污水处理过程PLC模糊控制器设计与应用.docx
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污水处理过程PLC模糊控制器设计与应用
本科毕业设计（论文）
题目污水处理过程PLC模糊控制器设计与应用
学院名称 电气工程与自动化学院
专业班级 自动化08-1
学生XX X宝龙
导师XX 葛爱冬
二○一二年五月二十六
摘要
随着中国经济的发展和人民生活水平的逐步提高，必然对环境质量提出更高的要求。
解决好污水污染问题，对污水进行处理后再进行排放，是生态环境保护以及为人们营造舒适生活环境的重要条件。
本文主要介绍了PLC在污水处理中结合模糊控制器的具体应用实例，系统介绍了污水处理工艺流程以及基于SIEMENS的S7—200系列PLC与模糊控制器相结合的污水处理实施方案。
可编程控制器即PLC是综合了计算机技术、自动控制技术和通信技术的一种新型的、通用的自动控制装置。
现在可编程控制器已经成为最重要、最可靠、应用场合最广泛的工业控制微型计算机。
它具有功能强、可靠性高、使用灵活方便、易于编程以及适应工业环境等一系列优点。
为了提高污水处理厂的运行管理水平，节约运行经费,在介绍SBR工艺的基础上，提出了一种将模糊控制技术与PLC相结合来实现污水处理过程中COD浓度模糊控制的方法.既发挥了PLC控制系统灵活可靠的特点，又提高了控制系统智能化程度。
关键字：
污水处理自动化控制系统PLC模糊控制器软件设计
ABSTRACT
WiththedevelopmentofChina’seconomyandtheimprovementofpeople’slivingstandards,higherrequirementofenvironmentqualityisputforwardunavoidably.Tosolvetheproblemofthesewagepollutionanddischargethesewageafterdisposalistheimportantfactortoecologicalenvironmentandtheconstructoffortablesurroundingsforpeople.DigestthisarticlemainlyintroducedPLCinthedistrictsewagetreatmentconcreteapplicationexample,thesystemintroducedthedistrictsewagetreatmenttechnicalprocessaswellasbasedonSIEMENSS7-200theseriesPLCandfuzzycontroltechnologysewagetreatmentimplementationplan。
TheprogrammablecontrollerwasPLCisthegrandtotalputertechnology,theautomaticcontroltechnologyandthemunicationonekindnew,thegeneralautomaticcontroldevice.Nowtheprogrammablecontrolleralreadybecameimportantly,mostreliable,theapplicationsituationmostwidespreadindustrycontrolmicroputer.Ithasthefunctionstrong,thereliabilityhigh,theusenimbleconvenient,easytoprogramaswellastheadaptationindustryenvironmentandsoonaseriesofmerits.Inordertosavesomemoneyandtoenhancethesewagetreatmentplantthemovementmanagementlevel,onthebasisofintroducetheSBRmethodsewagedisposalprocess,advanceamethodofbiningthefuzzycontroltechnologywiththePLCtoachievesewagedisposalprocessfuzzycontrolofCODconcentration.NotonlyplayedflexibleandreliablecharacteristicsofPLCcontrolsystem,butalsoenhancetheintelligenceofthecontrolsystem.
