（电路与系统专业论文）基于rs485总线的污水处理自动监控系统的研究.pdf

原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研 究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人 或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者：高传齐l日期：砷j d 年岁月刁日 学位论文使用授权声明 本人在导师指导下完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属郑州大学。 根据郑州大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留或向国家有关部 门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅；本人授权郑州 大学可以将本学位论文的全部或部分编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或者其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。本人离校后发表、使用学 位论文或与该学位论文直接相关的学术论文或成果时，第一署名单位仍然为郑 州大学。保密论文在解密后应遵守此规定。 学位论文作者：历 一 传礼 日期：加徊年多月叩日 摘要 摘要 近年来，我国污水处理厂的数量急剧增多，污水处理运行费用越来越繁重， 而且经济效益差，因此迫切要求加强城市污水处理的过程控制，将先进的自动 控制技术应用到污水处理过程中，提高污水处理的自动化水平。 本课题以某污水处理厂的监控系统为背景，通过对污水处理过程工艺的研 究与分析，并结合现代城市污水处理厂常用的自动控制技术，开发了由计算机、 智能模块和变频器组成的基于r s 4 8 5 总线的污水处理过程的自动监控系统。本文 首先介绍了选题背景和污水处理自动监控系统的发展；接着对城市污水处理方 法、水质指标以及该县城的污水处理工艺流程进行详细介绍：最后对现代污水 处理控制技术分析选择，确定数据通信的传输介质和总线通信标准，并根据污 水处理的自动监控系统要求，设计了一套适合某县城污水处理的自动化监控系 统方案。本文还详细阐述了p c a u t 0 6 1 组态软件的程序设计思路，以及与现场硬 件通信的实现方法。 由于污水处理过程存在的非线性、大滞后及时变的特点，文章最后探讨了 模糊控制在污水处理过程参数的应用，并以奥贝尔氧化沟的中沟溶解氧( d o ) 浓度参数为例，对转碟曝气机的转速设计了一个双输入单输出的模糊控制器， 利用m a t l a b 中的s i m u l i n k 工具，对模糊控制器进行了仿真实验。 目前，该系统的硬件和软件已经基本安装调试完成，试运行效果良好，出 水水质符合国家二级标准。该监控系统提高了污水处理的运行效率，降低运行 成本，减轻劳动强度，提升了污水处理厂的管理水平。 关键词：污水处理工艺；现场总线；m o d b u s ；r s 4 8 5 ；变频器；智能模块；组 态软件；模糊控制 a b s t r a c t a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，t h eq u a n t i t yo fw a s t e w a t e rp r o c e s sp l a n ti n c r e a s e ss h a r p l yi no u r c o u n t r y , a tt h es a m et i m e ，t h ew a s t e w a t e rp r o c e s sc o s tb e c o m e sm o r ea n dm o r e , b u t t h ee c o n o m i cb e n e f i ti sl e s s ，s oi tn e e d st os t r e n g t h e nt h ep r o c e s sc o n t r o lo fc i t y w a s t e w a t e rp r o c e s su r g e n t l y , a p p l yt h ea d v a n c e da u t o m a t i cc o n f f o lt e c h n i q u ei n t ot h e w a s t e w a t e rp r o c e s s ，i no r d e rt oi m p r o v et h ea u t o m a t i cl e v e lo f w a s t e w a t e r p r o c e s s t h i sp a p e rt a k e st h em o n i t o r i n gs y s t e mo faw a s t e w a t e rp r o c e s s p l a n ti nac o u n t y a