范文一：污水处理厂自动化监控系统设计

污水处理厂自动化监控系统设计

摘要

随着人民生活水平的提高和可持续发展战略的需要,污水处理越来越受到社会的重 视。 污水处理既可以起到环保作用, 又可以实现水的重复利用, 节约水资源。 为了提高污 水处理的质量和效率, 同时节省人力、 物力, 设计一套自动化监控系统是十分必要的。 本 文介绍了中小型污水处理厂自动化监控系统的整体设计方案。

本污水处理厂设计采用倒置 A2/O处理工艺, 设计处理污水规模为 4万吨 /天。 整个监 控系统分为三部分:一是现场数据采集部分, 完成数据采集功能; 二是现场控制单元, 分 现场控制柜和 PLC 站,现场控制柜主要完成手动控制, PLC 站主要完成数据处理、自动 控制及通讯功能; 三是上位机监控部分, 主要监视现场各工艺流程运行状况并实施远程控 制功能。

本文以工艺流程为线索,介绍了系统的总体设计方案、各 PLC 站的设计、重要参数 的监测、通信网络和上位机监控界面的开发。

关键字 :可编程逻辑控制器 , 自动化控制 , 组态软件

Abstract

With the improvement of living standards and the needs of sustainable development,sewage treatment has aroused much attention of the society.It can play a role in environmental protection,and Can deal with water reuse to conserve water resources.In order to improve the quality and efficiency of sewage treatment , and save manpower and raw materials,designing an automatic monitoring system is very necessary.This thesis introducing the overall design plan of middle and small scale Sewage treatment plants’automatic monitoring systems.

Sewage treatment plant uses invert A2/O processing technique and conducts sewage treatment 40,000 tons per day.The whole supervisory system consists of three parts.The first part is field data collection,which completes the data acquisition function.The second part is scene control unit.It is divided into two parts-scene control cubicle and the PLC station.Scene control cubicle mainly completes the task of hand control;PLC stands mainly competes the tasks of data processing,automatic control and communication.The third part is superior monitoring.The main function of it is to monitor the operation of various technical processes and implement remote control.

This thesis introduced the overall project design,the design of each PLC station,the monitor of key parameter,the sequence of technical process,communication network and PC monitoring software.

Keywords: Programmable Logical Controller, Automatics Control,Soft Panel.

目 录

1绪论 ............................................................................................................................................ 1 1.1污水处理国内外发展现状 ..................................................................................................... 1 1.2课题的意义及背景 ................................................................................................................. 2 1.3课题的研究内容 ..................................................................................................................... 3

1.4 章节安排 ................................................................................................................................ 4

2 工艺流程介绍 ........................................................................................................................... 5 2.1 污水处理指标 ........................................................................................................................ 5 2.2 污水处理的基本工艺方法 .................................................................................................... 7 2.3 本系统采用的工艺介绍 ........................................................................................................ 7 2.3.1 倒置 A2/O工艺介绍 ..................................................................................................... 8

2.3.2 本系统工艺流程 ........................................................................................................... 9

3 控制系统方案设计 ................................................................................................................. 10 3.1 污水处理自控系统的难点 .................................................................................................. 10 3.2 设计原则 .............................................................................................................................. 11 3..3 设计思想 ............................................................................................................................. 11 3.4 系统构成 .............................................................................................................................. 12

3.4.1 系统结构图 ................................................................................................................. 12

3.4.2 各单元功能描述 ......................................................................................................... 12

4控制系统硬件设计 .................................................................................................................. 14 4.1 仪表系统 .............................................................................................................................. 14 4.1.1 仪表的选型原则 ......................................................................................................... 14 4.1.2 本系统主要仪表 ......................................................................................................... 15 4.2 PLC01站设计 ....................................................................................................................... 15 4.2.1 粗格栅 ......................................................................................................................... 15 4.2.2 提升泵房 ..................................................................................................................... 16 4.2.3 细格栅 ......................................................................................................................... 17 4.2.4 沉砂池 ......................................................................................................................... 18 4.2.5 氧化沟 ......................................................................................................................... 18 4.2.6 二沉池 ......................................................................................................................... 19 4.2.7 污泥回流泵房 ............................................................................................................. 19 4.2.8 鼓风机房 ..................................................................................................................... 20 4.2.9 消毒出水池 ................................................................................................................. 20 4.2.10 控制柜设计 ............................................................................................................... 21 4.3 其他 PLC 站设计 ................................................................................................................. 30 4.4 中央监控室 .......................................................................................................................... 31 4.5 数据通讯系统 ...................................................................................................................... 31 4.5.1 以太网简介 ................................................................................................................. 32 4.5.2 工业以太网在本系统的应用 ..................................................................................... 34

5控制系统软件开发 ................................................................................................................. 35 5.1 PLC编程 ............................................................................................................................... 35 5.1.1 编程软件 ..................................................................................................................... 35 5.1.2 PLC编程 ...................................................................................................................... 36 5.2 上位机监控画面设计 .......................................................................................................... 42 5.2.1 组态软件介绍 ............................................................................................................. 43

5.2.2 组态王 6.52在本系统中的应用 ................................................................................ 45

6总结与展望 ............................................................................................................................. 53 6.1 总结 ...................................................................................................................................... 53 6.2 对未来研究的展望 .............................................................................................................. 53 参考文献 ..................................................................................................................................... 55致谢 ............................................................................................................................................. 56附录 ............................................................................................................................................. 57

1. 绪 论

随着经济的高速增长,水需求在不断增加,而地球上的水资源却在萎缩。可利用水 源特别是城市周围水源污染等因素使得水资源缺乏和水体污染己经成为各国面临的严峻 问题。 水污染造成了巨大的经济损失, 水资源的短缺制约了经济的可持续性发展。 水资源 的缺乏将是 21世纪人类面临的最大挑战之一,如何更好地减少水污染以及污水的回收利 用,已经成为科学家们研究的课题。

1.1污水处理国内外发展现状

美国、日本、西欧等一些发达国家,较早的实现了工业现代化,环境问题特别是水 资源污染的严重性也较早的显现出来。 19世纪以来,经济发达国家相继出现了环境污染 和社会公害问题。 这些国家政府高度重视, 投入了大量的人力、 物力、 财力进行污水处理 的研究, 建设了大量污水处理厂 【 1】 。 美国是目前世界上污水处理厂最多的国家, 平均 5000人就有 1座,其中 78%为二级生物处理厂;英国共有处理厂约 8000座,平均 7000人 l 座,几乎全部是二级生物处理厂;日本城市废水处理厂约 630座,平均 20万人 l 座,但 其中二级处理厂及高级处理厂占 98.6%; 瑞典是目前污水处理设施最普及的国家, 下水道 普及率 99%以上,平均 5000人 1座污水处理厂,其中 91%为二级生物处理厂。这些国家 的经验表明, 大力兴建二级污水处理厂对改善水体卫生情况起了很大的作用。 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, 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。 一些发达国家经过几十年的努力, 污水 处理率已经达到了 80%,成功的解决了来自于城市和工业的水污染问题。同时一些国家 开始重视污水的回用,如以色列的污水回用率达到了 90%。

水资源短缺是我国的基本国情之一,我国人均水资源占有量只有世界人均水平的四 分之一, 解决水资源短缺问题就必须对污水进行处理和再利用。 我国目前城市污水处理率 还相当低。据统计,目前全国年排污量约为 350亿立方米,全国超过 80%的城市污水未 经任何有效的收集处理就直接排放到附近的水体。全国 90%以上的城市水域受到不同程 度地污染,近 50%的重点城镇集中饮用水源不符合取水标准。近年来,各地不断发生水 体污染影响生产、 生活的事故。 近年来国家和地方政府对污水处理事业也越来越重视, 先 后启动了治理“三河三湖”工程,取得了明显的效果。 2000年统计,全国城镇的污水处 理率为 25%,根据建设部“到 2010年中国城镇污水处理率要达到 60%”的规划目标,到 “十一五” 末, 中国将需新建 1000座污水处理厂, 全国城镇污水集中处理能力将达到 10000万立方米 /日左右。然而,同发达国家相比,我国城市污水处理事业无论数量、规模、普 及率还是机械化、自动化程度,都存在着较大的差距。

1.2课题的意义及背景

我国的污水处理事业起步较晚,目前还处于发展阶段,对水处理的研究,特别是自 动化控制设备方面的研究远远落后于发达国家。前几年国家环境保护总局曾对我国 55个 城市的 5000多套工业废水处理设施进行了大规模的调查。结果表明,运行效果好和比较 好的只占 24%, 而建成后没能运行或处理能力达不到设计能力一半的设施竞占 63.8%。 可 见我国的污水处理技术仍处于较低的水平。

另外,我国经济发展水平还比较低,资金匮乏,投资力度不足等诸多因素,导致目 前发达国家大批水处理企业大举进军我国水处理市场。 国内某些城市污水处理厂全套引进 了国外的设备和技术,虽然取得一定效果,但全部引进国外技术存在以下问题:1. 引进费

用昂贵; 2. 维护费用昂贵,维护不方便; 3. 没有结合我国的国情; 4. 不利于培养我国的相 关专业的工程技术人员。 为了改变我国污水处理技术现状, 中央政府、 有关决策职能部门 和研究机构都倾注了较大的注意力,非常重视开展这方面的研究。 2001年国家自然科学 基金列出专项,支持开展污水处理厂自动控制系统的研究。

因此,对于我国这样一个污染严重、水资源短缺的国家,研制出一批能满足排放要 求、 处理效果好、 运行费用低、 国产化程度高且自动化水平较高的污水处理控制系统对我 国经济的发展具有重大的现实意义。

为更好的落实国家环境保护的基本国策和可持续发展战略,改善城市环境,促进经 济发展,投资兴建污水处理厂十分必要。本文以此对污水处理厂自控系统进行了研究。

1.3课题的研究内容

本课设计应用先进的工业控制计算机、可编程控制器、工业自动化组态技术、电力 电子控制技术以及网络通信技术等, 结合污水处理厂的特点, 设计出运行状态和参数能够 自动检测和自动控制、 具有自动故障应急处理能力并且具有网络通信能力的高性能、 高可 靠性的污水处理厂自动化监控系统。本文的研究内容包括如下几个部分:

1)了解污水处理工艺,分析各设备在污水厂的地理位置分布及控制特性,确定总体的控 制方案。

2)自动控制系统控制柜的设计及各工艺段控制程序的开发;

3)上位机监控软件的开发;上位机的人机界面采用北京亚控公司的组态王 6.52开发,与 西门子 PLC 、进行数据通讯,完成数据采集、处理、监督及控制功能。

1.4章节安排

1. 绪论,介绍了污水处理的国内外发展现状,课题的意义、背景及研究内容等;

2. 介绍了污水处理的工艺流程;

3. 介绍了控制系统的总体设计;

4. 介绍了控制系统的硬件设计;

5. 介绍了控制系统的软件设计;

6. 对全文进行了总结并对课题未来的研究前景进行了展望。

2. 工艺流程介绍

2.1污水处理指标

为了表征废水水质,衡量污水处理系统的效果,国家规定了许多水质指标。水质指 标主要包括温度(T )、悬浮固体浓度(SS )、氧化还原(ORP )、化学需氧量(COD )、 硫化氢浓度(H2S )、溶解氧(DO )、混合液悬浮固体浓度(MLSS )、酸碱度(PH )、 有毒有害有机污染物、 细菌总数、 总大肠杆菌数等。 下面将主要介绍悬浮固体浓度 (SS ) 、 氧化还原(ORP )、化学需氧量(COD )、溶解氧(DO )、酸碱度(PH )等几个常用指 标 【 2】 。了解这些指标有利于全面掌握污水在物理学、化学和生物学方面的特性,并掌握 污水处理流程和其最终方法。

