何 葉，潘彩霞，張蒙蒙

(南京交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院 軌道交通學(xué)院，江蘇 南京 211188)

0 引言

大量的生活和工業(yè)排放的污水嚴(yán)重污染河流湖泊及地下水，危害人類健康，污水處理也越來(lái)越受到國(guó)家的重視，污水處理系統(tǒng)已經(jīng)引入城市化建設(shè)。城市必須提高污水處理的質(zhì)量和效率以適應(yīng)高速發(fā)展的現(xiàn)代社會(huì)[1]。本次設(shè)計(jì)主要從3個(gè)方面展開。一是設(shè)計(jì)系統(tǒng)的硬件，確定系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案，選擇合適的設(shè)備：PLC選型、電動(dòng)機(jī)選型以及工藝設(shè)備選型等，繪制系統(tǒng)電氣原理圖并進(jìn)行系統(tǒng)元器件連接。二是設(shè)計(jì)污水處理系統(tǒng)組網(wǎng)和上位機(jī)監(jiān)控界面：CC-Link網(wǎng)絡(luò)通信的組建、通信參數(shù)的設(shè)置和通信程序的編寫。發(fā)上位機(jī)對(duì)污水處理廠自動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集。三是設(shè)計(jì)自動(dòng)控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)：?jiǎn)螜C(jī)控制模式軟件設(shè)計(jì)和自動(dòng)運(yùn)行控制軟件設(shè)計(jì)，并驗(yàn)證其正確性。

1 系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)和硬件選型

污水處理系統(tǒng)工藝分為一級(jí)處理工藝和二級(jí)處理工藝。一級(jí)處理工藝包括格柵處理和沉砂處理，格柵用于截流大塊物質(zhì)，沉砂去除污水中格柵處理不了的雜物。二級(jí)處理工藝包括初級(jí)沉淀和磁絮凝處理，將污水中懸浮物盡可能地沉降去除，磁絮凝處理通過(guò)微生物的新陳代謝將污水中的大部分污染物變成二氧化碳和水[2]。

本文設(shè)計(jì)的污水處理系統(tǒng)由進(jìn)水閘門、格柵處理、格柵電機(jī)、柵渣輸送電機(jī)、螺旋輸送電機(jī)和提升泵等裝置構(gòu)成。該系統(tǒng)根據(jù)閘門升高降低的高度、格柵水位可觀的高度、螺旋輸送電機(jī)轉(zhuǎn)速的快慢、磁絮凝相關(guān)沉降的配比進(jìn)行科學(xué)的調(diào)節(jié)，自動(dòng)控制污水，使之成為能夠排放到河流中的水源，達(dá)到環(huán)境凈化保護(hù)的目的[3]。

系統(tǒng)控制要求如下：閘門電機(jī)控制閘門打開，污水進(jìn)入第一個(gè)污水池后格柵電機(jī)得電，格柵開始過(guò)濾污水中的大垃圾雜質(zhì)，隨后螺旋輸送電機(jī)將垃圾碾碎，柵渣輸送電機(jī)將垃圾輸送離開。當(dāng)?shù)谝粋€(gè)污水池中的污水達(dá)到水位線時(shí)，供水電機(jī)將格柵處理后的污水抽入第二個(gè)污水桶中，進(jìn)行沉淀后加入污水處理配方，將污水處理為中性水。此時(shí)，污水處理完成。系統(tǒng)提升泵電機(jī)制造氣壓差值將水排入河道。

1.1 硬件選擇

選用“集中管理、分散控制”的分布式網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，選擇上位機(jī)、主控制器可編程控制器、從控制器可編程控制器等布置在控制室，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)和其他設(shè)備的集中監(jiān)控、自動(dòng)控制、顯示、數(shù)據(jù)管理。為了能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控系統(tǒng)控制過(guò)程以及發(fā)出操控指令，本設(shè)計(jì)給系統(tǒng)配置一臺(tái)上位機(jī)，選擇昆侖通態(tài)的TPC7062Ti。

