基于組態(tài)王的污水處理控制系統(tǒng)畢業(yè)設(shè)計(jì)

1、哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文污水廠上位監(jiān)控管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)摘 要隨著我國經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，環(huán)境保護(hù)已經(jīng)是一個(gè)突出的需要重視的問題。污水處理在環(huán)境保護(hù)中又是一個(gè)最重要的環(huán)節(jié)。同時(shí)隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和我國污水處理過程的迅速發(fā)展，對(duì)污水處理過程自動(dòng)化程度要求不斷提高，利用先進(jìn)的控制技術(shù)和設(shè)備對(duì)污水處理過程進(jìn)行監(jiān)控是非常必要的。同時(shí)，由于污水過程的高度非線性、進(jìn)水流量等參數(shù)隨機(jī)變化很大以及生物傳感器的缺乏，使一些重要變量（例如生物需氧量和化學(xué)需氧量）還沒有成熟的經(jīng)濟(jì)的在線測量設(shè)備，這樣對(duì)污水處理的過程控制進(jìn)行研究就有著重要的意義。 本文介紹了我國污水處理廠自動(dòng)化控制系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢，及污水處理工藝流程，

2、結(jié)合國情和污水處理廠實(shí)際，設(shè)計(jì)出污水處理自動(dòng)化控制系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)?？刂葡到y(tǒng)的設(shè)計(jì)分為兩個(gè)部分：PLC程序的開發(fā)：確定了各個(gè)分系統(tǒng)控制要求，首先對(duì)各個(gè)分系統(tǒng)進(jìn)行編程，再進(jìn)行整體程序的調(diào)試。上位機(jī)監(jiān)控軟件組態(tài)王的開發(fā)：按照污水處理流程開發(fā)了污水處理設(shè)備的監(jiān)控畫面，建立了設(shè)備操作、設(shè)備狀態(tài)與水質(zhì)參數(shù)的數(shù)據(jù)庫及水質(zhì)參數(shù)的實(shí)時(shí)曲線，實(shí)現(xiàn)了全廠生產(chǎn)報(bào)表的自動(dòng)生成與打印功能。對(duì)每一個(gè)界面都有圖形設(shè)計(jì)畫面和運(yùn)行畫面，完全利用了組態(tài)王的強(qiáng)大組態(tài)功能，更加方便了對(duì)污水處理廠的監(jiān)控。關(guān)鍵詞： 污水處理； 組態(tài)王； S7-300； ProfibusThe Design of Computer Monitoring a

3、nd Manager System in the Wastewater Treatment FactoryAbstractWith the high speed development of our country economy, the environmental protection is already an outstanding problem which needs more attention. Wastewater treatment is the most important link in the environmental protection. With the qu

4、ick development of the computer technique and the wastewater treatment in our country, the demand upon the automation of wastewater treatment is rising all the while. Making use of the advanced control technique and equipments to supervise and control wastewater treatment is very necessary. In the m

5、eantime, because of the strong nonlinear of wastewater treatment, the many varieties of random parameters as input flux and the lack of biologic sensor, there isnt mature and cheap online measurement. It is full of significance to the research of the sewage treatment.This essay introduces the curren

6、t studying situation of the sewage treatment automates in China, the developing trend, and the main process flow of sewage treatment. According to the national conditions and sewage treatment factory reality, the essay put forward the designing of the main structure of the sewage automatic treatment

7、 system. The control system has two parts:PLC program：I defined the control request of each subsystem firstly，then I finished the design of the program，and debug the program of the whole system at lastThe development of computer monitoring software Kingview：I developed the supervision interface of w

8、astewater treatment，and established the database of equipment operation，the state of equipment running time and displayed the real-time curve of water qualitys parameterIt also can print the reports of the whole factoryEvery interface has a developed designing picture and a running pictureThrough th

9、e great configuration abilities of Kingview，supervise of wastewater treatment factory is very convenientKey words: Wastewater treatment; Kingview; S7-300;Profibus目 錄摘 要IAbstractII第1章 緒 論- 8 -1.1課題研究的目的和意義- 1 -1.1.1課題背景- 1 -1.1.2研究的目的及意義- 2 -1.2污水處理自動(dòng)化系統(tǒng)的現(xiàn)狀- 3 -1.2.1污水處理自動(dòng)化系統(tǒng)國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀- 3 -1.2.2監(jiān)控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)-

10、 5 -1.2.3污水處理自動(dòng)化系統(tǒng)發(fā)展趨勢- 6 -1.3本文主要工作- 7 -第2章 污水處理工藝方案設(shè)計(jì)- 8 -2.1污水來源- 8 -2.2污水處理工藝- 8 -2.2.1污水處理工藝- 8 -2.2.2活性污泥法處理工藝- 10 -2.2.微生物在污水處理系統(tǒng)中的應(yīng)用- 11 -第3章 污水處理自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)- 13 -3.1現(xiàn)場總線- 13 -3.2PROFIBUS現(xiàn)場總線介紹- 14 -3.3 污水處理自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)- 16 -3.4污水處理自動(dòng)控制過程- 18 -3.5 PLC部分設(shè)計(jì)- 19 -第4章 上位機(jī)監(jiān)控軟件的設(shè)計(jì)- 25 -4.1組態(tài)軟件在污水處理中的應(yīng)用-

11、 25 -4.2上位機(jī)監(jiān)控軟件設(shè)計(jì)要求- 25 -4.3組態(tài)王軟件功能描述- 26 -4.4組態(tài)王軟件的數(shù)據(jù)流- 27 -4.5具體監(jiān)控過程的設(shè)計(jì)- 27 -總結(jié)- 31 -參考文獻(xiàn)- 32 -致謝- 34 -附 錄- 35 - 51 -第1章 緒 論1.1課題研究的目的和意義1.1.1課題背景水是一切生物必不可少的資源之一。雖然我國水資源總量達(dá)年徑流居全球第六位。但人均僅為,只有全球平均值的四分之一，屬于水資源短缺的國家。中國北方和西部部分地區(qū)已處于國際公認(rèn)的極度缺水程度。特別是20世紀(jì)50年代以后，全球人口急劇增長，工業(yè)發(fā)展迅速。一方面，人類對(duì)水資源的需求以驚人的速度擴(kuò)大；另一方面，日益嚴(yán)

12、重的水污染蠶食大量可供利用的水資源。全球水資源狀況迅速惡化，“水危機(jī)”日趨嚴(yán)重。隨著我國社會(huì)和經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，環(huán)境的污染程度也在不斷加大。環(huán)境問題日益突出，城市污水排放量逐年增加。截止到2009年，我國每年工業(yè)廢水和城市 污水合計(jì)排放量約達(dá)600億，使得大部分河流湖泊受到不同程度的污染。長期飲用受到污染的水已造成腫瘤、癌癥等疾病發(fā)生率的增加。河流斷流、地面沉降、湖泊和濕地減少等問題造成水生態(tài)嚴(yán)重失衡。水環(huán)境問題已成為制約經(jīng)濟(jì)發(fā)展、影響社會(huì)穩(wěn)定、危及人體健康的重要因素。近年來，國家和地方政府非常重視污水處理事業(yè)，正以前所未有的速度推進(jìn)城市污水處理工程的建設(shè)。根據(jù)國家“十一五”計(jì)劃和建設(shè)部城市污水

