劉明

（青島巨川環(huán)?？萍加邢薰?，山東 青島 266000）

基于PLC和組態(tài)軟件的水廠加藥自動控制系統(tǒng)

劉明

（青島巨川環(huán)?？萍加邢薰荆綎| 青島 266000）

由于目前污水處理中進(jìn)水氮、磷普遍超標(biāo)，使得經(jīng)處理的污水排放難以達(dá)標(biāo)，需要通過投加乙酸鈉等外部碳源來降低出水含氮量。利用西門子PLC（S7-200）為控制核心，選用西門子觸摸屏Smart700IE作為現(xiàn)場監(jiān)控畫面，上位機采用亞控組態(tài)王6.55實時監(jiān)測，結(jié)合流量傳感器、模擬量輸入模塊、模擬量輸出模塊、西門子V20變頻器等設(shè)計乙酸鈉自動投加控制系統(tǒng)。

污水處理；乙酸鈉自動投加；變頻器；PLC

在污水處理中，出水總氮含量是表征水質(zhì)的一個重要指標(biāo)，而我國很多城市的污水普遍存在低碳，相對高氮、磷的水質(zhì)特點，因此通過投加外部碳源是解決此類問題的有效方法。乙酸鈉本身不含營養(yǎng)物質(zhì)，且分解后無任何難以降解的中間產(chǎn)物，并且價格低廉，運輸方便，是目前最佳的外部碳源。

1 系統(tǒng)設(shè)計要點

現(xiàn)場采用西門子PLC（S7-200）為核心控制部件，鏈接現(xiàn)場的流量傳感器、乙酸鈉液位開關(guān)、乙酸鈉進(jìn)藥閥門、出藥計量泵等現(xiàn)場設(shè)備。

系統(tǒng)通過檢測外部進(jìn)水流量及出水含氮量，利用流量比例控制和PID算法控制相結(jié)合的閉環(huán)控制方法，自動控制乙酸鈉加藥量，使出水含氮指標(biāo)維持在正常范圍之內(nèi)。在閉環(huán)控制中，控制主體可以根據(jù)反饋信息發(fā)現(xiàn)和糾正受控客體運行中的偏差，因此具有較強的抗干擾能力，能進(jìn)行有效的控制輸出，保證設(shè)定目標(biāo)的實現(xiàn)。

在乙酸鈉的自動投加閉環(huán)控制系統(tǒng)中，具體控制如下：首先根據(jù)水廠水質(zhì)特點建立出水含氮指標(biāo)和投加乙酸鈉計量的數(shù)學(xué)控制模型，即：根據(jù)不同的季節(jié)變化由于水中含氮量的不同計算出對應(yīng)投加的乙酸鈉的量，然后將該數(shù)學(xué)控制模型固化到PLC控制系統(tǒng)。當(dāng)PLC接受到在線氨、氮檢測儀發(fā)出的出水含氮數(shù)據(jù)后將和系統(tǒng)內(nèi)部的數(shù)學(xué)控制模型進(jìn)行比對，輸出對應(yīng)的控制信號，經(jīng)過數(shù)模轉(zhuǎn)換后控制變頻加藥泵調(diào)節(jié)乙酸鈉的投加量。同時系統(tǒng)會根據(jù)進(jìn)水流量信號的變化實時自動調(diào)節(jié)加藥泵的頻率從而調(diào)節(jié)乙酸鈉的投加量，即流量比例控制法。其次通過在線氨、氮檢測儀將出水含氮信號轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)的4-20MA信號，然后送給模擬量輸入模塊，經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換和PLC內(nèi)部程序計算后與給定的出水含氮數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，并采用PID控制算法對誤差進(jìn)行運算，然后將PLC運算的數(shù)字量通過數(shù)模轉(zhuǎn)換后，經(jīng)模擬量輸出通道再次調(diào)節(jié)乙酸鈉的頻率控制乙酸鈉加藥量，實現(xiàn)出水含氮量的PID閉環(huán)控制，即PID控制法。最后通過流量比例和PID相結(jié)合的控制方法根據(jù)出氮設(shè)定指標(biāo)和實際出氮含量快速相應(yīng)變化，實時動態(tài)調(diào)節(jié)，實現(xiàn)了乙酸鈉加藥量的自動調(diào)節(jié)功能，保證出水含氮量在正常指標(biāo)范圍之內(nèi)。

