1706.污水处理自动控制系统技术论文.doc

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1、 污水处理厂自动控制系统摘要：本文主要讲述污水处理的工艺流程，现场监测控制设备，控制网络组成，可编程控制器硬件系统，工艺设备的程序控制，组态软件的监控功能。关键词：污水处理，网络通讯，PLC，组态软件，程序控制一、 前言进入21世纪，我国的环保事业迅速发展，工业废水、生活污水的净化处理成为当务之急。污水处理工艺进行自动化监测和实时 控制是提高污水处理效率、降低处理能耗的关键。污水处理工艺主要由进水、曝气、沉淀、排水和闲置等五个阶段组成。处理效果主要取决于其 运行参数，其中主要参数包括各反应段时间以及曝气强度。一般采用以PLC为核心的工艺过程自动监控系统，实时控制鼓风机、水泵、电动阀等设备及各反

2、应段时间，使水质达到 国家规定的排放标准。根据工艺流程、控制点及现场设备的安装地理环境，采用先进的管理控制技术，系统分为控制层、监控层、管理层三层进行监测和控制。控制层分若干个PLC子站分别对厂内设备、及监测点进行控制、监测，采集信号，控制生产设备；监控层，在厂内设中心控制室，对于独立运行的污水处理厂，中控室有二个功能，一是监控全厂的整个生产过程，二是将有关污水处理厂的运行状况上传污水处理厂监控中心；对于由污水处理厂监控中心直接监测控制运行的污水处理厂；将有关污水处理厂的运行状况及有关信息上传污水处理厂监控中心，将污水处理厂监控中心执行指令下传各PLC，由PLC控制各现场仪器及仪表；管理层主要

3、在污水处理厂监控中心完成。系统同时还应该充分考虑特殊情况下的现场手动控制。二、 自动控制系统综述 污水处理工艺流程： 自动控制系统组成现代化的污水处理系统需要实现管理与控制一体化，实现办公自动化。控制系统不仅与下层控制设备有良好的接口，而且具有与上层管理系统集成的接口，同时具有可扩展性。所以现代化污水处理系统要求在底层采用现场总线或者工业以太网等技术，上层则选用优秀的监控组态软件。为了加强系统的可靠性，使整个系统能够长时间无故障地运行，需要采用容错技术。 根据全集成自动化（Totally Integrated Automation）的思想，将污水厂 控制系统分为管理级、控制级、现场级。l 现场

4、级的检测及控制执行系统现场级是实现系统功能的基础。现场级主要由一次仪表（如液位计、DO 传感器等）、控制设备等组成。其功能主要是对系统设备的状态、传感器参数进行监测，并把监测到的数据上传；接受控制级的指令对执行机构进行控制。由于控制设备比较分散，在传统的工厂内，输入输出设备连接到一个集中的机架，在设备改变和系统扩展时，导致接线工作量大，成本高，柔性度低。通过开放的、标准化的现场总线系统来连接部件，应用Siemens公司ET200分布式I/O是解决这些问题的最佳方案。分布式配置意味着可编程序控制 器、I/O模块和现场设备通过称为现场总线的信号电缆连接。将输入/输出模块转换成就地监 测器和执行器，

5、可就地转换和处理过程信号。可像集中配置那样进行程序设计。在控制点比较集中的控制现场配置一个远程分布式智能IO模块ET200M，现场IO信号直接输入IO模 块，每个ET200M 模块上安装有IM1532型号带有Profibus-DP接口的模块，与ProfibusDP现场总线分别连接。ET200M模块采用活动总线式底板（Active Bus Module），所有模块可以带电热插拔，便于维修。l 控制级的程序处理及控制系统控制级是实现系统功能的关键，也是管理级与现场级之间的枢纽层。 其主要功能是接受管理层设置的参数或命令，对污水处理生产过程进行控制，同时将现场状 态输送到管理层。控制级要求具有高可靠

