基于PLC的自動(dòng)化控制系統(tǒng)在污水處理中的應(yīng)用

引言

隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的不斷發(fā)展,我國(guó)境內(nèi)一半以上的河流都受到了較為嚴(yán)重的污染,而城市化則加快了這一進(jìn)程。目前,城市水域的污染已經(jīng)超過90%,且水污染的趨勢(shì)仍在不斷加快,原來只是地表水污染,現(xiàn)在污染也加速往地下滲透[1]。傳統(tǒng)的污水處理廠以繼電器控制為主,但繼電器控制系統(tǒng)存在體積大、能耗高、費(fèi)用高、可移植性差等缺點(diǎn),一旦改變系統(tǒng)設(shè)計(jì),就必須對(duì)控制器進(jìn)行重新設(shè)計(jì),大大增加了人力、物力的消耗。而可編程控制器(PLC)能很好地實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的安全性、穩(wěn)定性、經(jīng)濟(jì)性以及靈活性[2-3],因而現(xiàn)在被廣泛應(yīng)用于自動(dòng)化控制系統(tǒng)中。

1系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)目標(biāo)

1.1主要組成

整個(gè)自動(dòng)化控制系統(tǒng)包括可編程控制器、計(jì)算機(jī)、監(jiān)控端及現(xiàn)場(chǎng)的各類儀器儀表,其中可編程控制器是整個(gè)控制系統(tǒng)的核心,它與計(jì)算機(jī)設(shè)定的控制程序確定了系統(tǒng)運(yùn)行的相關(guān)程序、工藝標(biāo)準(zhǔn)等,同時(shí)可以根據(jù)實(shí)際需求,自動(dòng)或手動(dòng)控制相關(guān)設(shè)備運(yùn)行?，F(xiàn)場(chǎng)的相關(guān)設(shè)備在運(yùn)行過程中,將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)反饋到可編程控制器、相關(guān)計(jì)算機(jī)設(shè)備中進(jìn)行顯示及控制。

1.2工作原理

根據(jù)城市污水處理的需求,將整個(gè)控制系統(tǒng)分為現(xiàn)場(chǎng)控制系統(tǒng)及監(jiān)控室控制系統(tǒng)兩部分,二者均能實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的控制,包括開啟格柵機(jī),實(shí)現(xiàn)對(duì)污水中垃圾的攔截;調(diào)節(jié)池污水水位監(jiān)測(cè),即系統(tǒng)根據(jù)水位情況,給出一個(gè)或兩個(gè)控制信號(hào),控制一個(gè)或兩個(gè)水泵的運(yùn)行,從而降低調(diào)節(jié)池中水位高度,確保水位運(yùn)行在安全線內(nèi)。污泥池污泥提升泵、事故池提升泵等也是通過采集相關(guān)浮球信息,根據(jù)浮球信號(hào)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制,也可以根據(jù)用戶給出的指令來控制設(shè)備的運(yùn)行。其他設(shè)備如吸附風(fēng)機(jī)、鼓風(fēng)機(jī)、混合液回流泵等可以根據(jù)用戶發(fā)出的指令控制其運(yùn)行開始/結(jié)束時(shí)間、運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)等。

另外,系統(tǒng)需要采集現(xiàn)場(chǎng)余氯、水位、流量等傳感器信息,在各操作界面上實(shí)時(shí)顯示傳感器收集到的信息,同時(shí)顯示污水處理現(xiàn)場(chǎng)各設(shè)備運(yùn)行參數(shù)信息,當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)故障報(bào)警時(shí),能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程報(bào)警并在各程序上記錄報(bào)警信息,包括設(shè)備信息、故障或警報(bào)時(shí)間等,從而保障設(shè)備的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

