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PLC在污水模擬生成控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

時(shí)間:2008-10-30 10:56:00來源:ronggang

導(dǎo)語:?本文介紹了采用Siemens S7-300 PLC實(shí)現(xiàn)污水模擬生成裝置的控制
摘 要:本文介紹了采用Siemens S7-300 PLC實(shí)現(xiàn)污水模擬生成裝置的控制。包括控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、任務(wù)分配及實(shí)現(xiàn)、控制方式及程序設(shè)計(jì)等。裝置運(yùn)行表明,該系統(tǒng)大大提高了運(yùn)行的穩(wěn)定性、經(jīng)濟(jì)性,收到了滿意的控制效果。 關(guān)鍵詞:污水處理、PLC、PID控制、PH值   隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,作為生命之源的水資源也受到了日益嚴(yán)重的污染。在歐洲和北美約20-30%的人口利用小型污水處理系統(tǒng),而我國(guó)有80%的人口分布在農(nóng)村,城市郊區(qū)也有很多城市管網(wǎng)難以延伸到的地方,在人口密度較低的城鎮(zhèn)地區(qū),下水道使用效率較低的地方,發(fā)展小型污水處理裝置更具現(xiàn)實(shí)意義。本文設(shè)計(jì)了污水處理實(shí)驗(yàn)裝置的前置部分——污水模擬生成裝置,此裝置可以通過不同的配料量和配料組合方式,模擬生成現(xiàn)實(shí)生活中各種不同成分的污水,從而可以根據(jù)小城鎮(zhèn)特點(diǎn)在后續(xù)的污水處理實(shí)驗(yàn)裝置中研究和采用相適應(yīng)的處理裝置和處理工藝,避免延用或照搬大、中型規(guī)模的城市污水處理工藝及設(shè)計(jì)參數(shù),進(jìn)而避免造成工程投資和運(yùn)行費(fèi)用過高[1]。   針對(duì)上述情況,開發(fā)出污水模擬生成裝置的控制系統(tǒng)。此系統(tǒng)具有控制精度高、配置簡(jiǎn)單、操作方便等特點(diǎn)。 1 污水模擬生成工藝   污水模擬生成裝置由污水發(fā)生器、儲(chǔ)液箱和應(yīng)急箱三部分組成,如圖1所示。 [align=center] 圖1 污水模擬生成裝置原理圖[/align]   污水發(fā)生器將清水及其他物質(zhì)(包括酸、堿、油脂、碳如蔗糖、鳥糞等)通過兩個(gè)攪拌電機(jī)進(jìn)行預(yù)混和混合。儲(chǔ)液箱用作模擬生活污水的暫存單元,以保證上游來水中斷時(shí),后續(xù)工序仍能實(shí)現(xiàn)連續(xù)工作。應(yīng)急箱中為檢測(cè)到的不合格污水,在實(shí)驗(yàn)需要時(shí)可作為干擾信號(hào)由變量泵定量返回到污水發(fā)生器中。   控制系統(tǒng)通過智能儀表對(duì)污水的液位、PH值、電導(dǎo)率值、流量值等模擬量及各種開關(guān)位置的數(shù)字量進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè),并將檢測(cè)結(jié)果上傳給下位機(jī)PLC,經(jīng)數(shù)據(jù)計(jì)算處理后,送至各執(zhí)行機(jī)構(gòu)實(shí)行相應(yīng)操作。 2 系統(tǒng)的硬件組成   根據(jù)污水模擬生成裝置的操作和控制要求,控制系統(tǒng)由西門子S7-300系列CPU314PLC、SM321數(shù)字量輸入模塊、SM322數(shù)字量輸出模塊、SM331模擬量輸入模塊以及SM322模擬量輸出模塊等組成[2]。其硬件配置如圖2所示。 [align=center] 圖2污水模擬生成裝置控制系統(tǒng)PLC及功能模塊組成[/align] 3 模擬量的控制   系統(tǒng)的模擬量主要包括PH值、電導(dǎo)率值、流量、溫度、液位等。