6、性，所以在系统的关键部分中要采用冗余技术。控制器是整个系统的核心，所以在控制级中，采用Siemens公司CPU315-2DP型PLC组成控制主站， PLC上安装一块工业以太网通信模块CP与工业以太网现场总线连接，PLC作为工业以太网现场总线的从站，作为控制系统的下位机，通过总线 与上位机通信。Siemens公司S7 315-2DP型号PLC具有Profibus-DP网络通讯接口，可作为Profibus-DP现场总线的主站。S7 315-2DP主站建立配置的ProfibusDP现场总线系统，与控制现场的远程分布式智能IO模块连接，实现与现场设备和传感器通信。l 管理级的监控及控制系统管理级是系统

7、的核心部分，完成对污水处理过程各部分的管理和控制 ，并实现厂级的办公自动化。管理级提供人机接口，是整个控制系统与外部信息交换的界面 。管理级的各台计算机具有相互通讯的功能，实现数据交换或共享。考虑到管理层功能结构的层次性和可分割性，采用客户/服务器（ClientServer）的体系结构。服务器选用大型的网络关系数据库，满足开放、分布式数据库管理方式的要求。服务器具有远程控制操作功能、状态显示功能、数据处理功能、报警功能、报表功能、通讯功能和冗余功能等。厂中心控制室中设备包括：安装Siemens公司WinCC监控组态软件的冗余服务器作为上位机 ，服务器安装WinCC组态软件的完全版以及冗余软件包

8、，服务器互为备用，实现冗余，提高系统的可靠性。装有WinCC运行版的PC机作为监控工程师操作站。这种配置的最主要的优点是保证数据的完整性和监控操作的连续性。如果一个WinCC服务器出现故障，该服务器的客户机自动从发生故障的服务器切换到备用的服务器上，使所有的客户机始终可以监控生产过程，修复后的服务器回到系统后，自动实现归档数据的匹配。 管理级现场总线选择工业以太网总线，冗余服务器作为工业以太网现场总线的主站 ，通过CP通信模块与工业以太网现场总线连接。 三、 污水处理自动控制系统硬件组成 S7-300 PLC主要功能模块概述西门子PLC（S7-300）是模块化中小型PLC系统，能满足中等性能要

9、求的应用 ，大范围的各种功能模块可以非常好地满足和适应自动控制任务 ，由于简单实用的分散式结构和多界面网络能力，方便用户和简易的无风扇设计，使得应用十分灵活 ， 当控制任务增加时，可自由扩展 ，由于大范围的集成功能使得它功能非常强劲 。-模块化，无排风扇结构，多种的性能递增的CPU和丰富的且带有许多方便功能的I/O扩展模块，使用户可以完全根据实际应用选择合适的模块，当任务规模扩大并且愈加复杂时，可随时使用附加模块对PLC进行扩展易于用户掌握等特点使得S7-300成为各种从小规模到中等性能要求控制任务的方便又经济的解决方案。 供电模块PS307：PS 307负载电源输出电流有2安、5安或10安，

10、PS 307负载电源模块将120 或230伏交流电压转变为24伏直流工作电压，24伏直流电源用来为S7-300/ET 200M /和传感器及执行元件提供电源。 电源模块安装在DIN导轨上，紧靠在CPU或IM 361 (扩展机架上) 的左侧，使用电源连接器连接到的CPU或IM 361上。 中央处理模块S7 315-2DP：它是PLC的大脑，由中央处理器（CPU）和存储器组成，负责从存储器中读取、执行指令。CPU315-2DP具有中，大规模的程序存储容量，对二进制和浮点数运算具有较高的处理性能，处理器本身自带PROFIBUS DP 主站/从站接口，可用于大规模的I/O配置，建立分布式I/O结构。

11、I/O模块：分为数字量（SM321/SM322）和模拟量（SM331/SM332）I/O，是PLC与被控设备相连接的接口电路，负责数据的采集，并将所采集的数据实时传送给CPU，进行实时处理，CPU处理结果由I/O模块实时执行现场终端设备及其他一些传感器输出的开关量和模拟量通过接口电路将这些信号转换成中央处理器能接收和处理的信号，输出接口电路则将中央处理器送出的信号转换成现场需要的电信号，控制现场设备的运行状态。 通信模块：用于连接PLC与PLC之间、PLC与中控室之间，CPU与各ET200站之间的通信，CP343-5用于PROFI- BUS的连接，CP343-1用于连接SIMATIC S7-3

