PLC自動控制系統在惡臭治理技術中的應用

易 于

(深圳科瑞技術股份有限公司， 廣東 深圳 518000)

PLC自動控制系統在惡臭治理技術中的應用

易 于

(深圳科瑞技術股份有限公司， 廣東 深圳 518000)

文章以一種高效的惡臭廢氣治理項目為背景，開發設計了以西門子S7-300自動化控制系統為主導的惡臭廢氣治理控制系統，通過對除臭工藝的分析，實現對惡臭氣體治理一體化設備的全自動控制與在線監測，促進社會生態和諧發展。

惡臭治理； PLC自動控制系統； PID算法；在線監測

隨著人類生活水平的提高和公眾環境意識的增強，惡臭氣體的除臭問題正引起越來越多的關注。以西門子S7-300自動化控制系統為主導開發設計的惡臭廢氣治理一體化設備，采用了預處理、生物噴淋和低溫等離子體催化氧化相結合的工藝流程，具有凈化效率高、占地面積小、運行穩定性高，對難降解惡臭廢氣有很好的分解氧化能力等優點，有效解決了以往設備處理工藝單一，處理效率低下等劣勢，尤其適用于制藥廠、化工廠、塑料再生廠、垃圾轉運站、污水處理廠、糞便處理、食品加工廠等行業生產工序中所產生惡臭氣體的處理。

1 惡臭治理的工藝流程

如圖1所示，惡臭氣體經引風機由預處理系統底部進氣口進入，與預處理系統上部霧化噴淋的化學藥劑逆向接觸而得到預處理；再經過生物凈化系

統，被高效特種馴化菌的吸收降解；最后廢氣中未去除成分在低溫等離子體催化氧化凈化系統中被高能氧化因子氧化去除，經引風機達標排放。

圖1 惡臭氣體生物治理一體化系統工藝流程圖

1、加藥裝置；2、循環噴淋泵；3、填料；4、噴淋系統；5、曝氣攪拌裝置；6、進氣口；7、一體化離子除臭裝置；8、風機；9、消音器；10、排放管；11、在線監測儀

2 系統組成及主要控制策略

2.1 硬件部分

控制系統硬件采用S7-300系列，采用模塊式結構。其主要組成部分包括：CPU 315-2DP、接口模塊/遠程接口模塊、數字量輸入模塊，數字量輸出模塊、模擬量輸入模塊、模擬量輸出模塊、以太網模塊。如圖2所示。

圖2 硬件結構圖

系統中接口模塊與遠程接口模塊根據現場情況及業主的具體要求進行選擇。

在此控制系統采用CP343-1以太網模塊，將數據通過以太網交換機傳送給總控制服務器，基于標準協議的通訊網絡可非常方便地將第三方設備接入，允許大量過程反饋信息傳輸，支持設備參數訪問

功能，可提高系統的性能與診斷能力。支持與各種上位監控軟件的通訊，也支持與主流觸摸屏的通訊[1]。

主要儀表有壓差傳感器、液位控制器、pH傳感器、溶解氧測定儀、硫化氫檢測變送器和在線監測儀。

2.2 軟件部分

上位機采用組態軟件WINCC 7.0 RT512，使用STEP-7編程軟件進行程序的編寫，采用客戶/服務器體系結構，能夠提供數據在網絡上的全面集成和共享，為企業管理系統提供數據，提高監控系統的性能[2]。

軟件設計是整個PLC電氣控制部分設計的核心，根據控制要求，確定控制的操作方式、應完成的動作，以及必須的保護和連鎖，還要確定所有的控制參數。根據生產設備現場需要，按照輸入、輸出分類，每一類型設備按順序分配輸入/輸出地址，列出PLC的I/O地址分配表，每一個輸入信號占用一個輸入地址，每一個輸出地址驅動一個外部負載[3]。

上位機顯示系統各個子系統中的工藝流程、各子系統運行狀況、重要參數顯示及報警畫面等。操作人員可直接在屏幕上處理系統的工作情況，并可通過鍵盤鼠標對自控系統進行干預。上位機主畫面如圖3所示。

圖3 上位機主畫面

2.3 在線監測部分

根據集中操作管理、分散控制的設計思想，將自控系統按分布式結構分為3層:中央控制層(操作站/上位機) 、現場控制層(PLC /下位機) 和現場設備層。現場控制層負責現場儀表的數據采集和現場設備的監控。主要包括研華工控機及數據采集卡等，采用RS485 通信方式。PLC 通過以太網與上位機連接，通過Profibus總線與各執行設備互連。按照技術驗證評估指標體系和方法的要求，針對工藝現場的各流程段分別設置取樣點。

