【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 (3) pH 計(jì)：監(jiān)測(cè)污水的酸堿度，當(dāng)污水用過大或過小時(shí)都要采取特殊措施，以防活性污泥中的微生物死亡，影響處理效果．選用 LP3000C 型 pH 計(jì)，該表解析度 ，精度等級(jí)177。 。 (4)溶解氧 (DO)儀 ：用于測(cè)量污水中溶解氧的含量，溶解氧測(cè)量?jī)x是污水處理的最重要的儀表之一，是調(diào)節(jié)曝氣機(jī)鼓風(fēng)量的重要依據(jù)。溶解氧的測(cè)定一般用薄膜法和碘量法，本次試驗(yàn)選用薄膜電極法。 (5)ORP 檢測(cè)儀：用于測(cè)量污水中的氧化還原電位。可通過 ORP 的測(cè)定值監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)入除磷需要的厭氧狀態(tài)和脫氮需要的缺氧狀態(tài)的情況，調(diào)整控制時(shí)序，從而達(dá)到脫氮除磷的要求 。 (6)溫度計(jì)：由于活性污泥法的機(jī)理是生化反應(yīng)，溫度對(duì)其反應(yīng)有重要影響因此需對(duì)污水溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)?？梢栽O(shè)獨(dú)立的溫度傳感器，也可以用復(fù)合式，即測(cè) 11 一，溫與其它儀表共用。 參量的選 擇與測(cè)量 污水處理過程中，溶解氧濃度 DO、氧化還原電位 ORP、 pH 值、溫度是幾個(gè)重要參數(shù)。溶解氧 DO 或氧化還原電位 ORP 可作為反應(yīng)器中有機(jī)物降解程度的間接指標(biāo)。試驗(yàn)研究結(jié)果表明：在 SBR 法反應(yīng)階段， ORP 和 DO 這兩個(gè)參數(shù)與 COD 濃度都有一定的相關(guān)關(guān)系，尤其當(dāng)空氣量恒定時(shí)， COD 被降解至難降解濃度時(shí)， ORP 和 DO 值則迅速地大幅度升高，之后很快趨于平穩(wěn)，并在某一較高值的特定范圍內(nèi)穩(wěn)定下來。 ORP 與 DO 的這些變化特點(diǎn)，能可靠地作為 SBR反應(yīng)階段結(jié)束的信號(hào) [11]。而且 ORP 與 DO 檢測(cè)儀的構(gòu)造都較簡(jiǎn)單，價(jià)格便宜，響 應(yīng)迅速，便于與計(jì)算機(jī)接口．因此以 ORP 或 DO 作為 SBR 法反應(yīng)時(shí)間的控制參數(shù)，既能在進(jìn)水有機(jī)物濃度無規(guī)律大幅度變化的情況下，保證其處理水水質(zhì)，又能避免因曝氣時(shí)間過長(zhǎng)而浪費(fèi)電能和污泥膨脹。污水在反應(yīng)器中是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， DO 過低，會(huì)使好氧菌活性下降，不利于微生物的生長(zhǎng)，微生物難以形成易沉淀的絮體，直接影響處理效果。供氧量過大， DO 過高不僅使能耗增高，增大運(yùn)行費(fèi)用，同時(shí)也會(huì)造成混合液絮體分散和破碎，使固液分離發(fā)生困難。因此，控制水中的含氧量是污水處理過程控 制中比較關(guān)鍵的任務(wù)之一。 Eh 于溶解氧的濃度同進(jìn)水水質(zhì)、溫度、壓力、曝氣重毛等有著非常密切的關(guān)系。這些外界條件發(fā)生變化時(shí)，溶解氧濃度也隨之發(fā)生變化。如何控制曝氣池中的溶解氧，是污水處理過程控制中自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的主要任務(wù)之一。 4 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) PLC 選型 PLC 是可編程控制器的簡(jiǎn)稱，有下列優(yōu)點(diǎn) : (1)控制程序可改變 在污水廠生產(chǎn)工藝或流程改變的情況下，不必改變 PLC 的硬件設(shè)備，只要改變相應(yīng)的程序就可滿足用戶的要求 。 (2)適用于工業(yè)環(huán)境，具有高可靠性 PLC 產(chǎn)品的平均無故障時(shí)間達(dá) 5 年以上，因而它是一種 高可靠的產(chǎn)品，大大地提高了生產(chǎn)設(shè)備的工作效率 。 (3)PLC 功能齊全 一般 PLC 具有開關(guān)量及模擬量輸人 /輸出、定時(shí)、計(jì)數(shù)、邏輯和算術(shù)運(yùn)算， 12 順序控制， PID 調(diào)節(jié)，通信等功能。除了應(yīng)用于開關(guān)量控制系統(tǒng)外，也可用于連續(xù)的流程控制系統(tǒng)，從而使污水處理設(shè)備的控制水平大大提高。 （ 4） 易掌握，便于維護(hù) 使用人員只需掌握工程上通用的梯形圖語言就可進(jìn)行用戶程序的編程和調(diào)試。因此，即使不懂計(jì)算機(jī)的人，也能掌握 PLC。又由于 PLC 具有自診斷功能，因而較容易進(jìn)行維護(hù)，查找出故障原因 [12]。由于 PLC 自身的高可 靠性，也使其故障率幾乎降至于零。正是 PLC 具有這么多的優(yōu)點(diǎn)，才使越來越多的 PLC 應(yīng)用到污水處理廠中 [13]。 本文采用日本松下電工公司的 FP 系列 PLC，其型號(hào)位 C16。 PLC 通過各種模塊接口采樣電信號(hào)；控制信號(hào)由 PLC 輸出后以 4— 20mA 電流形式 送到執(zhí)行機(jī)構(gòu)，控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)作。 SBR 控制系統(tǒng)流程圖 圖 3 控制流程 圖 PLC 的 I/O 口分配 輸入設(shè)備 輸出 設(shè)備 啟動(dòng)開關(guān) SB0 X0 格柵除污機(jī) KM0 Y0 明渠高 位液位計(jì) B1 X1 明渠高液位報(bào)警燈 HL1 Y1 SBR 池高 位 液位計(jì) B2 X2 提升泵 KM2 Y2 開啟 SBR 反應(yīng)池進(jìn)水閥門 關(guān)閉 SBR 反應(yīng)池進(jìn)水閥門 SBR 反應(yīng)池達(dá)到高水位 打開鼓風(fēng)機(jī) 關(guān)閉鼓風(fēng)機(jī) 曝氣量達(dá)到要求 沉淀 開啟潷水器 關(guān)閉潷水器 SBR 反應(yīng)池 降至低 水位 沉淀達(dá)到要求 13 SBR 池低位 液位計(jì) B3 X3 SBR 池進(jìn)水閥門 KM3 Y3 停止開關(guān) SB1 X4 SBR 池出水閥門 KM4 Y4 X5 鼓風(fēng)機(jī) KM5 Y5 X6 潷水器 KM6 Y6 X7 Y7 軟件設(shè)計(jì) 系統(tǒng)總程序設(shè)計(jì)如圖 4 圖 4 總程序圖 14 系統(tǒng)外部接線圖 本系統(tǒng)外部接線圖如圖 5 圖 5 外部接線圖 5 上位機(jī)與下位機(jī)的設(shè)計(jì) 上位機(jī)設(shè)計(jì) 污水處理 監(jiān)控系統(tǒng)用于對(duì) 污水 站的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行集中監(jiān)控，用于監(jiān)控的工業(yè)控制計(jì)算機(jī)通過工業(yè)以太網(wǎng)與現(xiàn)場(chǎng)的 PLC 主站相連，上位機(jī)操作系統(tǒng)采用Windows XP，監(jiān)控畫面圖形使用 3DMAX 制作。上位機(jī)的主要功能是對(duì)污水站數(shù)據(jù)采集和自動(dòng)控制系統(tǒng)的控制參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，監(jiān)控設(shè)備 的運(yùn)行及控制狀態(tài)，繪制重要參數(shù)的變化曲線。當(dāng)上位監(jiān)控機(jī) PC 啟動(dòng)后 ,首先進(jìn)入了管理員登陸界面 ,輸入正確的登陸碼 ,進(jìn)入 污 水處理工藝監(jiān)控界面 ,其中包含過程工藝監(jiān)控畫面 ,控制操作畫面 ,實(shí)時(shí)曲線畫面參數(shù)設(shè)定畫面 ,報(bào)警畫面等。這些畫面之間可以隨意的切換。在退出系統(tǒng)之前 ,系統(tǒng)會(huì)詢問你是否確定退出 ,以防止誤操作。 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)。上位機(jī)為通用的工控計(jì)算機(jī)。