1.悬浮固体(SS )

悬浮固体是水中未溶解的非胶态的固体物质,在条件适宜时可以沉淀。悬浮固体可 分为有机性和无机性两大类,反映污水汇入水体后将发生的淤积情况,其含量的单位为 mg/L。

2.氧化还原(ORP )

ORP 是英文 Oxidation-Reduction Potential 的缩写 , 它表示溶液的氧化还原电位。 ORP 值是水溶液氧化还原能力的测量指标 , 其单位是 mv 。它由 ORP 复合电极和 mv 计组成。 ORP 电极是一种可以在其敏感层表面进行电子吸收或释放的电极 , 该敏感层是一种惰性金 属 , 通常是用铂和金来制作。参比电极是和 PH 电极一样的银 /氯化银电极。

3.化学需氧量(COD )

化学需氧量(COD , chemical oxygen demand),是指在酸性条件下,用强氧化剂将

有机物氧化为 CO 2和 H 2O 所消耗的氧量,单位为 mg/L。当以重铬酸钾为氧化剂时,化学 需氧量表示为 COD Cr ;当以高锰酸钾为氧化剂时,化学需氧量表示为 COD Mn 。与 BOD 【 3】 相比, COD 能在较短时间内, 较精确地测出废水中耗氧物质的含量, 而不受水质的限制, 但它不能像 BOD 那样表示出微生物氧化的有机物量。在城市污水处理分析中,常用 BOD 5/COD的比值来分析污水的可生化性。可生化性好的污水 BOD 5/COD≥ 0.3。

4.溶解氧(DO )

溶解氧是指溶解在水里氧的量, 通常记作 DO , 用每升水里氧气的毫克数表示。 水中 溶解氧的多少是衡量水体自净能力的一个指标。 它跟空气里氧的分压、 大气压、 水温和水 质有密切的关系。在 20℃、 100kPa 下,纯水里大约溶解氧 9mg/L。有些有机化合物在喜 氧菌作用下发生生物降解, 要消耗水里的溶解氧。 如果有机物以碳来计算, 根据 C+ O2= CO2可知,每 12g 碳要消耗 32g 氧气。当水中的溶解氧值降到 5mg/L时,一些鱼类的呼吸就 发生困难。 水里的溶解氧由于空气里氧气的溶入及绿色水生植物的光合作用会不断得到补 充。 但当水体受到有机物污染, 耗氧严重, 溶解氧得不到及时补充, 水体中的厌氧菌就会 很快繁殖,有机物因腐败而使水体变黑、发臭。

5.酸碱度(PH )

酸度和碱度是污水的重要污染指标, 用 PH 值来表示。 一般生活污水呈中性或弱碱性, 工业污水多呈强酸或强碱性。一般污水的 PH 值均在 6.5~9,当 PH<6或者 ph="">9都会影 响生物处理, 并对混凝土和金属有腐蚀作用, 这时需要进行污水预处理并对处理设备进行 防腐蚀处理。

5.温度(T )

废水温度过高而引起的危害叫做热污染,废水温度过高,使水体溶解氧浓度降低, 相应含氧量随之减少, 另一方面, 水温升高会导致生物耗氧速度加快, 促使水体中溶解氧

更快耗尽,水质迅速恶化。因此必须控制废水的温度,一般废水温度控制在 35℃以内。 2.2污水处理的基本工艺方法

污水处理就是采用各种技术与手段, 将污水中所含的污染物质分离去除、 回收利用, 或将其转化为无害物质,使水得到净化。

现代污水处理技术,按处理程度划分,一般分为三级处理:

一级处理,又称物理处理,主要是去除污水中呈悬浮状态的固体污染物质,经过一 级处理后的污水,可去除 50%左右的悬浮物, BOD 一般只能去除 30%左右,达不到排放 标准。

二级处理,又称生化处理,它是城市污水处理厂的核心,主要去除水中呈胶体和溶 解状态的有机污染物。经二级处理后, BOD 的去除率可达 90%以上,污水中 BOD 值可 降至 20.30mg/L,有机污染物达到国家规定的排放标准。

三级处理,又称深度处理,目的在于进一步去除二级处理未能去除的污染物质,其 中包括微生物未能降解的有机物和氮、 磷等能够导致水体富营养化的可溶性无机物质 【 4】 。 生物法具有净化能力强、费用低廉、运行可靠性好等优点,是污水处理的 6主要方 法, 在污水处理领域中占有重要地位。 我国现阶段的城市污水处理以生物法为主, 以物理 法和化学法为辅。以生物法为主的处理工艺主要有活性污泥法、 A/O法、 A2/O法、 SBR 法、 MSBR 法、 UNITANK 法、及 DAT-IAT 法等。

2.3本系统采用的工艺介绍

我国是世界上最大的发展中国家,经济实力还比较薄弱,因而一些流程长、投资大、

管理复杂的污水处理工艺并不适合我国的国情。 所以, 设计应用适合我国国情的简捷、 高 效、实用的污水脱氮除磷工艺即 A2/O工艺是城市污水处理厂的首选。

2.3.1 倒置 A2/O工艺简介

A2/O艺,是目前较为流行的具有一定代表性的污水生物脱氮除磷技术。该工艺的生 化部分由厌氧(A1) 、缺氧(A2) 、好氧(O )三池组成。形成所谓 A 1/A2/O布置形 式。 经过多年的系统研究, 证实了该工艺不仅在脱氮除磷 【 5】 效果方面优于常规的 A2/O工 艺,而且工艺流程见(图 2.1)更为简捷;

图 2.1 倒置 A 2/O工艺流程图

倒置 A2/O工艺的特点是:

1)缺氧区位于工艺系统首端,优先满足反硝化反应对碳源的需求,强化了处理系统 的脱氮功能, 避免了回流污泥携带的硝酸盐对厌氧释磷的不良影响, 也使所有的回流污泥 全部经历完整的厌氧释磷与好氧吸磷过程。

2) 聚磷菌经过厌氧释磷后直接进入生化效率较高的好氧环境, 在厌氧状态下形成的 吸磷动力可以得到充分利用,提高了处理系统除磷能力。

3)将常规 A2/O工艺的污泥回流系统与混合液回流(好氧混合液与缺氧混合液)系 统合二为一组成了唯一的污泥回流系统, 工艺流程大大简化, 不仅便于运行管理, 也使投 资与运行成本大大下降 【 6】 。

2.3.2本系统工艺流程

本工艺设计采用倒置 A2/O工艺,其总工艺流程见(图 2.2)

图 2.2 污水处理厂总工艺流程图

本污水处理厂包括污水处理和污泥处理两个系统。污水处理系统包括进粗格栅、提 升泵房、细格栅、沉砂池、鼓风机房、氧化沟(缺氧池 /厌氧池 /好氧池)、二沉池、消毒 出水池等,污泥处理系统包括污泥泵房、脱水机房等几部分。

本污水处理厂的污水处理流程是:污水经污水排放管网进入粗格栅,滤除大块固体 悬浮物后, 再由提升泵将污水提升到细格栅, 滤除细小的漂浮物和浮渣, 然后流入沉砂池, 进行砂水分离, 去除水中密度较大的无机颗粒, 以保护后续处理设施的证常运行。 然后污 水进入氧化沟, 进行生化处理。 经生化处理后的污水进入二沉池进行污泥沉淀, 经过污泥 沉淀后的污水经紫外线消毒后到出水池, 最后排放。 二沉池分离的一部分生物活性污泥回 流到氧化沟,另一部分剩余污泥流经污泥泵房进入污泥处理系统,剩余污泥进入贮泥池, 最后进入脱水机房进行脱水处理,脱水处理后就可进行二次利用。

3. 控制系统方案设计

3.1污水处理自控系统的难点

污水处理是个多参数(如液位、水质成分、流量、压力等)、多任务(如污水输送、 风量控制、水泵的开停等)、多设备(如格栅机、水泵、鼓风机、阀门等),而且具有随 机性、时变性和耦合性的复杂系统 【 7】 ,所以污水处理是个复杂的过程。污水处理自动控 制系统控制的难点主要体现在以下几个方面 【 8】 :

1. 系统规模大

一般污水处理厂的规模较大, 系统工艺复杂, 流程长, 各工艺过程地理分布相距较远, 所 以控制系统的规模也较大, 是一个多变量、 多参数、 多回路、 大滞后、 非线性的复杂系统。 2. 连锁控制

污水处理前后工序之问存在互锁关系, 而有些参数的在线检测仪存在滞后、 较大误差等问 题, 这样会影响控制的实时性和控制精度, 因此需要研究污水控制对象的特性, 选择合适 的控制参数,保证预期的控制质量。

3. 大滞后

污水处理涉及到生化反应过程, 如污水的曝气过程, 从鼓风机开始鼓入空气, 到检测到污 水中含氧量变化约 3到 5分钟, 是一个大滞后过程。 在解决这个问题时, 有的控制策略过 于复杂(如采用神经网络控制),有的过于简单(如单回路定值调节),所以研究人工智 能与控制理论结合的控制策略,具有重要的意义。

4. 污水处理厂的很多设备都是大功率、大能耗设备,有必要考虑设备的保护和合理 配置使用以及节能问题。 鼓风机房是污水处理厂的耗能大户, 自控系统的优化控制对节能 具有重要意义。

5. 污水处理厂的工作环境恶劣,干扰频繁,将会影响控制系统的可靠性和稳定性, 必须分析干扰来源,研究对于不同干扰源的行之有效的抑制或消除措施。

6. 控制系统中存在网络通信,如何实现较高的通信速率和通信质量,开放的通信接 口,建立完整、可靠的综合自动化系统,也是需要考虑的问题。

3.2设计原则

污水处理控制系统的设计要遵循我国国情,设计时按照以下原则进行:

A )严格执行环境保护的各项规定,确保经处理后的污水的排放水质达到有关排放标准;

B ) 采用的系统应技术先进、 运行可靠、 操作维护管理简单, 将先进性和可靠性有机结合;

C )在保证处理效果的前提下尽量降低工程投资和运行成本;

D )采用的系统必须是开放的,可扩展的。远期对本期工程能延用且不影响其功能。 3.3设计思想

根据污水处理的工艺要求及现场环境,本系统主要采用了工业控制计算机(IPC ) +可编程控制器(PLC ) +现场检测仪表的监控模式。本控制系统通过现场检测仪表采集工 艺参数, PLC 作为主要现场控制单元,根据污水处理工艺流程读取现场仪表信号及各被 控设备状态信号,同时将控制信号传至各控制设备。利用 IPC 作为上位机,进行复杂的 数据处理。 通过工业以太网将各控制站、 中央控制室的工程师站相连, 形成一个完整的通 讯 网 络 , 实 现 监 控 。 整 个 自 动 化 监 控 系 统 构 成 SCADA (Supervisory Control and DataAcquisition )系统,完成数据采集、处理、监视及对现场设备进行控制的功能。

