城市居民生活污水处理自动控制系统的研究与应用 96页

\n\n城市居民生活污水处理自动控制系统的研究与应用摘要随着我国经济的快速发展和城市化进程的加快，各城市每天产生大量的生活生产污水且有很大一部分不经处理便直接排放，造成了严重的水污染及水资源的浪费。而我国又是一个严重缺水的国家，水污染治理的相对滞后又加剧了水资源的短缺，这样的恶性循环使水资源的供需矛盾越来越大。因此，对城市污水进行处理、对处理后的中水再利用受到了人们的广泛关注。尤其“九五”以来，国家及各地政府均对城市污水处理设施建设给予重点支持，我国的污水处理事业得到快速发展。但是由于我国污水处理事业起步较晚，工艺不适宜、设备落后、控制系统老化、自动化程度低等问题广泛存在。因此应该建立与我国国情相适应的处理效果好、自动化程度高的污水处理厂。本文以某县城污水处理厂为例，介绍了适用于中小型污水处理厂的自动控制系统的设计方案。本文针对以三沟式氧化沟为核心的污水处理工艺的特点，采用由工控机（IPC）与可编程控制器（PLC）组成的自动控制系统，实现了对污水处理全过程的自动控制。该控制系统采用“集中管理、分散控制”的分布式结构，将整个系统按参与生产程度级别划分为三级：管理级、控制级和现场级。管理级设于中央控制室。在中央控制室的工控机上用组态王开发监控系统，实现对整个生产过程的集中监测和远程控制。用户可以通过监控画面实时了解污水处理现场的设备运行状态、所需参数值及现场设备是否有I\n报警、故障等信息。同时，用户还可以在上位机上查询并打印历史数据、报警信息等。控制级即现场控制站，实现对整个生产过程中设备的自动控制、对现场数据进行采集、与上位机之间进行通信等功能。该系统根据污水处理工艺流程及现场分布情况设置了3个现场控制站，各站之间及各站与上位机之间均通过以太网相连接，实现了上、下位机及站与站之间的数据交换。现场控制站均采用西门子S7-300系列PLC作为现场控制及数据采集单元，通过现场的流量计、液位计等仪表对污水的流量、液位、溶解氧浓度等变量进行数据采集，并根据工艺要求对格栅机、污水提升泵、转刷、电动出水堰门、污泥泵等现场设备进行控制。由于污水处理过程是一个受外部干扰影响大、时变、非线性的复杂系统，不能对其建立精确的数学模型，针对这些特征，本文提出了对氧化沟内设备及溶解氧浓度的控制采用时间顺序控制与专家控制系统相结合的控制方式。该自动控制系统硬件配置简洁、组网方便、易于开发实现、可靠性高且性价比高。在保证出水水质达标的同时也降低了能耗、节约了人力物力、提高了工作效率，达到了预期的控制目的。关键词：氧化沟，监控系统，IPC+PLC，工业以太网，专家控制II\nTHERESEARCHANDAPPLICATIONOFURBANSEWAGETREATMENTAUTOMATICCONTROLSYSTEMABSTRACTWiththerapiddevelopmentofChina’seconomicandthespeeded-upofurbanizationprocess,everydayalargenumberofsewagegenerate,anddischargedirectlyanduntreated.Thishasresultedinseriouswaterpollutionandwasteofwater.Chinaisalsoacountryfacingseriouswatershortages,andthelaggingwaterpollutioncontrolexacerbatedtheshortageofwater.Thisviciouscircleincreasedthecontradictionbetweenwatersupplyanddemand.Therefore,peoplepaymoreattentiontotreatingurbansewage,andusingthetreatedwater.Inparticular,from"NinthFive-Year",bothnationalandlocalgovernmentsgiveprioritysupportonurbansewagetreatmentfacilities.SoChina'ssewagetreatmenthasrapiddevelopment.However,China'ssewagetreatmentbusinessstartedlate,somanyproblemsarestillwidespread,suchasinappropriatetechnology，outdatedfacilities,agingcontrolsystem,lowdegreeofautomationetc..Therefore,sewagetreatmentplantcompatiblewithChina'snationalconditionsshouldbeestablishedandtheplantshouldhavegoodeffectandhighdegreeofautomation.ThispaperdescribestheautomaticcontrolsystemdesignsuitableforsmallandIII\nmediumsizedsewagetreatmentplant.Ittakesacountysewagetreatmentplantasanexample.Thispaperaimsatthecharacteristicsofthesewagetreatmentprocesswhichtakesathreeoxidationditchasthecore.Itusesautomaticcontrolsystemcomposedofindustrialcomputer（IPC）andprogrammablelogiccontroller（PLC）torealizetheautomaticcontroltothewholeprocessofsewagetreatment.Thecontrolsystemusesthe"centralizedmanagement,decentralizedcontrol"distributedarchitecture.Thewholesystemisdividedintothreelevels:managementlevel,controllevelandthefieldlevelbythelevelinvolvedintheproduction.Managementlevelisthecentralcontrolroom.ItusesKINGVIEWtodevelopmonitoringsysteminindustrialmachinescontrolledbythecentral,inordertoachievecentralizedmonitoringandremotecontroloftheentireproductionprocess.Throughthemonitorimage,userscanreal-timeunderstandoperatingstatusofsewagetreatmentequipment,therequiredparameters,andwhethertherewerealarm,faultandsoon.Meanwhile,userscanalsosearchandprinthistoricaldataandalarminformationonIPC.Controllevelison-sitecontrollers.Ithasmanyfunctions,includingautomaticcontrolofthewholeproductionprocessequipments,on-sitedatacollection,andcommunicationwithIPC.Accordingtothesewagetreatmentprocessandfielddistribution,thesystemsetsupthreefieldcontrolstation.ItIV\nusesEthernettoachievetheconnectionbetweenstationandstation,betweenstationandIPC,toachievethedataexchangebetweenIPCandPLC,betweenstationandstation.SitecontrollersuseSiemensS7-300seriesPLCasafieldcontrolanddataacquisitionunit.Throughthesitemeter,levelmeterandotherinstruments,itcancollectthedataofthesewageflow,level,dissolvedoxygenconcentrationetc.Accordingtoprocessrequirements,itcancontrolfielddevices,suchasthegridmachine,sewageliftpump,switchbrushes,electricwaterweirgate,andsludgepumps.Thesewagetreatmentprocessisacomplexsystem.Itisgreatimpactbyexternaldisturbances,time-varying,nonlinear,soitcannotestablishaprecisemathematicalmode.Basedonthesecharacteristics,thispaperproposedusingacontrolmethodcombinedtimesequencecontrolwiththeexpertcontrolsystemontheoxidationditchfacilitiesanddissolvedoxygenconcentrationcontrol.Thisautomaticcontrolsystemhasmanyadvantages:simplehardwareconfiguration,facilitatenetworking,easytodevelop,highreliabilityandcost-effective.Itensuresthewaterqualitycompliance,whilealsoreducespowerconsumption,saveshumanresources,improvesefficiency.Sothesystemachievesthedesiredcontrolobjectives.KEYWORDS:oxidationditch，monitoringsystem，IPC+PLC，industrialEthernet，expertcontrolV\n目录第一章绪论............................................................................................................................11.1课题研究背景............................................................................................................11.2国内外研究现状........................................................................................................21.3主要研究内容............................................................................................................3第二章污水处理工艺............................................................................................................52.1城市污水概述..............................................................................................................52.1.1城市污水的组成..............................................................................................52.1.2污水的水质指标..............................................................................................52.2城市污水处理工艺及选择原则..................................................................................52.2.1污水处理方法..................................................................................................52.2.2污水处理工艺介绍..........................................................................................62.2.3污水处理工艺选择原则..................................................................................72.3本系统所选工艺的介绍............................................................................................72.3.1氧化沟的技术发展及其特点..........................................................................72.3.2三沟交替工作式氧化沟..................................................................................8第三章污水处理厂自动控制系统的设计............................................................................113.1控制系统总体设计..................................................................................................113.1.1设计原则........................................................................................................123.1.2常用控制系统................................................................................................123.1.3污水处理厂自动控制系统方案设计............................................................133.2上位机监控系统的设计..........................................................................................163.2.1监控设备........................................................................................................163.2.2组态软件........................................................................................................163.3下位机控制系统的设计..........................................................................................203.3.1PLC概述........................................................................................................203.3.2PLC的选型....................................................................................................223.3.3各PLC现场控制站的硬件设计...................