设计应用 基于PLC的锅炉水处理控制系统设计 Design of Control System of Boiler Water Treatment Based on PLC （Huafeng Colliery Information Development Center of Shandong Energy Xinwen Mining Group Co.，Ltd.，Shandong Taian 271000，China） QI Jia-jun 山东能源新矿集团华丰煤矿信息开发中心 齐加俊 【摘要】介绍了基于PLC的锅炉水处理控制系统的设计方案、系统组成、硬件配置和软件结构，阐述了控制系统的硬件和软件设计过程。实际应用表明，该控制器可以获 得满意的控制效果。 【关键词】水处理；PLC；程序设计；顺序控制 Abstract：This paper introduces design scheme，components，hardware equipment and software structure of control equipment for boiler water treatment based on PLC. The hardware and software design of the control system are expounded. The actual application confirmed that the designed system presents the characteristics of high automation，high reliability and the efficiency are effective improved. Key words：water treatment；PLC；programming；sequence control 1.引言 工业锅炉水处理的主要内容是水的软化， 即除去水中的钙镁硬度盐，防止锅炉结垢。在 生产中锅炉水的软化处理是一项重要的安全指 标，它是防止锅炉结垢、腐蚀，保证蒸汽品 质的主要措施，对保证锅炉安全经济运行有着 重要的意义，因此，对于锅炉水处理的技术要 求愈来愈高。本文所设计的锅炉水处理控制装 置，由高低水位控制进水阀开关，选用PLC为 控制器，通过编程实现水处理的循环控制，提 高了水处理的自动化程度和生产效率。 2.软水生产工艺过程及控制要求 软化水设备的工作原理是基于阳离子交换 原理。水由交换柱上流下，与交换树脂中的盐 离子充分接触达到把原水中的杂质、易结垢的 重金属阳离子去除掉。其生产工艺大致分为下 列几步： (1)松床：主要把交换柱中压紧的交换树 脂充分冲开使之与要处理的水充分接触； (2)再生：水处理经过一段时间后，交换 器树脂中的盐离子会失去导致交换失效，要对 交换树脂进行反洗，再用酸(或碱)溶液对树脂 进行处理，使其恢复交换能力； (3)置换：在置换过程中，软化水由上而 下流经交换柱，冲洗掉树脂中的钠离子，实现 钠离子交换钙镁离子； (4)清洗：把树脂中残留的氯离子洗净。 图1 水处理工艺流程 在实际运行中有A、B两套完全相同的结构 构成一个系统，共有四个工位，各自工作于不 同的工作流程，交替进行，各工位之间通过电 机转动换位。当A(B)处于再生，置换过程时， 图9 基准电压源电路芯片照片 器件的对称性和匹配性要靠版图布局加 以改善，同时器件参数的选取也很关键，如 选择电压系数和温度系数较小的多晶硅电阻， 使用较宽的电阻条宽度，在面积允许的条件 -144- B(A)要处于交换过程，以便为锅炉提供所需的 软化水。工艺流程图如1所示(1#为进水阀，2# 为再生阀)。 根据需要各个工位的运行时间长度不同。 要求控制系统应能够设置、修改、存储各工位 的运行时间长度，并能按照设置的各工位时间 长度自动切换工作流程，控制各阀门的开关。 配合水位检测器，系统应能自动检测存储软化 水容器的水位高低。