13、處理規(guī)劃要求，到2010年，要新建城市污水處理廠1 000余座，城市污水處理率不低于，污水廠的投資將達(dá)1 800億元，屆時(shí)，我國城市污水處理廠設(shè)計(jì)規(guī)模將超過9000萬 。 污水處理廠進(jìn)水水質(zhì)日益復(fù)雜多變，而處理后的排水要求和標(biāo)準(zhǔn)卻日益提高，管理目標(biāo)也日益嚴(yán)格，要將污水處理過程進(jìn)行的有條不絮，要在多變的外部環(huán)境下始終保持污水處理系統(tǒng)的良好性能，單純通過人工的經(jīng)驗(yàn)控制是難以達(dá)到的，也是缺乏經(jīng)濟(jì)效益的。尤其是在大量新建的大型污水處理廠，由于缺乏經(jīng)驗(yàn)豐富的運(yùn)行管理人員，全廠的管理控制更加困難。通過自動(dòng)控制系統(tǒng)在一定程度上代替人的作用是具有效益和效果的方法，這在國外的許多工程實(shí)踐中已經(jīng)得到證實(shí)。 隨著電

14、子技術(shù)的飛速發(fā)展，越來越多的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、工業(yè)計(jì)算機(jī)技術(shù)、PLC控制技術(shù)、儀表技術(shù)、顯示技術(shù)設(shè)備被用于污水處理廠的自動(dòng)控制設(shè)計(jì)中，更多的研究者開始致力于污水廠自動(dòng)控制的設(shè)計(jì)和應(yīng)用。但是在我國大部分污水處理廠的自動(dòng)控制應(yīng)用方面仍存在著很多問題，例如自動(dòng)控制水平低下、傳感器技術(shù)發(fā)展滯后、缺乏工程經(jīng)驗(yàn)的平臺(tái)等。正是缺乏自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)或方案的選擇，使得自動(dòng)控制設(shè)計(jì)在理論轉(zhuǎn)向?qū)嶋H應(yīng)用的過程中受到了阻礙。1.1.2研究的目的及意義 本課題的目的是根據(jù)我國污水處理廠的實(shí)際運(yùn)行情況，充分利用各種最新的工業(yè)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、PLC集散控制技術(shù)、現(xiàn)場總線技術(shù)、在線檢測儀器儀表技術(shù)、模糊算法等，設(shè)計(jì)一套先進(jìn)穩(wěn)定的污水

15、處理自動(dòng)控制系統(tǒng)。要求該系統(tǒng)適合我國國情，既能滿足工藝特殊要求又具有廣泛可移植性，從而滿足市場要求，保證污水廠生產(chǎn)設(shè)備的安全穩(wěn)定運(yùn)行于維護(hù)，保證水廠的各項(xiàng)排水指標(biāo)合格。因此，本課題的研究是非常必要的，具有以下現(xiàn)實(shí)意義：1污水處理過程工藝復(fù)雜，具有連續(xù)生產(chǎn)、參數(shù)檢測困難、干擾多等特點(diǎn)，污水處理自動(dòng)控制系統(tǒng)，可以根據(jù)“水處理的工藝要求”，實(shí)現(xiàn)污水處理設(shè)備的自動(dòng)控制。通過自動(dòng)控制系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)水處理設(shè)備按照預(yù)先設(shè)定的工藝要求進(jìn)行運(yùn)行，同時(shí)可以在線監(jiān)視設(shè)備的運(yùn)行狀況以及在線采集水處理的參數(shù)。自動(dòng)控制系統(tǒng)可以減少能耗，最大限度地提高污水處理廠運(yùn)行的可靠性。除此之外，還可以提高出水水質(zhì)、降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度達(dá)到

16、顯著提高經(jīng)濟(jì)效益的目的。2各種新技術(shù)的應(yīng)用，對(duì)提高我國污水處理自控的整體水平具有很大的借鑒意義。如采用PLC集散控制系統(tǒng)，具有集中監(jiān)控、分散控制、操作方便的特點(diǎn)。利用現(xiàn)場總線技術(shù)，改進(jìn)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，提高其性能和通用性?，F(xiàn)場總線系統(tǒng)的開放性、互可操作性與互用性、智能化以及對(duì)現(xiàn)場環(huán)境的適應(yīng)，使得現(xiàn)場總線系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡化，使控制系統(tǒng)從設(shè)計(jì)、安裝、投運(yùn)到正常生產(chǎn)運(yùn)行及其檢修維護(hù)，都體現(xiàn)出優(yōu)越性。3設(shè)計(jì)自動(dòng)控制系統(tǒng)的現(xiàn)實(shí)意義，根據(jù)國外的污水處理經(jīng)驗(yàn)，自動(dòng)控制在污水處理廠穩(wěn)定優(yōu)化運(yùn)行中的作用日益顯著。因此，在我國污水廠中建立或完善污水處理自動(dòng)控制系統(tǒng)勢在必行，這就迫切需要針對(duì)我國污水廠的實(shí)際情況，設(shè)計(jì)自動(dòng)控

17、制的解決方案。污水處理過程是非線性、大時(shí)變、大滯后、干擾嚴(yán)重的復(fù)雜系統(tǒng)，設(shè)計(jì)一套行之有效的污水處理廠自動(dòng)控制系統(tǒng)，不僅具有重要的現(xiàn)實(shí)意義，而且具有重要的理論意義和推廣價(jià)值。1.2污水處理自動(dòng)化系統(tǒng)的現(xiàn)狀1.2.1污水處理自動(dòng)化系統(tǒng)國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀按照國家“十一五”規(guī)劃的要求，2010年全國城市的污水處理率不低于，每年用于水污染防治投資將超過400億元以上。正是看到存在如此大的市場機(jī)會(huì)，國外水務(wù)企業(yè)如蘇伊士里昂水務(wù)集團(tuán)、泰晤士水務(wù)公司、美國萊姆納公司等紛紛進(jìn)入我國市場，它們?yōu)槲覈鬯幚韽S成功的運(yùn)用自動(dòng)化技術(shù)提供了范例。自動(dòng)化系統(tǒng)在污水處理過程中所發(fā)揮的重要作用已逐漸被認(rèn)識(shí)，并受到普遍重視。 面對(duì)巨

18、大的市場需求，勢必要研究和開發(fā)出具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的自動(dòng)化系統(tǒng)及配套設(shè)備。但是由于技術(shù)或成本的原因，近期進(jìn)口的硬件仍將占據(jù)國內(nèi)主導(dǎo)市場，因而，立足實(shí)際，只能在軟件方面做出適合我國國情并滿足污水處理工藝特性要求的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，形成具有良好性價(jià)比、可靠實(shí)用的專用成套設(shè)備的生產(chǎn)能力。目前，國內(nèi)污水處理的控制水平基本分為三個(gè)大的檔次。手動(dòng)操作：采用常規(guī)分散儀表對(duì)污水處理過程中的液位、流量、溫度、濁度、pH值，溶解氧濃度(DO)、生化需氧量(BOD)、化學(xué)需氧量(COD)、污泥濃度(MLSS)等性能指標(biāo)進(jìn)行離線或在線采集，根據(jù)數(shù)據(jù)得出控制要求，操作員在現(xiàn)場控制主要設(shè)備，如閥門的開閉，電機(jī)的啟停，鼓風(fēng)量的調(diào)節(jié)等

19、等，在這種控制方式下，控制完傘由工人在現(xiàn)場操作，工藝參數(shù)得不到可靠保證，污水處理后出水質(zhì)量難以保證，穩(wěn)定性差，工人操作勞動(dòng)強(qiáng)度大，主要設(shè)備和裝置不能工作在最佳狀態(tài)。這種控制方式由于投資少，主要在一些小型污水處理場合應(yīng)用。半自動(dòng)控制：通過數(shù)據(jù)采集器等手段采集局部過程量送入控制室，一般在控制室設(shè)有工藝模擬顯示屏或上位機(jī)，在模擬屏或上位機(jī)上顯示液位、流量、溫度、濁度、pH值、溶解氧濃度(DO)、生化需氧量(BOD)、化學(xué)需氧量(COD)、污泥濃度(MLSS)等過程參數(shù)，和電機(jī)、閥門運(yùn)行狀態(tài)，對(duì)生產(chǎn)過程進(jìn)行監(jiān)控，上位機(jī)操作人員可以在模擬屏或操作臺(tái)上遙控部分設(shè)備的啟停，而某些設(shè)備控制就需要聯(lián)系現(xiàn)場操作人

