PLC程序控制技術在工業水處理中的應用

陳世郁

（廈門億賽膜技術有限公司，福建 廈門 361022）

0 引言

PLC控制程序在很多領域中都有應用，通過構建自動化處理系統來實現人們難以觸及的工作。其工作重點是對系統的程序與編程功能進行分析，促使工業污水處理PLC控制系統可以有一個良好的應用效果，使污染處理行業技術與經驗得到全面發展。

1 PLC程序控制技術簡介

可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）是具有功能形、智能形的新型綜合控制裝置。PLC可編程控制器有可控能力強、適應性強以及可靠性高的優點，而且PLC具有操作性強、簡單明了、擴展性能良以及方便等優點，可以對各類型的設備進行控制，成了設備的中樞首腦。PLC可編程控制器的維修過程也比較容易，而且其性能穩定，很少出現故障，是工業領域控制性最強的系統之一，也被廣泛應用于工業污水的治理中。

2 工業水處理流程分析

我國在污水處理領域所面臨的問題比較嚴重。當前我國經濟的發展已到了新的階段，在工業文明進步的同時，也給環境帶來了災難。近年來，世界各國開始著重研究如何處理工業棄水的問題，且都投入了很大的人力和物力。當前世界各國治理工業水比較好的國家，例如中國、日本、美國和歐洲等國家和地區都是采用先進的科學技術對工業棄水進行處理。以先進的理論為基礎，采用創新工藝及自動控制污水處理的系統對其進行治理，有些國家污水處理率大約可以達到85%，極大地改善了城市的工業污水問題。除了對工業水進行治理，以色列還對污水進行了再利用處理（利用率高達90%），為污水治理領域積累了大量的現實經驗。從多年治理污水的經驗來看，污水處理一般有3種方法。

2.1 物理法

傳統的物理法是根據污染物的物理特性，對廢水與漂浮物進行宏觀分離，一般情況下，治理污水的初級階段會用到該方法，該方法也是處理污水前的預處理。而近年來新興的一種膜分離技術則將物理法的使用提高到另一個高度。膜分離技術是一種以分離膜為核心，通過壓力驅動進行物質分離、濃縮和純化的一門技術。該技術被廣泛應用于食品、醫藥、染料以及工業水處理等領域。

2.2 生物法

生物法是通過微生物進行污水處理，它具有非常強的凈化功能，該功能與其降解功能可通過轉化和分解的方式對污水中的有機物等有害物質進行處理，通過改變污水的內部解構，將其轉化為二氧化碳與無機鹽，從而達到處理污水的目的，由于該方法簡單、環保而且成本低廉，因此被廣泛應用于治理污水中[1]。

2.3 化學法

化學法是指通過分析水中不可見污染物的化學性，然后在污水中添加化學成分，使污染物形成一種可見的膠體物或是溶解物，進而再做后處理。一般情況下，處理污水的方法是以上述3種方法為主，治理同一個污染水域也會同時用到3種方法，以達到最佳的治理效果。

污水處理是一個復雜的系統工程，很多環節都存在很多不定性的變量，不僅包括開關量，而且還包括模擬量等。因此，在對污水進行處理時，要制定一套污水處理方案，也就是流程。污水處理流程可分為預處理、生化處理、沉淀和后處理，具體操作步驟如圖1所示。

圖1 工業污水處理流程

下面就結合圖表進行簡略說明。

2.3.1 預處理

治理污水前，要對污水進行預處理，通過粗格柵對濃度較高的廢水進行篩漏，將宏觀污染物過濾出去，也就是上文所說的物理法。將過濾后的溶液攪拌均勻，稍作沉淀，將其放入池中，進行酸堿中和，如果池中溶液偏酸性，則加入堿，反之則加酸。中和以后將污水流至厭氧池中，再對其進行分解處理。

2.3.2 生化處理

將已分解好的溶液進行厭氧與好氧處理，在該過程中要注意將“溶氧值”的變化控制在合理范圍內。微生物要有良好的繁殖環境，并保證它們可以對污染物進行氧化分解，保證污水可以正常被凈化處理，再通過水泵將沉淀垢送達污泥處理處。

2.3.3 沉淀與后處理

經過預處理和生化處理后，要將污水放入集泥池，在該過程中，要保證處理過的混合液深度可以控制在規定范圍內，同時保證厭氧池與組合池中有一定的污泥回流，要對其余的污泥進行濃縮與混藥處理，一切操作完畢后，將其放入污泥脫水系統并對泥餅進行堆肥與外運填處理。

3 工業水處理中PLC程序控制技術的運用

3.1 PLC程序控制系統要求

將PLC作為核心技術，將上位PC機作為即時監測體的核心控制系統的方式將成為工業實現自動化的主流發展方向。自動化設備中，PLC與PC的通信可以提供工藝流程圖、動態的數據畫面以及報表等多窗口內容，使PLC可編程控制器能以界面的形式直觀地顯現出來，實現生產過程的自動化與信息化，通過上位機對PLC數據進行監控讀寫，收集現場數據，可以達到使生產過程高度信息化的目的。

