pH值控制系统

王 浩

（江苏省宜兴中等专业学校，江苏 宜兴 214200）

pH值控制系统

王 浩

（江苏省宜兴中等专业学校，江苏 宜兴 214200）

1 pH中和过程分析

污水回用处理的整个过程是复杂而又相当系统的一项工作，在这过程之中有液位、流量、压力等模拟参量需要控制，而且各种设备的工作任务非常多，整个处理过程具有随机性和时变性。同时污水处理系统种对污水水质的处理要求越来越高，因此污水处理系统对控制要求越来越高。

pH值；分析；控制；污水

pH值是控制污水回用、排放的一个重要指标，在污水处理中对pH值进行有效的控制具有重要意义。pH值是污水中最难控制的一个对象，主要是由于污水处理中的酸碱中和过程呈现严重非线性、滞后性以及不确定性。

目前对于模拟量的处理方法有传统开环控制及闭环控制（即所谓的PID控制）。开环控制的准确性非常低，所以针对于污水处理中pH值在此项目中采用PID闭环控制方式进行处理。

在实际污水处理过程中，pH的中和过程是十分复杂的，一些学者基于物质守恒和化学平衡定律，提出了在连续搅拌反应釜系统（CSTR）中的pH中和过程的动态模型。图1所示是一个典型的CSTR系统模型。

此系统中污水中酸碱的流量就是控制量。pH变送器采集pH值，即污水处理环节出口的pH值。经数据输入通道进入控制器，执行系统计算出相应的控制量数据，然后反馈给酸碱计量阀进行相应操作。系统有两条控制量输出通道，如果污水呈酸性，控制器就会控制碱计量泵，向反应器中加入适当的碱溶液，直到溶液pH值满足要求为止；如果污水呈碱性，控制器就会控制酸计量泵，向反应器中加入适当的酸溶液，直到溶液pH值满足要求为止。同时，系统采集的pH值会传送至监控中心，监控中心可以随时查看反应器内pH值。

CSTR控制系统机理模型是建立在溶液完全混合，且处处等温的条件基础之上。在实际应用当中，溶液所含成分以及反应器装置不同，都会导致实际pH中和过程呈现出复杂多变的特性。

在污水处理过程中，除已知特点污水来源类型外，污水的酸碱性在未知的情况下可能时而酸性时而碱性，具有波动性，因此针对这种情况需要酸性试剂和碱性试剂两种。此外出口污水的流量变化，对于系统的控制会造成很大的干扰，若污水出口流量过大，难以准确控制出水pH值；加入试剂多少，难以精确控制；由于污水中所含的酸碱的成分是比较复杂的，导致对象的反应曲线很难确定，尤其是在pH值为7附近时强酸、强碱或弱酸、弱碱共存时，更难以确定其中和过程的模型；另外，在实际测量、传输和控制过程中的延时、干扰、不精确等误差，都会影响系统控制的实际效果。

2 PID控制系统组成

如图2所示是最典型的PLC模拟量控制系统的框图，其中，虚线部分采用PID控制器用来实现模拟量处理。

在此PID系统框图中，被控量C（t）是连续变化的模拟量，通常PLC能够直接处理的是数字量，在实际应用当中执行机构往往要求PLC输出相应的模拟量M（t）。因此在实际控制当中，被控模拟量先通过传感器和变换器转换为标准量程的直流电流、电压信号，利用PLC的模拟量输入模块将模拟量转换成对应的数字量，然后经过PLC计算处理。通过模拟量输出模块再将数字量变换成模拟量，输出到驱动电路，得到了能够控制执行机构的模拟量。

PID闭环控制系统的原理是负反馈，经过负反馈的控制让反馈量等于或者接近给定值。

由于在实际应用中，系统难免会有信号的扰动，造成系统的不稳定，采用闭环控制系统能够让模拟量被控量无限接近给定值，提高系统稳定性，抑制系统中的各种干扰因素。

3 PID控制器原理

PID控制实际是一种调节方法，现在被广泛的应用着。PID指的是比例、积分、微分控制。这种技术已经有多年的应用经验，已经非常成熟。是工业控制中的一项重要技术，最重要的特点是可靠、容易调节。由于本系统当中没有被控量的精确数学模型，很多时候一些参数就只能依靠经验及现场的调试来确定。在PID控制技术中，对被调节量不完全了解，系统的一些参数也没办法通过测量来获得，PID技术就变的非常有效了。

被控对象在不同的情况下，PID控制器可以衍生出不同的改进型控制方式，例如PI、PD、带死区的PID、被控量微分PID、积分分离PID和变速积分PID等。由于近年来科技不断发展，智能控制技术也已经有非常高的应用率，利用神经网络与PID相结合的现代控制方法，可以实现PID控制器的参数自整定，这种先进的控制法也离不开PID控制器，使之具有很强的竞争力。

西门子PLC已经为用户提供了PID控制功能，包括了软件产品和硬件产品。PID闭环模块、PID控制指令和PID控制系统功能块都具有PID参数自整定功能，轻松的实现参数调整，使用也比较简单。PID控制实际就是对偏差信号e（t）进行比例，积分和微分运算变化后形成的一种规律，见式（1）所示。

其中，KPe（ t ）是比例控制项，KP为比例系数；是积分控制项，Ti为积分时间常数；

Td是微分控制项，Td为微分时间常数.

PID控制在实际应用当中，可以根据情况的不同调整控制策略。

4 PID控制器设计

pH值的PID系统方框图如图3所示。系统中首先把设定值与反馈值进行比较，pH值设定值为7，比较结果送入PID控制器，然后通过PID控制器进行PID调节，向试剂泵发出指令，系统通过PID控制器控制是加碱试剂还是加酸试剂，同时控制电动阀的开度，达到控制试剂流量大小的目的，从而控制pH值。

本文所设计的PID控制器包括pH值输入的采样、算术平均值滤波法、模拟量输入规格化、PID计算控制量、模拟量输出规格化、模拟量输出。

有些模拟量不需要进行PID计算控制量和滤波，则在OB1中直接调用FC105进行模拟量规格化，供程序使用。

针对本系统中的需要处理的pH值，采用算术平均值滤波法进行处理。此方法可以应用于精度要求不是太高，数据相应速度不需要特别快的处理系统中。本系统主要是针对模拟量信号的瞬间变化对系统造成干扰。

在本平均值滤波程序中，滤波程序FB21对应的DB数据块有4个静态变量：#CNT计采样次数；#SUMS是用来累计每次采样值的和；#high和#low分别是采样中的最大值和最小值。

如果#CNT采样次数小于32，把当前采样值进行采样值求和，采样值和保存在每个通道对应的DB块静态区#SUMS变量中，并把当前采样值与最大值和最小值（#high和#low）比较，决定是否代替原保存的最大值和最小值（#high和#low）；如果#CNT采样次数小于32，把当前采样值总和#SUMS去掉最大值和最小值（#high和#low），然后求平均得到滤波值，存滤波值到滤波值数据块DB101中。

然后通过连续PID控制器FB41，对模拟量进行了PID算法控制。即可达到准确控制模拟量的目的。

本系统是主要是针对光伏企业生产过程中产生的低氟废水而进行的pH加药中和系统的设计，用PID闭环控制系统的方式可以使污水中的参数达到系统的控制要求。为了保证排放、回收利用、二级过滤等系统能够按照要求正常运行工作。

10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.20.248