工业水处理pH 在线监测系统设计

尤向阳

（河南科技大学应用工程学院，河南三门峡，472000）

前言

有色金属冶炼产生的污水中含有大量的有毒物质，且它们的酸碱度远远偏离中性值7，直接排放工业污水会导致河流、湖泊严重污染。工业废水的pH 检测与中和处理是必不可少的环节。为提高废水pH 检测的自动化程度，方便检测人员直观监测多点pH 数据，提高检测数据的收集和处理效率，考虑设计基于PLC 和组态王软件的工业水处理pH 在线监测系统，实现对工业污水pH的远程在线监测。

1 系统结构与硬件设计

1.1 pH 传感器

pH 为一化学标准，因此需要将其转换为系统可以识别的模拟量才能输入PLC 中进行处理。此系统需要借助pH 传感器，对污水进行监测并产生模拟量信号输出。

pH 传感器通常由检测部分与信号传输部分组成，用于检测被测介质中氢离子浓度并转化成对应的输出信号。系统采用的pH 传感器主要部分为测量精度高的玻璃电极的四线制传感器，能够适应多种工作环境，在规定安装方式与工作环境下能够实现自净、温度补偿等多项功能，同时也能在不失真的前提下利用导线远距离传输信号。

1.2 模拟量模块

模拟量可以在确定的范围内取得连续变化的任意数值，通常用于表示采集到的各种物理参数，如电压电流、热电偶、温度等。系统采用SM1231 四输入模拟量输入模块，接收由pH 传感器测得的模拟量电流数据。

1.3 PLC

PLC 为本系统的核心控制器件，本系统采用功能强大的西门子S7-1200PLC。S7-1200 支持多种模块与多种通信方式，供电范围广，输出端口多。PLC 可通过模拟量输入模块接收pH 数据模拟量信号，通过数据转换程序将模拟量换算为pH 并暂存，每个监测点数据分别由上位机读取并显示于人机界面。

1.4 系统结构

此监控系统控制部分主要由1个CPU 型号1215C（DC/DC/DC）的PLC、4 个四输入模拟量输入模块SM1231、16 个pH 传感器、一台安装有组态王软件的上位机构成。上位机与PLC 通过以太网交换机进行通信。S7-1200PLC 支持多个模拟量输入模块的接入，4个四输入模拟量输入模块一共可以接收16个监测点的pH数据。数据通过PLC 处理后向上位机传输，操作员通过人机界面实现对流程的监控与调试。整个系统硬件结构如图1所示。核心控制器PLC及模拟量输入模块通过西门子专用导轨进行安装，如图2 所示。

图1 系统结构图

图2 S7-1200 与SM1231 硬件组态

2 软件部分

2.1 PLC 数据转换程序

采用博图V15 软件进行程序设计。子程序FB 块（如图3所示）实现数据处理功能，每个子程序对应一个监测点的输入输出地址。图3中功能块NORM_X 的输入值和功能块SCALE_X 的输出值按照式（1）关系换算，分别实现数据的标准化与缩放，最终输出SCALE_X_OUT 为监测点的pH。系统共设置16个监测点，因此，在主程序OB中调用16个FB块分别对16个监测点进行数据处理。

图3 数据处理子程序

2.2 组态王人机界面

采用组态王6.55 编写上位机程序与设计人机界面。人机界面的软件部分由运行环境与编译环境组成。设计的监测系统人机界面共有三个，分别是欢迎＆登录界面、监控界面、报表界面。其中欢迎＆登录界面负责管理用户，不同权限的操作者登录进入系统后能够对系统进行不同的操作，如管理员可以配置用户，普通操作员只能进入系统界面。系统组态界面登录逻辑如图4所示。

图4 登录逻辑

监控界面的主要功能是监控每一个采集点传感器的运行状态测量数据，并进行显示。监控界面左上角为时钟，在运行时可以自动读取本地时间并进行显示。监控界面的右侧是控制按钮，手动点击记录数据，生成当前时间的pH 数据报表，并显示在报表界面中；手动点击保存报表，将已生成的报表储存，保存在本地存储器中。当选中按钮下方的 “自动保存数据” 与 “自动保存报表” 后，可以在监控界面左下角的对应输入框中，输入自动保存的周期，在系统运行的过程中会按照设定时间自动保存。系统的右下角为界面切换按钮与退出按钮，点击按钮可以切换至报表界面或退出监控系统。

报表界面的主要功能是将监控界面中每个时间点产生的每个监测点的数据以表格的形式显示，按照时间新旧从上到下排列，最多可以显示24行数据。报表界面也设置有保存数据、保存报表、自动保存等按钮，同样可以设置记录周期与保存周期，或者通过点击右下角的按钮切换至监控界面或退出监控系统。

3 系统运行调试

3.1 PLC 与组态王的通信

计算机与S7-1200PLC 之间的通信是通过工业以太网，基于TCP/IP 协议的连接通信，是目前成本较低、传输效率高的通信方式之一。通过配置IP 与子网掩码，利用计算机配置接口即可实现PLC与组态王的通信。

3.2 运行调试

初始状态下所有采集点pH 传感器初始数值为0，组态王中自动保存数据与自动保存报表选项为默认未选中状态，报表界面清零。系统运行调试流程如图5所示。

图5 系统功能运行流程

系统运行时对数据进行采集，连接电源，按下SB1 按键，启动系统，pH 传感器开始正常工作；在组态王上选择是否自动保存数据与自动保存报表的选项，自动保存需要输入自动保存数据与自动保存报表的周期，单位为分；在自动保存设置的工作状态下，pH 数据以时间为横轴，以监测点标号为纵轴绘制成pH 数据报表，并自动保存至本地存储器中，命名格式为 “日期+pH 监测数据.xsl” 。当报表行数达到最大行数时，将刷新报表界面从第一行开始记录。

在系统运行的过程中，若PLC 接收到的pH模拟量信号不在3.6～20 mA 区间内，则报警灯亮，反之不亮；在组态王监控界面中，正常运行时代表每个监测点的面板会正常显示pH 数值，若未正常接收到pH 数据，画面上pH 数值由 “？？？” 代替，该监测点面板将闪烁提醒。

按下SB2按键系统停止，PLC与传感器停止工作，点击组态王界面的退出系统按钮，即可关闭程序。调试过程中在上位机上显示的监控界面与报表界面如图6所示。

图6 监控界面与报表界面

4 小结

通过PLC 与组态王软件实现了对污水pH的在线远程监测，该在线监测系统能够满足有色金属冶炼企业污水处理对pH 控制的需求，用户通过人机交互界面控制系统运行，并实时监测数据采集点数据，上位机可自动生成历史数据报表，提高了数据的时效性，为企业对污水做进一步处理提供了数据支持。