PLC在南水北調(diào)尾水導(dǎo)流工程水質(zhì)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的應(yīng)用

劉華平　唐偉　魏芳　耿亮

南水北調(diào)豐沛縣尾水資源化利用及導(dǎo)流工程沿線共設(shè)置6座水質(zhì)在線自動(dòng)監(jiān)測(cè)站，分別對(duì)兩個(gè)縣區(qū)邊界水質(zhì)及四個(gè)縣區(qū)污水處理廠水質(zhì)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，確保江蘇省調(diào)水出省的水質(zhì)穩(wěn)定達(dá)標(biāo)。該水質(zhì)在線自動(dòng)監(jiān)測(cè)站具有自動(dòng)運(yùn)行、連續(xù)監(jiān)測(cè)、停電自恢復(fù)、讀取并上傳監(jiān)測(cè)參數(shù)等功能，這些功能的實(shí)現(xiàn)主要是依靠水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的控制單元，而PLC（可編程控制器）又是整個(gè)自動(dòng)控制技術(shù)的關(guān)鍵。這6座水質(zhì)在線自動(dòng)監(jiān)測(cè)站分別由取水系統(tǒng)、配水管路、水樣預(yù)處理裝置、輔助系統(tǒng)組成[2]，其流程控制和通訊均由M340系列PLC完成。本文主要介紹了該項(xiàng)目基于PLC的自動(dòng)控制流程的設(shè)計(jì)，包括水處理自動(dòng)控制系統(tǒng)控制要求、系統(tǒng)控制流程及PLC編程等。

以人工現(xiàn)場(chǎng)采樣、實(shí)驗(yàn)室儀器分析為主的傳統(tǒng)水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，存在可監(jiān)測(cè)區(qū)域有限、監(jiān)測(cè)工作量大、監(jiān)測(cè)人員消耗高、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)連續(xù)性差、監(jiān)測(cè)頻率低、監(jiān)測(cè)結(jié)果實(shí)時(shí)性差等問(wèn)題，這些問(wèn)題的存在使傳統(tǒng)水質(zhì)監(jiān)測(cè)技術(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足人們對(duì)水環(huán)境監(jiān)測(cè)工作的要求[1]。

水質(zhì)在線自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)就是在此前提下應(yīng)運(yùn)而生的，它是一套以在線自動(dòng)分析儀器為核心，運(yùn)用現(xiàn)代傳感器技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)以及相關(guān)專業(yè)分析軟件和通訊網(wǎng)絡(luò)所組成的一個(gè)綜合性的在線自動(dòng)監(jiān)測(cè)體系[2]。水質(zhì)在線自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)極大地降低了實(shí)驗(yàn)室分析所帶來(lái)的勞動(dòng)強(qiáng)度，解決了偏遠(yuǎn)地區(qū)無(wú)法高頻率監(jiān)測(cè)的問(wèn)題，同時(shí)還能夠及時(shí)反饋監(jiān)測(cè)信息，為管理層提供決策服務(wù)[3]。

一、水質(zhì)在線自動(dòng)監(jiān)測(cè)站系統(tǒng)

1.1系統(tǒng)總體情況

南水北調(diào)豐沛縣水質(zhì)在線自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是一個(gè)多參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，監(jiān)測(cè)參數(shù)包括：常規(guī)五參數(shù)（pH、溫度、溶解氧、濁度、電導(dǎo)率）、氨氮、COD、全鹽量等。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，采用雙泵結(jié)構(gòu)，兩泵互為備用，整個(gè)系統(tǒng)可依據(jù)需要按設(shè)定的周期連續(xù)采樣。采集上來(lái)的水樣經(jīng)五參數(shù)及全鹽量測(cè)定儀測(cè)定后，將數(shù)據(jù)傳送到PLC中，其余水樣經(jīng)一段時(shí)間的預(yù)處理后，流向氨氮分析儀、COD分析儀，測(cè)量完畢后與水質(zhì)五參數(shù)、全鹽量值一樣通過(guò)基于Modbus通訊協(xié)議的RS485總線技術(shù)傳送到PLC中。取水測(cè)量完畢后進(jìn)入清洗階段，清洗共分為清水清洗、熱水清洗、空氣反吹三個(gè)流程。清水清洗主要清洗管路中的泥沙并沖走殘留水樣；熱水清洗則是為了防止管路中滋生藻類及微生物等；空氣反吹用于吹干取水管路，以備下次采樣使用。另外，考慮到五參數(shù)測(cè)定儀的傳感器不宜長(zhǎng)時(shí)間暴露在干燥環(huán)境下，因此在系統(tǒng)運(yùn)行間隙通過(guò)圖1中的沖洗管路定時(shí)對(duì)傳感器進(jìn)行清水噴淋。

