PLC在污水模擬生成控制系統中的應用

摘 要：本文介紹了采用Siemens S7-300 PLC實現污水模擬生成裝置的控制。包括控制系統的結構、任務分配及實現、控制方式及程序設計等。裝置運行表明，該系統大大提高了運行的穩定性、經濟性，收到了滿意的控制效果。

關鍵詞：污水處理、PLC、PID控制、PH值

　　隨著經濟的快速發展，作為生命之源的水資源也受到了日益嚴重的污染。在歐洲和北美約20-30%的人口利用小型污水處理系統，而我國有80%的人口分布在農村，城市郊區也有很多城市管網難以延伸到的地方，在人口密度較低的城鎮地區，下水道使用效率較低的地方，發展小型污水處理裝置更具現實意義。本文設計了污水處理實驗裝置的前置部分——污水模擬生成裝置，此裝置可以通過不同的配料量和配料組合方式，模擬生成現實生活中各種不同成分的污水，從而可以根據小城鎮特點在后續的污水處理實驗裝置中研究和采用相適應的處理裝置和處理工藝，避免延用或照搬大、中型規模的城市污水處理工藝及設計參數，進而避免造成工程投資和運行費用過高[1]。

　　針對上述情況，開發出污水模擬生成裝置的控制系統。此系統具有控制精度高、配置簡單、操作方便等特點。

1 污水模擬生成工藝

　　污水模擬生成裝置由污水發生器、儲液箱和應急箱三部分組成，如圖1所示。

　　污水發生器將清水及其他物質（包括酸、堿、油脂、碳如蔗糖、鳥糞等）通過兩個攪拌電機進行預混和混合。儲液箱用作模擬生活污水的暫存單元，以保證上游來水中斷時，后續工序仍能實現連續工作。應急箱中為檢測到的不合格污水，在實驗需要時可作為干擾信號由變量泵定量返回到污水發生器中。

　　控制系統通過智能儀表對污水的液位、PH值、電導率值、流量值等模擬量及各種開關位置的數字量進行自動檢測，并將檢測結果上傳給下位機PLC，經數據計算處理后，送至各執行機構實行相應操作。

2 系統的硬件組成

　　根據污水模擬生成裝置的操作和控制要求，控制系統由西門子S7-300系列CPU314PLC、SM321數字量輸入模塊、SM322數字量輸出模塊、SM331模擬量輸入模塊以及SM322模擬量輸出模塊等組成[2]。其硬件配置如圖2所示。

3 模擬量的控制

　　系統的模擬量主要包括PH值、電導率值、流量、溫度、液位等。本文將傳統的PID控制與PLC的邏輯判斷指令相結合，使PID的控制更加靈活。

　　以PH值的控制為例，在進行PID調節時，比例調節反映系統偏差的大小，只要有偏差存在，比例調節就會產生作用，以減少偏差。微分調節根據偏差的變化趨勢來控制，以改善系統的動態響應速度。積分調節根據偏差積分的變化來控制，對系統的控制有滯后的作用，以消除靜態誤差。增大積分時間常數可提高靜態精度，但積分作用太強，特別是在系統偏差較大時會使系統超調量較大，甚至引起振蕩。因此本系統采用如下控制策略，組成智能控制系統。圖3為 PH值偏差不同的控制策略

　　1）實際PH值低于PH1時，為加快響應速度，加堿流量閥全開，加酸流量閥關閉。

　　2）實際PH值位于[PH1～PH2]范圍內時，為避免積分飽和，分離積分項，采用PD控制加堿流量，加酸流量閥關閉。

　　3）實際PH值位于[PH2～PH3]范圍內時，采用自適應PID控制加堿流量，加酸流量閥關閉。圖4為PH值的自適應控制

　　當實測PH > PH0+§且在采樣周期中，PH值持續上升，則加堿流量閥關閉（a→b，g→h）;PH < PH0-§且在采樣周期中，PH值持續下降，則加堿流量閥接通（d→e）;其他情況實行PID控制。（死區閥值§本系統設為0.2）。

