基于PLC的污水處理自動控制系統(tǒng)設(shè)計

何 葉，潘彩霞，張蒙蒙

(南京交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院 軌道交通學(xué)院，江蘇 南京 211188)

0 引言

大量的生活和工業(yè)排放的污水嚴(yán)重污染河流湖泊及地下水，危害人類健康，污水處理也越來越受到國家的重視，污水處理系統(tǒng)已經(jīng)引入城市化建設(shè)。城市必須提高污水處理的質(zhì)量和效率以適應(yīng)高速發(fā)展的現(xiàn)代社會[1]。本次設(shè)計主要從3個方面展開。一是設(shè)計系統(tǒng)的硬件，確定系統(tǒng)總體設(shè)計方案，選擇合適的設(shè)備：PLC選型、電動機選型以及工藝設(shè)備選型等，繪制系統(tǒng)電氣原理圖并進行系統(tǒng)元器件連接。二是設(shè)計污水處理系統(tǒng)組網(wǎng)和上位機監(jiān)控界面：CC-Link網(wǎng)絡(luò)通信的組建、通信參數(shù)的設(shè)置和通信程序的編寫。發(fā)上位機對污水處理廠自動控制系統(tǒng)進行實時監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集。三是設(shè)計自動控制系統(tǒng)軟件設(shè)計：單機控制模式軟件設(shè)計和自動運行控制軟件設(shè)計，并驗證其正確性。

1 系統(tǒng)框架設(shè)計和硬件選型

污水處理系統(tǒng)工藝分為一級處理工藝和二級處理工藝。一級處理工藝包括格柵處理和沉砂處理，格柵用于截流大塊物質(zhì)，沉砂去除污水中格柵處理不了的雜物。二級處理工藝包括初級沉淀和磁絮凝處理，將污水中懸浮物盡可能地沉降去除，磁絮凝處理通過微生物的新陳代謝將污水中的大部分污染物變成二氧化碳和水[2]。

本文設(shè)計的污水處理系統(tǒng)由進水閘門、格柵處理、格柵電機、柵渣輸送電機、螺旋輸送電機和提升泵等裝置構(gòu)成。該系統(tǒng)根據(jù)閘門升高降低的高度、格柵水位可觀的高度、螺旋輸送電機轉(zhuǎn)速的快慢、磁絮凝相關(guān)沉降的配比進行科學(xué)的調(diào)節(jié)，自動控制污水，使之成為能夠排放到河流中的水源，達到環(huán)境凈化保護的目的[3]。

系統(tǒng)控制要求如下：閘門電機控制閘門打開，污水進入第一個污水池后格柵電機得電，格柵開始過濾污水中的大垃圾雜質(zhì)，隨后螺旋輸送電機將垃圾碾碎，柵渣輸送電機將垃圾輸送離開。當(dāng)?shù)谝粋€污水池中的污水達到水位線時，供水電機將格柵處理后的污水抽入第二個污水桶中，進行沉淀后加入污水處理配方，將污水處理為中性水。此時，污水處理完成。系統(tǒng)提升泵電機制造氣壓差值將水排入河道。

1.1 硬件選擇

選用“集中管理、分散控制”的分布式網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，選擇上位機、主控制器可編程控制器、從控制器可編程控制器等布置在控制室，實現(xiàn)對電機和其他設(shè)備的集中監(jiān)控、自動控制、顯示、數(shù)據(jù)管理。為了能夠?qū)崟r監(jiān)控系統(tǒng)控制過程以及發(fā)出操控指令，本設(shè)計給系統(tǒng)配置一臺上位機，選擇昆侖通態(tài)的TPC7062Ti。

因為污水處理系統(tǒng)的工作環(huán)境較差，系統(tǒng)工藝較復(fù)雜，對安全性和可靠性要求較高，所以綜合考慮可擴展性、價格、I/O點數(shù)統(tǒng)計等各方面原因，采用三菱公司的可編程控制器。三菱PLC的聯(lián)網(wǎng)主要有兩種模式：一是通過RS-485通信模塊直接組網(wǎng)；二是可選用相應(yīng)的通信模塊與大、中型PLC組網(wǎng)，組成基于CC-LINK現(xiàn)場總線的網(wǎng)絡(luò)[4]。

現(xiàn)場總線是一種具備高度數(shù)字化、離散化、雙向智能化、互聯(lián)互通、多數(shù)據(jù)種類、多站點數(shù)量等特征的通信網(wǎng)絡(luò)。該組網(wǎng)方式將大大簡化通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，有效節(jié)約因各種安裝、維護所帶來的設(shè)備和材料費用。

