基于PLC的膜回用远程监控系统设计

(杭州开源环保工程有限公司，浙江 杭州 311200)

1 概 述

随着我国工业的迅速发展，用水量和排污量的急剧增加，膜回用系统将工业污水处理后作为再生资源进行循环再利用，达到了节约水资源、减少污染的目的。膜回用水工艺运行过程较为复杂，既有现场设备的运行协调，又有大量的现场数据采集和处理。但是，目前膜回用系统的模式还是人工半自动化模式，这不仅造成了人员浪费，而且对于分散的系统管理效率也比较低下。 为了提高膜回用系统的管理效率，实现系统的远程运行和维护，本文设计了一种基于PLC的膜回用远程监控系统。该系统通过以太网进行数据传输，能对分散于各地的膜回用系统进行整体控制与管理。

2 膜回用远程监控系统总体结构设计

膜分离(Membrane Separating)是利用天然或人工制备的具有选择透过性的膜，以外界能量或化学位差为推动力对双组分或多组分的溶质和溶剂进行分离、分级、提纯和浓缩的方法。浸没式超滤是将帘式膜片直接浸没在膜池中，直接与原水混合接触，通过产水泵的负压抽吸使中水通过中空纤维膜达到固液分离的目的。反渗透是在足够的压力下，进水通过渗透膜而变成纯净的水，通不过膜的水溶液含杂质的浓度逐渐增大，以浓水形式排放。膜分离装置的膜元件经过长期使用会引起膜污染，需要设置化学清洗系统，配置特定清洗液，清除膜中污染物质，尽可能恢复膜的性能。

膜回用系统的总体结构设施设备有原水池、超滤设备、气洗系统、超滤产水池、反渗透设备、清洗装置、纯水池、加药设备等，其中主体结构为原水池、超滤设备、超滤产水池、反渗透设备和纯水池。实现膜系统处理和中水回用的具体工艺流程见图1，原水池的水经过浸没式超滤系统后，由超滤产水池暂存，再进反渗透系统处理，产出清水输至纯水池。

图1 工艺流程

远程监控系统的总体框架(见图2)控制系统由本地上位机PC客户端、本地控制PLC系统、远程模块、远程监控中心PC客户端和手机远程监控APP共5个部分通过不同通信协议集成。下位机为PLC控制器，主要完成对各类传感器、泵、阀门等其他可执行装置的控制及反馈；上位机为PC客户端，主要负责接收PLC采集的数据，并对数据进行现场实时显示、存储及历史信息统计。操作人员可以通过本地、远程PC客户端或手机APP客户端实时监视系统的运行状况，并对现场的运行系统进行控制。

图2 远程监控系统总体框架

3 控制系统软硬件部分

3.1 硬件部分

根据现场需求和实际装置(超滤装置和反渗透装置)数量确定硬件设备，本文以两套超滤和两套反渗透装置为例加以介绍。因反渗透与超滤装置有一定距离，在此设计的网络平台中，现场通信部分选取S7-300为主站，选IM153-4为接口，连接ET200M并使其作为从站通过PROFIBUS-DP与PLC控制器连接，因此控制系统包括一台S7-300 PLC CPU315-2PN/DP主机，两个子站ET200M通信接口模块(分布式I/O可节省大量的信号电缆，实现远距离通信，且结构清晰，便于维护)，外加数字量输入/输出模块，模拟量输入/输出模块，本地上位机PC和GRM530远程无线通信模块。其中数字量模块主要的控制对象是电机泵和阀门，模拟量模块采集液位、流量、压力、pH值、ORP、电导率等在线仪表数据。

选用海康威视网络硬盘录像机NVR(network video recorder)、智能球型摄像机、红外夜视枪型摄像机和交换机完成视频监控的硬件设计。利用组态软件中的视频控件，实现远程监控系统视频监控环节的嵌入。

