污水处理过程是一个复杂的生化反应过程，包括信息流、物质流和能源流，伴随有物理化学反应、生化反应、相变过程及物质和能量的转化和传递过程。其中生化反应是污水生化处理的核心部分，溶解氧是生化反应过程中一个非常重要的指示参数，它能比较直观、迅速地反映整个系统的运行状况。对溶解氧的控制可以直接影响到出水水质和系统能耗。溶解氧浓度过低，出水指标不合格；溶解氧浓度过高，则会造成能源的浪费。所以溶解氧控制直接关系到用户最关心的出水指标和经济效益两个指标。而氧气的溶解过程受入水水质、温度和pH值变化等方面的影响，具有高度非线性、强耦合性、时变、大滞后和不确定性等特点。这样一个复杂的过程，往往无法获得准确的数学模型，用常规的PID控制也不能取得理想的控制效果。
本设计在选择四段PID控制的基础上，利用西门子S7-200作为控制器，设计相关的电路和程序，通过变频器调节鼓风机转速来给曝气池供氧，取得了较好的控制效果。
1、溶解氧控制系统组成
污水处理中溶解氧控制系统组成框图如图1所示。图1中，SP为假设输氧量，通过控制器和变频器来控制电机旋转，从而控制风机的转速使输入到曝气池中的氧产生变化。本系统通过溶解氧(DO)检测仪检测曝气池中实际的DO值，并将实际的DO值和设定值SP的差值反馈到PID控制器。通过比对实际值和理想值并运用PID算法最终使实际值趋近于所要求的理想值。这样不仅保证生化池内空气需求量，同时也尽可能地节省了能耗。
图1 污水处理中溶解氧控制系统组成框图
2、系统控制过程分析
根据系统框图和实际需求，设计了一个操作控制面板，如图2所示。
对整个系统控制过程分析如下：按动进水泵开启按钮，往曝气池内注入未处理的原水，待到曝气池高液位传感器(设为SL1)检测到有液位时，DO检测仪、变频器、鼓风机、风速测量仪全部启动，同时进水泵关闭；设在出水阀附近的DO检测仪将检测到的数据传送到PID控制器，在PID控制器中将实际检测到的数据与设定的SP值进行对比后进行PID运算，并将结果信号传递给变频器，由变频器控制鼓风机的转速从而调节对曝气池的输气量，如此下去直到曝气池中污水的DO值达标；此时出水阀打开，污水排出曝气池。
图2 系统操作控制面板
由于DO检测仪的检测部分必须置于水中，当污水排放使曝气池中液位达到最高处DO检测仪的液位时，液位传感器SL2会给进水泵一个开启信号，进水泵便开始进水(进水速度大于出水速度)，当设在出水阀口处的检测仪检测到的DO值不符合标准时，出水阀会自动关闭。
同时系统还添加了以下报警装置：
①进水泵低水位报警装置。当进水泵所在的蓄水池内液位低时，液位传感器(设为SL3)会给进水泵一个信号，进水泵自动关闭，同时也会拉响警铃(HA)。
②曝气过程监测装置。当系统正常工作时，曝气池输气指示灯HL1会置于绿色位置，否则就需对鼓风机和DO检测仪进行检查，以排除故障。
③曝气池出水指示灯(HL2)装置。正常出水时指示灯的颜色为绿色，否则就需对出水阀进行检查，或启动手动控制来对出水阀进行控制。
④变频器故障指示灯(设为HL3)装置。当变频器正常工作时，HL3指示灯会置于绿色位置，否则就提示变频出现故障。
3、系统电路图
①电路模块图
系统主要包括了进水泵、鼓风机、变频器、DO检测仪、风速测量仪几个模块，系统电路模块框图如图3所示。
图3 系统电路模块框图
②电路硬件接线图
由于进水泵和鼓风机都由三相交流电机控制，它们的额定电压为380V，其接线图如图4所示。图4中，M1为进水泵电机，M2为主鼓风机电机，M3为备用鼓风机电机。变频器与鼓风机的接线图如图5所示。
图4 主电路接线图
图5 变频器和鼓风机的接线
4、基于PLC的控制系统设计
①PLC的I/O分配
通过对系统控制过程的详细分析以及对主电路接线图、变频器和鼓风机接线图的分析，确定了系统PLC的I/O地址分配，如表1所示。
表1系统PLC的I/O地址分配
地址 符号 内容
数字量输入
I0.0 SB0 总上电按钮
I0.1 SB1 手/自动转换按钮
I0.2 SL1 曝气池高液位传感器(变频器启动)
I0.3 SL2 DO检测仪高液位传感器
I0.4 SL3 蓄水池低液位传感器
I0.5 SB2 进水泵停止按钮
I0.6 SB3 进水泵启动按钮
I0.7 SB4 主鼓风机与备用鼓风机切换按钮
I1.0 SB5 主鼓风机启动按钮
I1.1 SB6 主鼓风机停止按钮
I1.2 SB7 备用鼓风机启动按钮
I1.3 SB8 备用鼓风机停止按钮
I1.4 SB9 曝气池出水阀手动开启按钮
I1.5 SB10 曝气池出水阀手动关闭按钮
I1.6 SB11 变频器停止工作按钮(和故障信号)
I1.7 SB12 变频器复位按钮
I2.0 SB13 警铃复位按钮
数字量输出
Q0.0 KM0 进水泵输出
Q0.1 KM1 鼓风机输出
Q0.2 YV5 曝气池出水阀
Q0.3 KM2 备用风机输出
Q1.0 HL1 曝气池输气指示灯(正常为绿)
Q1.1 HL2 曝气池出水指示灯(正常为绿)
Q1.2 HA 进水泵缺水报警铃
Q1.3 HL3 变频器故障报警指示灯(正常为绿色)
模拟量输入
AOW0 S3 控制变频器的电流信号
②PLC外围接线设计图6为PLC外围接线图(开关量接线图)，图7为PLC外围接线图(模拟量接线图)。
图6 PLC外围接线图(开关量接线图)
图7 PLC外围接线图(模拟量接线图)。
③主程序PLC控制流程图
图8为PLC自动控制部分程序流程，图9为PLC手动控制部分程序流程。
图8 PLC自动控制部分程序流程
图9 PLC手动控制部分程序流程
本文中设计的污水处理溶解氧控制系统以PLC作为核心，借助于PLC强大而灵活的控制功能和变频器优良的变频调速性能，实现了对污水溶解氧的稳定控制，而且增加了系统的灵活性，同时系统可靠性和抗干扰能力也大大提高。
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