基于PLC的pH值自动控制系统

基于PLC的pH值自动控制系统

蔡晓霞

（绍兴职业技术学院，浙江绍兴312000）

摘

要：详细介绍了某污水处理厂加药控制系统的基本原理，并从实用的角度分析了运用该系统实现加药自动化控制所采取的主要控制策略。

系统综合应用了PLC技术、组态技术和PID控制算法，并在动态实验中取得了良好效果。该系统对实现pH值的自动控制具有重要的实际意义。

关键词：PLC；pH值控制；加药系统；自动控制

在工业废水处理过程中，pH值是表征水质的重要参数，中和

池的pH值控制效果直接影响到出水水质。国内多数中小化工企业的废水加药系统多数采用人工调节，pH值的控制精度低，药剂

［1］

浪费严重。本文以某化工厂废水处理系统中和池的pH值为控制对象进行分析，从物化沉淀池溢流至中和池的污水为碱性溶液，需加入酸性溶液进行中和。在中和池内设机械搅拌系统和pH计

使中和池排出的溶液尽可能量仪，再通过PLC控制加药计量泵，

接近中性。系统采用计算机作为上位机，日本三菱公司生产的PLC作为下位机，采用数字PID控制算法相结合，实现加药系统的自动控制。

1系统设计方案

集和控制。

系统通过检测pH值来控制中和池的氢氧化钠和浓硫酸的加入量，pH值要求控制在6.8～7.5之间。通过建立闭环控制系统以实现对中和池溶液pH值的控制，闭环控制可以有效地抑制闭环中各种扰动的影响，使被控量趋近于给定值。在pH值闭环控制系统中，用pH计量仪将溶液的pH值信号转换为标准量程的电流或电压，然后送给模拟量输入模块，经模数转换后得到与pH值成比例的数字量，CPU将它与pH设定值比较，并按PID控制算法对误差进行运算，并将PLC计算得到的数字量送到数模转换模块，经模拟量输出通道控制加酸泵和加碱泵的流量，实现对pH值的闭环控制［2］。其控制系统结构框图如图1所示。

给定值

FX2N－2DA－01PID控制器

FX2N－2DA－01中和池废水pH值

加碱泵加酸泵

中和池废水

该化工厂废水处理控制系统由PLC集散控制层和电气设备执行层组成现场控制层。现场控制层采用FX2N系列的PLC作为核心控制部件，现场控制层共有3个PLC控制站，每个PLC控制站链接现场的各类传感器、阀门、泵、搅拌机等现场设备。其中2＃PLC控制站主要负责皮化调节池、pH反调／混合／絮凝池、物化

中和池、鼓风机房等位置的各类仪表、执行设备的数据采沉淀池、

图1pH值的PID控制系统结构框图

控制系统主要由上位机计算机、下位机三菱PLC、检测仪表和

计量泵组成，整个pH值的控制过程如图2所示。

2

《基于PLC的污水处理浙江省教育2010年科研项目，项目名称：，项目编号：Y20101控制系统的研究》

系统硬件设计

上位机监控和系统通信部分

2.1

计算机与PLC连接构成的小型网络系统，计算机作为上位机

作相配合，灵活性好。由于该产品抽芯距离不长，动力不大，故此可

同时为了提高滑块抽芯的使用寿命，除采用斜导柱侧抽芯来实现。

导柱外的所有零件需经过真空淬火处理到48～52HRC。2.5浇注系统

浇注系统设计是注射模设计中最重要的问题之一，浇注系统是引导塑料熔体从注塑喷嘴开始到模具型腔为止的一种完整的输送通道，它具有传质、传压和传热的功能，对塑料质量具有决定性影响。同时浇注系统设计需要注意的主要原则如下：（1）浇注系统与塑料一起在分型面上，应采用压降、流量和温度分布的均衡布置；（2）浇口位置选择，应避免产生湍流和涡流以及喷射和蛇形流

）避免高压熔体对型芯和嵌件产生冲动，并有利于排气和补缩；（3）浇注系统凝料脱出方便可靠，易与塑件分击，防止变形和位移；（4

离，切除整修容易且外观无损伤；（5）熔合缝位置必须合理安排，必

）尽量减少浇注系统的用料量；（7）系要时配置冷料井或溢流槽；（6

其中浇口须有IT8以上的精度。而统应达到所需精度和粗糙程度。

四通管要求外观美观光洁且外表无明显浇口痕迹，对压块外观无明显要求，故采取以下浇口结构：采用侧浇口分型面上外侧进胶，减少浇注系统耗量而且去除浇口方便。2.6流道的设计

若要达到同时充满型腔的目的，各浇口的断面尺寸制造要不同，在试模中需经多次修改来实现，对于此一模一腔的模具，主流道采用圆形流道，直径为8mm。浇口采用半圆型浇口，半径为2mm。

2.7推出机构

由于零件相对深度不大，塑料件包紧动模型芯力不大，因此只

需设计推杆推出即可。只不过有4根推杆，这样的设计能平稳顶出零件，且塑件不易发生变形。2.8冷却系统

模具注塑周期主要取决于冷却定型时间（约占80%），通过降低模温缩短冷却时间，是提高生产效率的关键所在。由于零件尺寸不大，同时为了达到可靠冷却的目的，采用二路循环式冷却，后模芯采用炮桶循环式冷却，外侧再用胶管连接，冷却介质采用冷却水。

