电气设备自动控制系统中的PLC 设计

许明艳

（江苏省扬州技师学院，扬州 225101）

目前，传统污水处理自动控制系统存在污水处理工艺复杂、污水处理成本高、处理后的污水质量不达标等问题，而新型电气设备自动控制系统的设计和实现可以解决这些问题。该系统主要应用可编程逻辑控制器，此控制器具有可靠性高、接口模块丰富、运行性能高、编程简单、易维护和性价比高等特点，不仅可以远程监测和控制污水处理过程，还能够提升污水水质处理的质量，避免因排放的污水质量不稳定而对环境造成污染和破坏[1]。因此，应用可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC）强化新型电气设备自动控制系统的设计和实现显得尤为重要。

1 系统监控方案设计

污水处理厂电气设备自动控制系统架构，如图1所示。从图1 可以看出，整个系统监控模块在具体设计时，主要用到上位机远程终端和PLC 控制站等组态软件[2]。其中：上位机远程终端主要用于控制全污水处理厂电气设备的远程化和智能化；PLC 控制站仅用于远程控制污水处理相对应的电气设备。运用PLC控制站，对相关电气设备参数数据进行采集，并将最终采集结果传输和发送至上位机，由上位机调节和控制相关电气设备的运行状态。在该系统中，除了有中央控制室，还有4 个PLC 控制站，这些设备与各个交换机进行有效连接，保证通信质量[3]。在中央控制室中含有监控站，它可以自动化、远程化管控污水处理过程。在4 个不同的PLC 控制站中均配置相应的控制柜，控制柜由若干PLC 模块组成。1#PLC 站主要安装和部署于除砂池机房内，可以实现对粗、细格栅液位及pH 值的远程监控。2#PLC 站主要安装和部署于氧化池机房内，可以实现对氧化池液位、pH 值、含氧量的远程监控。3#PLC 站主要安装和部署于出水泵房，可以远程监控清水流量。4#PLC 站主要安装和部署于鼓风机房，可以远程监控相关电气设备电压、电流[4]。

图1 系统架构

2 系统硬件设计

2.1 仪器仪表系统与选型

仪器仪表系统作为系统的重要硬件组成部分，主要用于实时检测和显示污水处理过程相关动态参数，方便相关人员全面了解和掌控污水处理厂生产工艺的操作状态，由超声波液位差计、电磁流量计、气体检测仪、溶解氧检测仪、化学需氧量检测仪和pH 测量计等部分组成[5]。仪器仪表系统工作原理如下。首先利用仪表的传感器，将采集的污水处理模拟信号安全、可靠地传输和发送至变送器，其次由变送器统一将信号转化为相应的数字信号，自从将数字信号传输到PLC 输入端，最后利用显示器形象直观地显示最终的信息采集结果。

2.2 PLC 型号选择

系统设计中，PLC 作为重要硬件在信号采集、数据通信方面具有重要作用。为了选出经济性、实用性强的PLC，在系统选型期间需要遵循4 个方面的要求。第一，选择模块式PLC。在PLC 具体使用期间，95%以上的故障均出现在输入/输出（Input/Output，I/O）部件上，而模块式PLC 具有易维修、配置灵活方便等特点，一旦出现故障，仅更换新的I/O 部件即可，能有效降低维修成本。第二，选择同一型号。确保所选用的PLC 型号相同且来自同一个厂家，保证PLC 的通用性，方便后期相关资源的实时共享和最大化利用。第三，满足I/O 点数要求。结合实际点数检测需求，选用合适的I/O 模块。第四，满足存储容量要求。结合实际控制规模大小，确保所选用的PLC预留40%左右的容量。结合污水处理厂实际生产需求，将系统的输入输出I/O 点数最大值、控制程序长度分别设置为225 点和10 kB。不同PLC 品牌所用到的设计理念也不同，本系统在具体设计时，主要选用由三菱公司研发的FX2N 系列的PLC 产品，其控制规模较大，可以控制大约256 个I/O 点，内置随机存储器（Random Access Memory，RAM）容量达到10 kB，最大容量可以扩展到18 kB，满足I/O 点数和存储容量实际应用需求。该PLC 表现出较快的中央处理器（Central Processing Unit，CPU）运算处理速度，在其硬件右侧位置主要设置输入、输出模块。该PLC基本单元具有强大的定位功能，其所使用的编程软件为GX Developer。

