基于可編程控制器的污水自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

趙敏鵬，常文利

（寶雞職業(yè)技術(shù)學(xué)院陜西寶雞721000）

水污染是目前我國(guó)社會(huì)面臨最為嚴(yán)重的環(huán)境問(wèn)題，水污染不僅危害了我國(guó)人民的身體健康，還阻礙了我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，嚴(yán)重影響了生態(tài)平衡，還會(huì)導(dǎo)致發(fā)生水荒。創(chuàng)建城市污水處理設(shè)備是我國(guó)現(xiàn)代化城市健康發(fā)展的需求，并且也是保護(hù)水資源的重要途徑。城市水污染中主要包括工業(yè)污染，但是工業(yè)污染水的成分又較為復(fù)雜，并且具有大量的有害物質(zhì)，處理起來(lái)較為困難，工業(yè)污水的這種特點(diǎn)阻礙了企業(yè)及社會(huì)的發(fā)展。為了能夠在惡劣的環(huán)境中對(duì)污水進(jìn)行處理，對(duì)控制系統(tǒng)具有較高的要求。在計(jì)算機(jī)控制技術(shù)不斷發(fā)展的過(guò)程中，能夠有效實(shí)現(xiàn)污水處理的自動(dòng)控制及管理?；诖?，本文就針對(duì)某工廠的污水處理系統(tǒng)，設(shè)計(jì)基于可編程控制器的污水自動(dòng)控制系統(tǒng)。

1 整體設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)原則

在進(jìn)行污水自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的過(guò)程中，要遵守以下原則：

1）成熟性。在選擇設(shè)備的過(guò)程中，第一選擇就是先進(jìn)、成熟及可靠的設(shè)備，并且還能夠便于維修。

2）先進(jìn)性。在配置設(shè)備及設(shè)計(jì)方案的過(guò)程中，要針對(duì)現(xiàn)在及未來(lái)技術(shù)的發(fā)展需求，能夠保持性能和價(jià)格兩者的平衡，不僅能夠滿足高效及安全的生產(chǎn)，還要保證設(shè)備在未來(lái)幾年的先進(jìn)性[1]。

3）規(guī)范化。在設(shè)計(jì)方案、圖紙、軟件及調(diào)試系統(tǒng)的過(guò)程中，要以行業(yè)規(guī)范為基礎(chǔ)，便于系統(tǒng)的管理、維護(hù)及升級(jí)。

4）可擴(kuò)展性。為系統(tǒng)預(yù)留能夠擴(kuò)展的接口，從而滿足未來(lái)的發(fā)展需求[2]。

1.2 總體設(shè)計(jì)

1.2.1 污水處理工藝的流程

污水處理的整個(gè)過(guò)程不僅復(fù)雜，而且還消耗時(shí)間。本文中的污水處理一般使用的是PH值調(diào)節(jié)及SBR方法，根據(jù)進(jìn)水——中和——曝氣——沉淀——排水的步驟實(shí)現(xiàn)生化反應(yīng)，污水從流入到排水結(jié)束為一個(gè)周期[3]，工藝流程如圖1所示。

污水實(shí)現(xiàn)生化反應(yīng)之后，自身的進(jìn)水水質(zhì)要滿足國(guó)家環(huán)保需求，表1為污水處理進(jìn)水及出水的水質(zhì)指標(biāo)。

圖1 污水處理工藝的流程

表1 污水水質(zhì)指標(biāo)