3.4系统构成

3.4.1系统结构图

整个系统由中央控制室、各分布 PLC 控制站和现场仪表及电控柜构成三级监控网络。系 统结构如图 3.1所示。

图 3.1 系统结构如图

3.4.2各单元功能描述

一、中央控制级

中央控制级分为中央控制室及厂长室远程管理监控计算机。中央控制室设有工程师 站和操作员站。 工程师站既能完成系统组态、 调试及控制参数的在线修改和设置等, 又能

完成对整个污水处理厂的数据采集、 监控, 报表及打印等功能:操作员站主要完成对整个 污水处理厂的数据采集、 监控, 报表及打印等功能。 在系统正常工作时, 工程师站可兼作 操作员站, 方便了监视与操作, 并提高了系统的可靠性。 背投显示全厂工艺设备的运行状 态、 工艺参数以及工艺流程, 以便直观的了解全厂一的状况并对出现的问题做出快速反应。 厂长室远程管理监控计算机以工业以太网形式与本系统相连,以便于厂长对

整个系统进行管理和监控,并针对实际情况准确发出操作命令。

二、分析式控制站

监控系统共设 PLC01— PLC03三个分布控制站。 现场 PLC 完成对各点信号的采集及 控制,提高了系统的可靠性与可维护性。现场 PLC 站通过工业以太网与中央控制室的工 程师站连接。 当控制模式选择置于 “远程” 位置时, 操作人员将不能利用电气控制柜或电 控箱上的启 /停按钮对设备进行运行 /停止操作,此时设备的控制权交给计算机控制, PLC 将根据操作员站的控制指令,由 PLC 控制程序“自动

各现场控制柜具有两部分功能, 一是进行现场的手动操作, 二是与各个 PLC 站连接, 将各设备状态信号传送到 PLC 的相关采集模块。现场手动操作具有比分布控制站和中央 控制室更高的优先权, 只有将状态选择丌关打到自动状态, 远程控制程序才起作用。 所以 在进行自动控制调试前, 首先要完成对现场各控制柜的调试, 在保证现场设备安全的前提 下才能进行远程控制。 仪表系统用来连续测量污水处理厂工艺流程中的主要工艺参数, 并 将测量数据送入计算机数据采集及监控系统。 整个污水厂的过程检测仪表分散设置于各个 工艺处理构筑物内及工艺管道上。

4. 控制系统硬件设计

要构成一个控制系统,首先应根据控制要求对硬件进行选型配置,然后通过网络把 各部件连接起来, 形成控制系统的框架。 再通过软件编程、 组网, 从而形成一个能实现一 定功能要求的系统。本系统的硬件设计包括仪表的选型、各 PLC 站的具体设计、中央监 控室的设计及数据通讯网络的选择等。

4.1仪表系统

依据污水处理厂生产工艺的特点和介质的特征,为了保证工艺操作安全可靠,正常 运行, 现场仪表必须及时、 准确地反应出工艺的动态参数, 所以仪表系统的设计尤为重要。 4.1.1仪表选型原则

仪表选型应根据工艺装置的规模、工艺流程特点和操作要求等因素确定的控制方式 进行,主要有以下几个原则:

(1)选用的仪表必须性能先进、运行稳定可靠;

(2)在满足工艺要求的前提下,不必追求过高的测量精度,以节省投资。量程选择应保证 仪表长期工作在满量程的 2/3左右。

(3)仪表的防护等级应不低于 IP65, 在短时浸水场合, 防护等级为 IP67, 在长期浸水场合, 防护等级为 IP68;

(4)仪表应便于安装、检修,部件可换性好;

(5)在同一工程项目中,仪表品种规格不宜过多,应力求统一。本系统采用的现场传感器 和变送器以美国 HACH 公司的高性能测量仪表为主。 HACH 公司为国际著名的仪表生产

公司, 其产品在国内外有大量的相同工矿情况的应用实例, 产品相当可靠, 且产品的技术 指标如量程、精确度、环境温度、工作压力、电磁干扰、防护等级、防暴等级等经过严格 的测试,并已取得相关认证,符合 ISO 、 ISA 、 IEC 标准。

4.1.2本系统主要仪表

根据工艺和控制要求,本系统主要对重要仪表的参数进行检测:

表 4.1 本污水处理厂所需仪表类型及数量

4.2 PLC01站设计

PLC01站主要负责粗格栅、提升泵、细格栅、沉砂池、氧化沟、二沉池、回流泵房、 鼓风机房、消毒出水池等位置仪表的数据采集及设备的远程监控。

4.2.1粗格栅

在粗格栅渠共设有 2个粗格栅,粗格栅的主要作用是去除污水中大块漂浮物。粗格 栅能够根据 PLC 程序与上位机设定的时间或粗格栅前后液位差实现自动启停。粗格栅的

启停可由上位机直接远程控制,也可以通过现场控制柜实现手动控制。

4.2.2提升泵房

提升泵房水泵主要用来将粗格栅渠流出的污水提升到细格栅渠。在提升泵房,需要 测量和控制的是三台提升泵的运行状态以及它们的启停。提升泵控制原理图如图 4.1

图 4.1 提升泵控制原理图

三台提升泵通过切换开关既可手动控制也可自动控制,自动控制过程大体如下:首

先通过上位机设定每一台提升泵的启动液位, 一般情况下, 若液位比较低就只启用一台提 升泵, 即可使水位维持在中水位, 当水位上涨到第二台设定启动液位时则再启用第二台提 升泵, 若此时水位仍然继续上涨, 超过第三台设定的启动液位则启用第三台提升泵。 还可 以设定高 /低液位报警,当液位超低或超高时都会报警。为检测提升泵水位,在提升泵房 前安装超声波液位计,它的检测水位范围是 0~10米,输出 4~20mA 模拟电流信号,送 入 PLC 经过进一步处理运算后通过以太网传输到中控室并在上位机上监视。超声波液位 计采用时间行程原理, 由传感器向物体表面发射超声波, 物体反射回波并能被传感器接收, 液位计算出脉冲传送与接收时间 T ,再用声速 C 计算出探头到液位表面的距离,公式为: D =C.T /2 。

根据用户输入的水池深度 E 得到液位 L =E -D 。

除此之外,还装有 H 2S 和 COD 检测仪,用于检测进水 H 2S 和 COD 值。

4.2.3细格栅

设置细格栅的目的在于拦截污水中的大量细小的漂浮物,为污水处理厂的各类设备 提供更好的运行条件。 对于细格栅的控制, 可通过现场柜实现手动控制, 也可对细格栅进 行远程控制。细格栅的运行状态信号送至 PLC 站,以监视其运行情况。细格栅也要和螺 旋压榨机实现联动, 以保证设备安全。 为检测细格栅前后水位差, 在格栅前后安装液位计。 变送器输出 4~20mA 电流信号, 接入 PLC 站, 然后送往中央控制室上位机监测显示。 PLC 可以根据细格栅前后液位差对细格栅进行自动启停控制。

细格栅后装有流量计,测量进水流量,输出 4~20mA 电流信号,送入 PLC 并在中 控室监视。流量计可同时测量液体的流速、液位、瞬时流量、累计流量,具有断电、掉信

号记忆功能。采用国际上先进的超声波流速测量技术,与专门的水位传感器装置相结合, 通过智能性流量积算仪, 可以精确地完成各种不同截面形状管道内水流量的精确计算, 实 现所需要的流量测量和积算。

4.2.4沉砂池

为检测污水的 PH 值和温度,在曝气池前安装了 PH+温度计,其输出 4~20mA 的模 拟信号送入 PLC ,再送到中控室监视。

沉砂池的作用是为了避免砂粒对处理工艺和设备带来的不利影响。砂粒进入生化池 内会使污泥刮板过度磨损,缩短更换周期;进入曝气池,在池底沉积,减少有效容积,有 时还会堵塞微孔扩散器;大量砂粒进入浓缩池将可能堵塞排泥管路,使排泥泵过度磨损; 砂粒进入带式压滤脱水机将大大损伤脱水机, 并使滤布过度磨损。 以上情况足以说明除砂 对污水处理的重要性,也是城市污水收集系统杜绝砂粒进入污水管道的原因。

沉砂池是在池的一侧通入空气,使污水沿池旋转前进,从而产生与主流垂直的横向 恒速环流。 通过调节曝气量, 控制污水的旋流速度, 可使除砂效率稳定。 沉砂池内部有一 台除砂机、 一个提砂阀、 一个洗砂阀、 一台砂水分离器和两台鼓风机, 除砂机其主要作用 是将砂粒吸走, 需要对其进行监测和控制。 除砂机的启停, 可由现场控制柜手动控制, 也 可以由中央控制室的上位机进行远程控制。 除砂机、 鼓风机、 洗砂阀、 提砂阀与砂水分离 器实行联动运行。联动顺序:除砂机-洗砂 /提砂阀-鼓风机-砂水分离器。整套除砂系 统设备除了可以联动运行外,每个设备也可以单独运行。

4.2.5氧化沟

氧化沟集缺氧、厌氧、好氧于一体,依次分为缺氧区、厌氧区和好氧区三部分,利 用综合池内大量活性污泥中的各类微生物降解污水中的有机物并除磷脱氮。 在氧化沟中装 有氧化还原电位检测仪、污泥浓度计、含氧量测定仪,以监视氧化还原电位、污泥浓度、 含氧量。 以上仪表变送器均输出 4~20mA 电流信号, 接入 PLC 站, 然后送往中央控制室 上位机监测显示。 池内有 4台搅拌机, 通过切换开关可实现由控制柜手动控制, 远程控制 或 PLC 自动控制。

4.2.6二沉池

二沉池的主要设备为 2台刮泥机。有机污染物在活性污泥微生物作用下,沿氧化沟 进行新陈代谢和降解, 污泥混合物流入二沉池, 在二沉池沉淀、 分离, 二沉池的澄清水排 放。运行刮泥机,大部分的活性污泥流入污泥回流泵房,返回氧化沟。可手动控制:由现 场控制柜按钮来控制刮泥机的启停。 也可自动控制:可实现上位机远程控制, 或自动程序 定时控制。

4.2.7污泥回流泵房

污泥泵房内主要设备包括 3台污泥回流泵。污泥回流泵主要功能是将活性污泥送回 生化反应池, 将剩余污泥泵送入污泥贮池进行均质处理。 其运行状态可以在中央控制室监 视。 可手动控制, 由现场操作箱来实现各泵的启停; 也可自动控制。 在污泥泵房中安装超 声波液位计,其信号送入 PLC 站,并送入中控室监视。液位开关完成下限停泵的保护。

4.2.8鼓风机房

鼓风机房有 3台离心式鼓风机,鼓风机的主要功能是对氧化沟进行曝气增加氧化沟 的溶解氧浓度, 其运行状态可以在中央控制室监视。 可手动控制, 由现场操作箱来实现各 泵的启停;也根据 DO 仪表的的测量值送入 PLC 经过进一步处理运算后通过以太网传输 到中控室进行自动控制。鼓风机控制原理图如图 4.2

图 4.2 鼓风机控制原理图

4.2.9 消毒出水池

消毒出水池主要设备包括 4清水泵。清水泵主要功能是将经过处理合格的清水排放 回大自然环境中。 其运行状态可以在中央控制室监视。 可手动控制, 由现场操作箱来实现 各泵的启停;也可自动控制。在消毒出水池中安装有超声波液位计、 PH 计、 SS 计、 COD 计、出水流量计,各仪表信号送入 PLC 站,并送入中控室监视。

