基于PLC的電氣自動(dòng)化控制水處理系統(tǒng)研究

梁陽升

海南省水務(wù)集團(tuán)有限公司 海南 海口 571126

PLC具有較強(qiáng)穩(wěn)定性，其在水處理工作中的應(yīng)用具有實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制水處理目標(biāo)以及提升處理效率的作用，既可以有效降低外部環(huán)境產(chǎn)生的不良影響，又可以完成對電氣自動(dòng)化控制水處理系統(tǒng)的修改，不僅應(yīng)用較為靈活，且使用范圍較為廣泛，具體控制效果良好。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，自動(dòng)化已成為生產(chǎn)主流，在電氣行業(yè)，各企業(yè)應(yīng)該向自動(dòng)化以及智能化的方向轉(zhuǎn)型，注重應(yīng)用PLC的同時(shí)，還需要加強(qiáng)對電氣自動(dòng)化控制水處理系統(tǒng)的研究，重在提高系統(tǒng)的自動(dòng)化以及智能化水平。

1 PLC相關(guān)內(nèi)容介紹

1.1 PLC介紹

PLC（Programmable Logic Controller）是可編程邏輯控制器的英文簡寫，屬于是一種現(xiàn)代自動(dòng)化控制技術(shù)，其集成了大數(shù)據(jù)技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)以及通信技術(shù)等優(yōu)點(diǎn)，具有可編程、處理數(shù)據(jù)、控制順序、定時(shí)、自動(dòng)控制、存儲以及邏輯運(yùn)算等功能，工作人員可以通過編寫程序的方式實(shí)現(xiàn)對電氣自動(dòng)化的控制，進(jìn)而可以完成對水處理系統(tǒng)的聯(lián)動(dòng)控制，以此有助于人工控制誤差的降低，有助于水處理效率的提升[1]。程序設(shè)計(jì)，電氣自動(dòng)化控制水處理系統(tǒng)是由多種程序構(gòu)成，例如在污水處理的過程中因?yàn)槲鬯泻兄^多的微生物，而且其中一部分微生物的代謝需要消耗氧氣，因此有必要開展對污水的曝氣工作。相關(guān)工作的完成主要涉及到以下重點(diǎn)環(huán)節(jié)：首先要對污水進(jìn)行好氧處理，通過將曝氣池中污水與活性污泥混合的方式加速其中有機(jī)物的降解。其次，在第一步完成之后污水里面的有機(jī)物會附著于細(xì)胞上，從而進(jìn)一步提升曝氣池中的好氧成分，這樣的環(huán)境給污水中微生物的代謝提供了良好的條件，幫助微生物可以處在一個(gè)最佳的儲存狀態(tài)；最后，要針對污水處理的曝氣量加以模糊控制，完成曝氣池氧氣濃度的檢測工作以及有機(jī)物的評估工作，進(jìn)而準(zhǔn)確計(jì)算出污水處理需要的各項(xiàng)信息數(shù)據(jù)。

1.2 應(yīng)用優(yōu)勢

水處理較為復(fù)雜，部分企業(yè)在水處理方面選擇使用繼電器對水處理系統(tǒng)進(jìn)行控制，針對于繼電器的安裝，其會涉及較為復(fù)雜的線路鋪設(shè)問題，如若線路鋪設(shè)完畢，又或者是程序設(shè)定完成之后，再進(jìn)行修改與調(diào)整的難度較大，且后期的運(yùn)維難度系數(shù)較高，一旦系統(tǒng)出現(xiàn)運(yùn)行故障，不僅故障的排查難度較大，故障的處理難度更大，可能會對系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行產(chǎn)生不良影響。PLC的應(yīng)用，可以提升水處理系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性以及安全性的同時(shí)，還可以實(shí)現(xiàn)無線通信傳輸，可以有效避免線路故障造成的運(yùn)行問題。不僅如此，PLC中的傳感器具有實(shí)時(shí)監(jiān)控水處理系統(tǒng)運(yùn)行的作用，可以減少系統(tǒng)運(yùn)行能耗，降低系統(tǒng)運(yùn)行出現(xiàn)故障的概率，進(jìn)而有助于后期運(yùn)維成本的節(jié)約。此外，PLC的應(yīng)用可以逐步優(yōu)化水處理系統(tǒng)，促進(jìn)水處理向自動(dòng)化以及智能化方向發(fā)展，進(jìn)而有助于提高電氣自動(dòng)化控制水處理系統(tǒng)運(yùn)行的信息化水平，并降低其運(yùn)行能耗。

