（流体机械及工程专业论文）污水处理过程的计算机监控研究.pdf

污水处理过程的计算机监控研究 摘要 本文介绍了国内外污水处理及其自动控制系统的发展过程、当今 水平和提高自动化程度的若干新技术：研究了污水处理自动控制系统 的内在结构、控制规律、主要特点和设计方法；选取污水处理中的典 型参数温度、溶解氧、p h 值和液位等为控制对象，设计了以个人计算 机为上位机、以8 0 9 8 单片机为下位机，并辅之以传感器、变送器及相 关接口单元所构成的二级集散控制系统( d c s ) ；介绍了几个主要程序 模块的设计思路、工作过程，这些程序模块是：用高级语言v i s u a lb a s i c 6 0 开发的上位机人机交互界面程序、数据处理和图表输出程序，用执 行效率高的汇编语言开发的下位机数据采集与系统监控程序、上位机 与下位机之间的数据通信程序，汇编语言与v b 之间的转接程序，等等。 f 污水处理集散控制系统的硬件和软件都采用模块化设计，硬件模块 便于生产、扩展和维护，软件模块便于修改、扩充或升级。 本项研究的积极意义在于：为污水处理厂自动控制系统的模块化、 集成化、智能化设计做出了有益的尝试，为提高我国污水处理自动化 程度提供了有参考价值的设计思路。、 9 关键词：污水处理自动控制集散控制系统程序设计 s t u d i e s0 1 1s u p e r v i s i o na n d c o n t r o lb yc o m p u t e r i nt h ep r o c e s so fw a s t e w a t e rd i s p o s a l a b s t r a c t t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h ed e v e l o p m e n tp r o c e s so fw a s t e w a t e rd i s p o s a l ， i t sa u t o c o n t r o l s y s t e m ，t h e l e v e lo f n o w a d a y s a n ds e v e r a ln e w t e c h n i q u e s o fc h i n aa n d f o r e i g n c o u n t r i e s t h ei m m a n e n ts t r u c t u r e ， c o n t r o lr u l e s ，m a i nf e a t u r e sa n dd e s i g nm e t h o d so fa u t oc o n t r o ls y s t e m s i nw a s t e w a t e rd i s p o s a lp r o c e s sa r es t u d i e di nt h i sp a p e r a i m i n ga t f o u r t y p i c a lp a r a m e t e r s ，s u c h a s t e m p e r a t u r e ，d i s s o l v e do x y g e n ，p h a n dt h e p l a n e so fw a t e r ，t h ed i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e mi sd e s i g n e d ，c o m p o s e db y p cc a l l e de p i g y n yc o m p u t e ra n ds c m8 0 9 8c a l l e dh y p o g y n yc o m p u t e r ， a n ds o m es e n s o r s ，s h i f td e l i v e ru t e n s i l sa n dr e l a t e dm e e to r i f i c e so f p a r a m e t e r sg a t h e r i n g a n df i g u r e sc o m m u n i c a t i o n t h ei d e aa n dw o r k p r o c e s s e s o fs o m e p r o g r a m m o d u l e sa r ea l s oi n t r o d u c e dh e r e t h e p r o g r a m si ne p i g y n yc o m p u t e ri n c l u d et h ep r o g r a mo fm u t u a li n t e r f a c e b e t w e e no p e r a t o ra n dc o m p u t e r ，f i g u r ed i s p o s a lp r o g r a ma n dc h a r to u t p u t p