【正文】 基于西門子 PLC技術(shù)的污水處理廠控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 1 基于西門子 PLC 技術(shù)的污水處理廠控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 第一章 緒論 引言 隨著經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展和世界人口數(shù)量的持續(xù)增加，對(duì)水的需要量也在不斷增 大，但是地球上可用的水資源卻在逐漸萎縮，特別是在城市周邊，可以開發(fā)利用 的淡水資源由于污染的原因正急劇減少。為了應(yīng)對(duì)水體污染，最近幾年越來越多 的城市污水處理廠、城市垃圾無害化處理廠正在如火如茶的建設(shè)、投運(yùn)。為了提 高污水處理效率和降低運(yùn)行成本，將自動(dòng)控制新技術(shù)引入污水處理廠，提高其自 動(dòng)化水平是非常關(guān)鍵的。 應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)、 PLC、控制儀表、執(zhí)行裝置、上位機(jī)監(jiān)控設(shè)備等可以組成一個(gè)高效、實(shí)時(shí) 、 可靠的網(wǎng)絡(luò)化全集成自動(dòng)化系統(tǒng)。由于現(xiàn)場(chǎng)總線多項(xiàng)先進(jìn) 性，注定了這套系統(tǒng)有較好的維護(hù)性和實(shí)施性。將其應(yīng)用于污水處理廠的自動(dòng)控 制系統(tǒng)，將帶來良好的社會(huì)效益和可觀的經(jīng)濟(jì)效益。 1. 2 污水處理的現(xiàn)狀 1. 2. 1我國(guó)水資源的概況 水資源是指可以直接被人類利用、能不斷更新的天然淡水，主要是陸地上的 地表水和地下水的淺層部分。全球水的總儲(chǔ)量是比較巨大的，約為 km? ，但是可供人類使用的淡水資源只占到 %，其中絕大多數(shù)分布在高原冰川、兩極冰蓋、冰凍地帶以及 m750 以下的地層深處，方便取用的河水、湖水以及淺層地下水只占全球總儲(chǔ)量的 %。在全球淡水資源的分布也是非常不均衡的 65%以上的淡水集中分布 在 個(gè)國(guó)家，如美國(guó)、哥倫比亞和加拿大等。占世界人口總數(shù)量的 40%以上的 80多個(gè)國(guó)家為水資源缺乏國(guó)家，有近 30個(gè)國(guó)家為嚴(yán)重缺水國(guó)家。 水資源的短缺 已 經(jīng)成為世界性的問 題，我國(guó)也同樣面臨水資源短缺的現(xiàn)實(shí)。 中國(guó)雖然總體上水資源有 m? ，但是人均只有 32300m ，是世界人均占有 量的 1/4，接近國(guó)際公認(rèn)的缺水警戒線，且分布極為不均，開發(fā)利用有相當(dāng)難 度，致使許多地區(qū)嚴(yán)重缺水，尤其是三北地區(qū)和沿海城市連年鬧 “ 水荒 ” 。我國(guó) 基于西門子 PLC技術(shù)的污水處理廠控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 2 的城市缺水現(xiàn)象更為嚴(yán)重，在 300多個(gè)大中城市中 180個(gè)城市缺水，其中 50多個(gè)城市嚴(yán)重缺水。以北京為例，全市水 資源人均占有量?jī)H為全國(guó)平均水平的 1/6， 而年用水量 已 達(dá) m? ，每年缺水約 3810m 。另外，在時(shí)間分布上，我國(guó)的 水資源也存在不均衡，總的來說是冬春節(jié)干旱少雨，夏秋多雨。有時(shí)還連續(xù)出現(xiàn) 干旱枯水年和豐水年現(xiàn)象。水資源的分布不均和口益嚴(yán)重的水資源短缺不但嚴(yán)重 困擾國(guó)民生產(chǎn)，而且成為制約我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的主要因素。我國(guó)不僅缺水，而且水 資源的現(xiàn)狀令人擔(dān)憂。在我國(guó)經(jīng)濟(jì) 快速增長(zhǎng)，工業(yè)化和城市化進(jìn)程口益加快的同 時(shí)，由于基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的投資有限和管理不善 ， 加之認(rèn)識(shí)所限，江河湖泊及近 海海域普遍受到不同程度的污染，盡管部分流域地區(qū)的污染得到了有效控制，但 是總體來說仍呈連年加重的趨勢(shì)。