2 基于PLC的電氣自動(dòng)化控制水處理系統(tǒng)研究分析

2.1 系統(tǒng)控制要求

電氣自動(dòng)化控制水處理系統(tǒng)控制要求主要包括系統(tǒng)報(bào)警保護(hù)、控制要求以及操作方式等，從系統(tǒng)參數(shù)顯示功能的角度進(jìn)行分析[2]。在手動(dòng)狀態(tài)下，各類設(shè)備的控制根據(jù)對操作面板上的按鈕操作來控制，無邏輯控制，不根據(jù)液位高度傳感器的狀態(tài)和設(shè)定的時(shí)間進(jìn)行控制。在自動(dòng)方式下進(jìn)行閉環(huán)控制，系統(tǒng)根據(jù)檢測的液位高度狀態(tài)和設(shè)定的時(shí)間來對設(shè)備進(jìn)行啟停控制。設(shè)備故障報(bào)警功能，當(dāng)出現(xiàn)故障問題時(shí)，系統(tǒng)會自動(dòng)發(fā)出故障信號并強(qiáng)制故障設(shè)備停止工作，此時(shí)工作人員需要及時(shí)修理故障泵，盡可能恢復(fù)設(shè)備故障報(bào)警系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

2.2 系統(tǒng)控制流程

電氣系統(tǒng)控制流程介紹如下：

1、系統(tǒng)上電電源接通后，按下自動(dòng)控制按鈕，自動(dòng)控制方式被啟動(dòng)，系統(tǒng)中的攪拌機(jī)和曝氣風(fēng)機(jī)隨即也被啟動(dòng)。

2、運(yùn)行粗、細(xì)格柵機(jī)，進(jìn)行間歇運(yùn)行，即運(yùn)行一段時(shí)間然后停止一段時(shí)間，循環(huán)進(jìn)行。

3、進(jìn)水泵根據(jù)進(jìn)水池中反饋得到的實(shí)際液位與系統(tǒng)控制要求的液位進(jìn)行比較后再?zèng)Q定其運(yùn)行或停止。

4、污泥回流泵根據(jù)沉淀池中反饋得到的實(shí)際液位與系統(tǒng)控制要求的液位進(jìn)行比較后再?zèng)Q定其運(yùn)行或停止。

2.3 設(shè)計(jì)控制要求

針對于自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)控制要求，設(shè)計(jì)人員需要設(shè)計(jì)手動(dòng)、自動(dòng)切換功能，以便于在系統(tǒng)運(yùn)行期間依據(jù)各設(shè)備運(yùn)行情況科學(xué)調(diào)整系統(tǒng)控制方式以及相關(guān)工藝參數(shù)等。系統(tǒng)運(yùn)行的主要參數(shù)包括液位以及流量等，其是工作人員實(shí)時(shí)了解系統(tǒng)各設(shè)備運(yùn)行動(dòng)態(tài)的重要數(shù)據(jù)。如若是手動(dòng)控制模式，各單元屬于獨(dú)立控制狀態(tài)，例如水泵以及自動(dòng)閥等；如若是自動(dòng)控制模式，系統(tǒng)運(yùn)行全過程無需人工操作，系統(tǒng)可在規(guī)定程序下自動(dòng)運(yùn)行。系統(tǒng)運(yùn)行期間，如若突發(fā)故障，系統(tǒng)應(yīng)該設(shè)有預(yù)警、警報(bào)發(fā)出及保護(hù)功能，其中報(bào)警主要包括水泵故障報(bào)警、低液位報(bào)警、高液位報(bào)警以及中液位報(bào)警等，而保護(hù)功能主要是對水泵高壓及低壓的保護(hù)。

