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污水处理自动控制系统研究

湖北文理学院

毕业论文（设计）

论文题目：

污水处理自动控制系统研究

系院：

物理与电子工程学院

专业：

自动化

班级：

0811

学生：

指导老师：

年月日

污水处理自动控制系统研究

摘要：

本文介绍了SBR污水处理及其自动控制系统的发展过程;研究了SBR自动控制系统的内在结构、控制规律、主要特点和设计方法。

该系统以PROFIBUS现场总线为核心，以可编程控制器PLC为控制主体，以计算机为系统编程、组态、维护、监控和管理的一体化工作平台。

实现了SBR污水处理生产现场网络通信与计算机控制系统的集成。

自动化控制系统采用集散型现场总线控制系统。

上位计算机作为管理监控级，采用高级语言VisualBasic6.0开发通信程序、人机交互界面程序、数据处理和图表输出程序，完成设定值的操作输入、与下位机的通讯、系统报警、管理运行等各种功能。

PLC作为控制级接受管理级的命令、数据采集、控制信号的输出等。

现场级由智能仪表、控制设备等组成，主要进行信号的转换、数据的传送及执行上一层下发的所有控制命令和数据采集。

关键词：

污水处理；PLC控制；序批式活性污泥法（SBR）；现场总线

THESTUDYONTHEAUTOMATICCONTROLSYSTEMOF

WASTEWATERDISPOSALPROCESS

Abstract：

ThispaperintroducestheSBRsewagetreatmentanditsautomaticcontrolsystemdevelopmentprocess;automaticcontrolsystemofSBRinternalstructure,controllaw,maincharacteristicsanddesignmethod.ThesystemisbasedonPROFIBUSfieldbusasthecore,totheprogrammablecontrollerPLCasthemaincontrol,computersystemprogramming,configuration,maintenance,monitoringandmanagementofintegratedworkingplatform.ImplementationofSBRsewagetreatmentproductionsitenetworkcommunicationandcomputercontrolsystemintegration.

Automationcontrolsystemadoptsthedistributedfieldbuscontrolsystem.Thehostcomputerasamanagementcontrollevel,usingtheVisuallanguageBasic6.0developmentcommunicationprogram,human-computerinteractioninterfaceprocedures,dataprocessingandoutputofGraphprogram,completethesetvalueoftheinput,andthelowerpositionmachinecommunication,alarmsystem,managementandotherfunctions.PLCasthecontrollevelofacceptedmanagementlevelcommands,dataacquisition,controlsignaloutput.Thesiteconsistsofintelligentinstrumentation,controlequipmentandothercomponents,mainlyforsignalconversion,datatransmissionandexecutiononalayerunderallthecontrolcommandanddataacquisition.

Keywords：

wastewaterdisposal；PLCcontrol；SBR;Fieldbus

目录

1绪论1

1.1我国水资源现状和污水处理现状1

1.2本课题的主要研究的内容1

1.3本课题的研究意义2

2SBR介绍3

2.1SBR介绍3

2.1.1SBR工艺的流程3

2.1.2SBR工艺的应用4

2.1.3SBR自动控制的意义5

3SBR工艺自动控制系统整体方案6

3.1自动控制系统的选择6

3.1.1现场总线的特点7

3.1.2现场总线种类选择7

3.2上、下位机的选择8

3.3PROFIBUS网络配置8

33.1网络硬件配置8

3.3.2网络拓扑结构9

3.4控制系统结构9

3.5控制系统运行模式10

3.6控制系统的软件实现10

3.6.1上位机监控软件10

3.6.2下位机控制软件10

4PLC控制系统12

4.1可编程控制器介绍12

4.2PLC控制系统的设计12

4.2.1SBR工艺控制要求12

4.2.2参量的选择与测量14

4.2.3PLC的选择15

4.2.4PLC的I/0分配表16

4.3SBR法的自动控制规律16

4.3.1时间顺序控制16

4.4软件设计17

4.4.1主程序OB1设计18

4.2.2时间控制功能块19

5通信与网络20

5.1数据通信基础知识20

5.2利用PROFIBUS协议进行网络通信20

5.2.1PROFIBUS协议20

5.2.2PROFIBUS协议结构与传输技术21

5.2.3PROFIBUS介质存取协议21

5.3PROFIBUS的实现21

5.3.1PLC接入PROFIBUS网络22

5.3.2上位机与PROFIBUS连接22

5.3.3底层现场设备的PROFIBUS网络接入22

[参考文献]23

致谢24

1绪论

1.1我国水资源现状和污水处理现状

水是人类赖以生存和发展的基本条件，它对于人类文明和进步起至关重要的作用随着世界人口不断增长和工农业的迅速发展，人类对水资源的需求量日益增加。

由于水资源利用与水量分布的不平衡，水资源的不合理开发及浪费，导致我国的水资源环境问题严重。

20世纪70年代以来，我国开始了水污染防治方面的工作，污水处理事业有较大发展，但水污染恶化的局势未能得到有效控制，日趋严重的水污染不仅降低了水体的使用功能，而且加剧了水资源短缺的矛盾。

