（环境工程专业论文）酸性矿井废水处理中自动控制系统的研究与设计.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 煤矿井下废水除了含有不少的悬浮物，总溶解性固体物含量也相当高，并随 着废水酸性增强而增加。常规的物化处理对象往往针对前者后者不作处理，限 制了出水的再利用。有些矿区水资源严重匮乏，为能利用并下废水采用比较复杂 的深度处理工艺，成本很高。 本文以去除矿井废水悬浮物，降低总溶解性固体物，提高处理出水利用率为 目的，提出了物化处理新工艺，重点研究、开发了一套处理酸性矿井废水的控制 系统。该控制系统采用现场总线控制方式，选用西门子p l c 及其配套的开关量 与模拟量控制模块实现现场各个环节的具体控制，借助s t e p 7 编程软件编写控制 程序以满足各子环节的控制要求；采用w i n c c 软件实现上位机的监控。为便 于 企业现代化管理，控制系统配置了有线与无线网络功能，实现有线网络的远程监 控与无线网络的远程监视。 该控制系统己在山西某煤矿试运行，达到了预期控制目的且效果良好。同时， 实地运行表明：矿井废水一体化处理设备不仅适用于矿井废水而且可用于给水处 理，具有工艺组合灵活、控制方便、占地面积小、维护工作量少等优点；与之配 套的自动控制设备不仅能够优化工艺运行参数，面且配有远程监控功能，方便运 行与管理。该研究为矿井废水处理系统的模块化、集成化、智能化做出了有益的 探索。 关键词：酸性矿井废水，污水处理，控制系统，现场总线，上位监控 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t m i n ed r a i n a g ec o n t a i n sn o t o n l ys o m es u s p e n s i o ns o l i db u ta l s os o m e d e l i q u e s c e n ts o l i d a st h ea c i d i t yo fm i n ed r a i n a g eb e c o m es t r o n g e r ，t h es u s p e n s i o n s o l i da n dt h ed e l i q u e s c e n ts o l i di n c r c a s e t h ec o m m o nm e t h o d so n l ya i ma t s u s p e n s i o ns o l i dn o tt h ed e l i q u e s c e n ts o l i d s ot h er e c y c l eo ft h em i n ed r a i n a g ei s r e s t r i c t e d s o m em i n i n ga r e ai sr e l a t i v e l ys h o r to fw a t e rs o u r c e s ，t h ec a p i t a lo f t r e a t m e n ta n du t i l i z em i n i n gd r a i n a g ei sv e r yh i g h b a s i n go nt h er e a l i t y ，i nt h i sp a p e rb r i n gu po n m u m t r e a t m e n tm e t h o da n d o p t i m u mt e c h n o l o g i c a lp r o c e s s w h i c h i s r e a l i z e d b y t h ew h o l e - i n o n e m e c h a n o - e l e c t r i c a lt r e a t m e n te q u i p m e n t t h i sp a p e rm a i n l ys t u d i e st h ec