【正文】 水處理控制系統(tǒng)存在著以下特點(diǎn)及不足:(1)各種類(lèi)型及層次的控制系統(tǒng)并存，良蕎不齊。大型污水處理廠一般是全套引進(jìn)，控制系統(tǒng)技術(shù)先進(jìn)、可靠性高，但投入和維護(hù)成本巨大，目前不利于消化。中小型處理廠則不同程度存在著應(yīng)變能力差、自動(dòng)化程度低、故障率高等問(wèn)題。(2)開(kāi)始采用新技術(shù)、新工藝及智能元件。分布式控制系統(tǒng)開(kāi)始大量應(yīng)用，總線(xiàn)控制系統(tǒng)也發(fā)展迅速，并結(jié)合自身?xiàng)l件去探索新的工藝。(3)控制系統(tǒng)的監(jiān)控及通訊功能存在著極大不足，控制系統(tǒng)之間協(xié)調(diào)性不夠，一般不使用遠(yuǎn)程控制功能。(4)自動(dòng)控制系統(tǒng)的相關(guān)配套產(chǎn)品的質(zhì)量、技術(shù)、品種急需提高。 國(guó)外生活污水處理現(xiàn)狀國(guó)外的一些發(fā)達(dá)國(guó)家，如美國(guó)、日本、西歐等國(guó)，由于這些國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)，并較早的實(shí)現(xiàn)了工業(yè)現(xiàn)代化。這些國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展較早而且較快，環(huán)境問(wèn)題特別是水資源污染的嚴(yán)重性也較早的體現(xiàn)出來(lái)，同時(shí)也得到了這些國(guó)家政府的重視，投入了大量的人力、物力進(jìn)行水處理的研究。這些國(guó)家在研究水處理新理論和工藝的同時(shí)，也重視污水處理自控系統(tǒng)的研究。這些國(guó)家先后投資研究高效型、智能型、集約型污水處理設(shè)備和自動(dòng)化控制儀表。一些發(fā)達(dá)國(guó)家經(jīng)過(guò)幾十年的努力，污水處理率己經(jīng)達(dá)到了80%90%，成功的解決了來(lái)自于城市和工業(yè)的點(diǎn)源污染問(wèn)題。同時(shí)一些國(guó)家開(kāi)始重視污水的回用，如以色列的污水回用率達(dá)到了90%。由于控制技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)以及現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)的飛速發(fā)展，國(guó)外的污水廠很早便實(shí)現(xiàn)了污水廠的網(wǎng)絡(luò)控制，如DCS, FCS系統(tǒng)。同時(shí)國(guó)外較早的將SCADA技術(shù)引入到了給水排水工程中，并取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)效益。國(guó)外同時(shí)注重水處理中PLC的開(kāi)發(fā)，相繼研制出了一些智能、穩(wěn)定、小巧的控制單元，如AB公司的SLC系列、Siemens的S7系列、Schneider的TSX Quantum系列。同時(shí)國(guó)外也很重視在線(xiàn)儀表的研制，如德國(guó)E一I一H公司，美國(guó)的哈希公司相繼研制了溶解氧DO (DissolvedOxygen)、化學(xué)需氧量COD (Chemical Oxygen Demand)分析儀。國(guó)外污水處理自控系統(tǒng)主要存在以下幾個(gè)特點(diǎn):(1)采用集散控制系統(tǒng)DCS和現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)控制系統(tǒng)FCS。按照廠區(qū)的自身情況和工藝段來(lái)劃分若干個(gè)控制站，站與站之間可以平級(jí)關(guān)系也可以是上下級(jí)關(guān)系，站與站之間一般獨(dú)立運(yùn)行。設(shè)立中控室，中控室有操作員站和工程師站，負(fù)責(zé)全廠的數(shù)據(jù)管理與記錄、報(bào)表等工作。(2)大量采用在線(xiàn)監(jiān)測(cè)的水質(zhì)分析儀表，對(duì)全廠的水質(zhì)實(shí)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并由上位機(jī)記錄下來(lái)，提高了測(cè)量精度。(3)生產(chǎn)過(guò)程中不同程度上采用了智能控制，可以根據(jù)水質(zhì)和水源的變化自動(dòng)的調(diào)整相應(yīng)的控制方式。