PLC程序控制技術(shù)在工業(yè)水處理中的應(yīng)用

陳世郁

（廈門億賽膜技術(shù)有限公司，福建 廈門 361022）

0 引言

PLC控制程序在很多領(lǐng)域中都有應(yīng)用，通過構(gòu)建自動(dòng)化處理系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)人們難以觸及的工作。其工作重點(diǎn)是對(duì)系統(tǒng)的程序與編程功能進(jìn)行分析，促使工業(yè)污水處理PLC控制系統(tǒng)可以有一個(gè)良好的應(yīng)用效果，使污染處理行業(yè)技術(shù)與經(jīng)驗(yàn)得到全面發(fā)展。

1 PLC程序控制技術(shù)簡介

可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）是具有功能形、智能形的新型綜合控制裝置。PLC可編程控制器有可控能力強(qiáng)、適應(yīng)性強(qiáng)以及可靠性高的優(yōu)點(diǎn)，而且PLC具有操作性強(qiáng)、簡單明了、擴(kuò)展性能良以及方便等優(yōu)點(diǎn)，可以對(duì)各類型的設(shè)備進(jìn)行控制，成了設(shè)備的中樞首腦。PLC可編程控制器的維修過程也比較容易，而且其性能穩(wěn)定，很少出現(xiàn)故障，是工業(yè)領(lǐng)域控制性最強(qiáng)的系統(tǒng)之一，也被廣泛應(yīng)用于工業(yè)污水的治理中。

2 工業(yè)水處理流程分析

我國在污水處理領(lǐng)域所面臨的問題比較嚴(yán)重。當(dāng)前我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展已到了新的階段，在工業(yè)文明進(jìn)步的同時(shí)，也給環(huán)境帶來了災(zāi)難。近年來，世界各國開始著重研究如何處理工業(yè)棄水的問題，且都投入了很大的人力和物力。當(dāng)前世界各國治理工業(yè)水比較好的國家，例如中國、日本、美國和歐洲等國家和地區(qū)都是采用先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)對(duì)工業(yè)棄水進(jìn)行處理。以先進(jìn)的理論為基礎(chǔ)，采用創(chuàng)新工藝及自動(dòng)控制污水處理的系統(tǒng)對(duì)其進(jìn)行治理，有些國家污水處理率大約可以達(dá)到85%，極大地改善了城市的工業(yè)污水問題。除了對(duì)工業(yè)水進(jìn)行治理，以色列還對(duì)污水進(jìn)行了再利用處理（利用率高達(dá)90%），為污水治理領(lǐng)域積累了大量的現(xiàn)實(shí)經(jīng)驗(yàn)。從多年治理污水的經(jīng)驗(yàn)來看，污水處理一般有3種方法。

2.1 物理法

傳統(tǒng)的物理法是根據(jù)污染物的物理特性，對(duì)廢水與漂浮物進(jìn)行宏觀分離，一般情況下，治理污水的初級(jí)階段會(huì)用到該方法，該方法也是處理污水前的預(yù)處理。而近年來新興的一種膜分離技術(shù)則將物理法的使用提高到另一個(gè)高度。膜分離技術(shù)是一種以分離膜為核心，通過壓力驅(qū)動(dòng)進(jìn)行物質(zhì)分離、濃縮和純化的一門技術(shù)。該技術(shù)被廣泛應(yīng)用于食品、醫(yī)藥、染料以及工業(yè)水處理等領(lǐng)域。

2.2 生物法

生物法是通過微生物進(jìn)行污水處理，它具有非常強(qiáng)的凈化功能，該功能與其降解功能可通過轉(zhuǎn)化和分解的方式對(duì)污水中的有機(jī)物等有害物質(zhì)進(jìn)行處理，通過改變污水的內(nèi)部解構(gòu)，將其轉(zhuǎn)化為二氧化碳與無機(jī)鹽，從而達(dá)到處理污水的目的，由于該方法簡單、環(huán)保而且成本低廉，因此被廣泛應(yīng)用于治理污水中[1]。

2.3 化學(xué)法

化學(xué)法是指通過分析水中不可見污染物的化學(xué)性，然后在污水中添加化學(xué)成分，使污染物形成一種可見的膠體物或是溶解物，進(jìn)而再做后處理。一般情況下，處理污水的方法是以上述3種方法為主，治理同一個(gè)污染水域也會(huì)同時(shí)用到3種方法，以達(dá)到最佳的治理效果。

