基于三菱L02型PLC的污水处理控制系统设计

李继松,袁 霏

(1.科德宝宝翎衬布(南通)有限公司,江苏 南通226000；2.南通职业大学 电子信息工程学院,江苏 南通226007)

目前印染污水处理多样化,需要采用较先进的控制系统,才能保证污水处理运行的稳定性和可控性[1]。在污水处理系统出现问题时,需要快速响应并解决问题,提高污水处理正常运行的可持续性,为企业生产提供后续保证。

传统的污水处理系统,多采用以PLC为主控系统、在电柜面板上增加操作按钮、现场通过触摸屏查看并设置污水处理系统参数的方法。随着污水处理的单元化,使用的设备增多,采用的高性能传感部件更多,对污水处理系统处理能力的要求越高,须采用具有高信号处理能力的主控PLC。新的污水控制根据规模结构,充分整合新的三菱控制技术、上位机组态王及远程监控报警技术,形成一个具备底层通信控制和上层监控报警功能的污水处理控制系统,不仅降低了污水处理系统的成本投入和管理费用,还保障了污水处理运行的稳定性、可控性和可持续性。

1 新污水处理控制系统设计

科德宝宝翎衬布(南通)有限公司的污水处理系统采用三菱L02型PLC作为主控系统,该PLC可直接扩展功能模块且无需使用基板,成本投入相对较少[2]。

如图1所示,整个污水处理控制系统,底层采用三菱FR-E740或FR-F840系列的27个变频器,分别驱动罗茨风机、提升泵、搅拌器和螺杆泵等电机。主站L02需要对每个电机的频率进行精确设置,扩展了LJ61BT11模块,将命令经三菱CC-Link通信协议发送给从站FX3U,FX3U通过通信扩展板连接控制所有变频器的RS485通信端子,不仅能实现变频器的启停控制和频率设置,还能监视变频器的输出状态。

图1 污水处理PLC控制系统

触摸屏通过网线接口连接L02的网口,读写L02内部变量的数据,管理人员可以在触摸屏的组态画面中实时查看和设置相关参数。L02扩展了LJ71C24串口模块,上位机组态王通过RS485串口协议与该模块建立通信,管理人员可以在离污水处理站较远的办公室查看和设置参数,实现和触摸屏一样的监控效果。远程监控模块GRM203G通过两线制RS485连接触摸屏通信端口,获取污水处理实时状态和数据,发送远程报警短信给管理人员。整个污水处理控制系统运用CC-Link、以太网、RS485等多种通信技术,减少了布线成本,增加了监控反馈功能。

2 主站L02控制系统

如图2所示,L02型PLC扩展输入输出模块,用于输入开关量信号和输出节点控制信号；扩展了L60ADI8模块,用于接收标准4～20 m A模拟量液位信号；扩展了LJ61BT11模块,通过三菱CC-Link协议与从站FX3U模块进行通信。

图2 主站L02型PLC的架构

它的一级扩展模块包括：LX41C4-CM输入32点模块,3个LX42C4-CM输入64点模块、2个LY41PT1P-CM和LY42PT1P-CM输出模块、2个L60AD4-CM电流输入模块。由于污水处理系统较大,输入和输出量较多,因此需要扩展分支模块L6EXB-CM和L6EXE-CM模块。二级扩展模块包括：1个LX40C6-CM输入模块、1个LJ71C24-CM串口通信模块和1个CC-Link模块LJ61BT11-CM,每级扩展均采用L61P-CM电源模块供电。

2.1 输入/输出模块

输入模块主要接入污水水泵和风机的故障信号、节点压力表的闭合信号、浮球液位计的闭合信号和操作启停信号,采用24 V源型或漏型接法接入线路。输出模块根据现有类型只能采用源型接法,输出控制直流24 V继电器,再由继电器常开或常闭节点控制变频器、水泵接触器的启停以及阀门的开关等。

