污水处理中酸碱度控制仿真设计毕业论文Word下载.docx
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所以在污水酸碱度控制中引入自动控制理念，会让酸碱度的控制更加准确、快速。
而且解放了人力，节约了成本。
2污水酸碱度处理的工艺流程
2.1污水酸碱度处理的意义以及污水排放的标准
在工业的生产中排出的酸碱废液需要进行一定处理才能排放，因为酸碱污水具有较强的腐蚀性，如不加治理直接排出，会破坏建废液接触的设备。
如果排放到河流当中，会影响河流的生态环境，甚至于破坏水生生物的生长环境。
同时对于一些工厂来说，酸碱原料的流失也是一种重大的损失。
所以酸碱废水应尽量回收利用或者加以处理达到排放要求。
国家有关部门对于污水排放酸碱度的要求为：
一切排污单位的排放污水酸碱度应为6~9。
2.2污水酸碱度处理的流程以及场地规格
在工业生产的污水酸碱度的处理中，会用到污水收集池、回收排放池、中和反应池、PH检测仪、流量检测仪、可编程逻辑控制器、酸液罐、碱液罐等。
污水收集池通过耐腐蚀性管道与中和反应池连接，中和反应池通过耐腐蚀性管道与回收排放池连接，酸、碱液罐通过不同的耐腐蚀性管道与中和反应池连接。
上述管道中都设有流量检测仪和阀门，实时检测和管理酸碱中和剂添加情况和污水的排放情况。
并且在中和反应池中设有搅拌臂，使得中和反应充分进行。
其中酸性中和剂会选用氯化氢溶液（HCL）,碱性中和剂会选用氢氧化钠溶液（NAOH）。
含碱（酸）污水会先收集到污水收集池中，经管道以固定流量排放到中和反应池中，中和反应池中PH检测仪检测到的信号输入控制器当中，信号经过控制器的处理再输出到执行器（调节阀），控制酸（碱）性中和剂的排放，经中和反应后使废液达到国家的排放标准。
经过处理的污水排放到回收排放池中，同时会在污水回收排放池中安装PH检测仪检测经过处理后废液的酸碱度。
以防止调节阀出现故障而导致处理后污水的酸碱度过高或者过低。
出现故障时会关停所有的调节阀门，直到排除故障。
上述污水处理过程会在工控组态软件仿真模拟出来，本文后续会有介绍。
在反应过程中中和反应池的容积应为100立方米。
污水处理池排放污水的流量应为100立方米每小时。
酸性中和剂氯化氢溶液的酸碱度应为5，碱性中和剂氢氧化钠溶液的酸碱度应为8，可编程逻辑控制器选用西门子S7-200。
在污水处理中PH检测仪的选用尤为重要，经过查询资料选用PHG-217D型工业PH检测仪，这款PH检测仪的测量范围为0.00~14.00，并且具有耐腐蚀性，还具有4~20毫安的输出电流信号。
在污水酸碱度处理的工程中，流量计和阀门的选用非常的关键，必须具有耐腐蚀性和精确性。
3过程控制系统的建模
过程控制系统是应用于自动化生产产线。
在现今的工业生产的大多为自动化生产的产业线，过程控制在应用于生产线中最初的目的是控制某一生产参数为定值,如温度、液位、高度等等。
从而保证生产的快速性和准确性。
而随着时代和科技的发展过程控制系统逐渐的变得更加系统和完善，现在已经过度到集监控、控制、操作一体化。
3.1分程控制的应用
在工业生产中为了满足某些特殊工艺要求，有时我们会选用一种特殊的过程控制系统，比如上文提到的比值、自动选择性、均匀等等。
有时我们还需要将控制器的输出信号分段，去分别调节两个或两个以上的调节阀，以使得每个执行器在信号段内全范围动作。
而在污水酸碱度处理的系统中存在两个执行器，分别为酸性中和剂阀门和碱性中和剂阀门。
这时我们需要用到分程控制。
