自來水廠自動(dòng)化生產(chǎn)中PLC的應(yīng)用

楊 超，劉忠祥，丁查明，王俊杰

（1.中國市政工程華北設(shè)計(jì)研究總院有限公司，天津 300381；2.天津叁目堂園境景觀規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司，天津 300021）

0 引言

水是人類賴以生存的資源，自來水的發(fā)明使人類用水便捷了很多。在城市的自來水系統(tǒng)中，自來水廠作為生產(chǎn)部門，是一切用水的來源，在自來水系統(tǒng)起到舉足輕重的作用。自來水廠的生產(chǎn)效率決定了整個(gè)城市的用水容量，自來水廠生產(chǎn)自來水的質(zhì)量也會(huì)影響全城的用水質(zhì)量。隨著時(shí)代變化，人們對(duì)生活用水的質(zhì)量有了越來越高的要求，而工業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展也使得城市用水量日益遞增，這對(duì)當(dāng)代的自來水生產(chǎn)也提出了更高的要求。

隨著工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)不斷的發(fā)展，自來水生產(chǎn)也走向了自動(dòng)化時(shí)代，采用新式的自動(dòng)化設(shè)備進(jìn)行生產(chǎn)，不僅省去了大量的人力，自動(dòng)控制往往也比人工控制更加得迅速、準(zhǔn)確。PLC 作為自動(dòng)化生產(chǎn)中常用的設(shè)備，是自來水廠不可或缺的要素，現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的出現(xiàn)也使集中控制更加便捷。因此，PLC 在自來水生產(chǎn)中也得到了廣泛應(yīng)用。

1 PLC簡介

可編程序控制器，也就是常說的PLC，是專門為工業(yè)生產(chǎn)設(shè)計(jì)的自動(dòng)化設(shè)備。PLC 具有良好的控制性能，大型的PLC 可以同時(shí)控制多個(gè)I/O 口，是目前工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)必備的設(shè)備。

PLC 最早出現(xiàn)于20 世紀(jì)60 年代，是美國通用公司為實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)而設(shè)計(jì)的自動(dòng)化設(shè)備，最初的目的是為了取代繼電接觸器而設(shè)計(jì)。經(jīng)過半個(gè)世紀(jì)的發(fā)展，PLC 的功能越來越全面，控制性能也越來越好。PLC 有很多優(yōu)勢(shì)，首要的就是其可靠性，由于采用微處理器作為核心，其控制相對(duì)而言是比較精準(zhǔn)的。目前的PLC 普遍采用計(jì)算機(jī)來進(jìn)行編程，主要采用梯形圖的形式來進(jìn)行編程，由于梯形圖屬于一種圖形語言，非常的簡單易懂，便于電氣工程師的操作，即使沒有計(jì)算機(jī)編程的知識(shí)，也可以很容易實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)的編程。PLC 無論是在軟件上進(jìn)行組態(tài)，還是硬件的安裝，都非常的簡便。此外，PLC 還具有非?？焖俚倪\(yùn)算速度，可以迅速地做出反應(yīng)。

PLC 由電源、中央控制單元、存儲(chǔ)器、輸入端口、輸出端口構(gòu)成。電源是整個(gè)系統(tǒng)能源的來源，PLC 普遍采用直流供電。因此，需要將市電的交流電通過電源轉(zhuǎn)換為直流。中央控制單元是PLC 的CPU，也就是一個(gè)微處理器，其中包括寄存器、計(jì)數(shù)器和控制器，通過中央控制單元是PLC 的核心部件，是實(shí)現(xiàn)運(yùn)算與控制的關(guān)鍵部分。輸入與輸出接口是PLC 與外界進(jìn)行數(shù)據(jù)交換關(guān)鍵部分，可以實(shí)現(xiàn)模擬量與數(shù)字量的通信。存儲(chǔ)器則是用于存儲(chǔ)程序，其中既包括客戶自行編寫的程序，也包括PLC 廠商的程序，系統(tǒng)程序是客戶不能修改的。

目前市場(chǎng)上主要采用的是羅克韋爾（AB）和西門子生產(chǎn)的PLC，其中包括小型、中型、大型PLC，客戶可以根據(jù)輸入/輸出端口的需求，以及其他的控制需求，選擇自己所需要的PLC 型號(hào)。

2 自來水廠的自動(dòng)控制需求

從自來水廠的生產(chǎn)流程來看，整個(gè)控制流程應(yīng)該包括以下幾個(gè)部分：過濾池的自動(dòng)化操作；自動(dòng)實(shí)現(xiàn)自來水加氯、礬、氨等操作；自來水廠配電設(shè)備的自動(dòng)控制；自來水自動(dòng)進(jìn)、出泵房?，F(xiàn)在的PLC 技術(shù)，完全可以實(shí)現(xiàn)集中控制，在控制中心通過計(jì)算機(jī)來實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)水廠的設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控與操作，并實(shí)現(xiàn)如下的功能，完成自動(dòng)化控制。