(4)大量采用遙測(cè)、遙控設(shè)備。并開(kāi)始有效地利用社會(huì)信息資源，如電話(huà)網(wǎng)絡(luò)、移動(dòng)電話(huà)網(wǎng)絡(luò)、國(guó)際互聯(lián)網(wǎng)、氣象信息等。 本課題研究的主要內(nèi)容本課題以實(shí)際課題為背景展開(kāi)工作，主要完成了生活污水處理的PLC自動(dòng)控制和上位機(jī)的組態(tài)監(jiān)控畫(huà)面設(shè)計(jì)，主要進(jìn)行的工作如下:討論了本課題的研究背景、國(guó)內(nèi)外在這方面的發(fā)展?fàn)顩r、指明了本課題所要做的工作:設(shè)計(jì)生活污水處理控制系統(tǒng)，設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)。如何根據(jù)工藝要求，實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)控制設(shè)備PLC的選型以及各種傳感器的選型。如何利用PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)污水處理廠的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備與PLC的通訊，以及PLC與上位PC機(jī)的通訊，提高集散控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和穩(wěn)定性。如何利用組態(tài)軟件進(jìn)行監(jiān)控界面的設(shè)計(jì)，改進(jìn)系統(tǒng)的監(jiān)控功能。第2章 污水處理廠的系統(tǒng)研究 SBR法的介紹及主要的工藝參數(shù)指標(biāo) SBR法的介紹SBR是序列間歇式活性污泥法（Sequencing Batch Reactor Activated Sludge Process）的簡(jiǎn)稱(chēng)，是一種按間歇曝氣方式來(lái)運(yùn)行的活性污泥污水處理技術(shù)，又稱(chēng)序批式活性污泥法。與傳統(tǒng)污水處理工藝不同，SBR技術(shù)采用時(shí)間分割的操作方式替代空間分割的操作方式，非穩(wěn)定生化反應(yīng)替代穩(wěn)態(tài)生化反應(yīng)，靜置理想沉淀替代傳統(tǒng)的動(dòng)態(tài)沉淀。它的主要特征是運(yùn)行上的有序和間序操作，SBR技術(shù)的核心是SBR反應(yīng)池，該池集均化、沉淀、生物降解、二沉等功能于一池，無(wú)污泥回流系統(tǒng)。 主要的工藝參數(shù)指標(biāo) 污水處理主要工藝參數(shù)指標(biāo)包括懸浮固體(SS)，總需氧量(TOD)。一般二級(jí)污水處理廠都嚴(yán)格控制懸浮固體(SS)和生化需氧量(BOD)兩項(xiàng)指標(biāo)，把它們作為出水水質(zhì)的主要指標(biāo)。指標(biāo)懸浮固體(SS)指進(jìn)水或出水中懸浮顆粒的濃度。SS為水中物質(zhì)的存在形態(tài)(膠體物，溶解物)之一。生化需氧量(BOD)在有氧條件下，好氧微生物氧化分解單位體積水中有機(jī)物所消耗的游離氧的數(shù)量，表示單位為氧的毫克/升(O?,mg/l)。出水工藝參數(shù)指標(biāo)為:BOD≤20mg/L,SS≤5mg/L。 SBR法的工藝流程圖及主要設(shè)備 SBR法的工藝流程圖本課題的污水處理廠生活污水處理工藝采用SBR法即序列間歇式活性污泥法工藝。具體工藝流程圖如21圖。圖21 工藝流程圖 主要設(shè)備主要工藝設(shè)備有粗格柵除污機(jī)、細(xì)格柵除污機(jī)、提升泵、沉淀池，兩個(gè)反應(yīng)池以及污泥處理池。粗格柵，細(xì)格柵用于過(guò)濾水中的雜質(zhì)。沉淀池主要用于調(diào)節(jié)水質(zhì)為反應(yīng)池的反應(yīng)準(zhǔn)備。沉淀池、反應(yīng)池和污泥處理池配套一些相關(guān)輔助設(shè)備以及傳感器。 工藝流程過(guò)程及本課題的重點(diǎn)研究過(guò)程 工藝流程過(guò)程首先污水通過(guò)總管道進(jìn)入污水處理系統(tǒng)。污水首先經(jīng)過(guò)粗格柵過(guò)濾掉較大的雜質(zhì)，由提升泵將污水輸送至下個(gè)工序，然后污水經(jīng)過(guò)細(xì)格柵過(guò)濾掉較小的雜質(zhì)后，最后送到沉淀池。接下來(lái)在沉淀池中進(jìn)行水質(zhì)的調(diào)節(jié)，為下一步的反應(yīng)池的處理進(jìn)行準(zhǔn)備。