2.2.1 PLC 地址分配

在进行PLC 地址分配时，首先要做好对I/O 点的地址分配。借助I/O 部件，可以将中央处理器与其他外部设备进行有效连接。PLC 在具体应用时，主要借助I/O 接口模块将对外功能与外界有效连接，确保两者形成密切的联系。结合I/O 点数对PLC 模块规格进行合理控制和确定，利用I/O 模块的实际输出点数，可以真实有效地反映锁存状态。其次，选择PLC存储容量。PLC 借助存储容量，可以真实反映数据存储单元存储量大小。影响PLC 存储容量大小的因素不仅包括PLC 功能的复杂度，还包含PLC 功能的实现方式。通常情况下，PLC 存储容量和运算速度越高，其价格也越高，在计算PLC 所需存储容量大小的基础上预留40%左右的容量。最后，绘制PLC 硬件连线图。为确保系统能够正常、稳定地运行，需要将所分配好的I/O 地址设置到相应的软元件中。

2.2.2 PLC 数据采集的实现

在设计和实现PLC 数据采集模块时，要从两个方面入手。一方面，采集开关量。通过利用PLC 输入模块，实时采集所需要的开关量，为PLC 输入48 V直流电压，将限位开关与PLC 中的公共点进行连接。当限位开关处于闭合状态时，整个PLC 形成稳定的通路，此时PLC 输入点会接收到数字信号，PLC 内的输入点处于稳定接通状态。另一方面，采集模拟量。压力、转速、温度等模拟量变化表现出一定的连续性。伺服电动机等电气设备要求PLC 在具体应用中输入相应的模拟信号，因此需要借助I/O 模块对模拟信号与数字信号进行相互转换。模拟量输入接口在具体应用时，可以统一转化模拟信号，使其转化为相应的数字信号。当模拟量全部转变为相应的二进制时，利用PLC 数字运算功能输出相应的模拟量，然后利用该模拟量智能化控制执行部分。通过利用模拟量模块，实时引入流量信号、压力信号等多种信号。

3 系统软件设计

3.1 PLC 程序设计

本系统PLC 控制程序在具体设计时，主要运用梯形图设计模式。以粗、细格栅控制程序设计为例，该设计的目的是全面清理污水内的垃圾。将超声波液位差计设置在粗、细格栅两侧，利用液位差计内的传感器判断和分析清污机的运行状态。粗格栅的运行程序如下。将粗格栅的启动时间控制为30 min，间歇时间控制为3 h。3 h 后，粗格栅再次进入长达30 min的运行状态，如此循环执行。细格栅运行程序与粗格栅相同，不再赘述。粗、细格栅PLC 控制程序的工作流程，如图2 所示。

图2 粗、细格栅PLC 控制程序的工作流程

3.2 上位机的监控系统设计及通信协议设置

3.2.1 上位机系统设计

上位机系统设计的目的是借助数据总线与现场各个PLC 控制站进行有效连接，从而形成良好的通信关系，方便相关人员通过监控室远程、智能化监控和观察整个污水处理过程的相关动态参数。此外，借助上位机可以远程控制PLC 各个站点设备运行状态，保证污水处理的质量和效率。上位机系统功能，如图3所示。从图3 可以看出，整个上位机系统包含报警系统、数据监控和数据报表系统等模块。

图3 上位机系统功能

3.2.2 上位机系统通信协议设置

在设计系统通信网络时，各个PLC 控制站点均含有相应的站号名称，利用该站号可以控制和识别计算机的访问状态。在FX2N 型号的PLC 编程通信协议中，包括请求、PLC 正确响应、PLC 错误响应、报文开始和报文结束5 个标识命令。通过PLC 通信协议，能够确保组态软件与PLC 之间形成良好的通信关系。当上位机通信协议设置结束后，可以将组态软件与程序进行有效连接，保证整个上位机系统运行的稳定性和可靠性。在编写上位机系统软件时，要科学设置PLC 被控设备的地址和参数。在设置PLC 参数和地址时，要确保与组态软件中的设备参数和地址完全一致。

4 结语

所设计的电气设备自动控制系统主要选用PLC控制器，促使系统配置更加灵活。同时，该系统与PLC 站点之间建立良好的通信关系，远程监控和操作整个污水处理过程，实现污水高质量、高标准、自动化处理。此外，该系统运用PLC 子程序梯形图设计模式，促使系统运行管理更加高效化、便捷化。总之，在PLC 的应用背景下，该系统具有运行性能稳定、污水处理工艺简化、污水处理成本低等优势，完全符合污水处理厂的应用需求。