4.2.10 控制柜设计

4.2.10.1可编程控制器(PLC )概述

国际电工委员会 (IEC ) 在 1985年的 PLC 标准草案第三稿中, 对 PLC 做了如下定义 【 9】 :“可编程序控制器是一种数学运算操作的电子系统, 专为在工业环境下应用而设计。 它采用可编程序的存储器, 用来在其内部存储执行逻辑运算、 顺序控制、 定时、 计数和算 术运算等操作的指令, 并通过数字式、 模拟式的输入和输出, 控制各种类型的机械或生产 过程。 可编程序控制器及其有关设备, 都应按易于使工业控制系统形成一个整体, 易于扩 充其功能的原则设计。 ” 可编程序控制器的主要功能包括开关量控制、 限时控制、 计数控 制、步进控制、数据处理、模拟量处理、通讯及联网等。它不仅可以取代传统的继电器控 制系统,还可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。 PLC 的种类很多,使其在实现的功能、内存容量、控制规模等方面都存在较大的差异, 因此, PLC 的分类没有一个严格统一的标准, 而是按 I/O点数、 功能等进行大致的分类 【 10】 。 1.根据 I/O点数分类

I/O点数在 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。 I/O点数在 256点至 1024点之间的,称为中型机,它除了具备逻 辑运算功能,还增加了模拟量处理、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/O点数在 1024点以上的称为大型机,其功能更加完善,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/O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。

模块式结构的 PLC 各部分以单独的模块分开设置。 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, 构成各种功能不同的控制系统。 一般大中型 PLC 均采用这种结构。 3.根据生产厂家分类

PLC 的生产厂家很多,比较有代表性的 PLC 有:日本欧姆龙(OMRON )公司的 C 系列,三菱(MITSUBISHI )公司的 F 系列、东芝(TOSHIBA )公司的 EX 系列、美国通 用电气(GE )公司的 GE 系列、德国西门子(SIEMENS )公司的 S7系列等。

PLC 种类虽然千差万别,但它们都有许多共同的特点。

1)编制程序简单;

2)控制系统构成简单、通用性强;

3)抗干扰能力强、可靠性高;

4)易于操作及维护;

5)设计、施工、调试周期短。

4.2.10.2 PLC控制柜的设计

PLC 柜是实现现场自动控制的核心。 各 PLC 分布控制站主要负责采集现场各个传感 器的信号, 除了把信号转换后传给上位机, 由上位机进行显示和控制外, 还要根据控制要 求对现场控制柜和执行机构做出相应的自动控制,所以各分站 PLC 不但具有中心控制的 作用,而且起着数据中转站的作用。由此可见,对 PLC 的选型十分重要, PLC 选型主要 考虑以下几方面:

1) CPU 处理速度:CPU 执行指令速度越快,扫描周期越短,实时性越好;

2) CPU 存储器性能:存储器存放程序和数据,存储器容量要达到要求;

3) I/O点数:I/O点数要达到要求,并留有充分的备用点;

4)通信能力:通信速度和可扩展性也是一个重要指标。

一.西门子 S7介绍

S7-300 是由各种模块部件所组成,各模块能以各种不同方式组合在一起。这表明可 将控制系统根据需要设计成不同的应用。 除了模块之外, 用户其他所需要的就是一种 DIN 标准导轨。 各模块安装在导轨上, 并用螺丝固定。 这种结构形式既可靠又电磁兼容。 背板 总线集成在各模块上, 通过将总线连接器插在模块机壳的背后, 使背板总线联成一体。 最 多 8个模板可一起装在一个机架上(中央控制器 /扩展单元)。

S7-300 具有以下显著特点 :

? 循环周期短、处理速度高

? 指令集功能强大、可用于复杂功能

? 强大的通信功能

? 产品设计紧凑、可用于空间有限的场合

? 模块化结构、适合密集安装

? 有不同档次的 CPU 、各种各样的功能模块和 I/O 模块可供选择

? 100% 免维护

? SIPLUS 系列产品可在恶劣气候条件下露天使用

二. PLC0l 站具体设计

现场 PLC0l 站功能为:

1)监视粗格栅、前后启闭机的运行状态,控制粗格栅及启闭机的启停;

2)监视进水 COD 值;

3)监测提升泵房液位和提升泵的运行状态,并对提升泵进行控制;

4)对细格栅、螺旋输送机运行状态进行监控;

5)监测细格栅出水流量及污水 PH 值和温度;

6)对鼓风机、除砂机、洗砂阀、提砂阀、砂水分离器运行状态进行监视和控制;

7)监视罗茨风机的运行状态、进气温度、进气压力;监视、控制放空阀的开度;控制罗 茨风机启停。

8)控制四台搅拌机的启停;

9)监控氧化沟内的含氧量、氧化还原电位、污泥浓度;

10)控制三台回流污泥泵的启停;

11)监控污泥回流泵房的液位,控制二台剩余污泥泵的启停;

12)监控二沉池内两台刮泥机的状态;

13)监控消毒出水池出水流量和出水 COD 含量。

根据控制要求, PLC01共需数字量输入 179点, 数字量输出 72点, 模拟量输入 39

点,模拟量输出 6点。另外预留 20%的 I/O点备用,故 PLC01站控制柜内部设备如下: (1)稳压电源及 UPS :由于污水处理现场环境比较恶劣,现场的水泵、鼓风机、电 动机等大功率感性负载较多, 容易引起电源波动, 且系统要求配备不间断电源, 故配备稳 压电源和 UPS 。

(2) PLC 单元

1)CPU 模块

选用西门子 PLC315— 2DP 模块。

2) 电源模块

选用西门子 PS307电源模块,给 CPU 供电。

3) 数字信号模块 (DI/DO)

SM321— 32点数字量输入模块,共 7块。 SM321— 32点数字量输出模块,共 3块。 4) 模拟信号模块 (AI/AO)

SM331— 8点模拟量输入模块,共 6块。 SM332— 8点模拟量输出模块,共 1块。 5) 其他

CPU226 CN模块, CP243— 1模块。

以下是 PLC01控制柜部分元件接线图:

图 4.3 PLC间接口关系图

图 4.4 DI模块接线图

图 4.5 DO模块接线图

图 4.6 AI模块接线图

图 4.7 AO模块接线图 4.3 其他 PLC 站设计

PLC02站主要负责污泥脱水机房各设备、药剂制备与添加系统的数据采集和设备运 行状态的检测和控制; PLC03主要负责紫外线消毒渠各设备的数据采集和设备运行状态 的检测和控制。 PLC02站和 PLC03站的 PLC 均由设备厂商随设备提供, 所以添置两太工 业交换机实现以太网形式与上位机的通讯。

4.4中央监控室

中央控制级主要功能如下:

1)对分布控制站 PLC 送来的数据进行分析处理、储存、建立数据库;

2)向 PLC 发布指令,实时控制和调节设备运行;

3)显示多幅工艺流程画面,并实时显示巡检参数;

4)在线故障诊断、报警;

5)历史趋势曲线、实时趋势曲线显示,模拟量数据显示;

6)打印制表。

中央监控室设中央监控计算机两台,激光打印机一台,喷墨打印机一台,不间断电 源和投影仪等设备。两台监控计算机均为戴尔工控机,它能适应现场恶劣的环境,防尘、 抗干扰、工作可靠性好,分别用作工程师站和操作员站,配 Windows XP Professional 操 作系统,并配有 KINGVIEW 软件。

4.5数据通讯系统

工业通讯可根据要求使用不同的通讯网络。其级别一般可分如下几级:

(1)管理级

在管理级,处理影响整个操作的任务,它包括归档,处理,求和过程与消息的汇报。也可 以从多个站点收集和处理操作数据一从管理级也可以访问其他站点。 在这种网络中的站数 可以超过 1000。对于管理级,以太网是主要的网络类型,为了连接更远的距离,在绝大 多数情况下使用 TCP/IP协议。

(2)单元级

在单元级,处理自动化任务。在该级别, PLC 操作和监控设备以及 PC 彼此连接。根据性 能要求,主要的网络类型是工业以太网和现场总线。

(3)现场级

现场级是 PLC 和设备之间的连接链路。在现场级使用的设备提供过程值和消息等,并且 也向设备转发命令。在大多数情况下,在现场级传送的数据量较小。

4.5.1以太网简介

以太网是由 Xerox 公司开发的一种基带局域网技术,但是如今以太网一词更多的被 用来指各种采用 CSMA/CD技术的局域网。 以太网采用 CSMA/CD(Cartier Sense Multiple Access with Collision Detection ,带冲突检测的载波侦听多路访问协议)媒体访问机制。 CSMA/CD协议 【 11】 是对 ALOHA 协议的改进, 它保证在侦听到信道忙时无新站开始发送; 站点检测到冲突就取消传送, 以太网就是它的一个版本。 任何工作站都可以在任何时候访 问网络。 在发送数据之前, 工作站首先需要侦听网络是否空闲, 如果网络上没有任何数据 传送, 工作站就会把所要发送的信息投放到网络当中。 否则工作站只能等待网络下一次出 现空闲的时候再进行数据的发送。

作为一种基于竞争体制的网络环境,以太网允许任何一台网络设备在网络空闲时发 送信息。 因为没有任何集中式的管理措施, 所以非常有可能出现多台工作站同时检测到网 络处于空闲状态, 进而同时向网络发送数据的情况。 这时发出的信息会相互碰撞而导致损 坏。 工作站必须等待一段时间之后, 重新发送数据。 补偿算法用来决定发生碰撞后, 工作 站应当在何时重新发送数据帧。

以太网的传输介质分为几种 【 12】 :

1. 双绞线(Twist-Pair ),是综合布线工程中最常用的一种传输介质,可分为非屏蔽 双绞线(UTP , unshielded twisted pair)和屏蔽双绞线(STP , shielded twisted pair),它 采用了一对互相绝缘的金属导线互相绞合的方式来抵御一部分外界电磁波干扰。

2. 同轴电缆(Coaxial ),是指有两个同心导体,而导体和屏蔽层又共用同一轴心的 电缆。目前,常用的同轴电缆有两类:50 Q 和 75 Q 的同轴电缆。 75 Q 同轴电缆常用于 CATV 网,故称为 CATV 电缆,传输带宽可达 1GHz ,目前常用 CATV 电缆的传输带宽 为 750MHz 。 50 Q 同轴电缆主要用于基带信号传输,传输带宽为 1-20MHz ,总线型以太 网就是使用 50Q 同轴电缆,在以太网中, 50Q 细同轴电缆的最大传输距离为 185米,粗 同轴电缆可达 1000米。

3. 光纤,即光导纤维。光纤通讯是以光波为载频,以光导纤维为传输媒介的一种通 信方式。 光纤通讯之所以在最近短短的二十年中能得以迅猛的发展, 是由于它具有以下的 突出优点:

1)传输频带宽、通讯容量大;

2)信号损耗低;

3)不受电磁波干扰;

4)线径细、重量轻。

4.5.2工业以太网在本系统中的应用

本系统中, 组态王通过网卡以 TCP/IP协议与 SIEMENS S7-300和 S7-200通信。 PLC 的以太网口通过光纤连到以太网交换机, 工控机通过普通网卡与交换机相连, 从而实现各 分站 PLC 与监控计算机之间的数据通讯,两台监控计算机之间也可以通过网络传递数据 以及打印报表等。网络通讯结构图如图 4.3所示。