20、員，由現(xiàn)場操作人員手工控制，生產(chǎn)巾的數(shù)據(jù)需要人工記錄。這種控制方式，需要人工的頻繁介入，中間存在人為聯(lián)絡(luò)的延遲，使出水質(zhì)量會(huì)有較大的波動(dòng)，工人的勞動(dòng)強(qiáng)度也較大，國內(nèi)小型污水處理較多采用。全自動(dòng)控制：采用計(jì)算機(jī)控制技術(shù)與多層次的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)對(duì)污水處理全程生產(chǎn)工序進(jìn)行無人值守的傘自動(dòng)控制。生產(chǎn)過程控制巾的各種信號(hào)通過相應(yīng)變送器送入下位機(jī)，一般下位機(jī)采用可靠的PLC作為控制單元，運(yùn)行先進(jìn)的控制算法，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場設(shè)備的實(shí)時(shí)控制。作為上位機(jī)的工業(yè)控制計(jì)算機(jī)采用TCPIP協(xié)議和標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫，掛在以太網(wǎng)上，實(shí)現(xiàn)信息的集成管理和遠(yuǎn)程控制。上、下位機(jī)之間通過網(wǎng)絡(luò)傳送采集參數(shù)和遠(yuǎn)程控制參數(shù)。這種控制方式是自控技術(shù)的發(fā)展方向

21、，國內(nèi)外的大型污水處理廠都在使用。 近年來國內(nèi)引進(jìn)國外先進(jìn)技術(shù)應(yīng)用于污水廠的自動(dòng)控制系統(tǒng)，已廣泛采用集散式監(jiān)控系統(tǒng)，應(yīng)用了自動(dòng)化程度較高的檢測儀表，各種新工藝、新設(shè)備也層出不窮并得到應(yīng)用，取得了較好的效果。但仍然存在很多問題，綜合來看，我國城市污水處理廠自動(dòng)控制系統(tǒng)存在以下特點(diǎn)和不足：1各種類型、不同等級(jí)的控制系統(tǒng)和控制方式并存。發(fā)達(dá)地區(qū)的大部分新建污水廠開始采用計(jì)算機(jī)集散式控制系統(tǒng)，但在大量現(xiàn)有和改造的污水廠中控制系統(tǒng)仍然延續(xù)著巡檢和人工方式。2各種新的污水處理工藝不斷出現(xiàn)，各種控制理論開始得到廣泛應(yīng)用，單元控制系統(tǒng)(如混凝劑投加控制、生物濾池控制、曝氣控制等)已經(jīng)逐漸開始采用自動(dòng)控制方式。

22、3污水處理廠控制系統(tǒng)的監(jiān)控和通訊功能在硬件和軟件開發(fā)利用方面存在極大不足，妨礙了處理過程的高效、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。而且許多控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)際工藝不相符，軟件漢化比較差，給系統(tǒng)正常運(yùn)行造成了困難。4污水處理自動(dòng)控制系統(tǒng)中所采用的一些自動(dòng)化檢測設(shè)備、儀表、閥門的功能和精度目前還不夠完善，在實(shí)際應(yīng)用中達(dá)不到預(yù)期的效果，誤差很大，因此，如果單純依靠這些檢測設(shè)備來判斷污水處理情況并實(shí)施自動(dòng)控制，往往很難達(dá)到處理水質(zhì)達(dá)標(biāo)排放和節(jié)約能源的目的。5污水水質(zhì)的檢測與控制存在滯后問題，例如根據(jù)好氧池中的DO來控制鼓風(fēng)機(jī)的曝氣風(fēng)量，由于生化處理系統(tǒng)本身是出于動(dòng)態(tài)平衡當(dāng)中的，操作人員通過在線實(shí)時(shí)監(jiān)測發(fā)現(xiàn)DO偏低（或偏高），

23、并通過調(diào)節(jié)鼓風(fēng)機(jī)葉輪轉(zhuǎn)速或者鼓風(fēng)機(jī)數(shù)量來增加或減少曝氣量，在此過程中，DO值檢測與鼓風(fēng)機(jī)風(fēng)量調(diào)節(jié)之間的滯后可能會(huì)導(dǎo)致鼓風(fēng)機(jī)無法準(zhǔn)確的根據(jù)好氧池中實(shí)際溶解氧的濃度來提供曝氣量，難以真正達(dá)到節(jié)能的目的。6儀器設(shè)備維護(hù)難度大。例如pH計(jì)、污泥濃度計(jì)、泥位計(jì)等儀器均有嚴(yán)格的使用維護(hù)要求，包括接觸探頭的定期清洗、標(biāo)定，設(shè)備損耗維修等，并且現(xiàn)階段我國污水處理廠大都采用進(jìn)口設(shè)備儀表，價(jià)格昂貴，這也在一定程度上增加了污水處理廠的投資費(fèi)用。7國產(chǎn)自控系統(tǒng)、儀表、設(shè)備的質(zhì)量、成套和系列化急需進(jìn)一步提高，特別是國內(nèi)一些復(fù)雜高效新工藝的出現(xiàn)，對(duì)相應(yīng)的自動(dòng)控制設(shè)備提出了更高的要求。1.2.2監(jiān)控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)從監(jiān)控系統(tǒng)的

24、總體結(jié)構(gòu)來講，目前國內(nèi)污水廠的計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)通常采用以下幾種常用形式：1SCADA系統(tǒng)SCADA(Supervisory Control And Data Acquistition)系統(tǒng)，即監(jiān)視控制與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，是以計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)的生產(chǎn)過程控制與調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)，它可以對(duì)現(xiàn)場的運(yùn)行設(shè)備進(jìn)行監(jiān)視和控制，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、設(shè)備控制、測量、參數(shù)調(diào)節(jié)以及各類信號(hào)報(bào)警等各項(xiàng)功能。由一個(gè)主控(MTU)和若干遠(yuǎn)程終端站(RTU)組成，MTU與RTU之間用物理鏈路層或數(shù)據(jù)鏈路層聯(lián)系。系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)通訊功能較強(qiáng)，可實(shí)現(xiàn)連續(xù)及順序控制，側(cè)重于監(jiān)測和少量控制，適用于被測點(diǎn)地域分布較廣的場合。但是系統(tǒng)實(shí)時(shí)性較差，無法實(shí)現(xiàn)大規(guī)模

25、和復(fù)雜的控制功能。2DCS系統(tǒng)DCS(Distributed Control System)集散控制系統(tǒng)，又名分布式計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，是由計(jì)算機(jī)技術(shù)、信號(hào)處理技術(shù)、測量控制技術(shù)、通訊網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、CRT技術(shù)、圖形顯示技術(shù)及人機(jī)接口技術(shù)相互滲透發(fā)展而產(chǎn)生的。由計(jì)算機(jī)和現(xiàn)場終端連接組成。通過網(wǎng)絡(luò)將現(xiàn)場控制站、檢測站和操作管理站、控制管理站及工程師站聯(lián)接起來，共同完成分散控制和集中操作、管理的綜合監(jiān)控系統(tǒng)。它適用于各種生產(chǎn)過程，側(cè)重于連續(xù)性生產(chǎn)過程控制。能提高生產(chǎn)自動(dòng)化水平和管理水平。該系統(tǒng)的特點(diǎn)是：（1）采用分級(jí)分布式控制。系統(tǒng)按不同功能組成分級(jí)分布子系統(tǒng)，各子系統(tǒng)執(zhí)行自己的控制程序，處理現(xiàn)場輸入輸出信

