【正文】 控制系統(tǒng)的控制要求 和硬件部分的設(shè)計(jì)情況及 PLC 控制系統(tǒng) I/O 的分配情況，進(jìn)行軟件編程設(shè)計(jì)。在軟件的設(shè)計(jì)中，首先按照需要實(shí)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(diào)試。 總體流程設(shè)計(jì) 根據(jù) 系統(tǒng)的控制要求，控制過程可以分為手動(dòng)控制功能和自動(dòng)運(yùn)行功能。在手動(dòng)控制模式下 ，每個(gè)設(shè)備可以單獨(dú)運(yùn)行，以測試設(shè)備的性能，如圖 41 所示。 圖 41模式選擇流程圖 手動(dòng)模式 在手動(dòng)模式下，可單獨(dú)調(diào)試每個(gè)設(shè)備的運(yùn)行，如圖 52 所示。在此模式下，可以通過按鈕對(duì)格柵機(jī)、清污機(jī)、轉(zhuǎn)碟曝氣機(jī)、刮泥機(jī)，以及各類泵進(jìn)行控制，對(duì)于轉(zhuǎn)碟曝氣機(jī)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(diào)試性能。 西南科技大學(xué)應(yīng)用型自學(xué)考試畢業(yè)設(shè)計(jì) （論文） 24 圖 42手動(dòng)操作模式流程圖 自動(dòng)模式 處于自動(dòng)方式 時(shí)，系統(tǒng)上電后，按下自動(dòng)啟動(dòng)確認(rèn)后系統(tǒng)運(yùn)行，系統(tǒng)開始工作，其工作過程包括以下幾個(gè)方面。 （ 1）系統(tǒng)上電后 ，按下自動(dòng)啟動(dòng)確認(rèn)按鈕，啟動(dòng)潛水?dāng)嚢杵骱凸文鄼C(jī)。 （ 2）啟動(dòng)粗格柵系統(tǒng)。 （ 3）啟動(dòng)潛水泵。 （ 4）啟動(dòng)細(xì)格柵系統(tǒng)。 （ 5）啟動(dòng)曝氣沉砂系統(tǒng)。 （ 6）啟動(dòng)污泥回流系統(tǒng)。 （ 7）啟動(dòng)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(jìn)行啟動(dòng)如圖 43所示 。 圖 43 自動(dòng)操作模式流程圖 西南科技大學(xué)應(yīng)用型自學(xué)考試畢業(yè)設(shè)計(jì) （論文） 25 在自動(dòng)控制模式流程圖中，調(diào)用了各個(gè)控制系統(tǒng)的程序，主要包括粗格柵系統(tǒng)程序、潛水泵程序、細(xì)格柵系統(tǒng)程序、曝氣沉砂系統(tǒng)程序、污泥回流泵系統(tǒng)程序。以及污泥脫水系統(tǒng)程序，以下將分別介紹各個(gè)子程序的工 作過程。 粗格柵系統(tǒng)程序主要控制粗格柵機(jī)和清污機(jī)的運(yùn)行，其工作過程包括以下幾個(gè)方面。 （ 1）自動(dòng)過程開始啟動(dòng)粗格柵機(jī)，定時(shí) 20min。 （ 2）定時(shí)到，停止運(yùn)行粗格柵機(jī) 2h。 （ 3） 2h 定時(shí)到，運(yùn)行粗格柵機(jī) 20min，循環(huán)進(jìn)行。 （ 4）同時(shí)檢查液面差，若超過設(shè)定值則啟動(dòng)清污機(jī)。 （ 5）液面差值低于設(shè)定值，停止清污機(jī)運(yùn)行。 粗格柵系統(tǒng)工作流程圖如圖 44所示。 圖 44粗格柵系統(tǒng)工作流程圖 潛水泵程序主要控制潛水泵的運(yùn)行和停止，其工作過程包括以下幾個(gè)方面 ： （ 1）自動(dòng)過程開始啟動(dòng)潛水泵。 （ 2）檢測液面 高度，低于最低位傳感器時(shí)，開始定時(shí)防止誤判。 西南科技大學(xué)應(yīng)用型自學(xué)考試畢業(yè)設(shè)計(jì) （論文） 26 （ 3）定時(shí)到后，若仍低于最低位傳感器，則停止?jié)撍眠\(yùn)行，否則潛水泵繼續(xù)運(yùn)行。 （ 4）檢測液面處于中位和高位傳感器之間時(shí)，開始定時(shí)防止誤判。 （ 5）定時(shí)到后，若液面仍持續(xù)處于高位傳感器，則輸出報(bào)警信號(hào)。 潛水泵工作流程圖如圖 45 所示 。 圖 45潛水泵工作流程圖 細(xì)格柵系統(tǒng)程序與粗格柵系統(tǒng)程序相似，主要控制細(xì)格柵機(jī)和轉(zhuǎn)鼓清污機(jī)的運(yùn)行，其工作過程包括以下幾個(gè)方面 ： （ 1）自動(dòng)過程開始，啟動(dòng)細(xì)格柵機(jī)，定時(shí) 20min。 （ 2）定時(shí)到，停止運(yùn)行細(xì)格柵機(jī) 2h。 （ 3） 2h 定時(shí)到，運(yùn)行細(xì)格柵機(jī) 20min，循環(huán)進(jìn)行。 （ 4）同時(shí)檢測液面差，若超過設(shè)定值則啟動(dòng)轉(zhuǎn)鼓清污機(jī)。 （ 5）液面差低于設(shè)定值，停止轉(zhuǎn)鼓清污機(jī)運(yùn)行。 西南科技大學(xué)應(yīng)用型自學(xué)考試畢業(yè)設(shè)計(jì) （論文） 27 圖 46細(xì)格柵系統(tǒng)工作流程圖 曝氣沉砂系統(tǒng)工作流程圖如圖 47所示 。 西南科技大學(xué)應(yīng)用型自學(xué)考試畢業(yè)設(shè)計(jì) （論文） 28 47曝氣沉砂系統(tǒng)工作流程圖 污泥回流系統(tǒng)程序主要控制污泥回流泵的運(yùn)行和停止，其工作過程包括以下幾個(gè)方面。 （ 1）自動(dòng)過程開始首先檢測液面高低，若低于最低位傳感器，啟動(dòng)定時(shí)。 （ 2）定時(shí)到，若液面仍低于最低位傳感器則停止回流泵運(yùn)行。 （ 3）若液面處于最高位和最低位之間，啟動(dòng)污泥回流泵。 （ 4）若液面高于最高位傳感器時(shí)，啟動(dòng)定時(shí)。 （ 5）定時(shí)到，若液面仍處于最高位傳感器時(shí)，輸出報(bào)警信號(hào)。 污泥回流系統(tǒng)工作流程圖如圖 48所示 。 西南科技大學(xué)應(yīng)用型自學(xué)考試畢業(yè)設(shè)計(jì) （論文） 29 圖 48污泥回流系統(tǒng)工作流程圖 污泥脫水系統(tǒng)程序主要控制離心式脫水機(jī)，啟動(dòng)定時(shí)。 （ 1）自動(dòng)過程開始首先啟動(dòng)離心式脫水機(jī)，啟動(dòng)定時(shí)。 （ 2）定時(shí)到，啟動(dòng)聚合物泵，啟動(dòng)定時(shí)。 （ 3）定時(shí)到，啟動(dòng)污泥泵和切割機(jī)。 污泥脫水系統(tǒng)工作流程圖如圖 49所示。 西南科技大學(xué)應(yīng)用型自學(xué)考試畢業(yè)設(shè)計(jì) （論文） 30 圖 49污泥脫水系統(tǒng)工作流程圖 在設(shè)計(jì)程序過程中，會(huì)用到許多中間繼電器、寄存器、定時(shí)器等軟元件，為了便于 編程及修改，在程序編寫前應(yīng)先列出可能用到的軟元件，如表 410 所示。 表 410軟元件設(shè)置 元件 意義 內(nèi)容 備注 系統(tǒng)停止標(biāo)志 On有效 手動(dòng)方式標(biāo)志 On有效 自動(dòng)方式標(biāo)志 On有效 自動(dòng)方式啟動(dòng)標(biāo)志 On有效 清污機(jī)運(yùn)行標(biāo)志 On有效 聚合物泵運(yùn)行標(biāo)志 On有效 污泥泵運(yùn)行標(biāo)志 On有效 切割機(jī)運(yùn)行標(biāo)志 On有效 粗格柵機(jī)停止標(biāo)志 On有效 粗格柵機(jī)定時(shí)脈沖計(jì)數(shù) On有效 進(jìn)水泵房液面低于最低位 On有效 細(xì)格柵機(jī)停止標(biāo)志 On有效 西南科技大學(xué)應(yīng)用型自學(xué)考試畢業(yè)設(shè)計(jì) （論文） 31 細(xì)格柵機(jī)定時(shí)脈沖計(jì)數(shù) On有效 轉(zhuǎn)碟曝氣機(jī)變頻轉(zhuǎn)工頻運(yùn)行標(biāo)志 On有效 轉(zhuǎn)碟曝氣機(jī)變頻運(yùn)行標(biāo)志 On有效 回流泵房液面低于最低位標(biāo)志 On有效 回流泵房液面高于最高位標(biāo)志 On有效 C1 粗格柵機(jī) 2h 定時(shí)中間計(jì)數(shù)器 10 C2 細(xì)格柵機(jī) 2h 定時(shí)中間計(jì)數(shù)器 10 T33 時(shí)鐘脈沖 5 50ms T37 粗格柵機(jī)運(yùn)行時(shí)間 12021 20min T38 粗格柵機(jī)停止時(shí)間定時(shí) 7200 12min T39 進(jìn)水泵房液面低于最低位定時(shí) 20 2s T40 進(jìn)水泵房液面高于最高位定時(shí) 20 2s T41 細(xì)格柵機(jī)運(yùn)行時(shí)間 12021 20min T42 細(xì)格柵機(jī)停止時(shí)間定時(shí) 