一种由PLC控制污水溶解氧的系统设计

打开文本图片集

摘 要： 在选择四段PID控制的基础上，利用西门子S7-200型PLC作为控制器，设计相关的电路和主程序，通过变频器调节鼓风机转速来给曝气池供氧，实现了对污水溶解氧的稳定控制，而且增加了系统的灵活性。同时，系统的可靠性和抗干扰能力也大大提高。

关键词： 污水处理； PLC； 控制系统

中图分类号： TP 272 文献标志码： A 文章编号： 1671-2153（2017）06-0086-04

0 引 言

在污水处理过程中，溶解氧浓度是反映整个污水处理系统运行状况的一个重要指示参数，能否控制好溶解氧浓度会影响到出水水质和系统能耗[1]，而作为用户，水质和能耗又是最关心的两个指标[2]。在污水处理过程中，影响氧气溶解过程的因素很多，例如水质、温度、水的pH值等，这使得其非常复杂，往往无法用准确的数学模型表示。

本研究在选择4段PID控制的基础上，利用西门子S7-200型PLC作为控制器，设计相关的电路和程序，通过变频器调节鼓风机转速来给曝气池供氧，起到了有效的控制效果。

1 系统控制和硬件选择

（1） 系统控制。本研究系统的控制方框图如图1所示。

图1中，SP为假设输氧量，通过控制器和变频器来控制电机旋转从而控制风机的转速使输入到曝气池中氧产生变化。本系统通过溶解氧（DO）检测仪检测曝气池中实际的DO值，并将实际的DO值和设定值SP得差值反馈到PID控制器。通过比对实际值和理想值并运用PID算法最终使实际值趋近于所要求的理想值。这样不仅保证生化池内空气需求量，同时也尽可能地节省了能耗。上述各调节相互联，相互影响，最终使得对曝气池中溶鼓风机送入生化池的风量大小可通过调节鼓风机的转速，从而控制调整曝气池的进气量。

（2） 系统主要硬件选择。通过对系统的分析和市面上各种硬件的了解，结合实际，本系统选用了西门子S7-200系列PLC作为控制器，ABB集团的ACS140作为变频器，选用2台ZSR6_295N型罗茨风机，采用COM253型溶氧变送器来测定曝气池中溶解氧的浓度，采用AZ8911/AZ8912型温度/湿度/结露/湿球/风速/风量测量仪作为风量测量仪。

2 系统控制过程

按动进水泵开启按钮，往曝气池内注入未处理的原水，待到曝气池高液位传感器（设为SL1）检测到有液位时，DO检测仪、变频器、鼓风机、风速测量仪全部启动，同时进水泵关闭。设在出水阀附近的DO检测仪将检测到得数据传送到PID控制器，在PID控制器中将实际检测到的数据与设定的DO值进行对比后进行PID运算，并将结果信号传递给变频器，由变频器控制鼓风机的转速从而调节对曝气池的输气量，如此下去直到曝气池中污水的DO值达标。此时当差值等于零时出水阀打开，污水排出曝气池。

由于DO检测仪的检测部分必须置于水中，当污水排放使曝气池中液位达到最高处DO检测仪的液位时，液位传感器（设为SL2）会给进水泵一个开启信号，进水泵便开始进水（进水速度大于出水速度），当设在出水阀口处的检测仪检测到的DO值不符合标准时，出水阀会自动关闭。

同时系统还添加了报警装置：

装置1，进水泵低水位报警装置。当进水泵所在的蓄水池内液位低时，液位传感器（设为SL3）会给进水泵一个信号，进水泵自动关闭，同时也会拉响警铃（HA）。

装置2，曝气过程监测装置。当系统正常工作时，曝气池输气指示灯HL1会置于绿色位置，否则就需对鼓风机和DO检测仪进行检查，以排除故障。

装置3，曝气池出水指示灯（HL2）装置。正常出水时指示灯的颜色为绿色，否则就需对出水阀进行检查，或启动手动控制来对出水阀进行控制。

装置4，变频器故障指示灯（设为HL3）装置。当变频器正常工作时，HL3指示灯会置于绿色位置，否则就提示变频出现故障。

如此过程循环进行，这样不仅方便于自动控制，同时鼓风机是通过调整转速按需供气，这样也节省了电能。

3 系统电路

（1） 电路模块。系统主要包括了进水泵、鼓风机、变频器、DO监测仪、风速测量仪几个板块，方框图如图2所示。

（2） 电路硬件接线。由于进水泵和鼓风机都由三相交流电机控制，它们的额定电压为380 V，接线图如图3所示。图3中，M1为进水泵电机；M2为主鼓风机电机；M3为备用鼓风机电机。变频器与鼓风机的接线图如图4所示。

4 PLC的控制系统设计

4.1 I/O地址分配

通過对系统控制过程的详细分析以及主电路接线图、变频器和鼓风机接线图的分析，确定了系统PLC的I/O地址分配表，如表1所示。

4.2 PLC外围接线设计

图5为PLC 外围接线图（开关量接线图），图6为PLC外围接线图（模拟量接线图）。

4.3 主程序PLC控制

图7为PLC自动控制部分主程序流程图以及部分程序梯形图。由于污水溶解氧控制系统是一个惯性较大无法突变的系统，不需要过高的响应速度，因而在设计思想上以查询方式为主，中断方式为辅，采用4段系统PID参数进行整定。这样大大提高了系统的适应性，使用户在使用时减少了调试的工作，同时系统的体积很小，抗干扰的可靠性大大增强，本系统PLC控制程序由主程序和子程序组成。

4.4 子程序PLC控制

子程序流程和部分梯形图如图8所示。

本研究由DO检测仪采集系统的DO值，再由A/D 转换模块采集设定值和现行DO值，通过PLC的PID调节，由D/A 转换模块输出PID的调节值送到变频器，由变频器实现变频控制，通过调节鼓风机转速来实现对曝气池输气量的控制。在本研究中，采用的是调用子程序的方法，在子程序中对PID参数进行初始化处理，在前面提到的4个不同的区间段即第Ⅳ阶段e（k）>1.5 mg/L；第Ⅲ阶段1.0 mg/L

5 结束语

本设计污水处理过程中的溶解氧控制系统以PLC作为核心进行设计，具有工作稳定、供氧变化稳定的特点。该系统既避免了因鼓风机输入空气量过大所造成的能源浪费，又可以满足污水处理厂要求，有广阔的应用前景和推广价值。

参考文献：

[1] 李国伟. PLC在污水处理厂的应用[J]. 科技创业家，2014（3）：153.

[2] 孙新江，赵靓靓，王永军. PLC在污水处理工程中的应用[J]. 给水排水，2003（10）：95-96.

[3] 邹娜.基于组态软件和PLC在污水处理厂自动控制系统的应用[D]. 广州：华南理工大学，2015：45-48.