【正文】 要環(huán)境保護(hù)是關(guān)系到可持續(xù)發(fā)展的一個(gè)重要問(wèn)題。我國(guó)的現(xiàn)代化建設(shè)必須吸取國(guó)外工業(yè)化過(guò)程的教訓(xùn)，在發(fā)展經(jīng)濟(jì)的同時(shí)，注意環(huán)境保護(hù)。當(dāng)富含氮磷的污水直接排入河流后，會(huì)嚴(yán)重污染水源，危害健康。這些都促使我們開(kāi)發(fā)一種中小規(guī)模的污水處理設(shè)備來(lái)凈化污水，使其達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)。自控系統(tǒng)是整個(gè)污水處理設(shè)備的核心部分。由于系統(tǒng)工作于室外，工作環(huán)境惡劣，且需要全天不間斷工作。這是自控系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)也是難點(diǎn)。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，我們盡可能地采用這些方法，以達(dá)到滿意的效果。s modernization must learn the lessons from abroad industrialization in economic development, attention to environmental protection. China39。我國(guó)在近十余年內(nèi)，國(guó)民生產(chǎn)總值翻了兩番，但對(duì)環(huán)境的壓力也是嚴(yán)重的。而且，重要河流和湖泊的污染情況也很嚴(yán)重和普遍的。缺水和水源污染已成為影響我國(guó)經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展的重要因素。工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家、美國(guó)、德國(guó)、日本、澳大利亞等城市的污水的處理基本上普及，平均一萬(wàn)多人口就有座城市污水處理廠。平均每人每天排泄物中含氮 16 克，磷 3 克，洗滌劑來(lái)源的磷每人每天約 2 克。食品加工、發(fā)酵、產(chǎn)品加工、化肥工業(yè)、洗滌劑、金屬拋光等廢水中含有大量的磷。家畜家禽的廢棄物和排泄物含有大量磷、氮也都進(jìn)入水體。另原態(tài)氮會(huì)造成水體黑臭，化合態(tài)氮對(duì)人及生物有種種毒害作用。中小城鎮(zhèn)以及工廠，賓館等單位的污水處理，由于污水的排放量不大，沒(méi)有必要集中到大的污水處理，而且對(duì)于這些單位來(lái)說(shuō)處理的目的是允許被排放。在此問(wèn)中涉及到的污水處理系統(tǒng)主要就針對(duì)氮、磷處理的中小規(guī)模的箱體式系統(tǒng)，經(jīng)系統(tǒng)處理后的排放水質(zhì)，達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)，可以排入敏感水源以及作為非飲用水的其他用途。在污水處理工藝和技術(shù)方面，國(guó)內(nèi)企業(yè)做出了積極的努力，取得了喜人的成就，只是由于起步較晚，在污水處理設(shè)備的自動(dòng)化方面與發(fā)達(dá)國(guó)家相比還存在較大的差距。 國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 國(guó)內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀 近年來(lái)，隨著水環(huán)境污染的加劇和人們對(duì)水的質(zhì)量日益增長(zhǎng)的要求，城市污水處理廠的建設(shè)日益受到重視，國(guó)家甚至把城市污水廠建設(shè)作為拉動(dòng)國(guó)民經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)的重要手段。由于水的凈化處理過(guò)程愈來(lái)愈復(fù)雜，操作控制愈來(lái)愈嚴(yán)格，手動(dòng)操作難以達(dá)到要求，迫切需要相適應(yīng)的自動(dòng)控制系統(tǒng)來(lái)保證污水處理過(guò)程的穩(wěn)定、可靠運(yùn)行和優(yōu)良的出水水質(zhì)，同時(shí)降低電耗、藥耗和人工成本，以實(shí)現(xiàn)污水處理的持續(xù)和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。