污水處理過程是一個復(fù)雜的生化反應(yīng)過程，包括信息流、物質(zhì)流和能源流，伴隨有物理化學(xué)反應(yīng)、生化反應(yīng)、相變過程及物質(zhì)和能量的轉(zhuǎn)化和傳遞過程。其中生化反應(yīng)是污水生化處理的核心部分，溶解氧是生化反應(yīng)過程中一個非常重要的指示參數(shù)，它能比較直觀、迅速地反映整個系統(tǒng)的運行狀況。對溶解氧的控制可以直接影響到出水水質(zhì)和系統(tǒng)能耗。溶解氧濃度過低，出水指標(biāo)不合格；溶解氧濃度過高，則會造成能源的浪費。所以溶解氧控制直接關(guān)系到用戶最關(guān)心的出水指標(biāo)和經(jīng)濟效益兩個指標(biāo)。而氧氣的溶解過程受入水水質(zhì)、溫度和pH值變化等方面的影響，具有高度非線性、強耦合性、時變、大滯后和不確定性等特點。這樣一個復(fù)雜的過程，往往無法獲得準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型，用常規(guī)的PID控制也不能取得理想的控制效果。
本設(shè)計在選擇四段PID控制的基礎(chǔ)上，利用西門子S7-200作為控制器，設(shè)計相關(guān)的電路和程序，通過變頻器調(diào)節(jié)鼓風(fēng)機轉(zhuǎn)速來給曝氣池供氧，取得了較好的控制效果。
1、溶解氧控制系統(tǒng)組成
污水處理中溶解氧控制系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。圖1中，SP為假設(shè)輸氧量，通過控制器和變頻器來控制電機旋轉(zhuǎn)，從而控制風(fēng)機的轉(zhuǎn)速使輸入到曝氣池中的氧產(chǎn)生變化。本系統(tǒng)通過溶解氧(DO)檢測儀檢測曝氣池中實際的DO值，并將實際的DO值和設(shè)定值SP的差值反饋到PID控制器。通過比對實際值和理想值并運用PID算法最終使實際值趨近于所要求的理想值。這樣不僅保證生化池內(nèi)空氣需求量，同時也盡可能地節(jié)省了能耗。
圖1 污水處理中溶解氧控制系統(tǒng)組成框圖
2、系統(tǒng)控制過程分析
根據(jù)系統(tǒng)框圖和實際需求，設(shè)計了一個操作控制面板，如圖2所示。
對整個系統(tǒng)控制過程分析如下：按動進水泵開啟按鈕，往曝氣池內(nèi)注入未處理的原水，待到曝氣池高液位傳感器(設(shè)為SL1)檢測到有液位時，DO檢測儀、變頻器、鼓風(fēng)機、風(fēng)速測量儀全部啟動，同時進水泵關(guān)閉；設(shè)在出水閥附近的DO檢測儀將檢測到的數(shù)據(jù)傳送到PID控制器，在PID控制器中將實際檢測到的數(shù)據(jù)與設(shè)定的SP值進行對比后進行PID運算，并將結(jié)果信號傳遞給變頻器，由變頻器控制鼓風(fēng)機的轉(zhuǎn)速從而調(diào)節(jié)對曝氣池的輸氣量，如此下去直到曝氣池中污水的DO值達(dá)標(biāo)；此時出水閥打開，污水排出曝氣池。
圖2 系統(tǒng)操作控制面板
由于DO檢測儀的檢測部分必須置于水中，當(dāng)污水排放使曝氣池中液位達(dá)到最高處DO檢測儀的液位時，液位傳感器SL2會給進水泵一個開啟信號，進水泵便開始進水(進水速度大于出水速度)，當(dāng)設(shè)在出水閥口處的檢測儀檢測到的DO值不符合標(biāo)準(zhǔn)時，出水閥會自動關(guān)閉。
同時系統(tǒng)還添加了以下報警裝置：
①進水泵低水位報警裝置。當(dāng)進水泵所在的蓄水池內(nèi)液位低時，液位傳感器(設(shè)為SL3)會給進水泵一個信號，進水泵自動關(guān)閉，同時也會拉響警鈴(HA)。
