【文章內(nèi)容簡介】 ，如 1~5V， 4~20mA 等，因此需要將現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際參數(shù)進(jìn)行處理。變送器則是將非標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào)轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào)的儀器。 變送器種類很多 ， 總體來說就是由變送器發(fā)出一種信號(hào)來給二次儀表使二次儀表顯示測(cè)量數(shù)據(jù) ，它把傳感器采集到的微弱的電信號(hào)放大以便轉(zhuǎn)送或啟動(dòng)控制元件，或?qū)鞲衅鬏斎氲姆请娏哭D(zhuǎn)換成電信號(hào)同時(shí)放大以便供遠(yuǎn)方測(cè)量和控制的信號(hào)源，根據(jù)需要還可將模擬量 變換為數(shù)字量。 一般分為溫度變送器，壓力變送器，液位變送器等 [7]。 可編程邏輯控制器按結(jié)構(gòu)分為整體型 和模塊型兩類，按應(yīng)用環(huán)境分為現(xiàn)場(chǎng)安裝和控制室安裝兩類；按 CPU 字長分為 1 位、 4 位、 8 位、 16 位、 32 位、 64 位等。從應(yīng)用角度出發(fā)，通?？砂纯刂乒δ芑蜉斎胼敵鳇c(diǎn)數(shù)選型 。 整體型可編程邏輯控制器的 I/O 點(diǎn)數(shù)固定，因此用戶選擇的余地較小，用于小型控制系統(tǒng)；模塊型可編程邏輯控制器提供多種 I/O 卡件或插卡，因此用戶可較合理地選擇和配置控制系統(tǒng)的 I/O 點(diǎn)數(shù)，功能擴(kuò)展方便靈活，一般用于大中型控制系統(tǒng)。 可編程控制器 PLC 作為一種多功能智能化的綜合控制器 ,具有通用性好、可靠性高、編程簡單、擴(kuò)展方便、安裝靈活和故障率低等諸多特 點(diǎn) ,在工業(yè)控制領(lǐng)域得到越來越廣泛的應(yīng)用 [8]。 第一章緒論 4 STEP 7 和 WinCC 軟件簡介 STEP 7 是支持西門子 SIMATIC PLC 和編程的標(biāo)準(zhǔn)軟件包，它不僅從不同層次充分支持合理的程序結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，而且也簡化了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的復(fù)雜程度。 對(duì)于一般系統(tǒng)， STEP 7 軟件使用前我們需對(duì)程序結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，然后在 STEP 7 中確定相關(guān)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，之后在程序和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上進(jìn)行編程，最終進(jìn)行程序調(diào)試。 STEP 7 軟件的使用包括：授權(quán)安裝、項(xiàng)目創(chuàng)建、硬件組態(tài)、網(wǎng)絡(luò)設(shè)置、程序設(shè)計(jì)、調(diào)試下載以及診斷和運(yùn)行等步驟 [9]。 STEP 7 常見編程語言有 LAD（梯形圖）、 STL（語句表）等 ,在程序結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，根據(jù)程序要求，可選擇組織塊（ OB）、功能塊（ FB）或功能（ FC）等三種類型的邏輯塊，而數(shù)據(jù)塊 DB 則用來存儲(chǔ)執(zhí)行用戶程序所需的數(shù)據(jù)。 項(xiàng)目中常用組織塊有 OB OB3 OB100。 OB1 為主程序循環(huán)，是重要的組織塊，當(dāng) OB1 運(yùn)行后，操作系統(tǒng)將過程映像輸出寄存器寫到外設(shè)模塊中，即 OB1 是程序在硬件電路上運(yùn)行的軟件接口。