【正文】 由工業(yè)微型計算機(jī)、輸入, 輸出設(shè)備、保護(hù)及抗干擾隔離電路等構(gòu)成的微機(jī)控制裝置，具有順序、周期性工作的特征，從應(yīng)用角度看可編程控制器具有如下特點(diǎn)：可靠性高：由于可編程控制器的輸入, 輸出端口均采用繼電器或光電耦合器件，采取了隔離和抗干擾措施，使其具有很高的抗干擾能力，因而能在惡劣環(huán)境下可靠工作。通用性好：由于可編程控制器采用模塊化結(jié)構(gòu)，一般有CPU 模塊、電源模塊、PID模塊、模擬輸入和輸出模塊等，可以用這些模塊靈活的組成各種不同的控制系統(tǒng)，對不同的控制系統(tǒng)，只需選取不同的模塊即可，因而具有很好的適用性?；诳删幊炭刂破鞯纳鲜鰞?yōu)點(diǎn)能夠適應(yīng)和滿足污水處理氧化溝的運(yùn)行要求，根據(jù)工業(yè)污水處理系統(tǒng)的電氣控制系統(tǒng)的功能要求，以及其復(fù)雜程度，從經(jīng)濟(jì)性、可靠性等方面來考慮，選擇西門子 S7—200 系列 PLC 作為工業(yè)污水處理系統(tǒng)的電氣控制系統(tǒng)的控制主機(jī)。CPU224 在工業(yè)污水處理系統(tǒng)中使用的數(shù)字量輸入點(diǎn)和輸出點(diǎn)都比較多，西門子公司專門為 S7—200 系列 PLC 配置了模擬量輸入輸出模塊 EM235，該模塊具有較高的分辨率和較強(qiáng)的輸出驅(qū)動能力，可滿足控制系統(tǒng)的功能要求。由于其具有極高的性價比，在以下幾方面都有優(yōu)越的表現(xiàn)：極高的可靠性、程序易于掌握，實(shí)時特性功能、編程語言指令豐富，操作簡便，有豐富的擴(kuò)展功能。PLC為核心控制器，通過檢測操作面板按鈕的輸入，流速傳感器的輸入，溶氧儀模擬量的輸入完成曝氧機(jī)運(yùn)行，停止和調(diào)速。第3章 污水處理氧化溝曝氧機(jī)控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計 本設(shè)計的硬件部分主要由可編程控制器（PLC）、變頻器、傳感器與曝氧機(jī)的控制以及報警電路五部分組成，其系統(tǒng)控制電路圖見附錄Ⅰ。它按照PLC 系統(tǒng)程序賦予的功能接收并存儲從編程器鍵入的用戶程序和數(shù)據(jù)：檢查電源、存儲器、I/O 以及警戒定時器的狀態(tài)，并能診斷用戶程序中的語法錯誤，當(dāng)PLC 投入運(yùn)行時，首先它以掃描的方式接收現(xiàn)場各輸入裝置的狀態(tài)和數(shù)據(jù)，并分別存入I/O 映象區(qū)，然后從用戶程序存儲器中逐條讀取用戶程序，經(jīng)過命令解釋后按指令的規(guī)定執(zhí)行邏輯或算數(shù)運(yùn)算的結(jié)果送入I/O 映象區(qū)或數(shù)據(jù)寄存器內(nèi)。為了進(jìn)一步提高PLC 的可靠性，靈活性，近年來對大型PLC 還采用雙CPU 構(gòu)成冗余系統(tǒng)，或采用三CPU 的表決式系統(tǒng)。存儲器（Memory）可編程控制器的控制中樞，在系統(tǒng)監(jiān)控下工作，承擔(dān)著將外部輸入的信號的狀態(tài)寫入映像寄存器區(qū)域，然后將結(jié)果送到輸出映像寄存器區(qū)域。小型PLC的CPU多采用單片機(jī)或?qū)Ｓ玫腃PU?；綢/O接口電路（1）輸入接口單元。輸入電路通常以光電隔離和阻容濾波的方式提高抗干擾能力，~15ms之間。一種是直流輸入，一種是交流輸入。PLC輸出電路用來將CPU運(yùn)算的結(jié)果變換成一定形式的功率輸出，驅(qū)動被控負(fù)載（電磁鐵、繼電器、接觸器線圈等）。在繼電器式輸出中，CPU可以根據(jù)程序執(zhí)行的結(jié)果，使PLC內(nèi)設(shè)繼電器線圈通電，帶動觸點(diǎn)閉合，通過繼電器閉和的觸點(diǎn)，由外部電源驅(qū)動交、直流負(fù)載。但存在動作速度較慢，且為有觸點(diǎn)系統(tǒng)，使用壽命有限等問題。晶閘管輸出型CPU通過光耦電路的驅(qū)動，使雙向晶閘管通斷，可以驅(qū)動交流負(fù)載；晶體管輸出型CPU通過光耦電路的驅(qū)動，使雙晶體管通斷，驅(qū)動直流負(fù)載。