基于FP-XC60R型PLC的污水处理远程监控系统

赵越

（黑龙江八一农垦大学，大庆163319）

随着城市人口的急剧增长和工业的不断发展，大量生活和工业污水未经处理流入江河湖海，使环境和饮用水被严重污染。因此，建立高度自动化的污水处理系统是解决水污染问题的有效途径，而现代计算机技术和控制技术的飞速发展，为控制技术在污水方面广泛应用，提供了必要的前提。如何使污水处理过程实现计算机检测、控制和管理，以实现高质量、低成本、稳定可靠的运行方式，成为建立高度自动化污水处理系统的关键性问题[1]。

目前，PLC在稳定性、高度自动化程度的不断发展和加强，使PLC成为城市污水处理自动化方面的首选。本文采用松下PLC的FP-XC60R可编程控制器和智能检测仪表组成下位机，实现对现场设备的监控。上位机软件实现整个系统参数的汇集和显示，能够实现画面监测、参数的设定和指令控制等功能[2]。该系统集DCS控制系统和科学管理于一体，具有控制性能优越、可靠性高、管理功能完善等优点。

1 污水处理工艺流程

城市污水主要是居民生活和工业企业所排放的，污水中含有大量的有机物，因此这种污水称为生化污水。这种污水的处理工艺是利用生物的吸附、氧化和分解作用来降解污水中的有机物含量，从而形成可以沉淀的污泥，达到净化水质的目的。

城市污水的处理工艺的简要流程如图1所示，污水依次流经粗格栅、进水泵房、细格栅、沉砂池、分配井、氧化沟和二沉池来实现污水的处理。其中各部分的主要功能如下[3]：

（1）粗格栅用于除掉污水中的污物和大块杂物，从而保护进水泵房中的提升泵。

（2）进水泵房用于将污水提升，其中提升泵实现了能量的转换。

（3）细格栅除去污水中的小杂物块。

（4）除砂机实现砂的筛除和处理，还有处理浮渣油脂等。

（5）沉砂池沉淀水中的污泥，用刮砂机收集污泥至污泥泵房。

（6）氧化沟为生化处理区，通过曝气供养，培养微生物大量繁殖，形成更多的活性污泥。

（7）二沉池彻底澄清污水，使泥水分离。

图1 污水处理工艺流程图Fig.1 Sewage treatment process flow diagram

2 系统软硬件配置与功能

2.1 PLC控制站硬件配置

PLC采用日本松下的FP-XC60R，根据系统要求，对PLC控制站进行硬件配置。污水处理的设备包括：进水泵、排污泵、栅格机、传送机、配电设备、各种检测仪表和传感器等。其中各种传感器主要完成测量集水池水位和栅格间水位，测量各个进水泵出口压力，以及测量进水泵出口流量等。这些设备都需要与PLC进行通信，而通信的信号包括数字量的输入、输出，模拟量的输入、输出[4]。

系统的硬件构成如图2所示。

图2 控制系统框图Fig.2 Control system frame

2.2 PLC控制站的控制方式与功能

系统运行的控制方式分为中央远程控制和就地控制两种，就地控制装置设置在控制设备附近，通过现场（自动/手动）开关切换到手动，由现场开关直接控制设备，或者对设备进行调试、维修。当现场（手动/自动）开关切换到自动，则生成中央远程控制方式，在这种方式下，由PLC按照预先编制的程序控制各类泵、风机等设备的开、停，切换各种工况状态，不需要人员的干预。每台设备和每种工况的运行情况可以由上位机进行监控，每种工况的运行时间及各种测量参数均可以在线或离线调整。现场的泵类、风机等信号通过PLC的控制转化在上位机显示[5]。因此，既能对设备开关量（如各类搅拌器、风机、泵类的开停）进行控制，又能对现场的模拟量（如污泥降解池内的溶解氧等）进行调节，通过计算机直接遥控现场设备，从而对系统的工艺、设备运行完成全面的监测和控制。

2.3 上位机监控系统的功能实现

上位机软件采用高级语言进行编写，如VB、delphi等。实现对系统所有参数、运行状态的显示、监测以及控制，其主要功能如下[6]：

（1）对软件设置口令保护，以免非操作人员进入系统或随意中断运行中的系统。

（2）通过键盘（或鼠标）直接控制现场设备，如启动或停止各类泵、风机、阀门等。

（3）提供工艺过程参数监测流程图，模拟量显示图、趋势图等动态画面显示，显示各主要设备运行时间参数和控制回路参数设置画面等。

（4）系统主要参数和报警信号登录。登录数据可供控制系统设计人员和工艺人员参考，以分析设备运行情况，提高系统的运行效率，从而进一步改进控制方案。当系统的设备出现故障及超越仪表设定值时闪烁报警，提醒操作人员采取相应措施，在保证生产安全的同时，尽快找出故障的原因，并给出解决问题的方法。

