基于FP-XC60R型PLC的污水处理远程监控系统
2011-03-13赵越
赵越
(黑龙江八一农垦大学,大庆163319)
随着城市人口的急剧增长和工业的不断发展,大量生活和工业污水未经处理流入江河湖海,使环境和饮用水被严重污染。因此,建立高度自动化的污水处理系统是解决水污染问题的有效途径,而现代计算机技术和控制技术的飞速发展,为控制技术在污水方面广泛应用,提供了必要的前提。如何使污水处理过程实现计算机检测、控制和管理,以实现高质量、低成本、稳定可靠的运行方式,成为建立高度自动化污水处理系统的关键性问题[1]。
目前,PLC在稳定性、高度自动化程度的不断发展和加强,使PLC成为城市污水处理自动化方面的首选。本文采用松下PLC的FP-XC60R可编程控制器和智能检测仪表组成下位机,实现对现场设备的监控。上位机软件实现整个系统参数的汇集和显示,能够实现画面监测、参数的设定和指令控制等功能[2]。该系统集DCS控制系统和科学管理于一体,具有控制性能优越、可靠性高、管理功能完善等优点。
1 污水处理工艺流程
城市污水主要是居民生活和工业企业所排放的,污水中含有大量的有机物,因此这种污水称为生化污水。这种污水的处理工艺是利用生物的吸附、氧化和分解作用来降解污水中的有机物含量,从而形成可以沉淀的污泥,达到净化水质的目的。
城市污水的处理工艺的简要流程如图1所示,污水依次流经粗格栅、进水泵房、细格栅、沉砂池、分配井、氧化沟和二沉池来实现污水的处理。其中各部分的主要功能如下[3]:
(1)粗格栅用于除掉污水中的污物和大块杂物,从而保护进水泵房中的提升泵。
(2)进水泵房用于将污水提升,其中提升泵实现了能量的转换。
(3)细格栅除去污水中的小杂物块。
(4)除砂机实现砂的筛除和处理,还有处理浮渣油脂等。
(5)沉砂池沉淀水中的污泥,用刮砂机收集污泥至污泥泵房。
(6)氧化沟为生化处理区,通过曝气供养,培养微生物大量繁殖,形成更多的活性污泥。
(7)二沉池彻底澄清污水,使泥水分离。
图1 污水处理工艺流程图Fig.1 Sewage treatment process flow diagram
2 系统软硬件配置与功能
2.1 PLC控制站硬件配置
PLC采用日本松下的FP-XC60R,根据系统要求,对PLC控制站进行硬件配置。污水处理的设备包括:进水泵、排污泵、栅格机、传送机、配电设备、各种检测仪表和传感器等。其中各种传感器主要完成测量集水池水位和栅格间水位,测量各个进水泵出口压力,以及测量进水泵出口流量等。这些设备都需要与PLC进行通信,而通信的信号包括数字量的输入、输出,模拟量的输入、输出[4]。
系统的硬件构成如图2所示。
图2 控制系统框图Fig.2 Control system frame
2.2 PLC控制站的控制方式与功能
系统运行的控制方式分为中央远程控制和就地控制两种,就地控制装置设置在控制设备附近,通过现场(自动/手动)开关切换到手动,由现场开关直接控制设备,或者对设备进行调试、维修。当现场(手动/自动)开关切换到自动,则生成中央远程控制方式,在这种方式下,由PLC按照预先编制的程序控制各类泵、风机等设备的开、停,切换各种工况状态,不需要人员的干预。每台设备和每种工况的运行情况可以由上位机进行监控,每种工况的运行时间及各种测量参数均可以在线或离线调整。现场的泵类、风机等信号通过PLC的控制转化在上位机显示[5]。因此,既能对设备开关量(如各类搅拌器、风机、泵类的开停)进行控制,又能对现场的模拟量(如污泥降解池内的溶解氧等)进行调节,通过计算机直接遥控现场设备,从而对系统的工艺、设备运行完成全面的监测和控制。
2.3 上位机监控系统的功能实现
上位机软件采用高级语言进行编写,如VB、delphi等。实现对系统所有参数、运行状态的显示、监测以及控制,其主要功能如下[6]:
(1)对软件设置口令保护,以免非操作人员进入系统或随意中断运行中的系统。
(2)通过键盘(或鼠标)直接控制现场设备,如启动或停止各类泵、风机、阀门等。
(3)提供工艺过程参数监测流程图,模拟量显示图、趋势图等动态画面显示,显示各主要设备运行时间参数和控制回路参数设置画面等。