图 4.3 网络通讯结构图

5. 控制系统软件开发

本监控系统软件设计主要包含 PLC 程序开发和上位监控界面的开发。

5.1PLC 编程

5.1.1编程软件

PLC 编程软件采用西门子公司的编程组态软件 SIMATIC Manage 7, 适用于西门子各 系列的 PLC ,它可完成用户程序的建立、编辑、检查、调试以及监控,同时还具有完善 的维护功能,使得程序的开发及系统的维护更为简单、快捷。能够在 Windows 2000或 Windows XP平台运行,具备如硬件的配置和参数设置、通信的定义、编程、测试、启动 和服务、文档 /存档、操作 /诊断功能等基本功能,所有这些功能均有详细的联机帮助,以 便用户掌握。采用结构化、多任务的编程方式,支持梯形图(LAD )、语句表(STL )、 结构文本语言、功能块(FBD )等符合 IEC 的编程方式。

易操作:可使用鼠标操作,使用树状目录显示指标,使用功能键输入位的输入输出 指令,对特殊指令的预搜索功能以减少文字输入,操作数输入范围显示, 2个方向或 4个 方向分开窗口,从文本输入转换成梯形图,使用名称编程而不使用规定的地址。

显示和监控:通过存储区的当前值监控和编辑,在梯形图上监控和编辑当前值,地 址当前值的监控;观察窗口指在规定的 PLC 中监控指定的地址,输出窗口指显示编译出 错、搜索结果、文件读出错误和程序比较结果。

调试功能:强制置位 /复位,微分监控,定时器 /计数器设定值更改,交互参考,数据 跟踪和流程图监控,在多个位置进行在线编程,在不同计算机上在线编辑不同的任务。 调试功能:强制置位 /复位,微分监控,定时器 /计数器设定值更改,交互参考,数据

跟踪和流程图监控,在多个位置进行在线编程,在不同计算机上在线编辑不同的任务。 远程编辑和监控:内置网络路由设置(CX-NET )功能,可通过被连接的 PLC 访问 网络 PLC ,在远程网络上访问 PLC ,通过 Modem 访问远程 PLC 。维护功能:存储.读单 元内的注释(256字符),在存储卡或 EM 文件存储器中以文件管理 CPU 单元数据(程 序、参数、存储器内容、注释),在计算机和 PLC 的存储卡之间拖放 DOS 文件,以时间 为顺序显示 CPU 单元内的出错历史(包括用户产生的记录),使用口令保护程序。 视窗应用时间的兼容性:可从 Microsoft Excel中使用名、 地址、 I/O注释及其他数据。

5.1.2 PLC编程

5.1.2.1程序设计

PLC 程序主要由段组成,它们存放在程序目录下, CPU 中的程序就是具有特定功能 和特定结构的段。

1. 插入程序

单击“程序”中的“新程序”,重命名为“ PLC01”右击“ PLC01”,选“插入段”,再 将其下的 “段 1” 重命名为 “粗格栅控制” 。 依次插入段提升泵房, 细格栅控制, 沉砂池, 氧化沟,回流泵房,消毒出水池等。

2. 数字量处理

数字量处理包括数字量的输入和输出。数字量的输出是通过 PLC 编程后直接输出,如图 5.1、 5.2所示。

图 5.1 数字量编程

图 5.2 数字量编程

图 5.3 模拟量输入处理功能块

3. 模拟量处理

模拟量处理包括模拟量的输入、转换和输出。模拟量的输出通过 PLC 编程后直接输 出。 现场的传感器将模拟量实际值转换成 4~20mA 信号, 而 AI (16位) 模块将 4~20mA 信号经过 A/D转换,变成一个内码数 0~4000。 PLC 读取的端口数字仅仅是一个内码值,

这就需要编程将此内码数变成实际值送上位机显示。梯形图编程如图 5.3所示。

4. 部分主要程序介绍

1) 提升泵的控制

提升泵控制原理参见第 4章 4.2.2节,水位上升时,提升泵的控制流程图如图 5.4所 示,水位下降时控制流程图与水位上升时类似。

图 5.4 水位上升时提升泵控制流程图

2) 细格栅的控制

细格栅既可以按照时间控制也可按格栅前后液位差来控制。时间控制是根据格栅电 机的停机和运行时间来进行控制。 运行时间和停机时间由上位机操作员进行设置。 当格栅 停机时间超过停机设置时间时, 启动格栅电机并计时同时清除停机计时时间,

当运行时间

超过运行设置时间时, 延迟 5秒钟后停止格栅电机, 并对停机时间开始计时同时清除运行 计时时间。

液位差控制是根据栅前栅后的液位差来进行格栅电机的启停控制,由上位机操作人 员对格栅启动和停机液位差值进行设置, 可以随意修改, 但是液位差的启动值必须大于停 机值。当液位差值超过 /低于预先设置的启动 /停机值时,启动 /停止格栅电机。图 5.5为细 格栅自动控制条件判断程序。图 5.6为细格栅正反转控制程序。

图 5.5 细格栅自动控制条件判断程序

图 5.6 为细格栅正反转控制程序 5.2上位机监控画面设计

5.2.1组态软件介绍

目前流行的组态软件很多,如 INTOUCH 、 iFIX 、 WINCC 、组态王等,其中组态王 6.52性价比高, 网络通信功能比较完善, 能够很好地满足本系统的要求, 故采用它来开发 上位监控界面。组态王 6.52【 13】 具有如下功能:

1.快速便捷的应用设计

用组态软件构造监控和数据采集系统的好处之一就是能大大缩短开发时间,并能保 证系统的质量。组态王正是提供了丰富的快速应用设计的工具。

2.丰富的可扩充的图形库

设计者利用系统提供的图库,可以轻松构造自己需要的图形。组态王系统内部提供 了一个全新的庞大的图形库, 包含了大量预先建立好的组合图形对象。 图库中的元素称为 “图库精灵

3.对多媒体的支持

组态王 6.52进一步完善了对多媒体的支持。组态王可以嵌入图片,播放声音,播放 动画并且支持视频采集设备。 充分利用这些特性, 用户可以设计出更容易被接受和使用的 人机界面。

4.灵活简便的变量定义和管理

设计者在数据库中定义过程参数和其他变量。 变量分为内存变量、 I/O变量和结构变 量。 其中 I/O变量用于和外部采集单元连接, 也用于和其他应用程序交换数据。 内存变量 主要用来存放中间结果。

组态王在系统运行过程中维护一个实时数据库, 数据库中存放所有变量的最新数据。 通过检测变量值的变化,组态王改变图形对象的状态并跟踪报警的发生。

5.强大的控制语言

组态王命令语言是集成在组态王系统内部的简便、但功能强大的编程语言。它的作 用就在于扩充应用系统的功能,以及对应用系统进行最精确的控制。

组态王命令语言简单易学,语法是 C 语言的一个子集,开发者可以迅速掌握。命令 语言程序的强大功能是通过函数来实现的, 组态王具有丰富的函数进行工程管理。 并且设 计者可以制定执行命令的条件, 系统控制更加灵活。 根据执行条件不同, 命令语言分为事 件命令语言、数据改变命令语言、热键命令语言、自定义函数命令语言等。

6.采集和显示历史数据

组态王以分组形式的数据采集保证重要变量的采集优先级,支持分布式数据库,为 了最大限度的开发历史数据库资源, 组态王提供了数据库编程接口。 这个接口采用动态链 接库(DLL )的方式给出,任何 Windows 下的编程语言(VC++、 VB )都可以方便的调 用。

7.强有力的安全管理系统

对于可能有不同类型的用户共同使用的大型复杂应用,必须解决好授权与安全性的 问题, 系统必须能够依据用户的使用权限允许或禁止其对系统进行操作。 组态王通过优先 级和安全区、用户分组管理、操作记录等实现系统的安全管理。

8.强大的通讯能力

组态王目前能连接 PLC 、智能仪表、板卡、模块、变频器等几百种外部设备。组 态王 6.52全面支持 OPC 标准。组态王本身既可以作为 OPC 服务器,也可以作为 OPC 客 户端。开发人员可以从任何一个 OPC 服务器直接获取动态数据,并集成到组态王中。同

时组态王可作为 OPC 服务器,向其他符合 OPC 规范的厂商的控制系统提供数据。 9.功能强大的 Active X控件

组态王全面支持 Active X控件。组态王可以插入任何标准 Windows Active X可视控 件,用户可以根据需要自己编写 Active X 控件或选用其他厂商开发的控件,在组态王运 行系统中与组态王变量和自定义函数交互作用。

5.2.2组态王 6.52在本系统中的应用

5.2.2.1本系统对上位机监控软件的要求

1)组态现场工艺流程画面,要求生动、形象;

2)要求采集现场所有模拟量和数字量的信号,并以文字或图形方式显示,被控对象的工 作参数包括温度、液位、流量、压力等;

3)在自动方式下,在现场有关条件满足的情况下,可以通过中控室工控机进行远程控制 各个设备;

4)被控对象的各个模拟量参数要求加以范围限制,超出范围要求报警;

5)被控对象的各个模拟量参数要有趋势曲线图,便于查看变化过程;

6)模拟量的数据要求归档,以保证操作的可靠性和安全性;

7)组态报表打印。

5.2.2.2上位监控画面的设计

程序运行时首先进入主画面,显示污水处理的整个工艺流程。画面显示各个模拟量 的实时值和开关量的状态。 可以实现模拟量的存档、 历史曲线以及模拟量的撤警。 用户如

范文二：工控自动化应用方案：污水处理厂监控系统(I)

一、系统概述

污水处理厂监控系统是在原控制系统基础上的改造。它由两台TI PLC、Profibus现场总线、西门子工控机、WinCC工控软件、100兆快速以太网及10台客户PC机组成。它实现并完善了从进水格栅到污泥浓缩等工艺各级控制 设备集中监视和控制功能，并在原有基础上增加了一些新型控制功能。

该系统现场泵、阀等设备现场信号直接采集进入PLC，通过PLC完成设备的手动及自动程序运行及本地、远程控制。PLC上安装西门子Profibus通讯模板，通过Profibus总线、FMS协议与中控室的WinCC监控工控机相连。Profibus总线是目前世界上速度最快的一种现场总线，其最高速度可达12Mbit/s。现场设备控制状态及数据通过Profibus网送到西门子WinCC工控软件进行显示、存储，并完成报警及报表打印等管理功能。中控室操作人员通过操作员终端了解设备运行状况、能耗等数据统计及污水处理情况，下达调度指令，并可直接控制现场设备。WinCC工控机和办公室计算机通过100兆快速以太网连接，组成小型企业内部局域网。办公室管理人员利用办公室计算机的标准网络浏览器IE5.0联接WinCC软件，并可根据权限监视全厂运行情况和控制现场设备。现场摄像头的活动视频图像集成在中控室WinCC监控系统内，并利用活动视频图像的网络传输技术，将图像传送到办公室管理人员计算机上。

二、系统结构

三、控制模式

1.远程控制

----当控制柜上方式选择开关被切换到远程控制后，操作人员可选择自动或手动控制方式。在自动方式下，PLC按联动、联锁各种逻辑关系控制设备的启动停止。中控室操作人员可根据现场情况向下发出调度控制指令，调整设备运行状态达到工艺要求。中控室操作人员也可以选择远程手动方式，直接手动控制单个现场设备。

2.就地控制

----就地控制级别高于远程控制。当控制柜上方式选择开关被切换到就地自动控制，控制中心的调度控制指令被封锁，设备在PLC的控制下自动运行。在就地手动方式下，现场操作人员通过控制柜上手动按钮启动停止设备，控制柜提供基本控制联锁。