但引進(jìn)設(shè)備的高昂代價(jià)和維護(hù)費(fèi)用對(duì)國(guó)內(nèi)污水處理廠的建設(shè)形成阻礙，面對(duì)國(guó)內(nèi)污水處理廠的不斷建設(shè)和污水處理工藝的快速發(fā)展，開(kāi)發(fā)和設(shè)計(jì)符合我國(guó)國(guó)情的污水處理廠計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)已勢(shì)在必行。雖然全國(guó)大江大河干的水質(zhì)狀況基本良好，但流經(jīng)城鎮(zhèn)的河段污染較重。其中符合 I 類標(biāo)準(zhǔn)的 9 條，符合Ⅱ類標(biāo)準(zhǔn)的 4 條，符合Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)的 46 條，屬于Ⅳ、V 類標(biāo)準(zhǔn)的 72 條。在全國(guó) 666 座城市中，缺水城市就達(dá) 333 座，其中嚴(yán)重缺水 108 座，我國(guó)每天缺水 1600 萬(wàn)立方米。因此，大力提倡節(jié)約用水和建設(shè)城市污水處理工程是我國(guó)目前控制水污染的必然措施?，F(xiàn)在一些發(fā)達(dá)國(guó)家經(jīng)過(guò)數(shù)十年的努力，城市污水處理率達(dá)到 80%90%以上，城市水污染大大緩解，水體水質(zhì)明顯改善。以美國(guó)為例，美國(guó)水法規(guī)定到 1977年城市污水處理廠都要求達(dá)到二級(jí)處理出水水質(zhì)，既連續(xù) 30 天的處理出水水質(zhì) BOD5 與 SS 的平均濃度均應(yīng)小于 30mg/L,BOD5,S 去處率大于 85%。有關(guān)資料表明 1980 年美國(guó)共建有污水處理廠 15251 座，其中二級(jí)以上的處理廠10546 座，占總數(shù)的 %，城市污水處理廠人口普及率 71%,1990 年達(dá) 22260 座，預(yù)計(jì)到 2022 年將達(dá)到 92%。BOD 和總磷污染負(fù)荷大大降低，BOD 和總磷去除率已達(dá) 90%以上，河流的污染水平全部達(dá)到 40 年代污水處理自控系統(tǒng)5的污染水平。特別是近二十年間，計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)的快速發(fā)展使污水處理廠的自動(dòng)控制水平也相應(yīng)地發(fā)生了本質(zhì)變化。并且對(duì)硬件、軟件兩方面可能產(chǎn)生的系統(tǒng)干擾提出了相應(yīng)一些應(yīng)對(duì)措施。第二章 系統(tǒng)設(shè)計(jì) 污水處理簡(jiǎn)介在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中要求具有功能齊備、投資小、適用性強(qiáng)、調(diào)整靈活等優(yōu)點(diǎn)，并且要求和浮選工藝相適應(yīng)，為污水廠經(jīng)濟(jì)運(yùn)行提供條件。根據(jù)某污水處理廠工藝特點(diǎn)，在某污水處污水處理自控系統(tǒng)6 理廠工程實(shí)施過(guò)程中，我們對(duì)主要處理單元的控制方法進(jìn)行了相應(yīng)的分析和研究。 控制系統(tǒng)硬件總體結(jié)構(gòu)下圖所示為控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)圖： 圖 21 控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)框圖具體介紹如下：（1）單片機(jī)為 ATMEL 公司的 89C52，它雖然價(jià)格便宜，卻提供了作為中小規(guī)?？刂破魉璧挠布Y源。（2）時(shí)鐘芯片為 DALLAS 公司的 DS1302，它為控制器的流程提供時(shí)間基準(zhǔn)。（3）XICOR 公司的 X25645 芯片是一塊功能較強(qiáng)的芯片，它同時(shí)能提供電源檢測(cè)，看門狗，非易失存儲(chǔ)器的功能。