基于PLC 污水處理廠的pH 值自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究

羅含偉

（西安石油大學(xué)，陜西 西安 710065）

1 污水處理廠結(jié)構(gòu)和運(yùn)行指標(biāo)

我國《生活飲用水衛(wèi)生規(guī)范》規(guī)定，飲用水的pH 值必須在6.6～8.5。超出正常值會(huì)影響生物反應(yīng)，抑制硝化過程，嚴(yán)重時(shí)將導(dǎo)致污泥中毒，使水質(zhì)受到不同程度的影響。目前污水廠采取的措施是當(dāng)pH 值特別高或特別低時(shí)，立即關(guān)停進(jìn)水泵。如果偏離，但仍在可接受的范圍內(nèi)，應(yīng)頻繁地測(cè)定氧化池中的pH 值及各種生化反應(yīng)參數(shù)，適時(shí)投加相應(yīng)化學(xué)藥劑從而調(diào)節(jié)池中工藝參數(shù)正常，并及時(shí)查出導(dǎo)致pH 值變化的原因并解決該問題[1]。

2 系統(tǒng)硬件部分設(shè)計(jì)

2.1 PLC 的選型

PLC 及其相關(guān)設(shè)備應(yīng)與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個(gè)整體，要具備通用性強(qiáng)、使用方便、可靠性高及抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。鑒于此，本文選用西門子公司生產(chǎn)的S7-300 PLC 模塊?？刂葡到y(tǒng)硬件采用雙機(jī)冗余工控機(jī)的 IPC+PLC 架構(gòu)和PROFINET 總線技術(shù)，采用分布式I/O 控制系統(tǒng)，將控制現(xiàn)場(chǎng)的ET200M、S7-300 PLC、控制室內(nèi)工控機(jī)與觸摸屏組態(tài)成一個(gè)系統(tǒng)。PLC 用來接收來自污水中和池的pH 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)其進(jìn)行數(shù)據(jù)分析并反饋處理結(jié)果，實(shí)現(xiàn)酸堿電磁閥控制；控制室內(nèi)上位機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)污水池現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境數(shù)據(jù)的監(jiān)控、報(bào)警指示、狀態(tài)顯示、參數(shù)設(shè)定和實(shí)時(shí)、歷史報(bào)表的數(shù)據(jù)儲(chǔ)存和打印功能。工控機(jī)IPC 和現(xiàn)場(chǎng)觸摸屏作為主站，接收來自PLC 和ET200M 的信號(hào)，ET200M 中的SM 信號(hào)模塊采集現(xiàn)場(chǎng)PH 計(jì)變送器的參數(shù)，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)PH 參數(shù)進(jìn)行控制。

S7-300 PLC 污水處理pH 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3 pH 控制原理

3.1 對(duì)象分析

每一個(gè)酸堿中和系統(tǒng)最突出的性質(zhì)是它們的pH 值曲線，如圖2 所示。

圖2 NaOH 滴定HCL 曲線

由圖2 可知：pH 值控制對(duì)象具有嚴(yán)重的非線性。pH 值在7 附近時(shí)，中和對(duì)象的靜態(tài)增益相當(dāng)大，而遠(yuǎn)離pH=7 的中和對(duì)象的靜態(tài)增益很小。

3.2 控制策略

由于PID 控制算法簡(jiǎn)單、準(zhǔn)確度高，很適合對(duì)pH 的閉環(huán)控制?？刂葡到y(tǒng)的PID 控制數(shù)學(xué)表達(dá)式可以用下式表示：

其中：u(t)為控制器輸出；e(t)為控制器輸入；Kp、Ti、Td為分別為比例系數(shù)、積分時(shí)間和微分時(shí)間。

在污水處理的過程中，首先根據(jù)污水池內(nèi)的實(shí)際pH 值C (θ) 與設(shè)定pH 值Sp (θ) 進(jìn)行比較，用PID 程序控制酸堿電磁閥的開度。系統(tǒng)根據(jù)反饋結(jié)果進(jìn)行判斷，當(dāng)E (θ) =C (θ) -Sp (θ) ＞4 時(shí)，PLC 發(fā)出指令關(guān)閉A、B、D 號(hào)酸液電磁閥閥，打開C 號(hào)堿液電磁閥。E (θ) =C (θ) -Sp (θ) ＞2.5時(shí)，PLC 發(fā)出指令關(guān)閉B、C、D 號(hào)酸液電磁閥閥，打開A 號(hào)堿液電磁閥。-0.5＜E (θ) =C (θ) -Sp (θ)＞0.5 時(shí)，關(guān)閉A、B、C、D 各個(gè)電磁閥。當(dāng)-4＜E(θ) =C (θ) -Sp (θ) 時(shí)，PLC 發(fā)出指令關(guān)閉A、B、D 號(hào)酸液電磁閥閥，打開D 號(hào)堿液電磁閥。-2.5＜E (θ) =C (θ) -Sp (θ) 時(shí)，PLC 發(fā)出指令關(guān)閉B、C、D 號(hào)酸液電磁閥，打開B 號(hào)堿液電磁閥。污水中和池pH 控制流程如圖3 所示：

