羅含偉
(西安石油大學(xué),陜西 西安 710065)
我國《生活飲用水衛(wèi)生規(guī)范》規(guī)定,飲用水的pH 值必須在6.6~8.5。超出正常值會影響生物反應(yīng),抑制硝化過程,嚴(yán)重時將導(dǎo)致污泥中毒,使水質(zhì)受到不同程度的影響。目前污水廠采取的措施是當(dāng)pH 值特別高或特別低時,立即關(guān)停進(jìn)水泵。如果偏離,但仍在可接受的范圍內(nèi),應(yīng)頻繁地測定氧化池中的pH 值及各種生化反應(yīng)參數(shù),適時投加相應(yīng)化學(xué)藥劑從而調(diào)節(jié)池中工藝參數(shù)正常,并及時查出導(dǎo)致pH 值變化的原因并解決該問題[1]。
PLC 及其相關(guān)設(shè)備應(yīng)與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個整體,要具備通用性強(qiáng)、使用方便、可靠性高及抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。鑒于此,本文選用西門子公司生產(chǎn)的S7-300 PLC 模塊??刂葡到y(tǒng)硬件采用雙機(jī)冗余工控機(jī)的 IPC+PLC 架構(gòu)和PROFINET 總線技術(shù),采用分布式I/O 控制系統(tǒng),將控制現(xiàn)場的ET200M、S7-300 PLC、控制室內(nèi)工控機(jī)與觸摸屏組態(tài)成一個系統(tǒng)。PLC 用來接收來自污水中和池的pH 監(jiān)測數(shù)據(jù),對其進(jìn)行數(shù)據(jù)分析并反饋處理結(jié)果,實(shí)現(xiàn)酸堿電磁閥控制;控制室內(nèi)上位機(jī)實(shí)現(xiàn)對污水池現(xiàn)場環(huán)境數(shù)據(jù)的監(jiān)控、報警指示、狀態(tài)顯示、參數(shù)設(shè)定和實(shí)時、歷史報表的數(shù)據(jù)儲存和打印功能。工控機(jī)IPC 和現(xiàn)場觸摸屏作為主站,接收來自PLC 和ET200M 的信號,ET200M 中的SM 信號模塊采集現(xiàn)場PH 計(jì)變送器的參數(shù),對現(xiàn)場PH 參數(shù)進(jìn)行控制。
S7-300 PLC 污水處理pH 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。
圖1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
每一個酸堿中和系統(tǒng)最突出的性質(zhì)是它們的pH 值曲線,如圖2 所示。
圖2 NaOH 滴定HCL 曲線
由圖2 可知:pH 值控制對象具有嚴(yán)重的非線性。pH 值在7 附近時,中和對象的靜態(tài)增益相當(dāng)大,而遠(yuǎn)離pH=7 的中和對象的靜態(tài)增益很小。
由于PID 控制算法簡單、準(zhǔn)確度高,很適合對pH 的閉環(huán)控制??刂葡到y(tǒng)的PID 控制數(shù)學(xué)表達(dá)式可以用下式表示:
其中:u(t)為控制器輸出;e(t)為控制器輸入;Kp、Ti、Td為分別為比例系數(shù)、積分時間和微分時間。
