基于PLC的10kg次氯酸钠发生器自动控制系统

第3章硬件的选型及设计3.1PLC的工作原理PLC采用循环（巡回）扫描工作方式，而大、中型PLC还增加了中断工作方式。循环扫描即可按固定顺序，也可按用户程序所规定一级顺序（高级和低级顺序）或可变顺序等进行。因为有的用户程序不需要每扫描一次执行一次，也为的是在控制系统需要处理的I/O点数较多时，通过不同的模块组合的安排，采用分时分批扫描执行的办法，可缩短循环扫描周期和控制的实时性。用户将用户程序设计、调试后，用编程器键入PLC的存储器中，并将现场的输入信号和被驱动的执行元件相应地接在输入模板的输入端和输出模板的输出端上，然后用PLC的控制开关使其处于运行工作方式，PLC就以循环扫描的工作方式进行工作。在输入信号、用户程序的控制上，产生相应的输出信号，完成预期的控制任务。PLC的典型的循环顺序扫描土作过程如图3.1所示。从图3.1中可以看出，一个典型的可编程序控制器在一个扫描周期中要完成六个扫描过程。在系统软件的指挥下，的程序流程顺序地执行，这种工作方式成为顺序扫描方式。从扫描过程中的某个扫描过程开始，顺序扫描后又回到该过程成为一个扫描周期。进行一个扫描周期所需的时间称为一个扫描周期时间。图3.1PLC工作原理3.2硬件设备的选型3.2.1PLC的选型在本设计中需要用到三个温度传感器和一个液位传感器，由于这四个量是模拟量，而PLC只能处理数字量，因此在PLC和传感器之间必须加入特殊功能模块，将模拟量转换成数字量再用PLC进行处理。PLC运算后输出的数字量再经过特殊功能模块转换成模拟量进行控制。同时又为了最后仿真的需要、相关的性能要求及PID运算指令的使用，决定使用德国西门子S7系列PLC中的西门子S7-1200，如图3.2所示：图3.2西门子S7-1200SIMATICS7-1200PLC是超小型化的PLC，它适用于各行各业，各种场合中的自动检测、监测及控制等。S7-1200PLC的强大功能使其无论单机运行，或连成网络都能实现复杂的控制功能。S7-1200系列PLC出色表现在以下几个方面：(1)极高的可靠性。(2)极丰富的指令电。(3)易于掌握。(4)便捷的操作。(5)丰富的内置电成功能。(6)实时特性。(7)强劲的通讯能力。(8)丰富的扩展模块。在设计中，需要的输入量有上水阀开关、循环泵开关、电加热开关、洗浴开关和自动手动转换开关等。输出量有上水电磁阀、循环泵、电加热、排空电磁阀和洗浴电磁阀等。考虑实际需要保留一定的I/O余量，决定使用S7-1200系列中的CPU1214。图3.3CPU1214结构图CPU1214电成14输入/10输出共24个数字量I/O点，2输入/1输出共3个模拟量I/O点，可连接7个扩展模块，最大扩展值至168路数字量I/O点或38路模拟量I/O点。20K字节程序和数据存储空间，6个独立的高速计数器（100KHz），2个100KHz的高速脉冲输出，2个RS485通讯/编程口，具有PPI通讯协议、MPI通讯协议和自由方式通讯能力[20]。本机还新增多种功能，如内置模拟量I/O,位控特性，自整定PID功能，线性斜坡脉冲指令，诊断LED，数据记录及配方功能等。是具有模拟量I/O和强大控制能力的新型CPU。3.2.2其他硬件的选型(1)模拟量模块在本设计中，有三个温度模拟量输入，有一个三通调节阀开度模拟量输出，共计有三个模拟量输入、一个模拟量输出。为了系统的安全及扩展的需要，要有一些备用的模拟量输入输出通道。所以，综合各方面的因素决定选用EM235四输入一输出模拟量模块，如图3.4所示：图3.4EM235模拟量模块EM235模拟量模块通过排线与1214相连，CPU通过此模块可以采电于本模块相连接现场的模拟信号，比如：压力、流量等。可接受电流、电压信号，也可连接两线制变送器。EM235有4路模拟量输入通道，同时还包括了一路模拟量输出通道，输出电压、电流信号用于连续的控制。