st h eb a c k g r o u n d ，t h r o u g ht h es t u d ya n da n a l y s i so fw a s t e w a t e rp r o c e s sc o u r s e ，a s w e l la st h ec o m m o na u t o m a t i cc o n t r o lt e c h n o l o g yo fm o d e m c i t yw a s t e w a t e rp r o c e s s p l a n t ，i td e v e l o p st h ea u t o m a t i cm o n i t o r i n gs y s t e mo fw a s t e w a t e rp r o c e s sb a s e do n r s 4 8 5b u s ，w h i c hc o m p o s e do f c o m p u t e r , i n t e l l i g e n tm o d u l ea n dt r a n s d u c e r f i r s t l y , t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h et o p i cb a c k g r o u n da n dt h ed e v e l o p m e n to fa u t o m a t i c m o n i t o r i n gs y s t e mi nw a s t e w a t e rp r o c e s s ；t h e n ，i ti n t r o d u c e st h ec i t yw a s t e w a t e r p r o c e s sm e t h o d ，w a t e rq u a l i t yi n d e xa n dt h ef l o wo fw a s t e w a t e rp r o c e s si nt h i sc o u n t y a b o v e m e n t i o n e di nd e t a i l ；f i n a l l yi ta n a l y z e sa n dc h o o s e st h ec o n t r o lt e c h n o l o g yo f m o d e mw a s t e w a t e r p r o c e s s ，d e t e r m i n e s t h et r a n s m i s s i o nm e d i u mo fd a t a c o m m u n i c a t i o na n d b u sc o m m u n i c a t i o ns t a n d a r d ，a tt h es a m et i m e ，a c c o r d i n gt ot h e a u t o m a t i cm o n i t o r i n gs y s t e mr e q u i r e m e n to fw a s t e w a t e rp r o c e s s ，i td e s i g n sas e to f a u t o m a t i cm o n i t o r i n gs y s t e mp l a n ，w h i c ha d a p t st ot h ew a s t e w a t e rp r o c e s so ft h e c o u n t ya b o v e m e n t i o n e d t h i sp a p e ra l s oe x p l a i n st h ep r o g r a md e s i g nr e a s o no f p c a u t 0 6 1 c o n f i g u r a t i o ns o f t w a r e ，a s w e l la s t h em e t h o d a c h i e v i n g t h e c o m m u n i c a t i o nw i t ht h el o c a l eh a r d w a r e d u et ot h e f e a t u r e so fw a s t e w a t e rp r o c e s sl i k en o nl i n e a r i t y , l a ga n dc h a n g e a l o n gw i t ht i m e ，t h i sp a p e rd i s c u s s e st h ea p p l i c a t i o no ff u z z yc o n t r o li nt h ep a r a m e t e r o fw a s t e w a t e rp r o c e s s ，a n dt a k e st h ed o p a r a m e t e ro fm i d d l ed i t