水污染是我國城市面臨的嚴重環(huán)境問題，它不僅危害人民的身體健康，還抑制了我國經(jīng)濟的發(fā)展，破壞了生態(tài)平衡，并容易導致水荒的發(fā)生。城市污水處理設施的建設是現(xiàn)代化城市經(jīng)濟發(fā)展和水資源保護不可缺少的組成部分，工業(yè)污水由于成分復雜，有害污染物多，處理難度大，一直是企業(yè)發(fā)展壯大的瓶頸。為了實現(xiàn)污水處理的過程能在惡劣的環(huán)境中(溫差大、污水水質水量變化大、電網(wǎng)電壓波動大、電氣干擾嚴重)能夠連續(xù)、穩(wěn)定、可靠、準確地工作，對控制系統(tǒng)的要求有著比一般的過程控制系統(tǒng)更高的要求。

    隨著計算機控制技術的發(fā)展，可以對污水處理實現(xiàn)日常的信息化管理。針對湖北宜都高壩洲污水廠污水處理系統(tǒng)，南京康卓環(huán)境科技有限公司設計一套基于工業(yè)以太網(wǎng)和profibus總線的污水處理自控系統(tǒng)，對污水處理過程進行自動控制和遠程監(jiān)視。系統(tǒng)采用模糊pid控制方法，結合了模糊控制方法的動態(tài)性能和pid控制算法的穩(wěn)態(tài)性能，由上位機和現(xiàn)場設備構成。

 

2  污水處理工藝流程

 

    污水處理是一個復雜的大滯后的生化反應過程，如果通過機理的方法，建立精確的數(shù)學模型是很復雜的，而采用一般的控制方法，大滯后問題又很難被解決。此外，還有加混凝劑和曝氣等裝置以及污泥的處置單元來收集各個沉淀池的污泥。

 

3  污水處理控制系統(tǒng)總體方案

    污水處理控制部分由中央控制室、風機房、污泥處理房構成。中央控制室里面設置中央控制的plc和裝有wincc組態(tài)軟件的上位機以及電氣控制柜。風機房里面設置一個遠程i/o控制站和風機部分的電氣柜。污泥處理房設置一個遠程i/o控制站和污泥機的電氣控制柜。

    如圖2所示，系統(tǒng)采用以太網(wǎng)和現(xiàn)場總線混合型結構，現(xiàn)場層的通信采用profibus-dp主/從協(xié)議，使用屏蔽雙絞線作為傳輸介質，不同的子網(wǎng)和不同介質之間可通過藕合器或接口模塊連接。過程監(jiān)控層使用以太網(wǎng)協(xié)議，通過帶有雙網(wǎng)卡的plc進行通信協(xié)議的轉換，一塊網(wǎng)卡為profibus-dp網(wǎng)卡(自帶)，另一塊為以太網(wǎng)卡(cp343-1)。因此，plc作為現(xiàn)場總線中的一個站，又作為以太網(wǎng)上的一個站點，而操作員站計算機和工程師站計算機不作為現(xiàn)場總線網(wǎng)絡中的站點。只作為以太網(wǎng)中的節(jié)點，此網(wǎng)上的各站點相互之間的數(shù)據(jù)交換通過以太網(wǎng)進行，而現(xiàn)場的信息也通過以太網(wǎng)從plc的寄存器中讀取，控制現(xiàn)場的參數(shù)也由以太網(wǎng)送到dp主站plc的寄存器中，再通過主/從協(xié)議傳送到現(xiàn)場總線中的各從站。

 

    中央控制室由一臺操作站兼工程師站以及一臺打印機組成。過程plc控制系統(tǒng)主要選用西門子s7-300的產(chǎn)品。plc的cpu選用cpu315-2dp，它集成了profibus-dp總線的端口，利用這個口實現(xiàn)和遠程的兩個et200通信。在plc上還配置一塊cp343-1的工業(yè)以太網(wǎng)卡，還配置一臺以太網(wǎng)交換機osm實現(xiàn)與裝有wincc的操作站以及公司級的裝有pi軟件的監(jiān)視計算機通信。工程師站使用研華(advantech)工控機，配西門子的以太網(wǎng)卡cp1613，以wincc6.0中文版組態(tài)軟件為開發(fā)平臺組態(tài)的控制系統(tǒng)顯示畫面。采用基于tcp/ip協(xié)議的工業(yè)以太網(wǎng)實現(xiàn)上、下位機的通訊，從而實現(xiàn)整個城市污水處理的管、控一體化。

 

 

4  控制系統(tǒng)硬件設計

    plc選用西門子公司simatic s7-300的可編程序控制器進行程序控制。cpu選用帶有profibus-dp接口的cpu315-2dp，配有et200的遠程i/o點。由于這個污水站中央控制室與風機房和污泥機房都沒有超過200米，所以當選擇傳輸速率為1.5mbit/s的情況下，無需選擇rs-485中繼器即可直接用profibus電纜把它們連接起來。根據(jù)工藝的需要和控制要求，本系統(tǒng)需要數(shù)字輸入量76點，數(shù)字輸出量44點，模擬輸入點24點?？紤]到系統(tǒng)的余量，選用西門子的sm321的32點di32*24v數(shù)字量輸入模塊2塊，sm321的16點數(shù)字量di16*24v輸入模塊1塊；選用sm322的do32*24v數(shù)字輸出量模塊1塊，sm322的di16*24v數(shù)字量輸出模塊1塊；sm331的8點ai8*12bit模擬量輸入模塊3塊；sm332的2點ao2*12bit模擬量輸出模塊1塊；et200遠程i/o模塊兩個。

