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工業以太網的生活污水處理系統的自動監控設計研究

添加時間:2021/06/08 來源:未知 作者:樂楓
本設計實現了生活污水處理系統的自動監控,能夠滿足現代社會對污水處理的自動控制需求。
以下為本篇論文正文:

摘要

  目前污水處理工程對社會發展已經變得越來越重要,傳統的污水處理技術主要以手動方式和常規儀表控制為主,依靠工人經驗,處理質量不穩定、生產效率低。為了提高污水處理效率,本文選用先進的自動控制技術和設備,對污水處理廠進行自動控制系統設計。

  以某污水廠實際情況為背景,分析污水實際工藝流程,根據工藝流程特點確定控制系統的設計需求。針對污水處理具有非線性、多變量的特點,選用工業以太網 PROFINET和 PROFIBUS-DP 總線相結合的網絡架構方式,構成主從式控制系統。在確定總體控制方案的基礎上,進行控制系統的硬件設計與軟件設計。硬件設計采用 IPC+PLC+分站的形式,并對使用到的上位機、PLC 模塊和現場各類儀表等硬件設備進行選型。軟件設計包含三個部分:上位機監控畫面設計、PLC 程序編寫和觸摸屏界面開發。使用 Win CC軟件實現上位機界面開發;使用 STEP 7 編程環境完成西門子 S7-300 PLC 的硬件組態和程序設計;使用 Win CC Flexible 2008 軟件實現觸摸屏畫面開發。

  針對污水酸堿度參數在控制時存在的非線性和滯后性特點,為實現酸堿中和反應的準確控制,采用串級 PID 控制策略。并對串級 PID 控制模型進行 MATLAB/SIMULINK仿真實驗,實驗結果驗證了該控制算法的優越性。

  本設計實現了生活污水處理系統的自動監控,能夠滿足現代社會對污水處理的自動控制需求。

  關鍵詞:污水處理 組態軟件 PLC 酸堿度

ABSTRACT

  At present, the sewage treatment project has become more and more important to the social development. The traditional sewage treatment technology is mainly manual and conventional instrument control. Relying on the experience of workers, the treatment quality is unstable and the productivity is low. In order to improve the efficiency of sewage treatment, this paper selects advanced automatic control technology and equipment to design the automatic control system of sewage treatment plant.

  Based on the actual situation of a sewage plant, this paper analyzes the actual processflow of sewage, and determines the design requirements of the control system according to thecharacteristics of the process flow. In view of the nonlinear and multivariable characteristicsof sewage treatment, the master-slave control system is composed of industrial EthernetPROFINET and PROFIBUS-DP bus. On the basis of determining the overall control scheme,the hardware design and software design of the control system are carried out. The hardwaredesign adopts the form of IPC + PLC + substation, and selects the type of PLC module, fieldinstruments and other hardware equipment. The software design includes three parts: the uppercomputer monitoring screen design, PLC programming and touch screen interfacedevelopment. Use Win CC software to realize the upper computer interface development; usestep 7 programming environment to complete the hardware configuration and program designof Siemens S7-300 PLC; use Win CC flexible 2008 software to realize the touch screenpicture development.

  In order to realize the accurate control of acid-base neutralization reaction, the cascadePID control strategy is adopted. And the cascade PID control model is simulated by Matlab /Simulink. The experimental results verify the superiority of the control algorithm.

  The design realizes the automatic monitoring of the domestic sewage treatment system,which can meet the needs of the modern society for the automatic control of sewage treatment.

