摘 要：本文介紹了采用Siemens S7-300 PLC實(shí)現(xiàn)污水模擬生成裝置的控制。包括控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、任務(wù)分配及實(shí)現(xiàn)、控制方式及程序設(shè)計(jì)等。裝置運(yùn)行表明，該系統(tǒng)大大提高了運(yùn)行的穩(wěn)定性、經(jīng)濟(jì)性，收到了滿意的控制效果。 關(guān)鍵詞：污水處理、PLC、PID控制、PH值 　　隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，作為生命之源的水資源也受到了日益嚴(yán)重的污染。在歐洲和北美約20-30%的人口利用小型污水處理系統(tǒng)，而我國(guó)有80%的人口分布在農(nóng)村，城市郊區(qū)也有很多城市管網(wǎng)難以延伸到的地方，在人口密度較低的城鎮(zhèn)地區(qū)，下水道使用效率較低的地方，發(fā)展小型污水處理裝置更具現(xiàn)實(shí)意義。本文設(shè)計(jì)了污水處理實(shí)驗(yàn)裝置的前置部分——污水模擬生成裝置，此裝置可以通過(guò)不同的配料量和配料組合方式，模擬生成現(xiàn)實(shí)生活中各種不同成分的污水，從而可以根據(jù)小城鎮(zhèn)特點(diǎn)在后續(xù)的污水處理實(shí)驗(yàn)裝置中研究和采用相適應(yīng)的處理裝置和處理工藝，避免延用或照搬大、中型規(guī)模的城市污水處理工藝及設(shè)計(jì)參數(shù)，進(jìn)而避免造成工程投資和運(yùn)行費(fèi)用過(guò)高[1]。 　　針對(duì)上述情況，開(kāi)發(fā)出污水模擬生成裝置的控制系統(tǒng)。此系統(tǒng)具有控制精度高、配置簡(jiǎn)單、操作方便等特點(diǎn)。 1 污水模擬生成工藝 　　污水模擬生成裝置由污水發(fā)生器、儲(chǔ)液箱和應(yīng)急箱三部分組成，如圖1所示。 [align=center] 圖1 污水模擬生成裝置原理圖[/align] 　　污水發(fā)生器將清水及其他物質(zhì)（包括酸、堿、油脂、碳如蔗糖、鳥(niǎo)糞等）通過(guò)兩個(gè)攪拌電機(jī)進(jìn)行預(yù)混和混合。儲(chǔ)液箱用作模擬生活污水的暫存單元，以保證上游來(lái)水中斷時(shí)，后續(xù)工序仍能實(shí)現(xiàn)連續(xù)工作。應(yīng)急箱中為檢測(cè)到的不合格污水，在實(shí)驗(yàn)需要時(shí)可作為干擾信號(hào)由變量泵定量返回到污水發(fā)生器中。 　　控制系統(tǒng)通過(guò)智能儀表對(duì)污水的液位、PH值、電導(dǎo)率值、流量值等模擬量及各種開(kāi)關(guān)位置的數(shù)字量進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè)，并將檢測(cè)結(jié)果上傳給下位機(jī)PLC，經(jīng)數(shù)據(jù)計(jì)算處理后，送至各執(zhí)行機(jī)構(gòu)實(shí)行相應(yīng)操作。 2 系統(tǒng)的硬件組成 　　根據(jù)污水模擬生成裝置的操作和控制要求，控制系統(tǒng)由西門子S7-300系列CPU314PLC、SM321數(shù)字量輸入模塊、SM322數(shù)字量輸出模塊、SM331模擬量輸入模塊以及SM322模擬量輸出模塊等組成[2]。其硬件配置如圖2所示。 [align=center] 圖2污水模擬生成裝置控制系統(tǒng)PLC及功能模塊組成[/align] 3 模擬量的控制 　　系統(tǒng)的模擬量主要包括PH值、電導(dǎo)率值、流量、溫度、液位等。本文將傳統(tǒng)的PID控制與PLC的邏輯判斷指令相結(jié)合，使PID的控制更加靈活。 　　以PH值的控制為例，在進(jìn)行PID調(diào)節(jié)時(shí)，比例調(diào)節(jié)反映系統(tǒng)偏差的大小，只要有偏差存在，比例調(diào)節(jié)就會(huì)產(chǎn)生作用，以減少偏差。