PLC 支持下的云平臺(tái)污水處理控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路

李艷和

（北京中交紫光科技有限公司，北京，100088）

1 工程概況

同常規(guī)性城市污水處理廠一樣，某地區(qū)污水處理廠所開發(fā)的自動(dòng)化控制系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制、數(shù)據(jù)采集功能。由于該項(xiàng)目具備一定的特殊性，開發(fā)資金使用的是國(guó)債資金，開發(fā)成本受到一定的限制，必須要保證自動(dòng)控制系統(tǒng)具備耐用性、實(shí)用性以及夠用性原則。此次研發(fā)的自動(dòng)控制系統(tǒng)大致可細(xì)分為三個(gè)結(jié)構(gòu)層：現(xiàn)場(chǎng)控制層、遠(yuǎn)程監(jiān)控層以及集中控制層。

其中，現(xiàn)場(chǎng)控制層主要是涵蓋各種機(jī)械設(shè)備，例如，傳感器、控制箱、操作箱、探測(cè)儀器等相關(guān)設(shè)備?，F(xiàn)場(chǎng)控制層主要是針對(duì)于污水處理的具體工藝以及整個(gè)處理過程，屬于是底層控制層，同時(shí)也是優(yōu)先級(jí)別最高的一個(gè)控制層。現(xiàn)場(chǎng)控制層主要是采集各機(jī)械設(shè)備運(yùn)行的狀態(tài)，利用傳感器將收集到的設(shè)備狀態(tài)信息傳輸給集中控制層，集中控制層會(huì)向現(xiàn)場(chǎng)控制層發(fā)出信號(hào)指令，現(xiàn)場(chǎng)控制層在接受到信號(hào)指令以后采取相應(yīng)的控制措施。

2 污水處理控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

■2.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的硬件設(shè)備構(gòu)成比較簡(jiǎn)單，主要是由西門子接口模塊、S7-1500PLC、模塊組。本地化數(shù)據(jù)采集可以使用profinet 總線形式，采用分布式自動(dòng)化，同時(shí)配備傳感器完成數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集，見圖1。

圖1 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)圖

2.1.1 系統(tǒng)硬件

硬件組態(tài)是完成一個(gè)項(xiàng)目的第一步，硬件組態(tài)通過Step7 軟件進(jìn)行。所謂硬件組態(tài)，即模擬真實(shí)的PLC 硬件系統(tǒng)，將CPU、電源和信號(hào)模塊等設(shè)備安裝到相應(yīng)的機(jī)架上，并對(duì)PLC 硬件模塊的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置和修改的過程。當(dāng)用戶需要修改模塊的參數(shù)或地址需要設(shè)置網(wǎng)絡(luò)通訊，或者需要將分布式外設(shè)連接到主站的時(shí)候，都要進(jìn)行硬件組態(tài)。

在硬件組態(tài)時(shí)，首先創(chuàng)建項(xiàng)目，利用程序中的導(dǎo)向功能可方便創(chuàng)建項(xiàng)目：打開【SIMMIC Manager】，在【File】菜單下單擊【New Projectwizard】，然后分別選擇CPU、編程語言、需要的OB 塊，再給項(xiàng)目起名字，接著通過【Hardware】進(jìn)入硬件組態(tài)。

硬件組態(tài)詳細(xì)的順序可參看SIEMENS相關(guān)資料和教程，此處不再贅述。但需要注意的是，每個(gè)模板有各自的位置，如1#槽為電源模板，2#槽CPU模塊，3#槽放置接口模塊(如IM361、360 和365 等)，4#w-11#槽才可以放置功能模板、輸入輸出模板等，最多可放置8 個(gè)信號(hào)模塊、功能模塊或通信模塊，如違反規(guī)則則模板無法放置。

（1）西門子S7-1500。這種PLC 構(gòu)件自身的性能比較強(qiáng)大，屬于是模塊化結(jié)構(gòu)，可以迅速的響應(yīng)系統(tǒng)的指令，對(duì)系統(tǒng)的控制性能進(jìn)行優(yōu)化，大幅度的提高系統(tǒng)的運(yùn)行效率。相較之S7-300PLC 而言，西門子S7-1500 的聯(lián)網(wǎng)性能更為突出，處理數(shù)據(jù)的速度更快，可以實(shí)現(xiàn)分布式管理，由于西門子S7-1500 自身具備諸多的優(yōu)勢(shì)，所以可以在工業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)中獲得廣泛的應(yīng)用。假若在西門子S7-1500 中加設(shè)ET200M 模塊則可以豐富該構(gòu)件的功能，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互、網(wǎng)絡(luò)通信等功能。

