1、学士学位论文基于西门子plc技术的污水处理厂控制系统设计与实现 第一章 绪论 1.1 引言 随着经济的飞速发展和世界人口数量的持续增加，对水的需要量也在不断增大，但是地球上可用的水资源却在逐渐萎缩，特别是在城市周边，可以开发利用的淡水资源由于污染的原因正急剧减少。为了应对水体污染，最近几年越来越多的城市污水处理厂、城市垃圾无害化处理厂正在如火如茶的建设、投运。为了提高污水处理效率和降低运行成本，将自动控制新技术引入污水处理厂，提高其自动化水平是非常关键的。 应用现场总线技术、PLC、控制仪表、执行装置、上位机监控设备等可以组成一个高效、实时、可靠的网络化全集成自动化系统。由于现场总线多项先进性
2、，注定了这套系统有较好的维护性和实施性。将其应用于污水处理厂的自动控制系统，将带来良好的社会效益和可观的经济效益。1. 2污水处理的现状1. 2. 1我国水资源的概况 水资源是指可以直接被人类利用、能不断更新的天然淡水，主要是陆地上的地表水和地下水的浅层部分。全球水的总储量是比较巨大的，约为，但是可供人类使用的淡水资源只占到2.5%，其中绝大多数分布在高原冰川、两极冰盖、冰冻地带以及以下的地层深处，方便取用的河水、湖水以及浅层地下水只占全球总储量的0.26%。在全球淡水资源的分布也是非常不均衡的65%以上的淡水集中分布在个国家，如美国、哥伦比亚和加拿大等。占世界人口总数量的40%以上的80多个
3、国家为水资源缺乏国家，有近30个国家为严重缺水国家。 水资源的短缺已经成为世界性的问题，我国也同样面临水资源短缺的现实。中国虽然总体上水资源有，但是人均只有，是世界人均占有量的1/4，接近国际公认的缺水警戒线，且分布极为不均，开发利用有相当难度，致使许多地区严重缺水，尤其是三北地区和沿海城市连年闹“水荒”。我国的城市缺水现象更为严重，在300多个大中城市中180个城市缺水，其中50多个城市严重缺水。以北京为例，全市水资源人均占有量仅为全国平均水平的1/6，而年用水量已达，每年缺水约。另外，在时间分布上，我国的水资源也存在不均衡，总的来说是冬春节干旱少雨，夏秋多雨。有时还连续出现干旱枯水年和丰水
4、年现象。水资源的分布不均和口益严重的水资源短缺不但严重困扰国民生产，而且成为制约我国经济发展的主要因素。我国不仅缺水，而且水资源的现状令人担忧。在我国经济快速增长，工业化和城市化进程口益加快的同时，由于基础设施建设的投资有限和管理不善，加之认识所限，江河湖泊及近海海域普遍受到不同程度的污染，尽管部分流域地区的污染得到了有效控制，但是总体来说仍呈连年加重的趋势。水资源的短缺与粗放低效利用的状态并存，水资源及其安全性己经成为中国社会经济发展的瓶颈，是国家安全的重要支持因素之一。1.2.2污水处理的现状 我国的污水处理开始于上世纪七十年代。那时已经开始利用废弃的河道、沼泽以及城市周边洼地构筑成稳定塘
5、，对生活污水和工业废水进行简单的处理。据当时的文献资料介绍，这样的稳定塘共计38座，口处理生活污水173万吨。八十年代，国家政策开始向环保倾斜，推动了一大批城市污水处理设施的兴建，我国第一座大型的城市污水处理厂一口处理26万吨的天津纪庄子污水处理厂也于1984年4月投入运行。“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，城市污水处理设施的建设经历了一个发展高潮时期“九五”期间，我同正式启动对“河”(淮河、海河和辽河)、“湖”(太湖、巢湖、滇池)流域和“环渤海”地区的水污染治理，国家给予相应资金和技术上的支持。据统计，到2000年底，全同己建设城市污水处理厂427座，其
