基于PLC的智能工业污水pH值调节系统设计.pdf

第4期机电技术机电技术基于基于PLC的智能工业污水的智能工业污水pH值调节系统设计值调节系统设计程千晟吴淑娟（闽西职业技术学院，福建 龙岩 364000）摘要为响应国家生态文明建设号召，针对工业企业污水排放指标要求，提出一种可以对工业污水pH值进行智能中和调节的控制系统。该系统根据工业污水排放特点，建立合适的系统整体框架，阐述所需设备情况，建立PLC控制系统硬件连接关系；根据酸碱中和反应特点，设定合理PID控制算法和MCGS人机交互界面，能够有效进行污水pH值中和调节功能。关键词工业污水；PLC；pH值；控制系统中图分类号：X703；TP273文献标识码：A文章编号：1672-4801（2023）04-033-04DOI：10.19508/ki.1672-4801.2023.04.011作者简介：程千晟（1993），男，助教，硕士，主要从事机电一体化研究。当前，随着经济发展，社会生产需求不断提高，企业产能不断加大，企业在生产过程中产生的污水也日益增加。同时在国家生态文明建设的背景下，企业生产产生的污水需要经过一系列处理后达到标准要求后进行后续排放处理，以及尽可能实现循环利用的要求。因此，对工业污水的净化处理要求相对较高，其中污水pH值的控制至关重要。根据有关规定，pH值应该控制在6.68.5之间，对于过酸和过碱的废水，需要加以处理1-3。当前迫切需要一种针对企业污水pH值处理的智能调节系统。本文结合工业生产工艺要求以及日益成熟的PLC技术，建立了一套基于PLC的适用于企业污水pH值处理的智能调节系统，可实现精准检测pH值以及人性化的实时检测界面，对于降低污水处理成本、改善自然环境、建设可持续发展社会、保持经济高速发展都具有重大意义。1智能工业污水pH值调节系统功能和组成1.1系统功能如图1所示，该系统主要由一个碱液池、一个酸液池、一个污水中和处理池和一个后续处理池四个部分组成，中间搭载所需要的泵、阀、液位传感器、pH值传感器、指示灯以及PLC和触摸屏等相应设备。主要功能可概括为以下几点：1）碱液池主要装放中和反应所需的碱性物，池中安装液位传感器，当池中碱性溶液容量低于下限时，低位指示灯1亮起报警，同时要求碱液补充阀开启，进行碱液补充。当池中碱性溶液达到设定容量时，关闭碱液补充阀，低位指示灯熄灭。当需要碱性溶液进入中和池时，先开启碱液输出阀，同时启动碱液输出泵。碱液输出泵由变频器控制，根据中和池中实时pH值的情况通过PID自动控制调整碱液输出泵输出频率，从而达到设定目标pH值。碱液流量计主要用于检测实时流入中和池的碱性液体容量，形成反馈机制，使得pH值调节更加精准。2）酸液池的功能和设备控制逻辑要求均与碱液池一致。3）污水中和处理池主要为中和反应池，酸碱溶液以及污水未处理液均进入该池。初始时，液.#LG#L#.#B8#G#B8#.#ELG#EL.#GAG#GA#LE#EL5*G#.#3+/&/&/&/&3/&AE图1智能工业污水pH值调节系统框图332023年8月机电技术机电技术位传感器3检测反应池液体容量，当液体容量低于下限时，低位指示灯3亮起，污水补充阀打开补充未处理污水。当达到设定处理容量时，关闭污水补充阀。pH 值传感器实时检测当前溶液 pH值，通过RS485通信将数据传送给PLC，用来实现PID调控。PLC根据检测到的pH值数据，首先判断需要的中和溶液，然后开启对应的输出阀和调节泵；再通过PID算法，调节对应变频器频率，使得实时pH值精准达到设定目标值。同时在调节过程中，打开搅拌泵，使得中和反应充分均匀，提高调节精准度。在整个pH值中和调节过程中，要求工作指示灯亮起，调节完成后，工作指示灯熄灭。4）当污水中和处理池溶液pH值达到设定要求后，开启输出阀和输出泵，将pH值处理后的溶液送入后续处理池。