污水處理是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，很多環(huán)節(jié)都存在很多不定性的變量，不僅包括開關(guān)量，而且還包括模擬量等。因此，在對(duì)污水進(jìn)行處理時(shí)，要制定一套污水處理方案，也就是流程。污水處理流程可分為預(yù)處理、生化處理、沉淀和后處理，具體操作步驟如圖1所示。

圖1 工業(yè)污水處理流程

下面就結(jié)合圖表進(jìn)行簡略說明。

2.3.1 預(yù)處理

治理污水前，要對(duì)污水進(jìn)行預(yù)處理，通過粗格柵對(duì)濃度較高的廢水進(jìn)行篩漏，將宏觀污染物過濾出去，也就是上文所說的物理法。將過濾后的溶液攪拌均勻，稍作沉淀，將其放入池中，進(jìn)行酸堿中和，如果池中溶液偏酸性，則加入堿，反之則加酸。中和以后將污水流至厭氧池中，再對(duì)其進(jìn)行分解處理。

2.3.2 生化處理

將已分解好的溶液進(jìn)行厭氧與好氧處理，在該過程中要注意將“溶氧值”的變化控制在合理范圍內(nèi)。微生物要有良好的繁殖環(huán)境，并保證它們可以對(duì)污染物進(jìn)行氧化分解，保證污水可以正常被凈化處理，再通過水泵將沉淀垢送達(dá)污泥處理處。

2.3.3 沉淀與后處理

經(jīng)過預(yù)處理和生化處理后，要將污水放入集泥池，在該過程中，要保證處理過的混合液深度可以控制在規(guī)定范圍內(nèi)，同時(shí)保證厭氧池與組合池中有一定的污泥回流，要對(duì)其余的污泥進(jìn)行濃縮與混藥處理，一切操作完畢后，將其放入污泥脫水系統(tǒng)并對(duì)泥餅進(jìn)行堆肥與外運(yùn)填處理。

3 工業(yè)水處理中PLC程序控制技術(shù)的運(yùn)用

3.1 PLC程序控制系統(tǒng)要求

將PLC作為核心技術(shù)，將上位PC機(jī)作為即時(shí)監(jiān)測體的核心控制系統(tǒng)的方式將成為工業(yè)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的主流發(fā)展方向。自動(dòng)化設(shè)備中，PLC與PC的通信可以提供工藝流程圖、動(dòng)態(tài)的數(shù)據(jù)畫面以及報(bào)表等多窗口內(nèi)容，使PLC可編程控制器能以界面的形式直觀地顯現(xiàn)出來，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程的自動(dòng)化與信息化，通過上位機(jī)對(duì)PLC數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)控讀寫，收集現(xiàn)場數(shù)據(jù)，可以達(dá)到使生產(chǎn)過程高度信息化的目的。

對(duì)PLC結(jié)構(gòu)圖（如圖2所示）進(jìn)行分析，PLC控制器想要正常工作，必須滿足以下2個(gè)條件：1） 通過DH+網(wǎng)與上位機(jī)通信時(shí)，把需要經(jīng)過計(jì)算處理的信息傳輸至上位顯示平臺(tái)，并接收上位機(jī)所發(fā)出的控命令。2） 通過遠(yuǎn)程I/O掃描器及運(yùn)程機(jī)架的輸入/輸出模塊通信，現(xiàn)場接收返回的信號(hào)與發(fā)出的命令，只要控制好邏輯驅(qū)動(dòng)現(xiàn)場的設(shè)備動(dòng)作，就可以實(shí)現(xiàn)PLC的控制。

上位機(jī)所控制的內(nèi)容主要是對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行操控與監(jiān)控，其工作原理是通過上位機(jī)發(fā)出操作命令，再通過PLC控制層的邏輯運(yùn)算，將上位機(jī)內(nèi)所發(fā)出的各類型命令傳輸?shù)浆F(xiàn)場的設(shè)備中，達(dá)到控制現(xiàn)場設(shè)備的作用；同時(shí)，將現(xiàn)場設(shè)備在當(dāng)前時(shí)間段的水質(zhì)參數(shù)、水流量、壓力、溫度、液壓與運(yùn)行狀態(tài)等一系列工作參數(shù)信息上傳到上位監(jiān)測站中并加以顯示，與此同時(shí)，信息還將被送入系統(tǒng)創(chuàng)建的生產(chǎn)歷史數(shù)據(jù)庫中，利用數(shù)據(jù)庫中的相關(guān)數(shù)據(jù)，對(duì)不同工作參數(shù)的變化速度進(jìn)行控制，從而達(dá)到優(yōu)化的目的。

