利用PLC控制器實現醫療污水處理過程自動化

山東勝利通海集團東營天藍節能科技有限公司 劉冠宇 高立亮 張海洋

簡單描述醫院醫療污水處理的工藝流程，介紹達到醫療污水處理過程自動化實現方案以及主要的控制方法和控制理論，并以此為依據進行PLC控制器的實際選型，闡述PLC控制器和各擴展模塊、插件的產品主要屬性，在軟件開發的基礎上，通過編程實現醫療污水處理過程中各生產節點的自動控制，最終達到無人值守的整個醫療污水處理過程自動化。

醫院的醫療污水，除有一般生活污水外，還含有化學物質、放射性廢水和病原體等。因此，醫療污水必須經過特殊處理后才能排放。

醫療污水來源及成分復雜，含有病原性微生物、有毒、有害的物理化學污染物和放射性污染等，具有空間污染、急性傳染和潛伏性傳染等特征。自2020年新冠疫情爆發，病毒的傳播途徑多、感染率高，醫院作為對抗病毒的主戰場，其產生的醫療污水不經有效處理會成為一條疫病擴散的重要途徑和嚴重污染環境。

目前我國已建設有相當數量的醫院醫療污水處理設施，對醫院醫療污水的污染控制起到了積極的作用。但根據走訪附近醫院和從網上查詢相關資訊了解到，多數醫院的醫療污水處理設施存在醫院污水處理設施擁有率低、處理級別低、整個過程手動控制、專人值守等問題，專職管理人員直接接觸污水和污泥，極易造成感染，對此，我們要進一步優化醫院醫療污水處理過程，同時提高系統整體自動化控制水平。

綜上所述，實現醫院中醫療污水處理過程的自動控制非常有必要。

1 工藝流程介紹

醫院醫療污水在管網匯集后，經過格柵，去除大粒徑的漂浮物和部分固型物，減輕后續生化處理部分的負荷，同時保護水泵避免堵塞，為后續處理設備創造良好的運行環境。經過格柵后的污水進入調節池，進行水質水量的調節，液位控制器根據池內液位的高低來控制潛污泵的啟停，保證污水處理系統的連續自動運行。調節池內污水經循環增壓泵加壓后進入水解酸化池，使難溶性、大分子的有機物分解為易降解的小分子有機物，并去除一部分的有機物。水解酸化池出水至浸沒式生物反應器，保證出水水質達到回用要求，同時保持反應器內有較高的污泥濃度，加速生化反應的進行，生物反應器內沉淀下來的污泥由污泥泵提升至水解硝化池水解減量。簡單工藝流程如圖1所示。

圖1 簡單工藝流程圖

2 方案確定

根據醫院醫療污水處理的流程，分析每個流程節點需要控制的設備（格柵、泵等）以及所控制的對象（液位、流量等），增加PLC控制系統。

在本系統中，采集和控制的信號類型主要包括4～20mA電流信號（模擬量輸入和模擬量輸出）、繼電器信號（數字量輸入和數字量輸出），其中模擬量輸入信號16個點、模擬量輸出6個點、數字量輸入40個點、數字量輸出21個點。數據發布采用網絡發布或串行口轉發的形式，因此，一款小型的兼具網絡接口、串行接口的PLC控制器是較好的選擇。

通過比較，羅克韋爾公司推出的Micro系列PLC控制集成了以太網通信端口、串行端口、USB端口，可以連接人機界面設備和程序調試設備，且其CPU本身帶有數字量輸入和數字量輸出嵌入式I/O，是一個非常理想的選擇。

分析本系統的功能要求以及任務目標之后，PLC控制器主要作用在一下幾個方面：

（1）信號處理：對現場模擬量信號的處理（模擬量信號和數字量信號）；

模擬量信號采集處理的過程如圖2所示。

圖2 模擬量信號采集處理的過程

數字量信號采集處理的過程：數字信號指自變量是離散的、因變量也是離散的信號，這種信號的自變量用整數表示，其狀態表示為0和1。PLC數字量輸入模塊通過信號濾波、采樣處理和數字信號傳輸，根據實際需要實現了信號的傳輸和轉換。

（2）邏輯運算：各聯鎖功能的實現，主要包含PID調節和設備聯鎖控制；

PID控制系統控制原理框圖如圖3所示。

圖3 PID控制過程

聯鎖控制系統控制原理框圖如圖4所示。

圖4 聯鎖控制過程

（3）系統通訊：與值班室電腦的監控軟件的通訊等。PLC控制器與電腦的監控軟件之間的通訊可以有一下兩種方式實現：

①利用TCP/IP協議；

②利用ModbusTCP協議。

通過分析，現場監控電腦的軟件與本PLC控制器若要使用TCP/IP協議，則需要軟件的開發人員專門開發針對本PLC控制器的驅動，無法滿足控制進度和成本的要求，而ModbusTCP協議是基于TCP/IP協議的基礎上，對數據進行打包傳輸，無需單獨開發二者之間的驅動，因此系統選用ModbusTCP協議進行數據傳輸。