(2)温度传感器现代传感器在原理与结构上千差万别，如何根据具体的测量目的、测量对象以及测量环境合理地选用传感器，是在进行某个量的测量时首先要解决的问题。当传感器确定之后，与之相配套的测量方法和测量设备也就可以确定了。测量结果的成败，在很大程度上取决于传感器的选用是否合理。本设计选用电流输出型传感器，因为PLC控制器有可能距离传感器的位置较远，而电流输出具有恒流源的性质，恒流源的内阻很大。PLC的模拟量输入模块输入电流时，输入阻抗较低。线路上的干扰信号在模块的输入阻抗上产生的干扰电压很低，所以模拟电流信号适于远程传送。又由于为了与EM235模拟量模块相配套，所以温度传感器应选用PT100铂热电阻温度传感器。PT100铂温度传感器能够将检测到的模拟量信号转换成相应标准电流信号输出。PT100的特点是：①准确性高。在所有的温度计中，它的准确度最高，可以达到1Mk。②输出信号大，灵敏度高。PT100热电阻温度计的灵敏度比热电温度计(热电偶)高一个数量级。③测温范围广，稳定性能好。在振动小而适宜的环境下，可以在长时间内保持0.1℃以下的稳定性。图3.5SBWZ一体化pt100温度变送器EM235模拟量模块的输入端将接受的电流信号通过A/D转换，将传感器测量的电流（电压）值转换为0-32000的数字量，温度由PT100采电上来，一般为电阻信号，或者加24V电源转换成电流信号4-20mA。EM235再采电由PT100转化来的电流信号，然后再通过自身编写程序运算成实时温度测量值[21]。这里，我们选用PT100温度传感器中的SBWZ一体化pt100温度变送器。SBWZ型热电阻温度变送器是小型一体化二线制仪表新产品，代表着当今传感器一体化发展趋势。由于该产品实现了小型化，可以直接在温度传感器的接线盒内安装，将传感器测量的0-100度信号直接转换成符合标准化的4~20mA直流信号远传至控制室 ，从而 ‎提高了信号的抗干扰能力。（3）浓度传感器液体浓度检测的基本原理如图3.6所示，被测液体浓度的改变，会引起入射光线折射角的变化，通过检测光线折射角度的变化（这一变化几乎与浓度成正比），经过分析计算可以求得待测液体的浓度。图3.6液体浓度检测的基本原理图测量水槽分为两部分，一部分装有参考液体（蒸馏水），另一部分就是待测的液体，中间用一块倾斜放置的光学透射窗隔开，这样，光线的折射角度就会随两部分液体折射率差值的变化而不同。当光线如图3-6所示的情况入射，那么两种液体折射率之差n与光线偏移量d（相当于参考液体与被测液体都是蒸馏水的情况）之间存在下列关系其中，光线出射角，光线入射角，k为与结构有关的常量。CZ-S系列化工溶液液体浓度传感器，基于光的折射和全反射原理，由发光源、蓝宝石折射、收光器与信号调制电路组成，发光源发出稳定的光信号透过蓝宝石与被测介质接触，通过被测介质的浓度产生相对应的折射率，收光器将采集到的折射光源计算出折射率从而通过数据算法得到相对应的浓度，由于浓度会受温度的影响，所以采用内部温度校准，使温度漂移影响降低的特点。图3.7浓度检测传感器3.3整体设计3.3.1PID闭环控制电本身是一个不断变化、而影响其变化的因素又较多、极其复杂的非线性变量，太阳热水系统工程是一个非线性系统，很难建立精确的数学模型，因此采用传统的控制方法难以得到较佳的控制效果。而模糊控制是以模糊数学为基础发展起来的一种新的控制方法[22]。这种控制方法是一种智能的、非线性的控制方法，对那些无法取得数学模型或数学模型相当粗糙的系统可以取得较满意的控制效果，解决一些用传统控制方法无法解决的问题。温度和浓度控制器采用PID控制算法，这种算法对固定参数的线性定常系统是非常有效的。通过调整PID控制器的参数，一般都能得到比较满意的控制效果。(1)PID计算公式PID（比例（proportion）、积分（integration）、微分（differentiation））控制器作为最早实用化的控制器已有近百年历史，现在仍然是应用最广泛的工业控制器[23]。