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        PLC 支持下的云平臺(tái)污水處理控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路

        2022-05-26 02:12:08李艷和
        電子制作 2022年8期
        關(guān)鍵詞:組態(tài)污水處理污水

        李艷和

        (北京中交紫光科技有限公司,北京,100088)

        1 工程概況

        同常規(guī)性城市污水處理廠一樣,某地區(qū)污水處理廠所開(kāi)發(fā)的自動(dòng)化控制系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制、數(shù)據(jù)采集功能。由于該項(xiàng)目具備一定的特殊性,開(kāi)發(fā)資金使用的是國(guó)債資金,開(kāi)發(fā)成本受到一定的限制,必須要保證自動(dòng)控制系統(tǒng)具備耐用性、實(shí)用性以及夠用性原則。此次研發(fā)的自動(dòng)控制系統(tǒng)大致可細(xì)分為三個(gè)結(jié)構(gòu)層:現(xiàn)場(chǎng)控制層、遠(yuǎn)程監(jiān)控層以及集中控制層。

        其中,現(xiàn)場(chǎng)控制層主要是涵蓋各種機(jī)械設(shè)備,例如,傳感器、控制箱、操作箱、探測(cè)儀器等相關(guān)設(shè)備?,F(xiàn)場(chǎng)控制層主要是針對(duì)于污水處理的具體工藝以及整個(gè)處理過(guò)程,屬于是底層控制層,同時(shí)也是優(yōu)先級(jí)別最高的一個(gè)控制層?,F(xiàn)場(chǎng)控制層主要是采集各機(jī)械設(shè)備運(yùn)行的狀態(tài),利用傳感器將收集到的設(shè)備狀態(tài)信息傳輸給集中控制層,集中控制層會(huì)向現(xiàn)場(chǎng)控制層發(fā)出信號(hào)指令,現(xiàn)場(chǎng)控制層在接受到信號(hào)指令以后采取相應(yīng)的控制措施。

        2 污水處理控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

        ■2.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

        數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的硬件設(shè)備構(gòu)成比較簡(jiǎn)單,主要是由西門子接口模塊、S7-1500PLC、模塊組。本地化數(shù)據(jù)采集可以使用profinet 總線形式,采用分布式自動(dòng)化,同時(shí)配備傳感器完成數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集,見(jiàn)圖1。

        圖1 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)圖

        2.1.1 系統(tǒng)硬件

        硬件組態(tài)是完成一個(gè)項(xiàng)目的第一步,硬件組態(tài)通過(guò)Step7 軟件進(jìn)行。所謂硬件組態(tài),即模擬真實(shí)的PLC 硬件系統(tǒng),將CPU、電源和信號(hào)模塊等設(shè)備安裝到相應(yīng)的機(jī)架上,并對(duì)PLC 硬件模塊的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置和修改的過(guò)程。當(dāng)用戶需要修改模塊的參數(shù)或地址需要設(shè)置網(wǎng)絡(luò)通訊,或者需要將分布式外設(shè)連接到主站的時(shí)候,都要進(jìn)行硬件組態(tài)。

        在硬件組態(tài)時(shí),首先創(chuàng)建項(xiàng)目,利用程序中的導(dǎo)向功能可方便創(chuàng)建項(xiàng)目:打開(kāi)【SIMMIC Manager】,在【File】菜單下單擊【New Projectwizard】,然后分別選擇CPU、編程語(yǔ)言、需要的OB 塊,再給項(xiàng)目起名字,接著通過(guò)【Hardware】進(jìn)入硬件組態(tài)。

        硬件組態(tài)詳細(xì)的順序可參看SIEMENS相關(guān)資料和教程,此處不再贅述。但需要注意的是,每個(gè)模板有各自的位置,如1#槽為電源模板,2#槽CPU模塊,3#槽放置接口模塊(如IM361、360 和365 等),4#w-11#槽才可以放置功能模板、輸入輸出模板等,最多可放置8 個(gè)信號(hào)模塊、功能模塊或通信模塊,如違反規(guī)則則模板無(wú)法放置。

        (1)西門子S7-1500。這種PLC 構(gòu)件自身的性能比較強(qiáng)大,屬于是模塊化結(jié)構(gòu),可以迅速的響應(yīng)系統(tǒng)的指令,對(duì)系統(tǒng)的控制性能進(jìn)行優(yōu)化,大幅度的提高系統(tǒng)的運(yùn)行效率。相較之S7-300PLC 而言,西門子S7-1500 的聯(lián)網(wǎng)性能更為突出,處理數(shù)據(jù)的速度更快,可以實(shí)現(xiàn)分布式管理,由于西門子S7-1500 自身具備諸多的優(yōu)勢(shì),所以可以在工業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)中獲得廣泛的應(yīng)用。假若在西門子S7-1500 中加設(shè)ET200M 模塊則可以豐富該構(gòu)件的功能,實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互、網(wǎng)絡(luò)通信等功能。

