【正文】 ............................ 34 附 錄 ..................................................... 35 1 第 1章 緒 論 課題研究的目的和意義 課題背景 水是一切生物必不可少的資源之一。同時，由于污水過程的高度非線性、進(jìn)水流量等參數(shù)隨機變化很大以及生物傳感器的缺乏，使一些重要變量（例如生物需氧量和化學(xué)需氧量）還沒有成熟的經(jīng)濟(jì)的在線測量設(shè)備，這樣對污水處理的過程控制進(jìn)行研究就有著重要的意義。 本文 介紹了我國污水處理廠自動化控制系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢，及污水處理工藝流程，結(jié)合國情和污水處理廠實際，設(shè)計出污水處理自動化控制系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)。雖然我國水資源總量達(dá)年徑流12 m,? 居全球第六位。截止到 2021年，我國每年工業(yè)廢水和城市 污水合計排放量約達(dá) 600億 3m ， 使得大部分河流湖泊受到不同程度的污染 [1]。通過自動控制系統(tǒng)在一定程度上代替人的作用是具有效益和效果的方法，這在國外的許多工程實踐中已經(jīng)得到證實。自動控制系統(tǒng)可以減少能耗，最大限度地提高污水處理廠運行的可靠性。污水處理過程是非線性、大時變、大滯后、干擾嚴(yán)重 的復(fù)雜系統(tǒng)，設(shè)計 一套行之有效的 污水處理廠自動控制 系統(tǒng)，不僅具有重要的現(xiàn)實意義，而且具有重要的理論意義和推廣價值。這種控制方式由于投資少，主要在一些小型污水處理場合應(yīng)用。 近年來國內(nèi)引進(jìn)國外先進(jìn)技術(shù)應(yīng)用于污水廠的自動控制系統(tǒng)，已廣泛采用集散式監(jiān)控系統(tǒng)，應(yīng)用了自動化程度較高的檢測儀表，各種新工 藝、新設(shè)備也層出不窮并得到應(yīng)用，取得了較好的效果。 6． 儀器設(shè)備維護(hù)難度大 。由計算機和現(xiàn)場終端連接組成。借助網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，可以完成縱向和橫向通訊以及高層的管理機通訊，系統(tǒng)擴(kuò) 展方便。 該系統(tǒng)的特點是： （ 1） 可實現(xiàn)分級分布式控制，可實現(xiàn)“集中管理、分散控制 ，大大提高了系統(tǒng)的安全性。 FCS系統(tǒng)以分散的虛擬控制站代 替集中 的控制站，其基礎(chǔ)是數(shù)字智能現(xiàn)場裝置。 污水處理自動化系統(tǒng)發(fā)展趨勢 從我國目前運行的大多數(shù)污水廠來看，由上位機和現(xiàn)場 PLC控制單元組成的、兩個層次的集散式監(jiān)控系統(tǒng)具有很好的適應(yīng)性，為國內(nèi)污水處理自動化系統(tǒng)應(yīng)用的主要形式。因此，在自控系統(tǒng)設(shè)計時，應(yīng)積極地引入新的控制方法和控制設(shè)備。根據(jù)污水廠的要求，制定了工藝上可行的整體控制方案，以尋求最大程度上實現(xiàn)全部工藝的自動化。因此， 處理系統(tǒng)要有較好的脫氮除磷能力，以確保在去除有機物的同時去除氮磷污染。其工藝流程如圖 1所示 。 圖 21 污水處理工藝流程圖 本污水處理廠采用鐘式旋流沉砂池 ， 其主要作用是去除砂和其他較重物質(zhì)，主要是惰性無機物和有機物。 和污泥濃縮機房 其主要作用是對污泥進(jìn)行處理，包括對污泥的初步減容、將污泥中的有機物分解和脫水 (減少污泥量 )直至形成干餅運走?？諝庵械难跞苋牖旌弦海a(chǎn)生好氧代謝反應(yīng)， 且使 混合液得到足夠 的攪拌而呈懸浮狀態(tài)。 自 1914年英國曼徹斯特建成首家活性污泥處理試驗場以來，活性污泥法已經(jīng)有 90多年的歷史。 微生物在污水處理系統(tǒng)中的應(yīng)用 在我們生存的環(huán)境中，微生物無時不在，無處不有?；钚晕勰嗟奈⑸锶郝渲饕校杭賳伟鷮佟⒛鷮?、腸桿菌科細(xì)菌、氣單胞菌屬、不動桿菌屬、鏈球菌屬、 腸球菌屬、葡萄球菌屬、微球菌屬，其中前 5類菌屬占細(xì)菌總數(shù)的 79． 1％，不僅如此，它們還有自身的結(jié)構(gòu)和時空的變化。光合細(xì)菌屬自養(yǎng)微生物，在無氧條件下利用簡單有機物進(jìn)行光合作用，在黑暗厭氧條件下進(jìn)行發(fā)酵作用，在黑暗中微量好氧和好氧的條件下進(jìn)行氧化代謝。