3结语

（1）本套四通管注射模具结构简单，运行安全，已成功地应用于该类塑料管件成型生产。

（2）本套四通管注射模具要求2套塑料制品中间的尺寸大小一样。

（3）本套四通管注射模具用换镶件的方法成型2个大小不同的产品的设计原理对于成型3个和4个塑件具有参考作用。

收稿日期：2010－12－15

作者简介：梁英杰（1960—），男，湖北省咸宁市人，广州科技职业技术学院机械系数控教研室主任，专职教师，研究方向：数控、模具。

机电信息2011年第3期总第285期25设计与制造◆ShejiyuZhizao

上位机（组态王）

FX2N－2ADPC－350pHpH传感器

FX2N－2DA－01

FX－485PC－IF转换接口

PLCCPU单元

FX2N－2DA－02

加酸泵

加碱泵

中和池

PV，［S3］～［S3］＋6用来存放控制参数的值，运算结果MV存放在［D］中。源操作数［S3］占用从［S3］开始的25个数据寄存器，用

PID指令用来调用PID运算程序，在PID运来设定PID控制参数。

算开始之前，应使用MOV指令将参数设定值预先写入对应的数据寄存器中。pH值模拟量信号通过pH计量仪送入FX2N－4AD模

然后转换成实际块，经A／D转换后读入PLC主机的数据寄存器，

数据存入PLC的数据寄存器中。

图2pH值控制过程

4PID控制效果

采用组态软件开发的监控软件来完成远程实时监控任务。本系统

属于短距离通信，可选用各PLC站点的控制柜间距在50m以内，

FX－485ADP作为PLC的通信模块，将PLC作为计算机的子站，采用RS－485总线结构。计算机与PLC之间232／485转换器选用FX－485PC－IF通讯适配器，可用1∶N方式来发送和接收数据，通讯电缆选用三菱专用型号FX－232－CAD0。2.2加药子系统下位控制部分

（1）PLC设备选型及说明。三菱公司FX2N系列PLC属整体式结构，体积小，性能优越，比较适合于中小型污水处理控制系统。本控制系统主机选用FX2N－MR，模拟量输入输出模块分别选用FX2N－2AD和FX2N－2DA模块，此类模块能够转换两路模、数信号，

－20～分辨率高达12位，模拟值范围为DC±10V或4～20mA、

20mA。

（2）电气部分。中和池的作用是通过加碱、加酸来调整pH值

3

接近中性，池内设机械搅拌系统，有效容积5m。中和池处所需的设备有搅拌机1台，加药计量泵4台（备用2台），pH计1套。

搅拌机选型：根据经验，搅拌机叶轮端部的线速度V常用范围是0.5～3m／s，此处选用2.5m／s，叶轮半径R为0.3m，根据搅拌机叶轮的转速要求选用JBJ－1.5型搅拌机，n=86r／min。

加药计量泵选型：选用（SEKO）MPG型电磁计量泵，其最高吐出量Q=63L／h，外部模拟信号输入为DC4～20mA。

pH计选型：选用PC－350pH计，测试范围0.00～14.00pH，精度0.01pH，信号输出为隔离式DC4～20mA，电压输出DC±12V。

我们通过工业现场实验法对污水处理系统pH值控制效果进

行实际测量。其实验方法是将中和池的pH计量仪接入PLC控制

通过对中和池液体系统，采用PID控制法来控制计量泵的加药量。

的pH值进行采样测量，比对原污水处理系统的原始记录数据。设每次测量的时间间隔为2min，对比PID控制投入前和PID控制投入后的变化，其pH值的对比数据如表1所示。

表1

时间9：019：039：059：079：09109：129：9：149：16

PID控制投用前后中和池pH测量值

投入后

（pH值）7.027.087.147.187.217.167.077.026.99

时间9：169：1：209：229：249：259：279：299：31

投入前

）（pH值7.557.447.457.617.667.707.797.907.93

投入后

（pH值）6.977.027.087.157.267.187.097.047.01

投入前

（pH值）7.657.747.847.938.048.088.057.697.60

从以上数据可以得出结论，采用PID控制后，大大提高了对

pH值的控制精度和控制效果，缩短了加药周期，对保证污水出水

降低污水处理加药费用有很好的效果。水质、

［参考文献］

［１］王淑红．ＰＬＣ在发电厂锅炉给水自动加药系统中的应用［Ｊ］．西南给排水，２００９（５）：４０～４３［２］金海峰．废水处理中ｐＨ值的在线监控系统［Ｊ］．西安理工大学学报，２００４（２）：１９４～１９８［３］吕睿，冯连勋．ＰＬＣ在污水模拟生成控制系统中的应用［Ｊ］．微计算

机信息，２００７（１２）：２２～２３

3

3.1

系统软件设计

加药子系统监控系统设计

整个系统的上位监控部分可由计算机来完成。利用国产组态

王Kingview软件开发加药监控子系统，监控工作人员可通过子系统实时监控系统的运行状况，并可设定或修改系统的运行参

当报警发生时，如pH数［3］。系统可自动进行报警和事件处理，

值超高、超低时，系统将快速检测并通过画面状态变化提示，同时发出声音报警提醒监控人员注意。3.2下位机控制系统

本项目使用PID功能指令来实现pH值的PID控制。现在很多中小型PLC都提供PID控制用的功能指令，如FX2N系列PLC的PID指令实际上是用PID控制的子程序，与A／D、D／A模块一

PID指令起使用，可以得到类似于使用PID过程控制模块的效果。

的编号为FNC88，如图3所示源操作数［S1］、［S2］、［S3］和目标操作数［D］均为数据寄存器D，16位指令。

［S1］

X0

FNC88

PID

D0给定值（SV）

D1反馈值

）（PV

D100

D150输出值

（MV）

［S2］

［S3］

［D］

参数

收稿日期：2010－12－23

作者简介：蔡晓霞（1978—），女，浙江天台人，工程硕士，研究方向：

机电一体化。

图3

FX2N的PID指令

［S1］和［S2］分别用来存放给定值SV和当前测量到的反馈值

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