2.2 模拟量A/D模块

模拟量信号主要来自污水池液位计和p H计仪表,这些仪表输送标准4～20 m A的电流给输入模块,只需两线制接入即可。本系统采用L60ADI8输入模块,拥有8通道电流采集功能,可将4～20 m A范围的电流值转换为PLC内部0～8 000的寄存器值。

2.3 通信模块

LJ71C24-CM是L系列的串口通信模块,该模块通道1为RS-232通信方式,通道2为RS-485通信方式。本系统采用RS-485通信方式,与上位机组态王建立远距离通信。在编程软件GXworks2的智能模块中选择该模块的“开关设置”,对通道CH2的参数进行设置,波特率19 200 bps、数据位8、偶校验、停止位1、允许RUN中写入。

L02型PLC扩展了LJ61BT11N通信模块,通过CC-Link协议,实现主站与从站通信。在编程软件GXworks2的“网络参数”中点击“CC-Link”选项,如图3所示,设置LJ61BT11N模块位置,类型为“主站”,模式选择“Ver.2”,传输速率选择“5 Mbps”,即可满足通信响应要求。根据编程情况选择软元件D值和M值的刷新区域。最后在“站设置”当中,设置从站为“Ver.2智能设备站”,并且占用“4站”,最大限度传输寄存器变量。

图3 主站L02的CC-Link参数设置

3 从站FX3U控制系统

3.1 主站和从站的连接

从站FX3U搭载的通信模块FX3U-64CCL,它能够向主站读写32个16位数据寄存器数据值和256个布尔继电器状态值[3],实现主站L02控制从站FX3U。模块FX3U-64CCL支持使用Ver.2版本,这样主站与从站交互的数据量可以从原来寄存器个数16增加到32,满足污水处理系统27个变频器的读写要求。

如图4所示,FX3U只需在软件编程中设置好输入和输出存放数据区即可。同时在硬件设置上,调节地址拨码开关至1；调节波特率拨码开关至3,代表5 Mbit传输速率；调节占用站号拨码开关至7,代表版本为Ver.2模式且占用4站。

图4 主站和从站的CC-Link连接

3.2 FX3U控制变频器

为了实现通信控制27个变频器,FX3U左侧扩展了FX3U-485BD通信板。三菱FX3U具有专门用于通信三菱变频器的编程指令,即写入IVDR和读取IVCK指令,可准确读写三菱变频器的运行状态。

每个变频器只需要4芯线即可并入到FX3U通信板中,无需给变频器增加额外通信硬件。相比传统的I/O方法控制27个变频器,节约了布线成本,简化了调试复杂度,并提升了对变频器的监控能力。变频通信运用了三菱特有的协议,使FX3U与变频器的通信更加稳定可靠。

在污水处理控制系统中,有8个FR-D740型变频器[4],采用网口接线汇入RS485总线,同时需要将变频器参数PR160=1解锁,该类型的变频器参数设置如下：

PR117=1(站号根据变频器依次增加1～32)

PR118=192(波特率为19200)

PR119=10(停1位7)

PR120=2(偶校验)

PR121=PR122=PR123=9999

PR338=1(变频器启停信号使用外部端子命令)

PR339=0(变频器频率设定使用通信方式)

PR340=1(变频器采用通信方式)

PR549=0(通信协议使用三菱协议)

其余19个变频器采用FR-F840型变频器[5],接线方式采用变频器内特有的RS485端子接线,通信参数设置如下：

PR331=1(站号根据变频器)

PR332=192(波特率为19200)

PR333=10(数据位7,停止位1)

PR334=2(偶校验)

PR335=PR336=PR337=9999

PR338=1(变频器启停信号使用外部端子命令)

PR339=0(变频器频率设定使用通信方式)

PR340=1(变频器采用通信方式)

PR549=0(通信协议使用三菱协议)

27个变频器用于驱动抽滤泵、罗茨风机和鼓风机。有些电机的功率达到22 k W或37.5 k W的较大级别,需要将电机参数输入变频器进行电机调谐,以发挥变频器的最大特性。

