基于PLC、变频器自动控制的水处理设备改造与实现

曲鹏玺

（国家广播电视总局二○二四台，黑龙江 佳木斯154000）

1 概述

二○二四台原水处理设备在运行中不断出行各种故障，故障率高无报警，冲洗过程繁琐，劳动强度大，工作效率低，抗干扰能力差，运行不稳定，自动化程度不高；敞开式过滤罐水是通过曝气进入，属于沉淀式过滤，活性炭的吸附性饱和后过滤效果不佳中等，具体存在以下问题：

电磁阀频繁故障线圈烧毁造成供水中断；外电闪络或供电中断后变频器有时不能自动恢复工作；电气元件（交流接触器、热继电器、浮球）触点粘连，使深井泵等泵不能及时断开；在实际维护中进行设备定期反冲洗过程中，手动改接浮球控制线、手动开启对应的阀门、手动切换等工作，稍有差错，反冲洗就不能进行花费时间长等；循环过滤泵（KSR65-100 立式单级单吸管道离心泵）排气，否则不出水或出水流量不足问题；实际运行中各类故障后无报警、无监控，造成供水中断；冲洗过程需要长时间停水、可靠性低。改造前水处理设备系统图水处理为图1设备系统改造设计方案中，旧区设备部分。

图1 水处理设备系统改造设计方案

2 水处理设备改造设计方案

针对存在的实际问题，我们进行分析、考察，结合原有设备改造与创新我们设计了采用PLC 自动控制两套供水净化设备，由一套PLC 自动化系统以及触摸屏、按钮指示灯、按钮、浮球电动阀门、继电器、空气开关（小型断路器）、浮球、阀门、水泵、管道、过滤罐、锰沙过滤料等组成净化过程后，注入蓄水箱保证供水。在旧的一套过滤设备基础上，新加一套设备，之间是互相独立的、一主一备、互为备用、定期自动切投、定期自动反冲洗、可以实现一套检修一套运行不间断供水净化；可通过需要任意设定；可实现远程、就地控制和监控报警。如图1、图2 所示。图中旧区设备为原有设备（改造前设备系统图），新区设备为新加设备，整个系统有软件和硬件组成。

图2 系统设计总体结构图

程序设计部分分为硬件部分和软件部分。硬件部分由PLC S-1200 CPU1214C 和模块SM1223、SM1221、M1234 以及嵌入式触摸屏组成。软件部分由PLC S-1200 软件和嵌入式触摸屏软件共同。PLC S-1200 软件按照工作流程完成两套设备运行程序的编写、条件的设定、模拟量和数字量的运用、运行的反馈等。

嵌入式触摸屏软件把人机交换功能的实现，把设备以及开关状态实时反馈信息和记录、对设备相关工作流程的参数进行修改设定等，通过两个软件的共同使用，通过触摸屏可以实现人机交换，对正冲洗、反冲洗、供水时间进行设定；设备转换到手动状态可以按钮操作启停同时在触摸屏上可以手自切换、启动设备等，如图3 所示。

图3 触摸屏参数设置图

3 PLC 自动控制两套供水净化设备的工作原理

PLC 自动控制两套供水净化设备的工作原理：根据设备运行需要，通过液位变化，浮球传递继电器信号，PLC 通过继电器信号，进行逻辑判断，程序发出指令驱动对应电动阀打开、关闭阀门，启动对应的水泵，自动进行补水、过滤、打水等过程为保证蓄水箱水量始终保持充足；控制过程启动时先开启阀门后启动泵，停止时先停止泵后关闭阀门。

4 PLC 自动控制两套供水净化设备的工作过程分为

独立正、反冲洗管。比如"1#、2#、3#、4#过滤罐独立正冲和反冲洗罐；2、两级正冲。比如新区1#和2#过滤罐正冲洗罐、旧区3#和4#过滤罐正冲洗罐；3、新区和旧区过滤运行，同时只能运行其一，另一个可备用、检修、冲洗等；4、深井泵的切换。