(4)系统主要参数和报警信号登录。登录数据可供控制系统设计人员和工艺人员参考,以分析设备运行情况,提高系统的运行效率,从而进一步改进控制方案。当系统的设备出现故障及超越仪表设定值时闪烁报警,提醒操作人员采取相应措施,在保证生产安全的同时,尽快找出故障的原因,并给出解决问题的方法。
3 系统软件设计
系统软件设计的质量直接关系到系统控制质量和人员设备的安全,所以软件开发的可靠性、完善性对于用户来说是非常重要的。本系统用户软件分为下位机和上位机两部分,两部分之间通过无线通信模块进行数据通信,从而达到了数据的远程上传和控制指令的远程无线下达。
3.1 下位机程序
下位机PLC的用户程序设计是基于松下公司FP-X的编程工具FPWIN GR软件平台上完成硬件组态、地址和站址的分配以及用户程序的设计开发。FPWIN GR中文版软件提供了3种编程方式:符号梯形图方式、布尔梯形图方式和布尔式方式,本系统采用第一种方式进行程序设计。程序设计采用模块化的设计思想,根据所控设备的实际情况,可把污水处理流程分为若干个分流程,每个分流程对应一个功能块。把程序分成若干程序块,各程序块分别还有一些设备和任务程序指令,在主程序中将各种控制功能和通讯数据分别编写在不同的子程序中,主程序调用子程序完成预期的各种功能和任务[7]。主程序流程图如图3所示。
图3 主程序流程图Fig.3 Main program flowchart
3.2 上位机程序
上位机软件采用可视化的编程软件进行开发,软件能够实时的监控系统运行状况,并可以远程设定各种设备的运行参数,确保故障信息快速、准确的捕捉,提高系统运行的可靠性。根据系统要求,设计了以下几个主要界面[8]:
(1)弹出式主菜单 包括各个反应池总貌、历史趋势、实时趋势、报警记录、报警设定、参数表、帮助等功能选项。通过鼠标点击选项按钮,弹出相应的画面。各个画面之间可以自由切换,并都具有屏幕拷贝和打印输出的功能。
(2)趋势画面 实时趋势画面可以动态显示参数变化曲线,历史趋势画面可保留30 d的参数变化曲线,均可打印输出。
(3)总貌画面 实时、动态显示各个反应池的工艺参数、工艺流程和现场设备的运行状态。
(4)参数表画面 用以总览所有参数实测值及流量等的累计值。
(5)报警画面 在语音报警同时,弹出报警框,提示故障位置,并做历史记录。
(6)帮助画面 以图文并茂的形式为用户提供在线帮助。
3.3 远程无线通信程序
通过标准串口,将PLC与无线通信模块相连,由PLC程序完成通信协议的编写,在需要上传数据的时候,启动无线通信模块,完成数据的远程发送。上位机同样通过串口连接无线通信模块,完成数据的无线接收,由上位机软件完成接收数据的分解和破译,并把接收到的数据进行分析、计算和显示。
上位机与下位机之间的通信程序路程图[9],如图4和图5所示,上位机和下位机操作与画面显示要保持同步,这是系统实现远程监控的一个关键性问题。
图4 下位机通信程序流程图Fig.4 Lower computer communication program flowchart
4 结论
采用PLC控制实现污水处理远程控制系统后,操作人员的工作量和劳动强度大大降低,改善了操作人员的工作环境。系统具有调试简单、操作方便、使用安全、运行可靠、污水处理效果好等优点,同时软硬件均采用模块化结构,方便了工程技术人员的安装、调试和维修。因此,把PLC技术加入污水处理控制系统中,简化了系统,提高了可靠性,取得了很好的社会效益、经济效益和环境效益。
图5 上位机通信程序流程图Fig.5 PC communication program flowchar
[1]王明军.基于PLC的污水泵站自动控制系统[J].自动化技术与应用,2010,29(5):115-117.
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[7]李金城.PLC在城市污水处理中的应用[J].水工业应用,2005(1):152-154,158.
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