四、系统功能

1.显示功能

----监控系统以图形或图像的方式形象显示工艺流程、各设备状态以及厂区概貌、工艺布置图。通过I/O输入输出域、棒图、曲线、数据表格等方式监视液位、流量等监控点。视频摄像头的图像集成到监控画面成为一个整体。并通过标准IE浏览器在客户机上浏览监控画面，降低工程造价。系统还提供了操作提示，误操作自动封锁等功能。画面切换速度小于3秒。

2.报警功能

----系统自动进行报警和事件处理。当报警发生时，如液位超高或风机超温，系统可快速检测并通过画面状态变化提示，并显示、打印相应报警文本，同时发出声音报警提醒监控人员注意。报警到达时间、确认时间及排除时间、报警值、限位值、当前操作员等相应信息自动进入存档。报警到达以及报警确认但未排除，采用两种声音提示。报警可手动消音。报警信息存储半年，以便进行故障分析和查讯。操作事件等状态变化也自动进行存储归档。

3.数据归档

----流量、污水处理量、耗电量等数值按定义周期自动进行存储。存储的数据可按曲线或数据列表的方式进行显示。并提供历史数据查询、ZOOM显示、观察线、在线关闭打开曲线、在线调整时间范围、在线修整显示模式等功能。存储数据保存13个月。

4.报表功能

----报表打印可按定义时间自动进行。也可通过按钮人工打印。事故报警可随时打印，并可根据需要将最近1000条或30天的归档全部输出。月报数据自动累计计算并打印到月报报表上。报表文件在打印的同时自动在硬盘上存储，以便重新输出。存储的报表可在系统中打开浏览。

5.用户管理

----操作人员操作设备必需进行登录。根据不同操作人员的级别，系统自动判断封锁操作人员所能进行的操作。当报警发生时，当前操作员被记录存档。当客户机用户使用IE浏览时，系统根据用户名和密码显示和控制屏幕上的画面及操作。无权限的用户只能浏览画面，不能修改参数机设备控制。

范文三：污水处理厂自动化控制系统

污水处理厂自动化控制系统

Date: 8/15/2008

摘 要:为提高污水处理厂的信息化程度，提高设备管理和运营管理，开发了一套基于IT信息系统集成控制技术的系统，并运行在实际工程中。本文重点阐述了这套系统开发的背景、系统组成、主要功能等，并在提高自动化程度、柔性化程度，提高系统稳定性，提高自控设备利用率，避免自动化“孤岛”方面得到了验证。

关键字: 信息系统集成 工厂信息化 Profibus现场总线技术 Web浏览技术 设备管理 故障诊断 污水处理控制系统 WebAccess MELSECNET

一、前言

随着国际大环境的改变，国家对节能和环保越来越重视。最近几年我国建设了大量的城市污水处理厂。但是以下几个问题一直困扰着我们:

?, 厂区面积大，设备分散，有的污水厂还有污水提升泵站，可能相距上千米;

? 设备种类繁多，数量大，维护不便;,

?, 成套设备较多，污泥脱水系统、消毒系统和电力监测系统通讯协议多种多样，互操作性差; ?, 工艺参数不确定，系统调试和运营过程中需要经常调整控制程序，给工艺人员和自控厂家都带来的极大的麻烦。

因此，为了更好的解决以上问题我们开发了一套完全网络化的、开放性的基于IT系统集成控制技术的系统架构，结合污水处理的工艺特点制作大量的工艺参数设定界面，配备专业的管理软件，真正的实现了系统的集中监视、分散控制、柔性调整和设备的自动管理。充分发挥了系统软硬件的功能，大大提高了系统的自动化程度，可以实现近乎无人值守的运行条件。

二.系统的结构

整个污水处理厂的控制系统由三套三菱Q系列PLC、一套西门子S7-300 PLC、两套WebAccess6.0软件、一套设备管理软件、一套故障诊断软件，一台工程节点计算机、两台监控节点计算机、一台辅助计算机、一台视频服务器、手机短信系统、UPS电源、打印机等组成。

从结构上，把这些设备和软件划分为三层网络层面:监控管理层、车间控制层、现场总线层。其结构如图1所示。

(一)监控管理层

采用当前使用最普遍的以太网作为基础。以太网以其数据信赖性、通讯速度快、维护方便和价格低廉的特点，在这个系统的上位监控系统的网络和融合管理系统的网络中得到了广泛的应用，并取得了满意的结果。 我们将原来划分较为明显的管理层和监控层融合在一起，形成了融合的监控管理层，强化了管理与监控的联系，共享数据信息，提高工厂的管理水平。

其中管理子层由辅助软件计算机和数据服务器组成，采用现代的网络技术，通讯技术和数据库技术相结合，将系统中的各种信息资源有机整理，以人性化的方式将各种资源呈现给操作者和管理者。管理子层主要由两个共享数据库的设备管理软件包和故障诊断软件包组成。

1(上位监控系统

采用网络版组态软件WebAccess6.0，完全基于B/S架构的自动化软件。

全部工程项目、数据库设置、图面制作和软件管理都可以通过Internet或Intranet在异地使用标准的浏览器完成。

图1 污水处理厂控制系统的网络结构

采用支持分布式构架的监控节点，并把监控节点组成冗余结构，中央数据库服务器及多层式网络安全结构。 1)监控节点

监控节点连接自动化硬件设备，并可以通过网络向客户端、其它监控节点及工程节点传输数据。 2)工程节点

工程节点是一个配置数据的中央数据库服务器，客户端可以通过工程节点动态浏览监控节点的运行状况。 3)客户端

客户端可以运行在安装了Windows XP或Windows2000的工业计算机和普通计算机上，客户端通过IE浏览器，显示实时数据的动态图面，完成各种远程控制。

4)冗余系统

本上位监控系统由一台监控节点、一台冗余监控节点和一台工程节点构成冗余监控系统，两台监控节点互为冗余，系统正常运行时主监控节点完成数据通讯和数据传输，两台监控节点实时保持数据同步，客户端可以通过网络，实时监控系统运行情况。部分画面如图2、3。

图2 前处理图 图3参数设定

当主监控节点出现故障时，系统马上切换到冗余监控节点，由于两个监控节点实时保持数据同步，因此可以实现无扰切换，保证系统稳定运行。

当工程节点故障时，监控节点会在本机上生成保存数据的临时文件，当工程节点恢复正常后，监控节点在不影响正常数据上传的前提下逐渐将临时文件中的数据上传到工程节点上，保证数据的实时性和完整性。

2(设备管理软件

设备管理软件主要解决污水处理厂设备种类多，信息量大而复杂，涉及岗位、人员众多，处理流程烦琐等问题。

该软件将设备管理中涉及到的人、物、厂商、保养、维修、运行状态等联系在一起，将监控、维修、保养、备品备件、厂商等各种管理要素有机结合在一起，协同工作并将管理过程纳入一套标准的流程控制中，实现设备资源全生命周期管理，最大化利用设备资源，帮助客户提高设备的可用性和资产管理质量。部分软件画面如图4、5。

图4系统监视画面 图5参数设定画面 设备管理软件的主要功能有:

1)网络功能

系统为B/S建构可与监控系统无缝结合，实现网络化。

2)设备厂商管理

设置详细厂商信息，将厂商的功能范围具体化，使设备在维护、采购、评定等方面的管理更加便捷。 3)设备类型参数管理

设备类型参数设定是本系统比较有特点的设计。用户可以自由的设定设备的类型参数，使每个设备的特有参数都得到体现。

4)设备组管理

本系统可以适用于各类型工厂和楼宇等各种场所，用户可以自由的添加设备组来实现设备的分类管理。 5)设备状态管理

系统能够智能地采集设备的相关数据，来计算设备的剩余寿命以及维护保养的周期等。采集数据分为在线和非在线两种模式。分别对应实际采集现场的设备数据和手动输入的数据。

6)设备维护

?设备保养:设备保养可分为定时保养(按设备运行时间进行保养)和定期保养(按照固定的时间间隔进行保养)。主要包括:保养信息登陆，保养履历查看，设备类型保养项目添加，保养消耗备品备件设定，保养提示，保养报表生成等功能。

?维修更新:主要包括设备维修信息登陆，维修履历查看，设备类型故障现象、原因、对策添加，维修更新消耗备品备件设定，设备维修状态监视等功能。

?库存管理:主要完成预备品消耗品的添加，出入库登记，件消耗履历，采购提示等功能。 ?履历:对在线状态的设备运行状况进行图表表示。以折线图的形式表示设备的开关运行状态。 ?工作计划提示:系统能够完成节假日设定，在进行设备维护设定时进行提示，避免在节假日进行维护，并可以根据维护设定，生成每个用户的工作日程，方便领导和维护人员自己进行工作安排。 ?系统监视:系统监视是本系统的主页面，对整个系统的设备状态进行集计统计。状态分为运行、维修更新、定期保养。页面一分钟更新一次，进行实时的监控。

?自定义报表功能:系统支持自定义报表工具制作的各种报表。

3(故障诊断系统

故障诊断系统对现场控制系统软硬件的运行状态进行监视和故障诊断，对故障的发生状况、恢复状况进行监控和管理，对该故障发生的可能的原因，以列表的形式提供给用户进行选择确认。 同时，可以根据现场状态判断故障发生的原因、概率和优先度，并能显示解决方案和设备的场所以及设备的技术资料等。以及对发生故障时的状态数据可以进行记录和图表显示。其功能框图如图6所示。

图6系统故障诊断功能框图

故障诊断系统的主要功能有:

?网络功能:系统为B/S建构可与监控系统无缝结合，实现网络化。

?数据采集:数据采集功能是故障诊断系统和现场设备数据交换的桥梁，它把现场设备状态数据取出，传送给故障诊断逻辑处理部分，故障诊断的指令通过它发给现场设备。

?故障诊断逻辑处理:故障是否发生是通过故障诊断逻辑处理部分实现，现场传送来的数据，通过故障诊断逻辑处理判断是否发生故障,如果发生故障，会把故障信息保存到数据库里，故障诊断客户端对发生的故障进行诊断处理。

?历史故障管理:历史故障是对经过诊断后的故障进行管理，包括故障的查询、打印、以及故障诊断的详细信息。

?实时故障管理:实时故障是对发生故障进行诊断处理。故障发生时警报灯会闪烁提示用户。诊断时系统根据从设备传上来的信号信息，列出故障原因和条件以及各自的概率，用户根据故障原因和条件找出相应的对策。

(二)车间控制层

目前国内污水处理厂控制层的硬件设备以三菱、西门子、AB等国外著名厂商的产品为主，其硬件配置已达到了国际先进水平，其本体的功能性、稳定性和可靠性已无需再多加考虑。而其网络构成的合理性、可靠性是我们主要考虑的问题。

本系统采用三菱公司的MELSECNET-H环形光纤网络构成控制网络的骨干，该网络通讯速度快，抗干扰能力强，拥有强大的自诊断功能。由于采用环网结构，当系统中任意一处光纤断开时，仍能维持系统的正常通讯，提高通讯系统的可靠性。同时MELSECNET-H环形光纤网络具有很强的扩展能力，可以充分满足本水厂以后的扩建和升级。

(三)现场设备层

采用西门子公司的PROFIBUS-DP现场总线，它具有通讯速度快，传输距离长，扩展方便等特点。 通过PROFIBUS-DP总线的使用我们实现了对紫外消毒系统(S7-300)，变频器(西门子430\440)等智能设备的最大化数据交换，能够及时了解运行情况、故障情况和各种参数，充分的发挥了每个智能设备的功能，大大提高了自动化管理水平。