或者，現(xiàn)場總線是以單個分散的、數(shù)字化、智能化的測量和控制設(shè)備作為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，用總線連接，實現(xiàn)相互交換信息，共同完成自動控制功能的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)與控制系統(tǒng)。因此，一種總線，只要其總線協(xié)議一經(jīng)確立 ，相關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)與有關(guān)的設(shè)備也就被確定了。在 FCS中，工作站同時靠掛于現(xiàn)場總線和局域網(wǎng)兩層網(wǎng)絡(luò)，通過后者可以與其它計算機系統(tǒng)或網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行高速信息交換，以實現(xiàn)資源共享。在 FCS中采用雙向數(shù)字通訊，它將傳感測量、補償計算、工程量處理與控制等功能分散到現(xiàn)場設(shè)備中完成，僅靠現(xiàn)場設(shè)備即可完成自動控制的基本功能，并可隨時診斷設(shè)備的運行狀態(tài)。到 1996年 6月 30日， PROFIBUS被批準(zhǔn)為歐洲現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)的組成部分之一，即 EN ，從此 EN 代了 DlN 19245。總線循環(huán)時間必須比主站 PLC程序循環(huán)時間短。 6． DP主站和 DP從站間執(zhí)行循環(huán)用戶數(shù)據(jù)傳送，各 DP從站可動態(tài)激活，并可檢查組態(tài)；經(jīng)過擴(kuò)展的 PROFIBUSDP診斷能對故障進(jìn)行快速定位，診斷信息在總線上 傳輸并由主站采集。從站沒有總線控制權(quán)，它只能被動接收并確認(rèn)主站發(fā)出的信息，或在主站對其發(fā)出請求時，通過總線向主站發(fā)出 信息。同時，從各子站的智能設(shè)備的數(shù)量統(tǒng)計來看，完全滿足總線上最多可掛接 127個站點的要求。 PLC的 CPU選用 CPU3152DP，其自己集成了PROFIBUSDP總線的端口，利用這個口實現(xiàn)和遠(yuǎn)程的 3個 PLC通信。同時自動累積水泵運行時間，實現(xiàn)水泵的自動輪值，保證水泵總是處在最佳運行狀態(tài)。 回流污泥量的控制：采用比例控制以保證污泥混合液濃度在一定的范圍內(nèi)。 PLC 部分設(shè)計 STEP7介紹 STEP7是用于西門子 PLC的組態(tài)和編程的標(biāo)準(zhǔn)軟件包。STL使用戶能在程序中最好的使用時間和存儲區(qū)域，而且“更接近硬件”。在 S7用戶程序中可以使用如下幾種不同類型的塊： 1． 組織塊（ OB）：是操作系統(tǒng)和用戶程序的接口。用數(shù)據(jù)塊作為功能塊的存儲器。 5． 共享數(shù)據(jù)塊（ DB）：存儲的是全局?jǐn)?shù)據(jù)，所有的 FC、 FB和 OB都可以從共享數(shù)據(jù)塊中讀取數(shù)據(jù)，或?qū)?shù)據(jù)寫入 共享數(shù)據(jù)塊。用 CALL指令調(diào)用 FB和 SFB時 必須指定背景數(shù)據(jù)塊，靜態(tài)數(shù)據(jù)塊和臨時變量不能出現(xiàn)在調(diào)用指令中。 CPU315是 S7300的大腦，其裝載存儲器的基本容量為 48K字節(jié)或 80K字節(jié)，可用存儲卡擴(kuò)充 裝載存儲器，最大容量可達(dá)到 512KB。CPU315適用于要求高速處理和中等 I/O規(guī)模的任務(wù)，它可以裝載中等規(guī)模的程序，并具有中等的指令執(zhí)行速度。目前在市場上占主導(dǎo)地位的組態(tài)軟件包括美國Wonderware公司的 InTouch、美國 Intellution公司的 iFIX、德國西門子公司的WINCC、 北京亞控公司開發(fā)的“組態(tài)王”等。 4． 選擇合理的自動運行模式，使整個系統(tǒng)的運行處于安全穩(wěn)定的狀態(tài)，并能達(dá)到污水處理的工藝要求。 （ 1） 支持無限色和過渡色； （ 2） 圖庫“一次構(gòu)造，隨處使用”； （ 3） 多種形狀和效果的按鈕和多種格式的圖形； （ 4） 可視化動畫連接向?qū)?。全面支?OPC 標(biāo)準(zhǔn)，可作為 OPC 服務(wù)器，也可以作為 OPC客戶端，節(jié)省了不同廠商的控制系統(tǒng)相連的工作量和費用；并且組態(tài)王提供 SDK 開發(fā)包。