一種由PLC控制污水溶解氧的系統(tǒng)設計

秦沖

摘 要： 在選擇四段PID控制的基礎上，利用西門子S7-200型PLC作為控制器，設計相關的電路和主程序，通過變頻器調(diào)節(jié)鼓風機轉(zhuǎn)速來給曝氣池供氧，實現(xiàn)了對污水溶解氧的穩(wěn)定控制，而且增加了系統(tǒng)的靈活性。同時，系統(tǒng)的可靠性和抗干擾能力也大大提高。

關鍵詞： 污水處理； PLC； 控制系統(tǒng)

中圖分類號： TP 272 文獻標志碼： A 文章編號： 1671-2153（2017）06-0086-04

0 引 言

在污水處理過程中，溶解氧濃度是反映整個污水處理系統(tǒng)運行狀況的一個重要指示參數(shù)，能否控制好溶解氧濃度會影響到出水水質(zhì)和系統(tǒng)能耗[1]，而作為用戶，水質(zhì)和能耗又是最關心的兩個指標[2]。在污水處理過程中，影響氧氣溶解過程的因素很多，例如水質(zhì)、溫度、水的pH值等，這使得其非常復雜，往往無法用準確的數(shù)學模型表示。

本研究在選擇4段PID控制的基礎上，利用西門子S7-200型PLC作為控制器，設計相關的電路和程序，通過變頻器調(diào)節(jié)鼓風機轉(zhuǎn)速來給曝氣池供氧，起到了有效的控制效果。

1 系統(tǒng)控制和硬件選擇

（1） 系統(tǒng)控制。本研究系統(tǒng)的控制方框圖如圖1所示。

圖1中，SP為假設輸氧量，通過控制器和變頻器來控制電機旋轉(zhuǎn)從而控制風機的轉(zhuǎn)速使輸入到曝氣池中氧產(chǎn)生變化。本系統(tǒng)通過溶解氧（DO）檢測儀檢測曝氣池中實際的DO值，并將實際的DO值和設定值SP得差值反饋到PID控制器。通過比對實際值和理想值并運用PID算法最終使實際值趨近于所要求的理想值。這樣不僅保證生化池內(nèi)空氣需求量，同時也盡可能地節(jié)省了能耗。上述各調(diào)節(jié)相互聯(lián)，相互影響，最終使得對曝氣池中溶鼓風機送入生化池的風量大小可通過調(diào)節(jié)鼓風機的轉(zhuǎn)速，從而控制調(diào)整曝氣池的進氣量。

（2） 系統(tǒng)主要硬件選擇。通過對系統(tǒng)的分析和市面上各種硬件的了解，結(jié)合實際，本系統(tǒng)選用了西門子S7-200系列PLC作為控制器，ABB集團的ACS140作為變頻器，選用2臺ZSR6_295N型羅茨風機，采用COM253型溶氧變送器來測定曝氣池中溶解氧的濃度，采用AZ8911/AZ8912型溫度/濕度/結(jié)露/濕球/風速/風量測量儀作為風量測量儀。

2 系統(tǒng)控制過程

按動進水泵開啟按鈕，往曝氣池內(nèi)注入未處理的原水，待到曝氣池高液位傳感器（設為SL1）檢測到有液位時，DO檢測儀、變頻器、鼓風機、風速測量儀全部啟動，同時進水泵關閉。設在出水閥附近的DO檢測儀將檢測到得數(shù)據(jù)傳送到PID控制器，在PID控制器中將實際檢測到的數(shù)據(jù)與設定的DO值進行對比后進行PID運算，并將結(jié)果信號傳遞給變頻器，由變頻器控制鼓風機的轉(zhuǎn)速從而調(diào)節(jié)對曝氣池的輸氣量，如此下去直到曝氣池中污水的DO值達標。此時當差值等于零時出水閥打開，污水排出曝氣池。

由于DO檢測儀的檢測部分必須置于水中，當污水排放使曝氣池中液位達到最高處DO檢測儀的液位時，液位傳感器（設為SL2）會給進水泵一個開啟信號，進水泵便開始進水（進水速度大于出水速度），當設在出水閥口處的檢測儀檢測到的DO值不符合標準時，出水閥會自動關閉。