利用 OB35 可以控制程序的執(zhí)行和中斷周期。 OB100 為啟動(dòng)模塊，即當(dāng) CPU 從 STOP 到 RUN 狀態(tài)時(shí)啟動(dòng)，利用 OB100 可 以對(duì)一些參數(shù)和操作進(jìn)行開機(jī)初始化設(shè)定 [10]。 PLC 常用功能編程模塊包括 FB、 FC。 FB 是一種“帶記憶”的邏輯功能塊， FC 則是普通編程邏輯功能塊，系統(tǒng)在調(diào)用 FB 模塊時(shí)將給 FB 分配相應(yīng)背景 DB 數(shù)據(jù)塊。 WinCC（ Windows Control Center）是 HMI/SCADA 人機(jī)操作軟件中的一種，是基于Microsoft Windows 2020/XP 操作系統(tǒng)的組態(tài)軟件， 是第一個(gè)使用最新的 32 位技術(shù)的過程監(jiān)視系統(tǒng)，具有良好的開放性和靈活性。 WinCC 是一個(gè)真正開放的，面向監(jiān)控與數(shù)據(jù)采集的 SCADA（ Supervisory Control and Data Acquisition）軟件，可在任何標(biāo)準(zhǔn) PC 上運(yùn)行。WinCC 操作簡單，系統(tǒng)可靠性高，與 STEP 7 功能集成，可直接進(jìn)入 PLC 的硬件故障系統(tǒng)，節(jié)省項(xiàng)目開發(fā)時(shí)間。 WinCC 在數(shù)據(jù)處理、通訊、監(jiān)控界面設(shè)計(jì)、編程語言等方面給用戶提供了簡單、方便的使用功能 [11]。 對(duì)于一個(gè)簡單項(xiàng)目， WinCC 軟件使用步驟為： ； ； 訊驅(qū)動(dòng)； ； ； 。對(duì)于復(fù)雜的項(xiàng)目設(shè)計(jì)，一般要用到用戶歸檔、腳本編 程、 SQL 數(shù)據(jù)庫等軟件功能塊。 在工業(yè)控制中，西門子 S7 PLC 一般與 WinCC 相結(jié)合，現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)和控制信號(hào)經(jīng) PLC運(yùn)算處理后，可以利用 WinCC 進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)控，這樣既方便工作人員遠(yuǎn)程操作又可以較好的掌握現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行情況。 南京工業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 5 本文的主要工作 1）熟悉污水處理的工藝過程，分析污水處理系統(tǒng)的各項(xiàng)功能需求，了解污水處理系統(tǒng)相關(guān)各類儀表參數(shù)指標(biāo)，設(shè)計(jì)出合理的污水處理系統(tǒng)自動(dòng)控制方案； 2）熟悉 西門子 plc 的基本結(jié)構(gòu)和工作原理，并對(duì)污水處理控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)分析 ； 3）完成污水處理系統(tǒng)的硬件方面，對(duì) PLC 進(jìn)行選型，分配 I/O 接口 ； 4）練習(xí) STEP7 編程軟件以及 WINCC 組態(tài)軟件的使用，完成污水處理系統(tǒng)軟件方面的組態(tài)與編程。 5） 完成現(xiàn)場(chǎng)污水處理系統(tǒng)的軟 /硬件安裝、調(diào)試與運(yùn)行，使裝置及控制過程正常運(yùn)行 。 第二章 污水處理站工藝簡介 6 第二章 污水處理站工藝 簡介 主要污水處理 設(shè)備 本污水處理系統(tǒng)主要由 格柵井 、 調(diào)節(jié)池 、 厭 氧池 、 好氧池 、 二沉池 、 污泥池 、 中間水池 、 陶瓷膜過濾設(shè)備、清洗罐、清液罐 等組成。 