PLC自動(dòng)控制系統(tǒng)在惡臭治理技術(shù)中的應(yīng)用

易 于

(深圳科瑞技術(shù)股份有限公司， 廣東 深圳 518000)

PLC自動(dòng)控制系統(tǒng)在惡臭治理技術(shù)中的應(yīng)用

易 于

(深圳科瑞技術(shù)股份有限公司， 廣東 深圳 518000)

文章以一種高效的惡臭廢氣治理項(xiàng)目為背景，開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)了以西門子S7-300自動(dòng)化控制系統(tǒng)為主導(dǎo)的惡臭廢氣治理控制系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)除臭工藝的分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)惡臭氣體治理一體化設(shè)備的全自動(dòng)控制與在線監(jiān)測(cè)，促進(jìn)社會(huì)生態(tài)和諧發(fā)展。

惡臭治理； PLC自動(dòng)控制系統(tǒng)； PID算法；在線監(jiān)測(cè)

隨著人類生活水平的提高和公眾環(huán)境意識(shí)的增強(qiáng)，惡臭氣體的除臭問(wèn)題正引起越來(lái)越多的關(guān)注。以西門子S7-300自動(dòng)化控制系統(tǒng)為主導(dǎo)開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)的惡臭廢氣治理一體化設(shè)備，采用了預(yù)處理、生物噴淋和低溫等離子體催化氧化相結(jié)合的工藝流程，具有凈化效率高、占地面積小、運(yùn)行穩(wěn)定性高，對(duì)難降解惡臭廢氣有很好的分解氧化能力等優(yōu)點(diǎn)，有效解決了以往設(shè)備處理工藝單一，處理效率低下等劣勢(shì)，尤其適用于制藥廠、化工廠、塑料再生廠、垃圾轉(zhuǎn)運(yùn)站、污水處理廠、糞便處理、食品加工廠等行業(yè)生產(chǎn)工序中所產(chǎn)生惡臭氣體的處理。

1 惡臭治理的工藝流程

如圖1所示，惡臭氣體經(jīng)引風(fēng)機(jī)由預(yù)處理系統(tǒng)底部進(jìn)氣口進(jìn)入，與預(yù)處理系統(tǒng)上部霧化噴淋的化學(xué)藥劑逆向接觸而得到預(yù)處理；再經(jīng)過(guò)生物凈化系

統(tǒng)，被高效特種馴化菌的吸收降解；最后廢氣中未去除成分在低溫等離子體催化氧化凈化系統(tǒng)中被高能氧化因子氧化去除，經(jīng)引風(fēng)機(jī)達(dá)標(biāo)排放。

圖1 惡臭氣體生物治理一體化系統(tǒng)工藝流程圖

1、加藥裝置；2、循環(huán)噴淋泵；3、填料；4、噴淋系統(tǒng)；5、曝氣攪拌裝置；6、進(jìn)氣口；7、一體化離子除臭裝置；8、風(fēng)機(jī)；9、消音器；10、排放管；11、在線監(jiān)測(cè)儀

2 系統(tǒng)組成及主要控制策略

2.1 硬件部分

控制系統(tǒng)硬件采用S7-300系列，采用模塊式結(jié)構(gòu)。其主要組成部分包括：CPU 315-2DP、接口模塊/遠(yuǎn)程接口模塊、數(shù)字量輸入模塊，數(shù)字量輸出模塊、模擬量輸入模塊、模擬量輸出模塊、以太網(wǎng)模塊。如圖2所示。

圖2 硬件結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)中接口模塊與遠(yuǎn)程接口模塊根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況及業(yè)主的具體要求進(jìn)行選擇。

在此控制系統(tǒng)采用CP343-1以太網(wǎng)模塊，將數(shù)據(jù)通過(guò)以太網(wǎng)交換機(jī)傳送給總控制服務(wù)器，基于標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議的通訊網(wǎng)絡(luò)可非常方便地將第三方設(shè)備接入，允許大量過(guò)程反饋信息傳輸，支持設(shè)備參數(shù)訪問(wèn)

功能，可提高系統(tǒng)的性能與診斷能力。支持與各種上位監(jiān)控軟件的通訊，也支持與主流觸摸屏的通訊[1]。

主要儀表有壓差傳感器、液位控制器、pH傳感器、溶解氧測(cè)定儀、硫化氫檢測(cè)變送器和在線監(jiān)測(cè)儀。

2.2 軟件部分

上位機(jī)采用組態(tài)軟件WINCC 7.0 RT512，使用STEP-7編程軟件進(jìn)行程序的編寫(xiě)，采用客戶/服務(wù)器體系結(jié)構(gòu)，能夠提供數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)上的全面集成和共享，為企業(yè)管理系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)，提高監(jiān)控系統(tǒng)的性能[2]。