r o g r a m ，w h i c ha r ee x p l o i t e dw i t hv i s u a lb a s i c6 0 a n dt h ep r o g r a m si n h y p o g y n yc o m p u t e r a r e c o m p o s e db yf i g u r eg a t h e r i n gp r o g r a m ，t h e p r o g r a mo fs u p e r v i s i o na n dc o n t r o l o fs y s t e m ，c o m m u n i c a t i o np r o g r a m a n dm e e to r i f i c ep r o g r a mb e t w e e na s s e m b l el a n g u a g ea n dv b ，w h i c ha r e d e s i g n e dw i t ha s s e m b l el a n g u a g e t h i ss y s t e mi s d e s i g n e db yt h ew a y o fm o d u l a r i z a t i o n t h eh a r d w a r e m o d u l e sa r ee a s yt op r o d u c e ，e x t e n da n dk e e p ，a n dt h es o f t w a r em o d u l e s a r ee a s yt om o d i f y ，e x p a n da n du p g r a d e t h ef r u i t f u l m e a n i n go ft h et h e s i si s t h a ts o m ev a l u a b l ea t t e m p tf o r m o d u l a r i z a t i o n ，i n t e g r a t i o n a n d i n t e l l i g e n t i z e o fa u t oc o n t r o li n w a s t e w a t e rd i s p o s a lh a sb e e nd o n e a n di t p r o v i d e sf l v a l u a b l er e f e r e n c e i d e af o ra d v a n c i n gt h el e v e lo fa u t oc o n t r o ls y s t e mi nw a s t e w a t e r d i s p o s a l p l a n ti no u rc o u n t r y k e y w o r d ：w a s t e w a t e rd i s p o s a l a u t oc o n t r o ld c s p r o g r a m m i n g 致谢 本文自始至终是在导师朱武副教授和王先路教授的悉心指导下完 成的。从论文的选题、研究到撰写都倾注了朱老师和王老师极大的心 血。朱老师学识渊博，治学态度严谨，工作细致认真，同时在学术上 对学生要求严格但又不施加过多的约束：王老师洞察力敏锐、思维方 法卓越。在两年多的研究生学习阶段与两位导师的精诚合作将使我终 身受益。 在课题研究过程中，与陈长琦副教授进行了许多有益的探讨，从 这些探讨中受到了许多有意义的启示；胡焕林教授一直对我的成长非 常关心，其独特的思想方法让我深受启发；另外，在这几年里，我也 一直得到方应翠老师、周永安老师、王旭迪老师以及实验室的王云芳 老师、程义然老师、樊文胜老师等的关心，在此一并致以衷心的感谢。 同时感谢谢源同学、周连廷同学以及本专业的其他研究生所给予 的大力协助。 最后再次向诸位老师表示深深的谢意! 向多年来在我的成长和学 习生涯中给予我帮助和关心的所有老师、同学以及亲戚朋友表示诚挚 的谢意，特别感谢我的父母多年来为我所付出的辛劳和所给予的极大 支持。 我将永远记住你们一一我敬爱的老师，慈爱的双亲，亲爱的同学、 朋友以及可爱的师弟师妹们! 插图清单 图2 1 城市污水典型处理流程 图2 2 污水处理流程图 图2 3 控制系统结构图 图3 18 0 9 8 模数转换器 图3 2 模拟量的采集与保持 图3 3a d 5 9 0 测温电路一 图3 4 专家p i d 控制器的a d 和d a 转换电路 图3 5 主程序流程图， 图3 6 数据采集子程序流程图 图3 7 数字滤波子程序流程图 图3 8p i d 控制子程序流程图 图3 9 遇限削弱积分法p i d 控制子程序流程图 图4 1 串行异步通信的数据格式 图4 2p c 一8 0 9 8 通信系统硬件结构 图4 3r s 一4 8 5 电平转换电路 图4 4 串行口控制状态寄存器 图4 58 0 9 8 与r s 一4 8 5 接口电路 图4 6p c 机的串行接口电路 