6、中二级处理厂282座，二级处理率约为15%。由此可见，我国的污水处理现状并不理想，城市污水处理率还很低。 2002年之后，国家大力扶持污水处理厂的建设，特别是山西、河北、河南、陕西等中西部地区，每年都有数十座污水处理厂开工建设。拿陕西省为例，截至2009年底，绝大多数县级以上城市都拥有了正常运行的污水处理厂，有的城市还建成了中水厂并已投运。1.2.3城市污水处理的发展趋势我国是一个发展中国家，经济发展水平相对落后。而面对我国口益严重的环境污染，国家正加大力度来进行污水的治理。而解决城市污水污染的根本措施是建设以生物处理为主体工艺的二级城市污水处理厂，但是，建设大批的二级城市污水处理厂需要大量的
7、投资和高额运行费，这对我国来说是一个沉重的负担。目前我国的污水处理厂建设工作，则因为资金的缺乏很难开展，部分已建成的污水处理厂由于运行费用高昂或者缺乏专业的运行管理人员等原因而一直不能正常运行，因此我国的城市污水处理发展趋势应该围绕以下两个方面： 第一，未来的城市污水处理必须是高自动化、高可靠性的。现代污水处理厂采用计算机控制口益普遍。应用计算机控制技术可以实现污水处理工艺的半自动、全自动监控，提高污水处理厂的技术管理水平，合理使用和配置处理设施，具有非常现实的意义。 第二，未来的城市污水处理必须满足“三低一高”条件：即基建投资低、运行成本低、管理要求低、处理效率高。大力发展小城镇是我国城市化
8、过程的必由之路，是具有中国特色的城市化道路的战略性选择。而对于小城镇的污水处理又面临一系列的问题：小城镇污水的特点不同于大城市，小城镇资金短缺；运行管理人员缺乏；技术力量薄弱等。因此，小城镇的污水处理厂应该是基建投资低、运行成本低、运行管理相对容易，处理效率高的工艺。对高效率、低投入、低运行成本、成熟可靠的污水处理工艺的研究是今后的一个重点研究方向。1. 3污水处理厂的控制系统介绍1. 3. 1常见污水处理厂控制系统介绍 上世纪九十年代之前，国内的污水处理厂一般采用手动控制或者小范围的计算机自动控制。九十年代中期，随着计算机技术的突飞猛进，污水处理厂的自动化程度也在不断的提高，PLC、工控机等
9、也逐渐在新建污水处理厂普及开来。特别是最近几年，新建成的污水处理厂一半以上采用了计算机自动控制技术。然而，由于资金不足、技术力量薄弱等原因，还有很多中小型污水处理厂的自动控制水平还很低，导致系统运行效果不够稳定。1.3.2污水处理厂控制系统发展趋势 随着自动化水平的不断提高及其在社会各个方面的应用越来越广泛，自动化系统在污水处理这一方面也发挥了其强大的优势。本文论述了城市污水处理厂自动化系统的结构形式，以及网络化数据监控系统在处理厂自动化监控的基础上，实现处理厂全自动化控制管理。 未来的污水处理厂控制系统，应是一个低运行维护成本、高集成化、高度自动化的系统。是采用“集中管理，分散控制”模式建立
10、的经济、可靠的现场检测、过程控制和计算机管理一体化的系统。利用网络实现信息资源的共享，达到“现场无人值守，中控一人值班”的目标，甚至于通过现有的有线/无线网络，实现远程控制。污水处理自动控制系统不仅要具有良好的安全性、可靠性和稳定性等基本特点，还应该具有系统操作与维护的方便性，并能在传统的自动化控制系统的基础上，加入以优化处理效果和节省运行费用为目标的优化控制。 第二章 西门子PLC及其Prof i Bus现场总线2. 1西门子PLC2. 1. 1 PLC简介 PLC英文全名是Programmable logic controller，即可编程逻辑控制器，指一种面向生产过程控制的数字电子装置，
11、包括逻辑运算、顺序控制、时序、计数以及算术运算等程序。它用一串指令形式存放在存储器中，然后根据存储的控制内容，经过模拟、数字等输入输出部件，对生产设备与生产过程进行控制。它具有控制能力强、操作方便灵活、价格便宜、可靠性高等持点。它不仅可以取代传统的继电器控制系统，还可方便的构成复杂的工业过程控制网络，是一种适应现代工业发展的新型控制器。 一套典型的PLC通常包括CPU模块、电源模块和一些I/0模块，这些模块安装在一块背板上。有些配置还可能包括一个操作员面板、通信模块以及一些可选的特殊功能模块。可编程逻辑控制器不仅容易安装，占用空间小，能源消耗小，大多带有诊断指示器可以帮助故障诊断，而且可以被重