c hi no r b a lo x i d a t i o n d i t c ha st h ee x a m p l e ，d e s i g n saf u z z yc o n t r o l l e rw i t hd o u b l ei n p u t sa n ds i n 酉eo u t p u t a i m i n ga tt h er e g u l a t i n gs p e e do fr o t a t i n gd i s ka e r a t o r , w h i c hc a r r i e so u te m u l a t e e x p e r i m e n tf o rf u z z yc o n t r o ls y s t e mu s i n g t h es i m u l i n kt o o li nm a t l a b a tp r e s e n t ，t h ei n s t a l l a t i o na n dc o m m i s s i o n i n go fh a r d w a r ea n ds o f t w a r eo ft h i s i i a b s t r a c t s y s t e mh a sb e e nf i n i s h e d ，t h et e s tr u n i sg o o d ，a n dt h ew a t e r q u a l i t yi si na c c o r d a n c e 谢t ht h en a t i o n a ls e c o n d c l a s ss t a n d a r d i na d d i t i o n ，t h i sm o n i t o r i n gs y s t e mi m p r o v e s t h ee f f i c i e n c y ,r e d u c e st h ec o s ta n dl a b o ri n t e n s i t y ，a n di ta l s oi m p r o v e st h e m a n a g e m e n tl e v e lo fw a s t e w a t e rp r o c e s sp l a n t k e y w o r d s ：w a s t e w a t e rp r o c e s st e c h n o l o g y ；f i e l d b u s ；m o d b u s ；r s 4 8 5 ；t r a n s d u c e r , i n t e l l i g e n tm o d u l e ；c o n f i g u r a t i o ns o f t w a r e ；f u z z yc o n t r o l i 目录 目录 第一章绪论1 1 1 课题的背景1 1 2 污水处理自动监控系统发展1 1 3 本文的研究意义及主要工作2 第二章城市污水处理工艺4 2 1 城市污水处理技术4 2 1 1 城市污水处理方法4 2 1 2 城市污水处理工艺介绍4 2 2 水质指标5 2 3 某县城污水处理工艺流程7 2 4 小结9 第三章污水处理厂自动监控系统的设计1 0 3 1 监控系统的要求1 0 3 2 总体功能设计1 1 3 3 监控系统的网络结构1 3 3 3 1 现场总线控制技术1 3 3 3 2 现场总线标准的选择1 5 3 3 3r s 4 8 5 总线介绍1 6 3 3 4 系统的网络结构设计1 7 3 4 主要硬件设备选择1 8 3 4 1 变频器的选择1 8 3 4 2 智能模块的选择1 9 3 4 3 智能仪表的选择2 1 3 5 小结2 3 第四章监控系统软件功能的实现2 4 4 1 组态软件的选择2 4 目录 4 2 力控监控组态软件的功能和特点2 5 4 3 软件与智能模块和变频器的通信2 6 4 3 1 与s t c l 0 1 、s t c l 0 2 的通信2 6 4 3 2 与a d a m 4 1 1 7 的通信2 9 4 3 3 与变频器的通信3 0 4 4 人机界面设计3 1 4 5 小结3 7 第五章过程参数的模糊控制研究3 8 5 1 模糊控制理论分析3 8 5 1 1 模糊控制系统基本原理3 8 5 1 2 模糊控制器的基本结构3 9 5 2 溶解氧控制过程的分析4 0 5 3 溶解氧浓度模糊控制器的设计4 1 5 3 1 确定模糊控制的输入变量和输出变量4 1 5 3 2 确定量的模糊化4 2 5 3 3 模糊控制器的控制规则及控制算法4 4 5 3 4 输出信息的模糊判决4 6 5 4 模糊控制器的仿真4 6 5 5 小结5 0 第六章结论与展望5 l 参考文献5 2 致谢5 5 个人简历和攻读硕士期间发表的论文5 6 v 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题的背景 随着城市人口急剧增加、经济的快速发展、人们生活水平的逐步提高，城 市用水量急剧增长，相应地污水排放量也随着增加，导致了我国水资源的缺乏 和水体富营养化问题。