污水處理過程是一個復雜的生化反應過程，包括信息流、物質流和能源流，伴隨有物理化學反應、生化反應、相變過程及物質和能量的轉化和傳遞過程。其中生化反應是污水生化處理的核心部分，溶解氧是生化反應過程中一個非常重要的指示參數，它能比較直觀、迅速地反映整個系統的運行狀況。對溶解氧的控制可以直接影響到出水水質和系統能耗。溶解氧濃度過低，出水指標不合格；溶解氧濃度過高，則會造成能源的浪費。所以溶解氧控制直接關系到用戶最關心的出水指標和經濟效益兩個指標。而氧氣的溶解過程受入水水質、溫度和pH值變化等方面的影響，具有高度非線性、強耦合性、時變、大滯后和不確定性等特點。這樣一個復雜的過程，往往無法獲得準確的數學模型，用常規的PID控制也不能取得理想的控制效果。
本設計在選擇四段PID控制的基礎上，利用西門子S7-200作為控制器，設計相關的電路和程序，通過變頻器調節鼓風機轉速來給曝氣池供氧，取得了較好的控制效果。
1、溶解氧控制系統組成
污水處理中溶解氧控制系統組成框圖如圖1所示。圖1中，SP為假設輸氧量，通過控制器和變頻器來控制電機旋轉，從而控制風機的轉速使輸入到曝氣池中的氧產生變化。本系統通過溶解氧(DO)檢測儀檢測曝氣池中實際的DO值，并將實際的DO值和設定值SP的差值反饋到PID控制器。通過比對實際值和理想值并運用PID算法最終使實際值趨近于所要求的理想值。這樣不僅保證生化池內空氣需求量，同時也盡可能地節省了能耗。
圖1 污水處理中溶解氧控制系統組成框圖
2、系統控制過程分析
根據系統框圖和實際需求，設計了一個操作控制面板，如圖2所示。
對整個系統控制過程分析如下：按動進水泵開啟按鈕，往曝氣池內注入未處理的原水，待到曝氣池高液位傳感器(設為SL1)檢測到有液位時，DO檢測儀、變頻器、鼓風機、風速測量儀全部啟動，同時進水泵關閉；設在出水閥附近的DO檢測儀將檢測到的數據傳送到PID控制器，在PID控制器中將實際檢測到的數據與設定的SP值進行對比后進行PID運算，并將結果信號傳遞給變頻器，由變頻器控制鼓風機的轉速從而調節對曝氣池的輸氣量，如此下去直到曝氣池中污水的DO值達標；此時出水閥打開，污水排出曝氣池。
圖2 系統操作控制面板
由于DO檢測儀的檢測部分必須置于水中，當污水排放使曝氣池中液位達到最高處DO檢測儀的液位時，液位傳感器SL2會給進水泵一個開啟信號，進水泵便開始進水(進水速度大于出水速度)，當設在出水閥口處的檢測儀檢測到的DO值不符合標準時，出水閥會自動關閉。
同時系統還添加了以下報警裝置：
①進水泵低水位報警裝置。當進水泵所在的蓄水池內液位低時，液位傳感器(設為SL3)會給進水泵一個信號，進水泵自動關閉，同時也會拉響警鈴(HA)。
②曝氣過程監測裝置。當系統正常工作時，曝氣池輸氣指示燈HL1會置于綠色位置，否則就需對鼓風機和DO檢測儀進行檢查，以排除故障。
③曝氣池出水指示燈(HL2)裝置。正常出水時指示燈的顏色為綠色，否則就需對出水閥進行檢查，或啟動手動控制來對出水閥進行控制。
④變頻器故障指示燈(設為HL3)裝置。當變頻器正常工作時，HL3指示燈會置于綠色位置，否則就提示變頻出現故障。
3、系統電路圖
①電路模塊圖
系統主要包括了進水泵、鼓風機、變頻器、DO檢測儀、風速測量儀幾個模塊，系統電路模塊框圖如圖3所示。
圖3 系統電路模塊框圖
②電路硬件接線圖
由于進水泵和鼓風機都由三相交流電機控制，它們的額定電壓為380V，其接線圖如圖4所示。圖4中，M1為進水泵電機，M2為主鼓風機電機，M3為備用鼓風機電機。變頻器與鼓風機的接線圖如圖5所示。
圖4 主電路接線圖
圖5 變頻器和鼓風機的接線
4、基于PLC的控制系統設計
①PLC的I/O分配
通過對系統控制過程的詳細分析以及對主電路接線圖、變頻器和鼓風機接線圖的分析，確定了系統PLC的I/O地址分配，如表1所示。
表1系統PLC的I/O地址分配
地址 符號 內容
數字量輸入
I0.0 SB0 總上電按鈕
I0.1 SB1 手/自動轉換按鈕
I0.2 SL1 曝氣池高液位傳感器(變頻器啟動)
I0.3 SL2 DO檢測儀高液位傳感器
I0.4 SL3 蓄水池低液位傳感器
I0.5 SB2 進水泵停止按鈕
I0.6 SB3 進水泵啟動按鈕
I0.7 SB4 主鼓風機與備用鼓風機切換按鈕
I1.0 SB5 主鼓風機啟動按鈕
I1.1 SB6 主鼓風機停止按鈕
I1.2 SB7 備用鼓風機啟動按鈕
I1.3 SB8 備用鼓風機停止按鈕
I1.4 SB9 曝氣池出水閥手動開啟按鈕
I1.5 SB10 曝氣池出水閥手動關閉按鈕
I1.6 SB11 變頻器停止工作按鈕(和故障信號)
I1.7 SB12 變頻器復位按鈕
I2.0 SB13 警鈴復位按鈕
數字量輸出
Q0.0 KM0 進水泵輸出
Q0.1 KM1 鼓風機輸出
Q0.2 YV5 曝氣池出水閥
Q0.3 KM2 備用風機輸出
Q1.0 HL1 曝氣池輸氣指示燈(正常為綠)
Q1.1 HL2 曝氣池出水指示燈(正常為綠)
Q1.2 HA 進水泵缺水報警鈴
Q1.3 HL3 變頻器故障報警指示燈(正常為綠色)
模擬量輸入
AOW0 S3 控制變頻器的電流信號
②PLC外圍接線設計圖6為PLC外圍接線圖(開關量接線圖)，圖7為PLC外圍接線圖(模擬量接線圖)。
圖6 PLC外圍接線圖(開關量接線圖)
圖7 PLC外圍接線圖(模擬量接線圖)。
③主程序PLC控制流程圖
圖8為PLC自動控制部分程序流程，圖9為PLC手動控制部分程序流程。
圖8 PLC自動控制部分程序流程
圖9 PLC手動控制部分程序流程
本文中設計的污水處理溶解氧控制系統以PLC作為核心，借助于PLC強大而靈活的控制功能和變頻器優良的變頻調速性能，實現了對污水溶解氧的穩定控制，而且增加了系統的靈活性，同時系統可靠性和抗干擾能力也大大提高。
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