1.2.2 污水自動(dòng)控制系統(tǒng)的總體方案

污水自動(dòng)控制系統(tǒng)主要包括中央控制室、污泥處理房及風(fēng)機(jī)房組成，中央控制室中包括中央可編程控制器（PLC）及具有WINCC組態(tài)軟件的上位機(jī)、電氣控制柜，風(fēng)機(jī)房中具有遠(yuǎn)程輸入/輸出控制站及風(fēng)機(jī)電氣柜。污泥處理房具有遠(yuǎn)程輸入/輸出控制站及污泥機(jī)電氣控制柜[4]。圖2為污水自動(dòng)控制系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)圖2可以看出來(lái)，系統(tǒng)主要包括以太網(wǎng)及現(xiàn)場(chǎng)總線混合結(jié)構(gòu)，現(xiàn)場(chǎng)層通信使用主/從協(xié)議構(gòu)成，傳輸介質(zhì)為屏蔽雙絞線，不同子網(wǎng)及介質(zhì)之間能夠通過(guò)耦合器進(jìn)行連接。過(guò)程監(jiān)控層通過(guò)以太網(wǎng)協(xié)議實(shí)現(xiàn)，使用可編程控制器實(shí)現(xiàn)通信協(xié)議轉(zhuǎn)換，可編程控制器其中的一個(gè)網(wǎng)卡為自帶網(wǎng)卡，一個(gè)網(wǎng)卡為太網(wǎng)卡。所以可編程控制器是現(xiàn)場(chǎng)總線中的站，并且還是以太網(wǎng)中的站點(diǎn)，操作人員的計(jì)算機(jī)及工程師的計(jì)算機(jī)并不是現(xiàn)場(chǎng)總線的站點(diǎn)，只是以太網(wǎng)節(jié)點(diǎn)，其中的站點(diǎn)能夠互相轉(zhuǎn)換，現(xiàn)場(chǎng)的信息也能夠通過(guò)以太網(wǎng)進(jìn)行讀取，控制現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)能夠通過(guò)以太網(wǎng)傳送到主站控制器的寄存器中，之后通過(guò)主/從協(xié)議將參數(shù)發(fā)送到現(xiàn)場(chǎng)總線的其他站點(diǎn)中[5]。

圖2 污水自動(dòng)控制系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)

中央控制室主要包括工程師站及操作站和打印機(jī)，過(guò)程PLC控制系統(tǒng)使用西門(mén)子產(chǎn)品，選擇PLC的CPU，自身集成PROFIBUS-DP總線端口，使用此端口能夠和風(fēng)機(jī)房中的ET-200進(jìn)行遠(yuǎn)程通信。在PIL中設(shè)置工業(yè)以太網(wǎng)卡，并誒配置以太網(wǎng)交換機(jī)OSM，以此能夠和WINCC操作站及具有PI的監(jiān)視計(jì)算機(jī)進(jìn)行通信。工程師站使用工控機(jī)、西門(mén)子以太網(wǎng)卡及WINC中文組態(tài)軟件，從而提供控制系統(tǒng)的平臺(tái)組態(tài)開(kāi)發(fā)，能夠顯示系統(tǒng)的控制結(jié)果。通過(guò)TCP/IP協(xié)議能夠?qū)崿F(xiàn)上位機(jī)和下位機(jī)的通信，以此實(shí)現(xiàn)污水自動(dòng)控制系統(tǒng)的管理和控制一體化[6]。

2 污水自動(dòng)控制系統(tǒng)的控制站設(shè)計(jì)

2.1 中心控制站

中心控制站中主要包括兩臺(tái)工業(yè)計(jì)算機(jī)工作站，兩者能夠互相備用，包括主操作站及備用操作站。主操作站中具有PLC編程軟件，能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程編程，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)將程序下載到指定的現(xiàn)場(chǎng)控制站中，從而在調(diào)試過(guò)程中隨時(shí)對(duì)程序進(jìn)行修改。中央控制站能夠?qū)崿F(xiàn)分布控制系統(tǒng)的組態(tài)管理、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)檢測(cè)、系統(tǒng)檢測(cè)，并且還能夠?qū)LC站的狀態(tài)進(jìn)行控制，從而實(shí)現(xiàn)報(bào)警及報(bào)表的打印，之后通過(guò)計(jì)算機(jī)在管理層將結(jié)果及效益發(fā)送到相關(guān)部門(mén)中[7]。

中央控制站中的數(shù)據(jù)處理為系統(tǒng)在生產(chǎn)流程中收集數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變?yōu)橄嚓P(guān)形式，數(shù)據(jù)也能夠在生產(chǎn)工藝流程中寫(xiě)入。生產(chǎn)時(shí)候的PLC控制主站和中央控制系統(tǒng)不需要添加專門(mén)的硬件接口，可以通過(guò)監(jiān)控軟件替代。通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)將監(jiān)控的工藝流程及數(shù)據(jù)處理作為高層管理功能的集成，組合成為開(kāi)放式的系統(tǒng)，便于對(duì)生產(chǎn)周期中操作的組合批量作業(yè)，以此實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的監(jiān)控[8]。