對PLC結構圖（如圖2所示）進行分析，PLC控制器想要正常工作，必須滿足以下2個條件：1） 通過DH+網與上位機通信時，把需要經過計算處理的信息傳輸至上位顯示平臺，并接收上位機所發出的控命令。2） 通過遠程I/O掃描器及運程機架的輸入/輸出模塊通信，現場接收返回的信號與發出的命令，只要控制好邏輯驅動現場的設備動作，就可以實現PLC的控制。

上位機所控制的內容主要是對系統進行操控與監控，其工作原理是通過上位機發出操作命令，再通過PLC控制層的邏輯運算，將上位機內所發出的各類型命令傳輸到現場的設備中，達到控制現場設備的作用；同時，將現場設備在當前時間段的水質參數、水流量、壓力、溫度、液壓與運行狀態等一系列工作參數信息上傳到上位監測站中并加以顯示，與此同時，信息還將被送入系統創建的生產歷史數據庫中，利用數據庫中的相關數據，對不同工作參數的變化速度進行控制，從而達到優化的目的。

將該系統中的每項參數傳到二期化水控制室內顯示的目的是為了對其進行集中監控，為合理調配崗位與優化操作步驟做好先驅基礎工作。該系統還與熱電廠的局域網相互連接，系統中的各項參數直接在熱電廠的崗位報表上進行顯示，實現信息共享、集中管理和集中高度的目標。

以PLC為核心控制中樞，控制器與CRT上位作為監控系統，其自身的內部保留控制邏輯與梯形邏輯程序，控制邏輯分為投床邏輯與再生邏輯，它們之間的運行步驟如圖3所示。

圖3 運行步驟

3.2 PLC程序控制系統設計

3.2.1 系統的硬件配置

如圖2所示的是PLC系統的結構示意圖，一般設置2臺操作站與1臺監控站，2臺操作站位于一期化水控制艙，其作用是控制生產工藝，以DH+網絡連接，實現數據共享，同樣用狀態監測站把信息傳送到熱電廠的信息管理平臺。1臺控制站在二期化水控制室，對一期水處理裝置的運行狀況進行控制，有利于集中調管。由圖2可知，一期化水控制室配有1臺電源與1臺打印機，可為電力的供應與數據的打印提供便利 。

圖2 PLC系統結構示意圖

3.2.2 控制系統軟件

PLC控制系統的主要軟件可分為上位監控組態軟件、PLC編程軟件和通信軟件。梯形邏輯控制程序在RSLogix5.0、RSLinux軟件環境中被存儲起來，是系統在控制整個工業污水處理工藝過程中的核心內容。在Windows 95或是Windows NT的32 Bit的環境中執行RSLogix5.0軟件的正常功能。軟件可以提供符合用戶需求功能的軟件，例如全視窗的好友面板、機動性較強的編輯器、點中點擊方式進行I/O組態、強大的數據庫編輯器以及診斷與排查工具與可靠性能超高的通信設備等。RSLogix5.0軟件還具有在線編輯與控制軟繼電器的功能，同時還能夠為組態控制器自動分配I/O模塊地址。

上位組態軟件Intouch9.0與ktxl784通信軟件及歷史數據信息的開發軟件SQL server、報表軟件ACCESS和Excel辦公軟件等，這些都是用來監測并控制工藝參數與工藝過程的。Intouch9.0的基本操作環境為Windows 2000操作系統的中文組態軟件，操作靈活方便，為數據的開發提供了良好的交換環境，再結合SQL server軟件中的數據庫存儲各種類型的參與與報錯信息，最后導入Excel表格中完成交接班報表打印工作。

3.2.3 系統通信

良好通暢的信息傳遞系統是一個控制系統保障安全穩定的基本環境。Siemens S7-300/400程序控制系統的通信內容是需要控制器、通信卡與適配器之間的配合才能完成的。控制器與上位機之間的通信過程主要是由通信端口與上位機的CP5611通信卡來完成的。

PLC可編程控制器在與遠程I/O進行信息交流時，要以雛菊璉路結構進行連接，該連接方式對所有與遠程I/O相連的設備的通信速率必須一致，而且通信速率、連接設備的數量和通信電纜的路程都是不同的。

DH+網連接中心要通過加放終端電阻R來應對PLC控制系統的熱備，從而保證DH+網上結點的平穩。另外，DH+網通信波段的波特頻率與地址的選擇是通過處理器上的開關組SW來實現的，而不能用軟件來對其進行編程操作。

3.3 PLC控制系統的功能開發

3.3.1 熱備功能

以二套處理器與熱備模塊的形式同時運行，要注意的是，這2套模式的工作方式是有區別的，當主處理器處于正常工作狀態時，數據既有輸入同時也有輸出，而二套處理器在通電運行后，一般是以接信號為主，并參與數據的統計與計算，2套控制器之間以硬件相聯的形式對處理器進行故障監測。主、副控制器工作內容不同，前者負責控制功能，后者要不斷更新數據，且不輸出數據，如果主控制器發生故障，副控制器將擔負主控制器的功能。

