PLC混合網絡在黃金尾礦污水處理中的應用分析

高飛翔　孟凡鈺　丁成　楚金澄

摘 要：黃金在人類社會中占有重要地位，但是黃金尾礦的污水處理問題一直沒有得到有效的解決。針對礦井污水處理工作的過程中需要實時動態的進行調整多個參量的需求。吸取了方方面面經驗，提出了基于PLC原理，設計了一種基于PLC的控制應用模型，應用PLC、現場總線技術、上位機監控設備等能夠組成一個實時、高效、可靠的自動化系統。將其應用于污水處理的自動控制系統，能夠處理廢水，將帶來良好的社會效益和可觀的經濟效益，對環境保護起到重要作用，值得推廣應用。

關鍵詞：PLC混合網絡 黃金尾礦 污水處理 應用分析

中圖分類號：U664 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）11（a）-0170-03

人們對黃金的需求量日益增長，所以黃金工業也得到了迅猛發展，中國的黃金產量更是在2012年突破了400 t大關，連續6年位居世界第一[1]。不過黃金尾礦的污水處理一直是制約黃金工業可持續發展的重要原因，黃金尾礦中既含有有害物質，也含有大量的金、鐵、銀、銅等有價金屬和其他可利用資源[2-3]。以往的生產技術水平低下，無法有效解決黃金尾礦的問題，但是采用PLC混合網絡可以很好地解決上述問題。PLC（Programmable Logic Controller），即可編程邏輯控制器，專門為了在工業環境下應用，是一種采用數字運算操作的電子裝置[4]。它的存儲器是工業控制的核心部分，其內部存儲著各種面向用戶的指令，可以執行計數、計時、算術運算、邏輯運算以及順序運算等操作，并能通過模擬式或者數字式的輸入及輸出來對各類型的機械或生產過程進行操控。PLC與其外圍設備共同組成一個整體，可以更好地擴展其功能。該項目是采用德國SIEMENS公司的S7-400系列的413-2 PLC作為主站，構成ProfiBus-DP總線控制系統，使該污水處理系統按照工藝要求完成自動控制，其上位機的性能穩定，具有較好的抗干擾性能；其工控組態軟件為WinCC，可以對上位機監控功能進行組態，監控現場設備。該文就采用西門子PLC組成西門子混合網絡，設計一套網絡控制系統來處理黃金尾礦污水，取得了很好的效果，現將結果總結如以下幾點。

1 工藝流程

污水處理的目的就是通過分離污水中的污染物質或將其轉化為無害物質以達到凈化污水的目的。一般要先將大塊雜物除去，然后再將膠體物質、懸浮固體以及溶解物質等除去，主要分為三級處理[5-7]。一級處理是污水預處理階段，將黃金尾礦中的大塊固形物通過格柵機和篩網等進行攔截，并進行初步沉淀；二級處理是生物處理階段，通過“厭氧一缺氧一好氧”過程來對污水進行脫氮、除磷處理，向好氧區投加活性菌種，通過凝聚、吸附、氧化、分解、沉淀等過程來將污水中的有機污染物進行凈化和分解；三級處理是污泥處理階段，將處理達標后的污水直接排放，把多余的污泥經由排泥泵送到機房進行脫水處理。

2 系統配置及網絡結構

2.1 主站選型

位于中控室的PLC主站，主要負責讀取數據、寫入數據以及遠程監控層通訊。選擇德國西門子PLC產品中的S7-400系列，主站為PLC，從站為ProfiBus-DP[8-11]。與之匹配的CPU為CPU412-3H的緊湊型CPU，帶有內置接口，特點是組態靈活、數字處理能力強、操作簡潔、速度快，其內部定時器多達126個，可以滿足工藝控制的時間要求。通訊為西門子的CP443-1，可以以多重協議方式來實現S7路由、S5兼容通訊（發送/接收）以及PG/OP通訊。

2.2 數據傳輸

主干網采用以太網，以多模四芯光纜作為傳輸介質，傳輸速度為10/1OOM；以ProfiBus現場總線作為支網，以SIEMENS的ProfiBus-DP專用電纜作為傳輸介質，傳輸速度為1.5 Mbps。該系統具有較高的數據傳輸效率，在系統和外部設備之間進行通信效果良好[12-15]。

2.3 上位機

中控室設有兩臺主機服務器，IBM-FINITY以及IBM-PC，在工控行業有多種組態軟件可選，選擇了SIMATIC的WinCC來完成該項目，可以縮短項目開發周期并提高通訊效率。該系統能夠監控設備狀態，顯示數據和報表曲線以及定時打印，操作方便。