7200 12min T43 污泥回流泵房液面低于最低位定時(shí) 20 2s T44 污泥回流泵高于低位且低于高位定時(shí) 20 2s T45 污泥回流泵房液面高于最高位定時(shí) 20 2s T46 離心式脫水機(jī)與聚合物泵啟動(dòng)間隔 50 5s T47 聚合物泵 與污泥泵和切割機(jī)啟動(dòng)間隔 50 5s VD10 變頻器速度寄存器 VD20 含氧量反饋值寄存器 VD30 變頻器速度寄存器 VD100 含氧量標(biāo)準(zhǔn)值寄存器 VD102 變頻器速度標(biāo)準(zhǔn)值寄存器 VD104 USSINIT 指令執(zhí)行結(jié)果 VD106 USSRPMR 錯(cuò)誤狀態(tài)字節(jié) 曝氣過程控制的任務(wù) 工業(yè)污水處理 后的水質(zhì)是否達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)，其中生化需氧量 （ BOD） 和化學(xué)需氧量 （ COD） 是重要的水質(zhì)指標(biāo)。 BOD 是指在有氧條件下，降解有機(jī)物所需的氧量。 COD 是指在酸性條件下，用強(qiáng)氧化劑將有機(jī)物氧化成 CO H2O所消耗的氧量。 BOD 的測定需費(fèi)時(shí) 5天，且測定結(jié)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(shí)約 2小時(shí)。雖然有 COD 濃度在線檢測儀可以在西南科技大學(xué)應(yīng)用型自學(xué)考試畢業(yè)設(shè)計(jì) （論文） 32 線檢測，但仍存在滯后 （ 30 分鐘左右 ） ，測量結(jié)果嚴(yán)重滯后于實(shí)際運(yùn)行時(shí)間，不能及時(shí)反映 實(shí)際情況 。另外， COD檢測儀的價(jià)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(yīng)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(guān)鍵因素是反應(yīng)池中溶解氧的含量。為了 使微生物的活動(dòng)最佳化，應(yīng)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(zhì)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(zhì)也差，另外也不經(jīng)濟(jì)。由此可見，混合液中溶解氧濃度 (DO)是好氧反應(yīng)中一個(gè)重要的控制參數(shù)。如果控制曝氣設(shè)備的最佳溶解氧濃度，就能使處理水質(zhì)優(yōu)化，也能節(jié)約動(dòng)力費(fèi)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)。 氯氣投加環(huán)節(jié) 氯氣投加消毒效果的好壞與原水 PH值、水溫、濁度和接觸時(shí)間有直接的關(guān)系 。 人工進(jìn)行加氯量控制，不僅對(duì)操作工人不 安全，而且投加量也難以準(zhǔn)確控制。投加量少了，達(dá)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(dòng)方式取代。 氯氣投加系統(tǒng)具有大慣性、大滯后的特點(diǎn)，其過渡過程和純滯后時(shí)間均較長，并且系統(tǒng)的干擾因素較多，對(duì)這樣一個(gè)系統(tǒng)，使用一般的 PID 調(diào)節(jié)很難滿足控制要求。為了精確控制投加的氯量，運(yùn)用模糊自整定 PID參數(shù)控制器對(duì)氯氣投加系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)控制。氯氣投加自動(dòng)控制系統(tǒng)如圖 411 所示 。 圖 411氯氣投加自控原理圖 西南科技大學(xué)應(yīng)用型自學(xué)考試畢業(yè)設(shè)計(jì) （論文） 33 絮凝劑投加 環(huán) 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(dá)到泥水充分分離的處理效果，需進(jìn)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(diào)節(jié)的模糊控制過程與上述兩個(gè)非線性控制環(huán)節(jié)類似，具有大時(shí)滯、非線性的特點(diǎn)。