12、复使用到其他的项目中去。现在，尽管PLC的功能、数据处理能力己经获得了很大的提高，但PLC一直保持了最初设计的原则，那就是简单至上的原则。2. 1. 1. 1 PLC的发展 PLC是60年代末，随着现代工业生产自动化水平的口益提高及微电子技术的飞速发展，而发展起来的，并在通用汽车公司的汽车生产线上首次应用成功。随着微电子技术的发展，70年代中期出现了微处理器和微型计算机了，这使得可编程序逻辑控制器实现更大规模的集成化，从而使之工作更为可靠，更适应工业环境，功能也大大加强了。随着成本的大幅度下降，这种控制器逐渐进入了实用阶段，我国于1974年开始研制，1977年开始工业应用。1985年1月，国际
13、电工委员会(IEC)在颁布程序控制器标准草案第二稿时，将其进一步定义为：“可编程序逻辑控制器(PLC)是一种数字运算操作的电子控制系统，专为在工业环境下应用而设计，它采用可编程序的存贮器，在其内部存贮执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数及算术运算等操作的指令。并通过数字式或模拟式的输入、输出接口来控制各种类型的机械或生产过程”。2. 1. 1. 2 PLC分类1. 按照I/0点数分类PLC的输入、输出点数表明PLC可以从外部接收多少个输入量和向外部输出多少个输出量。I/0点数(总数)在256点以下的称为小型机，一般只有逻辑运算、定时、计数、移位等功能，适用于开关量的控制和简单的模拟控制。I/0点
14、数在256点至1024点之间的，称为中型机，它除了具备逻辑运算功能，还增加了多路模拟量处理、算术运算、数据传送、数据通讯等功能，可完成既有开关量、又有模拟量的复杂控制。I/0点数在1024点以上的称为大型机，其功能更加完善，具有数据处理、模拟调节、联网通讯、监视、记录、打印等功能，可以进行中断控制、智能控制、远程控制等，可用于大规模的过程控制，构成分布式控制系统或整个工厂的集散系统。2. 根据结构形状分类 从结构和形状上看，PLC可分为整体式和模块式两种。一般的小型机多为整体式结构。这种结构的PLC，其电源、CPU、I/0部件等都集中配置在一起，有的甚至全部装在一块印刷电路扳上，结构紧凑、体积
15、小、重量轻、价格低、容易装配在工业控制设备的内部，比较适合于生产设备的单机控制。整体式PLC的缺点是主机的I/0点数固定，使用不够灵活，维修也不方便。模块式结构的PLC各部分以单独的模块分开设置，如电源模块、CPU模块、输入模块、输出模块等。这种PLC通常由机架底板联结各模块(也有的PLC为串行联接，没有底板)，底板上有若干插座，使用时，各种模块直接插入机架底板即可。这种结构的PLC配置灵活、装配方便、易于扩展，可根据控制要求灵活配置各种模块，构成功能不同的各种控制系统。一般大中型PLC均采用这种结构。模块式 PLC的缺点是结构较复杂，各种插件比较多，造价也比较高。2. 1. 1. 3 PLC
16、的特点及主要功能1. PLC的特点 虽然PLC的种类不同，规模不同，生产厂家也不一致，但是它们却有很多共同的特点： (1)程序编制简单 PLC一般采用易于理解和掌握的梯形图语言及面向工业控制的简单指令编制程序，非常形象直观。对于小型PLC而言，几乎不需要任何专门的计算机知识，只需要拥有简单的电路或者逻辑知识即可，特别适合现场工程技术人员使用。 (2)控制系统构成简单、通用性强 虽然PLC种类繁多，但由于其产品的系列化和模块化，且软件包齐全，用户可灵活组成各种规模和要求不同的控制系统。用户在硬件设计方面，只需确定PLC的硬件配置和I/0的外部接线，不需要诸如继电器之类的固体电子器件和大量繁杂的硬
