王 浩

（江蘇省宜興中等專業(yè)學(xué)校，江蘇 宜興 214200）

pH值控制系統(tǒng)

王 浩

（江蘇省宜興中等專業(yè)學(xué)校，江蘇 宜興 214200）

1 pH中和過程分析

污水回用處理的整個(gè)過程是復(fù)雜而又相當(dāng)系統(tǒng)的一項(xiàng)工作，在這過程之中有液位、流量、壓力等模擬參量需要控制，而且各種設(shè)備的工作任務(wù)非常多，整個(gè)處理過程具有隨機(jī)性和時(shí)變性。同時(shí)污水處理系統(tǒng)種對(duì)污水水質(zhì)的處理要求越來越高，因此污水處理系統(tǒng)對(duì)控制要求越來越高。

pH值；分析；控制；污水

pH值是控制污水回用、排放的一個(gè)重要指標(biāo)，在污水處理中對(duì)pH值進(jìn)行有效的控制具有重要意義。pH值是污水中最難控制的一個(gè)對(duì)象，主要是由于污水處理中的酸堿中和過程呈現(xiàn)嚴(yán)重非線性、滯后性以及不確定性。

目前對(duì)于模擬量的處理方法有傳統(tǒng)開環(huán)控制及閉環(huán)控制（即所謂的PID控制）。開環(huán)控制的準(zhǔn)確性非常低，所以針對(duì)于污水處理中pH值在此項(xiàng)目中采用PID閉環(huán)控制方式進(jìn)行處理。

在實(shí)際污水處理過程中，pH的中和過程是十分復(fù)雜的，一些學(xué)者基于物質(zhì)守恒和化學(xué)平衡定律，提出了在連續(xù)攪拌反應(yīng)釜系統(tǒng)（CSTR）中的pH中和過程的動(dòng)態(tài)模型。圖1所示是一個(gè)典型的CSTR系統(tǒng)模型。

此系統(tǒng)中污水中酸堿的流量就是控制量。pH變送器采集pH值，即污水處理環(huán)節(jié)出口的pH值。經(jīng)數(shù)據(jù)輸入通道進(jìn)入控制器，執(zhí)行系統(tǒng)計(jì)算出相應(yīng)的控制量數(shù)據(jù)，然后反饋給酸堿計(jì)量閥進(jìn)行相應(yīng)操作。系統(tǒng)有兩條控制量輸出通道，如果污水呈酸性，控制器就會(huì)控制堿計(jì)量泵，向反應(yīng)器中加入適當(dāng)?shù)膲A溶液，直到溶液pH值滿足要求為止；如果污水呈堿性，控制器就會(huì)控制酸計(jì)量泵，向反應(yīng)器中加入適當(dāng)?shù)乃崛芤海钡饺芤簆H值滿足要求為止。同時(shí)，系統(tǒng)采集的pH值會(huì)傳送至監(jiān)控中心，監(jiān)控中心可以隨時(shí)查看反應(yīng)器內(nèi)pH值。

CSTR控制系統(tǒng)機(jī)理模型是建立在溶液完全混合，且處處等溫的條件基礎(chǔ)之上。在實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中，溶液所含成分以及反應(yīng)器裝置不同，都會(huì)導(dǎo)致實(shí)際pH中和過程呈現(xiàn)出復(fù)雜多變的特性。

在污水處理過程中，除已知特點(diǎn)污水來源類型外，污水的酸堿性在未知的情況下可能時(shí)而酸性時(shí)而堿性，具有波動(dòng)性，因此針對(duì)這種情況需要酸性試劑和堿性試劑兩種。此外出口污水的流量變化，對(duì)于系統(tǒng)的控制會(huì)造成很大的干擾，若污水出口流量過大，難以準(zhǔn)確控制出水pH值；加入試劑多少，難以精確控制；由于污水中所含的酸堿的成分是比較復(fù)雜的，導(dǎo)致對(duì)象的反應(yīng)曲線很難確定，尤其是在pH值為7附近時(shí)強(qiáng)酸、強(qiáng)堿或弱酸、弱堿共存時(shí)，更難以確定其中和過程的模型；另外，在實(shí)際測(cè)量、傳輸和控制過程中的延時(shí)、干擾、不精確等誤差，都會(huì)影響系統(tǒng)控制的實(shí)際效果。

2 PID控制系統(tǒng)組成

如圖2所示是最典型的PLC模擬量控制系統(tǒng)的框圖，其中，虛線部分采用PID控制器用來實(shí)現(xiàn)模擬量處理。

在此PID系統(tǒng)框圖中，被控量C（t）是連續(xù)變化的模擬量，通常PLC能夠直接處理的是數(shù)字量，在實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中執(zhí)行機(jī)構(gòu)往往要求PLC輸出相應(yīng)的模擬量M（t）。因此在實(shí)際控制當(dāng)中，被控模擬量先通過傳感器和變換器轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)量程的直流電流、電壓信號(hào)，利用PLC的模擬量輸入模塊將模擬量轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的數(shù)字量，然后經(jīng)過PLC計(jì)算處理。通過模擬量輸出模塊再將數(shù)字量變換成模擬量，輸出到驅(qū)動(dòng)電路，得到了能夠控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)的模擬量。

PID閉環(huán)控制系統(tǒng)的原理是負(fù)反饋，經(jīng)過負(fù)反饋的控制讓反饋量等于或者接近給定值。

由于在實(shí)際應(yīng)用中，系統(tǒng)難免會(huì)有信號(hào)的擾動(dòng)，造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定，采用閉環(huán)控制系統(tǒng)能夠讓模擬量被控量無限接近給定值，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，抑制系統(tǒng)中的各種干擾因素。