PLC按照驗證評估方法控制工藝現場不同工藝段設備的啟/停，采集的數據傳輸到工控機，由工控機傳輸至數據存儲器的數據庫中，完成數據信息的采集工作。數據分析處理裝置的后臺服務器是SQLServer 數據庫，接收到數據信息后，根據管理監控單元的指令對其進行分析和計算; 管理者可以在計算機上查閱并分析相關數據。按照指標體系的要求，數據分析處理裝置對采集到的參數加以處理，得出處理技術工藝的各項分析評價指標，如不同流量下的處理結果對比，不同取樣點的參數變化趨勢，同一取樣點的不同參數顯示，以及某一工藝段不同參數相對前一個工藝段的處理率等，從而客觀地驗證評估生產的過程及結果。

簡單歸納，在線監控系統主要由以下幾部分構成:

(1)底層控制設備，由PLC、儀器儀表等組成，通過現場控制網絡實現對過程的數據采集和控制，獲取現場設備的運行狀況。

(2)現場監控計算機，也就是我們上面提到的組態控制界面，界面如圖3所示，通過與底層控制設備的實時數據通信，將現場設備運行情況和參數進行讀取，同時寫入系統數據庫服務器。

(3)系統數據服務器，存儲管理維護現場實時數據、歷時數據、遠程控制命令、用戶操作權限、日志等數據信息以備Web服務器和現場監控計算機訪問。

(4)Web服務器，在這臺服務器上放置若干能對現場生產過程或者設備進行遠程操作的Web頁面，遠程用戶先登錄此網站后，才可以進行遠程操作。

2.4 主要控制條件

系統中的微生物在正常生命活動時，需要維持其適宜的生存環境，主要包括：pH、溫度、濕度等條件；此外系統需要克服管程及自身填料的壓降，控制合理的進氣、進水溫度，循環水量、壓力等。

預處理系統、生物凈化系統、除臭裝置操作參數分別見表1、2、3。

表1 預處理系統操作參數

表2 生物凈化系統操作參數

表3 除臭裝置操作參數

2.5 主要控制策略

整個惡臭廢氣治理系統的控制包括：廢氣預處理系統的控制，特種菌高效生物凈化系統的控制，低溫等離子體催化凈化系統的控制。

在程序編寫中，采用結構化編程的方法，將三個子系統進行單獨編寫，預留聯鎖接口，同時對泵的控制編為功能塊，便于調用。此類結構化程序使程序便于修改、查錯和調試。對于系統中的溫度、流量、壓力等模擬量閉環控制使用西門子數字連續PID控制器SFB 41“CONT_C”。在調試過程中，對“CONT_C”的結構進行了較詳細的研究，并不斷對PID控制器參數整定，最終地實現對整個工藝無偏差控制，達到技術要求[4]。控制系統工作程序如下：

(1)廢氣預處理系統中根據壓差傳感器的數值來調整變頻器的頻率，從而實現風機的變頻；循環水泵根據水箱的液位控制器/開關液位的高低來實現關閉、開啟；儲藥桶的加藥電磁閥門根據pH計的讀數大小來實現關閉、開啟；加藥泵根據儲藥桶的液位控制器/開關液位的高低來實現關閉、開啟；配藥桶的補水電磁閥門根據配藥桶的液位高低來實現關閉、開啟。如圖4所示。

圖4 預處理系統結構框圖

(2)特種菌高效生物凈化系統中填料層上生長的微生物承擔了物質的轉換任務，因為微生物生長需要足夠的有機養分，所以必須通過控制噴淋系統，保證營養液的供給，使微生物能夠正常生長。通過PLC控制特種菌高效生物凈化系統中的加藥系統，及時補給，以保證生物系統中營養物質的碳、氮、磷的比例，使生物系統中的微生物有足夠的營養成分進行生長代謝，達到高效降解惡臭氣體的目的。同時，控制氣體在填料層的停留時間，根據惡臭氣體的濃度和種類，控制玻璃鋼風機，使其停留時間為12～60 s。

在程序設計中根據要求所述的供氧量，采用空氣曝氣，氣水比為10：1。在曝氣攪拌裝置的不同階段，比較溶解氧濃度的實測值與設定值，實現曝氣轉刷的優化控制，自動調整轉刷的高低速和曝氣時間，使設備的運行在滿足工藝要求、保證除臭效率的前提下，最大限度地降低能耗、從而降低生產成本。