26、息，減少了對(duì)系統(tǒng)的信息傳輸量，使系統(tǒng)應(yīng)用程序較為簡單。（2）在物理上實(shí)現(xiàn)了真正的分散控制，使系統(tǒng)的危險(xiǎn)性分散，可靠性提高。（3）有較好的擴(kuò)展能力。借助網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，可以完成縱向和橫向通訊以及高層的管理機(jī)通訊，系統(tǒng)擴(kuò)展方便。（4）系統(tǒng)軟、硬件資源豐富，可適應(yīng)各種特殊要求。（5）實(shí)時(shí)性好、響應(yīng)時(shí)間快。（6）應(yīng)用軟件的編程工作量大，對(duì)開發(fā)和維護(hù)人員要求高，開發(fā)周期較長。3PC+PLC系統(tǒng)PC+PLC系統(tǒng)由高性能個(gè)人計(jì)算機(jī)(PC)和可編程控制器(PLC)組成。中控室設(shè)置PC組成的操作監(jiān)控站和工程師監(jiān)控站，通過網(wǎng)絡(luò)聯(lián)結(jié)PLC組成的多個(gè)分控站，實(shí)時(shí)多任務(wù)集散型(集中管理、分散控制)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)

27、，能對(duì)生產(chǎn)過程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，對(duì)生產(chǎn)數(shù)據(jù)自動(dòng)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)處理。系統(tǒng)穩(wěn)定性能好，開發(fā)、維護(hù)、操作簡便。開發(fā)方便，應(yīng)用也非常靈活。該系統(tǒng)的特點(diǎn)是：（1）可實(shí)現(xiàn)分級(jí)分布式控制，可實(shí)現(xiàn)“集中管理、分散控制，大大提高了系統(tǒng)的安全性。（2）可靠性高、組網(wǎng)方便。硬件系統(tǒng)配置簡潔，很容易在網(wǎng)絡(luò)中增減PLC來實(shí)擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)的目的。（3）編程方便、開發(fā)周期短、維護(hù)簡易。（4）系統(tǒng)內(nèi)配置和調(diào)整非常方便。（5）與工業(yè)現(xiàn)場信號(hào)直接相連，易于實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化。4工業(yè)現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)FCS(Fieldbus Control System)是由DCS與PLC發(fā)展而來的，是基于現(xiàn)場總線的自動(dòng)控制系統(tǒng)，即以現(xiàn)場總線作為工廠底

28、層網(wǎng)絡(luò)，通過網(wǎng)絡(luò)集成而構(gòu)成的自動(dòng)控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，按照公開、規(guī)范的通訊協(xié)議在智能設(shè)備之間、智能設(shè)備與遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)之間實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸和信息交換，從而實(shí)現(xiàn)控制與管理一體化的綜合自動(dòng)控制系統(tǒng)。當(dāng)前國際上具有代表性的現(xiàn)場總線技術(shù)與產(chǎn)品是EIARS一485總線、PROFIBUS，CANBUS與LONWORKS等。FCS系統(tǒng)以分散的虛擬控制站代替集中的控制站，其基礎(chǔ)是數(shù)字智能現(xiàn)場裝置。FCS系統(tǒng)執(zhí)行的是自動(dòng)控制裝置與現(xiàn)場裝置之間的雙向數(shù)字通信現(xiàn)場總線信號(hào)制。該系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是：（1）軟、硬件資源豐富，工控機(jī)由于與PC兼容，可借助PC機(jī)豐富的軟、硬件資源。（2）響應(yīng)時(shí)間較快，實(shí)時(shí)性較好。（3）不同廠家產(chǎn)品可以互聯(lián)，組成

29、復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)。（4）在國際標(biāo)準(zhǔn)化組織內(nèi)存在著不同派別及企業(yè)的競爭優(yōu)勢。工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)的完全數(shù)字化、并進(jìn)一步采用某種標(biāo)準(zhǔn)，是實(shí)施現(xiàn)場總線技術(shù)的基礎(chǔ)。以上網(wǎng)種系統(tǒng)各有優(yōu)缺點(diǎn)，后三種在目前的工業(yè)中獲得了較多的運(yùn)用。1.2.3污水處理自動(dòng)化系統(tǒng)發(fā)展趨勢 從我國目前運(yùn)行的大多數(shù)污水廠來看，由上位機(jī)和現(xiàn)場PLC控制單元組成的、兩個(gè)層次的集散式監(jiān)控系統(tǒng)具有很好的適應(yīng)性，為國內(nèi)污水處理自動(dòng)化系統(tǒng)應(yīng)用的主要形式。但未來污水處理廠自動(dòng)化控制系統(tǒng)發(fā)展的主要趨勢仍是以中央控制室、實(shí)時(shí)控制層、現(xiàn)場層三個(gè)層次的控制系統(tǒng)。設(shè)計(jì)和開發(fā)適合我國國情的大中型城市污水處理廠自動(dòng)控制系統(tǒng)，在吸收國外先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)和充分了解工藝過程的基礎(chǔ)上，研

30、制并開發(fā)出性價(jià)比較高的國產(chǎn)污水處理廠自動(dòng)控制系統(tǒng)是十分必要的。 從國內(nèi)污水處理自動(dòng)化系統(tǒng)的發(fā)展來看，在設(shè)計(jì)中應(yīng)重視以下問題：1控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)該依據(jù)污水廠的規(guī)模、工藝復(fù)雜程度合理地選擇控制系統(tǒng)。使自控水平、設(shè)備水平與工藝水平相適應(yīng)，控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)要力求簡明，避免復(fù)雜的控制模式造成系統(tǒng)可靠性下降的問題。針對(duì)污水處理工藝特點(diǎn)，研究優(yōu)化控制機(jī)理，開發(fā)與主導(dǎo)工藝相適應(yīng)的污水處理廠集散式自動(dòng)化控制系統(tǒng)。2污水處理工藝發(fā)展很快，一些復(fù)雜高效工藝的出現(xiàn)，使自控系統(tǒng)從固定程序向智能化發(fā)展。特別是一些重要的工藝環(huán)節(jié)如絮凝加藥、泵站調(diào)度、鼓風(fēng)機(jī)曝氣量控制、二次生化處理等采用先進(jìn)的檢測儀器和智能化的控制方式，不僅可以

31、提高處理效果，而且可以獲得明顯的經(jīng)濟(jì)效益，對(duì)污水廠的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行意義重大。因此，在自控系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)積極地引入新的控制方法和控制設(shè)備。3應(yīng)在設(shè)計(jì)過程中考慮合理地平衡進(jìn)口設(shè)備和國產(chǎn)配套設(shè)備的比例。坦白地講，國產(chǎn)自控設(shè)備在目前很難得到廣泛應(yīng)用，進(jìn)口設(shè)備將占主導(dǎo)地位。但自控系統(tǒng)、儀表、執(zhí)行設(shè)備的國產(chǎn)化和系列化將迅猛發(fā)展，而且一些進(jìn)口設(shè)備在軟、硬件上出現(xiàn)問題造成系統(tǒng)無法運(yùn)行的情況也時(shí)有發(fā)生，特別是備品、備件和軟件接口問題困擾著不少污水處理廠，因此應(yīng)在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)重點(diǎn)開發(fā)國產(chǎn)軟、硬件設(shè)備，開發(fā)在線式連續(xù)測量的COD儀、TOC儀、氨氮儀、污泥濃度儀、沼氣流量計(jì)，改善溶解氧儀、pH儀、水位計(jì)在污水環(huán)境中的運(yùn)行性能

