PLC在自来水厂自动化系统中的应用

李文峰

摘 要：近年来，随着我国科学技术水平不断提升，越来越多行业开始注重科技发展，尝试应用科学技术手段来改善工作方式，提升工作效率。其中自动化技术被应用到越来越多的领域，大部分自来水厂的以人工操作为主的管理系统逐渐被自动化系统所取代，并且自来水厂还对自动化系统进行不断完善，而PLC技术将在自动化系统中发挥着不可忽视的作用。由此，本文主要对PLC技术在自来水厂自动化系统中的应用进行分析。

关键词：PLC;自来水厂;自动化系统

中图分类号：TP273;TU991.62 文献标识码：A 文章编号：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

随着城市化进程不断加快，自来水管的覆盖面积也越来越广泛，与此同时人们对水资源的需求也在逐渐增加。因此，如何确保水资源的合理分配和利用成为当前我国自来水厂重点研究的问题。而结合科学技术手段，应用自动化系统对自来水厂的运转进行管理，不仅能提高工作效率，而且能保证水资源的合理分配。当前，越来越多的自来水厂选择采用PLC技术对自来水厂自动化系统进行管理，力求在更大程度上提高系统的工作效率和稳定性。

1 PLC技术概述

1.1 PLC技术的概念

PLC技术的中文全称为可编程逻辑控制器，是一种以计算机技术为基础，安装在各种机械系统以及机电设备中，通过计算机接收指令并下达指令后应用微处理器对所属设备进行自动化控制和操作的控制器。可编程逻辑控制器由中央处理器、内存设备、接口、电源及数字模拟转换器这五个主要元件组成[1]。其中，中央处理器简称CPU，主要负责对PLC所控制的机械设备编辑逻辑顺序，在逻辑顺序编辑完成后先存储到内存设备中，再通过存储设备向所控制的机械设备发送逻辑顺序，当控制系统接收到逻辑顺序后会应用数字模拟转换器对逻辑顺序进行解码，最后执行命令。图1为PLC系统工作流程。

1.2 PLC技术的特点

当前，PLC被应用到越來越多的自动化系统中。通过应用PLC，这些系统的自动化、智能化程度更高，并且其稳定性也得到进一步提升。通过对PLC的进一步研究发现，PLC主要具备六大特点。

1.2.1 可靠性高。PLC采用微型处理器进行集中输出的工作方式使得自动化系统的抗干扰能力较强。

1.2.2 编程容易。应用PLC进行编程十分简便，这是因为PLC在进行编程时大部分采用继电器控制梯形图，因此使PLC编辑的命令要少于微型机的指令。在应用PLC技术进行编程操控机械设备时，工作人员甚至不需要具备过多的计算机专业知识就可以进行操作。

1.2.3 组态灵活。PLC所采用的结构为积木搭建式结构，因此使用人员只需要将PLC与控制系统进行简单组合，便可以完成对系统的自动化控制，可以说PLC受限范围较小。

1.2.4 输入和输出功能模块齐全。输入和输出功能模块齐全这一特点也是PLC技术最具价值的特点。由于PLC系统多应用于生产厂房及工业机械中，因此，PLC在设计时就考虑到了使用环境的因素，不论是哪一种信号，都有相对应的模板或者器件进行连接，从而完成与中央处理器的连接[2]。

1.2.5 安装方便。传统的控制系统多由大型计算机或者是计算机机组构成，因此对工作环境要求较高，不仅需要具备屏蔽外界干扰源的措施，同时还需要大面积的工作场地，而这导致控制系统的组装十分烦琐。而PLC对工作环境要求较低，由于不受过多因素限制，使得其安装十分方便。

1.2.6 运行速度快。PLC最后一个特点是运行速度快。由于PLC工作状态主要是依靠程序指令执行的，因此PLC的运行速度要快于任意一种继电器逻辑控制。

2 自来水厂的自动化系统组成

根据自来水厂的工作生产流程，可以将自来水厂中的自动化系统分为四个工作站，这四个工作站分别是水源站、投药站、过滤站及送水泵站。将这四个主要工作站归纳到自动化控制系统中，由PLC进行操控，并且基于PLC建立主控室对整个系统下发指令进行统一管理。

水资源和电力资源都是人们生活中不可或缺的资源，因此，自来水厂和电厂都与人们的生活息息相关，但自来水厂的工作生产与电厂大不相同，自来水厂不仅生产工序较多，且每一道生产工序中都会应用到大量的机械设备及化学药剂。除此之外，采用PLC对自来水厂自动化系统进行操控时，由于生产工序较多，导致在生产过程中PLC所采集的生产数据量过大，在整个系统中，仅数字量就达到三千路以上的输出量，而在模拟量的输入输出中会超出一千路[3]。自来水厂的生产工作需要连续不间断。为了确保人们能随时应用水资源，自来水厂要最大限度上降低自动化系统的事故发生率。此外，自来水厂的规模由水源的多少来决定，因此这就导致一个城市可能出现多个自来水厂进行水资源供应，在给排水管道设计时，还要确保不同的自来水厂供水管道相互连接，以保证某一自来水厂发生故障无法生产水资源或者是水资源供应量不足时其他自来水厂能进行紧急供应[4]。这种情况使得自来水管的分布面积过大且过于密集，而地表上的自来水供应设备较为分散，从而导致自来水厂的控制系统在送水阶段不利于管理。

