劉華平　唐偉　魏芳　耿亮

南水北調(diào)豐沛縣尾水資源化利用及導(dǎo)流工程沿線共設(shè)置6座水質(zhì)在線自動監(jiān)測站，分別對兩個縣區(qū)邊界水質(zhì)及四個縣區(qū)污水處理廠水質(zhì)進行監(jiān)測，確保江蘇省調(diào)水出省的水質(zhì)穩(wěn)定達(dá)標(biāo)。該水質(zhì)在線自動監(jiān)測站具有自動運行、連續(xù)監(jiān)測、停電自恢復(fù)、讀取并上傳監(jiān)測參數(shù)等功能，這些功能的實現(xiàn)主要是依靠水質(zhì)自動監(jiān)測系統(tǒng)的控制單元，而PLC（可編程控制器）又是整個自動控制技術(shù)的關(guān)鍵。這6座水質(zhì)在線自動監(jiān)測站分別由取水系統(tǒng)、配水管路、水樣預(yù)處理裝置、輔助系統(tǒng)組成[2]，其流程控制和通訊均由M340系列PLC完成。本文主要介紹了該項目基于PLC的自動控制流程的設(shè)計，包括水處理自動控制系統(tǒng)控制要求、系統(tǒng)控制流程及PLC編程等。

以人工現(xiàn)場采樣、實驗室儀器分析為主的傳統(tǒng)水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)，存在可監(jiān)測區(qū)域有限、監(jiān)測工作量大、監(jiān)測人員消耗高、監(jiān)測數(shù)據(jù)連續(xù)性差、監(jiān)測頻率低、監(jiān)測結(jié)果實時性差等問題，這些問題的存在使傳統(tǒng)水質(zhì)監(jiān)測技術(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足人們對水環(huán)境監(jiān)測工作的要求[1]。

水質(zhì)在線自動監(jiān)測系統(tǒng)就是在此前提下應(yīng)運而生的，它是一套以在線自動分析儀器為核心，運用現(xiàn)代傳感器技術(shù)、自動控制技術(shù)、計算機應(yīng)用技術(shù)以及相關(guān)專業(yè)分析軟件和通訊網(wǎng)絡(luò)所組成的一個綜合性的在線自動監(jiān)測體系[2]。水質(zhì)在線自動監(jiān)測系統(tǒng)極大地降低了實驗室分析所帶來的勞動強度，解決了偏遠(yuǎn)地區(qū)無法高頻率監(jiān)測的問題，同時還能夠及時反饋監(jiān)測信息，為管理層提供決策服務(wù)[3]。

一、水質(zhì)在線自動監(jiān)測站系統(tǒng)

1.1系統(tǒng)總體情況

南水北調(diào)豐沛縣水質(zhì)在線自動監(jiān)測系統(tǒng)是一個多參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)，監(jiān)測參數(shù)包括：常規(guī)五參數(shù)（pH、溫度、溶解氧、濁度、電導(dǎo)率）、氨氮、COD、全鹽量等。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，采用雙泵結(jié)構(gòu)，兩泵互為備用，整個系統(tǒng)可依據(jù)需要按設(shè)定的周期連續(xù)采樣。采集上來的水樣經(jīng)五參數(shù)及全鹽量測定儀測定后，將數(shù)據(jù)傳送到PLC中，其余水樣經(jīng)一段時間的預(yù)處理后，流向氨氮分析儀、COD分析儀，測量完畢后與水質(zhì)五參數(shù)、全鹽量值一樣通過基于Modbus通訊協(xié)議的RS485總線技術(shù)傳送到PLC中。取水測量完畢后進入清洗階段，清洗共分為清水清洗、熱水清洗、空氣反吹三個流程。清水清洗主要清洗管路中的泥沙并沖走殘留水樣；熱水清洗則是為了防止管路中滋生藻類及微生物等；空氣反吹用于吹干取水管路，以備下次采樣使用。另外，考慮到五參數(shù)測定儀的傳感器不宜長時間暴露在干燥環(huán)境下，因此在系統(tǒng)運行間隙通過圖1中的沖洗管路定時對傳感器進行清水噴淋。

