山東勝利通海集團(tuán)東營(yíng)天藍(lán)節(jié)能科技有限公司 劉冠宇 高立亮 張海洋

簡(jiǎn)單描述醫(yī)院醫(yī)療污水處理的工藝流程，介紹達(dá)到醫(yī)療污水處理過(guò)程自動(dòng)化實(shí)現(xiàn)方案以及主要的控制方法和控制理論，并以此為依據(jù)進(jìn)行PLC控制器的實(shí)際選型，闡述PLC控制器和各擴(kuò)展模塊、插件的產(chǎn)品主要屬性，在軟件開(kāi)發(fā)的基礎(chǔ)上，通過(guò)編程實(shí)現(xiàn)醫(yī)療污水處理過(guò)程中各生產(chǎn)節(jié)點(diǎn)的自動(dòng)控制，最終達(dá)到無(wú)人值守的整個(gè)醫(yī)療污水處理過(guò)程自動(dòng)化。

醫(yī)院的醫(yī)療污水，除有一般生活污水外，還含有化學(xué)物質(zhì)、放射性廢水和病原體等。因此，醫(yī)療污水必須經(jīng)過(guò)特殊處理后才能排放。

醫(yī)療污水來(lái)源及成分復(fù)雜，含有病原性微生物、有毒、有害的物理化學(xué)污染物和放射性污染等，具有空間污染、急性傳染和潛伏性傳染等特征。自2020年新冠疫情爆發(fā)，病毒的傳播途徑多、感染率高，醫(yī)院作為對(duì)抗病毒的主戰(zhàn)場(chǎng)，其產(chǎn)生的醫(yī)療污水不經(jīng)有效處理會(huì)成為一條疫病擴(kuò)散的重要途徑和嚴(yán)重污染環(huán)境。

目前我國(guó)已建設(shè)有相當(dāng)數(shù)量的醫(yī)院醫(yī)療污水處理設(shè)施，對(duì)醫(yī)院醫(yī)療污水的污染控制起到了積極的作用。但根據(jù)走訪附近醫(yī)院和從網(wǎng)上查詢相關(guān)資訊了解到，多數(shù)醫(yī)院的醫(yī)療污水處理設(shè)施存在醫(yī)院污水處理設(shè)施擁有率低、處理級(jí)別低、整個(gè)過(guò)程手動(dòng)控制、專(zhuān)人值守等問(wèn)題，專(zhuān)職管理人員直接接觸污水和污泥，極易造成感染，對(duì)此，我們要進(jìn)一步優(yōu)化醫(yī)院醫(yī)療污水處理過(guò)程，同時(shí)提高系統(tǒng)整體自動(dòng)化控制水平。

綜上所述，實(shí)現(xiàn)醫(yī)院中醫(yī)療污水處理過(guò)程的自動(dòng)控制非常有必要。

1 工藝流程介紹

醫(yī)院醫(yī)療污水在管網(wǎng)匯集后，經(jīng)過(guò)格柵，去除大粒徑的漂浮物和部分固型物，減輕后續(xù)生化處理部分的負(fù)荷，同時(shí)保護(hù)水泵避免堵塞，為后續(xù)處理設(shè)備創(chuàng)造良好的運(yùn)行環(huán)境。經(jīng)過(guò)格柵后的污水進(jìn)入調(diào)節(jié)池，進(jìn)行水質(zhì)水量的調(diào)節(jié)，液位控制器根據(jù)池內(nèi)液位的高低來(lái)控制潛污泵的啟停，保證污水處理系統(tǒng)的連續(xù)自動(dòng)運(yùn)行。調(diào)節(jié)池內(nèi)污水經(jīng)循環(huán)增壓泵加壓后進(jìn)入水解酸化池，使難溶性、大分子的有機(jī)物分解為易降解的小分子有機(jī)物，并去除一部分的有機(jī)物。水解酸化池出水至浸沒(méi)式生物反應(yīng)器，保證出水水質(zhì)達(dá)到回用要求，同時(shí)保持反應(yīng)器內(nèi)有較高的污泥濃度，加速生化反應(yīng)的進(jìn)行，生物反應(yīng)器內(nèi)沉淀下來(lái)的污泥由污泥泵提升至水解硝化池水解減量。簡(jiǎn)單工藝流程如圖1所示。

圖1 簡(jiǎn)單工藝流程圖

2 方案確定

根據(jù)醫(yī)院醫(yī)療污水處理的流程，分析每個(gè)流程節(jié)點(diǎn)需要控制的設(shè)備（格柵、泵等）以及所控制的對(duì)象（液位、流量等），增加PLC控制系統(tǒng)。

在本系統(tǒng)中，采集和控制的信號(hào)類(lèi)型主要包括4～20mA電流信號(hào)（模擬量輸入和模擬量輸出）、繼電器信號(hào)（數(shù)字量輸入和數(shù)字量輸出），其中模擬量輸入信號(hào)16個(gè)點(diǎn)、模擬量輸出6個(gè)點(diǎn)、數(shù)字量輸入40個(gè)點(diǎn)、數(shù)字量輸出21個(gè)點(diǎn)。數(shù)據(jù)發(fā)布采用網(wǎng)絡(luò)發(fā)布或串行口轉(zhuǎn)發(fā)的形式，因此，一款小型的兼具網(wǎng)絡(luò)接口、串行接口的PLC控制器是較好的選擇。