        (2)MATT 系列智能網(wǎng)關(guān)。這種網(wǎng)關(guān)屬于是現(xiàn)代化先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)智能設(shè)備,其可以采集工業(yè)生產(chǎn)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài),同時(shí)將自身與云平臺(tái)進(jìn)行連接。MQTT 系列智能網(wǎng)關(guān)的功能主要是包括:數(shù)據(jù)采集、邊緣計(jì)算、無(wú)線網(wǎng)傳輸、協(xié)議解析等。

        2.1.2 軟件介紹

        利用WinCC 實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目開(kāi)發(fā),先創(chuàng)建一個(gè)項(xiàng)目:?jiǎn)螕簟疚募俊拘陆ā?,選定單用戶項(xiàng)目,輸入項(xiàng)目名稱,保存即可。

        項(xiàng)目建立之后進(jìn)行數(shù)據(jù)鏈接,建立WinCC 與SIMATTC PLC 的數(shù)據(jù)通訊。WinCC 提了一個(gè)稱為SIMATIC S7 Protocol Suite 的通訊驅(qū)動(dòng)程序。此通訊驅(qū)動(dòng)程序支持多種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和類型,通過(guò)它的通道單元提供與各種SIMATTC S7-300 和s7-400PLC 的通訊。數(shù)據(jù)鏈接建立以后,利用變量管理器設(shè)計(jì)程序中可能用到的變量。然后利用圖形編輯器根據(jù)工藝流程和控制要求編輯監(jiān)控畫(huà)面,并將其中的畫(huà)面對(duì)象和數(shù)據(jù)鏈接。winCC 提供多種鏈接方式,如c 語(yǔ)言程序、標(biāo)簽鏈接、動(dòng)態(tài)對(duì)話框、事件觸發(fā)等,最后完成報(bào)表的設(shè)計(jì)以及報(bào)警變量的設(shè)計(jì)等。

        (1)TIA 博途。TIA 博途是西門子集團(tuán)所研發(fā)出來(lái)的一款新型高集成度自動(dòng)化軟件。該軟件基本上都自動(dòng)完成系統(tǒng)內(nèi)的所有日內(nèi)瓦。借助該軟件可以迅速的訪問(wèn)自動(dòng)化系統(tǒng)、開(kāi)發(fā)系統(tǒng),對(duì)系統(tǒng)功能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。直接通過(guò)本地連接方式訪問(wèn)TIA 博途軟件,可以有效的降低軟件后期維護(hù)成本,不需要編程轉(zhuǎn)固執(zhí),直接現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行維護(hù)升級(jí),對(duì)硬件設(shè)備進(jìn)行安全訪問(wèn)。

        (2)Node-RED 軟件。Node-RED 為開(kāi)發(fā)人員提供一個(gè)功能強(qiáng)大的編輯器,但是該編輯器是以瀏覽器作為基礎(chǔ)而存在,可以巧妙的借助調(diào)色板將節(jié)點(diǎn)連接為一個(gè)整體,利用節(jié)點(diǎn)來(lái)執(zhí)行具體的部署任務(wù)。開(kāi)發(fā)人員使用Node-RED 將各個(gè)處理節(jié)點(diǎn)連接在一起,建立出標(biāo)準(zhǔn)處理流程對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,控制事物、發(fā)送警報(bào)。

        (3)MATT 協(xié)議。MQTT 協(xié)議量級(jí)比較輕,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,開(kāi)放程度高,操作性不強(qiáng),這一系列的優(yōu)勢(shì)促使MQTT 協(xié)議獲得廣泛的運(yùn)用。例如智能化家電、通信傳感器、醫(yī)療設(shè)備等等。

        2.1.3 數(shù)據(jù)采集與傳輸

        數(shù)據(jù)丟失通常是現(xiàn)場(chǎng)控制層在收集、傳輸數(shù)據(jù)過(guò)程中所表現(xiàn)出來(lái)的問(wèn)題,該問(wèn)題是系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中的關(guān)鍵性問(wèn)題。這種問(wèn)題出現(xiàn)的原因由于數(shù)據(jù)采集與非實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)在處理數(shù)據(jù)時(shí)存在一定的時(shí)間偏差,促使數(shù)據(jù)丟失。在對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí),應(yīng)該保證采集硬件設(shè)備自身附帶存儲(chǔ)或是緩存功能,同時(shí)具備短期內(nèi)數(shù)據(jù)采集功能,良好的解決數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)處理之間所產(chǎn)生的時(shí)間偏差問(wèn)題。