三、系统的性能特点

本系统结合水厂的生产工艺，充分发挥系统软硬件的功能，构筑了一套具有高稳定性、高灵活性、高扩展性和高开放性的系统。

基于上述的结构，这个系统呈现出独特的性能和特点。

1(管理控制功能

1)分级控制

每个现场设备都可按优先级分为就地控制、远程手动和远程自动三种模式。

2)用户管理功能

用户类型可分为系统管理员、工程管理员、在线管理员、在线操作员和离线管理员。并可以通过区域和等级限制修改数据的能力，用户和点都必须分配有区域和等级，且用户和点有相同的区域，用户的等级大于等于点的等级时用户才能对这个点的值进行修改。

3)远程访问功能

由于上位监控软件和辅助管理软件都是基于B/S架构，因此本系统的上位监控系统和辅助管理系统都支持远程访问功能，并且画面流畅，数据稳定，能够得到和监控中心同样的效果。

目前在该污水厂的变电所及厂外都已实现了远程访问，该水厂的控制和管理都以远程为主。 4)设备管理功能

系统具有定期保养、定时保养、维修更新、备品备件管理，区域设定、用户管理、属性柔性设定、设备属性拷贝、履历查询等功能，保证备品备件的库存数量，提高设备维护维修的及时性和准确性，提高系统设备的可用性，保证系统的稳定运行。

2(故障处理功能

1)故障诊断功能

可根据故障发生时各个相关变量的数值，给出各种原因的概率，帮助维护人员进行判断。并可提供各种原因的处理方法，提高故障的处理速度。积累故障处理的经验。

2)网络诊断功能

实时诊断控制系统中设备的工作状态，除系统内的MELSECNET网络的两个从站、一个主站的设备之外。连接在Profibus-DP网络上的6台变频器、紫外消毒系统，工作是否正常也完全可以诊断出来。 3)故障短信功能

当设备出现故障时，马上将故障信息发送给相关人员，能够提高反应速度，缩短问题处理时间。并且不必需要监控人员24小时守在监控电脑旁，降低劳动强度，减少人员编制。

3(数据处理功能

1)柔性设定功能

上位监控系统预留多个系统参数设定画面，提高控制系统的灵活性和适应性。

?格栅运行模式设定:液位、时间、混合模式设定

?提升泵组合模式设定、液位设定

?曝气沉砂系统各种时间设定

?螺旋压榨系统时间设定。

?反应区10种工序、20步进程任意组合，时间任意设定，使工艺操作人员可以在不修改程序的情况下任意调整反应流程，反应时间，实现整个污水处理流程任意调整和最优化调整。

?设备属性自定义:用户可以根据各种设备的不同，调整设备参数的数量和属性，完整具体的体现每个设备的特有属性。

?报表自定义功能:用户可以根据自己的需要，将本系统的数据和已知数据库结构的其它系统数据，通过简单设定，做成报表。

?日历自定义功能:用户可以自定义节假日，在进行设备维护安排时避免发生冲突。 2)数据记录功能

系统具有报警记录，操作记录，运行数据记录，历史趋势记录，设备维护记录，设备维修记录，备品备件的入出库记录等。

用户可以根据自己需要，通过自定义报表工具，简单灵活的实现上述各种数据的报表。 四.结束语

本系统于去年调试完毕，经过一年的现场运行，目前系统稳定，设备运行状况良好。大大提高了生产效率，降低了维护运行人员的数量，保证了设备的良好运行，降低了紧急情况的处理时间，提高了整个污水厂的自动化水平和管理水平，实现了巨大的经济效益和社会效益。

范文四：污水处理厂自动化控制系统要点

污水处理厂自动化控制系统

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摘＆#8195;要主要介绍了佛山三山污水处理厂污水处理自控系统其构成、功能、控制模式、故障与报警、运行与维护等，并结合实践经验，总结了自动化在线仪表的日常维护保养问题。

关键词污水处理厂；在线仪表；自控系统；PLC 控制

中图分类号X703文献标识码A 文章编号1673-9671-(2011)012-0109-01

三山污水处理厂位于佛山南海市三山港镇，营顺油库对面。该工程规划总规模5万m3/d，分两期建设，一期工程设计污水处理能力2..5万m3/d，

采用了A2O （厌氧缺氧好氧）工艺。一期工程于2009年7月进入调试期。该工程自动化程度较高，多数设备运行及数据监测可由计算机自动控制。自动控制系统调试完成并投入运行后，运营、管理效果良好。下面就该系统构成、功能、控制模式、故障与报警、运行与维护等作一粗浅介绍。

1系统构成

1）控制装置构成。根据A2O 污水处理的工艺流程、自控设计蓝图、设备I/O点数布置，PLC 系统分六个控制站及两个远程I/O站。六个控制站为配电房控制室PLC1#站，风机房控制室PLC2#站，A2O 生化池2-1#远程I/O站，二沉池2-2#远程I/O站，与设备配套的脱水机房加药系统PLC 工作站、两个脱水机PLC 工作站及紫外线消毒PLC 工作站。自控系统主

要由各检测仪表、各PLC 控制站和中控室上位监控计算机操作站组成，现场控制站和上位机通过光纤以太网相连，与设备配套的PLC 控制站采用MODUBUS 通讯方式与PLC2#通讯，并由PLC2#控制站将加药系统，脱水机系统，紫外线消毒系统等三个PLC 站的控制设备的运行状态及数据传送到上位计算机。

自动检测装置包括变频器、进出水流量计、风管风量计、pH 仪、溶解氧仪（DO ）、化学需氧量仪（COD ）、污泥浓度仪（SS ）及超声波液位计和液位差计等八类自动检测仪表，除各流量计的累计流量输出信号为脉冲，其余仪表测量数据的输出信号均为模拟量4～20mA 。

2）设备构成。受控设备包括进水提升泵，粗、细格栅、吸砂行车，砂水分离器、搅拌器、推流器、刮吸泥机、电动闸门，罗茨风机、脱水机等40多台设备，除进水提升泵，曝气罗茨风机输出状态为开关量及模拟量（控制频率），其余设备的输出状态信号为开关量。脱水间自动加药系统、脱水机系统、紫外线消毒系统、恒压供水系统在上位计算机只能监视其状态，控制操作需在现场PLC 控制站中的触摸屏上进行，其余设备可在计算机进行控制。

2系统功能

2.1系统工作原理

现场仪表对生产中各个参数自动、连续地进行检测，同时将信号传送给现场PLC ，现场PLC 通过计算后得出的数值在上位机的监控软件相应的画面和报表中显示出来；PLC 和上位计算机监控软件中设定的工艺参数进行比较，自动地调节某台设备的工况（运行频率，启动或停止），也可手动对某台设备进行控制，从而满足生产的需要。

2.2自动控制过程

1）PLC1#站。PLC1#站主要控制进水提升泵房及粗细格栅系统设备。主要监测数据为提升泵运行电流、频率，进水泵房超声波液位，粗格栅超声波液位差及储泥池超声波液位。监控设备为：粗格栅、进水提升泵、细格栅，吸砂行车，砂水分离器，储泥池推流搅拌机。本站实现以下主要功能：根据进水泵房液位控制提升泵的启停，粗格栅前后液位差或时间周期控制格栅机的启停，粗格栅螺旋输送机与格栅机联动；根据液位控制提升泵的启停台数，按照运行时间，先开先停某台水泵；根据液位差或时间周期控制细格栅机的启停，细格栅螺旋输送机与细格栅机联动；实现砂水分离器和吸砂行车系统的联动运行。

2）PLC2#站。PLC2#站控制系统由PLC2柜，2-1#远程I/O柜，2-2#远程I/O柜组成。PLC2柜监控对象主要为曝气罗茨风机，主要检测信号为曝气罗茨风机运行电流，频率，风管压力，风管瞬时流量及累计流量，进水瞬时流量及累计流量。2-1#远程I/O柜监控对象为生化池12台搅拌机，6台内回流污泥泵，除臭系统；检测信号主要有生化池DO （溶解氧）、SS （浊度）。2-2#监控对象为二沉池两台刮吸泥机，二沉池配水井的两台外回流污泥泵，两台剩余污泥泵，及两台电动闸门，主要检测信号为出水COD ，出水瞬时流量及累计流量，出水PH 。本站实现以下主要功能：根据好氧池上的DO 仪检测值，通过控制风机变频器的运行频率，实现对好氧区域DO 的调节，达到最佳处理效果；DO 的设定值可人工任意设定，控制范围在设定值的上下区间内；远程控制搅拌器、外回流污泥泵，剩余污泥泵，刮吸泥机等设备；采集各个设备状态及仪表信号。

3）加药系统PLC 控制站。脱水机房自动加药系统，管理和控制污泥处理的加药系统设备。

4）脱水机PLC 控制站。两套脱水机PLC 柜分别控制两套脱水机设备。根据工艺要求控制泥切割机，进泥螺杆泵，脱水机。

5）紫外线消毒系统PLC 控制站及恒压供水控制站。紫外线消毒系统采用紫外线灯对出水进行消毒，PLC 柜为设备配套提供。二沉池上清液经出水管进入紫外线消毒系统消毒后大部分排出，小部分由恒压供水系统将输送回厂区进行回用。

3控制模式

粗格栅、细格栅、吸砂行车、提升泵、搅拌器、推流器、曝气罗茨风机、回流泵、刮吸泥机等设备的控制模式均分就地控制和远程控制两种模式：就地控制由现场设备控制柜对设备进行操作；远程控制是由操作员通过中控室上位机操作界面控制设备的启停；下面主要谈谈远程自动控制模式。

1）粗、细格栅。粗格栅、细格栅前后各安装了1套超声波液位差计，通过格栅前后的液位差来反映格栅阻塞程度，并传输到PLC 控制器，进行分析计算。当液位差超过预设的数值，则启动格栅机，清除垃圾，保障正常过水，且合理的减少了设备磨损。粗、细格栅还可根据设定的启停时间间隔自动控制格栅的启停。

2）吸砂行车系统。细格栅后一道工序--沉砂池吸砂行车系统及砂水分离器则根据设定的运行周期（如每隔0.5h 启动1次）自动控制开机。

3）水下搅拌机。各水下搅拌器在操作画面中如设定为“自动”运行状态后将连续运行，除非故障或手动停机。

4）提升泵。集水池共设置3台提升泵，两台变频，一台工频。根据提升泵房的液位值，为实现进水提升泵的自动控制，粗格栅机前后的超声波液位差计，采集集水池的液位信号，实时传输到PLC 控制器及上位机，进行系统分析，与预设值进行比较，自动判断决定启动泵的类型和台数。

5）罗茨风机。风机房一期共安装两台220KW 曝气罗茨风机，PLC 根据生化池内DO 反馈值与设定值比较，并根据偏差和变化趋势调节风机变频器的频率及控制风机的启动台数，使DO 保持在给定值。系统设置了罗茨风机超压力保护。

6）回流泵。内外回流泵在操作画面中如设定为“自动”运行状态后将连续运行，除非故障或手动停机。系统设置了低液位保护，液位过低系统将强制所有的泵停机并报警。

7）进出水流量。进水泵房每台提升泵至细格栅之间的直管段各安装一台电磁流量计传感器，共安装三台电磁流量计传感器；每台变送器显示相应提升泵提升污水的瞬时流量，累计流量。瞬时流量之4-20mA 信号，累计流量之脉冲信号传送至鼓风机房PLC 中。出水流量计安装于出水流量计井，流量信号传送至2-2#PLC控制站。进出水流量信号再通过光纤以太网传送至中控制室电脑，在监控画面及报表系统中显示。