................................................24\n3.4通信系统的设计......................................................................................................413.4.1工业以太网简介............................................................................................423.4.2通信系统的设计............................................................................................46第四章PLC控制站的软件设计...........................................................................................534.1PLC-1站的设计......................................................................................................534.1.1粗格栅的控制................................................................................................534.1.2污水提升泵和污水泵出口阀的控制............................................................564.1.3细格栅的控制................................................................................................574.1.4旋流沉砂池中设备的控制............................................................................574.2PLC-2站的设计......................................................................................................584.2.1矩形配水井....................................................................................................584.2.2三角形配水井................................................................................................584.2.3三沟式氧化沟................................................................................................584.3PLC-3站的设计......................................................................................................644.3.1接触池............................................................................................................644.3.2污泥调节池....................................................................................................654.3.3污泥脱水机房、加药间、及加氯间............................................................65第五章上位机监控系统的软件设计....................................................................................675.1监控系统的建立......................................................................................................675.2监控界面的构成......................................................................................................695.2.1登录界面........................................................................................................695.2.2总态界面........................................................................................................705.2.3分画面设计....................................................................................................715.2.4报警界面设计................................................................................................735.2.5其它界面的设计............................................................................................75第六章总结与展望..............................................................................................................77参考文献..................................................................................................................................79致谢........................................................................................................................................83攻读硕士学位期间发表的学术论文......................................................................................85\n图表索引图2-1三沟交替工作式氧化沟.................................................................................................9图2-2污水处理工艺流程图..................................................................................................10图3-1控制系统结构图..........................................................................................................14图3-2组态软件的数据处理流程..........................................................................................18图3-3PLC的硬件组成..........................................................................................................22图3-4S7-300PLC外形..........................................................................................................23图3-5污水泵电气回路图......................................................................................................26图3-6污水提升泵控制回路图..............................................................................................27图3-7PLC-1站数字量输入模块接线图...............................................................................30图3-8PLC-1站数字量输出模块接线图...............................................................................30图3-9PLC-1站模拟量输入模块接线图...............................................................................31图3-10双速电机电气回路图及控制回路图........................................................................32图3-11PLC-2站数字量输入模块接线图.............................................................................34图3-12PLC-2站数字量输出模块接线图.............................................................................35图3-13PLC-2站模拟量输入模块接线图.............................................................................35图3-14污水回流泵降压启动电气回路图............................................................................36图3-15污水回流泵控制原理图............................................................................................37图3-16管道泵电气回路图和控制回路图............................................................................38图3-17PLC-3站数字量输入模块接线图.............................................................................39图3-18PLC-3站数字量输出模块接线图.............................................................................40图3-19PLC-3站模拟量输入模块接线图.............................................................................40图3-20网络结构....................................................................................................................42图3-21以太网工作流程图....................................................................................................45图3-22PLC-1站硬件配置图.................................................................................................47图3-23PLC-2站硬件配置图.................................................................................................48图3-24PLC-3站硬件配置图.................................................................................................48图3-25PLC站之间通信的硬件组态图................................................................................49\n图3-26控制系统通信网络图...............................................................................................50图3-27组态王通信参数设置的过程...................................................................................51图3-28组态王中下位机的通信设备...................................................................................52图4-1粗格栅液位控制方式流程图.....................................................................................54图4-2粗格栅时间控制方式流程图.....................................................................................55图4-3污水提升泵工作流程图.............................................................................................57图4-4氧化沟硝化与反硝化运行过程.................................................................................59图4-5污泥脱水间设备工作流程图.....................................................................................66图5-1变量属性对话框.........................................................................................................68图5-2动画连接对话框.........................................................................................................69图5-3监控系统登录界面.....................................................................................................70图5-4总态界面.....................................................................................................................71图5-5污水预处理界面.........................