基于PLC的電氣自動化控制水處理系統研究

梁陽升

海南省水務集團有限公司 海南 海口 571126

PLC具有較強穩定性，其在水處理工作中的應用具有實現自動化控制水處理目標以及提升處理效率的作用，既可以有效降低外部環境產生的不良影響，又可以完成對電氣自動化控制水處理系統的修改，不僅應用較為靈活，且使用范圍較為廣泛，具體控制效果良好。隨著科學技術的不斷發展，自動化已成為生產主流，在電氣行業，各企業應該向自動化以及智能化的方向轉型，注重應用PLC的同時，還需要加強對電氣自動化控制水處理系統的研究，重在提高系統的自動化以及智能化水平。

1 PLC相關內容介紹

1.1 PLC介紹

PLC（Programmable Logic Controller）是可編程邏輯控制器的英文簡寫，屬于是一種現代自動化控制技術，其集成了大數據技術、計算機技術以及通信技術等優點，具有可編程、處理數據、控制順序、定時、自動控制、存儲以及邏輯運算等功能，工作人員可以通過編寫程序的方式實現對電氣自動化的控制，進而可以完成對水處理系統的聯動控制，以此有助于人工控制誤差的降低，有助于水處理效率的提升[1]。程序設計，電氣自動化控制水處理系統是由多種程序構成，例如在污水處理的過程中因為污水中含有著較多的微生物，而且其中一部分微生物的代謝需要消耗氧氣，因此有必要開展對污水的曝氣工作。相關工作的完成主要涉及到以下重點環節：首先要對污水進行好氧處理，通過將曝氣池中污水與活性污泥混合的方式加速其中有機物的降解。其次，在第一步完成之后污水里面的有機物會附著于細胞上，從而進一步提升曝氣池中的好氧成分，這樣的環境給污水中微生物的代謝提供了良好的條件，幫助微生物可以處在一個最佳的儲存狀態；最后，要針對污水處理的曝氣量加以模糊控制，完成曝氣池氧氣濃度的檢測工作以及有機物的評估工作，進而準確計算出污水處理需要的各項信息數據。

1.2 應用優勢

水處理較為復雜，部分企業在水處理方面選擇使用繼電器對水處理系統進行控制，針對于繼電器的安裝，其會涉及較為復雜的線路鋪設問題，如若線路鋪設完畢，又或者是程序設定完成之后，再進行修改與調整的難度較大，且后期的運維難度系數較高，一旦系統出現運行故障，不僅故障的排查難度較大，故障的處理難度更大，可能會對系統的穩定運行產生不良影響。PLC的應用，可以提升水處理系統運行穩定性以及安全性的同時，還可以實現無線通信傳輸，可以有效避免線路故障造成的運行問題。不僅如此，PLC中的傳感器具有實時監控水處理系統運行的作用，可以減少系統運行能耗，降低系統運行出現故障的概率，進而有助于后期運維成本的節約。此外，PLC的應用可以逐步優化水處理系統，促進水處理向自動化以及智能化方向發展，進而有助于提高電氣自動化控制水處理系統運行的信息化水平，并降低其運行能耗。

2 基于PLC的電氣自動化控制水處理系統研究分析

2.1 系統控制要求

電氣自動化控制水處理系統控制要求主要包括系統報警保護、控制要求以及操作方式等，從系統參數顯示功能的角度進行分析[2]。在手動狀態下，各類設備的控制根據對操作面板上的按鈕操作來控制，無邏輯控制，不根據液位高度傳感器的狀態和設定的時間進行控制。在自動方式下進行閉環控制，系統根據檢測的液位高度狀態和設定的時間來對設備進行啟停控制。設備故障報警功能，當出現故障問題時，系統會自動發出故障信號并強制故障設備停止工作，此時工作人員需要及時修理故障泵，盡可能恢復設備故障報警系統的正常運行。