2.2 系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì)

PLC污水自動(dòng)控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)要實(shí)現(xiàn)設(shè)備的選型、I/O參數(shù)的分配及外圍控制電路的設(shè)計(jì)。

2.2.1 系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì)方案

根據(jù)上述污水處理的流程，系統(tǒng)使用自頂向下的設(shè)計(jì)方式，如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì)方案

2.2.2 設(shè)備的選型

PLC產(chǎn)品的數(shù)量較多，并且功能也越來(lái)越完善，這么多的種類具有不同的結(jié)構(gòu)、性能、容量、指令系統(tǒng)及價(jià)格，并且不同應(yīng)用場(chǎng)合為PLC的設(shè)備選型有所影響，如果沒(méi)有完全掌握PLC的技術(shù)指標(biāo)及系統(tǒng)性能，就會(huì)導(dǎo)致設(shè)備浪費(fèi)，提高生本，并且影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性能，提高事故率[9]。那么，在選擇PLC的時(shí)候，要遵守這幾方面原則：其一，選擇模塊式PLC；其二，選擇同一型號(hào)；其三，以輸入及輸出點(diǎn)作為基礎(chǔ)選擇；其四，以存儲(chǔ)器容量為基礎(chǔ)進(jìn)行選擇；其五，以通信的需求為基礎(chǔ)進(jìn)行選擇。

2.2.3 I/O參數(shù)的分配

系統(tǒng)設(shè)計(jì)要根據(jù)不同模式的參數(shù)設(shè)置實(shí)現(xiàn)，使用兼容串行結(jié)構(gòu)，通過(guò)相關(guān)的協(xié)議對(duì)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的電氣器件開(kāi)關(guān)量信號(hào)進(jìn)行采集，并且還能夠手機(jī)傳感器的水位及水壓信號(hào)，通過(guò)系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算和判斷，之后對(duì)執(zhí)行部件進(jìn)行控制。如果超過(guò)預(yù)定設(shè)置的值，系統(tǒng)就會(huì)自動(dòng)報(bào)警[10]。

2.3 控制電路的設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的控制核心使用FX1-32MR，圖4為泵站自動(dòng)控制外部端自接線圖。

圖4 泵站自動(dòng)控制外部端自接線圖

通過(guò)圖4可以看出來(lái)泵站的控制工作流程，以此還可以得出一個(gè)結(jié)論：污水自動(dòng)控制系統(tǒng)中的控制對(duì)象主要包括設(shè)備執(zhí)行元件，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是工序中的電機(jī)。電機(jī)在自身工序中工作的時(shí)候，都有自身的工作及工況狀態(tài)，但是控制的方式確實(shí)不同的，所以，為了能夠方便系統(tǒng)的處理，將工藝流程中的電機(jī)特點(diǎn)進(jìn)行抽象化，在硬件系統(tǒng)中設(shè)計(jì)統(tǒng)一外圍硬件帶女路，將其封裝為通用電機(jī)啟動(dòng)功能模塊，以此滿足系統(tǒng)的工序電機(jī)控制需求[11]。

2.4 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)設(shè)計(jì)最有效且最基本的方法為模塊化程序設(shè)計(jì)，根據(jù)系統(tǒng)功能及獨(dú)立原則，將系統(tǒng)應(yīng)用程序作為不同個(gè)獨(dú)立的單入口及出口的功能模塊進(jìn)行編制，圖5為系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)模塊：

圖5 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)模塊

為了便于用戶簡(jiǎn)單方面的使用PLC控制系統(tǒng)，人機(jī)界面使用圖形界面及觸摸操作面板進(jìn)行設(shè)計(jì)，用戶能夠通過(guò)屏幕中的按鈕及圖像進(jìn)行操作，系統(tǒng)控制自動(dòng)實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。為了保證操作的安全性，在動(dòng)作之前要通過(guò)用戶確認(rèn)，并且允許用戶取消操作，警告信息設(shè)置了聲音及光報(bào)警[12]。