(3)低溫等離子體催化凈化系統中，PLC啟動一體化離子除臭裝置和玻璃鋼風機，根據在線監測儀傳送的數據，控制惡臭廢氣在低溫等離子體凈化裝置中的流速，調整脈沖電壓，使其充分氧化惡臭廢氣中難以分解的物質，排出干凈氣體。

生物凈化系統及等離子凈化系統結構框圖如圖5所示，在整個流程中，廢氣的流速對整個系統的凈化效率有著非常大的影響，通過建立數學模型，編寫控制變頻器的程序，通過變頻器控制玻璃鋼風機的轉速[5]。

圖5 生物凈化系統及等離子凈化系統結構框圖

在整套控制系統中，雖然采用的上位機和西門子S7-300本身都具有很高的可靠性，但現場情況具有非常大的不確定性，如果輸入給的開關量信號出現錯誤或者模擬量信號出現較大偏差，輸出口控制的執行機構沒有按要求動作，這些都可能使控制過程出錯，造成嚴重的經濟損失。我們需要從故障報警系統，輸入信號可靠性，執行機構可靠性去完善整個控制系統，達到可靠、安全的目的。

要提高現場輸入給PLC信號的可靠性，首先要選擇可靠性較高的變送器和各種開關,防止各種原因引起傳送信號線短路、斷路或接觸不良。當開啟或關閉電動閥門時，根據閥門開啟、關閉時間不同，設置延時時間，經過延時檢測開到位或關到位信號，如果這些信號不能按時準確返回給PLC，說明閥可能有故障，做閥故障報警處理[6]。

其次在程序設計時增加數字濾波程序，增加輸入信號的可信性。

在現場輸入觸點后加一定時器，定時時間根據觸點抖動情況和系統要的響應速度確定，一般在幾十毫秒，這樣可保證觸點確實穩定閉合后，才有其他響應。模擬信號濾波可對現場模擬信號連續采樣3次，采樣間隔由A/D轉換速度和該模擬信號變化速率決定。3次采樣數據分別存放在指定的數據寄存器中，當最后1次采樣結束后利用數據比較、數據交換指令、數據段比較指令去掉最大和最小值，保留中間值作為本次采樣結果存放在另外指定的數據寄存器中[7]。

通過以上這些措施的實施，使得PLC控制系統具有實時控制無偏差，誤信號及時過濾，系統運行安全可靠。

3 結束語

惡臭廢氣治理一體化系統，PLC自動化控制系統，可以克服以前人工控制精度低、運行操作繁瑣、誤操作可能性大等缺點，減輕了勞動強度，提高了整體效益，節省人力物力，便于集中管理，可以實現除臭系統自動控制可靠穩定的最終目標，收到了很好的社會效益和經濟效益。

[1] 郭潤夏,白蘭萍.PLC在自動材料分揀系統中的應用[J].微計算機信息,2006(13):62-64.

[2] 李永剛,馬春燕.基于S7-300 PLC和WinCC帶式輸送機系統設計[J].煤礦機械,2012(2):218-220.

[3] 關明,周希倫,馬立靜,等.基于PLC的機械手控制系統設計[J].制造業自動化,2012(14):120-121.

[4] 焦玉成,陳瑞.基于PLC與變頻器的編織生產線自動控制系統[J].制造業自動化,2012(2):130-132.

[5] 彭婧崯.基于PLC的智能供水系統[J].可編程控制器與工廠自動化,2012(1):44-47.

[6] 余小夏.基于PLC的自動在線清洗控制系統設計[D].上海:上海大學,2005.

[7] 劉國棟,鄧娟妮.PLC自動控制系統的可靠性分析[J].科技資訊,2011(24):57.

ApplicationofPLCautomaticcontrolsystemtotechnologyofodorremoval

Yi Yu

(Shenzhen Colibri Technologies Co., Ltd.，Shenzhen 518000，China)

This paper presents an automatic control system used in an odor removal system applying Siemens S7-300. The control system was developed based on a detailed analysis on the odor removal process, and thus can realize efficiently automatic control of and on-line monitoring to the equipments of the whole system, so as to make its contribution to the social-ecological development.

odor removal；PLC automatic control system；PID algorithm；on-line monitoring

TP29，X701

A

2017-09-10; 2017-11-26修回

易于(1985-)，男，本科，從事電氣自動化工作。E-mail:yiyu64@163.com