1.2系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

水質(zhì)自動(dòng)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可按照監(jiān)測(cè)周期定時(shí)進(jìn)行采樣監(jiān)測(cè)、管路清洗、噴淋傳感器探頭等，以上不同的運(yùn)行過(guò)程包括了泵的開(kāi)啟、管路閥門(mén)的閉合、采樣儀器的觸發(fā)啟動(dòng)、測(cè)量參數(shù)的讀取、系統(tǒng)故障的判斷等，工藝流程較為復(fù)雜，邏輯性強(qiáng)。對(duì)以上較為復(fù)雜的流程控制，需要采用一種控制性能強(qiáng)、可靠性高、編程簡(jiǎn)單、易于調(diào)試、維護(hù)方便的控制單元用以控制閥門(mén)、儀表的開(kāi)啟，數(shù)據(jù)、工況信息的采集和上傳。

此外，考慮到水質(zhì)在線自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的靈活性和可靠性，在機(jī)柜上設(shè)置現(xiàn)地手動(dòng)啟動(dòng)按鈕、緊急停止按鈕、檢修按鈕等，方便運(yùn)行維護(hù)人員在應(yīng)急狀態(tài)下控制系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。

1.3 PLC自控系統(tǒng)特點(diǎn)

技術(shù)先進(jìn)：自動(dòng)化控制系統(tǒng)無(wú)論是從使用的現(xiàn)場(chǎng)總線、通信網(wǎng)絡(luò)、PLC、組態(tài)軟件，還是從自動(dòng)化控制技術(shù)來(lái)講，都具有先進(jìn)水平。

穩(wěn)定可靠：PLC主控單元選用知名品牌，監(jiān)理的自動(dòng)化控制平臺(tái)，經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的測(cè)試，可保證系統(tǒng)穩(wěn)定可靠地運(yùn)行；對(duì)于PLC作為主要的控制器，采用中文設(shè)計(jì)界面，自動(dòng)化程度高，使用簡(jiǎn)單。

安全性：自動(dòng)化控制采用全面的設(shè)備保護(hù)體系，包括控制平臺(tái)信號(hào)及電源防雷保護(hù)、各種水質(zhì)異常保護(hù)、各類報(bào)警等，以防止因?yàn)橐馔饣虿僮魇д`而發(fā)生事故。

擴(kuò)展性和兼容性：本系統(tǒng)具有很強(qiáng)的兼容性，為了保證在今后的擴(kuò)建和改造時(shí)滿足控制要求，在設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮系統(tǒng)的擴(kuò)展能力，在滿足現(xiàn)有功能要求的基礎(chǔ)上，為今后系統(tǒng)的擴(kuò)展和互連提供充足的接口。

二、水質(zhì)在線自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)PLC選型及應(yīng)用

2.1 系統(tǒng)PLC選型

PLC（可編程控制器）實(shí)質(zhì)上就是一臺(tái)計(jì)算機(jī)，其硬件結(jié)構(gòu)與我們常用的微機(jī)相似，即由電源、CPU、通訊模塊、輸入輸出（I/O）模塊、外設(shè)I/O接口等組成[4]，各部分通過(guò)總線（電源總線、控制總線、地址總線、數(shù)據(jù)總線）連接而成[5]。它是一款綜合了計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)和通信技術(shù)的自動(dòng)控制裝置[6]。

在南水北調(diào)豐沛縣水質(zhì)在線自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，選用M340系列PLC。這款PLC適用于中小型項(xiàng)目，可以為工程提供最佳的自動(dòng)化技術(shù)和高效、靈活、經(jīng)濟(jì)的解決方案。水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)雖然結(jié)構(gòu)、工藝流程較為復(fù)雜，但較之大型自動(dòng)化工程而言，尚屬中小型項(xiàng)目，因此，M340系列PLC完全可以滿足系統(tǒng)的需求。

南水北調(diào)豐沛縣水質(zhì)在線自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)輸入端設(shè)有手動(dòng)選擇開(kāi)關(guān)、浮子開(kāi)關(guān)、泵脫扣信號(hào)及泵運(yùn)行信號(hào)等；輸出端需要控制12個(gè)閥門(mén)、2臺(tái)水泵、9個(gè)狀態(tài)燈、1個(gè)增壓泵?？紤]到系統(tǒng)的可擴(kuò)展性，選用了32點(diǎn)DI和DO模塊。同時(shí)，加入一個(gè)通訊模塊，用于發(fā)送COD、氨氮采樣儀啟動(dòng)命令，接收五參數(shù)采樣儀、全鹽量測(cè)定儀、氨氮及COD采樣儀的測(cè)定數(shù)據(jù)。

2.2 系統(tǒng)PLC程序設(shè)計(jì)

在此工程中，PLC控制程序使用Unity_Pro_XL_V5.0軟件編寫(xiě)，主要控制采樣、監(jiān)測(cè)、清洗、噴淋、數(shù)據(jù)讀取等，其控制程序流程如圖2所示。