................................................................................72图5-6氧化沟界面.................................................................................................................72图5-7污水加氯处理界面.....................................................................................................73图5-8污泥处理界面.............................................................................................................73图5-9报警组定义画面.........................................................................................................74图5-10报警定义对话框.......................................................................................................74图5-11实时趋势曲线及历史趋势曲线图...........................................................................75图5-12报表界面...................................................................................................................76表3-1污水处理工程检测与控制项目..................................................................................11表3-2PLC-1站硬件配置表...................................................................................................29表3-3PLC-2站硬件配置表...................................................................................................33表3-4PLC-3站硬件配置表...................................................................................................39表3-5常用通信介质的参数.................................................................................................43表3-6工业以太网的通信特性.............................................................................................46表4-1氧化沟设备工作状态.................................................................................................60\n第一章绪论1.1课题研究背景随着我国经济的快速发展和城市化的进程加快，水污染已成为不容忽视的事实，它制约着我国的经济发展，威胁着人民群众的生命安全。其中，日益膨胀的城镇每天产生的大量生产生活污水是水污染的元凶之一。而我国是一个水资源严重缺乏的国家，人均径流量不到3000立方米，用水缺口达1000多亿立方米。水污染治理的相对滞后、受污染的水体逐年增加又加剧了水资源的短缺，这样的恶性循环使水资源的供需矛盾越来越[1]突出，成为制约经济发展的重要因素。因此，水污染治理成为缓解这一矛盾的重要措施，而增加城市污水处理比例和将城市污水处理之后再回用是其中的一个重要途径并且越来越受到人们的关注。“九五”以来，国家实施积极的财政政策，对城市污水处理设施建设给予重点支持；各地政策尤其是重点流域城市政府，进一步明确责任目标，不断加大对以污水处理为重点的环境基础设施的投入，建设进度加快；城市污水处理收费制度从无到有，征收率不断提高，有些城市已经达到保本微利水平；不少城市积极推行污水处理特许经营，产业[2]化、市场化得到快速发展。但是，我国城镇污水处理的现状仍不容乐观。城镇管网建设滞后、污水处理厂设计规模偏大、设计标准低、负荷率普遍较低、工艺技术和设备落后等目前污水处理设施及污水处理厂存在的主要问题使得污水处理率偏低。据统计，2002年全国污水排放量达439.5亿立方米，而全国的污水处理率仅为34.23%，与发达国家相比，我国污水处理厂[3]的建设严重滞后。而控制系统老化、自动化程度低等问题也广泛存在于我国已建成应用的污水处理厂中，在自动化高度发达的今天原有的控制系统已明显不能很好满足工业的要求。因此，建立与我国现阶段国情相适应的满足排放要求、处理效果好、基建和运行费用低的污水厂势在必行。污水处理是一个非常复杂的系统，整个过程的可变因素很多，有水量、浓度、温度、气量、微生物状态、机械运行情况等，需要一种高级的控制系统，使之能对生产过程出现的各种数据给予采集、计算，得出运行状态是否正常的结论，并1\n能给操作人员以有益的提示。而自动化控制技术、计算机技术、工业自动化组态软件等相关技术的快速发展使污水处理系统实现真正的自动化成为可能。1.2国内外研究现状随着经济的发展、城市范围的扩大、人口的急剧增长，水资源受到了严重的污染，而相应设施的不完善不配套更导致了水污染的加剧。水污染严重制约了经济的发展，威胁了人民群众的生命安全。因此，水污染治理成为世界各地支持社会可持续发展的重要措施。美国、日本和西欧等发达国家在实现工业现代化后，各种环境问题尤其是水资源受污染的问题就开始凸现出来。国外早在19世纪中期开始就采取一系列措施来治理环境，在20世纪50年代以后，水污染的问题更受到高度重视，各国都投入大量资金和科研力量加强污水处理设施的监测、运行和管理，实现了计算机控制、报警、计算和瞬时记录。美国在20世纪70年代中期开始就实现了污水处理厂的自动控制。发达国家在研究新的污水处理工艺的同时，还开发了各种高效型、智能型、集约型污水处理设备和自动化控[4]制仪表。因此，国外污水处理厂的自动控制水平很高，从大型污水厂到小型氧化塘，污水处理过程完全由计算机自动化控制，实现了工艺流程中主要参数的自动测试和控制。与国外相比，我国污水处理事业起步较晚，还处于发展阶段，污水处理技术、管理水平及对污水处理的研究，特别是自动化控制设备方面的研究远远落后于发达国家。二十世纪末以来，我国引进国外的新工艺、新技术、新设备，污水处理事业得到了快速的发展，但多是直接引进国外成套自控设备，国产自动控制系统在污水处理厂应用很少。[5]目前污水处理自动控制系统存在以下一些问题：1、采用传统控制理论要求建立精确的数学模型，并提出必须遵循一些比较苛刻的线性化假设，但是污水处理过程是一个复杂、变化大、非线性、不确定、时变的过程，一般无法获得精确的数学模型和与实际相符的假设，因此采用传统控制理论建立的污水处理自动控制系统在实际工程应用上存在出水水质波动较大等问题。2、污水处理自动控制系统中所采用的一些自动化检测设备、仪表的功能很不完善，在实际检测中达不到预期效果、误差很大，因此仅依靠现场检测设备、仪表等判断水质并进行自动控制，误差较大，出水水质不稳定甚至很难达标。2\n3、国内外许多学者为提高污水处理厂的处理效率和降低能耗开展了许多实时控制研究，如采用ORP、DO和pH值作为控制参数来控制出水水质和减小曝气量，但这些方法也存在一些问题，这就导致许多污水处理厂实际上采用的是按时间控制整个过程。与传统自动控制系统相比，智能控制系统能以知识表示的非数学广义模型和以数学表示的混合控制过程，采用开闭环控制和定性及定量控制结合的多模态控制方式，并且具有自适应、自学习、自组织和自协调功能，能总体自寻优，特别适用于复杂的污水处理动态过程的控制。因此，近年来智能控制在美国、欧洲、日本的给水处理、污水生物处理、污水的物理化学处理中都有典型的成功应用，正在研究与开发的更是不胜枚举。智能控制已成为污水处理的研究与应用中的前沿与热点，显示出极为广阔的应用前景。我国从事智能控制研究的人员比较少，一定程度上制约了我国自动控制和智能控制的发展。1.3主要研究内容污水处理过程是一个非常复杂的过程，具有非线性、滞后大、时变等特点，因此污水处理自动控制系统相对应的是一个规模大、干扰频繁，要实现连锁控制的系统。根据该污水厂工艺流程和设备配置等实际情况，本课题采用IPC+PLC系统实现对污水厂的控制。该控制系统设置一个中央控制室和三个现场控制站，有利于提高污水处理质量，改善工人劳动条件，确保安全生产。本文的主要研究内容为：通过由组态软件KingView6.53开发的监控系统和由工控机、S7-300系列PLC组成的控制系统，对粗格栅间、污水提升泵房、细格栅间、旋流沉砂池、氧化沟、污泥调节池、污泥脱水间、消毒间等各处理工艺段的参数进行采集、处理，对现场设备进行实时操作，并根据污水处理工艺要求对生化池反应进行控制，实现全过程的自动控制。本文分为六章，安排如下：第一章：绪论。介绍课题研究的背景及本文的主要研究内容。第二章：污水处理工艺。主要介绍城市污水的组成、水质特征、处理工艺及本课题所选择的污水处理工艺——三沟交替工作式氧化沟的工艺流程。第三章：污水处理厂自动控制系统的设计。针对本课题所选择的污水处理工艺及控制要求，设计合理的控制系统。并对上位机监控系统、下位机现场控制站及通信系3\n统进行硬件设计、设备选型，实现系统的硬件组态。第四章：PLC控制站的软件设计。本章主要介绍如何实现对三个现场控制站所使用的各设备的自动控制。第五章：上位机监控系统的软件设计。根据现场实际情况，设计监控画面，实现远程控制及对现场数据及设备运行情况的显示。第六章：总结与展望。4\n第二章污水处理工艺2.1城市污水概述2.1.1城市污水的组成经由城市下水道集中起来的污水，称为城市污水，它包括生活污水、工业废水和径流污水。生活污水主要来自家庭、机关、商业和城市公用设施。工业废水来自工业生产过程中排出的废水，其中往往含有腐蚀性、有毒、有害、难于生物降解的污染物，因此，工业废水一般经过预处理达到符合城市下水道水质标准后进入城市下水道管网系统。城市径流污水是雨雪淋洗城市大气污染物和冲洗建筑物、地面、废渣、垃圾而[6]形成的。2.1.2污水的水质指标水质指标用于表示污水的水质特性，并用于评价处理方法的优劣，某些指标还可预测污水排入水体后对水体的影响。采用的水质指标可概括为物理指标、化学指标和[7][8]生物指标。物理指标主要有水温、溶解氧、色度、臭味、固体含量以及放射性物质等。化学指标主要有生化需氧量、总有机碳、理论需氧量、pH值、有机毒物、无机毒物等。生物指标主要有细菌总数、大肠菌群、病原菌等。2.2城市污水处理工艺及选择原则2.2.1污水处理方法污水处理方法很多，按其作用原理，可分为物理法、化学法、物理化学法、生物[8]法四类。物理法是利用物理作用分离污水中主要呈悬浮状态的污染物质，在处理过程中不改变物质的化学性质，如沉淀法、筛滤法、离心分离法等。化学法是利用化学反应作用来分离或回收污水中的污染物质，或使其转化为无害的物质。如混凝法、中和法、氧化还原法等。5\n物理化学法是通过物理和化学的综合作用使污水得到净化的方法。如吸附、萃取、离子交换、膜分离等方法。生物法是利用微生物的作用来去除污水中溶解的和胶体状态有机物的方法。生物法可分为好氧生物处理（主要有活性污泥法、生物膜法、氧化塘及污水灌溉等）和厌氧生物处理两大类。2.2.2污水处理工艺介绍城市污水的水质变化相对较小，因此城市污水处理过程一般比较典型，分为预处理、生物处理、污泥处理三个阶段。城市污水中含有相当数量的漂浮物和悬浮物质，通过物理方法去除这些污染物的方法称为一级处理，又称为物理处理或预处理。这个阶段的处理流程主要是由格栅间、沉砂池、污水提升泵房和沉淀池等单元组成。格栅的主要作用是将污水中的大块污物拦截出来，沉砂池的主要作用是将污水中比重较大、易沉淀分离下来的一些颗粒物质（包括无机性的砂粒、砾石和少量较重的有机性的颗粒）分离出来。污水提升泵的作用是将上游来水提升至后续处理单元所要求的高度，使其实现重力自流。生物处理阶段是污水处理的核心部分，属于二级处理，是利用微生物除去污水中的不可沉悬浮物和溶解性可生物降解的有机污染物。其工艺构成多种多样，主要分为活性污泥法、生物膜法、生物稳定塘法和土地处理法等四大类。活性污泥法是世界各国应用最广的一种生物处理流程，具有处理能力高，出水水质好的优点。该方法主要由曝气池、沉淀池、污泥回流和剩余污泥排放系统组成。废水和回流的活性污泥一起进入曝气池形成混合液。曝气池是一个生物反应器，通过曝气设备充入空气，空气中的氧溶入混合液，产生好氧代谢反应，且使混合液得到足够的搅拌而呈悬浮状态，这样，废水中的有机物、氧气同微生物能充分接触反应。随后混合液进入沉淀池，混合液中的悬浮固体在沉淀池中沉下来和水分离，流出沉淀池的就是净化水。沉淀池中的污泥大部分回流，称为回流污泥，回流污泥的目的是使曝气池内保持一定的悬浮固体浓度，也就是保持一定的微生物浓度。曝气池中的生化反应引起微生物的增殖，增殖的微生物通常从沉淀池中排除，以维持活性污泥系统的稳定运行，这部分污泥叫剩余污泥。活性污泥除了有氧化和分解有机物的能力外，还要有良好的凝聚和沉降性能，[9]以使活性污泥能从混合液中分离出来，得到澄清的出水。生物膜法主要用于从废水中去除溶解性有机污染物，主要特点是微生物附着在介质6\n“滤料”表面，形成生物膜，污水同生物膜接触后，溶解的有机污染物被微生物吸附转化为H2O、CO2、NH3和微生物细胞物质，污水得到净化，所需氧气一般直接来自大气。生物膜法处理系统适用于处理中小规模的城市废水，采用的处理构筑物有高负荷生物滤池和生物转盘，生物滤池在我国南方更为适用。随着新型填料的开发和配套技术的不断完善，与活性污泥法平行发展起来的生物膜法处理工艺在近年来得以快速发展。由于生物膜法具有处理效率高、耐冲击负荷性能好、产泥量低、占地面积少、便于运行治理等[4]优点，在处理中极具竞争力。经生物阶段处理的污水进入接触池，通过加氯消毒灭菌后排放。污泥则经过污泥调节池后进入污泥脱水间进行脱水、浓缩、堆肥或卫生填埋。2.2.3污水处理工艺选择原则在如此多的污水处理工艺中如何选择合适的方法，选择原则如下：1、根据进水水质组成和浓度选择经济有效的污水和污泥处理工艺流程，确保出水能符合回用水质要求或排放的水质标准，并使污泥得到安全地利用和处置。2、处理工艺流程必须与废水处理工艺和污泥处理工艺一并考虑，统一研究。3、综合考虑污水处理厂规模、当地气候、地质、地形、人员素质、经济水平等因素。2.3本系统所选工艺的介绍根据该县城污水的组成及出水要求等实际情况，综合现场场地、经济等多方面因素考虑，本工程选用高效、经济、实用的三沟交替工作式氧化沟工艺。[4][7]2.3.1氧化沟的技术发展及其特点氧化沟（OxidationDitch）又名氧化渠，实际上是活性污泥法的一种变型。因为污水和活性污泥的混合液在环状的曝气渠道中不断循环流动，有人称其为“循环曝气池”、“无终端的曝气系统”。早在1920年，Haworth研制的桨板式曝气机就应用于英国Sheffield的Tynsley污水处理厂，该处理厂被认为是现代氧化沟的先驱，但当时尚未出现“氧化沟”一词。得到公认的第一座氧化沟污水处理厂建于1954年，由A.Pasveer博士设计，在荷兰的Voorshopen市投入使用，服务人口为360人，从此以后才有了“氧化沟”这一专用术语。其运行方式为间歇运行，将曝气净化、泥水分离和污泥稳定等过程集于一体，BOD去7\n除率高达97%，管理方便，运行稳定。该技术因其设计者被命名为Pasveer氧化沟。自Pasveer设计第一座氧化沟至今，氧化沟系统在池型、结构、运行方式、曝气装置、处理规模、适用范围等方面都得到了长足的发展，而今已成为欧洲、大洋洲、南非和北美洲广泛采用的一种重要的污水生化处理技术。我国自20世纪80年代起，也相继采用氧化沟技术处理城市污水，如邯郸市污水处理厂、桂林市污水处理厂、珠海市香洲水质净化厂、福州马尾经济技术开发区污水厂、汕头市东区水质净化厂等城市污水处理厂都采用此工艺。建成投入运行后，均取得了良好的处理效果。其处理能力为500万～1000万人口当量，既能用于生活污水的处理，也能用于工业废水和城市污水的处理。氧化沟被普遍认为是一种工艺流程简单、运行管理方便、处理效果稳定、基建投资和运行费用较低的处理工艺，因此成为具有较强竞争力的二级生物处理工艺。2.3.2三沟交替工作式氧化沟氧化沟根据其构造和运行特征，并根据不同的发明者和专利情况可分为：卡鲁尔氧化沟、交替工作式氧化沟、奥贝尔氧化沟、一体化氧化沟等。本工程污水中BOD5在200mg/L左右，要求出水的BOD5低于10mg/L，并且要求NH3-N去除率达70.4%～81.5%，总P的去除率达85.7%。