8）二沉池刮吸泥桥。从2座好氧池出来的污水都进入二沉池配水井，并通过二沉池配水井将污水均匀流至2个二沉池；二沉池采用中心进水、周边出水辐流式沉淀池，每池设1台全桥式周边刮泥机。由于比重不同，在二沉池中停留一段时间的泥水混合物即进行分离，上清液经出水管道进入紫外线消毒池消毒后作为出水排放或由恒压供水泵提取作为回用水。刮泥机把泥刮向池中心，流向污泥泵房，污泥泵房泥水混合液一部分通过外回流污泥泵回流至生化池；一部分通过剩余污泥泵输送到储泥池，之后储泥池内泥水混合物由污泥螺杆泵抽至脱水机房进行压滤脱水处理。

4故障与报警

系统拥有完备的参数保护和报警功能，设备出现故障，如：泵的低液位停机保护、设备过载保护，参数的超出高低限报警等。当发生报警时上位机画面中会自动弹出一个报警提示窗口，在该窗口中显示了发生报警的设备名称和报警状态。点击“确认”或者“总确认”按钮，再点击关闭按钮才能正确关闭该报警。

5维护与保养

每天应定时巡查，查看设备的运行是否正常，听设备的运转声音是否正常，如发现异常，为确保设备不被损坏应及时停机并由通知专业人员进行维修，部分设备需注意适时加油。

自动检测仪表故障报警主要是由于被测参数超出测量范围或仪表本身误差累积造成测量值偏离真实值过多而报警。对于一些精密仪表、探头而言，污水厂的工作环境是比较恶劣

的。因此，对它们必须定期维护与保养。

1）保持自动化检测仪表传感器的清洁。由专人定期清洗探头，保证数据采集准确性。特别是DO ，SS ，PH 仪等直接与污水接触的分析仪表，必须定期由专人清洗，每一个月清洗1次，保证仪表的正常工作；清洗时要求使用柔软的材料，以免损坏仪表。

2）定期校正各种仪表。仪表在长期运行过程中难免会产生测量误差，为了保证仪表测量的准确性，对分析仪表需每月定期校正1次；而且要求水质化验技术人员利用化验室仪器检测相应的项目，并与现场仪表测量结果比较，如果偏差太大，那么应适时对仪表进行校正，确保仪表测量数据准确。

范文五：污水处理厂自动化监控系统技术方案

污水处理厂自动化监控系统技术方案

1 系统概述

随着科技水平的不断发展和提高，采用计算机系统对生产的管理越来越深入到各行各业的企业之中。因此，采用计算机为核心建立一个对污水厂进行全面管理的自动化控制系统，不但切实可行，而且能够全面提高企业的管理水平和生产效率，从而增加企业的生产效益。

此污水处理厂工程监控系统包括了对厂区内部整个污水处理工艺流程的监测和控制。在整个生产厂区内，包括了粗格栅间、污水提升泵房、细格栅间、钟氏沉砂池、生化池、沉淀池、回流及剩余污泥泵房、贮泥池、污泥浓缩脱水间、出水流量计井、紫外消毒渠以及总变配电室等，通过本监控系统能够对这些过程进行全面监测和控制；同时，通过本监控系统，使得这些控制既能够通过监控中心进行，还能够采用闭环控制方式进行。

对于污水厂计算机监控系统，适用于采用一个二级管理的计算机监控系统，其上级系统位于中控室，用于对全厂的所有站点设备进行监控；下级系统位于各个PLC站点，通过PLC实现；上下级通过数据通信网络进行数据交换；上下级均可通过网络对系统内的设备进行监测和控制；下级系统只能对本地站点设备进行监控，而上级系统可以对所有站点设备进行监制。

从系统功能方面看，本污水厂计算机监控系统由三层构成：管理计算机子系统、监控计算机子系统、现场控制站。管理计算机子系统、监控计算机子系统属于上级系统，通过以太网相连，监控计算机子系统、现场控制站通过工业以太网进行数据交换，而现场控制站属于下级系统。

此污水处理厂工程的监控系统由PLC、计算机控制管理系统组成的上端系统和仪表检测系统两部分组成，其中上端系统中的管理计算机子系统由数据服务器、生产管理及办公计算机、网络交换机、打印机等组成；监控计算机子系统由两台中央监控计算机、投影仪系统、打印机、工业网络交换机组成。

2 监控系统总体结构

在污水处理厂综合办公区内设置中央控制室（中控室），集中监视、控制、管理整个污水处理厂的全部生产过程和工艺过程，实现对生产过程中的自动控制、报警、自动保护、自动操作、自动调节以及各工艺流程中的重要参数进行在线实时监控，对全厂工艺设备的工况进行实时监视。

中控室管理计算机子系统采用B/S（浏览器/服务器）结构形式的计算机网络，以一台数据及网络服务器为核心，构成100M交换式局域网络；监控计算机子系统采用C/S（客户机/服务器）结构，监控工作站冗余配置，以提高数据安全性。

中央控制室监控计算机子系统和厂内的各单体PLC控制系统采用光纤环网连接，网络形式为工业以太网，传输速率为100M。 在中控室配置1台数据服务器，网络打印机以及办公计算机，组成管理计算机子系统。管理计算机子系统为全厂的生产经营、管理决策、生产调度、日常办公搭建数字信息传输平台，连接监控计算机子系统和办公管理终端，提供全厂内部的信息管理结构。管理网络的建设完成基础硬件平台、基础软件、生产过程自动化控制子系统的数据库及通过WEB访问生产过程自动化控制子系统等工作。根据应用需求，管理计算机子系统包括生产经营辅助决策子系统、生产调度管理指挥子系统、设备管理子系统以及综合办公管理子系统。

在中控室配置2台监控工作站，双机热备。正常情况下，一台用于工艺监控，另一台作为备用，随时可以代替故障设备。2台操作站的硬件和软件的配置完全相同，功能和监控的对象可以互换。同时，配置2台打印机以及投影仪，组成一个完整的监控计算机子系统。

同时，根据系统规划以及以后的需要，在对中央控制系统软硬设计时，将预留远期工程需要增加的1~2个单体控制系统的接口。中央系统预留以太网网络接口以便和办公自动化系统连接，实现工程内部的数据共享和生产、管理一体化。

3 计算机监控系统总体配置

3.1自动化系统整体结构

自动化系统整体结构如下图所示：

整个系统由三层构成：管理计算机子系统、监控计算机子系统、现场控制站。

1. 管理计算机子系统

管理计算机子系统由数据服务器、生产管理及办公计算机、网络交换机、打印机等组成。

管理计算机子系统、监控计算机子系统通过以太网相连。

2. 监控计算机子系统

监控计算机子系统由两台中央监控计算机、投影仪系统、打印机、工业网络交换机组成。

监控计算机子系统、现场控制站通过工业以太网环网进行数据交换。

3. 现场控制站

根据工艺特点和构筑物平面布置，共设三个现场控制站、一个变配电系统管理终端。中央监控计算机、现场PLC控制站、配电系统管理终端通过工业网络交换机，构成了工业以太光纤环网。现场PLC控制站与现场仪表通过屏蔽电缆连接。

另外，系统包括一个闭视频路监视系统，为一个独立的系统。监视中心也配置在中控室（祥见闭视监视系统章节）。

3.2管理计算机子系统配置

管理计算机子系统为全厂的生产经营、管理决策、生产调度、日常办公搭建数字信息传输平台，连接监控计算机子系统和办公管理终端，提供全厂内部的信息管理结构。管理网络的建设完成基础硬件平台、基础软件、生产过程自动化控制子系统的数据库及通过WEB访问生产过程自动化控制子系统等工作。

1. 管理计算机子系统组成

如下图：

按照管理系统的功能划分为：生产经营辅助决策子系统、生产调度管理指挥子系统、设备管理子系统、综合办公管理子系统。

a）生产经营辅助决策子系统

能为决策层提供必要的经过综合的生产经营信息，进行必要的分析处理，提供辅助决策支持。

b）生产调度管理指挥子系统

有多种数据监测措施，既能以表格的方式显示实时数据，又能以图形方式显示实时数据。有数据报警功能，包括报警提示音等多种形式。可发出特调指令。

c）设备管理子系统

以设备的使用、保养、维修的管理为核心，将设备技术资料，日常设备管理活动，进行有效地分门别类记录、反映、统计、分析。

d）综合办公管理子系统

系统从通用、灵活、标准的设计思想出发，应用先进的文档数据库处理技术，为各级办公人员、领导干部提供了集成的工作环境。系统具有丰富实用的功能、友好的操作界面以及灵活的可扩展性，可以方便地处理各种文档数据、图形、声音、影像信息，并且安全可靠。主要包括一般的MIS(管理信息系统)的功能，是办公自动化的重要组成部分，它涉及到人、财、物等各个方面。

2. 管理计算机子系统配置结构

设备配置及结构如下图：

3.3监控计算机子系统、现场控制站配置

1. 监控计算机子系统、现场控制站配置结构

设备配置及结构如下图：

变配电系统管理终端包括：厂内变配电系统管理终端，本系统1#PLC或中心监控计算机通过该管理终端采集厂内变配电系的各种实时信息。

现场控制站包括：预处理控制站（1#PLC）、生化池控制站（2#PLC）、泥处理控制站（3#PLC）

其中，预处理控制站（1#PLC）和厂内变配电系统管理终端通过2#工业交换机进行数据通讯。生化池控制站（2#PLC）通过3#工业网络交换机连接到光纤工业以太环网。泥处理控制站（3#PLC，本PLC由其它厂家供货并建立一套独立的控制系统）通过4#工业网络交换机连接到光纤工业以太环网。中央监控计算机通过1#工业网络交换机连接到光纤工业以太环网，与现场控制站进行数据交换。

4 系统的控制方式

1. 控制方式

系统包括了以下几种控制方式：现场手动方式、就地检修维护方式、遥控方式、自动方式。

1)现场手动模式：当设备的现场控制箱或MCC控制柜上的“就地/远程”开关选择“就地”方式时，可以通过现场控制箱或MCC控制柜上的按钮实现对设备的启/停、开/关操作；

2)就地检修维护方式：当现场控制箱或MCC控制柜上的“就地/远程”开关选择“远程”方式时，设备控制权在LCS(Local control station)控制站。操作人员可以通过LCS控制站的操作面板上选择“手动”方式，利用监控画面或键盘对设备进行检修操作；

3)遥控模式：即远程手动控制方式。当现场控制箱或MCC控制柜上的“就地/远程” 开关选择“远程”方式时，操作人员可以通过操作面板或中控系统操作站的监控画面用鼠标器或键盘选择“遥控”方式并对设备进行启/停、开/关操作；

4)自动模式：当现场控制箱或MCC控制柜上的“就地/远程”开关选择“远程”方式，且现场控制站的“自动/遥控”设

定为“自动”方式时，设备的运行完全由各PLC/RTU根据污水处理厂的工况及生产要求来完成对设备的运行或开/关控制，而不需要人工干预。

2. 控制方式的优先级

整个控制系统中的现场手动控制方式优先级别最高，在此基础上，设置远程遥控和自动控制。

1)控制级别由高到低为：现场手动控制、就地检修控制、遥控控制、自动控制；

2)手动干预是操作人员的专有权利，因为过程连锁在此模式下无效；而自动模式下，安全连锁是有效的，并限制操作的可能性，可防止非正常状态下运行。离工艺过程越近的控制层具有更高的优先权。

5 监控系统通讯网络结构

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