达到上限时，系统应能自 动停止运行，达到下限应能自动启动系统重新 运行。水处理不管在怎样的情况下停止，设置 的数据不能丢失，停止之前的运行状态应能保 存下来，重新运行时接着原来的状态运行。 3.系统硬件设计 本系统采用PLC为控制核心，根据锅炉水 处理控制要求分析，该PLC有7个输入信号：自 动、手动选择开关，总停止按钮，启动按钮， 工位切换手动按钮2个，液位传感器2个，共需 要7个输入点。PLC输出控制对象主要是控制电 路中的执行器件，如接触器、电磁阀等。本机 床中的执行器件有2个交流接触器，2个进水电 磁阀，2个再生电磁阀，需占用6个输出点。考 虑系统的各技术指标及以后扩展性能，选用信 捷公司的XC2-14RT-E机型，该机基本单元有8 点输入，6点输出，完全能满足控制要求。PLC 的I/O分配如表1所示。 表1 PLC控制I/O分配表 输入信号 手动/自动选择 开关 启动按钮 停止按钮 工位切换手动 按钮1 工位切换手动 按钮2 液位上限 液位下限 输入点 编号 输出信号 输出点 编号 A#工位转换电机 B#工位转换电机 A#进水电磁阀 B#进水电磁阀 A#再生电磁阀 B#再生电磁阀 Y0 Y1 Y2 Y3 Y4 Y5 X0 X1 X2 X3 X4 X5 X6 下使用较大发射极面积的PNP管，适当增大运 放输入差分对管的沟道长度等。图8为所设 计的核心版图，不包含I/O pad的面积大约为 475×200μm2。图9为加工后的芯片照片图。 6.结束语 本文对同步降压式转换器芯片中的带隙 基准电压源电路进行了设计，并用华大九天 的Aether设计平台进行了详细的仿真分析，结 果表明电路具有较好的电压稳定性和温度特 性，并且电路有使能控制和软启动功能。该 电路进行了版图设计，参加了第三届“华大 九天杯”大学生集成电路设计大赛，并采用 CSMC 0.35μm混合CMOS工艺流片。该电路适应 性强，经过简单修改就可作为其他模拟集成电 路的基本模块。本文受北京市大学生科学研究 与创业行动计划项目资助，特此致谢。 控制系统结构框图如图2所示。 图2 控制系统框图 图3 水处理工艺控制流程 本系统采用触摸屏实现人机交互，触摸屏 主要是替代传统的键盘和控制面板，以动画的 形式表现自动化控制过程，不仅用于数据的存 储和显示，而且可以简化系统的控制程序。根 据要求本系统应在触摸屏上显示柱号、工位号 和工作时间等内容。系统整个工作流程是按照 设定的时间间隔，控制各工位的轮换，这都由 内部时钟来提供参考时间。通过按键设置的工 位时间长度能保存起来，由掉电保持的数据存 储器来保存。 参考文献 [1]赵睿,张波.同步整流关键技术及其主要拓扑分析[J]. 电路与系统学报,2004,6,9(3):100-104. [2]毕查德拉扎维.模拟CMOS 集成电路设计[M].西安交 通大学出版社,2003. [3]王红义,王松林,来新泉,等.CMOS 电压基准的设计原 理[J].微电子学,2003,33(5):415-416. [4]Song B S,Gary P R.A Precision Curvature-Compensated CMOS Bandgap Reference.IEEE Journal of Solid-state Circuits,Dec.1983,SC-18: 634-643. 作者简介：林一超（1992—），福建莆田人，大学本 科，现就读于北方工业大学信息工程学院。 通讯作者：张晓波（1971—），高级实验师，现供职 于北方工业大学信息工程学院微电子学系，主要研究 方向：集成电路设计与测试。 

