西門子 S7-200 PLC 在水廠凈水劑投加系統(tǒng)中的應(yīng)用
摘要：在自來(lái)水處理工藝中，由于凈水劑（PAC）投加系統(tǒng)的滯后時(shí)間長(zhǎng)、投加量難以計(jì)算等原因，傳統(tǒng)PID控制無(wú)法真正實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制加藥。本文主要分析了加藥系統(tǒng)中的重點(diǎn)、難點(diǎn)，并針對(duì)性的給出了解決方法，最后介紹了采用西門子S7-200 PLC在自來(lái)水廠的凈水劑自動(dòng)投加系統(tǒng)中的新方法。
關(guān)鍵詞：PLC、自來(lái)水、凈水劑、PID
一、項(xiàng)目簡(jiǎn)介
南寧市某鐵路自來(lái)水廠擔(dān)負(fù)著供應(yīng)南寧鐵路系統(tǒng)列車自來(lái)水供應(yīng)、鐵路職工用水等重要的任務(wù)。對(duì)水質(zhì)要求較高，且對(duì)用水的持續(xù)性要求也非常的嚴(yán)格，必須保證24小時(shí)不間斷的供水。由于原建的水廠由于建廠時(shí)間較早，自動(dòng)化程度不高；尤其是凈水劑的投加系統(tǒng)采用人工投加方式，無(wú)法保證出水濁度的穩(wěn)定等要求。因此決定對(duì)全廠自動(dòng)化系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)和改造。
經(jīng)過(guò)鐵路水電段對(duì)PLC組網(wǎng)性能、維護(hù)方便、相對(duì)投資等多個(gè)方面性能指標(biāo)的對(duì)比，最終決定在本項(xiàng)目中自動(dòng)化控制部分采用西門子S7—300系列PLC作為主控PLC，在沉淀池、濾池等部分采用S7-200系統(tǒng)PLC作為智能從站。一方面保證了網(wǎng)絡(luò)性能（通訊速度采用500K），另外S7-200可以在通訊網(wǎng)絡(luò)斷開等故障情況下能夠獨(dú)立運(yùn)行等特點(diǎn)也保證了系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。
二、系統(tǒng)介紹
1、項(xiàng)目工藝
在自來(lái)水廠中，源水要經(jīng)過(guò)投加凈水劑、沉淀、過(guò)濾、消毒然后進(jìn)入清水池。對(duì)源水投加凈水劑后，水中雜質(zhì)便絮凝成礬花，此時(shí)才能進(jìn)行進(jìn)一步水質(zhì)凈化處理，因此凈水劑投加工藝是影響出廠水質(zhì)量的要因。同時(shí)凈水劑的投加直接影響到沉淀池的使用效率和濾池反沖用水量的大小，對(duì)消毒也有直接的影響。因此投加凈水劑是自來(lái)水廠中工藝要求比較高的一個(gè)環(huán)節(jié)。
2、控制器組成
項(xiàng)目中使用的PLC、模塊、控制對(duì)象等如下：
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三、控制系統(tǒng)構(gòu)成
本系統(tǒng)中一共有模擬量輸入9個(gè)：源水濁度、源水流量（2個(gè)）、游動(dòng)電泳儀、沉淀池濁度、計(jì)量泵開度（2個(gè)）、變頻器電流（2個(gè)）。模擬量輸出4個(gè)：1#、2#變頻器頻率、1#、2#計(jì)量泵開度。開關(guān)量輸入6個(gè)：1#、2#變頻器手/自動(dòng)，1#、2#變頻器運(yùn)行，1#、2#變頻器故障。開關(guān)量輸出3個(gè)：1#、2#變頻器運(yùn)行，故障報(bào)警。聯(lián)網(wǎng)功能采用EM277和系統(tǒng)中CPU315-2DP連接。
一共采用：CPU226 一個(gè)，模擬量輸入模塊EM231（4路）3個(gè)，模擬量輸出模塊EM232（2路）2個(gè)，DP通訊模塊EM277 一個(gè)。
注：游動(dòng)電泳儀可以測(cè)量水中可以結(jié)合雜質(zhì)的游離電子的數(shù)目，而游離電子數(shù)目必須保持在一定范圍，如果測(cè)量值偏大則說(shuō)明投加凈水劑過(guò)多影響混凝效果，反之說(shuō)明投加量不夠?qū)е禄炷怀浞。?jì)量單位為SCD。
四、控制系統(tǒng)完成的功能
1、控制要求
原系統(tǒng)的凈水劑投加過(guò)程采用手動(dòng)投加方式，這就直接影響到出廠水的濁度，同時(shí)也會(huì)產(chǎn)生投加量過(guò)度的問(wèn)題。經(jīng)過(guò)詢問(wèn)現(xiàn)場(chǎng)人員、實(shí)際調(diào)查總結(jié)了以下主要原因
a、凈水劑投加設(shè)備落后：當(dāng)源水濁度發(fā)生改變時(shí)無(wú)法及時(shí)調(diào)整提高投加量；
b、凈水劑投加由人為掌握：投加量靠經(jīng)驗(yàn)投加；
c、凈水劑配制無(wú)標(biāo)準(zhǔn)：藥劑濃度由配置人員靠經(jīng)驗(yàn)配置，而濃度不準(zhǔn)使投加量更加難以掌握；
d、投加量計(jì)算困難：操作人員水平差異較大，投加量隨意性比較大；
以上種種原因造成投加量不準(zhǔn)確，從而影響到絮凝效果、并直接導(dǎo)致出廠水水質(zhì)下降。
系統(tǒng)改造要求：