例如全国663个城市中，有400多个城市常年供水不足，110个城市严重缺点，直接造成工业产值的损失约为2000亿元/a，对我国的可持续发展战略带来了严重的负面影响。

2002年我国污水排放量达439.5亿立方米，生活污水232.3亿立方米，而全国污水处理能力只有113.6亿立方米/a，污水处理率仅为34.23%，与发达国家相比，我国城市污水处理厂的建设严重滞后。

美国平均每1万人就有一座污水处理厂，欧洲许多国家平均每5000-8000人就拥有一座污水处理厂，而在我国的城镇人口中，平均每150万人才拥有一座污水处理厂。

2002年生活污水处理能力每天约2544万立方米，2005年城市污水集中处理率计划达到45%，50万人口以上城市计划达到60%以上。

如果要达到这一目标，2005年污水处理能力每天应为5800多万立方米。

仅仅依靠污水处理厂处理污水，建造污水处理厂资金需求大，就我国国力还无法达到。

大量的生活污水若得不到有效处理，必然对江、河、湖和海域造成严重污染。

污水排放量大、处理率低是我国现阶段存在的主要环境问题之一。

1.2本课题的主要研究的内容

根据中小城市（镇）污水流量小且排放时间不集中等特点，采用序批式活性污泥法（SequencingBatchReactors简称SBR）,SBR集调节、初沉、曝气、二沉等过程于一池，按不同的时间顺序进行不同的操作，所有过程都在一个池体内进行，不需另建二沉池，也不需专用的回流污泥泵房，使水处理工艺简洁易行，构筑物占地少，布局紧揍合理，节省投资。

SBR工艺抗冲击负荷能力较强，有较好的脱氮除磷效果，是一种先进的污水处理系统。

SBR工艺的这些优越性表现了其强大的生命力与广阔的应用前景。

SBR工艺污水处理过程具有多变量、强非线性、严重不确定性、建模困难等特点，且标志污水水质的关键参数不能在线测量，控制目标不能用过程参数直接表示，是一个典型的复杂过程。

本课题通过对SBR污水处理工艺的研究，将现场总线技术引入到污水处理过程中来，开发出“基于现场总线的SBR污水处理自动控制系统”。

该系统以现场总线为核心，以智能设备可编程控制器为控制主体，以计算机为系统编程、组态、维护、监控和管理的一体化平台，实现了污水处理生产现场网络通信与计算机控制系统的集成。

计算机主要实现远程监测和管理功能，具体包括:

工艺流程动态显示、实时数据获得及显示、历史数据存储与调出、数据曲线显示、故障报带等;PLC控制系统主要完成工艺流程控制以及协调现场各智能监控仪器之间的逻辑关系，将现场各设备的运行状态通过通信线路传输到上位计算机，并接受上位计算机的控制指令。

1.3本课题的研究意义

从近几年环保治理上看，我国的环保理论、工艺研究与欧、美等发达国家的差距不大，差距比较大的是环保单元设备和自动控制系统。

我国污水处理厂自控系统的现状是:

手动与自动皆备，自制和引进并举。

运行控制从总体上说仍然存在很多不足，这不可避免地制约了污水处理技术水平的发展，也是我国水污染状况未能得到根本改善的重要原因之一。

对污水处理过程进行自动控制不仅可以提高系统的性能、产率和可靠性，而且还可以增加系统的稳定性、降低操作成本。

目前我国所使用的污水处理设备尤其是自动检测系统及相关软件大多依靠进口。

我国的人口多，城市多，企业多，所需的污水厂也多，进口设备要消耗巨大的外汇，可见，只依靠进口并不是长久之计。

随着经济的发展，设计出符合我国国情的污水处理控制系统迫在眉睫。

2SBR介绍

2.1SBR介绍

SBR（SequencingBatchReactor）是间歇式活性污泥法的简称，是一种按照一定的时间顺序间歇式操作的污水生物处理技术，也是一种按间歇曝气方式来运行的活性污泥污水处理技术，又称序批式活性污泥法。