顯示功能：實(shí)時(shí)將水廠各設(shè)備的狀態(tài)顯示出來，并顯示各部分相關(guān)技術(shù)參數(shù)，并將其中的一些重要參數(shù)以圖表的形式顯示出來，從而把整個(gè)生產(chǎn)過程集中而又直觀地顯示出來。

報(bào)警功能：當(dāng)生產(chǎn)過程中的一些參數(shù)超出了正常值的范圍，或者某個(gè)生產(chǎn)設(shè)備出現(xiàn)問題時(shí)，需要通過聲光報(bào)警方式吸引工作人員注意，并將具體故障或異常顯示出來，并可以將相應(yīng)的信息打印出來。

控制功能：在部分設(shè)備自動(dòng)控制出現(xiàn)問題，或者因其他原因需要手動(dòng)操作時(shí)，需要提供手動(dòng)控制設(shè)備的功能，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)過程的人工干預(yù)。并且在經(jīng)過授權(quán)之后，可以對(duì)PLC 程序進(jìn)行修改，對(duì)一些參數(shù)進(jìn)行重新整定。

數(shù)據(jù)庫功能：將設(shè)備運(yùn)行的狀況與數(shù)據(jù)上傳到數(shù)據(jù)庫中，從而便于對(duì)自來水廠的生產(chǎn)狀況進(jìn)行分析，并及時(shí)將設(shè)備出現(xiàn)的故障也上傳到相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫中。

數(shù)據(jù)處理功能：將已經(jīng)上傳到數(shù)據(jù)庫中的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，從而對(duì)生產(chǎn)狀況進(jìn)行進(jìn)一步地把控。

通信功能：生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)要能方便提供給公司的總部以及其他部門，并可以上傳到企業(yè)內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)或者互聯(lián)網(wǎng)，從而實(shí)現(xiàn)企業(yè)的信息共享。

3 PLC控制在自來水廠控制中的優(yōu)勢(shì)

3.1 更高的穩(wěn)定性

采用PLC 進(jìn)行控制，比手動(dòng)操縱設(shè)備具有更高的精度，且PLC 的抗干擾能力也很強(qiáng)，控制過程具有較高的穩(wěn)定性與可靠性，這也是受到了PLC 電路結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的影響。PLC內(nèi)部采用的是集成電路，在生產(chǎn)工藝方面相當(dāng)嚴(yán)格。因此，設(shè)備不容易受到電磁干擾的影響。而與傳動(dòng)的集電器電路控制系統(tǒng)相比，PLC 的控制要準(zhǔn)確很多，大大減少了電路中電氣節(jié)點(diǎn)的數(shù)目，這樣的結(jié)構(gòu)更具備穩(wěn)定性，出現(xiàn)故障的概率也要小很多。PLC 程序本身具備自檢功能，可以編寫程序來使PLC 定期檢測(cè)程序和硬件電路，如果存在問題則直接進(jìn)行報(bào)警，從而更好地為設(shè)備正常運(yùn)行提供保障。

3.2 更全面的功能

PLC 具有多種型號(hào)，結(jié)合客戶不同需求，可采用不同型號(hào)PLC，這使PLC 具有更強(qiáng)的適應(yīng)性?，F(xiàn)在的PLC 已經(jīng)具有一定的數(shù)據(jù)處理能力，因此可以實(shí)現(xiàn)溫度控制、流量控制等功能，完全可以滿足自來水廠進(jìn)行自來水生產(chǎn)的需求。而且近些年來PLC 推出了越來越多的功能模塊，可以更加便捷地實(shí)現(xiàn)各種功能，而且這些模塊都非常容易安裝和組態(tài)，也可以非常方便地實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信，這些都使PLC在控制上更具優(yōu)勢(shì)。

3.3 使用便捷，簡單易懂

PLC 之所以在工業(yè)控制領(lǐng)域如此受歡迎，這與其簡單易學(xué)是分不開的。PLC 在設(shè)計(jì)時(shí)就是為了工業(yè)領(lǐng)域的自動(dòng)控制，因此在編程上PLC 采用圖形語言。在進(jìn)行設(shè)計(jì)的過程中，PLC 的梯形圖就是基于繼電接觸器進(jìn)行設(shè)計(jì)的，因而盡管對(duì)計(jì)算機(jī)的編程并不熟悉，也可以輕松地學(xué)會(huì)PLC編程。PLC 編程并不需要很強(qiáng)的邏輯控制，一些基本的指令只需要簡單的開關(guān)量控制即可實(shí)現(xiàn)。

