厌氧—好氧法城市污水处理系统设计 56页

摘要城市污水处理是解决城市周边径流及地下水污染的最主要措施。本文介绍了西f-jy=S7．200Smart及S7．300PLC在城市污水处理项目中的应用，利用通信、集控等手段实现了对系统运行状况的远程监控，以及对净水各个过程的准确控制。该系统极大地提高了曝气效率，节约了电能，减少了对劳动力的需求并降低了工人的劳动强度，具有很高的实用性。本课题设计了城市污水处理线的自动控制系统，主要工作集中在：一、对整个污水处理厂的污水处理流程及各流程的工艺进行了介绍。系统主要由预处理系统、凝絮中和单元、提升泵、厌氧发酵环节、输送单元、好氧发酵环节、传感器检测系统组成。二、根据城市污水处理的主要工艺流程设计了控制方案。控制系统分为两级，即LCP(就地控制盘)和MCP(远程控制盘)。LCP采用西门子新型S7．200SmartPLC作为控制器，实现污水处理过程中对单台电机及风机的模拟信号、数字信号的采集和控制输出，对高压空气的产生环节进行全方位的检测，包括启停、报警、风量精确控制等。MCP实现对多台PLC的集中控制，主要用于实现主回路的精确曝气控制及与LCP、上位机进行通信。上位机软件采用组态王6．52，能够直观地监控污水处理系统的各个工作环节，通过各流程的监控画面可以及时了解系统运行状况和当前各参数的变化。三、设计系统的控制程序。包括主、子控制器的PLC程序和HMI程序，及上位机监控界面。实现了就地、远程、集控三种操作模式。四、完成系统调试。根据城市污水处理的控制方案对硬件设备、软件程序和监控画面进行调试。该城市污水处理系统可以完全地满足用户的设计要求，处理后的输出水水质达到国家二级，可直接排入海洋，也可作为工业用水及农田利用水，具有很好的实用性，并且能达到非常理想的效果。关键词：城市污水处理；PLC；双闭环PID；组态王6．5\nAbstractCitysewagetreatmentistheprimarysolutionofthewaterpollutionproblemaroundthecity．ThispaperdescribestheapplicationoftheSIEMENSS7-200SmartandS7-300PLCinacitysewagetreatmentproject．Byusingcommunicationandcentralizedsystem，thesystemstatusoftheentiretreatmentlinecouldbemonitoredandcontrolledreal-timely,andtheprecisionofeveryphaseareguaranteed．Tllissystemimprovetheefficiencyoftheaerationsignificantly,andsavelargeamountoftheelectricalenergythanthetraditionway,thelaborintensityofworkersisreducedatthesametime，SOthissystemhasahighpracticality．Tmssubjectdesignstheautomaticcontrolsystemofthecitysewagetreatment，mainlyfocusedon：First，eachprocessofthecitysewagetreatmentisgenerallyintroducedinthispaper．Thecontrolsystemismainlyconsistofpretreatmentsystem，flocculationandneutralizationsystem，upliftingpump，Anaerobicfermentationphase，transportationunit，Aerobicfermentationphase，detectorsandsensors．Secondly,Designedthecontrolschemeaccordingtotheprocessofthecitysewagetreatment．Thecontrolsystemisdividedintotwogrades，LCPandMCP．nleLCPadoptanewlistingmodule，SIEMENSS7-200SMARTasit’Scontrollertocollectandoutputthedigitalandanalogsignal，tomonitorthestatusofthehighpressureairgenerationphase，includingON／OFFcontrol，alarmcontrol，andtheprecisecontroloftheflow．MCPcontrolsallthe4LCPs，realizethemainPIDcontrolloop，andcommunicate谢t11theKingviewandLCEThroughKingviewinterface，theoperatorCancontrolallthephases，andmonitoralltheparametersontheIPC．Thirdly,systemcontrolprogramsweredesigned，includingPLCprogram，HMIprogramandIPCprogram．Systemhasmanual／remote／automaticoperationmodes．Lastly,accomplishedsystemdebug．Accordingtothecontrolschemeofwaterdesalination，wedebuggingthehardwareequipment，softwareprogramandIPCinterface．Thiscitysewagetreatmentsystemfullyfulfilledclient’Sdemand．TheoutputwatermeetthenationalsewagelevelII，itCanbeusedasfreshwaterforagncultureandindustry．Besides，ithasagoodpracticabilityandhighefficiency．Keywords：CitySewageTreatment；PLC；PIDController；Kingview6．5\n目录第一章绪论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯11．1研究的背景和意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．11．2城市污水处理系统国内外研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．11．3研究的内容⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一2第二章城市污水处理系统概述⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。52．1A／O法污水处理技术⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯52．2预处理系统⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．62．3LCP控制系统⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯92．4高压鼓风系统⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯102．5MCP系统⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．15第三章双闭环PID控制系统建模⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯193．1双闭环控制系统概述⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯193．2PID控制方法介绍⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯193．3主回路建模过程⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯203．4好氧发酵池双闭环控制系统⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯21第四章控制系统程序设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯234．1LCP系统设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一234．1．1电机．风机系统控制程序⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯234．1．2报警系统程序⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．274．1．3HMI界面设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．294．2MCP设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．324．2．1通信程序设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．324．2．2风机风量分配⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．334．2．3风机轮询控制⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．344．2．4主回路PID控制⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．37表4．