【文章內容簡介】 在手動狀態(tài)下，各類設備的控制是根據(jù)操作面板上的按鈕輸入來控制，無邏輯控制，即可不根據(jù)傳感器的狀態(tài)進行控制。在自動方式下進行閉環(huán)控制，系統(tǒng)根據(jù)檢測到外部傳感器的狀態(tài)對設備進行啟?？刂?，其工作過程如下。 (1）接通電源，啟動自動控制方式，啟動潛水攪拌器和刮泥機。 (2）運行粗、細格柵機，進行間歇運行，即運行一段時間然后停止一段時 間，循環(huán)進行。 (3）根據(jù)反饋回來的液位差狀態(tài)控制清污機的運行與停止。 (4）進水泵房中的潛水泵根據(jù)液面高低進行運行、停止及運行數(shù)量的控制。 湖南鐵路科技職業(yè)技術學院畢業(yè)設計 （論文） 13 (5）轉碟曝氣機根據(jù)溶解氧儀反饋的模擬量經(jīng) PLC 運算后進行控制，同時控制分離機的運行與停止。 (6）污泥回流泵的運行與停止根據(jù)液面的高低進行控制。 (7）在污泥脫水系統(tǒng)中，離心式脫水機的啟動采用順序控制方式，依次啟動其設備。 工業(yè)污水處理系統(tǒng)主電路設計 圖 33為工業(yè)污水處理系統(tǒng)的主電路圖的部分圖。三臺電機分別為潛水泵電機（ M1）、清污機電機（ M2）、轉碟 曝氣機電機（ M3）。接觸器 KM KM KM6分別控制 M M M3的工頻運行；接觸器 KM KM9 分別控制 M M3 的變頻運行； FR FR FR3 分別為三臺電機過載保護用的熱繼電器； QF主電路的空氣開關； FU1 為主電路的熔斷器。選用的 MM430 變頻器是用來控制電機 M M3變頻運行的。 圖 33工業(yè)污水處理系統(tǒng)部分主電路圖 湖南鐵路科技職業(yè)技術學院畢業(yè)設計 （論文） 14 PLC 選型 根據(jù)工業(yè)污水處理系統(tǒng)的電氣控制系統(tǒng)的功能要求，以及其復雜程度，從經(jīng)濟性、可靠性等方面來考慮，選擇西門子 S7— 200系列 PLC作為工業(yè)污水處理系統(tǒng) 的電氣控制系統(tǒng)的控制主機。由于工業(yè)污水處理電氣控制系統(tǒng)涉及較多的輸入輸出端口，其控制過程相對復雜，因此采用 CPU226 作為該控制系統(tǒng)的主機。 CPU226 在工業(yè)污水處理系統(tǒng)中使用的數(shù)字量輸入點和輸出點都比較多，因此除了 PLC 主機自帶的 I/O 外，還需要擴展一定數(shù)量的 I/O 擴展模塊。在此采用EM223 輸入 /輸出混合擴展模塊。 8點 DC輸入 8點輸出型。正好可以滿足控制系統(tǒng)的 I/O 需求。 在該系統(tǒng)中，還需要采集模擬量并利用模擬量控制的功能要求，因此需要在擴展一個模擬量輸入輸出擴展模塊。西門子公司專門為 S7— 200系列 PLC配置了模擬量輸入輸出模塊 EM235，該模塊具有較高的分辨率和較強的輸出驅動能力，可滿足控制系統(tǒng)的功能要求。 PLC 的 I/O 資源配置 根據(jù)系統(tǒng)的功能要求，對 PLC 的 I/O 進行配置，具體分配如下表。 