李文峰

摘 要：近年來，隨著我國科學(xué)技術(shù)水平不斷提升，越來越多行業(yè)開始注重科技發(fā)展，嘗試應(yīng)用科學(xué)技術(shù)手段來改善工作方式，提升工作效率。其中自動(dòng)化技術(shù)被應(yīng)用到越來越多的領(lǐng)域，大部分自來水廠的以人工操作為主的管理系統(tǒng)逐漸被自動(dòng)化系統(tǒng)所取代，并且自來水廠還對(duì)自動(dòng)化系統(tǒng)進(jìn)行不斷完善，而PLC技術(shù)將在自動(dòng)化系統(tǒng)中發(fā)揮著不可忽視的作用。由此，本文主要對(duì)PLC技術(shù)在自來水廠自動(dòng)化系統(tǒng)中的應(yīng)用進(jìn)行分析。

關(guān)鍵詞：PLC;自來水廠;自動(dòng)化系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：TP273;TU991.62 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2020）01-0066-04

Abstract： in recent years， with the continuous improvement of the level of science and technology in our country， more and more industries begin to pay attention to the development of science and technology， trying to use scientific and technological means to improve the way of work and improve work efficiency. Automation technology has been applied to more and more fields. Most of the management systems of water plants mainly based on manual operation have been gradually replaced by automation system， and the water plants are still improving the automation system， and PLC technology will play an important role in the automation system. Next， this paper analyzed the application of PLC technology in the automation system of water plant.

Keywords： PLC;water plant;automation system

隨著城市化進(jìn)程不斷加快，自來水管的覆蓋面積也越來越廣泛，與此同時(shí)人們對(duì)水資源的需求也在逐漸增加。因此，如何確保水資源的合理分配和利用成為當(dāng)前我國自來水廠重點(diǎn)研究的問題。而結(jié)合科學(xué)技術(shù)手段，應(yīng)用自動(dòng)化系統(tǒng)對(duì)自來水廠的運(yùn)轉(zhuǎn)進(jìn)行管理，不僅能提高工作效率，而且能保證水資源的合理分配。當(dāng)前，越來越多的自來水廠選擇采用PLC技術(shù)對(duì)自來水廠自動(dòng)化系統(tǒng)進(jìn)行管理，力求在更大程度上提高系統(tǒng)的工作效率和穩(wěn)定性。

1 PLC技術(shù)概述

1.1 PLC技術(shù)的概念

PLC技術(shù)的中文全稱為可編程邏輯控制器，是一種以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，安裝在各種機(jī)械系統(tǒng)以及機(jī)電設(shè)備中，通過計(jì)算機(jī)接收指令并下達(dá)指令后應(yīng)用微處理器對(duì)所屬設(shè)備進(jìn)行自動(dòng)化控制和操作的控制器。可編程邏輯控制器由中央處理器、內(nèi)存設(shè)備、接口、電源及數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器這五個(gè)主要元件組成[1]。其中，中央處理器簡稱CPU，主要負(fù)責(zé)對(duì)PLC所控制的機(jī)械設(shè)備編輯邏輯順序，在邏輯順序編輯完成后先存儲(chǔ)到內(nèi)存設(shè)備中，再通過存儲(chǔ)設(shè)備向所控制的機(jī)械設(shè)備發(fā)送邏輯順序，當(dāng)控制系統(tǒng)接收到邏輯順序后會(huì)應(yīng)用數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器對(duì)邏輯順序進(jìn)行解碼，最后執(zhí)行命令。圖1為PLC系統(tǒng)工作流程。

1.2 PLC技術(shù)的特點(diǎn)

當(dāng)前，PLC被應(yīng)用到越來越多的自動(dòng)化系統(tǒng)中。通過應(yīng)用PLC，這些系統(tǒng)的自動(dòng)化、智能化程度更高，并且其穩(wěn)定性也得到進(jìn)一步提升。通過對(duì)PLC的進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，PLC主要具備六大特點(diǎn)。

1.2.1 可靠性高。PLC采用微型處理器進(jìn)行集中輸出的工作方式使得自動(dòng)化系統(tǒng)的抗干擾能力較強(qiáng)。

1.2.2 編程容易。應(yīng)用PLC進(jìn)行編程十分簡便，這是因?yàn)镻LC在進(jìn)行編程時(shí)大部分采用繼電器控制梯形圖，因此使PLC編輯的命令要少于微型機(jī)的指令。在應(yīng)用PLC技術(shù)進(jìn)行編程操控機(jī)械設(shè)備時(shí)，工作人員甚至不需要具備過多的計(jì)算機(jī)專業(yè)知識(shí)就可以進(jìn)行操作。