微分調(diào)節(jié)根據(jù)偏差的變化趨勢(shì)來(lái)控制，以改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度。積分調(diào)節(jié)根據(jù)偏差積分的變化來(lái)控制，對(duì)系統(tǒng)的控制有滯后的作用，以消除靜態(tài)誤差。增大積分時(shí)間常數(shù)可提高靜態(tài)精度，但積分作用太強(qiáng)，特別是在系統(tǒng)偏差較大時(shí)會(huì)使系統(tǒng)超調(diào)量較大，甚至引起振蕩。因此本系統(tǒng)采用如下控制策略，組成智能控制系統(tǒng)。圖3為 PH值偏差不同的控制策略 [align=center] 圖3 PH值偏差不同的控制策略[/align] 　　1）實(shí)際PH值低于PH1時(shí)，為加快響應(yīng)速度，加堿流量閥全開(kāi)，加酸流量閥關(guān)閉。 　　2）實(shí)際PH值位于[PH1～PH2]范圍內(nèi)時(shí)，為避免積分飽和，分離積分項(xiàng)，采用PD控制加堿流量，加酸流量閥關(guān)閉。 　　3）實(shí)際PH值位于[PH2～PH3]范圍內(nèi)時(shí)，采用自適應(yīng)PID控制加堿流量，加酸流量閥關(guān)閉。圖4為PH值的自適應(yīng)控制 [align=center] 圖4 PH值的自適應(yīng)控制[/align] 　　當(dāng)實(shí)測(cè)PH > PH0+§且在采樣周期中，PH值持續(xù)上升，則加堿流量閥關(guān)閉（a→b，g→h）;PH < PH0-§且在采樣周期中，PH值持續(xù)下降，則加堿流量閥接通（d→e）;其他情況實(shí)行PID控制。（死區(qū)閥值§本系統(tǒng)設(shè)為0.2）。 　　這種控制方法不僅考慮了實(shí)測(cè)PH值和設(shè)定PH值的偏差，而且考慮了實(shí)測(cè)PH值的變化趨勢(shì)，可減少超調(diào)波動(dòng)，具有自適應(yīng)效果。 　　4）實(shí)際PH值位于[PH3～PH4]范圍內(nèi)時(shí)，采用PD控制加酸流量，加堿流量閥關(guān)閉。 　　5）實(shí)際PH值高于PH4時(shí)，為加快響應(yīng)速度，加酸流量閥全開(kāi)，加堿流量閥關(guān)閉。 4 PLC軟件實(shí)現(xiàn) 　　S7-300的用戶程序由組織塊（OB）、功能塊（FC、FB）、數(shù)據(jù)塊（DB）構(gòu)成。其中OB1塊是操作系統(tǒng)與用戶應(yīng)用程序在各種條件下的接口界面，用于控制程序的執(zhí)行[3]。OB100為系統(tǒng)初始化程序塊，系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)首先要調(diào)用（只調(diào)用一次）該程序塊，將某些內(nèi)存地址單元清零。功能塊FC1～FC8分別用作起停、液位調(diào)節(jié)、PH值和導(dǎo)電率調(diào)節(jié)等子程序塊。數(shù)據(jù)塊用于存放從PLC的模擬量輸入模塊接收來(lái)的數(shù)據(jù)以及對(duì)這些數(shù)據(jù)的處理[4]。PLC流程圖見(jiàn)圖5。 　　其中各子程序的功能如下： 　　取數(shù)據(jù)子程序：將來(lái)自于PLC模擬量輸入模塊的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)處理變成工程量并存放于數(shù)據(jù)塊中。 　　液位調(diào)節(jié)子程序：將污水發(fā)生器內(nèi)的液位給定值與超聲波液位傳感器的檢測(cè)值進(jìn)行PID調(diào)節(jié)運(yùn)算，運(yùn)算結(jié)果作為流量大小的調(diào)節(jié)信號(hào)，使液位維持在合理范圍內(nèi);將清水、應(yīng)急箱廢水流量給定值與檢測(cè)值的偏差進(jìn)行PID調(diào)節(jié)運(yùn)算，運(yùn)算結(jié)果作為電磁閥開(kāi)口度的調(diào)節(jié)信號(hào)，使水流量維持在一定范圍內(nèi)，從而使液位滿足要求，此控制屬于級(jí)聯(lián)控制。 　　