图4 7 上位机接收数据主程序流程图 图4 8 上位机接收数据中断服务程序流程图 图4 9 下位机发送数据主程序流程图 图4 1 0 下位机从接收状态该为发送状态程序流程图 图4 1 1 下位机发送数据中断服务程序 图4 1 2i d c o k 程序流程图 图5 1 系统界面的结构 图5 2 数据报表界面 图5 3 进水和出水d 0 值的对比曲线 图5 4 进水和出水d o 值的对比饼图 图5 5 进水和出水d o 值的对比棒状图 3 4 6 1 0 1 1 13 17 2 0 2 1 2 2 2 3 2 4 2 6 2 9 3 0 3 0 3 1 3 2 3 4 3 5 3 6 3 7 3 8 3 9 4 0 4 3 4 4 4 5 4 6 表3 1 表3 2 表3 3 表4 1 表4 2 插表清单 被定义的几个通用寄存器 输入通道分配 程序资源分配表 几种串行接口的主要性能参数 m s c o m m 控件的属性值 18 18 1 9 2 8 3 5 箜二童堕堡一 第一章绪论 1 1 国内外发展概况 随着经济的发展、文明的进步，环境的污染愈来愈严重，其中水污 染直接威胁到了所有生物的生存。为了治理水污染，世界上几乎所有 国家都投入了大量的人力和物力。一些发达国家如美、曰和西欧等在 研究新的理论和工艺之外，更重视污水处理自动控制这个问题，先后 纷纷投资开发研究高效型、集约型污水处理设备和自动化控制仪表。 美国艾姆科工艺公司9 6 年成功开发了多元组合式智能型一体化生活污 水处理装置，荷兰大学开发成功计算机控制内循环式水解生化塔。 我国的工业污染十分严重，早已引起了国家重视。环境保护也作为 我国基本国策之一。国家启动了治理“三河三湖”工程，已取得了明 显的效果。从近几年环保治理上看，我国的环保理论、工艺研究与国 外差距不太大，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。 对于小型的污水处理厂( 如啤酒厂、饮料厂、味精厂等自备的污水 处理厂) 由于资金不足，技术力量相对薄弱以及生产的季节性等原因， 所采用的检测仪表大部分是国产的离线仪表，监测手段也是靠取样后测 量，然后根据测量结果去调整设备运行状态。由于仪表的准确性差并且 非连续性监测，设备运行状态调整慢，常常导致出水水质的不稳定。 一些大型的污水处理厂为了实现自动化控制、保证出水水质的达 标，或借鉴国内外先进的技术和经验自行开发，或利用政府投资和国外 的优惠低息贷款，成套引进德国、丹麦、澳大利亚等国的污水处理工艺、 设备、监测仪器仪表、自控系统及相应的软硬件。由于设备配套性好、 技术先进、自动化程度高，系统都能连续稳定运行，所以能保证出水水 质达标【2 l 。 1 2 课题的来源、目的及课题所研究的主要内容 本课题来源于合肥市科委重点基金项目。其目的在于解决工业污水 中污染负荷高、技术难度大的高浓度有机废水处理问题，开发适合多类 废水、多种规模、不同处理工艺的多元模块化组合式系列设备，实现水 处理设备标准化、系列化，从而提高集约化程度。污水处理的计算机监 控研究是其中的一个子课题，主要针对污染物的随机变化、处理单元的 第一章绪论 控制参数的波动对生物群种影响等，开发适应多元多参数的非线性变化 的集散控制系统。鉴于污水处理中各水质指标的非线性和时变性等特 征，利用此集散控制系统可以克服常规控制方法难以解决的各种问题。 由于时间和其他条件的限制，本课题选取温度、流量、溶解氧和p h 值四个典型的参数作为控制对象，采用1 6 位单片机8 0 9 8 完成对这四个 模拟量的采集、控制并实现与上位机的通信，以求在上位机对现场进行 监控并把系统运行状况以历史报表和曲线、棒图等形式显示、打印出来。 1 3 课题的意义 为加强城市污水治理，我国政府增加了投资力度，1 9 9 8 年分二批下 达的城市污水治理项目达1 17 项，投资约3 0 0 亿元。1 9 9 9 年又下达近 百亿元国家债券资金，用于支持城市污水处理厂的建设。但是我国污水 处理设备尤其是自动检测系统及相关软件大多依靠进口，在引进设备的 同时，不但要考虑有计划引进和消化吸收先进的设备管理、维修技术、 引进先进的管理，作好对操作人员和技术人员的培训工作，而且在选型 时还要注意中外国情差别，并要考虑设备长期的运行维护和备品备件的 来源。 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。为改变现状，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，重视开展 这方面的研究。2 0 0 1 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。 由此可见，设计出自己的污水处理厂自动控制系统对我国国民经济 的发展具有重大的现实意义。 2 星三童互墨堡至 一 第二章方案论证 污水处理系统有其自身的特点，如系统庞大，环节众多，具有大量的连接 管道和阀门，工艺流程复杂等。以典型的城市污水处理系统为例，其流程如图 2 1 所示【3 】【”。 