PLC在污水模拟生成控制系统中的应用

：本文介绍了采用Siemens S7-300 PLC实现污水模拟生成装置的控制。包括控制系统的结构、任务分配及实现、控制方式及程序设计等。装置运行表明，该系统大大提高了运行的稳定性、经济性，收到了满意的控制效果。
关键词：污水处理、PLC、PID控制、PH值
　　随着经济的快速发展，作为生命之源的水资源也受到了日益严重的污染。在欧洲和北美约20-30%的人口利用小型污水处理系统，而我国有80%的人口分布在农村，城市郊区也有很多城市管网难以延伸到的地方，在人口密度较低的城镇地区，下水道使用效率较低的地方，发展小型污水处理装置更具现实意义。本文设计了污水处理实验装置的前置部分——污水模拟生成装置，此装置可以通过不同的配料量和配料组合方式，模拟生成现实生活中各种不同成分的污水，从而可以根据小城镇特点在后续的污水处理实验装置中研究和采用相适应的处理装置和处理工艺，避免延用或照搬大、中型规模的城市污水处理工艺及设计参数，进而避免造成工程投资和运行费用过高[1]。
　　针对上述情况，开发出污水模拟生成装置的控制系统。此系统具有控制精度高、配置简单、操作方便等特点。
1 污水模拟生成工艺
　　污水模拟生成装置由污水发生器、储液箱和应急箱三部分组成，如图1所示。

图1 污水模拟生成装置原理图
　　污水发生器将清水及其他物质（包括酸、碱、油脂、碳如蔗糖、鸟粪等）通过两个搅拌电机进行预混和混合。储液箱用作模拟生活污水的暂存单元，以保证上游来水中断时，后续工序仍能实现连续工作。应急箱中为检测到的不合格污水，在实验需要时可作为干扰信号由变量泵定量返回到污水发生器中。
　　控制系统通过智能仪表对污水的液位、PH值、电导率值、流量值等模拟量及各种开关位置的数字量进行自动检测，并将检测结果上传给下位机PLC，经数据计算处理后，送至各执行机构实行相应操作。
2 系统的硬件组成
　　根据污水模拟生成装置的操作和控制要求，控制系统由西门子S7-300系列CPU314PLC、SM321数字量输入模块、SM322数字量输出模块、SM331模拟量输入模块以及SM322模拟量输出模块等组成[2]。其硬件配置如图2所示。

图2污水模拟生成装置控制系统PLC及功能模块组成
3 模拟量的控制
　　系统的模拟量主要包括PH值、电导率值、流量、温度、液位等。本文将传统的PID控制与PLC的逻辑判断指令相结合，使PID的控制更加灵活。
　　以PH值的控制为例，在进行PID调节时，比例调节反映系统偏差的大小，只要有偏差存在，比例调节就会产生作用，以减少偏差。微分调节根据偏差的变化趋势来控制，以改善系统的动态响应速度。积分调节根据偏差积分的变化来控制，对系统的控制有滞后的作用，以消除静态误差。增大积分时间常数可提高静态精度，但积分作用太强，特别是在系统偏差较大时会使系统超调量较大，甚至引起振荡。因此本系统采用如下控制策略，组成智能控制系统。图3为 PH值偏差不同的控制策略

图3 PH值偏差不同的控制策略
　　1）实际PH值低于PH1时，为加快响应速度，加碱流量阀全开，加酸流量阀关闭。
　　2）实际PH值位于[PH1～PH2]范围内时，为避免积分饱和，分离积分项，采用PD控制加碱流量，加酸流量阀关闭。
　　3）实际PH值位于[PH2～PH3]范围内时，采用自适应PID控制加碱流量，加酸流量阀关闭。图4为PH值的自适应控制

图4 PH值的自适应控制
　　当实测PH > PH0+§且在采样周期中，PH值持续上升，则加碱流量阀关闭（a→b，g→h）H < PH0-§且在采样周期中，PH值持续下降，则加碱流量阀接通（d→e）;其他情况实行PID控制。（死区阀值§本系统设为0.2）。
　　这种控制方法不仅考虑了实测PH值和设定PH值的偏差，而且考虑了实测PH值的变化趋势，可减少超调波动，具有自适应效果。
　　4）实际PH值位于[PH3～PH4]范围内时，采用PD控制加酸流量，加碱流量阀关闭。
　　5）实际PH值高于PH4时，为加快响应速度，加酸流量阀全开，加碱流量阀关闭。
4 PLC软件实现
　　S7-300的用户程序由组织块（OB）、功能块（FC、FB）、数据块（DB）构成。其中OB1块是操作系统与用户应用程序在各种条件下的接口界面，用于控制程序的执行[3]。OB100为系统初始化程序块，系统启动时首先要调用（只调用一次）该程序块，将某些内存地址单元清零。功能块FC1～FC8分别用作起停、液位调节、PH值和导电率调节等子程序块。数据块用于存放从PLC的模拟量输入模块接收来的数据以及对这些数据的处理[4]。PLC流程图见图5。
　　其中各子程序的功能如下：
　　取数据子程序：将来自于PLC模拟量输入模块的数据经过处理变成工程量并存放于数据块中。
　　液位调节子程序：将污水发生器内的液位给定值与超声波液位传感器的检测值进行PID调节运算，运算结果作为流量大小的调节信号，使液位维持在合理范围内;将清水、应急箱废水流量给定值与检测值的偏差进行PID调节运算，运算结果作为电磁阀开口度的调节信号，使水流量维持在一定范围内，从而使液位满足要求，此控制属于级联控制。
　　PH值和导电率值调节子程序：将PH给定值、导电率给定值与检测值的偏差进行PID调节运算，运算结果作为加料口电磁阀开口度以及输送机电机电压调节信号，使PH值和导电率在合格范围内。
　　本系统使用FB10块作为PID调节子程序块，运算过程中为了保证精度，所有参数均以4字节浮点数表示。

图5 PLC程序流程图
5 人机界面设计
　　上位机采用WindowsXP操作系统，用西门子的WinCC组态软件开发设计人机界面和监控程序。操作人员可通过本地人机界面的薄膜键盘和硬件开关，向下位机发出各种控制命令。同时程序完成由主从控制单元实时采集，处理模拟量、开关量、报警数据和操作数据，定时归档历史数据，实时记录、故障及开关变化信息，对操作人员所作的操作进行记载和输出打印。操作人员可在流程界面上对污水生成箱的液位进行监视，根据实验条件的不同以不同级别用户权限登陆到参数设定界面进行污水PH值的修改或设定[5]。
6 本文作者的创新点
　　可编程控制器（PLC）和计算机（PC）的联合应用简化了现场操作，提高了控制精度和人机界面的灵活性，同时也提高了控制系统的稳定性和安全性，具有广阔的应用前景。本文将传统的PID控制与PLC的逻辑判断指令相结合，使PID的控制更加灵活。该系统投运以来，运行效果较好，大大提高了小型污水处理试验装置的自动化水平。
参考文献：
　　[1]水工业工程设计手册：废水处理及再用[M]北京：中国建筑工业出版社，2002.
　　[2]SIEMENS.S7-300可编程控制器系统手册[M]北京：西门子（中国）有限公司，2004.
　　[3]SIEMENS.S7-300自动化系统CPU31xC技术功能使用手册[M]北京：西门子（中国）有限公司，2001.
　　[4]肖佐无，陈小祝，肖爱武。基于PLC的污水净化处理控制系统的设计[J].微计算机信息，2006，10-1：31-32。
　　[5]苏昆哲.深入浅出西门子WinCC V6[M]北京：北京航空航天大学出版社，2004.