基于PLC的沉淀池PAC全自动投加系统设计及实施方案

2024年3月9日发(作者：迈锐宝xl到底能不能买)

基于PLC的沉淀池PAC全自动投加系统设计及实施方案

摘要：通过在PLC（可编程序控制器）内建立小型数据库，内置PAC（聚合氯化铝）投加控制曲线，以开环控制和闭环控制相结合的方式，实现在进厂水流量和浊度不断变化的情况下，控制系统实时自动计算并调整PAC（聚合氯化铝）投加量，使沉淀池始终保持较好的絮凝沉淀效果，沉淀池出水在长时间无人干预的情况下保持优质和稳定。

关键词：生产自动化；PLC；开环控制；闭环控制；沉淀池；

一、引言

在自来水厂地表水生产工艺中，沉淀池PAC全自动投加控制一直是技术难点，以致全国范围内大多数水厂都采用手动方式控制PAC投加。手动投加使得沉淀池运行严重依赖人工干预，而人工操作误差大，响应时间长，对操作人员经验和责任心要求高，尤其对于近年来流行的高密度沉淀池，其对于PAC投加的精确性和调整响应时间提出了更高要求，实现PAC全自动投加十分必要。部分水厂在建设初期也尝试采用全自动解决方案，例如采用沉淀池出水浊度或游动电位仪作为实测输入参数的闭环控制系统，但在使用过程中，以上控制方式由于其理论缺陷或不能有效修正加药泵的机械误差等因素，造成加药量时常出现反方向漂移或频繁较大波动，尤其在进厂水质频繁波动的雷雨季节更为明显，无奈之下不得不回到手动控制方式。

而采用进水流量和沉淀池进水浊度同时作为实测输入参数，建立投加曲线数据库，将开环控制和闭环控制相结合的方案，可以有效解决理论缺陷和机械误差的干扰，实现连续稳定和精确的PAC全自动投加。

二．设计思路及控制原理

（一）恒定投加率的控制系统

要实现PAC全自动投加的第一步就是要建立一个可以恒定投加率的控制系统。投加率是实现精确投加的重要中间参数，其含义为：每单位升（L）的原水中，PAC的投加量（mg），其实际数值与进厂水瞬时流量以及PAC投加瞬时流量相关，其计算公式为：

投加率=

由公式可知在进水流量和PAC溶液参数已知的情况下，通过调节PAC投加流量就能控制投加率的大小，而在需要的投加率已知的情况下，也可通过上述公式计算出对应的PAC投加流量。

全自动投加系统首先应当具备这样的功能，当我们设置一个投加率参数的时候，系统会根据进水流量值自动计算出合适的PAC投加流量，并通过有效的控制方式调节实际的PAC流量使得其无限接近理论计算值，这样就可以在进水流量不断变化的时候始终保持一个固定的PAC投加率。要完成以上功能，基于PLC内建PID指令的闭环控制方式可以很好的实现，并且可以有效消除机械误差。

（二）投加率的自动设置。

要想真正实现PAC投加全自动化，系统必须能够根据当前水质情况自动设置投加率。理论和长期的实践经验告诉我们，在保证好的絮凝沉淀效果的前提下，沉淀池进水浊度和PAC投加率是具有分段线性关系的，只要我们掌握这种分段线性的关键点，并建立一个数据库把它保存起来，系统检测到实际的沉淀池进水浊度，再把检测值在数据库中计算比对，就能得到当前最佳的投加率，系统随后自动设置并执行这个投加率，那么PAC全自动投加的控制就得以完成。建立小型数据库，并对比计算输出结果，基于PLC的开环控制可以实现。这样就组成了一个以开环控制为主，闭环控制为辅的控制系统。

三．控制系统实施方案

（一）硬件系统的构建及工作过程

如下图所示：

（图1）

图1是一套单个沉淀池实现PAC全自动投加的最简硬件配置，其包含了：PLC、变频器、计量泵、PAC投加流量计、进水流量计、沉淀池进水浊度仪。其中所有水质传感器和被控设备都通过数据线与PLC连接，PLC主要执行数据采集、分析及输出控制等工作，实现自动投加率设置所需的数据库也建立并保存在其内部存储器中。将上述设备按照相关规范进行安装、数据线连接和配电之后，在整个PAC投加过程中以上设备按照以下原理工作：首先是沉淀池进水浊度仪检测到进入沉淀池的原水的浊度，并将检测值反馈给PLC，PLC收到浊度值后将其同数据库中的数据对比，得出当前原水浊度最合适的投加率，随后PLC将得到的投加率同进水流量计反馈的进水流量值按照公式计算，得出满足当前投加率所需PAC投加流量的理论值，此过程连续执行且不断重复，每次执行过程花费时间低于0.1秒，此时开环控制流程结束。随后PLC将PAC投加流量的理论值和PAC投加流量计检测到的实际流量值进行对比，并将数据置于其内置的PID控制函数中进行计算，并将计算结果用于控制变频器的频率输出，变频器输出频率越高，计量泵运行越快，投药流量也越大，反之则越小，PLC通过不断的调整变频器频率，使得实际流量值不断接近于理论值的大小，并进入一个相对稳定状态，这样就实现了对于投药流量的闭环控制过程，并最终达到精确控制投加率的目的。

（二）软件部分—PLC控制程序

PLC的程序是整个控制系统的灵魂，只有准确而高效的程序才能使得PLC控制硬件安照规定的方式准确执行相关操作，以美国AB公司的1769系列PLC为例，要实现系统的功能，首先必须正确连接输入输出信号电缆，然后使用编程终端连接好PLC，用RSLogix5000软件上载并打开程序项目文，在控制器标签中添加以下数据

