利用PLC控制器实现医疗污水处理过程自动化

山东胜利通海集团东营天蓝节能科技有限公司 刘冠宇 高立亮 张海洋

简单描述医院医疗污水处理的工艺流程，介绍达到医疗污水处理过程自动化实现方案以及主要的控制方法和控制理论，并以此为依据进行PLC控制器的实际选型，阐述PLC控制器和各扩展模块、插件的产品主要属性，在软件开发的基础上，通过编程实现医疗污水处理过程中各生产节点的自动控制，最终达到无人值守的整个医疗污水处理过程自动化。

医院的医疗污水，除有一般生活污水外，还含有化学物质、放射性废水和病原体等。因此，医疗污水必须经过特殊处理后才能排放。

医疗污水来源及成分复杂，含有病原性微生物、有毒、有害的物理化学污染物和放射性污染等，具有空间污染、急性传染和潜伏性传染等特征。自2020年新冠疫情爆发，病毒的传播途径多、感染率高，医院作为对抗病毒的主战场，其产生的医疗污水不经有效处理会成为一条疫病扩散的重要途径和严重污染环境。

目前我国已建设有相当数量的医院医疗污水处理设施，对医院医疗污水的污染控制起到了积极的作用。但根据走访附近医院和从网上查询相关资讯了解到，多数医院的医疗污水处理设施存在医院污水处理设施拥有率低、处理级别低、整个过程手动控制、专人值守等问题，专职管理人员直接接触污水和污泥，极易造成感染，对此，我们要进一步优化医院医疗污水处理过程，同时提高系统整体自动化控制水平。

综上所述，实现医院中医疗污水处理过程的自动控制非常有必要。

1 工艺流程介绍

医院医疗污水在管网汇集后，经过格栅，去除大粒径的漂浮物和部分固型物，减轻后续生化处理部分的负荷，同时保护水泵避免堵塞，为后续处理设备创造良好的运行环境。经过格栅后的污水进入调节池，进行水质水量的调节，液位控制器根据池内液位的高低来控制潜污泵的启停，保证污水处理系统的连续自动运行。调节池内污水经循环增压泵加压后进入水解酸化池，使难溶性、大分子的有机物分解为易降解的小分子有机物，并去除一部分的有机物。水解酸化池出水至浸没式生物反应器，保证出水水质达到回用要求，同时保持反应器内有较高的污泥浓度，加速生化反应的进行，生物反应器内沉淀下来的污泥由污泥泵提升至水解硝化池水解减量。简单工艺流程如图1所示。

图1 简单工艺流程图

2 方案确定

根据医院医疗污水处理的流程，分析每个流程节点需要控制的设备（格栅、泵等）以及所控制的对象（液位、流量等），增加PLC控制系统。

在本系统中，采集和控制的信号类型主要包括4～20mA电流信号（模拟量输入和模拟量输出）、继电器信号（数字量输入和数字量输出），其中模拟量输入信号16个点、模拟量输出6个点、数字量输入40个点、数字量输出21个点。数据发布采用网络发布或串行口转发的形式，因此，一款小型的兼具网络接口、串行接口的PLC控制器是较好的选择。

通过比较，罗克韦尔公司推出的Micro系列PLC控制集成了以太网通信端口、串行端口、USB端口，可以连接人机界面设备和程序调试设备，且其CPU本身带有数字量输入和数字量输出嵌入式I/O，是一个非常理想的选择。

分析本系统的功能要求以及任务目标之后，PLC控制器主要作用在一下几个方面：

（1）信号处理：对现场模拟量信号的处理（模拟量信号和数字量信号）；

模拟量信号采集处理的过程如图2所示。

图2 模拟量信号采集处理的过程

数字量信号采集处理的过程：数字信号指自变量是离散的、因变量也是离散的信号，这种信号的自变量用整数表示，其状态表示为0和1。PLC数字量输入模块通过信号滤波、采样处理和数字信号传输，根据实际需要实现了信号的传输和转换。

（2）逻辑运算：各联锁功能的实现，主要包含PID调节和设备联锁控制；

PID控制系统控制原理框图如图3所示。

图3 PID控制过程

联锁控制系统控制原理框图如图4所示。

图4 联锁控制过程

（3）系统通讯：与值班室电脑的监控软件的通讯等。PLC控制器与电脑的监控软件之间的通讯可以有一下两种方式实现：

①利用TCP/IP协议；

②利用ModbusTCP协议。

通过分析，现场监控电脑的软件与本PLC控制器若要使用TCP/IP协议，则需要软件的开发人员专门开发针对本PLC控制器的驱动，无法满足控制进度和成本的要求，而ModbusTCP协议是基于TCP/IP协议的基础上，对数据进行打包传输，无需单独开发二者之间的驱动，因此系统选用ModbusTCP协议进行数据传输。