工业以太网建立第一层网络构架，PROFIBUS-DP现场总线构建第二层网络构架，ASI总线为第三层网络构架。GRM530远程模块支持S7-300以太网协议，通过wifi、4G和有线网，实现异地远程客户端或手机APP对本地PLC的控制。

3.2 软件部分

3.2.1 PLC程序控制流程

S7-300 PLC使用STEP7软件进行编程，程序编辑完成后下载至PLC内。程序逻辑控制功能根据超滤和反渗透的工艺控制流程编写。自动控制流程见图3。

名 称超滤步序 反洗泵反洗加药曝气风机产水泵进水阀产水阀反洗进阀排污阀时间设置运行运行10000∗min反洗2000000∗s排污300000∗s停机停机4

名 称反渗透步序 增压泵高压泵段间泵清洗泵进水阀清洗回流阀清洗进水阀浓水阀冲洗电动阀产水回流阀时间设置运行冲洗10000∗min运行200000∗h反冲30000∗min停机停机4

图3 自动控制流程

系统可以手自动控制切换，手动模式下在操作柜上可单独开阀门与泵。自动模式下正常运行时，超滤程序按照1-2-1-2-1循环进行，反渗透程序按照1-2-3-2-3循环进行，系统运行时需先开阀门再开泵，停机时需先关泵再关阀门，系统启停主要根据水池液位的高低来控制。

3.2.2 本地控制上位机PC界面

本地上位机一般安装在现场办公室内，能够让现场操作人员实时监控膜回用控制系统。界面使用WINCC组态软件进行开发，其开发环境方便、灵活，功能强大，极大地提高了组态的效率。该组态系统主要由窗口和数据库组成，具有类似浏览器的窗口结构，能处理数据报警及系统报警、生成各类报表和打印输出、使用脚本语言进线二次开发、存储历史数据并支持历史数据的查询等。上位机操作界面见图4、图5。

按照膜回用系统的要求，界面包括超滤系统、反渗透系统、趋势图、报表、报警和视频监控等，界面间的切换通过鼠标左键单击实现。不同的功能赋予相应的操作权限，权限不够则无法执行相应的操作或参数修改。界面上能显示设备的实时状态和运行状态，在超滤和反渗透界面内有小窗口可设置系统运行参数(时间和液位)。

视频监视窗口用于查看现场超滤设备、反渗透设备、原水池、超滤产水池和纯水池的情况，若要调整监视位置或者进行视频录像，需进入视频监控界面进行操作。

3.2.3 远程监控系统

巨控采用Internet云监控服务，消除了传统的网络系统要求一个专用的监控服务器和固定IP地址的限制，用户无论何时何地，只要能连接Internet，都可以监控自己的设备，实现远程监控。

图4 超滤系统界面

图5 反渗透系统界面

系统在实现远程控制的过程中OPC技术是支撑技术，远程监控中心的组态软件WINCC与OPC服务器连接必须通过OPC接口。GRM530远程通信模块把PLC数据打包为数据包格式，通过有线网络或4G网络将数据包发送到云平台，云平台将数据通过Internet方式转发到OPC服务器，OPC服务器通过GRMOPCSERVER将传送上来的数据作为一个个变量提供给组态软件WINCC进行组态(远程画面可以与现场画面相同)。从而远程监控中心客户端能够监视和控制多个现场PLC的运行，并记录历史报警和历史数据等关键信息。

除了PC客户端，还可以通过手机APP和网页随时随地远程监控现场膜回用系统运行状况，手机短信报警和拨号提醒能确保现场发生故障时及时通知到人，最终实现无人值守的目标。

4 结 语

膜回用远程监控系统通过GEM530模块利用先进的移动网络技术和成熟的PLC控制技术与远程PC主机和手机建立了稳定的通信，将膜回用系统实时状态展现在用户面前，为控制膜回用系统提供了重要保证，在满足设备安全有效运行的前提下降低了人工成本，提高了管理效率，实现了无人值守。该系统具有很强的复制性，可应用于类似膜回用系统。