系統(tǒng)自動(dòng)運(yùn)行開(kāi)始，首先判斷是否到達(dá)監(jiān)測(cè)周期所要求的監(jiān)測(cè)時(shí)間，若時(shí)間已到，則立即進(jìn)入監(jiān)測(cè)流程，并將測(cè)量到的水質(zhì)參數(shù)發(fā)送到數(shù)據(jù)采集器中；待監(jiān)測(cè)流程結(jié)束后，開(kāi)啟清洗流程，經(jīng)過(guò)清水清洗、熱水清洗、空氣反吹后，系統(tǒng)停止，等待下一個(gè)監(jiān)測(cè)周期到來(lái)。噴淋流程是在監(jiān)測(cè)流程和清洗流程均未開(kāi)啟的狀態(tài)下，每隔一小時(shí)運(yùn)行一次，即在監(jiān)測(cè)周期時(shí)間間隔內(nèi)循環(huán)運(yùn)行。

當(dāng)系統(tǒng)處于手動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，可以按下強(qiáng)制監(jiān)測(cè)或強(qiáng)制清洗按鈕，開(kāi)啟系統(tǒng)監(jiān)測(cè)或清洗流程。

系統(tǒng)在PLC讀取數(shù)據(jù)后，會(huì)以一定的采集頻率，通過(guò)RS485方式與數(shù)據(jù)采集器進(jìn)行通信，所有數(shù)據(jù)最終由數(shù)據(jù)采集器以GPRS無(wú)線通訊方式傳送到中心站，以備分析使用。

三、水質(zhì)在線自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)PLC程序設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)PLC編程軟件的選用

PLC控制程序采用Schneider公司提供的Untiy_Pro_XL_V5.0編程軟件開(kāi)發(fā)。整個(gè)程序由一個(gè)主程序、若干個(gè)子程序構(gòu)成，程序的編制在計(jì)算機(jī)上完成，編譯后將程序下載到PLC中，通過(guò)在RUN模式下主機(jī)循環(huán)連續(xù)執(zhí)行程序來(lái)實(shí)現(xiàn)[3]。

3.2 系統(tǒng)PLC程序的設(shè)計(jì)

南水北調(diào)水質(zhì)在線自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)程序由一個(gè)主程序及五個(gè)子程序組成。

監(jiān)測(cè)子程序：監(jiān)測(cè)水樣時(shí)間到時(shí)，控制水泵、電動(dòng)球閥、電磁閥等設(shè)備開(kāi)關(guān)，分析儀分析等。同時(shí)通過(guò)沉砂池、分析儀采樣杯浮子開(kāi)關(guān)情況來(lái)判斷取配水系統(tǒng)的運(yùn)行狀況。

清洗子程序：監(jiān)測(cè)完成后，要對(duì)管路進(jìn)行沖洗。此程序控制電磁閥、電動(dòng)球閥、熱水閥等設(shè)備對(duì)管路進(jìn)行清水清洗、熱水清洗及空氣反吹。

噴淋子程序：當(dāng)系統(tǒng)既不處于監(jiān)測(cè)階段，又不處于清洗階段時(shí)，每隔一小時(shí)開(kāi)啟一次清水噴淋，以保護(hù)傳感器探頭。

系統(tǒng)停止子程序：系統(tǒng)按照設(shè)計(jì)循環(huán)運(yùn)行完一次后，進(jìn)入停止?fàn)顟B(tài)。此時(shí)，監(jiān)測(cè)和清洗流程均停止，但噴淋流程仍繼續(xù)執(zhí)行。

檢修狀態(tài)：當(dāng)系統(tǒng)處于故障或強(qiáng)制檢修狀態(tài)時(shí)，監(jiān)測(cè)、清洗及噴淋流程均停止。同時(shí)，所有電動(dòng)球閥、電磁閥等設(shè)備回到初始狀態(tài)，PLC不再向數(shù)據(jù)采集器傳送數(shù)據(jù)。

四.總結(jié)

南水北調(diào)豐沛縣水質(zhì)在線自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)利用M340系列PLC對(duì)整個(gè)自動(dòng)監(jiān)測(cè)流程進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)了監(jiān)測(cè)站的無(wú)人全自動(dòng)連續(xù)運(yùn)行，提高了系統(tǒng)的可靠性及自動(dòng)化水平。PLC系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，采集數(shù)據(jù)準(zhǔn)備快捷，控制的重要設(shè)備運(yùn)行安全，現(xiàn)場(chǎng)安裝方便，程序編寫(xiě)智能簡(jiǎn)便，系統(tǒng)投運(yùn)后自動(dòng)化智能化程度高，工作人員維護(hù)量小。同時(shí)，該系統(tǒng)還具備較好的擴(kuò)展性和適用性，對(duì)于地處南水北調(diào)豐沛縣尾水資源化利用及導(dǎo)流工程沿線不同位置的6座水質(zhì)監(jiān)測(cè)站，僅需根據(jù)各自地形特點(diǎn)設(shè)計(jì)取水方式即可使用。

南水北調(diào)豐沛縣尾水資源化利用及導(dǎo)流工程6個(gè)水質(zhì)在線自動(dòng)監(jiān)測(cè)站的運(yùn)行，大大加強(qiáng)了水環(huán)境的監(jiān)測(cè)能力，為環(huán)境保護(hù)和管理部門(mén)準(zhǔn)確、及時(shí)地掌握江蘇省調(diào)水出省的水質(zhì)狀況提供了理論依據(jù)和決策支持。