水資源的短缺與粗放低效利用的狀態(tài)并存，水 資源及其安全性己經(jīng)成為中國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的瓶頸，是國(guó)家安全的重要支持因素 之一。 我國(guó)的污水處理開始于上世紀(jì)七十年代。那時(shí) 已 經(jīng)開始利用廢棄的河道、沼 澤以及城市周邊洼地構(gòu)筑成穩(wěn)定塘，對(duì)生活污水和工業(yè)廢水進(jìn)行簡(jiǎn)單的處理。據(jù) 當(dāng) 時(shí)的文獻(xiàn)資料介紹，這樣的穩(wěn)定塘共計(jì) 38座，口處理生活污水 173萬噸。八十年代，國(guó)家政策開始向環(huán)保傾斜，推動(dòng)了一大批城市污水處理設(shè)施的興建，我國(guó)第一座大型的城市污水處理廠一口處理 26萬噸的天津紀(jì)莊子污水處理廠也于1984年 4月投入運(yùn)行。 “ 八五 ” 期間，隨著城市環(huán)境綜合治理的深化以及各流域水污染治理力度的加大，城市污水處理設(shè)施的建設(shè)經(jīng)歷了一個(gè)發(fā)展高潮時(shí)期 “ 九 五 ” 期間，我同正式啟動(dòng)對(duì) “ 河 ” (淮河、海河和遼河 )、 “ 湖 ” (太湖、巢湖、滇 池 )流域和 “ 環(huán)渤海 ” 地區(qū)的水污染治理，國(guó)家給予相應(yīng)資金和技術(shù)上的支持。據(jù)統(tǒng)計(jì)，到 20xx年底，全同己建設(shè)城市污水處理廠 427座，其中二級(jí)處理廠 282 座，二級(jí)處理率約為 15%。由此可見，我國(guó)的污水處理現(xiàn)狀并不理想，城市污水 處理率還很低。 20xx年之后，國(guó)家大力扶持污水處理廠的建設(shè)，特別是山西、河北、河南、 陜西等中西部地區(qū)，每年都有數(shù)十座污水處理廠開工建設(shè)。拿陜西省為例，截至20xx年底，絕大多數(shù)縣級(jí)以上城市都擁有了正常運(yùn)行的污水處理廠，有的城市基于西門子 PLC技術(shù)的污水處理廠控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 3 還建成了中水廠并 已 投運(yùn)。 我國(guó)是一個(gè)發(fā)展中國(guó)家，經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平相對(duì)落后 。 而面對(duì)我國(guó)口益嚴(yán)重的環(huán)境污 染，國(guó)家正加大力度來進(jìn)行污水的治理。而解決城市污水污染的根本措施是建設(shè)以生物處理為主體工藝的二級(jí)城市污水處理廠，但是，建設(shè)大批的二級(jí)城市污水處理廠需要大量的投資和高額運(yùn)行費(fèi)，這對(duì)我國(guó)來說是一個(gè)沉重的負(fù)擔(dān)。目前我國(guó)的污水處理廠建設(shè)工作，則因?yàn)橘Y金的缺乏很難開展，部分 已 建成的污水處理廠由于運(yùn)行費(fèi)用高昂或者缺乏專業(yè)的運(yùn)行管理人員等原因而一直不能正常運(yùn)行，因此我國(guó)的城市污水處理發(fā)展趨勢(shì)應(yīng)該圍繞以下兩個(gè)方面 ： 第一，未來的城市污水處理必須是高自動(dòng)化、高可靠性的?，F(xiàn)代污水處理廠 采用計(jì)算機(jī)控制口益普遍。應(yīng)用計(jì)算 機(jī)控制技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)污水處理工藝的半自 動(dòng)、全自動(dòng)監(jiān)控，提高污水處理廠的技術(shù)管理水平，合理使用和配置處理設(shè)施， 具有非?，F(xiàn)實(shí)的意義 。 第二，未來的城市污水處理必須滿足 “ 三低一高 ” 條件 ： 即基建投資低、運(yùn) 行成本低、管理要求低、處理效率高。大力發(fā)展小城鎮(zhèn)是我國(guó)城市化過程的必由 之路 ， 是具有中國(guó)特色的城市化道路的戰(zhàn)略性選擇。而對(duì)于小城鎮(zhèn)的污水處理又 面臨一系列的問題 ： 小城鎮(zhèn)污水的特點(diǎn)不同于大城市，小城鎮(zhèn)資金短缺 ； 運(yùn)行管 理人員缺乏 ； 技術(shù)力量薄弱等。因此 ， 小城鎮(zhèn)的污水處理廠應(yīng)該是基建投資低、運(yùn)行成本低、運(yùn)行管 理相對(duì)容易，處理效率高的工藝。對(duì)高效率、低投入、低運(yùn)行成本、成熟可靠的污水處理工藝的研究是今后的一個(gè)重點(diǎn)研究方向。 1. 3 污水處理廠的控制系統(tǒng)介紹 1. 3. 