【正文】 動化水平是非常關鍵的。 水資源的短缺 已 經(jīng)成為世界性的問 題，我國也同樣面臨水資源短缺的現(xiàn)實。在我國經(jīng)濟 快速增長，工業(yè)化和城市化進程口益加快的同 時，由于基礎設施建設的投資有限和管理不善 ， 加之認識所限，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。由此可見，我國的污水處理現(xiàn)狀并不理想，城市污水 處理率還很低。應用計算 機控制技術可以實現(xiàn)污水處理工藝的半自 動、全自動監(jiān)控，提高污水處理廠的技術管理水平，合理使用和配置處理設施， 具有非?，F(xiàn)實的意義 。特 別是最近幾年，新建成的污水處理廠一半以上采用了計算機自動控制技術。 第二章 西門子 PLC及其 Prof i Bus現(xiàn)場總線 2. 1 西門子 PLC 2. 1. 1 PLC 簡介 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，包括邏輯運算、順序控制、時序、計數(shù)以及算術運算等程序。 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)自動化水平的口益提高及微電子技術的飛速發(fā)展，而發(fā)展起來的，并在通用汽車公司的汽車生產(chǎn)線上首次應用成功。 I/0 點數(shù)在 1024點以上的稱為大型機，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，可以進行中斷控制、智能控制、遠程控制等，可用于大規(guī)模的過程控制，構成分布式控制系統(tǒng)或整個工廠的集散系統(tǒng)。一般大中型 PLC 均采用這種結構。 (3)抗干擾能力強、可靠性高 PLC 是專為工業(yè)控制設計的，能適應工業(yè)現(xiàn)場的惡劣環(huán)境。 (4)易于操作及維護 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。梯形圖語言比較形象、 直觀，對于熟悉繼電器表達方式的電氣技術人員來說，不需要學習更深的計算機 知識，極易被接受，因此在 PLC 編程語言中應用最多。常用 “ 與 ” 、“ 或 ” 、“ 非 ” 等邏輯功能表達控制邏輯。西門子的 PLC 除了具有上述的五個特點之外，還具有如下的特點。所以我認為，要選擇 ProfiBus，一定要選擇 Siemens的 PLC。 下圖是一個典型的城市污水處理廠處理工藝流程圖。 從污水中分離出密度較大的砂粒等顆粒的構筑物叫做沉砂池，其沉淀特性屬 于自由沉淀。 活性污泥法的實質(zhì)是以存在于污水中的有機物作為培養(yǎng)基，向污水中投加活 性菌種并同時供氧曝氣，對各種微生物群體進行混合連續(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污染物。其工藝流程圖如圖 3. 6所示 ： 基于西門子 PLC技術的污水處理廠控制系統(tǒng)設計與實現(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。 柵前水深 1. lm。在計量渠設置有一套水質(zhì)水量檢測儀，可以將進水的PH值、溫度、 COD， 懸浮物濃度、進水流量等參數(shù)檢測和記錄。打開對應的出水堰門， 即可向?qū)亩纬恋沓刈⑺?。在? 流污泥泵房內(nèi)設置回流污泥泵 4臺，每兩臺對應 1套氧化溝，運行方 式為 1用 1 備。兩套細格柵的柵前柵后均設置 超聲波液位探測器，流程圖如圖 3. 9所示。 基于西門子 PLC技術的污水處理廠控制系統(tǒng)設計與實現(xiàn) 20 圖 3. 11 污水提升泵工作流程圖 安塞縣污水處理廠設置旋流除砂機兩 套，砂水分離器一臺。曝氣時間 如下 式所示 ： X24T OA mL SS? （ 31） AT 1個周期的曝氣時間， h 1/m排出比。 當上述設備中的某一臺出現(xiàn)故障時，系統(tǒng)自動停止除輸送機之外的所有設備 運行，同時發(fā)送一條一級報警信息。