污水一塑一 避一一 些一 池或生物沉淀 1 滤离子交 ，熹叫三一i 嚣巍_ 污沂池二量擎?纛 乏 i 嚣釜：薹了二污沂 二：理连塑? 一 一污毳矿 ，l 耋耋 蜮舵i - 浓一 ! r i 缩1三级是出 图2 1 城市污水典型处理流程 污水处理过程的特点决定了污水处理自动控制系统既具有其他控制系统所 具有的共性特征：有模拟量又有数字量，有顺序控制又有实时控制，有开环控 制又有闭环控制；也有不同于一般控制系统的个性特征：最终控制对象是c o d 、 b o d 、s s 和p h 值，而为使这些参数达标，必须对众多设备的运行状态、各池 的进水量和出水量、进泥量和排泥量、加药量、各段处理时间等进行综合调整 与控制。这些共同决定了污水处理控制系统的复杂性，一个污水处理厂控制系 统涉及数百路开关量、数十路模拟量是很自然的。而且这些被控量常常要根据 一定的时间顺序和逻辑关系运行，许多参量需要精确调节【5 ”j 。 所以选择污水处理自控系统要充分考虑到其系统的复杂性，需要控制参量 的多样性等，尤其是具有惯性大、纯滞后时间长等特点的模拟量多，故而要尽 可能实现闭环控制。 篁三兰立壅丝堡 本系统主要处理工业污水中污染负荷高、技术难度大的高浓度有机废水 ( c o d 一般在1 0 0 0 m g l 以上) ，如酒精、淀粉、味精、制药等废水。根据排 放去向分别执行一、二和三级标准。为此，选取的污水处理流程如图2 2 所示。 图2 2 污水处理流程图 f i g 2 2t h ef l o wc h a r to f w a s t e w a l e rd i s p o s a 2 1 控制系统的选择 生产技术的进步和科学技术的发展，要求一个系统的静态性能和动态过程 达到更高的精度、更快的速度，产生最好的经济效益，这就需要有更完善、更 加智能化的控制装置。然而，若用常规的控制方法，潜力有限，难以满足更高 的性能要求i l ”“j 。 用计算机进行控制是在计算机技术和自动控制技术飞速发展的基础上产生 的。自从第一台计算机诞生以来，人们就一直在追求工业生产过程的计算机控 制这样美好的目标。由于计算机具有存储信息量大、计算和逻辑判断能力强等 优点，因此，计算机控制能解决常规控制装置解决不了的难题，能够达到常规 控制装置所不能达到的性能指标。与采用模拟调节器组成的控制系统相比较， 计算机控制系统具有以下优点： ( 1 ) 控制规律灵活，可以在线修改； ( 2 ) 可以实现复杂的控制规律，提高系统的性能指标； 4 笙三至塑耋笙堡一 ( 3 ) 抗干扰能力强，稳定性好： ( 4 ) 可以得到比较高的控制精度； ( 5 ) 能同时控制多个回路，一机多用，性能价格比高； ( 6 ) 便于实现控制、管理与通信相结合，提高工厂企业生产的自动化程度。 计算机控制系统的分类方法很多，按照系统的功能、控制方案、控制目的 和构成，计算机控制系统一般可分为四种类型：数据处理、操作指导控制 系统( o l s ，o p e r a t i o n a li n f o r m a t i o ns y s t e m ) ；直接数字控制系统( d d c ， d i r e c td i g i t a lc o n t r 0 1 ) ；监督计算机控制系统( s c c ，s u p e r v i s o r yc o m p u t e r c o n t r 0 1 ) ；分布式计算机控制系统( d c c ，d i s t r i b u t e dc o m p u t e r c o n t r 0 1 ) ， 也就是集散控制系统( d c s ，d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m ) 。 前三种控制系统有的不能够实现直接控制，必须人工控制或模拟控制( 如 o i s ) ，有的虽然可以实现对被控对象的直接控制，而且可以实现闭环控制( 如 d d c ，s c c ) ，但存在一些缺点：对工作现场的环境要求苛刻，控制集中，危 险集中，容易造成一些不必要的损失。 集散控制系统是随着当代工业生产的高度自动化和过程控制的日益复杂化 而发展起来的。它融合自动控制技术、计算机技术与通信技术于一体，具有技 术先进、功能完备、应用灵活、运行可靠等特点，是实现工业自动化集中综合 管理的最新过程控制系统。 集散控制系统强调工厂的工艺过程在地理位置上的分散，相应的要求控制 设备也要在地理上分散，而整个控制系统的本身具有数据采集、过程控制、监 控操作和运行显示等功能【1 3 】【l 。 1 集散控制系统的整体构想 集散控制系统的整体构想主要分两步： 第一，根据特性曲线、数学模型、有关参数、测定值等对各处理单元的工 艺控制过程和参数进行系统分析和表达，对工艺控制过程及系统中的各单元进 行分解得到工艺过程控制整体构想； 第二，根据主要干扰的振幅确定相应工艺过程控制任务( 工艺过程优化、 工艺过程稳定、工艺过程保护) ，协调工艺各单元之间的关系，确定整体工艺 控制过程，实现中央控制系统的控制。 