1.2系統(tǒng)功能設(shè)計

水質(zhì)自動在線監(jiān)測系統(tǒng)可按照監(jiān)測周期定時進行采樣監(jiān)測、管路清洗、噴淋傳感器探頭等，以上不同的運行過程包括了泵的開啟、管路閥門的閉合、采樣儀器的觸發(fā)啟動、測量參數(shù)的讀取、系統(tǒng)故障的判斷等，工藝流程較為復(fù)雜，邏輯性強。對以上較為復(fù)雜的流程控制，需要采用一種控制性能強、可靠性高、編程簡單、易于調(diào)試、維護方便的控制單元用以控制閥門、儀表的開啟，數(shù)據(jù)、工況信息的采集和上傳。

此外，考慮到水質(zhì)在線自動監(jiān)測系統(tǒng)的靈活性和可靠性，在機柜上設(shè)置現(xiàn)地手動啟動按鈕、緊急停止按鈕、檢修按鈕等，方便運行維護人員在應(yīng)急狀態(tài)下控制系統(tǒng)的運行狀態(tài)。

1.3 PLC自控系統(tǒng)特點

技術(shù)先進：自動化控制系統(tǒng)無論是從使用的現(xiàn)場總線、通信網(wǎng)絡(luò)、PLC、組態(tài)軟件，還是從自動化控制技術(shù)來講，都具有先進水平。

穩(wěn)定可靠：PLC主控單元選用知名品牌，監(jiān)理的自動化控制平臺，經(jīng)過嚴(yán)格的測試，可保證系統(tǒng)穩(wěn)定可靠地運行；對于PLC作為主要的控制器，采用中文設(shè)計界面，自動化程度高，使用簡單。

安全性：自動化控制采用全面的設(shè)備保護體系，包括控制平臺信號及電源防雷保護、各種水質(zhì)異常保護、各類報警等，以防止因為意外或操作失誤而發(fā)生事故。

擴展性和兼容性：本系統(tǒng)具有很強的兼容性，為了保證在今后的擴建和改造時滿足控制要求，在設(shè)計時充分考慮系統(tǒng)的擴展能力，在滿足現(xiàn)有功能要求的基礎(chǔ)上，為今后系統(tǒng)的擴展和互連提供充足的接口。

二、水質(zhì)在線自動監(jiān)測系統(tǒng)PLC選型及應(yīng)用

2.1 系統(tǒng)PLC選型

PLC（可編程控制器）實質(zhì)上就是一臺計算機，其硬件結(jié)構(gòu)與我們常用的微機相似，即由電源、CPU、通訊模塊、輸入輸出（I/O）模塊、外設(shè)I/O接口等組成[4]，各部分通過總線（電源總線、控制總線、地址總線、數(shù)據(jù)總線）連接而成[5]。它是一款綜合了計算機技術(shù)、自動控制技術(shù)和通信技術(shù)的自動控制裝置[6]。

在南水北調(diào)豐沛縣水質(zhì)在線自動監(jiān)測系統(tǒng)中，選用M340系列PLC。這款PLC適用于中小型項目，可以為工程提供最佳的自動化技術(shù)和高效、靈活、經(jīng)濟的解決方案。水質(zhì)自動監(jiān)測系統(tǒng)雖然結(jié)構(gòu)、工藝流程較為復(fù)雜，但較之大型自動化工程而言，尚屬中小型項目，因此，M340系列PLC完全可以滿足系統(tǒng)的需求。

南水北調(diào)豐沛縣水質(zhì)在線自動監(jiān)測系統(tǒng)輸入端設(shè)有手動選擇開關(guān)、浮子開關(guān)、泵脫扣信號及泵運行信號等；輸出端需要控制12個閥門、2臺水泵、9個狀態(tài)燈、1個增壓泵。考慮到系統(tǒng)的可擴展性，選用了32點DI和DO模塊。同時，加入一個通訊模塊，用于發(fā)送COD、氨氮采樣儀啟動命令，接收五參數(shù)采樣儀、全鹽量測定儀、氨氮及COD采樣儀的測定數(shù)據(jù)。

2.2 系統(tǒng)PLC程序設(shè)計

在此工程中，PLC控制程序使用Unity_Pro_XL_V5.0軟件編寫，主要控制采樣、監(jiān)測、清洗、噴淋、數(shù)據(jù)讀取等，其控制程序流程如圖2所示。

