PLC在南水北调尾水导流工程水质在线监测系统中的应用

刘华平　唐伟　魏芳　耿亮

南水北调丰沛县尾水资源化利用及导流工程沿线共设置6座水质在线自动监测站，分别对两个县区边界水质及四个县区污水处理厂水质进行监测，确保江苏省调水出省的水质稳定达标。该水质在线自动监测站具有自动运行、连续监测、停电自恢复、读取并上传监测参数等功能，这些功能的实现主要是依靠水质自动监测系统的控制单元，而PLC（可编程控制器）又是整个自动控制技术的关键。这6座水质在线自动监测站分别由取水系统、配水管路、水样预处理装置、辅助系统组成[2]，其流程控制和通讯均由M340系列PLC完成。本文主要介绍了该项目基于PLC的自动控制流程的设计，包括水处理自动控制系统控制要求、系统控制流程及PLC编程等。

以人工现场采样、实验室仪器分析为主的传统水质监测系统，存在可监测区域有限、监测工作量大、监测人员消耗高、监测数据连续性差、监测频率低、监测结果实时性差等问题，这些问题的存在使传统水质监测技术远远不能满足人们对水环境监测工作的要求[1]。

水质在线自动监测系统就是在此前提下应运而生的，它是一套以在线自动分析仪器为核心，运用现代传感器技术、自动控制技术、计算机应用技术以及相关专业分析软件和通讯网络所组成的一个综合性的在线自动监测体系[2]。水质在线自动监测系统极大地降低了实验室分析所带来的劳动强度，解决了偏远地区无法高频率监测的问题，同时还能够及时反馈监测信息，为管理层提供决策服务[3]。

一、水质在线自动监测站系统

1.1系统总体情况

南水北调丰沛县水质在线自动监测系统是一个多参数监测系统，监测参数包括：常规五参数（pH、温度、溶解氧、浊度、电导率）、氨氮、COD、全盐量等。系统结构如图1所示，采用双泵结构，两泵互为备用，整个系统可依据需要按设定的周期连续采样。采集上来的水样经五参数及全盐量测定仪测定后，将数据传送到PLC中，其余水样经一段时间的预处理后，流向氨氮分析仪、COD分析仪，测量完毕后与水质五参数、全盐量值一样通过基于Modbus通讯协议的RS485总线技术传送到PLC中。取水测量完毕后进入清洗阶段，清洗共分为清水清洗、热水清洗、空氣反吹三个流程。清水清洗主要清洗管路中的泥沙并冲走残留水样；热水清洗则是为了防止管路中滋生藻类及微生物等；空气反吹用于吹干取水管路，以备下次采样使用。另外，考虑到五参数测定仪的传感器不宜长时间暴露在干燥环境下，因此在系统运行间隙通过图1中的冲洗管路定时对传感器进行清水喷淋。

1.2系统功能设计

水质自动在线监测系统可按照监测周期定时进行采样监测、管路清洗、喷淋传感器探头等，以上不同的运行过程包括了泵的开启、管路阀门的闭合、采样仪器的触发启动、测量参数的读取、系统故障的判断等，工艺流程较为复杂，逻辑性强。对以上较为复杂的流程控制，需要采用一种控制性能强、可靠性高、编程简单、易于调试、维护方便的控制单元用以控制阀门、仪表的开启，数据、工况信息的采集和上传。

此外，考虑到水质在线自动监测系统的灵活性和可靠性，在机柜上设置现地手动启动按钮、紧急停止按钮、检修按钮等，方便运行维护人员在应急状态下控制系统的运行状态。

1.3 PLC自控系统特点

技术先进：自动化控制系统无论是从使用的现场总线、通信网络、PLC、组态软件，还是从自动化控制技术来讲，都具有先进水平。

稳定可靠：PLC主控单元选用知名品牌，监理的自动化控制平台，经过严格的测试，可保证系统稳定可靠地运行；对于PLC作为主要的控制器，采用中文设计界面，自动化程度高，使用简单。

安全性：自动化控制采用全面的设备保护体系，包括控制平台信号及电源防雷保护、各种水质异常保护、各类报警等，以防止因为意外或操作失误而发生事故。

扩展性和兼容性：本系统具有很强的兼容性，为了保证在今后的扩建和改造时满足控制要求，在设计时充分考虑系统的扩展能力，在满足现有功能要求的基础上，为今后系统的扩展和互连提供充足的接口。