2.4 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

當(dāng)前，先進(jìn)電氣自動(dòng)化水處理系統(tǒng)使用的多為PLC，PLC具有可編程、定時(shí)以及計(jì)數(shù)與算數(shù)等作用，工作人員可以利用數(shù)字或模擬式輸入、輸出法對各類設(shè)備進(jìn)行控制。不同于其他可編程邏輯控制器，PLC較為適合電氣自動(dòng)化控制水處理系統(tǒng)的應(yīng)用要求，不僅可以實(shí)時(shí)監(jiān)控水處理系統(tǒng)的運(yùn)行情況，還可以為系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性提供保障，有助于水處理系統(tǒng)時(shí)刻處于最佳運(yùn)行狀態(tài)。現(xiàn)如今，常見的PLC控制水處理系統(tǒng)主要是由繼電器、壓力傳感器、現(xiàn)場水泵以及PLC組合而成，利用管網(wǎng)壓力可以實(shí)現(xiàn)對水泵的切換控制，利用壓力傳感器可以實(shí)現(xiàn)對PID計(jì)的切換控制[3]。同時(shí)，工作人員需要將PID運(yùn)算值轉(zhuǎn)變成為水泵變頻器控制頻率，以此實(shí)現(xiàn)對水泵自動(dòng)調(diào)節(jié)水流量的控制，其有助于為水管網(wǎng)壓力的恒定提供保障。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，水處理系統(tǒng)逐漸優(yōu)化與升級，且PLC的應(yīng)用更為成熟。事實(shí)上，控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需要參考電氣原理。

圖1 污水處理系統(tǒng)主回路電氣原理圖

主回路中交流接觸器KM1、KM2、KM3、KM4、KM5、KM6分別控制進(jìn)水泵、粗格柵機(jī)、細(xì)格柵機(jī)、曝氣風(fēng)機(jī)、攪拌機(jī)、污泥回流泵這六個(gè)電機(jī)的啟動(dòng)與停止。這六個(gè)電機(jī)分別由六個(gè)相對應(yīng)的熱繼電器FR1、FR2、FR3、FR4、FR5、FR6分別實(shí)現(xiàn)對各自所在的電路中確保其安全的過載保護(hù)功能。

圖2 污水處理系統(tǒng)控制回路電路圖

電路圖的上方部分連接的器件是中間繼電器KA，此繼電器在電路中是具有一定的帶負(fù)荷能力，上圖中所示的電路中的中間繼電器KA主要是為了替代小型接觸器來實(shí)現(xiàn)其后者的功能。當(dāng)接觸器KM的線圈在不通電的情況下，與之相對應(yīng)的KM接觸點(diǎn)也一直保持著電路斷開不導(dǎo)通的狀態(tài)；KM線圈在通電的情況下，相對應(yīng)的KM觸點(diǎn)也就被接通，從而實(shí)現(xiàn)了由控制電路中的送電和斷電來控制主電路中的各個(gè)電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)與停止。電路中的熱繼電器FR在此電路中依舊是保護(hù)電路安全起到過載保護(hù)的功能[4]。

2.5 PLC程序?qū)崿F(xiàn)

在PLC編程中，包含五個(gè)部分的系統(tǒng)程序：粗格柵系統(tǒng)程序、進(jìn)水泵程序、細(xì)格柵系統(tǒng)程序、曝氣氧化系統(tǒng)程序、污泥回流泵程序。由于自動(dòng)控制模式下，在整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行過程中，曝氣氧化系統(tǒng)中的曝氣風(fēng)機(jī)和攪拌機(jī)持續(xù)運(yùn)行。