    數(shù)字輸入模塊sm321向外提供電源，將位于現(xiàn)場的開關觸點的狀態(tài)經(jīng)過光電隔離和濾波，將從過程傳輸來的外部數(shù)字信號轉化為內(nèi)部s7-300信號電平。然后送至輸入緩沖器等待cpu采樣，采樣過程是信號經(jīng)過背板總線進入到輸入映像區(qū)。數(shù)字輸出模塊將s7-300的內(nèi)部信號電平轉化為控制過程所需的外部信號電平。按負載回路使用的電源不同分為:直流輸出模塊、交流輸出模塊和交直流兩用輸出模塊。模擬量輸入模塊sm331用于將模擬量信號轉換成cpu內(nèi)部處理的數(shù)字信號，一塊sm331模塊中的各個通道可以分別使用電流輸入和電壓輸入，并選用不同的量程。有多種分辨率可供選擇(9-15位)，我們選擇的模塊是12位的，分辨率不同轉換時間也不同。

    西門子的et200是基于profibus-dp現(xiàn)場總線的分布式i/o，可以與經(jīng)過認證的非西門子公司生產(chǎn)profibus-dp主站協(xié)同運行。全集成自動化概念和step7使et200能與西門子的其它自動化系統(tǒng)協(xié)同運行，實現(xiàn)了從硬件配置到共享數(shù)據(jù)庫等所有層次上的集成。

 

5  控制系統(tǒng)軟件設計

5.1 plc程序設計

    plc中的程序分為操作系統(tǒng)和用戶程序，操作系統(tǒng)用來實現(xiàn)與特定的控制任務無關的功能，處理plc的啟動、刷新輸入/輸出過程映像表、調用用戶程序、處理中斷和錯誤、管理存貯區(qū)和處理通信等。用戶程序由用戶在step7中生成，然后將它下載到cpu。

    以本污水處理系統(tǒng)中的物料混合裝置典型控制流程為例，控制順序如圖3所示，用來將粉狀的固體物料(粉料)和液體物料(液料)按一定的比例混合在一起，經(jīng)過一定時間的攪拌后便得到成品。粉料和液料都用電子秤來計量。

 

 

    初始狀態(tài)時粉料秤秤斗、液料秤秤斗和攪拌器都是空的，它們底部的排料閥關閉；放料倉的放料閥關閉，粉料倉下部的螺旋輸送機的電動機和攪拌機的電動機停轉；q1.0到q1.4均為0狀態(tài)。

    plc開機后用ob100將初始步對應的m0.0置為1狀態(tài)，將其余各步對應的存儲器位復位為0狀態(tài)，并將mw10和mw12中的計數(shù)預置值分別送給減計數(shù)器c0和c1。

    按下啟動按鈕i2.0，q1.0變?yōu)?狀態(tài)，螺旋輸送機的電動機旋轉，粉料進入粉料秤的秤斗；同時q1.1變?yōu)?狀態(tài)，液料倉的放料閥打開，液料進入液料秤的秤斗。電子秤的光電碼盤輸出與秤斗內(nèi)物料重量秤正比的脈沖信號。減計數(shù)器c0和c1分別對粉料秤和液料秤產(chǎn)生的脈沖計數(shù)。粉料脈沖計數(shù)值減至0時，其常閉觸點閉合，粉料秤的秤斗內(nèi)的物料等于預置值。q1.0變?yōu)?狀態(tài)，螺旋輸送機的電動機停機。液料脈沖計數(shù)值減至0時，其常閉觸點閉合，液料秤內(nèi)的物料等于預置值。q1.1變?yōu)?狀態(tài)，關閉液料倉的放料閥。

    計數(shù)器的當前值非0時，計數(shù)器的輸出位為1，反之為0。粉料稱量結束后，c0的常閉觸點閉合，轉換條件滿足，粉料秤從步m0.1轉換到等待步m0.2，預置值送給c0，為下一次稱量做好準備。同樣的，液料稱量結束后，液料秤從步m0.3轉換到等待步m0.4，預置值送給c1。步m0.2和m0.4后面的轉換條件“=1”表示轉換條件為二進制常數(shù)1，即轉換條件為二進制常數(shù)1，即轉換條件總是滿足的。因此在兩個秤的稱量都結束后，m0.2和m0.4同時為活動步，系統(tǒng)將“無條件地”轉換到步m0.5，q1.2變?yōu)?狀態(tài)，打開電子秤下部的排料門，兩個電子秤開始排料，排料過程用定時器t0定時。同時q1.3變?yōu)?狀態(tài)，攪拌機開始攪拌。t0的定時時間到時排料結束，轉換到步m0.6，攪拌機繼續(xù)攪拌。t1的定時時間到停止攪拌，轉換到步m0.7，q1.4變?yōu)?狀態(tài)，攪拌器底部的排料門打開，經(jīng)過t2的時間后，關閉排料門，一個工作循環(huán)結束。

    本系統(tǒng)要求在按了啟動按鈕i2.0后，能連續(xù)不停地工作下去。按了停止按鈕i2.1后，并不立即停止運行，要等到當前工藝周期的全部工作完成，成品排放結束后，再從步m0.7返回到初始步m0.0。

5.2 監(jiān)控界面設計

    利用wincc6.0組態(tài)軟件開發(fā)的的污水處理監(jiān)控界面包括調節(jié)池、厭氧池、a2/o反應池、四沉池、風機及水泵、加藥等控制界面。

    以調節(jié)池、風機及水泵界面為例，工業(yè)污水在調節(jié)池中的液位可以實時監(jiān)測，還可以通過i/o域讀取溫度，流量及ph值等數(shù)據(jù)。圖6中，可以通過電機的顏色和風機工作狀態(tài)表觀察電機的工作狀態(tài)，實現(xiàn)手動和自動控制。