2 集散控制系统的基本构成 ( 1 ) 现场控制单元( f c u ) 它包括基本控制器、多功能控制器和可编程控制器等。其功能是采集工 业现场的输入输出信号，对其进行处理，根据处理结果反馈给现场，并将处理 后的结果送至上位控制单元。 ( 2 ) 人机接口( m m i ) 篁三垩銮塞丝 它应包括操作员接口和工程师接口两个部分。人机接口实现对整个工艺过 程、整个系统组态和运行状态及操作等人机交互功能。 ( 3 ) 通信网络( c n ) 通信网络将各个不同的系统联成一个网络，并实现各个系统间的通信。 ( 4 ) 通用计算机接口( g c i ) 通用计算机接口的功能就是通过硬件接口和软件接口实现通用计算机与现 场控制单元、人机接口的信息交换，完成更高层次的管理和控制。 ( 5 ) 通用计算机系统( g c ) 通用计算机系统的功能主要是实现高层次的优化管理，使大型工业生产具 有柔性生产线的灵活能力l l ”。 3 集散控制系统的特点 在集散控制系统中，被控制的对象往往是比较复杂且庞大的，所以在控制 手段上也应相应的复杂化，既有连续量的反馈控制又有断续量的顺序控制或逻 辑控制。在过程控制中，连续量的反馈控制占主要内容：而在制造生产过程中， 图2 3 控制系统结构图 顺序控制占主要内容。这些连续控制或顺序控制的有机结合，形成系统的有序 的综合控制，最后还是靠顺序控制，特别是逻辑控制来统一指挥协调运行【3 8 1 1 3 9 1 。 综上所述，集散控制系统具有“管理集中，控制分散，危险分散”的特点 是当今污水处理过程控制最适合的模式。本系统选用二级集散控制，由中控室 上位机和现场下位机构成。控制系统结构如图2 3 所示。 6 笙三垩互至堡堡一 2 2 下位机的选择 下位机的主要功能是实现对现场的测控。担任下位机工作的一般是p l c 或 单片机，p l c 一般用于对开关量的控制，而本文是针对四个模拟量进行采集和 控制，因此，选择单片机作为下位机。 单片机的种类繁多，发展非常迅速，1 9 7 6 年，美国i n t e l 公司研制出第一 代8 位单片机m c s - - 4 8 系列，1 9 8 0 年推出第二代8 位增强型单片机m c s 一5 1 系列，1 9 8 3 年又推出了1 6 位单片机m c s 一9 6 系列。m c s - - 9 6 系列单片机的 1 6 位8 0 9 6 单片机，虽然在性能上高于4 8 、5 l 系列，但由于价格昂贵，且与目 前广泛使用的各类8 位i o 接口芯片匹配较为复杂，故在使用上受到较大限制。 1 9 8 8 年，i n t e l 公司推出了m c s 一9 6 系列单片机的新成员8 0 9 8 单片机，则弥 补了上述两方面之不足。8 0 9 8 采用8 位外部数据总线，而内部c p u 则为1 6 位， 所以处理速度快、能力强，且与其它8 位i o 接口芯片匹配方便，性能价格比 高，应用愈来愈广泛【2 ”“j 。 8 0 9 8 单片机具有许多独特的特点，如果与m c s 一5 l 单片机作一个比较， 不难发现，8 0 9 8 单片机在许多方面具有优点1 1 9 2 1 1 。 ( 1 ) 高精度的1 6 位中央处理器支持位( b i t ) 、字节( b y t e ) 和字( w o r d ) 操作，在部分指令中还支持3 2 位双字操作，如3 2 位乘除运算； ( 2 ) 高速度、高效率、低占空的指令系统； ( 3 ) 自带4 路1 0 位a d 转换器和采样保持器，可方便地构成数据采集系 统； ( 4 ) 调制输出( p w m ，p u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ) 能实现数模转换； ( 5 ) 4 个高速输入通道和6 个高速输出通道具有软件定时器功能； ( 6 ) 具有可以同时发送和同时接收的全双工串行通信功能； ( 7 ) 8 个中断源可处理2 0 种中断事件； ( 8 ) 2 个1 6 位硬件定时器和4 个软件定时器即可计数又可定时； ( 9 ) 掉电保护电源可防止数据存储器( 片内r a m ) 中的内容丢失。 可见，8 0 9 8 单片机具有非常突出的优点，它的集成度高，性能价格比高， 抗干扰能力也高，由它组成的智能化仪器仪表，集测量、控制、记录、显示于 一体，是其它微机芯片所不能与之媲美的，尤其是它所具有的4 个模拟量输入 通道正好满足本课题的需要，因而，下位机采用8 0 9 8 单片机。 下位机的编程利用汇编语言来实现。这是因为汇编语言的执行效率高且容 易实现对硬件的操作。 茎三兰互苤堡堡 2 3 上位机的选择 上位机主要实现系统管理功能。上位机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。奔腾( p e n t i u m ) 系列的计算机以其运算速度快，品质高、性能稳定等优点深受用户的信赖。因 而，本系统的上位机采用i n t c lp i l l ，在w i n 2 0 0 0 下利用v i s u a l b a s i c6 0 友好 的人机交互界面和强大的数据库操作能力编制污水处理系统监控界面，从 a c c e s s 数据库实时读取数据，打印报表并绘制动态曲线、棒状图或饼图1 2 ”j 。 