o n t r o ls y s t e m t h a tu s e sf i e l d b u sa st h ec o n t r o lm o d e t h ec o n t r o ls y s t e mc o m b i n e ss i e m e n s p l c 、s o m ec o n t r o lm o d u l e sa n ds t e p 7 一m i c r o 删i n 3 2t oc o n t r o lt h et a c h e so ft h e s y s t e m i no r d e rt of a c i l i t a t et h ee n t e r p r i s e ，t h ec o n t r o ls y s t e mc o n f i g u r e st h ew i r ea n d w i r e l e s sn e t w o r k w h e nt h i ss y s t e ma r er u n n i n gi nm i n i n ga r e ai ns h a n x i ，i th a sr e a c h e dt h ee x p e c t c o n t r o la i ma n dh a dg o o de f f e c t i ti ss h o wt h a tw h o l e i n - o n em e c h a n o e l e c t r i c a l t r e a t m e n te q u i p m e n t ，i sn o to n l ys u i t a b l ef o rt r e a t m e n to fm i n ew a s t e w a t e rb u ta l s o s u i t a b l ef o rt r e a t m e n to fw a t e rs u p p l y ，a n dh a sa d v a n t a g e so ff l e x i b l et e c h n o l o g i c a l c o m b i n a t i o n 、e a s yc o n t r o l 、c o m p a c ts i z ea n dl e s sm a i n t e n a n c ee t c t h ea u t o m a t i c c o n t r o le q u i p m e n te q u i p p e do ni tc a l ln o to n l yo p t i m i z et e c h n o l o g i c a lo p e r a t i o nd a t a b u ta l s om a t c hw i t hr e m o t em o n i t o ra n dc o n t r o lf u n c t i o nt of a c i l i t a t eo p e r a t i o na n d m a n a g e m e n t s o m e v a l u a b l e a t t e m p t f 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 a t i o no fa u t oc o n t r o li nw a s t e w a t e rt r e a t m e n th a sb e e nd o n e ，a n di t p r o v i d e sav a l u a b l er e f e r e n c ei 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 n w a s t e w a t c rt r e a t m e n ti no u rc o u n t r y k e yw o r d s ：a c i dm i n ed r a i n a g e ，w a s t e w a t e rt r e a t m e n t ，c o n t r o ls y s t e m ， f i e l d b u s ，s u p e r v i s o r ys y s t e m h 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并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。