一種由PLC控制污水溶解氧的系統(tǒng)設(shè)計(jì)

秦沖

摘 要： 在選擇四段PID控制的基礎(chǔ)上，利用西門子S7-200型PLC作為控制器，設(shè)計(jì)相關(guān)的電路和主程序，通過變頻器調(diào)節(jié)鼓風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速來給曝氣池供氧，實(shí)現(xiàn)了對(duì)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(shí)，系統(tǒng)的可靠性和抗干擾能力也大大提高。

關(guān)鍵詞： 污水處理； PLC； 控制系統(tǒng)

中圖分類號(hào)： TP 272 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A 文章編號(hào)： 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(gè)污水處理系統(tǒng)運(yùn)行狀況的一個(gè)重要指示參數(shù)，能否控制好溶解氧濃度會(huì)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(guān)心的兩個(gè)指標(biāo)[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(fù)雜，往往無法用準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型表示。

本研究在選擇4段PID控制的基礎(chǔ)上，利用西門子S7-200型PLC作為控制器，設(shè)計(jì)相關(guān)的電路和程序，通過變頻器調(diào)節(jié)鼓風(fēng)機(jī)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(shè)輸氧量，通過控制器和變頻器來控制電機(jī)旋轉(zhuǎn)從而控制風(fēng)機(jī)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(shí)際的DO值，并將實(shí)際的DO值和設(shè)定值SP得差值反饋到PID控制器。通過比對(duì)實(shí)際值和理想值并運(yùn)用PID算法最終使實(shí)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(shí)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(duì)曝氣池中溶鼓風(fēng)機(jī)送入生化池的風(fēng)量大小可通過調(diào)節(jié)鼓風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而控制調(diào)整曝氣池的進(jìn)氣量。

（2） 系統(tǒng)主要硬件選擇。通過對(duì)系統(tǒng)的分析和市面上各種硬件的了解，結(jié)合實(shí)際，本系統(tǒng)選用了西門子S7-200系列PLC作為控制器，ABB集團(tuán)的ACS140作為變頻器，選用2臺(tái)ZSR6_295N型羅茨風(fēng)機(jī)，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(fēng)速/風(fēng)量測量儀作為風(fēng)量測量儀。

2 系統(tǒng)控制過程

按動(dòng)進(jìn)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(shè)為SL1）檢測到有液位時(shí)，DO檢測儀、變頻器、鼓風(fēng)機(jī)、風(fēng)速測量儀全部啟動(dòng)，同時(shí)進(jìn)水泵關(guān)閉。設(shè)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(shí)際檢測到的數(shù)據(jù)與設(shè)定的DO值進(jìn)行對(duì)比后進(jìn)行PID運(yùn)算，并將結(jié)果信號(hào)傳遞給變頻器，由變頻器控制鼓風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速從而調(diào)節(jié)對(duì)曝氣池的輸氣量，如此下去直到曝氣池中污水的DO值達(dá)標(biāo)。此時(shí)當(dāng)差值等于零時(shí)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(dāng)污水排放使曝氣池中液位達(dá)到最高處DO檢測儀的液位時(shí)，液位傳感器（設(shè)為SL2）會(huì)給進(jìn)水泵一個(gè)開啟信號(hào)，進(jìn)水泵便開始進(jìn)水（進(jìn)水速度大于出水速度），當(dāng)設(shè)在出水閥口處的檢測儀檢測到的DO值不符合標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，出水閥會(huì)自動(dòng)關(guān)閉。

同時(shí)系統(tǒng)還添加了報(bào)警裝置：

裝置1，進(jìn)水泵低水位報(bào)警裝置。當(dāng)進(jìn)水泵所在的蓄水池內(nèi)液位低時(shí)，液位傳感器（設(shè)為SL3）會(huì)給進(jìn)水泵一個(gè)信號(hào)，進(jìn)水泵自動(dòng)關(guān)閉，同時(shí)也會(huì)拉響警鈴（HA）。

裝置2，曝氣過程監(jiān)測裝置。當(dāng)系統(tǒng)正常工作時(shí)，曝氣池輸氣指示燈HL1會(huì)置于綠色位置，否則就需對(duì)鼓風(fēng)機(jī)和DO檢測儀進(jìn)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(shí)指示燈的顏色為綠色，否則就需對(duì)出水閥進(jìn)行檢查，或啟動(dòng)手動(dòng)控制來對(duì)出水閥進(jìn)行控制。

裝置4，變頻器故障指示燈（設(shè)為HL3）裝置。當(dāng)變頻器正常工作時(shí)，HL3指示燈會(huì)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(jìn)行，這樣不僅方便于自動(dòng)控制，同時(shí)鼓風(fēng)機(jī)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(jìn)水泵、鼓風(fēng)機(jī)、變頻器、DO監(jiān)測儀、風(fēng)速測量儀幾個(gè)板塊，方框圖如圖2所示。

（2） 電路硬件接線。由于進(jìn)水泵和鼓風(fēng)機(jī)都由三相交流電機(jī)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(jìn)水泵電機(jī)；M2為主鼓風(fēng)機(jī)電機(jī)；M3為備用鼓風(fēng)機(jī)電機(jī)。變頻器與鼓風(fēng)機(jī)的接線圖如圖4所示。

4 PLC的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4.1 I/O地址分配

通過對(duì)系統(tǒng)控制過程的詳細(xì)分析以及主電路接線圖、變頻器和鼓風(fēng)機(jī)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(shè)計(jì)

圖5為PLC 外圍接線圖（開關(guān)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(dòng)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(gè)慣性較大無法突變的系統(tǒng)，不需要過高的響應(yīng)速度，因而在設(shè)計(jì)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(jìn)行整定。這樣大大提高了系統(tǒng)的適應(yīng)性，使用戶在使用時(shí)減少了調(diào)試的工作，同時(shí)系統(tǒng)的體積很小，抗干擾的可靠性大大增強(qiáng)，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(shè)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(shí)現(xiàn)變頻控制，通過調(diào)節(jié)鼓風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速來實(shí)現(xiàn)對(duì)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(duì)PID參數(shù)進(jìn)行初始化處理，在前面提到的4個(gè)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(shè)計(jì)污水處理過程中的溶解氧控制系統(tǒng)以PLC作為核心進(jìn)行設(shè)計(jì)，具有工作穩(wěn)定、供氧變化穩(wěn)定的特點(diǎn)。該系統(tǒng)既避免了因鼓風(fēng)機(jī)輸入空氣量過大所造成的能源浪費(fèi)，又可以滿足污水處理廠要求，有廣闊的應(yīng)用前景和推廣價(jià)值。

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