根据已有运行经验得知，这种水质的污水选用三沟交替工作式氧化沟处理工艺、并结合化学除磷的操作单元进行处理，能取得较好效果。三沟交替工作式氧化沟系统即T型氧化沟，基本形式如图2-1。8\n图2-1三沟交替工作式氧化沟Fig.2-1T-typeoxidationditch此系统由三个相同的氧化沟组建在一起作为一个单元运行。三个氧化沟之间相互双双连通，中间一池连续曝气，两侧氧化沟交替进行氧化和沉淀，或者交替反硝化和沉淀，不需要另设二沉池。每个池都配有可供污水和环流混合的转刷，每池的进水口均与经过格栅和沉沙池处理的出水通过配水井相连接。进水的分配和出水调节堰的升高降低靠自控装置控制。除了交替工作的方式和结构的特点外，氧化沟的发展也与其中的曝气设备的发展密切相连。三沟式氧化沟有两种工作方式：一种是传统的BOD降解及硝化运行方式，第二种是反硝化及生物脱氮运行方式。其中，三沟式氧化沟的脱氮是通过双速转刷来实现的，曝气转刷能起到混合器和曝气器的双重功能。当处于反硝化阶段时，转刷低速运转，仅仅保持池中污泥的悬浮状态，使池内处于缺氧状态。好氧阶段和缺氧阶段的转换完全可由转刷转速的改变来进行自动控制。该系统的优点一是将曝气转刷的利用率提高[1][7][9]至58.5%，二是既可以满足硝化，又可以实现脱氮，运行方式更加灵活。整个污水处理的工艺流程如下图2-2所示。9\n图2-2污水处理工艺流程图Fig.2-2Sewagetechnologyflowchart从上图可以看出污水进入处理厂后先经过闸门进入粗格栅间，在粗格栅间较大的悬浮物和沉渣被拦截下来，污水则进入污水提升泵房。污水提升泵将污水提升至细格栅和旋流沉砂池。在旋流沉砂池中比重较大、颗粒较粗的砂粒被沉淀下来，沉淀池出水进入矩形配水井。矩形配水井将污水分配至两座三角配水井，再通过三角配水井将水配至三沟式氧化沟的其中一沟。在氧化沟内污水经曝气转刷曝气、沉淀后从位于边沟的出水堰流出。污泥通过氧化沟底的排泥管排入污泥调节池，由于污泥中有机物含量较小，污泥稳定，只需脱水处理即可。经氧化沟处理后的水流入加氯接触池进行消毒，经加氯消毒后，达标排放。部分出水经接触池水泵输送至厂区回用。10\n第三章污水处理厂自动控制系统的设计随着微电子技术、计算机技术和通讯技术的飞速发展，计算机在过程自动化、工厂自动化、计算机综合生产系统等自动化领域中得到越来越广泛的应用。例如用它来实现对生产过程的自动监控、产品质量的自动检验、能源自动检测与管理等。这类技术的采用，对于提高产品的产量与质量、降低成本、确保生产安全、改善工作条件、减轻劳动[11][12]强度、节省能源和材料、实现生产过程的优化控制及科学管理等都具有重要作用。监控与管理集成系统、智能自动化系统也被广泛用于污水处理行业。3.1控制系统总体设计污水处理是一个复杂、连续的生产过程，需要检测和控制的项目较多，且各工艺过程地理位置相距较远，因此，需要规模较大的控制系统实现对污水处理过程的自动控制。如表3-1所示为一般污水处理项目中需要检测和控制的项目。[2]表3-1污水处理工程检测与控制项目Table3-1Detectandcontrolitemsinsewageproject构筑物名称检测项目控制项目进水管渠流量阀门格栅、集水池、进水位差、水位、pH、水温、压力、格栅除渣机、水泵、阀门水房固体悬浮物、阀门开启度计量槽、沉砂池水位、流量除砂机、砂水分离器曝气池溶解氧、污泥浓度、水温曝气池、阀门沉淀池泥水界面、流量、pH刮泥机、排泥阀门回流泵房回流污泥量、阀门开启度回流泵及阀门污泥池液位、脱水机储液槽液位、污泥污泥浓缩机、污泥脱水机、泥饼输送污泥脱水机房机浓度加氯间加氯量、氯瓶重量、漏氯加氯设备、轴流风机、中和装置11\n流量、固体悬浮物、pH、BOD、COD、接触消毒池启闭机电导率、氧化还原电位3.1.1设计原则1、安全性：系统应具有不同的安全级别及操作权限，以保证设备的安全、数据及信号的安全。2、可靠性：由于操作失误出现的故障，重新使用时，系统应有自举功能，一时的设备故障，系统应可进行恢复，不破坏数据的一致性和完整性。3、实时性：污水处理是一个连续的生产过程，需要对设备工作状态及监测参数进行实时采集并显示，对于异常情况要进行及时报警处理。4、适用性：要最大限度的满足被控对象的控制要求。5、可扩展性：系统应是一个可以不断提高、完善的系统。6、经济高效性：具有较高的性能价格比，并易于实施、维护、开发。3.1.2常用控制系统目前污水处理厂常用的自控系统有SCADA系统、DCS系统、现场总线控制系统、IPC+PLC系统等。1、SCADA系统SCADA（SupervisoryControlAndDataAcquisition）系统，即数据采集与监视控制系统，主要组成部分包括RTU（远程终端单元）和FTU（馈线终端单元）。它的应用领域很广，可以应用于电力、冶金、石油、化工等领域的数据采集与监视控制以及过程控制等诸多领域。在电力系统中，SCADA系统应用最为广泛，技术发展也最为成熟。它在远动系统中占重要地位，可以对现场的运行设备进行监视和控制，以实现数据采集、设备控制、测量、参数调节以及种类信号报警等各项功能，即我们所知的“四遥”功能。2、DCS系统DCS（DistributedControlSystem）即集散控制系统在20世纪八九十年代占主导地位。其核心思想是集中管理、分散控制，即管理与控制相分离，上位机用于集中监视管理功能，若干台下位机分散到现场实现分布式控制，上下位机之间用控制网络互连以实现相互之间的信息传递。因此，这种分布式的控制系统体系结构有力地克服了集中式数字控制系统中对控制器处理能力和可靠性要求高的缺陷。在集散控制系统中，分布式控制思想的实现正是得益于网络技术的发展和应用，但是，不同厂家的DCS系统之间以及DCS与上层Intranet、Internet信息网络之间难以实现网络互连和信息共享，因此，12\n集散控制系统是一种封闭专用的、不具有可互操作性的分布式控制系统，并且布线复杂、[13][14]造价昂贵。3、现场总线控制系统现场总线控制系统（FCS,FieldbusControlSystem）利用现场总线这一开放的、具有互操作性的网络将现场各控制器及仪表设备互连，构成现场总线控制系统，同时将控[15]制功能彻底下放到现场。具有全数字化、分散、双向传输和多分支的特点，是工业控制网络向现场级发展的产物。它具有网络数据通信传输速率高，实时性好，系统便于维[16]护、管理与扩展，开放式的互连结构，互操作性好等优点。但是，现场总线控制系统要求现场底层挂接的设备如传感器、控制器、执行器等有专用的接口，如在利用Profibus总线技术时，就要求现场设备具有Profibus接口，这样就限制了系统的灵活性，加大了系统的开发成本，不符合中小型控制系统的经济性要求。4、IPC+PLC系统即由工业计算机（IPC）和可编程控制器（PLC）组成的控制系统。它能实现“集中管理、分散控制”的功能，且组网方便，硬件配置简洁，易于开发。与DCS控制系统相比，IPC+PLC系统性价比高，易于实现，但在功能和可靠性上，与DCS相差无几。从生产规模上来讲，PLC+IPC适用于中小工程，而DCS则适用于大工程。因此，IPC+PLC系统被广泛用于污水处理行业中。3.1.3污水处理厂自动控制系统方案设计3.1.3.1控制系统结构该工程选择适用于中小型控制系统并被广泛应用于污水处理行业的IPC+PLC系统，它采用“集中管理，分散控制”的分布式控制系统结构。其中，分散控制有利于将可能发生故障的危险进行分散，提高系统的可靠性，降低故障发生的概率，也有利于故障发生后的事故处理。集中管理有利于采集信息的综合，从而能够对控制进行优化[17][18][19]。本控制系统按参与生产程度级别划分为：管理级、控制级、现场级三个级别。控制系统结构如图3-1所示。13\n工控机工控机打印机打印机以太网交投影仪换机PLC1站细格栅工作站PLC2站变电所工作站PLC3站污泥浓缩脱水间工作站图3-1控制系统结构图Fig.3-1Structureofcontrolsystem1、管理级—中央控制室中央控制室位于污水厂综合楼内，负责监控全厂水处理过程中各工艺参数变化、设备工作状态及运行管理。由于污水处理是一个连续的生产过程，一旦发生故障会对生产造成严重的影响，因此，在中央控制室配置二台工业用计算机，互为热备工作状态，确保数据的完整、准确。另外，在中央控制室配置大屏幕投影仪和打印机。计算机显示器和大屏幕投影仪上显示各构筑物工艺流程画面，工艺参数变化趋势画面，故障报警画面，设备运行状态画面等。在中央控制室设工程师站和操作员站。工程师站可对整个组态系统进行开发、调试、控制、参数修改以及采集数据、监控等。操作员站可通过各种画面监视全厂工艺参数变[20][21]化情况、各设备的运行情况及故障发生情况等。中央控制室主要实现以下功能：（1）实时显示现场画面，显示各设备工作状态、各参数的实时数据。（2）远程控制，可对现场设备进行远程开关、启停控制。（3）连续记录重要参数数据，方便查询历史数据，并可根据数据对系统进行分析、评估。（4）自动报警功能，对所有监控的过程参数、系统硬件及现场设备的故障按优先级14\n别进行声光报警，并进行记录。2、控制级—现场控制站现场控制站采用可编程控制器（PLC），它的主要功能是进行开关逻辑运算，对现场设备进行顺序控制、逻辑控制，接收由现场设备送来的信号，对采集的模拟量进行运算，并与上位机或同级的控制站进行信息数据的交换，从而实现对整个生产过程的自动控制。3、现场级—现场控制箱及仪表现场设备一般位于被控生产过程的附近，主要包括各类传感器、变送器和执行设备以及就地控制箱等。其中，传感器和变送器采集现场数据，并将所采集的物理量转换成标准的4～20mA电信号送往各现场控制站PLC。PLC将控制信号送给执行器，从而实现对现场设备的启停、开关控制。污水处理厂主要用到的仪表有：流量计、电磁液位计、溶解氧测定仪、压力表、浊度仪等。仪表选型应结合工艺要求、操作要求，选择性能先进、运行稳定可靠、性价比高、具备兼容性的产品。3.1.3.2控制方式污水处理厂自动控制方式有三种：就地手动控制、远程手动控制、远程自动控制，其控制级别按此顺序由高到低排列。其中，就地手动控制的优先级别最高，当现场控制站或现场控制箱上的状态选择开关打到“就地”档时，由现场操作人员手动控制设备运行，上位机只能监视设备的运行情况而不能对设备进行操作；当状态选择开关打到“远程”档时，由PLC控制站或上位机的信号控制设备运行。就地手动控制一般只用于设备调试、维修或自动控制出现故障的情况。远程控制又包括手动控制和自动控制。当现场控制站上的状态选择开关打到“远程”档时，远程控制起作用。在上位机的监控画面上设置“远程手动”、“远程自动”按钮。当设备处于“远程手动”时，操作人员可通过中央监控室的监控画面对现场设备进行启停、开关控制。远程手动控制一般用于测试单个设备的工作是否正常、测试通信网络的畅通与否、并辅助“自动控制”在自动控制出现故障时及时调节设备运行。当设备处于“远程自动”时，整个系统无需工作人员的参与，设备的运行完全由各现场控制站的PLC根据污水处理厂的实际工况及生产要求进行控制。我们控制的最终目的就是在保证生产15\n质量即出水水质达标的前提下，实现不需要人为干预的远程自动控制。3.2上位机监控系统的设计上位机监控系统由监控设备和监控组态软件组成。3.2.1监控设备在工业控制系统中，上位监控设备多采用被广泛使用的工业控制计算机（IndustrialPersonalComputer），即IPC。工控机是专门为工业现场而设计的计算机，一般能在非常恶劣的环境下使用。由于生产现场有很强的电磁场力干扰，因此，要求工控机必须具有以下优点：有较高的防磁、防尘、防冲击、防震、散热的能力；采用专门电源，且有较强的抗干扰能力；能长时间工作等。综合考虑控制规模、设备性能、价格等因素，该工程的上位机选用由北京研华兴业科技有限公司生产的IPC-610H工控机。3.2.2组态软件组态（Configuration），简单的讲就是应用软件中提供的工具、方法，完成工程中某一具体任务，满足用户的要求。监控组态软件，即组态软件，它是指一些数据采集与过程控制的专用软件。它们处在自动控制系统监控层一级的软件平台和开发环境，使用灵活的组态方式，为用户提供快速构建工业自动控制系统监控功能的、通用层次的软件工具。组态软件的应用领域很广，可以应用于电力系统、给水系统、石油、化工等领域的数据采集与监视控制以及过程控制等诸多领域。3.2.2.1组态软件的功能组态软件是自动控制系统的数据收集中心、远程监视中心和数据转发中心，处于运行状态的监控组态软件与各种控制、检测设备共同构成快速响应及控制中心。组态软件投入运行后可实现以下几种功能：1、显示生产现场的实时数据及流程画面；2、自动打印各种实时/历史生产报表；3、自由浏览各个实时/历史趋势画面；4、及时得到并处理各种过程报警和系统报警；5、通过分级进行管理和维护；6、在需要时，人为干预生产过程，修改生产过程参数和状态；16\n7、与管理部门的计算机联网，为管理部门提供生产实时数据。3.2.2.2组态软件的特点[13]通用组态软件具有以下特点：1、延续性和可扩充性：当用户或控制现场需求发生改变时，组态软件可以方便的完成软件的更新和升级。2、开放性：能与其它软件进行数据交换。3、易用性：对于用户，不需掌握太多的编程语言技术（甚至不需要编程技术），就能很好地完成一个复杂工程所要求的所有功能。4、实时性：不仅能及时的利用图形界面反映数据的变化情况，还能快速的将控制信号发送到控制器和现场智能仪表，最大限度地避免信号的滞后。5、可靠性：在计算机或底层监控的硬件设备正常工作的情况下，监控组态软件能长时间、无差错地稳定运行。[22]3.2.2.3组态软件的数据处理流程组态软件通过I/O驱动程序从现场I/O设备获得实时数据，对数据进行必要的加工后，一方面以图形方式直观地显示在计算机屏幕上；另一方面按照组态要求和操作人员的指令将控制送给I/O设备，对执行机构实施控制或调整控制参数。对已经组态历史趋势的变量储存历史数据，并对历史数据检索的请求给予响应。当报警发生时，及时将报警以声音、图像的方式通知给操作人员，并记录报警的历史信息，以备检索。图3-2直观的表示出了组态软件的数据处理流程。17\n图3-2组态软件的数据处理流程Fig.3-2Thedataprocessinginconfigurationsoftware在图中可以看出，实时数据库是组态软件的核心，历史数据的存储与检索、报警处理与存储、数据的运算处理、数据库冗余控制、I/O数据连接都是由实时数据库系统完成的。图形界面系统、I/O驱动程序等组件以实时数据库为核心，通过高效的内部协议相互通信，共享数据。3.2.2.4组态软件的选择目前流行的通用组态软件包括Intellution公司的iFix、Siemens公司的WinCC、Wanderware公司的Intouch以及国产组态王KingView、力控ForceControl等。1、iFix：GEFanuc智能设备公司由美国通用电气公司（GE）和日本Fanuc公司合资组建，提供自动化硬件和软件解决方案。Intellution公司以Fix组态软件起家，1995年被爱默生收购，现在是爱默生集团的全资子公司。Fix和iFix是GEFanuc先后推出的两个组态软件，技术纯熟，应用广泛。世界上许多最成功的制造商都依靠GEFanuc的iFix软件来全面监控和分布管理全厂范围的生产数据。2、WinCC：是西门子公司与Microsoft公司合作开发的、开放的过程可视化系统。它具有以下突出优点：通用的应用程序，适合所有工业领域的解决方案；多语言18\n支持，全球通用；可以集成到所有自动化解决方案内；内置所有操作和管理功能，可简单、有效地进行组态；可基于Web持续延展，采用开放性标准，集成简便；集成的Historian系统作为IT和商务集成的平台；可用选件和附加件进行扩展；“全集成自动化”的组成部分，适用于所有工业和技术领域的解决方案。3、Intouch：是一种工业自动化组态软件，是世界上第一个将监控组态软件商品化的美国Wonderware公司的产品。Intouch软件是一个开放的、可扩展的人机界面，为定制应用程序设计提供了灵活性，同时为工业中的各种自动化设备提供了连接能力。它的主要特点是：最大限度的开放性、具有强大的网络功能、除了自身带有数据库外还可以方便的和其它数据库连接。4、力控：是由北京三维力控科技有限公司研发的核心软件产品，公司以自主创新为动力，逐渐奠定了在国内市场的领先地位。力控软件是国产监控组态软件中唯一完整的冗余与热备体系设计；支持控制设备冗余、多重网络冗余、多客户端冗余等；人机监控图形界面与过程数据处理分离，内置独立的实时历史数据库；实时历史数据库支持Windows/Unix/Linux操作系统，数据库开放接口支持远程访问；软件具备独立的WebServer，支持WebService接口，支持PDA终端访问方式；和设备支持多种通讯方式，上千种的驱动程序，支持多协议设备共用一条通讯总线，支持不同通讯链路切换。5、组态王：是由北京亚控科技发展有限公司研发的新型的工业自动控制系统监控软件，目前在国产软件市场中占据着一定地位。它具有适应性强、开放性好、易于扩展、经济、开发周期短；全中文操作界面；图形界面良好；驱动程序和网络功能[23]丰富等优点。技术参数：（1）实时数据：报警事件冗余切换小于2秒。（2）历史数据：存储速度为10000点/s；存储时间范围可由客户订制，精确到毫秒级；查询历史库查询数据时间小于3秒。同一数据可按照年、月、日、时查询，时间相差在秒级以内，历史冗余切换时间小于2秒。（3）冗余切换：I/Oserver之间切换小于2秒，I/Oserver可进行最长7天的数据缓存。19\n（4）画面系统：画面最大尺寸可达到10240*7680（或更大），画面数目没有限制。