状态，SS常闭导通，这时SF用手按导通，交流接触器KM1线圈吸合，KM1常开导通工作指示灯亮，此回路处于手动工作状态，加氨系统计量泵开始启动，药量大小由人工控制。SA打向1电路处于自动状态，QA1为PLC控制系统，PLC系统发出信号KA2线圈吸合，图3中KAI常开点开通变频器开始工作，变频器A1输出频率指令。R、S、T是交流输入端，U、V、W是变频器输出端，它与计量泵连接，供给它经过PLC控制后的电源信号。变频器输出的频率、电压均可控制的交流电源，供给电机。PLC输出的控制信号就是通过现场实时采集PH值与给定值比较而发出的，从而形成一个闭环系统，但被控制的系统特点是非线性、大惯性的系统，现在控制和PID相结合的方法，在压力波动较大时使用模糊控制，以加快响应速度；在压力范围较小时采用PID来保持静态精度。这通过PLC加智能仪表可时现该算法，同时对PLC的编程来时现泵的工频与变频之间的切换。本装置设计了两套加药计量泵，1#加药泵根据PH值自动调结频率运行.根据实际情况PH探头可能会由于使用时间等问题需要更换，所以2#泵设计为工频运行.如1#变频泵出现故障无法继续使用，可手动更换1#2#加药泵电机线使2#泵变频运行.实现真正意义上药量控制，我们通过一段时间的运行，效果的确很好，这就说明我们在这个项目的设计是比较成功的。

5.电器设备接地是一个重要环节，根据有关规程、规范，所有需要保护接地的电气设备均可靠地接入相应地接地系统。主要包括配电装置、PLC装置、计算机系统、操作柜等。

四、结束语

随着中国生产力不断发展，人民生活水平不断提高，对生存环境的要求越来越高，水处理行业势必更为重要。也将会加快它的快速发展，自动控制已成为水处理工程中一个广阔的拓展领域，它不仅提高了水处理的质量，而且创造良好的社会效益，在工艺、设备、仪器、仪表及管理上采用了现代化的高新科技。目前我国水处理大多采用国外进口设备与控制系统（比如西门子、三菱的软件系统）价格高，维护困难，国产在线检测仪还不能精度、准度要求，进行我国自主研发、设计、制造自动化控制系统，并提高测量仪器的精准度，这样就会大大的降低水处理成本，而且也能促进我国水处理技术的发展。

[1]王新军,彭芳.变频器的工作原理及应用.

[2]任国辉.西门子S7-300控制系统在钢铁行业废水处理及中水软化回用中的应用.

[3]城市污水处理厂运行控制维护[M].北京科学出版社.