1.2.3 組態(tài)靈活。PLC所采用的結(jié)構(gòu)為積木搭建式結(jié)構(gòu)，因此使用人員只需要將PLC與控制系統(tǒng)進(jìn)行簡單組合，便可以完成對(duì)系統(tǒng)的自動(dòng)化控制，可以說PLC受限范圍較小。

1.2.4 輸入和輸出功能模塊齊全。輸入和輸出功能模塊齊全這一特點(diǎn)也是PLC技術(shù)最具價(jià)值的特點(diǎn)。由于PLC系統(tǒng)多應(yīng)用于生產(chǎn)廠房及工業(yè)機(jī)械中，因此，PLC在設(shè)計(jì)時(shí)就考慮到了使用環(huán)境的因素，不論是哪一種信號(hào)，都有相對(duì)應(yīng)的模板或者器件進(jìn)行連接，從而完成與中央處理器的連接[2]。

1.2.5 安裝方便。傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)多由大型計(jì)算機(jī)或者是計(jì)算機(jī)機(jī)組構(gòu)成，因此對(duì)工作環(huán)境要求較高，不僅需要具備屏蔽外界干擾源的措施，同時(shí)還需要大面積的工作場(chǎng)地，而這導(dǎo)致控制系統(tǒng)的組裝十分煩瑣。而PLC對(duì)工作環(huán)境要求較低，由于不受過多因素限制，使得其安裝十分方便。

1.2.6 運(yùn)行速度快。PLC最后一個(gè)特點(diǎn)是運(yùn)行速度快。由于PLC工作狀態(tài)主要是依靠程序指令執(zhí)行的，因此PLC的運(yùn)行速度要快于任意一種繼電器邏輯控制。

2 自來水廠的自動(dòng)化系統(tǒng)組成

根據(jù)自來水廠的工作生產(chǎn)流程，可以將自來水廠中的自動(dòng)化系統(tǒng)分為四個(gè)工作站，這四個(gè)工作站分別是水源站、投藥站、過濾站及送水泵站。將這四個(gè)主要工作站歸納到自動(dòng)化控制系統(tǒng)中，由PLC進(jìn)行操控，并且基于PLC建立主控室對(duì)整個(gè)系統(tǒng)下發(fā)指令進(jìn)行統(tǒng)一管理。

水資源和電力資源都是人們生活中不可或缺的資源，因此，自來水廠和電廠都與人們的生活息息相關(guān)，但自來水廠的工作生產(chǎn)與電廠大不相同，自來水廠不僅生產(chǎn)工序較多，且每一道生產(chǎn)工序中都會(huì)應(yīng)用到大量的機(jī)械設(shè)備及化學(xué)藥劑。除此之外，采用PLC對(duì)自來水廠自動(dòng)化系統(tǒng)進(jìn)行操控時(shí)，由于生產(chǎn)工序較多，導(dǎo)致在生產(chǎn)過程中PLC所采集的生產(chǎn)數(shù)據(jù)量過大，在整個(gè)系統(tǒng)中，僅數(shù)字量就達(dá)到三千路以上的輸出量，而在模擬量的輸入輸出中會(huì)超出一千路[3]。自來水廠的生產(chǎn)工作需要連續(xù)不間斷。為了確保人們能隨時(shí)應(yīng)用水資源，自來水廠要最大限度上降低自動(dòng)化系統(tǒng)的事故發(fā)生率。此外，自來水廠的規(guī)模由水源的多少來決定，因此這就導(dǎo)致一個(gè)城市可能出現(xiàn)多個(gè)自來水廠進(jìn)行水資源供應(yīng)，在給排水管道設(shè)計(jì)時(shí)，還要確保不同的自來水廠供水管道相互連接，以保證某一自來水廠發(fā)生故障無法生產(chǎn)水資源或者是水資源供應(yīng)量不足時(shí)其他自來水廠能進(jìn)行緊急供應(yīng)[4]。這種情況使得自來水管的分布面積過大且過于密集，而地表上的自來水供應(yīng)設(shè)備較為分散，從而導(dǎo)致自來水廠的控制系統(tǒng)在送水階段不利于管理。