（5）曲线趋势图：最多同时显示4个绘图区、64条曲线、16条数据轴，并且可同时具有2条时间轴。（6）门户：可以支持200个以上的客户端同时访问。根据控制系统的要求及对性能价格的考虑，本系统使用北京亚控科技发展有限公司的组态王6.53作为监控组态软件。监控画面的设计及监控功能的实现将在第五章详细介绍。3.3下位机控制系统的设计本控制系统采用PLC（可编程序控制器）作为底层控制单元即现场控制站，它接收由现场设备（如传感器、变送器）送来的信号，按照一定的控制策略计算出所需的控制量，并送回现场的执行器，同时完成顺序控制、逻辑控制等功能。3.3.1PLC概述可编程序控制器（PLC）是以微处理器为基础，综合了计算机技术、半导体集成技术、数字控制技术和通信网络技术发展起来的一种通用工业自动控制装置。它面向控制过程、面向用户，适应工业环境，操作方便，可靠性高，成为现代工业控制的三大支柱（PLC、机器人和CAD/CAM）之一，并被广泛用于工业自动化、机电一体化、传统产[24]业技术改造等方面。[25]3.3.1.1PLC的主要功能和特点PLC的性能在不断完善、功能在不断地增强，主要功能有：开关量逻辑控制、模拟量控制、闭环过程控制、定时控制、计数控制、顺序（步进）控制、数据处理、通信和联网等。由于PLC是为了克服继电器逻辑控制系统的缺点和局限性而研制出来的取代继电器逻辑控制装置的一种新型工业控制装置，与继电器逻辑控制系统相比，它具有以下优点：1、通用性强、灵活性好、接线简单继电器逻辑控制系统是针对各种控制要求专门设计的，只要控制系统改变，其接线就要跟着改变，另外，继电器触点数目有限，因而连线多且复杂，体积大。而PLC是专20\n为在工业环境下应用而设计的，具有面向工业控制的鲜明特点。通过选配相应的控制模块，便可适用于各种不同的工业控制系统。同时，由于PLC采用的存储逻辑是以程序方式存储在内部存储器中，当生产工艺改变或生产设备更新时，不必改变PLC的硬件，只需改变程序和控制逻辑即可，因此称为“软接线”，加之PLC中每只继电器的触点数理论上无限制，因此，其灵活性和扩展性都很好。另外，PLC的接线十分方便，只需将输入信号的设备（如按钮、开关等）与PLC的输入端子相连，将接受控制的执行元件（如接触器、电磁阀等）与输出端子相连即可。2、功能强、扩展能力强现代PLC具有强大的功能系统，利用程序可实现任意复杂的控制功能，如定时、计数、顺序、步进等控制。它还可以既对开关量又对模拟量进行控制。目前，PLC产品已系列化、模块化、标准化，能方便灵活地扩展成大小不同、功能不同的控制系统。组成系统后，即使控制程序发生变化，只要修改软件即可，增强了控制系统的柔性。3、可靠性高、抗干扰能力强为了确保PLC在恶劣的工业环境中能可靠地工作，在设计上强化了PLC的抗干扰能力。在硬件方面，采用了电磁屏蔽、滤波、光隔离等一系列抗干扰措施。在软件上，PLC采用了故障检测、信息保护和恢复、设置警戒时钟，加强对程序的检查和校验、对程序和动态数据进行后备保护等，进一步提高了可靠性和抗干扰能力。除此之外，PLC还具有抗振荡、抗噪声、抗射频等能力，因而可靠性极高。4、定时准确，定时范围宽PLC内部提供了许多定时器和计数器元件，通过不同的赋值，可以实现任意范围内的时间定时，且定时准确。5、编程和接线可同步进行PLC控制系统由于采用软件编程取代继电器硬连接实现控制功能，即使是一个非常复杂的控制，也很容易通过编程来实现，且能事先进行模拟调试，极大地减轻了繁重的现场安装接线工作。另外，由于PLC控制系统的硬件可按控制系统的性能、输入/输出点数和内存容量的大小等来选配，使系统的设计、编程和现场接线可同时进行，因而极大地缩短了开发周期，提高了工作效率。6、网络通信21\nPLC提供标准通信接口，可以方便地进行网络通信。3.3.1.2PLC的硬件组成虽然PLC的生产厂家有很多，PLC也种类繁多，但其结构组成基本相同，主要由中央处理单元（CentralProcessingUnit，CPU）、存储器、输入/输出单元、电源等部分构成，如图3-3所示。[25]图3-3PLC的硬件组成Fig.3-3ThehardwareofPLC其中，中央处理单元是PLC的核心部分，它包括微处理器和控制接口电路。微处理器是PLC的运算和控制中心，由它实现逻辑运算、数字运算，协调控制系统内部各部分的工作。存储器包括系统程序存储器和用户程序存储器，用于存放PLC生产厂家编写的系统程序和用户编写的监控程序等。输入输出单元是PLC的CPU与现场输入、输出装置或其他外部设备之间的连接接口部件。电源单元把外部供应的电源变换成系统内部各单元所需的电源。3.3.2PLC的选型PLC的种类很多，各个厂家生产的PLC在外型、功能、控制规模、容量等方面都有很大差别。因此，PLC的分类标准也不是唯一的。按结构形式分，PLC分为整体式、模块式、叠装式三类；按控制规模分，PLC一般分为大型、中型、小型三类；按照功能分类，PLC分为高档、中档、低档。污水处理过程复杂，处理工艺地理位置分散，控制点数多，控制要求高，综合考虑22\n以上因素，以及PLC的性能价格比、污水处理厂的成本等其它因素，本控制系统选用西门子（SIEMENS）公司研制生产的SIMATICS7系列的S7-300PLC。西门子公司是世界上较早研制和生产PLC的公司之一，先后推出了性能价格比较高的SIMATICS3系列、S5系列、S7系列、自带人机界面的CT系列、具有AT兼容机功能的M7系列PLC等。在1997年，西门子公司提出了“全集成自动化”（TIA）的概念，SIMATICS7系列PLC产品就是采用TIA概念设计的，它不仅具有更强大的控制、网络通信及IT服[28]务功能，还具有带电热插拔、远程诊断等新的功能。S7-300PLC（见图3-4）是一种模块化PLC系统，它能满足中等性能控制系统的要求。各种模块可进行灵活组合从而构成不同的系统。与S7-200PLC相比，S7-300PLC有以下优点：具备高速（0.1～0.6μs）的指令运算速度；用浮点数运算有效地实现了更加复杂的算术运算；一个带标准用户接口的软件工具方便用户给所有模块进行参数赋值；人机界面服务已经集成在S7-300操作系统内，人机对话的编程要求大大减少。1-负载电源（选项）2-后备电池（CPU313以上）3-DC24V连接4-模式开关5-状态和故障指示灯6-存储器卡（CPU313以上）7-MPI多点接口8-前连接器9-前盖图3-4S7-300PLC外形Fig.3-4TheappearanceofS7-300PLCS7-300PLC由以下几部分构成：1、中央处理单元（CPU）：是PLC的核心部件，主要完成指令操作、总线控制、接口管理等功能。2、负载电源模块（PS）：将AC220V电源转换为DC24V电源，供CPU和I/O模块使23\n用。3、信号模块（SM）：是数字量I/O模块和模拟量I/O模块的总称，将不同的电压或电流信号转换成与PLC内部电平相匹配的电平信号。4、功能模块（FM）：主要用于对实时性和存储容量要求高的控制任务，例如计数器模块、闭环控制模块、超声波位置解码器等。5、通信处理器（CP）：用于PLC与PLC之间、PLC与计算机、PLC与其它智能设备之间的通信。6、接口模块（IM）：用于多机架配置时连接主机架（CR）和扩展机架（ER）。7、导轨：固定、安装S7-300系列的各种模块。3.3.3各PLC现场控制站的硬件设计该工程根据污水处理各工艺流程位置分布、控制对象的数量，结合中央控制室的位[29]置和供配电范围要求，以就近采集和单元控制为划分区域的原则，在现场设置三个PLC控制站。在细格栅间设置PLC-1站，配电室设置PLC-2站，在污泥浓缩脱水间设置PLC-3站。各站的PLC配置、仪表及设备的选型、仪表及电控设备的工作原理等将在本节详细介绍。3.3.3.1PLC-1站（细格栅工作站）该站主要负责对污水预处理阶段即粗格栅间、污水提升泵房、细格栅间、旋流沉砂池等处的数据采集及设备监控。1、电控设备的选型（1）粗格栅间：粗格栅机2套，选用回转式平面格栅机，配套电机功率为1.1kw；栅渣输送机1台，与粗格栅配套，电机功率为0.75kw；进水电动闸门2个。（2）污水提升泵房：潜水污水泵4台（3用1备），扬程11m，配套电机功率为30kw；出水电动阀门4个。由于污水泵电机功率较大，为消除电动机起动、停止过程中的电流冲击，减小电网容量，避免电机起动时机械冲击，保护电机和负载，在此选用软启动器来保护水泵。软启动器串接于电源与被控电机之间，控制其内部晶闸管的导通角，使电机输入电压从零以预设函数关系逐渐上升，直至起动结束，赋予电机全电压，即为24\n[30][31]软起动，在软启动过程中，电机起动转矩逐渐增加，转速也逐渐增加。其用于水泵起动中可以有效避免水锤效应的产生。软起动一般有下面几种起动方式：①斜坡升压软启动。这种启动方式最简单，不具备电流闭环控制，仅调整晶闸管导通角，使之与时间成一定函数关系增加。其缺点是，由于不限流，在电机起动过程中，有时要产生较大的冲击电流使晶闸管损坏，对电网影响较大，实际很少应用。②斜坡恒流软启动。这种启动方式是在电动机起动的初始阶段起动电流逐渐增加，当电流达到预先所设定的值后保持恒定，直至起动完毕。启动过程中，电流上升变化的速率是可以根据电动机负载调整设定。电流上升速率大，则起动转矩大，起动时间短。该启动方式是应用最多的启动方式，尤其适用于风机、泵类负载的启动。③阶跃启动。开机，即以最短时间，使启动电流迅速达到设定值，即为阶跃启动。通过调节起动电流设定值，可以达到快速启动效果。④脉冲冲击启动。在启动开始阶段，让晶闸管在极短时间内，以较大电流导通一段时间后回落，再按原设定值线性上升，转入恒流起动。该启动方法，在一般负载中较少应用，适用于重载并需克服较大静摩擦的启动场合。本文选用斜坡恒流软启动。污水泵电气回路图和控制回路图如图3-5、3-6所示。该工程采用一台软启动器拖动四台污水泵分别启动，在任一台水泵启动完毕后，软启动器处于待命状态，此时方可启动下一台水泵，而不能同时软启动两台及两台以上水泵。每台水泵既可以软启动，也可以直接工频启动，但不能软启动和直接启动同时操作。水泵软启动后，转入工频运行，软启动器转入待命状态。25\n图3-5污水泵电气回路图Fig.3-5Pumpelectricalcircuitdiagram26\n图3-6污水提升泵控制回路图Fig.3-6Sewagepumpcontrolcircuitdiagram27\n（3）细格栅间：细格栅2套，配套电机功率为1.1kw；栅渣输送机1台，配套电机功率为0.75kw。（4）旋流沉砂池：进水电动闸门2个，出水电动闸门2个（两座旋流沉砂池，一用一备）；砂水分离器2套，配套电机功率为0.37kw，处理量Q=12～20L/s；吸砂泵2台，配套电机功率2.2kw。2、仪器仪表的选型在预处理阶段需要测量的物理量有：格栅机前后液位差；污水提升泵房的吸水池中的液位，出水管道上的流量；旋流沉砂池的液位。所采用的仪表包括：超声波液位差计、流量计、超声波液位计。（1）超声波流量计采用大连海峰公司生产的型号为TDS-100Z的超声波流量计。该流量计由测量主板、功能扩展模块及远程显示终端等部分组成，用户可根据自身的需[32]要选用合适的配置。该流量计工作原理为：当超声波束在液体中传播时，液体的流动将使传播时间产生微小变化，其传播时间的变化正比于流体的流速，零流量时，两个传感器发射和接收声波所需的时间完全相同，液体流动时，逆流方向的声波传输时间大于顺流方向的声波传输时间。其关系符合下述表达式：MDΔTV=×（3-1）sin2θTup×Tdown其中，θ为声束与液体流动方向的夹角；M为声束在液体的直线传播次数；D为管道内径；Tup为声束在正方向上的传播时间；Tdown为声束在逆方向上的传播时间；Δ=TTupTdown−为时差。2FV=×××900πD（3-2）其中，F为瞬时流量（单位：立方米/小时）；D为管道的内径（单位：米）；V为流速（单位：米/秒）。TDS-100Z变送型超声波流量计是将TDS12主板封装在一个密封浸水型铸铝壳体内组成一个完整的现场主机，工作电源为单一直流8-36VDC，标准隔离RS485输出。现场测量主机（一次表）可以焊接在被测管道上或者是挂在测试井壁上。也可以通过带有RS485接口的键盘操作显示器（二次表）设置参数或连接到远至1千米之外的仪表控制室28\n中。同时二次表还能够同时为现场主机提供工作电源。具有造价低、抗干扰性好、工作可靠等特点。（2）超声波液位计/液位差计采用北京天健创新仪表公司生产的TUL型产品，适用于市政、造纸、电力等领域水处理工程在线监测液位。该仪表超声波换能器采用进口压电陶瓷材料，应用声学匹配技术，从而提高了发射效率；换能器内置温度传感器，能实现测量值的实时自动温度补偿；融合丰富现场经验的先进算法能够有效克服泡沫、喘动[33]等现场干扰。该产品输出4-20mA标准电流信号，工作电压为220VAC±10%，50Hz或24VDC±10%。3、PLC的配置根据统计，本站包括模拟量输入共8路，分别为：1路进水污水池液位信号；1路提升泵房出口总管压力信号；1路提升泵出口总管流量信号；粗格栅间2路液位差信号；细格栅间2路液位差信号；1路沉砂池液位信号。开关输入量112和开关输出量34。PLC硬件配置如表3-2所示。表3-2PLC-1站硬件配置表Table3-2ThehardwareconfigurationtableofPLC-1station序号名称型号及规格单位数量1中央机架CR个12CPU模块S7-314块13电源模块PS307块14通信模块CP343-1块15开关量输入模块SM32132点24VDC块46开关量输出模块SM32232点24VDC块27模拟量输入模块SM3318路4～20mA块18UPS电源1KVA/30min台14、PLC与现场仪表及设备的硬件接线图PLC各模块与现场设备仪表的接线如图3-7、3-8、3-9所示。由于模块数量较多，从DI模块、DO模块、AI模块的接线图中各选择一张表示各模块的接线。29\n图3-7PLC-1站数字量输入模块接线图Fig.3-7WiringdiagramofDImoduleinPLC-1station图3-8PLC-1站数字量输出模块接线图Fig.3-8WiringdiagramofD0moduleinPLC-1station30\n图3-9PLC-1站模拟量输入模块接线图Fig.3-9WiringdiagramofAImoduleinPLC-1station3.3.3.2PLC-2站（变电所工作站）该控制站主要负责生化反应阶段即配水井、氧化沟及氧化沟出入口各设备的数据采集和控制。1、电控设备的选型（1）矩形配水井：电动进水堰门1个，电动出水堰门2个。（2）三角形配水井：两座，各有3个电动出水堰门。（3）氧化沟：共设两座，分别有双速曝气转刷8个，其配套电机功率为26kw/32kw；高速转刷4个，配套电机功率为32kw；电动出水堰各18个，配套电机功率为0.37kw。所有转刷均选择叶片转刷，转刷直径为1.0m。双速转刷高速运转时速度为73r/min，低速时速度为49r/min。高速转刷运转时，转速为73r/min。其中，双速转刷由双速电机带动运转。图3-10所示为双速电机的电气原理图及控制回路图。双速电动机的工作原理即异步电动机变极调速，是通过改变定子绕组的连接方法达到改变定子旋转磁场磁极对数的目的，从而改变电动机的转速。图3-10中所示为定子绕组从三角形接法变为双星形接法。工作时，合上空气开关QS引入三相电源。当按下启动按钮SB2时，交流接触器KM1线圈回路通电并自锁，KM1主触点闭合，电动机在三角形接法下运行，电动机低速运转；按下启动按钮SB3时，SB3的常闭触点断开使接触器KM1线圈断电，KM1主触点断开，辅助触点闭合，KM2线圈回路通电并自锁，其常开触点闭合，此时电动机在双星形接法下运行，电动机高速运转。在控制回路中SB2的常开触点与KM1线圈串联，SB2的常闭触点与KM2线圈串联，同时SB3的常闭触点与KM1线圈串联，SB3的常开触点与KM2线圈串联，这都保证了高[30][34]低速按钮的互锁，保证三角形与双星形两种接法不可能同时出现。31\n图3-10双速电机电气回路图及控制回路图Fig.3-10Electricalcircuitandcontrolcircuitdiagramofdual-speedmotor2、仪器仪表的选型PLC-2需要检测的数据有：每座氧化沟中的液位，各氧化沟中的溶解氧浓度及悬浮物浓度。所需的检测仪器有静压液位计、溶解氧仪、悬浮物检测仪。（1）静压液位计采用北京瑞普三元仪表有限公司生产的防腐型DB202静压液位计。[35]该液位计为沉入杆式结构，通过压力传感器实现液位测量。其压力传感器探入氧化沟的污水中，受到一定的静压力（P）。此压力（P，MPa）与液体高度（h，m）的关系为−3Pg=10ρh（3-3）32式中ρ为被测液体密度（g/m）；g为当地的重力加速度（m/s）。该液位计采用陶瓷电容式传感器，具有性能可靠、安装简单和使用方便的特点。其变送器输出信号为4～20mA标准电流信号。（2）溶解氧测定仪选用天健创新仪表有限公司生产的LDO荧光法溶解氧仪。该仪器采用创新的荧光法替代传统的膜式电极，不用更换膜片和电解液，传感器寿命最长可达5年，从而减少了维护工作量，提高了工作可靠性，更适用于污水处理领域恶劣的工况。此外，荧光传感器不消耗氧气，所以没有流速和搅动的要求。溶解氧测定仪的性能指标如下：高量程：0～20mg/L；分辨率：0.01mg/L；精确度：±0.1ppm；温度补偿：NTC30KΩ自动温度补偿；模拟输出：两路隔离0/4～20mA；供电：90～265AC，50Hz或24VDC±10%。32\n（3）悬浮物浓度仪选用MLSS悬浮物浓度计（suspendedsolidsanalyzer）。