從實時 控制角度來講，以太網(wǎng)有許多缺點，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)絡上的站點一起爭搶總線控 制權發(fā)送信息，這樣就無法保證一串重要信息，在確定的時間內(nèi)能送達到指定設 備。在世界范基于西門子 PLC技術的污水處理廠控制系統(tǒng)設計與實現(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)場設備。支網(wǎng)采用 ProfiBus現(xiàn)場總線，傳輸介質(zhì)為 SIEMENS的 ProfiBusDP 專用電纜，傳輸速度 1. 5Mbps。 設備實際需求 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 ，結合實際的模板型號 ， 選擇 AI模板 1塊， DI模塊 3塊， DO 為 2塊。 4. 3. 1. 6 PLC 主站選型 基于西門子 PLC技術的污水處理廠控制系統(tǒng)設計與實現(xiàn) 26 PLC 主站位于變配電間，負責讀取和寫入從站數(shù)據(jù)，并和遠程監(jiān)控層通訊。該軟件提供了在線和離線編程的功能，可以對 PLC 在線上載或下載。 (2)符號編輯器用于創(chuàng)建和管理所有的全局符號。 組態(tài) (Configuration)為模塊化任意組合。 (3) WniCC 還提供對 SIMATIC PLC 進行系統(tǒng)診斷的選項，給硬件維護提供了方便。 基于西門子 PLC技術的污水處理廠控制系統(tǒng)設計與實現(xiàn) 29 圖 5. 2 PLC 的程序設計 5. 2. 1符號表 系統(tǒng)程序中可能用到的數(shù)字量、模擬量，都要通過符號來表示，所以在程序 設計之前先創(chuàng)建符號表。FC3是二沉池等設各的控制功能塊 ：FC4是模擬量處理功能塊。當某一實時數(shù)據(jù)超過設定值或某一設備出現(xiàn)故障時 .進行報警，并做相應的處理，報警后將所需參數(shù)存入數(shù)據(jù)庫中，供口后查詢。 winCC 提供多種鏈接方式，如 c語言程序、標簽鏈接、動 態(tài)對話框、事件觸發(fā)等，最后 ，完成報表的設計以及報警變量的設計等， 此處不再詳述。整個研究涉及到環(huán) 境 工程、生物化學、自動控制、機械、電子技術、計算機技術、通信技術、網(wǎng)絡和 儀器儀表等眾多學科，是一個綜合性的研究領域。該控制系統(tǒng)設計和選型合理，自動化程度高，監(jiān)控界面操作簡 單方便，同時又節(jié)約國債資金。 ProfiBus為原有的自動化程度比較低的污水處理廠改造提供了一個可靠的方案 ，并為新污水處理廠的投資建設提供了一個低成本、穩(wěn)定可靠的選擇。所以當前的 情況 下將以太網(wǎng)和現(xiàn)場總線相結合，是完成項目的一個即經(jīng)濟又高效的方案。 6. 2 展望 目前現(xiàn)場總線技術受到了普遍關注，其優(yōu)越性是顯而易見的。監(jiān)控軟件對現(xiàn)場設備運行狀況的模擬，使操作員可以對現(xiàn)場主要設備的運行情況有比較清楚的了解。監(jiān)控上位機采用工控機對 PLC 數(shù)據(jù)進行記錄和監(jiān)控，并通過基于 TCP/IP 協(xié)議的光纖工業(yè)以太網(wǎng)實現(xiàn)系統(tǒng)的通訊。 基于西門子 PLC技術的污水處理廠控制系統(tǒng)設計與實現(xiàn) 33 圖 5. 4全局圖 圖 5. 5格柵系統(tǒng) 基于西門子 PLC技術的污水處理廠控制系統(tǒng)設計與實現(xiàn) 34 圖 5. 6水處理綜合廠房 圖 5. 7污泥處理系統(tǒng) 基于西門子 PLC技術的污水處理廠控制系統(tǒng)設計與實現(xiàn) 35 第六章總結與展望 6. 1 總結 可編程序控制器 (PLC)是 70年代以來發(fā)展起來的一種區(qū)別于工業(yè) PC 和單板 機的工業(yè)控制產(chǎn)品。 