3 系统软件设计

系统软件设计的质量直接关系到系统控制质量和人员设备的安全，所以软件开发的可靠性、完善性对于用户来说是非常重要的。本系统用户软件分为下位机和上位机两部分，两部分之间通过无线通信模块进行数据通信，从而达到了数据的远程上传和控制指令的远程无线下达。

3.1 下位机程序

下位机PLC的用户程序设计是基于松下公司FP-X的编程工具FPWIN GR软件平台上完成硬件组态、地址和站址的分配以及用户程序的设计开发。FPWIN GR中文版软件提供了3种编程方式：符号梯形图方式、布尔梯形图方式和布尔式方式，本系统采用第一种方式进行程序设计。程序设计采用模块化的设计思想，根据所控设备的实际情况，可把污水处理流程分为若干个分流程，每个分流程对应一个功能块。把程序分成若干程序块，各程序块分别还有一些设备和任务程序指令，在主程序中将各种控制功能和通讯数据分别编写在不同的子程序中，主程序调用子程序完成预期的各种功能和任务[7]。主程序流程图如图3所示。

图3 主程序流程图Fig.3 Main program flowchart

3.2 上位机程序

上位机软件采用可视化的编程软件进行开发，软件能够实时的监控系统运行状况，并可以远程设定各种设备的运行参数，确保故障信息快速、准确的捕捉，提高系统运行的可靠性。根据系统要求，设计了以下几个主要界面[8]：

（1）弹出式主菜单 包括各个反应池总貌、历史趋势、实时趋势、报警记录、报警设定、参数表、帮助等功能选项。通过鼠标点击选项按钮，弹出相应的画面。各个画面之间可以自由切换，并都具有屏幕拷贝和打印输出的功能。

（2）趋势画面 实时趋势画面可以动态显示参数变化曲线，历史趋势画面可保留30 d的参数变化曲线，均可打印输出。

（3）总貌画面 实时、动态显示各个反应池的工艺参数、工艺流程和现场设备的运行状态。

（4）参数表画面 用以总览所有参数实测值及流量等的累计值。

（5）报警画面 在语音报警同时，弹出报警框，提示故障位置，并做历史记录。

（6）帮助画面 以图文并茂的形式为用户提供在线帮助。

3.3 远程无线通信程序

通过标准串口，将PLC与无线通信模块相连，由PLC程序完成通信协议的编写，在需要上传数据的时候，启动无线通信模块，完成数据的远程发送。上位机同样通过串口连接无线通信模块，完成数据的无线接收，由上位机软件完成接收数据的分解和破译，并把接收到的数据进行分析、计算和显示。

上位机与下位机之间的通信程序路程图[9]，如图4和图5所示，上位机和下位机操作与画面显示要保持同步，这是系统实现远程监控的一个关键性问题。

图4 下位机通信程序流程图Fig.4 Lower computer communication program flowchart

4 结论

采用PLC控制实现污水处理远程控制系统后，操作人员的工作量和劳动强度大大降低，改善了操作人员的工作环境。系统具有调试简单、操作方便、使用安全、运行可靠、污水处理效果好等优点，同时软硬件均采用模块化结构，方便了工程技术人员的安装、调试和维修。因此，把PLC技术加入污水处理控制系统中，简化了系统，提高了可靠性，取得了很好的社会效益、经济效益和环境效益。

图5 上位机通信程序流程图Fig.5 PC communication program flowchar

［1］王明军.基于PLC的污水泵站自动控制系统［J］.自动化技术与应用，2010，29（5）：115-117.

［2］王贵成，宋琳等，徐心如.一种基于PLC的远程监控系统的设计［J］.微计算机信息，2005，21（7-1）：116-117.

［3］黎一强.PLC技术在生活污水处理及回用系统中的应用［J］.自动化技术与应用，2008，27（8）：123-125.

［4］宋建成.可编程控制器原理与应用［M］.北京：科学出版社，1998.

［5］刘先春，李树臣，张洪林，等.PLC在污水处理控制系统中的应用［J］.工业仪表与自动化装置，2006（3）：49-51.

［6］牛健，李乃川，李喜东，等.基于PLC的污水处理控制系统［J］.自动化技术与应用，2010，29（5）：95-98.

［7］李金城.PLC在城市污水处理中的应用［J］.水工业应用，2005（1）：152-154，158.

［8］王玲.基于PLC的污水泵站远程监控系统设计［J］.应用技术，2010（9）：120-121.

［9］贾恩明，段建民.基于DSP和PLC的污水处理控制系统的通信设计与实现［J］.工业仪表与自动化装置，2006（4）：24-26.