將該系統(tǒng)中的每項(xiàng)參數(shù)傳到二期化水控制室內(nèi)顯示的目的是為了對(duì)其進(jìn)行集中監(jiān)控，為合理調(diào)配崗位與優(yōu)化操作步驟做好先驅(qū)基礎(chǔ)工作。該系統(tǒng)還與熱電廠的局域網(wǎng)相互連接，系統(tǒng)中的各項(xiàng)參數(shù)直接在熱電廠的崗位報(bào)表上進(jìn)行顯示，實(shí)現(xiàn)信息共享、集中管理和集中高度的目標(biāo)。

以PLC為核心控制中樞，控制器與CRT上位作為監(jiān)控系統(tǒng)，其自身的內(nèi)部保留控制邏輯與梯形邏輯程序，控制邏輯分為投床邏輯與再生邏輯，它們之間的運(yùn)行步驟如圖3所示。

圖3 運(yùn)行步驟

3.2 PLC程序控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.2.1 系統(tǒng)的硬件配置

如圖2所示的是PLC系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖，一般設(shè)置2臺(tái)操作站與1臺(tái)監(jiān)控站，2臺(tái)操作站位于一期化水控制艙，其作用是控制生產(chǎn)工藝，以DH+網(wǎng)絡(luò)連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，同樣用狀態(tài)監(jiān)測站把信息傳送到熱電廠的信息管理平臺(tái)。1臺(tái)控制站在二期化水控制室，對(duì)一期水處理裝置的運(yùn)行狀況進(jìn)行控制，有利于集中調(diào)管。由圖2可知，一期化水控制室配有1臺(tái)電源與1臺(tái)打印機(jī)，可為電力的供應(yīng)與數(shù)據(jù)的打印提供便利 。

圖2 PLC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

3.2.2 控制系統(tǒng)軟件

PLC控制系統(tǒng)的主要軟件可分為上位監(jiān)控組態(tài)軟件、PLC編程軟件和通信軟件。梯形邏輯控制程序在RSLogix5.0、RSLinux軟件環(huán)境中被存儲(chǔ)起來，是系統(tǒng)在控制整個(gè)工業(yè)污水處理工藝過程中的核心內(nèi)容。在Windows 95或是Windows NT的32 Bit的環(huán)境中執(zhí)行RSLogix5.0軟件的正常功能。軟件可以提供符合用戶需求功能的軟件，例如全視窗的好友面板、機(jī)動(dòng)性較強(qiáng)的編輯器、點(diǎn)中點(diǎn)擊方式進(jìn)行I/O組態(tài)、強(qiáng)大的數(shù)據(jù)庫編輯器以及診斷與排查工具與可靠性能超高的通信設(shè)備等。RSLogix5.0軟件還具有在線編輯與控制軟繼電器的功能，同時(shí)還能夠?yàn)榻M態(tài)控制器自動(dòng)分配I/O模塊地址。

上位組態(tài)軟件Intouch9.0與ktxl784通信軟件及歷史數(shù)據(jù)信息的開發(fā)軟件SQL server、報(bào)表軟件ACCESS和Excel辦公軟件等，這些都是用來監(jiān)測并控制工藝參數(shù)與工藝過程的。Intouch9.0的基本操作環(huán)境為Windows 2000操作系統(tǒng)的中文組態(tài)軟件，操作靈活方便，為數(shù)據(jù)的開發(fā)提供了良好的交換環(huán)境，再結(jié)合SQL server軟件中的數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)各種類型的參與與報(bào)錯(cuò)信息，最后導(dǎo)入Excel表格中完成交接班報(bào)表打印工作。

3.2.3 系統(tǒng)通信

良好通暢的信息傳遞系統(tǒng)是一個(gè)控制系統(tǒng)保障安全穩(wěn)定的基本環(huán)境。Siemens S7-300/400程序控制系統(tǒng)的通信內(nèi)容是需要控制器、通信卡與適配器之間的配合才能完成的?？刂破髋c上位機(jī)之間的通信過程主要是由通信端口與上位機(jī)的CP5611通信卡來完成的。

PLC可編程控制器在與遠(yuǎn)程I/O進(jìn)行信息交流時(shí)，要以雛菊璉路結(jié)構(gòu)進(jìn)行連接，該連接方式對(duì)所有與遠(yuǎn)程I/O相連的設(shè)備的通信速率必須一致，而且通信速率、連接設(shè)備的數(shù)量和通信電纜的路程都是不同的。