（2）MATT 系列智能網(wǎng)關(guān)。這種網(wǎng)關(guān)屬于是現(xiàn)代化先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)智能設(shè)備，其可以采集工業(yè)生產(chǎn)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，同時(shí)將自身與云平臺(tái)進(jìn)行連接。MQTT 系列智能網(wǎng)關(guān)的功能主要是包括：數(shù)據(jù)采集、邊緣計(jì)算、無線網(wǎng)傳輸、協(xié)議解析等。

2.1.2 軟件介紹

利用WinCC 實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目開發(fā)，先創(chuàng)建一個(gè)項(xiàng)目：?jiǎn)螕簟疚募俊拘陆ā?，選定單用戶項(xiàng)目，輸入項(xiàng)目名稱，保存即可。

項(xiàng)目建立之后進(jìn)行數(shù)據(jù)鏈接，建立WinCC 與SIMATTC PLC 的數(shù)據(jù)通訊。WinCC 提了一個(gè)稱為SIMATIC S7 Protocol Suite 的通訊驅(qū)動(dòng)程序。此通訊驅(qū)動(dòng)程序支持多種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和類型，通過它的通道單元提供與各種SIMATTC S7-300 和s7-400PLC 的通訊。數(shù)據(jù)鏈接建立以后，利用變量管理器設(shè)計(jì)程序中可能用到的變量。然后利用圖形編輯器根據(jù)工藝流程和控制要求編輯監(jiān)控畫面，并將其中的畫面對(duì)象和數(shù)據(jù)鏈接。winCC 提供多種鏈接方式，如c 語言程序、標(biāo)簽鏈接、動(dòng)態(tài)對(duì)話框、事件觸發(fā)等，最后完成報(bào)表的設(shè)計(jì)以及報(bào)警變量的設(shè)計(jì)等。

（1）TIA 博途。TIA 博途是西門子集團(tuán)所研發(fā)出來的一款新型高集成度自動(dòng)化軟件。該軟件基本上都自動(dòng)完成系統(tǒng)內(nèi)的所有日內(nèi)瓦。借助該軟件可以迅速的訪問自動(dòng)化系統(tǒng)、開發(fā)系統(tǒng)，對(duì)系統(tǒng)功能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。直接通過本地連接方式訪問TIA 博途軟件，可以有效的降低軟件后期維護(hù)成本，不需要編程轉(zhuǎn)固執(zhí)，直接現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行維護(hù)升級(jí)，對(duì)硬件設(shè)備進(jìn)行安全訪問。

（2）Node-RED 軟件。Node-RED 為開發(fā)人員提供一個(gè)功能強(qiáng)大的編輯器，但是該編輯器是以瀏覽器作為基礎(chǔ)而存在，可以巧妙的借助調(diào)色板將節(jié)點(diǎn)連接為一個(gè)整體，利用節(jié)點(diǎn)來執(zhí)行具體的部署任務(wù)。開發(fā)人員使用Node-RED 將各個(gè)處理節(jié)點(diǎn)連接在一起，建立出標(biāo)準(zhǔn)處理流程對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，控制事物、發(fā)送警報(bào)。

（3）MATT 協(xié)議。MQTT 協(xié)議量級(jí)比較輕，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，開放程度高，操作性不強(qiáng)，這一系列的優(yōu)勢(shì)促使MQTT 協(xié)議獲得廣泛的運(yùn)用。例如智能化家電、通信傳感器、醫(yī)療設(shè)備等等。

2.1.3 數(shù)據(jù)采集與傳輸

數(shù)據(jù)丟失通常是現(xiàn)場(chǎng)控制層在收集、傳輸數(shù)據(jù)過程中所表現(xiàn)出來的問題，該問題是系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中的關(guān)鍵性問題。這種問題出現(xiàn)的原因由于數(shù)據(jù)采集與非實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)在處理數(shù)據(jù)時(shí)存在一定的時(shí)間偏差，促使數(shù)據(jù)丟失。在對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)該保證采集硬件設(shè)備自身附帶存儲(chǔ)或是緩存功能，同時(shí)具備短期內(nèi)數(shù)據(jù)采集功能，良好的解決數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)處理之間所產(chǎn)生的時(shí)間偏差問題。

