PLC 的電氣自動化控制水處理系統(tǒng)研究

黃海榮

（蘭州工業(yè)學(xué)院，甘肅蘭州，730050）

0 引言

當(dāng)前科技水平受時代發(fā)展影響正在穩(wěn)步推進(jìn)，不同行業(yè)生產(chǎn)技術(shù)水平突飛猛進(jìn)的提升，特別是在信息通信技術(shù)的應(yīng)用過程中，企業(yè)生產(chǎn)管理效率呈指數(shù)型增長[1]，在這種經(jīng)濟(jì)表現(xiàn)良好的背景下，隱藏著資源的加速消耗。人們?nèi)粘５乃猩钌a(chǎn)都離不開水資源，在人口數(shù)量與市場需求的不斷提升的情況下，水資源消耗量劇增[2]，不同渠道的污水排放量也大幅增長。在水資源不斷減少的情況下，水處理的重要程度不斷提升，水處理的目標(biāo)是通過處理水資源，減少環(huán)境污染實現(xiàn)節(jié)能降耗[3]。水處理系統(tǒng)可以有效提升水處理工作的整體效率，其運行質(zhì)量與環(huán)境保護(hù)水平均受效率提升的影響有所增加[4]。研究實際水處理系統(tǒng)控制過程中，通過PLC開發(fā)設(shè)計電氣自動化水處理系統(tǒng)，對系統(tǒng)運行質(zhì)量與整體效率提升的保障，令所排放水質(zhì)符合國家要求。

1 PLC 的電氣自動化控制概述

■1.1 PLC 的概念

PLC 是一種利用編程邏輯控制設(shè)備完成控制的技術(shù)，在當(dāng)前各個行業(yè)的生產(chǎn)控制過程中具有極高的使用價值[5]。較之其他控制技術(shù)，該技術(shù)可有效保障使用過程中對自動化技術(shù)的提升，令生產(chǎn)生活工作正常運行?；趯嶋H生產(chǎn)狀況研究PLC 的控制效果，掌握其控制要點，通過該技術(shù)完善電力自動化建設(shè)過程，可有效提升自動化技術(shù)的應(yīng)用價值。

■1.2 PLC 的應(yīng)用優(yōu)勢

常規(guī)水處理系統(tǒng)的控制多采用安裝繼電器的方式展開，該方式中常存在難度較大的線路布設(shè)問題[6]，由于線路完成布設(shè)后無法隨意更改，所以后期系統(tǒng)的運維難度較高，出現(xiàn)故障時無法予以及時處理，導(dǎo)致水處理系統(tǒng)的運行效率與安全受到威脅[7]。通過PLC 電氣化控制水處理系統(tǒng)，可以有效加強(qiáng)水處理系統(tǒng)的運行穩(wěn)定可靠程度，減少能耗與運維成本。

2 基于PLC 的電氣自動化控制水處理系統(tǒng)

■2.1 系統(tǒng)工作原理

要求所設(shè)計的系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)采集、自動控制調(diào)節(jié)等功能，系統(tǒng)的硬件部分包括PLC、電氣元件、泵、電磁閥等。其中，人機(jī)交互界面采用觸摸屏，需要在配置過程中實現(xiàn)對其的參數(shù)設(shè)置。應(yīng)用傳感器采集相關(guān)數(shù)據(jù)信息，并將所采集信息發(fā)送至PLC 控制泵、電磁閥和風(fēng)機(jī)進(jìn)行工作，最后通過PLC 發(fā)送信息至觸摸屏，實現(xiàn)系統(tǒng)的人機(jī)交互功能。

■2.2 水處理系統(tǒng)自動控制結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)通過其核心控制器——PLC 管理所有功能模塊，實現(xiàn)設(shè)備的狀態(tài)的調(diào)整，具體結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 電氣自動化水處理系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

■2.3 可編程邏輯控制器硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計

可編程邏輯控制器（PLC）是電氣自動化控制水處理系統(tǒng)的核心，利用基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的PID 控制器設(shè)計PLC。PLC 利用可編程存儲器儲存邏輯運算控制程序以及相關(guān)操作指令等，并通過輸入、輸出接口進(jìn)行人機(jī)交互。PLC的具體結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 PLC 結(jié)構(gòu)示意圖

PLC 結(jié)構(gòu)中輸入接口直接連接手動開關(guān)、限位開關(guān)、傳感器、編碼器等，負(fù)責(zé)將所采集信號發(fā)送至中央處理單元內(nèi)。中央處理單元通過電源為其供電，應(yīng)用外設(shè)I/O 接口連接用戶端的編程器、寫入器和顯示器等，顯示器和編程器的作用是用戶可在該部分將電氣自動化控制水處理系統(tǒng)軟件程序?qū)懭胫醒胩幚韱卧獌?nèi)，并保存至程序存儲器，通過調(diào)用程序存儲器內(nèi)的電氣自動化控制水處理系統(tǒng)軟件程序?qū)崿F(xiàn)相關(guān)控制，并經(jīng)輸出接口將控制結(jié)果輸出至變頻器輸入端口和電磁閥等單元內(nèi)。