32、。1.3本文主要工作 本課題中我對(duì)污水處理過程控制系統(tǒng)的上位機(jī)的組態(tài)部分、下位機(jī)控制部分進(jìn)行了設(shè)計(jì)，根據(jù)污水處理流程和污水廠的具體要求，完成了系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)，軟件設(shè)計(jì)，現(xiàn)場安裝和調(diào)試工作。 第1章是綜述，分析了國內(nèi)污水處理廠自動(dòng)化系統(tǒng)的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢。第2章對(duì)工業(yè)污水處理流程的整個(gè)工藝流程進(jìn)行詳盡的介紹和分析。第3章和第4章設(shè)計(jì)了污水處理控制系統(tǒng)。根據(jù)污水廠的要求，制定了工藝上可行的整體控制方案，以尋求最大程度上實(shí)現(xiàn)全部工藝的自動(dòng)化。根據(jù)工藝要求對(duì)西門子PLC和組態(tài)王進(jìn)行了編程，以實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場儀表的控制功能和組態(tài)王的監(jiān)視管理功能。第5章是總結(jié)。第2章 污水處理工藝方案設(shè)計(jì)2.1污水來源 本系統(tǒng)設(shè)計(jì)

33、面向的對(duì)象主要為城市工業(yè)及生活污水。其中工業(yè)廢水約為，生活廢水約為。由于廢水的有機(jī)物污染物濃度較高，可生化性較好，適合于進(jìn)行生物降解。廢水的排放不均勻，水質(zhì)、水量的波動(dòng)較大，處理系統(tǒng)要有一定的可調(diào)性和抗沖擊負(fù)荷的能力。目前來看，以控制富營養(yǎng)化為目的的氮、磷脫除已成為城市污水處理的主要目標(biāo)。因此，處理系統(tǒng)要有較好的脫氮除磷能力，以確保在去除有機(jī)物的同時(shí)去除氮磷污染。在污水處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)的過程中，考慮到污水處理廠的實(shí)際情況，污水處理系統(tǒng)應(yīng)朝著最小的COD氧化、最低的釋放、最少的剩余污泥產(chǎn)量以及實(shí)現(xiàn)磷回收和處理水回用等方向努力。2.2污水處理工藝2.2.1污水處理工藝 近年來在城市污水處理的工藝中，比

34、較流行的污水處理工藝有很多種，如AB法、氧化溝法、生物膜法、卡魯塞爾氧化溝、奧貝爾氧化溝、一體化氧化溝、A/O工藝、A/A/O工藝、生物曝氣過濾、UNITANK的工藝、SBR法等（SBR法經(jīng)過不斷演變和改良，又產(chǎn)生或同期發(fā)展為和）， 各種工藝都有其各自的特點(diǎn)。因此一個(gè)污水處理廠的工藝選擇應(yīng)根據(jù)污水量、污水水質(zhì)和排放標(biāo)準(zhǔn)，在考慮經(jīng)濟(jì)條件和管理水平的前提下，選用安全可靠、技術(shù)先進(jìn)、節(jié)能、運(yùn)行費(fèi)用低、投資省、操作管理方便的成熟工藝。 本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要是為了處理城市污水，處理后的廢水要求達(dá)到國家綜合排放二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)對(duì)產(chǎn)生的污泥進(jìn)行相應(yīng)的處理，以免造成二次環(huán)境污染。城市污水主要含有懸浮固體、微生物和有

35、機(jī)物等，污染物濃度相對(duì)較低。所以污水處理工藝采用活性污泥法，具體處理工藝為生物處理池、普曝法氧化溝法。該方法具有投資少的特點(diǎn)。其工藝流程如圖1所示。該污水處理系統(tǒng)可以劃分為如下幾個(gè)子系統(tǒng)：機(jī)械處理部分，生化處理部分，污泥處理部分。其中機(jī)械處理部分有粗細(xì)格柵、污水提升泵、曝氣沉砂池，生化處理部分有氧化溝、生物處理池，污泥處理部分有污泥濃縮機(jī)房、污泥泵房、污泥脫水機(jī)房。下面介紹工藝流程中各部分的作用。 1.粗細(xì)格柵及提升泵格柵是由一組平行的鋼制柵條組成，設(shè)在水泵前的格柵為粗格柵，設(shè)在構(gòu)筑物前的格柵為細(xì)格柵。粗格柵的目的是截流污水中較大的飄浮物和懸浮物，防止污水提升泵的阻塞，減輕后續(xù)處理構(gòu)筑物的處理

36、負(fù)荷，并使之正常運(yùn)行。細(xì)格柵進(jìn)一步去除污水中的細(xì)小懸浮物及細(xì)小纖維，降低生物處理負(fù)荷。污水通過粗格柵進(jìn)入提升泵房，由提升泵提升污水，經(jīng)過細(xì)格柵達(dá)到最高點(diǎn)，滿足后續(xù)處理設(shè)施的水力要求。圖2-1 污水處理工藝流程圖2.曝氣沉砂池本污水處理廠采用鐘式旋流沉砂池，其主要作用是去除砂和其他較重物質(zhì)，主要是惰性無機(jī)物和有機(jī)物。同時(shí)還能使有機(jī)顆粒和無機(jī)顆粒分開，保護(hù)后續(xù)設(shè)備安全穩(wěn)定運(yùn)行，便于后續(xù)處理。3.氧化溝污水在氧化溝中經(jīng)過鼓風(fēng)機(jī)調(diào)節(jié)曝氣，使得污水得到缺氧、氧化、硝化、反硝化等反應(yīng)，在該過程中完成BOD(生物耗氧量)、COD(化學(xué)耗氧量)的去除及污水除磷脫氮的功能，并為下一步水的沉淀作好準(zhǔn)備，經(jīng)過氧化溝

37、處理的水流入二沉池，加入、或使得水中的得以沉淀，充分沉淀后，清水最后經(jīng)二氧化氯消毒后排出。主要由氧化溝溝體、曝氣設(shè)備、進(jìn)出口設(shè)施及濁度儀、溶氧儀和液位計(jì)等等。4.配水井：收集污水，減少流量變化給處理系統(tǒng)帶來較大的沖擊，并向下污水處理構(gòu)筑物配送污水。5.生物處理池利用微生物的降解作用降解廢水中的有機(jī)物。其作用機(jī)理是在基質(zhì)濃度高時(shí)菌膠團(tuán)的基質(zhì)利用速率要高于絲狀菌，利用基質(zhì)推動(dòng)力選擇性的培養(yǎng)菌膠團(tuán)細(xì)菌而限制絲狀菌的增長 ，通過選擇器對(duì)微生物進(jìn)行選擇性培養(yǎng)以防止污泥膨脹的發(fā)生，提高各污染物的去除率。在生物選擇池中，將配水井配送過來的污水與回流泵房按照1:1的回流比回流的活性污泥進(jìn)行混合，對(duì)污水進(jìn)行預(yù)反

38、應(yīng)，利用高有機(jī)負(fù)荷選菌種抑制絲狀菌的增長。6.污泥脫水機(jī)房和污泥濃縮機(jī)房其主要作用是對(duì)污泥進(jìn)行處理，包括對(duì)污泥的初步減容、將污泥中的有機(jī)物分解和脫水(減少污泥量)直至形成干餅運(yùn)走。具體是將從沉淀池出來的剩余污泥水通過剩余污泥泵打進(jìn)污泥緩沖池，再由污泥濃縮機(jī)濃縮，濃縮后的泥漿進(jìn)入污泥脫水機(jī)房進(jìn)行脫水處理，隨后加藥固化，最終經(jīng)壓濾機(jī)變成固態(tài)污泥運(yùn)走。2.2.2活性污泥法處理工藝長期以來，城市污水多采用活性污泥法。它是世界各國應(yīng)用最廣的一種生物處理流程。具有處理能力高，出水水質(zhì)好的優(yōu)點(diǎn)。該方法主要由曝氣池、沉淀池、污泥固流和剩余污泥排放系統(tǒng)組成。廢水和回流的活性污泥一起進(jìn)人曝氣池形成混合液。曝氣池是

