PLC 支持下的云平臺污水處理控制系統設計思路

李艷和

（北京中交紫光科技有限公司，北京，100088）

1 工程概況

同常規性城市污水處理廠一樣，某地區污水處理廠所開發的自動化控制系統可實現自動化控制、數據采集功能。由于該項目具備一定的特殊性，開發資金使用的是國債資金，開發成本受到一定的限制，必須要保證自動控制系統具備耐用性、實用性以及夠用性原則。此次研發的自動控制系統大致可細分為三個結構層：現場控制層、遠程監控層以及集中控制層。

其中，現場控制層主要是涵蓋各種機械設備，例如，傳感器、控制箱、操作箱、探測儀器等相關設備。現場控制層主要是針對于污水處理的具體工藝以及整個處理過程，屬于是底層控制層，同時也是優先級別最高的一個控制層。現場控制層主要是采集各機械設備運行的狀態，利用傳感器將收集到的設備狀態信息傳輸給集中控制層，集中控制層會向現場控制層發出信號指令，現場控制層在接受到信號指令以后采取相應的控制措施。

2 污水處理控制系統設計

■2.1 系統總體設計

數據采集系統中的硬件設備構成比較簡單，主要是由西門子接口模塊、S7-1500PLC、模塊組。本地化數據采集可以使用profinet 總線形式，采用分布式自動化，同時配備傳感器完成數據實時采集，見圖1。

圖1 系統的總體設計圖

2.1.1 系統硬件

硬件組態是完成一個項目的第一步，硬件組態通過Step7 軟件進行。所謂硬件組態，即模擬真實的PLC 硬件系統，將CPU、電源和信號模塊等設備安裝到相應的機架上，并對PLC 硬件模塊的參數進行設置和修改的過程。當用戶需要修改模塊的參數或地址需要設置網絡通訊，或者需要將分布式外設連接到主站的時候，都要進行硬件組態。

在硬件組態時，首先創建項目，利用程序中的導向功能可方便創建項目：打開【SIMMIC Manager】，在【File】菜單下單擊【New Projectwizard】，然后分別選擇CPU、編程語言、需要的OB 塊，再給項目起名字，接著通過【Hardware】進入硬件組態。

硬件組態詳細的順序可參看SIEMENS相關資料和教程，此處不再贅述。但需要注意的是，每個模板有各自的位置，如1#槽為電源模板，2#槽CPU模塊，3#槽放置接口模塊(如IM361、360 和365 等)，4#w-11#槽才可以放置功能模板、輸入輸出模板等，最多可放置8 個信號模塊、功能模塊或通信模塊，如違反規則則模板無法放置。

（1）西門子S7-1500。這種PLC 構件自身的性能比較強大，屬于是模塊化結構，可以迅速的響應系統的指令，對系統的控制性能進行優化，大幅度的提高系統的運行效率。相較之S7-300PLC 而言，西門子S7-1500 的聯網性能更為突出，處理數據的速度更快，可以實現分布式管理，由于西門子S7-1500 自身具備諸多的優勢，所以可以在工業生產活動中獲得廣泛的應用。假若在西門子S7-1500 中加設ET200M 模塊則可以豐富該構件的功能，實現人機交互、網絡通信等功能。

（2）MATT 系列智能網關。這種網關屬于是現代化先進的網絡智能設備，其可以采集工業生產設備的運行狀態，同時將自身與云平臺進行連接。MQTT 系列智能網關的功能主要是包括：數據采集、邊緣計算、無線網傳輸、協議解析等。

2.1.2 軟件介紹

利用WinCC 實現項目開發，先創建一個項目：單擊【文件】【新建】，選定單用戶項目，輸入項目名稱，保存即可。

項目建立之后進行數據鏈接，建立WinCC 與SIMATTC PLC 的數據通訊。WinCC 提了一個稱為SIMATIC S7 Protocol Suite 的通訊驅動程序。此通訊驅動程序支持多種網絡協議和類型，通過它的通道單元提供與各種SIMATTC S7-300 和s7-400PLC 的通訊。數據鏈接建立以后，利用變量管理器設計程序中可能用到的變量。然后利用圖形編輯器根據工藝流程和控制要求編輯監控畫面，并將其中的畫面對象和數據鏈接。winCC 提供多種鏈接方式，如c 語言程序、標簽鏈接、動態對話框、事件觸發等，最后完成報表的設計以及報警變量的設計等。

（1）TIA 博途。TIA 博途是西門子集團所研發出來的一款新型高集成度自動化軟件。該軟件基本上都自動完成系統內的所有日內瓦。借助該軟件可以迅速的訪問自動化系統、開發系統，對系統功能進行實驗。直接通過本地連接方式訪問TIA 博途軟件，可以有效的降低軟件后期維護成本，不需要編程轉固執，直接現場進行維護升級，對硬件設備進行安全訪問。

（2）Node-RED 軟件。Node-RED 為開發人員提供一個功能強大的編輯器，但是該編輯器是以瀏覽器作為基礎而存在，可以巧妙的借助調色板將節點連接為一個整體，利用節點來執行具體的部署任務。開發人員使用Node-RED 將各個處理節點連接在一起，建立出標準處理流程對數據進行處理，控制事物、發送警報。

（3）MATT 協議。MQTT 協議量級比較輕，結構簡單，開放程度高，操作性不強，這一系列的優勢促使MQTT 協議獲得廣泛的運用。例如智能化家電、通信傳感器、醫療設備等等。

2.1.3 數據采集與傳輸

數據丟失通常是現場控制層在收集、傳輸數據過程中所表現出來的問題，該問題是系統設計過程中的關鍵性問題。這種問題出現的原因由于數據采集與非實時操作系統在處理數據時存在一定的時間偏差，促使數據丟失。在對系統進行設計時，應該保證采集硬件設備自身附帶存儲或是緩存功能，同時具備短期內數據采集功能，良好的解決數據采集與數據處理之間所產生的時間偏差問題。

