基于PLC的电气自动化控制水处理系统研究

梁阳升

海南省水务集团有限公司 海南 海口 571126

PLC具有较强稳定性，其在水处理工作中的应用具有实现自动化控制水处理目标以及提升处理效率的作用，既可以有效降低外部环境产生的不良影响，又可以完成对电气自动化控制水处理系统的修改，不仅应用较为灵活，且使用范围较为广泛，具体控制效果良好。随着科学技术的不断发展，自动化已成为生产主流，在电气行业，各企业应该向自动化以及智能化的方向转型，注重应用PLC的同时，还需要加强对电气自动化控制水处理系统的研究，重在提高系统的自动化以及智能化水平。

1 PLC相关内容介绍

1.1 PLC介绍

PLC（Programmable Logic Controller）是可编程逻辑控制器的英文简写，属于是一种现代自动化控制技术，其集成了大数据技术、计算机技术以及通信技术等优点，具有可编程、处理数据、控制顺序、定时、自动控制、存储以及逻辑运算等功能，工作人员可以通过编写程序的方式实现对电气自动化的控制，进而可以完成对水处理系统的联动控制，以此有助于人工控制误差的降低，有助于水处理效率的提升[1]。程序设计，电气自动化控制水处理系统是由多种程序构成，例如在污水处理的过程中因为污水中含有着较多的微生物，而且其中一部分微生物的代谢需要消耗氧气，因此有必要开展对污水的曝气工作。相关工作的完成主要涉及到以下重点环节：首先要对污水进行好氧处理，通过将曝气池中污水与活性污泥混合的方式加速其中有机物的降解。其次，在第一步完成之后污水里面的有机物会附着于细胞上，从而进一步提升曝气池中的好氧成分，这样的环境给污水中微生物的代谢提供了良好的条件，帮助微生物可以处在一个最佳的储存状态；最后，要针对污水处理的曝气量加以模糊控制，完成曝气池氧气浓度的检测工作以及有机物的评估工作，进而准确计算出污水处理需要的各项信息数据。

1.2 应用优势

水处理较为复杂，部分企业在水处理方面选择使用继电器对水处理系统进行控制，针对于继电器的安装，其会涉及较为复杂的线路铺设问题，如若线路铺设完毕，又或者是程序设定完成之后，再进行修改与调整的难度较大，且后期的运维难度系数较高，一旦系统出现运行故障，不仅故障的排查难度较大，故障的处理难度更大，可能会对系统的稳定运行产生不良影响。PLC的应用，可以提升水处理系统运行稳定性以及安全性的同时，还可以实现无线通信传输，可以有效避免线路故障造成的运行问题。不仅如此，PLC中的传感器具有实时监控水处理系统运行的作用，可以减少系统运行能耗，降低系统运行出现故障的概率，进而有助于后期运维成本的节约。此外，PLC的应用可以逐步优化水处理系统，促进水处理向自动化以及智能化方向发展，进而有助于提高电气自动化控制水处理系统运行的信息化水平，并降低其运行能耗。

2 基于PLC的电气自动化控制水处理系统研究分析

2.1 系统控制要求

电气自动化控制水处理系统控制要求主要包括系统报警保护、控制要求以及操作方式等，从系统参数显示功能的角度进行分析[2]。在手动状态下，各类设备的控制根据对操作面板上的按钮操作来控制，无逻辑控制，不根据液位高度传感器的状态和设定的时间进行控制。在自动方式下进行闭环控制，系统根据检测的液位高度状态和设定的时间来对设备进行启停控制。设备故障报警功能，当出现故障问题时，系统会自动发出故障信号并强制故障设备停止工作，此时工作人员需要及时修理故障泵，尽可能恢复设备故障报警系统的正常运行。

