【正文】 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。 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?，F(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。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。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。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 。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。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?，F(xiàn)代污水處理廠 采用計(jì)算機(jī)控制口益普遍。 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 。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%。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。我國(guó)不僅缺水，而且水 資源的現(xiàn)狀令人擔(dān)憂。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 。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。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。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。 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。 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)。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。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)。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。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。 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。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 。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。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)。 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)。 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。 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。 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。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 ” 。 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)。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。一般大中型 PLC 均采用這種結(jié)構(gòu)。 (2)控制系統(tǒng)構(gòu)成簡(jiǎn)單、通用性強(qiáng) 雖然 PLC 種類繁多 ，但由于其產(chǎn)品的系列化和模塊化，且軟件包齊全，用戶可靈活組成各種規(guī)模和要求不同的控制系統(tǒng)。 (3)抗干擾能力強(qiáng)、可靠性高 PLC 是專為工業(yè)控制設(shè)計(jì)的，能適應(yīng)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的惡劣環(huán)境。在硬件方面， PLC 采取的抗干擾措施主要是隔離和濾波技術(shù)。 (4)易于操作及維護(hù) PLC 的控制程序可通過其專用的編程器輸入到 PLC 的用戶程序存貯器中。 (5)設(shè)計(jì)、施工、調(diào)試周期短 用 PLC 完成一項(xiàng)控制工程時(shí)，由于其硬、軟件齊全，設(shè)計(jì)和施工可同時(shí)進(jìn) 行，由于用軟件編程取代了繼電器硬接線，實(shí)現(xiàn)控制功能，使得控制柜的設(shè)計(jì)及 安裝接線工作大為減少，縮短了施工周期。梯形圖語言比較形象、 直觀，對(duì)于熟悉繼電器表達(dá)方式的電氣技術(shù)人員來說，不需要學(xué)習(xí)更深的計(jì)算機(jī) 知識(shí)，極易被接受，因此在 PLC 編程語言中應(yīng)用最多。這種編程語言可使用簡(jiǎn)易編程器編程，編程設(shè)備簡(jiǎn)單、邏輯緊湊，連接范圍不受限制，但比較抽象，一般與梯形圖語言配合使用，互為補(bǔ)充。常用 “ 與 ” 、“ 或 ” 、“ 非 ” 等邏輯功能表達(dá)控制邏輯。對(duì)于在工廠中搞工藝的人來說，用這種方法編程，不 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) 9 需要很多的電氣知識(shí)，非常簡(jiǎn)單。西門子的 PLC 除了具有上述的五個(gè)特點(diǎn)之外，還具有如下的特點(diǎn)。 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) 10 西門子 PLC 的高度集成化，不僅表現(xiàn)在 I/0 的集成，還表現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)模塊的集成和功能的集成方面 :上面講到的 S7系列便是功能集成的例子，網(wǎng)絡(luò)模塊的集 成更 是常見，如非常常用的 3152DP， 3172DP。