pH值控制系統

王 浩

（江蘇省宜興中等專業學校，江蘇 宜興 214200）

pH值控制系統

王 浩

（江蘇省宜興中等專業學校，江蘇 宜興 214200）

1 pH中和過程分析

污水回用處理的整個過程是復雜而又相當系統的一項工作，在這過程之中有液位、流量、壓力等模擬參量需要控制，而且各種設備的工作任務非常多，整個處理過程具有隨機性和時變性。同時污水處理系統種對污水水質的處理要求越來越高，因此污水處理系統對控制要求越來越高。

pH值；分析；控制；污水

pH值是控制污水回用、排放的一個重要指標，在污水處理中對pH值進行有效的控制具有重要意義。pH值是污水中最難控制的一個對象，主要是由于污水處理中的酸堿中和過程呈現嚴重非線性、滯后性以及不確定性。

目前對于模擬量的處理方法有傳統開環控制及閉環控制（即所謂的PID控制）。開環控制的準確性非常低，所以針對于污水處理中pH值在此項目中采用PID閉環控制方式進行處理。

在實際污水處理過程中，pH的中和過程是十分復雜的，一些學者基于物質守恒和化學平衡定律，提出了在連續攪拌反應釜系統（CSTR）中的pH中和過程的動態模型。圖1所示是一個典型的CSTR系統模型。

此系統中污水中酸堿的流量就是控制量。pH變送器采集pH值，即污水處理環節出口的pH值。經數據輸入通道進入控制器，執行系統計算出相應的控制量數據，然后反饋給酸堿計量閥進行相應操作。系統有兩條控制量輸出通道，如果污水呈酸性，控制器就會控制堿計量泵，向反應器中加入適當的堿溶液，直到溶液pH值滿足要求為止；如果污水呈堿性，控制器就會控制酸計量泵，向反應器中加入適當的酸溶液，直到溶液pH值滿足要求為止。同時，系統采集的pH值會傳送至監控中心，監控中心可以隨時查看反應器內pH值。

CSTR控制系統機理模型是建立在溶液完全混合，且處處等溫的條件基礎之上。在實際應用當中，溶液所含成分以及反應器裝置不同，都會導致實際pH中和過程呈現出復雜多變的特性。

在污水處理過程中，除已知特點污水來源類型外，污水的酸堿性在未知的情況下可能時而酸性時而堿性，具有波動性，因此針對這種情況需要酸性試劑和堿性試劑兩種。此外出口污水的流量變化，對于系統的控制會造成很大的干擾，若污水出口流量過大，難以準確控制出水pH值；加入試劑多少，難以精確控制；由于污水中所含的酸堿的成分是比較復雜的，導致對象的反應曲線很難確定，尤其是在pH值為7附近時強酸、強堿或弱酸、弱堿共存時，更難以確定其中和過程的模型；另外，在實際測量、傳輸和控制過程中的延時、干擾、不精確等誤差，都會影響系統控制的實際效果。

2 PID控制系統組成

如圖2所示是最典型的PLC模擬量控制系統的框圖，其中，虛線部分采用PID控制器用來實現模擬量處理。

在此PID系統框圖中，被控量C（t）是連續變化的模擬量，通常PLC能夠直接處理的是數字量，在實際應用當中執行機構往往要求PLC輸出相應的模擬量M（t）。因此在實際控制當中，被控模擬量先通過傳感器和變換器轉換為標準量程的直流電流、電壓信號，利用PLC的模擬量輸入模塊將模擬量轉換成對應的數字量，然后經過PLC計算處理。通過模擬量輸出模塊再將數字量變換成模擬量，輸出到驅動電路，得到了能夠控制執行機構的模擬量。

PID閉環控制系統的原理是負反饋，經過負反饋的控制讓反饋量等于或者接近給定值。

由于在實際應用中，系統難免會有信號的擾動，造成系統的不穩定，采用閉環控制系統能夠讓模擬量被控量無限接近給定值，提高系統穩定性，抑制系統中的各種干擾因素。

3 PID控制器原理

PID控制實際是一種調節方法，現在被廣泛的應用著。PID指的是比例、積分、微分控制。這種技術已經有多年的應用經驗，已經非常成熟。是工業控制中的一項重要技術，最重要的特點是可靠、容易調節。由于本系統當中沒有被控量的精確數學模型，很多時候一些參數就只能依靠經驗及現場的調試來確定。在PID控制技術中，對被調節量不完全了解，系統的一些參數也沒辦法通過測量來獲得，PID技術就變的非常有效了。

被控對象在不同的情況下，PID控制器可以衍生出不同的改進型控制方式，例如PI、PD、帶死區的PID、被控量微分PID、積分分離PID和變速積分PID等。由于近年來科技不斷發展，智能控制技術也已經有非常高的應用率，利用神經網絡與PID相結合的現代控制方法，可以實現PID控制器的參數自整定，這種先進的控制法也離不開PID控制器，使之具有很強的競爭力。

西門子PLC已經為用戶提供了PID控制功能，包括了軟件產品和硬件產品。PID閉環模塊、PID控制指令和PID控制系統功能塊都具有PID參數自整定功能，輕松的實現參數調整，使用也比較簡單。PID控制實際就是對偏差信號e（t）進行比例，積分和微分運算變化后形成的一種規律，見式（1）所示。

其中，KPe（ t ）是比例控制項，KP為比例系數；是積分控制項，Ti為積分時間常數；

Td是微分控制項，Td為微分時間常數.

PID控制在實際應用當中，可以根據情況的不同調整控制策略。

4 PID控制器設計

pH值的PID系統方框圖如圖3所示。系統中首先把設定值與反饋值進行比較，pH值設定值為7，比較結果送入PID控制器，然后通過PID控制器進行PID調節，向試劑泵發出指令，系統通過PID控制器控制是加堿試劑還是加酸試劑，同時控制電動閥的開度，達到控制試劑流量大小的目的，從而控制pH值。

本文所設計的PID控制器包括pH值輸入的采樣、算術平均值濾波法、模擬量輸入規格化、PID計算控制量、模擬量輸出規格化、模擬量輸出。

有些模擬量不需要進行PID計算控制量和濾波，則在OB1中直接調用FC105進行模擬量規格化，供程序使用。

針對本系統中的需要處理的pH值，采用算術平均值濾波法進行處理。此方法可以應用于精度要求不是太高，數據相應速度不需要特別快的處理系統中。本系統主要是針對模擬量信號的瞬間變化對系統造成干擾。

在本平均值濾波程序中，濾波程序FB21對應的DB數據塊有4個靜態變量：#CNT計采樣次數；#SUMS是用來累計每次采樣值的和；#high和#low分別是采樣中的最大值和最小值。

如果#CNT采樣次數小于32，把當前采樣值進行采樣值求和，采樣值和保存在每個通道對應的DB塊靜態區#SUMS變量中，并把當前采樣值與最大值和最小值（#high和#low）比較，決定是否代替原保存的最大值和最小值（#high和#low）；如果#CNT采樣次數小于32，把當前采樣值總和#SUMS去掉最大值和最小值（#high和#low），然后求平均得到濾波值，存濾波值到濾波值數據塊DB101中。

然后通過連續PID控制器FB41，對模擬量進行了PID算法控制。即可達到準確控制模擬量的目的。

本系統是主要是針對光伏企業生產過程中產生的低氟廢水而進行的pH加藥中和系統的設計，用PID閉環控制系統的方式可以使污水中的參數達到系統的控制要求。為了保證排放、回收利用、二級過濾等系統能夠按照要求正常運行工作。

10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.20.248