完全基于網(wǎng)絡(luò)的概念，是一種真正的客戶 服務(wù)器模式， 27 支持分布式歷史數(shù)據(jù)庫和分布式報警系統(tǒng)，組態(tài)王的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)是一種柔性結(jié)構(gòu)，可以 將整個應(yīng)用程序分配給多個服務(wù)器。 具體監(jiān)控過程 的設(shè)計 圖 41 工藝流程主畫面 28 圖 42 粗隔柵 圖 43 鼓風(fēng)機房 29 圖 44 曝氣生化反應(yīng)池 圖 45 污泥濃縮機房 30 圖 46 報警畫面 圖 47 實時曲線 運行效果顯示，設(shè)計的上位機監(jiān)控軟件實現(xiàn)了良好的監(jiān)控效果，完成了預(yù)定的目標(biāo)。其中，實時數(shù)據(jù)庫是組態(tài)軟件的核心和引擎，歷史數(shù)據(jù)的存儲與檢索、報警處理與存儲、數(shù)據(jù)的運算與處理、數(shù)據(jù)庫冗余控制、 I/O 數(shù)據(jù)連接都是由實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)完成的。采用分級和分區(qū)保護(hù)的雙重保護(hù)策略；新增用戶組和安全區(qū)管理， 999 個不同界別的權(quán)限和 64 個安全區(qū)形成雙重保護(hù)。三個功能強大的控件，即數(shù)據(jù)表格控件、歷史曲線控件、 PID 調(diào)節(jié)控件。為用戶集中管理本機上的所有組態(tài)王工程。 2． 根據(jù)污水處理工藝和邏輯的要求 ，嚴(yán)格執(zhí)行設(shè)備開啟、停止、故障或緊急停機等功能。它是伴隨著集散型控制系統(tǒng)的出現(xiàn)而引入工業(yè)控制系統(tǒng)的。 OB，F(xiàn)B， FC， DB的容量均不大于 8KB。使得 S7300在各種工業(yè)控制過程實施各種控制任務(wù)時，成為一種即經(jīng)濟(jì)又切合實際的解決方案。與 SFB相比， SFC沒有存儲功能。在每次功能塊調(diào)用時都要分配一塊給這次調(diào)用，用于傳遞參數(shù)。 2． 功能塊（ FB）：屬于用戶自己編程的塊。通過在塊內(nèi)或塊之間類似子程序的調(diào)用，使用戶程序結(jié)構(gòu)化，可以簡化程序組織，使程序易于修改、查錯和調(diào)試。 STEP7提供了三種標(biāo)準(zhǔn)化的 PLC編程語言：梯形圖（ LAD）、語句表（ STL）和功能圖（ FBD）。通過監(jiān)控管 理系統(tǒng)和現(xiàn)場控制系統(tǒng)的操作屏，可以設(shè)定每天允許的運行次數(shù)及每 次運行的時間 。通過監(jiān)控管理系統(tǒng)和現(xiàn)場控制系統(tǒng)的操作屏，可以設(shè)定生物反應(yīng)池中的溶解氧值。 水泵自動控制：通過水位測量儀檢測水位值，當(dāng)水位升高時，控制水泵依次逐臺啟動，水泵的啟動順序 ， 按 照 水泵 的總運行時間從小到大 依次啟動 。 監(jiān)控管理層由兩臺監(jiān)控管理計算機、兩臺打印機、 HUB(多端口轉(zhuǎn)送器 )、光纖轉(zhuǎn)換器 組成，兩臺監(jiān)控管理計算機互為熱備?，F(xiàn)場控制層采用現(xiàn)場總線結(jié)構(gòu)。 PROFIBUS可以采用總線型、樹型、星型等網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌偩€上最多可掛接 127個站點。 4． 運行模式有運行、清除、停止。它用于分散外設(shè)間的高速數(shù)據(jù)傳輸 (最大傳輸速率為 12 Mbps)，經(jīng)過優(yōu)化的高速、廉價的傳輸形式適用于自動控制系統(tǒng)與現(xiàn)場設(shè)備之間的實時通信，它采用 RS一 485傳輸。其后， 15 一些自愿在其產(chǎn)品中使用該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的企業(yè)于 1989年 12月聯(lián)合成立了PROFIBUS用戶組織 (簡稱 PNO)。不同生產(chǎn) 廠家的性能類似的設(shè)備可進(jìn)行互換而實現(xiàn)互用。 [67] 其主要特點如下： 1． 系統(tǒng)的開放性。對于各類總線而言，其核心是各類“總線協(xié)議 ，而這些協(xié)議的本質(zhì)就是標(biāo)準(zhǔn)。