數(shù)字量輸入部分 表 34 數(shù)字輸入量地址分配 輸入地址 輸入設備 輸入地址 輸入設備 急停 手動刮泥機啟動 手動方式 手動污泥回流泵啟動 自動方式 手動分離式脫水機啟動 自動啟動確認 手動污泥泵啟動 手動粗格柵機啟動 手動轉碟曝氣機加速 手動清污機啟動 手動轉碟曝氣機減少 手動潛水泵啟動 粗格柵液位差計 手動細格柵機啟動 細格柵液位差計 湖南鐵路科技職業(yè)技術學院畢業(yè)設計 （論文） 15 手動分離機啟動 進水泵房液面高位傳感器 手動轉碟曝氣機工頻啟動 進水泵房液面低位傳感器 手動轉碟曝氣機變頻啟動 污泥回流泵液面高位傳感器 手動潛水攪拌機啟動 污泥回流泵液面低位傳感器 數(shù) 字量輸出部分 表 35數(shù)字輸出量地址分配 輸出地址 輸出設備 輸出地址 輸出設備 粗格柵機接觸器 潛水攪拌機接觸器 清污機接觸器 刮泥機接觸器 潛水泵接觸器 污泥回流泵接觸器 細格柵機接觸器 離心式脫水機接觸器 分離機接觸器 潛水泵報警 轉碟曝氣機工頻接觸器 污泥回流泵報警 轉碟曝氣機變頻接觸器 模擬量輸入部分 由于需要采集一個溶氧儀所反饋的數(shù)據(jù)，因 此擴展了一個模擬量輸入輸出模塊，具體 I/O 分配，如下表 36 所示。 表 36 模擬量輸入地址分配 輸入地址 輸入設備 AIW0 溶解氧儀 模擬量輸出部分 在此控制系統(tǒng)中需要將采集回來的模擬量進行數(shù)據(jù)處理，然后，通過模擬輸出口對變頻器進行控制，進行控制其他設備的運行，如下表 37 所示。 表 37模擬量輸出地址分配 輸出地址 輸出設備 湖南鐵路科技職業(yè)技術學院畢業(yè)設計 （論文） 16 AQW0 經(jīng) PID 運算輸出 根據(jù)控制系統(tǒng)的功能要求，設計出工業(yè)污水處理控制系統(tǒng)的硬件連線圖如圖38 所示，此控制面板上的手動控制部分主要在調試系統(tǒng)時使用， 調試完成后基本處于閑置狀態(tài)。 圖 38工業(yè)污水處理系統(tǒng) PLC硬件接線圖 湖南鐵路科技職業(yè)技術學院畢業(yè)設計 （論文） 17 要完成系統(tǒng)的控制功能除了需要 PLC 主機及其擴展模塊之外，還需要各種傳感器、接觸器和變頻器等儀器設備。 4 軟件系統(tǒng)設計 采用西門子公司為 S7— 200 系列 PLC 開發(fā)的 STEP7— Micro/WIN32 作為編程軟件，上面介紹了工業(yè)污水處理控制系統(tǒng)的結構、工作原理和電氣控制部分的結構，硬件結構的總體設計基本完成后，就要開始軟件部分的設計，根據(jù)控制系統(tǒng)的控制要求和硬件部分的設計情況及 PLC 控制系統(tǒng) I/O 的分配情況，進行 軟件編程設計。在軟件的設計中，首先按照需要實現(xiàn)的功能要求做出流程框圖，其次按照不同功能編寫不同功能模塊，這樣寫出的程序條例清晰，既方便編寫，也便于調試。 根據(jù)系統(tǒng)的控制要求，控制過程可以分為手動控制功能和自動運行功能。在手動控制模式下，每個設備可以單獨運行，以測試設備的性能，如圖 41 所示。 圖 41模式選擇流程圖 手動模式 在手動模式下，可單獨調試每個設備的運行，如圖 52 所示。在此模式下，可以通過按鈕對格柵機、清污機、轉碟曝氣機、刮泥機，以及各類泵進行控 制，湖南鐵路科技職業(yè)技術學院畢業(yè)設計 （論文） 18 對于轉碟曝氣機的控制，可以通過按鈕增大或減小變頻器的頻率來改變其速度，以檢測調試性能。 圖 42手動操作模式流程圖 自動模式 處于自動方式時，系統(tǒng)上電后，按下自動啟動確認后系統(tǒng)運行，系統(tǒng)開始工作，其工作過程包括以下幾個方面。 （ 1）系統(tǒng)上電后，按下自動啟動確認按鈕，啟動潛水攪拌器和刮泥機。 （ 2）啟動粗格柵系統(tǒng)。 （ 3）啟動潛水泵。 （ 4）啟動細格柵系統(tǒng)。 （ 5）啟動曝氣沉砂系統(tǒng)。 （ 6）啟動污泥回流系統(tǒng)。 （ 7）啟動污泥脫水系統(tǒng)。 以上工作過程并不是順序控制方式，而是按照 PLC檢測到傳 感器狀態(tài)進行啟動如圖 43所示。 