在污水酸碱处理的工艺流程中需要控制两种不同的控制介质，工业生产中的废液可能来自不同的生产工艺，有时可能呈现酸性，有时可能呈现碱性。
所以需要根据污水的酸碱性，决定添加碱性中和剂或酸性中和剂。
大部分的污水处理对酸碱度要求都会是处于中性。
所以就需要设计分程控制系统。
图3-1所示为污水中和过程的分程控制系统流程图。
3-1废液中和过程的分程控制流程图
图中PH计检测污水的PH值，并且输出电流。
PH值越大电流输出越大。
电流会在控制器中进行处理，并且输出电流，输出的电流为4~20毫安。
控制器对执行器的控制作用就是体现在这4~20毫安的电流上面。
分程控制中调节阀为异向动作，在4~12毫安内酸性中和剂的阀门开度一直为零，而碱性中和剂会随着信号的变化而变化，在12~20毫安内酸性中和剂会随着信号的变化而变化，碱性中和剂的阀门开度为零。
图3-2为调节阀异向动作示意图。
3-2调节阀异向动作示意图
3.2过程控制仪表的选择
在过程控制系统中，经常将调节器（包括可编程序控制器）、执行器等称作过程控制仪表。
它们是实现工业生产自动化的重要装备。
在污水处理中调节器的选择会选用PLC，本文下面会介绍。
这里会重点介绍执行器的选择与原理。
执行器在控制过程中是接收控制器的输出信号，改变调节阀的开度，从而改变被控液体的流量。
执行器是由执行机构和调节阀两部分构成，执行器会选用电动执行器，电动执行器操作方便，并且启动方式简单，信号传输快。
其中调节阀的选择尤为重要，调节阀的流量特性是选择调节阀的一个重要指标。
流量特性可以分为理想流量特性和工作流量特性。
因为是一个仿真系统没有实际操作，所以选择为理想流量特性。
理想流量特性中有三种代表性的调节阀，分别是直线流量特性、对数流量特性和快开流量特性。
三种特性取决于阀门的阀芯的形状。
在酸碱中和反应中，中和反应对试剂量要求很严格，尤其是在是中性区。
直线流量特性和快开流量特性不适合反应的要求。
而对数（百分比）流量特性适合负荷变化过大的过程，符合本次的仿真设计。
阀门的相对开度与相对流量成正比关系，其数学表达式为：
（3-1）
可见调节阀的放大系数
随相对流量的增加而增加。
对公式（3-1）进行积分得
（3-2）
为积分常数，当
0时，
（可控的最小流量）；
当
时，
（可控的最大流量）。
代入（3-2）可得
（3-3）
定义可调范围R为可以控制的最大流量与最小流量之比，即
（3-4）
因而有
（3-5）
相对行程与相对流量成对数关系，其特性图如图（3-3）所示。
3-3等百分比调节阀流量特性曲线
由式（3-5）和图（3-3）可知，对数流量特性调节阀在相对行程较小的时候相对流量较小，控制比较平稳；
在相对行程较大时候相对流量较大，控制灵敏度高，所以它适合对负荷变化较大的过程。
上述公式转换为
（3-6）
其中R可调范围为30。
3.4PH值的概念
酸碱度又称为PH值。
PH值小于7为酸性，PH值大于7为碱性。
在污水处理酸碱度的仿真控制中主要是对PH值进行控制，也可以称为PH值自动控制系统。
我们的主要目的是为控制污水的PH值在6~9之内。
在这个过程中我们就需要去加碱或者加酸去调节PH值，而中和反应具有自己的特点，所以我们下面来讨论一下PH值的概念和中和反应特点以及反应中的数学模型。
PH值是对液体中酸碱度的一种称呼，同时它又是对液体中氢离子活度的表示。
在数值上等于氢离子浓度的负对数，它的定义式为：
（3-7）
在标准的温度与压力下，纯水的PH值一般为中性即PH=7，因为纯水电离出来的氢离子和氢氧离子的数目相同，都为1×
，水的离子积为
。
水的电离平衡常数为：
（3-8）
通常在知晓溶液的PH值为多少时也会知晓溶液的氢氧根离子的溶度