軟件設(shè)計(jì)是整個(gè)PLC電氣控制部分設(shè)計(jì)的核心，根據(jù)控制要求，確定控制的操作方式、應(yīng)完成的動(dòng)作，以及必須的保護(hù)和連鎖，還要確定所有的控制參數(shù)。根據(jù)生產(chǎn)設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)需要，按照輸入、輸出分類，每一類型設(shè)備按順序分配輸入/輸出地址，列出PLC的I/O地址分配表，每一個(gè)輸入信號(hào)占用一個(gè)輸入地址，每一個(gè)輸出地址驅(qū)動(dòng)一個(gè)外部負(fù)載[3]。

上位機(jī)顯示系統(tǒng)各個(gè)子系統(tǒng)中的工藝流程、各子系統(tǒng)運(yùn)行狀況、重要參數(shù)顯示及報(bào)警畫(huà)面等。操作人員可直接在屏幕上處理系統(tǒng)的工作情況，并可通過(guò)鍵盤鼠標(biāo)對(duì)自控系統(tǒng)進(jìn)行干預(yù)。上位機(jī)主畫(huà)面如圖3所示。

圖3 上位機(jī)主畫(huà)面

2.3 在線監(jiān)測(cè)部分

根據(jù)集中操作管理、分散控制的設(shè)計(jì)思想，將自控系統(tǒng)按分布式結(jié)構(gòu)分為3層:中央控制層(操作站/上位機(jī)) 、現(xiàn)場(chǎng)控制層(PLC /下位機(jī)) 和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層?，F(xiàn)場(chǎng)控制層負(fù)責(zé)現(xiàn)場(chǎng)儀表的數(shù)據(jù)采集和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的監(jiān)控。主要包括研華工控機(jī)及數(shù)據(jù)采集卡等，采用RS485 通信方式。PLC 通過(guò)以太網(wǎng)與上位機(jī)連接，通過(guò)Profibus總線與各執(zhí)行設(shè)備互連。按照技術(shù)驗(yàn)證評(píng)估指標(biāo)體系和方法的要求，針對(duì)工藝現(xiàn)場(chǎng)的各流程段分別設(shè)置取樣點(diǎn)。

PLC按照驗(yàn)證評(píng)估方法控制工藝現(xiàn)場(chǎng)不同工藝段設(shè)備的啟/停，采集的數(shù)據(jù)傳輸?shù)焦た貦C(jī)，由工控機(jī)傳輸至數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)庫(kù)中，完成數(shù)據(jù)信息的采集工作。數(shù)據(jù)分析處理裝置的后臺(tái)服務(wù)器是SQLServer 數(shù)據(jù)庫(kù)，接收到數(shù)據(jù)信息后，根據(jù)管理監(jiān)控單元的指令對(duì)其進(jìn)行分析和計(jì)算; 管理者可以在計(jì)算機(jī)上查閱并分析相關(guān)數(shù)據(jù)。按照指標(biāo)體系的要求，數(shù)據(jù)分析處理裝置對(duì)采集到的參數(shù)加以處理，得出處理技術(shù)工藝的各項(xiàng)分析評(píng)價(jià)指標(biāo)，如不同流量下的處理結(jié)果對(duì)比，不同取樣點(diǎn)的參數(shù)變化趨勢(shì)，同一取樣點(diǎn)的不同參數(shù)顯示，以及某一工藝段不同參數(shù)相對(duì)前一個(gè)工藝段的處理率等，從而客觀地驗(yàn)證評(píng)估生產(chǎn)的過(guò)程及結(jié)果。

簡(jiǎn)單歸納，在線監(jiān)控系統(tǒng)主要由以下幾部分構(gòu)成:

(1)底層控制設(shè)備，由PLC、儀器儀表等組成，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)控制網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)對(duì)過(guò)程的數(shù)據(jù)采集和控制，獲取現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的運(yùn)行狀況。

(2)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控計(jì)算機(jī)，也就是我們上面提到的組態(tài)控制界面，界面如圖3所示，通過(guò)與底層控制設(shè)備的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通信，將現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備運(yùn)行情況和參數(shù)進(jìn)行讀取，同時(shí)寫(xiě)入系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器。

(3)系統(tǒng)數(shù)據(jù)服務(wù)器，存儲(chǔ)管理維護(hù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、歷時(shí)數(shù)據(jù)、遠(yuǎn)程控制命令、用戶操作權(quán)限、日志等數(shù)據(jù)信息以備Web服務(wù)器和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控計(jì)算機(jī)訪問(wèn)。

(4)Web服務(wù)器，在這臺(tái)服務(wù)器上放置若干能對(duì)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)過(guò)程或者設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程操作的Web頁(yè)面，遠(yuǎn)程用戶先登錄此網(wǎng)站后，才可以進(jìn)行遠(yuǎn)程操作。