污水由提升泵打到反應(yīng)池中進(jìn)行除磷脫氮處理。反應(yīng)完成后上層的清夜取出供用戶(hù)使用。池底的污泥一部分通過(guò)剩余污泥泵返回到反應(yīng)池，另一部分輸送到污泥處理車(chē)間進(jìn)行泥餅的制作。根據(jù)本課題SBR工藝的具體工藝流程的控制要求，污水處理系統(tǒng)主要分為三個(gè)區(qū)，即預(yù)處理區(qū)、反應(yīng)池區(qū)，污泥處理區(qū)，其中預(yù)處理區(qū)主要實(shí)現(xiàn)機(jī)械處理階段，過(guò)濾較大的雜質(zhì)，同時(shí)調(diào)節(jié)水質(zhì)。反應(yīng)池區(qū)主要是生化處理階段。污泥處理區(qū)主要針對(duì)水處理產(chǎn)生的污泥進(jìn)行處理，由于工藝是獨(dú)立的，所以單獨(dú)劃分為一個(gè)區(qū)。其中對(duì)預(yù)處理區(qū)控制主要包括粗格柵、細(xì)格柵、提升泵、沉淀池四個(gè)主要工藝設(shè)備的自動(dòng)控制。反應(yīng)池區(qū)主要包括兩個(gè)SBR反應(yīng)池。污泥處理區(qū)主要包括對(duì)輸送機(jī)、濃縮脫水一體機(jī)以及一些進(jìn)出水閥門(mén)。 本課題中我主要研究和設(shè)計(jì)預(yù)處理區(qū)，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械處理階段的控制。通過(guò)對(duì)粗格柵、細(xì)格柵、提升泵、沉淀池四個(gè)主要工藝設(shè)備的自動(dòng)控制。 污水處理廠的監(jiān)控系統(tǒng)的構(gòu)成污水處理廠的監(jiān)控系統(tǒng)常由四部分組成：第一，上位機(jī)人機(jī)界面系統(tǒng)，包括上位計(jì)算機(jī)、人機(jī)界面操作軟件、污水處理廠的監(jiān)控系統(tǒng)管理件；第二，PLC 控制系統(tǒng)，包括 PLC 主機(jī)及數(shù)據(jù)采集模塊、PLC 控制軟件、PLC 各分站之間的通訊網(wǎng)絡(luò)及通訊協(xié)議、PLC 與上位機(jī)人機(jī)界面系統(tǒng)的通訊網(wǎng)絡(luò)及通訊協(xié)議；第三，控制臺(tái)、柜及附件，包括安放上位機(jī)的控制操作臺(tái)、安放 PLC 的控制柜、安放信號(hào)隔離繼電器的控制柜、控制電源分配柜等；第四，設(shè)備就地操作、保護(hù)裝置及信號(hào)傳感器，包括設(shè)備的一次和二次控制執(zhí)行元件、信號(hào)檢測(cè)裝置等； 上位機(jī)人機(jī)界面系統(tǒng)上位機(jī)人機(jī)界面系統(tǒng)，是污水處理廠監(jiān)控和管理終端，是污水處理廠的監(jiān)控系統(tǒng)的人機(jī)互動(dòng)部分，是人為操作指令的輸入部分，也是現(xiàn)場(chǎng)控制信息和計(jì)算信息的存儲(chǔ)場(chǎng)地。在絕大多數(shù)煤傳輸系統(tǒng)中，都配置兩套上位機(jī)人機(jī)界面系統(tǒng)，一套作為系統(tǒng)運(yùn)行的操作員站，另一套作為系統(tǒng)維護(hù)的工程師站（該站兼有備用操作員站的功能）。 PLC 控制系統(tǒng)PLC 程序控制系統(tǒng)是污水處理廠監(jiān)控系統(tǒng)的控制核心，主要用來(lái)采集現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的保護(hù)和狀態(tài)信號(hào)，然后經(jīng)過(guò) CPU 進(jìn)行邏輯和數(shù)學(xué)計(jì)算后，發(fā)出相應(yīng)的控制指令，從而對(duì)污水處理廠監(jiān)控系統(tǒng)的所有設(shè)備進(jìn)行合理的控制。一般污水處理廠的監(jiān)控系統(tǒng)使用的 PLC 系統(tǒng)都是比較流行的知名品牌，如德國(guó) SIEMENS 品牌S7400\S7300 系列產(chǎn)品、美國(guó) AB 品牌 CONTROLLOGIX5500 系列產(chǎn)品等。在污水處理廠的監(jiān)控系統(tǒng)中，PLC 控制系統(tǒng)大都配置有一個(gè)本地站（即含有工作主機(jī) CPU 的數(shù)據(jù)采集機(jī)站）和若干個(gè) I/O 遠(yuǎn)程分站（不含 CPU，僅含用于采集數(shù)據(jù)的輸入、輸出 PLC 模塊），本地站與 I/O 分站之間根據(jù)不同的 PLC 品牌采用不同配置的數(shù)據(jù)總線(xiàn)進(jìn)行連接和通訊；常用的包括SIEMENS 品牌的 PROFIBUSDP 總線(xiàn)（通訊介質(zhì)為屏蔽雙絞線(xiàn)，傳輸速率根據(jù)傳輸距離在 到 12M 之間可調(diào)）、AB 品牌的 CONTROLNET 總線(xiàn)（通訊介質(zhì)為同軸電纜，傳輸速率可達(dá)到 5M）等。