  Key words: Sewage treatment,Configuration software,PLC,PH

計算機

目 錄

  第一章 緒論

  1.1 課題研究背景

  隨著近年來我國城市化進程的快速發展,淡水作為一項極為重要的自然資源。其總量在逐漸減少,城市污水的隨意排放是造成水資源污染的重要原因。目前在我國占總量38%左右的城市污水會得到處理,剩余的污水則會被排放到河流和湖泊,最后匯聚到海洋。隨著將來我國城市人口的增加和城市規模的進一步擴大,水污染問題將來無疑會成為一項艱巨的社會問題。

  近年來國家越來越重視污水處理方面的研究,各種先進的自動化生產領域的研究被大量應用到污水處理行業中,用來不斷改進污水治理技術,提高污水處理質量。目前針對有些污水存在的黏性高、含油率重等現象,通常選擇使用微生物分解的處理方式。通過微生物的分解,一般可以高效的消耗溶解在水體中的有機物,使得處理后的水體達到良好的處理效果。在微生物分解的過程中,對于水體酸堿度的控制非常重要,該過程必須確保 PH 值控制在合理范圍內。否則一方面會引起微生物的分解效率降低,另一方面也會引起藥劑浪費的現象。

  污水廠酸堿中和控制工藝經歷了從傳統人工加藥控制方式到現代自動控制方式的歷史沿革。由于酸堿中和反應具有嚴重的非線性、時滯性特點,因此控制系統的魯棒性和精確性通常很難保障。隨著自動控制領域在物料加藥方面的研究,污水酸堿度控制系統的自動化水平得以不斷提高。通過對加藥動作的精準控制,能夠避免因加藥過量引起的反復加藥處理現象,進而節約處理成本。

  隨著計算機在小型化、高速化、低成本和大容量等方面的迅速發展,各種性能優良的微處理器不斷面世。尤其是隨著工業控制計算機、可編程控制器的大量應用和推廣,以 PLC 和變頻器為核心的控制系統被應用到對 PH 值的控制領域,取得了很好的效果。

  采用自動加藥控制系統能夠很好地實現對排放污水酸堿度的控制,降低工人的勞動強度,提高工作效率。通過使用計算機進行控制,還能實現數據記錄和故障報警等功能,有利于克服傳統污水控制和管理方面存在的諸多弊端。本文研究基于工業以太網的計算機控制系統無疑會使得污水處理的控制更加精確化、智能化,實現高效、環保、精準的處理效果。

  1.2 污水處理監控系統國內外現狀

  1.2.1 國外研究現狀

  歐美發達國家由于多年前就實現了工業現代化,因此城市污水對河流的污染問題也較早的暴露出來。并且這些國家在面對污水治理問題時得到了相關政府部門在資金和政策方面的大力扶持,大量的資金和科研人員被投入到污水治理技術領域的研究。污水處理自動化研究首當其沖地成為了研究重點,他們的科研人員先后成功研制了多種高效型污水自動化處理系統和儀表設備。如今他們的污水處理率達到了污水排放總量的 75%~86%,基本上解決了城市污水問題。美國、英國、德國和日本等發達國家,在上世紀九十年代開始逐漸實現城市污水的二級處理和二級強化處理,有些國家還進行了污水的三級處理,甚至個別國家還做到了污水的回收利用,比如以色列國家的污水回用率最高可達到 89%.

  目前隨著現場總線技術和工業以太網通信技術的不斷發展,發達國家的污水處理廠形成了基于工業以太網架構下的計算機控制系統,如 DCS 系統、FCS 系統。同時他們還將多種 SCADA 技術引入到該領域中,取得了良好的控制效果。這些國家針對 PLC 在控制系統方面的研究,研制出了一些智能、安全、穩定的控制器,例如 SLC 系列、西門子公司的 S7 系列、TSX Quantum 系列。此外他們還重視在線儀表的研制,如美國哈希公司的化學需氧量 COD 分析儀、德國 E-I-H 公司的溶解氧 DO 儀等。

  德國在污水治理方面的特點是:大量使用現場總線技術或集散控制技術。根據污水廠中不同污水處理工藝的現場分布情況,將污水處理過程劃分成多級、多層次的控制站。

  這些控制站之間或者是平級關系,或者是上下級關系,各站之間可以實現獨立運行。同時他們還可以通過設立中央控制室,實現全廠的實時數據綜合管理功能,因此德國的污水處理自動化技術能夠大大提高操作人員效率。