二、水质在线自动监测系统PLC选型及应用

2.1 系统PLC选型

PLC（可编程控制器）实质上就是一台计算机，其硬件结构与我们常用的微机相似，即由电源、CPU、通讯模块、输入输出（I/O）模块、外设I/O接口等组成[4]，各部分通过总线（电源总线、控制总线、地址总线、数据总线）连接而成[5]。它是一款综合了计算机技术、自动控制技术和通信技术的自动控制装置[6]。

在南水北调丰沛县水质在线自动监测系统中，选用M340系列PLC。这款PLC适用于中小型项目，可以为工程提供最佳的自动化技术和高效、灵活、经济的解决方案。水质自动监测系统虽然结构、工艺流程较为复杂，但较之大型自动化工程而言，尚属中小型项目，因此，M340系列PLC完全可以满足系统的需求。

南水北调丰沛县水质在线自动监测系统输入端设有手动选择开关、浮子开关、泵脱扣信号及泵运行信号等；输出端需要控制12个阀门、2台水泵、9个状态灯、1个增压泵。考虑到系统的可扩展性，选用了32点DI和DO模块。同时，加入一个通讯模块，用于发送COD、氨氮采样仪启动命令，接收五参数采样仪、全盐量测定仪、氨氮及COD采样仪的测定数据。

2.2 系统PLC程序设计

在此工程中，PLC控制程序使用Unity_Pro_XL_V5.0软件编写，主要控制采样、监测、清洗、喷淋、数据读取等，其控制程序流程如图2所示。

系统自动运行开始，首先判断是否到达监测周期所要求的监测时间，若时间已到，则立即进入监测流程，并将测量到的水质参数发送到数据采集器中；待监测流程结束后，开启清洗流程，经过清水清洗、热水清洗、空气反吹后，系统停止，等待下一个监测周期到来。喷淋流程是在监测流程和清洗流程均未开启的状态下，每隔一小时运行一次，即在监测周期时间间隔内循环运行。

当系统处于手动运行状态时，可以按下强制监测或强制清洗按钮，开启系统监测或清洗流程。

系统在PLC读取数据后，会以一定的采集频率，通过RS485方式与数据采集器进行通信，所有数据最终由数据采集器以GPRS无线通讯方式传送到中心站，以备分析使用。

三、水质在线自动监测系统PLC程序设计

3.1 系统PLC编程软件的选用

PLC控制程序采用Schneider公司提供的Untiy_Pro_XL_V5.0编程软件开发。整个程序由一个主程序、若干个子程序构成，程序的编制在计算机上完成，编译后将程序下载到PLC中，通过在RUN模式下主机循环连续执行程序来实现[3]。

3.2 系统PLC程序的设计

南水北调水质在线自动监测系统程序由一个主程序及五个子程序组成。

监测子程序：监測水样时间到时，控制水泵、电动球阀、电磁阀等设备开关，分析仪分析等。同时通过沉砂池、分析仪采样杯浮子开关情况来判断取配水系统的运行状况。

清洗子程序：监测完成后，要对管路进行冲洗。此程序控制电磁阀、电动球阀、热水阀等设备对管路进行清水清洗、热水清洗及空气反吹。

喷淋子程序：当系统既不处于监测阶段，又不处于清洗阶段时，每隔一小时开启一次清水喷淋，以保护传感器探头。

系统停止子程序：系统按照设计循环运行完一次后，进入停止状态。此时，监测和清洗流程均停止，但喷淋流程仍继续执行。

检修状态：当系统处于故障或强制检修状态时，监测、清洗及喷淋流程均停止。同时，所有电动球阀、电磁阀等设备回到初始状态，PLC不再向数据采集器传送数据。

四.总结

南水北调丰沛县水质在线自动监测系统利用M340系列PLC对整个自动监测流程进行控制，实现了监测站的无人全自动连续运行，提高了系统的可靠性及自动化水平。PLC系统运行稳定，采集数据准备快捷，控制的重要设备运行安全，现场安装方便，程序编写智能简便，系统投运后自动化智能化程度高，工作人员维护量小。同时，该系统还具备较好的扩展性和适用性，对于地处南水北调丰沛县尾水资源化利用及导流工程沿线不同位置的6座水质监测站，仅需根据各自地形特点设计取水方式即可使用。

南水北调丰沛县尾水资源化利用及导流工程6个水质在线自动监测站的运行，大大加强了水环境的监测能力，为环境保护和管理部门准确、及时地掌握江苏省调水出省的水质状况提供了理论依据和决策支持。