其中，Q系列因體積小、安裝靈活、雙協(xié)同處理等特點，適合小規(guī)模系統(tǒng)的控制系統(tǒng)組網(wǎng)。因此，主站選用Q00UCPU系列。從站選擇第三代PLC系列FX3U，根據(jù)輸出類型的不同，選用一臺繼電器輸出FX3U-32MR，一臺晶體管輸出FX3U-32MT。

閘門電機需要通過控制閘門的升降高度來控制污水的出水量，因此對于位置控制的要求較高，故選用交流伺服電機；格柵電機需要對角度位移進行控制，但對控制精度要求不高，考慮成本選擇步進電機；提升泵電機選擇變頻器控制的三相異步電動機；柵渣輸送電機只需要帶動帶輪并且能控制其轉(zhuǎn)速，考慮造價和成本，選擇了雙速電機。根據(jù)選用的元器件，現(xiàn)場自動化控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 自動化控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.2 硬件接線

系統(tǒng)主電路電氣原理如圖2所示。

圖2 主電路原理

從站PLC的I/O分配如表1和表2所示。

表1 FX3U-32MT I/O分配

表2 PLC FX3U-32MR I/O分配

2 通信設(shè)置

Q00U CPU作為該系統(tǒng)主站，F(xiàn)X3U-32MT為從站1，F(xiàn)X3U-32MR為從站2，通過 QJ61BT11N與從站1和從站2進行通信，從站1、2作為遠程設(shè)備站利用FX2N-32CCL通信模塊與Q系列PLC通信。網(wǎng)絡(luò)通信接線如圖3所示。

圖3 網(wǎng)絡(luò)通信接線

遠程輸入RX起始地址為M800，遠程輸出RY起始地址為M400，遠程寄存器(RWr)起始地址為D200，遠程寄存器(RWw)起始地址為D100。(起止地址可設(shè)定)2個從站各占3站，遠程站點數(shù)為96個。

參數(shù)設(shè)置完成后并在遠程模塊的前操作面板設(shè)置CC-Link站號：主站站號為00，從站1站號為01，從站2的站號為04(從站1占用3站，因此從站2的站號從04開始)；設(shè)置通信波特率，從站1和從站2中的 FX2N-32CCL通過參數(shù)設(shè)置與主站一樣的通信波頻率。

從站1和從站2的通信程序如圖4所示。

圖4 從站1和從站2通信程序

3 上位機開發(fā)和程序設(shè)計框架

本設(shè)計采用了上位機實時監(jiān)控，可及時地處理和分析污水處理過程中的數(shù)據(jù)，進行科學(xué)管理，提高了污水處理水平和運行經(jīng)濟性。上位機的開發(fā)要求將整個污水處理工藝的流程體現(xiàn)出來，因此在結(jié)構(gòu)規(guī)劃時既要考慮監(jiān)控系統(tǒng)的安全可靠性，同時也要能夠?qū)崿F(xiàn)所有的功能信息。

本文設(shè)計的污水處理自動控制系統(tǒng)有3種工作模式，模式一：通信測試模式；模式二：單機控制模式；模式三：系統(tǒng)自動運行模式。因此，本設(shè)計采用選擇性流程架構(gòu)，SFC流程如圖5(a)所示，3條支路對應(yīng)3種工作模式。通信測試模式測試系統(tǒng)通信是否正常，并給予相應(yīng)的指示；在單機控制模式下，各臺電機既可以手動控制也可以在自動運行模式下完成制定動作。因此，單機模式程序設(shè)計也選用選擇性流程架構(gòu)，SFC流程如圖5(b)所示；系統(tǒng)自動運行模式實現(xiàn)一整套自動運行的完整的污水處理流程。在監(jiān)控系統(tǒng)的首頁界面，設(shè)計人員可以進行工作模式的選擇。

圖5 SFC流程

4 系統(tǒng)單機控制程序設(shè)計

4.1 閘門電機

閘門電機控制要求具體如下：電源開啟按下按鈕SB1，設(shè)定運行速度，點擊 “正轉(zhuǎn)”按鈕，伺服電機開始正轉(zhuǎn)，儀表盤上顯示實時轉(zhuǎn)速，點擊“反轉(zhuǎn)”按鈕伺服電機反轉(zhuǎn)，在正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)的過程中，指示燈HL1按2 Hz頻率閃爍，點擊“+”或者“-”按鈕來加減電機速度，儀表盤也能實時反饋當(dāng)前速度。在運行時，可以隨時按下按鈕SB4或者觸摸屏上的“停止”按鈕，電機停止運行，指示燈熄滅(見圖6)。