独立正、反冲洗罐原则分别：正冲洗罐时上口注水，下口排水至污水管道；反冲洗罐是下口注水，上口排水至污水管道。独立正、反冲洗时间，反冲5 小时，正冲2 小时。在工作过程中分区运行时，新区1-9#、24#、25#阀门除每步骤要求开启的，其余都关闭；旧区10-22#阀门除每步骤要求开启的，其余都关闭；深井泵1#、2#有变频和工变。

4.1 新区设备独立正、反冲过滤罐

1#（2#）过滤罐正冲洗：打开阀1，关闭阀2——触摸屏登录——切换到新区——设置控制正冲洗罐、时间等参数——冲洗自动——确定——PLC 程序启动。对应的23#、5#、25#、6#、4#（23#、24#、6#、7#）电动阀打开——【低水位浮球控制——启动1#深井泵】（根据具体曝气水箱水位启停）——正冲洗Z1 泵启动——设定时间内完成停止冲洗，执行下一个程序，如图4 所示。

图4 新区旧区独立正、反洗冲流程图

1#（2#）过滤罐反冲洗:打开阀2，关闭阀1——触摸屏登录——切换到新区——设置控制反冲洗罐、时间等参数——冲洗自动——确定——PLC 程序启动。对应的23#、1#、2#（23#、3#、4#）电动阀打开——【低水位浮球控制——启动1#深井泵】（根据具体曝气水箱水位启停）——反冲洗F1 泵启动——设定时间内完成停止冲洗，执行下一个程序。旧区的3#（4#）过滤罐独立正、反冲洗罐工作根新区相似，严格正、反冲原则进行。

4.2 两级正冲

1#、2#（3#、4#）过滤罐正冲洗:打开阀1，关闭阀2（打开阀4，关闭阀3 或打开阀3，关闭阀4）——触摸屏登录——切换到新区（旧区）——设置控制正冲洗罐、时间等参数——冲洗自动——确定——PLC 程序启动。对应的23#、5#、25#、6#、7#（21#、9#、13#、17#或21#、9#、14#、17#）电动阀打开——【低水位浮球控制——启动1#深井泵】（根据具体曝气水箱水位启停）——正冲洗Z1（Z2 或Z3）泵启动——设定时间内完成停止两级冲洗，执行下一个程序，如图5 所示。

图5 新区两级正洗冲流程图

4.3 新区和旧区过滤运行，同时只能运行其一，另一个可备用、运行其一，另一个可备用、检修、冲洗等

在两级正冲的基础上把排污阀关闭，运行阀打开给蓄水箱补水。1#、2#（3#、4#）过滤罐过滤运行:打开阀1，关闭阀2（打开阀4，关闭阀3 或打开阀3，关闭阀4）——触摸屏登录——切换到新区（旧区）——设置控制新区供水（旧区供水）时间等参数——运行自动——确定——PLC 程序启动。对应的23#、5#、25#、6#、8# （21#、9#、13#、18# 或21#、9#、13#、19# 或21#、9#、14#、18#或21#、9#、14#、19#）电动阀打开——【低水位浮球控制——启动1#深井泵】（根据具体曝气水箱水位启停）——正冲洗Z1（Z2、Z4 或Z2、Z5 或Z3、Z4 或Z3、Z5）泵启动——设定时间内过滤运行开始执行程序，如图6 所示。

图6 新区过滤运行流程图

4.4 深井泵的手自动切换和给定频率启动

在手动状态下深井泵的切换在正、反冲洗、两级冲洗、过滤运行中均可以根据需要自行设置切换运行或者进行自动运行，在执行程序时逻辑判断，执行对应的程序运行工作，对应的设备进行动作。

当在手动状态下深井泵的快慢，可以通过手动旋钮调节给定频率，使变频器的频率变化，来实现深井泵的控制。

5 水处理PLC 来实现自动控制功能

我们采用PLC 来实现自动控制，在原来的一套水处理设备基础上，结合实现自动化要求进行改进；同时新增加一套自动化全封闭式水处设备，改造后为两套供水处理设备能可实现以下功能：

