基于PID恒液位系統在污水處理中的應用

摘 要：文章介紹了恒液位控制系統在污水處理中的應用。該系統基于PID控制利用PLC技術和變頻器技術，來實現污水處理廠污水池的液位基本保持恒定，以滿足污水處理過程中的工藝要求，為整個污水處理系統保持最佳狀態提供條件。

關鍵詞：PID；恒液位；污水處理

引言

隨著變頻器、PLC及儀表技術的發展，在工業生產中液位控制系統得到廣泛應用，尤其污水處理中不同時段來水的差異較大[1]，各個工藝階段一個重要環節就是污水池的液位控制。按照偏差的比例（Proportion）、積分（Integration ）、微分（Differentiation）控制，簡稱PID控制，由于PID控制原理簡單、抗擾動性強、易于實現、適用范圍廣等特點[2]，特別是過程控制中，由于控制對象的數學模型難以建立情況下，常采用PID控制，并根據經驗在線調整。基于PID調節利用變頻器和PLC及儀表來實現恒液位的自動控制，不僅可以實現整個系統的準確性、穩定性、可靠性，減輕運行工人的勞動強度，降低生產運營的成本，而且減少提升水量的忽大忽小對污水處理工藝的沖擊[3]，為生產工藝的調控奠定良好基礎。

1 PID控制規律

式中比例環節成比例反映PID控制系統的偏差信號e（t），PID調節器產生與系統偏差成比例的控制作用，增加控制的快速性，但對穩定性不利。積分環節的控制作用對消除穩態誤差有利，Ti越小，積分速度越快，積分作用越強，反之越弱，但對系統穩定性不利，甚至有可能導致結果不穩定。微分環節的作用時反映偏差信號的變化率，能預見偏差信號的變化趨勢，在系統中加一個早期的修正信號，加快系統的響應速度，減小超調量和超調時間。但如果Td數值挑選不當，控制系統的輸入值會反復振蕩，這導致系統可能無法達到預設值。控制系統的基本要求為穩定性、快速性和準確性，PID參數的調整對控制作用與系統穩定性的影響需綜合衡量。

2 恒液位系統控制要求

污水處理恒液位控制系統需滿足以下要求：（1）將液位計檢測的水池液位值傳輸到PLC，PLC根據設定值，當液位大于設定值時，來提高變頻器的頻率，當頻率提高到一定值仍無法滿足要求，通過開工頻泵使得液位降低；當液位小于設定值時，來降低變頻器的頻率，當頻率降低到一定值仍無法滿足要求，通過停泵使得液位升高。（2）根據污水池液位的設定值和液位的測量實際值進行PID調節；PLC通過模擬量輸出來控制變頻器的頻率，從而控制變頻泵的轉速，以實現液位的基本恒定。（3）系統中變頻泵由變頻器控制，其他工頻泵由電氣軟啟動器控制。

3 恒液位控制策略

恒液位自動控制系統采用多種方式相互補充，操作方式為：自動控制、遠程手動與現場手動。

在水泵使用組合方面，變頻器泵的控制方面，一臺水泵由變頻器控制，液位計將測量的液位值轉換為4-20mA的電流信號，并送到EM231模擬量輸入模塊，PLC依據傳來液位值的大小采用PID調節，由EM232模擬量輸出模塊輸出一個0-20mA的電流信號到變頻器，來控制變頻器的輸出頻率，考慮到泵和揚程的要求，變頻器的輸出的最低工作頻率為20Hz，最大頻率為50Hz。

其他工頻泵的控制，水泵在自動控制的條件下，PLC會根據液位計傳來測量值，首先靠控制變頻器的頻率20Hz～50Hz間輸出來調節，當在這個頻率范圍無法滿足要求時，要通過控制工頻泵的開啟與停止基礎上，再通過調節變頻器輸出頻率來滿足要求，工頻的泵的工作狀態會通過DI口輸入到PLC，并對工作時間進行計時，一旦工頻泵過載或故障，PLC將切換到其他泵工作并報警。為了使延長工頻泵壽命，使其工作時間基本一致，工頻泵采取輪換工作的方式，泵的開啟與停止依據PLC對泵工作時間的多少，開啟時優先開啟工作時間最短的工頻泵，停止時優先停止工作時間最長的工頻泵。

4 恒液位自動控制系統的構建

4.1 PLC的選擇與擴展

根據控制的需求及實際的數字量I/O點數、模擬量I/O點數，DP通信要求，PLC選用西門子S7-200系列，PLC的CPU為S7 226，擴展模塊為EM221、EM222、EM231、EM232、EM277。

4.2 S7-200硬件連接框圖

恒液位控制的硬件框圖如圖1所示，采用EM231模塊做為模擬量的輸入模塊，將液位計輸出的4-20mA電流信號轉換為數字量輸入到PLC，EM232模塊做為模擬量的輸出模塊，將PLC數字量信號轉換為0-20mA信號輸入到變頻器。EM221做為開關量輸入、EM222做為開關量輸出、EM277應用于DP通信。

4.3 泵的控制模式

泵的組合方式為：4臺軟啟控制4臺工頻泵，軟啟為ABB PS S 105/181-500L，當軟器啟啟動完后切換到有工頻電直接對泵進行供電，1臺變頻器控制1臺變頻泵，變頻器為ABB ACS510。對4臺軟啟泵根據是否參與自動控制，可以對其進行設定。

5 結束語

該系統基于PID控制原理，應用西門子PLC的PID控制指令，對水池液位進行恒定控制，對控制系統進行分析，并設計了實際系統框架，對主要設備進行了選型，系統實際運行值和目標設定值很小，達到了預期目的，具有一定的實際應用參考價值。

參考文獻

[1]盧威.恒液位控制系統在變頻器中的應用[J].中國石油和化工標準與質量，2008，5：90.

[2]徐麗，馬成玲.液位PID控制系統的設計[J].電子測試，2011，6：94-95.

[3]魏炎光.變頻技術在城市污水處理廠生產控制中的應用[J].漳州師范學院學報，2005，2：74-75.

作者簡介：彭紅濤（1979-），男，河南濮陽縣人，碩士研究生，研究方向：智能控制與計算。