1常見污水處理廠控制系統(tǒng)介紹 上世紀(jì)九十年代之前，國(guó)內(nèi)的污水處理廠一般采用手動(dòng)控制或者小范圍的計(jì) 算機(jī)自動(dòng)控制。九十年代中期，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的突飛猛進(jìn)，污水處理廠的自動(dòng) 化程度也在不斷的提高， PLC、工控機(jī)等也逐漸在新建污水處理廠普及開來。特 別是最近幾年，新建成的污水處理廠一半以上采用了計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制技術(shù)。然 基于西門子 PLC技術(shù)的污水處理廠控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 4 而，由于資金不足、技術(shù)力量薄 弱等原因，還有很多中小型污水處理廠的自動(dòng)控 制水平還很低，導(dǎo)致系統(tǒng)運(yùn)行效果不夠穩(wěn)定 。 隨著自動(dòng)化水平的不斷提高及其在社會(huì)各個(gè)方面的應(yīng)用越來越廣泛，自動(dòng)化 系統(tǒng)在污水處理這一方面也發(fā)揮了其強(qiáng)大的優(yōu)勢(shì)。本文論述了城市污水處理廠自 動(dòng)化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式，以及網(wǎng)絡(luò)化數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)在處理廠自動(dòng)化監(jiān)控的基礎(chǔ)上， 實(shí)現(xiàn)處理廠全自動(dòng)化控制管理 。 未來的污水處理廠控制系統(tǒng)，應(yīng)是一個(gè)低運(yùn)行維護(hù)成本、高集成化、高度自 動(dòng)化的系統(tǒng)。是采用 “ 集中管理 ， 分散控制 ” 模式建立的經(jīng)濟(jì)、可靠的 現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)、過程控制和計(jì)算機(jī)管理一體化的系統(tǒng)。利用網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)信息資源的共享，達(dá)到 “ 現(xiàn)場(chǎng)無人值守，中控一人值班 ” 的目標(biāo)，甚至于通過現(xiàn)有的有線 /無線網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。污水處理自動(dòng)控制系統(tǒng)不僅要具有良好的安全性、可靠性和穩(wěn)定性等基本特點(diǎn)，還應(yīng)該具有系統(tǒng)操作與維護(hù)的方便性，并能在傳統(tǒng)的自動(dòng)化控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，加入以優(yōu)化處理效果和節(jié)省運(yùn)行費(fèi)用為目標(biāo)的優(yōu)化控制。 第二章 西門子 PLC及其 Prof i Bus現(xiàn)場(chǎng)總線 2. 1 西門子 PLC 2. 1. 1 PLC 簡(jiǎn)介 PLC 英文全名是 Programmable logic controller，即可編程邏輯控制器，指一種面向生產(chǎn)過程控制的數(shù)字電子裝置，包括邏輯運(yùn)算、順序控制、時(shí)序、計(jì)數(shù)以及算術(shù)運(yùn)算等程序。它用一串指令形式存放在存儲(chǔ)器中，然后根據(jù)存儲(chǔ)的控制內(nèi)容，經(jīng)過模擬、數(shù)字等輸入輸出部件，對(duì)生產(chǎn)設(shè)備與生產(chǎn)過程進(jìn)行控制。它具有控制能力強(qiáng)、操作方便靈活、價(jià)格便宜、可靠性高等持點(diǎn)。它不僅可以取代傳統(tǒng)的繼電器控制系統(tǒng)，還可方便的構(gòu)成復(fù)雜的工業(yè)過程控制網(wǎng)絡(luò)，是一種適應(yīng)現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展的新型控制器。 一套典型的 PLC 通常包括 CPU模塊、電源模塊和一些 I/0 模塊，這些模塊基于西門子 PLC技術(shù)的污水處理廠控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 5 安裝 在一塊背板上。有些配置還可能包括一個(gè)操作員面板、通信模塊以及一些可選的特殊功能模塊?？