基于PLC的水質監測系統的設計

李澍源，曾明海，余文泉，蘭家祥，林壽英

（福建農林大學機電工程學院，福建福州 350002）

基于PLC的水質監測系統的設計

李澍源，曾明海，余文泉，蘭家祥，林壽英

（福建農林大學機電工程學院，福建福州 350002）

文章闡述了基于 PLC 的水質監測系統，本系統采用西門子的 S7-200 PLC 為控制器，通過以太網通訊，將下位機采集的水質各參數傳輸給觸摸屏顯示，同時在計算機上應用 iFIX 組態軟件實現數據的實時傳輸以實現遠程監控。水質檢測系統能根據下位機收集的數據與設置的標準數據進行對比，實現對水質的監測。整個系統包括編寫邏輯控制程序、搭建觸摸屏組態畫面、iFIX 組態軟件畫面。

水質監測；西門子 S7-200 PLC；控觸摸屏；iFIX；遠程監控

1 系統組成及硬件設計

本系統為基于 PLC 的水質監測系統，主要是對水質中pH 值、濁度、溶解氧、溫度等參數進行檢測，并能在參數超出規定標準時進行報警；本系統的上位機采用以太網與下位機通訊，通過組態軟件設計監控畫面，以實現水質參數值在計算機中的顯示、報警等功能。還需人機界面的設計實現水質參數在觸摸屏上的顯示/控制。如圖1 為系統結構圖。

圖1 系統結構圖

（1）PLC 的選型及其擴展模塊的確定。根據對水質監測系統的作用分析、選擇并確定合適的 PLC 型號，完成系統組態或硬件的配置。該控制系統應有 8 個數字量輸入點、4 個數字量輸出點、4 個模擬量輸入點，I/O 點總數為 16 個。根據輸入輸出點數以及要實現的水質監測系統的功能，選用西門子S7-200 的 PLC。該 PLC 的 CPU 類型為 CPU224，含 14DI/10DO，可擴展模塊數量為 7。另加一個擴展模塊 EM231（4AI）以及以太網模塊 CP243-1，這樣就完全能夠滿足設計要求。

圖2 傳感器實物圖

（2）傳感器的選擇。如圖2（a）即為濁度傳感器加了外圍電路以組成的濁度傳感器模塊 SEN0189，該模塊工作電壓：DC 5V，工作電流：30mA（MAX），工作溫度：-30 ℃～80℃，量程：0℃～50℃，提供模擬信號和數字信號兩種輸出模式，本系統用到的是 0～4.5V 模擬輸出。

如圖2（b）所示為 BNC 接口型 PH 傳感器。該 pH 傳感器工作電壓：DC 5V，工作溫度：0℃～60℃，測量范圍：0～14pH，精度：±0.1pH（25℃），輸出的是以模擬電壓信號輸出。

如圖2（c）所示為 DO530 溶解氧傳感器。該溶解氧傳感器采用酸性膠體電解質原電池原理，不受二氧化碳干擾。該溶解氧傳感器的測量誤差：溶解氧≤0.1mg/L 溫度≤0.5℃，自動溫度補償功能：自動 0℃～60℃，測量范圍：0～10mg/L，4～20mA 電流信號輸出。

如圖2（d）所示為溫度傳感器選用 Pt100 三線制鉑電阻及變送器模塊。該模塊可以接收熱電阻或各類熱電偶輸入，可直接安裝于溫度傳感器接線盒內，并輸出標準電流信號，工作電壓：DC 24V，工作溫度：-20℃～80℃，工作濕度：＜95%，量程：0℃～50℃，輸出信號：4～20mA 電流信號輸出。

2 水質監測系統的 PLC 程序設計

編寫 PLC 程序之前，需要先對所需用到的編程地址進行分配，這不僅有利于編程，更方便今后在程序調試過程很快找出對應的控制點。根據對水質監測系統的功能分析，可知該控制系統有 8 個數字量輸入點、4 個數字量輸出點、4 個模擬量輸入點。根據功能確定編程元件的地址分配如表1 所示。

