自來水廠自動化生產中PLC的應用

楊 超，劉忠祥，丁查明，王俊杰

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

0 引言

水是人類賴以生存的資源，自來水的發明使人類用水便捷了很多。在城市的自來水系統中，自來水廠作為生產部門，是一切用水的來源，在自來水系統起到舉足輕重的作用。自來水廠的生產效率決定了整個城市的用水容量，自來水廠生產自來水的質量也會影響全城的用水質量。隨著時代變化，人們對生活用水的質量有了越來越高的要求，而工業生產的發展也使得城市用水量日益遞增，這對當代的自來水生產也提出了更高的要求。

隨著工業自動化技術不斷的發展，自來水生產也走向了自動化時代，采用新式的自動化設備進行生產，不僅省去了大量的人力，自動控制往往也比人工控制更加得迅速、準確。PLC 作為自動化生產中常用的設備，是自來水廠不可或缺的要素，現場總線技術的出現也使集中控制更加便捷。因此，PLC 在自來水生產中也得到了廣泛應用。

1 PLC簡介

可編程序控制器，也就是常說的PLC，是專門為工業生產設計的自動化設備。PLC 具有良好的控制性能，大型的PLC 可以同時控制多個I/O 口，是目前工業自動化生產必備的設備。

PLC 最早出現于20 世紀60 年代，是美國通用公司為實現自動化生產而設計的自動化設備，最初的目的是為了取代繼電接觸器而設計。經過半個世紀的發展，PLC 的功能越來越全面，控制性能也越來越好。PLC 有很多優勢，首要的就是其可靠性，由于采用微處理器作為核心，其控制相對而言是比較精準的。目前的PLC 普遍采用計算機來進行編程，主要采用梯形圖的形式來進行編程，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，即使沒有計算機編程的知識，也可以很容易實現計算機的編程。PLC 無論是在軟件上進行組態，還是硬件的安裝，都非常的簡便。此外，PLC 還具有非常快速的運算速度，可以迅速地做出反應。

PLC 由電源、中央控制單元、存儲器、輸入端口、輸出端口構成。電源是整個系統能源的來源，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換為直流。中央控制單元是PLC 的CPU，也就是一個微處理器，其中包括寄存器、計數器和控制器，通過中央控制單元是PLC 的核心部件，是實現運算與控制的關鍵部分。輸入與輸出接口是PLC 與外界進行數據交換關鍵部分，可以實現模擬量與數字量的通信。存儲器則是用于存儲程序，其中既包括客戶自行編寫的程序，也包括PLC 廠商的程序，系統程序是客戶不能修改的。

目前市場上主要采用的是羅克韋爾（AB）和西門子生產的PLC，其中包括小型、中型、大型PLC，客戶可以根據輸入/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。

2 自來水廠的自動控制需求

從自來水廠的生產流程來看，整個控制流程應該包括以下幾個部分：過濾池的自動化操作；自動實現自來水加氯、礬、氨等操作；自來水廠配電設備的自動控制；自來水自動進、出泵房。現在的PLC 技術，完全可以實現集中控制，在控制中心通過計算機來實現對整個水廠的設備進行監控與操作，并實現如下的功能，完成自動化控制。

顯示功能：實時將水廠各設備的狀態顯示出來，并顯示各部分相關技術參數，并將其中的一些重要參數以圖表的形式顯示出來，從而把整個生產過程集中而又直觀地顯示出來。

報警功能：當生產過程中的一些參數超出了正常值的范圍，或者某個生產設備出現問題時，需要通過聲光報警方式吸引工作人員注意，并將具體故障或異常顯示出來，并可以將相應的信息打印出來。

控制功能：在部分設備自動控制出現問題，或者因其他原因需要手動操作時，需要提供手動控制設備的功能，從而實現對生產過程的人工干預。并且在經過授權之后，可以對PLC 程序進行修改，對一些參數進行重新整定。