4 系統(tǒng)軟件部分設(shè)計(jì)

4.1 公共程序

圖3 pH 值控制流程圖

公共程序系統(tǒng)的初始狀態(tài)閥A～閥D 均為OFF，攪拌電動(dòng)機(jī)M 為OFF，將這些量的常閉點(diǎn)串聯(lián)作為M1.1 為ON 的條件，作為原點(diǎn)條件。其中任何一個(gè)量不滿足，則M1.1 都不會(huì)為ON。

系統(tǒng)在原點(diǎn)位置時(shí)，處于初始化和手動(dòng)狀態(tài)，初始步M0.0 會(huì)被置位，此時(shí)為執(zhí)行自動(dòng)程序做準(zhǔn)備；若此時(shí)M1.1 為OFF，則M0.0 會(huì)被復(fù)位，初始步會(huì)變?yōu)椴换顒?dòng)步，即使按下啟動(dòng)按鈕，自動(dòng)程序不會(huì)轉(zhuǎn)換到下一步，此時(shí)禁止自動(dòng)工作方式的運(yùn)行[2]。

當(dāng)手動(dòng)、自動(dòng)兩種工作模式相互切換時(shí)，自動(dòng)程序會(huì)有兩步被同時(shí)激活，為了防止誤動(dòng)作，在手動(dòng)狀態(tài)下，輔助繼電器M0.1～M0.6 會(huì)被復(fù)位。在非連續(xù)工作方式下，I0.7 常閉觸點(diǎn)閉合，輔助繼電器M1.2 將被復(fù)位，系統(tǒng)不會(huì)執(zhí)行連續(xù)程序。

4.2 手動(dòng)程序|

酸堿中和池控制手動(dòng)程序開始時(shí)，設(shè)置閥C手動(dòng)，即在系統(tǒng)有故障時(shí)，關(guān)閉污水中和池，防止其對(duì)后面水體水質(zhì)造成相應(yīng)的干擾。

4.3 自動(dòng)程序

酸堿中和池控制系統(tǒng)采用置位復(fù)位指令編程法，其中M0.0～M0.6 作為中間編程元件，連續(xù)、單周2 種工作方式采用連續(xù)標(biāo)志M1.2 加以區(qū)別。單周與連續(xù)原理相似，不同之處在于：在單周的工作方式下，連續(xù)標(biāo)志條件不滿足，當(dāng)程序執(zhí)行到M0.6 步時(shí)，滿足轉(zhuǎn)換條件M1.2×T38，此時(shí)系統(tǒng)將返回到初始步M0.0，系統(tǒng)停止工作。

4.4 模擬量程序

酸堿中和池控制模擬量程序分為兩個(gè)部分：

1） 模擬信號(hào)量采集程序；

2） 報(bào)警程序。

5 pH 值自動(dòng)控制效果

通過實(shí)驗(yàn)對(duì)PLC 自動(dòng)控制效果進(jìn)行實(shí)際測(cè)量。實(shí)驗(yàn)方法是設(shè)置兩個(gè)對(duì)照組，將兩組中和池的pH 計(jì)量?jī)x接入PLC 控制系統(tǒng)，采用PID 控制器來控制計(jì)量泵的加藥量。通過對(duì)中和池液體的pH 值進(jìn)行采樣測(cè)量，對(duì)比原污水處理系統(tǒng)的原始記錄數(shù)據(jù)。設(shè)每次測(cè)量的時(shí)間間隔為3 min，對(duì)比PID 控制投入前和PID 控制投入后的變化，并添加PD 控制作參考系統(tǒng)。

6 結(jié)語

基于S7-300 的污水池pH 控制系統(tǒng)具有較強(qiáng)的適應(yīng)能力[3]。系統(tǒng)控制指標(biāo)符合相關(guān)規(guī)定的污水排放要求，被處理過的污水最終pH 值在7.2～7.8，經(jīng)過相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)測(cè)試，證明了本設(shè)計(jì)方案是成功的，基本解決了廢水處理過程中的關(guān)鍵技術(shù)問題，保證了污水出水水質(zhì)，并降低了污水處理加藥費(fèi)用。