圖6 閘門電機控制流程和監(jiān)控界面

4.2 格柵電機

格柵電機控制要求具體如下：電源開啟按下按鈕SB1后，在觸摸屏上設(shè)置好格柵電機的運行速度，點擊觸摸屏上的“正轉(zhuǎn)”按鈕或“反轉(zhuǎn)”按鈕，步進電機執(zhí)行對應(yīng)的正轉(zhuǎn)或者反轉(zhuǎn)指令，在電機運行過程中，指示燈HL2按照1 Hz頻率閃爍，觸摸屏界面上要實時顯示電機運行的時間和電機回轉(zhuǎn)的次數(shù)，在運行時按下停止按鈕，電機立即停止運行(見圖7)。

圖7 格柵電機控制流程和監(jiān)控界面

4.3 螺旋/柵渣輸送電機

螺旋/柵渣輸送電機控制要求具體如下：電源開啟按下按鈕SB1后，按下螺旋輸送電機的啟動按鈕，指示燈HL3按照1 Hz頻率閃爍，螺旋輸送電機開始正轉(zhuǎn)運行，5 s后，電機運行停止，指示燈熄滅。按下柵渣輸送電機的啟動按鈕，指示燈HL4按照2 Hz的頻率閃爍，柵渣輸送電機開始運行，先低速反轉(zhuǎn)3 s，再高速反轉(zhuǎn)3 s后，電機停止運行，指示燈熄滅。電機運行過程中，可按下停止按鈕，電機立即停止動作(見圖8)。

圖8 螺旋/柵渣輸送電機控制流程和監(jiān)控界面

4.4 提升泵電機

提升泵電機控制要求具體如下：電源開啟按下按鈕SB1后，按下“1#”的啟動按鈕，指示燈HL5按照1 Hz頻率閃爍，“1#”電機開始正轉(zhuǎn)運行，3 s后，電機運行停止，指示燈熄滅。按下“2#”電機的啟動按鈕，指示燈HL6按照2 Hz的頻率閃爍，“2#”開始運行，5 s后電機停止運行，指示燈熄滅。在電機運行過程中，可按下停止按鈕，電機立即停止動作(見圖9)。

圖9 提升泵電機控制流程和監(jiān)控界面

5 系統(tǒng)自動運行控制程序設(shè)計

按下啟動按鈕SB1，再按下閘門電機的正轉(zhuǎn)按鈕模擬閘門高度正在升高，此時污水開始進入格柵池中，傳感器SQ1動作表示閘門完全打開。2 s后，閘門下降，傳感器SQ3動作表示閘門關(guān)閉，電機停止，進水過程結(jié)束。等待1 s后，螺旋輸送電機開始運行。2 s后，格柵電機和柵渣輸送電機(柵渣輸送電機按照轉(zhuǎn)2 s停1 s的周期運行)都開始動作，格柵電機過濾出垃圾和雜質(zhì)，螺旋輸送電機還需繼續(xù)運行3 s。

格柵池流程結(jié)束后，供水電機將水抽取到磁絮凝池中，抽水電機運行5 s表示抽水完成。在磁絮凝池中，投入配方凈化5 s后，磁絮凝池凈化流程結(jié)束。提升泵系統(tǒng)將中水排到河道中，提升泵1#、2#兩臺電機配合運行，同時運行5 s后，2#停止工作，1#繼續(xù)運行3 s后，電機停止排水結(jié)束。在自動運行流程中，按下急停按鈕后，各動作立即停止，再次啟動時，全部參數(shù)清零，需要重新進行設(shè)定后再次運行。

打開MCGS觸摸屏中的“自動運行模式”，觸摸屏進入自動運行模式界面，觸摸屏界面主要包含：A.各個流程的狀態(tài)指示燈和查看報表的按鈕；B.參數(shù)設(shè)置區(qū)：設(shè)定閘門電機速度、格柵電機運行速度、污水pH酸堿度以及預(yù)設(shè)總水量；C.參數(shù)顯示區(qū)：顯示閘門電機高度、格柵電機運行時間、絮凝池液位、污水中柵渣的濃度等信息，數(shù)據(jù)精度到小數(shù)點后一位，如圖10所示。

圖10 MCGS觸摸屏自動運行界面

6 結(jié)語

本文以Q系列PLC，F(xiàn)XPLC為控制核心，MCGS為實時操作和監(jiān)控中心，達到主站控制從站各電機的運行要求的目的。文中通過分析 CC-LINK通信的原理，研究了上位機、QPLC、FXPLC之間的通信操作和程序設(shè)計。文章分析了監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計需求，采用MCGS監(jiān)控軟件，實現(xiàn)了污水處理流程的全方位監(jiān)控，不僅可以采集和處理過程中的重要數(shù)據(jù)，還可以實時控制系統(tǒng)流程和修改重要參數(shù)。

本文采用網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)，提高了污水處理廠的自動化程度；采用上位機實時監(jiān)控，進行科學(xué)管理，提高了污水處理廠的處理效率和運行經(jīng)濟性。