基于PLC的污水處理中溶解氧控制系統(tǒng)設計

秦　沖

(三門峽職業(yè)技術學院 機電工程學院，河南　三門峽　472000)

0　引言

污水處理過程是一個復雜的生化反應過程,包括信息流、物質(zhì)流和能源流，伴隨有物理化學反應、生化反應、相變過程及物質(zhì)和能量的轉化和傳遞過程。其中生化反應是污水生化處理的核心部分，溶解氧是生化反應過程中一個非常重要的指示參數(shù),它能比較直觀、迅速地反映整個系統(tǒng)的運行狀況。對溶解氧的控制可以直接影響到出水水質(zhì)和系統(tǒng)能耗[1]。溶解氧濃度過低，出水指標不合格；溶解氧濃度過高，則會造成能源的浪費。所以溶解氧控制直接關系到用戶最關心的出水指標和經(jīng)濟效益兩個指標[2]。而氧氣的溶解過程受入水水質(zhì)、溫度和PH值變化等方面的影響，具有高度非線性、強耦合性、時變、大滯后和不確定性等特點。這樣一個復雜的過程，往往無法獲得準確的數(shù)學模型，用常規(guī)的PID控制也不能取得理想的控制效果。

本設計在選擇四段PID控制的基礎上，利用西門子S7-200型PLC作為控制器，設計相關的電路和程序，通過變頻器調(diào)節(jié)鼓風機轉速來給曝氣池供氧，取得了較好的控制效果。

1　溶解氧控制系統(tǒng)組成

污水處理中溶解氧控制系統(tǒng)組成框圖如圖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，從而控制風機的轉速使輸入到曝氣池中的氧產(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的差值反饋到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。

2　系統(tǒng)控制過程分析

根據(jù)系統(tǒng)框圖和實際需求，設計了一個操作控制面板，如圖2所示。

對整個系統(tǒng)控制過程分析如下：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檢測儀將檢測到的數(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SP值進行對比后進行PID運算，并將結果信號傳遞給變頻器，由變頻器控制鼓風機的轉速從而調(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；此時出水閥打開，污水排出曝氣池。

圖1　污水處理中溶解氧控制系統(tǒng)組成框圖

圖2　系統(tǒng)操作控制面板

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)還添加了以下報警裝置：

(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)。

(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。

(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。

(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。

3　系統(tǒng)電路圖

3.1　電路模塊圖

系統(tǒng)主要包括了進水泵、鼓風機、變頻器、DO檢測儀、風速測量儀幾個模塊，系統(tǒng)電路模塊框圖如圖3所示。

圖3　系統(tǒng)電路模塊框圖

3.2　電路硬件接線圖

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，其接線圖如圖4所示。圖4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5所示。

圖4　主電路接線圖

圖5　變頻器和鼓風機的接線

4　基于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對主電路接線圖、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，如表1所示。

4.2　PLC外圍接線設計

圖6為PLC 外圍接線圖(開關量接線圖)，圖7為PLC外圍接線圖(模擬量接線圖)。

表1　系統(tǒng)PLC的I/O地址分配

圖6　PLC外圍接線圖(開關量接線圖)

4.3　主程序PLC控制流程圖

圖8為PLC自動控制部分程序流程，圖9為PLC手動控制部分程序流程。

5　結語

本文中設計的污水處理溶解氧控制系統(tǒng)以PLC作為核心，借助于PLC強大而靈活的控制功能和變頻器優(yōu)良的變頻調(diào)速性能[3]，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)可靠性和抗干擾能力也大大提高。

圖7PLC外圍接線圖(模擬量接線圖)圖8PLC自動控制部分程序流程圖9PLC手動控制部分程序流程

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.