PH值是溶液一个重要的指标，无论是在工业还是生活中，都会经常需要到PH值这一标准。
3.5中和反应的特点
在理论中，中和反应是氢离子和氢氧根离子结合生成水的一种化学反应。
它的化学反应式为：
3-9
在化学当中通常用滴定法来观察酸碱中和反应的特点。
就是在酸（碱）性盐中加入碱（酸）性试剂，观察反应试剂的酸碱度变化。
如下图3-4所示。
3-4酸碱滴定曲线
污水入流酸的总量与出流酸的总量之差为容器中总的酸的变化量，表达式为3-9：
为溶液中的阴离子。
同样的对于碱来说，污水入流量的总量和出流量碱的总量之差与容器中总的碱变化量也有如下的平衡方程式，表达式为3-10：
3.-10
为溶液中的阳离子。
令
综合3-9和3-10可得：
3-11
酸碱都为强酸强酸，电离程度为完全电离，有电中和条件得：
3-12
所以得到的模型的静态方程为：
3-13
在仿真设计中中和剂我们选择的是强酸强碱，经3-13和3-11后得知强酸强碱的整体控制系统模型为：
为污水中酸（碱）的浓度，
为中和剂入流碱（酸）的浓度，
分别为含酸（碱）污水入流量和中和剂入流碱（酸）流量。
为反应池体积。
4过程控制系统设计
过程控制系统设计主要是用PLC。
PLC是一种专门为了工业环境设计应用而设计的具有计算机功能的电子装置。
早期得PLC只具有逻辑运算的功能，因此被称作可编程逻辑控制器（ProgrammableLogicController,PLC）。
但随着技术的发展，PLC已经具用逻辑运算、顺序运算、定时、比较等等一些拓展功能，不再单单是逻辑运算，所以现在被称为可编程控制器（ProgrammableController，PC），但是为了和个人计算机（PC）区分，通常会使用PLC这个简称。
4.1PLC通信设计
PLC的硬件系统有CPU模块、I/O模块、电源、外设接口、I/O扩展模块等等。
CPU是PLC的“大脑”，处理信息，与计算机的CPU的工作模式大致相同。
I/O模块是输入模块和输出模块的统称，是PLC的“感官”，负责外部设备和CPU的联络。
电源设备是将交流电信号转换成微处理器可以使用的微电流直流信号。
STEP7是一款适用于西门子S7-200的编程软件，它具有强大的程序编译能力，画面简洁，使用方便，同时支持多种的通信方式。
在工业生产中占有一定的地位。
经过多年的发展，计算机与S7-200之间的通信有很多种方式，例如利用PPI电缆连接，或通过以太网的方式进行通信。
在本次的仿真设计中我们会选用通信电缆方式（PPI电缆）。
PPI电缆选用RS-485线，同时端口转为USB口，用于计算机的连接。
4.2工程中I/O分配
要实现对污水酸碱度的控制，需要采集中和反应池中的废液酸碱度，在经PLC中的PID运算输出变量来控制执行器，使执行器控制中和剂的排放。
该过程中需要使用到模拟量输入和模拟量输出，通过PLC程序控制阀门的开度。
EM235模拟量输入输出模块具有4路模拟量输入和1路模拟量输出功能。
输入范围包括电流0~20mA，数据字格式为单极性全量程范围0~32000。
且输出电流为0~20mA。
在工程中输入输入信号均为4~20mA。
在污水酸碱度的控制中PH检测仪将模拟量信号传输到AIW0中，经A/D模块将外部输入模拟量转化为数字量。
数字量经过归一处理填入到PID回路参数表中，进行PID运算，PID的结果会转换为工程量输出，存放到AQW0当中控制阀门的开度。
由于在实际工程中存在其他的输入输出，确定PLC的I/O分配情况见表（4-1）和外部接线图4-1。
表4-1酸碱度控制系统的PLC的I/O分配表