        污水處理自動(dòng)控制系統(tǒng)的核心功能是污水處理數(shù)據(jù)采集與傳輸。系統(tǒng)借助PLC 組件與傳感器構(gòu)件對(duì)污水處理過(guò)程中各個(gè)運(yùn)行設(shè)備的工作狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集,然后利用智能化網(wǎng)關(guān)將所采集到的數(shù)據(jù)信息傳輸至服務(wù)器,由系統(tǒng)根據(jù)獲取到的數(shù)據(jù)信息采取合理的遠(yuǎn)程操控。首先,需要保證PLC 組件與智能網(wǎng)關(guān)線路連接正確,在本地服務(wù)器或云平臺(tái)中配置合理的技術(shù)參數(shù),當(dāng)技術(shù)參數(shù)配置完成以后,利用Node-RED 軟件訪問(wèn)Web 網(wǎng)頁(yè),系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)配置MQTT 協(xié)議的技術(shù)參數(shù),在MQTT 協(xié)議的狀態(tài)調(diào)整合適以后,開(kāi)始添加PLC 組件的信息、采集參數(shù)、采集周期等相關(guān)數(shù)據(jù)信息。以上就是數(shù)據(jù)采集、傳輸?shù)那捌谠O(shè)置流程,在設(shè)置完成以后系統(tǒng)則可以自動(dòng)開(kāi)始采集數(shù)據(jù)。

        ■2.2 MBR 膜單元功能設(shè)計(jì)

        污水處理控制系統(tǒng)所控制的對(duì)象是MBR 膜中水處理裝置,具備的控制流程為:使用水泵將污水排放至反應(yīng)器內(nèi),經(jīng)過(guò)反應(yīng)器的初步處理,將污水中的大顆粒污染物清除,然后將經(jīng)過(guò)預(yù)處理的污水排放至MBR 反應(yīng)室中,MBR 反應(yīng)室中的膜會(huì)將污水進(jìn)行過(guò)濾,并將污水中的微生物通過(guò)降解反應(yīng)清除,利用吸泵將污水排入中水箱,利用膜池內(nèi)的清洗系統(tǒng)、吹掃系統(tǒng)、排空系統(tǒng)漿污染物與污染物進(jìn)行分離處理,由此可以獲得排放合格的水[1]。膜單元功能設(shè)計(jì)圖如圖2 所示。

        圖2 膜單元功能設(shè)計(jì)圖

        ■2.3 PLC 程序設(shè)計(jì)

        控制系統(tǒng)的程序編碼應(yīng)該結(jié)合污水處理的需求進(jìn)行,開(kāi)發(fā)人員使用TIA Portal V16 軟件進(jìn)行編寫(xiě)。此外,開(kāi)發(fā)人員還應(yīng)該在PLC 構(gòu)件上搭建膜控制程序數(shù)據(jù)采集模塊,并將模塊的地址進(jìn)行記錄。

        ■2.4 控制系統(tǒng)硬件組成

        污水處理控制系統(tǒng)的硬件設(shè)備構(gòu)成比較簡(jiǎn)單,主要是由PLC 組件、控制電源、繼電器、傳感器等多個(gè)構(gòu)件組成。結(jié)合膜池控制系統(tǒng)的具體要求來(lái)看,合理的確定出PLC 構(gòu)件的輸出量、輸入量以及開(kāi)關(guān)量。在啟動(dòng)MBR膜控制系統(tǒng)之前,應(yīng)該將水表、空壓機(jī)、鼓風(fēng)機(jī)等裝置的開(kāi)關(guān)與遠(yuǎn)程控制側(cè)進(jìn)行連接,并將膜單元通電,然后將控制閥門與遠(yuǎn)程控制側(cè)進(jìn)行連接;啟動(dòng)膜系統(tǒng),提前設(shè)置好控制儀表的壓力值,確?;亓髑幱谧詣?dòng)狀態(tài)。進(jìn)一步來(lái)看,膜控制系統(tǒng)預(yù)留50 個(gè)輸入單口、21 個(gè)輸出端口,將S7-1500 PLC 作為主控單元,加設(shè)I/O 模塊。

        ■2.5 膜處理程序設(shè)計(jì)

        結(jié)合污水處理的實(shí)際需求來(lái)看,結(jié)合MBR 處理方法的原理與流程來(lái)對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì),保證設(shè)計(jì)活動(dòng)的合理性?,F(xiàn)階段,我國(guó)的污水處理技術(shù)越來(lái)越先進(jìn),同時(shí)趨向于智能化、復(fù)雜化的趨勢(shì)發(fā)展,在這個(gè)過(guò)程中污水處理的要求也在不斷發(fā)生變化[2]。