國際電工委員會 IEC61158標(biāo)準(zhǔn)將其定義為“安裝在制造和過程區(qū)域的現(xiàn)場裝置與控制室內(nèi)的自動控制裝置之間的數(shù)字式、串行、多點通信的數(shù)據(jù)總線”。通過發(fā)酵工藝將上述好氣性微生物和嫌氣性微生物按一定的比例加以混合，通過相互共生、增殖關(guān)系形成一個成分復(fù)雜、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、功能廣泛的具有多種多樣細(xì)菌的微生物群落。 1． 傳統(tǒng)的生物脫氮除磷方法中的微生物群落 活性污泥法的污水處理工藝和技術(shù)被世界各國廣泛采用，并且相關(guān)的技術(shù)研究不斷有新的成果報道。此 過程在污泥活化池里進(jìn)行，能耗遠(yuǎn)低于二級生物 氧化反應(yīng)。活性污泥除了有氧化和分解有機物的能力外， 還要有良好的凝聚和沉降性能，以使活性污泥能從混合液中分離出 來， 得到澄清的 出 水。廢水和回流的活性污泥一 起進(jìn)人曝氣池形成混合 液。 其作用機理是 在基質(zhì)濃度高時菌膠團(tuán)的基質(zhì)利用速率要高于絲狀菌，利用基質(zhì)推動力選擇性的培養(yǎng)菌膠團(tuán)細(xì)菌而限制絲狀菌的增長 ，通過選擇器對微生物進(jìn)行選擇性培養(yǎng)以防止污泥膨脹的發(fā)生 ，提高各污染物的去除率。細(xì)格柵進(jìn)一步去除污水 中的細(xì)小懸浮物及細(xì)小纖維，降低生物處理負(fù)荷。所以污水處理工藝采用 活性污泥法， 具體處理工藝為 生物 處理池 、普曝法氧化溝 法。廢水的排放不均勻，水質(zhì)、水量的波動較大，處理系統(tǒng)要有一定的可調(diào)性和抗沖擊負(fù)荷的能力。 第 2章對工業(yè)污水處理流程的整個工藝流程進(jìn)行詳盡的介紹和分析。 2． 污水處理工藝發(fā)展很快，一些復(fù)雜高效工藝的出現(xiàn)，使自控系統(tǒng)從固定程序向智能化發(fā)展。工業(yè)自動化系統(tǒng)的完全數(shù)字化、并進(jìn)一步采用某種標(biāo)準(zhǔn)，是實施現(xiàn)場總線技術(shù)的基礎(chǔ)。 4． 工業(yè)現(xiàn)場總線控制系統(tǒng) 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng) FCS(Fieldbus Control System)是由 DCS與 PLC發(fā)展而來的，是基于現(xiàn)場總線的自動控制系統(tǒng)，即以現(xiàn)場總線作為工廠底層 網(wǎng)絡(luò)，通過網(wǎng)絡(luò)集成而構(gòu)成的自動控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，按照公開、規(guī)范的通訊協(xié)議在智能設(shè)備之間、智能設(shè)備與遠(yuǎn)程計算機之間實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸和信息交換，從而實現(xiàn)控制與管理一體化的綜合自動控制系統(tǒng)。系統(tǒng)穩(wěn)定性能好，開發(fā)、維護(hù)、操作簡便。 （ 2） 在物理上實現(xiàn)了真正的分散控制，使系統(tǒng)的危險性分散，可靠性提高。但是系統(tǒng)實時性較差，無法實現(xiàn)大規(guī)模和復(fù)雜的控制功能。 4． 污水處理自動控制系統(tǒng)中所采用的一些自動化檢測設(shè)備、儀表、閥門的功能和精度目前還不夠完善，在實際應(yīng)用中達(dá)不到預(yù)期的效果，誤差很大，因此，如果單純依靠這些檢測設(shè)備來判斷污水處理情況并實施自動控制，往往很難達(dá)到處理水質(zhì)達(dá)標(biāo)排放和節(jié)約能源的目的。上、下位機之間通過網(wǎng)絡(luò)傳送采集參數(shù)和遠(yuǎn)程控制參數(shù)。 目前，國內(nèi)污水處理的控制水平基本分為三個大的檔次 [3]。 3． 設(shè)計 自動控制 系統(tǒng)的現(xiàn)實意義，根據(jù)國外的污水處理 經(jīng)驗，自動控制在污水處理廠穩(wěn)定優(yōu)化運行中的作用 日益顯著。 因此，本課題的研究是非常必要的，具有以下現(xiàn)實意義： 1． 污水處理過程工藝復(fù)雜，具有連續(xù)生產(chǎn)、參數(shù)檢測困難、干擾多等特點，污水處理自動控制系統(tǒng) ， 可以根據(jù) “ 水處理的工藝要求 ”， 實現(xiàn)污水處理設(shè)備的自動控制。