同時系統(tǒng)還添加了報警裝置：

裝置1，進水泵低水位報警裝置。當進水泵所在的蓄水池內(nèi)液位低時，液位傳感器（設為SL3）會給進水泵一個信號，進水泵自動關閉，同時也會拉響警鈴（HA）。

裝置2，曝氣過程監(jiān)測裝置。當系統(tǒng)正常工作時，曝氣池輸氣指示燈HL1會置于綠色位置，否則就需對鼓風機和DO檢測儀進行檢查，以排除故障。

裝置3，曝氣池出水指示燈（HL2）裝置。正常出水時指示燈的顏色為綠色，否則就需對出水閥進行檢查，或啟動手動控制來對出水閥進行控制。

裝置4，變頻器故障指示燈（設為HL3）裝置。當變頻器正常工作時，HL3指示燈會置于綠色位置，否則就提示變頻出現(xiàn)故障。

如此過程循環(huán)進行，這樣不僅方便于自動控制，同時鼓風機是通過調(diào)整轉(zhuǎn)速按需供氣，這樣也節(jié)省了電能。

3 系統(tǒng)電路

（1） 電路模塊。系統(tǒng)主要包括了進水泵、鼓風機、變頻器、DO監(jiān)測儀、風速測量儀幾個板塊，方框圖如圖2所示。

（2） 電路硬件接線。由于進水泵和鼓風機都由三相交流電機控制，它們的額定電壓為380 V，接線圖如圖3所示。圖3中，M1為進水泵電機；M2為主鼓風機電機；M3為備用鼓風機電機。變頻器與鼓風機的接線圖如圖4所示。

4 PLC的控制系統(tǒng)設計

4.1 I/O地址分配

通過對系統(tǒng)控制過程的詳細分析以及主電路接線圖、變頻器和鼓風機接線圖的分析，確定了系統(tǒng)PLC的I/O地址分配表，如表1所示。

4.2 PLC外圍接線設計

圖5為PLC 外圍接線圖（開關量接線圖），圖6為PLC外圍接線圖（模擬量接線圖）。

4.3 主程序PLC控制

圖7為PLC自動控制部分主程序流程圖以及部分程序梯形圖。由于污水溶解氧控制系統(tǒng)是一個慣性較大無法突變的系統(tǒng)，不需要過高的響應速度，因而在設計思想上以查詢方式為主，中斷方式為輔，采用4段系統(tǒng)PID參數(shù)進行整定。這樣大大提高了系統(tǒng)的適應性，使用戶在使用時減少了調(diào)試的工作，同時系統(tǒng)的體積很小，抗干擾的可靠性大大增強，本系統(tǒng)PLC控制程序由主程序和子程序組成。

4.4 子程序PLC控制

子程序流程和部分梯形圖如圖8所示。

本研究由DO檢測儀采集系統(tǒng)的DO值，再由A/D 轉(zhuǎn)換模塊采集設定值和現(xiàn)行DO值，通過PLC的PID調(diào)節(jié)，由D/A 轉(zhuǎn)換模塊輸出PID的調(diào)節(jié)值送到變頻器，由變頻器實現(xiàn)變頻控制，通過調(diào)節(jié)鼓風機轉(zhuǎn)速來實現(xiàn)對曝氣池輸氣量的控制。在本研究中，采用的是調(diào)用子程序的方法，在子程序中對PID參數(shù)進行初始化處理，在前面提到的4個不同的區(qū)間段即第Ⅳ階段e（k）>1.5 mg/L；第Ⅲ階段1.0 mg/L5 結(jié)束語

本設計污水處理過程中的溶解氧控制系統(tǒng)以PLC作為核心進行設計，具有工作穩(wěn)定、供氧變化穩(wěn)定的特點。該系統(tǒng)既避免了因鼓風機輸入空氣量過大所造成的能源浪費，又可以滿足污水處理廠要求，有廣闊的應用前景和推廣價值。

參考文獻：

[1] 李國偉. PLC在污水處理廠的應用[J]. 科技創(chuàng)業(yè)家，2014（3）：153.

[2] 孫新江，趙靚靚，王永軍. PLC在污水處理工程中的應用[J]. 給水排水，2003（10）：95-96.

[3] 鄒娜.基于組態(tài)軟件和PLC在污水處理廠自動控制系統(tǒng)的應用[D]. 廣州：華南理工大學，2015：45-48.