基于PLC 的濾站自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

南麗霞

（揚(yáng)州市職業(yè)大學(xué)，揚(yáng)州 225001）

隨著社會(huì)的不斷發(fā)展，人們的生活水平逐漸提高，用水量隨之增加，產(chǎn)生的污水不僅會(huì)嚴(yán)重影響環(huán)境的穩(wěn)定性，還會(huì)影響人們的正常生活[1]。在污水量不斷增加的背景下，傳統(tǒng)的濾站難以負(fù)擔(dān)繁重的污水處理任務(wù)。傳統(tǒng)的濾站多采用單一控制的工作模式，主要由繼電器和接觸器共同控制，由工作人員記錄控制系統(tǒng)的運(yùn)行數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)人工系統(tǒng)控制。這樣的控制方式在科技不斷發(fā)展的新時(shí)代顯然已經(jīng)較為落后[2]。因此，必須應(yīng)用更為先進(jìn)的污水處理技術(shù)，設(shè)計(jì)出更為出色的濾站控制系統(tǒng)，才能提升污水過濾工作的實(shí)用性和有效性。因此，文章基于可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）設(shè)計(jì)一款自動(dòng)化控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)濾站運(yùn)行的自動(dòng)控制。

1 PLC 相關(guān)概述

1.1 PLC 的概念

PLC 是一種工業(yè)自動(dòng)控制裝置，具有控制功能強(qiáng)大、使用方便、可靠性高等優(yōu)勢(shì)，廣泛應(yīng)用于各種自動(dòng)化系統(tǒng)。在工業(yè)領(lǐng)域中，PLC 主要用于儲(chǔ)存數(shù)據(jù)、處理內(nèi)部信息以及控制各種系統(tǒng)及生產(chǎn)程序。PLC 的有效應(yīng)用使控制系統(tǒng)形成一個(gè)整體，有利于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制[3]。PLC 主要由中央處理器（Central Processing Unit，CPU）、儲(chǔ)存器、輸入輸出接口、通信接口和電源等組成。其中，CPU 是PLC 的控制中心，起到類似神經(jīng)中樞的作用。在每個(gè)PLC 中至少存在1 個(gè)CPU。儲(chǔ)存器主要用于存放軟件，輸入輸出接口是電氣回路與PLC 的接口，集成PLC 的多個(gè)電路。通信接口的作用是連接PLC 與外部設(shè)備，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換和通信交換。而電源則為PLC 電路的工作提供電力。將計(jì)算機(jī)技術(shù)應(yīng)用于PLC 中，能夠不斷擴(kuò)展和完善PLC 的功能。目前，PLC 除了具有基礎(chǔ)的順序控制、邏輯控制功能，還具備過程控制、模擬控制、遠(yuǎn)程通信等功能[4]。

1.2 PLC 的特點(diǎn)

PLC 具有如下特點(diǎn)。第一，編程軟件簡(jiǎn)單易學(xué)。PLC 的編程流程大多與繼電器控制線路相關(guān)，采用如同梯形圖形的呈現(xiàn)形式，專業(yè)人士很容易掌握和理解[5]。第二，抗干擾能力強(qiáng)、可靠性高。PLC 不會(huì)經(jīng)常發(fā)生故障，而且故障間隔時(shí)間較長(zhǎng)。PLC 在硬件上具有隔離、抗干擾以及濾波等優(yōu)勢(shì)，在軟件上具備故障檢測(cè)、問題診斷、系統(tǒng)保護(hù)等功能。第三，適應(yīng)性良好。PLC 產(chǎn)品種類較多，大多采用模塊化的硬件結(jié)構(gòu)，擴(kuò)展和組合較為方便，可進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)控制，也可進(jìn)行單機(jī)控制[6]。第四，功能完善。PLC 的功能較為完善，具有控制、運(yùn)算、轉(zhuǎn)換、計(jì)數(shù)以及處理等多項(xiàng)功能。第五，維護(hù)方便、操作簡(jiǎn)單。PLC 上有卡扣，可以使用螺絲刀完成不同設(shè)備與PLC 的連接，操作簡(jiǎn)單。隨著PLC 的廣泛應(yīng)用，其功能越來越強(qiáng)大。帶有輸出輸入接口、儲(chǔ)存器的PLC 是一種綜合性控制裝置，功能更加豐富，全面整合了自動(dòng)控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)以及微電子技術(shù)。

