PLC 的電氣自動化控制水處理系統研究

黃海榮

（蘭州工業學院，甘肅蘭州，730050）

0 引言

當前科技水平受時代發展影響正在穩步推進，不同行業生產技術水平突飛猛進的提升，特別是在信息通信技術的應用過程中，企業生產管理效率呈指數型增長[1]，在這種經濟表現良好的背景下，隱藏著資源的加速消耗。人們日常的所有生活生產都離不開水資源，在人口數量與市場需求的不斷提升的情況下，水資源消耗量劇增[2]，不同渠道的污水排放量也大幅增長。在水資源不斷減少的情況下，水處理的重要程度不斷提升，水處理的目標是通過處理水資源，減少環境污染實現節能降耗[3]。水處理系統可以有效提升水處理工作的整體效率，其運行質量與環境保護水平均受效率提升的影響有所增加[4]。研究實際水處理系統控制過程中，通過PLC開發設計電氣自動化水處理系統，對系統運行質量與整體效率提升的保障，令所排放水質符合國家要求。

1 PLC 的電氣自動化控制概述

■1.1 PLC 的概念

PLC 是一種利用編程邏輯控制設備完成控制的技術，在當前各個行業的生產控制過程中具有極高的使用價值[5]。較之其他控制技術，該技術可有效保障使用過程中對自動化技術的提升，令生產生活工作正常運行?；趯嶋H生產狀況研究PLC 的控制效果，掌握其控制要點，通過該技術完善電力自動化建設過程，可有效提升自動化技術的應用價值。

■1.2 PLC 的應用優勢

常規水處理系統的控制多采用安裝繼電器的方式展開，該方式中常存在難度較大的線路布設問題[6]，由于線路完成布設后無法隨意更改，所以后期系統的運維難度較高，出現故障時無法予以及時處理，導致水處理系統的運行效率與安全受到威脅[7]。通過PLC 電氣化控制水處理系統，可以有效加強水處理系統的運行穩定可靠程度，減少能耗與運維成本。

2 基于PLC 的電氣自動化控制水處理系統

■2.1 系統工作原理

要求所設計的系統具有數據采集、自動控制調節等功能，系統的硬件部分包括PLC、電氣元件、泵、電磁閥等。其中，人機交互界面采用觸摸屏，需要在配置過程中實現對其的參數設置。應用傳感器采集相關數據信息，并將所采集信息發送至PLC 控制泵、電磁閥和風機進行工作，最后通過PLC 發送信息至觸摸屏，實現系統的人機交互功能。

■2.2 水處理系統自動控制結構

系統通過其核心控制器——PLC 管理所有功能模塊，實現設備的狀態的調整，具體結構見圖1。

圖1 電氣自動化水處理系統總體結構

■2.3 可編程邏輯控制器硬件結構設計

可編程邏輯控制器（PLC）是電氣自動化控制水處理系統的核心，利用基于卷積神經網絡的PID 控制器設計PLC。PLC 利用可編程存儲器儲存邏輯運算控制程序以及相關操作指令等，并通過輸入、輸出接口進行人機交互。PLC的具體結構如圖2 所示。

圖2 PLC 結構示意圖

PLC 結構中輸入接口直接連接手動開關、限位開關、傳感器、編碼器等，負責將所采集信號發送至中央處理單元內。中央處理單元通過電源為其供電，應用外設I/O 接口連接用戶端的編程器、寫入器和顯示器等，顯示器和編程器的作用是用戶可在該部分將電氣自動化控制水處理系統軟件程序寫入中央處理單元內，并保存至程序存儲器，通過調用程序存儲器內的電氣自動化控制水處理系統軟件程序實現相關控制，并經輸出接口將控制結果輸出至變頻器輸入端口和電磁閥等單元內。

■2.4 主電機變頻器

電機的通常采用直接啟動的控制方式，但其不能良好應對突然啟停狀態下出現的急扭，從而容易引發元件松動、管道破壞等情況，嚴重時甚至導致電機徹底損壞。所以在設計電機時需要通過變頻器實現設備啟停的控制，以便處理急扭情況并減少其發生的頻率，從而降低設備符合、有效防止電機老化。變頻機的硬件電路見圖3。

圖3 變頻機控制硬件電路

電路的具體控制方法為，工業用電經L1、L2、L3 連接系統，通過低壓斷路器連接變頻器的R、S、T 交流端輸入端子，將電流信號發送至變速電機，并在線路中部署電抗器，以防線間電容受到干擾。變頻器內PLC 輸出連接STF（控制系統向前運動）、STR（控制系統向后運動）、RH、RL，SD 連接公共端，通過差異組合速斷控制端RH、RM、RL 獲取需要的不同速度擋位，完成電氣自動化控制水處理系統的分級控制。

■2.5 無線通信模塊

由于傳統水處理系統內存在數據異常、故障等不能及時報錯的問題，所以需要在系統PLC 控制器內布設一個無線通信模塊，其設計的目的是實現PLC 的遠程監控及維護等功能，該模塊主要應用了5G 通信技術，可有效保障無線通信模塊的穩定性，通過智能化壓縮傳輸數據提升系統響應速率。PLC 的電氣自動化控制水處理系統具有生產管理、故障處理等功能。

