基于PLC和組態軟件的水廠加藥自動控制系統

劉明

（青島巨川環保科技有限公司，山東 青島 266000）

基于PLC和組態軟件的水廠加藥自動控制系統

劉明

（青島巨川環保科技有限公司，山東 青島 266000）

由于目前污水處理中進水氮、磷普遍超標，使得經處理的污水排放難以達標，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作為現場監控畫面，上位機采用亞控組態王6.55實時監測，結合流量傳感器、模擬量輸入模塊、模擬量輸出模塊、西門子V20變頻器等設計乙酸鈉自動投加控制系統。

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的一個重要指標，而我國很多城市的污水普遍存在低碳，相對高氮、磷的水質特點，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物質，且分解后無任何難以降解的中間產物，并且價格低廉，運輸方便，是目前最佳的外部碳源。

1 系統設計要點

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

系統通過檢測外部進水流量及出水含氮量，利用流量比例控制和PID算法控制相結合的閉環控制方法，自動控制乙酸鈉加藥量，使出水含氮指標維持在正常范圍之內。在閉環控制中，控制主體可以根據反饋信息發現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，能進行有效的控制輸出，保證設定目標的實現。

在乙酸鈉的自動投加閉環控制系統中，具體控制如下：首先根據水廠水質特點建立出水含氮指標和投加乙酸鈉計量的數學控制模型，即：根據不同的季節變化由于水中含氮量的不同計算出對應投加的乙酸鈉的量，然后將該數學控制模型固化到PLC控制系統。當PLC接受到在線氨、氮檢測儀發出的出水含氮數據后將和系統內部的數學控制模型進行比對，輸出對應的控制信號，經過數模轉換后控制變頻加藥泵調節乙酸鈉的投加量。同時系統會根據進水流量信號的變化實時自動調節加藥泵的頻率從而調節乙酸鈉的投加量，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換為標準的4-20MA信號，然后送給模擬量輸入模塊，經模數轉換和PLC內部程序計算后與給定的出水含氮數據進行比較，并采用PID控制算法對誤差進行運算，然后將PLC運算的數字量通過數模轉換后，經模擬量輸出通道再次調節乙酸鈉的頻率控制乙酸鈉加藥量，實現出水含氮量的PID閉環控制，即PID控制法。最后通過流量比例和PID相結合的控制方法根據出氮設定指標和實際出氮含量快速相應變化，實時動態調節，實現了乙酸鈉加藥量的自動調節功能，保證出水含氮量在正常指標范圍之內。

控制系統結構框圖如圖1所示。

圖1 乙酸鈉自動投加控制系統框圖

2 系統硬件設計

系統硬件主要由上位工業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通過以太網鏈接，構建網絡監控系統，實時檢測出水含氮量及加藥系統的運行。

2.1 上位機監控組成

工控機選用研華610L系列，主流配置，完全滿足對生產過程中使用的機器設備、生產流程、數據參數等進行監測與控制的條件。

2.2 下位機主要系統組成

圖2 乙酸鈉自動投加控制現場監控畫面

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個數字量輸入點和10個數字量輸出點，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。高可靠性設計，創新的冷卻設計，經久耐用。

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

3 系統軟件設計

3.1 上位機監控系統

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

3.2 下位機監控系統

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調節控制相結合的方法來實現。由于實際應用中加藥系統具有滯后的性質，即藥品投加后，出水氨、氮的數值不能進行快速的響應，因此單純的PID控制會導致控制作用不及時。利用流量比例控制法，PLC系統在接受到出水氨、氮數據后，根據器內部的數學控制模型和進水流量數據進行快速的響應，輸出對應的控制信號，自動調節乙酸鈉變頻加藥泵。通過流量比例控制的快速響應和加藥PID的閉環控制最終實現了乙酸銨投加量的自動控制。現場監控畫面如圖2所示。

4 結語

由工業控制計算機作為上位機監控系統，PLC作為控制核心，現場儀表、流量計作為現場數據采集終端，綜合組成了乙酸鈉加藥的自動控制系統。該系統運行可靠、維護方便、畫面設計形象生動、易于工作人員的操作。系統已在水廠投入運行，性能穩定可靠，運行效果良好。

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[3]孫永利，許光明等. 城鎮污水處理廠外加商業碳源的選擇[J].中國給水排水， 2010 .

TU99

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1671-0711（2017）01（下）-0102-02