2 基于PLC 的濾站自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 自動(dòng)控制流程設(shè)計(jì)

污水經(jīng)過過濾，過濾掉的固體垃圾被輸送到濾站垃圾箱中進(jìn)行進(jìn)一步處理。完成濾過后的污水全部匯集在集中池中進(jìn)行儲(chǔ)存，當(dāng)污水達(dá)到規(guī)定容量后將污水排出，開啟濾站的污水處理工作[7]。

濾站在PLC 的控制下自動(dòng)進(jìn)行污水處理，全部工作流程由PLC 指揮，并實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控和遙控。污水進(jìn)入濾站后，通過格柵過濾掉固體垃圾，然后進(jìn)入啟閉機(jī)。當(dāng)水位達(dá)到一定標(biāo)準(zhǔn)后啟動(dòng)排污泵，初步處理后的污水經(jīng)過出水總管道進(jìn)入濾過池。濾站的自動(dòng)控制系統(tǒng)主要控制過濾、反洗2 個(gè)過程，其中過濾就是將污水引入過濾池，通過填充過濾材料去除雜質(zhì)。過濾后的水經(jīng)過水閥門進(jìn)入反洗階段。反洗是清洗濾料中雜質(zhì)的程序，在此過程中關(guān)閉出水閥和入水閥，同時(shí)打開反洗閥和排污閥，通過反洗去除水中的雜質(zhì)，最后通過排污閥門排出廢水[8]。

2.2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

電氣控制系統(tǒng)由多個(gè)部件組成，其中PLC 選擇常規(guī)型號(hào)的CPU，并配備有數(shù)字輸出模塊、數(shù)字輸入模塊、模擬輸出模塊、模擬輸入模塊等。蝶閥、離心泵則采用接觸器進(jìn)行開關(guān)控制，并使用繼電器、斷路器進(jìn)行過載保護(hù)和短路保護(hù)?？刂剖侄畏譃榫偷乜刂坪瓦h(yuǎn)程控制2 種。其中：就地控制指在現(xiàn)場(chǎng)按下啟動(dòng)、暫停按鈕，以此切換啟動(dòng)和暫停狀態(tài)，此時(shí)PLC輸出的信號(hào)無效[9]；遠(yuǎn)程控制指采用PLC 控制啟動(dòng)、停止?fàn)顟B(tài)，此時(shí)使用現(xiàn)場(chǎng)控制箱控制啟動(dòng)、停止無效。濾頭、液位傳感器以及壓力傳感器主要通過電流模式進(jìn)行轉(zhuǎn)換，將信號(hào)傳輸?shù)絇LC 中，以采集信號(hào)。調(diào)節(jié)閥同樣采用電流模式進(jìn)行輸出控制。

2.3 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.3.1 過濾程序設(shè)計(jì)

根據(jù)濾站自動(dòng)控制系統(tǒng)的相關(guān)控制要求，設(shè)計(jì)如下過濾自動(dòng)控制流程。啟動(dòng)濾站自動(dòng)控制系統(tǒng)的過濾過程，系統(tǒng)判定電機(jī)、閥門是否處于遠(yuǎn)程控制狀態(tài)，同時(shí)判定濾頭、液位是否存在報(bào)警情況。若符合系統(tǒng)的運(yùn)行條件，則打開濾站的進(jìn)水閥，關(guān)閉反洗閥和排污閥。通過控制出水閥的開度來控制水位的液位，具體的流程如下。首先，設(shè)置出水閥以每秒1.5%的增量開啟，進(jìn)行污水處理工作，直至污水水位達(dá)到65%[10]。其次，將出水閥按照每秒0.15%的增量關(guān)閉，等待污水水位達(dá)到設(shè)定值的95%，若沒有到達(dá)標(biāo)準(zhǔn)，則按照每秒0.15%的速度關(guān)閉調(diào)節(jié)閥，直至污水水位達(dá)到95%。最后，當(dāng)污水水位達(dá)到95%后，開啟污水過濾比例-積分-微分（Proportional-Integral-Derivative，PID）調(diào)節(jié)，以此保持水位恒定。完成上述程序后，結(jié)束自動(dòng)控制系統(tǒng)的運(yùn)行。具體過濾流程如圖1 所示。

圖1 自動(dòng)過濾流程圖

2.3.2 反洗程序設(shè)計(jì)