以上列舉了六類輸入和輸出電路形式，各類PLC產(chǎn)品的輸入、輸出電路結(jié)構(gòu)形式均有所不同，但光耦隔離及阻容濾波等抗干擾措施是相似的。其中模擬量I/O要經(jīng)過A/D，D/A轉(zhuǎn)換電路的處理，轉(zhuǎn)換成計算機(jī)系統(tǒng)所能識別的數(shù)字信號，在整體機(jī)構(gòu)的PLC中，有開關(guān)量的交，直流I/O模塊，和模擬量I/O模塊及各種智能I/O模塊可供選擇。接口電路PLC接口電路分為I/O擴(kuò)展接口電路和外設(shè)通信接口電路兩類（1）I/O擴(kuò)接口電路I/O擴(kuò)展接口電路用連接I/O擴(kuò)展單元，可以用來擴(kuò)充開關(guān)量I/O點(diǎn)數(shù)和增加模擬量的I/O端子。根據(jù)被控制對象對PLC控制系統(tǒng)的技術(shù)和要求，確定用戶所需的輸入、輸出設(shè)備，據(jù)此確定PLC的I/O點(diǎn)數(shù)。PLC通過PC/PPI電纜或使用MPI卡通過RS485接口和電纜與計算機(jī)連接，可以實(shí)現(xiàn)編程、監(jiān)控、聯(lián)網(wǎng)等功能。當(dāng)輸入端子為非干接點(diǎn)結(jié)構(gòu)時，為外部輸入元件提供24V直流電源（僅供輸入點(diǎn)使用）。微機(jī)一般采用等待命令的工作方式。PLC則采用循環(huán)掃描工作方式，在PLC中，用戶程序按先后順序存放。如此周而復(fù)始不斷循環(huán)。整個工作過程分為5個階段：自診斷，與編程器、計算機(jī)等的通信，輸入采樣，用戶程序執(zhí)行，輸出結(jié)果，其PLC工作過程圖如圖33所示。自診斷內(nèi)容為I/O部分、存儲器、CPU等，發(fā)現(xiàn)異常停機(jī)顯示出錯。②PLC檢查是否有與編程器和計算機(jī)的通信請求，若有則進(jìn)行相應(yīng)處理，如接收由編程器送來的程序、命令和各種數(shù)據(jù)，并把要顯示的狀態(tài)、數(shù)據(jù)、出錯信息等發(fā)送給編程器進(jìn)行顯示。③PLC的中央處理器對各個輸入端進(jìn)行掃描，將輸入端的狀態(tài)送到輸入狀態(tài)寄存器中，這就是輸入采樣階段。⑤當(dāng)所有的指令執(zhí)行完畢時，集中把輸出狀態(tài)寄存器的狀態(tài)通過輸出部件轉(zhuǎn)換成被控設(shè)備所能接受的電壓或電流信號，以驅(qū)動被控設(shè)備，這就是輸出刷新階段。PLC與繼電接觸器控制的重要區(qū)別之一就是工作方式不同。而PLC是以反復(fù)掃描的方式工作的，它是循環(huán)地連續(xù)逐條執(zhí)行程序，任一時刻它只能執(zhí)行一條指令，這就是說PLC是以“串行”方式工作的。 PLC的選型當(dāng)某一個控制任務(wù)決定由PLC完成后，選擇什么樣的PLC就是最重要的。對第一個問題，首先要對控制任務(wù)進(jìn)行詳細(xì)的分析，把所有的I/O點(diǎn)找出來，包括開關(guān)開關(guān)量1/0和模擬量I/O以及這些I/O點(diǎn)的性質(zhì)?？刂葡到y(tǒng)輸出點(diǎn)的類型非常關(guān)鍵，如果它們之中既有交流220V的接觸器、電磁閥，又有直流24V的指示燈，則最后選用的PLC的輸出點(diǎn)數(shù)有可能大于實(shí)際點(diǎn)數(shù)。這樣有可能造成輸出點(diǎn)數(shù)的浪費(fèi)，增加成本。一般情況下繼電器輸出的PLC使用最多，但對于要求高速輸出的情況，如運(yùn)動控制時的高速脈沖輸出，就要使用無觸點(diǎn)的晶體管輸出的PLC了。對第二個問題，則有以下幾個方面要考慮：①功能方面：所有PLC一般都具有常規(guī)的功能，但對于某些特殊要求，就要知道所選用的PLC是否有能力完成控制任務(wù)。②價格方面：不同廠家的PLC的PLC產(chǎn)品價格相差很大，有些功能類似、質(zhì)量相當(dāng)、I/O點(diǎn)數(shù)相當(dāng)?shù)腜LC的價格能相差40%以上。