39、一個(gè)生物反應(yīng)器，通過曝氣設(shè)備充入空氣?？諝庵械难跞苋牖旌弦?，產(chǎn)生好氧代謝反應(yīng)，且使混合液得到足夠的攪拌而呈懸浮狀態(tài)。這洋，廢水中的有機(jī)物、氧氣同微生物能充分接觸反應(yīng)。隨后混合液進(jìn)入沉淀池，混合液中的懸浮固體在沉淀池中沉下來和水分離，流出沉淀池的就是凈化水。沉淀池中的污泥大部分回流，稱為回流污泥?；亓魑勰嗟哪康氖鞘蛊貧獬貎?nèi)保持一定的懸浮固體濃度，也就是保持一定的微生物濃度。曝氣池中的生化反應(yīng)引起微生物的增殖，增殖的微生物量通常從沉淀池中排除，以維持活性污泥系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，這部分污泥叫剩余污泥。活性污泥除了有氧化和分解有機(jī)物的能力外，還要有良好的凝聚和沉降性能，以使活性污泥能從混合液中分離出來，得

40、到澄清的出水?；钚晕勰喾ㄓ泻芏喾N，如普通活性污泥法，完全混合活性污泥法，AB兩段活性污泥法，厭氧-好氧活性污泥法（生物除磷），缺氧-好氧活性污泥法（生物脫氮），序批式活性污泥法（SBR,CAST,CASS,UNITANK），氧化溝活性污泥法等。自1914年英國曼徹斯特建成首家活性污泥處理試驗(yàn)場以來，活性污泥法已經(jīng)有90多年的歷史。人們對(duì)活性污泥法的凈化機(jī)理、反應(yīng)規(guī)律、運(yùn)行管理進(jìn)行了深入的研究?；钚晕勰喾ㄊ歉鶕?jù)絮凝動(dòng)力學(xué)和生物吸附理論提出的“絮凝吸附沉淀活化”城市污水強(qiáng)化一級(jí)處理工藝。該工藝對(duì)污染物去除的強(qiáng)化作用主要包括污泥的絮凝、吸附和生物代謝三種，以前兩者的作用為主。該工藝的特點(diǎn)是未經(jīng)沉淀的

41、生活污水原水與生物污泥同時(shí)進(jìn)入混合反應(yīng)器（絮凝吸附池），兩者在機(jī)械攪拌作用下充分混合，經(jīng)混合絮凝吸附反應(yīng)后，大量污染物質(zhì)被絮凝吸附進(jìn)入污泥絮體，出水進(jìn)入沉淀池，實(shí)現(xiàn)固液分離，而沉淀池出水就是最終出水。為了恢復(fù)沉淀池飽和污泥的生物絮凝吸附活性，將沉淀污泥短時(shí)間曝氣活化，以部分降解吸附的有機(jī)物，產(chǎn)生適量的微生物絮凝物質(zhì)，改善污泥的沉降性能，同時(shí)保持污泥的好氧狀態(tài)，避免變黑、發(fā)臭。此過程在污泥活化池里進(jìn)行，能耗遠(yuǎn)低于二級(jí)生物氧化反應(yīng)。該工藝是適用于環(huán)境狀況亟待改善而經(jīng)濟(jì)欠發(fā)達(dá)地區(qū)的一種實(shí)用技術(shù)。2.2.微生物在污水處理系統(tǒng)中的應(yīng)用在我們生存的環(huán)境中，微生物無時(shí)不在，無處不有。雖然它會(huì)帶給我們巨大的災(zāi)

42、難，但其中有些也是我們忠誠的衛(wèi)士。隨著人類自身的發(fā)展，我們對(duì)它的認(rèn)識(shí)也愈加科學(xué)化。在水污染日益嚴(yán)重的今天，人們?nèi)找嬲J(rèn)識(shí)到微生物是我們凈化自身生存空間的重要武器，尤其是在污水處理系統(tǒng)中，構(gòu)建的基因工程菌將發(fā)揮出它巨大的潛力。因?yàn)槲鬯慕M成及其復(fù)雜，僅靠傳統(tǒng)的物理和化學(xué)方法處理通常很難達(dá)到好的效果，而且成本很高、易造成二次污染。而生物法是利用微生物的吸附、生物降解，同化水中的有機(jī)物和某些無機(jī)物，達(dá)到凈化污水的目的，它具有運(yùn)行費(fèi)用低且環(huán)保、效率高、污泥相對(duì)易處理等特點(diǎn)。1傳統(tǒng)的生物脫氮除磷方法中的微生物群落活性污泥法的污水處理工藝和技術(shù)被世界各國廣泛采用，并且相關(guān)的技術(shù)研究不斷有新的成果報(bào)道。然而，

43、活性污泥中所含的微生物群落才是降解氮、磷等有機(jī)物的關(guān)鍵因子，是活性污泥法的核心?；钚晕勰嗟奈⑸锶郝渲饕校杭賳伟鷮?、莫拉菌屬、腸桿菌科細(xì)菌、氣單胞菌屬、不動(dòng)桿菌屬、鏈球菌屬、腸球菌屬、葡萄球菌屬、微球菌屬，其中前5類菌屬占細(xì)菌總數(shù)的791，不僅如此，它們還有自身的結(jié)構(gòu)和時(shí)空的變化。2人工濕地系統(tǒng)中的微生物群落人工濕地系統(tǒng)凈化污水技術(shù)是一種生態(tài)工程或生物生態(tài)方法，它克服了化學(xué)方法凈化污水易造成二次污染、物理方法凈化污水治標(biāo)不治本的缺點(diǎn)。在指導(dǎo)思想上是依水體自然凈化能力恢復(fù)水體本來面貌，強(qiáng)調(diào)人與自然和諧相處，融合了自然凈化和生物膜法優(yōu)點(diǎn)。人工濕地的微生物，如細(xì)菌、真菌、放線菌極為豐富，為污水

44、處理系統(tǒng)提供了大量有機(jī)污染物分解者，在系統(tǒng)的運(yùn)行過程中細(xì)菌和真菌的生命活動(dòng)均很旺盛，所以它又很高的凈化效率。3在污水生物降解中的有效微生物群落(EM)EM(Effective microorganisms)是一種新型復(fù)合微生物活性菌劑。它由光合菌類、醋酸桿菌類、放線菌類、乳酸菌類、酵母菌類等五大菌群10個(gè)屬125種微生物組成。通過發(fā)酵工藝將上述好氣性微生物和嫌氣性微生物按一定的比例加以混合，通過相互共生、增殖關(guān)系形成一個(gè)成分復(fù)雜、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、功能廣泛的具有多種多樣細(xì)菌的微生物群落。4污水生物處理系統(tǒng)種的光合細(xì)菌光合細(xì)菌能利用光能進(jìn)行光合作用而生長發(fā)育，并且分布極廣，幾乎在所有光能可利用的地方均可

45、發(fā)現(xiàn)。光合細(xì)菌屬自養(yǎng)微生物，在無氧條件下利用簡單有機(jī)物進(jìn)行光合作用，在黑暗厭氧條件下進(jìn)行發(fā)酵作用，在黑暗中微量好氧和好氧的條件下進(jìn)行氧化代謝。這使光合細(xì)菌的生物特性在污水處理方面具有巨大潛力。第3章 污水處理自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 上文介紹了污水處理具體的工藝流程，根據(jù)東北地區(qū)城市污水的特點(diǎn)以及污水廠自身的實(shí)際情況，綜合考慮，設(shè)計(jì)了污水處理的工藝方案。下面根據(jù)污水處理的工藝方案，進(jìn)行污水處理自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。污水自動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要有污水處理通信網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)，PLC控制程序的設(shè)計(jì)和上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。3.1現(xiàn)場總線現(xiàn)場總線是一種連接智能現(xiàn)場設(shè)備和自動(dòng)化系統(tǒng)的全數(shù)字化、雙向傳輸、多分支結(jié)構(gòu)的串行通信