而控制器的各種數(shù)據(jù)也都存在芯片區(qū)。控制器的鍵盤有四個(gè)控鍵，它們是“上” ， “下” “確定” ， “功能”鍵。在進(jìn)不和排水過(guò)程中，要檢測(cè)水位的變化，以免進(jìn)水過(guò)多或排水過(guò)量。（7）電器的運(yùn)作情況通過(guò)隔離傳感器返回控制系統(tǒng)。（9）AD 公司的 ADM202E 為控制器的遠(yuǎn)程控制提供標(biāo)準(zhǔn)的 RS232 串行通訊渠道。遠(yuǎn)程控制機(jī)放置在機(jī)房中，實(shí)施遠(yuǎn)端控制。首先要采用工業(yè)級(jí)的元件。例如，控制器的電源是控制器正常工作的首要保證，它應(yīng)有很寬的工作溫度范圍。因此固體繼電器驅(qū)動(dòng)電流選為電機(jī)正常工作電流的兩部以上。本設(shè)計(jì)中存儲(chǔ)器，時(shí)鐘芯片和 A/D 變換芯片時(shí)，都采用了 SPI 接口的芯片。污水處理自控系統(tǒng)8 系統(tǒng)監(jiān)測(cè)當(dāng)電源出現(xiàn)故障時(shí)或單片機(jī)由于某種原因跑飛時(shí)，整個(gè)控制系統(tǒng)會(huì)出現(xiàn)混亂。低電壓檢測(cè)復(fù)位電路以及 8KBYTE 的 EEPROM。X25645 和單片機(jī)的連接如圖 22 所示：圖 22 看門狗芯片與單片機(jī)的連接圖圖 23 為看門狗的復(fù)位時(shí)序，X25645 中有一個(gè)定時(shí)器，可以定時(shí)產(chǎn)生時(shí)鐘中斷。 正常情況下單片機(jī)控程序中插入將 CS 信號(hào)置低的指令，因此單片機(jī)會(huì)在一定時(shí)期內(nèi)將 CS 信號(hào)置低，當(dāng) CPU 工作異常時(shí)，不能正常執(zhí)行程序流程時(shí)就不會(huì)置低 CS。 污水處理自控系統(tǒng)9圖 23 看門狗的復(fù)位時(shí)序X25645 還是一個(gè)電源監(jiān)視模塊。當(dāng)電源恢復(fù)正常后，復(fù)位信號(hào)撤消。而 X25645 復(fù)位信號(hào)會(huì)持續(xù)一段時(shí)間（Tupres） ，以保證 CPU 可靠復(fù)位。隔離傳感器是30A/10Ma 的無(wú)源電流傳感器，當(dāng)工作電流小于或大于正常工作電流時(shí)，說(shuō)明電器工作異常，控制器報(bào)警并停止動(dòng)作。對(duì)于開(kāi)關(guān)信號(hào)通路，為防止強(qiáng)信號(hào)饋入，使用光耦的開(kāi)關(guān)來(lái)隔離。對(duì)于模擬信號(hào)通道，使用線性光耦隔離，如圖 35 為線性光耦的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和外部電路。 K1,K2≈1%，為達(dá)到輸入輸出電壓的線性，左邊的光敏二極管為運(yùn)放提供反饋控制信號(hào)。Vo=1P2*R2。值得注意的是由于電流轉(zhuǎn)換比只有 1%左右，因此在選擇 R1，R3 的阻值得要滿足 1P1/IF 大約為 1%，這樣電路才能工作在有效范圍內(nèi)。通過(guò)以上措施，使控制器與外界實(shí)現(xiàn)了電隔離。模擬通道需采用線性光耦隔離，如 16 路同時(shí)加入光耦，一則成本不合算，二則由于并行接入多的光耦會(huì)增加耦合電容值，反而降低信號(hào)能道的隔離性。這樣多路轉(zhuǎn)換，輸入放大電路就直接和信號(hào)接觸，未受任何保護(hù)。TVP 的外形與普通二極管無(wú)異，但卻能“吸收”高達(dá)數(shù)千瓦的浪涌功率。TVP 的工作很可靠。試驗(yàn)證明，TVP 安全工作于 10000 次脈沖后，其最大允許脈沖功率仍為原值的 80%以上。其中水質(zhì)傳感器對(duì)溫度變化較敏感，使用帶溫度被償?shù)乃釅A度和溶解氧傳感器可克服這一問(wèn)題。而時(shí)鐘芯片會(huì)自動(dòng)判斷電源腳和備用電源腳的電壓值，以電壓高的一個(gè)電源作為其電源輸入。污水處理自控系統(tǒng)12圖 27 按鍵的動(dòng)作示意圖由于機(jī)械觸點(diǎn)的彈性作用，在閉合及斷開(kāi)瞬間均有抖動(dòng)過(guò)程，會(huì)出現(xiàn)一系列負(fù)脈中。