浅议PLC在黄河净化水厂的优化设计

摘 要：PLC产品在净水厂中应用能够降低生产成本，稳定生产速度，提高供水质量。对净水厂的生产运行中自动化系统的选择进行优化设计，在应用上运行可靠，价格便宜，利于实现保护和故障诊断。提高水厂自动化水平，建立智能化、信息化、管控一体化的统一管理平台。

关键词：PLC；净水厂自动化；模块型；集中控制；现场总线

在全国经济建设飞速发展的带动下，人们生活条件也不断提升，提供优质可靠的自来水也成为净水厂的首要任务，尤其是兰州市城区的两次氨氮超标，严重地影响了全市人民的正常生活，出现了抢购矿泉水现象，给政府部门也带来了负面影响。这也促使新建的净水厂的生产必须提高自动化水平，提高安全可靠性，提高供水质量。

黄河水是典型的高浊度水质，在黄河流域众多净水厂也总结出了很多处理高浊度水的经验。但黄河水质随着工业和城市的发展而日益受污染严重，从而让净水厂的水处理工艺需要不断优化组合，同时对净水厂的生产运行中自动化系统的选择进行优化设计。

下面就PLC在黄河净水处理厂工业控制系统优化设计中的问题进行探讨。

1 净水厂PLC的选型优化

现在普遍使用的PLC可按其生产地域分为三大流派系：以德国西门子（SIEMENS）和法国TE公司为代表的欧洲产品系，以美国A-B公司和GE公司为代表的美国产品系，以日本三菱公司和欧姆龙（OMRON）公司为代表的日本产品系。欧洲和美国产品系以大中型PLC而著称，日本产品系则以小型PLC而颇具盛名。国产以和利时、上海新华和深圳汇川等公司为代表生产的微型PLC也已经比较成熟。

首先应先确定自动化系统选用PLC单机控制还是构成网络控制， PLC按结构形式可分为整体型和模块型两类。整体型PLC是将CPU、I/O、内存、电源部件全都集中装在一个机壳内。整体型PLC的I/O点数固定，因此用户选择的余地较小，多用于小型控制系统。模块型PLC则是将各部分分成若干个单独的模块，如电源模快、CPU模快、输入模快、输出模快等。模块型PLC提供多种I/O卡件或插卡，因此用户可较合理地选择和配置控制系统的I/O点数，功能扩展方便灵活，一般用于大中型控制系统。从净水厂改扩建的长远来看，提倡选择模块型PLC。AB公司的Control Logix系列、施耐德公司的Premium系列、德国倍福、万可等产品都在我公司已建黄河净水厂工程中选用过，其配置灵活，装配简单，维修方便。

其次，依据生产工艺的要求，分析被控对象的复杂程度，进行I/O点数和I/O点的类型（数字量、模拟量等）统计，列出清单。一般选择的PLC的控制点数要比统计点数多10%～20%。I/O模块的选择应考虑与应用要求的统一。例如对输入模块，应考虑信号电平、隔离、供电方式、传输距离等应用要求。对输出模块，应考虑选用的输出模块类型，通常有继电器、晶闸管和可控硅输出模块，继电器输出模块具有价格低、使用电压范围广、寿命短、响应时间较长等特点；晶闸管和可控硅输出模块适用于开关频繁，电感性低功率因数负荷场合，但价格较贵，过载能力较差。输出模块还有直流输出、交流输出和模拟量输出等，与应用要求应一致。选用不同的输出方式，对系统的稳定运行是很重要的。

