基于S7-300 PLC 的水厂滤水池自动控制系统设计

唐祥可 顾晓猛 夏余平 唐雅媛 杨 钰

（湖南科技学院 电子与信息工程学院，永州 425199）

滤水池是水厂的重要工艺设施，直接影响着水质的好坏。传统方法依靠人工现场操作和观察滤水池的情况[1]，存在设备多、维修量大、控制不能实现自动化、运行管理麻烦以及冲洗后无法达到标准要求等缺点，难以保证水质，同时没有控制反冲强度的装置，导致滤料流失严重，造成了一定的经济损失[2]。运用可编程控制器（Programmable Logical Controller，PLC）对水池滤水和反冲洗进行严格控制，不但有效保证了水质，而且大大减少了设备维修次数和滤料的流失量，降低了水厂的运营能耗、人力资源浪费和管理的复杂程度，提高了设备的利用率，保证了人们的日常用水。

本文针对水厂滤水池自动控制系统的特点，结合过程反馈控制原理，设计了基于MCGS 设计系统的组态监控程序和以PLC 为核心的电气控制体系，实现了滤水池的智能控制，节省了人力成本[3]。

1 滤水池系统工艺流程

滤池过滤是水处理的重要环节，其过滤程度控制的好坏直接影响水质[4]。本文选用的滤池为V 型滤池，共设4个滤格。同时，为保证控制的可靠性，在每个滤格上分别安装有一个阻塞仪、一个液位计、若干个进水阀、清水阀、污泥及杂物排出阀以及用于水冲的反冲洗泵（一用一备）[5]。当需要过滤的水进入滤水系统后，首先被分流到各单元滤格，经石英砂恒速过滤后，再进入清水池。该过滤过程中要求水位必须保持在滤料上方1.2m 处。根据文献及工作经验发现，这个水位过滤的效果最好。上述过程中，滤水过石英砂处必须保持恒速，这就要求系统的出水量必须和进水量相等，并且控制系统必须要根据系统的水位适时调节出水阀的开启程度。当系统的运行情况满足了反冲洗条件后，系统要进行反冲洗清洗过滤材料。反冲洗是通过控制系统反冲进气阀、反冲排水阀、反冲进水阀、进水阀、排气阀以及清水出水阀，并运行反冲水泵和风机等来实现的[6]。

因此，滤池控制系统的任务主要是过滤时的液拉控制和清洁过滤砂时的反冲洗控制，其中过滤和反冲洗不断循环交替进行。控制指标主要有实现自动恒水位过滤、准确实现自动反冲洗以及直观显示滤池过滤水位和出水阀开启度，同时显示反冲洗设备和本地滤池阀门等的开关状态[7]。为实现上述控制指标，本文采用基于S7-300 PLC 的滤水池自动控制系统。

2 硬件配置及控制程序

2.1 硬件选择

本控制系统硬件选择如下：电源模块选用PS307，输出24V 直流5A 电流；CPU 模块选用CPU312，以满足滤水池控制所需输入输出点数和储存要求；模拟量输入模块选用SM331 8AI×12 位模块，用于连接8 个输入模拟量；数字量输入模块选用SM321 DI32×DC24V，用于连接32 个数字量输入；数字量输出模块选用SM322 DI32×DC24V，连接26 个数字量输出；模拟量输出模块选用SN332 8AI×12位模块，连接4 模拟量输出。

2.2 PID 程序设计

此次系统设计中加入了PID 的反馈控制系统，即利用I动作消除偏差作用和用D 动作抑制振荡作用，并结合P 动作构成了PID 控制[8]。PID 控制器各校正环节的作用包括两个方面。一方面，比例环节即成比例地反映控制系统的偏差信号，一旦产生偏差，控制器立即发挥控制作用，以减少偏差。另一方面，积分环节主要用于消除静差，提高系统的无差度。积分作用的强弱取决于积分时间常数。

2.3 PLC 程序设计

PLC 主要控制的是滤池中的各类参数，如液位、浊度和位置信号等[9]。为保证各个参数的正确反馈，需要为各个输入输出口分配地址，具体分配方案如表1 所示。

表1 各输入输出地址分配

分配地址后需要对各个程序进行编辑，包括模拟量采样程序、采样子程序、数据求平均子程序、行车移动控制子程序、反冲控制子程序、滤池滤水控制子程序、PID 控制子程序、主程序设计以及报警子程序9 个子程序[10]。由于程序较多，现只展示主程序，如图1 所示。

图1 主程序

2.4 人机交互的设计

本系统使用的是基于MCGS 设计系统的一种人机交互模式，需要设计控制界面、实时数据库、通道连接以及动画设置。设计后的效果图如图2 所示。

图2 滤水池自动控制系统人机界面

3 结语

本文运用了S7-300 PLC 设计了滤水池自动控制系统，可以实现滤水池的智能控制。该系统包括主程序、初始化子程序、主控制子程序、数据采集滤波子程序、控制子程序、PID 控制子程序以及报警子程序。系统采用PID 控制，得到了一个反应迅速、控制精度高、稳定可靠的控制系统。实验表明，该系统的设计不仅能有效控制滤水池工作，而且在程序中加入PID 参数控制后提高了系统性能。此外，本文采用基于MCGS 设计系统的模拟组态画面，能够保证操作人员实时监控滤池系统的连续运作情况。