用户界面程序如果用c 语言编写，则具有设计概念清晰、代码量小、执行 速度快等优点，但同时也存在工作量大、技术要求高、菜单控制难等缺点，尤 其要编写大量的鼠标程序，难免有考虑不周之处，其结果可能导致鼠标无法驱 动，缺乏流畅感。 这些问题在v b 环境下可以得到解决，v b 环境下用户界面程序设计非常方 便，它提供的“菜单设计器”可生成任意深度的菜单系统，大大简化了菜单控 制。v b 作为一种事件驱动的面向对象的编程语言，提供了丰富的鼠标事件， 这些事件都由系统统一管理，在对应的事件子程序中编程就能完成预期的用户 操作，鼠标由系统驱动，可靠性高，而且v b 提供的控件能生成标准的w i n d o w s 窗口，使得用户易懂易学p 4j i ”j 。与用t u r b o c 编程相比，用v b 编写的联网 通信的用户界面程序大大地减轻了程序员的工作量，缩短了整个系统的开发周 期。 2 4 设计任务及关键问题 本系统是采用模块化设计方法。 模块是系统中完成某一基本功能的一个组成部分。模块化设计是项目设计 的一种基本方法。其实质是将模块化、通用化和标准化贯彻于系统的设计过程。 在系统结构上，各模块具有一定的独立性，但相互之间又可方便地组合，完成 所需的多种功能i l 5 1 。 硬件的模块化设计有利于设计、制造、使用和维护，模块化使每个硬件模 块具有相对独立的功能，各模块之间通过各种连线联结起来。模块化的硬件不 仅对设计有利，对于生产和维护也极为有利。 软件的模块化设计是把整个软件按相对较为单一的功能予以层层划分，然 后按一定的规则分别编程，最后才统一联结起来形成完整的软件。模块化编程 的优点是便于集体工作，也便于软件的修改、升级和维护。以控制程序为例， 可把不同的控制算法写成不同的模块，这样便于编写对它们分别调用的程序， 对各个算法的修改和增添新的算法模块也很容易。在本系统中大致可将软硬件 分成以下几个模块： ( 1 ) 数据采集与处理模块：模拟量输入及转换，数据处理等。 兰兰童查茎笙至 一 ( 2 ) 控制软件模块：针对不同的被控对象，选择不同的控制规律，d a 和开关量输出等。 ( 3 ) 监控程序模块：系统初始化，l e d 数码管显示输出和键盘输人控制， 程序运行调度，组态分析和编程等。 ( 4 ) 通讯程序模块：按通信协议接收和发送串行数据，m o d e m 控制等。 具有远程通讯能力的通用型现场测控单元结构比较复杂，模块较多，有许 多软硬件方面的关键问题需要考虑。总结起来，主要有以下三个方面： ( 1 ) 内含控制模块的编制和组态问题 现场测控单元的软件设计中安排了多种控制模块如经典p 1 d ，改进型p i d ， 模糊控制等，可根据不同的控制对象和控制要求来加以选择。在设计中除了要 以汇编语言实现这些模块的功能外，还需要考虑与这些模块的选择和参数设置 有关的软件机制，如怎样调用某一模块、怎样对模块进行串联、如何存储和索 取与该模块有关的参数等问题。 ( 2 ) 多任务监控程序的设计问题 现场测控单元内部运行一个多任务的监控程序，除了需要实时地执行所负 责的局部的监测和控制任务外，还要对网络进行监听并及时地在网络中交换数 据，接受系统管理信息( 如管理机发来的组态信息) 并执行相应的动作( 如选 择不同的控制规律和参数) ，读取键盘信息和更新l e d 数据显示等，这一设计 需要充分且协调地利用所有的软硬件资源。 ( 3 ) 复杂环境下的可靠性问题 现场测控单元的抗干扰性和容错能力相当重要。现场测控单元需要防止信 号的扰动、现场电源信号的变化、电磁干扰等一系列的外来影响。这要求抗干 扰性能好，因此要在硬件和软件中加入抗干扰部分。 9 一一箜三重墼塑墨堡皇丝堡墨竺一一一 第三章数据采集与处理系统 众所周知，任何一种自动测量与控制系统都离不开数据采集与处理。以 往，用t p 8 0 1 一类单板机作为工业控制机时常常需要在其外围配接摸数转 换器和数摸转换器。这样不仅电路连接复杂，应用程序较长，而且价格昂贵、 故障率高。 8 0 9 8 单片机由于其内部集成有模数转换器，还可输出具有模拟信号性 质的p w m 波形，由它来组成数据采集与处理系统，硬件配置大为简化，软 件编程也十分方便。 3 18 0 9 8 数据采集与处理系统简介 8 0 9 8 单片机内部的模数转换器由三部分组成( 如图3 1 所示) ：多路转 换器、采样保持器和1 0 位a d c 。8 0 9 8 芯片的引脚a c h 7 p o7 a c h o p o4 可 以同时引入四个不同的模拟量，而单片机内部只有一个采样保持器和一个1 0 内 数据总线 图3 18 0 9 8 模数转换器 f i g 3 1 t h ec o n v e r s i o ni m p l e m e n to f s i m u l a t i o n f i g u r e 1 0 箜三童壑塑墨塞皇丝里垒堑一 位a d c ，它们在某一时刻只能接收一种模拟信号，为此，需要多路转换器把 关，因为多路转换器具有“多中选一”的功能。