2.1.1SBR工艺的流程

SBR是活性污泥法的一种，其反应机理及去除污染物的机理与传统的活性污泥法基本相同，只是运行操作方式不尽相同。

SBR与传统的水处理工艺的最大区别在于它是以时间顺序来分割流程各单元，以时间分割操作代替空间分割操作，非稳态生化反应代替生化反应，静置理想沉淀代替动态沉淀等。

整个过程对于单个操作单元而言是间歇进行的，但是通过多个单元组合调度后又是连续的，在运行上实现了有序和间歇操作相结合。

SBR集调节、初沉、曝气、沉淀等过程于一池，按不同的时间顺序进行各种目的不同的操作，全部过程都在一个池体内周而复始地进行。

不需设置二沉池及污泥回流设备。

在该系统中，反应池在一定时间间隔内充满污水，以间歇处理方式运行，处理后混合液沉淀一段时间后，从池中排除上清液，沉淀的生物污泥则留于池内，用于再次与污水混合处理污水，这样依次反复运行，则构成了序批式处理工艺。

典型的SBR系统分为进水、反应、沉淀、排水与闲置五个阶段运行。

如下图1所示。

图1SBR工艺的流程

（1）进水水工序是反应池接纳污水的过程。

在污水注入之前，反应器处于前一个周期的排水或闲置状态，处理后的废水已经排放，反应器内残存着高浓度的活性污泥混合液。

污水注满后进行反应，从这个意义上说，反应器起到调节池的作用，因此，反应器对水质、水量的变动有一定的适应性。

（2）反应这是本工艺最主要的一道工序，当废水注入达到预定容积后，进行曝气或搅拌，以达到处理目的（如去除BOD、硝化、脱氮除磷）。

如通过好氧反应（曝气）进行氧化、硝化，再通过厌氧反应（搅拌）来脱氮。

在本工序的后期，进入下一步沉淀工艺之前，要进行短暂的微量曝气，以吹脱污泥近旁的气泡或氮，保证沉淀过程的正常进行。

（3）沉淀停止曝气和搅拌，使混合液处于静止状态，活性污泥与水分离。

由于是静止沉淀，沉淀效果一般良好。

本工序相当于活性污泥法连续系统的二次沉淀池。

（4）排水经过沉淀后产生的上清液，作为处理水排放。

一直到最低水位，在反应器底部的大部分活性污泥作为下个周期使用的泥种。

过剩的污泥引出排放。

反应器中剩余的处理水可在下个周期起到稀释作用。

（5）闲置也称待机工序，即在处理水排放后，反应器处于停滞状态，等待下一个操作周期开始的阶段。

2.1.2SBR工艺的应用

近几十年来，由于SBR工艺的低造价和高效率，在世界各国得到了广泛应用，各种类型的SBR工艺都有污水厂投入运行。

我国对SBR工艺的研究起步比较晚，SBR工艺过程并不复杂，但对过程控制的各种参数要求较高，对仪表的稳定性和准确性有一定的要求。

1985年上海市政院为吴淞肉联厂设计并投产了我国第一个SBR污水处理站。

九十代中期，国家建设部部属市政设计研究院和上海、北京、天津等市政设计研究院开始了SBR工艺技术的研究和应用，但大部分处于试验研究和小型污水厂的应用阶段。

随后有研究人员将SBR工艺应用于印染废水、白酒生产废水、皮革废水、造纸和味精废水、啤酒废水、制药废水、焦化废水等工业废水及生活污水的处理上，并取得大量经验。

目前，各种SBR工艺在我国己有运用，运行效果也较好，实践证明SBR是一种性能稳定的污水处理方法。

随着科学技术特别是自动化技术的飞速发展，SBR的单元设备及控制水平有了很大提高，电动阀、电磁阀、液位计、流量计及DO等在线仪表的出现为SBR技术的发展提供了支持，使SBR的自动化操作成为可能，克服了SBR法运行管理复杂的主要缺点，使SBR工艺有了更加广泛的应用前景。

在经济水平高速发展，中小城市迅速崛起的今天，SBR工艺一定会在城市化进程中发挥更大的作用。

2.1.3SBR工艺自动控制的意义

目前，绝大多数污水处理厂采用活性污泥法，特别是八十年代以来，序批式活性污泥法（SequencingBatchReactor简称SBR法）用于处理间歇排放的水质水量变化很大的工业污水取得了很大成功并被广泛应用。