因?yàn)槲鬯幚硐到y(tǒng)的工作環(huán)境較差，系統(tǒng)工藝較復(fù)雜，對(duì)安全性和可靠性要求較高，所以綜合考慮可擴(kuò)展性、價(jià)格、I/O點(diǎn)數(shù)統(tǒng)計(jì)等各方面原因，采用三菱公司的可編程控制器。三菱PLC的聯(lián)網(wǎng)主要有兩種模式：一是通過(guò)RS-485通信模塊直接組網(wǎng)；二是可選用相應(yīng)的通信模塊與大、中型PLC組網(wǎng)，組成基于CC-LINK現(xiàn)場(chǎng)總線的網(wǎng)絡(luò)[4]。

現(xiàn)場(chǎng)總線是一種具備高度數(shù)字化、離散化、雙向智能化、互聯(lián)互通、多數(shù)據(jù)種類、多站點(diǎn)數(shù)量等特征的通信網(wǎng)絡(luò)。該組網(wǎng)方式將大大簡(jiǎn)化通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，有效節(jié)約因各種安裝、維護(hù)所帶來(lái)的設(shè)備和材料費(fèi)用。

其中，Q系列因體積小、安裝靈活、雙協(xié)同處理等特點(diǎn)，適合小規(guī)模系統(tǒng)的控制系統(tǒng)組網(wǎng)。因此，主站選用Q00UCPU系列。從站選擇第三代PLC系列FX3U，根據(jù)輸出類型的不同，選用一臺(tái)繼電器輸出FX3U-32MR，一臺(tái)晶體管輸出FX3U-32MT。

閘門電機(jī)需要通過(guò)控制閘門的升降高度來(lái)控制污水的出水量，因此對(duì)于位置控制的要求較高，故選用交流伺服電機(jī)；格柵電機(jī)需要對(duì)角度位移進(jìn)行控制，但對(duì)控制精度要求不高，考慮成本選擇步進(jìn)電機(jī)；提升泵電機(jī)選擇變頻器控制的三相異步電動(dòng)機(jī)；柵渣輸送電機(jī)只需要帶動(dòng)帶輪并且能控制其轉(zhuǎn)速，考慮造價(jià)和成本，選擇了雙速電機(jī)。根據(jù)選用的元器件，現(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)化控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 自動(dòng)化控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.2 硬件接線

系統(tǒng)主電路電氣原理如圖2所示。

圖2 主電路原理

從站PLC的I/O分配如表1和表2所示。

表1 FX3U-32MT I/O分配

表2 PLC FX3U-32MR I/O分配

2 通信設(shè)置

Q00U CPU作為該系統(tǒng)主站，F(xiàn)X3U-32MT為從站1，F(xiàn)X3U-32MR為從站2，通過(guò) QJ61BT11N與從站1和從站2進(jìn)行通信，從站1、2作為遠(yuǎn)程設(shè)備站利用FX2N-32CCL通信模塊與Q系列PLC通信。網(wǎng)絡(luò)通信接線如圖3所示。

圖3 網(wǎng)絡(luò)通信接線

遠(yuǎn)程輸入RX起始地址為M800，遠(yuǎn)程輸出RY起始地址為M400，遠(yuǎn)程寄存器(RWr)起始地址為D200，遠(yuǎn)程寄存器(RWw)起始地址為D100。(起止地址可設(shè)定)2個(gè)從站各占3站，遠(yuǎn)程站點(diǎn)數(shù)為96個(gè)。

參數(shù)設(shè)置完成后并在遠(yuǎn)程模塊的前操作面板設(shè)置CC-Link站號(hào)：主站站號(hào)為00，從站1站號(hào)為01，從站2的站號(hào)為04(從站1占用3站，因此從站2的站號(hào)從04開始)；設(shè)置通信波特率，從站1和從站2中的 FX2N-32CCL通過(guò)參數(shù)設(shè)置與主站一樣的通信波頻率。

從站1和從站2的通信程序如圖4所示。

圖4 從站1和從站2通信程序

3 上位機(jī)開發(fā)和程序設(shè)計(jì)框架

本設(shè)計(jì)采用了上位機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)控，可及時(shí)地處理和分析污水處理過(guò)程中的數(shù)據(jù)，進(jìn)行科學(xué)管理，提高了污水處理水平和運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性。上位機(jī)的開發(fā)要求將整個(gè)污水處理工藝的流程體現(xiàn)出來(lái)，因此在結(jié)構(gòu)規(guī)劃時(shí)既要考慮監(jiān)控系統(tǒng)的安全可靠性，同時(shí)也要能夠?qū)崿F(xiàn)所有的功能信息。