多路转换器受a d 命令寄 存器a dc o m m a n d ( 8 位，地址= 0 2 h ) 控制“弘“。 保持器的作用是强制外来采样信号在一个采样周期内按照某种规律变 化，或者说，它可以解决两个相邻采样点之间的插值问题。8 0 9 8 单片机内部 的保持器为零阶保持器，当某一路模拟量进入该采样保持器后，其变化规律 如图3 2 所示。图中的曲线是原始模拟信号，折线为经过保持器加工后的模 拟信号，t 代表采样周期。 图3 2 模拟量的采样与保持 零阶保持器的传递函数为 h 。( s ) ：生兰( 3 一1 ) s 1 0 位a d c 的输入量来源于零阶保持器，输出量为1 0 位数字信号，1 0 位a d c 具有以下特点： 1 采用逐次逼近法进行转换，其工作原理与广为应用的a d c 0 8 0 9 芯片 基本相同，但转换精度和分辨率明显高于a d c 0 8 0 9 。 笙三兰堑塑墨叁皇竺里墨堕 一 ，_ 一。 2 1 0 位a d c 的启动信号耿自8 0 9 8 芯片内部。启动后，外来的采样模拟 信号( 经过保持之后) 与l o 位a d c 内部d a 电路产生的模拟信号逐位进行 比较，分辨一位要比较两次，费时1 6 t ( t 为8 0 9 8 单片机的状态周期) ，分 辨1 0 位共需1 6 0 t 。考虑到存放转换结果的时间为8 t ，所以，1 0 位a d c 的 总转换时间t ：为1 6 8 t 。当晶振频率f o 。= 1 2 m h z 时，t z = 4 2 us 。显然，c p u 若要读取转换结果，必须在1 0 位a d c 被启动后的1 6 8 t 时间之外。 3 为了提高转换精度，1 0 位a d c 的v c c 应与v r e f 分离。v r e f 标称值 为直流+ 5 v ，由单独的稳压电源供电。设采样模拟信号值= v 模拟地与数 字地共为一点且其电平值= v a n g n d ，那么，1 0 位a d c 的转换结果( 数字量 以十进制表示) 可用下述公式计算 2 3 】【2 4 1 ： d ：1 0 2 3 鱼二幺业( 3 - 2 ) c r f 口一y t w m 3 2 参量的采集与处理 为了降低出水c o d 浓度，保证出水c o d 含量达到国家标准，需要对溶 解氧、p h 值、温度和液位等参数进行检测和控制。本数据采集和处理系统 的任务在于及时采集有关溶解氧、p h 值、温度和液位的信息，并根据工艺 要求做出必要的处理。 3 2 1 系统的功能要点 ( 1 ) 本系统用于污水处理中的溶解氧、p h 值、温度和液位等被测量的 数据采集与处理。 ( 2 ) 所有被测参数经过传感器和各自的变送器转换后，均成为在0 + 5 v 范围内变化的直流信号。 ( 3 ) 8 0 9 8 单片机巡回检测各参量，经a d 转换器变换后存入数据存储 器r a m 内，供数据处理程序调用。 ( 4 ) 从8 0 9 8 单片机p w m p 25 引脚输出的模拟信号，送往控制参数的 执行机构，以此来调节设备的运行状态。 3 2 2 温度的测量与控制 温度传感器采用了高性能、高灵敏度的电流型二端器件a d 5 9 0 ，其特点 及性能如下： ( 1 ) a d 5 9 0 是已作过校正的二端温度传感器，直流电源工作范围比较 宽( 4 3 0 v ) ，不需要线性补偿和零点补偿等外围器件。 ( 2 ) 芯片上的薄膜电阻已经经过了激光修正，且最终产品又通过了各 方面试验，故器件互换性好，具有良好的绝对值精度，在5 5 至+ 1 5 0 范 围内误差不大于1 。 ( 3 ) 线性度好，在5 以内。 笙三兰壑塑墨堡兰竺望墨堕 一 ( 4 ) 输出阻抗高达1 0 m q 以上，能很好地消除电源的变动和交流波纹 对系统的影响。电压从5 v 增加到1 5 v ，电流变化小于1ua ，而温差只在l 以下变化。 ( 5 ) 此电路正向电源电压可高达4 4 v ，反向耐压能达2 0 v ，因此即使 电源接反，也不容易损坏。a d 5 9 0 也是利用晶体管b e 间的电压v b e 和绝对温 度成正比的基本原理进行设计的。对于运放可以使用低漂移性的o p 0 7 等， 其电阻一律选0 2 级精密电阻，电位器为多圈电位器。 在监测系统中，利用a d 5 9 0 构成电流比较偏置方式的测温电路t 如图 3 3 所示。 图3 3 a d 5 9 0 测温电路 f i g 3 3t h ec i r c u i t so fa d s 9 0t e m p e r a t u r e l l l e a s u r e 传感器浸入深度最少应为2 0 0 m m 。当传感器和控制仪表距离较近时，采 用三线电路。温度控制器输出标准信号至电动调节阀以控制加热蒸汽量的大 小。温度控制的精度在生化污水处理工艺中起着至关重要的作用。 3 2 3p i t 值的测量与控制 水的p h 值随着所溶解的酸、碱物质的多少而定，它能灵敏地指示水质 变化情况。