通過(guò)比較，羅克韋爾公司推出的Micro系列PLC控制集成了以太網(wǎng)通信端口、串行端口、USB端口，可以連接人機(jī)界面設(shè)備和程序調(diào)試設(shè)備，且其CPU本身帶有數(shù)字量輸入和數(shù)字量輸出嵌入式I/O，是一個(gè)非常理想的選擇。

分析本系統(tǒng)的功能要求以及任務(wù)目標(biāo)之后，PLC控制器主要作用在一下幾個(gè)方面：

（1）信號(hào)處理：對(duì)現(xiàn)場(chǎng)模擬量信號(hào)的處理（模擬量信號(hào)和數(shù)字量信號(hào)）；

模擬量信號(hào)采集處理的過(guò)程如圖2所示。

圖2 模擬量信號(hào)采集處理的過(guò)程

數(shù)字量信號(hào)采集處理的過(guò)程：數(shù)字信號(hào)指自變量是離散的、因變量也是離散的信號(hào)，這種信號(hào)的自變量用整數(shù)表示，其狀態(tài)表示為0和1。PLC數(shù)字量輸入模塊通過(guò)信號(hào)濾波、采樣處理和數(shù)字信號(hào)傳輸，根據(jù)實(shí)際需要實(shí)現(xiàn)了信號(hào)的傳輸和轉(zhuǎn)換。

（2）邏輯運(yùn)算：各聯(lián)鎖功能的實(shí)現(xiàn)，主要包含PID調(diào)節(jié)和設(shè)備聯(lián)鎖控制；

PID控制系統(tǒng)控制原理框圖如圖3所示。

圖3 PID控制過(guò)程

聯(lián)鎖控制系統(tǒng)控制原理框圖如圖4所示。

圖4 聯(lián)鎖控制過(guò)程

（3）系統(tǒng)通訊：與值班室電腦的監(jiān)控軟件的通訊等。PLC控制器與電腦的監(jiān)控軟件之間的通訊可以有一下兩種方式實(shí)現(xiàn)：

①利用TCP/IP協(xié)議；

②利用ModbusTCP協(xié)議。

通過(guò)分析，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控電腦的軟件與本PLC控制器若要使用TCP/IP協(xié)議，則需要軟件的開(kāi)發(fā)人員專(zhuān)門(mén)開(kāi)發(fā)針對(duì)本PLC控制器的驅(qū)動(dòng)，無(wú)法滿足控制進(jìn)度和成本的要求，而ModbusTCP協(xié)議是基于TCP/IP協(xié)議的基礎(chǔ)上，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行打包傳輸，無(wú)需單獨(dú)開(kāi)發(fā)二者之間的驅(qū)動(dòng)，因此系統(tǒng)選用ModbusTCP協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

Modbus設(shè)備可分為主站（master）和從站（slave）。主站只有一個(gè)，從站可以有多個(gè)，主站向各從站發(fā)送請(qǐng)求幀，從站給予響應(yīng)。在本系統(tǒng)中，監(jiān)控電腦作為主站，PLC控制器作為從站。

3 產(chǎn)品硬件配置

控制器的硬件配置如表1所示。

表1 PLC模塊配置表

PLC控制器，即CPU模塊；

對(duì)現(xiàn)場(chǎng)余氯、流量、液位等采集選用2080-IF4和2085-IF8；

對(duì)現(xiàn)場(chǎng)水泵、開(kāi)關(guān)閥、格柵等設(shè)備遠(yuǎn)程控制以及設(shè)備的運(yùn)行、故障等狀態(tài)利用CPU自帶的接口采集；配置完成的PLC模塊如圖5所示。

圖5 配置完的PLC模塊

4 軟件開(kāi)發(fā)

系統(tǒng)開(kāi)發(fā)使用Connected Components Workbench 10.01.00版本軟件。對(duì)現(xiàn)場(chǎng)各類(lèi)儀表信號(hào)進(jìn)行采集并進(jìn)行相應(yīng)的處理、對(duì)現(xiàn)場(chǎng)各類(lèi)設(shè)備進(jìn)行邏輯控制，所有數(shù)據(jù)最終錄入數(shù)據(jù)庫(kù)中并在值班室電腦端進(jìn)行實(shí)時(shí)展示。

（1）對(duì)于余氯、流量、液位等模擬量信號(hào)的采集，現(xiàn)場(chǎng)儀表采用4～20mA信號(hào)，我們需要對(duì)模擬量輸入插件和模塊的各個(gè)通道進(jìn)行輸入信號(hào)類(lèi)型設(shè)置，如圖6、圖7所示。

圖6 2080-IF4配置圖

圖7 2085-IF8配置圖

模塊配置完成后，編寫(xiě)模擬量信號(hào)采集程序，實(shí)現(xiàn)對(duì)4～20mA信號(hào)的采集和量程的轉(zhuǎn)換，并且存入相應(yīng)寄存器，如圖8、圖9所示。