（1）实现两套设备是互相独立运行，实现一套检修一套运行不间断供水处理设备。

（2）能对水处理设备进行监控报警。

（3）实现远程、就地一体化控制，通过按钮、触摸屏、PC 机实现。

能通过人机交换任意设定自动控制参数设置，实现自动冲洗水处理设备。比如：自动控制过程中一些参数需要设置，如下图7 所示。

参考值：上限设定50 下限设定0 修正系数1 修正偏移0滤波系数1 ，上述参数均可根据实际修改。

6 改造后的PLC 控制水处理自动控制设备的优点

改造后的PLC 自动控制水处理设备，解决实际存在的问题，同时进行新的改进，具体如下：

6.1 采用全封闭式翻滚过滤

新增加一套自动化全封闭式水处理设备为新区，采用全封闭式过滤罐，有专门的加压泵。它的结构跟旧区设备有很大区别，采用曝气氧化、锰砂催化、吸附、过滤的除铁除锰原理，除去地下水中除铁除锰，达到净化目的。锰沙使用中不需要反复长时冲洗，一般反冲洗5-15 分钟就可以，曝气一次性可除铁除锰，使用年限是3-5 年等，水加压力进入全封闭过滤罐内与锰沙过滤料形成翻滚式充分接触反应。与之前旧设备的活性炭相比反冲洗时间短、净化效果好优点。

6.2 采用PLC 实现自动控制

解决了人工频繁手动切换、操作等问题，改为实现通过触摸屏进行人机交换登录、设置，程序化启动控制、自动运行。

6.3 采用PLC 设计了断电自动恢复、保护等功能

有效解决外电闪络或供电中断无法恢复运行情况，同时也保护和避免外电闪络或供电中断对变频器的影响。

6.4 采用PLC 实现了软、硬件双重互锁

改造后解决了硬件触点黏连故障或主触点熔焊引起的线路和电机短路，可靠性更高、快速响应、安全更高。

6.5 手动蝶阀更换为电动蝶阀

在改造前手动开启阀门效率低，工作量大，容易失误；改造后为PLC 自动化的实现打下基础，同时受PLC 程序化控制，准确性好、效率高。

6.6 添加一套全封闭性水处理设备

实现设备冲洗与正常运行互不影响，各自独立运行，对全台不会造成供水长时间供水中短；锰沙过滤料效果好，冲洗所需时间短；增强了供水的保障能力，处理故障、检修和运行互补耽误，避免了全台停水、定时供水的局面。

6.7 新加设备采用全封闭是过滤罐

解决了杜绝了循环过滤泵（KSR65-100 立式单级单吸管道离心泵）泵腔进入空气的问题，是可靠性更强，而且采用PLC 控制工作完毕电动蝶阀会自动关闭也杜绝进入空气的可能；全封闭过滤罐净化能力更强。

图7 量程参数设置

6.8 设备、线缆、状态监控更细更全面

阀门、泵、位置状态信号都实现一一对应关系，操作开关标识更加细致、线缆标识更加明确。

6.9 实现了人机界面交换控制、远程监视PLC

解决了发生故障后被动的情况，能主动迅速应对和处理故障；同时对设备进行设备报警后，故状态判断更加简单明了。

6.10 PLC 系统抗干扰能力强，可靠性高

由于内部电路采用先进抗干扰技术，解决了电台高频对设备的影响。

6.11 PLC 实现对硬件故障自我检测、报警功能

解决了改造前逐一排查判断故障的繁琐环节，在于运行前自动对控制的硬件进行检测，出现故障能及时发出报警信号。

6.12 PLC 实现定时周期性自动反冲洗工作

解决了改造前冲洗过程中各个环节专人负责的问题，冲洗设备更加便捷容易。

7 结论

通过此次改造前后运行、检修、冲洗对比，PLC 工控组态控制，实现了控制的逻辑性和流程化，为今后运行打下“精细化、标准化、规范化”运行的基础，同时也解决了改造前的一些问题，而且还实现“自动化、智能化、全方位、人性化”的理念，使改造后的水净化系统从经济角度讲：省时、省力、省财、保障能力高。从维护角度讲：简单、易操作、易维护、方便。