12、00和工业以太网四、 控制软件编程一套理想的软件不只限于满足工艺要求，而且要考虑到现场出现的各种特殊情况，因此必须可靠、实用、高效，易修改。系统的PLC程序管理采用西门子SETP7 V5.2进行编程控制。SETP7 V5.2可提供离线和在线编程，具有语句表（STL）、功能块（FBD）、梯形图（LAD）3种编程方法，本控制系统采用梯形图（LAD）进行编程。 控制规律 软件编程的主要依据为生产工艺提供的控制规律。同一种处理工艺可能会有不同的控制策略，根据目前的研究状况，工艺的控制可以分为三种：一种是生物浓度法。是指根据在线测 得的水质参数与设定参数形成闭环控制；第二种是反应时间控制。对于时间控制规

13、律而言， 它是根据对反应的五个阶段所需要的时间进行自动控制的。第三种是流量程序控制，是根据污水流量的变化来调整各个阶段所需时间进行自动控制。后两种控制方法都不是根据废水的水质变化来改变某些运行参数进行自适应控制的。 系统控制 污水厂的现场控制设备有泵、阀门、电机等执行设备，现场检测仪表有流量计、液位计、温度计、浊度计、压力表、溶解氧、电导率、PH计等。现场控制参数有进水方涵液位；进、出水及曝气池的泵坑液位；进、出水及曝气池的流量；BOD、COD、SS、PH值、电导率等水质检测参数。所有的执行设备均可设置为远程自动/手动和就地控制状态：1、远程控制当处于自动控制状态时，由中控室监控全厂的生产工艺

14、和设备的运行状态，控制设备由PLC接收现场检测仪表采集的数据，并将其转换为420mA的电流信号，自动调整泵、阀门、鼓风机的开启台次。根据液位的高低调整泵的开启台次，通过出水水质的检测制约曝气池的处理效果，曝气池溶解氧的上升和下降用于调节鼓风机的开启台次和空气阀门的开启度。也可根据生产工艺的需要，由中控室手动调整泵、阀门、鼓风机的开启台次等等。2、就地控制全厂的控制设备也可由各分站现场独立控制。当设备出现故障或需作检修保养时，将其设置为就地控制状态，通过连接PLC现场控制箱控制设备的运行状态，其设备的实时控制状态、现场检测仪表的控制参数如需控制显示可以加装西门子人机触摸屏（如OP，TP系列）。

15、设备控制（1）.粗格栅站的PLC控制粗格栅站设粗格栅及螺旋输送机，将粗格栅的栅前和栅后的液位差计信号送至PLC， PLC在液位差达到给定值或时间间隔到时发出控制命令，启动相应的粗格栅，并且螺旋输送机与粗格栅进行联动。细格栅站设有细格栅及螺旋输送机、栅渣压实机。PLC定时发出控制命令，启动相应的细格栅，并且螺旋输送机、栅渣压实机与粗格栅进行联动。根据格栅前后的水位差（该水位差值直接反映格栅堵塞情况），自动控制栅耙，按预定周期运行，以保证格栅正常工作。我们可以将格栅调为手动和自动模式。在自动模式下，格栅将根据液位差进行工作，自动清污。螺旋输送器、栅渣压实机随输送器一起运动，将污物排除。中心控制室可

16、以设定现场控制（Local）和远程控制（Remote）。（2）.进水泵池的PLC控制进水泵池根据工艺要求的不同设若干台潜水泵，其中有变频调速泵，定速泵，互备互用。PLC采集液位信号，并根据设定的液位给定值，进行自动调节，开启、停止潜水泵，控制备用泵自投。a.采集泵站压力、水位、水位差、流量、pH值等模拟量。b.采集水泵运行、故障、电动闸阀全开、全关、运行、故障，启闭机全开、全关、运行、故障，格栅运行、故障等126320个开关量(各泵站不等)。c.与中控室保持联络，实时传送数据。d.解释、执行中控室的遥控指令。e.自动控制水泵的运行，并保证泵与阀的联动。f.自动对故障源定位并报警。g.与中控室自

