電氣設(shè)備自動控制系統(tǒng)中的PLC 設(shè)計(jì)

許明艷

（江蘇省揚(yáng)州技師學(xué)院，揚(yáng)州 225101）

目前，傳統(tǒng)污水處理自動控制系統(tǒng)存在污水處理工藝復(fù)雜、污水處理成本高、處理后的污水質(zhì)量不達(dá)標(biāo)等問題，而新型電氣設(shè)備自動控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)可以解決這些問題。該系統(tǒng)主要應(yīng)用可編程邏輯控制器，此控制器具有可靠性高、接口模塊豐富、運(yùn)行性能高、編程簡單、易維護(hù)和性價比高等特點(diǎn)，不僅可以遠(yuǎn)程監(jiān)測和控制污水處理過程，還能夠提升污水水質(zhì)處理的質(zhì)量，避免因排放的污水質(zhì)量不穩(wěn)定而對環(huán)境造成污染和破壞[1]。因此，應(yīng)用可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）強(qiáng)化新型電氣設(shè)備自動控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)顯得尤為重要。

1 系統(tǒng)監(jiān)控方案設(shè)計(jì)

污水處理廠電氣設(shè)備自動控制系統(tǒng)架構(gòu)，如圖1所示。從圖1 可以看出，整個系統(tǒng)監(jiān)控模塊在具體設(shè)計(jì)時，主要用到上位機(jī)遠(yuǎn)程終端和PLC 控制站等組態(tài)軟件[2]。其中：上位機(jī)遠(yuǎn)程終端主要用于控制全污水處理廠電氣設(shè)備的遠(yuǎn)程化和智能化；PLC 控制站僅用于遠(yuǎn)程控制污水處理相對應(yīng)的電氣設(shè)備。運(yùn)用PLC控制站，對相關(guān)電氣設(shè)備參數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，并將最終采集結(jié)果傳輸和發(fā)送至上位機(jī)，由上位機(jī)調(diào)節(jié)和控制相關(guān)電氣設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。在該系統(tǒng)中，除了有中央控制室，還有4 個PLC 控制站，這些設(shè)備與各個交換機(jī)進(jìn)行有效連接，保證通信質(zhì)量[3]。在中央控制室中含有監(jiān)控站，它可以自動化、遠(yuǎn)程化管控污水處理過程。在4 個不同的PLC 控制站中均配置相應(yīng)的控制柜，控制柜由若干PLC 模塊組成。1#PLC 站主要安裝和部署于除砂池機(jī)房內(nèi)，可以實(shí)現(xiàn)對粗、細(xì)格柵液位及pH 值的遠(yuǎn)程監(jiān)控。2#PLC 站主要安裝和部署于氧化池機(jī)房內(nèi)，可以實(shí)現(xiàn)對氧化池液位、pH 值、含氧量的遠(yuǎn)程監(jiān)控。3#PLC 站主要安裝和部署于出水泵房，可以遠(yuǎn)程監(jiān)控清水流量。4#PLC 站主要安裝和部署于鼓風(fēng)機(jī)房，可以遠(yuǎn)程監(jiān)控相關(guān)電氣設(shè)備電壓、電流[4]。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 儀器儀表系統(tǒng)與選型

儀器儀表系統(tǒng)作為系統(tǒng)的重要硬件組成部分，主要用于實(shí)時檢測和顯示污水處理過程相關(guān)動態(tài)參數(shù)，方便相關(guān)人員全面了解和掌控污水處理廠生產(chǎn)工藝的操作狀態(tài)，由超聲波液位差計(jì)、電磁流量計(jì)、氣體檢測儀、溶解氧檢測儀、化學(xué)需氧量檢測儀和pH 測量計(jì)等部分組成[5]。儀器儀表系統(tǒng)工作原理如下。首先利用儀表的傳感器，將采集的污水處理模擬信號安全、可靠地傳輸和發(fā)送至變送器，其次由變送器統(tǒng)一將信號轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的數(shù)字信號，自從將數(shù)字信號傳輸?shù)絇LC 輸入端，最后利用顯示器形象直觀地顯示最終的信息采集結(jié)果。