本人授权江苏大学可以将本学位论文 的全部内容或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或扫描等复莉事段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用本授权书。 不保密口。 学位论文作者签名；= 趁椭 。口s 年6 其f 、丑 指导教师签名谚菘治 洲每2 勇jjb 独创性声明 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 立进行研究工作所取得的成果。除文中已注明引用的内容以外，本论 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：走，蜘 日期：0 w f 年彭月扩日 江苏大学硕士学位论文 第一章前言 1 1煤矿井下酸性废水成因和危害 煤炭是我国的支柱能源，在能源结构中占7 0 。目前，由于煤炭的生产和使 用所带来的环境污染已成为我国的主要环境问题之一。随着煤炭洗选加工等多种 经营的发展、坑口电站及煤化工企业的建设，以煤炭为中心的各种污染阀题已有 扩大的趋势，引起了人们的密切关注。煤矿矿井废水排放就是其中突出的环境污 染问题。 煤矿井下废水除了含有大量的悬浮物，通常含有浓度相当高的溶解性固体 物。悬浮物以煤粉为主，而溶解性固体物成分随着矿区的地理环境、气候条件、 生产方式及矿龄等因素的不同有较大差异。酸性矿井废水尤为严重，随着酸度的 增加，熏金属离子的种类与含量显著增加。 1 1 1 酸性矿井废水成因“1 煤矿井下废水主要来自于地下水，生产作业面清理与降尘用水所占比例很 小。若煤粉和开采过程中产生的岩粉所含的化学物质在有氧环境下不易溶解，则 井下废水的成分与该矿周边的地下水的成分相近，否则，井下废水成分的变化与 煤质和岩粉化学成分密切相关。 酸性矿井水是指p h 小于6 5 的矿井排水，一般p h 值在3 o 6 5 之间，个别 的d h 值小于3 0 ，总酸度高。矿井水的酸性化学组成极不稳定，有的随季节变 化，有的随昼夜变化。在矿井水总数中，大约有1 0 的水是酸性水。我国南方 煤矿的矿井水多呈酸性，p h 值一般在4 5 6 5 ，个别的p h 小于3 0 ，这是和我国 南方煤的含硫量普遍高于2 有关。 对于酸性矿井废水的成因，许多学者作了大量的研究工作，指出酸性废水是 一个金球性的问题，它主要来自高硫煤的开采。因为商硫煤层央石的成分中有还 原性硫化矿物( 如黄铁矿f e s 2 等) ，在采煤的过程中破坏了煤层中原有良好的还原 环境，加上矿井通风过程提供了氧化过程所必须的氧，结果煤层暴露在空气中， 地下水渗入并与残留煤的接触。使煤层中或顶底板中的硫铁矿、有机硫在有氧存 江苏大学硕士学位论文 在的条件下，经过化学的、生物的作用形成游离的硫酸，使矿井排水呈酸性。其 主要原因有： 1 在有氧和水的条件下，硫铁矿被氧化成硫酸和亚铁离子，在酸性条件下 可进一步被氧化成三价铁离于f e ，f e a + 水解生成氯氧化铁，并使酸性增强； 2 细菌对硫酸和高价铁离子的形成也有促进作用，这些细菌主要包括硫杆 菌、氧化亚铁硫杆菌、氧化铁硫杆菌、氧化铁的金属菌、嗜热嗜酸硫球菌及硫磺 细菌等，它们在一定的p h 值和温度范围内有较强的催化氧化活力，在常温下能 使硫铁矿的氧化速率提高几十倍； 3 酸性矿井水主要是由硫酸引起的，有时也存在一些游离的二氧化碳使 矿井水呈酸性，尤其是在采空区出水和巷道墙壁渗水中c 0 2 形成的酸度不能忽 视： 4 酸性矿井水的性质除和煤的存在状态、含硫量有关外，还和矿井的涌水 量、密闭状态、空气流通状况、煤层倾角、开采的深度和面积、水的流动途径等 地质条件、开采方法有关。