  美國在污水治理方面的特點是:通過使用各類先進污水監測儀表和實時分析儀表,實現對污水廠中各類水質參數的實時在線監測,他們使用的儀器儀表對各類水質參數的測量精度非常準確。美國的有些污水廠還采用了先進的遙控、遙測設備,并且充分地利用社會其它信息資源,如國際互聯網、移動電話、氣象信息等。因此目前污水處理自動化技術在美國的應用已經非常廣泛,他們有一部分的污水處理廠目前已經逐漸實現人工智能控制技術在該領域的應用,該類控制系統可以根據水質的情況自動調整控制方式。

  由此看見,國外在污水治理方面的研究范圍廣,控制系統設計方案成熟。對于該領域的研究也在不斷增加,他們提出的一些先進控制策略和技術,對我們有著非常重要的借鑒價值。

  1.2.2 國內研究現狀

  我國污水處理研究是從 20 世紀 70 年代開始,當時主要是對工業生產排放的工業廢水和城市污水進行簡單的物理處理。80 年度代初,我國許多城市開始大力興建污水處理廠。當時很多污水處理廠進行污水處理的一、二級處理技術,但是生產過程中存在著能耗高、效率低、自動化程度低等缺點。上世紀 90 年代我國開始引進自動化污水處理技術,此時污水處理量得以快速發展,處理效率越來越高。目前我國的污水處理廠通常采用的控制方式有 PLC 控制系統、現場總線控制系統和集散控制系統等 SCADA 系統。

  隨著各個污水處理廠對水處理工藝的不斷改進,污水廠的設備變得越來越多,因此現場的設備規模也隨之不斷擴大。由于現場安裝的設備越來越分散,顯然傳統控制手動已經不能經濟高效的構建控制系統,在此基礎上發展基于工業以太網的計算機控制系統,目前已經得到了廣泛的應用。這類控制系統的結構通常是由系統管理層、監控服務層以及現場控制層三部分構成,它們以工業以太網為紐帶,形成了"管理集中、控制分散"特點的系統。

  如今我國污水處理監控系統已經得到了長足的發展,各類型的 PLC 控制器在該領域得到了大量應用。田瑞瑞選用日本三菱公司生產的 FX2N-48MR 型 PLC 作為主體控制硬件,實現了污水廠污泥壓榨處理工藝控制系統的設計[10].宋春寧選用三菱公司的FX3U-64M 型 PLC 為核心控制器,設計制糖廠生產水處理酸堿度在線監控系統。任強勝選用德國西門子公司生產的 S7-300 系列 PLC,依據 USBR 處理工藝設計了印染廠水處理自動控制系統[11].邢松華針對制革行業產生的廢水處理問題,選用西門子 S7-200 型PLC 作為核心控制器,提出了廢水處理自控系統解決方法[12].郝佳選用日本歐姆龍公司生產的 CJ1G-CPU42H 型 PLC 作為主控制器,并配以 CJ1W-AD041、CJ1W-OC211 模塊作為擴展輸入和擴展輸出端口,構建針對 CASS 工藝方法的污水處理自動控制系統[13].

  針對 PH 控制的研究領域,金以惠、孫西等人在谷氨酸結晶過程中,針對 PH 值控制問題提出了雙線性自適應控制策略,他們以雙線性作為控制過程的機理模型,從本質上揭示了 PH 值的中和過程[14].楊友林在解決化工污水處理過程中 PH 值控制存在的調節時間長、系統抗干擾性能差的問題時,采用單神經元自適應控制器進行 CSTR 控制器的設計方案[15].

  三菱公司生產的 PLC 對污水廠中的各類機械動作控制較好,該系列 PLC 指令豐富,擁有專用的定位指令,因此對于伺服控制和步進控制容易實現。但是三菱型 PLC 的模擬量模塊價格昂貴,通信部分程序編寫復雜。歐姆龍公司生產的 PLC 編程方便,價格略低,但功能相對西門子型 PLC 較少,因此該類型 PLC 僅適用于小型自動控制系統。西門子公司生產的 PLC 在過程控制與通信控制方面都很容易實現,其模擬量模塊價格便宜,程序編寫簡單,通信部分容易實現。因此針對污水處理控制系統這類有大量模擬量需要處理的控制系統,選用西門子型 PLC 非常合適,并且污水處理現場的很多儀表設備采集的數據通信都很容易實現。