Keywords:
Sewagetreatment;Automationcontrolsystem;PLC;Fuzzycontrol;Softwaredesig
第一章绪论
1.1课题研究的目的与意义
世界任何国家的经济发展，都会推进社会进步、促进工农业生产能力，使人民生活得到进一步改善，但是也随之带来不同程序的环境污染。
污水也是造成环境污染的来源之一。
这个污染源的出现引起了世界各国政府的关注，治理水污染环境的课题被列入世界环保组织的工作日程。
我国是一个水资源匮乏的国家，人均水资源占有量仅为世界平均水平的1/4。
水源不足、水体污染和生态环境恶化已成为社会发展的主要制约因素。
特别是经济的飞速发展与城市化进程的加快，缺水问题更为突出。
对工业和生活污水进行正确的处理回收再利用正是解决缺水问题的有效途径。
目前我国约300个城市缺水，其中严重缺水城市有50个。
据中国经济信息网分析统计，全国按目前正常需要，年缺水总量约为300亿～400亿立方米，因缺水造成的经济损失每年达2300亿元，超过洪涝灾害。
水资源的匮乏和水资源的污染，已经严重影响了人民的日常生活，严重影响了我国的经济建设和发展。
造成这种结果的原因主要是：
污水处理厂管理水平低、自动化控制手段差[1]。
因此建设符合我国国情的污水处理自动控制系统对降低污水处理成本、改善环境、建立可持续发展社会，保持我国经济高速发展具有重要意义。
1.2当今国内外污水处理自动控制系统发展状况
1.2.1国内污水处理自控系统发展状况
我国解决城市污水的净化问题始于二十世纪70年代。
80年代，随着城市化进程的加快和城市水污染问题的日益受到重视，城市排水建设有较快发展。
国家适时调整政策，由此推动了一大批城市污水处理设施的兴建。
八五期间，随着城市环境综合治理的深化以及各流域水污染治理力度的加大，污水处理设施的建设经历了一个发展高潮时期。
“九五”期间，我国正式对“三河”（淮河、海河和辽河）、“三湖”（太湖、XX、滇池）流域和“环渤海”地区的水污染治理，国家给与相应的资金和技术上的支持。
据统计，到2000年底，全国已建成城市污水处理厂427座，其中二级处理厂282座，二级处理率约为15%。
20000年用于城市污水处理工程建设的总投资约为150亿元。
近年来我国政府开始关注环境污染问题，特别是提出可持续发展战略后，政府在经济快速发展的同时也注意环境的保护和治理，环境保护已成为我国的基本国策之一。
从近年来的环境治理来看，我国的环保理论、工艺研究和应用与国外的差距不大，差距比较大的是环保单元的自动控制系统。
我国污水处理厂自控系统的现状是：
手动与自动皆备，资质和引进并举。
目前国内有些污水处理厂所采用的检测仪表大部分是精度和可靠性较差的离线仪表，检测手段也是靠取样后测量，然后根据测量的结果去调整设备运行状态。
因此很难进行快速和有效的在线实时控制，往往导致出水水质不稳定。
1.2.2国外污水处理自控系统发展状况
国外的一些发达国家，如美国、日本、西欧等国，由于这些国家经济发达，并较早的实现了工业现代化。
这些国家经济发展较早而且较快，环境问题特别是水资源污染的严重性也较早的体现出来，同时也得到了这些国家政府的重视，投入了大量的人力、物力，进行水处理的研究。
这些国家在研究水处理新理论和工艺的同时，也重视污水处理自控系统的研究。
这些国家先后投资研究高效型、智能型、集约型污水处理设备和自动化控制仪表。
一些发达国家经过十几年的努力，污水处理率几经达到了80%~90%，成功地解决了来自于城市和工业的点源由于控制技术、网络通信技术以及现场总线技术的飞速发展，国外的污水厂很早便实现了污水厂的网络控制，如DCS、FCS系统。
同时国外较早的将SCADA技术引入到了给水排水工程中，并取得了良好的经济效益和社会效益。
国外同时注重水处理中PLC的开发，相继研制出了一些智能、稳定、小巧的控制单元，如AB公司的SLC系列、Siemens的S7系列、Schneider的TSXQuantum系列；同时国外也很重视在线仪表的研制，如德国E+H公司，美国的哈希公司相继研制了溶解氧DO（DissolvedOxygen）、化学需氧量COD（ChemicalOxygenDemand）分析仪。
并在其中加入了模糊控制。
国外污水处理自控系统主要存在以下几个特点：
（1）采用集散控制系统DCS和现场总线控制系统FCS。
按照厂区的自身情况和工艺段来划分若干个控制站，站与站之间可以平级关系也可以是上下级关系，站与站之间一般独立运行。