程序?qū)崿F(xiàn)主要有以下幾個(gè)方面：

（1）系統(tǒng)的自動(dòng)控制模式開啟之后，粗格柵機(jī)根據(jù)格柵前、后液位差來進(jìn)行自動(dòng)運(yùn)行。

（2）進(jìn)水泵主要的功能根據(jù)進(jìn)水池中的液位檢測傳感器反饋的實(shí)際液位對進(jìn)入系統(tǒng)的污水量的控制。

（3）二沉池若實(shí)際液面高于最高要求液面，污泥回流泵持續(xù)運(yùn)行，若實(shí)際液面低于最低要求液面，污泥回流泵停止運(yùn)行，否則啟動(dòng)污泥回流泵，如此循環(huán)運(yùn)行。

（4）曝氣系統(tǒng)啟動(dòng)后由生化池的溶解氧濃度進(jìn)行控制，根據(jù)溶解氧儀器反饋的信號對曝氣電動(dòng)蝶閥進(jìn)行PID閉環(huán)控制，通過調(diào)節(jié)風(fēng)量實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)曝氣。

3 基于PLC的電氣自動(dòng)化控制水處理系統(tǒng)應(yīng)用表現(xiàn)

3.1 軟、硬件設(shè)計(jì)

電氣自動(dòng)化控制水處理系統(tǒng)主要是由多個(gè)軟件以及硬件組合而成，在軟件應(yīng)用方面，常用的軟件為PCS7Smart，該軟件具體分為操作員系統(tǒng)以及工程組態(tài)系統(tǒng)，其中工程組態(tài)系統(tǒng)應(yīng)用的基礎(chǔ)是CPU410Smart控制平臺，同時(shí)還需要其他軟件進(jìn)行輔助，例如控制模板以及APL功能庫等，技術(shù)人員需要利用編譯自動(dòng)生產(chǎn)基本數(shù)據(jù)，以此可以獲得畫面操作圖元以及變量數(shù)據(jù)參數(shù)等。此外，污水處理軟件屬于常用軟件，其具有控制污水廠整個(gè)工藝流程、各參數(shù)以及設(shè)備運(yùn)行的作用，且具有促進(jìn)電氣自動(dòng)化控制水處理系統(tǒng)高效運(yùn)行的價(jià)值。與此同時(shí)，該軟件的應(yīng)用還具有管理功能，可以對已有故障信息以及歷史信息等進(jìn)行查詢與處理。在硬件應(yīng)用方面，需要使用西門子CPU410Smart控制器，或是ET200PASmart系列中的IO模塊。其中，CPU410Smart控制器內(nèi)部設(shè)有兩個(gè)獨(dú)立的Profibus IO接口、儲存器以及防護(hù)涂層等。

3.2 上、下位機(jī)通信

PLC的應(yīng)用，上位機(jī)是MCGS，其可以創(chuàng)建觸摸屏一體機(jī)，還可以實(shí)時(shí)檢測處理現(xiàn)場以及調(diào)整工作狀態(tài)等，針對于工作狀態(tài)的調(diào)整需要借助部分設(shè)備的運(yùn)行，其有助于問題的及早發(fā)現(xiàn)及處理。而下位機(jī)主要是CPU410Smart，其具有控制處理現(xiàn)場的作用，通過與編程軟件的合用，可以實(shí)現(xiàn)對污水處理系統(tǒng)的控制，以便于后期系統(tǒng)程序的科學(xué)設(shè)計(jì)，且有助于開發(fā)商設(shè)計(jì)要求的滿足。在實(shí)際的通信階段，技術(shù)人員需要適當(dāng)轉(zhuǎn)換繼電器，還需要通過只讀的讀寫模式完成相關(guān)操控，隨后針對于MCGS的控制可以使用PLC。

4 基于PLC的電氣自動(dòng)化控制水處理系統(tǒng)應(yīng)用措施

4.1 創(chuàng)建故障檢測預(yù)警系統(tǒng)