3 網絡原理及方案分析

3.1 DP Distributed I/Os網

ProfiBus（歐洲標準EN 50170和德國國家標準DIN 19245）在世較大范圍內己經得到了認可，ProfiBus-DP接口的現場設備總線上最多能夠掛接127個站點[16-18]。數據最小傳輸速率為9.6 kbps，最大傳輸速率為12 Mbps，當傳輸速率為12 Mbps時最大傳輸距離為l00 m，當傳輸速率為1.5 Mbps時最大傳輸距離為400 m，如果采用中繼器，則傳輸距離可以延長至l0 km。中央控制器對設備的輸入信息進行讀取并及時發回輸出信息，能夠有效保證總線循環時間小于控制器的程序循環時間；但是分站沒有中央處理單元，各分站之間采用IM153接口模塊通過DP總線進行相互連接。

3.2 MPI（Multi Point Interface）

多點接口，是用于PLC之間通訊的一種保密協議，具有簡單、經濟、多點通信的特點。MPI網絡的通信速率為19.2 kbps～12 Mbps，可以連接的節點最多為32個，最大的通訊距離為50 m，而且如果采用中繼器，則可以擴展通訊距離，MPI網在內置的S7協議下工作。如果主控單元或其相連的總線發生故障，可以通過MPI網將實現系統的無擾動切換，將當前的系統狀態寫入備用單元中。在程序初始化時，系統可以判斷出自己是否在線主控單元，然后調出公共信息區的數據并傳給系統，然后經過掃描又可以把控制過程的狀態信號寫入公共信息區，經過這樣的過程，二者可以動態完成信息交換。

3.3 FMS

即現場總線信息規范，是一種服務于現場通信功能的協議，在完成中等傳輸速度進行的循環和非循環的通信任務中起到重要作用。CPU可以記錄現場設備的狀態，與負責無線通訊的CPU進行數據交換的就是FMS。

3.4 FDL

即數據鏈路層，由于網速的原因，MPI往往是在數據量不大、通信速率要求不高、通信數據量不大時才采用，所以可以用FDL來完成該系統的冗余連接，它的通信速率極高，可以達到1.5 Mbaud，只不過網絡接口是在CP443-1的接口模塊上，所以導致系統必須增加接口模塊，費用昂貴，可靠性較差。

3.5 S7網絡

這是一種連接操作主機與主控CPU的協議，使兩臺操作主機訪問主控CPU實際上是在同一條物理線路上完成的，適用性強，擴展了通用性，為用戶安裝帶來了較大便利。

4 討論

水與人類的生活息息相關。我國目前淡水資源的數量不斷減少，而且污染現象的發生較為嚴重。城市居民生活污水的排放是現階段江河湖泊水域污染的重要原因，是目前制約城市可持續發展的一個非常主要原因之一。我國生活用水系統水資源利用的問題突出。污染嚴重、耗水量高、重復利用率低等是引起世界各國越來越重視水的再利用以及水處理問題，當務之急是通過各種先進技術進一步提高供水質量，達到提高經濟效益的目的，隨著自動化水平的不斷提高，自動化系統在污水處理中也逐漸發揮出了其強大的優勢，在處理廠自動化監控的基礎上，對網絡化數據監控系統實行全自動化控制管理，不僅具有系統操作與維護的方便性，也可以優化處理效果并節省運行費用。西門子自動化產品得到了越來越廣泛的應用，在污水處理行業中更是得到廣泛應用[19-21]，包括現場總線、可編程邏輯控制器（PLC）、低壓產品和組態軟件等。PLC的基本結構與微型計算機類似，包括：（1）中央處理單元（CPU），它是PLC的控制中樞，可以診斷用戶程序中的語法錯誤，檢查存儲器和電源等的狀態；（2）電源，它可以支撐PLC系統正常工作；（3）輸入輸出接口電路，不同電路具有不同功能，可以通過現場輸出接口電路來向現場的執行部件輸出相應的控制信號或者起到連接PLC與現場控制的接口界面的作用；（4）存儲器，可以用來存放應用軟件及系統軟件；（5）功能模塊，可以起到定位、計數等功能；（6）通信模塊。PLC具有很多優點：程序編制簡單，指令編制程序形象直觀，易于理解；可靠性高，體積小，控制系統組成簡單，通用性強，軟件包齊全，有較強的負載能力；可靠性高，抗干擾能力強，能適應現場的惡劣環境，并且能夠進行故障檢測及自診斷程序；易于操作及維護，自診能力強，可以將故障顯示給操作人員；設計、施工、調試周期短，調試快速方便，大大縮短了設計周期和投運周期，節省成本。其功能包括數據處理、通訊、開關量控制、模擬量處理、計數控制、限時控制、步進控制以及聯網等。由于組態軟件實時多任務、運行可靠、使用靈活、接口開放、功能多樣，具有很強的實用價值，所以運用工控組態軟件來實現系統的監控任務成為了工業發展中的必然趨勢。該項目從控制網絡的選擇，到監控系統的建立，提出的解決方案都較快且較經濟，研究涉及到自動控制、環境工程、電子技術、計算機技術、通信技術、網絡和儀器儀表等多學科。總之，采用德國SIEMENS公司的S7-400系列的PLC，可以提高黃金尾礦污水處理工程的自動化水平，提高生產率，穩定出水質量，帶來良好的社會效益，值得推廣應用。