  目前從總體上看,我國污水處理技術水平已經進步很多,但同時存在著很大的發展空間,無論是從控制策略層次還是設備方面,我國的污水處理技術都應不斷提高。相信隨著計算機控制技術在該領域的不斷發展,更多新技術和新工藝會不斷應用到污水處理方面上去。更高效的自動化控制策略和控制設備也會投入其中,這對于污水處理質量的提高具有重要的實際價值。

  1.3 課題研究意義

  污水處理研究是目前解決水資源減少的重要手段,未來針對污水處理自動控制系統的研究會越來越多。由于傳統污水處理系統存在可靠性低、故障頻發、處理效率低等缺點,因此很難達到目前環保部門對于污水處理的現實需求。

  本文依據某污水處理廠的實際控制需求,使用德國西門子公司生產的 S7-300 PLC 作為核心控制器,使用研華工業控制計算機作為控制系統上位機,使用西門子公司的 WinCC 組態軟件進行上位機監控界面設計。設計的控制系統能夠滿足污水處理過程的基本控制要求,實現對污水處理系統工藝運行狀況的監控。而且還能實現中央監控室與現場設備之間的遠程通訊,根據用戶的不同需求對現場采集到的實時監控數據和設備運行狀況信息進行數據存儲。污水監控系統在設計中將下位機控制器跟污水處理設備通過PROFINET 方式相連,不僅可以控制執行器設備的動作,還可以將現場傳感器采集到的數據信息反饋給上位機監控系統使用。

  PROFINET 協議是德國西門子公司在 2001 年時為實現工業控制需求發布的一款通信協議,該協議通過將原來的互聯網技術與 MODBUS 技術結合,形成 PROFINET 網絡實現方案。它基于組件對象模型建立分布式自動化控制系統,規定標準以太網和PROFINET 現場總線之間透明、開放的通信方式,提供包括設備層和系統層在內的系統模型。工業以太網經常會被應用在單元級和管理級的網絡通信領域,選用工業以太網作為污水處理控制系統的通信架構能夠滿足污水處理控制對于數據通訊的要求?紤]到工業以太網技術具有通信速率高、價格低廉、軟硬件產品豐富、穩定可靠、應用廣泛和技術支持成熟等優點,因此選用工業以太網作為污水處理的通信方式非常合適。

  本文設計的自動控制系統具有以下幾個優點:

  1)將自動控制系統與實際的污水處理過程充分結合,實現對污水處理過程中水質酸堿度的精準控制,提高污水處理廠的污水處理質量。

  2)通過選用不同通訊手段進行不同控制層之間的連接,實現控制系統上下層之間的實時數據傳輸,提高通訊功能方面的可靠性。由于系統能夠保存歷史記錄,因此方便工作人員對監控系統的進行定期的維護。

  3)控制系統采用"集中管理、分散控制"的主從式監控方式,能夠大大降低污水處理自動控制系統的故障風險,提高系統可靠性。

  4)選用以西門子 S7-300 PLC 為核心控制器,同時實現系統內部不同功能配置的模塊化,從而滿足靈活的現場實際需求。

  系統設計時使用的工業以太網、PLC、計算機、PROFIBUS 總線通訊等先進的上位機、下位機設備,能夠對污水處理流程實現良好的監控和管理。使用自動化控制系統代替人工手動控制能夠增強污水處理的技術管理水平,保障操作人員安全,確?刂葡到y穩定運行。整個監控系統的設計可以滿足國家 GB 18918-2002 的排放標準,實現全廠自動化操作、高效節能和安全穩定生產的要求。

  1.4 論文結構安排

  本文以富平縣城南污水處理廠實際項目為背景,分析污水處理廠的現場工藝過程,設計以西門子可編程邏輯控制器 S7-300 PLC 為核心的污水監控系統。利用工業以太網PROFINET 和 PROFIBUS-DP 總線相結合的方式,構建主從式控制系統。系統硬件設計采用 IPC+PLC+分站的形式,并且對使用到的各個 PLC 模塊、現場設備和儀表等硬件進行了硬件設備選型。軟件設計包括三個部分:上位機監控軟件 Win CC 開發、PLC 程序設計以及觸摸屏界面的開發。利用 Win CC 軟件進行系統上位機監控界面的設計;利用STEP 7 編程環境完成西門子 S7-300 PLC 的硬件組態和程序開發;利用 Win CC Flexible2008 軟件實現觸摸屏界面的開發。