數據庫功能：將設備運行的狀況與數據上傳到數據庫中，從而便于對自來水廠的生產狀況進行分析，并及時將設備出現的故障也上傳到相應的數據庫中。

數據處理功能：將已經上傳到數據庫中的原始數據進行分析，從而對生產狀況進行進一步地把控。

通信功能：生產過程中產生的數據要能方便提供給公司的總部以及其他部門，并可以上傳到企業內部網絡或者互聯網，從而實現企業的信息共享。

3 PLC控制在自來水廠控制中的優勢

3.1 更高的穩定性

采用PLC 進行控制，比手動操縱設備具有更高的精度，且PLC 的抗干擾能力也很強，控制過程具有較高的穩定性與可靠性，這也是受到了PLC 電路結構特點的影響。PLC內部采用的是集成電路，在生產工藝方面相當嚴格。因此，設備不容易受到電磁干擾的影響。而與傳動的集電器電路控制系統相比，PLC 的控制要準確很多，大大減少了電路中電氣節點的數目，這樣的結構更具備穩定性，出現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 定期檢測程序和硬件電路，如果存在問題則直接進行報警，從而更好地為設備正常運行提供保障。

3.2 更全面的功能

PLC 具有多種型號，結合客戶不同需求，可采用不同型號PLC，這使PLC 具有更強的適應性。現在的PLC 已經具有一定的數據處理能力，因此可以實現溫度控制、流量控制等功能，完全可以滿足自來水廠進行自來水生產的需求。而且近些年來PLC 推出了越來越多的功能模塊，可以更加便捷地實現各種功能，而且這些模塊都非常容易安裝和組態，也可以非常方便地實現數據通信，這些都使PLC在控制上更具優勢。

3.3 使用便捷，簡單易懂

PLC 之所以在工業控制領域如此受歡迎，這與其簡單易學是分不開的。PLC 在設計時就是為了工業領域的自動控制，因此在編程上PLC 采用圖形語言。在進行設計的過程中，PLC 的梯形圖就是基于繼電接觸器進行設計的，因而盡管對計算機的編程并不熟悉，也可以輕松地學會PLC編程。PLC 編程并不需要很強的邏輯控制，一些基本的指令只需要簡單的開關量控制即可實現。

3.4 減輕工作量

采用PLC 進行控制，減少了很多設備接線，尤其是省去了用于邏輯控制的繼電器，轉而用程序來實現這部分功能，這使接線簡單了很多，在對設備進行維護和故障排查時也容易了很多，對邏輯控制的問題，只要對程序進行檢查，即可完成設備的檢修。如果想更改設備的邏輯功能，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用

4.1 PLC控制自來水廠監控系統

在自來水廠的監控系統中，將順序控制與邏輯控制相結合，在這樣的控制手段下，PLC 既可以實現對單個設備的控制，又可以同時控制多個設備，從而滿足自來水廠的自動化控制需求，完成流水線的生產任務。將每臺相關設備都與PLC 相連接，這樣各設備的參數與工作狀態數據都可以直接上傳到上位機，從而將自來水廠不同部分的設備數據進行集中，實現對整條生產線的監控。

PLC 能夠實現的不僅僅是對靜態數據的監控，還可以對生產的動態過程進行監控，不同的PLC 之間還可以通過數據交換，獲取生產線其他部分的數據，從而更好地進行調整。也就是工廠內的多臺PLC 設備將數據集中收集后，可以通過數據交換，使得水廠的各部分控制不是各自為戰，而是聯系成了一個整體，這樣的控制顯然更有效率，可以更方便地實現部門間的調度，使資源配置更加優化。

4.2 PLC實現水質監測

對于自來水公司而言，最重要的就是自來水的質量，水廠保證對自己生產的自來水質量問題，就要做好水質監測，在確保水質達到之后，再進行生產。現在的水質檢測設備相對都比較先進，可以準確地測出水中成分，而這些設備與PLC 的聯通也比較容易，通過這些水質監測設備與PLC 進行連接，可以實現水質的檢測，同時還可以通過各種傳感器，來對水的流速、水壓、水位、溫度進行檢測，從而保證生產線正常運行。

4.3 PLC控制自來水廠濾池系統

自來水的過濾環節也對自來水的質量有很大影響。對濾池來說，有很多控制閥，包括出水、進水、排氣、排污等，這些閥組都可以采用電磁閥，通過PLC 提供的電信號來控制其開閉，這樣不僅方便對電磁閥進行控制，還可以更好地監控閥組的運行狀態。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。

5 總結

PLC 在如今的工業自動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單位，關系到居民生活質量和工業生產。因此，在自來水生產的環節投入PLC，對自來水生產有很大幫助。PLC 是目前水廠一項重大革新，相信隨著PLC 技術的進步，水廠的自動化水平也會越來越高，生產出質量更高的自來水。