为了控制水环境污染继续恶化，中央与地方政府都加大 力度投资污水处理事业，现在正以前所未有的速度推进城市污水处理工程的建 设。据初步估算，在2 0 0 4 年，我国已建成的城市污水处理厂达6 0 0 余座，总污水 处理规模达n 3 0 0 0 万m 3 d 。并预计至u 2 0 1 0 年，国内要再建城市污水处理厂1 0 0 0 余座，总投资达1 8 0 0 亿元。虽然大部分城市的污水处理厂已经建立起来，但是 由于运行费用过于庞大，使得某些污水处理厂很难全部投入运行。如果通过有 效的控制手段将城市污水处理厂的运行费用节省1 ，就能省去国家不小的一笔 开支，因此加强污水处理系统的过程控制是非常必要的。 为了响应国家的号召，河南省政府于2 0 0 1 年1 2 月7 日发布了关于进一步加 快城市污水处理设施建设和加强运营管理的通知。该文件明确规定到2 0 1 0 年， 所有城市的污水处理率不低于6 0 ，省会城市及重点风景旅游城市，包括我省省 辖黄河、海河、淮河流域内重点城市的污水处理率均不低于7 0 。该县城的污水 处理建设项目，就属于省第二批重点建设项目之一，本课题也是来源于此。 1 2 污水处理自动监控系统发展 随着计算机和自动化智能仪表的技术的不断向前发展，而且它们的价格也 急剧降低，计算机监控技术在污水处理自动监控领域中的应用是越来越广泛。 随着污水处理厂逐年增多，污水处理自动监控也进入了一个飞速发展的阶段。 目前，比较先进的城市污水处理厂均采用计算机自动监控技术。 纵观污水处理的自动控制发展史，根据技术发展的特点，大致可以分成四 个阶段【m j ： 1 ) 模拟仪表控制系统，流行于2 0 世纪6 0 7 0 年代，设备之间信号传输采用 的直流模拟信号，其显著缺点是模拟信号精度低，易受干扰，而且它们的监控 能力相当薄弱，很难满足生产过程自动监控的要求 1 第一章绪论 2 ) 集中式数字控制系统，在2 0 世纪7 0 8 0 年代处于主导地位，采用单片机、 p l c 或微机为控制器，内部传输的是数字信号，克服了模拟信号的精度低，提高 了系统的抗干扰能力。但是对控制器本身的处理能力和通信能力要求太高，功 能过于集中，导致系统的可靠性大大降低。 3 ) 集散控制系统( d c s ) ，在2 0 世纪8 0 - 9 0 年代处于主导地位，出现了集计 算机技术、控制技术、通信技术和显示技术于一体的集散控制系统，该系统是 针对生产规模大、被控对象参数多、控制回路复杂的特点而产生的。由于d c s 厂家为了达到垄断的目的，导致了集散控制系统封闭专用的、不可互操作的特 点，而且d c s 造价昂贵。 4 ) 现场总线控制系统( f c s ) ，在2 0 世纪7 0 年代就已诞生，随着计算机技 术和智能化设备的发展，逐渐应用到生产过程监控系统中来，并成为了今后工 业控制网络的发展方向。现场总线是连接智能现场设备和自动化系统的全数字、 双向、多站的通信系统，主要解决工业现场的智能化仪器仪表、控制器、执行 机构等现场设备间的数字通信以及这些现场控制设备和高级控制系统之间的信 息传递问题。 我国污水处理自动化控制起步较晚，进入9 0 年代后，随着一大批污水处理 厂的相继投入运行，我国污水处理监控系统的自动化水平才有了很大提高，自 动化监控系统在污水处理过程发挥的作用才逐渐被认知，并受到普遍重视。我 国许多污水处理厂普遍采用基于p l c 的d c s 集散控制系统，并取得了良好效果， 目前，现场总线控制系统也逐渐得到广泛应用。 1 3 本文的研究意义及主要工作 城市污水处理监控系统具有巨大的社会效益和经济效益，但是其运行成本 太高，所以应用计算机监控技术，实现污水处理的半自动、全自动监控，可以 降低运行成本，提高污水处理质量，具有非常现实的意义。采用计算机监控技 术，可以跟踪经常变化的水处理情况，检测不同时间的水质指标数据，对这些 数据分析趋势走向，随时调整各设备及工艺过程参数，使其达到优化状态，经 济运行，节约能耗。采用计算机代替人的操作，可以减少事故，保证生产安全， 降低劳动强度，甚至可以完成人难以完成的任务。因此，污水处理自动监控技 术是一个潜在的市场，充分开发这个市场具有重要的经济意义和社会意义。 2 第一章绪论 本文依据某县城污水处理厂的实际情况、污水处理的工艺特点和具体要求， 设计了基于r s 4 8 5 总线的污水处理自动监控系统，组建了一个基于m o d b u s 协议 的自动监控网络，整个系统具有极强的可靠性、开放性和较高的自动化水平。 论文主要包括5 个部分： 第一部分是绪论，介绍了本课题的选题背景以及污水处理监控系统的发展， 并指出自动监控系统在污水处理中重要意义。 第二部分简述了城市污水处理的方法及其污水水质参数，并结合城市污水 处理工艺的介绍，对某县城的污水处理工艺流程进行介绍。 第三部分首先依据污水处理自动监控系统的要求和污水处理流程，介绍了 污水处理自动监控系统的实现，接着对现场总线控制技术、现场总线标准和 r s 4 8 5 总线做了详细介绍，组建了监控系统网络，最后，针对该网络结构选择合 理的硬件。 