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基于 PLC 的污水处理厂自动控制系统张永光

发表时间：2021/5/19 来源：《基层建设》2020年第35期作者：张永光

[导读] 摘要：随着PLC技术发展的日益成熟，该技术已经在工业自动化控制系统中应用的越来越广泛。

        光大水务科技发展（南京）有限公司
        摘要：随着PLC技术发展的日益成熟，该技术已经在工业自动化控制系统中应用的越来越广泛。与其它控制方式相比较，PLC具备高可靠性以及灵活性的特征，能够较好的适应复杂的工况。本文结合当前污水处理厂设备运行的实际需求，对PLC在污水处理厂自动控制系统中的运用展开了分析，旨在给行业工作人员提供有益参考。
        关键词：PLC；污水处理；自动控制
        近年来，随着我国环境保护和污染治理力度的不断加大，污水处理行业规模越来越大，设备的性能和运行效率不断提高，自动化程度也越来越高，稳定高效的自动控制系统是保证污水处理厂安全运行的重要前提，因此，如何提升系统的控制精度、提高系统集成度和鲁棒性是污水处理厂控制系统的面临主要问题。针对这样的现实需求，一种PLC+工业以太网+上位机组态软件的解决方案被提出，其中以PLC作为现场设备执行机构的控制器，采用多PLC 分散布置方案对多个设备分别控制，再利用工业以太网将多个PLC 与上位机整合成完整的监控系统，该方案能够保证各个子系统的独立性，在运行中不会出现相互干扰问题，因此，整个系统具有可靠性高，维护简单的特点，操作人员能实现远程监控功能，有效节约了污水处理厂的人力资源和维护成本。
        1 城市污水处理的重要性
        城市发展中，水环境是承载城市健康发展的重要基础和保障，因此，在这一背景下，市政污水处理项目建设的重要性也就越发凸显出来，城市污水处理项目建设和运营也就越来越被人们关注和重视。但是，在我国城市长时间发展中，过于追求速度，对于市政工程建设重视程度远远不足，因此导致很多城市的污水处理项目无论是数量、规模还是配套设施都无法满足城市污水处理的需求。在这种情况下，进入污水处理厂的污水超出了污水厂的负荷能力，最终污水处理难以达到国家以及行业的标准要求，这些处理不达标的污水排放之后，会给周边水环境造成了严重破坏，这严重影响了城市的可持续发展。
        2 城市污水处理厂PLC自动控制系统概述
        污水处理厂已经成为现代城市发展中不可或缺的重要工程项目之一。研究人员在对大新时代下城市污水厂PLC 控制的研究过程中，会发现这样一个现象：面对不同特点的城市污水厂PLC 控制，所遇到的问题是不同的，因此，我们应该因地制宜地采取一些解决措施，这也是进行城市污水厂PLC 控制研究的关键点所在。在解决过程中，我们要克服各种各样的困难，确保城市污水厂PLC控制研究技术的顺利进行。
        城市污水厂PLC 自动控制系统的操作方式通常可以分为自动控制以及半自动控制两种类型。全自动控制模式能够实现对污水处理厂仪器仪表以及相关设备的自动控制；半自动模式相对于全自动模式来说略有区别，一般用于系统调试或者系统某硬件设备出现故障等等，应用没有全自动模式那么广泛，系统需要通过用户在上位机界面上点击所要执行的功能。
        3污水处理监控系统功能要求
        3.1 硬件功能
        污水处理监控系统应包括仪表信号传感器、PLC 控制器、驱动执行机构、网络通信设备和工业计算机几部分组成。其中，PLC控制器是整个自动化系统运算的核心设备，负责各个设备开关量、模拟量信号的采集，之后控制器会依据采集的数据结果，按照预设的算法来对各个硬件设备的运行状态进行控制和调整，包括阀门、泵电机、风扇等，系统内需要布置多个PLC控制器来控制不同的设备，使系统控制功能更加分散独立，各个PLC 控制器与监控室中的工业计算机利用工业以太网进行通讯，需要网络交换机形成工业以太网通信总线。