3 電氣自動化控制水處理系統軟件設計及控制流程

■3.1 基于卷積神經網絡的PID 控制器設計

PLC 應用基于卷積神經網絡的PID 控制器設計。由于PID 控制參數嚴重影響系統的控制效果，所以在選取PID 參數時，參數越精準則控制效果越好。電氣自動化控制水處理系統具有顯著的非線性特征，而通過卷積神經網絡自身極佳的非線性函數擬合能力可以在數據訓練后輸出較為精準的參數。

卷積神經網絡具有在線調節的特征，基于此設計一個可調權值的PID 控制器，其主要包括PID 控制（傳統PID 控制）、卷積神經網絡學習控制參數（通過卷積神經網絡訓練輸出PID 參數，提高PID 控制參數的精準程度以及水處理系統的控制效果）兩部分。卷積神經網絡分為多層、單層神經網絡，其中單層感知機的神經網絡結構簡單且自適應能力強，遂選擇單卷積神經元學習PID 控制器參數（圖4）。

圖4 PID 控制

單卷積神經網絡PID 控制器可以較好的解決參數整定和適應性的問題，同時通過引入誤差解決系統的實時控制問題。通過該算法實現電氣自動化控制水處理系統，其應用了有監督的Hebb 權值學習規則，公式表示為：

其中，Δwij(k)表示卷積神經網絡oi、oj的連接權重，η為學習效率，(dj(k)-oj(k))是實際、期望輸出的差值。替換比例、積分及微分系數為具有在線調節功能的卷積神經網絡系數，其調整取決于監督算法和引入誤差，得到公式：

單卷積神經元的控制算法和學習方法公式表示為：

其中，ηI、ηP、ηD別比例、微分、積分的學習速率。

■3.2 軟件系統設計

電氣自動化控制水處理系統軟件設計時，PLC 的利用可以較為直觀的呈現出水處理系統的電氣自動化控制效果，同時可以在組態軟件的輔助下監控污水的整體處理過程。PLC是電氣自動化控制水處理系統的核心處理器，其負責監測和控制各種工業過程，包括從輸入端口接收數據、輸出相關命令以及處理邏輯運算等。并通過PID 控制器結合卷積神經網絡的設計，實現對污水的準確處理。在系統的輸入端口，PLC 會接收來自不同傳感器的數據集，這些傳感器能夠檢測出水池中的水位、溫度以及水質的各項參數等。PLC 根據這些數據分析出當前污水處理過程的狀況，并根據預設的算法和控制邏輯，生成處理結果。同時，通過中央處理單元的支持，可實現多個PLC 之間的數據交互和協同控制，從而保證水處理系統的整體運行效率和準確性。在系統的外設I/O 接口部分，PLC 會調用設計好的軟件進行控制，以輸出相應的控制信號，調整電磁閥的開合程度，從而實現對污水的精準處置。而在輸出端口部分，PLC 會將生成的處理結果發送到變頻器輸入端口和電磁閥等單元內，以便于控制執行器完成相關操作。當PLC 生成的控制信號發生異常時，變頻器能夠將其轉化為適當的電壓和頻率，從而輸出至電機控制系統，調整電機的運行速度，以保證水泵的正常運轉。而電磁閥也可通過PLC 輸出的信號得知該進行開門或關門等操作。組態軟件主要包括上位機和下位機。上位機可以對全部監控區域內的設備進行控制和監測；下位機則能夠通過PLC 程序編寫進行診斷等功能，且該系統的控制軟件具有極大的開放性，能更加方便快捷地實現對系統進行管理與運行。

■3.3 水處理系統控制流程

水處理系統控制流程主要分為自動、手動兩種控制模式，自動控制時全部設備都受控于電氣自動化控制水處理系統，當系統啟動后就會向操作程序下發操作指令，根據所設置的PLC 程序展開工作，一次水處理流程為：先通過粗格柵機與清污機處理污水，然后啟動泵，最后通過細格柵機、沉砂設備以及污泥回流設備隨機工作；手動控制時工作人員可以在人際交互界面選擇手動管理系統，滿足生產需要。

4 實驗分析

為驗證PLC 對電氣自動化控制水處理系統過程中隨機擾動的抑制能力和魯棒性，設定50s 時存在一個5%的恒定干擾幅值，在其中加入一個隨機噪聲，設定最大幅值為0.5%設定值，PLC 控制下水處理系統的響應特性見圖5 所示、控制器的相應輸出見圖6。

圖5 隨機擾動抑制能力

圖6 隨機擾動下的控制器輸出

通過圖5、圖6 可知，PLC 具有較好的電氣自動化控制水處理系統隨機擾動的抑制能力和魯棒性，隨機擾動造成相應波動的幅值較小，相應控制器的輸出變化幅度也較小，能夠保障水處理系統的穩定運行。

5 結論

水是人們生活生產的必要資源，其直接決定了人們的生存質量，這就要求在水質處理方面必須提高要求和標準，以保障人們的身體健康。PLC 的電氣自動化控制水處理系統實際應用過程中，需要充分發揮其適應性、可靠性等特征，實時監控水處理系統，保證水處理系統的運行平穩，減少故障的發生，降低人工誤差與成本消耗，基于節能減排實現水處理效率與質量的有效提升。對于PLC 的電氣自動化控制水處理系統，必須加強對其精準程度的重視，提升實時監測故障的技術水平，通過構建適宜的運維機制保障系統運行質量。