第四部分主要介绍上位机软件功能的实现，分别详细介绍了组态软件的选 择、人机界面设计及与现场设备的通信； 第五部分是结合污水处理非线性、大滞后以及时变的特点，引入模糊控制 技术，并以氧化沟中沟的溶解氧浓度参数为例，介绍如何设计模糊控制器，并 用m a t l a b 进行仿真。 3 第二章城市污水处理工艺 第二章城市污水处理工艺 2 1 城市污水处理技术 2 1 1 城市污水处理方法 污水中的污染物质多种多样，往往不是一种处理单元就能将所有的污染物 质去除掉的，具体采用什么样的方法或者是方法的组合，需要根据污水的水质、 水量和排放标准等特点来分析。针对不同污染物质的特征，产生了各种不同的 污水处理方法，按其作用原理可以划分四大类【3 】：物理处理，化学处理，物理化 学处理和生物处理。 1 ) 物理处理法，它是通过物理作用分离、回收污水中不溶解、悬浮状态的 污染物( 包括油膜和油珠) 的污水处理法，根据物理作用的不同，又可分为重 力分离法、离心分离法和筛滤截留法等。 2 ) 化学处理法，它是通过化学反应和传质作用来分离，主要针对废水中呈 溶解、胶体状态的污染物。在化学处理方法中，混凝、中和、氧化还原等措施 是以添加药剂产生化学反应为基础；萃取、汽提、吹脱、吸附、离子交换等措 施是以传质作用为基础的。化学处理法适用于处理工业废水。 3 ) 物理化学法，利用物理化学作用去除污水中的污染物质。主要有吸附法、 离子交换法、膜分离法、萃取法、气提法和吹脱法等。 4 ) 生物处理法，它是用微生物所产生的酶来氧化分解污水中的有机物，从 而使水得到净化，起主要作用的是细菌。污水中可溶性的有机物直接被菌体吸 收；固体和胶体等不溶性有机物先附着在菌体外，由菌细胞分泌的胞外酶将它 们分解成可溶性物质后再被吸收，在微生物体内经历氧化、还原、分解、合成， 其中一部分有机物转化成微生物自身组成物质，另一部分有机物被氧化分解为 c 0 2 、h 2 0 等简单的无机物，从而使污染物质得到降解。主要方法有：氧化塘法、 活性污泥法、生物滤池法和厌氧处理法。污水的生物学处理是目前世晃各国在 污水处理中应用最广的一种方法。 2 1 2 城市污水处理工艺介绍 污水根据处理程度的不同，可以划分成三级处型4 】：一级处理工艺是通过机 4 第二章城市污水处理工艺 械处理，如格栅、沉淀或上浮等，分离污水中所含的石块、砂石和浮油等；二 级处理工艺是通过生物处理，将污染物在微生物的作用下降解和转化成污泥； 三级处理工艺是污水的深度处理，它包括营养物的去除和通过加氯、紫外辐射 或臭氧技术对污水进行消毒。下面对各个工艺进行简单介绍 一级处理主要去除污水中呈悬浮状态的固体污染物质，调节污水的p h 值， 减轻污水的腐化程度和后续处理的负荷，一级处理属于二级处理的预处理，它 是普遍采用的污水处理方式，而且是所有污水处理工艺流程必备过程。经过一 级处理的污水，城市污水的生化需氧量( b o d ) 和悬浮物( s s ) 的典型去除率 分别可以达到2 5 和5 0 。 二级处理主要去除污水大量的有机污染物质( b o d ，c o d 等物质) ，去除率 可达9 0 以上，使污水达到排放标准。相当长时间以来，二级工艺一直以生物化 学处理为主，其原理是通过微生物的作用，完成有机物的分解和生物体的合成， 把有机污染物转化为无害的气体物质( c 0 2 ) 、液体物质( 水) 以及富含有机物 的固体物质( 微生物群体或称生物污泥) ；多余的生物污泥在沉淀池中经沉淀 实现固液分离，从净化后的污水中除去。二级处理工艺构成多种多样，可分成 活性污泥法、a b 法、a o 法、s b r 法、氧化沟法等多种处理方法。目前大多数 城市污水处理厂都采用活性污泥法。 三级处理是对水的深度处理，目前在城市生活污水处理方面采用的并不多。 它是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 机物或磷、氮等可溶性无机物。处理后的水可以送入中水道，作为洗衣、清扫、 浇灌绿化带、防火等用水。主要方法有生物脱氮除磷法，混凝沉淀法，砂率法， 活性炭吸附法，离子交换法和电渗分析法等。 2 2 水质指标 水质指标是指具体衡量水中杂质程度的尺度，它是对水体进行监测、评价、 利用以及污染治理的主要依据，污水水质指标【5 】主要有： 1 ) 化学需氧量( c o d ) 它指的是水中某类还原性物质含量的一个指标，化学需氧量越少，说明水 体受有机物的污染越小。目前，最常用的测量方法是酸性高锰酸钾氧化法和重 铬酸钾氧化法。 5 第二章城市污水处理工艺 2 ) 生化需氧量( b o d ) 它是指水中有机物质在有氧的条件下被完全氧化分解时所消耗氧的量，单 位用m g l 来表示。测量方法是水样在一定的温度下，且是密闭的容器内，保存5 天后，用溶解氧的减少量来表示。b o d 和c o d 有着一定的关系，在污水中的有 机物组成和数量相对稳定的情况下，二者的比值大致在0 4 - 4 ) 8 之间。 3 ) 总需氧量( t o d ) 有机物中含c 、h 、n 、s 等元素，当有机物全被氧化时，这些元素被氧化为 c 0 2 、h e o 、n o z 和s 0 2 ，此时的需氧量称为总需氧量。和c o d 比起来，该指标更 接近理论需氧量。 