控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 乙酸鈉自動投加控制系統(tǒng)框圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

系統(tǒng)硬件主要由上位工業(yè)控制計算機和下位機PLC、變頻器、在線檢測儀表、變頻加藥泵組成。工控機與PLC通過以太網(wǎng)鏈接，構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)，實時檢測出水含氮量及加藥系統(tǒng)的運行。

2.1 上位機監(jiān)控組成

工控機選用研華610L系列，主流配置，完全滿足對生產(chǎn)過程中使用的機器設(shè)備、生產(chǎn)流程、數(shù)據(jù)參數(shù)等進(jìn)行監(jiān)測與控制的條件。

2.2 下位機主要系統(tǒng)組成

圖2 乙酸鈉自動投加控制現(xiàn)場監(jiān)控畫面

PLC：控制核心部件選用西門子S7-200系列PLC，CPU型號為：224XP，訂貨號：6ES7214-2AD23-0XB8。具有14個數(shù)字量輸入點和10個數(shù)字量輸出點，2個RS-485通訊口，1個用來程序的下載和觸摸屏的通信，另外1個用來和變頻器V20進(jìn)行通信。擴展模塊選用EM231模擬量輸入模塊, 訂貨號：6ES7231-0HC22-0XA8,用來接收進(jìn)水流量信號及在線氨氮儀表信號。通信模塊選用CP243-1，訂貨號：6GK7243-1EX01-0XE0，完成和上位機的以太網(wǎng)實時通信。

變頻器：變頻器選用西門子V20變頻器，訂貨號：6SL3210-5BE13-7UV0，可覆蓋0.12～3kW的功率范圍。高可靠性設(shè)計，創(chuàng)新的冷卻設(shè)計，經(jīng)久耐用。

在線檢測儀表：選用哈希在線氨氮檢測儀，型號：Amtax Compact II，Amtax氨氮分析儀廣泛應(yīng)用于應(yīng)用于飲用水、地表水、污水處理工藝工藝過程中氨氮濃度的檢測。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 上位機監(jiān)控系統(tǒng)

自動投加系統(tǒng)的實時監(jiān)控由2臺工業(yè)控制計算機來完成，2臺工控機同時監(jiān)控，互為備用。上位機組態(tài)軟件選用亞控組態(tài)王（King View）6.55版本開發(fā)自動加藥監(jiān)控系統(tǒng)。中控室工作人員可以通過監(jiān)控顯示屏實時監(jiān)控加藥系統(tǒng)的運行狀況，并且可以設(shè)定或者修改系統(tǒng)運行的某些參數(shù)。監(jiān)控系統(tǒng)實時記錄加藥系統(tǒng)的運行狀況，主要包括：系統(tǒng)的運行狀態(tài)、故障報警提示、加藥流量曲線數(shù)據(jù)等內(nèi)容。

3.2 下位機監(jiān)控系統(tǒng)

下位機的控制核心為西門子S7-200 PLC，自動加藥通過流量比例控制和PID調(diào)節(jié)控制相結(jié)合的方法來實現(xiàn)。由于實際應(yīng)用中加藥系統(tǒng)具有滯后的性質(zhì)，即藥品投加后，出水氨、氮的數(shù)值不能進(jìn)行快速的響應(yīng)，因此單純的PID控制會導(dǎo)致控制作用不及時。利用流量比例控制法，PLC系統(tǒng)在接受到出水氨、氮數(shù)據(jù)后，根據(jù)器內(nèi)部的數(shù)學(xué)控制模型和進(jìn)水流量數(shù)據(jù)進(jìn)行快速的響應(yīng)，輸出對應(yīng)的控制信號，自動調(diào)節(jié)乙酸鈉變頻加藥泵。通過流量比例控制的快速響應(yīng)和加藥PID的閉環(huán)控制最終實現(xiàn)了乙酸銨投加量的自動控制?，F(xiàn)場監(jiān)控畫面如圖2所示。

4 結(jié)語

由工業(yè)控制計算機作為上位機監(jiān)控系統(tǒng)，PLC作為控制核心，現(xiàn)場儀表、流量計作為現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集終端，綜合組成了乙酸鈉加藥的自動控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)運行可靠、維護(hù)方便、畫面設(shè)計形象生動、易于工作人員的操作。系統(tǒng)已在水廠投入運行，性能穩(wěn)定可靠，運行效果良好。

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TU99

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1671-0711（2017）01（下）-0102-02