為了更好地反映各設(shè)備的運(yùn)行情況 ,又分別制作了 調(diào)節(jié)池 系統(tǒng)、 SBR 反應(yīng)池 系統(tǒng)等分畫面。畫面中各參數(shù)值都是根據(jù)下位機(jī) PLC 的改變而改變的。工作人員通過這些畫面可以隨時(shí)對(duì)系統(tǒng)的 15 運(yùn)行參數(shù)、設(shè)備狀態(tài)、各種越限報(bào)警信號(hào) ,進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、處理、記錄和顯示。 監(jiān)控軟件啟動(dòng)時(shí)首先進(jìn)入主畫面 ,可直觀地 顯示污水處理工藝流程圖 ,各個(gè)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)、儀表讀數(shù)都可以在主畫面中顯示。點(diǎn)擊主畫面中的對(duì)應(yīng)的按鈕 ,可直接切換到各個(gè)分畫面系統(tǒng)相應(yīng)的監(jiān)控畫面 ,分畫面可以查閱各個(gè)儀表、傳感器 和閥門的參數(shù) ,還可以進(jìn)行上下限報(bào)警、打印報(bào)表、顯示趨勢(shì)曲線等設(shè)置。如“ SBR 反應(yīng)池 系統(tǒng)” ,在 反應(yīng) 池和管道的敏感區(qū)安裝 pH 計(jì) ,其輸出的 4mA～ 20mA標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)進(jìn)入 A/D 轉(zhuǎn)換器 ,經(jīng)過 A/D 轉(zhuǎn)換后變?yōu)橄鄳?yīng)的數(shù)字信號(hào) ,然后進(jìn)行 運(yùn)算 ,再輸出一組 4mA～ 20mA 標(biāo)準(zhǔn)信號(hào) ,信號(hào)反饋到上位機(jī) [14]。流程圖上可監(jiān)控 各 個(gè)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù) ,每個(gè)監(jiān)控點(diǎn)均放在流程圖的 相應(yīng)位置 ,可實(shí)時(shí)顯示過程數(shù)據(jù)。 下位機(jī)設(shè)計(jì) 下位機(jī)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)。下位機(jī)采用松下 FP0 型 PLC,可以和現(xiàn)場(chǎng)的傳感器、變送器、自動(dòng)化儀表相連 ,進(jìn)行數(shù)據(jù)通信、數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)管理。根據(jù)工藝要求 ,PLC 得電自檢無誤后 ,外部傳送信號(hào)通過傳感器、自動(dòng)化儀表輸入到 PLC,當(dāng)電路發(fā)生短路、斷路或過載時(shí)電動(dòng)機(jī)將停止 ,同時(shí)發(fā)出報(bào)警。通過 PLC 進(jìn)行數(shù)據(jù)處理 ,PLC可根據(jù)液位信號(hào)決定設(shè)備 的啟停和閥門 開關(guān) ,以出水 水質(zhì) 為依據(jù)采用前饋— 反饋控制方法 ,使系統(tǒng)在各種工況下都能夠?qū)崟r(shí)地、穩(wěn)定地控制 水質(zhì)。液位、PH 值 等模擬量也采用閉環(huán)控制 ,形成多個(gè)控制回路。 污水處理過程邏輯性很強(qiáng) ,閥門和液位 之間動(dòng)作有很多連鎖關(guān)系 ,將所有有連鎖關(guān)系的閥門和液位 的動(dòng)作關(guān)系確定清楚 ,然后 用相應(yīng)的控制點(diǎn)形成電氣連鎖 ,即可實(shí)現(xiàn)工藝要求。 整個(gè)軟件設(shè)計(jì)為便于調(diào)試采用模塊化編程 ,其主要包括信號(hào)獲取處理、信號(hào)控制、故障模塊的設(shè)計(jì) ,與上位機(jī)通信的設(shè)計(jì)。控制每個(gè)設(shè)備的功能模塊都編制好后 ,將功能模塊都放在組織塊中 ,PLC 執(zhí)行程序時(shí) ,按順序執(zhí)行組織塊中的所有功能模塊 ,就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)所有設(shè)備的自動(dòng)或手動(dòng)控制 [8]。 