基于三菱L02型PLC的污水處理控制系統(tǒng)設(shè)計

李繼松,袁 霏

(1.科德寶寶翎襯布(南通)有限公司,江蘇 南通226000；2.南通職業(yè)大學(xué) 電子信息工程學(xué)院,江蘇 南通226007)

目前印染污水處理多樣化,需要采用較先進的控制系統(tǒng),才能保證污水處理運行的穩(wěn)定性和可控性[1]。在污水處理系統(tǒng)出現(xiàn)問題時,需要快速響應(yīng)并解決問題,提高污水處理正常運行的可持續(xù)性,為企業(yè)生產(chǎn)提供后續(xù)保證。

傳統(tǒng)的污水處理系統(tǒng),多采用以PLC為主控系統(tǒng)、在電柜面板上增加操作按鈕、現(xiàn)場通過觸摸屏查看并設(shè)置污水處理系統(tǒng)參數(shù)的方法。隨著污水處理的單元化,使用的設(shè)備增多,采用的高性能傳感部件更多,對污水處理系統(tǒng)處理能力的要求越高,須采用具有高信號處理能力的主控PLC。新的污水控制根據(jù)規(guī)模結(jié)構(gòu),充分整合新的三菱控制技術(shù)、上位機組態(tài)王及遠程監(jiān)控報警技術(shù),形成一個具備底層通信控制和上層監(jiān)控報警功能的污水處理控制系統(tǒng),不僅降低了污水處理系統(tǒng)的成本投入和管理費用,還保障了污水處理運行的穩(wěn)定性、可控性和可持續(xù)性。

1 新污水處理控制系統(tǒng)設(shè)計

科德寶寶翎襯布(南通)有限公司的污水處理系統(tǒng)采用三菱L02型PLC作為主控系統(tǒng),該PLC可直接擴展功能模塊且無需使用基板,成本投入相對較少[2]。

如圖1所示,整個污水處理控制系統(tǒng),底層采用三菱FR-E740或FR-F840系列的27個變頻器,分別驅(qū)動羅茨風(fēng)機、提升泵、攪拌器和螺桿泵等電機。主站L02需要對每個電機的頻率進行精確設(shè)置,擴展了LJ61BT11模塊,將命令經(jīng)三菱CC-Link通信協(xié)議發(fā)送給從站FX3U,FX3U通過通信擴展板連接控制所有變頻器的RS485通信端子,不僅能實現(xiàn)變頻器的啟停控制和頻率設(shè)置,還能監(jiān)視變頻器的輸出狀態(tài)。

圖1 污水處理PLC控制系統(tǒng)

觸摸屏通過網(wǎng)線接口連接L02的網(wǎng)口,讀寫L02內(nèi)部變量的數(shù)據(jù),管理人員可以在觸摸屏的組態(tài)畫面中實時查看和設(shè)置相關(guān)參數(shù)。L02擴展了LJ71C24串口模塊,上位機組態(tài)王通過RS485串口協(xié)議與該模塊建立通信,管理人員可以在離污水處理站較遠的辦公室查看和設(shè)置參數(shù),實現(xiàn)和觸摸屏一樣的監(jiān)控效果。遠程監(jiān)控模塊GRM203G通過兩線制RS485連接觸摸屏通信端口,獲取污水處理實時狀態(tài)和數(shù)據(jù),發(fā)送遠程報警短信給管理人員。整個污水處理控制系統(tǒng)運用CC-Link、以太網(wǎng)、RS485等多種通信技術(shù),減少了布線成本,增加了監(jiān)控反饋功能。

2 主站L02控制系統(tǒng)

如圖2所示,L02型PLC擴展輸入輸出模塊,用于輸入開關(guān)量信號和輸出節(jié)點控制信號；擴展了L60ADI8模塊,用于接收標(biāo)準4～20 m A模擬量液位信號；擴展了LJ61BT11模塊,通過三菱CC-Link協(xié)議與從站FX3U模塊進行通信。