2.4 主要控制條件

系統(tǒng)中的微生物在正常生命活動(dòng)時(shí)，需要維持其適宜的生存環(huán)境，主要包括：pH、溫度、濕度等條件；此外系統(tǒng)需要克服管程及自身填料的壓降，控制合理的進(jìn)氣、進(jìn)水溫度，循環(huán)水量、壓力等。

預(yù)處理系統(tǒng)、生物凈化系統(tǒng)、除臭裝置操作參數(shù)分別見(jiàn)表1、2、3。

表1 預(yù)處理系統(tǒng)操作參數(shù)

表2 生物凈化系統(tǒng)操作參數(shù)

表3 除臭裝置操作參數(shù)

2.5 主要控制策略

整個(gè)惡臭廢氣治理系統(tǒng)的控制包括：廢氣預(yù)處理系統(tǒng)的控制，特種菌高效生物凈化系統(tǒng)的控制，低溫等離子體催化凈化系統(tǒng)的控制。

在程序編寫(xiě)中，采用結(jié)構(gòu)化編程的方法，將三個(gè)子系統(tǒng)進(jìn)行單獨(dú)編寫(xiě)，預(yù)留聯(lián)鎖接口，同時(shí)對(duì)泵的控制編為功能塊，便于調(diào)用。此類結(jié)構(gòu)化程序使程序便于修改、查錯(cuò)和調(diào)試。對(duì)于系統(tǒng)中的溫度、流量、壓力等模擬量閉環(huán)控制使用西門子數(shù)字連續(xù)PID控制器SFB 41“CONT_C”。在調(diào)試過(guò)程中，對(duì)“CONT_C”的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了較詳細(xì)的研究，并不斷對(duì)PID控制器參數(shù)整定，最終地實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)工藝無(wú)偏差控制，達(dá)到技術(shù)要求[4]?？刂葡到y(tǒng)工作程序如下：

(1)廢氣預(yù)處理系統(tǒng)中根據(jù)壓差傳感器的數(shù)值來(lái)調(diào)整變頻器的頻率，從而實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)的變頻；循環(huán)水泵根據(jù)水箱的液位控制器/開(kāi)關(guān)液位的高低來(lái)實(shí)現(xiàn)關(guān)閉、開(kāi)啟；儲(chǔ)藥桶的加藥電磁閥門根據(jù)pH計(jì)的讀數(shù)大小來(lái)實(shí)現(xiàn)關(guān)閉、開(kāi)啟；加藥泵根據(jù)儲(chǔ)藥桶的液位控制器/開(kāi)關(guān)液位的高低來(lái)實(shí)現(xiàn)關(guān)閉、開(kāi)啟；配藥桶的補(bǔ)水電磁閥門根據(jù)配藥桶的液位高低來(lái)實(shí)現(xiàn)關(guān)閉、開(kāi)啟。如圖4所示。

圖4 預(yù)處理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

(2)特種菌高效生物凈化系統(tǒng)中填料層上生長(zhǎng)的微生物承擔(dān)了物質(zhì)的轉(zhuǎn)換任務(wù)，因?yàn)槲⑸锷L(zhǎng)需要足夠的有機(jī)養(yǎng)分，所以必須通過(guò)控制噴淋系統(tǒng)，保證營(yíng)養(yǎng)液的供給，使微生物能夠正常生長(zhǎng)。通過(guò)PLC控制特種菌高效生物凈化系統(tǒng)中的加藥系統(tǒng)，及時(shí)補(bǔ)給，以保證生物系統(tǒng)中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的碳、氮、磷的比例，使生物系統(tǒng)中的微生物有足夠的營(yíng)養(yǎng)成分進(jìn)行生長(zhǎng)代謝，達(dá)到高效降解惡臭氣體的目的。同時(shí)，控制氣體在填料層的停留時(shí)間，根據(jù)惡臭氣體的濃度和種類，控制玻璃鋼風(fēng)機(jī)，使其停留時(shí)間為12～60 s。

在程序設(shè)計(jì)中根據(jù)要求所述的供氧量，采用空氣曝氣，氣水比為10：1。在曝氣攪拌裝置的不同階段，比較溶解氧濃度的實(shí)測(cè)值與設(shè)定值，實(shí)現(xiàn)曝氣轉(zhuǎn)刷的優(yōu)化控制，自動(dòng)調(diào)整轉(zhuǎn)刷的高低速和曝氣時(shí)間，使設(shè)備的運(yùn)行在滿足工藝要求、保證除臭效率的前提下，最大限度地降低能耗、從而降低生產(chǎn)成本。