通過對系統(tǒng)原理及控制要求分析可知，結(jié)合系統(tǒng)的控制電路圖（見附錄Ⅰ）可知：在氧化溝曝氧機(jī)控制系統(tǒng)中我選用的是S7200 CPU 224。S7200系列的強(qiáng)大功能使其無論在獨(dú)立運(yùn)行中，或相連成網(wǎng)絡(luò)皆能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜控制功能。S7200 CPU將微處理器、集成電源、輸入電路和輸出電路集成在一個緊湊的外殼中，從而形成了一個功能強(qiáng)大的Micro PLC。在下載了程序之后，S7200將保留所需的邏輯，用于監(jiān)控應(yīng)用程序中的輸入輸出設(shè)備。S7200 CPU 最多可以支持 8 個 PID 控制回路（8 個 PID 指令功能塊）。 PID 控制器根據(jù)設(shè)定值（給定）與被控對象的實(shí)際值（反饋）的差值，按照 PID 算法計算出控制器的輸出量，控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)去影響被控對象的變化。 PID控制器具有算法簡單，魯棒性好和可靠性高的特點(diǎn)。（1）PID控制器的結(jié)構(gòu)設(shè)計常規(guī)的PID控制系統(tǒng)原理圖如圖 1所示： 圖 PID 控制系統(tǒng)原理圖比例環(huán)節(jié) ( P ) : 成比例地反映控制系統(tǒng)的偏差信號 e( t)，偏差一旦產(chǎn)生， 控制器立即產(chǎn)生控制作用， 以減小偏差。積分作用的強(qiáng)弱取決于積 分時間常數(shù)T， T越大，積分作用越弱，反之則越強(qiáng)。（2）PLC實(shí)現(xiàn)PID控制的方式用PLC對模擬量進(jìn)行PID控制大致有如下幾種方法:1)使用PID過程控制模塊這種模塊的PID控制程序是PLC 廠家設(shè)計的, 并放在模塊中, 用戶使用時只需要設(shè)置一些參數(shù), 使用起來非常方便。如S7 200的PID指令。（3）PLC中PID控制器的實(shí)現(xiàn) PLC的PID控制器的設(shè)計是以連續(xù)的PID控制規(guī)律為基礎(chǔ), 將其數(shù)字化, 寫成離散形式的PID方程, 再根據(jù)離散方程進(jìn)行控制程序的設(shè)計。圖中sp ( t) 是給定值, p v ( t) 為反饋量, c( t) 為系統(tǒng)的輸出量,PID控制器的輸入輸出關(guān)系如式1 所示:式中: M ( t)為控制器輸出, M 0 為輸出的初始值,e( t) = sp ( t) p v ( t) 為誤差信號。 連續(xù)閉環(huán)控制系統(tǒng)方框圖假設(shè)采樣周期為TS, 系統(tǒng)開始運(yùn)行的時刻為t = 0,用矩形幾分來近似精確積分, 用差分近似精確微分, 將式1 離散化, 第n 次采樣時控制器的輸出為:式中: en 為第n 次采樣時的誤差值, K I 為積分系數(shù), KD為微分系數(shù)。 PLC閉環(huán)控制系統(tǒng)方框 變頻器的選型考慮到目前變頻器價格較貴，在氧化溝污水處理廠中，可以將一部分曝氣轉(zhuǎn)刷裝上變頻器，其余的曝氣轉(zhuǎn)刷仍按額定轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)，根據(jù)近年來部分污水處理廠的使用經(jīng)驗，變頻器產(chǎn)品質(zhì)量應(yīng)得到保證。它能實(shí)現(xiàn)交流異步電機(jī)的軟起動、變頻調(diào)速、提高運(yùn)轉(zhuǎn)精度、改變功率因素、過載保護(hù)等功能。在滿足生產(chǎn)機(jī)械要求的前提下，變頻器容量越小越經(jīng)濟(jì)。必要時進(jìn)行過載能力和起動能力的校驗。根據(jù)控制功能來分類的話，變頻器可分3種類型：普通功能型的V/F控制變頻器、具有轉(zhuǎn)矩控制功能的高功能型V/F控制變頻器和矢量控制的高性能變頻器。 傳感器選擇流速的測量我選擇的是TFT32超聲波液位計/多功能變送器，格萊公司TFT32超聲波液位計能連續(xù)測量、顯示、傳送和控制罐或泵站中的液位。