本文將傳統(tǒng)的PID控制與PLC的邏輯判斷指令相結(jié)合,使PID的控制更加靈活。   以PH值的控制為例,在進(jìn)行PID調(diào)節(jié)時(shí),比例調(diào)節(jié)反映系統(tǒng)偏差的大小,只要有偏差存在,比例調(diào)節(jié)就會(huì)產(chǎn)生作用,以減少偏差。微分調(diào)節(jié)根據(jù)偏差的變化趨勢(shì)來控制,以改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度。積分調(diào)節(jié)根據(jù)偏差積分的變化來控制,對(duì)系統(tǒng)的控制有滯后的作用,以消除靜態(tài)誤差。增大積分時(shí)間常數(shù)可提高靜態(tài)精度,但積分作用太強(qiáng),特別是在系統(tǒng)偏差較大時(shí)會(huì)使系統(tǒng)超調(diào)量較大,甚至引起振蕩。因此本系統(tǒng)采用如下控制策略,組成智能控制系統(tǒng)。圖3為 PH值偏差不同的控制策略 [align=center] 圖3 PH值偏差不同的控制策略[/align]   1)實(shí)際PH值低于PH1時(shí),為加快響應(yīng)速度,加堿流量閥全開,加酸流量閥關(guān)閉。   2)實(shí)際PH值位于[PH1~PH2]范圍內(nèi)時(shí),為避免積分飽和,分離積分項(xiàng),采用PD控制加堿流量,加酸流量閥關(guān)閉。   3)實(shí)際PH值位于[PH2~PH3]范圍內(nèi)時(shí),采用自適應(yīng)PID控制加堿流量,加酸流量閥關(guān)閉。圖4為PH值的自適應(yīng)控制 [align=center] 圖4 PH值的自適應(yīng)控制[/align]   當(dāng)實(shí)測(cè)PH > PH0+§且在采樣周期中,PH值持續(xù)上升,則加堿流量閥關(guān)閉(a→b,g→h);PH < PH0-§且在采樣周期中,PH值持續(xù)下降,則加堿流量閥接通(d→e);其他情況實(shí)行PID控制。(死區(qū)閥值§本系統(tǒng)設(shè)為0.2)。   這種控制方法不僅考慮了實(shí)測(cè)PH值和設(shè)定PH值的偏差,而且考慮了實(shí)測(cè)PH值的變化趨勢(shì),可減少超調(diào)波動(dòng),具有自適應(yīng)效果。   4)實(shí)際PH值位于[PH3~PH4]范圍內(nèi)時(shí),采用PD控制加酸流量,加堿流量閥關(guān)閉。   5)實(shí)際PH值高于PH4時(shí),為加快響應(yīng)速度,加酸流量閥全開,加堿流量閥關(guān)閉。 4 PLC軟件實(shí)現(xiàn)   S7-300的用戶程序由組織塊(OB)、功能塊(FC、FB)、數(shù)據(jù)塊(DB)構(gòu)成。其中OB1塊是操作系統(tǒng)與用戶應(yīng)用程序在各種條件下的接口界面,用于控制程序的執(zhí)行[3]。OB100為系統(tǒng)初始化程序塊,系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)首先要調(diào)用(只調(diào)用一次)該程序塊,將某些內(nèi)存地址單元清零。功能塊FC1~FC8分別用作起停、液位調(diào)節(jié)、PH值和導(dǎo)電率調(diào)節(jié)等子程序塊。數(shù)據(jù)塊用于存放從PLC的模擬量輸入模塊接收來的數(shù)據(jù)以及對(duì)這些數(shù)據(jù)的處理[4]。PLC流程圖見圖5。   其中各子程序的功能如下:   取數(shù)據(jù)子程序:將來自于PLC模擬量輸入模塊的數(shù)據(jù)經(jīng)過處理變成工程量并存放于數(shù)據(jù)塊中。   