基于這一情況，本文所要探討的PLC技術(shù)在自動(dòng)化系統(tǒng)中的應(yīng)用可以選擇上位機(jī)與下位機(jī)相連接進(jìn)行互傳命令的方式，確保分散的自來水設(shè)備能通過這一方式進(jìn)行連接，從而構(gòu)成地表上的自來水設(shè)備管理網(wǎng)絡(luò)。在系統(tǒng)建設(shè)中，上位機(jī)的主要任務(wù)是對(duì)自來水設(shè)備周邊環(huán)境信息進(jìn)行采集，并且將采集信息傳輸回CPU主機(jī)中，通過上位機(jī)向CPU主機(jī)發(fā)送位置信息。而下位機(jī)的作用則是與自來水設(shè)備進(jìn)行連接，并接收來自上位機(jī)所傳達(dá)的工作指令，將工作指令轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)后進(jìn)行處理，使自來水設(shè)備進(jìn)行工作[5]。

3 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

在自來水廠控制系統(tǒng)中所應(yīng)用的PLC自控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)為以太網(wǎng)和兩層FIPWAY雙絞網(wǎng)絡(luò)，這兩種網(wǎng)絡(luò)的速度分別是10 MB/s和1 MB/s。其中，在主控室中主要負(fù)責(zé)下達(dá)工作命令的主機(jī)由網(wǎng)速較快的以太網(wǎng)連接，通過以太網(wǎng)完成對(duì)PLC控制系統(tǒng)的監(jiān)控。而主機(jī)和PLC系統(tǒng)所構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)為FIPWAY網(wǎng)絡(luò)。FIPWAY網(wǎng)絡(luò)的主要作用是將主機(jī)下達(dá)的信息傳輸給各個(gè)PLC控制系統(tǒng)的接收端。通過兩種網(wǎng)絡(luò)的連接，能將系統(tǒng)的工作任務(wù)詳細(xì)化，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)分工明確的目的，并且在整個(gè)系統(tǒng)中通過兩種網(wǎng)絡(luò)的連接能夠確保PLC控制系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性，避免系統(tǒng)運(yùn)行中受外界因素干擾導(dǎo)致癱瘓的問題出現(xiàn)。

4 系統(tǒng)功能

在應(yīng)用PLC后，可以對(duì)自來水廠的自動(dòng)化系統(tǒng)進(jìn)行操控，從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)自來水廠無人值守的工作狀態(tài)，既能大幅度提升工作效率，還能最大程度上節(jié)省勞動(dòng)力。工作人員只需要對(duì)PLC編輯邏輯命令，并通過PLC向自來水廠中的設(shè)備下達(dá)命令即可。除此之外，還會(huì)定期對(duì)自來水廠中的自動(dòng)化控制系統(tǒng)及各種設(shè)備進(jìn)行故障檢測(cè)，防止發(fā)生故障而影響工作效率。

對(duì)于PLC控制下的自來水廠來水，主控室是主要的辦公地點(diǎn)。主控室的主要工作任務(wù)是對(duì)自來水廠中各個(gè)設(shè)備系統(tǒng)的工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，并為工作人員提供手動(dòng)操作界面，避免當(dāng)PLC發(fā)生故障時(shí)工作人員無法在第一時(shí)間解決故障而使自來水廠陷入癱瘓狀態(tài)。除此之外，還可以應(yīng)用PLC中的存儲(chǔ)器對(duì)工作流程及工作狀態(tài)進(jìn)行記錄，當(dāng)自來水廠中的設(shè)備所生產(chǎn)的水資源質(zhì)量不達(dá)標(biāo)時(shí)，可以查看存儲(chǔ)器中的數(shù)據(jù)進(jìn)行核對(duì)，從而在最短時(shí)間內(nèi)解決相應(yīng)問題[6]。

5 對(duì)PLC控制系統(tǒng)各個(gè)分站的討論

在討論完P(guān)LC系統(tǒng)的組成與功能等問題后，將對(duì)PLC控制系統(tǒng)中取水泵站、加藥加氯站、公共沖洗站及送水泵站這四個(gè)分站逐一進(jìn)行討論。

5.1 取水泵站

取水泵站的主要任務(wù)是采取原水，除此之外，還要對(duì)所采集的原水的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)。因此，取水泵站中的PLC控制系統(tǒng)在采集完原水后，需要對(duì)原水的pH值、溫度、流量進(jìn)行初步檢測(cè)，對(duì)比標(biāo)準(zhǔn)原水參數(shù)，通過對(duì)比結(jié)果決定是否可以進(jìn)入自來水廠。其次，PLC控制系統(tǒng)還要實(shí)現(xiàn)對(duì)進(jìn)水閥開合的控制，當(dāng)采集的原水量達(dá)到水位線時(shí)，則向進(jìn)水閥發(fā)出閉合的指令。最后，在取水泵站中的PLC系統(tǒng)還需要實(shí)現(xiàn)對(duì)自來水廠各種自動(dòng)化設(shè)備運(yùn)行參數(shù)的監(jiān)控，并將參數(shù)結(jié)果傳回主控室的主機(jī)中。