通常超聲波傳感器探頭安裝在罐頂，超聲波變送器安裝在附近方便的地方。 TFT32用面板上的兩個鍵進(jìn)行組態(tài)，很容易對測量的液位進(jìn)行現(xiàn)場組態(tài)。繼電器狀態(tài)在顯示器上能顯示。 同時，TFT32變送器還可接受多種信號：4—20mA電流、電壓、RS232/485等，并且可以與上位機(jī)以總線形式連接通信，使用它很容易把現(xiàn)場所有變送器都連接至總控室。廣泛應(yīng)用于污水處理中，活性污泥池中通過氧的測量和調(diào)節(jié)以便在生物降解過程中達(dá)到高效。 。5. 標(biāo)定數(shù)據(jù)儲存在傳感器中由于變送器使用數(shù)字通信，EMC防護(hù)等級高 維護(hù)間隔時間長，長期穩(wěn)定性好。 變頻器與曝氧機(jī)的電路連接變頻器用于曝氣轉(zhuǎn)刷的自控中, 通過調(diào)節(jié)曝氣轉(zhuǎn)刷的轉(zhuǎn)速, 實(shí)現(xiàn)氧化溝需氧量與充氧量的最佳匹配, 在保證出水水質(zhì)的同時, 可以最大限度的降低能耗。全面介紹了在實(shí)際應(yīng)用中曝氣轉(zhuǎn)刷的三種控制方式, 其中計算機(jī)系統(tǒng)自動控制方式中的變頻調(diào)速控制可以實(shí)現(xiàn)節(jié)能。在使用氧化溝作為污水處理工藝的城市污水處理廠中, 曝氣轉(zhuǎn)刷的能耗占總能耗的 40% 左右, 因而, 降低曝氣轉(zhuǎn)刷的能耗能取得明顯的經(jīng)濟(jì)效益。相當(dāng)多的氧化溝污水處理廠由于種種原因并沒有設(shè)置變頻調(diào)速, 在這種情況下, 當(dāng)需要降低 DO 值時, 就通過減小曝氣轉(zhuǎn)刷的浸深或運(yùn)行臺數(shù), 除造成能量的浪費(fèi)外, 還可能導(dǎo)致出水水質(zhì)的不穩(wěn)定。 DO 值過高, 則不僅會增加能耗, 同時也會造成混合液絮體分散和破碎, 使二沉池的固液分離發(fā)生困難。因而, 在采用氧化溝工藝的污水處理廠的自動控制中, 采用變頻器對曝氣轉(zhuǎn)刷進(jìn)行變頻調(diào)速, 使之根據(jù) DO 值的變化在一定范圍內(nèi)( 35 rpm~ 75 rpm) 降低或提高曝氣轉(zhuǎn)刷的轉(zhuǎn)速, 不僅能保證良好的污水處理效果, 而且還有顯著的節(jié)能效果。本文擬通過對氧化溝轉(zhuǎn)刷的變頻控制進(jìn)行論述和實(shí)例分析, 以提請工藝設(shè)計師和污水處理廠管理者重視。A、B、C 3 點(diǎn)處對應(yīng) 3個轉(zhuǎn)速 n A、nB 、n C,但轉(zhuǎn)矩相等。電動機(jī)的啟動電流小,即實(shí)現(xiàn)軟啟動。工藝專業(yè)工程師常采用單速或雙速驅(qū)動電機(jī),忽略了調(diào)頻節(jié)電的經(jīng)濟(jì)效果。性質(zhì)的負(fù)載,即負(fù)載轉(zhuǎn)矩 M 與轉(zhuǎn)速 n 的平方成正比:M = Kn 2式中: K 為比例系數(shù)。由于曝氣轉(zhuǎn)刷的軸功率是負(fù)載轉(zhuǎn)矩與角速度的乘積,而曝氣轉(zhuǎn)刷的負(fù)載轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速成平方關(guān)系,因此曝氣轉(zhuǎn)刷的軸功率P與轉(zhuǎn)速n的3次方成正比:P = Dn 3式中: D 為比例系數(shù)。曝氣轉(zhuǎn)刷的臺數(shù)設(shè)置,總是考慮理論需氧量,并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行功率的選配。當(dāng)氧化溝中混合液溶解氧量過高,需要減小曝氣量時,通常的控制方法是降低可調(diào)式溢流堰,減小曝氣轉(zhuǎn)刷的浸深。 （4）變頻調(diào)速的節(jié)能效果 如上所述,采用變頻調(diào)速后,當(dāng)實(shí)際需求氧量較少時,通過調(diào)低曝氣轉(zhuǎn)刷的轉(zhuǎn)速,曝氣轉(zhuǎn)刷的軸