液位調(diào)節(jié)子程序:將污水發(fā)生器內(nèi)的液位給定值與超聲波液位傳感器的檢測(cè)值進(jìn)行PID調(diào)節(jié)運(yùn)算,運(yùn)算結(jié)果作為流量大小的調(diào)節(jié)信號(hào),使液位維持在合理范圍內(nèi);將清水、應(yīng)急箱廢水流量給定值與檢測(cè)值的偏差進(jìn)行PID調(diào)節(jié)運(yùn)算,運(yùn)算結(jié)果作為電磁閥開口度的調(diào)節(jié)信號(hào),使水流量維持在一定范圍內(nèi),從而使液位滿足要求,此控制屬于級(jí)聯(lián)控制。   PH值和導(dǎo)電率值調(diào)節(jié)子程序:將PH給定值、導(dǎo)電率給定值與檢測(cè)值的偏差進(jìn)行PID調(diào)節(jié)運(yùn)算,運(yùn)算結(jié)果作為加料口電磁閥開口度以及輸送機(jī)電機(jī)電壓調(diào)節(jié)信號(hào),使PH值和導(dǎo)電率在合格范圍內(nèi)。   本系統(tǒng)使用FB10塊作為PID調(diào)節(jié)子程序塊,運(yùn)算過程中為了保證精度,所有參數(shù)均以4字節(jié)浮點(diǎn)數(shù)表示。 [align=center] 圖5 PLC程序流程圖[/align] 5 人機(jī)界面設(shè)計(jì)   上位機(jī)采用WindowsXP操作系統(tǒng),用西門子的WinCC組態(tài)軟件開發(fā)設(shè)計(jì)人機(jī)界面和監(jiān)控程序。操作人員可通過本地人機(jī)界面的薄膜鍵盤和硬件開關(guān),向下位機(jī)發(fā)出各種控制命令。同時(shí)程序完成由主從控制單元實(shí)時(shí)采集,處理模擬量、開關(guān)量、報(bào)警數(shù)據(jù)和操作數(shù)據(jù),定時(shí)歸檔歷史數(shù)據(jù),實(shí)時(shí)記錄、故障及開關(guān)變化信息,對(duì)操作人員所作的操作進(jìn)行記載和輸出打印。操作人員可在流程界面上對(duì)污水生成箱的液位進(jìn)行監(jiān)視,根據(jù)實(shí)驗(yàn)條件的不同以不同級(jí)別用戶權(quán)限登陸到參數(shù)設(shè)定界面進(jìn)行污水PH值的修改或設(shè)定[5]。 6 本文作者的創(chuàng)新點(diǎn)   可編程控制器(PLC)和計(jì)算機(jī)(PC)的聯(lián)合應(yīng)用簡(jiǎn)化了現(xiàn)場(chǎng)操作,提高了控制精度和人機(jī)界面的靈活性,同時(shí)也提高了控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性,具有廣闊的應(yīng)用前景。本文將傳統(tǒng)的PID控制與PLC的邏輯判斷指令相結(jié)合,使PID的控制更加靈活。該系統(tǒng)投運(yùn)以來,運(yùn)行效果較好,大大提高了小型污水處理試驗(yàn)裝置的自動(dòng)化水平。 參考文獻(xiàn):   [1]水工業(yè)工程設(shè)計(jì)手冊(cè):廢水處理及再用[M]北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2002.   [2]SIEMENS.S7-300可編程控制器系統(tǒng)手冊(cè)[M]北京:西門子(中國(guó))有限公司,2004.   [3]SIEMENS.S7-300自動(dòng)化系統(tǒng)CPU31xC技術(shù)功能使用手冊(cè)[M]北京:西門子(中國(guó))有限公司,2001.   [4]肖佐無,陳小祝,肖愛武?;赑LC的污水凈化處理控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].微計(jì)算機(jī)信息,2006,10-1:31-32。   [5]蘇昆哲.深入淺出西門子WinCC V6[M]北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2004.

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