4 ) 悬浮物( s s ) 它指的是不能通过过滤器的固体物质，主要包括悬浮固体和溶解固体两类。 悬浮固体指的是悬浮于水中的固体物质，用s s 表示。悬浮物过多，会影响水中 光透性，破坏水中生物生长的环境，而且会造成河道堵塞。 5 ) 总有机碳( t o c ) 它是水中所有有机污染物的总含碳量，是评价水中有机污染质的一个综合 参数，测量方法采用燃烧法来测定水样中总有机碳元素的含量，单位用m g l 表 示。 6 ) 有机氮 它指的是水中蛋白质、尿素、等氨基酸含氮的有机化合物总量。有机氮经 过氧化逐步分解为n h ，、朋：、u o ；、n o ；等形态，每种形态的含量都可以作 为有机氮的指标。总氮( t n ) 则是氮类物质全部含量的水质指标。 7 ) p h 值 它是水酸碱性的重要指标，在数值上等于氢离子浓度的负对数。常用的测 量方法有：指示剂法；氢电极法；玻璃电极法等。污水中p h 值的过高或过低， 都会影响生化处理，一般要求处理过的污水p h 值为6 9 。 8 ) 细菌总数 它是大肠菌群数、病原菌、病毒及其他细菌的总和，以每毫升水样中的细 菌菌落总数表示。 9 ) 溶解氧( d o ) 它指的是水中的游离态氧( 用d o 表示) 的含量，单位用m g l 表示，其化学 测量标准方法是文克勒法或者是碘量法。水中溶解氧的浓度是表示水中污染程 6 第二章城市污水处理工艺 度的重要指标之一，污水污染越严重，污水中的溶解氧越少。 1 0 ) 温度 水温是常用的物理指标之一，水温对污水的物理处理、化学处理和生物处 理都有很大影响，在污水过程中，必须考虑其参数的影响。 目前城镇污水处理厂污水排放的水质指标是按照城镇污水处理厂污染物 排放标准执行的，它是由国家环境保护总局和国家技术监督检验总局在2 0 0 2 年1 2 月2 4 日正式批准发布，2 0 0 3 年7 月1 日实施，标准的编号为g b l 8 9 1 8 - 2 0 0 2 。 该标准部分主要水质指标如表2 1 所示。 表2 一l 城镇污水处理厂污染物排放标准 g b18 9 18 - 2 0 0 2 】 2 3 某县城污水处理工艺流程 本课题研究的是某县城污水处理系统，该系统采用奥贝尔氧化沟睁8 】处理工 艺，建设规模为日处理污水3 万吨，出水水质为国家二级处理标准。其工艺流程 9 j 女n 图2 1 所示。该污水处理系统采用二级污水处理方法，主要分为三个部分： 机械处理部分、生化处理部分和污泥处理部分。其中机械处理部分属于一级处 理，主要有粗细格栅、污水提升泵和旋流沉砂池；生化处理部分属于二级处理， 主要是奥贝尔氧化沟和二次沉淀池，污泥处理部分有污泥回流泵池、浓缩池、 匀质池、污泥脱水机房。下面简单介绍各部分在工艺流程中的作用。 7 第二章城市污水处理工艺 图2 1 污水处理工艺流程图 ( 1 ) 粗细格栅及提升泵 格栅是由一组平行的钢制栅条组成，设在提升泵前面的格栅为粗格栅，设 在提升泵后面的格栅称为细格栅。粗格栅的目的是截流污水中较大的飘浮物和 悬浮物，减轻后续处理构筑物的处理负荷。细格栅进一步去除污水中的细小悬 浮物及细小纤维，降低生物处理负荷。提升泵将污水提升到最高点，以满足后 需的处理工艺时所需水力要求。 ( 2 ) 旋流沉砂池 主要是利用重力沉淀的方法除去污水中所挟带的泥砂，以免造成后续工序 设备运行故障，一般沉砂池作为二级污水处理前的预处理。 ( 3 ) 奥贝尔氧化沟 由三个圆形沟道( 外沟、中沟和内沟) 组成，沟中安有水平旋转装置的曝气 转盘，用来充氧和混合。污水从外沟进入，通过水下输入口连续地从一条沟进 入下一条沟，每一条沟都是一个闭路连续循环的完全混合反应器，每沟中的水 流在排出之前，污水及污泥在沟内绕了几十甚至上百圈后再流入下一沟，最后， 污水由第三沟流入二沉池，进行固液分离，回流污泥由二沉池打回第一沟。污 水在氧化沟中经过曝气机调节曝气，使得污水得到缺氧、好氧、硝化、反硝化 等反应，完成b o d ( 生物耗氧量) 、c o d ( 化学耗氧量) 的及污水脱氮的功能。 ( 4 ) 浓缩池、匀质池和污泥脱水机房 它们的主要作用是对污泥进行处理，将污泥脱水( 减少污泥量) 直至形成干 饼运走。具体是通过剩余污泥泵把污泥抽到浓缩池内，首先对污泥压缩容量， 8 第二章城市污水处理工艺 然后污泥从浓缩池进到匀质池，让有机物分解，最后泥浆通过螺杆泵打进污泥 脱水机房进行脱水处理，随后加药固化，经压滤机变成固态污泥运走。 2 4 小结 本章主要介绍了城市污水常用的处理方法和在实际中所采用的污水处理工 艺，以及在污水处理过程中一些重要的水质指标，并以某县城的污水处理工艺 为例，详细介绍了污水处理的整个流程，为后续章节研究污水处理自动监控系 统打下铺垫。 9 第三章污水处理厂自动监控系统的设计 第三章污水处理厂自动监控系统的设计 自动监控系统【l o 】的设计需要满足污水处理厂运行管理和安全处理的要求， 即生产过程能实现自动报警、自动保护、自动操作和自动调节。以计算机控制 技术为基础的监控系统能帮助提高污水处理的运行效率，降低运行成本，减轻 劳动强度，对污水处理厂内各工艺流程中的重要参数、设备工况等能进行在线 实时监测，对重要设备能进行在线集散控制，确保了出水水质指标达到排放标 准。