  針對污水處理中最重要的水質參數-酸堿度進行控制策略研究。由于酸堿中和反應過程存在強烈的非線性特點,因此選擇設計串級 PID 控制系統。此外還進行了控制模型的 MATLAB/SIMULINK 仿真模型構建,從理論上分析檢驗了串級控制策略對 PH 值的控制效果。

  論文的結構安排如下:

  第一章 緒論。介紹污水處理的背景,國內外目前在污水處理領域的發展現狀,明確論文研究的目的和意義;第二章 介紹污水處理廠的各個工藝流程。分析不同工藝環節的控制要求,明確控制要求和參數指標。根據污水處理工藝流程的特點,提出控制系統的總體實現方案;第三章 介紹污水控制系統的硬件實現方案。包括介紹系統使用到的各類傳感器類型、參數,可編程邏輯控制器的各個模塊型號、數量,以及對上位機硬件設備的選型,最后提出控制系統的網絡架構設計;第四章 從理論方面分析中和反應過程中 PH 值控制的難點。提出針對該問題的解決方案,并且建立控制系統模型的 MATLAB/SIMULINK 仿真;第五章 介紹控制系統所有的軟件實現方案。包括上位機組態軟件開發,下位機控制器程序設計以及觸摸屏界面開發;第六章 總結和展望。

  第二章 污水處理工藝流程及設計方案

  2.1 研究背景及控制要求

  2.2 污水處理工藝流程

  2.3 關鍵工藝分析

  2.3.1 格柵間

  2.3.2 鼓風機

  2.3.3 PH 中和反應池控制

  2.3.4 污泥脫水車間

  2.3.5 消毒車間

  2.3.6 綜合工房

  2.4 監控對象點數統計

  2.5 控制系統總體設計方案

  2.6 本章小結

  第三章 污水處理控制系統硬件設計

  3.1 控制系統硬件架構

  3.2 控制系統硬件選型

  3.2.1 上位機硬件選型

  3.2.2 PLC 硬件選型

  3.2.3 傳感器選型

  3.3 污水處理監控系統硬件網絡設計

  3.4 硬件接線圖

  3.5 本章小結

  第四章 污水處理系統 PH 值控制策略

  4.1 中和調節池 PH 值控制要求

  4.2 PID 控制

  4.2.1 連續式 PID 控制算法

  4.2.2 數字式 PID 控制算法

  4.3 中和調節池 PH 值控制

  4.3.1 污水處理 PH 值特點

  4.3.2 污水處理的控制策略

  4.4 MATLAB 仿真分析

  4.5 本章小結

  第五章 污水處理控制系統軟件設計

  5.1 上位機監控界面開發

  5.1.1 Win CC 軟件介紹

  5.1.2 Win CC 監控畫面的實現

  5.1.3 用戶登錄界面設計

  5.1.4 污水處理監控組態畫面設計

  5.2 PLC 程序設計

  5.2.1 硬件組態的設置

  5.2.2 PLC 主程序設計

  5.2.3 子程序設計

  5.3 觸摸屏的應用

  5.4 本章小結

第六章 結論

  6.1 結論

  本文基于對某污水廠工藝流程的分析,設計一套可靠性高、價格低廉的自動控制系統。由于污水處理涉及的工藝流程有物理過濾、生物降解、絮凝沉淀和中和反應等十余個物理化學過程,因此為了確保處理后的水質能達到相關參數指標,選用以西門子S7-300PLC 為核心控制器的自動控制系統。該控制系統設計合理,可以提高污水處理的工作效率,降低作業人員的勞動強度,在污水處理中取得了很好的效果。

  本文完成的工作主要包括以下幾點:

