摘 要：本文介紹了采用Siemens S7-300 PLC實現(xiàn)污水模擬生成裝置的控制。包括控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、任務分配及實現(xiàn)、控制方式及程序設(shè)計等。裝置運行表明，該系統(tǒng)大大提高了運行的穩(wěn)定性、經(jīng)濟性，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)濟的快速發(fā)展，作為生命之源的水資源也受到了日益嚴重的污染。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)實意義。本文設(shè)計了污水處理實驗裝置的前置部分——污水模擬生成裝置，此裝置可以通過不同的配料量和配料組合方式，模擬生成現(xiàn)實生活中各種不同成分的污水，從而可以根據(jù)小城鎮(zhèn)特點在后續(xù)的污水處理實驗裝置中研究和采用相適應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)計參數(shù)，進而避免造成工程投資和運行費用過高[1]。 　　針對上述情況，開發(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、配置簡單、操作方便等特點。 1 污水模擬生成工藝 　　污水模擬生成裝置由污水發(fā)生器、儲液箱和應急箱三部分組成，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、鳥糞等）通過兩個攪拌電機進行預混和混合。儲液箱用作模擬生活污水的暫存單元，以保證上游來水中斷時，后續(xù)工序仍能實現(xiàn)連續(xù)工作。應急箱中為檢測到的不合格污水，在實驗需要時可作為干擾信號由變量泵定量返回到污水發(fā)生器中。 　　控制系統(tǒng)通過智能儀表對污水的液位、PH值、電導率值、流量值等模擬量及各種開關(guān)位置的數(shù)字量進行自動檢測，并將檢測結(jié)果上傳給下位機PLC，經(jīng)數(shù)據(jù)計算處理后，送至各執(zhí)行機構(gòu)實行相應操作。 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，在進行PID調(diào)節(jié)時，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)偏差的變化趨勢來控制，以改善系統(tǒng)的動態(tài)響應速度。積分調(diào)節(jié)根據(jù)偏差積分的變化來控制，對系統(tǒng)的控制有滯后的作用，以消除靜態(tài)誤差。增大積分時間常數(shù)可提高靜態(tài)精度，但積分作用太強，特別是在系統(tǒng)偏差較大時會使系統(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）實際PH值低于PH1時，為加快響應速度，加堿流量閥全開，加酸流量閥關(guān)閉。 　　2）實際PH值位于[PH1～PH2]范圍內(nèi)時，為避免積分飽和，分離積分項，采用PD控制加堿流量，加酸流量閥關(guān)閉。 　　3）實際PH值位于[PH2～PH3]范圍內(nèi)時，采用自適應PID控制加堿流量，加酸流量閥關(guān)閉。圖4為PH值的自適應控制 [align=center] 圖4 PH值的自適應控制[/align] 　　當實測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測PH值和設(shè)定PH值的偏差，而且考慮了實測PH值的變化趨勢，可減少超調(diào)波動，具有自適應效果。 　　4）實際PH值位于[PH3～PH4]范圍內(nèi)時，采用PD控制加酸流量，加堿流量閥關(guān)閉。 　　5）實際PH值高于PH4時，為加快響應速度，加酸流量閥全開，加堿流量閥關(guān)閉。 4 PLC軟件實現(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)啟動時首先要調(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的數(shù)據(jù)以及對這些數(shù)據(jù)的處理[4]。PLC流程圖見圖5。 　　其中各子程序的功能如下： 　　取數(shù)據(jù)子程序：將來自于PLC模擬量輸入模塊的數(shù)據(jù)經(jīng)過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值進行PID調(diào)節(jié)運算，運算結(jié)果作為流量大小的調(diào)節(jié)信號，使液位維持在合理范圍內(nèi);將清水、應急箱廢水流量給定值與檢測值的偏差進行PID調(diào)節(jié)運算，運算結(jié)果作為電磁閥開口度的調(diào)節(jié)信號，使水流量維持在一定范圍內(nèi)，從而使液位滿足要求，此控制屬于級聯(lián)控制。 　　PH值和導電率值調(diào)節(jié)子程序：將PH給定值、導電率給定值與檢測值的偏差進行PID調(diào)節(jié)運算，運算結(jié)果作為加料口電磁閥開口度以及輸送機電機電壓調(diào)節(jié)信號，使PH值和導電率在合格范圍內(nèi)。 　　本系統(tǒng)使用FB10塊作為PID調(diào)節(jié)子程序塊，運算過程中為了保證精度，所有參數(shù)均以4字節(jié)浮點數(shù)表示。 [align=center] 圖5 PLC程序流程圖[/align] 5 人機界面設(shè)計 　　上位機采用WindowsXP操作系統(tǒng)，用西門子的WinCC組態(tài)軟件開發(fā)設(shè)計人機界面和監(jiān)控程序。操作人員可通過本地人機界面的薄膜鍵盤和硬件開關(guān)，向下位機發(fā)出各種控制命令。同時程序完成由主從控制單元實時采集，處理模擬量、開關(guān)量、報警數(shù)據(jù)和操作數(shù)據(jù)，定時歸檔歷史數(shù)據(jù)，實時記錄、故障及開關(guān)變化信息，對操作人員所作的操作進行記載和輸出打印。操作人員可在流程界面上對污水生成箱的液位進行監(jiān)視，根據(jù)實驗條件的不同以不同級別用戶權(quán)限登陸到參數(shù)設(shè)定界面進行污水PH值的修改或設(shè)定[5]。 6 本文作者的創(chuàng)新點 　　可編程控制器（PLC）和計算機（PC）的聯(lián)合應用簡化了現(xiàn)場操作，提高了控制精度和人機界面的靈活性，同時也提高了控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性，具有廣闊的應用前景。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)投運以來，運行效果較好，大大提高了小型污水處理試驗裝置的自動化水平。 參考文獻： 　　[1]水工業(yè)工程設(shè)計手冊：廢水處理及再用[M]北京：中國建筑工業(yè)出版社，2002. 　　[2]SIEMENS.S7-300可編程控制器系統(tǒng)手冊[M]北京：西門子（中國）有限公司，2004. 　　[3]SIEMENS.S7-300自動化系統(tǒng)CPU31xC技術(shù)功能使用手冊[M]北京：西門子（中國）有限公司，2001. 　　[4]肖佐無，陳小祝，肖愛武。基于PLC的污水凈化處理控制系統(tǒng)的設(shè)計[J].微計算機信息，2006，10-1：31-32。 　　[5]蘇昆哲.深入淺出西門子WinCC V6[M]北京：北京航空航天大學出版社，2004.