水廠更換新的自動(dòng)化投加系統(tǒng)，新系統(tǒng)可根據(jù)水質(zhì)變化情況隨時(shí)調(diào)整投藥量，將沉淀池出水均在8NTU（NTU為濁度計(jì)量單位）以下，出廠水在1NTU以下；經(jīng)防疫站檢測(cè)：出廠水濁度達(dá)標(biāo)率必須為100%。并可在控制系統(tǒng)中加入?yún)?shù)調(diào)節(jié)和監(jiān)控功能。
2、控制難點(diǎn)及控制方法實(shí)現(xiàn)
根據(jù)對(duì)工藝過(guò)程的分析，本系統(tǒng)屬于典型的大滯后系統(tǒng)。考慮到一般的PID算法對(duì)于滯后時(shí)間長(zhǎng)的系統(tǒng)難以實(shí)現(xiàn)控制目標(biāo)，而模糊控制等高級(jí)算法實(shí)現(xiàn)成本較高等原因。決定在系統(tǒng)中采用經(jīng)驗(yàn)值投加和PID算法相結(jié)合的辦法，既解決了PID算法的不足，又解決了成本問(wèn)題。
整個(gè)系統(tǒng)軟件中主要包括以下幾個(gè)主要方面：
a、PID算法：定時(shí)采集沉淀池濁度，應(yīng)用S7-200內(nèi)置的PID進(jìn)行運(yùn)算。得到的模擬輸出值為X。
b、經(jīng)驗(yàn)值：對(duì)應(yīng)一定流量的經(jīng)驗(yàn)投加量進(jìn)行運(yùn)算——采用查表法查找對(duì)應(yīng)的經(jīng)驗(yàn)值，得出相應(yīng)流量的投加量為Y。
c、按照 得出PID運(yùn)算和經(jīng)驗(yàn)投加之和。用Z直接控制計(jì)量泵開度。（其中a可以在一段時(shí)間運(yùn)行后進(jìn)行修改以達(dá)到最優(yōu)化控制。）
d、將原水濁度按照經(jīng)驗(yàn)值，SCD按照PID算法進(jìn)行入2、3進(jìn)行運(yùn)算，并將運(yùn)算結(jié)果控制變頻器頻率以保證游動(dòng)電泳儀測(cè)量值在設(shè)定值左右。
e、按照設(shè)定運(yùn)行時(shí)間轉(zhuǎn)換變頻器和計(jì)量泵以便設(shè)備輪換使用。
f、報(bào)警功能：按照要求將有關(guān)故障均進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)蜂鳴報(bào)警，并上傳至CPU315-2DP中以便中控室進(jìn)行記錄和處理。
程序分為以下幾個(gè)部分：
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其中主程序和注釋代碼如下：
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限于篇幅，其他幾個(gè)子程序及I/O表等均省略。
五、結(jié)束語(yǔ)
采用新的凈水劑投加系統(tǒng)后，出廠水濁度由過(guò)去的3NTU以內(nèi)降到了1NTU以下，在防疫部門多次檢測(cè)中達(dá)標(biāo)率達(dá)到了100%；凈水劑的投加達(dá)到了最優(yōu)投加量，避免了凈水劑的浪費(fèi)。經(jīng)過(guò)統(tǒng)計(jì)，去年4~11月凈水劑使用量比往年同期平均使用量減少了約15000Kg。同時(shí)由于沉淀池出水濁度的下降，濾池反沖周期延長(zhǎng)了近12小時(shí)，使生產(chǎn)自用水量降低了約1.5%，累計(jì)比去年同期減少了約2.5萬(wàn)噸。按凈水劑2.205元/Kg，水0.45元/噸計(jì)算，可節(jié)省供水成本：15000×2.205＋2500×0.45=44325元。
經(jīng)過(guò)三年的使用過(guò)程證明：采用濁度控制計(jì)量泵開度、SCD控制變頻器頻率的方法不僅可以讓投加量更加精確，還可以更加方便的控制投加量以達(dá)到在源水濁度低的季節(jié)中節(jié)省凈水劑的效果。
六、應(yīng)用體會(huì)
該系統(tǒng)控制對(duì)象為出廠水濁度，但是SCD值也是一個(gè)很重要的中間對(duì)象，要求較高的控制精度，并且控制對(duì)象滯后時(shí)間很大。要在這樣的情況下完成這樣的控制要求，不僅要求PLC的功能要強(qiáng)大，還需要設(shè)計(jì)人員進(jìn)行比較復(fù)雜的編程處理，而且對(duì)PLC的模擬量處理功能要求也比較高；另外在達(dá)到系統(tǒng)要求功能的前提下也要求盡量降低系統(tǒng)的成本。尤其是程序中的查表子程序，本身就需要占用很大的程序空間以及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間。
而S7-200系列中CPU226在程序存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、掃描時(shí)間等各個(gè)方面都能滿足系統(tǒng)的要求。而S7-200系列的EM277模塊使得和原系統(tǒng)中S7-300連接更加簡(jiǎn)單方便，從而也節(jié)省了大量編程時(shí)間和程序空間。
本系統(tǒng)投入使用后效果非常明顯，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定有效，尤其是S7-200PLC 的出色表現(xiàn)得到用戶和專家的一致好評(píng)。
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