DH+網(wǎng)連接中心要通過加放終端電阻R來應(yīng)對(duì)PLC控制系統(tǒng)的熱備，從而保證DH+網(wǎng)上結(jié)點(diǎn)的平穩(wěn)。另外，DH+網(wǎng)通信波段的波特頻率與地址的選擇是通過處理器上的開關(guān)組SW來實(shí)現(xiàn)的，而不能用軟件來對(duì)其進(jìn)行編程操作。

3.3 PLC控制系統(tǒng)的功能開發(fā)

3.3.1 熱備功能

以二套處理器與熱備模塊的形式同時(shí)運(yùn)行，要注意的是，這2套模式的工作方式是有區(qū)別的，當(dāng)主處理器處于正常工作狀態(tài)時(shí)，數(shù)據(jù)既有輸入同時(shí)也有輸出，而二套處理器在通電運(yùn)行后，一般是以接信號(hào)為主，并參與數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)與計(jì)算，2套控制器之間以硬件相聯(lián)的形式對(duì)處理器進(jìn)行故障監(jiān)測。主、副控制器工作內(nèi)容不同，前者負(fù)責(zé)控制功能，后者要不斷更新數(shù)據(jù)，且不輸出數(shù)據(jù)，如果主控制器發(fā)生故障，副控制器將擔(dān)負(fù)主控制器的功能。

3.3.2 實(shí)現(xiàn)上位機(jī)累積流量同步

在上位機(jī)組成累積流量畫面，具有修改累積流量數(shù)值的作用；在同一臺(tái)上位機(jī)上，就可以對(duì)同一系統(tǒng)的其他上位機(jī)進(jìn)行累積流量的修改，并保持一致性，因?yàn)樗僮骱唵斡行В允乖S多上位機(jī)因故障而造成的流量累積不一致的問題得以解決。

3.4 PLC控制系統(tǒng)的安全維護(hù)

PLC在工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化系統(tǒng)所起到的作用非常大，一般情況下，不用再做二次處理就可以直接在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用。然而，盡管具有可靠性較高、抗干擾能力較強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，但當(dāng)前也存在電磁干擾或安裝不當(dāng)?shù)膼毫迎h(huán)境，難免產(chǎn)生程序運(yùn)算錯(cuò)誤，從而產(chǎn)生誤輸入，并引起誤輸出，這將會(huì)造成設(shè)備的失控和誤動(dòng)作，不能保證PLC的正常運(yùn)行。

要提高PLC控制系統(tǒng)的可靠性，一方面要求PLC生產(chǎn)廠家提高設(shè)備的抗干擾能力；另一方面，要求設(shè)計(jì)、安裝和使用維護(hù)中引起高度重視，多方配合才能解決問題，有效地增強(qiáng)系統(tǒng)的抗干擾性能。因此在使用中應(yīng)注意以下2個(gè)問題。

3.4.1 工作環(huán)境

PLC環(huán)境溫度一般在0 ℃~55 ℃，安裝時(shí)不能放在發(fā)熱量大的原件下面，四周應(yīng)預(yù)留一定的散熱空間。為了保證PLC的絕緣性能，空氣的濕度應(yīng)小于85%（無凝露）；除此之外，應(yīng)使PLC遠(yuǎn)離強(qiáng)烈的震動(dòng)源，特別是防止震動(dòng)頻率為10 Hz~55 Hz的頻繁或連續(xù)震動(dòng)。當(dāng)使用環(huán)境不可避免震動(dòng)時(shí)，必須采取減震措施，例如采用減震膠來緩解震動(dòng)。

3.4.2 控制系統(tǒng)中干擾及其措施

PLC控制系統(tǒng)最嚴(yán)重的問題之一是受現(xiàn)場電磁干擾，要解決問題，就必須找出問題的根本。首先是確認(rèn)源頭，PLC系統(tǒng)的干擾主要有強(qiáng)電干擾、柜內(nèi)干擾、來自信號(hào)線引入的干擾、來自PLC系統(tǒng)內(nèi)部的干擾以及變頻器干擾等。

針對(duì)上述干擾，可以從以下3點(diǎn)入手：1） 合理處理電源引入。抑制電網(wǎng)引入的干擾，例如在電源輸入端串接LC濾波電路。2） 合理地安裝和布線。動(dòng)力線、控制線、PLC的電源線和I/O線應(yīng)分別配線，隔離變壓器與PLC和I/O之間應(yīng)采用雙膠線進(jìn)行連接。將PLC的I/O線和大功率線分開走線。3） 對(duì)變頻器干擾進(jìn)行抑制。對(duì)變頻器的干擾處理有許多不同的方式，例如加隔離變壓器，主要針對(duì)來自電源的傳導(dǎo)干擾；使用濾波器，濾波器具有較強(qiáng)的抗干擾能力；使用輸出電抗器，在變頻器和電動(dòng)機(jī)之間增加交流電抗器主要是為了減少變頻器輸出在能量傳輸過程中線路產(chǎn)生的電磁輻射，減少對(duì)其他設(shè)備正常工作的影響。