2硬件設(shè)備

本系統(tǒng)的核心器件選用西門子S7-200 SMART PLC,它具有以太網(wǎng)口,用戶可直接通過網(wǎng)線讓計(jì)算機(jī)與PLC連接,方便用戶下載調(diào)試程序,同時(shí),通過網(wǎng)線它還能夠快速和其他HMI、計(jì)算機(jī)等進(jìn)行通信,且它集成了部分庫(kù)文件,在編程過程中可以直接調(diào)用。在電控柜表面嵌入觸摸屏顯示相關(guān)參數(shù)信息并控制設(shè)備,用戶只需點(diǎn)擊屏幕上的文字或圖標(biāo)就能進(jìn)行操作,這是一種非常方便的人機(jī)交互模式。它支持以太網(wǎng)通信,也支持RS232/422/485通信,可以實(shí)現(xiàn)HMI與HMI、HMI與PLC之間的通信,用戶可以根據(jù)需求選擇通信方式。另外,因需帶動(dòng)大型電機(jī)設(shè)備,所以要配備變頻器,變頻器可根據(jù)實(shí)際工作設(shè)備、工作環(huán)境進(jìn)行設(shè)置,能夠降低電機(jī)功耗,還能對(duì)電機(jī)進(jìn)行調(diào)速,可以設(shè)置電機(jī)的軟啟動(dòng)及軟停止,也就是在啟動(dòng)與停止時(shí),頻率、電流、電壓平穩(wěn)變化,電機(jī)不至于直接承受大電流的直接沖擊,這將大大降低電機(jī)等設(shè)備的維修維護(hù)成本。主要材料清單如表1所示,系統(tǒng)整體構(gòu)架如圖1所示。

3程序設(shè)計(jì)

軟件系統(tǒng)是整個(gè)PLC系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心,它與觸摸屏軟件、計(jì)算機(jī)組態(tài)系統(tǒng)聯(lián)動(dòng),共同監(jiān)控各種設(shè)備的運(yùn)行。根據(jù)實(shí)際需求,整個(gè)系統(tǒng)中,需要控制的設(shè)備包括機(jī)械格柵、污水提升泵、潛水?dāng)嚢铏C(jī)、鼓風(fēng)機(jī)、混合液回流泵、污泥提升泵、疊螺脫水機(jī)、二氧化氯發(fā)生器、污水消毒系統(tǒng)、事故提升泵、變頻器等,并需實(shí)現(xiàn)余氯在線檢測(cè)、水位檢測(cè)以及流量檢測(cè)。

3.1各設(shè)備的工作模式

在格柵井中配備機(jī)械格柵,對(duì)污水中的雜物進(jìn)行過濾,防止垃圾堵塞水泵,用戶可以通過觸摸屏、計(jì)算機(jī)組態(tài)端設(shè)定機(jī)械格柵的自動(dòng)啟動(dòng)和關(guān)閉時(shí)間。

調(diào)節(jié)池內(nèi)設(shè)兩個(gè)污水提升泵,通過內(nèi)部?jī)蓚€(gè)浮球的得失電來控制污水提升泵的工作,為了保護(hù)設(shè)備,每次低浮球得電,兩個(gè)污水提升泵輪換工作。若高浮球浮起接通得電,則意味著調(diào)節(jié)池水位很高,此時(shí)需要同時(shí)啟動(dòng)兩個(gè)污水提升泵以便盡快排出污水。如果兩個(gè)污水提升泵同時(shí)工作超過設(shè)定時(shí)間后,高浮球仍然是得電狀態(tài),則表明進(jìn)水量過大或設(shè)備出現(xiàn)故障,此時(shí)系統(tǒng)進(jìn)行報(bào)警提示,提醒用戶到現(xiàn)場(chǎng)排除故障,若無問題則取消報(bào)警。

厭氧池中有兩臺(tái)潛水?dāng)嚢铏C(jī),它們與污泥池中污泥提升泵聯(lián)動(dòng)工作,當(dāng)污泥提升泵運(yùn)行時(shí),對(duì)應(yīng)的潛水?dāng)嚢铏C(jī)也工作,直至系統(tǒng)設(shè)定時(shí)間結(jié)束后自動(dòng)關(guān)閉。

接觸氧化池包含鼓風(fēng)機(jī)和混合液回流泵。池中配鼓風(fēng)機(jī)兩臺(tái),該設(shè)備需長(zhǎng)期運(yùn)行,運(yùn)行時(shí),一臺(tái)鼓風(fēng)機(jī)工作一定時(shí)長(zhǎng)后就切換到另一臺(tái)繼續(xù)工作,做到一備一用,防止設(shè)備因持續(xù)工作導(dǎo)致故障?；旌弦夯亓鞅脛t是根據(jù)污水提升泵的工作情況自動(dòng)運(yùn)行,當(dāng)污水提升泵運(yùn)行時(shí),混合液回流泵自動(dòng)運(yùn)行,設(shè)定時(shí)間結(jié)束后自動(dòng)關(guān)閉。

沉淀池中,因污泥提升泵功率過高,采用PLC控制變頻器啟停,再由變頻器外接污泥提升泵,用戶在觸摸屏或計(jì)算機(jī)組態(tài)程序中可以設(shè)定運(yùn)行時(shí)間,也可以直接通過設(shè)置變頻器工作狀態(tài)控制其運(yùn)行,將污泥從沉淀池抽至污泥池。