        自動(dòng)控制系統(tǒng)初始化完成以后,立即打開(kāi)電磁閥X1,結(jié)合膜處理的需求,合理的設(shè)置延遲時(shí)間,然后使用傳感器來(lái)檢測(cè)池內(nèi)的真空度,以此來(lái)確定池內(nèi)的真空度是否達(dá)標(biāo)。根據(jù)檢測(cè)結(jié)果采取合理的措施,即若檢測(cè)不合格,則應(yīng)該啟動(dòng)水泵Y1,合理的設(shè)置延遲時(shí)間,再次進(jìn)行檢測(cè),判斷1#,2#管路是否故障,將其作為依據(jù)來(lái)判斷水表的開(kāi)關(guān)狀態(tài)。膜池控制邏輯流程圖如圖3 所示。

        圖3 膜池控制邏輯流程圖

        3 污水處理數(shù)據(jù)傳輸

        ■3.1 數(shù)據(jù)傳輸實(shí)驗(yàn)

        數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸應(yīng)該具備連續(xù)性與實(shí)時(shí)性,盡可能避免出現(xiàn)傳輸過(guò)程中中斷現(xiàn)象,假若出現(xiàn)數(shù)據(jù)采集或是數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^(guò)程中出現(xiàn)中斷,有一定的可能性會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失現(xiàn)象。

        當(dāng)數(shù)據(jù)傳輸通信處于正常狀態(tài)以后,那么則可以將數(shù)據(jù)傳輸至本地服務(wù)器或是云平臺(tái)中。圖4 中展示的信息為污水生產(chǎn)曲線,通過(guò)該曲線可以直觀的了解污水生產(chǎn)的具體情況。管理人員可以不受時(shí)間、空間的限制隨時(shí)通過(guò)Web 頁(yè)面瀏覽污水處理設(shè)備運(yùn)行的狀態(tài)。結(jié)合實(shí)際情況而言,在實(shí)際運(yùn)行的過(guò)程中設(shè)備可能會(huì)出現(xiàn)故障,如何有效的保證系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中,數(shù)據(jù)不會(huì)出現(xiàn)丟失,是系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中所應(yīng)該關(guān)注的重要問(wèn)題之一。假若數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^(guò)程中因網(wǎng)絡(luò)堵塞促使數(shù)據(jù)出現(xiàn)丟失現(xiàn)象時(shí),則可以使用MQTT 協(xié)議完成數(shù)據(jù)傳輸任務(wù),以保證數(shù)據(jù)順利發(fā)送至指定位置[3]。

        圖4 生產(chǎn)曲線

        ■3.2 傳輸性能實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

        本地服務(wù)器與云端之間的差異主要是體現(xiàn)在對(duì)數(shù)據(jù)的響應(yīng)速度。

        對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證,使用MQTT 協(xié)議完成數(shù)據(jù)傳輸,同時(shí)向本地服務(wù)器與云端發(fā)送相同大小的數(shù)據(jù)包,對(duì)比二者之間的傳輸效率。設(shè)計(jì)人員應(yīng)該將數(shù)據(jù)包發(fā)送至本地服務(wù)器的時(shí)間與數(shù)據(jù)包發(fā)送至云端的時(shí)間進(jìn)行對(duì)比分析,結(jié)合對(duì)比結(jié)果來(lái)看,數(shù)據(jù)包發(fā)送至本地服務(wù)器的時(shí)間與數(shù)據(jù)包發(fā)送至云端的時(shí)間相差0.8s,這個(gè)時(shí)間差在智能化控制遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸活動(dòng)中是允許存在的。通過(guò)數(shù)據(jù)傳輸性能試驗(yàn)對(duì)比分析以后,有力的論證出云平臺(tái)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的性能明顯的強(qiáng)于本地服務(wù)器的性能。傳輸性能對(duì)比圖如圖5 所示。

        圖5 傳輸性能對(duì)比圖

        4 結(jié)語(yǔ)

        近年來(lái),我國(guó)的信息通信技術(shù)飛速發(fā)展,將現(xiàn)代化先進(jìn)的互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用在工業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)中是未來(lái)社會(huì)發(fā)展過(guò)程中的必然趨勢(shì)。本文以某市污水處理廠的污水處理數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)作為研究對(duì)象,提取污水處理廠的技術(shù)參數(shù)(pH 值、SS 懸浮物等等),管理人員可以通過(guò)智能移動(dòng)端或是電腦端查看具體的數(shù)據(jù)信息,實(shí)現(xiàn)對(duì)污水處理遠(yuǎn)程操控。

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