基于ZigBee技术的防盗井盖控制系统的设计与实现 山东省汽车电子重点实验室 山东省科学院自动化研究所 解兆延 徐文青 张延波 张晓鹏 【摘要】目前，在城市中井盖的丢失带来很多安全问题。为了解决这一问题，本文采用基于ZigBee技术的XBee-Pro模块，提出了一种新型的防盗井盖系统的设计方案。该 系统能够实时监测井盖的状态，避免井盖丢失造成的人员和车辆的损害。该系统的研发提升了城市窨井管理的智能化水平，可广泛应用于城市各种类型窨井的监控系统 中。 【关键词】ZigBee；manhole coer；XBee-Pro 设计应用 》》 1.引言 随着社会的发展，城市的规模越来越大， 大量各种类型的城市窨井井盖出现在城市的道 路上。如果井盖丢失，不仅给人员、车辆造成 重大安全隐患，而且还可能导致井下的线缆 和设备的丢失和损害，极易导致通讯、供水、 电力和供气等设施的损坏，给企业的生产和居 民的生活带来巨大损失[1]。因此，融合信息技 术和无线通讯技术，进行新型防盗井盖的研制 至关重要。本文提出了一种新型的防盗井盖系 统，采用美国Digi公司的基于ZigBee协议的通 讯模块Xbee-Pro为核心，控制器采用Freescale 公司的MC9S08QG8系列单片机，可以监控井盖 的实时状态。 2.防盗井盖系统概述 防盗井盖主要由遥控器、送电设备、受 电器、控制系统、井盖电动锁构成。原理如图 2所示。防盗井盖通过接收遥控器或者监控中 心的指令，打开和关闭井盖；同时当井盖未经 许可打开时，控制系统发送报警指令到监控中 心，提示监控中心井盖被非法打开[7]。 图1 防盗井盖结构图 Fig.1 Anti-theft Manhole cover structure diagram 3.防盗井盖控制系统硬件设计 防盗井盖控制系统主要包括MC9S08QG8、 XBee-Pro、电动锁具、供电电源、温度传感 器和位置开关。整个硬件系统的结构如图2所 示。 图2 控制系统框图 Fig.2 Control System diagram (1)电源 整个防盗井盖的系统有铅酸蓄电池供电。 由于没有外部电源补充，所以整个系统平时工 4.控制系统程序设计 由锅炉水处理系统的控制要求可知，其 为顺序控制过程，所以可运用状态编程思想， 采用步进顺控指令对其进行控制。根据控制要 求，系统在启动并且初始化之后，都要进行工 作方式的选择，即自动控制和手动控制，二者 之间的切换通过选择开关SA实现。系统控制流 程图如图3所示。 作在低功耗状态。当井盖状态发生变化时，可 以唤醒整个控制系统。正常情况下控制系统定 时唤醒检测井盖的状态，并通过通讯模块上传 到监控中心。井盖在需要打开时通过外部电源 供电驱动电动锁具。 (2)XBee-Pro 本系统采用的通讯模块式Digi公司的XBee- Pro模块。它是一种基于IEEE802.15.4协议标准 的通讯模块，可以通过配置实现各种网络拓 扑结构，包括对等网、点对点和点对多点网 络[2]。在控制系统中，XBee-Pro模块负责接来 自收遥控钥匙和监控中心的指令，打开或者关 闭防盗井盖。 (3)MC9S08QG8 MC9S08QG8是Freescale公司的基于HCS08 内核的8位单片机，具有高性能、低功耗的特 点[3]。该单片机具有各种常用外设，主要包括 定时器、A/D转换器、串行通讯接口、SPI总线 接口、IIC总线接口。它的I/O接口功能丰富， 可以通过配置寄存器配置成各种功能。该单片 机的调试也非常方便，通过单总线的BDM接口 就可以实现仿真和调试功能。在控制系统中单 片机通过XBee-Pro模块接收指令，控制电动锁 具的打开和关闭，同时将井盖内的温度信号传 送到监控中心。 (4)电动锁 电动锁由直流电机和机械锁具组成。通过 直流电机驱动机械锁具来实现打开和关闭井盖 的功能。 (5)位置开关 打开和关闭井盖时，检测电动锁具是否到 位。采用干簧管作为位置检测信号，信号经过 处理后由单片机负责检测。 (6)温度传感器。 温度传感器采用热敏电阻。热敏电阻产生 的模拟信号经过处理后有单片机ADC模块采集 后通过XBee-Pro模块发送到监控中心。 4.系统软件设计 (1)Xbee-Pro模块设置 XBee-Pro具有非常丰富的功能，所有功 能的实现通过Digi公司提供的上位机配置软件 X-CTU进行配置。