參考文獻

[1] 胡月，丁鳳，劉韜，等.黃金礦山尾礦綜合利用技術研究與應用新進展[J].安全與環保，2013，34（8）：75-77.

[2] 陳平.中國黃金尾礦綜合開發利用的現狀和發展趨勢[J].黃金，2012，33（10）：49-51.

[3] 王吉青，王蘋，趙曉娟，等.黃金尾礦綜合利用的研究與應用[J].黃金科學技術，2010（5）：87-89.

[4] 恭明璽.金選礦尾礦綜合利用技術及應用研究[J].湖南有色金屬，2008，24（2）：5-7.

[5] 易運來.某選金尾礦回收超細絹云母工藝及產品應用研究[J].湖南有色金屬，2012，28（4）：18-19.

[6] 倪明江，焦有宙，駱仲泱，等.金屬尾礦作水泥混合材活性試驗研究[J].環境科學學報，2007，27（5）：868-872.

[7] 于海洋，王玉江.粉煤灰對水泥凝結時間的影響[J].洛陽理工學院學報：自然科學版，2012，22（4）：7-9.

[8] 徐惠忠.黃金尾礦的工藝技術特性及其在建材中的應用研究[J].非金屬礦，2007，20（3）：39-40.

[9] 張燁，朱震.基于SLC500 PLC的污水提升泵站自動控制系統設計[J].福建電腦，2010，26（8）：102-103.

[10] 黃云鴻，趙文玉.S7-300 PLC在桂林北區污水廠模擬量閉環控制中的應用[J].電子測量與儀器學報，2008， 22（Z1）：122-123.

[11] 王衛俊，郭慶，劉威，等.基于PLC的數控鉆床控制器的研制[J].國外電子測量技術，2013，32（1）：107-108.

[12] 邱利軍，王凱，李勇.西門子S7-200系列PLC改造車床電氣控制系統[J].國外電子測量技術，2010（11）：63-67.

[13] 翟明戈，薛彬，戈學珍.基于PLC和組態軟件的二氧化氯發生器監控系統[J].計算機與現代化，2013（9）：165-166.

[14] 肖佐無，陳小祝，肖愛武.基于PLC的污水凈化處理控制系統的設計[J].微計算機信息，2006，22（28）：175-176.

[15] 呂睿，馮連勛.PLC在污水模擬生成控制系統中的應用[J].微計算機信息，2007，23（34）：151-152.

[16] 童穎.PLC在某醫院污水處理系統控制中的應用[J].電腦知識與技術，2010，6（33）：158-159.

[17] 祝貴兵，彭永臻.智能控制在城市污水處理系統中的應用與發展[J].哈爾濱工業大學學報，2004，36（3）：328-330.

[18] 馬勇，彭永臻.城市污水處理系統實現全廠控制的發展前景[J].中國給水排水，2008，24（8）：175-176.

[19] 嚴俊泉，仲巍巍，史維忻，等.六圩污水廠生物智能控制系統二期運行及三期設想[J].中國給水排水，2013，29（9）：127-128.

[20] 史雄偉，喬俊飛，苑明哲.基于改進粒子群優化算法的污水處理過程優化控制[J].信息與控制，2011（5）：108-109.

[21] 宮艷梅.城市污水處理系統的影響因素分析[J].黑龍江科技信息，2010（22）：131-132.