圖2 主站L02型PLC的架構(gòu)

它的一級擴展模塊包括：LX41C4-CM輸入32點模塊,3個LX42C4-CM輸入64點模塊、2個LY41PT1P-CM和LY42PT1P-CM輸出模塊、2個L60AD4-CM電流輸入模塊。由于污水處理系統(tǒng)較大,輸入和輸出量較多,因此需要擴展分支模塊L6EXB-CM和L6EXE-CM模塊。二級擴展模塊包括：1個LX40C6-CM輸入模塊、1個LJ71C24-CM串口通信模塊和1個CC-Link模塊LJ61BT11-CM,每級擴展均采用L61P-CM電源模塊供電。

2.1 輸入/輸出模塊

輸入模塊主要接入污水水泵和風(fēng)機的故障信號、節(jié)點壓力表的閉合信號、浮球液位計的閉合信號和操作啟停信號,采用24 V源型或漏型接法接入線路。輸出模塊根據(jù)現(xiàn)有類型只能采用源型接法,輸出控制直流24 V繼電器,再由繼電器常開或常閉節(jié)點控制變頻器、水泵接觸器的啟停以及閥門的開關(guān)等。

2.2 模擬量A/D模塊

模擬量信號主要來自污水池液位計和p H計儀表,這些儀表輸送標(biāo)準4～20 m A的電流給輸入模塊,只需兩線制接入即可。本系統(tǒng)采用L60ADI8輸入模塊,擁有8通道電流采集功能,可將4～20 m A范圍的電流值轉(zhuǎn)換為PLC內(nèi)部0～8 000的寄存器值。

2.3 通信模塊

LJ71C24-CM是L系列的串口通信模塊,該模塊通道1為RS-232通信方式,通道2為RS-485通信方式。本系統(tǒng)采用RS-485通信方式,與上位機組態(tài)王建立遠距離通信。在編程軟件GXworks2的智能模塊中選擇該模塊的“開關(guān)設(shè)置”,對通道CH2的參數(shù)進行設(shè)置,波特率19 200 bps、數(shù)據(jù)位8、偶校驗、停止位1、允許RUN中寫入。

L02型PLC擴展了LJ61BT11N通信模塊,通過CC-Link協(xié)議,實現(xiàn)主站與從站通信。在編程軟件GXworks2的“網(wǎng)絡(luò)參數(shù)”中點擊“CC-Link”選項,如圖3所示,設(shè)置LJ61BT11N模塊位置,類型為“主站”,模式選擇“Ver.2”,傳輸速率選擇“5 Mbps”,即可滿足通信響應(yīng)要求。根據(jù)編程情況選擇軟元件D值和M值的刷新區(qū)域。最后在“站設(shè)置”當(dāng)中,設(shè)置從站為“Ver.2智能設(shè)備站”,并且占用“4站”,最大限度傳輸寄存器變量。

圖3 主站L02的CC-Link參數(shù)設(shè)置

3 從站FX3U控制系統(tǒng)

3.1 主站和從站的連接

從站FX3U搭載的通信模塊FX3U-64CCL,它能夠向主站讀寫32個16位數(shù)據(jù)寄存器數(shù)據(jù)值和256個布爾繼電器狀態(tài)值[3],實現(xiàn)主站L02控制從站FX3U。模塊FX3U-64CCL支持使用Ver.2版本,這樣主站與從站交互的數(shù)據(jù)量可以從原來寄存器個數(shù)16增加到32,滿足污水處理系統(tǒng)27個變頻器的讀寫要求。

如圖4所示,FX3U只需在軟件編程中設(shè)置好輸入和輸出存放數(shù)據(jù)區(qū)即可。同時在硬件設(shè)置上,調(diào)節(jié)地址撥碼開關(guān)至1；調(diào)節(jié)波特率撥碼開關(guān)至3,代表5 Mbit傳輸速率；調(diào)節(jié)占用站號撥碼開關(guān)至7,代表版本為Ver.2模式且占用4站。

