PLC技术在水处理自控中应用.doc

PLC技术在水处理自控中的应用摘要：PLC控制技术在水厂自动化控制中占据着重要的地位，本文简介了水厂自动化控制系统和PLC控制技术，阐述了PLC控制在水厂自动化控制中的应用，分析了PLC控制未来在水处理领域的发展方向。关键词: 水处理；自动化控制；PLC技术第一章 污水处理自动化控制概述1.1污水处理过程特点与自动化要求污水处理自动化，是污水处理厂的污水污泥处理、介质或药剂等生产过程实现自动化的简称。污水处理厂的生产过程的特点是：各种物料在管道、构筑物、设备、容器中不停地进行着物理变化、化学或生物化学反应，各种工艺参数时刻在发生变化。为了保证污水处理的运行效率高，人们常利用自动化装置进行检测和调节。另外，污水处理厂生产过程涉及臭味、腐蚀、高温或寒冷、易燃易爆等，为改善劳动条件，保证安全生产，也应实现自动化。污水处理厂工艺过程中要用到大量的阀门、泵、风机及吸、刮泥机等机械设备，它们常常要根据一定的程序、时间和逻辑关系定时开、停。例如，在采用氧化沟处理工艺的污水处理厂，氧化沟中的转刷要根据时间、溶解氧浓度等条件定时启动或停止，在采用SBR工艺的污水处理厂，曝气、搅拌、沉淀、滗水和排泥应按照预定的时间程序周期运行；在采用活性污泥法的污水处理厂，初沉池的排泥，消化池的进、排泥也要根据一定的时间顺序进行。另外，污水处理的工艺过程同其他工艺过程类似，也要在一定的温度、压力、流量、液位、浓度等工艺条件下进行。但是，由于种种原因，这些数值总会发生一些变化，与工艺设定值发生偏差。为了保持参数设定值，就必须对工艺过程施加一个作用以消除这种偏差而使参数回到设定值上来。例如，消化池内的污泥温度需要控制在一定的范围内，鼓风机的出口压力需要控制在一个定值，曝气池内的溶解氧浓度要根据工艺要求控制在一定的范围内等1。1.2污水处理自动控制系统功能污水处理厂的自动控制系统主要是对污水处理过程进行自动控制和自动调节，使处理后的水质指标达到预期要求。自动控制系统具有如下功能：（1）控制操作：在中心控制室能对被控设备进行在线实时控制，如启停某一设备，调节某些模拟输出量的大小，在线设置PLC的某些参数等；（2）显示功能：用图形实时地显示各现场被控设备的运行工况，以及各现场的状态参数；（3）数据管理：利用实时数据库和历史数据库中的数据进行比较和分析，可得出一些有用的经验参数，有利于优化处理过程和参数控制；（4）报警功能：当某一模拟量（如电流、压力、水位等）测量值超过给定范围或某一开关量（如电机启停、阀门开关）发生变位时，可根据不同的需要发出不同等级的报警；（5）打印功能：可以实现报表和图形打印以及各种事件和报警实时打印。打印方式有定时打印、事件触发打印等方式；（6）通讯功能：中控室所有信息均可送公司并接收公司总调度室的指令；（7）建立WEB 服务器：所有实时数据和统计分析数据均可通过企业内部网( Intranet) 或互联网( Internet)查询，各部门可共享生产运行信息2。第二章 PLC控制技术2.1可编程控制器可编程控制器（programmable logical controller，简称为PC或PLC）是面向用户的专门为在工业环境下应用而开发的一种数字电子装置，可以完成各种各样的复杂程度不同的工业控制功能。它采用可以编制程序的存储器，在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术等操作指令，可以从工业现场接收开关量和模拟量信号，按照控制功能进行逻辑及算术运算并通过数字量或模拟量的输入和输出来控制各种类型的生产过程。下图为典型PLC结构示意图。编程器电源中央处理器存储器输入接口输出接口通信接口现场现场图1 PLC控制系统典型结构示意2.2可编程序控制器的特点（1）可靠性高、抗干扰能力强：为保证PLC能在恶劣的工业环境下可靠工作，在设计和生产过程中采取了一系列提高可靠性的措施。（2）可实现三电一体化：PLC将电控（逻辑控制）、电仪（过程控制）、计算机集于一体，可以灵活方便地组合成各种不同规模和要求的控制系统，以适应各种工业控制的需要。（3）易于操作、编程方便、维修方便：可变成控制器的梯形图语言更易被电气技术人员所理解和掌握。具有的自诊断功能对维修人员维修技能的要求降低了。当系统发生故障时，通过软件或硬件的自诊断，维修人员可以很快找到故障所在的部位，为迅速排除故障和修复节省了时间。（4）体积小、质量轻、功耗低：PLC是专为工业控制而设计的，其结构紧密、坚固、体积小巧，易于装入机械设备内部，是实现机电一体化的理想控制设备。2.3可编程控制器的主要功能（1）开关逻辑和顺序控制； （2）模拟控制；（3）信号联锁；（4）通信。2.4可编程序控制器的结构与原理 可编程序控制器是以微处理器为核心的高度模块化的机电一体化装置，主要由中央处理器、存储器、输入和输出接口电路及电源四个部分组成。图5-6为PLC控制系统典型结构示意。2.5可编程控制器的编程语言可编程控制器有多种程序设计语言。在高档PLC中，提供有较强运算和数据转换等功能的专用高级语言或通用计算机程序设计语言。在传统的电气控制系统中，普遍采用继电器及相应的梯形图来实现I/O的逻辑控制。