(3)低溫等離子體催化凈化系統(tǒng)中，PLC啟動(dòng)一體化離子除臭裝置和玻璃鋼風(fēng)機(jī)，根據(jù)在線監(jiān)測(cè)儀傳送的數(shù)據(jù)，控制惡臭廢氣在低溫等離子體凈化裝置中的流速，調(diào)整脈沖電壓，使其充分氧化惡臭廢氣中難以分解的物質(zhì)，排出干凈氣體。

生物凈化系統(tǒng)及等離子凈化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖5所示，在整個(gè)流程中，廢氣的流速對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的凈化效率有著非常大的影響，通過(guò)建立數(shù)學(xué)模型，編寫(xiě)控制變頻器的程序，通過(guò)變頻器控制玻璃鋼風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速[5]。

圖5 生物凈化系統(tǒng)及等離子凈化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

在整套控制系統(tǒng)中，雖然采用的上位機(jī)和西門子S7-300本身都具有很高的可靠性，但現(xiàn)場(chǎng)情況具有非常大的不確定性，如果輸入給的開(kāi)關(guān)量信號(hào)出現(xiàn)錯(cuò)誤或者模擬量信號(hào)出現(xiàn)較大偏差，輸出口控制的執(zhí)行機(jī)構(gòu)沒(méi)有按要求動(dòng)作，這些都可能使控制過(guò)程出錯(cuò)，造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。我們需要從故障報(bào)警系統(tǒng)，輸入信號(hào)可靠性，執(zhí)行機(jī)構(gòu)可靠性去完善整個(gè)控制系統(tǒng)，達(dá)到可靠、安全的目的。

要提高現(xiàn)場(chǎng)輸入給PLC信號(hào)的可靠性，首先要選擇可靠性較高的變送器和各種開(kāi)關(guān),防止各種原因引起傳送信號(hào)線短路、斷路或接觸不良。當(dāng)開(kāi)啟或關(guān)閉電動(dòng)閥門時(shí)，根據(jù)閥門開(kāi)啟、關(guān)閉時(shí)間不同，設(shè)置延時(shí)時(shí)間，經(jīng)過(guò)延時(shí)檢測(cè)開(kāi)到位或關(guān)到位信號(hào)，如果這些信號(hào)不能按時(shí)準(zhǔn)確返回給PLC，說(shuō)明閥可能有故障，做閥故障報(bào)警處理[6]。

其次在程序設(shè)計(jì)時(shí)增加數(shù)字濾波程序，增加輸入信號(hào)的可信性。

在現(xiàn)場(chǎng)輸入觸點(diǎn)后加一定時(shí)器，定時(shí)時(shí)間根據(jù)觸點(diǎn)抖動(dòng)情況和系統(tǒng)要的響應(yīng)速度確定，一般在幾十毫秒，這樣可保證觸點(diǎn)確實(shí)穩(wěn)定閉合后，才有其他響應(yīng)。模擬信號(hào)濾波可對(duì)現(xiàn)場(chǎng)模擬信號(hào)連續(xù)采樣3次，采樣間隔由A/D轉(zhuǎn)換速度和該模擬信號(hào)變化速率決定。3次采樣數(shù)據(jù)分別存放在指定的數(shù)據(jù)寄存器中，當(dāng)最后1次采樣結(jié)束后利用數(shù)據(jù)比較、數(shù)據(jù)交換指令、數(shù)據(jù)段比較指令去掉最大和最小值，保留中間值作為本次采樣結(jié)果存放在另外指定的數(shù)據(jù)寄存器中[7]。

通過(guò)以上這些措施的實(shí)施，使得PLC控制系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)控制無(wú)偏差，誤信號(hào)及時(shí)過(guò)濾，系統(tǒng)運(yùn)行安全可靠。

3 結(jié)束語(yǔ)

惡臭廢氣治理一體化系統(tǒng)，PLC自動(dòng)化控制系統(tǒng)，可以克服以前人工控制精度低、運(yùn)行操作繁瑣、誤操作可能性大等缺點(diǎn)，減輕了勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了整體效益，節(jié)省人力物力，便于集中管理，可以實(shí)現(xiàn)除臭系統(tǒng)自動(dòng)控制可靠穩(wěn)定的最終目標(biāo)，收到了很好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

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ApplicationofPLCautomaticcontrolsystemtotechnologyofodorremoval

Yi Yu

(Shenzhen Colibri Technologies Co., Ltd.，Shenzhen 518000，China)

This paper presents an automatic control system used in an odor removal system applying Siemens S7-300. The control system was developed based on a detailed analysis on the odor removal process, and thus can realize efficiently automatic control of and on-line monitoring to the equipments of the whole system, so as to make its contribution to the social-ecological development.

odor removal；PLC automatic control system；PID algorithm；on-line monitoring

TP29，X701

A

2017-09-10; 2017-11-26修回

易于(1985-)，男，本科，從事電氣自動(dòng)化工作。E-mail:yiyu64@163.com