SBR法的主要缺点是操作复杂，只有实现SBR法的自动控制，才能发挥其优势。

虽然某些SBR污水处理厂在一定程度上实现了自动化，但由于大多数采用传统的控制方式，即时间程序控制。

时间程序控制主要是根据SBR法的五个运行阶段即进水、反应、沉淀、排放、闲置所需的时间进行预先设定后实施的自动控制。

而污水的水质水量随时间是变化的，有时其有机物浓度相差几倍甚至几十倍，如果按某一相同的反应时间控制SBR法运行，当进水浓度高时出水质不合格，但进水浓度低时反应时间过长，即浪费了能耗又易于发生污泥膨胀。

可见利用时间程序控制效果不佳，出水水质波动较大，制约着污水处理的质量。

SBR法需要一种更为有效的控制方式，即能充分发挥SBR法的处理优势，又能保证处理系统的可靠运行。

SBR法是一种生物污水处理技术，污水处理过程有很大的时变性，需要较多地考虑其动态行为和运行特性。

采用自控技术，可以根据监测的结果，随时调整设备及工艺过程参数，可使设备状态优化，经济运行，节约能耗，保证安全操作，，提高管理水平，合理使用和配置设备。

国内外的经验都表明，好的自动化管理不仅能节省人力，更能使系统稳定可靠节省运行费用。

我国经过“七五”、“八五”和“九五”3个五年计划的艰苦努力，在城市污水处理工艺和设备等方面取得了较为可喜的成效，某些设备己经达到了完全国产化程度。

但是，在城市污水处理关键性设备和控制技术的研究方面还存在一定不足。

而有的己建成的污水处理厂仍处于人工操作状态，这严重影响了城市污水处理的质量，带来了不可预料的后果，因此，进一步提供城市污水处理自动化控制水平就显得尤其重要。

3SBR自动控制系统整体方案

3.1自动控制系统的选择

污水处理是一个多参量（如液位、水质成分、流量、压力等）、多任务（如污水输送、风量控制、水泵的启停等）、多设备（如水泵、鼓风机、阀门等）且具有随机性、时变性和藕合性的复杂系统。

因此，污水处理应由一个智能监控与综合管理系统来进行现代化的管理，使之安全可靠地运行。

目前，国内一般的污水控制系统均为PLC,DCS技术的计算机控制，但传统PLC,DCS系统是自封闭式的集散系统，难以实现设备之间以及系统与外界之间的网互连和资源共享，使自动化系统成为“信息孤岛”:

另一方面传统PLC和DCS系统的现场层设备与控制器之间的连接是一对一（一个I/0点对设备的一个测控点）的接线方式。

在污水处理系统中，现场控制设备分布范围比较广，如果采用上述传统的控制方案，势必要铺设大量的控制和信号电缆，造成了整个项目的投资成本增高，系统连线复杂，可靠性降低，维护工作量增大，系统进一步扩展困难等问题。

随着计算机技术、通信技术和控制技术的迅猛发展，特别是开放系统互连协议（OSI）的制定和TCP/IP协议的广泛应用，许多传感器、执行机构、驱动装置等现场设备智能化，即内置CPU控制器，完成诸如线性化、量程转换、数字滤波甚至回路调节等功能，工控领域也不断产生先进的控制模式，逐步形成了以网络集成自动化系统为基础的企业信息系统。

现场总线（FIELDBUS）就是顺应这一形势发展起来的。

也可以说现场总线技术是计算机数字通信技术向工业自动化领域的延伸，它的发展将促使自动化系统结构发生重大变革，是传统的基于PLC及DCS控制技术系统发展的必然归宿。

现场总线技术实际上是实现现场级设备数字化通信的一种工业现场层的网络通信技术。

按照国际电工委员会IEC61158的定义，现场总线是“安装在过程区域的现场设备/仪表与控制室内的自动控制装置/系统之间的一种串行、数字式、多点通信的数据总线。

”也就是说基于现场总线的系统是以单个分散的、数字化、智能化的测量和控制设备作为网络的节点，用总线相连，实现信息的相互交换，使得不同网络、不同现场设备之间可以信息共享。

现场设备的各种运行参数、状态信息及故障信息等通过总线传输到远离现场的控制中心，而控制中心又可以将各种控制、维护、组态命令又送往相关的设备，从而建立起具有自动控制功能的网络。

通常将这种位于网络底层的自动化及信息集成的数字化网络称之为现场总线系统。

现场总线控制系统（FCS）用数字信号取代模拟信号，以提高系统的可靠性、精确度和抗干扰能力，并延长信息传输的距离。

它既是一个开放的通信网络，有时一种全分布的控制系统，是一种新型的网络集成自动化系统，它以现场总线为纽带，把挂接在总线上相关的网络节点组成自动化系统，实现基本控制、补偿计算、参数修改、报警、显示、综合自动化等多项功能。