17、动校对。 （3）.曝气沉沙池的PLC控制曝气沉沙池系统设吸砂桥、吸砂泵、砂水分离器。PLC根据设定的时间周期，控制吸砂桥和吸砂泵定时运行，并且与砂水分离器联动。（4）.鼓风机房及曝气系统的PLC的控制 n 曝气控制系统实例一个系列的曝气系统采用一台鼓风机，经空气管路向一个曝气池供气，如果采用调节阀来调节空气流量，调节阀会消耗一部分能量，长期运行，不利于节能，另一方面，曝气池所需风量的变化与水质、水量相关，而水质、水量通常有一定的规律，不会发生剧烈的突变，转速比不会太大，而且该工艺的曝气池水位基本保持不变，所以鼓风机选用了灵活、节能的带变频调速的罗茨风机。因为送风管压力变化较小，风机具有恒转矩输

18、出的特性，流量和转速成正比例关系，轴功率和转速也成正比例关系，与离心风机相比较，在控制上更容易把握。 控制系统由下列设备构成:主送风管路装设空气流量计，压力计、温度计，并以标准信号上传至曝气系统的控制装置。曝气池上根据氧的理论分布装设数台溶解氧检测仪，信号上传至曝气系统的控制装置。为鼓风机配备一套无速度反馈的U/f可调的变频器，变频器具备PI调节功能的模块，曝气控制装置的反馈和控制信号可下传到变频器。曝气系统的控制装置采用PLC(可编程逻辑控制器)和相应的HMI(人机界面)，PLC具有包括PID等丰富的操作指令，并配有全面和安全的输入输出接口，HMI可以通过文字和图形动态地反映在线数据，如流量

19、、压力、温度、溶解氧值、频率及设备状态等，操作人员可以进行即时的参数修改、分布操作或模式选择。曝气系统的PLC是污水处理厂自控系统的组成部分，和中央控制室的上位计算机实现通信。 工程上为了便于运行管理，曝气系统通常采用3种控制模式，如: (1)风量恒定控制 (2)曝气倍率控制 (3)DO(溶解氧)控制 其中模式(1)是人为地设定鼓风机流量并保持恒定送风，这种方式在水量和水质稳定的情况下，能够满足处理要求，但是曝气效果不稳定，不便于节能控制。 模式(2)是人为地设定鼓风机流量与进水流量的倍率，按倍率调节鼓风机流量，是一种开环控制方法。在水质稳定的情况下能够满足处理要求。上述两种模式控制简单，运行

20、中对设备的磨损较小， 模式(3)是一种闭环调节的自动控制模式，根据溶解氧的偏差来调整鼓风机流量。这种模式可以在现有条件下实现关于水量、水质的最优控制，曝气效果最佳，节能效果最显著。下面对该模式作具体介绍。 DO(溶解氧)控制策略 曝气所需的风量与溶解氧的关系是非线形的，按工艺理论，它们之间可以在经验的基础上建立数学模型，为便于控制，它们的关系可以定性的认为是纯滞后的惯性环节，并可以分段线性化。因此控制方法采用应用广泛的PID控制技术。具体采用的是串级加纯滞后补偿的PID控制。 副控系统 在曝气过程进行当中，不可避免地会出现随机扰动，扰动会引起风管流量的随机偏差，副控系统的调节目标就是通过闭环转

21、速调节保持送风管的空气流量恒定于给定值。副控系统把空气流量作为反馈，通过变频器内装的PI调节器适量调节转速，使空气流量稳定于给定值。 主控系统 主控系统的作用是通过溶解氧反馈，克服水质、水量、水温等扰动，使曝气池污水的溶解氧含量维持在设定值。由于曝气所需空气流量，即副控系统的输入无法在线确定，为了在运行中简单可行地满足生物好氧的需要，工艺上要求曝气池出口附近的污水始终保持一个稳定的溶解氧设定值，而不直接考虑水质、水量、水温等的影响，因此，溶解氧信号可以作为反馈与其设定值进行比较，由PID调节器根据其偏差输出相应的鼓风机流量的增量。副控系统的输入就是流量的增量再加上由工艺计算得到的鼓风机风量的理