所以我認(rèn)為，要選擇 ProfiBus，一定要選擇 Siemens的 PLC。先采用物 理方法，然后再使用化學(xué)方法和生物法。 下圖是一個(gè)典型的城市污水處理廠處理工藝流程圖。另外， 調(diào)節(jié)池還可以起到臨時(shí)儲(chǔ)存事故排水的作用。 從污水中分離出密度較大的砂粒等顆粒的構(gòu)筑物叫做沉砂池，其沉淀特性屬 于自由沉淀。 初沉段由一座或者數(shù)座沉淀池組成。 活性污泥法的實(shí)質(zhì)是以存在于污水中的有機(jī)物作為培養(yǎng)基，向污水中投加活 性菌種并同時(shí)供氧曝氣，對(duì)各種微生物群體進(jìn)行混合連續(xù)培養(yǎng)，通過凝聚、吸 附、氧化、分解沉淀等過程去除水中的有機(jī)污染物。這個(gè)過程可以概括為 ： 短時(shí)間進(jìn)水一 曝氣反應(yīng)一 沉淀一 排水一 進(jìn)入下一個(gè)周期 。其工藝流程圖如圖 3. 6所示 ： 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) 14 圖 OA2? 污水處理工藝流程圖 3. 1. 4氧化溝污水處理工藝 氧化溝是普通活性污泥法的改型，在水力流態(tài)上不同于普通活性污泥法，是 一種首尾相連的循環(huán)流曝氣溝渠。 在粗格柵井后設(shè)置污水提升泵房一座，為濕式污水 泵房，面積 m? , 深度 9m，泵房?jī)?nèi)部設(shè)置 4套污水提升泵，流量 hm /4002 ，揚(yáng)程 44m。 柵前水深 1. lm。 污水經(jīng)過細(xì)格柵后，其中的雞毛、樹葉、紙片等小型的雜物被細(xì)格柵攔截。在計(jì)量渠設(shè)置有一套水質(zhì)水量檢測(cè)儀，可以將進(jìn)水的PH值、溫度、 COD， 懸浮物濃度、進(jìn)水流量等參數(shù)檢測(cè)和記錄。溝深 4. 7m，有效水深 4. 0米，外溝、中溝和內(nèi)溝之間互有 50mm的水位差，以便污水通過重力流動(dòng)。打開對(duì)應(yīng)的出水堰門， 即可向?qū)?yīng)的二次沉淀池注水。 流入二次沉淀池的污水和污泥經(jīng)過沉淀后，上層清液流入接觸消毒池，下層 污泥被吸泥機(jī)吸至污泥回流泵房。在回 流污泥泵房?jī)?nèi)設(shè)置回流污泥泵 4臺(tái)，每?jī)膳_(tái)對(duì)應(yīng) 1套氧化溝，運(yùn)行方 式為 1用 1 備。儲(chǔ)泥池負(fù)責(zé)接收剩余污 泥泵輸送來的剩余污泥，儲(chǔ)存到一定的量后，啟動(dòng)污泥處理設(shè)施進(jìn)行污泥處理。兩套細(xì)格柵的柵前柵后均設(shè)置 超聲波液位探測(cè)器，流程圖如圖 3. 9所示。 (3) 2h定時(shí)到，運(yùn)行 細(xì)格柵機(jī) 20min，循環(huán)進(jìn)行。 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) 20 圖 3. 11 污水提升泵工作流程圖 安塞縣污水處理廠設(shè)置旋流除砂機(jī)兩 套，砂水分離器一臺(tái)。當(dāng)檢測(cè)到最后一臺(tái)污水泵停機(jī)后，鼓風(fēng)機(jī)和電磁閥在 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) 21 延遲 5分鐘后關(guān)閉，旋流器在延遲 7分鐘后關(guān)閉，砂水分離器在延遲 10分鐘后 關(guān)閉 。曝氣時(shí)間 如下 式所示 ： X24T OA mL SS? （ 31） AT 1個(gè)周期的曝氣時(shí)間， h 1/m排出比。 (3)若液面處于最高位和最低位之間，啟動(dòng)污泥回流泵。 當(dāng)上述設(shè)備中的某一臺(tái)出現(xiàn)故障時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)停止除輸送機(jī)之外的所有設(shè)備 運(yùn)行，同時(shí)發(fā)送一條一級(jí)報(bào)警信息。 現(xiàn)場(chǎng)控制層包括工藝設(shè)備的現(xiàn)場(chǎng)控制箱、按扭箱，儀表設(shè)備的探頭、傳感器 和變送器，一體執(zhí)行設(shè)備等。從實(shí)時(shí) 控制角度來講，以太網(wǎng)有許多缺點(diǎn)，其中最主要的是以太網(wǎng)采用的 CSMA/CD協(xié)議是一種非確定性 (NonDeterminism)的通訊方式，網(wǎng)絡(luò)上的站點(diǎn)一起爭(zhēng)搶總線控 制權(quán)發(fā)送信息，這樣就無法保證一串重要信息，在確定的時(shí)間內(nèi)能送達(dá)到指定設(shè) 備。當(dāng)采用雙絞線 網(wǎng)絡(luò)時(shí)，網(wǎng)絡(luò)最大可擴(kuò)展 1400米，兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間的最大距離為 100米。在世界范基于西門子 PLC技術(shù)的污水處理廠控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 24 圍內(nèi)， 已 有多于 500家制造廠商能夠提供種類繁多的帶 ProfiBusDP 接口的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備。從圖中可以看出，現(xiàn)階段控制 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)選擇 ProfiBus現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)，能夠達(dá)到較高的性能價(jià)格比。支網(wǎng)采用 ProfiBus現(xiàn)場(chǎng)總線，傳輸介質(zhì)為 SIEMENS的 ProfiBusDP 專用電纜，傳輸速度 1. 5Mbps。 4. 3. 1. 2 2I/0站選型 2I/0 站負(fù)責(zé)水處理核心部分一氧化溝設(shè)備的信號(hào)采集和過程控制 。 設(shè)備實(shí)際需求 AI為 6通道， DI為 58通道， DO 為 20通道 ， 考慮約 20%的備 用通道后 ，結(jié)合實(shí)際的模板型號(hào) ， 選擇 AI模板 1塊， DI模塊 3塊， DO 為 2塊。 總計(jì)模板數(shù)量為 5塊，滿足機(jī)架對(duì)模板數(shù) =8的要求