污泥池中,配備兩臺(tái)用于排放污泥的提升泵,每次污泥池浮球得電時(shí),兩臺(tái)提升泵切換工作,若一臺(tái)污泥提升泵運(yùn)行10 min后浮球仍然得電,則將另一臺(tái)污泥提升泵一起打開,若兩臺(tái)污泥提升泵同時(shí)工作一定時(shí)間后仍然得電,則表明進(jìn)污泥量過大或者設(shè)備出現(xiàn)故障,系統(tǒng)發(fā)出報(bào)警提示,提醒用戶到現(xiàn)場(chǎng)排除故障,若無問題則取消報(bào)警。污泥提升泵浮球得電時(shí),疊螺脫水機(jī)也同步運(yùn)行。

接觸消毒池中,主要有臭氣引風(fēng)機(jī)、二氧化氯發(fā)生器、活性炭吸附塔以及相關(guān)加藥泵等設(shè)備。當(dāng)污泥提升泵工作時(shí),打開污水消毒系統(tǒng),關(guān)閉時(shí),延時(shí)關(guān)閉污水消毒系統(tǒng)。二氧化氯發(fā)生器在污水提升泵工作一定時(shí)間后啟動(dòng),當(dāng)污水提升泵關(guān)閉時(shí),二氧化氯發(fā)生器也同步關(guān)閉。

事故池提升泵則在池中浮球得電且調(diào)節(jié)池中低浮球不得電時(shí)打開,當(dāng)高浮球得電或事故池浮球掉電時(shí),關(guān)閉事故池提升泵。

吸附風(fēng)機(jī)也通過系統(tǒng)設(shè)置運(yùn)行時(shí)間,將內(nèi)部異味氣體吸附進(jìn)管道,經(jīng)活性炭吸附塔后排出。系統(tǒng)還要對(duì)余氯濃度、水位高度以及水流量進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

3.2 PLC軟件編程

PLC模塊由CPU主機(jī)為SR20的PLC、一個(gè)16路輸出的數(shù)字量輸出模塊EM QT16、一個(gè)4路輸入的模擬量輸入模塊EM AE04組成。在創(chuàng)建工程后,需要對(duì)PLC信息進(jìn)行配置,在最左側(cè)的工具列表里選中系統(tǒng)塊開始配置系統(tǒng)信息,包括CPU的選擇、數(shù)字量輸出、模擬量輸入輸出模塊等,最后對(duì)以太網(wǎng)端口進(jìn)行配對(duì)。系統(tǒng)如圖2所示。

因?yàn)楸鞠到y(tǒng)較大,若采用單一程序設(shè)計(jì)難度較大,所以采用模塊化編程方式,將整個(gè)系統(tǒng)根據(jù)功能不同分割成不同的模塊,每個(gè)模塊做成子程序。每個(gè)子程序均可由主程序控制,這樣操作利于整個(gè)程序的控制、修改以及維護(hù)。

主程序直接控制各功能模塊,急停按鈕通過I0.0接入,各設(shè)備正常工作,當(dāng)拍下急停按鈕時(shí),系統(tǒng)掉電,所有程序塊停止工作,進(jìn)而達(dá)到設(shè)備急停的目的。

需要設(shè)計(jì)的程序塊包括“時(shí)鐘子程序”“定時(shí)啟動(dòng)子程序”“數(shù)值轉(zhuǎn)換子程序”“自動(dòng)子程序”以及“變頻器子程序”。

“時(shí)鐘子程序”用于系統(tǒng)時(shí)間的讀取。在整個(gè)系統(tǒng)中,部分污水處理設(shè)備需要在某個(gè)固定的時(shí)間啟動(dòng)或停止,這時(shí)就要對(duì)PLC的時(shí)鐘進(jìn)行設(shè)置,讓其與計(jì)算機(jī)進(jìn)行通信,從而讀取計(jì)算機(jī)中的時(shí)間。

“定時(shí)啟動(dòng)子程序”用于設(shè)備的定時(shí)啟動(dòng)和關(guān)閉,當(dāng)設(shè)置的時(shí)間到達(dá)時(shí),系統(tǒng)自動(dòng)開啟設(shè)備,運(yùn)行一段時(shí)間后根據(jù)系統(tǒng)設(shè)定時(shí)間自動(dòng)關(guān)閉設(shè)備,機(jī)械格柵、沉淀池中污泥提升泵、吸附風(fēng)機(jī)、鼓風(fēng)機(jī)等設(shè)備都是通過定時(shí)啟動(dòng)子模塊進(jìn)行設(shè)置的。