2.2 PLC 型號選擇

系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，PLC 作為重要硬件在信號采集、數(shù)據(jù)通信方面具有重要作用。為了選出經(jīng)濟(jì)性、實(shí)用性強(qiáng)的PLC，在系統(tǒng)選型期間需要遵循4 個方面的要求。第一，選擇模塊式PLC。在PLC 具體使用期間，95%以上的故障均出現(xiàn)在輸入/輸出（Input/Output，I/O）部件上，而模塊式PLC 具有易維修、配置靈活方便等特點(diǎn)，一旦出現(xiàn)故障，僅更換新的I/O 部件即可，能有效降低維修成本。第二，選擇同一型號。確保所選用的PLC 型號相同且來自同一個廠家，保證PLC 的通用性，方便后期相關(guān)資源的實(shí)時共享和最大化利用。第三，滿足I/O 點(diǎn)數(shù)要求。結(jié)合實(shí)際點(diǎn)數(shù)檢測需求，選用合適的I/O 模塊。第四，滿足存儲容量要求。結(jié)合實(shí)際控制規(guī)模大小，確保所選用的PLC預(yù)留40%左右的容量。結(jié)合污水處理廠實(shí)際生產(chǎn)需求，將系統(tǒng)的輸入輸出I/O 點(diǎn)數(shù)最大值、控制程序長度分別設(shè)置為225 點(diǎn)和10 kB。不同PLC 品牌所用到的設(shè)計(jì)理念也不同，本系統(tǒng)在具體設(shè)計(jì)時，主要選用由三菱公司研發(fā)的FX2N 系列的PLC 產(chǎn)品，其控制規(guī)模較大，可以控制大約256 個I/O 點(diǎn)，內(nèi)置隨機(jī)存儲器（Random Access Memory，RAM）容量達(dá)到10 kB，最大容量可以擴(kuò)展到18 kB，滿足I/O 點(diǎn)數(shù)和存儲容量實(shí)際應(yīng)用需求。該P(yáng)LC 表現(xiàn)出較快的中央處理器（Central Processing Unit，CPU）運(yùn)算處理速度，在其硬件右側(cè)位置主要設(shè)置輸入、輸出模塊。該P(yáng)LC基本單元具有強(qiáng)大的定位功能，其所使用的編程軟件為GX Developer。

2.2.1 PLC 地址分配

在進(jìn)行PLC 地址分配時，首先要做好對I/O 點(diǎn)的地址分配。借助I/O 部件，可以將中央處理器與其他外部設(shè)備進(jìn)行有效連接。PLC 在具體應(yīng)用時，主要借助I/O 接口模塊將對外功能與外界有效連接，確保兩者形成密切的聯(lián)系。結(jié)合I/O 點(diǎn)數(shù)對PLC 模塊規(guī)格進(jìn)行合理控制和確定，利用I/O 模塊的實(shí)際輸出點(diǎn)數(shù)，可以真實(shí)有效地反映鎖存狀態(tài)。其次，選擇PLC存儲容量。PLC 借助存儲容量，可以真實(shí)反映數(shù)據(jù)存儲單元存儲量大小。影響PLC 存儲容量大小的因素不僅包括PLC 功能的復(fù)雜度，還包含PLC 功能的實(shí)現(xiàn)方式。通常情況下，PLC 存儲容量和運(yùn)算速度越高，其價格也越高，在計(jì)算PLC 所需存儲容量大小的基礎(chǔ)上預(yù)留40%左右的容量。最后，繪制PLC 硬件連線圖。為確保系統(tǒng)能夠正常、穩(wěn)定地運(yùn)行，需要將所分配好的I/O 地址設(shè)置到相應(yīng)的軟元件中。