2.2 系統控制流程

電氣系統控制流程介紹如下：

1、系統上電電源接通后，按下自動控制按鈕，自動控制方式被啟動，系統中的攪拌機和曝氣風機隨即也被啟動。

2、運行粗、細格柵機，進行間歇運行，即運行一段時間然后停止一段時間，循環進行。

3、進水泵根據進水池中反饋得到的實際液位與系統控制要求的液位進行比較后再決定其運行或停止。

4、污泥回流泵根據沉淀池中反饋得到的實際液位與系統控制要求的液位進行比較后再決定其運行或停止。

2.3 設計控制要求

針對于自動控制系統的設計控制要求，設計人員需要設計手動、自動切換功能，以便于在系統運行期間依據各設備運行情況科學調整系統控制方式以及相關工藝參數等。系統運行的主要參數包括液位以及流量等，其是工作人員實時了解系統各設備運行動態的重要數據。如若是手動控制模式，各單元屬于獨立控制狀態，例如水泵以及自動閥等；如若是自動控制模式，系統運行全過程無需人工操作，系統可在規定程序下自動運行。系統運行期間，如若突發故障，系統應該設有預警、警報發出及保護功能，其中報警主要包括水泵故障報警、低液位報警、高液位報警以及中液位報警等，而保護功能主要是對水泵高壓及低壓的保護。

2.4 控制系統設計

當前，先進電氣自動化水處理系統使用的多為PLC，PLC具有可編程、定時以及計數與算數等作用，工作人員可以利用數字或模擬式輸入、輸出法對各類設備進行控制。不同于其他可編程邏輯控制器，PLC較為適合電氣自動化控制水處理系統的應用要求，不僅可以實時監控水處理系統的運行情況，還可以為系統運行的穩定性提供保障，有助于水處理系統時刻處于最佳運行狀態。現如今，常見的PLC控制水處理系統主要是由繼電器、壓力傳感器、現場水泵以及PLC組合而成，利用管網壓力可以實現對水泵的切換控制，利用壓力傳感器可以實現對PID計的切換控制[3]。同時，工作人員需要將PID運算值轉變成為水泵變頻器控制頻率，以此實現對水泵自動調節水流量的控制，其有助于為水管網壓力的恒定提供保障。隨著科學技術的不斷發展，水處理系統逐漸優化與升級，且PLC的應用更為成熟。事實上，控制系統的設計需要參考電氣原理。

圖1 污水處理系統主回路電氣原理圖

主回路中交流接觸器KM1、KM2、KM3、KM4、KM5、KM6分別控制進水泵、粗格柵機、細格柵機、曝氣風機、攪拌機、污泥回流泵這六個電機的啟動與停止。這六個電機分別由六個相對應的熱繼電器FR1、FR2、FR3、FR4、FR5、FR6分別實現對各自所在的電路中確保其安全的過載保護功能。

圖2 污水處理系統控制回路電路圖

電路圖的上方部分連接的器件是中間繼電器KA，此繼電器在電路中是具有一定的帶負荷能力，上圖中所示的電路中的中間繼電器KA主要是為了替代小型接觸器來實現其后者的功能。當接觸器KM的線圈在不通電的情況下，與之相對應的KM接觸點也一直保持著電路斷開不導通的狀態；KM線圈在通電的情況下，相對應的KM觸點也就被接通，從而實現了由控制電路中的送電和斷電來控制主電路中的各個電動機的啟動與停止。電路中的熱繼電器FR在此電路中依舊是保護電路安全起到過載保護的功能[4]。

2.5 PLC程序實現

在PLC編程中，包含五個部分的系統程序：粗格柵系統程序、進水泵程序、細格柵系統程序、曝氣氧化系統程序、污泥回流泵程序。由于自動控制模式下，在整個系統運行過程中，曝氣氧化系統中的曝氣風機和攪拌機持續運行。