1PID程序的部分接口参数说明⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯384．3组态王上位机软件设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯39第五章系统调试⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯415．1硬件调试⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯415．2软件调试⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯415．3系统联调⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯41l《；论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯43\n参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯45攻读学位期间的研究成果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．47墅I【谢⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯49学位论文独创性声明⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯51学位论文知识产权权属声明⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．51\n第一章绪论1．1研究的背景和意义地球陆地表面约30％有水的存在【lJ，但可开发利用的仅为湖泊、河流及浅层地下水，仅占陆地水资源总储量的O．34％【2】，可见地表可用淡水资源并不丰富。随着人口的急剧增长以及人类迈向工业化步伐的加快，生产过程产生的污水排量迅速增长，远远超出了水资源的自净能力【3】，导致世界上可用的洁净水资源严重不足，同时也导致了对土壤、空气等的严重污染。城市污水对周边环境的污染已成为人们日益关切的问题。有人预言，几十年后将有城市因水污染问题成为空城。在我国经济快速增长，日益工业化和城市化的同时，由于基础设施投资不足，加之管理不善，江河湖泊及近海海域普遍受到不同程度的污染，且总体上仍呈加重趋势【41。七大水系中，不适合做饮用水源的河段己经接近78％【5】o我国水资源的现状几乎是：“逢水必污”、“逢河必干”、“逢雨必酸”∞J水资源短缺与污染交织，形成恶性循环，不但制约着经济和社会的可持续发展，亦对人类生存构成威胁【7J。为避免城市污水对周边环境造成污染，作为水资源的节流增量技术，城市污水处理已成为解决这一危机的重要途径。自二十世纪初在芬兰赫尔辛基建成第一座城市污水处理厂以来[81，全球大部分国家已陆续建立城市污水处理厂，历经七十年代和九十年代两次发展高潮后，全球每天处理后排放的城市污水达9亿立方米，污水处理产业至今方兴未艾pJ。从技术种类上来说，城市污水处理主要分为A／O法、A2／O法及SBR法【lo】【11】。A／O法由于其设备投资较省、能源消耗较低、处理效率较高等诸多优点，近年来发展较快，已逐渐成为城市污水处理的主导技术。随着城市污水处理厂规模的不断扩大，所需器件也越来越多，控制过程越来越复杂，由于发展中国家的自动化水平不高，因此污水处理需要大量的人力，且工人的操作环境得不到保证，污水处理效率低下【121。因此，一种自动化程度较高，便于操作和监控的城市污水处理系统应运而生。本课题的目的就在于设计一套具有较高自动化水平的城市污水处理控制系统，使其能更好地实现城市污水的高效处理，并减轻工人劳动强度，节省能源成本，增加污水处理企业的经济效益。1．2城市污水处理系统国内外研究现状城市污水处理系统虽有巨大的社会效益，但由于直接排污成本低，污水处理能耗大等原因，其经济效益较差。一般发展中国家都采用先建设一级处理以后再逐步\n青岛大学硕士学位论文完善二级处理的策略【l引。由于国外污水处理历史较早，经验丰富，因此在污水处理方面已经有比较高的成就，并且各自成功实现了城市污水处理的其他方法【l41。荷兰Delft工业大学于1998年开发了SHARON工艺用于处理含有高浓度氨氮的城市污水【l5J德国的DonalMulkerrins等在A2／O工艺中培育出反硝化聚磷菌，大大增加了无氧发酵的处理率11刚，日本的SaoshiTsuneda等在改良A2／O工艺(厌氧——好氧——缺氧)中，通过控制碳源投加量，促使反硝化聚磷菌生长，反硝化聚磷菌的摄磷量达到总摄磷量的44％，高于A2／O工艺的21％和A／O工艺的13％[17】美国的StijnWyffels等使用示踪剂N15原子对M的形成原因进行研究，实验证实两个氮原子分别来自于氨盐和亚硝酸盐，这一发现揭示了厌氧氨氧化菌的代谢过程[18】。而我国由于起步较晚，因此在设备单元及控制系统的设计方面与发达国家有较大差距，设备单元方面，目前我国环保设备领域还是处于发展阶段[19]，国内企业结构分散，从业企业数量众多，但以中小企业为主，集中度不高，企业产品中科技含量高的设备仍然较少，能够提供成套设备的企业很少，大多数企业以生产成熟的单机产品为主【2⋯。近年来由于对环境问题的重视，我国也在城市污水处理方面取得了长足的进步。同济大学以铁盐为絮凝剂，对上海河流污水进行了强化一级处理小试和中试试验研究，均取得了较好的效果。在铁盐(以Fe3+计)投加量为20mg／L条件下，CODCr(重铬测得化学需氧量)、BOD5的去除率达48％和62％，TP去除率为80％以上，SS去除率为70％[21】【22]丛广治等采用生物滤池处理污水处理厂二级出水的试验结果表明，经过该工艺后的出水可回用于城市景观水体，达到了景观水回用标准【2引。哈尔滨工业大学的张军曾对该技术进行了研究，结果表明，MBR技术与传统污水深度处理技术相比具有出水水质好、运行管理简单、占地面积小和基建费用较低等优点，因此具有非常广阔的应用前景【24】。通过取消初沉池或缩短初沉池停留时间，不仅增加了系统脱氮除磷所需的碳源，而且增强了处理系统内的污泥的能力，强化了好氧区内的同步反硝化作用[25】1．3研究的内容本系统采用A／O两步发酵法的处理方式，经沉淀、中和、过滤等预处理过程和厌氧、好氧发酵等过程，达到将城市污水净化为无害水体的目的。该系统具有处理效率高、节能高效等优点。控制系统采用IPC—PLC的控制方式，有手动、遥控、集控三种运行模式。本系统利用PLC实现对污水处理过程中的风机、电机、阀门、报警保护等设备的控制，对污水处理系统的整体运行情况进行监测与控制，包括风机．电机的转速、溶解氧量、实时风量等，并在系统异常时自动发出报警信号或按照程序设计进行保护。采用IPC作为人机界面，可以形象地对系统的各部分运行状况和实时参数进行监视与控制，方便系统维修与调试，保证设备安全运行。2\n第一章绪论文中对污水处理工艺、系统的总体结构与各部分功能、控制系统结构域控制程序的设计进行了详细的描述。具体的研究内容为：(1)对整个城市污水处理的各个环节进行了介绍，简述了预处理系统、厌氧发酵单元、好氧发酵系统、高压空气产生系统的各部件组成、工艺流程及控制要求。(2)根据污水处理系统的工艺流程设计了控制方案，并对各级控制系统进行概述。控制系统分为三级，分别是IPC、MCP和LCP。IPC利用组态王6．52进行监控界面的设计；MCP采用S7．300PLC作为控制器与通信中继；LCP采用S7．200Smart作为底层控制器，SmartLine700触摸屏作为HMI。(3)设计系统控制程序，包括PLC程序、HMI程序和IPC程序。对LCP中的PLC软件的控制时序、故障报警联锁过程等进行了描述，对MCP中的轮值程序进行了详述，上位机画面及HMI界面的编写进行了简述。(4)控制系统的程序设计及系统调试。为了验证本设计的可行性，最后按照控制要求对设计的PLC程序、制作的上位机监控操作画面进行调试了系统测试。3\n第三章双闭环PID控制系统建模4\n第三章双闭环PID控制系统建模第二章城市污水处理系统概述就目前我国的技术水平而言，污水处理的成本还是比较高，但它仍是我国解决水污染问题的重要手段。A／O法和A2／O法是现在污水处理方法中最常见的两种方法。比较而言，A／O法最大的优点就是节能和处理速度快，处理相同质量的同级别污水，它的能源消耗仅为A2／0的2／3，所需时间仅为后者的1／5。因此，除非处理后的污水排入饮用水体，很少使用A2／O法处理污水。自上世纪80年代以来，世界上大部分国家都采用了A／O法作为城市污水的主要处理手段。本课题设计的城市污水处理系统位于山东省即墨市。近几年来即墨市的城市建设迅速发展，但对污水处理的规划与建设不配套，无专业的排污规划，使城市排污比较混乱，每天大量的生活废水直接排入夏堤河、墨水河等河流，最后进入胶州湾，严重污染了周围环境，因此，建设城市污水处理厂迫在眉睫。根据监测，市区生活污水的年平均排水水质为：BOD5(五日生化需氧量)=230mg／LCOD(化学需氧量)=400"～500mg／L；ss(不溶性固体硫)=280mg／L；pH=5．9～7．0，属国家“劣四类”水质。污水处理厂出水水质指标要求为：BOD5<20mg／L；COD<60mg／L；SS茎20rag／L；pH值介于7．0～7．4，即达到国家二级水质，污水厂日处理能力为60000m3。综合考虑排放标准及成本，污水处理厂采用～O法处理污水。2．1～O法污水处理技术1．基本原理城市污水无需进行电泳化学反应或添加反应物【2酬，而是经过厌氧发酵和好氧发酵两步将其处理为符合标准的无害水的技术即为生物法污水处理技术。城市污水中的大分子有机物在隔绝空气的环境中会在厌氧微生物的作用下分解为小分子有机物，部分分解为无机物，这就是厌氧发酵的过程。厌氧发酵后的小分子有机物在饱和氧中会被好氧微生物彻底分解为无机物，这就是好氧发酵的过程，经两步发酵后的水体水质达到国家二级标准，可直接排出。2．工艺流程根据污水处理厂入水和出水的需求，本系统由以下四个工艺单元组成：预处理系统；LCP系统；高压鼓风系统；MCP系统。A／O法城市污水处理的流程如下图所示：5\n青岛大学硕士学位论文污水处理厂入水好氧发酵池图2．1A／O法城市污水处理的流程图过滤滤渣排入污水处理厂的污水经过预处理(粗格栅过滤、凝絮、中和、细格栅过滤)去除大部分悬浮物等。