湖南鐵路科技職業(yè)技術學院畢業(yè)設計 （論文） 19 圖 43 自動操作模式流程圖 工業(yè)污水處理后的水質是否達到排放標準，其中生化需氧量（ BOD）和化學需氧量（ COD）是重要的水質指標。 BOD 是指在有氧條件下，降解有機物所需的氧量。 COD 是指在酸性條件下，用強氧化劑將有機物氧化成 CO H2O所消耗的氧量。 BOD 的測定需費時 5天，且測定結果易受多種因素影響，誤差較大。 COD 的檢測比較精確，但方法繁瑣，耗時約 2小時。雖然有 COD 濃度在線檢測儀可以在線檢測，但仍存在滯后（ 30 分鐘左右 ） ，測量結果嚴 重滯后于實際運行時間，不能及時反映實際情況。另外， COD檢測儀的價格也較昂貴，增加了控制系統(tǒng)的成本。所以有必要找出簡單、可行的控制參數(shù)。 在好氧反應過程中，參與工業(yè)污水處理的是以好氧菌為主體的微生物，決定其處理效果的關鍵因素是反應池中溶解氧的含量。為了使微生物的活動最佳化，應該使供氧量與消耗的氧量相等，或稍大一些。如果供氧量少，處理的水質和污泥的活化就要降低如果供氧量過多，污泥的沉降性差，處理水質也差，另外也不經(jīng)濟。由此可見，混合液中溶解氧濃度 (DO)是好氧反應中一個重要的控制參數(shù)。如果控制曝氣設備的最佳溶 解氧濃度，就能使處理水質優(yōu)化，也能節(jié)約動力費用，并且由于 DO的在線檢測簡單、可靠，因此把 DO 作為工業(yè)污水處理過程的控制參數(shù)。 氯氣投加消毒效果的好壞與原水 PH值、水溫、濁度和接觸時間有直接的關系。人工進行加氯量控制，不僅對操作工人不安全，而且投加量也難以準確控制。投加量少了，達不到殺菌消毒效果；投加量多了雖殺菌效果得到了保證，但水將呈氯臭味難以飲用，此外管道腐蝕將加劇，生產(chǎn)成本也上升。近年來，人工加氯逐漸被自動方式取代。 氯氣投加系統(tǒng)具有大慣性、大滯后的特點，其過渡過程和純滯后時間均較長 ，并且系統(tǒng)的干擾因素較多，對這樣一個系統(tǒng)，使用一般的 PID 調節(jié)很難滿足控制要求。為了精確控制投加的氯量，運用模糊自整定 PID參數(shù)控制器對氯氣投加系統(tǒng)進行自動控制。氯氣投加自動控制系統(tǒng)如圖 411 所示。 湖南鐵路科技職業(yè)技術學院畢業(yè)設計 （論文） 20 圖 411氯氣投加自控原理圖 在污泥脫水過程中為增加沉淀效果，使污水中懸浮顆粒能夠形成具有良好沉淀性能的絮凝體，達到泥水充分分離的處理效果，需進行絮凝劑投加。其控制過程主要是通過污泥濃度、污水流量、絮凝劑濃度等因素控制來完成的。其 PID調節(jié)的模糊控制過程與上述兩個非線性控制環(huán)節(jié)類似，具 有大時滯、非線性的特點。由于混凝過程的復雜性和多變性，混凝投藥的自動控制一直受到控制行業(yè)和污水行業(yè)專家的普遍關注。 PID 控制 對于工業(yè)控制過程 , 常規(guī)的 PID 控制器具有原理簡單、使用方便、穩(wěn)定可靠、無靜差等優(yōu)點，因此在控制理論和技術飛躍發(fā)展的今天，在工業(yè)控制領域仍具有強大的生命力。常規(guī)的 PID 控制器的描述如式（ ）所示： （ ） 其中各參數(shù)代表的意義是： Un：控制器的輸出 En：控制器偏差輸入 ECn： 系統(tǒng)誤差變化率 kp：比例增益 ki：積分增益 n i=0 U n=kpEn+ki∑ Ei+KdECn 湖南鐵路科技職業(yè)技術學院畢業(yè)設計 （論文） 21 kd：微分增益 比例增益 kp使控制器的輸入輸出成一一對應比例關系。