程序實現主要有以下幾個方面：

（1）系統的自動控制模式開啟之后，粗格柵機根據格柵前、后液位差來進行自動運行。

（2）進水泵主要的功能根據進水池中的液位檢測傳感器反饋的實際液位對進入系統的污水量的控制。

（3）二沉池若實際液面高于最高要求液面，污泥回流泵持續運行，若實際液面低于最低要求液面，污泥回流泵停止運行，否則啟動污泥回流泵，如此循環運行。

（4）曝氣系統啟動后由生化池的溶解氧濃度進行控制，根據溶解氧儀器反饋的信號對曝氣電動蝶閥進行PID閉環控制，通過調節風量實現精準曝氣。

3 基于PLC的電氣自動化控制水處理系統應用表現

3.1 軟、硬件設計

電氣自動化控制水處理系統主要是由多個軟件以及硬件組合而成，在軟件應用方面，常用的軟件為PCS7Smart，該軟件具體分為操作員系統以及工程組態系統，其中工程組態系統應用的基礎是CPU410Smart控制平臺，同時還需要其他軟件進行輔助，例如控制模板以及APL功能庫等，技術人員需要利用編譯自動生產基本數據，以此可以獲得畫面操作圖元以及變量數據參數等。此外，污水處理軟件屬于常用軟件，其具有控制污水廠整個工藝流程、各參數以及設備運行的作用，且具有促進電氣自動化控制水處理系統高效運行的價值。與此同時，該軟件的應用還具有管理功能，可以對已有故障信息以及歷史信息等進行查詢與處理。在硬件應用方面，需要使用西門子CPU410Smart控制器，或是ET200PASmart系列中的IO模塊。其中，CPU410Smart控制器內部設有兩個獨立的Profibus IO接口、儲存器以及防護涂層等。

3.2 上、下位機通信

PLC的應用，上位機是MCGS，其可以創建觸摸屏一體機，還可以實時檢測處理現場以及調整工作狀態等，針對于工作狀態的調整需要借助部分設備的運行，其有助于問題的及早發現及處理。而下位機主要是CPU410Smart，其具有控制處理現場的作用，通過與編程軟件的合用，可以實現對污水處理系統的控制，以便于后期系統程序的科學設計，且有助于開發商設計要求的滿足。在實際的通信階段，技術人員需要適當轉換繼電器，還需要通過只讀的讀寫模式完成相關操控，隨后針對于MCGS的控制可以使用PLC。

4 基于PLC的電氣自動化控制水處理系統應用措施

4.1 創建故障檢測預警系統

水處理的工藝較為復雜，且實際環境條件較為特殊，日常的水處理工作會存在諸多不良干擾因素，如若處理不當變會引發安全故障，影響電氣自動化控制水處理系統的正常運行。為此，電氣企業需要創建故障檢測預警系統，又或者是增設可視化設備等，以此實現對水處理系統運行的實時監管。與此同時，電氣企業還需要安裝先進的監控設備以及定位傳感器等，如若水處理系統出現故障，監控設備的自動監測功能以及定位傳感器的定位傳輸功能會將故障信息在第一時間內進行發送，以便于通知技術人員及時進行處理[5]。

4.2 注重解決控制精度問題

電氣自動化控制水處理系統在實際運行的過程中經常會出現精度問題，其產生的原因可能與環境中存在的不良干擾因素有關，也可能與系統內部線路或零部件老化、損壞等有關，最常見的原因是設備接線故障或觸電故障等。如若系統精度偏低，則水處理系統的運行效率會有所降低。電氣自動化控制水處理系統的長時間運行，其內部各設備以及零部件等會有損害或老化現象，其是影響系統精度的主要原因之一，加之水處理系統易受腐蝕，所示零部件老化現象較為常見，導致系統在運行期間會出現信號傳輸中斷或停止等問題，引發通信故障。為此，電氣工作人員需要注重水處理系統的優化與升級，重在提升信號傳輸的穩定性。

4.3 建立健全科學運維機制

系統或設備的使用具有一定壽命，其壽命長短與運維水平關系密切。水處理系統較為復雜，其運行環境存在諸多不良干擾因素，運行期間故障的發生在所難免，為減少故障發生概率，政府相關部門以及電氣企業等需要注重PLC的應用，還需要加強對電氣自動化控制水處理系統運維工作的重視，建立健全科學運維機制[6]。一方面，注重專業運維人員的培養，重在提高人員專業素養以及運維技能水平，同時還需要提高人員責任意識，定期組織人員學習運維機制相關內容。另一方面，不斷調整與完善運維機制，為系統運維提供指導的同時，還可以約束運維人員工作行為。

5 結束語

PLC在電氣自動化控制水處理系統中的應用具有諸多優勢，例如提高水處理系統運行的穩定性以及安全性等，還可以有效防止出現線路故障。在PLC背景下，針對于電氣自動化控制水處理系統的研究，可以從系統控制要求、控制流程、控制系統設計以及PLC程序實現等方面入手。為保證電氣自動化控制水處理系統運行質量，電氣企業需要創建故障檢測預警系統，并建立健全運維機制等。