小议自来水厂PLC监控系统技术应用

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摘要：本文作者通过工程实例，分析了系统的工作原理，阐述了系统中PLC与PC微机的串行通信方法稳定可靠，实施性强，实现了自来水处理系统的自动化，提高了水的质量。

关键词：PLC控制系统硬件 系统网络结构

1 系统工作原理

随着城镇化建设的加快，人们对生活用水的重视，大多系统采用PLC与PC 微机的串行通信方法稳定可靠，效果良好，该控制系统完全满足自来水生产工艺要求。 某水厂日产水设计能力为10万t．需进行排泥除沙的自动监测和控制，其生产工况及工艺控制参数需在中央主控室集中显示、修改，并对常见故障进行自诊断和相应处理。包括沉沙池、反应池和沉淀池各2个，共6个工艺水池。如图1所示。

图1 系统控制原理图

工作流程：沉沙池、沉淀池的污泥探测仪(共4个)产生排污信号(24 V直流电压)传输给PLC，PLC按编程的控制顺序逐个接通继电器，由继电器的触点控制液压阀，每个液压阀开启一关闭时间为30～60 s，运行途中如遇单个或几个排泥阀出现故障不能运行．系统按原程序顺序继续进执行，直至这一个排泥周期完毕。当阀门开启，工作后，排出物冲推动每根排泥管排泥口上安装的不锈钢挡板和行程开关，产生电信号返回各PLC，作为监视信号。如排泥工作程序在工作期间遭遇停电，则来电时延续停电前的工作程序。利用鼠标，通过2台PLC还能够观察每个PLC控制柜上的电源电压、工作控制电压、工作电流指示和电源指示灯信号。监控微机PLC设在滤池控制室，能显示沉沙池、沉淀池、反应池与液压阀配套的电磁阀和不锈钢挡板开关的工作情况及故障情况。检测故障对象包括四通阀和行程开关。规定红色显示停止或闸门开关，绿色显示工运行或闸门全开，，黄色显示闸门中间状态，红黄闪烁显示故障。监控微机除有污泥探测仪输入排泥信号外，还可以人工输入排泥信号和按程序排泥(鼠标操作)。

中央主控室微机能监视各工艺池阀门的工作状态。当电磁阀、挡板行程开关出现故障时，分别在显示屏上有红黄闪动显示故障点，同时进行声音报警60 s，如工作人员未提取信号，则每隔10min作一次声音报警，提示时间为5s。

2 系统硬件组成

系统的硬件设计与选型直接关系到系统的性能。系统硬件包括微机2台(滤池监控室1台，中央主控室1台)和PLC4台、排泥口不锈钢挡板行程开关72套(含附加设备)、警报器2套(含现场报警和控制室报警)、PLC控制柜2套(含编程元件和强、弱电及交流电源24 V等电器，要求彻底把静电和电磁波分开，即要求安全可靠运行)、所有配套强、弱电信号的控制电缆及附加设备、24针打印机1台和不间断电源2台(保证停电后电脑能安全存盘正常关机)。本系统被控对象分为一线和二线，两线间没有逻辑联系，各自独立工作，且两线控制要求完全一致。一线和二线的被控对象均包括：沉沙池、沉淀池和反应池，其中沉淀池56个，排泥阀用1台PLC控制；沉沙池42个排泥阀和反应池10个排泥阀共用1台PLC。所以每线用2台128点的FX2N一128MR型PLC。

2．1 沉沙池控制要求

每根排泥管上安装了4个排泥阀，在每根排泥管的管口安装了用于检测的不锈钢挡板和行程开关(用椭圆圈表示)。

图2沉沙池阀门分布示意图

每个排泥阀由1个液压阀推动，控制电路只要控制液压阀即可控制排泥阀的开或关。例如：液压阀1通电，排泥阀1打开，泥沙和水从排泥管冲出，冲开不锈钢档板1，行程开关1压合。行程开关1的闭合．说明排泥阀1工作正常；否则液压阀1通电，行程开关1未压合，说明排泥阀1或液压阀1有故障，此时应报警。

(1)按程序工作。PLC接收到污泥探测仪送来的开关信号，起启动排泥程序。首先打开排泥阀1，排泥30～60S后，关闭排泥阀1，打开排泥阀2(行程开关2将被压合)．再经30～60S的排泥，关闭排泥阀2，打开排泥阀3⋯ ，按图示阀门号的次序依次逐个打开排泥阀，直至第56号排泥阀工作结束，排泥程序也结束。过程中如某号阀门得电，所对应的行程开关没有压

合，该排泥阀组件故障，一方面应报警，另一方面排泥工作继续进行，直至排泥程序结束。程序工作时，每个阀门的排泥时间从30～60S之间可以用鼠标调节，调定后将作为以后每个阀门工作时间的默认值。

排泥程序的启起动可以有3种途径：一是污泥探测信号；二是电柜启动按钮；三是电脑上用鼠标启动。结束排泥程序的途径也是3种：一是排泥程序结束自然结束；二是电柜停止按钮结束；三是鼠标结束。除自然结束外，其他方法结束的(非正常结束)，系统将记忆停止前正在工作的阀门号，下次启动将从该阀门开始，依次排泥。非正常结束一般只在系统调试、检修时用，调试时用鼠标还可以使其复位，复位后下次程序排泥将从1号阀开始。

(2)单阀工作。单阀工作有两种方式：一是在PLC输出点并联1个手动按钮，该按钮为自锁带灯的轻触型按钮。当按下某个阀门的手动控制按钮时，阀门得电工作，按钮上的指示灯也工作，同时当泥沙和水排出冲开排泥管口的不锈钢档板，并压合相应的行程开关时，行程开关指示灯工作以便调试。当再次按下该按钮时，该按钮复位，阀门失电。二是用鼠标操作，工作状态均在电脑上显示。