5.2 加藥加氯站

加藥加氯是自來水廠中最為重要的環(huán)節(jié)，藥品投放量決定了自來水水質(zhì)，因此，加藥加氯站中PLC控制系統(tǒng)的主要任務(wù)是對(duì)加藥泵進(jìn)行控制，并對(duì)加藥泵的工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控。同時(shí)，對(duì)被加入藥品的水質(zhì)進(jìn)行測(cè)量，檢測(cè)水體的pH值、藥品含量及余氯值等。當(dāng)水體中的各項(xiàng)參數(shù)即將達(dá)到系統(tǒng)設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，主機(jī)便向加藥加氯站的PLC控制系統(tǒng)發(fā)出停止投放藥品的工作指令。此外，加氯控制系統(tǒng)中還包括氯氣氣源的自動(dòng)切換漏氣自動(dòng)報(bào)警和控制裝置。

5.3 公共沖洗站

在公共沖洗站中，主要將PLC系統(tǒng)分為公共沖洗PLC主站以及各過濾池PLC子站。在公共沖洗主站中，主要是對(duì)沖洗設(shè)備及旁路閥進(jìn)行控制，當(dāng)沖洗泵接收到主機(jī)下達(dá)的工作指令后，立即開啟閥門、水泵并連接上沖洗泵，開始執(zhí)行工作命令。而對(duì)于各個(gè)過濾池PLC子站則要求在執(zhí)行沖洗任務(wù)時(shí)，能對(duì)濾池中的水位進(jìn)行檢測(cè)，當(dāng)水位高出或者低于相應(yīng)的界限時(shí)發(fā)出警報(bào)，并將警報(bào)信息傳輸回主機(jī)中，從而觸發(fā)主機(jī)停止工作的命令，最后關(guān)閉沖洗泵、閥門。

5.4 送水泵站

送水泵站中的PLC系統(tǒng)工作任務(wù)較為簡單，即對(duì)質(zhì)量符合標(biāo)準(zhǔn)的水資源進(jìn)行輸送，在輸送過程中PLC系統(tǒng)主要對(duì)送水泵站中的機(jī)械設(shè)備進(jìn)行自動(dòng)化操控和控制，最后完成自來水廠整個(gè)工作程序。

6 PLC在自來水廠自動(dòng)化系統(tǒng)中的應(yīng)用

6.1 統(tǒng)一選擇機(jī)型

盡管PLC能適用于各種機(jī)械設(shè)備的自動(dòng)化控制中，但要想有效發(fā)揮PLC的價(jià)值，還需要嚴(yán)格選擇機(jī)型，并且所選機(jī)械最后進(jìn)行統(tǒng)一。在選擇應(yīng)用于自來水廠自動(dòng)化控制系統(tǒng)中的PLC時(shí)，首先要查看所選擇的機(jī)型是否有保障條款，并且要檢測(cè)所選型號(hào)的穩(wěn)定性。這主要是因?yàn)樽詠硭畯S與市民生活息息相關(guān)，因此必須確保PLC的穩(wěn)定性。除此之外，自來水廠的工序主要分為混凝、沉淀沉降物、過濾水中雜質(zhì)、消毒及自來水儲(chǔ)存這五道工序，并且每一道工序都需要采用PLC進(jìn)行自動(dòng)化控制。為了方便控制管理，所選擇的PLC機(jī)型需要保證是同一生產(chǎn)廠家或者是同一型號(hào)[7]。