PID控制器简单易懂，使用中不需精确的系统模型等先决条件，因而成为应用最为广泛的控制器。PID控制器由比例单元（P）、积分单元（I）和微分单元（D）组成。其输入e(t)与输出u(t)的关系为：(3-1)式中积分的上下限分别是0和t因此它的传递函数为：(3-2)其中kP为比例系数；TI为积分时间常数；TD为微分时间常数。(2)实现PID控制的方法用PLC对模拟量进行PID控制时，可以采用以下几种方法：①使用PID过程控制模块过程控制模块包括A/D转换器和D/A转换器，PID控制程序是PLC生产厂家设计的，并存放在模块中，用户在使用时只需设置一些参数，使用起来非常方便，一块模块可以控制几路甚至几十路闭环回路。但是这种模块价格较高，一般在大型控制中使用。②使用PID指令现在有很多PLC都有供PID控制用的指令，例如S7-1200的PID指令。它们实际上是用于PID控制的子程序，与模拟量输入/输出模块一起使用，可以得到类似于使用PID过程控制模块的效果，但是价格便宜的多。③用自编程序实现PID闭环控制有的PLC没有PID过程控制模块和PID控制用的功能指令，有时虽然可以使用PID控制指令，但是希望采用其他改进的PID控制算法，在上述情况下，都需要用户自己编制PID控制程序。④变频器的闭环控制变频器内部一般都有一个PI控制器或PID控制器。对于恒压供水这一类闭环控制系统，可以将反馈信号接到变频器的反馈信号输入端，使变频器内部的控制器实现闭环控制。PLC可以通过通信或开关量信号给变频器提供频率给定信号和启动、停止命令。如果将反馈信号送给PLC的模拟量输入模块，用PLC实现PID闭环控制，用D/A转换器输出的模拟信号作为变频器的频率给定信号，需要增加PLC的模拟量输入模块和模拟量输出模块，将会增加硬件成本。(3)本设计的PID控制本设计中在温度和浓度部分需要用到PID控制，通过温度和浓度传感器的测量值与设定值的不断比较，使出温度和浓度稳定在设定值上，本设计的PID闭环控制系统框图如图3.8所示：图3.8系统温度和浓度控制PID控制框图图中所示，被控量C(t)首先被测量元件转换为标准量程的电流信号或电压信号pv(t)，模拟量输入模块的A/D转换器将它转换为数字量pv(n)。模拟量输出模块的D/A转换器将PID控制器输出的数字量mv(n)转换成模拟电压或模拟电流mv(t),再去控制执行机构。在这里虚线框中的部分是由PLC实现的，执行机构是三通调节阀，被控对象是水箱温度和浓度，测量元件是温度和浓度传感器。3.3.2PLC与外部设备连接方案PLC的输入输出量需要驱动设备运行，所以必须占用输入输出点数，也就是I/O端口与模拟量输入输出端口，本设计中输入量有手自动切换输入、上水电磁阀输入；循环泵开/关输入、出水电磁阀输入、电加热输入、排空输入、循环泵故障输入、限位开关输入以及三个温度传感器输入量等；输出量分别是手自动切换量、驱动上水电磁阀输出量、驱动循环泵输出量、驱动洗浴电磁阀输出量、驱动电加热输出量和驱动排空阀输出量，另外还有一个模拟输出量。它们与PLC的连接如图3.9所示：图3.9PLC与外部输入输出设备的连接注释：(1)PLC系统的电源接线：PLC供电电源可采用直流24V、交流100V～120V或200V～240V的工作电源。如果电源发生故障，中断时间少于10ms，PLC工作不受影响。若电源中断超过10ms或电源下降超过允许值，则PLC停止工作，所有的输出点均同时断开。当电源恢复时，若RUN输入接通，则操作自动进行。对于电源线来的干扰，PLC本身具有足够的抵制能力，也可以安装一个变比为1:1的隔离变压器，以减少设备与地之间的干扰[24]。(2)接地：良好的接地是保证PLC可靠工作的必要条件。