污水處理自動(dòng)控制系統(tǒng)的核心功能是污水處理數(shù)據(jù)采集與傳輸。系統(tǒng)借助PLC 組件與傳感器構(gòu)件對(duì)污水處理過程中各個(gè)運(yùn)行設(shè)備的工作狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，然后利用智能化網(wǎng)關(guān)將所采集到的數(shù)據(jù)信息傳輸至服務(wù)器，由系統(tǒng)根據(jù)獲取到的數(shù)據(jù)信息采取合理的遠(yuǎn)程操控。首先，需要保證PLC 組件與智能網(wǎng)關(guān)線路連接正確，在本地服務(wù)器或云平臺(tái)中配置合理的技術(shù)參數(shù)，當(dāng)技術(shù)參數(shù)配置完成以后，利用Node-RED 軟件訪問Web 網(wǎng)頁，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)配置MQTT 協(xié)議的技術(shù)參數(shù)，在MQTT 協(xié)議的狀態(tài)調(diào)整合適以后，開始添加PLC 組件的信息、采集參數(shù)、采集周期等相關(guān)數(shù)據(jù)信息。以上就是數(shù)據(jù)采集、傳輸?shù)那捌谠O(shè)置流程，在設(shè)置完成以后系統(tǒng)則可以自動(dòng)開始采集數(shù)據(jù)。

■2.2 MBR 膜單元功能設(shè)計(jì)

污水處理控制系統(tǒng)所控制的對(duì)象是MBR 膜中水處理裝置，具備的控制流程為：使用水泵將污水排放至反應(yīng)器內(nèi)，經(jīng)過反應(yīng)器的初步處理，將污水中的大顆粒污染物清除，然后將經(jīng)過預(yù)處理的污水排放至MBR 反應(yīng)室中，MBR 反應(yīng)室中的膜會(huì)將污水進(jìn)行過濾，并將污水中的微生物通過降解反應(yīng)清除，利用吸泵將污水排入中水箱，利用膜池內(nèi)的清洗系統(tǒng)、吹掃系統(tǒng)、排空系統(tǒng)漿污染物與污染物進(jìn)行分離處理，由此可以獲得排放合格的水[1]。膜單元功能設(shè)計(jì)圖如圖2 所示。

圖2 膜單元功能設(shè)計(jì)圖

■2.3 PLC 程序設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)的程序編碼應(yīng)該結(jié)合污水處理的需求進(jìn)行，開發(fā)人員使用TIA Portal V16 軟件進(jìn)行編寫。此外，開發(fā)人員還應(yīng)該在PLC 構(gòu)件上搭建膜控制程序數(shù)據(jù)采集模塊，并將模塊的地址進(jìn)行記錄。

■2.4 控制系統(tǒng)硬件組成

污水處理控制系統(tǒng)的硬件設(shè)備構(gòu)成比較簡(jiǎn)單，主要是由PLC 組件、控制電源、繼電器、傳感器等多個(gè)構(gòu)件組成。結(jié)合膜池控制系統(tǒng)的具體要求來看，合理的確定出PLC 構(gòu)件的輸出量、輸入量以及開關(guān)量。在啟動(dòng)MBR膜控制系統(tǒng)之前，應(yīng)該將水表、空壓機(jī)、鼓風(fēng)機(jī)等裝置的開關(guān)與遠(yuǎn)程控制側(cè)進(jìn)行連接，并將膜單元通電，然后將控制閥門與遠(yuǎn)程控制側(cè)進(jìn)行連接；啟動(dòng)膜系統(tǒng)，提前設(shè)置好控制儀表的壓力值，確?；亓髑幱谧詣?dòng)狀態(tài)。進(jìn)一步來看，膜控制系統(tǒng)預(yù)留50 個(gè)輸入單口、21 個(gè)輸出端口，將S7-1500 PLC 作為主控單元，加設(shè)I/O 模塊。

■2.5 膜處理程序設(shè)計(jì)

結(jié)合污水處理的實(shí)際需求來看，結(jié)合MBR 處理方法的原理與流程來對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，保證設(shè)計(jì)活動(dòng)的合理性。現(xiàn)階段，我國(guó)的污水處理技術(shù)越來越先進(jìn)，同時(shí)趨向于智能化、復(fù)雜化的趨勢(shì)發(fā)展，在這個(gè)過程中污水處理的要求也在不斷發(fā)生變化[2]。