基于这一情况，本文所要探讨的PLC技术在自动化系统中的应用可以选择上位机与下位机相连接进行互传命令的方式，确保分散的自来水设备能通过这一方式进行连接，从而构成地表上的自来水设备管理网络。在系统建设中，上位机的主要任务是对自来水设备周边环境信息进行采集，并且将采集信息传输回CPU主机中，通过上位机向CPU主机发送位置信息。而下位机的作用则是与自来水设备进行连接，并接收来自上位机所传达的工作指令，将工作指令转换成数字信号后进行处理，使自来水设备进行工作[5]。

3 系统网络结构

在自来水厂控制系统中所应用的PLC自控系统的网络结构为以太网和两层FIPWAY双绞网络，这两种网络的速度分别是10 MB/s和1 MB/s。其中，在主控室中主要负责下达工作命令的主机由网速较快的以太网连接，通过以太网完成对PLC控制系统的监控。而主机和PLC系统所构成的网络为FIPWAY网络。FIPWAY网络的主要作用是将主机下达的信息传输给各个PLC控制系统的接收端。通过两种网络的连接，能将系统的工作任务详细化，从而实现系统分工明确的目的，并且在整个系统中通过两种网络的连接能够确保PLC控制系统运行的稳定性，避免系统运行中受外界因素干扰导致瘫痪的问题出现。

4 系统功能

在应用PLC后，可以对自来水厂的自动化系统进行操控，从而实现整个自来水厂无人值守的工作状态，既能大幅度提升工作效率，还能最大程度上节省劳动力。工作人员只需要对PLC编辑逻辑命令，并通过PLC向自来水厂中的设备下达命令即可。除此之外，还会定期对自来水厂中的自动化控制系统及各种设备进行故障检测，防止发生故障而影响工作效率。

对于PLC控制下的自来水厂来水，主控室是主要的办公地点。主控室的主要工作任务是对自来水厂中各个设备系统的工作状态进行监控，并为工作人员提供手动操作界面，避免当PLC发生故障时工作人员无法在第一时间解决故障而使自来水厂陷入瘫痪状态。除此之外，还可以应用PLC中的存储器对工作流程及工作状态进行记录，当自来水厂中的设备所生产的水资源质量不达标时，可以查看存储器中的数据进行核对，从而在最短时间内解决相应问题[6]。

5 对PLC控制系统各个分站的讨论

在讨论完PLC系统的组成与功能等问题后，将对PLC控制系统中取水泵站、加药加氯站、公共冲洗站及送水泵站这四个分站逐一进行讨论。

5.1 取水泵站

取水泵站的主要任务是采取原水，除此之外，还要对所采集的原水的各项参数进行检测。因此，取水泵站中的PLC控制系统在采集完原水后，需要对原水的pH值、温度、流量进行初步检测，对比标准原水参数，通过对比结果决定是否可以进入自来水厂。其次，PLC控制系统还要实现对进水阀开合的控制，当采集的原水量达到水位线时，则向进水阀发出闭合的指令。最后，在取水泵站中的PLC系统还需要实现对自来水厂各种自动化设备运行參数的监控，并将参数结果传回主控室的主机中。

5.2 加药加氯站

加药加氯是自来水厂中最为重要的环节，药品投放量决定了自来水水质，因此，加药加氯站中PLC控制系统的主要任务是对加药泵进行控制，并对加药泵的工作状态进行监控。同时，对被加入药品的水质进行测量，检测水体的pH值、药品含量及余氯值等。当水体中的各项参数即将达到系统设定的标准时，主机便向加药加氯站的PLC控制系统发出停止投放药品的工作指令。此外，加氯控制系统中还包括氯气气源的自动切换漏气自动报警和控制装置。

5.3 公共冲洗站

在公共冲洗站中，主要将PLC系统分为公共冲洗PLC主站以及各过滤池PLC子站。在公共冲洗主站中，主要是对冲洗设备及旁路阀进行控制，当冲洗泵接收到主机下达的工作指令后，立即开启阀门、水泵并连接上冲洗泵，开始执行工作命令。而对于各个过滤池PLC子站则要求在执行冲洗任务时，能对滤池中的水位进行检测，当水位高出或者低于相应的界限时发出警报，并将警报信息传输回主机中，从而触发主机停止工作的命令，最后关闭冲洗泵、阀门。

5.4 送水泵站

送水泵站中的PLC系统工作任务较为简单，即对质量符合标准的水资源进行输送，在输送过程中PLC系统主要对送水泵站中的机械设备进行自动化操控和控制，最后完成自来水厂整个工作程序。