■2.4 主電機(jī)變頻器

電機(jī)的通常采用直接啟動的控制方式，但其不能良好應(yīng)對突然啟停狀態(tài)下出現(xiàn)的急扭，從而容易引發(fā)元件松動、管道破壞等情況，嚴(yán)重時甚至導(dǎo)致電機(jī)徹底損壞。所以在設(shè)計電機(jī)時需要通過變頻器實現(xiàn)設(shè)備啟停的控制，以便處理急扭情況并減少其發(fā)生的頻率，從而降低設(shè)備符合、有效防止電機(jī)老化。變頻機(jī)的硬件電路見圖3。

圖3 變頻機(jī)控制硬件電路

電路的具體控制方法為，工業(yè)用電經(jīng)L1、L2、L3 連接系統(tǒng)，通過低壓斷路器連接變頻器的R、S、T 交流端輸入端子，將電流信號發(fā)送至變速電機(jī)，并在線路中部署電抗器，以防線間電容受到干擾。變頻器內(nèi)PLC 輸出連接STF（控制系統(tǒng)向前運動）、STR（控制系統(tǒng)向后運動）、RH、RL，SD 連接公共端，通過差異組合速斷控制端RH、RM、RL 獲取需要的不同速度擋位，完成電氣自動化控制水處理系統(tǒng)的分級控制。

■2.5 無線通信模塊

由于傳統(tǒng)水處理系統(tǒng)內(nèi)存在數(shù)據(jù)異常、故障等不能及時報錯的問題，所以需要在系統(tǒng)PLC 控制器內(nèi)布設(shè)一個無線通信模塊，其設(shè)計的目的是實現(xiàn)PLC 的遠(yuǎn)程監(jiān)控及維護(hù)等功能，該模塊主要應(yīng)用了5G 通信技術(shù)，可有效保障無線通信模塊的穩(wěn)定性，通過智能化壓縮傳輸數(shù)據(jù)提升系統(tǒng)響應(yīng)速率。PLC 的電氣自動化控制水處理系統(tǒng)具有生產(chǎn)管理、故障處理等功能。

3 電氣自動化控制水處理系統(tǒng)軟件設(shè)計及控制流程

■3.1 基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的PID 控制器設(shè)計

PLC 應(yīng)用基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的PID 控制器設(shè)計。由于PID 控制參數(shù)嚴(yán)重影響系統(tǒng)的控制效果，所以在選取PID 參數(shù)時，參數(shù)越精準(zhǔn)則控制效果越好。電氣自動化控制水處理系統(tǒng)具有顯著的非線性特征，而通過卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自身極佳的非線性函數(shù)擬合能力可以在數(shù)據(jù)訓(xùn)練后輸出較為精準(zhǔn)的參數(shù)。

卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有在線調(diào)節(jié)的特征，基于此設(shè)計一個可調(diào)權(quán)值的PID 控制器，其主要包括PID 控制（傳統(tǒng)PID 控制）、卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)控制參數(shù)（通過卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練輸出PID 參數(shù)，提高PID 控制參數(shù)的精準(zhǔn)程度以及水處理系統(tǒng)的控制效果）兩部分。卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分為多層、單層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，其中單層感知機(jī)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡單且自適應(yīng)能力強(qiáng)，遂選擇單卷積神經(jīng)元學(xué)習(xí)PID 控制器參數(shù)（圖4）。

圖4 PID 控制

單卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID 控制器可以較好的解決參數(shù)整定和適應(yīng)性的問題，同時通過引入誤差解決系統(tǒng)的實時控制問題。通過該算法實現(xiàn)電氣自動化控制水處理系統(tǒng)，其應(yīng)用了有監(jiān)督的Hebb 權(quán)值學(xué)習(xí)規(guī)則，公式表示為：

其中，Δwij(k)表示卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)oi、oj的連接權(quán)重，η為學(xué)習(xí)效率，(dj(k)-oj(k))是實際、期望輸出的差值。替換比例、積分及微分系數(shù)為具有在線調(diào)節(jié)功能的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系數(shù)，其調(diào)整取決于監(jiān)督算法和引入誤差，得到公式：