上位機(jī)與下位機(jī)之間的通信 PLC 的通信功能 PLC 與計(jì)算機(jī)的通信一般是通過計(jì)算機(jī)的串口實(shí)現(xiàn)的。根據(jù)一臺(tái)計(jì)算機(jī)與PLC 通信數(shù)量的不同，可分為一臺(tái)計(jì)算機(jī)與一臺(tái) PLC 通信的 1： 1 方式，一臺(tái)計(jì)算機(jī)與多臺(tái) PLC 通信的 1： N 方式。本文采用 1： N 的方式 [9]。 此時(shí)，計(jì)算機(jī)使用 RS422/RS232C 適配器通過 RS422 口與 PLC 連接，如圖6 所示。 16 圖 6 計(jì)算機(jī)與 PLC連接圖 PLC 的通信協(xié)議 FP系列 PLC通信系統(tǒng)的基本協(xié)議是松下電工的專用通信協(xié)議 MEWTOCOL,分為兩個(gè)部分：一是關(guān)于 PLC 與計(jì)算機(jī)的通信協(xié)議的 MEWTOCOLCOM，另一 個(gè)是關(guān)于數(shù)據(jù)傳送協(xié)議的 MEWTOCOLDATA[15]。 （ 1） MEWTOCOLCOM 通信協(xié)議 ①發(fā)送命令幀格式 通信開始先由計(jì)算機(jī)發(fā)出呼叫，呼叫信息包括一些特殊標(biāo)志碼、 PLC 站號(hào)和呼叫字符等，具體格式如圖 7。 圖 7 ②響應(yīng)幀格式 PLC 接到計(jì)算機(jī)的呼叫后，首先判斷是不是一個(gè)完整的信息，然后檢查呼叫站號(hào)是不是自己的站號(hào)，若是呼叫自己，則發(fā)送響應(yīng)信息，否則不予理睬。 17 如果正常， PLC 發(fā)送下面信息，如圖 8。 圖 8 在數(shù)據(jù)傳送期間如有錯(cuò)誤，將由 PLC 發(fā)送下面信息，如圖 9。 圖 9 （ 2） MEWTOCOLDATA 協(xié)議 這是應(yīng)用在 PLC 與 PLC 之間或計(jì)算機(jī)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送的通信協(xié)議。 ①發(fā)送命令幀格式，如圖 10。 圖 10 ②響應(yīng)幀格式 正確響應(yīng)，如圖 11。 18 圖 11 錯(cuò)誤響應(yīng)，如圖 12。 圖 12 6 通訊網(wǎng)絡(luò) 該自動(dòng)化系統(tǒng)是由中央監(jiān)控管理級(jí) (工業(yè)計(jì)算機(jī) )、區(qū)域現(xiàn)場(chǎng)級(jí) (可編程邏輯控制器 )、檢測(cè)執(zhí)行級(jí) (現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)儀表 )組成的三級(jí)計(jì)算機(jī)分散控制系統(tǒng)。 中央控制室 一般來說 ,中央控制室設(shè)備主要有工控計(jì)算機(jī)、工業(yè)電視監(jiān)控系統(tǒng)、不間斷供電電源、打印機(jī)、網(wǎng)絡(luò)控制設(shè)備、大型屏幕顯示設(shè)備等組成。 中 央控制室的功能主要是接收現(xiàn)場(chǎng)控制分站傳送的各階段工藝參數(shù)及設(shè)備狀態(tài) ,為生產(chǎn)管理提供依據(jù) 。工藝管理人員按工藝要求 ,通過工控計(jì)算機(jī)向現(xiàn)場(chǎng)控制分站發(fā)出控制指令 。另外工控計(jì)算機(jī)具備數(shù)據(jù)記錄、報(bào)表打印、趨勢(shì)查詢、報(bào)警查詢和確認(rèn)等功能 。工控機(jī)監(jiān)控軟件的操作、數(shù)據(jù)更改也在此進(jìn)行 。它還可與上級(jí)企業(yè)管理網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通訊 ,為上級(jí)管理單位提供生產(chǎn)信息等工作 [16]。中央控制室以工控計(jì)算機(jī)為核心 ,采用 100M 交換式的計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)絡(luò) ,通過光纖冗余環(huán)和工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)與各控制分站相連接進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸 。 