设立中控室，中控室有操作员和工程师站，负责全厂的数据管理与记录、报表等工作。
（2）采用在线监测的水质分析仪表，对全厂的水质实行实时监测，并由上位机记录下来，提高了测量精度。
（3）生产过程中不同程度上采用了智能控制，可以根据水质和水源的变化自动地调整相应的控制方式。
（4）大量采用遥测、遥控设备，并开始有效地利用社会信息资源，如网络、移动网络、国际互联网、气象信息等[2]。
1.3SBR污水处理工艺
SBR是序列间歇式活性污泥法（SequencingBatchReactorActivatedSludgeProcess）的简称，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。
与传统污水处理工艺不同，SBR技术采用时间分割的操作方式替代空间分割的操作方式，非稳定生化反应替代稳态生化反应，静置沉淀替代传统的动态沉淀。
它的主要特征是在运行上的有序和间歇操作，SBR技术的核心是SBR反应池，该反应由初次沉淀、二次沉淀、生物降解、污泥回流、剩余污泥排放组成。
1.4PLC模糊控制器
1.4.1应用背景
实际上，工业污水中有机物的浓度随时间变化，若呆板的按照固定的时间来控制SBR污水处理系统的运行，既浪费能源有易发生污泥膨胀，而且若时间设置不当还将影响处理效果。
所以改进的空间很大。
近年来，由于模糊控制学科的迅速发展，已有大量将模糊逻辑控制技术应用于工业自动化、机器人控制以及智能仪表和家用电器领域的实例。
模糊控制器是一种基于模糊控制规则的控制器，而这种模糊规则就是人们对实际受控制过程的归纳以及经验的总结。
目前，许多污水处理厂在实际应用中还不能实时监测各种污水指标，只是采用时间程序控制，所以影响了控制效果以及污水处理能力。
然而由于市场上化学需氧量COD浓度在线检测仪的出现，我们可以将COD浓度作为重要的工艺参数，组成基于PLC的SBR污水处理模糊控制系统。
1.4.2PLC模糊控制器优点
由于SBR法污水处理系统本身是一个复杂的动态系统，其数学模型难以精确确定。
化学需氧量COD是一个重要的参数，其在线检测有一定的滞后。
基于PLC的模糊控制方案不需要确定控制对象精确地数学模型，而是根据控制规则决定控制量的大小，这种方法可以使这个反应过程的COD处于合适的X围。
这样，系统就可以通过在线检测COD的浓度值来调节曝气量，以保证出水质量，节省费用。
第二章确定设计方案
2.1PLC控制系统的设计分析
2.1.1污水处理过程
工厂的污水处理一般都是风机人工手动调整，在水资源的利用上比较浪费。
在风机鼓风的这一环节上加入模糊控制器能够提高整个系统的智能化，节约大量的人力和物力，这也符合我国的可持续发展战略。
节约能源，提高整个系统的效率。
下面在设计时我们就分为两个大部分，一部分是PLC整个过程的控制，另一个就是在鼓风机上进行模糊控制器的的设计与应用。
2.1.2PLC结构
（1）主机
主机部分包括中央处理器（CPU）、系统程序存储器和用户程序及数据存储器。
CPU是PLC的核心，它用以运行用户程序、监控输入/输出接口状态、做出逻辑判断和进行数据处理，即读取输入变量、完成用户指令规定的各种操作，将结果送到输出端，并响应外部设备（如编程器、电脑、打印机等）的请求以及进行各种内部判断等。
PLC的内部存储器有两类，一类是系统程序存储器，主要存放系统管理和监控程序及对用户程序作编译处理的程序，系统程序已由厂家固定，用户不能更改；另一类是用户程序及数据存储器，主要存放用户编制的应用程序及各种暂存数据和中间结果。
（2）输入/输出（I/O）接口
I/O接口是PLC与输入/输出设备连接的部件。
输入接口接受输入设备（如按钮、传感器、触点、行程开关等）的控制信号。
输出接口是将主机经处理后的结果通过功放电路去驱动输出设备（如接触器、电磁阀、指示灯等）。
I/O接口一般采用光电耦合电路，以减少电磁干扰，从而提高了可靠性。
I/O点数即输入/输出端子数是PLC的一项主要技术指标，通常小型机有几十个点，中型机有几百个点，大型机将超过千点
（3）电源
电源是指为CPU、存储器、I/O接口等内部电子电路工作所配置的直流开关稳压电源，通常也为输入设备提供直流电源。
（4）编程器
编程器是PLC的一种主要的外部设备，用于手持编程，用户可用以输入、检查、修改、调试程序、监视PLC的工作情况。
除手持编程器外，还可通过适配器和专用电缆线将PLC与电脑联接，并利用专用的工具软件进行电脑编程和监控。
（5）输入/输出扩展单元
I/O扩展接口用于连接扩充外部输入/输出端子数的扩展单元与基本单元。
