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PLC和變頻器在污水處理中的應用2004年9月(1)

 摘要   在污水處理系統中,PLC和變頻器組成的自動控制系統實現了pH值的自動控制。重點分析了該系統硬件構成和軟件編程的特點,F場運行的結果表明,該系統具有很好的可擴展性、靈活性和可靠性。

關鍵詞  可編程邏輯控制器   變頻器   pH    PID

0  引言

   隨著生活水平的提高及環境意識的增強,人們對自身生活環境的要求越來越高,對各種污染問題越來越關注。政府部門為了緩解并逐步解決污染問題,要求各個工廠和城鎮建立污水處理廠。

根據環保部門要求處理后水的pH值應在6~8之間,當pH值小于6呈酸性時,需要加入堿性藥水來中和;當pH值大于8呈堿性時,需要進入酸性藥水。通常某工廠的生產工藝穩定后,pH值要么呈現酸性,要么呈現堿性,不可能來回擺動,所以加入藥水的性質也是一定的。由于水的pH值在7附近極易波動,如果加入的中和用藥水過多或過少,都會使其pH發生偏差。采用人工控制的方式很難完成控制要求,故需要依靠自動控制系統,并配以PID算法來保證控制精度。在工廠中,通常有大量的強電設備,電源和電磁環境有時非常復雜,采用單片機自身在性能上的局限性,所以無法滿足控制要求。采用工控機為核心的控制系統,在性能方面沒有問題,但成本相對較高。由于可編程邏輯控制器可靠性高、環境要求低,有多種輸入/輸出開關量點數組合,開關量和模擬量有良好的可擴展性,可獨立組成成本較低的自動控制系統,所以在污水處理控制系統中大量采用。

1  系統描述

采用三菱公司的 系列可編程邏輯控制器實現系統的自動控制,配置模擬量輸入、輸出模塊FX-4AD和FX-2DA各一塊。系統組成如圖1所示。

                圖1  系統組成示意圖

可編程邏輯控制器通電后立即對A/D和D/A模塊進行初始化參數設定,對它們的工作狀態進行規定;在運行過程中則負責控制A/D模塊轉換,接收傳輸來的pH模擬量,并且通過科學計算得到相應的控制用數字量,再把這個數字量傳輸到D/A模塊。

A/D模塊負責接收在線檢測pH計傳輸過來的模擬量信號,將其轉換為數字量信號傳輸給PLG。FX-4AD總共有4路A/D通道,最大轉換精度為12位,典型轉換時間每通道每次為15ms,最快為6ms,可以通過初始化設定緩存字段中的數據來選擇。在A/D模塊中有31個緩沖字段,除了少數幾個保留未用外,其它各個字段都有特殊的含義和用途,在編程的過程中,合理地使用它們,可以使控制品質提高,控制更加有效。

D/A模塊接收PLG發出的數字信號,根據初始化時PLC對它的參數設定,把它轉換為4~20mA的模擬量信號以控制變頻器的輸出頻率,實現對藥水泵轉速的控制,使污水加入的藥水量能根據信號大小而增減。采用三菱公司的F540系列變頻器,功率為3.7kW。這種系列的變頻器主要適用于風機、水泵類的負荷,有較高的可靠性和性價比,非常適合這種場合使用。

工業污水處理系統中,應采用性能穩定、壽命較長的在線pH計,最好帶自清洗裝置,定期清洗pH探頭,保證系統能長期在高污染的水中測量。PH計由二次儀表和探頭兩部分組成,探頭應固定在能比較真實地代表被測污水整體pH值的位置,二次儀表放置在離PLC系統較近的位置,便于pH值的位置,二次儀表放置在離PLC系統較近的位置,便于pH值信號的傳輸。PH計二次意表輸出的模擬量信號大小為4~20mA與pH測量范圍(0~14)成線性對應關系。

2  系統工作流程

PLC在上電工作時,首先初始化設定A/D模塊和D/A模塊的工作狀態,然后才根據輸入條件做出相應的輸出反應。

在PLC的輸入端口中,X0用于判斷系統是否進入pH調節程序段(包括手、自動兩種方式)。當X0閉合時,Y0控制中間繼電器J11得電,并使變頻器上電;同時變頻器的輸入端STF也得到J11輸出的另一路閉合信號,使變頻器可以輸出電機正轉的信號,變頻器處于預備運行狀態。

X1只有在X0閉合時才有效,它是手、自動切換開關。當X1的開關沒有閉合時,PLC不進行加藥自動控制;這時,可以手動調節頻率設定器來人為控制藥水的流入量。通常在某些設備發生故障不能使用自動方式來控制時,才會采用手動調節頻率控制方式。

當X1輸入端閉合后,PLG即會自動地向待處理污水水池中加入中和藥水,進行pH值控制。在自動控制中,PLC會通過讀取A/D模塊中特殊存儲器中的數據獲取表針pH值的數字量,利用PLC內部PID(第88號)特殊指令可以計算出輸出數值,再將該數值輸出給D/A模塊。如前所述,D/A會輸出與該數值相應的電量信號來控制藥水泵的轉速以控制加藥量,完成對污水pH值的控制,使pH能穩定在6~8之間,中心位置是7。

3  軟件編制

軟件的編制分別為初始化、采樣、分析和輸出四個部分。PH值控制的總體框圖如圖2所示。

                   圖2 總體程序框圖

3.1 初始化

程序的初始化部分是pH控制軟件編制中最為重要的部分之一,主要完成對A/D和D/A模塊工作狀態的設置,調入數據處理和計算時所需的各個參數。如圖3所示,在FX-4AD中,用1#通道接收表示pH值的4~20mA信號,其它通道不使用,這就需要設定第0#字段,數值為“H3331”其中三個“3”表示第2、3、4號通道不使用,“1”代表第1#通道接收4~20mA的pH值信號。在第1#字段中置入的數值表示A/D要經過幾次累加后取出平均值作為轉換的結果,若在這個字段中置入10,表示A/D模塊自動累加10次A/D轉換數值后,再除以10,得到A/D數字量。這樣,可以起到濾波的作用,防止A/D信號突變。對于其它字段,如數據采集速度,各個通道的偏差量和增益量等可以根據實際情況設定。對于FX-2DA,它的第0#字段,數值設為:“H11”,“1”表示輸出的電量信號為4~20mA。另外還要設置停機后數據是否要求保存到下次開機、各個通道的偏差量和增益量等。


 


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以上資料摘錄自《自動化儀表》雜志
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