自動(dòng)控制系統(tǒng)初始化完成以后，立即打開電磁閥X1，結(jié)合膜處理的需求，合理的設(shè)置延遲時(shí)間，然后使用傳感器來檢測(cè)池內(nèi)的真空度，以此來確定池內(nèi)的真空度是否達(dá)標(biāo)。根據(jù)檢測(cè)結(jié)果采取合理的措施，即若檢測(cè)不合格，則應(yīng)該啟動(dòng)水泵Y1，合理的設(shè)置延遲時(shí)間，再次進(jìn)行檢測(cè)，判斷1#，2#管路是否故障，將其作為依據(jù)來判斷水表的開關(guān)狀態(tài)。膜池控制邏輯流程圖如圖3 所示。

圖3 膜池控制邏輯流程圖

3 污水處理數(shù)據(jù)傳輸

■3.1 數(shù)據(jù)傳輸實(shí)驗(yàn)

數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸應(yīng)該具備連續(xù)性與實(shí)時(shí)性，盡可能避免出現(xiàn)傳輸過程中中斷現(xiàn)象，假若出現(xiàn)數(shù)據(jù)采集或是數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^程中出現(xiàn)中斷，有一定的可能性會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失現(xiàn)象。

當(dāng)數(shù)據(jù)傳輸通信處于正常狀態(tài)以后，那么則可以將數(shù)據(jù)傳輸至本地服務(wù)器或是云平臺(tái)中。圖4 中展示的信息為污水生產(chǎn)曲線，通過該曲線可以直觀的了解污水生產(chǎn)的具體情況。管理人員可以不受時(shí)間、空間的限制隨時(shí)通過Web 頁面瀏覽污水處理設(shè)備運(yùn)行的狀態(tài)。結(jié)合實(shí)際情況而言，在實(shí)際運(yùn)行的過程中設(shè)備可能會(huì)出現(xiàn)故障，如何有效的保證系統(tǒng)運(yùn)行過程中，數(shù)據(jù)不會(huì)出現(xiàn)丟失，是系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中所應(yīng)該關(guān)注的重要問題之一。假若數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^程中因網(wǎng)絡(luò)堵塞促使數(shù)據(jù)出現(xiàn)丟失現(xiàn)象時(shí)，則可以使用MQTT 協(xié)議完成數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)，以保證數(shù)據(jù)順利發(fā)送至指定位置[3]。

圖4 生產(chǎn)曲線

■3.2 傳輸性能實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

本地服務(wù)器與云端之間的差異主要是體現(xiàn)在對(duì)數(shù)據(jù)的響應(yīng)速度。

對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證，使用MQTT 協(xié)議完成數(shù)據(jù)傳輸，同時(shí)向本地服務(wù)器與云端發(fā)送相同大小的數(shù)據(jù)包，對(duì)比二者之間的傳輸效率。設(shè)計(jì)人員應(yīng)該將數(shù)據(jù)包發(fā)送至本地服務(wù)器的時(shí)間與數(shù)據(jù)包發(fā)送至云端的時(shí)間進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)合對(duì)比結(jié)果來看，數(shù)據(jù)包發(fā)送至本地服務(wù)器的時(shí)間與數(shù)據(jù)包發(fā)送至云端的時(shí)間相差0.8s，這個(gè)時(shí)間差在智能化控制遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸活動(dòng)中是允許存在的。通過數(shù)據(jù)傳輸性能試驗(yàn)對(duì)比分析以后，有力的論證出云平臺(tái)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的性能明顯的強(qiáng)于本地服務(wù)器的性能。傳輸性能對(duì)比圖如圖5 所示。

圖5 傳輸性能對(duì)比圖

4 結(jié)語

近年來，我國(guó)的信息通信技術(shù)飛速發(fā)展，將現(xiàn)代化先進(jìn)的互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用在工業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)中是未來社會(huì)發(fā)展過程中的必然趨勢(shì)。本文以某市污水處理廠的污水處理數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)作為研究對(duì)象，提取污水處理廠的技術(shù)參數(shù)（pH 值、SS 懸浮物等等），管理人員可以通過智能移動(dòng)端或是電腦端查看具體的數(shù)據(jù)信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)污水處理遠(yuǎn)程操控。