工藝流程及主要內(nèi)容 本廢水處理系統(tǒng)主要分為兩大處理單元， A/O 生物接觸氧化 和后續(xù)陶瓷膜深度處理，處理后的水可以達(dá)標(biāo)回用。 主要處理流程如下： 生活污 水及生產(chǎn)廢水采用直接自流進(jìn)入排水管網(wǎng)，污水經(jīng)管網(wǎng)集流后自流經(jīng)格柵 [12]除去水中的粗大懸浮物，然后由自流的方式進(jìn)入調(diào)節(jié)池進(jìn)行均合水質(zhì)、水量調(diào)節(jié)。調(diào)節(jié)池采用 全 地下室鋼筋混凝土池 ，有效水力停留時(shí)間為 8～ 10 小時(shí)。 調(diào)節(jié)池的廢水 由潛污水泵提升至污 水處理系統(tǒng) （活性污泥法 [13]） ，該系統(tǒng) 由 厭 氧池、好氧池、沉淀池、 中間水池、 污泥池等部分組成。 在 厭 氧池中，廢水中大分子有機(jī)物水解成小分子有機(jī)物，從而降低了好氧池處理負(fù)荷，廢水中 BOD5 和 CODcr 會(huì)有一定下降，含氮有機(jī)物也會(huì)由于細(xì)胞的合成而有一些去除，但NH3－ N 含量 沒有變化， P 的含量因細(xì)胞釋放而上升。 好氧池為本污水處理的核心部分，分二段，第一段在較高的有機(jī)負(fù)荷下，通過附著于填料上的大量不同種類 的微生物群落共同參與下的生化降解和吸附作 用，去除污水中的各種有機(jī)物質(zhì)，使污水中的有機(jī)物含量大幅度降低。第二 段 是 在有機(jī)負(fù)荷較低的情況下，通過硝化菌的作用，在氧量充足的條件下降解污水中的氨氮，同時(shí)也使污水中的 COD 值降低到更低的水平，使污水得以凈化。 好氧池中的污水排放到二沉池，一部分污泥通過污泥提升泵送到 厭 氧池中作反應(yīng)物，一部分排放到污泥池中。污水送到中間水池中進(jìn)行后續(xù)陶瓷膜深度 處理。 陶瓷膜系統(tǒng)中采用循環(huán)泵來節(jié)約能源，經(jīng)陶瓷膜系統(tǒng)處理后的達(dá)標(biāo)清水一部分送入清洗罐用于清洗陶瓷膜系統(tǒng)，另外一部分送入清液罐，然后輸送到各個(gè)使用點(diǎn)。 清洗陶瓷膜系統(tǒng)時(shí)，使用清洗罐中的水，清洗后的水送到廢水池再做處理。 清洗順序： 停機(jī) 、 排渣 、 漂洗 、 排渣 、 堿洗 、 排渣 、 漂洗 、 排渣 。 南京工業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 7 污水處理流程 污水 處理工藝部分 圖 21 污水處理工藝 [14] 陶瓷膜清洗工藝 部分 圖 22 陶瓷膜清洗工藝第三章 污水處理站的控制方案設(shè)計(jì) 8 第三章 污水處理 站的控制方案設(shè)計(jì) 系統(tǒng)控制方式 污水處理 站 采用三級(jí)控制方式，即現(xiàn) 場(chǎng)控制方式、 MCC 控制方式 （電動(dòng)機(jī)控制 中心）和微機(jī)控制方式 [15]。目前 ，以 MCC 控制為基礎(chǔ)， PLC 控制為主導(dǎo)的控制方式始終處于工業(yè)自動(dòng)化控制領(lǐng)域的主戰(zhàn)場(chǎng)，為各種各樣的自動(dòng)化控制設(shè)備提供了非?？煽康目刂茟?yīng)用。其 主要原因，在于它能夠?yàn)樽詣?dòng)化控制應(yīng)用提供安全可靠和比較完善的解決方案，適合于當(dāng)前污水處理站對(duì)自動(dòng)化的需要 [16]。 1）手動(dòng)控制：優(yōu)先級(jí)最高，當(dāng)工藝設(shè)備或其就地按鈕箱的“ 手動(dòng) / 自動(dòng)”轉(zhuǎn)換開關(guān)處于“ 手動(dòng)”時(shí)， PLC 的控制被屏蔽，工藝設(shè)備可在就地按鈕箱或 MCC 上實(shí)現(xiàn)開、停等人工操作。當(dāng)工藝設(shè)備或 其就地按鈕箱上的“ 手動(dòng) / 自動(dòng)”轉(zhuǎn)換開關(guān)處于“ 自動(dòng)”時(shí)，設(shè)備的全部控制過程由 PLC 完成。 