3.5 PLC控制系統(tǒng)在工業(yè)污水中的應(yīng)用實(shí)例分析

某石油化工廠承擔(dān)石油的深加工工作任務(wù)，在對(duì)化工產(chǎn)品進(jìn)行處理時(shí)，首先要對(duì)鄰苯二甲酸酐產(chǎn)品的生產(chǎn)進(jìn)行脫鹽水處理，其生產(chǎn)所用的水源來自城市中的工業(yè)排放水，但由于其污染嚴(yán)重，因此無法直接用于生產(chǎn)作業(yè)，一旦使用，會(huì)對(duì)工業(yè)生產(chǎn)設(shè)備產(chǎn)生嚴(yán)重的腐蝕現(xiàn)象，對(duì)污水處理工廠造成不良后果。在該企業(yè)的發(fā)展過程中，相關(guān)部門要對(duì)污水處理廠的該工程給予高度重視，因此，在工藝層面和技術(shù)控制技術(shù)方面，要不斷地借鑒國內(nèi)外先進(jìn)的工作經(jīng)驗(yàn)，尤其是在水廠自動(dòng)控制技術(shù)上，為了更好地滿足工藝需求，要營造一個(gè)良好的工作環(huán)境。

石油企業(yè)在對(duì)工業(yè)污水進(jìn)行處理時(shí)，對(duì)PLC控制系統(tǒng)中的應(yīng)用，主要包括PLC、相關(guān)的模板，PLC控制系統(tǒng)的操作功能特別強(qiáng)，抗干擾性也尤為突出，多數(shù)是以工業(yè)環(huán)境的設(shè)計(jì)進(jìn)行的，在污水開關(guān)量的順序控制方面的表現(xiàn)也很突出。此外，對(duì)污水進(jìn)行處理時(shí)，對(duì)其開關(guān)量、數(shù)字量給予準(zhǔn)確控制也至關(guān)重要。模擬量PLC與上位機(jī)的數(shù)據(jù)進(jìn)行交換，完成控制工作，對(duì)現(xiàn)場信息進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，把控制信號(hào)及時(shí)送至上位機(jī)系統(tǒng)，再以通信端口完成系統(tǒng)控制。

3.5.1 上位機(jī)

一般情況下，上位機(jī)是利用工業(yè)控制計(jì)算機(jī)來實(shí)現(xiàn)功能的顯示，對(duì)電磁閥、電機(jī)等工作情況進(jìn)行實(shí)時(shí)管控，并對(duì)故障進(jìn)行報(bào)警處理。對(duì)工藝流程與溫度等一系列模擬量進(jìn)行對(duì)內(nèi)、對(duì)外輸出，從而繪制實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)曲線圖，并將數(shù)據(jù)歸入硬盤中，以便后續(xù)使用。

3.5.2 下位機(jī)

用通用的PLC下位機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)機(jī)和電磁閽的直接控制，用A/D進(jìn)行現(xiàn)場信號(hào)的采集工作。由于下位機(jī)有快速處理信息和高功能性的特點(diǎn)，因此可以充分利用它的功能。如果電路中出現(xiàn)短路的情況，電動(dòng)機(jī)仍會(huì)自行運(yùn)轉(zhuǎn)，并及時(shí)發(fā)出報(bào)警的信號(hào)，而PLC可以根據(jù)液位信號(hào)來完成啟動(dòng)、停止擔(dān)水泵的工作。

3.5.3 無線通信

對(duì)現(xiàn)場采集的信號(hào)進(jìn)行分析，通過傳感器可完成數(shù)字調(diào)節(jié)運(yùn)算，并發(fā)揮其無線通信的功能，為工業(yè)污水的下一步處理做好鋪墊，并使其快速進(jìn)入工作狀態(tài)。

4 結(jié)語

PLC程序控制技術(shù)是自動(dòng)化設(shè)備的核心裝備，在污水處理領(lǐng)域有不可替代的作用。它的強(qiáng)控制力與可靠性也使它在污水處理領(lǐng)域發(fā)揮了巨大的作用。工作人員通過現(xiàn)場的總線與PLC相結(jié)合，達(dá)到污水處理的目的，并有效降低成本。