矿井涌水量稳定，则水的酸性也稳定；密闭差，空气 流通良好，则水的酸性较强，f e 3 + 含量较多：开采越深，煤的含硫量越高，开采 面积越大，水的流动途径越长，则氧化、水解等反应进行得越充分，水的酸性就 越强，反之则弱。 1 1 2 酸性矿井废水的危害。5 1 酸性矿井水不仅腐蚀井下排水设备、钢轨及其他矿井设备，造成不应有的经 济损失。随着酸度增高，矿井水中通常含有铁、锰、铜、锌、铅及铀、镭等元素。 煤矿的酸性矿井水中铁、锰通常呈现低价态f e 2 + 、m n 2 + ，当f e ”、m n 2 + 离子氧 化时可消耗水中的溶解氧，降低水的自净能力有碍水生生物生长，降低水体的 利用价值。当这些未经处理的酸性矿井水排至地面水体后，可造成地表水体污染。 直接利用酸性矿井水灌溉，可破坏土壤的团粒结构，使土壤板结，农作物枯黄。 1 2 现有的酸性矿井废水的治理方法与存在的问题渺力 目前酸性矿井水几乎都是采用以石灰或石灰石作为中和剂的中和法和人工 湿地处理法处理。其中以石灰或石灰石作为中和剂的中和法通常有石灰中和法、 石灰石中和滚筒过滤法、石灰石石灰联合处理法等工艺。 2 江苏大学硕士学位论文 ( 一) 石灰中和法 石灰乳 c a ( o h ：h i 是常用的中和剂。该法主要是利用氯氧化钙与硫酸根离 子生成沉淀，从而除去硫酸根。具体工艺流程如下： 1 消化 生石灰( c a o ) j n 水配置成5 一1 0 石灰乳，经筛网滤去残渣。 2 一次曝气 通入空气可起到搅拌的作用，同时将水中部分f e 2 + 氧化成f e ”。 3 中和与复分解 将石灰乳加入酸性矿井水中，搅拌使其中和，p h 可达7 5 8 。5 ，当硫酸根离 子浓度大于6 0 0 m g l 时反应式为： c a ( o h h 十h 2 s 0 4 = c a s 0 4 十2 h 2 0 同时，f e 2 + 、f e 3 + 和石灰乳发生复分解反应： f e 2 十十s 0 4 2 十c a ( o h ) 2 = f e ( o h ) 2 十c a s 0 4i 2 f e 3 + 十3 s 0 4 2 - 十3 c a ( o h ) 2 = 2 f e ( o h bi 十3 c a s 0 4l 石灰乳的颗粒越细，悬浮性越好，反应就越快，生成的沉渣越少。 4 二次曝气 残留的f c 2 + 离子继续被氧化，同时氢氧化亚铁被氧化成氢氧化铁 4 f e ( o h ) 2 十0 2 十2 h2 0 ：4 f e ( o h ) 3 ； 5 沉淀 水中的石膏、氢氧化铁在沉淀池中沉降。 6 污泥处理 污泥经过压滤机脱水，泥饼外运。 此法对酸性水的水量和水质不加限制，易处理酸性较强且涌水量较大的矿井 水；石灰是一种凝聚剂，能使水中的微粒和胶体凝聚沉降雨去除。缺点是劳动条 件较差，出水p h 值不够稳定：石灰乳处理生成较稀的絮凝沉淀污泥，体积较大不 易处理。：9 夕1 - ，碱性纸浆废液、电石渣、发电厂的硼泥等碱性废液、废渣都可用 作中和剂，而且价格比石灰便宜得多，电石渣还具有颗粒细而均匀的特点。 ( 二) 石灰石中和滚筒过滤法 此法采用石灰石作中和剂与水中的硫酸在滚筒中产生反应，生成微溶的硫酸 江苏大学硕士学位论文 钙和易分解的碳酸，由于滤料处于不断的滚动和摩擦状态，使滤料不断产生新的 反应表面，从而使反应连续进行，随着水中硫酸的消耗，排水p h 值随着升高。 其工艺流程如下： ( 1 ) 在滚筒机内石灰石和矿井水中的硫酸起复分解反应； c a c 0 3 十2 h + 十s 0 4 2 - = c a s 0 4i 十c 0 2f 十h 2 0 ( 2 ) 生成的石膏和氢氧化铁在沉渣池中沉降，此时上层的水实际是碳酸溶 液，p h 约为5 5 7 。 f 3 ) 酸性水在曝气池曝气，以促使c 0 2 气体从水中逸出，进一步降低其酸度， 升高d h 值。