基于PLC 污水处理厂的pH 值自动控制系统设计与研究

罗含伟

（西安石油大学，陕西 西安 710065）

1 污水处理厂结构和运行指标

我国《生活饮用水卫生规范》规定，饮用水的pH 值必须在6.6～8.5。超出正常值会影响生物反应，抑制硝化过程，严重时将导致污泥中毒，使水质受到不同程度的影响。目前污水厂采取的措施是当pH 值特别高或特别低时，立即关停进水泵。如果偏离，但仍在可接受的范围内，应频繁地测定氧化池中的pH 值及各种生化反应参数，适时投加相应化学药剂从而调节池中工艺参数正常，并及时查出导致pH 值变化的原因并解决该问题[1]。

2 系统硬件部分设计

2.1 PLC 的选型

PLC 及其相关设备应与工业控制系统形成一个整体，要具备通用性强、使用方便、可靠性高及抗干扰能力强等优点。鉴于此，本文选用西门子公司生产的S7-300 PLC 模块。控制系统硬件采用双机冗余工控机的 IPC+PLC 架构和PROFINET 总线技术，采用分布式I/O 控制系统，将控制现场的ET200M、S7-300 PLC、控制室内工控机与触摸屏组态成一个系统。PLC 用来接收来自污水中和池的pH 监测数据，对其进行数据分析并反馈处理结果，实现酸碱电磁阀控制；控制室内上位机实现对污水池现场环境数据的监控、报警指示、状态显示、参数设定和实时、历史报表的数据储存和打印功能。工控机IPC 和现场触摸屏作为主站，接收来自PLC 和ET200M 的信号，ET200M 中的SM 信号模块采集现场PH 计变送器的参数，对现场PH 参数进行控制。

S7-300 PLC 污水处理pH 控制系统结构如图1 所示。

图1 控制系统结构

3 pH 控制原理

3.1 对象分析

每一个酸碱中和系统最突出的性质是它们的pH 值曲线，如图2 所示。

图2 NaOH 滴定HCL 曲线

由图2 可知：pH 值控制对象具有严重的非线性。pH 值在7 附近时，中和对象的静态增益相当大，而远离pH=7 的中和对象的静态增益很小。

3.2 控制策略

由于PID 控制算法简单、准确度高，很适合对pH 的闭环控制。控制系统的PID 控制数学表达式可以用下式表示：

其中：u(t)为控制器输出；e(t)为控制器输入；Kp、Ti、Td为分别为比例系数、积分时间和微分时间。

在污水处理的过程中，首先根据污水池内的实际pH 值C (θ) 与设定pH 值Sp (θ) 进行比较，用PID 程序控制酸碱电磁阀的开度。系统根据反馈结果进行判断，当E (θ) =C (θ) -Sp (θ) ＞4 时，PLC 发出指令关闭A、B、D 号酸液电磁阀阀，打开C 号碱液电磁阀。E (θ) =C (θ) -Sp (θ) ＞2.5时，PLC 发出指令关闭B、C、D 号酸液电磁阀阀，打开A 号碱液电磁阀。-0.5＜E (θ) =C (θ) -Sp (θ)＞0.5 时，关闭A、B、C、D 各个电磁阀。当-4＜E(θ) =C (θ) -Sp (θ) 时，PLC 发出指令关闭A、B、D 号酸液电磁阀阀，打开D 号碱液电磁阀。-2.5＜E (θ) =C (θ) -Sp (θ) 时，PLC 发出指令关闭B、C、D 号酸液电磁阀，打开B 号碱液电磁阀。污水中和池pH 控制流程如图3 所示：

4 系统软件部分设计

4.1 公共程序

图3 pH 值控制流程图

公共程序系统的初始状态阀A～阀D 均为OFF，搅拌电动机M 为OFF，将这些量的常闭点串联作为M1.1 为ON 的条件，作为原点条件。其中任何一个量不满足，则M1.1 都不会为ON。

系统在原点位置时，处于初始化和手动状态，初始步M0.0 会被置位，此时为执行自动程序做准备；若此时M1.1 为OFF，则M0.0 会被复位，初始步会变为不活动步，即使按下启动按钮，自动程序不会转换到下一步，此时禁止自动工作方式的运行[2]。

当手动、自动两种工作模式相互切换时，自动程序会有两步被同时激活，为了防止误动作，在手动状态下，辅助继电器M0.1～M0.6 会被复位。在非连续工作方式下，I0.7 常闭触点闭合，辅助继电器M1.2 将被复位，系统不会执行连续程序。

4.2 手动程序|

酸碱中和池控制手动程序开始时，设置阀C手动，即在系统有故障时，关闭污水中和池，防止其对后面水体水质造成相应的干扰。

4.3 自动程序

酸碱中和池控制系统采用置位复位指令编程法，其中M0.0～M0.6 作为中间编程元件，连续、单周2 种工作方式采用连续标志M1.2 加以区别。单周与连续原理相似，不同之处在于：在单周的工作方式下，连续标志条件不满足，当程序执行到M0.6 步时，满足转换条件M1.2×T38，此时系统将返回到初始步M0.0，系统停止工作。

4.4 模拟量程序

酸碱中和池控制模拟量程序分为两个部分：

1） 模拟信号量采集程序；

2） 报警程序。

5 pH 值自动控制效果

通过实验对PLC 自动控制效果进行实际测量。实验方法是设置两个对照组，将两组中和池的pH 计量仪接入PLC 控制系统，采用PID 控制器来控制计量泵的加药量。通过对中和池液体的pH 值进行采样测量，对比原污水处理系统的原始记录数据。设每次测量的时间间隔为3 min，对比PID 控制投入前和PID 控制投入后的变化，并添加PD 控制作参考系统。

6 结语

基于S7-300 的污水池pH 控制系统具有较强的适应能力[3]。系统控制指标符合相关规定的污水排放要求，被处理过的污水最终pH 值在7.2～7.8，经过相应的实验测试，证明了本设计方案是成功的，基本解决了废水处理过程中的关键技术问题，保证了污水出水水质，并降低了污水处理加药费用。