46、網(wǎng)絡(luò)。國際電工委員會(huì)IEC61158標(biāo)準(zhǔn)將其定義為“安裝在制造和過程區(qū)域的現(xiàn)場裝置與控制室內(nèi)的自動(dòng)控制裝置之間的數(shù)字式、串行、多點(diǎn)通信的數(shù)據(jù)總線”。其中，“生產(chǎn)過程”包括斷續(xù)生產(chǎn)過程和連續(xù)生產(chǎn)過程兩類?；蛘撸F(xiàn)場總線是以單個(gè)分散的、數(shù)字化、智能化的測量和控制設(shè)備作為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，用總線連接，實(shí)現(xiàn)相互交換信息，共同完成自動(dòng)控制功能的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)與控制系統(tǒng)?，F(xiàn)場總線也可以叫做通用現(xiàn)場通信系統(tǒng)。信息傳輸?shù)姆秶堰h(yuǎn)遠(yuǎn)超出了4-20mA傳統(tǒng)信號(hào)的限制，分布式智能系統(tǒng)需要用面向用戶或應(yīng)用的方式確定設(shè)備間的通信。它必須滿足現(xiàn)代工業(yè)過程測量和控制系統(tǒng)的全部要求，即具有高度的靈活性與適用性?，F(xiàn)場總線的核心是總線協(xié)議?？?/p>

47、線協(xié)議技術(shù)是系統(tǒng)的，應(yīng)用于不同的領(lǐng)域之中，每一類總線都有最適用的領(lǐng)域。對(duì)于各類總線而言，其核心是各類“總線協(xié)議，而這些協(xié)議的本質(zhì)就是標(biāo)準(zhǔn)。各種總線，不論其應(yīng)用于什么領(lǐng)域，每個(gè)總線協(xié)議都有一套軟件、硬件的支撐，能夠形成系統(tǒng)，形成產(chǎn)品。因此，一種總線，只要其總線協(xié)議一經(jīng)確立，相關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)與有關(guān)的設(shè)備也就被確定了。 隨著制造業(yè)自動(dòng)化和過程自動(dòng)化中分散化結(jié)構(gòu)的迅速增長，現(xiàn)場總線的應(yīng)用日益廣泛，現(xiàn)場總線實(shí)現(xiàn)了數(shù)字和模擬輸入/輸出模塊、智能信號(hào)裝置和過程調(diào)節(jié)裝置與可編程邏輯控制器（PLC）和PC之間的數(shù)據(jù)傳輸，把I/O通道分散到實(shí)際需要的現(xiàn)場設(shè)備附近，從而使整個(gè)系統(tǒng)的工程費(fèi)用、裝配費(fèi)用、硬件成本減少到最

48、少?，F(xiàn)場總線應(yīng)用在生產(chǎn)現(xiàn)場，實(shí)現(xiàn)微機(jī)化測量設(shè)備之間的雙向串行多節(jié)點(diǎn)數(shù)字通信，適應(yīng)了工業(yè)控制系統(tǒng)向分散化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化方向的發(fā)展。標(biāo)準(zhǔn)化的現(xiàn)場總線具有“開放”的通信接口、“透明”的通信協(xié)議，允許用戶選用不同制造商生產(chǎn)的分散I/O裝置和現(xiàn)場設(shè)備。現(xiàn)場總線PROFIBUS滿足了生產(chǎn)過程現(xiàn)場級(jí)數(shù)據(jù)可存取性的重要要求，一方面它覆蓋了傳感器/執(zhí)行器領(lǐng)域的通信需求，另一方面又具有單元級(jí)領(lǐng)域的所有網(wǎng)絡(luò)通信功能。特別是在“分散I/O”領(lǐng)域，由于有大量的種類齊全的、可連接的現(xiàn)場設(shè)備可供選用，因此PROFIBUS已成為事實(shí)上的國際公認(rèn)標(biāo)準(zhǔn)。其主要特點(diǎn)如下：1系統(tǒng)的開放性。傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)是個(gè)自我封閉的系統(tǒng)，一般只能

49、通過工作站的串口或并口對(duì)外通訊。在FCS中，工作站同時(shí)靠掛于現(xiàn)場總線和局域網(wǎng)兩層網(wǎng)絡(luò)，通過后者可以與其它計(jì)算機(jī)系統(tǒng)或網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行高速信息交換，以實(shí)現(xiàn)資源共享。另外，現(xiàn)場總線的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)是對(duì)所有制造商和用戶公開的，沒有專利許可要求，實(shí)行技術(shù)共享。它可以與任何遵守相同標(biāo)準(zhǔn)的其它設(shè)備或系統(tǒng)相連。用戶可按自己的需要和對(duì)象把來自不同供應(yīng)商的產(chǎn)品組成大小隨意的系統(tǒng)。2可操作性與互用性不同廠家生產(chǎn)的DCS產(chǎn)品不能互換，要想更新技術(shù)和設(shè)備，只能全部更換。FCS可實(shí)現(xiàn)互連設(shè)備間、系統(tǒng)間的信息傳送與溝通，可實(shí)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)，一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的數(shù)字通信。不同生產(chǎn)廠家的性能類似的設(shè)備可進(jìn)行互換而實(shí)現(xiàn)互用。3現(xiàn)場設(shè)備的智能化與功能自治性

50、傳統(tǒng)的DCS至少要有操作站、控制站和現(xiàn)場設(shè)備三層結(jié)構(gòu)，它的信號(hào)傳遞是模擬信號(hào)的單向傳遞，信號(hào)在傳遞過程中產(chǎn)生的誤差較大，另外系統(tǒng)難以迅速判斷故障而帶故障運(yùn)行。在FCS中采用雙向數(shù)字通訊，它將傳感測量、補(bǔ)償計(jì)算、工程量處理與控制等功能分散到現(xiàn)場設(shè)備中完成，僅靠現(xiàn)場設(shè)備即可完成自動(dòng)控制的基本功能，并可隨時(shí)診斷設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。4系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的高度分散性由于FCS現(xiàn)場設(shè)備本身已可完成自動(dòng)控制的基本功能，使得現(xiàn)場總線己構(gòu)成一種新的全分布式控制系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)。從根本上改變了原有DCS集中與分散相結(jié)合的集散控制系統(tǒng)體系，簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，提高了可靠性。5對(duì)現(xiàn)場環(huán)境的適應(yīng)性現(xiàn)場總線作為工廠底層網(wǎng)絡(luò)工作在現(xiàn)場設(shè)備前端

51、，是專為在現(xiàn)場環(huán)境工作而設(shè)計(jì)的，它可支持雙絞線、同軸電纜、光纜、射頻、紅外線、電力線等，具有較強(qiáng)的抗干擾能力，能采用兩線制實(shí)現(xiàn)送電與通信，并可滿足本質(zhì)安全防爆要求等。3.2PROFIBUS現(xiàn)場總線介紹 PROFIBUS現(xiàn)場總線是由13家工業(yè)企業(yè)和5家科研機(jī)構(gòu)在德國聯(lián)邦研技部的資助下，于1987年開始聯(lián)合開發(fā)的生產(chǎn)過程現(xiàn)場總線(Process Field Bus)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。自1987年起，PROFIBUS被批準(zhǔn)為德國標(biāo)準(zhǔn)D1N19245。其后，一些自愿在其產(chǎn)品中使用該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的企業(yè)于1989年12月聯(lián)合成立了PROFIBUS用戶組織(簡稱PNO)。PNO不斷推進(jìn)現(xiàn)場總線的標(biāo)準(zhǔn)化工作，以適應(yīng)工業(yè)自