同时水中的f e 2 + 被氧化成f e 3 + ，后者再水解而沉淀去除。 ( 4 ) 石膏和氢氧化铁在沉淀池中再次沉降，外排水的p h 值可达6 0 - - 6 8 石灰石比石灰经济，生成浓稠的污泥便于处理。可除去水中的酸和f e 3 + 离子。 但是该法只能使排水的p h 值升高到6 5 左右，而且去除f e 2 + 离子很少，出于设 备复杂、要求防腐措施、噪声大、工作环境条件差、二次污染严重等缺点，使其 应用受到限制。 ( 三) 石灰石一石灰联合处理法 此法是综合石灰石和五灰两种处理工艺的优点的一种方法。在第一阶段采用 石灰石中和酸性矿井水中的h + 离子，使酸性水的p h 值接近6 0 ，然后投加石灰 到p h 值为8 左右。进一步中和甜离子，同时将f e 2 + 氧化成f e 弘，抑制f e 3 + 离子 的水解。该工艺适合酸性矿井水的处理，对高价及低价铁离子的去除都比较完全， 而且污泥的沉降速度要比石灰乳中和法快。克服了单用石灰石法或石灰乳法的弊 端。 以石灰或石灰石作为中和剂的中和法的严重缺点是中和产生巨量难以处置 的固体废弃物硫酸钙( 石膏) ，同时，硫酸钙在纯水中的浓度达1 0 8 3 m g l ，导致处 理过后废水中的硫酸根离子相对来说还是偏高，远大于地面水环境质量标准 g b 3 8 3 8 8 3 。 ( 四) 人工湿地处理法 2 0 世纪8 0 年代前后，美国和一些欧洲国家先后开展了采用人工湿地处理矿 井废水的实验研究，取得了一些可喜的成果，目前己逐步应用于生产，并收到了 良好的效果。 江苏大学硕士学位论文 人工湿地的单元结构是在定大小的面积上构筑一个透水或不透水的塘，然 后在塘内填充各种介质。介质材料可以是土壤、砂、卵石、碎石、煤渣等，或者 是这些材料的混合物。在有污水通过的介质上种植各种水生植物或花草。常用湿 地植物有香蒲草、灯心草、马尾草、芦苇及泥炭藓等。 一般情况下，人工湿地对废水的净化作用包括物理作用、化学作用和生物作 用。 在物理作用中，先是沉淀，在重力作用下可沉固体、胶质固体、难溶有机物 等沉降而加以分离；然后是过滤作用，当废水通过湿地的填充介质和植物根系后， 废水得到过滤；第三是物理吸附，通过离子间的相互作用力对胶质固体发生作用。 在化学作用中，第一是化学沉降，主要是磷和重金属与其他难溶组分的共同沉降； 第二是化学吸附，即介质表面或植物表皮对磷、重金属、难溶有机物发生化学作 用而吸附，然后是分解作用。通过紫外线辐射、氧化、还原等化学反应对稳定性 较差的组分进行分解。在生物作用中，首先是微生物代谢( 舍成代谢与分解代谢) 作用，通过悬浮的、水底的或植物上的细菌，以及细菌的硝化反应与反硝化作用 和以微生物为媒介的氧化反应，对胶体、b o d 物质、氮、难溶有机物和重金属 等发生作用：其次是植物的代谢作用，通过植物的吸收和有机代谢对难溶有机物、 细菌和病毒等发生作用：第三是植物的吸收，在适宜条件下，植物对氮、磷、熏 金属及难溶有机物有显著的吸收作用：最后是细菌和病毒在不适宜条件下会自然 衰竭和死亡。 人工湿地单元有2 种基本类型；一种是表面水流型，废水以浅水和漫流的形 式缓慢流过介质表面和介质上种植的水生植物；另一种是地下水流型，废水是以 渗滤流的形式在介质表层之下缓慢流动。穿过介质和植物的根系。 单个的湿地单元般处理效果不理想，因此生产上都将湿地设计成多个湿地 单元的组合( 串联或并联) ，或者将湿地单元与其他类型废水处理单元相结合，形 成复合型处理系统。最常见的与湿地单元组合的废水处理单元是氧化塘。每单元 面积为3 0 0 m 2 左右，进水流量约0 5 l s ，表面水流型湿地水深以高出基质3 0 4 m 左右。废水通过湿地的平均停留时间为4 7 9 d 。地表水流速为o 1 o 3 f t s 进水和 出水都应经过开渠而不是管道。因为管道易被污泥、死亡的动植物堵塞，导致水 位升高，淹没湿地，冲刷走土壤、植物。 江苏大学硕士学位论文 湿地法是国内外近年来研究的一种新处理工艺。但由于湿地法占地面积大， 处理程度受环境影响很大，而且由于残余硫化氢从土壤中逸出污染大气环境，因 此湿地法在应用上也有很大的局限性。 