本课题参照某县城污水处理自动监控的实际情况，以及国内其他城市污水 处理厂的设计方案，并充分考虑系统成本问题，设计出一套适合该厂的污水处 理自动监控系统。系统设计本着可靠性、开放性、可扩展性原则，确保能长期 稳定可靠运行，而且力求以最低的成本完成最优化控制、最优化运行和最优化 管理。 3 1 监控系统的要求 根据该厂污水处理工艺流程及自动监控系统的特点提出该系统的基本要求 【1 1 】如下： 1 采用分布式监控结构，通信能力应该稳定可靠，可以监控的全厂的污水 处理流程，监控系统要求能够不问断的连续运转，稳定可靠安全。 2 利用工艺参数的反馈，能实现反应过程的闭环控制，提高反应效率，节 约能源并且提高系统的抗冲击性，有良好的适应性 3 对主要的工艺参数( c o d 、氨氮、流量计、溶解氧等) 和各种设备( 污 水提升泵，转碟曝气机等) 的工作状态进行在线监控，并设置工艺参数的临界 状态的报警，生成及打印指定时间的数据报表和变化曲线。 4 系统应具有“自操”和“手操”两种模式，在正常情况下系统处于自动 控制模式，可以实现在中控室内对设备进行控制，并且可以设置一些工作参数。 5 中控室计算机监控界面要求友好，操作方便。设置三级工作权限( 操作 工、工程师、管理员) ，要求各级权限具有良好的安全性。主要的工艺参数的 设置和更改要方便，有利于流程的变化。 1 0 第三章污水处理厂自动监控系统的设计 3 2 总体功能设计 根据该县城污水处理的工艺特点及系统监控的要求，本课题采用了现场总 线控制系统。中控室采用工业控制计算机( 口c ) 作为管理级站，主要实现监控 和对现场设备运行状态调整的功能。下位机采用智能模块为现场控制站，主要 实现对现场设备的控制和数据采集功能，通过r s 4 8 5 通信总线，直接与上位p c 机进行通讯。智能模块通过与上位计算机的实时通讯，可以修改现场设备的各 种工作参数，同时向计算机传递测得的工作参数数据，以便计算机显示实时参 数数据，并将数据实时存入d b ，同时通过上位f o r c ec o n t r o l6 1 组态软件对控 制现场进行组态。监控系统结构如图3 1 所示。 图3 1 污水处理系统监控结构图 在本项目中，监控系统分为3 层，设备层即智能仪器仪表、机电设备层； 控制层即智能模块和变频器层；操作层即中央控制室操作层。采用了基于现场 总线的智能现场控制器，选择r s 4 8 5 总线作为整个污水处理监控系统的控制总 线，挂接在r s 4 8 5 总线上的现场控制器能方便地在现场监控各种检测仪器和电 机驱动设备。 1 ) 中央控制室( 操作层) 中央控制室实行管理级的职能，负责对污水处理过程各工艺流程的管理和控 1 1 第三章污水处理厂自动监控系统的设计 制，并实现厂级的办公自动化，是整个自动监控系统的核心。管理级的计算机 一般选用工业控制计算机( i p c ，简称工控机) ，作为一种具备特殊性能的计算机， 工控机可以在极其恶劣的外界条件下连续超长时间的稳定工作，性能好，工作 电压范围宽，接口配套齐全，与普通p c 兼容，在本课题中，选用性能优越的研 华系列工控机。 考虑到管理层的工控机在整个系统中的重要性，本课题采用两个型号完全 相同的工控机来共同完成系统的监控功能，一主一从，分担不同的功能，故障 时可互为备用，而且每台工控机都配有一套山特电子有限公司生产的u p s 电源， 保证系统在断电后数据不丢失。 管理级的i p c 通过现场总线采集工艺过程参数、电气参数及主要设备的运 行状态信息，上位管理软件对现场数据进行分析、处理、贮存，同时对各类水 质指标参数分析其趋势曲线，通过简单的鼠标操作，可进行系统功能组态、在 线修改和设置控制参数，给下位机下达指令；还可以直观显示全厂的动态流程 图，并放大显示各工艺段的流程图，带动态参数显示、趋势曲线显示，并自动 生成各类报表，同时可以显示和打印；报警系统可以检测电机和仪表的故障信 息，并同时发出声光报警，还可以将故障分类打印；l e d 工艺流程监视屏幕与 工控机的4 8 5 通讯接口相连，可实时显示全厂工艺流程图和各种工艺参数的数 据。 2 ) 现场控制层 现场的3 个控制子站是实现系统监控功能的重点，也是管理级与现场设备 级之间的枢纽层，要求该部分稳定可靠的运行，稍有差错就会影响系统的运行， 甚至会带来经济损失。控制级的主要功能是接收管理级传达的参数和命令，对 污水处理进行生产过程监控和调整，同时将状态和参数传送到操作层，以便系 统对污水处理过程进行分析。在控制级中，主要采用一些智能模块和变频器构 成，用屏蔽的双绞线将这些控制设备连在一起，组成现场总线控制系统。 3 ) 现场设备层 现场设备是实现系统功能的基础。现场级主要由一次仪表( 如液位计、d o 传感器等) 、电气控制设备等组成。其功能主要是控制设备的工作状态、对传感 器参数进行监测，并把设备状态和监测到的数据传给控制级：并接收控制级的指 令对执行机构进行控制。 1 2 第三章污水处理厂自动监控系统的设计 由图3 1 我们可以知道，电气设备主要集中在3 个控制站内，即：粗细格栅 站( 该站安装在粗细格栅间) 、污泥脱水站( 该站安装在脱水机房) 和配电房站( 该 站安装在配电室内) 。 