　　這種控制方法不僅考慮了實測PH值和設定PH值的偏差，而且考慮了實測PH值的變化趨勢，可減少超調波動，具有自適應效果。

　　4）實際PH值位于[PH3～PH4]范圍內時，采用PD控制加酸流量，加堿流量閥關閉。

　　5）實際PH值高于PH4時，為加快響應速度，加酸流量閥全開，加堿流量閥關閉。

4 PLC軟件實現

　　S7-300的用戶程序由組織塊（OB）、功能塊（FC、FB）、數據塊（DB）構成。其中OB1塊是操作系統與用戶應用程序在各種條件下的接口界面，用于控制程序的執行[3]。OB100為系統初始化程序塊，系統啟動時首先要調用（只調用一次）該程序塊，將某些內存地址單元清零。功能塊FC1～FC8分別用作起停、液位調節、PH值和導電率調節等子程序塊。數據塊用于存放從PLC的模擬量輸入模塊接收來的數據以及對這些數據的處理[4]。PLC流程圖見圖5。

　　其中各子程序的功能如下：

　　取數據子程序：將來自于PLC模擬量輸入模塊的數據經過處理變成工程量并存放于數據塊中。

　　液位調節子程序：將污水發生器內的液位給定值與超聲波液位傳感器的檢測值進行PID調節運算，運算結果作為流量大小的調節信號，使液位維持在合理范圍內;將清水、應急箱廢水流量給定值與檢測值的偏差進行PID調節運算，運算結果作為電磁閥開口度的調節信號，使水流量維持在一定范圍內，從而使液位滿足要求，此控制屬于級聯控制。

　　PH值和導電率值調節子程序：將PH給定值、導電率給定值與檢測值的偏差進行PID調節運算，運算結果作為加料口電磁閥開口度以及輸送機電機電壓調節信號，使PH值和導電率在合格范圍內。

　　本系統使用FB10塊作為PID調節子程序塊，運算過程中為了保證精度，所有參數均以4字節浮點數表示。

5 人機界面設計

　　上位機采用WindowsXP操作系統，用西門子的WinCC組態軟件開發設計人機界面和監控程序。操作人員可通過本地人機界面的薄膜鍵盤和硬件開關，向下位機發出各種控制命令。同時程序完成由主從控制單元實時采集，處理模擬量、開關量、報警數據和操作數據，定時歸檔歷史數據，實時記錄、故障及開關變化信息，對操作人員所作的操作進行記載和輸出打印。操作人員可在流程界面上對污水生成箱的液位進行監視，根據實驗條件的不同以不同級別用戶權限登陸到參數設定界面進行污水PH值的修改或設定[5]。

6 本文作者的創新點

　　可編程控制器（PLC）和計算機（PC）的聯合應用簡化了現場操作，提高了控制精度和人機界面的靈活性，同時也提高了控制系統的穩定性和安全性，具有廣闊的應用前景。本文將傳統的PID控制與PLC的邏輯判斷指令相結合，使PID的控制更加靈活。該系統投運以來，運行效果較好，大大提高了小型污水處理試驗裝置的自動化水平。

參考文獻：

　　[1]水工業工程設計手冊：廢水處理及再用[M]北京：中國建筑工業出版社，2002.

　　[2]SIEMENS.S7-300可編程控制器系統手冊[M]北京：西門子（中國）有限公司，2004.

　　[3]SIEMENS.S7-300自動化系統CPU31xC技術功能使用手冊[M]北京：西門子（中國）有限公司，2001.

　　[4]肖佐無，陳小祝，肖愛武。基于PLC的污水凈化處理控制系統的設計[J].微計算機信息，2006，10-1：31-32。

　　[5]蘇昆哲.深入淺出西門子WinCC V6[M]北京：北京航空航天大學出版社，2004.