1 3 本文研究的矿并废水处理工艺及其特点 为了使酸性矿井废水能够资源化利用，本文研究采用了降低硫酸根离子浓度 以降低废水溶解性固体物的处理工艺。具体流程见图1 1 ： 围1 1 矿井废水处理工艺流程围 一体化设备是指采用模块化封装技术将工业性试验中的主要处理设备集合 成一台的整体设备。 污泥水和调节池中分流的进水混合一起输送给洗煤厂主要是考虑洗煤厂。已 有闭路循环处理系统，矿井废水中悬浮物的主要成分为细煤粉这样的因素。另外， 污泥水中的剩余碱度有助于洗煤水循环的沉降处理。 其中副产品回收是指在一体化设备中投加的药剂所形成的固体物料能够用 作为其他产品生产的原料。回收的主要目的是减少部分用药费用。 本工艺流程采用分质出水方法，在满足回用要求的基础上，尽量降低处理成 本。具体如下： ( i ) 洗煤厂补水 矿井废水经过一体化设各处理降低s s 后利用泵站输送给洗煤厂作为补充 矿井废水经过一体化设各处理降低s s 后利用泵站输送给洗煤厂作为补充 江苏大学硕士学位论文 水。 ( 2 ) 生产用水 矿井废水经过软化与初步的吸附处理，去除金属离子并降低硫酸根离子浓 度，可作为生产用水。 ( 3 ) 饮用水 在软化与初步的吸附处理过程后，继续软化与吸附处理过程，使水中的硬度 与硫酸盐含量低于饮用水标准，再经过消毒处理，并保留一定的余氯量，成为合 格的饮用水。 为了保证饮用水的安全，一体化处理设备采用了两级加药，从而保证水中的 硫酸盐浓度低于饮用水标准。 1 4 本文研究的目的和意义 我国污水处理的自动控制水平较为落后。因此开发一套适合我国国情的污水 处理p l c 自动控制系统是十分必要且有意义的。本文以山西某煤矿酸性矿井废 水处理工程为背景。在深入分析工艺的基础上，研究开发出污水处理一体化设备， 进而开发出由多台p l c 和一台计算机构成的集中控制与上位监控系统，对矿井 废水处理的全过程实行自动控制。提高科学化管理水平，从而降低成本，争取使 矿井废水全部得到综合利用，满足矿区生产、生活饮用水水质、水量。 采用该控制系统处理酸性矿井废水为矿区创造了明显的经济效益，开辟了新 水源，减少了淡水资源的开采量。实现“优质水优用。差质水差用”的原则，减 轻或避免了长距离输水问题。解决煤矿矿区严重缺水的状况，解决了职工吃水难， 用水难的问题；减少矿井废水对地表水体的污染，保护美化了矿区环境，实现经 济效益、环境效益和社会效益的统一。 江苏大学硕士学位论文 第二章控制系统设计 2 1 国内外污水自动控制的概述 2 1 1 污水处理自动控制的意义 水资源、水环境是人类生存的基础。工业的发展与城市人口增加，引起城市 工业和生活用水量的增加，出现了水资源紧张问题。要解决这个问题必须与水 污染治理综合考虑，因为城市污水是一种稳定的水资源。城市用水中除产品带走， 生产过程中的损耗和蒸发，大部分水量作为污水排出，若对污水经适当处理后回 用于农业、工业，不仅可以减少污染，而且可以缓和缺水地区水资源不足给城市 供水带来的压力。 在美国，政府及水行政部门相当重视水源保护工作。美国各地的水行政部门 制定了一系列的法规来保护水源及防止水污染，同时，他们也十分重视水源及其 输水系统的管理，输水渠道沿线用铁丝网封闭，并设有报警装置以防入为污染及 减少周围环境的影响。 丽我国的水资源保护和水污染治理情况都不理想。我国排入水体的总污染 量，目前还没得到控制，8 5 以上的污水未经处理直接排入水体。废水中含有大 量的固体污染物、需氧污染物、有毒污染物、生物污染物等，废水任意排放，污 染水体水质，有害人民身体健康，危害农渡和工业生产。为了改善水质，要采取 远距离输水或采取深度处理措施，供水工程投资也将大大增加，这给新建供水设 施增加了困难。全国估计每年水污染造成的经济损失约4 0 0 亿元。因此，防止水 体污染已成为我国政府十分重视的大问题，我国有关部门制定了废水排放标准， 要求必须对污水进行综合治理，使其达到允许排入水体的程度，以降低或消除对 水体水质的不利影响。现在各城市已建成或正在筹建不同类型的污水处理厂。 