22、论值。 由于对溶解氧的调节并不要求十分迅速，其动态特性可以适度放宽，但取得最合适的组合数值并非易事。溶解氧与风量的关系存在非线性，PID参数的取值是有适用范围的，因此可以采用变参数PID，根据不同季节、不同水质、水量寻求不同的规律，这种规律由工艺设计给定。实际在稳定运行中，PID参数常常采用试凑的方法进行调整。 另外，每次启动串级控制系统时，应该首先运行副控系统，待副控系统稳定后，手动设定风量给定值，实行开环调节风量，同时与溶解氧反馈值比较，待误差较小且稳定后，再投入主控闭环系统，这样可减小偏差对系统的冲击，提高系统稳定性。 还应注意，污水处理的环境比较恶劣，特别是水质仪表的使用和维护对自控的

23、影响很大，据国外的运行经验，仪表的采样周期不宜太短，设备的调节频率不宜太高。 （5）.污泥池的PLC产品 控制回流污泥泵池设有回流污泥泵，其中带有变频调速和普通剩余污泥泵。PLC根据回流泥值进行自动调节，开启、停止定速泵普通剩余污泥泵。PLC根据时间控制剩余污泥泵的开停，每天所需的剩余污泥将按一天内的时间间隔排放到污泥浓缩池中。自动转换参与运行的剩余污泥泵，使基运行时间均等。PLC根据液位下限实现停泵的保护。 （6）.沉淀池的PLC控制 初次沉淀池控制： 刮泥机设备的控制 除沫设备的控制 排泥泵的控制二次沉淀池控制：定污泥排放量控制间歇定时排泥控制定污泥龄控制（7）.脱水机房采用PLC控制系统

24、，其力矩推料控制装置能连续检测螺旋推力矩、自动调节进泥流量，使离心机自动控制保持最佳状态，并保持絮凝剂投入量最低、效果最好，有效防止离心机堵料。如果采用西门子触摸屏人机界面可实时显示运行工况参数，密码管理可确保只有在合法操作者控制下设备才能运行。西门子触摸屏，内置通信板，通过RS422接口构成PLC网络的上位机链接系统，在上位机编制程序、设置和修改参数、在线显示图形和数据。整个系统具有自动调节功能及安全保护自动报警装置（8）.高压检测PLC 采集各高压进线柜和变压器柜的电压、电流、有功功率、无功功率信号，并将它们送往上位监控计算机进行监控显示。五、 网络通讯系统 Profibus网络简介在污水

25、处理厂中，现场控制设备分布范围比较广，如果采用传统的控制方案，势必要敷设大 量的控制和信号电缆，浪费大量的人力和物力，十分不经济，同时使系统复杂，可靠性降低 。采用目前比较流行的现场总线技术，可以降低成本，同时提高系统的可靠性，使系统易于 扩展和维护。Profibus是Process Fieldbus的缩写，是一种国际性的开放式的现场总线标准 。Profibus DP是 经过高速优化的、廉价的通信链路，专为自控系统和设备级分散式I/O之间设 计的接口；使 用Profibus总线模块用于分布式控制系统的高速数据传输可以取代昂贵的24 V或020 mA并行信号线。 工业以太网简介工业以太网是工业环

26、境中最有效的一种子网，它适用于管理层和现场层通讯，有利于大量成员在大范围内进行大数据量的交换。工业以太网是一种开放式的通讯网络，其主要优点在于高可靠性，使用范围广而且速度快，易扩展和开放性 网络系统组成 现场级采用PROFIBUS DP的I/O扩展网络，通过PROFIBUS DP与各分站ET200M相连接，各PLC单元与主控室之间采用光纤工业以太网相连接，组成了一个告诉，可靠，性能稳定的网络数据传输通讯系统。根据用户需求，可以通过企业局域网intranetintelne和广域网internet与高层管理者互联，以便于高层能够随时了解生产状况和设备运行情况，作出实时判断和决策。系统结构原理图 六

27、、 上位机软件组态 上位机系统要求：具有与多台下位机系统通讯的能力，实时监控多台下位机的工作状态 ，显示生产过程中的工作曲线；具有远程控制能力；向下位机采集数据，对历史数据进行存储、查询、显示、打印等。因此，在一个自动监控系统中，投入运行的监控组态软件是系统 的数据收集处理中心、远程监视中心和数据转发中心，处于运行状态的监控组态软件与各种 控制、检测设备（如PLC、智能仪表等）共同构成能快速响应的控制中心。优秀的组态软件 是实现上位机功能的基础。 西门子公司的WINCC(Windows Control Center) V6.0监控组态软件集成了监控和数据采集（SCADA），组态，脚本语言和OP