52、動(dòng)化應(yīng)用市場的需求。到1996年6月30日，PROFIBUS被批準(zhǔn)為歐洲現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)的組成部分之一，即EN 50170V.2，從此EN 50170V.2取代了DlN 19245。根據(jù)應(yīng)用場合不同，PROFIBUS有以下三種不同的標(biāo)準(zhǔn)。1PROFIBUS-FMS：是一種現(xiàn)場信息規(guī)范，要求面向?qū)ο螅峁┹^大數(shù)據(jù)量的通信服務(wù)，如用于紡織、樓宇自動(dòng)化、可編程控制器、低壓開關(guān)等。它有被Ethemet取代的趨勢，它也采用了RS-485傳輸。2PROFIBUS-PA：專為過程自動(dòng)化設(shè)計(jì)，它采用了IECll58-2傳輸技術(shù)，通過總線供電，提供本質(zhì)安全性，可用于危險(xiǎn)防爆區(qū)域。3PROFIBUS-DP：用于現(xiàn)場層

53、的高速數(shù)據(jù)傳達(dá)在這一級(jí)，中央處理器(如PLC、PC)通過高速串行線同分散的現(xiàn)場設(shè)備(IO、驅(qū)動(dòng)器、閥門等)進(jìn)行通訊。它用于分散外設(shè)間的高速數(shù)據(jù)傳輸(最大傳輸速率為12 Mbps)，經(jīng)過優(yōu)化的高速、廉價(jià)的傳輸形式適用于自動(dòng)控制系統(tǒng)與現(xiàn)場設(shè)備之間的實(shí)時(shí)通信，它采用RS一485傳輸。一般情況下，DP構(gòu)成單主站系統(tǒng)，主站周期地讀取從站的輸入信息并周期地向從站發(fā)送輸出信息?？偩€循環(huán)時(shí)間必須比主站PLC程序循環(huán)時(shí)間短。除周期性用戶數(shù)據(jù)傳輸外，PROFIBUS-DP還提供智能化現(xiàn)場設(shè)備所需的非周期性通信，以進(jìn)行組態(tài)、診斷和報(bào)警處理。PROFIBUS-DP具有以下特性：1用RS-485雙絞線、雙線電纜或光纜傳

54、輸，波特率從96Kbs-12 Mbs。2各主站間令牌傳遞，主站與從站間為主一從傳送，并支持單主或多主系統(tǒng)?？偩€上最多站點(diǎn)(主-從設(shè)備)數(shù)為126。3通信為點(diǎn)對(duì)點(diǎn)(用戶數(shù)據(jù)傳送)或廣播(控制指令)方式；循環(huán)主-從用戶數(shù)據(jù)傳送和非循環(huán)主-主數(shù)據(jù)傳送。4運(yùn)行模式有運(yùn)行、清除、停止。5控制指令允許輸入和輸出同步，同步模式時(shí)輸出同步，鎖定模式時(shí)輸入同步。6DP主站和DP從站間執(zhí)行循環(huán)用戶數(shù)據(jù)傳送，各DP從站可動(dòng)態(tài)激活，并可檢查組態(tài)；經(jīng)過擴(kuò)展的PROFIBUS-DP診斷能對(duì)故障進(jìn)行快速定位，診斷信息在總線上傳輸并由主站采集。診斷信息分3級(jí)：本站診斷操作；模塊診斷操作；通道診斷操作。7第一類DP主站DPMl

55、是中央可編程序控制器，如PLC或PC等；第二類DP主站DPM2是可進(jìn)行編程、組態(tài)、診斷的設(shè)備。DP從站是帶二進(jìn)制值或模擬量輸入輸出的驅(qū)動(dòng)器、閥門等。PROFIBUS三種標(biāo)準(zhǔn)使用相同的總線存取協(xié)議，通過其數(shù)據(jù)鏈路層FDL(Field Bus DataLink)來實(shí)現(xiàn)。介質(zhì)訪問控制MAC(Medium Access Control)負(fù)責(zé)對(duì)數(shù)據(jù)傳輸程序的管理，保證任何時(shí)刻只能有一個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)。PROFIBUS可以采用總線型、樹型、星型等網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，總線上最多可掛接127個(gè)站點(diǎn)。主站與從站之間采用主從方式，并支持多主站系統(tǒng)，主站間采用令牌環(huán)方式，只有得到令牌的主站才具有總線控制權(quán)，可發(fā)起一次通信。從站

56、沒有總線控制權(quán)，它只能被動(dòng)接收并確認(rèn)主站發(fā)出的信息，或在主站對(duì)其發(fā)出請(qǐng)求時(shí)，通過總線向主站發(fā)出信息。3.3 污水處理自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)由工藝流程可知污水處理詞采用三級(jí)處理：機(jī)械預(yù)處理、生化處理和污泥處理（包括污泥濃縮和污泥脫水）。從處理方法上來看，分別是物理法、生物法和化學(xué)法。從設(shè)備分布的位置來看，可以劃分為四個(gè)子站：機(jī)械預(yù)處理子站、生化處理子站、污泥濃縮子站、污泥脫水子站。通常情況下，自動(dòng)化系統(tǒng)包括現(xiàn)場設(shè)備控制系統(tǒng)和上位監(jiān)控系統(tǒng)，這就要考慮兩者之間采用何種網(wǎng)絡(luò)連接合適的問題。從上面分析可知現(xiàn)場設(shè)備控制層（即四個(gè)PLC站）和上位監(jiān)控層的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)該采用工業(yè)以太網(wǎng)結(jié)構(gòu)?，F(xiàn)場控制層采用現(xiàn)場總線結(jié)構(gòu)。通過

57、上面的分析，結(jié)合污水處理廠的實(shí)際，本課題選擇工業(yè)以太網(wǎng)作為上位機(jī)和下位機(jī)之間的通信網(wǎng)絡(luò)。同時(shí)，從各子站的智能設(shè)備的數(shù)量統(tǒng)計(jì)來看，完全滿足總線上最多可掛接127個(gè)站點(diǎn)的要求。PLC與現(xiàn)場智能設(shè)備采用現(xiàn)場總線的方式連接，構(gòu)成現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)。PLC選用西門子的S7-300,所以可以說，采用PROFIBUS現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)。自動(dòng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖3-1所示:圖3-1 污水自動(dòng)控制系統(tǒng)通訊網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)系統(tǒng)采用以太網(wǎng)和現(xiàn)場總線混合型結(jié)構(gòu)，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(zhì)，不同的子網(wǎng)和不同的介質(zhì)之間可通過耦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(jìn)行通信協(xié)議的轉(zhuǎn)換，一塊網(wǎng)卡為PROFIBUS-DP網(wǎng)卡，另一塊網(wǎng)卡為以太網(wǎng)卡。PLC作為現(xiàn)場總線中的一個(gè)站，又作為以太網(wǎng)上的一個(gè)站點(diǎn)，而監(jiān)控管理計(jì)算機(jī)不作為現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)中的站點(diǎn)，只作為以太網(wǎng)中的節(jié)點(diǎn)，此網(wǎng)上的各站點(diǎn)相互之間的數(shù)據(jù)交換通過以太網(wǎng)進(jìn)行，而現(xiàn)場的信息業(yè)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。監(jiān)控管理層由兩臺(tái)監(jiān)控管理計(jì)算機(jī)、兩臺(tái)打印機(jī)、HUB(多端口轉(zhuǎn)送器)、光纖轉(zhuǎn)換器組成，兩臺(tái)監(jiān)控管理計(jì)算機(jī)互為熱備。過程PLC控制系統(tǒng)主要