3.3.2 實現上位機累積流量同步

在上位機組成累積流量畫面，具有修改累積流量數值的作用；在同一臺上位機上，就可以對同一系統的其他上位機進行累積流量的修改，并保持一致性，因為它操作簡單有效，所以使許多上位機因故障而造成的流量累積不一致的問題得以解決。

3.4 PLC控制系統的安全維護

PLC在工業生產自動化系統所起到的作用非常大，一般情況下，不用再做二次處理就可以直接在工業生產中應用。然而，盡管具有可靠性較高、抗干擾能力較強的優點，但當前也存在電磁干擾或安裝不當的惡劣環境，難免產生程序運算錯誤，從而產生誤輸入，并引起誤輸出，這將會造成設備的失控和誤動作，不能保證PLC的正常運行。

要提高PLC控制系統的可靠性，一方面要求PLC生產廠家提高設備的抗干擾能力；另一方面，要求設計、安裝和使用維護中引起高度重視，多方配合才能解決問題，有效地增強系統的抗干擾性能。因此在使用中應注意以下2個問題。

3.4.1 工作環境

PLC環境溫度一般在0 ℃~55 ℃，安裝時不能放在發熱量大的原件下面，四周應預留一定的散熱空間。為了保證PLC的絕緣性能，空氣的濕度應小于85%（無凝露）；除此之外，應使PLC遠離強烈的震動源，特別是防止震動頻率為10 Hz~55 Hz的頻繁或連續震動。當使用環境不可避免震動時，必須采取減震措施，例如采用減震膠來緩解震動。

3.4.2 控制系統中干擾及其措施

PLC控制系統最嚴重的問題之一是受現場電磁干擾，要解決問題，就必須找出問題的根本。首先是確認源頭，PLC系統的干擾主要有強電干擾、柜內干擾、來自信號線引入的干擾、來自PLC系統內部的干擾以及變頻器干擾等。

針對上述干擾，可以從以下3點入手：1） 合理處理電源引入。抑制電網引入的干擾，例如在電源輸入端串接LC濾波電路。2） 合理地安裝和布線。動力線、控制線、PLC的電源線和I/O線應分別配線，隔離變壓器與PLC和I/O之間應采用雙膠線進行連接。將PLC的I/O線和大功率線分開走線。3） 對變頻器干擾進行抑制。對變頻器的干擾處理有許多不同的方式，例如加隔離變壓器，主要針對來自電源的傳導干擾；使用濾波器，濾波器具有較強的抗干擾能力；使用輸出電抗器，在變頻器和電動機之間增加交流電抗器主要是為了減少變頻器輸出在能量傳輸過程中線路產生的電磁輻射，減少對其他設備正常工作的影響。

3.5 PLC控制系統在工業污水中的應用實例分析

某石油化工廠承擔石油的深加工工作任務，在對化工產品進行處理時，首先要對鄰苯二甲酸酐產品的生產進行脫鹽水處理，其生產所用的水源來自城市中的工業排放水，但由于其污染嚴重，因此無法直接用于生產作業，一旦使用，會對工業生產設備產生嚴重的腐蝕現象，對污水處理工廠造成不良后果。在該企業的發展過程中，相關部門要對污水處理廠的該工程給予高度重視，因此，在工藝層面和技術控制技術方面，要不斷地借鑒國內外先進的工作經驗，尤其是在水廠自動控制技術上，為了更好地滿足工藝需求，要營造一個良好的工作環境。

石油企業在對工業污水進行處理時，對PLC控制系統中的應用，主要包括PLC、相關的模板，PLC控制系統的操作功能特別強，抗干擾性也尤為突出，多數是以工業環境的設計進行的，在污水開關量的順序控制方面的表現也很突出。此外，對污水進行處理時，對其開關量、數字量給予準確控制也至關重要。模擬量PLC與上位機的數據進行交換，完成控制工作，對現場信息進行實時采集，把控制信號及時送至上位機系統，再以通信端口完成系統控制。

3.5.1 上位機

一般情況下，上位機是利用工業控制計算機來實現功能的顯示，對電磁閥、電機等工作情況進行實時管控，并對故障進行報警處理。對工藝流程與溫度等一系列模擬量進行對內、對外輸出，從而繪制實時動態曲線圖，并將數據歸入硬盤中，以便后續使用。

3.5.2 下位機

用通用的PLC下位機實現對電動機和電磁閽的直接控制，用A/D進行現場信號的采集工作。由于下位機有快速處理信息和高功能性的特點，因此可以充分利用它的功能。如果電路中出現短路的情況，電動機仍會自行運轉，并及時發出報警的信號，而PLC可以根據液位信號來完成啟動、停止擔水泵的工作。

3.5.3 無線通信

對現場采集的信號進行分析，通過傳感器可完成數字調節運算，并發揮其無線通信的功能，為工業污水的下一步處理做好鋪墊，并使其快速進入工作狀態。

4 結語

PLC程序控制技術是自動化設備的核心裝備，在污水處理領域有不可替代的作用。它的強控制力與可靠性也使它在污水處理領域發揮了巨大的作用。工作人員通過現場的總線與PLC相結合，達到污水處理的目的，并有效降低成本。