基于PLC的膜回用遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

(杭州開源環(huán)保工程有限公司，浙江 杭州 311200)

1 概 述

隨著我國工業(yè)的迅速發(fā)展，用水量和排污量的急劇增加，膜回用系統(tǒng)將工業(yè)污水處理后作為再生資源進(jìn)行循環(huán)再利用，達(dá)到了節(jié)約水資源、減少污染的目的。膜回用水工藝運行過程較為復(fù)雜，既有現(xiàn)場設(shè)備的運行協(xié)調(diào)，又有大量的現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集和處理。但是，目前膜回用系統(tǒng)的模式還是人工半自動化模式，這不僅造成了人員浪費，而且對于分散的系統(tǒng)管理效率也比較低下。 為了提高膜回用系統(tǒng)的管理效率，實現(xiàn)系統(tǒng)的遠(yuǎn)程運行和維護(hù)，本文設(shè)計了一種基于PLC的膜回用遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過以太網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，能對分散于各地的膜回用系統(tǒng)進(jìn)行整體控制與管理。

2 膜回用遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

膜分離(Membrane Separating)是利用天然或人工制備的具有選擇透過性的膜，以外界能量或化學(xué)位差為推動力對雙組分或多組分的溶質(zhì)和溶劑進(jìn)行分離、分級、提純和濃縮的方法。浸沒式超濾是將簾式膜片直接浸沒在膜池中，直接與原水混合接觸，通過產(chǎn)水泵的負(fù)壓抽吸使中水通過中空纖維膜達(dá)到固液分離的目的。反滲透是在足夠的壓力下，進(jìn)水通過滲透膜而變成純凈的水，通不過膜的水溶液含雜質(zhì)的濃度逐漸增大，以濃水形式排放。膜分離裝置的膜元件經(jīng)過長期使用會引起膜污染，需要設(shè)置化學(xué)清洗系統(tǒng)，配置特定清洗液，清除膜中污染物質(zhì)，盡可能恢復(fù)膜的性能。

膜回用系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)設(shè)施設(shè)備有原水池、超濾設(shè)備、氣洗系統(tǒng)、超濾產(chǎn)水池、反滲透設(shè)備、清洗裝置、純水池、加藥設(shè)備等，其中主體結(jié)構(gòu)為原水池、超濾設(shè)備、超濾產(chǎn)水池、反滲透設(shè)備和純水池。實現(xiàn)膜系統(tǒng)處理和中水回用的具體工藝流程見圖1，原水池的水經(jīng)過浸沒式超濾系統(tǒng)后，由超濾產(chǎn)水池暫存，再進(jìn)反滲透系統(tǒng)處理，產(chǎn)出清水輸至純水池。

圖1 工藝流程

遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的總體框架(見圖2)控制系統(tǒng)由本地上位機PC客戶端、本地控制PLC系統(tǒng)、遠(yuǎn)程模塊、遠(yuǎn)程監(jiān)控中心PC客戶端和手機遠(yuǎn)程監(jiān)控APP共5個部分通過不同通信協(xié)議集成。下位機為PLC控制器，主要完成對各類傳感器、泵、閥門等其他可執(zhí)行裝置的控制及反饋；上位機為PC客戶端，主要負(fù)責(zé)接收PLC采集的數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行現(xiàn)場實時顯示、存儲及歷史信息統(tǒng)計。操作人員可以通過本地、遠(yuǎn)程PC客戶端或手機APP客戶端實時監(jiān)視系統(tǒng)的運行狀況，并對現(xiàn)場的運行系統(tǒng)進(jìn)行控制。

圖2 遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)總體框架

3 控制系統(tǒng)軟硬件部分

3.1 硬件部分

根據(jù)現(xiàn)場需求和實際裝置(超濾裝置和反滲透裝置)數(shù)量確定硬件設(shè)備，本文以兩套超濾和兩套反滲透裝置為例加以介紹。因反滲透與超濾裝置有一定距離，在此設(shè)計的網(wǎng)絡(luò)平臺中，現(xiàn)場通信部分選取S7-300為主站，選IM153-4為接口，連接ET200M并使其作為從站通過PROFIBUS-DP與PLC控制器連接，因此控制系統(tǒng)包括一臺S7-300 PLC CPU315-2PN/DP主機，兩個子站ET200M通信接口模塊(分布式I/O可節(jié)省大量的信號電纜，實現(xiàn)遠(yuǎn)距離通信，且結(jié)構(gòu)清晰，便于維護(hù))，外加數(shù)字量輸入/輸出模塊，模擬量輸入/輸出模塊，本地上位機PC和GRM530遠(yuǎn)程無線通信模塊。其中數(shù)字量模塊主要的控制對象是電機泵和閥門，模擬量模塊采集液位、流量、壓力、pH值、ORP、電導(dǎo)率等在線儀表數(shù)據(jù)。

選用?？低暰W(wǎng)絡(luò)硬盤錄像機NVR(network video recorder)、智能球型攝像機、紅外夜視槍型攝像機和交換機完成視頻監(jiān)控的硬件設(shè)計。利用組態(tài)軟件中的視頻控件，實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)視頻監(jiān)控環(huán)節(jié)的嵌入。

工業(yè)以太網(wǎng)建立第一層網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架，PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線構(gòu)建第二層網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架，ASI總線為第三層網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架。GRM530遠(yuǎn)程模塊支持S7-300以太網(wǎng)協(xié)議，通過wifi、4G和有線網(wǎng)，實現(xiàn)異地遠(yuǎn)程客戶端或手機APP對本地PLC的控制。