2） PLC 自動(dòng)控制：利用 PLC 的邏輯控制功能，提供工藝設(shè)備的自動(dòng)及關(guān)聯(lián)設(shè)備的聯(lián)動(dòng)、連鎖控制及閉環(huán)控制，各分站管轄區(qū)域的設(shè)備以這種控制方式為主。 3）中控室遠(yuǎn)程控制：中控室通過人機(jī)操作界面，對(duì)全廠的設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，實(shí)現(xiàn)宏觀調(diào)控，處理局部的停機(jī)事故和緊急狀態(tài)，維持系統(tǒng)的總體協(xié)調(diào) [17]。 主要污水處理裝置的控制方式 格柵 井 、 調(diào)節(jié)池、提升泵 的設(shè)備控制 格柵井、調(diào)節(jié)池、提升泵 的控制分為現(xiàn)場(chǎng)控制和遠(yuǎn) 程控制兩種模式。遠(yuǎn)程控制模式由PLC 和上位機(jī)實(shí)現(xiàn)，它包括微機(jī)手動(dòng)和微機(jī)自動(dòng)，而微機(jī)自動(dòng)控制方式為： 設(shè)計(jì)一個(gè)單回路控制，通過現(xiàn)場(chǎng)液位變送器（ LT101） 檢測(cè)調(diào)節(jié)池的液位，當(dāng)調(diào)節(jié)池液位高于設(shè)定控制上限時(shí)，提升泵起動(dòng)，將污水排入缺氧池，當(dāng)調(diào)節(jié)池液位低于設(shè)定控制低限時(shí)，提升泵停止。 南京工業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 9 圖 31 調(diào)節(jié)池液位單回路控制 厭 氧池、好氧池、二沉池、 污泥 池 和鼓風(fēng)機(jī)房的設(shè)備控制 厭 氧池潛水?dāng)嚢杵?、好氧池回流泵、污泥提升泵都?由微機(jī) 手動(dòng) 通過 PLC 控制。 污水在池中通過微生物的凈化作用達(dá)到去除有機(jī)物的目的。因微生物為好 氧菌，如供氧量過少會(huì)造成細(xì)菌大量死亡，不利于微生物的生長，之間會(huì)影響處理效果，但供氧量過大，不僅使耗能增高，增大運(yùn)行費(fèi)用，而且會(huì)形成小而重的易沉淀物，使水質(zhì)惡化。因此，控制水中的氧中的氧的含量是污水處理過程中比較關(guān)鍵的任務(wù)之一 [18]。 PLC 檢測(cè) 厭 氧池、好癢池在 線溶氧儀的值傳送上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，實(shí)時(shí)掌握厭氧段與好氧段等狀況，及時(shí)調(diào)整工藝控制 [19]。 中間水池、陶瓷膜設(shè)備、清液罐的控制 中間水池、 供料泵、陶瓷膜、循環(huán)泵的控制分為 現(xiàn)場(chǎng)控制和遠(yuǎn)程控制兩種模式。遠(yuǎn)程控制模式由 PLC 和上位機(jī)實(shí)現(xiàn)，它包括 微機(jī)手動(dòng)和微機(jī)自動(dòng)，而微機(jī)自動(dòng)控制方式為： （ 1） 點(diǎn)擊操作界面“過濾”按鈕 ，設(shè)備自動(dòng)打開相應(yīng)的閥門，起動(dòng)供料泵、循環(huán)泵，在運(yùn)行的過程中，監(jiān)測(cè)中間水池液位 (LT103)，設(shè)備壓力（ PT102， PT104），濃液側(cè)流量（ FT101），清液側(cè)流量（ FT102）。當(dāng)中間水池液位低于設(shè)定控制低限時(shí)或設(shè)備壓力（ PT102）大于設(shè)定控制高限，系統(tǒng)自動(dòng)停機(jī)；設(shè)備壓力（ PT104）可根 據(jù)調(diào)節(jié)氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥 的開度來第三章 污水處理站的控制方案設(shè)計(jì) 10 實(shí)現(xiàn)控制。 點(diǎn)擊操作界面“ 停止 ”按鈕 ，則設(shè)備停止過濾。