17、接线电路。当控制要求改变，需要变更控制系统的功能时，只要改变存贮器中的控制程序即可。PLC的输入、输出可直接与交流220V、直流24V等相连，并有较强的负载能力。(3)抗干扰能力强、可靠性高 PLC是专为工业控制设计的，能适应工业现场的恶劣环境。在PLC的设计和制造过程中，采取了多层次抗干扰及精选元器件等措施，使PLC的平均无故障时间通常在20000小时以上，这是一般的其它电气设备做不到的。绝大多数用户都将可靠性作为选取控制装置的首要条件。因此PLC在硬件和软件方面均采取了一系列的抗干扰措施。在硬件方面，PLC采取的抗干扰措施主要是隔离和滤波技术。PLC的输入和输出电路一般都用光电祸合器传递信
18、号，使CPU与外部电路完全切断电的联系，有效地抑制外部干扰源对PLC的影响。在PLC的电源电路和I/0接口中，还设置了多种滤波电路，以抑制高频干扰信号。在软件方面，PLC设置了故障检测及自诊断程序，用来检测系统硬件是否正常。 (4)易于操作及维护 PLC的控制程序可通过其专用的编程器输入到PLC的用户程序存贮器中。编程器不仅能对PLC控制程序进行写入、读出、检测、修改等操作，还能对PLC的工作状态进行监控，使得PLC的操作及维护都很方便。PLC还具有很强的自诊断能力，能随时检查出自身的故障，并显示给操作人员，使操作人员能迅速检查、判断故障原因。由于PLC的故障率很低，并且有完善的诊断和显示能力
19、，当PLC或外部的输入装置及执行机构发生故障时，如果是PLC本身的原因，在维修时只需要更换相应的插入式模块及其它易损件即可，既简单又方便。 (5)设计、施工、调试周期短 用PLC完成一项控制工程时，由于其硬、软件齐全，设计和施工可同时进行，由于用软件编程取代了继电器硬接线，实现控制功能，使得控制柜的设计及安装接线工作大为减少，缩短了施工周期。同时，由于用户程序大都可以在实验室模拟调试，调好后再将PLC控制系统在生产现场进行联机调试，使得调试方便、快速、安全，因此大大缩短了设计和投运周期。2. PLC的主要功能 PLC是采用微电子技术来完成顺序控制功能的自动化设备，可以在现场的输入信号作用下，按
20、照预先输入的程序，控制现场的执行机构按照一定规律进行动作，其主要功能如下: (1)开关量控制 (2)限时控制 (3)计数控制 (4)步进控制 (5)数据处理 (6)模拟量处理 (7)通讯及联网2. 1. 1. 4 PLC的编程语言 PLC与微机一样，是以指令程序的形式进行工作的，各种型号的PLC一般均以梯形图语言为主，同时也兼顾一些其它形式的编程语言。1.梯形图 梯形图是一种图形编程语言，是面向控制过程的一种“自然语言”，它延用传统继电器的触点、线圈、串并联等术语和图形符号，同时也增加了一些继电器控制系统中没有的特殊符号，以便扩充PLC的控制功能。梯形图语言比较形象、直观，对于熟悉继电器表达方
21、式的电气技术人员来说，不需要学习更深的计算机知识，极易被接受，因此在PLC编程语言中应用最多。2.指令语句表 指令语句就是用助记符来表达PLC的各种控制功能，一般与梯形图形式一一对应。它类似于计算机的汇编语言，但比汇编语言通俗易懂，因此也是应用很广泛的一种编程语言。指令语句通常由地址、操作码和操作数(器件编号)三部分组成。这种编程语言可使用简易编程器编程，编程设备简单、逻辑紧凑，连接范围不受限制，但比较抽象，一般与梯形图语言配合使用，互为补充。目前，大多数PLC都支持指令语句编程。3.逻辑功能图 这种编程语言基本上沿用了半导体逻辑电路的逻辑方块图形式。对于每一种功能都使用一个运算方块，其运算功