Modbus设备可分为主站（master）和从站（slave）。主站只有一个，从站可以有多个，主站向各从站发送请求帧，从站给予响应。在本系统中，监控电脑作为主站，PLC控制器作为从站。

3 产品硬件配置

控制器的硬件配置如表1所示。

表1 PLC模块配置表

PLC控制器，即CPU模块；

对现场余氯、流量、液位等采集选用2080-IF4和2085-IF8；

对现场水泵、开关阀、格栅等设备远程控制以及设备的运行、故障等状态利用CPU自带的接口采集；配置完成的PLC模块如图5所示。

图5 配置完的PLC模块

4 软件开发

系统开发使用Connected Components Workbench 10.01.00版本软件。对现场各类仪表信号进行采集并进行相应的处理、对现场各类设备进行逻辑控制，所有数据最终录入数据库中并在值班室电脑端进行实时展示。

（1）对于余氯、流量、液位等模拟量信号的采集，现场仪表采用4～20mA信号，我们需要对模拟量输入插件和模块的各个通道进行输入信号类型设置，如图6、图7所示。

图6 2080-IF4配置图

图7 2085-IF8配置图

模块配置完成后，编写模拟量信号采集程序，实现对4～20mA信号的采集和量程的转换，并且存入相应寄存器，如图8、图9所示。

图8 模拟量输入采集程序段

（2）对于泵、格栅等设备的运行、故障状态的数字量信号的采集，模块配置及采集如图9所示。

图9 数字量输入采集程序段

（3）对于泵、格栅等设备，若要做到自动运行，需要与现场的液位、流量等参数进行联锁，比如本系统中其中一条联锁设置“潜污提升泵由调节池的液位控制低停高开，电磁流量计的流量信号控制潜污提升泵的变频器，保持设定的流量”，在编写程序的时候要考虑到，保护提升泵的变频器，所以需设置最低运行频率，并且现场部署了两台提升泵，机制为一用一备，两台泵不同时运行，因此需要设置互锁，同时要保证流量维持在设定值，还要引用PID控制功能，因此编写程序如图10、图11所示。

图10 提升泵启停及互锁程序段

图11 流量保持（PID）程序段

本系统中的联锁较多，如“循环增压泵与压力的联锁”、“鼓风机与溶解氧浓度的联锁”、“轴流风机与二氧化氯含量的联锁”等，其联锁机制大都类似，在此不做详细介绍。

（4）对于机械格栅、潜水搅拌器等设备，本系统要求实现定时控制，通过程序实现设备的定时运行、定时停止、定时切换等自动功能，在程序中使用了定时器和计时器，编写程序如图12所示。

图12 机械格栅定时运行程序段

经过以上工作，我们已经把现场的基础数据全部采集完成，并且把能够保证医疗污水处理过程自动稳定运行的各项联锁保护和逻辑在程序里逐条实现。通过对这些基础数据的处理和转换生成最终上传并录入实时数据库中，具体过程这里不作详细介绍。

接下来需要将PLC控制器采集和控制的数据在值班室监控电脑进行展示，首先我们要考虑使用何种通讯方式来实现。PLC控制器支持多种通讯协议，根据实际情况我们可以做多种选择。通过前面的方案最终确定使用串口协议，选择控制器的Modbus映射功能，如图13所示。

图13 控制器Modbus映射

Modbus映射，将控制器作为从站，值班室电脑作为主站，控制器与电脑上位软件之间进行RS485通讯，将数据传送至监控电脑。

结束语：我国医疗水平高速发展，医院建设也在大力发展，产生的医疗污水的处理至关重要，处理好污水，可以减少对城市的污染，也可以对达标的水资源得到充分的回收利用，若处理过程存在缺陷，也能使得处理过程参与人员被感染的几率大大增加，提高了病毒在城市中传染的风险。

利用PLC控制器实现医院医疗污水处理过程的自动化，只要逻辑通顺并且清晰，可以轻松完成目标，且PLC控制器的编程自由度大，功能可开发度高。

在PLC控制器的控制下，整个污水处理的过程相比传统的人工控制而言，流程更加精细和严格，实时性强，并且也避免了处理过程的参与人员直接接触医疗污水，起到了严密的隔离和保护的作用，同时在经济指数来看，节约了人员和车辆的投入，也符合绿色环保发展的理念，社会效益显著。