PH值和導(dǎo)電率值調(diào)節(jié)子程序：將PH給定值、導(dǎo)電率給定值與檢測(cè)值的偏差進(jìn)行PID調(diào)節(jié)運(yùn)算，運(yùn)算結(jié)果作為加料口電磁閥開(kāi)口度以及輸送機(jī)電機(jī)電壓調(diào)節(jié)信號(hào)，使PH值和導(dǎo)電率在合格范圍內(nèi)。 　　本系統(tǒng)使用FB10塊作為PID調(diào)節(jié)子程序塊，運(yùn)算過(guò)程中為了保證精度，所有參數(shù)均以4字節(jié)浮點(diǎn)數(shù)表示。 [align=center] 圖5 PLC程序流程圖[/align] 5 人機(jī)界面設(shè)計(jì) 　　上位機(jī)采用WindowsXP操作系統(tǒng)，用西門子的WinCC組態(tài)軟件開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)人機(jī)界面和監(jiān)控程序。操作人員可通過(guò)本地人機(jī)界面的薄膜鍵盤和硬件開(kāi)關(guān)，向下位機(jī)發(fā)出各種控制命令。同時(shí)程序完成由主從控制單元實(shí)時(shí)采集，處理模擬量、開(kāi)關(guān)量、報(bào)警數(shù)據(jù)和操作數(shù)據(jù)，定時(shí)歸檔歷史數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)記錄、故障及開(kāi)關(guān)變化信息，對(duì)操作人員所作的操作進(jìn)行記載和輸出打印。操作人員可在流程界面上對(duì)污水生成箱的液位進(jìn)行監(jiān)視，根據(jù)實(shí)驗(yàn)條件的不同以不同級(jí)別用戶權(quán)限登陸到參數(shù)設(shè)定界面進(jìn)行污水PH值的修改或設(shè)定[5]。 6 本文作者的創(chuàng)新點(diǎn) 　　可編程控制器（PLC）和計(jì)算機(jī)（PC）的聯(lián)合應(yīng)用簡(jiǎn)化了現(xiàn)場(chǎng)操作，提高了控制精度和人機(jī)界面的靈活性，同時(shí)也提高了控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性，具有廣闊的應(yīng)用前景。本文將傳統(tǒng)的PID控制與PLC的邏輯判斷指令相結(jié)合，使PID的控制更加靈活。該系統(tǒng)投運(yùn)以來(lái)，運(yùn)行效果較好，大大提高了小型污水處理試驗(yàn)裝置的自動(dòng)化水平。 參考文獻(xiàn)： 　　[1]水工業(yè)工程設(shè)計(jì)手冊(cè)：廢水處理及再用[M]北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2002. 　　[2]SIEMENS.S7-300可編程控制器系統(tǒng)手冊(cè)[M]北京：西門子（中國(guó)）有限公司，2004. 　　[3]SIEMENS.S7-300自動(dòng)化系統(tǒng)CPU31xC技術(shù)功能使用手冊(cè)[M]北京：西門子（中國(guó)）有限公司，2001. 　　[4]肖佐無(wú)，陳小祝，肖愛(ài)武?；赑LC的污水凈化處理控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].微計(jì)算機(jī)信息，2006，10-1：31-32。 　　[5]蘇昆哲.深入淺出西門子WinCC V6[M]北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2004.