后续处理池功能可以根据需要再进行扩展补充控制，如用作沉淀池、过滤池等，需要的控制设备在后续也均可以加入本系统中来进行联合调控。因此本系统设计上预留扩展功能，提高系统的扩展性。5）整个系统框架所需要的泵、阀、指示灯等均由PLC进行控制，液位传感器、流量传感器和pH值传感器均采用 Modbus协议实现 RS485通讯的方式进行读取，并且设定人机控制界面，提高系统的灵活性和可操作性。1.2系统组成根据上述控制内容要求，本系统需要控制的输出设备较多，因此需要输出点数较多的PLC且具备RS485通讯功能，故采用台达DVP32ES200T型号的PLC作为主控制器，实现对各个输出设备的控制，以及各传感器的输出采集功能。同时利用MCGS触摸屏作为人机控制界面，实现具体调节参数的设定、中和过程中监视各设备的工作状态，各设备的独立控制、以及关键数据pH值数据曲线的实时显示等功能。其中，三个液位传感器用于检测酸碱池以及中和反应池的液位情况，pH值传感器用于检测中和反应池中液体的实时pH值，两个流量计分别用于检测酸碱调节过程中流过的液体流量大小。所用传感器均采用RS485通讯来读取数据。酸碱输出泵的控制涉及对pH值进行PID调控，因此采用两个变频器控制，变频器控制方式采用RS485通讯控制，要求能够根据pH值实时来调节输出泵转速。输出泵和搅拌泵均无转速控制要求，因此采用继电器加接触器的方式直接由PLC输出口进行控制。所需多个输出阀和指示灯均直接采用PLC输出口进行控制。设定两个按钮开关作为系统开启和停止，连接PLC输入口。具体系统硬件组成连接图如图2所示。2pH值中和调控原理2.1酸碱中和反应分析E3/&FEEG#L.#ELG#ELL.#L#3+.#GAG#GA.NGN.E#GE#5+#E#ELE#5+/&/&/&/&3535!0&*6-#+M+MA+M3+M图2系统组成图如图3所示为在HCL中加入NaOH滴定实验曲线图，在酸中加入碱的中和过程中，pH值在49附近范围上有个突变阶段，即在该阶段加入少许碱就能使溶液中的pH值大范围波动。而在前后阶段需要加入的碱溶液较大才会引起pH值较小的波动4-5。同理，在碱性溶液中加入酸进行滴定实验，依然出现类似图3曲线的突变阶段。因此，酸碱中和调节过程中，pH值的变化不是根据加入量呈线性关系，要想达到设定的理想中和值，需要建立反馈控制调节系统，能够根据pH值的变化特点，调整加入的酸碱量，进而实现精确的pH值中和调控。图3强碱滴定实验曲线34第4期2.2酸碱中和反应控制策略根据上文1分析，本文采用PID调控方式来实现酸碱中和反应pH值的调节控制。在工业控制过程中，一般采用连续控制系统的理想PID模型为：u(t)=Kp e(t)+1Ti0te(t)dt+Tdde(t)dt（1）式中：u(t)为PID控制系统输出；e(t)为PID控制系统输入；Kp为系统比例参数；Ti为系统积分参数；Td为系统微分参数。具体系统酸碱中和 pH值 PID调控实现方式如图4所示，首先在触摸屏上设定目标pH值，存入PLC寄存器中，目标值和PLC读取的实时pH值进入比较环节计算，得到PID控制系统的输入信号，之后通过触摸屏设定三个参数（比例、积分、微分），在PLC中进行PID算法计算，得到所需变频器输出的频率大小，通过PLC通信方式直接改变变频器输出频率寄存器的值，从而改变输出泵的转速。再通过传感器读取实时pH值与目标pH值不断重复计算调整，使得最终pH值达到设定目标值，程序结束6-7。-S+NEN),0,S+S+G.E#图4PID调控实现方式3系统软件控制流程设计根据系统功能要求，各设备具有手动控制程序、各传感器数据采集程序、以及设定的pH值调节系统自动运行主程序等。其中主程序流程图如图5所示，由酸/碱水池液位控制子程序、数据采集程序、pH值中和控制子程序、输出子程序、异常报警子程序等部分组成。