PR80=37.5(输入电机的功率参数)

PR81=4(输入电机的极对数)

PR96=1(设置为1)

以上参数设置结束后,PU模式操作rwd按钮,变频器进入调谐模式,30 s后变频器显示调谐完成。使用通信模式启动三菱变频器能使设定频率精度达到0.01 Hz,并且通过三菱编程软件可以在线观测变频器的运行数据。

4 人机界面控制系统

人机界面分为现场触摸屏和上位机组态画面两种,触摸屏安装在现场控制电柜上,用于现场操作数据,上位机组态画面用于远程办公室内操作数据。

4.1 现场触摸屏

触摸屏采用威纶通MT8102iE,它带有2个9针通信串口和1个网络接口。三菱L02型PLC自带1个网络接口,直接使用网线连接触摸屏与PLC构建网络通信。在触摸屏中,设置“系统参数”的设备类型为“Mitsubishi MELSEC-Q/L-Binary Mode”,接口类型选择“以太网”,将PLC的IP地址设置为192.168.1.3,同时选择UDP协议。在编程软件GXWorks2中设置PLC网络通信,采用UDP和MELSOFT连接,端口号统一使用4999,允许“RUN”中写入和选择“二进制码通信”模式。

如图5所示,触摸屏组态污水处理系统画面,显示PLC的内部变量,如变频器的设定频率、启停按钮和液位值等,管理人员可以实时通过触摸屏监控污水处理系统。

图5 触摸屏组态界面

4.2 上位机组态

上位机使用组态王6.55版本,直接与L02型PLC的扩展模块LJ71C24N进行485通信交互数据。波特率使用19 200 bps,通信格式 MC4,通信驱动选择QJ71C24N文件驱动,使用串口转USB数据线直接插入电脑,找到对应的端口即可完成实时在线通信,以及上位机与PLC的数据交互。

如图6所示,在上位机组态PLC的内部变量,如M辅助触点、D数据寄存器和输入输出点的读写操作,上位机的操作画面也会实时响应至触摸屏界面上,管理人员既可以在现场监控触摸屏也可以在办公室远程监控污水系统。

图6 上位机组态画面

5 远程监控系统

远程监控采用GRM203G巨控模块,它能够以485两线制通信获取触摸屏的数据,从而间接获取污水处理运行的数据,并建立远程监控数据字典和报警条。模块中使用手机SIM卡,只要报警条件满足,将直接发送报警短信给指定的管理人员。

如图7所示,管理人员可以登录云端进入网页,即便不是上班时间,也可以随时随地通过网络查看污水处理站的运行状态和参数,收到短信获取报警信息,及时进行处理,保证污水处理系统的正常运行。

图7 污水远程监控网页

6 实际应用效果

如图8所示,新污水处理控制系统采用触摸屏和上位机2种人机界面同时运行,保证操作的多样性。管理人员既可以在现场操作,也可以在办公室内远程使用组态王监控污水处理系统。远程监控模块发送污水处理报警短信,建立远程登录网页。管理人员可以随时随地上网获取并更改污水处理状态数据和参数,进行局域网外的远程监控操作,减少管理人员不必要的巡检时间,节约人力成本。

图8 污水处理系统实时运行

7 结语

使用三菱L02型PLC构建污水处理控制系统,扩展模拟量模块和通信模块,满足污水处理的信号采集,最大限度地降低硬件投入成本。采用FX3U型PLC通信控制三菱变频器,减少布线成本,降低调试复杂度,并且对罗茨风机、水泵等电机形成了闭环监控。应用CC-Link通信技术将主站L02与从站FX3U建立无延迟的数据通信交换。污水处理控制系统还可以继续扩展FX3U型PLC作为其他从站2～32站号,这样既提高了污水处理系统的可扩展性,也保证了污水处理的控制集中性。