本文設(shè)計(jì)的污水處理自動(dòng)控制系統(tǒng)有3種工作模式，模式一：通信測(cè)試模式；模式二：?jiǎn)螜C(jī)控制模式；模式三：系統(tǒng)自動(dòng)運(yùn)行模式。因此，本設(shè)計(jì)采用選擇性流程架構(gòu)，SFC流程如圖5(a)所示，3條支路對(duì)應(yīng)3種工作模式。通信測(cè)試模式測(cè)試系統(tǒng)通信是否正常，并給予相應(yīng)的指示；在單機(jī)控制模式下，各臺(tái)電機(jī)既可以手動(dòng)控制也可以在自動(dòng)運(yùn)行模式下完成制定動(dòng)作。因此，單機(jī)模式程序設(shè)計(jì)也選用選擇性流程架構(gòu)，SFC流程如圖5(b)所示；系統(tǒng)自動(dòng)運(yùn)行模式實(shí)現(xiàn)一整套自動(dòng)運(yùn)行的完整的污水處理流程。在監(jiān)控系統(tǒng)的首頁(yè)界面，設(shè)計(jì)人員可以進(jìn)行工作模式的選擇。

圖5 SFC流程

4 系統(tǒng)單機(jī)控制程序設(shè)計(jì)

4.1 閘門電機(jī)

閘門電機(jī)控制要求具體如下：電源開啟按下按鈕SB1，設(shè)定運(yùn)行速度，點(diǎn)擊 “正轉(zhuǎn)”按鈕，伺服電機(jī)開始正轉(zhuǎn)，儀表盤上顯示實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速，點(diǎn)擊“反轉(zhuǎn)”按鈕伺服電機(jī)反轉(zhuǎn)，在正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)的過(guò)程中，指示燈HL1按2 Hz頻率閃爍，點(diǎn)擊“+”或者“-”按鈕來(lái)加減電機(jī)速度，儀表盤也能實(shí)時(shí)反饋當(dāng)前速度。在運(yùn)行時(shí)，可以隨時(shí)按下按鈕SB4或者觸摸屏上的“停止”按鈕，電機(jī)停止運(yùn)行，指示燈熄滅(見圖6)。

圖6 閘門電機(jī)控制流程和監(jiān)控界面

4.2 格柵電機(jī)

格柵電機(jī)控制要求具體如下：電源開啟按下按鈕SB1后，在觸摸屏上設(shè)置好格柵電機(jī)的運(yùn)行速度，點(diǎn)擊觸摸屏上的“正轉(zhuǎn)”按鈕或“反轉(zhuǎn)”按鈕，步進(jìn)電機(jī)執(zhí)行對(duì)應(yīng)的正轉(zhuǎn)或者反轉(zhuǎn)指令，在電機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，指示燈HL2按照1 Hz頻率閃爍，觸摸屏界面上要實(shí)時(shí)顯示電機(jī)運(yùn)行的時(shí)間和電機(jī)回轉(zhuǎn)的次數(shù)，在運(yùn)行時(shí)按下停止按鈕，電機(jī)立即停止運(yùn)行(見圖7)。

圖7 格柵電機(jī)控制流程和監(jiān)控界面

4.3 螺旋/柵渣輸送電機(jī)

螺旋/柵渣輸送電機(jī)控制要求具體如下：電源開啟按下按鈕SB1后，按下螺旋輸送電機(jī)的啟動(dòng)按鈕，指示燈HL3按照1 Hz頻率閃爍，螺旋輸送電機(jī)開始正轉(zhuǎn)運(yùn)行，5 s后，電機(jī)運(yùn)行停止，指示燈熄滅。按下柵渣輸送電機(jī)的啟動(dòng)按鈕，指示燈HL4按照2 Hz的頻率閃爍，柵渣輸送電機(jī)開始運(yùn)行，先低速反轉(zhuǎn)3 s，再高速反轉(zhuǎn)3 s后，電機(jī)停止運(yùn)行，指示燈熄滅。電機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，可按下停止按鈕，電機(jī)立即停止動(dòng)作(見圖8)。

圖8 螺旋/柵渣輸送電機(jī)控制流程和監(jiān)控界面

4.4 提升泵電機(jī)