單卷積神經(jīng)元的控制算法和學(xué)習(xí)方法公式表示為：

其中，ηI、ηP、ηD別比例、微分、積分的學(xué)習(xí)速率。

■3.2 軟件系統(tǒng)設(shè)計

電氣自動化控制水處理系統(tǒng)軟件設(shè)計時，PLC 的利用可以較為直觀的呈現(xiàn)出水處理系統(tǒng)的電氣自動化控制效果，同時可以在組態(tài)軟件的輔助下監(jiān)控污水的整體處理過程。PLC是電氣自動化控制水處理系統(tǒng)的核心處理器，其負(fù)責(zé)監(jiān)測和控制各種工業(yè)過程，包括從輸入端口接收數(shù)據(jù)、輸出相關(guān)命令以及處理邏輯運算等。并通過PID 控制器結(jié)合卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計，實現(xiàn)對污水的準(zhǔn)確處理。在系統(tǒng)的輸入端口，PLC 會接收來自不同傳感器的數(shù)據(jù)集，這些傳感器能夠檢測出水池中的水位、溫度以及水質(zhì)的各項參數(shù)等。PLC 根據(jù)這些數(shù)據(jù)分析出當(dāng)前污水處理過程的狀況，并根據(jù)預(yù)設(shè)的算法和控制邏輯，生成處理結(jié)果。同時，通過中央處理單元的支持，可實現(xiàn)多個PLC 之間的數(shù)據(jù)交互和協(xié)同控制，從而保證水處理系統(tǒng)的整體運行效率和準(zhǔn)確性。在系統(tǒng)的外設(shè)I/O 接口部分，PLC 會調(diào)用設(shè)計好的軟件進(jìn)行控制，以輸出相應(yīng)的控制信號，調(diào)整電磁閥的開合程度，從而實現(xiàn)對污水的精準(zhǔn)處置。而在輸出端口部分，PLC 會將生成的處理結(jié)果發(fā)送到變頻器輸入端口和電磁閥等單元內(nèi)，以便于控制執(zhí)行器完成相關(guān)操作。當(dāng)PLC 生成的控制信號發(fā)生異常時，變頻器能夠?qū)⑵滢D(zhuǎn)化為適當(dāng)?shù)碾妷汉皖l率，從而輸出至電機(jī)控制系統(tǒng)，調(diào)整電機(jī)的運行速度，以保證水泵的正常運轉(zhuǎn)。而電磁閥也可通過PLC 輸出的信號得知該進(jìn)行開門或關(guān)門等操作。組態(tài)軟件主要包括上位機(jī)和下位機(jī)。上位機(jī)可以對全部監(jiān)控區(qū)域內(nèi)的設(shè)備進(jìn)行控制和監(jiān)測；下位機(jī)則能夠通過PLC 程序編寫進(jìn)行診斷等功能，且該系統(tǒng)的控制軟件具有極大的開放性，能更加方便快捷地實現(xiàn)對系統(tǒng)進(jìn)行管理與運行。

■3.3 水處理系統(tǒng)控制流程

水處理系統(tǒng)控制流程主要分為自動、手動兩種控制模式，自動控制時全部設(shè)備都受控于電氣自動化控制水處理系統(tǒng)，當(dāng)系統(tǒng)啟動后就會向操作程序下發(fā)操作指令，根據(jù)所設(shè)置的PLC 程序展開工作，一次水處理流程為：先通過粗格柵機(jī)與清污機(jī)處理污水，然后啟動泵，最后通過細(xì)格柵機(jī)、沉砂設(shè)備以及污泥回流設(shè)備隨機(jī)工作；手動控制時工作人員可以在人際交互界面選擇手動管理系統(tǒng)，滿足生產(chǎn)需要。

4 實驗分析

為驗證PLC 對電氣自動化控制水處理系統(tǒng)過程中隨機(jī)擾動的抑制能力和魯棒性，設(shè)定50s 時存在一個5%的恒定干擾幅值，在其中加入一個隨機(jī)噪聲，設(shè)定最大幅值為0.5%設(shè)定值，PLC 控制下水處理系統(tǒng)的響應(yīng)特性見圖5 所示、控制器的相應(yīng)輸出見圖6。

圖5 隨機(jī)擾動抑制能力

圖6 隨機(jī)擾動下的控制器輸出

通過圖5、圖6 可知，PLC 具有較好的電氣自動化控制水處理系統(tǒng)隨機(jī)擾動的抑制能力和魯棒性，隨機(jī)擾動造成相應(yīng)波動的幅值較小，相應(yīng)控制器的輸出變化幅度也較小，能夠保障水處理系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。

5 結(jié)論

水是人們生活生產(chǎn)的必要資源，其直接決定了人們的生存質(zhì)量，這就要求在水質(zhì)處理方面必須提高要求和標(biāo)準(zhǔn)，以保障人們的身體健康。PLC 的電氣自動化控制水處理系統(tǒng)實際應(yīng)用過程中，需要充分發(fā)揮其適應(yīng)性、可靠性等特征，實時監(jiān)控水處理系統(tǒng)，保證水處理系統(tǒng)的運行平穩(wěn)，減少故障的發(fā)生，降低人工誤差與成本消耗，基于節(jié)能減排實現(xiàn)水處理效率與質(zhì)量的有效提升。對于PLC 的電氣自動化控制水處理系統(tǒng)，必須加強(qiáng)對其精準(zhǔn)程度的重視，提升實時監(jiān)測故障的技術(shù)水平，通過構(gòu)建適宜的運維機(jī)制保障系統(tǒng)運行質(zhì)量。