如圖 32 所示。 （ 2） 點(diǎn)擊操作界面“ 清洗 ”按鈕 ，設(shè)備自動(dòng)打開 相應(yīng)的閥門，起動(dòng)清洗泵、循環(huán)泵，在運(yùn)行的過程中，監(jiān)測(cè)清洗罐液位 (LT102)，設(shè)備壓力（ PT102， PT104），濃液側(cè)流量（ FT101），清液側(cè)流量（ FT102）。當(dāng)清洗罐液位低于設(shè)定控制低限時(shí)或設(shè)備壓力（ PT102）大于設(shè)定控制高限，系統(tǒng)自動(dòng)停機(jī)；設(shè)備壓力（ PT104）可根 據(jù)調(diào)節(jié)氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥 的開度來實(shí)現(xiàn)控制。點(diǎn)擊操作界面“ 停止 ”按鈕 ，則設(shè)備停止清洗。如圖 33 所示。 （ 3） 點(diǎn)擊操作界面“ 排污 ”按鈕 ，設(shè)備自動(dòng)打開相應(yīng)的閥門，開始排污。當(dāng)達(dá)到設(shè)定的排污時(shí)間，或者點(diǎn)擊 “ 停止 ”按鈕 ，則設(shè)備停止排污。如圖 34 所示。 開始過濾檢查中間水池液位是否滿足NY打開過濾所需閥門運(yùn)行供料泵起動(dòng)循環(huán)泵正常過濾NY停止過濾停止供料泵停止循環(huán)泵回監(jiān)控主程序關(guān)閉過濾所需閥門NY 圖 32 過濾 程序 流程圖 南京工業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 11 開始清洗檢查清洗罐液位是否滿足NY打開清洗所需閥門運(yùn)行清洗起動(dòng)循環(huán)泵正常清洗NY停止清洗停止清洗泵停止循環(huán)泵回監(jiān)控主程序關(guān)閉清洗所需閥門NY 圖 33 清洗 程序 流程圖 開始排污打開濃液側(cè)排污相關(guān)閥門打開清液側(cè)達(dá)到系統(tǒng)設(shè)定的NY濃液排污時(shí)間關(guān)閉排污相關(guān)的所有閥門達(dá)到操作界面設(shè)定的排污時(shí)間排污相關(guān)閥門手動(dòng)停止排污 圖 34 排污 程序 流程圖 第三章 污水處理站的控制方案設(shè)計(jì) 12 清洗罐的溫度控制 本處理站中，加入了陶瓷膜設(shè)備來進(jìn)行水處理，陶瓷膜設(shè)備是需要定期清洗的，所以，這就涉及到了清洗液的溫度控制。清洗液是在清洗罐中進(jìn)行加熱的， 因此，設(shè)計(jì)一個(gè)串級(jí)回路控制電加熱系統(tǒng)來進(jìn)行溫度的調(diào)節(jié)。串級(jí)回路中，主環(huán)為出 口液體溫度調(diào)節(jié)，副環(huán)為罐內(nèi)液體溫度調(diào)節(jié)。 圖 35 清洗罐串級(jí)控制回路 陶瓷膜設(shè)備的壓力控制 本系統(tǒng)中通過 PID 調(diào)節(jié)來調(diào)節(jié) 氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥 的開度 來進(jìn)行控制。 PID（ proportionalintegralderivative）控制是比例 積分 微分的簡稱 [20]。在生產(chǎn)過程自動(dòng)控制的發(fā)展歷程中， PID 控制是歷史最久、生命力最強(qiáng)的一種基本控制方式。在計(jì)算機(jī)用于生產(chǎn)過程以前，過程控制中采用的氣動(dòng)、液動(dòng)和電動(dòng)的 PID 調(diào)節(jié)器一直占?jí)艛嗟匚唬哂性砗唵?、易于?shí)現(xiàn)、魯棒性強(qiáng)和適用面廣等優(yōu)點(diǎn)。下面對(duì)常 規(guī) PID 控制算法和參數(shù)整定分別加以介紹。 1） PID 控制算法 在過程控制系統(tǒng)中，常規(guī) PID 控制算法被廣泛使用，一般采用兩種調(diào)節(jié)器：模擬式 PID