提升泵電機(jī)控制要求具體如下：電源開啟按下按鈕SB1后，按下“1#”的啟動(dòng)按鈕，指示燈HL5按照1 Hz頻率閃爍，“1#”電機(jī)開始正轉(zhuǎn)運(yùn)行，3 s后，電機(jī)運(yùn)行停止，指示燈熄滅。按下“2#”電機(jī)的啟動(dòng)按鈕，指示燈HL6按照2 Hz的頻率閃爍，“2#”開始運(yùn)行，5 s后電機(jī)停止運(yùn)行，指示燈熄滅。在電機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，可按下停止按鈕，電機(jī)立即停止動(dòng)作(見圖9)。

圖9 提升泵電機(jī)控制流程和監(jiān)控界面

5 系統(tǒng)自動(dòng)運(yùn)行控制程序設(shè)計(jì)

按下啟動(dòng)按鈕SB1，再按下閘門電機(jī)的正轉(zhuǎn)按鈕模擬閘門高度正在升高，此時(shí)污水開始進(jìn)入格柵池中，傳感器SQ1動(dòng)作表示閘門完全打開。2 s后，閘門下降，傳感器SQ3動(dòng)作表示閘門關(guān)閉，電機(jī)停止，進(jìn)水過(guò)程結(jié)束。等待1 s后，螺旋輸送電機(jī)開始運(yùn)行。2 s后，格柵電機(jī)和柵渣輸送電機(jī)(柵渣輸送電機(jī)按照轉(zhuǎn)2 s停1 s的周期運(yùn)行)都開始動(dòng)作，格柵電機(jī)過(guò)濾出垃圾和雜質(zhì)，螺旋輸送電機(jī)還需繼續(xù)運(yùn)行3 s。

格柵池流程結(jié)束后，供水電機(jī)將水抽取到磁絮凝池中，抽水電機(jī)運(yùn)行5 s表示抽水完成。在磁絮凝池中，投入配方凈化5 s后，磁絮凝池凈化流程結(jié)束。提升泵系統(tǒng)將中水排到河道中，提升泵1#、2#兩臺(tái)電機(jī)配合運(yùn)行，同時(shí)運(yùn)行5 s后，2#停止工作，1#繼續(xù)運(yùn)行3 s后，電機(jī)停止排水結(jié)束。在自動(dòng)運(yùn)行流程中，按下急停按鈕后，各動(dòng)作立即停止，再次啟動(dòng)時(shí)，全部參數(shù)清零，需要重新進(jìn)行設(shè)定后再次運(yùn)行。

打開MCGS觸摸屏中的“自動(dòng)運(yùn)行模式”，觸摸屏進(jìn)入自動(dòng)運(yùn)行模式界面，觸摸屏界面主要包含：A.各個(gè)流程的狀態(tài)指示燈和查看報(bào)表的按鈕；B.參數(shù)設(shè)置區(qū)：設(shè)定閘門電機(jī)速度、格柵電機(jī)運(yùn)行速度、污水pH酸堿度以及預(yù)設(shè)總水量；C.參數(shù)顯示區(qū)：顯示閘門電機(jī)高度、格柵電機(jī)運(yùn)行時(shí)間、絮凝池液位、污水中柵渣的濃度等信息，數(shù)據(jù)精度到小數(shù)點(diǎn)后一位，如圖10所示。

圖10 MCGS觸摸屏自動(dòng)運(yùn)行界面

6 結(jié)語(yǔ)

本文以Q系列PLC，F(xiàn)XPLC為控制核心，MCGS為實(shí)時(shí)操作和監(jiān)控中心，達(dá)到主站控制從站各電機(jī)的運(yùn)行要求的目的。文中通過(guò)分析 CC-LINK通信的原理，研究了上位機(jī)、QPLC、FXPLC之間的通信操作和程序設(shè)計(jì)。文章分析了監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需求，采用MCGS監(jiān)控軟件，實(shí)現(xiàn)了污水處理流程的全方位監(jiān)控，不僅可以采集和處理過(guò)程中的重要數(shù)據(jù)，還可以實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)流程和修改重要參數(shù)。

本文采用網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)，提高了污水處理廠的自動(dòng)化程度；采用上位機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)控，進(jìn)行科學(xué)管理，提高了污水處理廠的處理效率和運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性。