2.2 系统控制流程

电气系统控制流程介绍如下：

1、系统上电电源接通后，按下自动控制按钮，自动控制方式被启动，系统中的搅拌机和曝气风机随即也被启动。

2、运行粗、细格栅机，进行间歇运行，即运行一段时间然后停止一段时间，循环进行。

3、进水泵根据进水池中反馈得到的实际液位与系统控制要求的液位进行比较后再决定其运行或停止。

4、污泥回流泵根据沉淀池中反馈得到的实际液位与系统控制要求的液位进行比较后再决定其运行或停止。

2.3 设计控制要求

针对于自动控制系统的设计控制要求，设计人员需要设计手动、自动切换功能，以便于在系统运行期间依据各设备运行情况科学调整系统控制方式以及相关工艺参数等。系统运行的主要参数包括液位以及流量等，其是工作人员实时了解系统各设备运行动态的重要数据。如若是手动控制模式，各单元属于独立控制状态，例如水泵以及自动阀等；如若是自动控制模式，系统运行全过程无需人工操作，系统可在规定程序下自动运行。系统运行期间，如若突发故障，系统应该设有预警、警报发出及保护功能，其中报警主要包括水泵故障报警、低液位报警、高液位报警以及中液位报警等，而保护功能主要是对水泵高压及低压的保护。

2.4 控制系统设计

当前，先进电气自动化水处理系统使用的多为PLC，PLC具有可编程、定时以及计数与算数等作用，工作人员可以利用数字或模拟式输入、输出法对各类设备进行控制。不同于其他可编程逻辑控制器，PLC较为适合电气自动化控制水处理系统的应用要求，不仅可以实时监控水处理系统的运行情况，还可以为系统运行的稳定性提供保障，有助于水处理系统时刻处于最佳运行状态。现如今，常见的PLC控制水处理系统主要是由继电器、压力传感器、现场水泵以及PLC组合而成，利用管网压力可以实现对水泵的切换控制，利用压力传感器可以实现对PID计的切换控制[3]。同时，工作人员需要将PID运算值转变成为水泵变频器控制频率，以此实现对水泵自动调节水流量的控制，其有助于为水管网压力的恒定提供保障。随着科学技术的不断发展，水处理系统逐渐优化与升级，且PLC的应用更为成熟。事实上，控制系统的设计需要参考电气原理。

图1 污水处理系统主回路电气原理图

主回路中交流接触器KM1、KM2、KM3、KM4、KM5、KM6分别控制进水泵、粗格栅机、细格栅机、曝气风机、搅拌机、污泥回流泵这六个电机的启动与停止。这六个电机分别由六个相对应的热继电器FR1、FR2、FR3、FR4、FR5、FR6分别实现对各自所在的电路中确保其安全的过载保护功能。

图2 污水处理系统控制回路电路图

电路图的上方部分连接的器件是中间继电器KA，此继电器在电路中是具有一定的带负荷能力，上图中所示的电路中的中间继电器KA主要是为了替代小型接触器来实现其后者的功能。当接触器KM的线圈在不通电的情况下，与之相对应的KM接触点也一直保持着电路断开不导通的状态；KM线圈在通电的情况下，相对应的KM触点也就被接通，从而实现了由控制电路中的送电和断电来控制主电路中的各个电动机的启动与停止。电路中的热继电器FR在此电路中依旧是保护电路安全起到过载保护的功能[4]。

2.5 PLC程序实现

在PLC编程中，包含五个部分的系统程序：粗格栅系统程序、进水泵程序、细格栅系统程序、曝气氧化系统程序、污泥回流泵程序。由于自动控制模式下，在整个系统运行过程中，曝气氧化系统中的曝气风机和搅拌机持续运行。