圖4 主站和從站的CC-Link連接

3.2 FX3U控制變頻器

為了實現(xiàn)通信控制27個變頻器,FX3U左側(cè)擴展了FX3U-485BD通信板。三菱FX3U具有專門用于通信三菱變頻器的編程指令,即寫入IVDR和讀取IVCK指令,可準確讀寫三菱變頻器的運行狀態(tài)。

每個變頻器只需要4芯線即可并入到FX3U通信板中,無需給變頻器增加額外通信硬件。相比傳統(tǒng)的I/O方法控制27個變頻器,節(jié)約了布線成本,簡化了調(diào)試復(fù)雜度,并提升了對變頻器的監(jiān)控能力。變頻通信運用了三菱特有的協(xié)議,使FX3U與變頻器的通信更加穩(wěn)定可靠。

在污水處理控制系統(tǒng)中,有8個FR-D740型變頻器[4],采用網(wǎng)口接線匯入RS485總線,同時需要將變頻器參數(shù)PR160=1解鎖,該類型的變頻器參數(shù)設(shè)置如下：

PR117=1(站號根據(jù)變頻器依次增加1～32)

PR118=192(波特率為19200)

PR119=10(停1位7)

PR120=2(偶校驗)

PR121=PR122=PR123=9999

PR338=1(變頻器啟停信號使用外部端子命令)

PR339=0(變頻器頻率設(shè)定使用通信方式)

PR340=1(變頻器采用通信方式)

PR549=0(通信協(xié)議使用三菱協(xié)議)

其余19個變頻器采用FR-F840型變頻器[5],接線方式采用變頻器內(nèi)特有的RS485端子接線,通信參數(shù)設(shè)置如下：

PR331=1(站號根據(jù)變頻器)

PR332=192(波特率為19200)

PR333=10(數(shù)據(jù)位7,停止位1)

PR334=2(偶校驗)

PR335=PR336=PR337=9999

PR338=1(變頻器啟停信號使用外部端子命令)

PR339=0(變頻器頻率設(shè)定使用通信方式)

PR340=1(變頻器采用通信方式)

PR549=0(通信協(xié)議使用三菱協(xié)議)

27個變頻器用于驅(qū)動抽濾泵、羅茨風(fēng)機和鼓風(fēng)機。有些電機的功率達到22 k W或37.5 k W的較大級別,需要將電機參數(shù)輸入變頻器進行電機調(diào)諧,以發(fā)揮變頻器的最大特性。

PR80=37.5(輸入電機的功率參數(shù))

PR81=4(輸入電機的極對數(shù))

PR96=1(設(shè)置為1)

以上參數(shù)設(shè)置結(jié)束后,PU模式操作rwd按鈕,變頻器進入調(diào)諧模式,30 s后變頻器顯示調(diào)諧完成。使用通信模式啟動三菱變頻器能使設(shè)定頻率精度達到0.01 Hz,并且通過三菱編程軟件可以在線觀測變頻器的運行數(shù)據(jù)。

4 人機界面控制系統(tǒng)

人機界面分為現(xiàn)場觸摸屏和上位機組態(tài)畫面兩種,觸摸屏安裝在現(xiàn)場控制電柜上,用于現(xiàn)場操作數(shù)據(jù),上位機組態(tài)畫面用于遠程辦公室內(nèi)操作數(shù)據(jù)。

4.1 現(xiàn)場觸摸屏

觸摸屏采用威綸通MT8102iE,它帶有2個9針通信串口和1個網(wǎng)絡(luò)接口。三菱L02型PLC自帶1個網(wǎng)絡(luò)接口,直接使用網(wǎng)線連接觸摸屏與PLC構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)通信。在觸摸屏中,設(shè)置“系統(tǒng)參數(shù)”的設(shè)備類型為“Mitsubishi MELSEC-Q/L-Binary Mode”,接口類型選擇“以太網(wǎng)”,將PLC的IP地址設(shè)置為192.168.1.3,同時選擇UDP協(xié)議。在編程軟件GXWorks2中設(shè)置PLC網(wǎng)絡(luò)通信,采用UDP和MELSOFT連接,端口號統(tǒng)一使用4999,允許“RUN”中寫入和選擇“二進制碼通信”模式。