2．2 沉淀池控制要求

沉淀池阀门与其控制要求与沉沙池完全一样。只是第16号和37号排泥阀单独有1根排泥管，但控制次序仍然按编号进行。

2．3 反应池控制要求

反应池与沉沙池控制要求不同的是，反应池没有污泥探测仪．因此没有由污泥探测仪启动的启动方式，只有鼠标起动按钮起动的控制程序。手动方式与沉沙池一样。

由于对系统的可靠性和抗干扰性等方面的要求较高，本系统在硬件设计中采用的方法和措施主要有：

(1)上位管理机是整个系统的核心，负责收集、处理和显示各个数据监测模块通过485网络传过来的数据．并根据处理程序结果做出相应的控制，并通过两个串口分别与PLC及各个模块通信。

(2)可编程控制器是系统控制的主要部分，它接收来自上位机的指令，并且通过程序逻辑向外发出控制信号，控制外面的执行机构，同时把执行机构的反馈信号以及另外的输入信号状态传给上位机，供上位机处理。本系统采用日本三菱微型FX2N 系列PLC，其内部随机存取存储器可达0．8万步，使用任选板时最多可达到1．6万步，在PLC的输入继电器中设置10ms的C-R滤波器，可防止输入信号的振动和噪声的影响，并且可利用PLC的程序改变过滤值。在脉冲捕捉中，监视并输入来自特定的输入继电器的信号，同时在中断处理中设置辅助继电器，可以可靠地接收输入。

3 系统网络结构

3．1 PC机与PLC通信的硬件连接

在集散控制系统中，上下位机的通信是一个基础性的关键环节，直接影响系统的可靠性、效率和成本。根据系统的规范及要求，上下位机的通信选用RS232／RS485串行通信。三菱微型FX2N一128MR提供RS485串行接口，PC微机提供了RS232串行接口，这为系统建立价格低廉、稳定可靠的基于RS-485的串行通信网络提供了极大方便。RS-485协议是特别为满足工业要求设计的EIA标准。具有通讯距离长和较佳的传送速率、连线少和握手容易的特点，是工业上使用最广泛的双向有补偿传输线标准。其技术指标为：

(1)每段最大连线长度1．2 km。

(2)传输速率在10 Mbt／s。

(3)高阻抗抗噪声的差分(有补偿线)传送。

(4)每段最多32个节点。

(5)单组双绞线电缆上的双向主从通讯。

(6)并行连接的节点，真正的多工通信。

本系统PC与PLC通信的硬件连接如图3所示。图中PLC与PC 之间的连线采用带屏蔽的双绞线橡塑电缆。RS232与RS485的协议转换采用专门的RS232／RS485转换器。

图3通信硬件示意图

3．2 PC与PLC之间的通信协议

上位机与PLC之间采用RS-485通信协议。通信网络的体系结构为三层结构，从下往上依次为物理层、数据链路层和应用层。桢分为控制桢、参数桢、请求桢、数据桢和应答桢5种。其中控制桢为PC 到PLC，内容为控制室远程控制生产设备工作的命令，如排泥除沙机启动或停止、挡板开或关等；参数桢为PC 到PLC，内容为控制室设置的生产工艺参数，如排泥除沙间隔时间和持续时间；请求桢为PC 到PLC；数据桢为PLC到PC ，内容为被控对象的状态、报警信号、PLC的I／O点状态等；应答桢为PLC到PC 。通信方式选用半双工，PC 微机为主站，PLC为从站，PLC只有在收到PC 发来的信息后，回送相应的桢，不能自主发送。PC 微机发送“控制桢／参数桢”采用即时通信，在程序中反映为突发事件（区别于周期事件）每当用户需要远程控制或重新设置参数时，PC 微机在完成当前通信后，立即发送“控制桢／参数桢”，通信过程为：PC 机发“控制桢／参数桢”一PLC发“应答桢”。

4 系统软件设计

本集散控制系统采用模块化结构设计，包括各池详细图模块、系统参数设置模块、通讯测试模块、查看当前故障模块和查看历史故障记录模块共6个模块，扩展灵活，实用性强，可完成实时监控、故障诊断并报警、报表打印等各项功能，可完成现场控制和集中管理，能实现自来水厂排泥、除沙的智能化控制。微型监控机还有记录和存储功能。功能如下：一是每次按程序运行的时间(每一个排泥周期)；二是一年按程序运行的总次数：三是每年出现故障次数，按时间记录和储存下来。只要系统程序正常工作，打印机就能自动打印出上述3条信息。在监控微机的显示屏上，能够同时显示6个工艺水池，可选择其中某一个水池放大，对其每个阀门进行监控，目的是能够对阀门故障的次数显示，以便进行及时维修。PC 微机的串行通信程序完成PC 微机的数据链路层的功能，plc通信程序完成PLC的数据链路层功能。系统的流程如图4所示。系统主界面包括菜单栏、状态栏、各池平面图、控制开关和电流电压指示4个部分。

图4系统流程图

系统启动后进行初始化操作，以确保各个部分的正常工作，随后系统启动主控线程和通讯线程，通讯线程负责与PLC的通讯，它实时地将外面的输入信号传入计算机，同时将计算机的输出命令传给PLC，去控制外面的执行机构，并负责与数据采集模块进行通讯，它将数据采集模块的数据通过RS485网络实时地传人计算机；主控线程负责将来自PLC和数据采集

模块的数据进行处理，然后根据处理结果进行输出控制、数据显示和故障报警，并生成数据报表，供管理人员查阅参考与分析决策。

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。