由于混凝過程的復(fù)雜性和多變性，混凝投藥的自動(dòng)控制一直受到控制行業(yè)和污水行業(yè)專家的普遍關(guān)注 。 PID 控制 對(duì)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(diǎn)，因此在控制理論和技術(shù)飛躍發(fā) 展的今天，在工業(yè)控制領(lǐng)域仍具有強(qiáng)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 kd：微分增益 比例增益 kp使控制器的輸入輸出成一一對(duì)應(yīng)比例關(guān)系。一旦輸入輸出有偏差 ， 比例作用會(huì)立即產(chǎn)生控制作用，比例控制是用來調(diào)節(jié)系統(tǒng)的靜態(tài)增益的，它是基于偏差進(jìn)行調(diào)節(jié)的，是有差調(diào)節(jié)。為了盡量減小偏差， 同時(shí)也為了加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度，縮短系統(tǒng)的調(diào)節(jié)時(shí)間，需要增大 kp值。但是因?yàn)?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(yīng)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(shí)，積分往往使得系統(tǒng)的響應(yīng)出現(xiàn)過大的超調(diào)，從而使調(diào)節(jié)時(shí)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(yīng)，它加快了對(duì)偏差變化的反應(yīng)速度，能夠有效地減小超調(diào)，縮小最大動(dòng)態(tài)偏差。但是，同時(shí)又會(huì)使系統(tǒng)容易受到高頻干擾的影響。在實(shí)際的系統(tǒng)設(shè)計(jì)中只有合理地整定上述三個(gè)參數(shù)，才能獲得比較滿意的控制性能。在污水的自動(dòng)控制中，混凝劑投加、n i=0 U n=kpEn+ki∑ Ei+KdECn 西南科技大學(xué)應(yīng)用型自學(xué)考試畢業(yè)設(shè)計(jì) （論文） 34 氯氣投加和曝氣環(huán)節(jié)由于過程的復(fù)雜性、 多變性、非線性和大滯后的特點(diǎn)，采用的 PID 控制算法難以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確和高效的控制。為此在常規(guī)的 PID控制基礎(chǔ)上，采用模糊推理的方法，對(duì) PID 的控制參數(shù)進(jìn)行在線自整定，從而完善 PID 控制器的性能，使其適應(yīng)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(dòng)產(chǎn)品的通用通訊協(xié)議，它是一種基于串行總線進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊的協(xié)議。 USS協(xié)議是主 從結(jié)構(gòu)的協(xié)議，規(guī)定了在 USS 總線上可以有一個(gè)主站和最多 30 個(gè)從站；總線上的每個(gè)從站都有一個(gè)站地址（在從站參數(shù)中設(shè)定），主站依靠它識(shí)別每個(gè)從站；每個(gè)從站也只對(duì)主站發(fā)來的報(bào)文做出響應(yīng)并回送報(bào)文，從站之間不能直接進(jìn)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(shí)給所有從站發(fā)送報(bào)文，從站在接收到報(bào)文并做出相應(yīng)的響應(yīng)后可不回送報(bào)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(gè)子程序、 3個(gè)中斷程序和 8條指令來支持 USS協(xié)議。調(diào)用一條指令時(shí)，將會(huì)自動(dòng)地增加一個(gè)或幾個(gè)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(jìn)去，編程軟件默認(rèn)安裝沒有 USS協(xié)議庫的。 USS_INIT 指令：當(dāng) EN輸入接通時(shí)，每一循環(huán)都執(zhí)行該指令。通過 Mode 輸入值可選擇不同