工業(yè)電視監(jiān)控系統(tǒng)是在中控室操作監(jiān)視臺(tái)上 設(shè)視頻控制器和監(jiān)視器 ,可控 19 制、切換視頻圖像和顯示模式 ,通過調(diào)整安放在不同運(yùn)行區(qū)域控制攝像機(jī)的方位角度 ,巡視或定點(diǎn)監(jiān)視生產(chǎn)區(qū)域的設(shè)備運(yùn)行狀況和工藝調(diào)整的執(zhí)行情況。 控制分站 控制分站由一套可編程控制器 PLC、一臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)操作顯示系統(tǒng)一臺(tái)不間斷供電電源 UPS、分布式或遠(yuǎn)程 I/O 單元組成?？刂品终疽话愀鶕?jù)生產(chǎn)工藝設(shè)備的布置區(qū)域進(jìn)行設(shè)置。中小型污水處理廠一般設(shè)置 24 個(gè)控制分站。每個(gè)控制分站負(fù)責(zé)相應(yīng)區(qū)域所有自動(dòng)化設(shè)備的控制 ,控制分站的主要功能是接收現(xiàn)場(chǎng)采集的生產(chǎn)數(shù)據(jù) ,并將生產(chǎn)數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)上傳至中央控制室 ,接受中 央控制室發(fā)出的控制指令 ,完成對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的控制操作。 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)儀表 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)儀表是在工藝運(yùn)行過程中在線測(cè)量、監(jiān)視、顯示工藝運(yùn)行環(huán)節(jié)關(guān)鍵數(shù)據(jù)參數(shù)的自動(dòng)化智能儀表 ,是最基層的數(shù)據(jù)采集來源 [17]?，F(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)儀表主要分為兩大類 : (1)反映物理參數(shù)的檢測(cè)儀表 ,主要包括壓力測(cè)量?jī)x表、流量測(cè)量?jī)x表、溫度測(cè)量?jī)x表、液位測(cè)量?jī)x表。 (2)反映水質(zhì)狀況的在線分析儀表 ,主要有溶解氧分析儀、酸度計(jì)、污泥濃度計(jì)、檢測(cè)儀等設(shè)備。 儀表的維護(hù)應(yīng)嚴(yán)格按照生產(chǎn)廠家提供的維修與維護(hù)說明書、手冊(cè)進(jìn)行。每日巡視、定期清洗、注意校驗(yàn)標(biāo)定 ,做好 維修計(jì)劃 ,保證儀表的正常運(yùn)行。 中控室操作站監(jiān)控污水處理和污泥處理的全過程 ,是整個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的樞紐。中控室操作站和模擬屏之間通過 RS232 進(jìn)行串行通信。 圖 13 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 20 污水處理廠多采用工業(yè)以太網(wǎng)連接中央控制室與控制分站的數(shù)據(jù)傳輸 ,傳輸速率一般為 100Mbps,這種系統(tǒng)的整體穩(wěn)定性、可靠性 強(qiáng) [18]?？刂葡到y(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖，如圖 13。 7 結(jié)束語 本文采用 PLC 對(duì)污水處理廠進(jìn)行自動(dòng)化控制 ，經(jīng)過調(diào)試和運(yùn)行，本控制系統(tǒng)基本達(dá)到預(yù)期的控制要求，系統(tǒng)具有較高的可靠性，可基本 實(shí)現(xiàn)污水處理廠 的無人化管理，不僅減輕 了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度 ,而且提高了污水處理廠的運(yùn)行效率和運(yùn)行效益 ,實(shí)現(xiàn)了污水廠生產(chǎn)管理的科學(xué)性。其中 ,PLC 發(fā)揮了相當(dāng)重要的作用。