程序实现主要有以下几个方面：

（1）系统的自动控制模式开启之后，粗格栅机根据格栅前、后液位差来进行自动运行。

（2）进水泵主要的功能根据进水池中的液位检测传感器反馈的实际液位对进入系统的污水量的控制。

（3）二沉池若实际液面高于最高要求液面，污泥回流泵持续运行，若实际液面低于最低要求液面，污泥回流泵停止运行，否则启动污泥回流泵，如此循环运行。

（4）曝气系统启动后由生化池的溶解氧浓度进行控制，根据溶解氧仪器反馈的信号对曝气电动蝶阀进行PID闭环控制，通过调节风量实现精准曝气。

3 基于PLC的电气自动化控制水处理系统应用表现

3.1 软、硬件设计

电气自动化控制水处理系统主要是由多个软件以及硬件组合而成，在软件应用方面，常用的软件为PCS7Smart，该软件具体分为操作员系统以及工程组态系统，其中工程组态系统应用的基础是CPU410Smart控制平台，同时还需要其他软件进行辅助，例如控制模板以及APL功能库等，技术人员需要利用编译自动生产基本数据，以此可以获得画面操作图元以及变量数据参数等。此外，污水处理软件属于常用软件，其具有控制污水厂整个工艺流程、各参数以及设备运行的作用，且具有促进电气自动化控制水处理系统高效运行的价值。与此同时，该软件的应用还具有管理功能，可以对已有故障信息以及历史信息等进行查询与处理。在硬件应用方面，需要使用西门子CPU410Smart控制器，或是ET200PASmart系列中的IO模块。其中，CPU410Smart控制器内部设有两个独立的Profibus IO接口、储存器以及防护涂层等。

3.2 上、下位机通信

PLC的应用，上位机是MCGS，其可以创建触摸屏一体机，还可以实时检测处理现场以及调整工作状态等，针对于工作状态的调整需要借助部分设备的运行，其有助于问题的及早发现及处理。而下位机主要是CPU410Smart，其具有控制处理现场的作用，通过与编程软件的合用，可以实现对污水处理系统的控制，以便于后期系统程序的科学设计，且有助于开发商设计要求的满足。在实际的通信阶段，技术人员需要适当转换继电器，还需要通过只读的读写模式完成相关操控，随后针对于MCGS的控制可以使用PLC。

4 基于PLC的电气自动化控制水处理系统应用措施

4.1 创建故障检测预警系统

水处理的工艺较为复杂，且实际环境条件较为特殊，日常的水处理工作会存在诸多不良干扰因素，如若处理不当变会引发安全故障，影响电气自动化控制水处理系统的正常运行。为此，电气企业需要创建故障检测预警系统，又或者是增设可视化设备等，以此实现对水处理系统运行的实时监管。与此同时，电气企业还需要安装先进的监控设备以及定位传感器等，如若水处理系统出现故障，监控设备的自动监测功能以及定位传感器的定位传输功能会将故障信息在第一时间内进行发送，以便于通知技术人员及时进行处理[5]。

4.2 注重解决控制精度问题

电气自动化控制水处理系统在实际运行的过程中经常会出现精度问题，其产生的原因可能与环境中存在的不良干扰因素有关，也可能与系统内部线路或零部件老化、损坏等有关，最常见的原因是设备接线故障或触电故障等。如若系统精度偏低，则水处理系统的运行效率会有所降低。电气自动化控制水处理系统的长时间运行，其内部各设备以及零部件等会有损害或老化现象，其是影响系统精度的主要原因之一，加之水处理系统易受腐蚀，所示零部件老化现象较为常见，导致系统在运行期间会出现信号传输中断或停止等问题，引发通信故障。为此，电气工作人员需要注重水处理系统的优化与升级，重在提升信号传输的稳定性。

4.3 建立健全科学运维机制

系统或设备的使用具有一定寿命，其寿命长短与运维水平关系密切。水处理系统较为复杂，其运行环境存在诸多不良干扰因素，运行期间故障的发生在所难免，为减少故障发生概率，政府相关部门以及电气企业等需要注重PLC的应用，还需要加强对电气自动化控制水处理系统运维工作的重视，建立健全科学运维机制[6]。一方面，注重专业运维人员的培养，重在提高人员专业素养以及运维技能水平，同时还需要提高人员责任意识，定期组织人员学习运维机制相关内容。另一方面，不断调整与完善运维机制，为系统运维提供指导的同时，还可以约束运维人员工作行为。

5 结束语

PLC在电气自动化控制水处理系统中的应用具有诸多优势，例如提高水处理系统运行的稳定性以及安全性等，还可以有效防止出现线路故障。在PLC背景下，针对于电气自动化控制水处理系统的研究，可以从系统控制要求、控制流程、控制系统设计以及PLC程序实现等方面入手。为保证电气自动化控制水处理系统运行质量，电气企业需要创建故障检测预警系统，并建立健全运维机制等。