删幊踢壿嬁刂破鞑粌H容易安裝，占用空間小，能源消耗小， 大多帶有診斷指示器可以幫助故障診斷，而且可以被重復(fù)使用到其他的項(xiàng)目中 去。現(xiàn)在，盡管 PLC 的功能、數(shù)據(jù)處理能力己經(jīng)獲得了很大的提高，但 PLC 一直保持了最初設(shè)計(jì)的原則，那就是簡(jiǎn)單至上的原則。 2. 1. 1. 1 PLC 的發(fā)展 PLC 是 60年代末，隨著現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化水平的口益提高及微電子技術(shù)的飛速發(fā)展，而發(fā)展起來的，并在通用汽車公司的汽車生產(chǎn)線上首次應(yīng)用成功。隨著微電子技術(shù)的發(fā)展， 70年代中期出現(xiàn)了微處理器和微型計(jì)算機(jī)了，這使得可編程序邏輯控制器實(shí)現(xiàn)更大規(guī)模的集成化，從而使之工作更為可靠，更適應(yīng)工業(yè)環(huán)境，功能也大大加強(qiáng)了。隨著成本的大幅度下降，這種控制器逐漸進(jìn)入了實(shí)用階段，我國(guó)于 1974年開始研制， 1977年開始工業(yè)應(yīng)用。 1985年 1月，國(guó)際電工委員會(huì) (IEC)在頒布程序控制器標(biāo)準(zhǔn)草案第二稿時(shí)，將其進(jìn)一步定義為 ：“ 可編程序邏輯控制器 (PLC)是一種數(shù)字運(yùn)算操作的電子控制系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)，它采用可編程序的存貯器，在其內(nèi)部存貯執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、 定時(shí)、計(jì)數(shù)及算術(shù)運(yùn)算等操作的指令。并通過數(shù)字式或模擬式的輸入、輸出接口 來控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過程 ” 。 2. 1. 1. 2 PLC 分類 1. 按照 I/0 點(diǎn)數(shù)分類 PLC 的輸入、輸出點(diǎn)數(shù)表明 PLC 可以從外部接收多少個(gè)輸入量和向外部輸出多少個(gè)輸出量。 I/0 點(diǎn)數(shù) (總數(shù) )在 256點(diǎn)以下的稱為小型機(jī)，一般只有邏輯運(yùn) 算、定時(shí)、計(jì)數(shù)、移位等功能，適用于開關(guān)量的控制和簡(jiǎn)單的模擬控制。 I/0 點(diǎn) 數(shù)在 256點(diǎn)至 1024點(diǎn)之間的，稱為中型機(jī)，它除了具備邏輯運(yùn)算功能，還增加 了多路模擬量處理、算術(shù)運(yùn)算、數(shù)據(jù)傳送、數(shù)據(jù)通訊 等功能，可完成既有開關(guān) 量、又有模擬量的復(fù)雜控制。 I/0 點(diǎn)數(shù)在 1024點(diǎn)以上的稱為大型機(jī)，其功能更加完善，具有數(shù)據(jù)處理、模擬調(diào)節(jié)、聯(lián)網(wǎng)通訊、監(jiān)視、記錄、打印等功能，可以進(jìn)行中斷控制、智能控制、遠(yuǎn)程控制等，可用于大規(guī)模的過程控制，構(gòu)成分布式控制系統(tǒng)或整個(gè)工廠的集散系統(tǒng)。 基于西門子 PLC技術(shù)的污水處理廠控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 6 2. 根據(jù)結(jié)構(gòu)形狀分類 從結(jié)構(gòu)和形狀上看， PLC 可分為整體式和模塊式兩種。一般的小型機(jī)多為整 體式結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)的 PLC，其電源、 CPU、 I/0 部件等都集中配置在一起，有的甚至全部裝在一塊印刷電路扳上，結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、重量輕、價(jià)格低 、容易裝配在工業(yè)控制設(shè)備的內(nèi)部，比較適合于生產(chǎn)設(shè)備的單機(jī)控制。整體式 PLC 的缺點(diǎn)是主機(jī)的 I/0 點(diǎn)數(shù)固定，使用不夠靈活，維修也不方便。模塊式結(jié)構(gòu)的 PLC各部分以單獨(dú)的模塊分開設(shè)置，如電源模塊、 CPU模塊、輸入模塊、輸出模塊等。這種 PLC 通常由機(jī)架底板聯(lián)結(jié)各模塊 (也有的 PLC 為串行聯(lián)接，沒有底板 )，底板上有若干插座，使用時(shí)，各