3.4 減輕工作量

采用PLC 進(jìn)行控制，減少了很多設(shè)備接線，尤其是省去了用于邏輯控制的繼電器，轉(zhuǎn)而用程序來實(shí)現(xiàn)這部分功能，這使接線簡單了很多，在對(duì)設(shè)備進(jìn)行維護(hù)和故障排查時(shí)也容易了很多，對(duì)邏輯控制的問題，只要對(duì)程序進(jìn)行檢查，即可完成設(shè)備的檢修。如果想更改設(shè)備的邏輯功能，也只需要更改程序即可完成。

4 PLC在自來水廠控制中的具體應(yīng)用

4.1 PLC控制自來水廠監(jiān)控系統(tǒng)

在自來水廠的監(jiān)控系統(tǒng)中，將順序控制與邏輯控制相結(jié)合，在這樣的控制手段下，PLC 既可以實(shí)現(xiàn)對(duì)單個(gè)設(shè)備的控制，又可以同時(shí)控制多個(gè)設(shè)備，從而滿足自來水廠的自動(dòng)化控制需求，完成流水線的生產(chǎn)任務(wù)。將每臺(tái)相關(guān)設(shè)備都與PLC 相連接，這樣各設(shè)備的參數(shù)與工作狀態(tài)數(shù)據(jù)都可以直接上傳到上位機(jī)，從而將自來水廠不同部分的設(shè)備數(shù)據(jù)進(jìn)行集中，實(shí)現(xiàn)對(duì)整條生產(chǎn)線的監(jiān)控。

PLC 能夠?qū)崿F(xiàn)的不僅僅是對(duì)靜態(tài)數(shù)據(jù)的監(jiān)控，還可以對(duì)生產(chǎn)的動(dòng)態(tài)過程進(jìn)行監(jiān)控，不同的PLC 之間還可以通過數(shù)據(jù)交換，獲取生產(chǎn)線其他部分的數(shù)據(jù)，從而更好地進(jìn)行調(diào)整。也就是工廠內(nèi)的多臺(tái)PLC 設(shè)備將數(shù)據(jù)集中收集后，可以通過數(shù)據(jù)交換，使得水廠的各部分控制不是各自為戰(zhàn)，而是聯(lián)系成了一個(gè)整體，這樣的控制顯然更有效率，可以更方便地實(shí)現(xiàn)部門間的調(diào)度，使資源配置更加優(yōu)化。

4.2 PLC實(shí)現(xiàn)水質(zhì)監(jiān)測(cè)

對(duì)于自來水公司而言，最重要的就是自來水的質(zhì)量，水廠保證對(duì)自己生產(chǎn)的自來水質(zhì)量問題，就要做好水質(zhì)監(jiān)測(cè)，在確保水質(zhì)達(dá)到之后，再進(jìn)行生產(chǎn)?，F(xiàn)在的水質(zhì)檢測(cè)設(shè)備相對(duì)都比較先進(jìn)，可以準(zhǔn)確地測(cè)出水中成分，而這些設(shè)備與PLC 的聯(lián)通也比較容易，通過這些水質(zhì)監(jiān)測(cè)設(shè)備與PLC 進(jìn)行連接，可以實(shí)現(xiàn)水質(zhì)的檢測(cè)，同時(shí)還可以通過各種傳感器，來對(duì)水的流速、水壓、水位、溫度進(jìn)行檢測(cè)，從而保證生產(chǎn)線正常運(yùn)行。

4.3 PLC控制自來水廠濾池系統(tǒng)

自來水的過濾環(huán)節(jié)也對(duì)自來水的質(zhì)量有很大影響。對(duì)濾池來說，有很多控制閥，包括出水、進(jìn)水、排氣、排污等，這些閥組都可以采用電磁閥，通過PLC 提供的電信號(hào)來控制其開閉，這樣不僅方便對(duì)電磁閥進(jìn)行控制，還可以更好地監(jiān)控閥組的運(yùn)行狀態(tài)。在過濾的過程中，還需要通過PLC 的控制來確保水位基本不變，以保證過濾出水的品質(zhì)。

5 總結(jié)

PLC 在如今的工業(yè)自動(dòng)化控制中起到不可替代的作用。自來水廠作為城市重要的生產(chǎn)單位，關(guān)系到居民生活質(zhì)量和工業(yè)生產(chǎn)。因此，在自來水生產(chǎn)的環(huán)節(jié)投入PLC，對(duì)自來水生產(chǎn)有很大幫助。PLC 是目前水廠一項(xiàng)重大革新，相信隨著PLC 技術(shù)的進(jìn)步，水廠的自動(dòng)化水平也會(huì)越來越高，生產(chǎn)出質(zhì)量更高的自來水。