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        3.2 软件功能
        软件功能主要由两部分组成，其中PLC控制器中需要布置数据采集和自动控制程序，程序的功能包括对各个仪表设备数据的解析、运行状态的判断、安全阈值的判断、故障报警信息的触发、控制指令的下发、系统保护停机指令的下达、与上位工业计算机的通信等功能，当与上位机通信发生故障时，PLC控制器可以根据当前设备状态独立运行，保证系统的稳定性。另一部分程序布置在上位工业计算机中，主要是接收PLC 上传的运行数据、故障报警信息，并根据各个PLC 上传的运行数据进行运算，对各个控制器进行调度和控制，工作人员通过远程监控画面能够来下达相应的指令，从而实现远程控制功能，利用界面按钮向PLC 手动下达指令，控制设备运行。
        3.3 通信功能
        在此系统中需要采用工业以太网总线技术进行通信，工业以太网是基于TCP/IP 技术发展而来的专门用于工业场景的通信协议，与普通的以太网通信相比，具有保密性更强，效率更高的特点。系统中的多个PLC 设备都需要有以太网接口（RJ45）或光纤接口，利用以太网线或光纤将PLC 接入到交换机上，交换机与监控室中的上位工业计算机相连，各个PLC 作为服务端，上位机作为客户机实时访问各个PLC，实现数据上传功能，各个PLC之间并没有通信功能，由上位机进行统一的调度。
        4系统设计
        4.1 系统硬件设计
        以PLC和工业以太网构建的城市污水处理厂自动控制系统由现场控制层、网络通信层以及集中监控层组成。其中现场控制层为底层构架，包含传感设备、自动控制设备以及电机驱动设备，因此，现场控制层是污水处理厂自动控制系统的核心组成部分。中间层为网络通信层，主要设备有以太网交换机、光电转换模块等网络设备，用于各个PLC与上位机之间的通讯，实现PLC 数据的上传和下发。集中监控层设备主要包括工业计算机、显示屏、数据服务器等设备，工业计算机的核心功能在于对系统内各个PLC 的运行进行协调调度，并提供完善的人机界面供操作人员使用，数据服务器主要用于存储污水处理设备的各项运行参数和故障记录，用于数据分析和故障诊断，也可以将数据服务器接入互联网，实现跨地区长距离的运行管理需求。
        4.2 软件设计
        系统软件设计主要包括PLC 软件和上位机软件两部分工作。其中PLC 软件利用符合IEC61131 标准的软件进行编程，可以利用梯形图语言根据设备运行逻辑进行编程，通过PLC 软件可以实现污水处理设备的自动运行，如果发生异常故障，程序进入保护流程，确保设备能够安全停机。另一部分是集中监控层中的上位机人机界面软件，可以采用高级语言VB 或C# 进行开发，也可以利用商业组态软件如三维力控、组态王进行开发，以三维力控软件为例，该软件集成了多重模块，支持Modbus tcp，Ether CAT 等工业以太网协议，有效降低了人机界面软件的开发难度，同时该软件也包含数据库功能，非常适合污水处理厂人机界面软件的开发工作。
        4.3 工业以太网通信
        工业以太网采用TCP/IP技术，采用主/从架构通信，各个PLC控制器作为Sever 端。上位工业计算机为Client 端，利用Socket 通讯控件和传输协议来寻找Sever 端地址和端口号，利用Connect 操作与Sever建立连接，实现数据的读取和上传。
        5结语
        综上所述，利用PLC+工业以太网技术能够有效满足污水处理厂自动运行的需求，具有布置灵活、冗余度高、可靠性强的特点，为提高污水处理设备运行效率，减少设备故障出现几率以及降低污水厂运行人力成本有着非常重要的价值。
        参考文献：
        [1]张阁.西门子PLC控制系统及其在污水处理控制中的应用[J].现代工业经济和信息化,2021,11(02):63-65+80.
        [2]吴玉坤.基于PLC的污水处理控制系统设计[J].信息技术与信息化,2021(01):56-58.
        [3]付保英.西门子PLC控制系统在污水处理控制中的应用[J].科技资讯,2020,18(35):29-31.