②曝氣過程監(jiān)測裝置。當(dāng)系統(tǒng)正常工作時，曝氣池輸氣指示燈HL1會置于綠色位置，否則就需對鼓風(fēng)機和DO檢測儀進行檢查，以排除故障。
③曝氣池出水指示燈(HL2)裝置。正常出水時指示燈的顏色為綠色，否則就需對出水閥進行檢查，或啟動手動控制來對出水閥進行控制。
④變頻器故障指示燈(設(shè)為HL3)裝置。當(dāng)變頻器正常工作時，HL3指示燈會置于綠色位置，否則就提示變頻出現(xiàn)故障。
3、系統(tǒng)電路圖
①電路模塊圖
系統(tǒng)主要包括了進水泵、鼓風(fēng)機、變頻器、DO檢測儀、風(fēng)速測量儀幾個模塊，系統(tǒng)電路模塊框圖如圖3所示。
圖3 系統(tǒng)電路模塊框圖
②電路硬件接線圖
由于進水泵和鼓風(fēng)機都由三相交流電機控制，它們的額定電壓為380V，其接線圖如圖4所示。圖4中，M1為進水泵電機，M2為主鼓風(fēng)機電機，M3為備用鼓風(fēng)機電機。變頻器與鼓風(fēng)機的接線圖如圖5所示。
圖4 主電路接線圖
圖5 變頻器和鼓風(fēng)機的接線
4、基于PLC的控制系統(tǒng)設(shè)計
①PLC的I/O分配
通過對系統(tǒng)控制過程的詳細(xì)分析以及對主電路接線圖、變頻器和鼓風(fēng)機接線圖的分析，確定了系統(tǒng)PLC的I/O地址分配，如表1所示。
表1系統(tǒng)PLC的I/O地址分配
地址 符號 內(nèi)容
數(shù)字量輸入
I0.0 SB0 總上電按鈕
I0.1 SB1 手/自動轉(zhuǎn)換按鈕
I0.2 SL1 曝氣池高液位傳感器(變頻器啟動)
I0.3 SL2 DO檢測儀高液位傳感器
I0.4 SL3 蓄水池低液位傳感器
I0.5 SB2 進水泵停止按鈕
I0.6 SB3 進水泵啟動按鈕
I0.7 SB4 主鼓風(fēng)機與備用鼓風(fēng)機切換按鈕
I1.0 SB5 主鼓風(fēng)機啟動按鈕
I1.1 SB6 主鼓風(fēng)機停止按鈕
I1.2 SB7 備用鼓風(fēng)機啟動按鈕
I1.3 SB8 備用鼓風(fēng)機停止按鈕
I1.4 SB9 曝氣池出水閥手動開啟按鈕
I1.5 SB10 曝氣池出水閥手動關(guān)閉按鈕
I1.6 SB11 變頻器停止工作按鈕(和故障信號)
I1.7 SB12 變頻器復(fù)位按鈕
I2.0 SB13 警鈴復(fù)位按鈕
數(shù)字量輸出
Q0.0 KM0 進水泵輸出
Q0.1 KM1 鼓風(fēng)機輸出
Q0.2 YV5 曝氣池出水閥
Q0.3 KM2 備用風(fēng)機輸出
Q1.0 HL1 曝氣池輸氣指示燈(正常為綠)
Q1.1 HL2 曝氣池出水指示燈(正常為綠)
Q1.2 HA 進水泵缺水報警鈴
Q1.3 HL3 變頻器故障報警指示燈(正常為綠色)
模擬量輸入
AOW0 S3 控制變頻器的電流信號
②PLC外圍接線設(shè)計圖6為PLC外圍接線圖(開關(guān)量接線圖)，圖7為PLC外圍接線圖(模擬量接線圖)。
圖6 PLC外圍接線圖(開關(guān)量接線圖)
圖7 PLC外圍接線圖(模擬量接線圖)。
③主程序PLC控制流程圖
圖8為PLC自動控制部分程序流程，圖9為PLC手動控制部分程序流程。
圖8 PLC自動控制部分程序流程
圖9 PLC手動控制部分程序流程
本文中設(shè)計的污水處理溶解氧控制系統(tǒng)以PLC作為核心，借助于PLC強大而靈活的控制功能和變頻器優(yōu)良的變頻調(diào)速性能，實現(xiàn)了對污水溶解氧的穩(wěn)定控制，而且增加了系統(tǒng)的靈活性，同時系統(tǒng)可靠性和抗干擾能力也大大提高。
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