污水處理自動控制系統的核心功能是污水處理數據采集與傳輸。系統借助PLC 組件與傳感器構件對污水處理過程中各個運行設備的工作狀態數據進行采集，然后利用智能化網關將所采集到的數據信息傳輸至服務器，由系統根據獲取到的數據信息采取合理的遠程操控。首先，需要保證PLC 組件與智能網關線路連接正確，在本地服務器或云平臺中配置合理的技術參數，當技術參數配置完成以后，利用Node-RED 軟件訪問Web 網頁，系統會自動配置MQTT 協議的技術參數，在MQTT 協議的狀態調整合適以后，開始添加PLC 組件的信息、采集參數、采集周期等相關數據信息。以上就是數據采集、傳輸的前期設置流程，在設置完成以后系統則可以自動開始采集數據。

■2.2 MBR 膜單元功能設計

污水處理控制系統所控制的對象是MBR 膜中水處理裝置，具備的控制流程為：使用水泵將污水排放至反應器內，經過反應器的初步處理，將污水中的大顆粒污染物清除，然后將經過預處理的污水排放至MBR 反應室中，MBR 反應室中的膜會將污水進行過濾，并將污水中的微生物通過降解反應清除，利用吸泵將污水排入中水箱，利用膜池內的清洗系統、吹掃系統、排空系統漿污染物與污染物進行分離處理，由此可以獲得排放合格的水[1]。膜單元功能設計圖如圖2 所示。

圖2 膜單元功能設計圖

■2.3 PLC 程序設計

控制系統的程序編碼應該結合污水處理的需求進行，開發人員使用TIA Portal V16 軟件進行編寫。此外，開發人員還應該在PLC 構件上搭建膜控制程序數據采集模塊，并將模塊的地址進行記錄。

■2.4 控制系統硬件組成

污水處理控制系統的硬件設備構成比較簡單，主要是由PLC 組件、控制電源、繼電器、傳感器等多個構件組成。結合膜池控制系統的具體要求來看，合理的確定出PLC 構件的輸出量、輸入量以及開關量。在啟動MBR膜控制系統之前，應該將水表、空壓機、鼓風機等裝置的開關與遠程控制側進行連接，并將膜單元通電，然后將控制閥門與遠程控制側進行連接；啟動膜系統，提前設置好控制儀表的壓力值，確保回流渠處于自動狀態。進一步來看，膜控制系統預留50 個輸入單口、21 個輸出端口，將S7-1500 PLC 作為主控單元，加設I/O 模塊。

■2.5 膜處理程序設計

結合污水處理的實際需求來看，結合MBR 處理方法的原理與流程來對控制系統進行設計，保證設計活動的合理性。現階段，我國的污水處理技術越來越先進，同時趨向于智能化、復雜化的趨勢發展，在這個過程中污水處理的要求也在不斷發生變化[2]。

自動控制系統初始化完成以后，立即打開電磁閥X1，結合膜處理的需求，合理的設置延遲時間，然后使用傳感器來檢測池內的真空度，以此來確定池內的真空度是否達標。根據檢測結果采取合理的措施，即若檢測不合格，則應該啟動水泵Y1，合理的設置延遲時間，再次進行檢測，判斷1#，2#管路是否故障，將其作為依據來判斷水表的開關狀態。膜池控制邏輯流程圖如圖3 所示。

圖3 膜池控制邏輯流程圖

3 污水處理數據傳輸

■3.1 數據傳輸實驗

數據采集、數據傳輸應該具備連續性與實時性，盡可能避免出現傳輸過程中中斷現象，假若出現數據采集或是數據傳輸的過程中出現中斷，有一定的可能性會出現數據丟失現象。

當數據傳輸通信處于正常狀態以后，那么則可以將數據傳輸至本地服務器或是云平臺中。圖4 中展示的信息為污水生產曲線，通過該曲線可以直觀的了解污水生產的具體情況。管理人員可以不受時間、空間的限制隨時通過Web 頁面瀏覽污水處理設備運行的狀態。結合實際情況而言，在實際運行的過程中設備可能會出現故障，如何有效的保證系統運行過程中，數據不會出現丟失，是系統設計過程中所應該關注的重要問題之一。假若數據傳輸的過程中因網絡堵塞促使數據出現丟失現象時，則可以使用MQTT 協議完成數據傳輸任務，以保證數據順利發送至指定位置[3]。

圖4 生產曲線

■3.2 傳輸性能實驗驗證

本地服務器與云端之間的差異主要是體現在對數據的響應速度。

對自動控制系統進行驗證，使用MQTT 協議完成數據傳輸，同時向本地服務器與云端發送相同大小的數據包，對比二者之間的傳輸效率。設計人員應該將數據包發送至本地服務器的時間與數據包發送至云端的時間進行對比分析，結合對比結果來看，數據包發送至本地服務器的時間與數據包發送至云端的時間相差0.8s，這個時間差在智能化控制遠程數據傳輸活動中是允許存在的。通過數據傳輸性能試驗對比分析以后，有力的論證出云平臺存儲數據的性能明顯的強于本地服務器的性能。傳輸性能對比圖如圖5 所示。

圖5 傳輸性能對比圖

4 結語

近年來，我國的信息通信技術飛速發展，將現代化先進的互聯網技術應用在工業生產活動中是未來社會發展過程中的必然趨勢。本文以某市污水處理廠的污水處理數據監控系統作為研究對象，提取污水處理廠的技術參數（pH 值、SS 懸浮物等等），管理人員可以通過智能移動端或是電腦端查看具體的數據信息，實現對污水處理遠程操控。