标签名称

数据类型及元素数量

标签含义

X

INT[10]

数据库浊度存储标签

Y

INT[10]

数据库投加率存储标签

X1

INT

浊度低值运算标签

X2

INT

浊度高值运算标签

Y`1

INT

投加率低值运算标签

Y2

INT

投加率高值运算标签

NTU

REAL[2]

进水浊度运算标签

Yright

BOOL

Y录入正常确认标签

XrigBOOL

X录入正常确认标签

ht

pinglv

TIMER

投加率执行频率计时标签

PID_1

PID

PID类型数据

pacflow

REAL

PAC投加流量计算结果存储位置

PL

REAL

投加率参与计算标签

PL1

REAL

投加率计算结果存储标签

Iwflow

REAL

进水流量标签

ptt

REAL

PAC含量百分比

Pacde

REAL

PAC密度

当数据添加完毕之后，小型数据库也建立完毕，在主程序中建立新的Routine用于PAC投加自动控制，并在新建Routine中按梯级录入以下T型图等效代码。

LES 0 Y[0] LES Y[0] Y[1] LES Y[1] Y[2] LES Y[2] Y[3] LES Y[3] Y[4]

LES Y[4] Y[5] LES Y[5] Y[6] LES Y[6] Y[7] LES Y[7] Y[8] LES Y[8] Y[9]

OTE Yright “判断投加率数值是否按照从大到小的顺序正常录入”。

LES 0 X[0] LES X[0] X[1] LES X[1] X[2] LES X[2] X[3] LES X[3] X[4]

LES X[4] X[5] LES X[5] X[6] LES X[6] X[7] LES X[7] X[8] LES X[8] X[9]

OTE Xright “判断投浊度值是否按照从大到小的顺序正常录入”。

LIM X[0] NTU[0] X[1] BST COP X[0] x2 1 NXB BST COP X[1] x1 1 NXB

BST COP Y[0] y2 1 NXB COP Y[1] y1 1 BND BND BND “对沉淀池进水浊度值进行区间判断，根据判断结果将合适的区间数据存储在公式标签中等待参与计算”一共判断10次，格式类似，余下九条省略。

XIC Yright XIC Xright CPT PL1(NTU[1]-x2)*(y1-y2)/(x1-x2)+y2 “写入计算公式，让区间数据参与运行，并将计算结果写入标签PL1，且当浊度数据或投加率数据录入错误的时候本指令不会执行”。

XIO TON pinglv “设置执行频率计时器”。

XIC BST XIC tyzd1 COP PL1 PL 1 NXB XIC tyzd2 COP

toujialv2 CAL2 1 BND “计时完成后投加率计算结果写入执行标签参与后续运算”。

XIC BOOL[10] CPT pacflow PL*Iwflow/(ptt*Pacde*10.0) “根据相关数据计算出PAC投加流量，并存入pacflow内”。

XIO B[2] XIC BOOL[12] BST XIC GA_PV_ NXB XIC

GA_PV_ XIC GA_PV_300_SPARE BND MOV pacflow PID_ “判断好条件，将PAC投加流量存入PID_1设置点”。

XIC BOOL_SIGNAL[19] PID PID_1 GA_FIT100_VALUE 0 PID_TEMP[0] 0 0 0

“执行PID指令，得出计算结果并输出控制量”。

以上为实现PAC全自动控制所需要的关键PLC程序代码。当PLC程序编写完毕并下载运行后，就需要在PLC组态软件中开发一个可以对自动投加系统进行管理的控制界面，而且控制界面中必须包含数据库的录入和管理功能，以及自动执行间隔时间等功能的设置，而之所以要加入间隔时间设置，主要就是应为在实际使用过程中，自动设置投加率的频率没有必要太高，太高会加重变频器和计量泵

的工作负荷，而且有一定的间隔时间可以有效避免浊度仪测量值跳变等因素干扰系统稳定工作。开发的设置界面如图所示：

图（2）

图（2）是包含数据库管理和功能设置的界面，设有10个X点和Y点，其中分别存储着投加曲线的关键数据点，整条曲线都通过这10个关键数据点来定义。再配以手自动切换控制，计时间隔等设置，全自动投系统所有控制及相关参数就集中到了一个界面。

（三）投加曲线的获得方式

关于投加曲线的获得，对于新建水厂，首先可以通过烧杯实验的方法获得初步数据，但这种数据不会绝对准确，必须通过以后的运行经验来逐步优化，时间跨度越长越好，最好是一年，这样就可以详细观察比每个季节不同浊度时的适应情况，比如德阳市孝感水厂二期用了一年时间来总结和修正这个数据库，最终达到了较好的运行效果。

四．结语

德阳市孝感水厂在对二期高密度沉淀池进行PAC投加全自动改造的过程中，实践并运用了这套方案，实际效果十分理想，其主要优点如下：

1、系统稳定性好，控制精度高，可真正实现长时间无人干预自动运行，大大减少人工操作强度，并有效提高了高密度沉淀池的抗冲击能力。

2、投加曲线数据录入量少，只需十个任意点数据，其他中间数据按线性自动补充完整，精度到小数点后两位，且区间段可自由定义，灵活性高，数据修改迅速便捷。

3、系统适应范围广，能满足高密度沉淀池上能应用的严格要求，在其它沉淀池如平流沉淀池上效果更好。

五．参考文献

（一）梅晓榕、《自动控制原理》、科学出版社、第二版

（二）李建兴、《可编程序控制器应用技术》、机械工业出版社

（三）张运波、《工厂电气控制技术》、高等教育出版社、第二版

（四）中国城镇供水协会、《城市供水行业2010年技术进步发展规划及2020年远景目标》、中国建筑工业出版社、2005。