泵站的自動(dòng)控制主要包括工頻自動(dòng)運(yùn)行及變頻自動(dòng)運(yùn)行的程序設(shè)計(jì)，泵站程序變頻自動(dòng)運(yùn)行設(shè)計(jì)框圖如圖6所示。

圖6 泵站程序變頻自動(dòng)運(yùn)行設(shè)計(jì)框圖

圖6的運(yùn)行過(guò)程為：在接通X0信號(hào)的時(shí)候，水泵開(kāi)始運(yùn)行；在接通X2信號(hào)的時(shí)候，水泵進(jìn)入變頻自動(dòng)云心模式；在接通X3信號(hào)的時(shí)候，水泵進(jìn)入工頻自動(dòng)運(yùn)行模式。在蓄水池中的水位達(dá)到了設(shè)置的底線水位的時(shí)候，接通X4，Y0信號(hào)開(kāi)始輸出，水泵的變頻運(yùn)行通過(guò)PID進(jìn)行控制[13]。

泵站程序工頻自動(dòng)運(yùn)行的模式框圖如圖7所示。

圖7的運(yùn)行過(guò)程為：?jiǎn)?dòng)水泵的時(shí)候接通X6，如果蓄水池在低限液位，X4接通，并且控制水泵進(jìn)入到工頻自動(dòng)運(yùn)行模式。如果在水泵運(yùn)行過(guò)程中變頻器發(fā)生故障信號(hào)的時(shí)候，X10得到故障信號(hào)，并且改變Y0的信號(hào)輸出，控制接觸器失電，水泵停機(jī)，輸出端的信號(hào)驅(qū)動(dòng)也實(shí)現(xiàn)了信號(hào)報(bào)警[14]。

圖7 泵站程序工頻自動(dòng)運(yùn)行的模式框圖

3 系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)和應(yīng)用

在完成污水自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)之后進(jìn)行系統(tǒng)的測(cè)試，系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果為聯(lián)調(diào)成功，之后在某污水處理廠進(jìn)行了系統(tǒng)的安裝。污水處理廠的測(cè)試條件完善，操作人員確認(rèn)設(shè)備的運(yùn)行正常。系統(tǒng)的測(cè)試使用先部分，后整體的方法，使用電位器設(shè)置壓力、操作面板中的壓力測(cè)試，之后接入壓力變送器，系統(tǒng)運(yùn)行正常。污水處理廠的操作人員獨(dú)立實(shí)現(xiàn)操作，系統(tǒng)能夠根據(jù)預(yù)定的流程實(shí)現(xiàn)啟動(dòng)及暫停，控制條件和功能滿足工藝的需求。系統(tǒng)在運(yùn)行一個(gè)月之后，測(cè)試了各種運(yùn)行狀態(tài)，系統(tǒng)功能完善，并且運(yùn)行穩(wěn)定可靠。

某污水處理廠實(shí)施自動(dòng)控制系統(tǒng)運(yùn)行之后，用戶表示系統(tǒng)工作穩(wěn)定且可靠，水處理的質(zhì)量具有明顯的提高，系統(tǒng)的控制功能良好，人工操作失誤導(dǎo)致的溢水、缺水等事故降低。綜合分析，本文中所設(shè)計(jì)的自動(dòng)控制系統(tǒng)的安裝簡(jiǎn)單、操作方便、運(yùn)行可靠穩(wěn)定，無(wú)污染，能夠在污水處理廠中使用[15]。

4 結(jié)束語(yǔ)

在人們生活水平不斷提高的過(guò)程中，人們對(duì)生活環(huán)境的質(zhì)量需求也在不斷的提高，社會(huì)及經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展為環(huán)境帶來(lái)了較大的壓力，環(huán)境保護(hù)問(wèn)題也越來(lái)越突出，尤其是在人類生存中不可缺少的水資源。由于我國(guó)目前的水資源不夠豐富，并且每年的污水直接排放量較大，導(dǎo)致水資源環(huán)境不斷的惡化，使水資源不斷惡化。所以，本文對(duì)無(wú)水自動(dòng)控制系統(tǒng)[16-17]研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

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