（6）外部设备接口
此接口可将编程器、打印机、条码扫描仪等外部设备与主机相联，以完成相应的操作。
2.1.3PLC的工作原理
PLC是采用“顺序扫描，不断循环”的方式进行工作的。
即在PLC运行时，CPU根据用户按控制要求编制好并存于用户存储器中的程序，按指令步序号（或地址号）作周期性循环扫描，如无跳转指令，则从第一条指令开始逐条顺序执行用户程序，直至程序结束。
然后重新返回第一条指令，开始下一轮新的扫描。
在每次扫描过程中，还要完成对输入信号的采样和对输出状态的刷新等工作。
PLC的扫描一个周期必经输入采样、程序执行和输出刷新三个阶段。
PLC在输入采样阶段：
首先以扫描方式按顺序将所有暂存在输入锁存器中的输入端子的通断状态或输入数据读入，并将其写入各对应的输入状态寄存器中，即刷新输入。
随即关闭输入端口，进入程序执行阶段。
PLC在程序执行阶段：
按用户程序指令存放的先后顺序扫描执行每条指令，执行的结果再写入输出状态寄存器中，输出状态寄存器中所有的内容随着程序的执行而改变。
输出刷新阶段：
当所有指令执行完毕，输出状态寄存器的通断状态在输出刷新阶段送至输出锁存器中，并通过一定的方式（继电器、晶体管或晶闸管）输出，驱动相应输出设备工作。
2.1.4指令系统
（1）标准触点指令
LE常开触点指令，表示一个与输入母线相连的动合接点指令，即动合接点逻辑运算起始。
LDN常闭触点指令，表示一个与输入母线相连的动断接点指令，即动断接点逻辑运算起始。
A与带开触点指令，用于单个动合接点的串联。
AX与非常闭触点指令，用于单个动断开接点的串联。
O或常开触点指令，用于单个动合接点的接点的并联。
ON或非常闭触点指令，用于单个动断接点的并联。
LD、LDN、A、AN、O、ON触点指令中变量的数据类型为布尔（BOOC）型。
LD、LDN两条指令用于将接点接到母线上，A、AN、O、ON指令均多次重复使用，但当需要对两个以上接点串联连接电路块的并联连接时，要用后述的OLDB指。
（2）串联电路块的并联连接指令OLD
两个或两个以上的接点串联连接的电路叫串联电路块。
串联电路块并联连接时，分支开始用LD、LDN指令，分支结束用OLD指令。
OLD指令与后述的ALD指令均为无目标元件指令，而两条无目标元件指令的步长都为一个程序步。
OLD有时也简称或块指令。
（3）并联电路的串联连接指令ALD
两个或两个以上接点并联电路称为并联电路块，分支电路并联电路块与前面电路串联连接时，使用ALD指令。
分支的起点用LD、LDN指令，并联电路结束后，使用ALD指令与前面电路串联。
ALD指令也简称与块指令，ALD也是无操作目标元件，是一个程序步指令。
（4）输出指令
（=）输出指令与线圈相对应，驱动线圈的触点电路接通时，线圈流过“能流”，输出类指令应放在梯形图的最右边，变量为BOOL型。
（5）置位与复位指令S、R
S为置位指令，使动作保持；R为复位指令，使操作保持复位。
从指定的位置开始的N个点的映像寄存器都被置位或复位,N=1～255如果被指定复位的是定时器位或计数器位,将清除定时器或计数器的当前值。
（6）跳变触点EU,ED
正跳变触点检测到一次正跳变（触点得输入信号由0到1）时,或者负跳变触点检测到一次负跳变（触点得输入信号由1到0）时,触点接通到一个扫描周期.正/负跳变的符号为EU和ED,他们没有操作数,触点符号中间的“P”和“N”分别表示正跳变和负跳变
（7）空操作指令NOP
NOP指令是一条无动作、无目标元件的1程序步指令。
空操作指令使该步序为空操作。
用NOP指令替代已写入指令，可以改变电路。
在程序中加入NOP指令，在改动或追加程序时可以减少步序号的改变。
（8）程序结束指令END
END是一条无目标元件的1程序步指令。
PLC反复进行输入处理、程序运算、输出处理，若在程序最后写入END指令，则END以后的程序就不再执行，直接进行输出处理。
在程序调试过程中，按段插入END指令，可以按顺序扩大对各程序段动作的检查。
采用END指令将程序划分为若干段，在确认处于前面电路块的动作正确无误之后，依次删去END指令。
要注意的是在执行END指令时，也刷新监视时钟。
2.2模糊控制器的设计与实现
本污水处理系统，通过对溶解氧的模糊控制，实现既保证出水水质达标，同时降低能耗的目的。
在污水处理的过程中，由鼓风机通过与生化池相连的进气管道将空气输送到生化池，来补充生化池内的溶解氧。
鼓风机送入生化池的风量大小可以通过调节鼓风机的转速来进行控制，从而调节生化池的进气量。
溶解氧COD直接受到鼓风机的影响，鼓风机功率越大，COD提升得越快。