22、能由方块内的符号确定。常用“与”、“或”、“非”等逻辑功能表达控制逻辑。与功能方块有关的指令均画在方块的左边，输出画在方块的右边。采用这种编程语言对于熟悉逻辑电路和具有逻辑代数基础的技术人员来说，是非常方便的。4.流程图流程图 编程方式采用画工艺流程图的方法编程，只要在每一个工艺方框的输入和输出端标上特定的符号即可。对于在工厂中搞工艺的人来说，用这种方法编程，不需要很多的电气知识，非常简单。5.高级语言部分 PLC支持高级语言编程，类似与C或者Pascal语言，这对于那些有着丰富的高级语言编程经历的开发人员非常的方便。2. 1. 2西门子PLC的特点 德国的西门子公司在过程自动化领域有极高的知
23、名度，PLC及其相关设备的产销量都很高。据估算，在2007年该公司的PLC相关产品在国内销量约占同类产品的一半以上。西门子的PLC除了具有上述的五个特点之外，还具有如下的特点。1.产品丰富，涉及面宽 首先，西门子公司拥有不同的产品系列，可以适用于不同规模的应用:简单的Logo，可以算得上是最简单的PLC产品，或者说是界定与传统的继电器与PLC之间的一类，既具有继电器简单易用的特点，又具有PLC集成度高、功能强、方便快捷的优势；S7-200系列PLC，是一种小型PLC，适用于对性能要求不高的场合；S7-300系列，是模块式中小型PLC，在一个系统中最多可扩展32个不同的应用模块，可以满足绝大多数
24、的应用场合，甚至能完成软冗余：S7-400是大型的PLC，可以挂接300多个模块，H系列和HF可以完成硬件冗余，具有极高的处理速度和卓越的通讯性能，可以应用与一些特殊要求的领域。 其次，西门子公司同样的产品系列还有不同应用条件的产品，可以满足扩展温度范围、防爆、高粉尘、高有毒有害和腐蚀性气体污染等多种不同的应用场合。 另外，西门子公司不仅有，传统的PLC，还有多个系列的PLC扩展产品：S7系列是传统意义上的PLC，除此之外的S7-300/400系列，采用与S7-300/400相同的结构，它可以作为CPU或功能模块使用，具有AT兼容计算机的功能，可以用C，C+或CFC等语言来编程；S7系列由S7
25、-300 PLC，MI(人机接口)操作面板、I/0、通信和过程监控系统组成，应用于集成化要求较高的场合；最后WinAC，它基于Windows和标准的接口(ActiveX, OPC)，提供软件PLC或插槽PLC。2.高度的集成化 西门子PLC的高度集成化，不仅表现在I/0的集成，还表现在网络模块的集成和功能的集成方面:上面讲到的S7系列便是功能集成的例子，网络模块的集成更是常见，如非常常用的315-2DP，317-2DP。2. 2西门子PLC与Prof iBus现场总线 从ProfiBus现场总线的起源得知，西门子公司是ProfiBus主要的发起人，那么当ProfiBus成为德国国家标准、欧洲标
26、准之后，我认为西门子公司作为主要的PLC生产大厂，一定会推出与之相结合的PLC产品。实践证明后来的6ES7315-2AF03-OABO, 6ES7 315-2AG00-OABO和6ES7 315-2AJ00-OABO，都是非常经典的产品。 ProfiBus现场总线发展到今天，西门子相关的产品更是层出不穷，除了多款紧凑型的SIMATIC PLC，还有SIMATIC WinAC控制器、支持主站功能的通讯处理器、IE/PB链路模块、ET 2005/ET 200X的主站模块、ET200系列分布式I/0、总线部件、总线连接器、中继器、祸合器、链路、网络转接器一串行通信、以太网、AS-i等。所以我认为，要