除渣后经厌氧发酵后，进入好氧发酵过程，最后经处理后的无害水排入大海，污水中的滤渣及富余生物泥与其他环节的滤渣集中进行无害处理后脱离污水处理环节。2．2预处理系统预处理系统主要包括污水缓冲池、污水提升泵、粗格栅、聚合氯化铝絮凝剂添加系统、e(伽)，中和剂添加系统、细格栅及厌氧发酵池。预处理系统通过粗过滤、凝絮、细过滤、中和等过程去除污水中的大体积杂物和不溶性悬浊物，并将pH值预调节为适合进行厌氧发酵的值，将处理后的污水作为好氧发酵池的入水。预处理系统流程如下图所示：污水沉淀滤渣滤厌氧池●———一提升泵■——————————————————一细格栅图2．2预处理系统流程图1．入水污水缓冲池\n第三章双闭环PID控制系统建模入水污水缓冲池是池壁内涂耐污水腐蚀的环氧树脂胶涂料圆柱形的水泥池，又称沉淀池或辐流池，单池容积为4500m3，共两座。由于不同季节不同时段流入污水处理厂的污水流量变化很大，污水缓冲池可以为污水处理厂提供持续恒定的污水流量。同时，污水中密度较大的不溶性物质在缓冲池中进行沉淀，从而便于后续环节对污水的处理。缓冲池池底与池壁容易有沉淀附着，因此缓冲池采用行车刮泥机，刮泥机设于池顶，刮板伸入池底，刮泥机行走时将污泥推入污泥斗内，如下如所示。图2．3入水污水缓冲池2．污水提升泵污水处理厂的厌氧发酵池池底部分位于地表以上1．3米，好氧发酵池池底位于地表以上1．0米。入水污水缓冲池污水平面与地表平齐，因此需要污水提升泵将缓冲池内沉淀后的上层污水提升至厌氧发酵池内。每座缓冲池设有5台博洋离心水泵，正常工况下，三台使用，两台作为备机。每台水泵配有一台30KW异步电机作为动力来源，扬程0．2Mpa。在每台水泵入水的龙头处都封有高通透性的水帽，以防止水泵吸入池底沉淀物。3．粗格栅过滤器入厂的污水在经过初步的缓冲之后，大部分不溶性大颗粒杂物如沙砾、漂浮物等仍会通过提升泵进入厌氧发酵池内，因此在提升泵和厌氧发酵池之间需要加入粗格栅过滤器。由于粗格栅过滤工作不能因更换过滤带而中断，因此选择带式循环传送带粗格栅。粗格栅由带式格栅、驱动电机及反洗式格栅冲洗机组成。格栅转动由两台10KW异步电机同时带动。7\n青岛大学硕士学位论文图2．4粗格栅过滤器4．聚合氯化铝絮凝剂添加系统主要包括贮存罐、计量箱、计量泵。污水中含有大量呈稳定的胶体状态的杂质，包括流动状态下的悬浮，以及在静止时仍难沉淀的较小颗粒等杂质。它们在水中不容易沉淀，必须添加药剂改变物质的界面特性，使分散的胶体聚合，然后形成大颗粒，使这些胶体粒子易于沉降或浮上分离。聚合氯化铝中的铝离子在水解过程中发生羟基架桥式多核配合离子AI：(明)、，C7擗v，这些多核离子絮凝能力很强，将水中微小的胶体、悬浮物，甚至大分子有机物通过电中和、混凝、架桥、网捕使之形成较大颗粒的悬浮物，因此能得到较好絮凝效果。聚合氯化铝的加药量一般约为35mg／L。5．中和剂C。(明)，添加系统本系统主要由密封装药罐、充气泵、止回阀等组成。主要作用是中和偏酸性的污水，使之呈现微碱性。由于污水在流入污水处理厂之前会发生一定程度的发酵，而且污水中含有的地表径流含有一定成分的酸雨，因此污水会呈现弱酸性。且加入的聚合氯化铝会发生水解，使水中的日+含量上升，也使pH值减小。加入适量C。(明)，可使污水呈现中性，利于后续厌氧和好氧发酵的进行。C。(明)，微溶于水，因此加药量一般为2．6mg／三·(7．pH)。6．细格栅过滤器细格栅过滤器是污水进入厌氧发酵池前的最后一道屏障【271。在经过凝絮环节后，污水中绝大部分的不溶性杂质已凝结成大颗粒，在进入厌氧发酵池前必须滤去。在C。(鲫)，中和剂添加时，由于C。(伽)，纯度不高，且有微溶的特性，因此需要细格\n第三章双闭环PID控制系统建模栅将这两种杂质滤除。细格栅过滤器由细格栅、木炭与石英砂三种滤料组成，能有效去除水中的大颗粒、co(明)，凝结物、细菌等。过滤器自身带有反洗装置，采用罗茨风机实现高速喷雾对滤层的反洗从而实现过滤器的持续可用性。细格栅过滤器过滤后的污水浊度小于2．0NTUt弱J。7．厌氧发酵池细格栅过滤后的污水直接排入厌氧池进行发酵，此阶段需保证厌氧池的无氧环境【29】【301。在厌氧状态下，污水中的有机物被厌氧细菌分解、消化，使得污水中的有机物含量大幅减少，同时在大量水解细菌、产酸菌作用下将不溶性有机物水解为溶解性有机物，将难被生物降解的大分子物质转化为易于生物降解的小分子物质。在厌氧发酵阶段，厌氧菌将产生大量甲烷气体CH4及CD，，发酵过程中需要随时抽走生成的气体以确保安全并维持厌氧发酵池中的负压环境，因此厌氧发酵池为全密闭且配备了负压抽气机，维持发酵池内绝对气压在90KPa以下。厌氧发酵过后的污水水质可达到国家一级标准(SS<70mg／L)【3¨。厌氧发酵时间约为3小时(14～39℃)。厌氧发酵后的污水进入曝气池，进入好氧发酵阶段。2．3LCP控制系统每台风机配备一个防护等级为IP65的现场PLC控制柜。此控制柜由按钮及指示灯、PLC和彩色触摸屏组成。在触摸屏上显示单台风机的工艺简图及相关参数(包括电机电流、电机转速、电机运行及停止状态、变频器故障报警、风机入口空气温度、风机两端轴承温度、风机两端轴承振动、电机两端轴承及三相绕组温度、风机流量，风机单次运行／停车时间等)。触摸屏有设置与修改相关参数，查询所有故障报警，远方控制，就地操控及就地保护等功能，并以MPI通信协议与MCP进行通信。控制柜提供如下功能：现场手动启／停风机、就地／遥控选择开关、紧急停车按钮、复位按钮、电机过载保护、风机喘振保护、风机轴承振动保护、风机轴承温度保护、电机轴承温度及三相定子绕组温度保护、风机进／出口温度监测、过滤器差压监测报警、电机电流显示、风机瞬时流量显示、变频器调速控N／入口阀开度控制、风机出口压力监N／控制、放空阀的控制、风机单次运行／停车时间显示、故障查询等功能。1．按钮与指示灯在LCP前面板设置独立的启动／停车按钮以及运行／停止指示灯。同时在前面板上设置“LOCAL．OFF．I也MOTE’’切换开关。当开关在“LOCAL”位时，由现场控制柜启动／停车按钮控制风机启／停；当开关在“REMOTE”位时，由MCP遥控控制风机的启／停(MCP控制风机时，在MCP触摸屏上设置每台风机的“手动”和“自动”选择开关，当“手动”时，通过MCP触摸屏手动启／停风机，当“自动”时，9\n青岛大学硕士学位论文由程序自动控制风机的的启／停)；当开关在“OFF”位时，风机不能启动。当LCP选择开关为“REMOTE”，MCP选择为“自动”时，风机根据工艺要求由程序控制自动启／停。为了防止“LOCAL”与“REMOTE”在风机运行状态下双向切换时风机停车故障发生，应在LCP的控制程序中设置无扰动切换功能。控制柜顶部装有塔式绿黄红三色指示灯，用于指示系统当前运行状态及故障状态。2．S7．200SmartPLCS7．200SmartPLC是西门子针对中国市场全新设计的一款小型PLC，用于取代已经使用十几年之久的S7．200[32】。它具有强大的计算能力、便捷的通信接口、超高的性价比，在PLC外壳顶端预留有扩展板插槽，可以在不外加扩展模块的情况下实现CPU模块的扩展。在鼓风曝气系统中，每个变频器．电机．风机系统都配备了一台S7．200SmartPLCCPU—ST40作为控制单元。每台PLC配备一块SBCM01RS485／422通信扩展板，在硬件配置中，将每台SmartPLC配置为Modbus从站与中央控制器S7．300实现标准Modbus．RTU数据交换，同时扩展一块EMD108模块作为数字量采集模块，两块EMA104模拟量输入模块作为模拟量采集模块，一块EMAQ02模块作为模拟量输出模块，以实现对变频器调速及对旁通阀开度的控制。Smart系列PLC自身带有以太网接口一个，支持TCP／IP协议【33】，可作为与SMARTLINE系列触摸屏的通信接口。3．SmartLine700HMI本系统使用SMARTLINE系列触摸屏中的SmartLine700HMI作为人机交互接口。该HMI准确地提供了人机界面的标准功能，经济实用，性价比高，使用16：9分辨率设计，具有PPI接口、RS485接口、以及以太网接口，可以提供稳定可靠的通信连接，并可实现Pack&GO，即工程师修改项目后无需亲临现场就能实现更新。系统中使用TCP／IP通信协议实现S7．200SmartPLC与HMI的通信。2．4高压鼓风系统经过厌氧发酵后，池内的污水仍含有原污水中的大部分有机物，好氧池底的好氧菌在曝气盘的上升气泡带动下与污水中的有机物充分接触，从而将其分解为Cq日，O、NQ、s02等无机物排入大气。在好氧发酵过程中，好氧菌发酵时进行有氧繁殖，附着于污水中的细小颗粒上，形成大量的富余生物泥。由于富余生物泥堆积将造成曝气盘上曝气头的堵塞，因此必须及时将富余生物泥及时清理。由于流入污水处理厂的污水中各种污染物的含量随季节、工业废水量及降水等因素变化而变化，因此BOD5、COD等曝气关键参数随之变化，曝气池中的实际曝气量必须精确控制。10\n第三章双闭环PID控制系统建模高压鼓风系统是污水处理的所有环节中最重要的一环，也是本系统PID控制副回路的控制目标。每个鼓风系统均由ACS．800系列变频器、ABB315KW异步电机．高压风机、好氧发酵池以及报警保护系统组成。高压鼓风系统工作流程如下图所示：所需风量——叶-_．．．变频器—◆电机．风机·—■风量一!实时风量计算；_图2．5高压鼓风系统工作流程图1．COD检测系统去除污水中含有的氨氮成分与碳水化合物成分是好氧发酵的主要目的【341。流出厌氧池的污水中含有的大量小分子有机物，是好氧发酵的主要耗氧成分。城市污水的化学需氧量COD传统的计算公式如下：COD(mg／L)=C·(Vo—K)·801000V2-(1)式中：C：硫酸亚铁铵标准溶液的物质的量浓度，单位tool／三；环：空白滴定时消耗硫酸亚铁铵标准溶液的体积，单位ml；Zx：废水样滴定时消耗硫酸亚铁铵标准溶液的体积，单位ml；y：废水样的体积，单位聊，；在好氧发酵池的入水口处置有化学需氧量COD检测装置。在持续流动的污水中难以用取样的方式测定污水的化学需氧量，因此每条入水管末端安装有哈希LY-C1型COD快速测定仪，可实时显示入口处污水的COD值，并将其转换为4～20mA信号传递给PLC，PLC依据好氧发酵池中的污水总量与COD的值计算得出所需的最终风量，依据所需风量调节高压离心风机的转速。该测定仪采用经典的硫酸亚铁铵氧化法测定，采样精度高，可精确测得入水的COD值，并可显示污水中的主要污染物种类及含量。在好氧发酵池中均匀安装了16只溶解氧(DO)检测传感器。