该浓度计采用创新的多光束相互补偿技术，能够消除传感器光窗粘污造成的测量误差，以及温度变化、器件老化等影响，实现稳定、精确的测量。减少了维护工作量，提高了工作可靠性，适用于污水处理的恶劣工况。悬浮物浓度仪的性能指标如下：量程：活性污泥0～25g/L；分辨率：0.01g/L，1mg/L；模拟输出：两路隔离0/4～20mA；供电：90～265AC，50Hz或24VDC±10%。3、PLC的配置经统计，本站包括模拟量输入14路，分别是：2路氧化沟静压液位信号，6路氧化沟溶解氧信号，6路氧化沟边沟悬浮物测定信号；开关输入量437；开关输出量152。由于本站控制点数比较多，需要扩展机架来增加信号模块的插槽，满足控制要求。该站的硬件配置如表3-3所示。表3-3PLC-2站硬件配置表Table3-3ThehardwareconfigurationtableofPLC-2station序号名称型号及规格单位数量1中央机架CR个12扩展机架ER个33CPU模块S7-314块14电源模块PS307块45通信模块CP343-1块16开关量输入模块SM32132点24VDC块157开关量输出模块SM32216点24VDC块138模拟量输入模块SM3318路4～20mA块39UPS电源1KVA/30min台110接口模块（中央）IM360块111接口模块（扩展）IM361块312机架连接电缆368连接电缆1米根333\n4、PLC与现场仪表及设备的硬件接线图PLC各模块与现场设备仪表的接线如图3-11、3-12、3-13所示。图3-11PLC-2站数字量输入模块接线图Fig.3-11WiringdiagramofDImoduleinPLC-2station34\n图3-12PLC-2站数字量输出模块接线图Fig.3-12WiringdiagramofDOmoduleinPLC-2station图3-13PLC-2站模拟量输入模块接线图Fig.3-13WiringdiagramofAImoduleinPLC-2station3.3.3.3PLC-3站（污泥浓缩脱水间工作站）该控制站主要负责对污水加氯消毒和污泥处理阶段即污泥浓缩脱水间、消毒间、污泥调节池、接触池等处的数据采集和电控设备的控制。1、电控设备的选型35\n（1）接触池：两座，各设污水回用泵3台，选用潜水排污泵，配套电机功率为11kw。由于污水回流泵的电机功率较大，且功率大的笼型异步电动机启动电流较大，直接启动时电流为其额定电流的4～8倍，启动转矩为额定转矩的0.5～1.5倍，因此，为了保护电机，保护电网中的其它设备不受影响，采用降压启动方式来启动污水回流泵。水泵启动属于轻载启动，因此选择星形—三角形启动，其工作原理是：启动时将电动机定子绕组接成星形，加在电动机每相绕组上的电压为额定值的1/3，从而减小了启动电[36]流对电网的影响。当转速额定转速时，定子绕组改接成三角形，使电动机在额定电压下正常运转，如图3-14、3-15为一组污水回流泵的星形—三角形降压启动接线图及控制回路图。图3-14污水回流泵降压启动电气回路图Fig.3-14Thestepstartelectricalcircuitdiagramofsewagepump36\n图3-15污水回流泵控制原理图Fig.3-15Sewagepumpcontrolcircuitdiagram当启动电动机时，合上刀闸开关QS，按下启动按钮SB2，接触器1KM1、1KM4与时间继电器1KT1的线圈同时得电，接触器1KM4的主触点将电动机接成星形并经过1KM1的主触点接至电源，电动机降压启动。当1KT1的延时时间到，1KM4线圈失电，1KM7线圈得电，电动机主回路换接成三角形接法，电动机投入正常运转。星形—三角形降压启动的优点在于，星形启动电流只是原来三角形接法直接启动时的1/3，启动电流约为电动机额定电流的2倍左右，启动电流特性好、结构简单、价格低。（2）加氯间：设二氧化氯发生器2台，每台配电功率为30KW。（3）污泥调节池：设污泥搅拌器1台，选用潜水搅拌器，功率为1.1kw。37\n（4）污泥浓缩脱水间：设加药管道泵2台，功率为2.2kw；污泥泵2台，功率为1.5kw；污泥浓缩脱水一体机2台，配套电机功率为2.2kw；污泥皮带输送机1台，配套电机功率为1.5kw。如图3-16所示为加药泵电气回路图及控制回路图。图3-16管道泵电气回路图和控制回路图Fig.3-16Theelectricalcircuitandcontrolcircuitdiagramofpipelinepump2、仪器仪表的选型本站所检测的数据有：两座接触池的液位、污泥调节池中污泥溶液的液位、接触池回流泵出口管道流量。所需检测仪器为：超声波液位计、超声波流量计，其型号与PLC-1站、PLC-2站中同类设备一致。3、PLC的配置本站共有模拟量输入5路，包括2路接触池回流泵出口流量信号、2路接触池液位信号和1路污泥调节池液位信号；开关输入量50；开关输出量16。硬件配置如表3-4所示。38\n表3-4PLC-3站硬件配置表Table3-4ThehardwareconfigurationtableofPLC-3station序号名称型号及规格单位数量1中央机架CR个12CPU模块S7-314块13电源模块PS307块14通信模块CP343-1块15开关量输入模块SM32116点24VDC块46开关量输出模块SM32216点24VDC块27模拟量输入模块SM3318路4～20mA块18UPS电源1KVA/30min台14、PLC与现场仪表及设备的硬件接线图PLC各模块与现场设备仪表的接线如图3-17、3-18、3-19所示。图3-17PLC-3站数字量输入模块接线图Fig.3-17WiringdiagramofDImoduleinPLC-3station39\n图3-18PLC-3站数字量输出模块接线图Fig.3-18WiringdiagramofDOmoduleinPLC-3station图3-19PLC-3站模拟量输入模块接线图Fig.3-19WiringdiagramofAImoduleinPLC-3station各个现场控制站各个设备的控制方法及程序设计将在第四章详细介绍。40\n3.4通信系统的设计随着计算机通信网络的日益成熟及企业对工业自动化程度要求的提高，自动控制系统也从传统的集中式控制向多级分布式控制方向发展，这就要求构成控制系统的PLC必须要有通信及网络的功能，能够互连接，远程通信，构成网络。PLC网络通信就是将数据信息通过适当的传送路线从一台PLC传送到另一台PLC，或在PLC与计算机（或智能数字设备）之间交换信息。控制照层次可以把连接的对象分[25]成4类：1、计算机与PLC之间的连接（上位连接）；2、PLC与PLC之间的连接（同位连接）；3、PLC主机与它们的远程模块之间的连接（下位连接）；4、PLC与计算机网络之间的连接（网络连接）。当前适用于工业应用的主要网络有：工业以太网、现场总线网络和DCS局部网络等。西门子S7-300系列PLC的常用通信网络有：通过多点接口（MultiPointInterface-MPI）协议的数据通信、PROFIBUS总线通信、工业以太网通信、点对点连接（Point-to-PointConnections）通信、通过执行器/传感器接口（ActuatorSensor-Interface,AS-I）的通信等。其中，工业以太网是用于工厂管理和单元层的通信系统，用于对时间要求不太严格、需要传送大量数据的通信场合，可以通过网关来连接远程网络。由于污水处理现场仪表[37]设备较多，布局分散，且控制系统要求较高，因此，选用整体稳定性好、可靠性较高的工业以太网作为本控制系统的通信网络。网络结构如图3-20所示。41\n图3-20网络结构Fig.3-20Networkstructure3.4.1工业以太网简介工业以太网是为工业应用专门设计的，它是遵循国际标准IEEE802.3(Ethernet)的开放式、众多供应商、高性能的区域和单元网络。工业以太网被广泛的应用于控制网络的最高层，并且有向控制网络的中间层和底层发展的趋势。继10Mbit/s以太网成功运行之[38][39]后，具有交换功能、全双工和自适应的100Mbit/s高速以太网也成功运行多年。以太网的市场占有率高达80%，是当今局域网（LAN）领域中首屈一指的网络。它具有以下优点：1）可以采用冗余的网络拓扑结构，可靠性高；2）通过交换技术可以提供实际上没有限制的通信性能；3）灵活性好，现有的设备可以不受影响地扩展；4）在不断发展的过程中具有良好的向下兼容性，保证了投资的安全；5）易于实现管理控制网络的一体化。典型的工业以太网络由以下4类网络器件组成：1）连接部件：包括FC快速连接插座，电气链接模块（ELS），电气交换模块（ESM），光纤交换模块（OSM）和光纤电气转换模块（MCTP11）。42\n2）通信介质：在PLC通信网络中，通信介质的选择是很重要的一环。通信介质决定了网络的传输率、网络段的最大长度、传输的可靠性。目前，常用的传输媒介有3类：双绞线、同轴电缆以及光缆。其特性表如表3-5所示。表3-5常用通信介质的参数Table3-5Parametersofcommoncommunicationmediums传输媒介传输媒介特性同轴电缆双绞线光缆基带（50Ω）宽带（75Ω）传输速率（Mbit/s）1～41～101～45010～500网络段最大长度1.51～31050/km抗电磁干扰弱中中强星形、环形、公共总线环形、公共总线支持的拓扑结构环形、公共总线型公共总线型型型其中，双绞线用于低频传输时，其抗干扰能力相当于同轴电缆，高频传输时，其抗干扰能力低于同轴电缆。其主要优点是成本低、安装简单。同轴电缆根据通频带可分为基带（50Ω）和宽带（75Ω）两种同轴电缆，其中基带同轴电缆常用于以太网中。同轴电缆的抗干扰能力较强，维护方便，价格介于双绞线和光缆之间。而光纤具有低损耗、宽频带、高数据传输率、低误码率、安全保密性好等优点，所以它是一种最有前途的传输介质。其主要类型包括全塑光纤电缆（AllPlasticFiberCable,APF）、塑料护套光纤电缆（PlasticCladOpticalFiberCable,PCF）和硬塑料护套光纤电缆（HardPlasticCladOpticalFiberCable,H-PCF）3种。该工程选用光纤作为通信介质。3）SIMATICPLC的工业以太网通信处理器：用于将PLC连接到工业以太网。4）PG/PC的工业以太网通信处理器：用于将PG/PC连接到工业以太网。工业以太网的网络访问机制是CSMA/CD（载波监听多路访问/冲突检测），即在发送数据之前，每个站都要检测网络上是否有其他的站正在传输数据；如果没有，则可以马上发送数据，否则停止发送数据，等网络空闲时再发送数据。所有的工作站都可以收到发送到网上的信息帧，每个工作站都要确认该信息帧是不是发给自己的，一旦确认是发给自己的就将它发送到高一层的协议层。在基于竞争的以太网中，只要网络空闲，任一工作站均可发送数据。在有两个工作站发现网络空闲而同时发送数据时，就会发生冲突。这时，两个传送操作都遭到破坏，工作站必须在一定时间后重发，何时重发由延时算法[40]决定。其工作流程图如图3-21所示，其中（a）图为工作站数据发送流程图，（b）图43\n[41]为工作站数据接收流程图。(a)工作站数据发送流程图44\n开始接收帧N接收完毕YY帧碎片N目的地址符合YNCRC容错正确Y正确接收非本站数据结束(b)工作站数据接收流程图图3-21以太网工作流程图Fig.3-21FlowchatoftheEthernet工业以太网的通信协议采用ISO和TCP/IP协议。S7/M7/C7站和PC站可以通过S7服务进行通信；SIMATICOP（操作面板）、OS（操作员站）和PC站可以通过PG/OP服务进行通信。网络拓扑结构可选择总线型、星形、树形和环形。总之，工业以太网的通信特性如表3-6所示。45\n[25]表3-6工业以太网的通信特性Table3-6CommunicationcharacteristicsofIndustrialEthernet项目特性标准IEEE802.3通信站的数量多于1000网络访问方式CSMA/CD传输速率100Mbit/s电气网络2芯屏蔽同轴电缆ITP传输介质光纤网络光缆电气网络1.5km最大长度光纤网络4.5km网络拓扑总线型、树形、环形和星形PD/OP通信服务S7通信标准通信等3.4.2通信系统的设计该工程中以太网通信系统的设计包括PLC站与站之间的通信和PLC与上位机IPC之间的通信。西门子公司提供了强大的工业以太网，它为大数据量交换以及实时性要求较高的控制系统提供了强大的功能支持。组态王也提供了支持西门子的S7系列PLC的以太网TCP协议的驱动，可以与S7-300PLC通讯，而且上位机中不需要安装和设置西门子的网络软件包SIMATICNET和STEP7等软件，不需要SetPG/PCInterface的支持。3.4.2.1PLC站与站之间的通信PLC站与站之间的通信即PLC站之间的组态可以通过STEP7等软件来完成。STEP7是西门子公司SIMATIC工业软件中的一种，它是用于对SIMATICPLC进行组态和编程的[42]软件包。该工程选用其中的一个版本：STEP7Version5.4进行硬件组态和软件编程。首先，在STEP7中建立三个S7-300站，并分别对各个站进行配置，按前面所选的硬件型号依次插入电源模块、CPU模块、通信模块、输入输出模块等，完成各站的配置。STEP7中各站点的硬件配置图如图3-22、图3-23、图3-24所示。46\n图3-22PLC-1站硬件配置图Fig.3-22ThehardwareconfigurationgraphofPLC-1station图3-23PLC-2站硬件配置图Fig.3-23ThehardwareconfigurationgraphofPLC-21station47\n图3-24PLC-3站硬件配置图Fig.3-24ThehardwareconfigurationgraphofPLC-3station然后，通过各个站的通信模块CP343-1连接到同一个以太网上，这就实现了PLC站之间通信所需的硬件组态，如图3-25所示。图3-25PLC站之间通信的硬件组态图Fig.3-25HardwareconfigurationgraphofcommunicationbetweenPLCstations48\n最后，在PLC之间建立硬件连接后，需要通过以下程序设计来实现数据的传送。调[25]用FC5“AG_SEND”来发送数据，调用FC6“AG_RECV”来接收数据。程序如下：CallFC5ACT；=M10.0ID；=1LADDR；=W#16#0100SEND；=P#db99.dbx10.0byte240LEN；=MW14DONE；=M10.1ERROR；=M10.2STATUS；=MW16CallFC6ID；=1LADDR；=W#16#0100RECV；=P#M20.0byte100NDR；=M10.3ERROR；=M10.4STATUS；=MW12LEN；=MW18FC5和FC6最多可以发送240B的数据包，如果要发送的数据超过这个长度，可以调用FC50AG_LSEND和FG60AG_LRECV。通过以上步骤就可以实现PLC之间的通信。3.4.2.2PLC与上位机的通信在两台工控机上安装网卡CP1613后，工控机便可通过网卡连接至工业以太网，同下位机进行通讯和数据交换。如图3-26为STEP7中在NetPro界面上显示的整个污水处理自动控制系统的通信网络图，上位机及各PLC现场控制站均接入工业以太网中。49\n图3-26控制系统通信网络图Fig.3-26Networkchartofcontrolsystem3.4.2.3通信参数的设置污水处理自动控制系统的通信系统组成后，需要对各设备的参数进行设置，最终实现各设备间的通信、数据传递。1、在STEP7中设置PLC通信模块CP343-1和工控机的IP地址和子网掩码，并将STEP7编程软件中为通信模块CP343设定的IP地址下传到PLC中。2、组态王设置：如图3-27所示为组态王通信参数设置的过程。首先通过设备配置向导定义组态王设备，其定义路径为：PLC\西门子\S7-300系列\TCP，如下图中（a）所示。其次给设备指定唯一的名称，并定义设备地址，格式为：PLC的IP地址；CPU模块在机架中的槽号，例如：192.168.0.1:2，下图中（b）（c）所示。最后设定出现通信故障时的恢复时间间隔和最长恢复时间的通信参数后，设备在组态王中的参数设置完成，下图中（d）（e）所示。(a)(b)50\n(c)(d)(e)图3-27组态王通信参数设置的过程Fig.3-27ProcessofcommunicationparameterssettinginKingView设置好参数后，在组态王工程浏览器界面/设备/NetCard下，可以看到通信参数定义完成的I/O设备。如图3-28所示。51\n图3-28组态王中下位机的通信设备Fig.3-28CommunicationdeviceofKINGVIEW’sslave-compter52\n第四章PLC控制站的软件设计4.1PLC-1站的设计该控制站设在细格栅间，主要负责对进水、粗细格栅间、污水提升泵房等环节的控制，包括对粗格栅、细格栅、栅渣输送压榨机、污水提升泵、沉砂池、吸砂泵、沙水分离器的信号采集及各电控设备的联动控制。4.1.1粗格栅的控制在粗格栅间配置两台粗格栅机，一台栅渣输送压榨机。栅渣输送压榨机与格栅机联动运行。粗格栅和栅渣输送压榨机都可实现远程控制和就地控制。在粗格栅机的前后位置安装一套双传感器超声波液位差计，用来检测进入粗格栅的液位和粗格栅前后的液位差，这些信号全部以4～20mA标准信号送至PLC-1。