27、选择ProfiBus，一定要选择Siemens的PLC。 第三章 污水处理流程及其控制设计3. 1污水处理工艺流程 污水处理就是利用各种不同的方法，将污水中所含的污染物质分离或者将其转化为无害物质，从而使污水得到净化的过程。 污水处理是系统工程的组合，一般是遵循先易后难、先简后繁的规律。即首先去除大块的杂物，然后再依次去除悬浮固体、胶体物质和溶解物质。先采用物理方法，然后再使用化学方法和生物法。典型的一、二、三级处理工艺流程图见图3. 1，图3. 2和图3. 3： 图3.1 一级处理工艺流程图 图3.2 二级处理工艺流程图图3.3 三级处理工艺流程图3.1.1国内城市污水处理厂常用的工艺流程介
28、绍 在一般的城市污水的三级处理体制中，一级是预处理，二级是主体，三级是精制。在各种处理方法中，目前生物处理方法仍是整个城市污水处理的主流。这是因为，从整个城市污水处理的发展来看，一级处理技术最老，已经相对定型，三级处理虽然处于发展阶段，但是所用的技术费用较高，只有生物法这一部分，近百年来始终发展变化不止，至今仍方兴未艾。 下图是一个典型的城市污水处理厂处理工艺流程图。从功能上可以将这个流程分为三段：分别是污水一级处理(污水预处理)，污水二级处理(生物处理)，污泥处理。3.1.1.1污水一级处理(污水预处理) 污水一级处理，一般可以分为四:调节段、格栅段，除砂段和初沉段，某些工艺中还包括撇油、捞
29、毛等特殊处理段，此处不再细述。1.调节段 调节段由一个或者数个调节池组成，用于均衡调节污水水量和水质。另外，调节池还可以起到临时储存事故排水的作用。2.格栅段 格栅段一般由数套格栅机组成，在一些特殊情况下，还包括有筛网。格栅机由一组平行的金属或者非金属栅条制成，一般呈60-75度倾斜安装于污水入口渠道或者提升泵集水池进口处，用来截留大块的固形物，如草木、树叶、纤维、毛发、果皮木屑、菜叶、塑料制品等，防止管道阀门和泵类设备堵塞损坏。3.除砂段 除砂段一般由沉砂池和砂水分离器组成。 从污水中分离出密度较大的砂粒等颗粒的构筑物叫做沉砂池，其沉淀特性属于自由沉淀。在沉淀过程中，颗粒自由沉淀，互不干扰;
30、沉淀图呈直线；颗粒形状及大小密度等不会发生变化。沉砂池一般设置在虹吸管、泵站、沉淀池前，保护水泵和管道免受磨损和堵塞，减轻沉淀池负荷。4.初沉段 初沉段由一座或者数座沉淀池组成。沉淀池是利用重力作用将密度比水大的悬浮物从水中去除的处理构筑物，一般位于调节池、格栅和沉砂池之后，主要去除以无机物为主体的密度大的固体悬浮物。3. 1. 1. 2污水二级处理(生物处理) 污水二级处理，包括污水生物处理、沉淀和加药三个过程，其中污水的生物处理是核心。沉淀和加药两个过程均在为处理后的水体排放做准备。 活性污泥法的实质是以存在于污水中的有机物作为培养基，向污水中投加活性菌种并同时供氧曝气，对各种微生物群体进
31、行混合连续培养，通过凝聚、吸附、氧化、分解沉淀等过程去除水中的有机污染物。传统的活性污泥法工艺流程见图3. 4：图3.4传统的活性污泥法工艺流程3. 1. 2 SBR污水处理工艺 SBR是一种活性污泥法运行方式。普通的活性污泥法是连续运行的，而SBR污水处理工艺中的活性污泥法是间歇运行的，又称为间歇式活性污泥法，其工艺流程见图3. 5：图3.5 SBR工艺流程图 该工艺省去了二次沉淀池和调节池，曝气池容积也小于连续式，基础建设费用和运行费用都较低，同时还可以完成脱氮除磷的功能，并且不需要污泥回流。该工艺的工作过程是:在较短的时间内把污水加入到反应器中，并在反应器充满水后开始曝气，污水中的有机物通过生物降解达到排放标准之后停止曝气并且在沉淀一段时间以后将上层清液排出。这个过程可以概括为：短时间进水一曝气反应一沉淀一排水一进入下一个周期。3. 1. 3污水处理工艺 污水处理工艺又称为A-A-O处理工艺或“厌氧一缺氧一好氧”工艺，同SBR一样，也是在一种污水处理工艺，即二级处理部分，还需要一级处理、污泥处理相配合才能完成真正意义上的污水处理。 “厌氧一缺氧一好氧”脱氮除磷工艺由厌氧池、缺氧池、好氧池和二沉池组成。其实是在除磷工艺的