当开启自动运行主程序时，多个子程序同时自动运行，完成自动调节pH值功能。本文重点分析pH值中和控制子程序，其控制流程如图6所示。该流程图表示进入子程序后，起初根据液位传感器数据判断反应池中的污水容量，不够时进行补充。当达到污水容量要求时，进入pH值调节步骤。第一步先根据实时pH值数据LLL35GL8G#0.#0A03+0*$#05图5主程序流程框图B+pH0#B+.#PID0GLpHL#pH-LE.#EL#/&/&B+G#PID0GLpHG#EL#/&LELLPID0L#L/&05LL/&L#图6pH值中和控制子程序判断污水的pH值在设定标准区间的哪个位置，小于设定区间值（过酸），则开启碱液输出阀，启动碱程千晟 等：基于PLC的智能工业污水pH值调节系统设计352023年8月机电技术机电技术参考文献：1 罗含伟.基于PLC污水处理厂的pH值自动控制系统设计与研究J.云南化工，2019，46（9）：75-76，79.2 刘晓彤.基于专家PID算法的污水处理pH值中和控制策略研究J.科技与创新，2020，152（8）：29-30，32.3 王永乐.基于PLC工业废水处理系统的设计J.电子元器件与信息技术，2017（2）：66-68.4 李晓羽，马学文，王继男.炼油厂污水pH值控制方法研究J.辽宁化工，2016，45（10）：1353-1355.5 王浩.pH值控制系统J.山东工业技术，2016，226（20）：282-283.6 孟维娜.PLC系统在某改建污水处理厂的应用J.山西化工，2021，41（1）：158-160.7 苏静，王灿，王志刚，等.工业废水处理中类芬顿工艺进展研究J.化肥设计，2022，60（5）：13-17，37.8 陈经艳.基于PLC和触摸屏的变频恒压供水控制系统设计J.软件，2022，43（3）：23-25.性泵 PID 控制程序，开启搅拌泵和工作指示灯。利用采集回来的实时pH值不断反馈进入PID程序，进而实现精准控制。同时，反馈回来的pH值，另外一路给到第一步的pH值区间判定，用于判断达到合格后停止调节功能。同理，当pH值大于设定区间值（过碱），则开启酸性输出阀，以及进入酸性泵 PID 调节。当 pH 值在设定区间值（符合要求），则关闭各输出阀、停止 PID 程序、关闭指示灯、搅拌泵，程序结束。4系统MCGS人机界面设计系统采用MCGS触摸屏进行人机交互技术控制。实现对PLC程序的监测、参数的设定、按键控制等操作功能8。总共设计五个控制界面，分别是：主监视界面、手动控制界面、实时pH值曲线界面、报警界面、参数设定界面。其中，主监视界面主要用于整个控制系统设备的虚拟体现，能够直观检测到当前设备的工作情况。同时能够以动画的形式，真实反映设备状态。该界面还能实时监测当前pH值的大小和酸碱流量数据大小，是整个控制系统界面的核心。主监视界面的设计如图7所示。图7主监视界面其他四个界面的设计如图8所示，手动界面主要用于对设备的单独控制，通过按键控制开启与关闭。实时pH值曲线界面的主要用于直观展示反应池中 pH 值的变化曲线，方便调节 PID 参数。参数设定界面主要用于系统功能参数的输入。报警界面主要是记录系统报警事件。图8手动控制界面、实时pH值曲线界面、报警界面、参数设定界面5结束语本文设计的一套针对工业污水pH值的中和调节系统，具有较强的可靠性和使用性。系统能够根据污水的pH值大小，自动检测加入所需的酸碱溶液进行中和反应并充分搅拌。系统还根据酸碱中和反应特点，设计PID调控方式，使得调节系统精准度更好，响应时间更快，处理效率更高。系统搭载的MCGS触摸屏界面，能够有效的进行相关参数的设定、设备运行情况的监视和控制，大大提高了系统的可操作性和虚实结合的可监控性。该系统能够有效解决工业污水排放pH值处理要求，对提高企业生产效率和生态文明建设具有重要意义。36