3 PID控制器原理

PID控制實(shí)際是一種調(diào)節(jié)方法，現(xiàn)在被廣泛的應(yīng)用著。PID指的是比例、積分、微分控制。這種技術(shù)已經(jīng)有多年的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，已經(jīng)非常成熟。是工業(yè)控制中的一項(xiàng)重要技術(shù)，最重要的特點(diǎn)是可靠、容易調(diào)節(jié)。由于本系統(tǒng)當(dāng)中沒有被控量的精確數(shù)學(xué)模型，很多時(shí)候一些參數(shù)就只能依靠經(jīng)驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)的調(diào)試來確定。在PID控制技術(shù)中，對(duì)被調(diào)節(jié)量不完全了解，系統(tǒng)的一些參數(shù)也沒辦法通過測(cè)量來獲得，PID技術(shù)就變的非常有效了。

被控對(duì)象在不同的情況下，PID控制器可以衍生出不同的改進(jìn)型控制方式，例如PI、PD、帶死區(qū)的PID、被控量微分PID、積分分離PID和變速積分PID等。由于近年來科技不斷發(fā)展，智能控制技術(shù)也已經(jīng)有非常高的應(yīng)用率，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與PID相結(jié)合的現(xiàn)代控制方法，可以實(shí)現(xiàn)PID控制器的參數(shù)自整定，這種先進(jìn)的控制法也離不開PID控制器，使之具有很強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力。

西門子PLC已經(jīng)為用戶提供了PID控制功能，包括了軟件產(chǎn)品和硬件產(chǎn)品。PID閉環(huán)模塊、PID控制指令和PID控制系統(tǒng)功能塊都具有PID參數(shù)自整定功能，輕松的實(shí)現(xiàn)參數(shù)調(diào)整，使用也比較簡(jiǎn)單。PID控制實(shí)際就是對(duì)偏差信號(hào)e（t）進(jìn)行比例，積分和微分運(yùn)算變化后形成的一種規(guī)律，見式（1）所示。

其中，KPe（ t ）是比例控制項(xiàng)，KP為比例系數(shù)；是積分控制項(xiàng)，Ti為積分時(shí)間常數(shù)；

Td是微分控制項(xiàng)，Td為微分時(shí)間常數(shù).

PID控制在實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中，可以根據(jù)情況的不同調(diào)整控制策略。

4 PID控制器設(shè)計(jì)

pH值的PID系統(tǒng)方框圖如圖3所示。系統(tǒng)中首先把設(shè)定值與反饋值進(jìn)行比較，pH值設(shè)定值為7，比較結(jié)果送入PID控制器，然后通過PID控制器進(jìn)行PID調(diào)節(jié)，向試劑泵發(fā)出指令，系統(tǒng)通過PID控制器控制是加堿試劑還是加酸試劑，同時(shí)控制電動(dòng)閥的開度，達(dá)到控制試劑流量大小的目的，從而控制pH值。

本文所設(shè)計(jì)的PID控制器包括pH值輸入的采樣、算術(shù)平均值濾波法、模擬量輸入規(guī)格化、PID計(jì)算控制量、模擬量輸出規(guī)格化、模擬量輸出。

有些模擬量不需要進(jìn)行PID計(jì)算控制量和濾波，則在OB1中直接調(diào)用FC105進(jìn)行模擬量規(guī)格化，供程序使用。

針對(duì)本系統(tǒng)中的需要處理的pH值，采用算術(shù)平均值濾波法進(jìn)行處理。此方法可以應(yīng)用于精度要求不是太高，數(shù)據(jù)相應(yīng)速度不需要特別快的處理系統(tǒng)中。本系統(tǒng)主要是針對(duì)模擬量信號(hào)的瞬間變化對(duì)系統(tǒng)造成干擾。

在本平均值濾波程序中，濾波程序FB21對(duì)應(yīng)的DB數(shù)據(jù)塊有4個(gè)靜態(tài)變量：#CNT計(jì)采樣次數(shù)；#SUMS是用來累計(jì)每次采樣值的和；#high和#low分別是采樣中的最大值和最小值。

如果#CNT采樣次數(shù)小于32，把當(dāng)前采樣值進(jìn)行采樣值求和，采樣值和保存在每個(gè)通道對(duì)應(yīng)的DB塊靜態(tài)區(qū)#SUMS變量中，并把當(dāng)前采樣值與最大值和最小值（#high和#low）比較，決定是否代替原保存的最大值和最小值（#high和#low）；如果#CNT采樣次數(shù)小于32，把當(dāng)前采樣值總和#SUMS去掉最大值和最小值（#high和#low），然后求平均得到濾波值，存濾波值到濾波值數(shù)據(jù)塊DB101中。

然后通過連續(xù)PID控制器FB41，對(duì)模擬量進(jìn)行了PID算法控制。即可達(dá)到準(zhǔn)確控制模擬量的目的。

本系統(tǒng)是主要是針對(duì)光伏企業(yè)生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的低氟廢水而進(jìn)行的pH加藥中和系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，用PID閉環(huán)控制系統(tǒng)的方式可以使污水中的參數(shù)達(dá)到系統(tǒng)的控制要求。為了保證排放、回收利用、二級(jí)過濾等系統(tǒng)能夠按照要求正常運(yùn)行工作。

10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.20.248