基于PLC和组态软件的水厂加药自动控制系统

刘明

（青岛巨川环保科技有限公司，山东 青岛 266000）

基于PLC和组态软件的水厂加药自动控制系统

刘明

（青岛巨川环保科技有限公司，山东 青岛 266000）

由于目前污水处理中进水氮、磷普遍超标，使得经处理的污水排放难以达标，需要通过投加乙酸钠等外部碳源来降低出水含氮量。利用西门子PLC（S7-200）为控制核心，选用西门子触摸屏Smart700IE作为现场监控画面，上位机采用亚控组态王6.55实时监测，结合流量传感器、模拟量输入模块、模拟量输出模块、西门子V20变频器等设计乙酸钠自动投加控制系统。

污水处理；乙酸钠自动投加；变频器；PLC

在污水处理中，出水总氮含量是表征水质的一个重要指标，而我国很多城市的污水普遍存在低碳，相对高氮、磷的水质特点，因此通过投加外部碳源是解决此类问题的有效方法。乙酸钠本身不含营养物质，且分解后无任何难以降解的中间产物，并且价格低廉，运输方便，是目前最佳的外部碳源。

1 系统设计要点

现场采用西门子PLC（S7-200）为核心控制部件，链接现场的流量传感器、乙酸钠液位开关、乙酸钠进药阀门、出药计量泵等现场设备。

系统通过检测外部进水流量及出水含氮量，利用流量比例控制和PID算法控制相结合的闭环控制方法，自动控制乙酸钠加药量，使出水含氮指标维持在正常范围之内。在闭环控制中，控制主体可以根据反馈信息发现和纠正受控客体运行中的偏差，因此具有较强的抗干扰能力，能进行有效的控制输出，保证设定目标的实现。

在乙酸钠的自动投加闭环控制系统中，具体控制如下：首先根据水厂水质特点建立出水含氮指标和投加乙酸钠计量的数学控制模型，即：根据不同的季节变化由于水中含氮量的不同计算出对应投加的乙酸钠的量，然后将该数学控制模型固化到PLC控制系统。当PLC接受到在线氨、氮检测仪发出的出水含氮数据后将和系统内部的数学控制模型进行比对，输出对应的控制信号，经过数模转换后控制变频加药泵调节乙酸钠的投加量。同时系统会根据进水流量信号的变化实时自动调节加药泵的频率从而调节乙酸钠的投加量，即流量比例控制法。其次通过在线氨、氮检测仪将出水含氮信号转换为标准的4-20MA信号，然后送给模拟量输入模块，经模数转换和PLC内部程序计算后与给定的出水含氮数据进行比较，并采用PID控制算法对误差进行运算，然后将PLC运算的数字量通过数模转换后，经模拟量输出通道再次调节乙酸钠的频率控制乙酸钠加药量，实现出水含氮量的PID闭环控制，即PID控制法。最后通过流量比例和PID相结合的控制方法根据出氮设定指标和实际出氮含量快速相应变化，实时动态调节，实现了乙酸钠加药量的自动调节功能，保证出水含氮量在正常指标范围之内。

控制系统结构框图如图1所示。

图1 乙酸钠自动投加控制系统框图

2 系统硬件设计

系统硬件主要由上位工业控制计算机和下位机PLC、变频器、在线检测仪表、变频加药泵组成。工控机与PLC通过以太网链接，构建网络监控系统，实时检测出水含氮量及加药系统的运行。

2.1 上位机监控组成

工控机选用研华610L系列，主流配置，完全满足对生产过程中使用的机器设备、生产流程、数据参数等进行监测与控制的条件。

2.2 下位机主要系统组成

图2 乙酸钠自动投加控制现场监控画面

PLC：控制核心部件选用西门子S7-200系列PLC，CPU型号为：224XP，订货号：6ES7214-2AD23-0XB8。具有14个数字量输入点和10个数字量输出点，2个RS-485通讯口，1个用来程序的下载和触摸屏的通信，另外1个用来和变频器V20进行通信。扩展模块选用EM231模拟量输入模块, 订货号：6ES7231-0HC22-0XA8,用来接收进水流量信号及在线氨氮仪表信号。通信模块选用CP243-1，订货号：6GK7243-1EX01-0XE0，完成和上位机的以太网实时通信。

变频器：变频器选用西门子V20变频器，订货号：6SL3210-5BE13-7UV0，可覆盖0.12～3kW的功率范围。高可靠性设计，创新的冷却设计，经久耐用。

在线检测仪表：选用哈希在线氨氮检测仪，型号：Amtax Compact II，Amtax氨氮分析仪广泛应用于应用于饮用水、地表水、污水处理工艺工艺过程中氨氮浓度的检测。

3 系统软件设计

3.1 上位机监控系统

自动投加系统的实时监控由2台工业控制计算机来完成，2台工控机同时监控，互为备用。上位机组态软件选用亚控组态王（King View）6.55版本开发自动加药监控系统。中控室工作人员可以通过监控显示屏实时监控加药系统的运行状况，并且可以设定或者修改系统运行的某些参数。监控系统实时记录加药系统的运行状况，主要包括：系统的运行状态、故障报警提示、加药流量曲线数据等内容。

3.2 下位机监控系统

下位机的控制核心为西门子S7-200 PLC，自动加药通过流量比例控制和PID调节控制相结合的方法来实现。由于实际应用中加药系统具有滞后的性质，即药品投加后，出水氨、氮的数值不能进行快速的响应，因此单纯的PID控制会导致控制作用不及时。利用流量比例控制法，PLC系统在接受到出水氨、氮数据后，根据器内部的数学控制模型和进水流量数据进行快速的响应，输出对应的控制信号，自动调节乙酸钠变频加药泵。通过流量比例控制的快速响应和加药PID的闭环控制最终实现了乙酸铵投加量的自动控制。现场监控画面如图2所示。

4 结语

由工业控制计算机作为上位机监控系统，PLC作为控制核心，现场仪表、流量计作为现场数据采集终端，综合组成了乙酸钠加药的自动控制系统。该系统运行可靠、维护方便、画面设计形象生动、易于工作人员的操作。系统已在水厂投入运行，性能稳定可靠，运行效果良好。

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[3]孙永利，许光明等. 城镇污水处理厂外加商业碳源的选择[J].中国给水排水， 2010 .

TU99

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1671-0711（2017）01（下）-0102-02