系統(tǒng)自動運行開始，首先判斷是否到達(dá)監(jiān)測周期所要求的監(jiān)測時間，若時間已到，則立即進入監(jiān)測流程，并將測量到的水質(zhì)參數(shù)發(fā)送到數(shù)據(jù)采集器中；待監(jiān)測流程結(jié)束后，開啟清洗流程，經(jīng)過清水清洗、熱水清洗、空氣反吹后，系統(tǒng)停止，等待下一個監(jiān)測周期到來。噴淋流程是在監(jiān)測流程和清洗流程均未開啟的狀態(tài)下，每隔一小時運行一次，即在監(jiān)測周期時間間隔內(nèi)循環(huán)運行。

當(dāng)系統(tǒng)處于手動運行狀態(tài)時，可以按下強制監(jiān)測或強制清洗按鈕，開啟系統(tǒng)監(jiān)測或清洗流程。

系統(tǒng)在PLC讀取數(shù)據(jù)后，會以一定的采集頻率，通過RS485方式與數(shù)據(jù)采集器進行通信，所有數(shù)據(jù)最終由數(shù)據(jù)采集器以GPRS無線通訊方式傳送到中心站，以備分析使用。

三、水質(zhì)在線自動監(jiān)測系統(tǒng)PLC程序設(shè)計

3.1 系統(tǒng)PLC編程軟件的選用

PLC控制程序采用Schneider公司提供的Untiy_Pro_XL_V5.0編程軟件開發(fā)。整個程序由一個主程序、若干個子程序構(gòu)成，程序的編制在計算機上完成，編譯后將程序下載到PLC中，通過在RUN模式下主機循環(huán)連續(xù)執(zhí)行程序來實現(xiàn)[3]。

3.2 系統(tǒng)PLC程序的設(shè)計

南水北調(diào)水質(zhì)在線自動監(jiān)測系統(tǒng)程序由一個主程序及五個子程序組成。

監(jiān)測子程序：監(jiān)測水樣時間到時，控制水泵、電動球閥、電磁閥等設(shè)備開關(guān)，分析儀分析等。同時通過沉砂池、分析儀采樣杯浮子開關(guān)情況來判斷取配水系統(tǒng)的運行狀況。

清洗子程序：監(jiān)測完成后，要對管路進行沖洗。此程序控制電磁閥、電動球閥、熱水閥等設(shè)備對管路進行清水清洗、熱水清洗及空氣反吹。

噴淋子程序：當(dāng)系統(tǒng)既不處于監(jiān)測階段，又不處于清洗階段時，每隔一小時開啟一次清水噴淋，以保護傳感器探頭。

系統(tǒng)停止子程序：系統(tǒng)按照設(shè)計循環(huán)運行完一次后，進入停止?fàn)顟B(tài)。此時，監(jiān)測和清洗流程均停止，但噴淋流程仍繼續(xù)執(zhí)行。

檢修狀態(tài)：當(dāng)系統(tǒng)處于故障或強制檢修狀態(tài)時，監(jiān)測、清洗及噴淋流程均停止。同時，所有電動球閥、電磁閥等設(shè)備回到初始狀態(tài)，PLC不再向數(shù)據(jù)采集器傳送數(shù)據(jù)。

四.總結(jié)

南水北調(diào)豐沛縣水質(zhì)在線自動監(jiān)測系統(tǒng)利用M340系列PLC對整個自動監(jiān)測流程進行控制，實現(xiàn)了監(jiān)測站的無人全自動連續(xù)運行，提高了系統(tǒng)的可靠性及自動化水平。PLC系統(tǒng)運行穩(wěn)定，采集數(shù)據(jù)準(zhǔn)備快捷，控制的重要設(shè)備運行安全，現(xiàn)場安裝方便，程序編寫智能簡便，系統(tǒng)投運后自動化智能化程度高，工作人員維護量小。同時，該系統(tǒng)還具備較好的擴展性和適用性，對于地處南水北調(diào)豐沛縣尾水資源化利用及導(dǎo)流工程沿線不同位置的6座水質(zhì)監(jiān)測站，僅需根據(jù)各自地形特點設(shè)計取水方式即可使用。

南水北調(diào)豐沛縣尾水資源化利用及導(dǎo)流工程6個水質(zhì)在線自動監(jiān)測站的運行，大大加強了水環(huán)境的監(jiān)測能力，為環(huán)境保護和管理部門準(zhǔn)確、及時地掌握江蘇省調(diào)水出省的水質(zhì)狀況提供了理論依據(jù)和決策支持。