基于PLC的水质在线监测控制系统

李永强 孟阳杨 田昊

摘要：根据环保水质检测的工艺和控制要求,介绍了一种基于PLC的水质在线监测控制系统，通过PLC、上位组态以及数采仪等来实现水质的全自动监测、远程反控以及数据传输等功能。

关键词：水质自动监测 PLC 上位组态

0. 引言

随着工业的发展，用水量也在日益增长。由于各种不达标排放导致的水质污染严重，因此地表水、地下水等水质的检测显得日益重要。目前水质监测主要以人工取样、实验室检测的方式，这种采样监测周期长、效率低、数据上报慢、信息量少、覆盖范围小，其监测结果不能及时、在线、准确、全面反映出水质的实时动态，对突发性污染事故起不到监控和预防的作用，不能适应现代化水环境管理的需要。因此一套能实时在线的全自动监测的水质监测系统就显得很有必要，本文结合陕西某河流断面地表水水质监测站，介绍了一套基于PLC的水质在线监测控制系统。

0. 系统构成

水质在线监测系统由PLC控制单元、采配水单元、水质分析仪器、数采仪以及辅助单元等功能单元组成。

其中采配水单元主要用于源水的取样；水质分析仪器用于水样的成分的检测；数采仪用于数据的远程传输；辅助单元主要用于系统的门禁、消防等安全保护；而PLC控制单元用于协调和控制采配水模块、水质分析仪器以及辅助模块的工作，同时通过数采仪完成与环保平台之间的数据交换。

0. 系统的特点和控制要求

该控制系统最大的特点就是利用PLC控制实现自动管线润洗、自动水质采样、自动预处理反吹、自动分析和自动清洗以及数据采集等环节，实现水质检测的全自动控制；

通过数采仪将检测数据实时上传到远程监控中心，同时PLC又可以接收中心的远程反控命令，完成控制中心的远程指令动作；控制系统采用德国西门子PLC及上位组态，硬件可靠稳定，保证系统能长期稳定的运行。

0. 控制单元组成及拓扑

PLC控制单元由PLC控制器、上位组态软件以及工控机组成。PLC控制器内嵌的数据采集模块、开关量控制模块实现水质自动监测系统水样采集、泵阀控制等过程控制。内嵌DI/DO数模采集模块，实现各类信号、状态的采集、泵阀及仪器的控制，PLC按照设置好的程序自动完成各个水质检测流程。

当维护、操作或巡检人员需要现场临时操作或修改系统参数时，可以利用站点内工控电脑上的上位软件进行操作。上位组态为站房的就地操控中心，能显示各个仪器的当前状态，运行数据，曲线以及对各个设备的反控操作。主要由登录界面、主界面、日志及报警界面、数据报表界面、数据曲线界面等部分组成。

通过PLC与上位组态的结合，系统能实现水质监测的自动控制、数据采集、存储工作。拓扑如图1所示。

图1 控制单元网络拓扑图

0. 硬件配置

监控系统的主要硬件为PLC和上位组态软件。其中PLC控制器选用西门子S7-200smart系列SR-60 CPU,集成60点数字量I/O点，集成一个以太网口和一个RS232/RS485串口。

上位组态选择西门子WINCC 7.4 RT，其支持各种国际标准和系统内部脚本和编程接口，可方便地满足各种特殊要求.同时其具有模块化的结构，易于扩展。

0. 控制系统方案

5.1 系统PLC软件设计

系统PLC软件流程主要有：上电初始化程序模块、数据采集与状态输出模块、手动控制模块、设备故障及超时处理模块、系统自动启动时间处理、上下位时钟同步模块、自动控制模块、主站MODBUS通讯模块以及从站MODBUS通讯模块组成。

（1）上电初始化程序模块：系统上电后对系统内的寄存器以及外部泵阀等进行初始化操作。

（2）数据采集与状态输出模块：完成对外部DI，AI等的采集、运算、中转寄存、变量强制以及输出操作。

（3）手动控制模块：完成对外部泵阀、仪器等设备的手动控制。

（4）设备故障及超时处理模块：对泵、阀以及仪器等启动超时或数据超限进行故障处理及报警。

（5）系统自动启动时间处理：系统自动运行时的启动时间运算处理。

（6）时钟同步模块：PLC与上位HMI的时钟同步。

（7）自动控制模块：系统自动流程处理。

（8）主站MODBUS通讯模块：PLC作为主站与仪器之间的数据通讯处理。

（9）从站MODBUS通讯模块：PLC作为从站与数采仪之间的数据通讯处理。

其中自动控制模块为程序的核心，主要由系统初始化、系统排空、润洗、配水、沉沙、仪器测量、自来水反洗、汽水反洗、测量池配水等环节组成。

5.2 上位软件设计

上位组态为系统的就地操控中心，用于现场调试或者现场操控。其能显示各个仪器的当前状态，运行数据，曲线以及对各个设备的反控操作。主要由登录界面、主界面、日志及报警界面、数据报表界面、数据曲线界面等部分组成。

（1）登录界面为系统的用户登录窗口，保护数据安全。

（2）主界面能实时的显示：实时数据、运行状态、阀的状态、系统自动运行时的等功能状态。

（3）日志及报警界面包含：日志及报警信息。

（4）数据报表界面能将仪器的数据存储到数据库中，通过表格的形式显示出来。

（5）数据曲线界面能生成数据的数据趋势曲线。

0. 结语

基于PLC的水质在线监测控制系统利用性能稳定、安全性高、功能强大的PLC及上位组态对现场水质检测设备泵阀等进行全自动控制和数据记录，实现全自动在线的水质检测功能，系统将水质数据实时传输到环保平台上。使水质监测能及时、在线、准确、全面反映出水质的实时动态，对突发性污染事故起到有效的监控和预防的作用。

参考文献

[1]廖常初.S7-200 SMART PLC编程及应用（第3版）[M].北京:机械工业出版社，2019.

[2]宋超.环境水质监测控制技术与探讨[J].绿色科技，2011，（08）.

作者简介：李永强（1986.07-），男，陕西西安，2008年毕业于陕西理工学院，本科，中级工程师，现从事石油及环保方面相关电气及自动化设计研究工作。