输入
输出
元件名称
I/O点
反应池PH值检测仪
AIW0
变送器
AQW0
排放池PH值检测仪
AIW2
启动按钮
I0.0
停止按钮
I0.1
图4-1外部接线图
4.3PLC中的PID调节
PID调节是比例、积分、微分调节的简称。
比例积分微分调节规律是根据调节器输出的信号与输入偏差的大小、偏差的积分和偏差的微分成比例关系。
理想的PID调节的数学表达式为：
4-1
u（t）为PID回路的输出；
e（t）为回路偏差；
为比例系数；
为积分时间；
为微分时间；
其中比例控制器是一个可调的放大器，主要是对偏差信号的一个放大。
但是如果只有一节就是为了消除系统存在稳态误差，随着时间的增加，积分项就会增大，这样，即个比例调节的话，系统的调节输出就会存在稳定误差，所以要引入其他的控制方式。
而积分调便误差很小，积分项也会随着时间的增加而增大，它会使控制器的输出增大，稳态误差减小，直到等于零。
微分调节中误差信号与微分项成正比关系。
由于存在滞后或者惯性，在一个系统自动调节过程当中可能出现一些震荡甚至失调。
这时就需要加入一个微分调节，微分调节可以预测误差的走向，解决系统中信号滞后的问题。
在一个完整的控制系统当中，PID调节可以比单纯的比例调节更完善。
在PLC中有一个PID回路参数，其格式和含义见表4-2。
4-2PID参数表
偏移地址
变量名
数据格式
取值范围
VD200
反馈值
双字实数
0.0~1.0
VD204
设定值
VD208
输出值
双字式双
VD212
增益
比例常数
VD216
采样时间
正数
VD220
积分时间
VD224
微分时间
VD228
积分项前值
VD232
反馈量前值
最近一次PID变量值
4.4酸碱度控制
在酸碱度的控制中，PLC程序的编写是尤为重要的。
程序正确性保障了一个系统的完整性。
他就像相当于人体的“大脑逻辑性”，当你的“逻辑性”出现错误后，你身体的各个部位就会做出错误的动作。
而系统也一样，逻辑性的错误是最为致命的。
可能会导致一个系统的崩溃，比如你的程序出现错误，它就会在反应液呈酸性的时候加入酸性中和剂，会导致排放的严重不达标，甚至造成严重的事故。
所以程序的编写是非常的重要的。
经过慎重思考之后和调试之后，可以确定以下的程序是正确的。
可以控制污水溶液最终排放达到要求。
子程序的调用
子程序：
PID参数的初始化。
中断程序中的数值采集和归一化处理。
其他的PLC程序在附录1中。
5监控及仿真系统设计
上文讲述了酸碱度及中和反应的特点，结合这些特点去做一些仿真调试。
并且把要把这些特点转换为数学模型，写入到组态王中。
接下来会去介绍组态王软件的特点以及仿真使用。
组态王软件是我国第一家较有影响的组态软件开发公司开发的软件。
它的操作主界面简单明了，并且它的脚本语言的编写以汉字作为关键字。
在一个完整过程系统中建立一个应用工程需要下面介绍的几个步骤。
5.1创建新工程
第一步主要是为了创建一个文件夹来存放与工程相关的文件，方便后续的操作。
这一步操作非常简单，主要是写好对工程的介绍。
5.2外部设备和工程变量
这里你要根据你工程中需要到的硬件设备和要使用的变量来具体操作。
其中包括内存变量和I/O变量。
在酸碱度控制的仿真设计当中，我们会用到西门子S7-200型PLC和PPI通信，这就需要我们去正确选择硬件设备。
组态王中设计了“设备配置向导”，来引导设计人员来完成外部设备的连接。
在选择合适的PLC型号和通信方式之后，然后点击“下一步”,直到完成外部设备的定义。
然后在酸碱控制系统中变量设置是最为重要，其中包括内存变量和I/O变量两大类型，I/O变量类型是可以与外部设备相互交换数据的变量类型。