如圖5所示,觸摸屏組態(tài)污水處理系統(tǒng)畫面,顯示PLC的內(nèi)部變量,如變頻器的設(shè)定頻率、啟停按鈕和液位值等,管理人員可以實時通過觸摸屏監(jiān)控污水處理系統(tǒng)。

圖5 觸摸屏組態(tài)界面

4.2 上位機組態(tài)

上位機使用組態(tài)王6.55版本,直接與L02型PLC的擴展模塊LJ71C24N進行485通信交互數(shù)據(jù)。波特率使用19 200 bps,通信格式 MC4,通信驅(qū)動選擇QJ71C24N文件驅(qū)動,使用串口轉(zhuǎn)USB數(shù)據(jù)線直接插入電腦,找到對應(yīng)的端口即可完成實時在線通信,以及上位機與PLC的數(shù)據(jù)交互。

如圖6所示,在上位機組態(tài)PLC的內(nèi)部變量,如M輔助觸點、D數(shù)據(jù)寄存器和輸入輸出點的讀寫操作,上位機的操作畫面也會實時響應(yīng)至觸摸屏界面上,管理人員既可以在現(xiàn)場監(jiān)控觸摸屏也可以在辦公室遠程監(jiān)控污水系統(tǒng)。

圖6 上位機組態(tài)畫面

5 遠程監(jiān)控系統(tǒng)

遠程監(jiān)控采用GRM203G巨控模塊,它能夠以485兩線制通信獲取觸摸屏的數(shù)據(jù),從而間接獲取污水處理運行的數(shù)據(jù),并建立遠程監(jiān)控數(shù)據(jù)字典和報警條。模塊中使用手機SIM卡,只要報警條件滿足,將直接發(fā)送報警短信給指定的管理人員。

如圖7所示,管理人員可以登錄云端進入網(wǎng)頁,即便不是上班時間,也可以隨時隨地通過網(wǎng)絡(luò)查看污水處理站的運行狀態(tài)和參數(shù),收到短信獲取報警信息,及時進行處理,保證污水處理系統(tǒng)的正常運行。

圖7 污水遠程監(jiān)控網(wǎng)頁

6 實際應(yīng)用效果

如圖8所示,新污水處理控制系統(tǒng)采用觸摸屏和上位機2種人機界面同時運行,保證操作的多樣性。管理人員既可以在現(xiàn)場操作,也可以在辦公室內(nèi)遠程使用組態(tài)王監(jiān)控污水處理系統(tǒng)。遠程監(jiān)控模塊發(fā)送污水處理報警短信,建立遠程登錄網(wǎng)頁。管理人員可以隨時隨地上網(wǎng)獲取并更改污水處理狀態(tài)數(shù)據(jù)和參數(shù),進行局域網(wǎng)外的遠程監(jiān)控操作,減少管理人員不必要的巡檢時間,節(jié)約人力成本。

圖8 污水處理系統(tǒng)實時運行

7 結(jié)語

使用三菱L02型PLC構(gòu)建污水處理控制系統(tǒng),擴展模擬量模塊和通信模塊,滿足污水處理的信號采集,最大限度地降低硬件投入成本。采用FX3U型PLC通信控制三菱變頻器,減少布線成本,降低調(diào)試復(fù)雜度,并且對羅茨風(fēng)機、水泵等電機形成了閉環(huán)監(jiān)控。應(yīng)用CC-Link通信技術(shù)將主站L02與從站FX3U建立無延遲的數(shù)據(jù)通信交換。污水處理控制系統(tǒng)還可以繼續(xù)擴展FX3U型PLC作為其他從站2～32站號,這樣既提高了污水處理系統(tǒng)的可擴展性,也保證了污水處理的控制集中性。