因此，对COD的控制可以转化为对鼓风机的控制。
如图所示，系统把COD的设定值与检测值比较，结果送入模糊控制器进行计算，通过模糊控制器对变频器进行控制，进而调整鼓风机的转速从而达到对COD的控制。
整个系统是一个闭环反馈控制系统。
2.2.1模糊控制器的结构
SBR工艺中通过在线检测COD浓度来调节曝气量，保证COD值在一定的X围，这样既保证出水质量又能节省费用。
基于以上分析，针对曝气装置设计了一个双输入单输出的模糊控制器，输入变量分别为曝气池的COD浓度偏差
和COD浓度变化率
，输出变量为曝气机曝气量
。
如下图
图2-1模糊控制器结构
所示，通过控制器定时采样COD值和COD值变化率与达标值比较，得到COD值误差
和COD值变化率
，通过模糊化、模糊规则运算及反模糊化，得到输出
，并以此作为控制曝气阀门的开度，以达到最合适的曝气量。
该模糊控制器是运用模糊理论，将人工运行经验转化为控制规则表，通过模糊规则来实现过程自动化控制，其核心部分是模糊控制器主要包括输入量的模糊化、模糊推理和反模糊化3部分。
2.2.2模糊集合及其论域
在总结工程设计人员的技术知识和实际操作经验基础上，分析COD与有机物降解及曝气量之间的关系，建立以模糊语言表示的模糊控制规则，并根据在操作过程中可能遇到的各种情况，将相应的控制策略归纳为模糊状态表。
对于偏差
和偏差率
及输出量
的各自模糊集（E，EC和U）及其论域定义如下E，EC和U的模糊集均为{NB，NM，NS，NO，PS，PM，PB}，论域为{-6，-5，-4，-3，-2，-1,0,1,2,3,4,5,6}
2.2.3确定隶属函数
隶属函数是论域元素对某一语言值从属程度的描述，对一个模糊集合的隶属函数如何确定，并没有一个统一的方法，隶属函数的确定过程，本质上说应该是客观的，但是每个人对于同一个模糊概念的认识理解都有差异，因此隶属函数的确定又带有主观性。
事实上，也不可能存在对任何问题对任何人都适用的确定隶属函数的统一方法。
一般是根据经验或者统计进行确定，也可由专家，权威给出。
例如体操裁判的评分，尽管带有裁判自己的主观性，但是却反映了裁判员们大量丰富实际经验的综合结果。
常用的隶属函数确定方法有模糊统计法、例证法和专家经验法，常用的隶属函数有梯形、三角形、正态分布和高斯型。
本文设计使用了三角形隶属函数，如表2-2所示
表2-2
根据操作者手动控制的经验，总结出49条模糊条件语句构成的控制规则，，归纳整理后得到反映污水处理系统控制规则的模糊控制表，如下表所示
图2-3模糊控制规则表
2.2.4输出量的解模糊化
根据模糊控制规则表可以看出,取定的的每一条模糊条件语句都可以计算出相应的模糊控制量，运用COD推理合成规则，并依据加权平均法并进行适当的修正可得到用于该控
图2-4查询表
制系统实时控制的模糊控制器输出查询表如上表所示。
在实际应用中将采样得到的COD值计算出偏差
和偏差率
，并分别量化为
和
，通过查表得到控制量输出量
，并将输出量
乘以比例因子，即可求出实际输出量
第三章硬件部分设计
3.1PLC的选择
由于设计的污水处理控制系统是应用在小型规模的污水处理厂，本系统选用西门子小型PLCS7-200系列，主机型号为CPU226XP，具有24个数字输入点和16个数字输出点，可以用于代替继电器的简单控制场合，也可以用于复杂的自动化控制系统。
由于它有极强的通信功能，在大型网络控制系统中也能充分的发挥其作用。
S7-200系列PLC在下列领域已经得到了广泛的应用：
机床电气、食品工业、化学工业、陶瓷工业、电力自动化设备、实验室设备、电梯、中央空调、真空装置、恒压供水和化工系统中各种泵和电磁阀的控制等。
S7-200系列PLC在污水处理控制系统中的应用，属于在该系列PLC的典型应用。
3.2I/O分配表
根据控制要求与设计方案，列出I/O分配表，如下表所示
输
入
信
号
I0.0
下潜滗水器手动启动
I0.1
上升滗水器手动启动
I0.2
回流泵手动启动
I0.3
风机手动启动
I0.4
进水泵手动启动
I0.6
下潜滗水器手动停止
I0.7
上升滗水器手动停止
I1.0
回流泵手动停止
I1.1
风机手动停止
I1.2
进水泵手动停止
I1.4
手动自动切换
I2.0
复位
I2.1
自动档开始
I2.2
滗水器下潜限位
I2.3
滗水器上升限位
I2.4
风机故障
I2.5
进水泵故障
I2.6
滗水器故障
I2.7
回流泵故障
输
出
信
号
Q0.0
下潜滗水
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