6.2 根據(jù)輸入和輸出進(jìn)行選擇

根據(jù)自來水廠五道工序，可以將自來水廠中主要應(yīng)用到的設(shè)備進(jìn)行歸納，蓄水池主要分為反應(yīng)池、沉淀池、過濾池及蓄水池四種;而凈水、蓄水設(shè)備主要有加氯機(jī)、空氣壓縮機(jī)、鼓風(fēng)機(jī)、投藥設(shè)備、閥門及各種水泵。這些設(shè)備都屬于自動(dòng)化系統(tǒng)中的一部分，因此都需要經(jīng)過PLC控制進(jìn)行工作。而在選擇PLC時(shí)，需要考慮輸入和輸出點(diǎn)數(shù)。由于PLC的輸入和輸出點(diǎn)數(shù)不會(huì)被改變，因此，在將這些設(shè)備與PLC連接時(shí)，可以通過PLC的CPU進(jìn)行隨意使用，并且能夠根據(jù)不同的設(shè)備參數(shù)進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整和變動(dòng)。除此之外，不但需要注意輸入和輸出點(diǎn)的數(shù)量，還要對(duì)輸入和輸出信號(hào)的性質(zhì)參數(shù)進(jìn)行設(shè)定。既要保證設(shè)備的輸入和輸出性質(zhì)參數(shù)準(zhǔn)確，同時(shí)還要注意輸入和輸出端口的負(fù)載特點(diǎn)。比如，過濾池內(nèi)的酸堿計(jì)、清水池內(nèi)的余氯計(jì)是輸出型電壓還是輸入性電壓;自來水廠中阻斷各個(gè)凈水環(huán)節(jié)的閥門是模擬量還是開關(guān)量[8]。

6.3 根據(jù)存儲(chǔ)器容量進(jìn)行選擇

存儲(chǔ)器的作用主要是存儲(chǔ)用戶所編輯完成的邏輯程序。在為自來水廠的自動(dòng)化系統(tǒng)選擇PLC時(shí)，還需要考慮存儲(chǔ)器的容量。通常來說，計(jì)算機(jī)內(nèi)部的存儲(chǔ)單位由小到大可分為KB、MB、GB以及TB這四種，而基于計(jì)算機(jī)技術(shù)的PLC主要以字為單位，因此，在編輯邏輯程序時(shí)，會(huì)受到PLC存儲(chǔ)器的限制。由于自來水廠的自動(dòng)化系統(tǒng)操作程序過大，因此，把PLC應(yīng)用到自來水廠的自動(dòng)化系統(tǒng)中，就需要對(duì)PLC存儲(chǔ)器的剩余容量進(jìn)行把控，工作人員可以通過估算法對(duì)剩余存儲(chǔ)容量進(jìn)行預(yù)估，即通過模擬量控制公式及多路采樣控制公式進(jìn)行估算。除此之外，工作人員還可以采用以節(jié)點(diǎn)數(shù)計(jì)算的形式對(duì)PLC存儲(chǔ)器的剩余容量進(jìn)行計(jì)算。

6.4 根據(jù)通信要求進(jìn)行選擇

通信選擇是決定PLC工作狀態(tài)的重要環(huán)節(jié)，因此在選擇PLC時(shí)，需要考慮到PLC的通信方式。在自來水廠自動(dòng)化系統(tǒng)的控制中，主要應(yīng)用由工業(yè)電腦與PLC組成自動(dòng)化控制系統(tǒng)。工業(yè)電腦融合IT技術(shù)，將控制系統(tǒng)與電控設(shè)備及變頻器連接起來進(jìn)行工作。其中，在該系統(tǒng)中按照不同工作任務(wù)的蓄水池將PLC劃分到抽水站、加料站、過濾池及送水站中，并且每一個(gè)站點(diǎn)通過預(yù)先設(shè)定好的參數(shù)進(jìn)行控制，如抽水站的抽水量、加料站的藥劑投放量等。除此之外，為了提高自動(dòng)化系統(tǒng)的自動(dòng)化程度和集中程度，需要建立中控室對(duì)整個(gè)自動(dòng)化控制系統(tǒng)進(jìn)行集中控制，在整個(gè)自動(dòng)化控制系統(tǒng)中加裝系統(tǒng)運(yùn)行監(jiān)測(cè)設(shè)備，對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)行進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，從而確保系統(tǒng)能正常執(zhí)行命令。在該過程中，自來水廠需要根據(jù)廠內(nèi)設(shè)備、投入資金、廠內(nèi)的通信路線選擇通信網(wǎng)絡(luò)，如以太網(wǎng)、ASI等。

7 結(jié)語

隨著PLC的不斷完善與成熟，當(dāng)前在自來水廠中應(yīng)用PLC進(jìn)行控制管理已經(jīng)成為未來必然的發(fā)展趨勢(shì)。應(yīng)用PLC能提高系統(tǒng)的抗干擾能力，還能快速傳達(dá)信息指令，對(duì)自來水廠的良好發(fā)展起到至關(guān)重要的作用。

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