在接地时应注意以下几点：①PLC的接地线应为直径在2mm以上的专用线②接地电阻应小于100Ω③PLC的地线不能和其它设备共用④PLC的各单元地线应相连在一起(3)PLC的维护和检修：虽然PLC的设计，已使维修和运行故障减少到最小程度，但为了保证系统的正常工作，尽量延长系统的使用寿命，应定期进行维护和检修。注意电源电压、环境指标、I/0参数、安装情况及备份电池等情况的检查与维护，确保PLC正确稳定的运行。第4章系统软件框架的构建与系统仿真4.1系统的I/O口地址及相关的软元件功能设置本系统中主要的输入有上水阀开关、循环泵开关、电加热开关、提升泵开关和自动手动转换开关。输出有上水电磁阀、循环泵、电加热、排空电磁阀等。另外，还有一些报警指示灯和传感器。系统占用的所有主要单元的端口及地址分配如下表所示：表4.1I/O地址分配表启动I0.0停止I0.1盐位测量传感器I0.2进水开关手动I0.3进水电磁阀手动I0.4提升泵手动I0.5稀盐进水阀手动I0.6稀盐搅拌电机手动I0.7计量泵手动I1.0进风风机手动I1.1发生器手动I1.2NACOC计量泵手动I1.3进水开关故障I1.4进水电磁阀故障I1.5提升泵故障I1.6稀盐进水阀故障I1.7稀盐搅拌电机故障I2.0计量泵故障I2.1进风风机故障I2.2NACOC计量泵故障I2.3进水开关Q0.0进水电磁阀Q0.1提升泵Q0.2稀盐进水阀Q0.3稀盐搅拌电机Q0.4计量泵Q0.5进风风机Q0.6发生器Q0.7NACOC计量泵Q1.0故障报警报警Q1.14.2系统的程序流程图由于系统不是严格的顺序控制系统，所以在这里列出了各个子程序的流程图。(1)循环流程图：图4.1循环流程图在水循环部分，温度和浓度传感器不断测量两者的差值，并比较两个值之间的差，如果出水温度和浓度大于本身温度和浓度，那么强制进行循环，只要两者之间有温度和浓度差，循环就不停的进行，这样可以使电收电到的能量不断的传递到储水箱里面的水上，使温度和浓度不断上升，以满足需要。(2)自动上水流程图首先要对发生器水箱的液位设定上下限，根据液位的情况来决定加水和不加水，所以自动上水流程图如下：图4.2自动上水流程图4.3设计控制系统的梯形图程序STEP7

Microwin

V4.0编程软件是专为西门子公司S7-1200系列小型机而设计的编程工具软件，使用该软件可根据控制系统的要求编制控制程序并完成与PLC的实时通信，进行程序的下载与上传及在线监控[25]。根据我们设计的电热水器自动控制系统的功能与流程，我们利用STEP7

Microwin

V4.0编程软件对S7-1200PLC进行编程，程序如下所示：(1)程序块：①初始化设定出温度，水高低温设定程序：②单按钮手自动切换程序，调用子程序SBR_0或SBR_1：浓度稀释程序：

第5章系统仿真(1)用STEP7-Micro/WINV4.0软件编好如下程序：图5.1程序界面(2)将编好的程序进行编译、导出：(3)打开仿真软件，选择PLC型号为CPU1214：图5.2选择PLC型号(4)选择模拟量模块EM235：图5.3选择模拟量模块(5)选择编程时导出的“电热水器自动控制.awl”工程文件：(6)装载后显示项目名称，点击绿色运行按钮运行程序：4.5组态人机界面西门子触摸屏组态软件简单直观、功能强大、应用灵活且智能高效[26]。(1)打开软件，选择创建一个新项目，选择设备类型。(2)创建连接。在左侧的项目树中，双击“通讯”单元下的“连接”，在弹出的对话框中，创建并设置与S7-1200PLC的连接，双击第一行的空白处，新建一个连接，“接口”触摸屏连接设置里，波特率设定187.5KB，通信协议为MPI，站地址为1，目标PLC地址为2,PLC里通信端口波特率设定187.5KB，通信协议为MPI，站地址为2，下载到PLC，连接电脑和PLC通信电缆。图5.4建立通信(3)创建变量。在左侧的项目树中，双击“通讯”单元下的“变量”，在弹出的的对话框中，创建所需要的变量，设置变量时，应注意变量要与程序中变量一一对应。(4)组态画面。