2.2.2 PLC 數(shù)據(jù)采集的實(shí)現(xiàn)

在設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)PLC 數(shù)據(jù)采集模塊時，要從兩個方面入手。一方面，采集開關(guān)量。通過利用PLC 輸入模塊，實(shí)時采集所需要的開關(guān)量，為PLC 輸入48 V直流電壓，將限位開關(guān)與PLC 中的公共點(diǎn)進(jìn)行連接。當(dāng)限位開關(guān)處于閉合狀態(tài)時，整個PLC 形成穩(wěn)定的通路，此時PLC 輸入點(diǎn)會接收到數(shù)字信號，PLC 內(nèi)的輸入點(diǎn)處于穩(wěn)定接通狀態(tài)。另一方面，采集模擬量。壓力、轉(zhuǎn)速、溫度等模擬量變化表現(xiàn)出一定的連續(xù)性。伺服電動機(jī)等電氣設(shè)備要求PLC 在具體應(yīng)用中輸入相應(yīng)的模擬信號，因此需要借助I/O 模塊對模擬信號與數(shù)字信號進(jìn)行相互轉(zhuǎn)換。模擬量輸入接口在具體應(yīng)用時，可以統(tǒng)一轉(zhuǎn)化模擬信號，使其轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的數(shù)字信號。當(dāng)模擬量全部轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)的二進(jìn)制時，利用PLC 數(shù)字運(yùn)算功能輸出相應(yīng)的模擬量，然后利用該模擬量智能化控制執(zhí)行部分。通過利用模擬量模塊，實(shí)時引入流量信號、壓力信號等多種信號。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 PLC 程序設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)PLC 控制程序在具體設(shè)計(jì)時，主要運(yùn)用梯形圖設(shè)計(jì)模式。以粗、細(xì)格柵控制程序設(shè)計(jì)為例，該設(shè)計(jì)的目的是全面清理污水內(nèi)的垃圾。將超聲波液位差計(jì)設(shè)置在粗、細(xì)格柵兩側(cè)，利用液位差計(jì)內(nèi)的傳感器判斷和分析清污機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。粗格柵的運(yùn)行程序如下。將粗格柵的啟動時間控制為30 min，間歇時間控制為3 h。3 h 后，粗格柵再次進(jìn)入長達(dá)30 min的運(yùn)行狀態(tài)，如此循環(huán)執(zhí)行。細(xì)格柵運(yùn)行程序與粗格柵相同，不再贅述。粗、細(xì)格柵PLC 控制程序的工作流程，如圖2 所示。

圖2 粗、細(xì)格柵PLC 控制程序的工作流程

3.2 上位機(jī)的監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)及通信協(xié)議設(shè)置

3.2.1 上位機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

上位機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的目的是借助數(shù)據(jù)總線與現(xiàn)場各個PLC 控制站進(jìn)行有效連接，從而形成良好的通信關(guān)系，方便相關(guān)人員通過監(jiān)控室遠(yuǎn)程、智能化監(jiān)控和觀察整個污水處理過程的相關(guān)動態(tài)參數(shù)。此外，借助上位機(jī)可以遠(yuǎn)程控制PLC 各個站點(diǎn)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，保證污水處理的質(zhì)量和效率。上位機(jī)系統(tǒng)功能，如圖3所示。從圖3 可以看出，整個上位機(jī)系統(tǒng)包含報警系統(tǒng)、數(shù)據(jù)監(jiān)控和數(shù)據(jù)報表系統(tǒng)等模塊。

圖3 上位機(jī)系統(tǒng)功能

3.2.2 上位機(jī)系統(tǒng)通信協(xié)議設(shè)置

在設(shè)計(jì)系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)時，各個PLC 控制站點(diǎn)均含有相應(yīng)的站號名稱，利用該站號可以控制和識別計(jì)算機(jī)的訪問狀態(tài)。在FX2N 型號的PLC 編程通信協(xié)議中，包括請求、PLC 正確響應(yīng)、PLC 錯誤響應(yīng)、報文開始和報文結(jié)束5 個標(biāo)識命令。通過PLC 通信協(xié)議，能夠確保組態(tài)軟件與PLC 之間形成良好的通信關(guān)系。當(dāng)上位機(jī)通信協(xié)議設(shè)置結(jié)束后，可以將組態(tài)軟件與程序進(jìn)行有效連接，保證整個上位機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性。在編寫上位機(jī)系統(tǒng)軟件時，要科學(xué)設(shè)置PLC 被控設(shè)備的地址和參數(shù)。在設(shè)置PLC 參數(shù)和地址時，要確保與組態(tài)軟件中的設(shè)備參數(shù)和地址完全一致。

4 結(jié)語

所設(shè)計(jì)的電氣設(shè)備自動控制系統(tǒng)主要選用PLC控制器，促使系統(tǒng)配置更加靈活。同時，該系統(tǒng)與PLC 站點(diǎn)之間建立良好的通信關(guān)系，遠(yuǎn)程監(jiān)控和操作整個污水處理過程，實(shí)現(xiàn)污水高質(zhì)量、高標(biāo)準(zhǔn)、自動化處理。此外，該系統(tǒng)運(yùn)用PLC 子程序梯形圖設(shè)計(jì)模式，促使系統(tǒng)運(yùn)行管理更加高效化、便捷化?？傊?，在PLC 的應(yīng)用背景下，該系統(tǒng)具有運(yùn)行性能穩(wěn)定、污水處理工藝簡化、污水處理成本低等優(yōu)勢，完全符合污水處理廠的應(yīng)用需求。