当用化学方法处理原水时，必需连续测量p h 值，这在自动化作 第三章数据采集与处理系统 业中尤为重要。p h 值通常用电位法测得，测量电极上有特殊的对p h 值反应 灵敏的玻璃触头和氢离子接触时，就产生电位。电位是通过悬吊在氯化银溶 液中的银丝对照的参比电极测到的。因此，p h 值测量回路，包括测量电极 和参比电极，在污水处理工业中一般采用单一探头架中的复合电极。p h 值 传感器的输出一般很弱( 几十m v ) ，本系统将信号放大以后，经压频变换 ( v f ) ，将信号转换成为频率信号，以脉冲的形式传送给控制器。由于是脉 冲信号，很容易采用电流环光电隔离的方式将前沿信号与控制器彻底隔离开 来，既解决了长距离传输问题，又提高了系统的抗干扰能力，经现场应用效 果良好。控制器采用p i d 算法调节输出控制量，输出量均采用标准电流4 2 0 m a 输出至变频调速器，控制计量泵转速，进而控制加碱量【1 6 2 0 。 3 2 4 溶解氧的测量与控制 与温度一样，对于使用活化污泥的生物处理厂来说，曝气池的氧含量也 非常重要。氧含量有助于确定最好的污水净化方法和最经济的曝气池配置。 为此配置了连续测量装置，以便收集池中的氧含量的特征数据，传统c l a r k 型氧含量测量传感器用隔膜覆盖作为工作电极的阴极( 常用金和铂制成) 和 阳极( 用银制成) ，阳极同时起反电极和参比电极的作用。电极浸没于电解 质，如k c l 、k b r 及k o h 中。隔膜将电极和电解质与被测量的液体分开， 从而保护了传感器，既能防止电解质逸出，又可防止外来物质浸入而导致的 污染和毒化。增加污水中的溶氧量主要靠风机鼓风，当溶氧量低于规定值时， 风机自动启动【3 0 1 1 3 2 】【33 1 。 3 2 5 液位的测量 液位测量采用扩散硅传感器( 敏感件) 。测量时，被测液体内部的静压 传递给质地柔软的隔离管，通过隔离管内的中性液体传递给传感器。在该静 压的作用下传感器产生电压信号，经温度补偿、电压放大、v i 转换电路转 换成标准信号从液体内输送到液体外与显示仪或计算机连接。液位变送器的 输出信号为4 2 0 m a 标准信号。在液面面积较大的池中采用超声波液位计。 3 3 专家p i d 控制器a d 和d a 系统设计 污水厂过程控制最常用的控制方法是p i d 控制( 即比例积分微分控制) 。 其数学表达式为： a p _ k p ( e + 毒p 虮r a e ) ( 3 - 3 ) 其中：ap 调节器的输出变化量 k r 一调节器的放大倍数 e 一一调节器的输入，既偏差 1 4 第三童垫塑墨薹兰竺里墨竺 一 l 一一积分时问 t 。一一微分时间 用和式代替积分，差分代替微分，可得到式( 3 3 ) 的离散表达式 p c k ，= k ，f e c k ，+ 毒陋c 。，+ e c 一，+ 坝别+ 争嗽m c 川， ( 3 - - 4 ) 式中，e ( k ) 一一第k 次采样时的偏差值； e ( k - 1 ) 一一第k 一1 次采样时的偏差值 p ( k ) 一一第k 次采样时调节器的输出 k 一一采样序号，k = 0 ，1 ，2 用递推原理将式( 3 - 4 ) 变成 p ( k ，) - p ( k 一1 ) = k p e ( k ) 一e # 一1 ) j + k ，e ( k ) + ( 3 5 ) k d 陋( k ) 一2 e ( k 一1 ) + e ( k 一2 ) j 污水厂过程控制具有惯性大、纯滞后时间长等特点。理论证明，对于具 有k e l ( 1 + t 1 ) ( 1 + t 2 s ) 特性的控制对象，p i d 是一种最优控制。但是，运用 p i d 控制模块控制时，有下列两个问题需要考虑，否则就可能达不到系统的 要求或起到相反的效果1 4 o - 。 ( 1 ) 正、反作用问题 在模拟调节器中，一般都是通过偏差进行调节的。偏差的极性与调节器 输出的极性有一定的关系，且不同的系统有着不同的要求。有时需要将阀门 开大，有时需要将阀门开小。在凋节过程中，前面为正作用，而后面为反作 用。在计算机所组成的数字p i d 调节器中，只要在需要反作用时，在完成p i d 运算之后，先将其结果求补，而后再送到d a 转换器进行转换，并进而输出。 在本系统中采用的是直接将结果送至d a 转换，若要求补则通过人机接口对 e e p r o m 中的d a 转换程序地址加以改变。 ( 2 ) 饱和作用的控制 在自动调节系统中，由于负载的突变，如开工，停工或给定值的突变等， 都会引起偏差的阶跃，即e ( k ) 增大。因而，p i d 输出p ( k ) 将急剧增加 或减小，以至超过阀门全开( 或全关) 时的输入量p m a x ( 或p m i n ) 。而此 时实际控制量只能限制在p m a x 或p m i n 而不是计算值。此时系统输出虽然 不断上升，但由于控制量受到限制，其增长速度减慢，偏差e ( k ) 将比正常 箜三童丝塑墨堡兰竺堡墨丝一 情况下持续更长时间保持在正值，故而积分项有较长的累计值。当输出超过 给定值r ( t )