5. 3. 2軟件開發(fā) 利用 WinCC 實現(xiàn)項目開發(fā)，先要創(chuàng)建一個項目 :單擊【文件】【新建】，選 定單用戶項目 .輸入項目名稱，保存即可。用戶可方便地通過連接和參數(shù)設置實現(xiàn)簡單 PID控制，其參數(shù)可通過上位機設置和修改。塊是一些獨立的程序或者數(shù)據(jù)單元，在 Step7中主要有以下幾種類型的塊 ： 組織塊OB， 功能 FC 和功能塊 FB、系 統(tǒng)功能 SFC 和系統(tǒng)功能塊 SF背景共享數(shù)據(jù)塊DB。 圖 4. 2 WINCC 安裝界面 第五章污水處理廠自控系統(tǒng)實現(xiàn) 5. 1 PLC 的硬件組態(tài) 硬件組態(tài)是完成一個項目的第一步，硬件組態(tài)通過 Step7軟件進行。 (2)封裝性 ； 通用組態(tài)軟 件所能完成的功能都用一種方便用戶使用的方法包裝起來 ， 對于用戶，不需掌握太多的編程語言技術 (甚至不需要編程技術 )，就能很好地完成一個復雜工程所要求的絕大多數(shù)功能。使用這個工具生成的符號表是全局有效的，可供其他所有工具使用。常見的版本有 V5. 0 ， V5. 1， V5. 2和V5. 3，我選擇 V5. 2完成項目開發(fā)。 由于用 PLC 做主站，掛接 ProfiBusDP 從站，盡可能選擇集成 DP 接口的產(chǎn)品， 所以選擇了 3152AG10的緊湊型 CPU，該型 PLC 的 CUP 數(shù)字處理能力強，帶有內(nèi)部集成的 ProfiBusDP 接口，其特點是組態(tài)靈活、速度快、操作簡潔。 4. 3. 1. 4 4I/0站選型 4I/0 站放置于變配電室，負責低壓開關柜信號采集和過程控制 。 設備實際需求AI(模擬量輸入 )為 8通道， DI(數(shù)字量輸入 )為 73通道， D (J(數(shù)字量輸出 )為 24通道，考慮約 20%的備用通道后，結合實際的模板型號，選擇 AI模板 2塊， DI模板 3塊， DO 模板 2塊。傳輸介質(zhì)可以是雙絞線、光纜，可實現(xiàn)總線供電與本質(zhì)安全防爆。工業(yè)以太網(wǎng) 遵循的 IEEE 802. 3國際標準，是一種開放式的、多供應商、高性能區(qū)域和單元 級網(wǎng)絡。但是由于該項目為國債項 目，受投資額的限制，該項目首先是一個夠用、耐用、實用的自動控制系統(tǒng)。 (1)自動過程開始首先檢測液面高低，若低于最低位傳感器，啟動定時。 每套旋流除砂機包括旋流器、鼓風機和電磁閥各一臺。其工作過程包括以下幾個方面 ： (1)自動過程開始，啟動細格柵機，定時 20min。 在回流污泥管路和剩余污泥管路上均設置有電磁流量計，用來計量回流量和 出泥量。二次沉淀池采取周邊進水、周邊出水的圓形輻流式結構，每座二次沉淀池上安裝有中心傳動單管吸泥機一套。 1一次分配井 一次分配井為一圓形構筑物，在一次分配井內(nèi)設置兩套調(diào)節(jié)式手電兩用閘 ，每套閘門有一支管道和一套氧化溝相連，打開一次分配井閘門，可以向?qū)? 的氧化溝進水。 每套細格柵前后均設置手動插板閘門 1臺，以備設備檢修時用。工藝流程如圖 3. 8： 基于西門子 PLC技術的污水處理廠控制系統(tǒng)設計與實現(xiàn) 15 圖 3. 2. 2污水預處理段 安塞縣污水處理廠的預處理段分為粗格柵井、污水提升泵房、細格柵井和旋 流沉砂池四部分，可以有效的去除原水中含有的樹枝樹葉、塑料袋、果皮紙屑、 砂粒等雜物。普通的活性污泥法是連續(xù)運行的，而 SBR 污水處理工藝中的活性污泥法是間歇運行的，又稱為間歇式活性污泥法，其工藝 流程見圖 3. 5： 圖 SBR工藝流程圖 該工藝省去了二次沉淀池和調(diào)節(jié)池，曝氣池容積也小于連續(xù)式，基礎建設費 用和運行費用都較低，同時還可以完成脫氮除磷的功能，并且不需要污泥回 流。沉淀圖呈直線 ； 顆粒形 狀及大小密度等不會發(fā)生變化。 (污水預處理 ) 污水一級處理，一般可以分為四 :調(diào)節(jié)段、格