传感器统一连接至溶解氧变送器，由溶解氧变送器将池中各处的溶解氧水平求得平均值后，以4-20mA信号的方式传递给PLC，该信号经运算后将作为PLC主回路PID调节的反馈量。2．ACS．800系列变频器风机属于二次方负载，即负载转矩与转速的二次方成正比，由于好氧发酵池的水深可达8米，为保证将气流吹至池底，应保证风机系统的出口压力不低于80Kpa(相对压力)，对于本系统的风机，由于转速维持在3400rpm以上，与停机时的减速S曲线末端的转矩相差很大，因此本系统采用了ABBACS800系列变频器中的\n青岛大学硕士学位论文ACS800．04P&F．0550．5。P&F(Pump&Fan)系列是专为大功率水泵和风机设计的交流传动变频器【35|，具有很好的瞬态响应性能和完善的电机辨识能力，已广泛地应用于工业领域。3．异步电机．高压风机异步电机．高压风机是整个污水处理厂中最重要的控制对象。异步电机采用ABB660V／315KW鼠笼式电机，可以在3982印聊的最大转速下提供1009．4N·m的输出转矩，足以为驱动风机高速运转。同时通过热电阻PT-100实现对电机的U、V、W三相绕组的温度测量，以及电机驱动端和驱动远端的轴温测量，经温度变送器传送给PLC，为电机提供过温保护。高压风机采用的是GardnerDenver的七级高压离心风机≠}2．1267，采用LamsonHoffman结构，风机具有良好的性能和超长的寿命，平滑的导流符合环，以及极高的进气效率，风机与315KW电机同轴连接，叶轮动平衡性能良好。风机具有多项运行保护技术，在风机的驱动端和非驱动端各装有一只GD震动传感器，用于测量风机轴的震动，当震动超过19mm／s时将触发系统报警，当超过30mm／S时系统将进行故障停机；在风机的轴两端安装有PT-100热电阻各一只，用于测量风机的轴温。风机入气口使用广隙无纺布对入口空气进行过滤，以保护风机叶片。风机启动时与停机时，由于出口风量在上升或下降时会经过风机喘振点，因此会导致风机喘振对风机造成极大损坏，因此在风机出风口处加设旁通阀，在风机启动过程中，全部风量都经由旁通阀直接排空，在风机风量超过喘振点后，旁通阀关闭，全部风量均排入曝气管道。同理，在风机停机时，首先将旁通阀打开，以使风机尽快减速，同时使风机避开喘振点。旁通阀后接有压力调节阀，通过调节阀f-jFL径可以实现对风机出口压力的控制，阀门为手动调节，开度可由30％～100％自由调节，开度越小，风机出口压力越高，风机做功越小。压力调节阀主要用于风机启动时对变频器输出电流的限制，避免电机过载或变频器过流【40】。风机出口处设有止回阀，以防止当风道内气压≤80I,：pa时，曝气头可能发生污水倒灌。当气压≥80Kpa时，止回阀自动开启。4．好氧发酵池本污水处理厂使用两个水泥浇筑的50m×40m×10m的曝气池进行好氧发酵。由于城市污水具有很强的腐蚀性，因此发酵池的池底和池壁涂有耐腐蚀的环氧树脂漆层。池底铺设有环形管路，作为高压气体的输送路径，管路上每隔1．2m有一座盘式曝气头及旋转片刃，片刃用于将高压空气击碎成细小的气泡，使好氧细菌可以与气泡发生更大面积的接触，通过调节片刃的转速，可迅速调节上升气泡的溶解率。在水深为8m的情况下，池底沉淀有40cm厚度的活性好氧菌泥。菌泥为黄褐色絮状12\n第三章双闭环PID控制系统建模物质。包含大量微生物，包括各种细菌、真菌、原生动物和少量的后生动物。除此之外，还有作为粘附基础的无机物质存在，整个菌团称为为菌胶团或胶羽。其中70．90％是有机物，即微生物，另有10．30％是其他无机物质【411。在曝气过程中，菌泥在气泡带动的旋转水流中向上运动，与污水中的大量有机物发生广泛接触，从而起到去除污水中主要污染物的作用。在到达发酵池表面水层后，菌泥下沉。发酵池的曝气时间和曝气强度受污水水量和污水COD的影响，典型曝气时间为3小时。曝气结束后，静置即可实现沉降分离，曝气池的上层清液出水可达国家II级标准，经检测后可直接排入大海，下层菌泥在静置后自然分层，底层茵泥含有大量的好氧饥饿菌，可再次参与对污水的处理，其它非饥饿菌泥已无法再次进行好氧发酵，将作为富余菌泥排出好氧发酵池外。在每次的曝气过程中，菌泥大量繁殖，将在池底形成大量富余菌泥，需要及时清理，否则将导致菌泥堵塞曝气头及旋转片刃，导致曝气不充分。在主输气管道通入每个好氧发酵池的入口处，各自设有蝶形电动阀一台。通过调节蝶形阀的开度可以实现对每个曝气头曝气量的调节，从而起到调节溶解氧的作用。该蝶形阀以4～20mA信号作为其开度调节信号，同时以4～20mA信号作为阀门当前位置的反馈信号。通过对阀门位置的调节可以直接实现对曝气量大小的控制，从而实现精确曝气。5．报警保护系统污水处理的整个工艺流程内设有多个报警点，分为数字量报警、模拟量报警与计算值报警三种。数字量故障包括：旁通时间后旁通阀未全关、变频器限流电阻短路触点故障、UPS故障、好氧发酵池水位过高；模拟量故障包括：厌氧池绝压高、广隙无纺布压差过高、变频器过流、电机过载、电机轴温过高、电机三相绕组温度过高、风机轴承温度过高、风机轴承振动幅度过大、出口压力过高、好氧池出水泵压差过高；计算值报警故障包括：风机喘振故障。系统对故障有两种处理方式，即报警和联锁。当系统发生报警故障时，系统将在触摸屏上显示故障信息，并做出相应的处理，如当电机出现过载现象时，变频器将限制输出电流，使风机转速下降到电机过载点以下，在故障消除后，鼓风曝气系统重新正常工作，同时触摸屏将本次故障信息及处理方式以．xml数据库格式记录在TF卡中，以备日后查阅。每台风机在接入主管路前需经过止回阀，出口压力>60Kpa时，出口阀将开启，出口压力<80Kpa时，出ISl阀将关闭。如果出ISl压力在80Kpa附近频繁跳动，将导致止回阀频繁关闭，风机系统的叶片和对中系统将受到极大损害，严重时风机与风13\n青岛大学硕士学位论文机房建筑结构可发生共振，导致灾难性后果。风机系统中，转速与出口压力大致成正比，因此运行中必须使风量维持在喘振点之上。风机在各电流下的标况流量曲线如下图所示：I／Amps为：≥／／7／7／f图2．6各电流下的标况流量曲线图使用Matlab对上图曲线进行逆向拟合，可得20℃下电流与标况风量的函数关系只=O．5112—54．61+5000风机当前风量的计算公式为：F=C·b。／M广F：某一工况下的流量，单位：N·m3／min；F：标准(选型)工况下的流量，单位：Nom3／min；na：某一工况下的转速，单位：rpm；挖，：标准(选型)工况下的转速，单位：rpm。喘振流量值与入口温度及电机转速的修正公式：Surge=Surge，·(na／n。)·(I／r,)Surge：某一工况下的喘振流量，单位：N·m3／min；Surge。：标准(选型)工况下的喘振流量，单位：N·m3／min；Z：当前工况下的温度，单位：K；r：标准(选型)工况下的温度，单位：K；，21：当前工况下的转速，单位：rpm；2-(2)2-(3)2-(4)\n第三章双闭环PID控制系统建模n。：标准(选型)工况下的转速，单位：rpm。当系统发生报警故障后，如不及时处理或系统未能自动排除，一段时间后将发生联锁故障。全部种类的联锁故障都将导致电机停机。如果联锁故障在停机后消失，则在停机后锁定时间过后，通过手动按下复位按钮，系统可重新启动，否则必须在手动排除故障后，等待系统停机时间过后按下复位按钮系统才能重新启动。以下为系统各模拟量保护环节的报警值及相应的保护措施：表5．1报警值及相应保护措施故障名称报警值联锁值故障排除入口压差高0．03mbar0．05mbar更换广隙无纺布停机电机过载300A320A检查风机．电机系统对中，电机轴承温度高110℃115℃更换52#润滑油停机，等待电机冷却电机三相绕组温度高130℃140℃检查风机．电机系统对中，风机轴承温度高110℃115℃更换52#润滑油检查风机．电机系统对中，风机轴承震动高19mm／s30mm／s重新进行风机动平衡调整。重新启动系统，调低喘振电风机喘振115％喘振电流值110％喘振电流值流值控制柜顶部装有塔式绿黄红三色指示灯。系统正常运行时绿色指示灯亮，系统发生非致命故障时黄色灯亮，系统发生联锁停机故障时红色灯亮，故障消除后故障指示灯灭。2．5MCP系统系统为每个独立功能区的风机组配备一个防护等级为IP65的总控制柜MCP控制柜。此控制柜安装在控制室内。MCP主要由S7．300PLC和SmartLine1000触摸屏及一台研华工控机组成，工控机通过以太网与S7．300进行通信。控制柜提供如下功能：1．控制独立功能区内所有风机启停及各状态监测包括风机主备功能的切换；投入运行风机数量的控制；风机轮值切换控制；故障时备用风机的自动投用；根据用户需求建立与上位机的数据通讯。2．控制独立功能区内所有风机的启停及各状态监测1S\n青岛大学硕士学位论文当风机LCP控制柜的控制方式设置为自动状态时，可在控制室内通过MCP的触摸屏对任一风机进行控制，控制方式可分为手动及自动两种。当控制方式处于手动模式时，可在MCP的触摸屏上通过手动方式启动现场的任一风机(自动模式)，当控制方式处于自动模式时，MCP通过计算以确定所需运行的风机台数并根据事先设定的先后顺序启停所需运行的风机。无论任何情况下，MCP都将实时监控任一风机的各种参数及报警联锁状态。3．风机主备功能的切换MCP可以对任一风机的主备状态通过触摸屏进行设定，当风机设定为主风机时，此风机保持长期运行；当风机设定为备用风机时，风机的启停由系统所需控制的参数控制。4．投入运行风机数量的控制MCP接受来自系统所需的风量信号(或由其它信号转化而来的风量信号，此信号应为与系统总风量相对应的4-20mA信号，如：每台风机流量为0-7200m3／h，系统共4台风机，则系统总风量为0-28800m3／h，也就是4-20mA对应0-28800m3／h)，通过计算并与风机在额定工况下的风量进行对比以确定所需运行的风机台数。所需风量>21600m3／h时，启动4台风机；21600m3／h>=所需风量>14400m3／h时，启动3台风机；14400m3／h>=所需风量>7200m3／h时，启动2台风机；7200m3／h>所需风量时，启动1台风机。停机时为减少风量的波动，MCP控制系统预先设定四台风机的停车步骤(可设定一台风机为主风机，另三台分别为1撑备机，2拌备机，3撑备机，停机顺序为依次停运3撑备机，再停2群备机，再停1j6}备机)，在需要停运某台风机时先将需停运的风机的转速调到风机正常运行所需的最小值，同时提高需保持运行的3台风机的电机转速以使3台风机的总风量满足系统风量的要求，然后停止预设的风机。