圖8 模擬量輸入采集程序段

（2）對(duì)于泵、格柵等設(shè)備的運(yùn)行、故障狀態(tài)的數(shù)字量信號(hào)的采集，模塊配置及采集如圖9所示。

圖9 數(shù)字量輸入采集程序段

（3）對(duì)于泵、格柵等設(shè)備，若要做到自動(dòng)運(yùn)行，需要與現(xiàn)場(chǎng)的液位、流量等參數(shù)進(jìn)行聯(lián)鎖，比如本系統(tǒng)中其中一條聯(lián)鎖設(shè)置“潛污提升泵由調(diào)節(jié)池的液位控制低停高開(kāi)，電磁流量計(jì)的流量信號(hào)控制潛污提升泵的變頻器，保持設(shè)定的流量”，在編寫(xiě)程序的時(shí)候要考慮到，保護(hù)提升泵的變頻器，所以需設(shè)置最低運(yùn)行頻率，并且現(xiàn)場(chǎng)部署了兩臺(tái)提升泵，機(jī)制為一用一備，兩臺(tái)泵不同時(shí)運(yùn)行，因此需要設(shè)置互鎖，同時(shí)要保證流量維持在設(shè)定值，還要引用PID控制功能，因此編寫(xiě)程序如圖10、圖11所示。

圖10 提升泵啟停及互鎖程序段

圖11 流量保持（PID）程序段

本系統(tǒng)中的聯(lián)鎖較多，如“循環(huán)增壓泵與壓力的聯(lián)鎖”、“鼓風(fēng)機(jī)與溶解氧濃度的聯(lián)鎖”、“軸流風(fēng)機(jī)與二氧化氯含量的聯(lián)鎖”等，其聯(lián)鎖機(jī)制大都類(lèi)似，在此不做詳細(xì)介紹。

（4）對(duì)于機(jī)械格柵、潛水?dāng)嚢杵鞯仍O(shè)備，本系統(tǒng)要求實(shí)現(xiàn)定時(shí)控制，通過(guò)程序?qū)崿F(xiàn)設(shè)備的定時(shí)運(yùn)行、定時(shí)停止、定時(shí)切換等自動(dòng)功能，在程序中使用了定時(shí)器和計(jì)時(shí)器，編寫(xiě)程序如圖12所示。

圖12 機(jī)械格柵定時(shí)運(yùn)行程序段

經(jīng)過(guò)以上工作，我們已經(jīng)把現(xiàn)場(chǎng)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)全部采集完成，并且把能夠保證醫(yī)療污水處理過(guò)程自動(dòng)穩(wěn)定運(yùn)行的各項(xiàng)聯(lián)鎖保護(hù)和邏輯在程序里逐條實(shí)現(xiàn)。通過(guò)對(duì)這些基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的處理和轉(zhuǎn)換生成最終上傳并錄入實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)中，具體過(guò)程這里不作詳細(xì)介紹。

接下來(lái)需要將PLC控制器采集和控制的數(shù)據(jù)在值班室監(jiān)控電腦進(jìn)行展示，首先我們要考慮使用何種通訊方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。PLC控制器支持多種通訊協(xié)議，根據(jù)實(shí)際情況我們可以做多種選擇。通過(guò)前面的方案最終確定使用串口協(xié)議，選擇控制器的Modbus映射功能，如圖13所示。

圖13 控制器Modbus映射

Modbus映射，將控制器作為從站，值班室電腦作為主站，控制器與電腦上位軟件之間進(jìn)行RS485通訊，將數(shù)據(jù)傳送至監(jiān)控電腦。

結(jié)束語(yǔ)：我國(guó)醫(yī)療水平高速發(fā)展，醫(yī)院建設(shè)也在大力發(fā)展，產(chǎn)生的醫(yī)療污水的處理至關(guān)重要，處理好污水，可以減少對(duì)城市的污染，也可以對(duì)達(dá)標(biāo)的水資源得到充分的回收利用，若處理過(guò)程存在缺陷，也能使得處理過(guò)程參與人員被感染的幾率大大增加，提高了病毒在城市中傳染的風(fēng)險(xiǎn)。

利用PLC控制器實(shí)現(xiàn)醫(yī)院醫(yī)療污水處理過(guò)程的自動(dòng)化，只要邏輯通順并且清晰，可以輕松完成目標(biāo)，且PLC控制器的編程自由度大，功能可開(kāi)發(fā)度高。

在PLC控制器的控制下，整個(gè)污水處理的過(guò)程相比傳統(tǒng)的人工控制而言，流程更加精細(xì)和嚴(yán)格，實(shí)時(shí)性強(qiáng)，并且也避免了處理過(guò)程的參與人員直接接觸醫(yī)療污水，起到了嚴(yán)密的隔離和保護(hù)的作用，同時(shí)在經(jīng)濟(jì)指數(shù)來(lái)看，節(jié)約了人員和車(chē)輛的投入，也符合綠色環(huán)保發(fā)展的理念，社會(huì)效益顯著。