按鍵的穩(wěn)定閉合期，由操作人員的按鍵動(dòng)作所確定，一般為十分之幾秒至幾秒時(shí)間。通常去抖動(dòng)影響的措施有硬、軟件兩種。采用軟件除去抖動(dòng)影響的方法是檢測(cè)到有鍵按下時(shí)，執(zhí)行一個(gè) 10ms 的延時(shí)程序后再確認(rèn)該鍵電平是否仍保持閉合狀態(tài)電平，如保持閉合狀態(tài)電平則確認(rèn)為真正鍵按下?tīng)顟B(tài)，從而消除了抖動(dòng)影響。鍵盤電路如下：圖 28 按鍵電路原理圖 軟件設(shè)計(jì)本地控制器的程序固化在 89C52 的 8K 程序存儲(chǔ)器中，可獨(dú)立地按固化的流程工作。 用戶界面 本地控制器界面本地控制器的顯示信息全部都顯示在 24064 點(diǎn)陣液晶屏幕上，為簡(jiǎn)化操作只用簡(jiǎn)單的語(yǔ)句來(lái)表示信息。污水處理自控系統(tǒng)13圖 29 密碼輸入界面進(jìn)入功能選擇時(shí)，控制器會(huì)提示輸入密碼，密碼由 16 位“左” ， “右”鍵組成，密碼輸入正確后，進(jìn)入功能選擇菜單。圖 210 本地控制器的功能選擇界面再次按下“功能”鍵，或 10 秒中之內(nèi)無(wú)按鍵，控制器退回到工作界面。圖 211 本地控制器的工作界面圖 212 本地控制器的報(bào)警當(dāng)控制器檢查出來(lái)故障時(shí)，會(huì)用蜂鳴器報(bào)警，并將出故障的情況簡(jiǎn)要地顯示在屏幕上。8051 系列單片機(jī)應(yīng)用相當(dāng)廣泛，編程容易其控制功能也足以滿足普通控制器要求。為了提高開(kāi)發(fā)效率，避免用匯編語(yǔ)言程序的煩瑣，我們使用單片機(jī) C 語(yǔ)言來(lái)開(kāi)發(fā)。此外，C 語(yǔ)言程序具有完善的模塊程序結(jié)構(gòu)，從而為軟件開(kāi)發(fā)中采用模塊化程序設(shè)計(jì)方法提供了有力的保障。單片機(jī)程序設(shè)計(jì)以 C 語(yǔ)言為主，匯編語(yǔ)言為輔，匯編語(yǔ)言只在必要時(shí)才使用。如在木控制器的程序設(shè)計(jì)中，對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行 AD 采集時(shí)，得到的是整數(shù)值，而在顯示器上顯示時(shí)須轉(zhuǎn)換為實(shí)際值，它是一個(gè)帶一位小數(shù)的實(shí)數(shù)值。而如果采用取整和取余的方式計(jì)算，雖然過(guò)程復(fù)雜一點(diǎn)，卻避免了加入過(guò)多的庫(kù)函數(shù)。主流程循環(huán)執(zhí)行，檢查各種工作狀態(tài)，并執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作。中斷優(yōu)先級(jí)從高到低為定時(shí)中斷，鍵盤中斷，串口中斷。鍵盤中斷由外部中斷 0（INTO） ，外部中斷 1（INT1）組成，設(shè)置為下降沿信號(hào)觸發(fā)，四個(gè)按鍵按兩行兩列接線，兩根列線接在 89C52 的 P1 口上，置為低電平，兩根行線接在 INTO 和 INT1 的輸入上，并接上拉電阻。依次置高列線判斷輸入電平，就可確定是哪個(gè)按鍵接下了，并保存在鍵值存儲(chǔ)單元中，下面是第一行的兩個(gè)鍵按下后觸發(fā)外部中斷 0 的污水處理自控系統(tǒng)16響應(yīng)程序，鍵值保存在 Key 中，Wait()子程序?yàn)橄堆訒r(shí)，由于按鍵掃描和按鍵功能執(zhí)行是分開(kāi)的，中斷程序首先會(huì)判斷按鍵功能是否已執(zhí)行，阻止上一按鍵還未處理又出現(xiàn)新的按鍵輸入。//delay 10msIf(Rowl==0){Coll=1。If(Row1==1) //coll rowl key=0x01Key=0x01。Co12=1。}Coll=0Co12=0。}}}本地控制器的參數(shù)都保存在片內(nèi) RAM 或片外 EEPROM，本地控制器按照這些參數(shù)執(zhí)行操作。設(shè)計(jì)用兩個(gè)字節(jié)為一污水處理自控系統(tǒng)17個(gè)命令字節(jié)，第二個(gè)字節(jié)為數(shù)據(jù)字節(jié)。串口中斷程序如下：void Com(void )interrupt 4 using 1{if(Rl){RI=