以此类推，当风量处于14400m3／h～7200m3／h范围内时，运行2台风机；当风量小于7200m3／h时，运行1台风机，在此风量范围内，通过调节电机转速，用一台风机维持系统风量的要求。当系统所需风量提高而运行风机的总风量不能满足系统需求时，MCP通过计算并按设定顺序重新启动风机，运行风机应保持同工况运行。启动或停运备用风机时，都有一定时间的延时以确认是否需要启动新风机或停止一台运行中的风机以避免风机的频繁启停。为保持风机的高效运行，当系统要求风量增加时，首先尽可能通过提高运行风机的转速来实现，当运行风机的转速达到选型时规定的上限时再启动另一台风机。当系统风量减少时，通过计算，力求启动最少的风机来满足系统最大的风量要求。5．风机轮值切换控制MCP控制系统能自动对机组进行编号，当机组正常运行时，可根据运行累积时\n第三章双闭环PID控制系统建模间进行自动切换。MCP风机的初始编号为：1撑风机为1#备机；2撑风机为2撑备机；3jfi}风机为3撑备机；4撑风机为4撑备机。风机的的启动时，从1撑到4拌依次间隔至少50秒启动1台。MCP在风机运行后，位号由备用变成主风机，风机停运时，位号由主风机变成备用风机。先运行的风机为1拌主机，依次为2撑，3撑，4≠}，备机的编号依次前移。如当由初始状态启动一台风机后，已启动的风机编号由1挣备机变为1≠}主机，而原先的风机编号分别由2撑备机，3jfj6备机，4撑备机分别变为1撑备机，2拌备机，3≠}备机。无论何时启动风机，刚启动的风机编号应排在现有主风机编号的最未位。如原来有一台，则此新启动的风机为2群主风机，如原系统中有两台风机运行，则新启动的风机位号为3撑主风机，依此类推。，每启动一台备机，则其它备机的编号依次前移。当某台风机因故障而停车时，MCP立即提高需保持其它正在运行的风机的转速以使运行风机的总风量尽可能满足系统对风量的要求，同时MCP自动启动编号为1撑的备用风机。17\n青岛大学硕士学位论文18\n第三章双闭环PID控制系统建模3．1双闭环控制系统概述由于本系统的主要控制对象化学需氧量DO是时刻变化的，因此双闭环控制系统的主副回路均为随动系统。在控制过程中，副回路起着对溶解氧含量的“粗调”作用，而主回路则完成对溶解氧含量的“细调”任务。双闭环控制系统即串级闭环反馈控制系统，与单回路控制系统相比，它仅仅多了一个测量变送器与一个控制器，但控制效果却有显著提高。其原因是在双闭环控制系统中增加了一个包含二次扰动的副回路，改善了系统中被控过程的动态特性，对二次干扰有很强的克服能力，同时也提高了对一次扰动的克服能力和对回路参数变化的自适应能力【421。3．2PID控制方法介绍PID控制器是一个在工业控制应用中常见的反馈回路部件。这个控制器把收集到的数据和一个参考值进行比较，然后把这个偏差用于计算新的输入值，加入这个新的输入值的目的是可以让系统的数据达到或者保持在参考值【43j。和其他简单的控制运算不同，PID控制器可以根据历史数据和差别的出现率来调整输入值，这样可以使系统更加准确，更加稳定。可以通过数学的方法证明，在其他控制方法导致系统有稳定误差或过程反复的情况下，PID反馈回路却可以保持系统的稳定。1．比例控制比例控制是一种最简单的控制方式，可以加快系统的调节速度。其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差(Steady．stateerror)[44】。2．积分控制在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。对一个自动控制系统，如果在进入稳态后存在稳态误差，则称这个控制系统是有稳态误差的或简称有差系统(SystemwithSteady．stateError)。为了消除稳态误差，在控制器中必须引入“积分项”。积分项取决于时间对误差的积分，随着时间的增加，积分项会增大。这样，即便误差很小，积分项也会随着时间的增加而加大，它使控制器的输出增大使稳态误差进一步减小，直到等于零。因此，比例+积分(PI)控制器，可以使系统在进入稳态后无稳态误差。3．微分控制在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分(即误差的变化率)成正比关系。自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。其原因19\n青岛大学硕士学位论文是由于存在有较大惯性组件(环节)或有滞后(delay)组件，具有抑制误差的作用，其变化总是落后于误差的变化。解决的办法是使抑制误差的作用的变化“超前"，即在误差接近零时，抑制误差的作用就应该是零。这就是说，在控制器中仅引入“比例”项往往是不够的，比例项的作用仅是放大误差的幅值，而目前需要增加的是“微分项”，它能预测误差变化的趋势，这样，具有比例+微分的控制器，就能够提前使抑制误差的控制作用等于零，甚至为负值，从而避免了被控量的严重超调。所以对有较大惯性或滞后的被控对象，比例+微分(PD)控制器能改善系统在调节过程中的动态特性【45】。3．3主回路建模过程由曝气系统流程图可知，曝气过程如下图所示。流入曝气池的污水的含氧量基本为0，曝气池内污水的总耗氧量为C，单位体积的污水的耗氧量为Cp，经厌氧发酵后的污水流入曝气池的流量为q，流出时的总耗氧量为To。在曝气效率、流入曝气池的污水需氧量和流量不变的条件下，建立曝气池的污水总含氧量与变频器输出的电流之间的数学模型。把曝气池看做一个独立的隔离体，根据物料动态平衡定律，单位时间内进入曝气池的高压空气的总量Qi与单位时间内不完全曝气而消耗气体的总量Qo之差等于曝气池内的耗氧量，可得d丁Q—Qo=C寻3一(1)口Z式中，输入的气体量等于高压鼓风系统产生的气体量Q与流入曝气池的污水的含氧量之和，但由于流入曝气池的污水是经过厌氧发酵的污水，因此含氧量基本为0。因此有Q=Qe3一(2)同样地，由曝气池输出的空气量由流出曝气池的完全曝气后液体所消耗氧气量gc。乙和曝气池由于曝气不完全而造成的逸出气体的量Q，两部分组成Qo=Q，+qCpTp3一(3)在某一段时间内，可以认为曝气过程处在稳态，L保持不变，从曝气池输出的空气量Q0等于从外部输入的空气量Q，即Q0=Qf，则有Qf—Qo：cdr；_,3-(4)“‘若以增量的形式表示变量相对于稳态值的变化量，即△乙=乙-r,。；\n第三章双闭环PID控制系统建模AQ,=Q-Q,o；AQo=Qo-Qoo。由式3-(4)可失1：IQfo-Qoo=0。代入式3-(1)可得△Q,-AQo=c等3-(5)假设q、互不变，△Q=Q-Qe。，由式3-(2)可得，△Q=△(Q+qCpT,)=△Q3-(6)同时，△ao=qCpATp3-(7)将式3．(6)、3．(7)代入式3．(5)可得△Qe-qCp△乙=c丝dt3-(8)在某段时间内，可认为温度不变，因此由多级风机的出风量与变频器输出电流之间呈现抛物线关系。为使问题简化，可在工作点(io,Oe。)附近进行线性化处理：在工作点附近的小范围内，以切线代替原来的曲线，可用下式表示电流变化(Ai)与耗氧量变化(AQe)之间的关系△Q=K。Ai，将其带入式3一(8)得即州q△乙=c等3-(9)把芳心=参，则上式可表示为rdA口fTp+Ap=碰“3一(1。)对式3-(10)取拉氏变换，可得输出污水的耗氧量与变频器输出电流之间的传递函数为：篇=寿13q·，U(s)I+、’式中，乙(s)=三{△乙(r)}，u(s)=三{△u(f))。由上式可知，变频器输出电流与污水溶氧量之间的主回路是一个单容过程。3．4好氧发酵池双闭环控制系统由其它污水处理企业的经验可以得知，通过对当前溶解氧水平的检测，调节变频器输出电流，可以实现对溶氧量的精确控制。但从传感器检测到溶解氧量偏移预定值，通过变频器输出电流的大小，到曝气池溶氧量恢复到预定值，需要20～30min，远远超出了允许范围。通过对总风道内风量的检测，却可迅速改变风机转速，从而迅速调节风道内的总气量，但难以做到对溶氧量的精确控制。如果将溶解氧水平检测装置对溶氧量的精确控制与风量检测装置对总风道内总\n青岛大学硕士学位论文风量的迅速控制结合起来，先根据总风道风量的变化，改变变频器的输出电流，快速消除来自风机及分支风道对总风道风量的干扰：然后再根据曝气池溶解氧量与设定值的偏差，进一步调节变频器输出电流，使溶解氧量精确恢复到设定值，这就构成了以溶解氧水平为主要被控参数，以总风道风量为辅助被控参数的双闭环控制系统。由风机转速等变化引起的主风道内风量偏移主要由副回路进行校正；由主回路克服曝气系统后续的曝气盘等环节引起的溶解氧量变化，以及在副回路粗调后进行微调。好氧发酵池双闭环控制系统系统框图如下图所示。图3．1好氧发酵池双闭环控制系统系统框图\n第四章控制系统程序设计污水处理系统的控制系统主要分三部分，即LCP系统、MCP系统及上位机系统。LCP系统主要负责风机．电机系统的运行控制及报警，以及副回路的总风量控制；MCP负责对四台LCP系统的运行信息采集，风量分配和轮询控制，及主回路的溶氧量精确控制；上位机系统负责整条污水处理线各个部分的监控。4．1LCP系统设计LCP即就地控制盘，每台电机．风机系统配备一台LCP，每台LCP主要由S7．200SmartPLC一台、SmartLine700触摸屏一台、各路继电器、变送器及接线端子，以及按钮和指示灯组成。本文主要介绍PLC程序及HMI界面的设计过程。4．1．1电机．风机系统控制程序电机．风机系统作为整个污水处理厂最重要同时也是耗能最多的环节，能否对其进行精确控制将直接影响到能否同时做到节能和精确曝气。电机．风机系统的控制程序可基本分为以下几部分：电机启动及停机控制程序、风量及喘振计算程序、副回路PID控制程序。1．电机启动及停机控制程序电机启动时，会对电机．风机系统的前、后多个环节造成影响，因此系统需要同时具备多个条件时，才允许启动。当风机．电机系统处于就地控制模式时，在急停按钮未按下，风机．电机系统及分支风道没有联锁待消除，就地／遥控按钮处于就地控制状态，旁通阀处于全开位置，不存在报警现象，已经经过停车重启的间隔时间(首次启动除外)同时具备的条件下，按动就地开车按钮后，电机方可启动。当风机．电机系统处于MCP控制模式时，在急停按钮未按下，风机．电机系统及分支风道没有联锁待消除，就地／遥控按钮处于远程控制状态，旁通阀处于全开位置，不存在报警现象，已经经过停车重启的间隔时间(首次启动除外)同时具备的条件下，MCP发出启动信号后，电机方可启动。2．