新建一个监控画面，如图4.7所示，绘制好画面后，设置其中按钮、指示灯和表盘等器件的关联变量、函数及动画。图5.5组态画面设置完成之后可以进行仿真测试。首先如果需要仿真的话，需要先进行编译设置，如图4.8所示，图的下方为编译信息的输出，如果编译没有问题就可以进行仿真运行。图5.6编译运行之后，电机系统图中的启动按钮，系统开始运行，然后我们设置相关的参数，参数设置完成之后就可以看到系统自动进行运行。图5.7参数设置自动运行结果及各项参数指标的实时展示如图4.10所示。图5.8仿真测试 在仿真测试中，系统设置好了一定的配比参数，工作的时候料位计及液位计会检测当前容器中的物料的含量，稀盐罐中也使用同样的检测方式，在电解的作用下发生反应，并且在出口出检测NACOC的含量。结论本次设计以S7-1200PLC为基础，利用STEP7

Microwin

V4.0软件编写的程序，实现了对电热水器自动控制系统的各项要求。实现了触摸屏组态与PLC的通信，构成了一整套控制系统。通过本次毕业设计，使次氯酸钠发生器达到了系统的各种控制要求，成功地完成了PLC控制系统的设计。经过对系统程序的运行调试，实现了全自动次氯酸钠发生器PLC控制全自动运行，持续监测工艺参数，温度、电解液、运行状态等确保系统可靠运行。本次设计凸显了S7-1200PLC控制功能强大、简单、可靠、灵活等特点。美中不足的是，由于缺乏经验和设计时间、条件有限，没有做出实物，且在一些细节有待于改进。参考文献[1]颉亚玮,樊丞越,张奔,刘宏远,张刚,朱海涛.两种大型饮用水厂次氯酸钠发生器运行评价分析[J].2022,38(15):1-6.[2]王亚丹.古田县自来水厂次氯酸钠替代液氯消毒系统改造[J].科技创新与应用,2022,12(16):129-132.[3]万春,田若.净水厂消毒技术升级改造调研分析与启示[J].给水排水,2022,58(03):11-15.[4]徐锦涛,张葆华,曾星晨,曾珏醒.次氯酸钠发生器在南方某水厂的运行研究分析[J].给水排水,2022,58(03):16-21+28.[5]赖加鹏.次氯酸钠发生器系统在龙岩水厂的应用[J].环保科技,2022,28(01):41-45.[6]郭静如,张雪娇,廖帅,陈雪明.Ti/RuO_2-IrO_2-SnO_2-Sb_2O_5阳极在农村饮用水消毒中的应用[J].电化学,2021,27(05):549-557.[7]乔茜,张小敏,高志霖,王萍,华赟,陆晓华,李胜军,蒋莹.现场制备次氯酸钠对饮用水消毒效果的试验研究[J].2021(04):24-28[8]翁维满.新型次氯酸钠发生器在水处理消毒中的应用[J].给水排水,2021,57(S1):65-68.[9]佟颖,于礼,王劲,高迪,包卫华.《次氯酸钠发生器卫生要求》(GB28233-2020)标准解读[J].2020,10(06):554-558.[10]王雪娇,陈越英,王晓蕾,费娟,徐燕.次氯酸钠对生活饮用水消毒效果与影响因素研究[J].中国消毒学杂志,2020,37(12):881-883.[11]赵旭,冒冉,李昂臻,孙拓,乔梦.电解法用于消毒的原理、技术特点与主要应用方式：电产次氯酸钠及电化学消毒[J].环境工程学报,2020,14(07):1728-1734.[12]西门子（中国）有限公司.深入浅出西门子S7-300PLC（第三版）[M].北京：北京航空航天大学出版社,2017.[13]胡学芝.可编程控制器的选择[J].机械制造与自动化，2004，33(2)：65-67.[14]陈建明.电气控制与PLC应用[M].北京:电子工业出版社,2019.[15]郑凤翼,金沙.图解西门子S7-300系列PLC应用88例[J].北京:电子工业出版社,2009.[16]赵旭,冒冉,李昂臻,孙拓,乔梦.电解法用于消毒的原理、技术特点与主要应用方式：电产次氯酸钠及电化学消毒[J].环境工程学报,2020,14(07):1728-1734.[