“數(shù)值轉(zhuǎn)換子程序”用于進(jìn)行數(shù)值轉(zhuǎn)換,因?yàn)橛|摸屏、計(jì)算機(jī)組態(tài)王等組態(tài)設(shè)備輸入時(shí)間只能顯示到分鐘,而PLC中的定時(shí)器無法直接計(jì)算分鐘,故而需要對(duì)其進(jìn)行數(shù)值轉(zhuǎn)換,將組態(tài)設(shè)備輸入的時(shí)間數(shù)值進(jìn)行放大后變成PLC可識(shí)別的數(shù)據(jù)。

“自動(dòng)子程序”則是根據(jù)系統(tǒng)中的各外部信號(hào)進(jìn)行自動(dòng)控制,包括污水泵、潛水?dāng)嚢铏C(jī)、污泥提升泵、疊螺脫水機(jī)等設(shè)備都是根據(jù)浮球以及其他設(shè)備的運(yùn)行情況進(jìn)行自動(dòng)控制。

“變頻器子程序”則是用于PLC與變頻器之間的通信程序,它們之間采用Modbus RTU通信協(xié)議。初始設(shè)置時(shí),需要給其定義3個(gè)位地址作為變頻器的啟動(dòng)、停止、頻率設(shè)置選項(xiàng),再進(jìn)行程序的編寫。

3.3觸摸屏組態(tài)設(shè)計(jì)

觸摸屏采用集成化的顯控觸摸屏,它自帶組態(tài)開發(fā)軟件,方便用戶直接進(jìn)行設(shè)計(jì),設(shè)計(jì)完后可以通過網(wǎng)絡(luò)或USB接口直接將項(xiàng)目下載到觸摸屏內(nèi)部。根據(jù)實(shí)際運(yùn)行需求,需要對(duì)觸摸屏進(jìn)行頁(yè)面設(shè)置,分別設(shè)計(jì)進(jìn)入頁(yè)面、主頁(yè)面、參數(shù)頁(yè)面、警報(bào)頁(yè)面以及高高壓電源的效率。

變頻控制頁(yè)面。設(shè)計(jì)完所有頁(yè)面,保存后可以進(jìn)行離線模擬,測(cè)試部分設(shè)備、畫面按鈕的功能。

3.4組態(tài)王軟件設(shè)計(jì)

計(jì)算機(jī)端組態(tài)王軟件設(shè)計(jì)即上位機(jī)程序的設(shè)計(jì),通過該設(shè)計(jì),用戶不用出現(xiàn)在污水處理現(xiàn)場(chǎng),在監(jiān)控室就可以通過計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)。特別需要注意的是,在新建工程后需要對(duì)地址進(jìn)行設(shè)置,該地址必須和PLC中的地址一致。在完成端口設(shè)置及數(shù)據(jù)詞典設(shè)置后,即可進(jìn)行頁(yè)面設(shè)置,設(shè)置頁(yè)面與觸摸屏中的一致,包括進(jìn)入頁(yè)面、主頁(yè)面、參數(shù)頁(yè)面、警報(bào)頁(yè)面以及變頻控制頁(yè)面。

4調(diào)試及總結(jié)

硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)搭建好后,需要先對(duì)每個(gè)子系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試,整個(gè)系統(tǒng)需整合后進(jìn)行聯(lián)調(diào),從而驗(yàn)證其能否高效、平穩(wěn)、安全地運(yùn)行。分別測(cè)試各設(shè)備通過觸摸屏和組態(tài)王軟件設(shè)置時(shí)間后的定時(shí)啟動(dòng)、停止功能,均能正常啟停,污水泵、污泥提升泵等設(shè)備也都能根據(jù)浮球情況正常運(yùn)行,變頻器運(yùn)行正

常,設(shè)備也能根據(jù)實(shí)際情況實(shí)現(xiàn)報(bào)警功能,各模塊軟硬件均符合預(yù)期設(shè)計(jì)要求,達(dá)到了控制效果。

自動(dòng)化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)運(yùn)行為污水處理廠的運(yùn)營(yíng)帶來了極大的方便,用戶不需要一天24 h都在設(shè)備房中,在監(jiān)控室等場(chǎng)所就能掌握污水處理站運(yùn)行狀況,既提高了監(jiān)控效率,同時(shí)也大大降低了生產(chǎn)成本。