表1 系統地址分配

圖3 控制系統程序流程圖

圖3 為程序控制流程圖，系統上電后先對存儲 pH 值、濁度值、溫度值、溶解氧值的 VD0、VD4、VD8、VD12 寄存器以及計數器 C0 的當前值進行初始化。然后判斷自動或者手動開關哪個按下；若自動開關打開，則開始計時，計時時間到就開始采集 pH 值、濁度、溫度、溶解氧；采集完之后與設置的標準數據進行對比，若某個量的數據超出范圍，則相應的指示燈閃爍；若沒超出范圍，則相應的指示燈常亮直到采集時間到，如此循環。若手動開關開啟，需判斷哪個量的手動開關打開，然后開始計時，計時時間到就開始采集相對應的量，采集值與設置的標準數據對比，若某個量的數據超出范圍則相應的指示燈閃爍，若沒超出范圍指示燈常亮直到采集時間到，如此循環。

3 水質監測系統的人機界面設計

（1）觸摸屏人機界面的設計。本系統采用富昌維控觸摸屏作為人機界面設備，觸摸屏型號為 LEVI 777A，24V 供電，通過 USB 轉串口與 PLC 進行通訊。由于 S7-200PLC 的編程元件輸入繼電器（I）只能由外部的輸入信號來驅動，所以觸摸屏上不能直接對輸入繼電器（I）進行控制。輔助繼電器（M）沒有外部的輸入端子或者輸出端子與之對應，因此它不會受到外部的輸入信號直接控制，它的觸點也不能直接驅動外部負載。故觸摸屏上可采用輔助繼電器（M）來代替輸入繼電器（I）。人機界面上輔助繼電器（M）與輸入繼電器（I）對應的控制對象如表2 所示。

表2 人機界面上對應 I的控制對象

本系統的觸摸屏界面分別是主畫面、監測畫面、模擬動畫界面。主畫面主要是顯示了本設計的題目、當前時間、采集頻率、總開關等，如圖4（a）所示。監測畫面主要是顯示了自動、手動模式下采集的數據，如圖4（b）所示。模擬動畫界面是模擬實物采集的過程進行編寫的一個模擬畫面，如圖4 （c）所示。

圖4 觸摸屏界面

（2）計算機人機界面的設計。iFIX 組態軟件可以安裝在工控機或者普通計算機上。采用以太網與 PLC 進行通訊，用 IGS軟件采集 S7-200 的數據，用 iFIX 組態軟件的 IGS 驅動采集IGS 軟件上的數據。這樣就可以實現用 iFIX 軟件與 PLC 通訊，實現通過計算機對 PLC 的控制。本系統 iFIX 組態軟件共有三個畫面，分別是：主畫面、模擬動畫畫面、報警匯總畫面，編寫完成的畫面如圖5（a）、（b）、（c）所示。

圖5 iFIX界面

4 結語

基于 PLC 的水質監測系統能很好地對水質的各個參數進行檢測，并將實時數據傳送到計算機，并能對數據的變化進行監控報警。這很好地實現了對水質的實時監測，避免工業生產的污水和廢水超標排放；同時也對居民生活用水的水源提供了保障。該系統具有較強的數據檢測、處理能力，能穩定可靠運行，人及界面以及 iFIX 操作界面優良，這有很好的推廣性和較高的實用價值。

Design of Water Quality Monitoring System based on PLC

LI Shu-yuan，ZE NG Ming-hai，YU Wen-quan，LAN Jia-xia，LIN Shou-ying
（School of Mechanical and Electrical Engineering，Fujian A griculture and Forestry University，Fuzhou，Fujian 350002，China）

The paper discusses the quality monitoring system based on PLC.This system adopts SIEMENS S7-200 PLC as the controller，transmitting parameters of water quality collected by slave computer to screen through the Ethernet communication，and realizes remote monitoring and real-time transmission by applying iFIX configuration software in computer.Water quality detection system can compare the data collected by the slave computer with the standard data to monitor water quality.The whole system includes writing logic control program，building touch screen configuration screen and iFIX configuration software screen.

water quality monitoring；SIEMENS S7-200 PLC；control touch screen；iFIX；remote monitoring

TP273

A

2095-980X（2016）12-0034-02

2016- 11-18

李澍源（1991-），男，福建福州人，碩士研究生，主要研究方向：電氣化與自動化。

通迅作者：林壽英（1965 -），女，福建福州人，副教授，碩士生導師，主要研究方向：自動控制和應用電子研究。