风量及喘振计算程序输出风量为标况风量，即在20℃，1．01Mpa水平下，每小时由出风口输出的立方数。由风机厂家给出的风量与转速关系的计算公式及各电流情况下的标况风量曲线可得，风量计算公式为：厂、3f、3f、3，=o．21，2f生I一54．61f生l+5000f堡l4．(1)＼门1／L玎l／lL啊／其中，力。表示当前温度下的标况转速，不同温度下的标况转速表如下如所示：23\n青岛大学硕士学位论文表4．1不同温度下的标况转速表温度下限(℃)温度上限(℃)最低转速(rpm)．103000．10．53050．5031000531505103200101532501520330025303350303534004035003．副回路PID控制程序编程软件Step7．Micro／WinSMART提供了强大的连续模拟量控制PID功能块。为便于实现精确控制，S7．200SMART中的PID控制采用了迭代算法。PID控制算法有几个关键的参数Kc(Gain，增益)，正(积分时间常数)，乃(微分时间常数)，r(采样时间)。在S7．200Smart中PID功能是通过PID指令功能块实现。通过定时(按照采样时间)执行PID功能块，按照PID运算规律，根据当时的给定、反馈、比例一积分一微分数据，计算出控制量。S7．200Smart的编程软件Micro／WINSmart提供了PID指令向导，以方便地完成这些转换。PID控制的效果就是看反馈(也就是控制对象)是否跟随设定值，响应是否快速、稳定，是否能够抑制闭环中的各种扰动而恢复稳定。要衡量PID参数是否合适，必须能够连续观察反馈相对于给定变化的响应曲线，而实际上PID的参数也是通过观察反馈波形而进行调试的，因此，新版编程软件STEP7．Micro／WINSmart内置了一个PID调试控制面板工具，具有图形化的给定、反馈、调节器输出波形显示，可以用于手动调试PID参数。将系统中的三台设备关闭，只运行其中的一台，将运行风机的出风量作为总管道的风量，三台设备的PID参数逐个整定。以下为副回路PID控制器的配置过程：(1)由于长距离传输过程中，电压信号会受到极大的干扰，因此将转速调节模拟量输出通道配置为0-20mA，同理，将模拟量输出信号改为单极性，0-20mA。24\n第四章控制系统程序设计5‘2’’“。g鬻瓣羹薹薹蒸鬻鬻鬻搿缀囊囊嬲黪鬃隳辫戮缀黧蒌蒌|糕缫嬲翳缀嬲麓臻翳搿麟髑翳骥翳戮赣缀赣髑黝缫缀黼戮瀚獭#i黪黪糍薹蠹l麓i；虢§疆匦臣．麓戳；≥瓣虢蕊麓i荟；}；虢滋黼≤誊§浚澎潋l濑瀚盎盛潦；燃燃溘整垂薹滋渤貉黼：鑫鞫涵鸶女盛激勰噩茹谶越菇眺；；泓骥薪；孽冀麓巍懿蕊CPUST40【DC／DC／DC】10．00006ES7288-1ST40-0AA0漆毯激蕊SBCM01[RS4851RS23216ES7288．5CM01-0AA0懑辘鑫趱瀛EMAE04【4AI】A|w166ES7288—3AE04-0AA0灞㈦EMAE04【4AI)AIW326ES7288-3AE04-0AA0溢隧‰EMAQ02【2A0】A乜W486ES7288·3A002-0AA0添撼蠢漱I唇梗组参数透道0C^I冒32)l匮模拟里输入类型|；霆通适0卜翟通遁1i安培一|；匿通适2卜疆通道3范围10·20ma-_J拒绝图4．1配置信号类型(2)将风量调节PID回路设为Loop0，并命名为“Flow—Adjust”，如下图所示。p|D回器向导l震回路F10w_AdjⅡst也oep0)1日⋯【露、Flow_Adjust(Loopo)此回路应如何命名?§E：：=h‘．●·I_I⋯监擎委j【|Flow_Adjust⋯蓬输入⋯厦输出⋯匣报警⋯匿代码⋯匿存储器持酉8⋯匣组件|露；：成图4．2添加PII)副回路(3)将增益值改为10．O，采样时间改为1s，积分时间设定为无限大，微分时间暂定为0．0，即完成了对该PID回路的配置。25\n青岛大学硕士学位论文plD回路向导图4．3设置PID参数(4)将输出回路设定为单极性输出，输出范围0-27648，对应0％-100％。PID国籍向导图4．4设置输出极性(5)点击生成后，会自动生成PID—CTRL及PID—EXE子程序。在主程序MAIN中，通过SM0．0常开触点调用PID0一CTRL子程序，并将电磁气流计传感器的输入信号作为PID0一CTRL的PVj输入，将计算所得的所需风量作为设定点Set—Point，将变频器输出电流作为PID0一CTRL的Output，PID—EXE子程序不为用户所见，因此无需配置，如下图所示。\n\n青岛大学硕士学位论文；By_Pa∞Time；T37：毒通聪闻；磐橇0三东攀叩印L?“8岬6也im；ug．e_?5r9e-?“M1DIlvw薯5协牛掣m?own．op。“c“一D罢：．s》I卜-———_17卜_———-1／卜_———-17卜———_1，“卜_冲l。：L■：蕃V'w'208鬻澎o呼⋯呷⋯n．粤oⅢo娑．攀叫’薯L■攀缓爱一一卜叫，I------!，卜一)lOpenByP船LF越lo∞ByPa嚣_CIo#e攀}i※囊i曲南置删擀褂龇掣黼&}{：AJwa∞On{SMO0；格终蕞煎l；i；By_Pesj_Time；T37；凳递鞋词；B户6魁a∞e：020：关暑遵阀豢：B妒＆sLFuHa∞eiII4；鸯道援全妥鬟!÷Bs,Pa％FullOpen113i喜通闻皇开：opalcounIDo帅；T38i开努嚣豳爨计盟ti：：StopCour',tOm,,mT39；僖止并倒计酣；Surge_H115：瑞摄赢}&警鬟：SuroeHHMO7i端撮喜翳琐l叠皂机电：毒库蕞图4．6风机喘振保护系统2．系统运行保护如果风机环节前后不具备启动条件而贸然启动，将导致前后环节发生灾难性后果，因此风机启动的限制条件较多，例如：风机启动前需旋开急停按钮；启动前无联锁故障；电机停机信号已停止发出；且电机．风机系统不得存在未确认的报警；旁通阀需打开至全开位置；距离上次停机的间隔时间需在20min以上，但如果是控制系统上电后的首次启动，则无需等待。梯形图如下图所示。累疑启动程辱ESIopFa叱Combination—一卜——一，卜一呻～I‰二卜——1’一～7I蜘_卜‰aBjELk＆＆№№KH#a≈一i＆*≈，jlI-■‘‘mx**¨m自№a≈hk^d!；舭tKkj_mm∞_t**-_g#*xghwg∞*ⅫmⅫHⅫ№*Ⅻm∞^b-¨∞“_d；¨d*一⋯ByPa∞_F6Q_Open：105；舅曼爱坌并Byp磷Time_Bsfom_SM100j停车量重启娶通时匾EStop川2：急薄FaulLC晰嘶at∞n；v3∞0j褒琐臻台附Time_On_Byp搽s：V452：首次启站掰6过瘩三扫跗嚆Local_Remote．1041藏她拯疆Loc也S洲：102i鼓她开车Loc也S【∞：103：就地俘车只e¨Iote_甜封I!V4001；远程启硅：Rernote_Stop!V4002i速程停辜Start；002i耳车指令WarningLightBypa∞Time_Befor。Start图4．7风机启动综合保护\n第四章控制系统程序设计系统在运行过程中，如果遇到任何报警事件，则立即触发报警综合，并在报警指示灯处显示报警信息，在HMI中也有相应的记录。按下LCP上的复位按钮，将消除报警，但HMI中的报警记录一直保存。系统运行过程中如出现联锁事件，则在联锁事件持续两秒钟以后，触发联锁综合，导致系统停机。联锁导致停机后按下复位按钮方可清除故障指示灯，但不能清除联锁故障记录。报警和联锁的综合逻辑如下图所示。图4．8报警综合与连锁综合4．1．3HMI界面设计本系统的触摸屏使用的是西门子SmartLine700系列，编程软件为WinccFlexible2008SP4。SmartLine系列触摸屏提供了便捷的通信方式，先进的过程可视化界面，可靠的数据采集及监视功能。系统使用工业以太网的方式与200SmartPLC进行通信。本HMI监控系统经过调试后完全能够满足设计要求，能够通过相关画面及时了解系统的运行状况。监控系统由综合设置界面、阀门控制界面、风机监控界面、电机及风机实时参数界面、电机及风机参数设置界面、入口温度及流量页面、系统初始化界面组成。1．系统主界面系统主界面如下图所示。本界面是系统上电后的初始界面，点击界面上的按钮可以进入与按钮名称对应的界面。综合设置、参数、参数初始化等界面在进入前需输入操作密码，不同操作等级操作员的操作密码不同，以防止因系统的各项报警、联锁值等发生改变而导致灾难性后果。29\n青岛大学硕士学位论文图4．9HMI主界面2．电机一风机监控界面点击主菜单上的风机或电机按钮，可进入电机．风机监控系统界面。本界面可以监控电机．风机系统的大部分参数，包括电机电流、电机转速、电机U、v、W三相绕组的温度、电机驱动端及非驱动端的轴承温度、电机重启时间间隔、当前已连续运行时间、风机驱动端及非驱动端轴承温度、风机驱动端及非驱动端轴承震动强度、电机运行／停止状态、当前就地／遥控状态、风机入口温度及出口风量、旁通阀开度。当HMI界面处于电机．风机监控界面时，如果电机发生运行喘振，将自动切换到旁通阀控制页面，此时，用户可以及时打开旁通阀，从而避免发生后续事故。图4．10电机-风机监控界面3．设置界面设置界面包括设备报警参数设定界面及运行参数设定界面。在系统上电时，系统自动将电机及风机轴承的报警温度及联锁温度分别设定为104。C及110。C，并作为默认值。由于气温升降、轴承润滑油粘度等变化，用户可随时更改报警上限从而避\n第四章控制系统程序设计免频繁发生报警和联锁。同样地，用户可更改风机的振动报警温度及联锁温度。风机轴承温度及振动报警温度、联锁温度设定界面如下图所示。图4。11设置界面通过点击主界面下的参数初始化按钮，可进入参数初始化界面，界面下包括最低转速初始化、出口压力设置初始化、启动后关旁通阀的时间等。参数初始化界面如下图所示。图4．12子设置界面为避免喘振及总气道发生倒灌现象，需为风机设定最低转速，即风机在正常运行时，转速不得低于当前气温所对应的最低转速。如下图所示，系统在上电时将默认的各温度下的最低转速值写入PLC程序。用户可根据实际情况更改各温度下的最低转速。\n青岛大学硕士学位论文图4．13最低转速设置界面4．2MCP设计作为四套LCP系统的上层控制系统，MCP控制系统需要承担与四台就地控制柜的PLC及组态王界面的通信任务，多套风机的风量分配任务，风机轮询控制任务，及主回路PID控制任务。MCP采用一台CPU313C作为控制器。CPU模块自带工业以太网口，可用作与上位机通信的接口，自带的RS485／422接口可用作与四台LCP进行Modbus．RTU通信。由于S7．