粗格栅的运行方式有两种：液位差控制和时间控制。1、液位差控制：当粗格栅前后液位差超过0.2米时，粗格栅开始运行。当液位差降落到0.1米及其以下时，粗格栅机停止工作。同时，为了保证设备正常运行，当检测到格栅机没有运行时间达12小时，强制设备运行，防止设备长时间不运行而出现问题或是由于液位传感器的错误信号导致设备不能正常运行。液位差控制方式流程图如图4-1所示。2、时间控制：当粗格栅自上次运行时间达2个小时后，粗格栅机开始运行。粗格栅机每次运行为5个循环。时间控制方式流程图如图4-2所示。栅渣输送压榨机与粗格栅联动运行，当格栅机启动运行前30S，栅渣输送压榨机开始运行；当格栅机停止工作后，栅渣输送压榨机延时60S停止工作。当粗格栅机发生故障，如电机过载时，将故障信号送至PLC-1，迅速停机，切换到另一台粗格栅工作，并发出报警。若两台粗格栅机同时发生故障，迅速停机，发出报警信号，并关闭进水闸门。当栅渣输送压榨机发生故障时，将故障信号传送至PLC-1，并将运行的粗格栅停止工作，发出报警。粗格栅机前配有进水电动闸门，用来控制流入污水处理厂的污水量。闸门的开、闭均可由现场手动控制或通过PLC-1进行远程控制。53\n开始初始化N液位控制？Y液位差>0.2m?NY设备是否运行?液位差<0.1m?NY开启栅渣输送压榨机停止粗格栅N启动延时计时器Y启动延时计时器NN30秒计时到?60秒计时到?YY启动粗格栅停止栅渣输送压榨机结束图4-1粗格栅液位控制方式流程图Fig.4-1Flowchartofcoarsegridcontrolbylevelmethod54\n图4-2粗格栅时间控制方式流程图Fig.4-2Flowchartofcoarsegridcontrolbytimemethod55\n4.1.2污水提升泵和污水泵出口阀的控制本工程设置四台污水提升泵，三用一备。泵的控制方式有：就地控制、远程手动控制、远程自动控制。在提升泵房的吸水池中设置的超声波液位计将液位以标准电流信号送至PLC-1，PLC-1根据液位信号控制污水提升泵的启停，以水位高低来选择水泵的工作台数并达到先开先停，后开后停，轮换工作。污水提升泵工作流程图如图4-3所示。图4-3污水提升泵工作流程图Fig.4-3Workingflowchartofsewagepump56\n吸水池有效水深为1.7m，如提升泵工作流程图所示，当水位低于0.3米时，所有水泵均不工作，PLC-1发出低水位报警。当水位高于0.8米时，1#水泵启动，当水位高于1.2米时，再启动2#泵，当水位高于1.5米时，3#泵也启动，并且发出水位超高报警。水泵的停机顺序依次为：当水位低于0.7米时，1#泵停止运行，当水位低于0.6米时，停止2#水泵工作，当水位低于0.5米时，最后一台工作的水泵3#泵也停止工作。实现了水泵的先开先停，后开后停，有效的保护了水泵。污水泵的工作状态、电机过载、内部故障等信号均送至PLC-1。当污水泵出现故障时，能立即停止水泵的运行，切换至其它水泵，并发出报警信号。污水泵出口阀与污水泵连锁运行，污水泵运行前，出口阀门先打开，污水泵停止工作后才能将出口阀门关闭。且所有出口阀门状态如开、闭、全开、全闭和故障等信号均送入PLC-1中。当阀门出现故障时，由PLC-1发出报警信号。出口阀的控制方式也分为：就地控制、远程手动控制和远程自动控制。在计量间的进水管上设流量计一台，用来测量污水总进水量，将信号送给PLC-1。4.1.3细格栅的控制在细格栅间设置2台细格栅，一台栅渣输送压榨机，栅渣输送压榨机与细格栅联动运行。在细格栅的前后设置一套双传感器液位差计，检测细格栅前后的液位差，这些信号全部转换成4～20mA的标准信号送给PLC-1。设备控制方式与粗格栅相同。4.1.4旋流沉砂池中设备的控制沉砂池的主要作用是去除密度较大的无机颗粒，减少砂粒对设备的磨损。该工程共设两座旋流沉砂池（一用一备），可以通过控制沉砂池入口处闸门的启闭来控制沉砂池运行与停止。在每座沉砂池中设有一台吸砂泵与一台砂水分离器。吸砂泵和砂水分离器的启停可由现场控制柜手动控制，也可由中央控制室上位机通过PLC-1进行远程控制。吸砂泵与砂水分离器联动运行，开机顺序：砂水分离器——吸砂泵；关机顺序：吸砂泵——砂水分离器。每座沉砂池的前后各有1个电动闸门，沉砂池前的电动闸门用来控制污水的流向，沉砂池后的电动闸板用来控制进入下一步——矩形配水井的污水量。电动闸门的开、闭有手动控制和自动控制两种方式，手动控制优先于自动控制。现场闸门的开闭状态信号57\n均反馈送至PLC-1。4.2PLC-2站的设计该控制站设在变配电所，主要负责配水井调节堰、氧化沟中的转刷及氧化沟出口的电动堰门等各设备的数据采集和控制。4.2.1矩形配水井矩形配水井将经过预处理的污水分别分配给两个三角形配水井，在矩形配水井内有3个电动调节堰，用于控制流向两个三角形配水井的水量。电动调节堰的启闭既可由现场控制箱手动控制，又可由中央控制室的上位机远程控制。将电动调节堰的开启、闭合、开启到位、闭合到位及故障信号均送入PLC-2，并送入上位机显示其状态。4.2.2三角形配水井两个三角形配水井分别有三个电动调节堰，通过控制电动调节堰来调节污水的流向及水量，决定污水流入三沟式氧化沟的任一沟。三角形配水井中电动调节堰的控制与矩形配水井中电动调节堰的控制方式相同。4.2.3三沟式氧化沟污水经配水井配水后进入两组三沟式氧化沟。氧化沟的生物处理阶段是该污水处理厂的核心部分，对整个污水处理起着至关重要的作用。在每组氧化沟中各设一台静压液位计，用于测量氧化沟中的水位，将水位以4～20mA标准信号送至PLC-2，并送至上位机，在监控画面中显示。在每个氧化沟内分别各设一台溶解氧测定仪和一台悬浮物测定仪，用来测定污水中的溶解氧含量和悬浮物浓度。将这12路信号送至PLC-2，并在上位机的监控画面中显示各数据。由于污水中溶解氧的含量影响着氧化沟中所发生的生化反应，从而直接影响污水处理的效果及出水的水质。因此，氧化沟控制系统的任务是将氧化沟中的溶氧值维持在生化反应所需要的范围内，以保证氧化沟维持在工作所确定的微生物生存环境，达到去除污水中污染物的目的，并在此基础上，尽可能节省能耗。而调节污水中溶解氧的含量（DO值）又是通过控制各个转刷的转速及启停来实现的。在每组氧化沟的沟A和沟C出水口处各设9个电动堰板，经过生化反应后的水从降低的电动堰板处流出。电动堰板的升高和降低可由现场控制站手动控制，也可通过PLC-2由上位机远程控制，且各设备的运行状态信号及故障信号均送入PLC-2。根据工58\n艺要求，电动出水堰板与转刷等设备配合运行。4.2.3.1氧化沟运行模式三沟式氧化沟运行灵活，根据本课题中污水组成及出水水质要求等实际情况出发，选择使用具有脱氮功能的硝化—反硝化运行模式。整个硝化—反硝化运行过程包括六个处理阶段，每六个阶段为一个周期，每个周期一般用时为8小时。其运行过程如下图[43]4-4所示。图4-4氧化沟硝化与反硝化运行过程Fig.4-4Oxidationditchprocessofnitrificationanddenitrificationoperation（1）第一阶段污水进入沟A，沟A内转刷低速运行，沟B内转刷高速运行，沟C内转刷停转。沟A处于缺氧状态，沟内活性污泥利用水中的有机物作为碳源，活性污泥中的反硝化菌则利用前一段产生的硝酸盐中的氧来降解有机物，释放出氮气，完成反硝化过程。沟B处于好氧状态，沟内有足够的溶解氧来降解有机物，并使氨氮转化为硝酸盐，完成硝化过程。沟C为沉淀区，进行泥水分离。沟A内出水堰处于升起状态，沟C内出水堰处于降低状态并排水。该阶段历时1.5h。（2）第二阶段污水进入沟B，沟B和沟A内转刷均高速运行，沟C内转刷停转。59\n沟A出水堰仍处于升高状态，沟C出水堰仍处于降低状态并排水。在该阶段中，沟A从缺氧状态变为好氧状态，沟B为曝气区，沟C为沉淀区。该阶段历时1.5h。（3）第三阶段污水进入沟B，沟A内转刷停转，沟B内转刷继续高速运转，沟C内转刷仍停转。沟A出水堰仍处于升高状态，沟C出水堰仍处于降低状态并排水。在该阶段中，沟A为沉淀区，沟B为曝气区，沟C为沉淀区。该阶段历时为1.0h。（4）第四阶段污水改为从沟C流入，沟A内转刷仍停止，沟B内转刷继续高速运转，沟C内转刷低速运转，使其处于缺氧状态。沟A出水堰自动降低并排水，沟C出水堰自动升高。在该阶段中，沟A为沉淀区，沟B为曝气区，沟C为缺氧区。该阶段历时1.5h。（5）第五阶段污水改为进入沟B，沟A内转刷仍停转，沟B内转刷继续高速曝气，沟C内转刷改为高速运转。沟A出水堰仍处于降低排水状态，沟C出水堰仍处于升高状态。在该阶段中，沟A为沉淀区，沟B为曝气区，沟C从缺氧状态变为好氧状态。该阶段历时1.5h。（6）第六阶段污水仍流入沟B，沟A内转刷继续停转，沟B内转刷高速运转，沟C内转刷停转。沟A出水堰处于降低排水状态，沟C出水堰状态同上一阶段。在该阶段中，沟A为沉淀区，沟B为曝气区，沟C为沉淀区。该阶段历时为1.0h。至此，一个工作周期结束。从上述过程得出各氧化沟转刷及堰门的工作情况如表4-1所示。表4-1氧化沟设备工作状态Table4-1DevicesworkingstatusinOxidationDitch阶段一二三四五六沟号历时/h1.51.51.01.51.51.0转刷状态低速高速停停停停出水堰升高升高升高降低降低降低沟A是否进水进不进不进不进不进进工作状态缺氧闷曝沉淀沉淀沉淀沉淀转刷状态高速高速高速高速高速高速沟B出水堰——————是否进水不进进进不进进进60\n工作状态曝气曝气曝气曝气曝气曝气转刷状态停停停低速高速停出水堰降低降低降低升高升高升高沟C是否进水不进不进不进进不进不进工作状态沉淀沉淀沉淀缺氧闷曝沉淀由上表可以看出，沟A和沟C中的转刷需要有高速和低速两种转速，沟B中的转刷在污水处理过程中一直处于高速运转状态。因此，在每组氧化沟的沟A和沟C中均分别设置4台双速转刷，沟B中设4台高速转刷。4.2.3.2氧化沟中设备的控制由氧化沟的工艺特点可看出，目前对这种工艺中设备的控制是时间顺序控制，即预先将各阶段的运行时间及各设备在不同时间段内的运行动作编入程序中，从而使整个氧化沟处理工艺过程运行灵活、操作方便。但是只按时间来控制，污水处理效果差、出水水质低，因此本文将时间顺序控制和专家控制结合起来。1、时间顺序控制：（1）电动转刷：当氧化沟处于沉淀阶段时，转刷始终处于停止状态；当氧化沟处于缺氧状态时，转刷处于低速运转状态；当氧化沟处于曝气阶段时，沟中所有转刷高速运转20min，然后转入溶解氧反馈控制方式。（2）电动出水堰板：在前半个周期，沟A的出水堰板处于升高状态，沟C的出水堰板处于降低状态，经处理后的水从沟C流出；在后半个周期，正好相反，沟A的出水堰板处于降低状态，水从此沟流出，而沟C的出水堰板则抬高。2、溶解氧专家控制由大量的运行经验及实际测量数据表明，若要使氧化沟内的微生物保持正常的生理活动，生化池内的溶解氧浓度（DO值）一般宜保持在2mg/L左右，即整个反应过程中[44]用以作为好氧量补充的溶解氧必须保持适当的水平。而污水处理的生化反应过程是一个受外部干扰影响较大、时变、非线性、大滞后的复杂系统，不能对氧化沟中的溶解氧的变化建立精确的数学模型，采用简单的开环系统或是传统的控制算法不能取得满意的控制效果，因此，本文提出了采用专家控制对溶解氧浓度（DO值）进行控制的策略，使处于曝气阶段的污水中溶解氧的浓度保持稳定，从而保证出水质量。61\n[47]©专家控制系统专家系统是一种包含知识和推理的人工智能的计算机程序系统，这些程序软件具有相当于某个专门领域的专家的知识和经验水平，同时具有处理该领域的问题的能力。专家系统所要解决的问题一般没有基本算法，并且通常要在不精确、或不确定、或不完全的信息条件下进行推理，最终做出结论。专家控制是智能控制的一个重要分支，又称专家智能控制。专家控制的实质是把专家系统的理论和技术同控制理论、方法与技术相结合，在未知环境下，仿效专家的智能，实现对系统的控制。基于专家控制的原理所设计的系统称为专家控制系统。它是应用专家系统概念和技术，模拟人类专家学者的控制知识与经验而建造的控制系统。专家控制按系统结构的复杂性可以分为两种形式：专家控制系统和专家控制器（ExpertController）。前者系统结构比较复杂，具有较好的技术性能，但研制代价较高，通常用于需要较高技术的装置或过程。后者结构比较简单，技术性能能满足工业过程控制的一般要求，由于研制代价明显低于前者，且结构简单，研制周期短，实时性好，具有广阔的应用前景。结合该工程的实际情况，对溶解氧DO值的控制采用专家控制器。[47]©专家控制器的设计原则（1）多样化的模型描述在现有的控制理论中，控制系统的设计仅依赖于被控对象的数学解析模型。而在专家控制器的设计中，由于采用了专家系统技术，能够对各种精确的或模糊的信息进行处理，因而允许对模型采用多种形式的描述。在专家控制器的设计过程中，应根据不同情况选择恰当的描述方式，以便更好地反映过程特性，增强系统的信息处理能力。专家控制器的一般模型可用如下形式表示：UfCTI=(,,)其中f为智能算子，其基本形式为：IFCANDTTHEN(IFITHENU)这里C=c,c,{L,c}为控制器的输入集；12mT=t,t,{12L,tn}为知识库中的经验数据与事实集；62\nI=i,i,{12L,ip}为推理机构的输出集；U=u,u,{12L,uq}为控制器的输出集。智能算子的基本含义是：根据输入信息C和知识库中的经验数据T与规则进行推理，然后根据推理结果I，输出相应的控制行为U。智能算子的具体实现方式可采用前面介绍的各种方式。（2）在线处理的灵巧性在专家控制器设计过程中，在线信息的处理与利用非常重要。具备处理在线信息的灵活性将提高系统的处理能力和决策水平。（3）灵活性的控制策略当工业对象本身发生时变或存在现场干扰时，要求控制器能采用不同形式的开环与闭环策略，通过在线获取的信息灵活地修改控制策略或控制参数，以确保获得优良的控制品质。（4）决策机构的递阶性以模拟人类为核心的智能控制，其控制器的设计应体现分层递阶的原则，即根据智能水平的不同层次构成分级递阶的决策机构。（5）推理与决策的实时性设计用于工业过程的专家控制器时，为了满足工业过程的实时性要求，知识库的规模不宜过大，推理机构应尽可能简单。©专家控制器的设计专家控制器以知识库为基础，可以分为数据库和规则库。一般常用如下规则表示：[48]IF（控制局势）THEN（操作结论）。在本系统中设定输入变量为：污水的溶解氧浓度偏差et()=−rt()DOt()2=−DOt()，溶解氧浓度偏差变化率Δeetet=−−()(1)。输出变量为：转刷运行台数即RUN=台数，转刷停止的台数STOP=台数。在这种控制方式下，根据溶解氧的浓度区间以及浓度变化来控制转刷的运行停止。溶解氧浓度专家控制器控制规则如下：IF()et>=1.5THENRUN=4IFΔe>0AND1.5>()et>=1THENRUN=3STOP=1IFΔe>0AND1>()et>=0.5THENRUN=2STOP=263\nIFΔe>0AND0.5>()et>=0THENRUN=1STOP=3IFΔe>0AND()et<0THENSTOP=4IFΔe<0AND()et<0THENRUN=2STOP=2IFΔe<0AND0=<()et<0.5THENRUN=1STOP=3IFΔe<0AND0.5=<()et<1THENRUN=2STOP=2IFΔe<0AND1<()et<1.5THENRUN=3STOP=1上述规则表示：当水中DO值低于0.5mg/L时，沟中所有转刷开启，高速运转充氧，DO上升，每上升0.5mg/L，就停止一台转刷运转。当DO上升至2mg/L时，为维持水中DO含量，保证沟中生化反应充分发生，保持两台转刷运转。反之，当DO>2mg/L，且DO继续上升时，将转刷全部关闭。如果DO开始下降，每下降0.5mg/L，则自动开启一台转刷，直至DO低于0.5mg/L时，将该沟中所有转刷开启。在曝气过程中，专家智能控制器通过模仿专家操作的动作提供初始控制，因此，根据目标溶解氧值及溶解氧变化区间，我们选择DO值0.5，1，1.5作为控制的临界值。但是，在整个系统的运行过程中，临界值的选择并不是固定的，同时专家控制是一个自学习的过程，可以根据实际运行情况、处理效果及计算机所采集的信息对其进行修改，从而达到更满意的控制效果。总之，在实际控制过程中，可根据实际运行情况适当调整氧化沟污水处理各阶段运行周期的长短以及曝气阶段转刷运行的数量，从而更好的达到要求的处理结果。4.3PLC-3站的设计该控制站设在污泥浓缩脱水间，主要负责完成对污泥浓缩脱水间、消毒间、污泥调节池、接触池等环节的数据采集和电控设备运行状态的检测和控制。4.3.1接触池接触池的主要作用保证使处理后的污水与ClO2有足够的接触时间，从而保证灭菌效果。接触池中的主要设备是污水回流泵，2个接触池中各设3台回流泵。每个回流泵的启停可现场手动控制，也可由远程控制实现。将每个回流泵的运行信号、手自动转换信号、电机过载及内部故障信号均送至PLC-3，并显示在上位机的监控画面中。64\n在接触池回流泵的出口处各设一台流量计，用于测量回流污水的流量，并将流量以标准信号送至PLC-3。每个接触池中均分别安装一台液位计，用于测量各个接触池中污水的水位，并将水位以标准电流信号传送至PLC-3中。4.3.2污泥调节池污泥调节池中的主要设备是污泥搅拌机及液位计。污泥搅拌机的启停控制可分为手动控制和远程控制。液位计将污泥池的液位转换成标准信号送至PLC-3，并显示在上位机监控界面中。4.3.3污泥脱水机房、加药间、及加氯间该工程中污泥脱水机房、加药间及加氯间合建。加氯间的主要功能是将二氧化氯发生器产生的ClO2安全、准确的投至接触池，供杀菌消毒用。在加氯间设两台二氧化氯发生器，并在现场设现场控制箱。