根據(jù)濾站自動(dòng)控制系統(tǒng)，設(shè)計(jì)反洗程序，具體流程如下。在確定反洗操作現(xiàn)場(chǎng)無特殊情況后，選擇需要反洗的濾池，開啟反洗流程。開啟反洗啟動(dòng)按鈕，系統(tǒng)自動(dòng)判斷電機(jī)、閥門是否處于遠(yuǎn)程控制狀態(tài)，觀察是否有報(bào)警，同時(shí)判斷液體位是否有報(bào)警，若符合程序的運(yùn)行條件，則進(jìn)入下一步程序。下一步程序包括2 個(gè)子程序。第一，打開高位水箱的進(jìn)水系統(tǒng)，觀察高位水箱的液體位置是否達(dá)到基本設(shè)定值，并進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。當(dāng)液位達(dá)到設(shè)定值后，自行關(guān)閉高位水箱進(jìn)水系統(tǒng)[11]。第二，關(guān)閉進(jìn)水閥、反洗閥和排污閥，保持出水閥開度不變。在此條件下，將濾池中的污染水過濾完畢，即可準(zhǔn)備進(jìn)行反洗。當(dāng)高位水箱液體位達(dá)到原本設(shè)定值后，系統(tǒng)打開反洗閥，關(guān)閉出水閥和進(jìn)水閥，再打開排污閥，并觀察反洗時(shí)間是否達(dá)到設(shè)定值。達(dá)到設(shè)定值后，關(guān)閉反洗閥、出水閥和排污閥，并打開進(jìn)水閥，以此結(jié)束反洗流程[12]。具體反洗流程如圖2 所示。

反洗過程中首先要注意設(shè)備的安裝方向，設(shè)備之間的距離不應(yīng)小于15 cm。其次，要定期清洗濾芯雜質(zhì)。在運(yùn)行過程中濾芯會(huì)堆積雜質(zhì)，雜質(zhì)過多會(huì)影響廢水處理效率。再次，要定期檢查并更換容易損壞的零部件，并始終保持機(jī)器處于干燥清潔狀態(tài)，避免出現(xiàn)意外情況。最后，需要按照額定功率進(jìn)行使用，不得隨意調(diào)節(jié)功率。

3 應(yīng)用實(shí)例分析

某濾站位于我國(guó)平原地區(qū)，主要用于處理污水，提高水質(zhì)。在該濾站中應(yīng)用文章設(shè)計(jì)的PLC 自動(dòng)控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)穩(wěn)定性高、性能優(yōu)越，具有牢固的結(jié)構(gòu)、強(qiáng)大的功能和優(yōu)秀的耐腐蝕性能、耐震性能，更換各種零件設(shè)施較為方便，能很好地適應(yīng)惡劣環(huán)境，優(yōu)勢(shì)明顯。通過網(wǎng)絡(luò)電纜，將現(xiàn)場(chǎng)濾站與PLC 自動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行整合，連接后開始實(shí)施過濾污水工作。

該濾站基于PLC 自動(dòng)控制系統(tǒng)的工作流程如下。第一，過濾。在恒水位過濾過程中，采用PID 功能塊來控制調(diào)節(jié)閥。每格濾池均有水位檢測(cè)儀與水頭損失傳感器，目的是控制單格濾池恒水位過濾及氣水反沖。第二，濾池反沖洗。關(guān)閉待沖洗濾格的進(jìn)水閥，全開出水閥，待濾格水位下降到設(shè)定值時(shí)關(guān)閉出水閥，打開排污閥，啟動(dòng)鼓風(fēng)機(jī)，開氣沖閥開始?xì)鉀_。5 min 后打開沖洗水泵，開始?xì)馑旌蠜_。氣水混合沖4 min后，關(guān)氣沖閥，停鼓風(fēng)機(jī)，開放空排氣閥，進(jìn)行全水洗。然后關(guān)閉沖洗水閥，停止沖洗水泵，關(guān)閉排污閥，打開進(jìn)水閥。清水出水閥的開閉由水位信號(hào)控制，水位到達(dá)設(shè)定值后，開始恒水位過濾。

4 結(jié)語

傳統(tǒng)的濾站污水過濾過程多由人工控制，工作效率較低，在監(jiān)控方面有所欠缺。在濾站中應(yīng)用PLC自動(dòng)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了濾站的自動(dòng)化控制，降低了濾站的日常運(yùn)行成本，減少了人工支出、能源支出，為濾站的穩(wěn)定、安全運(yùn)行提供了保障。