6 PLC在自来水厂自动化系统中的应用

6.1 统一选择机型

尽管PLC能适用于各种机械设备的自动化控制中，但要想有效发挥PLC的价值，还需要严格选择机型，并且所选机械最后进行统一。在选择应用于自来水厂自动化控制系统中的PLC时，首先要查看所选择的机型是否有保障条款，并且要检测所选型号的稳定性。这主要是因为自来水厂与市民生活息息相关，因此必须确保PLC的稳定性。除此之外，自来水厂的工序主要分为混凝、沉淀沉降物、过滤水中杂质、消毒及自来水储存这五道工序，并且每一道工序都需要采用PLC进行自动化控制。为了方便控制管理，所选择的PLC机型需要保证是同一生产厂家或者是同一型号[7]。

6.2 根据输入和输出进行选择

根据自来水厂五道工序，可以将自来水厂中主要应用到的设备进行归纳，蓄水池主要分为反应池、沉淀池、过滤池及蓄水池四种;而净水、蓄水设备主要有加氯机、空气压缩机、鼓风机、投药设备、阀门及各种水泵。这些设备都属于自动化系统中的一部分，因此都需要经过PLC控制进行工作。而在选择PLC时，需要考虑输入和输出点数。由于PLC的输入和输出点数不会被改变，因此，在将这些设备与PLC连接时，可以通过PLC的CPU进行随意使用，并且能够根据不同的设备参数进行相应调整和变动。除此之外，不但需要注意输入和输出点的数量，还要对输入和输出信号的性质参数进行设定。既要保证设备的输入和输出性质参数准确，同时还要注意输入和输出端口的负载特点。比如，过滤池内的酸碱计、清水池内的余氯计是输出型电压还是输入性电压;自来水厂中阻断各个净水环节的阀门是模拟量还是开关量[8]。

6.3 根据存储器容量进行选择

存储器的作用主要是存储用户所编辑完成的逻辑程序。在为自来水厂的自动化系统选择PLC时，还需要考虑存储器的容量。通常来说，计算机内部的存储单位由小到大可分为KB、MB、GB以及TB这四种，而基于计算机技术的PLC主要以字为单位，因此，在编辑逻辑程序时，会受到PLC存储器的限制。由于自来水厂的自动化系统操作程序过大，因此，把PLC应用到自来水厂的自动化系统中，就需要对PLC存储器的剩余容量进行把控，工作人员可以通过估算法对剩余存储容量进行预估，即通过模拟量控制公式及多路采样控制公式进行估算。除此之外，工作人员还可以采用以节点数计算的形式对PLC存储器的剩余容量进行计算。

6.4 根据通信要求进行选择

通信选择是决定PLC工作状态的重要环节，因此在选择PLC时，需要考虑到PLC的通信方式。在自来水厂自动化系统的控制中，主要应用由工业电脑与PLC组成自动化控制系统。工业电脑融合IT技术，将控制系统与电控设备及变频器连接起来进行工作。其中，在该系统中按照不同工作任务的蓄水池将PLC划分到抽水站、加料站、过滤池及送水站中，并且每一个站点通过预先设定好的参数进行控制，如抽水站的抽水量、加料站的药剂投放量等。除此之外，为了提高自动化系统的自动化程度和集中程度，需要建立中控室对整个自动化控制系统进行集中控制，在整个自动化控制系统中加装系统运行监测设备，对系统的运行进行实时监测，从而确保系统能正常执行命令。在该过程中，自来水厂需要根据厂内设备、投入资金、厂内的通信路线选择通信网络，如以太网、ASI等。

7 结语

随着PLC的不断完善与成熟，当前在自来水厂中应用PLC进行控制管理已经成为未来必然的发展趋势。应用PLC能提高系统的抗干扰能力，还能快速传达信息指令，对自来水厂的良好发展起到至关重要的作用。

参考文献：

[1]王文云.自来水厂水处理自动化控制系统研究[D].南昌：南昌航空大学，2018.

[2]温晓峰.刍议PLC在自来水厂自动化系统中的运用[J].电脑与电信，2016（Z1）：101-103.

[3]朱志辉.自来水厂PLC自动控制系统的应用[J].科技与创新，2016（7）：96-97.

[4]梁超.自動化控制系统在自来水厂节能降耗中的应用[J].价值工程，2017（8）：140-142.

[5]周晨涛.PLC在自来水厂自动化控制系统中的应用[J].现代制造技术与装备，2017（2）：167-168.

[6]肖尧.浅谈现代自来水厂自动化控制系统的应用[J].技术与市场，2017（5）：141-142.

[7]曾德鹏.PLC在自来水厂自动化控制系统中的应用[J].现代物业（中旬刊），2018（4）：32.

[8]容得宇.自动化控制系统在自来水厂节能降耗中的应用[J].中国高新技术企业，2015（14）：99-101.