3.2 軟件部分

3.2.1 PLC程序控制流程

S7-300 PLC使用STEP7軟件進(jìn)行編程，程序編輯完成后下載至PLC內(nèi)。程序邏輯控制功能根據(jù)超濾和反滲透的工藝控制流程編寫。自動控制流程見圖3。

名 稱超濾步序 反洗泵反洗加藥曝氣風(fēng)機產(chǎn)水泵進(jìn)水閥產(chǎn)水閥反洗進(jìn)閥排污閥時間設(shè)置運行運行10000?min反洗2000000?s排污300000?s停機停機4

名 稱反滲透步序 增壓泵高壓泵段間泵清洗泵進(jìn)水閥清洗回流閥清洗進(jìn)水閥濃水閥沖洗電動閥產(chǎn)水回流閥時間設(shè)置運行沖洗10000?min運行200000?h反沖30000?min停機停機4

圖3 自動控制流程

系統(tǒng)可以手自動控制切換，手動模式下在操作柜上可單獨開閥門與泵。自動模式下正常運行時，超濾程序按照1-2-1-2-1循環(huán)進(jìn)行，反滲透程序按照1-2-3-2-3循環(huán)進(jìn)行，系統(tǒng)運行時需先開閥門再開泵，停機時需先關(guān)泵再關(guān)閥門，系統(tǒng)啟停主要根據(jù)水池液位的高低來控制。

3.2.2 本地控制上位機PC界面

本地上位機一般安裝在現(xiàn)場辦公室內(nèi)，能夠讓現(xiàn)場操作人員實時監(jiān)控膜回用控制系統(tǒng)。界面使用WINCC組態(tài)軟件進(jìn)行開發(fā)，其開發(fā)環(huán)境方便、靈活，功能強大，極大地提高了組態(tài)的效率。該組態(tài)系統(tǒng)主要由窗口和數(shù)據(jù)庫組成，具有類似瀏覽器的窗口結(jié)構(gòu)，能處理數(shù)據(jù)報警及系統(tǒng)報警、生成各類報表和打印輸出、使用腳本語言進(jìn)線二次開發(fā)、存儲歷史數(shù)據(jù)并支持歷史數(shù)據(jù)的查詢等。上位機操作界面見圖4、圖5。

按照膜回用系統(tǒng)的要求，界面包括超濾系統(tǒng)、反滲透系統(tǒng)、趨勢圖、報表、報警和視頻監(jiān)控等，界面間的切換通過鼠標(biāo)左鍵單擊實現(xiàn)。不同的功能賦予相應(yīng)的操作權(quán)限，權(quán)限不夠則無法執(zhí)行相應(yīng)的操作或參數(shù)修改。界面上能顯示設(shè)備的實時狀態(tài)和運行狀態(tài)，在超濾和反滲透界面內(nèi)有小窗口可設(shè)置系統(tǒng)運行參數(shù)(時間和液位)。

視頻監(jiān)視窗口用于查看現(xiàn)場超濾設(shè)備、反滲透設(shè)備、原水池、超濾產(chǎn)水池和純水池的情況，若要調(diào)整監(jiān)視位置或者進(jìn)行視頻錄像，需進(jìn)入視頻監(jiān)控界面進(jìn)行操作。

3.2.3 遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)

巨控采用Internet云監(jiān)控服務(wù)，消除了傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)要求一個專用的監(jiān)控服務(wù)器和固定IP地址的限制，用戶無論何時何地，只要能連接Internet，都可以監(jiān)控自己的設(shè)備，實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。

圖4 超濾系統(tǒng)界面

圖5 反滲透系統(tǒng)界面

系統(tǒng)在實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制的過程中OPC技術(shù)是支撐技術(shù)，遠(yuǎn)程監(jiān)控中心的組態(tài)軟件WINCC與OPC服務(wù)器連接必須通過OPC接口。GRM530遠(yuǎn)程通信模塊把PLC數(shù)據(jù)打包為數(shù)據(jù)包格式，通過有線網(wǎng)絡(luò)或4G網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)包發(fā)送到云平臺，云平臺將數(shù)據(jù)通過Internet方式轉(zhuǎn)發(fā)到OPC服務(wù)器，OPC服務(wù)器通過GRMOPCSERVER將傳送上來的數(shù)據(jù)作為一個個變量提供給組態(tài)軟件WINCC進(jìn)行組態(tài)(遠(yuǎn)程畫面可以與現(xiàn)場畫面相同)。從而遠(yuǎn)程監(jiān)控中心客戶端能夠監(jiān)視和控制多個現(xiàn)場PLC的運行，并記錄歷史報警和歷史數(shù)據(jù)等關(guān)鍵信息。

除了PC客戶端，還可以通過手機APP和網(wǎng)頁隨時隨地遠(yuǎn)程監(jiān)控現(xiàn)場膜回用系統(tǒng)運行狀況，手機短信報警和撥號提醒能確?，F(xiàn)場發(fā)生故障時及時通知到人，最終實現(xiàn)無人值守的目標(biāo)。

4 結(jié) 語

膜回用遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)通過GEM530模塊利用先進(jìn)的移動網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和成熟的PLC控制技術(shù)與遠(yuǎn)程PC主機和手機建立了穩(wěn)定的通信，將膜回用系統(tǒng)實時狀態(tài)展現(xiàn)在用戶面前，為控制膜回用系統(tǒng)提供了重要保證，在滿足設(shè)備安全有效運行的前提下降低了人工成本，提高了管理效率，實現(xiàn)了無人值守。該系統(tǒng)具有很強的復(fù)制性，可應(yīng)用于類似膜回用系統(tǒng)。