二氧化氯发生器的启停可由现场控制箱或PLC-3来控制。加药间的作用是将药加在污泥中，提高污泥的脱水性能。污泥脱水机房用于降低污泥的含水量，减小污泥的体积。主要设备有2台加药管道泵，2台污泥泵及2台污泥浓缩脱水一体机及1台污泥输送机。污泥调节池的有效水深为3.5米，当污泥调节池中的液面超过1.5米时，开启1#污泥泵，将污泥送至污泥浓缩脱水一体机，延时10S后，1#污泥浓缩脱水一体机和1#加药管道泵同时开始工作，再延时10S后，输送机开始工作；当液面超过2.5米时，2#污泥泵启动，延时10S后，启动2#污泥浓缩脱水一体机与2#加药管道泵，当液位高于3米时，发出高液位报警。当液位降至1.2米时，1#污泥泵先停止，延时10S后，1#浓缩脱水一体机和1#加药管道泵同时停止工作，当液位降至1米时，2#污泥泵停止工作，延时10S后，2#污泥浓缩脱水一体机与2#加药泵停止工作，最后污泥输送机停止工作。当液位低于0.5米时，液位低报警。保证两台泵先开先停，后开后停。如图4-5为污泥脱水间设备工作流程图。65\n图4-5污泥脱水间设备工作流程图Fig.4-5Devicesworkingflowchartofsludgedewateringroom66\n第五章上位机监控系统的软件设计5.1监控系统的建立[49]使用组态王建立一个上位机监控系统的一般过程为：1、设计图形界面（定义画面）进入组态开发环境后，用户可以在一个工程中建立数目不限的画面，并在每个画面上生成互相关联的静态或动态图形对象。“组态王”软件为用户提供了丰富的基本图形对象，如直线、矩形、圆、多边形、文本等，以及丰富的复杂图形对象，如按钮、趋势曲线窗口、报警窗口、报表等。并可以对图形在窗口内进行任意移动、缩放、改变形状等的操作，还可对图形对象的颜色、填充属性等进行改变。“组态王”采用面向对象的编程技术，使用户可以方便地建立画面的图形界面。用户可根据工艺过程绘制画面，通过建立与实际工业现场相同的画面，模拟在现场的工控设备，使用户可以在中央控制室及时、直观地了解现场设备的工作运行情况。2、定义I/O设备组态王把那些需要与之交换数据的设备或程序都作为外部设备。外部设备包括：PLC、仪表、其他Windows应用程序、网络上的其他计算机等。只有在定义了外部设备以后，组态王才能通过I/O变量和这些设备进行数据交换。“组态王”软件还设计了“设备配置向导”方便用户定义外部设备，用户可以根据“设备配置向导”的引导一步步完成设备的连接。3、构造数据库（定义变量）统计系统中的所有I/O点，及所使用的I/O设备的生产商、种类、通信协议等。并根据统计的结果建立数据库。数据库是“组态王”软件的核心部分，工业现场的状况以动画的形式反映在屏幕上，操作者在计算机前发布的指令要迅速送达生产现场，都是以实时数据库为中介环节。因此，数据库具有非常重要的意义，是联系上位机和下位机的桥梁。“组态王”软件将数据库中变量的集合形象的称为“数据词典”，数据词典记录了所有用户可使用的数据变量的详细信息。通过“变量属性”对话框，用户可以对数据变量完成定义、修改等操作，以及数据库的管理工作，如图5-1所示。67\n图5-1变量属性对话框Fig.5-1Variablepropertiesdialogbox4、建立动画连接动画连接是指在画面的图形对象与数据库的数据变量之间建立一种关系，结合画面命令，使得当变量的值发生改变时，能在画面上以图形对象的动画效果表示出来，或者由软件使用者通过图形对象改变数据变量的值。组态王提供了21种动画连接方式，包括：线属性变化、填充属性变化、缩放、旋转、模拟值输出/输入、离散值输出/输入、闪烁、隐含、滑动杆输入等等。一个图形对象可以同时定义多个连接，组合成复杂的效果，以满足用户实际中任意的动画显示需要。如图5-2所示为动画连接对话框。68\n图5-2动画连接对话框Fig.5-2Animationconnectiondialogbox5、运行和调试从组态王开发系统切换到运行系统，对组态内容进行调试。5.2监控界面的构成监控系统模拟现场各处理工艺中设备的运行状态，并以动画的形式实时、直观的显示在上位机监控画面上。用户可通过切换各个画面来对生产现场进行监控。本课题中污水处理监控系统画面包括：登录界面、污水处理总体流程图界面、预处理界面、氧化沟界面、污泥处理界面、报警界面、历史记录界面等。5.2.1登录界面登录界面是运行监控组态软件时用户最初看到的界面，为保证运行系统的运行安全，在登录界面设置用户进入系统的“用户名”对话框和“密码”对话框，用以区分不同操作权限的用户。本工程中共设置三个级别的操作权限，分别是：系统管理员、操作员、普通用户。其中，系统管理员操作权限最高，具有分配操作权限、修改画面、启停设备、处理报警等权利。操作员具有对画面上的设备进行启停操作并浏览所有画面的权限。普通用户的权限最低，只能浏览画面，而不能作任何的操作或修改。69\n“组态王”软件提供对画面上的图形对象设置不同的访问权限，同时给操作者分配不同访问优先级的功能，方便用户的设置。如图5-3为污水厂监控系统登录界面。图5-3监控系统登录界面Fig.5-3Interfaceofmonitoringsystemlogin如上图所示，在登录界面中选择用户名，输入口令（即密码）正确后，才可进入监控系统，进行操作、监测，一定程度上保证了系统的安全运行。5.2.2总态界面用户登录后直接进入总态画面。在总态界面中，可直观的了解污水处理总体流程，以及各工艺阶段运行是否正常，有无重大事故报警等。总态界面如图5-4所示。在总态界面中，通过画面下方的示意图按钮及报表按钮可以将画面切换成各工艺段分画面或是报警信息、历史曲线等画面。用户还可以了解污水处理系统中各阶段主要参数的值，并可在此对远程自动控制时所需的氧化沟的溶解氧值进行设置。用户操作完成后，退出系统时，需要按下“退出系统”按钮，从而避免非法用户入侵监控系统，造成不必要的损失。70\n报表按钮示意图按钮图5-4总态界面Fig.5-4Theinterfaceoftotalstate5.2.3分画面设计根据污水处理的工艺特点及被控设备的分布情况，本监控系统设置了四个污水处理分画面，分别是：污水预处理界面、氧化沟处理界面、污水加氯界面及污泥处理界面。各界面如图5-5、5-6、5-7、5-8所示。图5-5污水预处理界面Fig.5-5Theinterfaceofpretreatment71\n污水预处理界面主要显示粗格栅、污水提升泵房、细格栅、旋流沉砂池、矩形配水井的设备的工作状态及相关的液位、流量等值。具有操作权限的用户可以对粗细格栅、电动闸门、水泵进行启停操作，而无操作权限的用户在登录后，这些操作按钮显示灰色，无法对设备进行操作。图5-6氧化沟界面Fig.5-6Theinterfaceofoxidationditch氧化沟是污水处理的核心部分，因此氧化沟处理界面也是监控系统的重点。氧化沟处理画面的主要监控对象为氧化沟中的转刷、电动调节出水堰门等，主要显示的数据为氧化沟溶解氧浓度和悬浮物浓度。用户可以对这些设备进行监测，也可以根据需要对其进行单独控制。72\n图5-7污水加氯处理界面Fig.5-7Theinterfaceofsewagechlorinating图5-8污泥处理界面Fig.5-8Theinterfaceofsludgetreatment用户通过各画面右上角的“返回主画面”按钮，可以返回主画面，以便切换至其它画面或安全退出监控系统。5.2.4报警界面设计73\n为保证工业生产的安全，报警的记录是不可缺少的。“组态王”提供了强大的报警系统，并且操作方法简单，方便设计人员建立报警画面。“组态王”中的报警类型主要有：模拟量变量的越限报警、偏差报警、变化率报警及离散型变量的1状态报警、0状态报警、状态变化报警。定义报警的步骤为：1、定义报警组：在组态王工程浏览器的目录树中选择“数据库\报警组”，双击图标进入“报警组定义”对话框，增加、修改或是删除报警组。图5-9报警组定义画面Fig.5-9Screenofalarmgroupdefinition2、定义变量的报警属性：在组态王工程浏览器目录树的“数据库\数据词典”中选择需要定义报警的变量，双击变量，在“定义变量”对话框上选择“报警定义”属性页，即可对此变量进行报警定义。图5-10报警定义对话框Fig.5-10Dialogboxofalarmdefinition74\n5.2.5其它界面的设计监控系统运行过程中的实时数据和历史数据除了可以在画面中以值输出的方式显示外，还可以用曲线的形式和报表的形式在上位机上显示出来。1、组态王提供了实时趋势曲线及历史趋势曲线两种曲线形式，工程人员可以根据需要设计不同变量的趋势曲线，完成数据的查看工作。图5-11实时趋势曲线及历史趋势曲线图Fig.5-11Real-timeandhistoricaltrendcurvediagram2、数据报表是反应生产过程中的数据、状态等，并对数据进行记录的一种重要形式。是生产过程必不可少的一个部分，它既能反映系统实时的生产情况，也能对长期的生产过程进行统计、分析，使管理人员能够实时掌握和分析生产情况。组态王提供内嵌式报表系统，工程人员可以任意设置报表格式，对报表进行组态。组态王为工程人员提供了丰富的报表函数，实现各种运算、数据转换、统计分析、报表打印等。既可以制作实时报表，也可以制作历史报表。图5-12报表界面Fig.5-12Interfaceofreport75\n76\n第六章总结与展望本课题的研究内容为污水处理厂的自动控制系统的设计与应用，包括了污水处理工艺、自动控制系统、通信系统等多方面的内容。在分析该污水处理厂的工艺流程及现场所控设备的分布等实际情况的基础上，本文采取IPC+PLC分布式自动控制系统结合工业以太网作为该污水处理厂的控制系统，对污水处理厂各工艺段现场的参数、仪器仪表、被控设备等进行实时监控。并详细介绍了中央控制室上位机监控系统的设计，下位机各PLC现场控制站的硬件配置、软件设计及通信网络的设计等。本控制系统大大提高了污水处理系统的自动化程度，系统运行更具安全性、稳定性，也降低了能耗，减轻了工人负担。其中，针对三沟交替工作式氧化沟处理工艺的特点，本文提出了将时间顺序控制与专家控制器控制溶解氧浓度相结合的控制方式。与单纯的按时间顺序控制的方法，此种控制方式在一定程度上提高了氧化沟处理污水的能力，使出水水质得到改善，同时降低了能耗，节约了能源。但是，污水处理过程是一个非常复杂的过程，受外界因素干扰影响较大，是一个大惯性、纯滞后、时变的系统，因此，本控制系统依然存在不足，需要通过进一步的研究设计来完善控制系统。主要有以下几方面：1、除了溶解氧（DO值）以外，自动控制系统可以引入多个过程参数，如PH值、化学需氧量（COD）、生化需氧量（BOD）等。将这些值作为控制对象，研究相应的控制策略。2、可根据污水处理效果、出水水质等依据，适当调整污水在氧化沟各沟中的停留及发生反应的时间，调整控制程序。实现污水处理厂运行的完全自动控制，并使整个系统处于最佳运行状态，还需进行更加深入的研究。77\n78\n参考文献[1]王凯军，贾立敏．城市污水生物处理新技术开发与应用[M]．北京：化学工业出版社．2001，1．[2]周鑫根．小城镇污水处理工程规划与设计[M]．北京：化学工业出版社．[3]孙铁珩，李宪法．城市污水自然生态处理与资源化利用技术[M]．北京：化学工业出版社．2006，1．[4]雷乐成．水处理新技术及工程设计[M]．北京：化学工业出版社．[5]刘韬．污水处理智能控制的发展现状研究[J]．中国高新技术企业．2009，17．[6]肖锦．城市污水处理及回用技术[M]．北京：化学工业出版社．2002，9．[7]金兆丰，余志荣.污水处理组合工艺及工程实例[M]．北京：化学工业出版社．2003．[8]上海市环保局．废水物化处理[M]．上海：同济大学出版社．1999．[9]Solnik.Wlodzimierz，Zajda.Zbigniew.Aerationsystemcontrolinbiologicalwasterwatertreatmentplants[C]．Proceedingsofthe7thInternationalConferenceonMachineLearningandCybemetics，v6，p3385-3390，2008．[10]Coleman.ThomasE，Denham.W.bren，Fleischman.DarrelS．Oxidationditchmodificationandautomatedcontrolsystemfornitrogenremovalandsludgesettingimprovements[J]．BiotechnologyAdvances，1997，v15，n3-4：803．[11]JefferyRobertTurner．PLCControlSystems-OperatingPrinciples，HardwareConfiguration，andClosed-LoopFeedbackControlSystemDesign[D]．UniversityofLouisville，1994（7）：78～79．[12]LessardP，BeckMB．Dynamicmodelingofwastewatertreatmentprocesses：Itscurrentstatus[J]．EnvironmentScienceTechnology，1991，25(1)：30-39．[13]邹益仁，马增良，蒲维．现场总线控制系统的设计和开发[M]．北京：国防工业出版社．2003．[14]白焰，吴鸿，杨国田．分散控制系统与现场总线控制系统[M]．北京：中国电力出版社．2001．[15]陈在平，岳有军.工业控制网络与现场总线技术[M]．北京：机械工业出版社．2006．[16]陈夕松，汪木兰．过程控制系统[M]．北京：科学出版社．2006．79\n[17]郑焕振，刘雪莲，刘忠谦．自动控制系统在污水处理中的应用[C]．2005年全国自动化新技术学术交流会会议论文集．2005．[18]BatoriskiJohn．WastewaterplantautomatesfacilitieswithPCs，MMIandPLCcontrol[J]．WaterEngineeringandManagement．1996，143(1)：18-20．[19]颜云华，赵文兵．基于工业以太网的污水处理自动控制系统[J]．科技创新导报．2008(35)：102-103．[20]陈运珍，冯涛．基于工业以太网的研华PAC控制系统在污水处理系统应用[J]．电气时代．2007(3)：50-51．[21]DuszaR.J．APC-basedSCADAsystemforawastewatertreatmentplant[C]．TechnologyUpdateConferenceProceedings，v413II：p631-639，2001．[22]马国华．监控组态软件及其应用[M]．北京：清华大学出版社．2002．[23]石鲁川，潘国栋．利用组态王实现基于GPRS的远程污水处理设备监控[J]．自动化技术与应用．2009，28（3）．[24]郭宗仁，吴亦锋，郭永．可编程序控制器应用系统设计及通信网络技术[M]．北京：人民邮电出版社．2002．[25]刘美俊．西门子S7系列PLC的应用与维护[M]．北京：机械工业出版社．2009．[26]吴中俊，黄永红．可编程序控制器原理及应用[M]．北京：机械工业出版社．2004，4（2008，1重印）．[27]Morriss,S．Brian.ProgrammableLogicController[M]．PrenticeHall，2003．[28]HansBerger．西门子自动化系统入门[M]．阎志强等译．人民邮电出版社．2007．[29]石鲁川，潘国栋．PLC技术和组态王6.52在污水处理中的应用[J]．中国仪器仪表．2008(10)：42-45．[30]王永华．现代电气及可编程序控制技术[M]．北京航空航天大学出版社．2002．[31]石秀平．软起动器在供水系统中的应用．变频器世界．2006：10．[32]大连海峰仪器超声波流量计使用说明书．[33]北京天健创新仪表有限公司超声波液位计/液位差计使用说明书．[34]周鹗．电机学[M]．北京：中国电力出版社．1995，5：215-219．[35]北京瑞普三元仪表有限公司DB系列静压液位计安装使用说明书．[36]赵影．电机与电力拖动[M]．北京：国防工业出版社．2008，1：187-205．80\n[37]石鲁川，潘国栋．基于工业以太网的污水处理自动控制系统[J]．兵工自动化．2007，26(4)：78-80．[38]黄阳辉．基于PLC和现场总线污水处理厂监控系统的设计[J]．有色冶金设计与研究．2009，30(2)：28-29．[39]熊育悦，赵哲身．工业以太网在控制系统中的应用前景统[J]．科技创新导报．2002．23(9)．[40]SoodehHaghgoo，AmirSeyedi．CommissioningofanAMRPrototypeSystembyPLCTechnology[J]．IEEEPESPowerAfrica2007ConferenceandExpositionJohannesburg，SouthAfrica，2007(6)：16-20．[41]柳春萍．城市污水处理自动控制系统的研究[D]．西安：西安建筑科技大学．2004，6．[42]ConfiguringHardwareandCommunicationconnectionsSTEP7V5.4．[43]朱亮，张文妍．水处理工程运行与管理[M]．北京：化学工业出版社．20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