XBee-Pro模块可以工作在AT命 令模式和API模式，用户可以根据自己的需要 通过下载厂家提供的各种固件进行设定[4] [5]。 本文的井盖控制系统中，通过X-CTU配置软件 XBee-Pro模块配置成网状拓扑结构，作为终端 节点进行使用。 (2)MC9S08QG8程序设计 本文涉及的控制系统中，单片机MC9S08QG8 采用C语言进行程序的设计和编写。C语言具有通 用性好、方便移植等特点，广泛用于单片机的程 序设计中。上位机编程软件采用Metrowerks公司 专门为嵌入式处理器开发的CodeWarrior 6.0， 它具有通用编程软件具有的所有功能，包括 IDE、调试器、链接器和编译器等，还支持汇 编语言的编程[6]。MC9S08QG8的程序流程图如图 3所示。 图3 程序流程图 Fig.3 program flow diagram 5.结论 目前整个系统的研发工作已基本完成，正 在进行功能样机的现场测试，测试结果表明该 控制系统能够实现防盗井盖的要求，实现对城 市窨井井盖状态和窨井内温度等环境参数的监 测，后续将在系统信息传输的可靠性上作进一 步的完善和改进。 参考文献 [1]李向红.城市路面井盖管理问题探讨[J].市政技术,2009, 27(6):560-563. [2]湛江书,谢晓佳,冯发维.基于Xbee-Pro的矿井安全检 测与监测系统的设计[J].重庆工商大学学报(自然科学 版),2011,28(2):207-211. [3]任勇,傅雪骄,张超.基于MC9S08QG8低端微控制器的 无线控制器设计[J].无线通讯,2009,296(9):52-55. [4]杨增汪,陈斯,顾明亮.基于XBee的无线振动信号检测 传感器节点设计[J].煤炭技术,2010,12:51-52. [5]郭航宇，周凤星.基于XBee-Pro模块组建的ZigBee网 络的实际应用[J].信息技术,2011,10:193-195. [6]张立社.集成开发环境CodeWarrior的使用方法[J].软 件设计开发,2012,8:143-145. [7]徐文青,解兆延,门兴,王继祥.基于ZigBee与非接触 供电的井盖防盗技术及应用[J].中国安全生产科学技 术,2012,11:173-177. 基金项目：山东省信息产业专项发展资金项目（项目 编号：2011R1802）。 作者简介：解兆延（1981—），男，主要从事单片机 与嵌入式系统、电力电子与电力传动技术研究。 统，与同类控制系统相比，整个组成电路结构 简单，系统可靠性高，维护方便。经实际应 用，充分克服了原继电接触器控制系统的缺 点，触摸屏作为显示终端，提高了人机界面的 灵活性，可将提升机的运行状态和故障信息直 观显示出来，方便操作人员快速处理设备故 障，大大提高了系统的可靠性。 气传动自动化,2003(2):31-33. [2]陈旭武,刘东江.PLC在组合机床控制中的应用与程序 编制[J].机械制造与自动化,2006(4):42-44. [3]Xinjie Electric Corporation.XC系列微型可编程控制器 使用手册[S].2010. [4]雷新利,赵忠.基于PLC和触摸屏的灌装系统设计[J].机 械与电子,2007(9):78-80. 5.结束语 本文设计的用于软化水设备的PLC控制系 参考文献 [1]赵红忠,秦小州.SBR污水处理工艺及自动化控制[J].电 作者简介：齐加俊（1968—），机电工程师，主要研 究方向：机电自动化控制技术。 -145- 

基于PLC的锅炉水处理控制系统设计 作者： 齐加俊， QI Jia-jun 作者单位： 刊名： 英文刊名： 山东能源新矿集团华丰煤矿信息开发中心 电子世界 Electronics World 年，卷(期)： 本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_dzsj201417125.aspx 2014(17)