3.1.1现场总线的特点

FCS采用全数字通信，具有开放式、全分布、可互操作性及现场环境适应性等特点，形成了从测控设备到监控计算机的全数字通信网络，顺应了控制网络的发展要求。

现场总线具有如下特点:

（1）全数字化通信采用现场总线技术，只用一条通信电缆就可以将控制器与现场设备（智能化、具有通信接口）连接起来，信号传输是全数字化的，实现了检错、纠错的功能，提高了信号传输的可靠性。

（2）实现彻底的分散性和分布性采用现场总线控制系统FCS，它的控制单元都可以分散到现场，因此FCS可被认为是一个彻底的分布式控制系统。

（3）具有较强的信息集成能力采用现场总线后，连接的可以是智能化设备，所以控制器就可以从现场获得大量的信息，实现设备状态故障、参数信息的一体化传输。

（4）降低费用采用现场总线可节省连接导线，降低安装和维护费用。

（5）开放性允许并鼓励不同厂家按照现场总线技术标准，自主开发具有特点及专有技术的产品。

依照现场总线技术规范，不同厂家产品可以方便完成组态与集成，构成面向行业、适合行业特点的自主控制系统。

这一特点为更多的自动化产品制造商自主开发并推出自主知识产权的自动化系统提供了可能。

也为自动化系统集成商开发面向行业应用的成套技术和自动化系统提供了机会。

现场总线技术以其先进性、实用性、可靠性、开放性的优点，必然成为未来自动化技术发展的主流。

3.1.2现场总线种类选择

FCS采用全数字通信，具有开放式、全分布、可互操作性及现场环境适应性等特点，形成了从测控设备到监控计算机的全数字通信网络，顺应了控制网络的发展要求。

现场总线具有如下特点：

全数字化通信采用现场总线技术，只用一条通信电缆就可以将控制器与现场设备（智能化、具有通信接口）连接起来，信号传输是全数字化的，实现了检错、纠错的功能，提高了信号传输的可靠性。

现场总线的种类主要有:

PROFIBUS,LANWORK,CANBUS,CONTROLNET等，具体如下表3-1所示。

目前，最具代表性的现场总线是PROFIBUS（ProcessFieldBus），是一种国际性的开放式的现场总线标准。

目前世界上多数自动化技术生产厂家都为它们的自动化设备提供PROFIBUS通信接口。

PROFIBUS在较大范围内已经取得了用户和制造商的认可。

PROFIBUS有3种系列的现场总线，其中PROFIBUS一DP应用于现场级，采用RS-485数据接口，它能连接不同制造厂商的标准部件。

Profibus总线上最多可挂接126个站点。

传输速率为9.6-12Mbps，它的最大传输距离12Mbps时为100m,1.5Mbps时为400m，可用中继器延长至10kin。

输介质可以是双绞线、光缆。

可实现总线供电与本质安全防爆。

经过综合考虑，由于PROF工BUS的可扩充性能够适应今后控制系统的扩展需要。

因此，现阶段选择PROFIBUS现场总线网络作为操作员站和各现场控制站之间的通信网络。

3.2上、下位机的选择

现场总线技术的核心是网络技术。

控制系统的计算机网络是一个实时网络。

信息处理要满足实时性、完整性、一致性和可靠性的要求。

基于SBR法污水处理的自动控制过程比较复杂，且是一个顺序性、周期性很强的逻辑操作系统，因此选择可编程控制器（PLC）作为系统底层控制单元（下位机），上位机主要实现系统管理功能，一般不参与过程控制，而是承担高一级的控制与管理任务，要求信息存储量大、计算速度快。

因此以PC机作为中央控制和监视系统。

以PROFIBUS现场总线为核心，以智能设备PLC为控制主体，以PC机为系统编程、组态、维护、监控和管理的一体化工作平台。

实现了污水处理厂生产现场网络通信与计算机控制系统的集成。

3.3PROFIBUS网络配置

33.1网络硬件配置

选用PROFIBUS-DP的电气网络配置形式。

将上位监控机和PLC作为主动站。

将曝气过程中的变频器以及工艺中应用的智能传感器和外围I/0设备，作为从动站。

总线节点（主或从设备）采用IM/CP接口或集成接口的RS-485端子和PROFIBUS-DP网络连接。

在PROFIBUS电气网络中，根据数据传输速率不同，每段的最大长度不同。

如果站点之间相距较远，可以在网络中采用RS-485总线中继器来连接各段。

3.3.2网络拓扑结构

网络拓扑结构是指网络中的通信线路和节点间的几何布置，它反映了各个模块间的结构关系，对整个网络的设计、功能、可靠性和成本都有影响