配电房站监控区域主要是氧化沟和二沉池：被监视设备主要有氧化沟上的 1 6 个转蝶曝气机、2 个堰门启闭机、6 个污泥回流泵、4 个剩余污泥泵；二沉池 上的4 个行走电机和2 个刮吸泥机；智能仪表主要是1 6 个蝶曝气机的电流采集 器，因此需要至少5 个数字输出模块s t c l 0 2 、1 5 个数字输入模块s t c l 0 1 和2 个模拟采集模块a d a m 4 11 7 。 粗细格栅站设在污水的进口处，监控区域主要是粗细格栅间和提升泵：被 监视设备主要有2 个粗格栅机，2 个细格栅机、2 个螺旋输送机，4 个提升泵、2 个提砂泵、2 个搅拌机、1 个砂水分离器；智能仪表主要是液位计、c o d 在线测 试仪、氨氮在线测试仪、流量计和提升泵的电流采集器，因此需要至少2 个数 字输出模块s t c l 0 2 、6 个数字输入模块s t c l 0 1 和1 个模拟采集模块 a d a m 4 11 7 。 污泥脱水站监控区域的对象：被监视设备主要有2 个螺杆泵、2 个反冲洗泵、 2 个空压机、1 个自动加药箱、2 个加药泵、2 个压滤机、1 个水平输送机、1 个 倾斜输送机、浓缩池与匀质池上的2 个搅拌机，因此需要至少2 个数字输出模 块s t c l 0 2 、6 个数字输入模块s t c l 0 1 。 除此以外，在1 # 氧化沟上和污水处理的出水口处分别安置了一个采集箱， 用于采集各自附近的仪表数据，氧化沟上的模块主要采集6 个溶解氧和2 个浊 度仪的测量值；出水口的模块主要是采集c o d 、氨氮和流量计的测量值。 3 3 监控系统的网络结构 3 3 1 现场总线控制技术 现场总线控制系纠1 2 。1 3 】( f c s ) 是集当今计算机技术、网络技术和控制技术 为一体的当代最先进的计算机控制技术，它是在市场对现场仪表智能化以及全 数字控制系统的需求下产生的，是工业控制网络的向现场发展的产物。 现场总线系统的结构特点，如图3 2 所示，由于采用了智能设备，能够把原 来d c s 系统中处于控制室的控制模块去掉，将各输入输出功能模块置入现场设 备，加上现场设备具有通信能力，因而大大降低了对控制室计算机的依赖，真 1 3 第三章污水处理厂自动监控系统的设计 正实现分散控制。 变送器执行器燹选器 执行器 1 燃制系统结构示意图 2 现场总线j 控制系统结构示意图 图3 2 现场总线控制系统和传统控制系统结构的比较 现场总线系统的技术特点【1 4 】： 1 ) 系统的通信协议公开化，不同厂家设备之间可进行互联并实现信息交换。 2 ) 互可操作性和互用性；互可操作性指的是实现互连设备和系统间的信息 传送和交换；互用则意味着不同厂家的产品设备可实现相互替换。 3 ) 系统结构的高度分散性。由于现场设备本身已可以完成自动控制的功能， 是现场总线构成一种新的全分散性控制系统的体系结构，从根本上改变了现有 d c s 集中与分散相结合的集散控制系统的体系，简化了系统的结构，。分散功能模 块，便于系统维护、管理与扩展，提高了可靠性。 现场总线系统与传统测控方式相比具有以下优剧1 5 】： 1 ) 由于现场总线中智能仪表能执行多种传感、控制、报警和计算功能，因 可减少变送器的数量，不再需要单独的调节器、计算单元等，而且信号传送接 线简单，从而节省一大部分硬件投资。 2 ) 现场总线系统的接线十分简单，一对双绞线或者是一条电缆上可以挂接 多个设备，因而电缆，端子、槽盒、桥架的用量大大减少，节省了系统电缆和 安装费用。 3 ) 由于现场控制设备具有自诊断和简单故障处理能力，并通过数字通信将 相关的诊断维护信息传送到中控室，便于系统的维护。用户还可以根据需要选 择不同厂家的设备，避免了因使用一家的设备而使其他设备的使用受限制，便 1 4 第三章污水处理厂自动监控系统的设计 于系统的扩展。 4 ) 由于现场控制设备的智能化、数字化，与模拟信号相比，从根本上提高 了系统的测量和控制的精确度，减少了传输误差，提高了可靠性，此外由于设 备标准化，功能模块化，便于系统的重构。 3 3 2 现场总线标准的选择 1 9 8 4 年，美国仪表协会( i s a ) 便开始制订现场总线标准，从此，各种现场 总线标准【1 6 郴】陆续形成，其中主要的有：基金会现场总线f f ( f o u n d a t i o nf i e l d b u s ) 、局部操作网络总线l o n w o r k s ( l o c a lo p e r a t i n gn e t w o r k ) 、过程现场总线 p r o f i b u s ( p r o c e s sf i e l d b u s ) 、控制局域网络总线c a n ( c o n t r o l l e ra r e a n e t w o r k ) 、d e v i c e n e t 现场总线和m o d b u s 现场总线等。在该课题中，现场总线 协议规范选择m o d i c o n 公司设计的m o d b u s 总线协议。 m o d b u s 是一种在工业领域被广为应用的真正开放、标