300系列支持SCL语言编程，因此可以方便地将复杂的控制过程通过SCL语言实现。4．2．1通信程序设计在CPU313C编程软件Step7中，将CP341模块上的RS485／422接口配置为Modbus主站，波特率配置为9600bps，无校验，每帧8个数据位，一个停止位。由于Step7软件已将Modbus．RTU通信方式高度集成，因此配置十分方便，在配置主站地址等参数后即可调用Modbus主站通信程序FB7及FB8。如下图所示。\n第四章控制系统程序设计图4．14主站接受主程序嘲髓Se盈畦B毪_ta／Fe4：ohD基ta’PSI∞RK’E茸嚣llDSFDo舅E}强珞ERRORRSTA瓢，SL脚RDB_N0D髓J酌LENR_CPU_lWOR∞限∽loF手'-sgr图4．15主站发送主程序4．2．2风机风量分配总风道内的总风量来自正在运行的风机风量之和。对于MCP，分析当前曝气池内的溶解氧含量与化学需氧量，可以得出当前所需总风量。由所需风量计算需要启动的风机台数，原则上尽量减少风机的启动数量，在所需风量超过当前全部风机能够提供风量的95％的情况下，方可启动下一台风机，并将总风量再次平均地分配给33\n青岛大学硕士学位论文每台风机，在每次切换风机时，首先启动下一台风机，待风机正常运行后，再将上一台风机停机，以免造成风量下降和污水倒灌。4．2-3风机轮询控制风机长时间运行将造成风机轴承润滑油碳化，极大地加重轴承磨损程度，影响风机寿命，每台风机的默认最大连续运行时间为72小时，因此四台风机需要轮流运行。除所需风量大于三台风机最大风量之和的95％夕b，风机轮询控制始终运行。由于轮询控制需要考虑到定时时间、所需风机台数、每台风机故障信号、轮换排序等多个方面因素，传统的STL语言与梯形图等已经无法满足如此复杂的控制需求。SCL语言是基于PASCAL语言的一种编程方式，结构上接近C等高级语言，而语法上又与硬件描述语言VHDL语言类似。S7．300系列PLC中的大部分型号支持SCL语言编程，因此风机轮值程序的编写使用了SCL语言作为源代码，并将编译生成的FC块作为调用块的方式，同时使用了数组及指针提高执行效率，并且适用于任何设备的轮值，理论可控制台数为无穷大，不受设备数量限制。代码如下：FUNCTl0NBLOCKFB3：voidKNOWHOWPROTECTVARINPUTStart：BOOL；I：BOOL：T：BOOL：N：INT：FI：ARRAY[1．．10]OFBOOL；SI：ARRAY[1．．10】OFINT；END、‘f堰VAR——OUTPUTONO：ARRAY[1．．10]OFBOOL；SO：ARRAY[1．．10】OFINT；Available：INT；END——VARVAR——TEMPS：ARRAY[1．．10]OF1NT；F：ARRAY[1．．10]OFBOOL；FP：ARRAY[1．．10】OFBOOL；／／将程序加密∥定义输入口∥开始轮值／／初始化／／定时时间到∥所需风机台数／／故障输入／／当前备机号输入∥定义输出口∥启动输出∥备机号输出∥可用风机台数∥定义临时变量}}备机号∥故障输入∥故障上升沿\n第四章控制系统程序设计FN：ARRAY[1．．10】OFBOOL；FTP：ARRAY[1．．10]OFBOOL；FTN：ARRAY[1．．10]OFBOOL；ON：ARRAY[1．．10]OFBOOL；MaxOK：INT：a：INT：b：INT；c：INT：d：INT；e：INT：m：玳T：g：INT；h：INT；p：INT；j：INT；k：INT；END—．VARl上_’l=lRUElHENFORa：=1T010BY1D0F[a]：=FALSE；FP[a】：2FALSE；FN[a]：2FALSE；FTP[a]：2FALSE；FTN[a]：=FALSE；S[a】：=SI[a】；ONO[a]：2FALSE；END_FOR；ENDIF；F’0Rb：=1TO10BYlD0F[b]：2FI[b】；ONO[b]：20N[b]；SO[b]：=S[b]；Available：=MaxOK；ENDFOR；IFStart=TRUETHEN35／／故障下降沿／／当前故障上升沿情况／／当前故障下降沿情况}}息动∥就绪风机最大备机号／／初始化／／I／O口对应\n青岛大学硕士学位论文MaxOK：20；／／求可用风机台数FORc：=1TO10BY1DOIFS[c]>MaxOKANDS[c]<101THENMaxOK：=Sic]；END_IF；ENDFOR；FORd：=1TO10BY1DOIFSfdl<=NTHENON[d]：=TRUE；ELSE0N[d】：=FALSE；END_IF；ENDFOR：／／备机号小于N的都启动FORe：21TO10BY1DO／／取F上升沿并赋给FP／／FP[e]：2FEe]ANDNOTFTP[e]；FTP[e]：=F[e]；END——FOR；FORm：21TO10BY1DO／／取F下降沿并赋给FN／／FN[m]：=NOTF[m]ANDNOTFTN[m]；FTN[m]：=NOTF[m】；END_FOR；FORg：21TO10BY1DO／／当某台出现故障时IFFP[g]=TRUETHENFORh：=1T010BY1D0IFS[g]>S[h]ANDS[g]<101THENS[g】：=S[翻-1；END_IF；END_FOR；ON[g】：=FALSE；S嘲：=101；END——IF；END_FOR；FORp：21TO10BY1DOIFFN[p]2=TRUEANDSLD]>I00THENS[p]：=MaxOK+1；36\n第四章控制系统程序设计MaxOK：=SM；ENDIF；ENDFOR：IFT=TRUETHENFORi：=1TO10BY1DOSD]：2su]-1；啪FOR：FORk：=1TO10BY1DOIFS[k]=0TⅧ狲SD】：=MaxOK；ENDIF；ENDFOR：ENDIF；ENDIF；ENDFUNCTIONBLOCK调用风机轮值程序，如下图所示，对应的背景数据块为DB3。1124．3DB3运行棱态⋯axray_⋯RUNⅡ】I}N’STAⅡISFB3ENEN0Staxt01q0●●●IS0-●_TAVailable-●●一N●●●FI●●_●●●SI图4．16风机轮值程序的调用4．2．4主回路PID控制在经过LCP对总风道中的风量进行PID调节后，后续环节中仍有部分因素会对曝气池中的溶解氧量造成干扰，如输气管道泄漏及水温和水位的高低造成的溶解率下降或上升等。相应的调节措施是调节变频器输出电流的大小，因此仍需要主回路37\n青岛大学硕士学位论文对曝气效果进行调节。由第三章建模过程可知，变频器输出电流与污水溶氧量之间的主回路是一个单容过程，适合使用PID对该过程进行调节。在Step7中配置PID程序的过程如下：(1)通过PID控制参数分配器，设定调试功能块FB41、FB42的中断间隔时间及对应的背景数据块等，由于S7．300系列PLC中的PID模块仅能运行于定时中断的子程序中，因此将模块运行于组织块OB38子程序中。(2)由于曝气池内的化学需氧量随季节、污水水质、水温等不断变化，因此将调节模式更改为手动。在手动模式下，被控量可随时修改，积分器(INT)内部设置为“LMN—LMNP．DISV”，微商器(DIF)内部设置为“0”，不至于在调解过程中，被控量变化的情况下引起PID输出的突变。(3)程序的调用。如图，在OB38中调用FB41程序块，FB41对应的背景数据块中的主要参数如下表所示。图4．17主回路PID程序的调用表4．1PID程序的部分接口参数说明COHRSTH埘0可Pt琅￡鱼ONpSELISELImHOLDIITL0筲D3ELCYCLE序号参数数据类型说明1CYCLETⅡ江E采样时间毒=：：腿QO\n第四章控制系统程序设计2PVINREAL过程变量输入3GAINREAL比例增益4TITIM匣积分时间5TDTDvⅡj微分时间6TMLAGTⅡ江E微分分量的滞后时间7LMN——HLMREAL受控数值的上限8LMN——LLMREAL受控数值的下限9PVOFFREAL过程变量偏移量10LMNPREAL输出端受控数值的比例分量11LMNIREAL输出端输出受控数值的积分分量12LMNDREAL输出端输出受控数值的微商分量13ERREAL误差输出4．3组态王上位机软件设计KingView6．52即组态王开发监控系统软件，它以标准的工业计算机软、硬平台构成的集成系统作为平台，属于二次开发软件，具有适应性强、开放性好、易于扩展、经济、开发周期短等优点。组态王6．52集成了标准的MPI通信驱动，借助工控机PCI插槽中的CP5611板卡，可轻易实现与313C的通信。根据MCP及LCP的控制要求，组态王监控界面总共分为入水及出水水质监控、单台风机工况监控、风量分配监控、轮值初始化、系统监控五个界面。其中入水及出水水质监控界面主要用于监控入水的COD、BO、DO等参数，单台风机工况监控界面可分别监控1号～4号风机的运行状况，并可远程启停，风机轮值的初始排序默认为1，2，3，⋯⋯，n，也可手动更改。污水处理厂集控室的系统监控画面，如下图所示：39\n青岛大学硕士学位论文图4．18IPC监控界面40\n第五章系统调试在确定控制方案并设计、制作MCP和LCP控制柜后，需要到现场对设备进行接线及调试。系统调试分为硬件调试、软件调试、系统联调三部分。5．1硬件调试硬件调试分以下几个步骤：(1)PLC柜体完成接线后，对照图纸及线号由底层向上排查线路，对各模块的供电电源及柜体供电电源进行重复查线以确保器件安全。检查模拟量输入输出模块的选通板旋转角度是否对应合适的输入输出信号，检查温度检测装置的接线线制，四线制器件需要PLC单独供电。(2)确认安全后，控制柜接入市电。确认空开动作正常，开始提供24VDC电源，检查PLC是否报硬件故障，检查各传感器、变送器是否正常工作，检查各部件的接地是否正常。(3)目测风机、电机对中是否正常，管道是否有漏气。5．2软件调试软件调试分以下几个步骤：(1)写入LCP的HMI及PLC相关程序，观察触摸屏页面切换是否正常，读数是否等于PLC中的上电默认值，能否通过HMI修改PLC中的值，设置HMI与PLC通信的IP地址，设置每台PLC的Modbus站地址及通信波特率等。(2)通过Step7Micro／WinSmart软件模拟模块的输入输出，观察输入数值、输出信号电流是否正常。5．3系统联调在硬件和软件分别调试后，进入系统联调环节。将曝气池内水位调至低水位，对各台风机对应的变频器柜接入动力电，启动电机，并使电机运行在当前温度的最低转速，旁通时间过后旁通阀关闭，气体电磁流量阀即可测量当前风量。