目前，PLC 控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集模塊一般都選用DC24V 供電模式，數(shù)字量的輸入、輸出模塊常選用 32 通道模塊，模擬量輸入模塊選用8或16 通道模塊，模擬量輸出模塊選用 4 或 8 通道模塊。PLC 系統(tǒng)與上位人機(jī)界面系統(tǒng)的通訊網(wǎng)絡(luò)，是操作員控制指令和受控設(shè)備工作狀態(tài)的傳輸通道，如果此網(wǎng)絡(luò)通訊不正常，就無(wú)法保證控制系統(tǒng)的真正受控。目前的污水處理廠的監(jiān)控系統(tǒng)中，PLC 系統(tǒng)與上位機(jī)之間通常采用工業(yè)以太網(wǎng)進(jìn)行通訊，通訊協(xié)議為 TCP/IP，通訊介質(zhì)為普通網(wǎng)線(xiàn)或光纖，通訊速率采10/100M 自適應(yīng)方式。該通訊方式組網(wǎng)方便，技術(shù)成熟，工作穩(wěn)定，上位機(jī)通訊硬件采用普通以太網(wǎng)卡，采購(gòu)方便、成本低廉。 控制臺(tái)、柜及附件污水處理廠監(jiān)控系統(tǒng)的控制臺(tái)、柜是系統(tǒng)正常使用的輔助設(shè)施，給上位機(jī)及 PLC 元件提供了安裝位置和必要的保護(hù)，包括操作臺(tái)、電源柜、PLC 控制柜、信號(hào)隔離控制柜等。操作臺(tái)通常設(shè)置在污水處理廠室內(nèi)，根據(jù)功能和安放空間進(jìn)行設(shè)計(jì)、制作，屬于非標(biāo)產(chǎn)品。一般采用前、后開(kāi)門(mén)方式，在臺(tái)上安置污水處理廠的監(jiān)控系統(tǒng)上位機(jī)顯示器，臺(tái)體內(nèi)放置污水處理廠的監(jiān)控系統(tǒng)上位主機(jī)，臺(tái)面上布置系統(tǒng)緊急停機(jī)按鈕和電話(huà)、廣播呼叫裝置。操作臺(tái)內(nèi)都設(shè)有電源插座和通風(fēng)冷卻風(fēng)扇。電源柜內(nèi)設(shè)置程控系統(tǒng)所需的成套控制電源，隨 PLC 本地站和 I/O 遠(yuǎn)程分站分別配置，一般系統(tǒng)有幾個(gè) PLC 站就有幾套電源柜。電源柜內(nèi)的供電裝置輸入電源一般為 AC220V，輸出電源一般為 AC220V 和 DC24V，為了保證電源系統(tǒng)的連續(xù)供電，電源柜的輸入端常采用雙路同時(shí)供電，一路是工作電源、一路是備用電源，在工作電源出現(xiàn)故障時(shí)，備用電源立即投入工作。PLC 控制柜主要用來(lái)安裝 PLC 系統(tǒng)，分布在 PLC 本地站和 I/O 遠(yuǎn)程分站內(nèi)。本地站的 PLC 控制柜內(nèi)，一般包括主機(jī)架、電源模塊、遠(yuǎn)程 I/O接口模塊、CPU 控制器、與上位機(jī)通訊的以太網(wǎng)模塊；另外，還裝有本地站監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)采集的 I/O 模塊、模塊安裝機(jī)架、與 PLC 主機(jī)系統(tǒng)通訊的 I/O 適配裝置等。在各 I/O 分站的 PLC 控制柜內(nèi)，主要安裝了遠(yuǎn)程監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)采集的 I/O 模塊、模塊安裝機(jī)架、與 PLC 主機(jī)系統(tǒng)通訊的 I/O 適配裝置等。信號(hào)隔離控制柜，是信號(hào)隔離裝置的安置空間。 設(shè)備就地操作、保護(hù)裝置及信號(hào)傳感器設(shè)備控制的就地執(zhí)行元器件、保護(hù)裝置及傳感器系統(tǒng)，是污水處理廠監(jiān)控系統(tǒng)的重要組成部分，該部分元件如果選擇不當(dāng)或工作不正常，就要造成整個(gè)控制系統(tǒng)處于大腦發(fā)達(dá)四肢不靈的狀態(tài)。設(shè)備控制的執(zhí)行元器件通常選用優(yōu)質(zhì)的通用元器件，如空氣開(kāi)關(guān)、接觸器、熱繼電器（電流綜合保護(hù)器）、電流互感器、按鈕、選擇開(kāi)關(guān)、信號(hào)繼電器、就地指示燈及顯示儀表等。污水處理廠監(jiān)控系統(tǒng)的保