水處理的工藝較為復(fù)雜，且實(shí)際環(huán)境條件較為特殊，日常的水處理工作會存在諸多不良干擾因素，如若處理不當(dāng)變會引發(fā)安全故障，影響電氣自動(dòng)化控制水處理系統(tǒng)的正常運(yùn)行。為此，電氣企業(yè)需要?jiǎng)?chuàng)建故障檢測預(yù)警系統(tǒng)，又或者是增設(shè)可視化設(shè)備等，以此實(shí)現(xiàn)對水處理系統(tǒng)運(yùn)行的實(shí)時(shí)監(jiān)管。與此同時(shí)，電氣企業(yè)還需要安裝先進(jìn)的監(jiān)控設(shè)備以及定位傳感器等，如若水處理系統(tǒng)出現(xiàn)故障，監(jiān)控設(shè)備的自動(dòng)監(jiān)測功能以及定位傳感器的定位傳輸功能會將故障信息在第一時(shí)間內(nèi)進(jìn)行發(fā)送，以便于通知技術(shù)人員及時(shí)進(jìn)行處理[5]。

4.2 注重解決控制精度問題

電氣自動(dòng)化控制水處理系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)行的過程中經(jīng)常會出現(xiàn)精度問題，其產(chǎn)生的原因可能與環(huán)境中存在的不良干擾因素有關(guān)，也可能與系統(tǒng)內(nèi)部線路或零部件老化、損壞等有關(guān)，最常見的原因是設(shè)備接線故障或觸電故障等。如若系統(tǒng)精度偏低，則水處理系統(tǒng)的運(yùn)行效率會有所降低。電氣自動(dòng)化控制水處理系統(tǒng)的長時(shí)間運(yùn)行，其內(nèi)部各設(shè)備以及零部件等會有損害或老化現(xiàn)象，其是影響系統(tǒng)精度的主要原因之一，加之水處理系統(tǒng)易受腐蝕，所示零部件老化現(xiàn)象較為常見，導(dǎo)致系統(tǒng)在運(yùn)行期間會出現(xiàn)信號傳輸中斷或停止等問題，引發(fā)通信故障。為此，電氣工作人員需要注重水處理系統(tǒng)的優(yōu)化與升級，重在提升信號傳輸?shù)姆€(wěn)定性。

4.3 建立健全科學(xué)運(yùn)維機(jī)制

系統(tǒng)或設(shè)備的使用具有一定壽命，其壽命長短與運(yùn)維水平關(guān)系密切。水處理系統(tǒng)較為復(fù)雜，其運(yùn)行環(huán)境存在諸多不良干擾因素，運(yùn)行期間故障的發(fā)生在所難免，為減少故障發(fā)生概率，政府相關(guān)部門以及電氣企業(yè)等需要注重PLC的應(yīng)用，還需要加強(qiáng)對電氣自動(dòng)化控制水處理系統(tǒng)運(yùn)維工作的重視，建立健全科學(xué)運(yùn)維機(jī)制[6]。一方面，注重專業(yè)運(yùn)維人員的培養(yǎng)，重在提高人員專業(yè)素養(yǎng)以及運(yùn)維技能水平，同時(shí)還需要提高人員責(zé)任意識，定期組織人員學(xué)習(xí)運(yùn)維機(jī)制相關(guān)內(nèi)容。另一方面，不斷調(diào)整與完善運(yùn)維機(jī)制，為系統(tǒng)運(yùn)維提供指導(dǎo)的同時(shí)，還可以約束運(yùn)維人員工作行為。

5 結(jié)束語

PLC在電氣自動(dòng)化控制水處理系統(tǒng)中的應(yīng)用具有諸多優(yōu)勢，例如提高水處理系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性以及安全性等，還可以有效防止出現(xiàn)線路故障。在PLC背景下，針對于電氣自動(dòng)化控制水處理系統(tǒng)的研究，可以從系統(tǒng)控制要求、控制流程、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及PLC程序?qū)崿F(xiàn)等方面入手。為保證電氣自動(dòng)化控制水處理系統(tǒng)運(yùn)行質(zhì)量，電氣企業(yè)需要?jiǎng)?chuàng)建故障檢測預(yù)警系統(tǒng)，并建立健全運(yùn)維機(jī)制等。