在污水處理的過程中,首先根據(jù)污水池內(nèi)的實(shí)際pH 值C (θ) 與設(shè)定pH 值Sp (θ) 進(jìn)行比較,用PID 程序控制酸堿電磁閥的開度。系統(tǒng)根據(jù)反饋結(jié)果進(jìn)行判斷,當(dāng)E (θ) =C (θ) -Sp (θ) >4 時,PLC 發(fā)出指令關(guān)閉A、B、D 號酸液電磁閥閥,打開C 號堿液電磁閥。E (θ) =C (θ) -Sp (θ) >2.5時,PLC 發(fā)出指令關(guān)閉B、C、D 號酸液電磁閥閥,打開A 號堿液電磁閥。-0.5<E (θ) =C (θ) -Sp (θ)>0.5 時,關(guān)閉A、B、C、D 各個電磁閥。當(dāng)-4<E(θ) =C (θ) -Sp (θ) 時,PLC 發(fā)出指令關(guān)閉A、B、D 號酸液電磁閥閥,打開D 號堿液電磁閥。-2.5<E (θ) =C (θ) -Sp (θ) 時,PLC 發(fā)出指令關(guān)閉B、C、D 號酸液電磁閥,打開B 號堿液電磁閥。污水中和池pH 控制流程如圖3 所示:
圖3 pH 值控制流程圖
公共程序系統(tǒng)的初始狀態(tài)閥A~閥D 均為OFF,攪拌電動機(jī)M 為OFF,將這些量的常閉點(diǎn)串聯(lián)作為M1.1 為ON 的條件,作為原點(diǎn)條件。其中任何一個量不滿足,則M1.1 都不會為ON。
系統(tǒng)在原點(diǎn)位置時,處于初始化和手動狀態(tài),初始步M0.0 會被置位,此時為執(zhí)行自動程序做準(zhǔn)備;若此時M1.1 為OFF,則M0.0 會被復(fù)位,初始步會變?yōu)椴换顒硬?,即使按下啟動按鈕,自動程序不會轉(zhuǎn)換到下一步,此時禁止自動工作方式的運(yùn)行[2]。
當(dāng)手動、自動兩種工作模式相互切換時,自動程序會有兩步被同時激活,為了防止誤動作,在手動狀態(tài)下,輔助繼電器M0.1~M0.6 會被復(fù)位。在非連續(xù)工作方式下,I0.7 常閉觸點(diǎn)閉合,輔助繼電器M1.2 將被復(fù)位,系統(tǒng)不會執(zhí)行連續(xù)程序。
酸堿中和池控制手動程序開始時,設(shè)置閥C手動,即在系統(tǒng)有故障時,關(guān)閉污水中和池,防止其對后面水體水質(zhì)造成相應(yīng)的干擾。
酸堿中和池控制系統(tǒng)采用置位復(fù)位指令編程法,其中M0.0~M0.6 作為中間編程元件,連續(xù)、單周2 種工作方式采用連續(xù)標(biāo)志M1.2 加以區(qū)別。單周與連續(xù)原理相似,不同之處在于:在單周的工作方式下,連續(xù)標(biāo)志條件不滿足,當(dāng)程序執(zhí)行到M0.6 步時,滿足轉(zhuǎn)換條件M1.2×T38,此時系統(tǒng)將返回到初始步M0.0,系統(tǒng)停止工作。
酸堿中和池控制模擬量程序分為兩個部分:
1) 模擬信號量采集程序;
2) 報警程序。
通過實(shí)驗(yàn)對PLC 自動控制效果進(jìn)行實(shí)際測量。實(shí)驗(yàn)方法是設(shè)置兩個對照組,將兩組中和池的pH 計(jì)量儀接入PLC 控制系統(tǒng),采用PID 控制器來控制計(jì)量泵的加藥量。通過對中和池液體的pH 值進(jìn)行采樣測量,對比原污水處理系統(tǒng)的原始記錄數(shù)據(jù)。設(shè)每次測量的時間間隔為3 min,對比PID 控制投入前和PID 控制投入后的變化,并添加PD 控制作參考系統(tǒng)。
基于S7-300 的污水池pH 控制系統(tǒng)具有較強(qiáng)的適應(yīng)能力[3]。系統(tǒng)控制指標(biāo)符合相關(guān)規(guī)定的污水排放要求,被處理過的污水最終pH 值在7.2~7.8,經(jīng)過相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)測試,證明了本設(shè)計(jì)方案是成功的,基本解決了廢水處理過程中的關(guān)鍵技術(shù)問題,保證了污水出水水質(zhì),并降低了污水處理加藥費(fèi)用。