Modbus設備可分為主站（master）和從站（slave）。主站只有一個，從站可以有多個，主站向各從站發送請求幀，從站給予響應。在本系統中，監控電腦作為主站，PLC控制器作為從站。

3 產品硬件配置

控制器的硬件配置如表1所示。

表1 PLC模塊配置表

PLC控制器，即CPU模塊；

對現場余氯、流量、液位等采集選用2080-IF4和2085-IF8；

對現場水泵、開關閥、格柵等設備遠程控制以及設備的運行、故障等狀態利用CPU自帶的接口采集；配置完成的PLC模塊如圖5所示。

圖5 配置完的PLC模塊

4 軟件開發

系統開發使用Connected Components Workbench 10.01.00版本軟件。對現場各類儀表信號進行采集并進行相應的處理、對現場各類設備進行邏輯控制，所有數據最終錄入數據庫中并在值班室電腦端進行實時展示。

（1）對于余氯、流量、液位等模擬量信號的采集，現場儀表采用4～20mA信號，我們需要對模擬量輸入插件和模塊的各個通道進行輸入信號類型設置，如圖6、圖7所示。

圖6 2080-IF4配置圖

圖7 2085-IF8配置圖

模塊配置完成后，編寫模擬量信號采集程序，實現對4～20mA信號的采集和量程的轉換，并且存入相應寄存器，如圖8、圖9所示。

圖8 模擬量輸入采集程序段

（2）對于泵、格柵等設備的運行、故障狀態的數字量信號的采集，模塊配置及采集如圖9所示。

圖9 數字量輸入采集程序段

（3）對于泵、格柵等設備，若要做到自動運行，需要與現場的液位、流量等參數進行聯鎖，比如本系統中其中一條聯鎖設置“潛污提升泵由調節池的液位控制低停高開，電磁流量計的流量信號控制潛污提升泵的變頻器，保持設定的流量”，在編寫程序的時候要考慮到，保護提升泵的變頻器，所以需設置最低運行頻率，并且現場部署了兩臺提升泵，機制為一用一備，兩臺泵不同時運行，因此需要設置互鎖，同時要保證流量維持在設定值，還要引用PID控制功能，因此編寫程序如圖10、圖11所示。

圖10 提升泵啟停及互鎖程序段

圖11 流量保持（PID）程序段

本系統中的聯鎖較多，如“循環增壓泵與壓力的聯鎖”、“鼓風機與溶解氧濃度的聯鎖”、“軸流風機與二氧化氯含量的聯鎖”等，其聯鎖機制大都類似，在此不做詳細介紹。

（4）對于機械格柵、潛水攪拌器等設備，本系統要求實現定時控制，通過程序實現設備的定時運行、定時停止、定時切換等自動功能，在程序中使用了定時器和計時器，編寫程序如圖12所示。

圖12 機械格柵定時運行程序段

經過以上工作，我們已經把現場的基礎數據全部采集完成，并且把能夠保證醫療污水處理過程自動穩定運行的各項聯鎖保護和邏輯在程序里逐條實現。通過對這些基礎數據的處理和轉換生成最終上傳并錄入實時數據庫中，具體過程這里不作詳細介紹。

接下來需要將PLC控制器采集和控制的數據在值班室監控電腦進行展示，首先我們要考慮使用何種通訊方式來實現。PLC控制器支持多種通訊協議，根據實際情況我們可以做多種選擇。通過前面的方案最終確定使用串口協議，選擇控制器的Modbus映射功能，如圖13所示。

圖13 控制器Modbus映射

Modbus映射，將控制器作為從站，值班室電腦作為主站，控制器與電腦上位軟件之間進行RS485通訊，將數據傳送至監控電腦。

結束語：我國醫療水平高速發展，醫院建設也在大力發展，產生的醫療污水的處理至關重要，處理好污水，可以減少對城市的污染，也可以對達標的水資源得到充分的回收利用，若處理過程存在缺陷，也能使得處理過程參與人員被感染的幾率大大增加，提高了病毒在城市中傳染的風險。

利用PLC控制器實現醫院醫療污水處理過程的自動化，只要邏輯通順并且清晰，可以輕松完成目標，且PLC控制器的編程自由度大，功能可開發度高。

在PLC控制器的控制下，整個污水處理的過程相比傳統的人工控制而言，流程更加精細和嚴格，實時性強，并且也避免了處理過程的參與人員直接接觸醫療污水，起到了嚴密的隔離和保護的作用，同時在經濟指數來看，節約了人員和車輛的投入，也符合綠色環保發展的理念，社會效益顯著。