 。1)根據污水處理廠實際需求和污水處理工藝流程特點,逐一介紹分析各個工藝過程的功能和控制需求;

 。 2 )根據統計到的現場控制變量點數,選用工業以太網 PROFINET 和PROFIBUS-DP 總線相結合的網絡架構方式,構成主從式控制系統;

 。3)進行控制系統的硬件功能設計,包括硬件部分的總體框架設計,進行了上位機工控機和顯示器的選型,PLC 控制器選型以及各類傳感器的選型;(4)根據 PH 值具有非線性、遲滯后的特點,設計串級控制策略;谥泻头磻獧C理和加藥控制研究,對傳統 PID 控制方式進行改進,控制結果達到了實際生產要求;(5)利用 Win CC 軟件進行上位機界面開發,利用 STEP 7 編程環境完成西門子S7-300 PLC 的硬件組態和程序設計,利用 Win CC Flexible 2008 軟件實現 HMI 應用開發。

  本文的創新點在于:

 。1)從污水處理廠的實際工藝出發,針對污水控制中水質酸堿度這一重點參數進行研究分析,運用數學和化學模型對污水酸堿度進行理論研究。根據其強滯后性特點,分析討論了不同 PID 控制模型的優缺點,最終選取串級 PID 的控制方式;

 。2)根據串級 PID 控制方式,實現 STEP-7 程序的編程,完成上位機監控軟件和觸摸屏監控部分的軟件開發,基本完成了污水處理控制系統的功能。

  本設計方案總體上是成功的,控制系統架構設計和儀表選型合理,網絡通信穩定可靠,監控界面安全實用。生產效率得到了提高,可以為社會節約大量費用,為保護環境發揮一定的作用。

  6.2 展望

  隨著對控制參數精度的要求不斷提高,控制策略和儀器儀表需要不斷改進。該污水處理廠設計的自動控制系統自動化程度高,但由于時間倉促,本文還需要進一步研究其它問題:

 。1)編程軟件只進行了主程序和中和調節工藝的設計,今后應考慮對全部的工藝過程進行程序設計,增加功能設置,進一步美化界面;

 。2)本文針對的是 PH 酸堿中和過程進行設計,由于每套水處理工藝各有不同,同時由于不同閥門的結構類型不同,所以該控制系統的推廣有待現場實際的不斷調試。

  總而言之,由工業以太網組成生活污水處理監控系統操作簡單、容易維護,將來有很好的實際應用前景。通過該系統的設計,使得我對把自動化知識應用到生產實踐的能力是一次極大的鍛煉,對我將來從事的科研工作很有幫助。

致謝

  三年的研究生學業生涯中,我得到了導師、同學、朋友以及家人的大量幫助,在此表示衷心的感謝!

  首先我要感謝的是我的導師徐竟天老師!從研究方向的確立,到確定畢業設計的題目,再到了解課題研究內容、直至論文撰寫,每一個過程都受到徐老師的悉心指導。在徐老師的指導下,讓我對控制專業的知識有了更深入的理解,同時鍛煉了自己的項目實踐能力,在此感謝徐老師給予我的諄諄教誨和殷切關懷。當我在學習和生活遇到低谷時,是徐老師的支持和鼓勵使我再次奮起。三年的求學路上,徐老師在科研和生活上給予了我莫大的幫助,在完成論文之際,謹向徐老師致以最崇高的敬意!

  我還要特別感謝實驗室一起工作和學習的老師們!感謝他們平日里在學習和生活上給我提供的諸多幫助和建議。同時他們在日常里對工作和生活中孜孜不倦、不懈拼搏的處事態度,為我在今后的工作和科研中樹立了非常好的榜樣。我還要感謝實驗室與宿舍里朝夕相處、并肩學習的同學們,感謝大家共同努力所營造的良好學習氛圍!

  最后,我要特別感謝養育我多年的家人!在她們的關愛與支持下,使得我能夠一門心思地投入到學習中去,獲得今天在學業上的收獲。

  感謝所有幫助過我的人!感謝各位老師和評審專家在百忙之中對我的論文進行評審!

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