PLC梯形图几乎照搬了继电器梯形图的形式，下图为两者对照的梯形图3。图2 两种梯形图第三章 PLC控制在水厂自动化控制的应用3.1开关量的逻辑控制这是PLC 控制对于水厂自动化控制的最基本、也是最广泛的影响，它取代传统的继电器电路，实现逻辑控制、顺序控制，既可用于水厂单个设备的控制，也可同时用于多个水厂自动化流水线。3.2模拟量控制在水厂自动化当中，有许多连续变化的量，如温度、压力、流量、液位和速度等都是模拟量。为了使可编程控制器处理模拟量，必须实现模拟量( Analog) 和数字量( Digital) 之间的A/D 转换及D/A 转换。PLC 厂家都生产配套的A/D 和D/A 转换模块，使可编程控制器用于模拟量控制。3.3过程控制过程控制是指对温度、压力、流量等模拟量的闭环控制。对于水厂自动化控制，PLC 能编制各种各样的控制算法程序，完成闭环控制。PID调节是一般闭环控制系统中用得较多的调节方法。大中型PLC都有PID模块，目前许多小型PLC也具有此功能模块。PID处理一般是运行专用的PID子程序。3.4数据处理现代PLC具有数学运算、数据传送、数据转换、排序、查表、位操作等功能，可以完成数据的采集、分析及处理。这些数据可以与存储在存储器中的参考值比较，完成一定的控制操作，也可以利用通信功能传送到别的智能装置，或将它们打印制表。3.5通信及联网PLC 通信含PLC 间的通信及PLC与其它智能设备间的通信。随着计算机控制的发展，水厂自动化网络发展得很快，各PLC厂商都十分重视PLC的通信功能，纷纷推出各自的网络系统3。第四章 PLC技术在水处理自控系统中的发展方向为适应水处理行业的发展趋势，满足水处理行业对自控系统的需求，PLC技术在未来发展的主要方向包含以下几个方面：4.1冗余的控制系统结构由于水处理项目自动化控制系统对安全性的要求比较高，而现在通常应用的冗余系统中，多数为双机架冗余，成本相对单机系统会提高一倍，而低成本、高可靠性的单机架冗余方案将是PLC在水处理行业发展的一大趋势。采用单机架冗余方案中，每套PLC选用一个冗余的机架，两个支持冗余系统的CPU，冗余背板有两个CPU插槽。两个CPU互为热备，当一个CPU出现故障，或与上位组态软件通讯故障时，系统切换到热备的CPU上，CPU切换的时间短，保证控制系统不中断。除了CPU冗余，冗余解决方案还应包括电源冗余、网络冗余以及总线冗余。控制系统为PLC系统提供了冗余的电源系统；控制系统支持网络冗余功能，每个CPU配置双网卡，具有两个IP段地址，一个IP地址热备防止系统网络故障；同时，CPU与IO模块的通讯应可选为冗余的总线通讯，实现10模块信号到CPU的可靠、稳定传输。冗余系统配置主要目的是提高PLC设备运行的可靠性和稳定性，保证水厂不间断的正常运行，保证出水水质。4.2PLC合理的通讯端口设置在污水处理厂自动化控制系统中，常用的通讯方式包括：与上位机及各站之间通过Ethernet通讯；与现场控制仪表及第三方PLC通过串口Modbus、Profibus-DP和自由口通讯。PLC的CPU集成Ethernet端口，能够支持Modbus Tcp和OPC等开放式协议；集成串口，支持Modbus RTU和自由口协议；集成Profibus-DP接口。而对于PLC控制系统通常配置的CANopen、DeviceNet、AS-i等端口，由于在污水厂中应用较少，减少这些通讯接口的配置，可以大大降低PLC无效的系统消耗和内存消耗，提高CPU的运行效率。如果需要以上端口，可以通过增加通讯扩展模块来实现通讯功能。在水处理厂智能仪表与现场设备集成的PLC分布比较分散，通讯扩展接口应该可以通过在主站以及从站任意槽位上增加通讯接口模块实现。即通讯接口模块的使用，不能受到本地背板或远程背板的限制。4.3专业程序模板由于水处理工艺多样，在项目调试过程中，一个工程师不可能全部掌握各种控制工艺的控制逻辑。而不同污水处理厂在相同的处理工艺的情况下，控制逻辑相似。基于这种特点，针对不同规模、不同工艺的水处理厂应开发专业的程序模板。例如污水处理厂在下位具有进水泵、粗格栅、细格栅、初沉池、鼓风机、污泥脱水、加氯、加药等程序模块，使编程成为积木式的工作。现场调试的工程师只需将控制条件及控制内容输入到各模块的输入端即可，这样就可以大大提高现场调试的工作进度。PLC以及组态软件的生产厂家除了能够为客户提供自控产品外，为客户提供专业的行业支持就成为自控产品发展的趋势之一。4.4远程监控在水厂控制中心通过Web发布软件实现监控界面及监控数据的Web发布是水处理的另一个发展趋势。操作人员可以在任何能够登陆Internet的地方实现远程监控水厂的功能。将来PLC编程软件实现远程登录也是一个发展趋势，编程人员可以在任何能够登录Internet的地方修改PLC的程序，进行远程调试。该功能的实现，为水厂实现在紧急情况下的专家诊断和故障排除提供了方便4。第五章 小结PLC 控制在水厂自动化控制中占有很重要的作用，合理选择PLC硬件系统及程序编程方法，则可以实现水处理工艺的自动控制。解决了生产过程中减轻劳动强度，保障生产的可靠性、安全性、降低生产成本，减少环境污染、提高产品的质量，具有较大的经济价值和社会效应。如何使自控系