净化废水处理加药自动控制系统设计

潘凌锋

摘要：南碱石灰车间净化配药岗位目前加药过程为人工控制，为提高系统自动化程度，本文叙述了南碱公司净化加药机全自动加药系统总体解决方案，取用过程控制技术，对原有加药控制系统进行改造，基于PLC和变频器加上触摸屏的控制设备，根据设定的药液浓度不同要求，对所加水及药物（PAM凝絮剂）的药量实现自动控制，灵活制备不同浓度的药液，满足纯碱化工生产流程的废液处理要求。

关键词：PLC 变频器 ；PAM加药；单闭环比值控制

一、设计思路

设计上集成PLC加矢量变频器和触摸屏组成单闭环比值控制系统。PLC编程PID算法控制变频器，并与触摸屏通讯，通过检测供水流量计的4至20毫安电流信号，算出供水质量，通过确定变频器运行频率与螺旋下料机下药量的线性关系，实现供药量跟踪供水量与的闭环控制。得到生产要求的各种药液浓度。

单闭环比值控制在现代工业生产过程中，有着广泛的应用。在生产过程中，凡是将两种或两种以上的物料量自动地保持一定比例关系的控制系统，就称为比值控制系统，具有结构简单、稳态误差小、控制精度高等优点。在生产过程中，为确保主、副物料流量间的实际比值不变，设计单闭环比值控制系统，它是在开环比值控制的基础上，增加一个副物料流量闭环控制回路。

单闭环比值控制系统，在稳态时，能满足主、副流量的工艺比值要求，即Q2/Q1=K，当主流量Q1不变，而副流量Q2受到扰动时，则可通过副流量的闭合回路进行定值控制。当主流量Q1受到扰动时，W1（S）则按预行设置好的比值使输出成比例变化，即改变Q2给定值，W2（S）根据给定值的变化，发出控制命令，以改变调节变频器WV（S）的调节度，使副流量Q2跟随主流量Q1而变化，从而保证原设定的比值不变。当主、副流量同时受到扰动时，调节器W2（S）在克服副流量扰动的同时，又根据新的给定值，改节调节器的调节度，使主、副浪量在新的流量数值的基础上，保持其原设定值的比值关第。可见，该系统能确保主、副两个流量的比值不变。同时，系统的结构又较简单，工作可靠性很高。

二、 总体方案设计

本题研究对象是纯碱生产中的加药设备对加药浓度进行定比值控制，化工生产是长周期连续运行系统，对加药机的工作稳定和可靠性有较高的要求，因此在设计上要有双机冗余功能，附属设备中的加压水泵，搅拌机，排药泵要设备双机冗余，十二小时轮换工作的方式，便于设备的检修和故障状态的的及时切换。对重要电机设备设置短路、缺相、过载、液面位置检测等保护装置，具备系统故障自动报警功能。

（一）系统设计方案

根据设计要求与设计思路，确定该系统总体框图。该系统由以下几部份组成：

1、水泵电机，水流量计，进水电磁阀、液位检测开关组成给水部分。

2、变频器，螺旋给料电机，加热器，搅拌电机组成加药部分。

3、出药泵，出药流量计组成药液外送及计量部分。

4、触摸屏，PLC，变频器组成自动控制及单闭环比值控制系统。

加药系统由可编程控制器（PLC）1台、3台变频器、2台水泵、2台药泵、6个液位控制开关、两个流量计、及控制柜等组成。本系统采用1台变频器拖动加药螺旋输送机进行调速加料。2台出药泵也各由一台变频控制，以调整生产系统的加药流量。其中两台水泵和两台变频药泵采用12小时循环使用的方式运行。PLC内置PID调节器控制变频器对加料变频器进行速度调节，在小范围上控制供药的流量。

系统设计上水泵电机、药泵电机双用双机冗余的方式工作，设计上同时具备手动、自动控制方式结合，更能使生产不受影响。设置在配药槽、熟化槽、储存槽中的液位控制器对各液面进行检测反馈，自动控制着设备的运行及停机。

充分利用了高性能变频器的卓越控制能力，药剂流量计量系统取用PLC软件编程的方式实现，用实验的方式找到变频器运行频率与螺旋给料器下药流量存在的性线关系，减小分析仪表的投入，既较好地简化了系统又能节约设备成本，减少调试、维修工作量。

PLC与触摸屏通信时，通过自由口方式，使用通讯电缆连接，在触摸屏上组态各各控制按钮，工作时由PLC读取，大量简化了电气控制系统外围元线及其接线，故障率大幅下降。

通过PLC对流量计的信号处理，可在屏触摸屏上实时显示瞬时流量及累计流量，利于进行精益生产管理。

三、程序设计

在本系统中，PLC程序设计的主要任务是接受外部液位开关信号的输入，根据水流量按设定的浓度改变比值器的K值，控制下药变频器的运行频率，对输出频率信号进行取样实行PID调节控制。同时与屏摸屏进行数据通讯，实时显示各种设备的工作状态及报警信号，PLC控制器采用西门子公司的S7-200系列的CPU224XP。

在系统开始工作的时候，先要对整个系统进行初始化，即在开始启动的时候，先对系统的各个部分的当前工作状态进行验测，如出错则报警，接着对模拟量数据处理的数据进行初始化處理，赋予一定的值。

四、人机界面组态

WinCC flexible是德国西门子（SIEMENS）公司工业全集成自动化（TIA）的子产品，是一款面向机器的自动化概念的HMI（触摸屏）组态软件。WinCC flexible 用于组态用户界面以操作和监视机器与设备，提供了对面向解决方案概念的组态任务的支持。内置通用的应用程序，可以集成到所有自动化解决方案，内置所有操作和管理功能，可简单、有效地进行组态；

提高可持续发展能力，实现纯碱生产行业的零排放，是纯碱生产行业的必由之路，

本论文为解决纯碱生产行业废液处理的实际问题，论证了一体化加药设备的整体设计方案。涉及了控制系统可行性论证，系统控制方法及理论依据，对系统硬件选型、参数调整及系统软件编程，设备的选择及调试等进行了详细的分析与研究；并对本文设计重点—药液浓度按给定值进行自动调节的问题，提出分析及其合理的解决方案。应用上述研究理论，设计的单闭环定值比例加药控制系统结构简单、运行可靠、调整方便，减少设备维护检修工作量。节能降耗，提高生产效率。