一旦輸入輸出有偏差，比例作用會立即產(chǎn)生控制作用，比例控制是用來調節(jié)系統(tǒng)的靜態(tài)增益的，它是基于偏差進行調節(jié)的，是有差調節(jié)。為了盡量減小偏差，同時也為了加快系統(tǒng)的響應速度，縮短系統(tǒng)的調節(jié)時間，需要增大 kp值。但是因為 kp 值又受到系統(tǒng)穩(wěn)定性的限制，所以 kp 值不能任意的增大。積分作用 ki 是為了消除靜差而引入的。然而， ki 值的引入使得系統(tǒng)的響應的快速性下降，穩(wěn)定性變差。尤其在系統(tǒng)出現(xiàn)大偏差階段時，積分往往 使得系統(tǒng)的響應出現(xiàn)過大的超調，從而使調節(jié)時間變長。微分作用 kt的作用使之能夠根據(jù)偏差變化的趨勢作出反應，它加快了對偏差變化的反應速度，能夠有效地減小超調，縮小最大動態(tài)偏差。但是，同時又會使系統(tǒng)容易受到高頻干擾的影響。在實際的系統(tǒng)設計中只有合理地整定上述三個參數(shù)，才能獲得比較滿意的控制性能。在污水的自動控制中，混凝劑投加、氯氣投加和曝氣環(huán)節(jié)由于過程的復雜性、多變性、非線性和大滯后的特點，采用的 PID 控制算法難以實現(xiàn)準確和高效的控制。為此在常規(guī)的 PID控制基礎上，采用模糊推理的方法，對 PID 的控制參數(shù)進行在線自 整定，從而完善 PID 控制器的性能，使其適應控制系統(tǒng)的參數(shù)變化和工作條。 PLC 和變頻器通訊 （ 1） USS 通訊協(xié)議簡介 USS協(xié)議（ Universal Serial Interface Protocol 通用串行接口協(xié)議）是SIEMENS 公司所有傳動產(chǎn)品的通用通訊協(xié)議，它是一種基于串行總線進行數(shù)據(jù)通訊的協(xié)議。 USS協(xié)議是主 從結構的協(xié)議，規(guī)定了在 USS 總線上可以有一個主站和最多 30 個從站；總線上的每個從站都有一個站地址（在從站參數(shù)中設定），主站依靠它識別每個從站；每個從站也只對主站發(fā)來的報文做出 響應并回送報文，從站之間不能直接進行數(shù)據(jù)通訊。另外，還有一種廣播通訊方式，主站可以同時給所有從站發(fā)送報文，從站在接收到報文并做出相應的響應后可不回送報文。 在使用 USS 協(xié)議之前，需要先安裝西門子的指令庫。 USS 協(xié)議指令在STEP7— MICRO/WIN32指令樹的庫文件夾中， STEP7— MICRO/WIN32指令庫提供 14個子程序、 3個中斷程序和 8條指令來支持 USS協(xié)議。調用一條指令時，將會自動地增加一個或幾個子程序。 （ 2） USS 通訊協(xié)議庫 編程之前一定要將 USS 協(xié)議庫添加進去，編程軟件默認安裝沒有 USS協(xié)議 庫的。 湖南鐵路科技職業(yè)技術學院畢業(yè)設計 （論文） 22 USS_INIT 指令：當 EN輸入接通時，每一循環(huán)都執(zhí)行該指令。通過 Mode 輸入值可選擇不同的通訊協(xié)議：輸入值為 1，指定 Port 0 為 USS 協(xié)議并使能該協(xié)議；輸入值為 0，指定 Port 0 為 PPI 并且禁止 USS 協(xié)議。 Baud 設置波特率為 1200、 2400、 4800、 9600、 19200、 38400、 57600 或 115200。 Active 指示哪個