28、C等先进技术。WINCC运行于个人计算机环境，可以与多种自动化设备及控制软件集成，具有丰富的设置项目，可视窗口和菜单选项，使用方式灵活，功能强大。它为操作者提供了图文并茂，形象直观的操作环境，能够有效地提高工作效率，满足实际需求。WINCC V6根据需要为操作者提供了操作画面，监视画面，控制画面，报警画面，实时趋势曲线，历史趋势曲线和打印报表等 七、 结束语污水处理厂实现自动化的目的是实现整个水处理系统的安全可靠的运行，确保优质的出水水质或达到规定的标准，提高管理人员的劳动生产率、降低能源与物料消耗。高质量的水处理系统，除具有准确的处理和合理系统结构外，还需要具备完备和可靠的控制功能，这是保证

29、水处理过程准确性和可靠性的必要手段。我们采用可编程序控制器(PLC)代替了结构复杂、造价高、维护难的继电器控制，大大简化设计、降低投资、提高了控制的灵敏性和准确性，而且维护方便。组态软件最大限度地发挥在线组态监视功能，对过程数据，工艺流程图形及县现场设备进行实时动态监视，强大的数据采集、归档，多种历史图表生成和分析功能，监视水质变化和入水高低峰的变化，进行设备性能分析、统筹检修时间，节省了大量时间和资金，将历史数据与报警系统联合使用，就可报告系统安全运行，减少了事故隐患。(1)建立污水处理厂监控中心，建成以PLC、工控计算机、管理计算机、服务器、计算机网络及各类软件系统为核心的污水处理厂实时管

30、理控制系统，自动监测或监控污水处理厂设备及生产运行，达到污水处理厂远程监测或监控自动化、管理信息化。(2)建立污水处理厂远程监控系统，污水处理厂内自动化控制及技术水平得到全面显著提升，可以安全、可靠地实现各种复杂的污水处理工艺流程，减少人为因素带来的可能事故和隐患，保证污水处理出水水质，同时减轻劳动强度，提高工作效率和效益。(3)使污水处理厂生产运行及管理产生质的变化；部门职能发生转变，剥减冗余部门及人员，部门优化重组减员增效。(4)通过建立污水处理厂远程监测、监控系统，实现对各污水处理厂内设备的有效调度和控制，节约能耗，实现增效。(5)建立污水处理厂监控中心达到各污水处理厂管理的集中监测或监

31、控，在污水处理厂监控中心和主管职能部门，能及时方便地了解掌握污水处理厂的生产和运行情况，实现对污水处理厂的有效管理和实时监督特别是对一些需要强化监督管理的污水处理厂，效果尤其显著。通过合理的硬件选型，网络组态，控制程序的优化，使整个控制系统达到：n 高度的安全性；n 控制的精确性；n 高度的效率性；n 绝对的稳定性；n 明显的效益性；改革开发以来，我国工业企业日新月异，规模日益壮大，先进设备广泛应用，工艺科技含量越来越高。在生产中，自动化技术已经普及到各个领域、各个车间，这充分说明我国民族工业的逐渐强大。但是相比之下，在许多污水处理企业中设备自动化程度不高，采用的软硬件落后，甚至有的控制点还依

32、赖于人工操作，无形中制约了企业技术先进化的发展。为此结合污水处理企业排污量大、污水成分复杂、控制设备多的特点，在污水处理改造项目中，采用国际上先进的西门子公司的S7-300硬件系统，工控组态软件采用西门子的WinCC V6.0，开发相应的污水处理的控制程序。确保在实际运行中，各项工艺指标都达到了预期的效果，确保用户满意，从而使污水处理企业告别了长期污水排放不达标的被动局面。参考文献：Setp7 v5.2 编程手册S7-300 模板规范参考手册S7-300/400梯形图编程手册S7-300/400语句编程手册S7-300 硬件和安装手册WINCC V6.0 组态手册WINCC V6.0 通讯手册Page 12 of 13