在系统运行稳定后，突然手动加大所需风量，进入副回路PID控制环节的控制参数整定环节。首先将积分时间设定为无限大，将微分时间设定为0，初始比例增益设定为10。经反复实验，将比例增益设定为5时，可对干扰实现迅速、超调量较小的控制，因此将副回路的比例增益暂定为5。但调节后的风量稳定值余差可达6％，因此加入积分环节。在积分时间为20s左右时，曲线稳定后测量值与设定值吻合，此时调节余差为0，积分时间得以整定。由于副回路调节迅速，调节时间远小于所期待的调节时间，因此无需再加入微分环节，以免造成系统不稳定。经最后系统微调，P、I、D41\n\n结论本设计实现的污水处理厂处理流程控制系统操作方便，并且经济可靠，满足了所有的控制要求。系统在就地、遥控、集控三种控制方式下，都可以安全准确地实现控制目标。通过上位机的动态模拟画面，操作员可以在集控室内轻松地完成对底层各部件的数据、工作状态的读取，及对各部件的精确控制，大大减少了对人员的需求，并减轻了操作人员的工作强度。在双闭环PID的作用下，控制系统可以自动实现对溶解氧的精确控制，同时满足了电机节能与曝气准确的控制要求。据用户反馈，采用本系统的污水处理厂与采取定速过饱和曝气系统的传统污水处理厂相比，可以节约电能大约40％。在出现故障的情况下，系统可以通过声、光等形式提醒操作员排除故障。故障分为两个等级，即报警及联锁，通过对系统的分级，可以有效减少不必要的停机。故障后系统可自动记录故障时间及其他故障信息。本系统的报警系统可确保污水处理的各环节始终安全地工作。本系统的开发应用对降低我国城市污水处理的成本，进一步提高城市污水的处理率，保护水源及土地，改变我国水污染严重的现状，具有重要现实意义。43\n青岛大学硕士学位论文\n参考文献[1]崔彩霞，杨青，杨莲梅．MODIS资料用于塔克拉玛干沙漠地表温度计算方法初探[J]．中国沙漠，2003(5)：596—598．[2]王成梓，伊政伟．水资源危及与国际争端[J]．东北水利水电，2003(1)：17—18．[3]李鑫，胡洪营，杨佳，白宇．再生水用于景观水体的氮磷水质标准确定[J]．生态环境学报，2009(18)：2404—2408．[4]周明玉．我国水污染防治法现状与创新研究[D]．北京：中国地质大学(北京)，2009．[5]崔继仁．城市污水处理自动控制系统的应用研究[D]．哈尔滨：哈尔滨工业大学，2009．[6]孔彦．我国城市污水处理现状与展望[J]．内蒙古科技与经济，2007，5(i0)：9一i0．[7]马立志．基于改良型从／0工艺城市污水处理控制系统的研究[D]．济南：山东大学，2000．[8]毛慧欧，柴天佑，乔金华．城市污水处理计算机控制系统的应用研究[J]．环境污染治理技术与设备，2001(5)：32—36．[9]王创新．基于城市污水处理的问题分析与措施．城市建设理论研究，2013(15)：19—21．[10]刘杰，郑西来，高超，陈蕾．城市污水处理场用地、运行及建设研究[J]．环境工程学报，2010(11)：2522—2524．[11]褚俊英，陈吉宁，邹骥，王灿．城市污水处理厂的规模与效率研究[J]．中国给水排水，2004(05)：35—38．[12]贾路明，何文雪，孟敬．串级PID控制在污水处理中的应用[J]．工业控制计算机，2013(9)：53—55．113]付立凯．国内外城市污水处理现状及发展趋势[J]．石油石化节能与减排，2012，2(1)：34—38．[14]张辰，李春光．国外污水处理厂改造工程实例分析[J]．给水排水，2009(2)：14—18．[15]赵庆，关卫省，王志盈．电子受体对同步脱氮除磷的影响[J]．长安大学学报，2005，25(4)：103—106．[16]DonalMulkrrins，ClodaghJordan，SineadMcMahon，et．Evaluationoftheparametersaffectingnitrogenandphosphorusremovalinanaerobic／anoxic／oxiC(A／A／O)biologicalnutrientremovalsYStems[J]．ChemTeChnolBi0techn01．2000，75(4)：261—268．[17]SatoshiTsuneda，TakashiOhno，Koichi，Soejima，et．Simultaneousnitrogenandphosphorusremovalusingdenitrify—ingphosphate—accumulatingorganismsinasequencingbatchreactor[J]．BiochemicalEngineeringJournal，2006，27(3)：191—196．[18]HuZ，WentzeliC，EkamaGA．Anoxicgrowthofphos—phate—accumulatingorganisms(PAOs)inbiologicalnutri—entremovalactivatedsludgesystems[J]．WaterRes，2002，36(19)：4927—4937．[19]徐中华．膜生物反应器技术在综合污水处理中的应用[J]．石油规划设计，2009(5)：36—39．[20]张世凭，丁义超，尹红，谢乐林．我国水处理机械设备的发展[J]．机械，2010，37(1)：4—6．[21]熊建英，杨海真，王闯．铁盐处理上海合流一期污水试验研究[J]．中国给水45\n青岛大学硕士学位论文排水，2000，16(6)：17一19．[22]李遥，费会，骆沁沁．Fe—Cu／AC非均相催化剂制备及CWPO法深度处理印染废水[J]．浙江大学学报(理学版)，2013(6)：32—35．[23]丛广治，白宇．生物膜过滤技术处理污水厂二级出水[J]．中国给水排水，2002，18(12)：48—50．[24]张萍，刘强等．用超滤膜去出二级出水中的COD和色度[J]．环境卫生工程，2002，10(12)：192—195．[25]张波，高廷耀．生物脱氮除磷工艺厌氧／缺氧环境倒置效应[J]．中国给水排水，1997，13(3)：7—10．[26]高达志，毛文永，刘双进．水污染控制的研究与措施[J]．环境科学丛刊，1984(1)：卜53．[27]杜朝丹．细格栅除污机在城市污水处理厂的应用实例[J]．福建建筑，2008(11)：103—105．[28]马延生．高浊度水预处理存在的问题及解决办法[J]．工业用水与废水，2000，31(5)：10—12．[29]李慧强，夏吉庆，田晓峰．哈尔滨市污水厌氧发酵处理可行性研究[J]．黑龙江科技信息，2007(4)：23．[30]李元，李文婷，余占奎，张春霞，施凤英，牛宇．氧化沟(OxidationDitch)技术的新进展[J]．科技信息(学术版)，2006(02)：3-4．[31]何品晶，潘修疆，吕凡．pH值对有机垃圾厌氧水解和酸化速率的影响．中国环境科学，2006，26(1)：57-61．[32]杨忠强，杨照君，张林，曹永平．基于PLC的联合站监控系统设计[J]．仪器仪表用户，2013(5)：84—86．[33]林开洪，赵春华．S7—200SMART在码垛线上的应用[J]．可编程控制器与工厂自动化，2013(5)：95—97．[34]侯红娟，王洪洋，周琪．进水COD浓度及C／N值对脱氮效果的影响[J]．中国给水排水，2005(12)：19—23．[35]梁国富．电厂泵与风机的节能研究[J]．大众科技，2006(2)：120—121．[40]闻彪，吴庆，洪学新．地铁通风空调系统节能研究[J]．建筑节能，2010(3)：32—34．[41]高廷耀，顾国维．水污染控制工程[M]．北京：高等教育出版社，2005．[42]王再英，刘淮霞．过程控制系统与仪表[M]．北京：机械工业出版社，2006．[43]杨智，朱海锋，黄以华．PID控制器设计与参数整定方法综述[J]．化工自动化及仪表，2005，32(5)：卜7．[44]郭军平，吴勇，李白荣，徐日洲．基于模糊PID的随动系统优化设计与仿真[J]．计算机仿真，2005，22(11)：157—160．[45]张仑．可编程序控制器中PID控制的研究[J]．电气电子教学学报，2005(3)：4-6．\n攻读学位期间的研究成果一．攻读硕士学位期间发表的学术论文1贾路明，何文雪等．串级PID控制在污水处理中的应用[J】．工业控制计算机，2013，(9)．53．55．47\n青岛大学硕士学位论文\n致谢经过几个月的努力，本次毕业设计已接近尾声，由于缺乏经验，常常感到无从下手，同时也有很多考虑不周之处。正是在我的导师何文雪副教授的不断的鼓励和指导下，查阅了大量相关文献，才终成此文。论文得以完成，要感谢的人实在太多了，首先要感谢何文雪老师，因为论文是在何老师的悉心指导下完成的，是他教给我分析及解决问题的方法。何老师渊博的专业知识，严谨的治学态1度，精益求精的工作作风，诲人不倦的高尚师德，平易近人的人格魅力对我影响深远。他有着严谨细致、一丝不苟的治学态度，将一直是我工作、学习中的榜样。感谢自动化工程学院的老师们，正是因为有了你们对我的培养和帮助，我才能11打下坚实的专业基础；然后感谢多年同窗好友章志军、王瑞奇、张家瑞等同学和好友在生活和学习中对我的悉心帮助，他们为我指点迷津，热忱鼓励，为我完成学位攻读提供了巨大的帮助，让我的生活丰富多彩。感谢我的同学和朋友们，正是因为有了你们的支持和鼓励，我才能在困难和挫折面前一次次鼓足勇气继续前行。49\n青岛大学硕士学位论文50\n学位论文独创性声明、学位论文知识产权权属声明学位论文独创性声明本人声明，所呈交的学位论文系本人在导师指导下独立完成的研究成果。文中依法引用他人的成果，均已做出明确标注或得到许可。论文内容未包含法律意义上已属于他人的任何形式的研究成果，也不包含本人已用于其他学位申请的论文或成果。本人如违反上述声明，愿意承担由此引发的一切责任和后果。论文作者签名：覆涝吲日期：缈伽年妇孑日学位论文知识产权权属声明本人在导师指导下所完成的学位论文及相关的职务作品，知识产权归属学校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时，署名单位仍然为青岛大学。本学位论文属于：保密口，在年解密后适用于本声明。f不保密日。(请在以上方框内打“4”)论文作者签名：覆驺稠日期：p中年钼P日导师签名：／研走匆日期：p垆年钼P日(本声明的版权归青岛大学所有，未经许可，任何单位及任何个人不得擅自使用)51\n青岛大学硕士学位论文52