所以如一些温度、流量、液位等等一些从下位机采集来变量应该设为I/O变量。
不需要与外部设备联系的数据类型就应该设为内存变量，想一些计算的中间变量。
而且变量的类型也可以按照数据类型来分为离散型、实型、整型和字符串型。
还有一些系统预设变量，像年、月、日、日期、用户名、网络状态等等。
而在污水酸碱度控制设计中，组态王的变量设置中会有许多的I/O变量和内存变量，例如酸碱度、流量、阀门开度和启动
停止等等，而数据计算的中间值会设成内存变量来进行脚本的运算。
例如图（5-1）
5-1PH值变量
图中为反应池PH值变量，变量定义中已经有了详细的介绍，比如说它的取值范围，还有与PLC中对应的取值，以及在PLC中的寄存器的地址和数据类型等，在附录中会有组态王其他重要变量的介绍。
5.3画面的制作
组态王中的画面制作完全是根据工业生产的流程来制作的。
必须要与实际的生产工艺相对应。
在组态王的画面制作中会有一些比较方便的工具，比如图库。
工程人员可以根据自己的需要去在图库中选择自己想要的图画。
还有一些简单动画制作，比如阀门的动画设置、模拟值的输出与输入等等。
根据上文酸碱度控制流程的介绍会制作出与之对应的组态画面。
然后再建立一些特殊的画面，例如说实时曲线画面、历史曲线画面等等，并且能够通过按钮在实现各个画面的切换。
下图5-2是设计中的主画面。
5-2主界面画面
在上图中阀门的动画设置为关闭时为红色，打开时为绿色。
5.4命令语言的编写
在实际的工程中，模拟量的变化都会根据其它数据变化去自动变化，而在组态王中没有这种实际变化，我就需要去数学模型去模拟出这种变化，使仿真设计更加的接近实际工程。
为了达到这种要求我们就需要去编写一些脚本程序。
利用这些命令语言去完善整个仿真设计。
在污水酸碱度控制中，我们会把上文中叙述的阀门与流量的关系，还有中和反应的特点写到组态王画面命令语言当中。
下面为主界面的画面命令语言。
主要是对PH值的控制。
if（\\本站点\反应池PH值<
7）
{\\本站点\碱性中和剂阀门开度=1.5-0.125*\\本站点\PLC输入信号;
\\本站点\数1=\\本站点\碱性中和剂阀门开度-1;
\\本站点\碱性中和剂液体流量=50*Pow（30,\\本站点\数1）;
\\本站点\酸性中和剂液体流量=0;
\\本站点\酸性中和剂阀门开度=0;
\\本站点\中间值1=\\本站点\反应池PH值-14;
\\本站点\中间值2=Pow（10,\\本站点\中间值1）*100;
\\本站点\中间值13=0.00005+Pow（0.1,\\本站点\反应池PH值）-Pow（10,\\本站点\中间值1）;
\\本站点\中间值3=\\本站点\中间值13*\\本站点\碱性中和剂液体流量;
\\本站点\中间值4=Pow（10,\\本站点\中间值1）+Pow（0.1,\\本站点\反应池PH值）;
\\本站点\中间值5=2.30258*100*\\本站点\中间值4;
\\本站点\中间值6=（\\本站点\中间值2-\\本站点\中间值3）/\\本站点\中间值5;
\\本站点\反应池PH值=\\本站点\反应池PH值-0.2*\\本站点\中间值6;
}
else
{\\本站点\酸性中和剂阀门开度=0.125*\\本站点\PLC输出信号-1.5;
\\本站点\数2=\\本站点\酸性中和剂阀门开度-1;
\\本站点\酸性中和剂液体流量=50*Pow（30,
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