再其次是PLC选型的两个重要指标：用户程序的存储容量与指令的执行速度。尽管各厂家的PLC产品大体相同，但也有一定区别。一般存储量越大、指令的执行速度越快的PLC产品价格就越高。存储器容量是可编程序控制器本身能提供的硬件存储单元大小，程序容量是存储器中用户应用项目使用的存储单元的大小，因此程序容量小于存储器容量。设计阶段，由于用户应用程序还未编制，因此，程序容量在设计阶段是未知的，需在程序调试之后才知道。为了设计选型时能对程序容量有一定估算，通常采用存储器容量的估算来替代。存储器内存容量的估算没有固定的公式，许多文献资料中给出了不同公式，大体上都是按数字量I/O点数的10～15倍，加上模拟I/O点数的100倍，以此数为内存的总字数（16位为一个字），另外再按此数的25%～30%考虑余量。PLC从实时性要求来看，处理速度应越快越好，处理速度与用户程序的长度、CPU处理速度、软件质量等有关。目前，PLC接点的响应快、速度高，因此能适应控制要求高、相应要求快的应用需要。

2 输入、输出回路的优化设计

一般PLC的供电电源应优先设计选用220V AC电源，与国内电网电压一致。重要的应用场合，应采用不间断电源或稳压电源供电。为了抗干扰，应加装电源净化元件（如电源滤波器、1：1隔离变压器等）。如果PLC本身带有可使用电源（一般都有DC24V电源，只有几十毫安至几百毫安）时，应先核对所提供的电流能否满足应用要求，否则应设计外接供电电源。为防止外部高压电源因误操作而引入PLC，对输人和输出信号的隔离是必要的，有時也可采用简单的二极管或熔丝管隔离。为了安全可靠，开关量多用小型中间继电器隔离，模拟量选用专用隔离模块。

3 控制功能的优化设计

PLC主要用于顺序逻辑控制，常规PLC的控制功能还包括比值控制运算、前馈补偿控制运算、PID控制运算等，应根据其控制要求确定。大多数场合常采用单回路或多回路控制器解决模拟量的控制，有时也采用专用的智能输人输出单元完成所需的控制功能，提高PLC的处理速度和节省存储器容量。例如采用高速计数器、PID控制单元等。当前净水厂自动化应用的最多的是PC+PLC组成的控制系统，系统中一般由一个监控中心（中心控制站）、多个现场控制站（子站）和仪表、各类执行器构成三级控制网络，多数黄河净水厂的现场控制站分为取水泵站、加药加氯站、澄清排泥站、气浮过滤池站、反冲洗站、清水泵站、污泥脱水机房站和变配电站。主站与子站之间要传递监控的参数，如进出水浊度和流量、集泥池泥位、清水池液位、出水余氯等，并且由中控室的PC集中控制。

4 通信功能的优化设计

PC和PLC之间的数据通信要求是稳定、实时、可靠。大中型PLC系统都应支持多种工业现场总线和标准通信协议（如TCP/IP），需要时应能与工厂管理网（TCP/IP）相连接。通信协议应符合ISO/IEEE通信标准，应是开放的通信网络。净水厂要根据自身的设备仪表和远期的扩展，从而有侧重地选定PLC通讯模块。通信网络优先选择易于扩展、连接、发展成熟的工业以太网，通过标准开放的TCP/IP协议、百兆甚至千兆快速以太网，将各种弱电系统（闭路电视监控系统、周界红外报警系统、门禁系统等）和控制设备无缝连接起来，实现数据的高速传输和实时控制。

5 结束语

实现净水厂电气自动化是为了确保出水水质达到国家规定的标准，同时提高管理及操作人员的劳动生产率，降低能源及物料的消耗。选择PLC时，应考虑性能价格比。考虑经济性时，应同时考虑应用的可扩展性、可操作性、投入产出比等因素，进行比较和兼顾，最终选出较满意的产品。

参考文献

[1]机械电子工业部天津电气传动设计研究所.电气传动自动化技术手册（第二版）[M].北京：机械工业出版社，2005.

[2]中国市政工程中南设计研究院.给水排水设计手册第8册电气与自控（第二版）[M].北京：中国建筑工业出版社，2002.

作者简介：贾柏林（1972-），男，汉族，甘肃陇西人，工作单位：甘肃金桥水科技（集团）股份有限公司，研究方向：电气工程及自动化。