在污水处理中PLC和变频器的应用

摘要 在污水处理系统中，PLC和变频器组成的自动控制系统实现了pH值的自动控制。重点分析了该系统硬件构成和软件编程的特点。现场运行的结果表明，该系统具有很好的可扩展性、灵活性和可靠性。

关键词 可编程逻辑控制器 变频器 pH PID

0 引言

　随着生活水平的提高及环境意识的增强，人们对自身生活环境的要求越来越高，对各种污染问题越来越关注。政府部门为了缓解并逐步解决污染问题，要求各个工厂和城镇建立污水处理厂。

　　　根据环保部门要求处理后水的pH值应在6～8之间，当pH值小于6呈酸性时，需要加入碱性药水来中和；当pH值大于8呈碱性时，需要进入酸性药水。通常某工厂的生产工艺稳定后，pH值要么呈现酸性，要么呈现碱性，不可能来回摆动，所以加入药水的性质也是一定的。由于水的pH值在7附近极易波动，如果加入的中和用药水过多或过少，都会使其pH发生偏差。采用人工控制的方式很难完成控制要求，故需要依靠自动控制系统，并配以PID算法来保证控制精度。在工厂中，通常有大量的强电设备，电源和电磁环境有时非常复杂，采用单片机自身在性能上的局限性，所以无法满足控制要求。采用工控机为核心的控制系统，在性能方面没有问题，但成本相对较高。由于可编程逻辑控制器可靠性高、环境要求低，有多种输入/输出开关量点数组合，开关量和模拟量有良好的可扩展性，可独立组成成本较低的自动控制系统，所以在污水处理控制系统中大量采用。

1 系统描述

　　　采用三菱公司的 系列可编程逻辑控制器实现系统的自动控制，配置模拟量输入、输出模块FX-4AD和FX-2DA各一块。系统组成如图1所示。

图1 系统组成示意图

　　　可编程逻辑控制器通电后立即对A/D和D/A模块进行初始化参数设定，对它们的工作状态进行规定；在运行过程中则负责控制A/D模块转换，接收传输来的pH模拟量，并且通过科学计算得到相应的控制用数字量，再把这个数字量传输到D/A模块。

　　　A/D模块负责接收在线检测pH计传输过来的模拟量信号，将其转换为数字量信号传输给PLG。FX-4AD总共有4路A/D通道，最大转换精度为12位，典型转换时间每通道每次为15ms，最快为6ms，可以通过初始化设定缓存字段中的数据来选择。在A/D模块中有31个缓冲字段，除了少数几个保留未用外，其它各个字段都有特殊的含义和用途，在编程的过程中，合理地使用它们，可以使控制品质提高，控制更加有效。

　　　D/A模块接收PLG发出的数字信号，根据初始化时PLC对它的参数设定，把它转换为4～20mA的模拟量信号以控制变频器的输出频率，实现对药水泵转速的控制，使污水加入的药水量能根据信号大小而增减。采用三菱公司的F540系列变频器，功率为3.7kW。这种系列的变频器主要适用于风机、水泵类的负荷，有较高的可靠性和性价比，非常适合这种场合使用。

　　　工业污水处理系统中，应采用性能稳定、寿命较长的在线pH计，最好带自清洗装置，定期清洗pH探头，保证系统能长期在高污染的水中测量。PH计由二次仪表和探头两部分组成，探头应固定在能比较真实地代表被测污水整体pH值的位置，二次仪表放置在离PLC系统较近的位置，便于pH值的位置，二次仪表放置在离PLC系统较近的位置，便于pH值信号的传输。PH计二次意表输出的模拟量信号大小为4～20mA与pH测量范围（0～14）成线性对应关系。

2 系统工作流程

　　　PLC在上电工作时，首先初始化设定A/D模块和D/A模块的工作状态，然后才根据输入条件做出相应的输出反应。

　　　在PLC的输入端口中，X0用于判断系统是否进入pH调节程序段（包括手、自动两种方式）。当X0闭合时，Y0控制中间继电器J11得电，并使变频器上电；同时变频器的输入端STF也得到J11输出的另一路闭合信号，使变频器可以输出电机正转的信号，变频器处于预备运行状态。

　　　X1只有在X0闭合时才有效，它是手、自动切换开关。当X1的开关没有闭合时，PLC不进行加药自动控制；这时，可以手动调节频率设定器来人为控制药水的流入量。通常在某些设备发生故障不能使用自动方式来控制时，才会采用手动调节频率控制方式。

　　　当X1输入端闭合后，PLG即会自动地向待处理污水水池中加入中和药水，进行pH值控制。在自动控制中，PLC会通过读取A/D模块中特殊存储器中的数据获取表针pH值的数字量，利用PLC内部PID（第88号）特殊指令可以计算出输出数值，再将该数值输出给D/A模块。如前所述，D/A会输出与该数值相应的电量信号来控制药水泵的转速以控制加药量，完成对污水pH值的控制，使pH能稳定在6～8之间，中心位置是7。

3 软件编制

　　　软件的编制分别为初始化、采样、分析和输出四个部分。PH值控制的总体框图如图2所示。

图2 总体程序框图

3.1 初始化

　　　程序的初始化部分是pH控制软件编制中最为重要的部分之一，主要完成对A/D和D/A模块工作状态的设置，调入数据处理和计算时所需的各个参数。如图3所示，在FX-4AD中，用1＃通道接收表示pH值的4～20mA信号，其它通道不使用，这就需要设定第0＃字段，数值为“H3331”其中三个“3”表示第2、3、4号通道不使用，“1”代表第1＃通道接收4～20mA的pH值信号。在第1＃字段中置入的数值表示A/D要经过几次累加后取出平均值作为转换的结果，若在这个字段中置入10，表示A/D模块自动累加10次A/D转换数值后，再除以10，得到A/D数字量。这样，可以起到滤波的作用，防止A/D信号突变。对于其它字段，如数据采集速度，各个通道的偏差量和增益量等可以根据实际情况设定。对于FX-2DA，它的第0＃字段，数值设为：“H11”，“1”表示输出的电量信号为4～20mA。另外还要设置停机后数据是否要求保存到下次开机、各个通道的偏差量和增益量等。

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