工业污水处理系统的社会效益巨大，但运行成本高，处理厂的经济效益差。 所以应用计算机控制技术，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( 设备) ，具有非常现实的意义。 采用计算机技术。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， 在计算机上显示出来，对这些数据做累计，求平均，求极值等运算，并可以永久 s 江苏大学硕士学位论文 记录下来，以备在需要的时候查阅。对数据分析趋势走向，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，采用计算机代替人工操 作减少事故，保证安全，降低劳动强度，节约人力，甚至可以完成许多人工难 以完成的任务，提高生产的可靠性。 2 1 2 实现污水处理自动控制的技术背景 自动控制技术，在人类控制自然界、提高劳动生产率的过程中起了重要作用。 自动控制理论和应用技术在工业生产中的应用大致经历了三个发展阶段： 从4 0 年代到5 0 年代是经典控制理论阶段，采用传递函数进行数学描述，以 根轨迹法和频率法作为分析和综合系统的基本方法，很大程度上依靠人工和经验 进行系统分析和综合。设计过程中，一般将复杂的生产过程人为分解为若干个简 单过程，最终实现单输入单输出系统，属于局部自动控制的范畴，自动控制水平 还处于比较低级阶段。 6 0 年代是第二阶段，现代控制理论产生，并在某些尖端领域取得成就。现 代控制理论以状态空间分析方法为基础，包括最小二乘法为基础的系统辨识、以 极大值原理和动态规划为主要方法的最优控制和以卡尔曼滤波理论为核心的最 佳估计三部分内容，现代控制理论对控制系统进行综合和分析时，深入揭示系统 内在规律性从局部简单控制进入一定意义下的全局最优控制。 到7 0 年代，自动控制理论及其应用技术的发展进入第三个阶段，这一阶段 由于计算机的功能和可靠性的大为提高，而价格却不断下降，尤其是工业用控制 机0 p c ) ，在采用冗余技术，软硬件自诊断功能等措旌后，其可靠性己提高到基 本满足工业控制的需要。另外大系统理论和智能控制理论也在这一阶段形成。 针对工业生产规模大，被控对象参数和控制回路多的特点，工业上所用计算 机控制系统应该具有高度可靠性和灵活性，为了满足这些要求。工业控制出现了 集计算机技术、控制技术、通讯技术和图形显示技术于体的集散型控制系统 f d c s ) 。集散型控制系统的特点是集中监视、操作、管理和分散控制检测，在中 控室内可对整个工况进行监视并发布调度命令，各工序则采用独立自控的原理进 行系统配置和运行。应用集散型控制系统代替常规仪表实现生产过程中运行参数 的在线检测，实施诊断与报警，显示设备在运行中存在的故障。分析参数的变化 9 江苏大学硕士学位论文 趋势，及时发现和预报异常运行情况，并记录运行的状态和过程，使操作人员直 观、方便地管理生产的全过程。d c s 集散型控制系统在生产过程自动化上的应 用日益广泛。但是，在d c s 中，现场控制站和操作站之间仅需一条通信电缆( 或 光缆) 相连接，而输入输出信号线可能有数百条之多信号电缆长度较长，系统 造价高，并且长距离传输易受干扰，可靠性不高。在这样的情况下，产生了现场 总线。为现场设备接口的智能化、网络化、标准化、低成本提供了机遇。 在现场智能仪表和控制室之间通过一种全数字化、双向、多站的通信网络连 接成现场总线控制系统( f c s ) 。f c s 具有开放性、分散性、数字通讯，比以前的 控制系统具有更多优点，自出现以来发展十分迅速，大有取代d c s 之势。现场 总线是连接智能现场设备和自动化系统的数字式、双向传输，多分支结构的通信 网络主要解决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 通信及这些现场控制设备与高级控制系统闯的信息传递问题。当前的各种现场控 制站，尤其是p l c 都增置了较强的联网通信能力现。现场总线网可以采用廉价 的双绞线为传输介质。将作为主节点的现场控制站，与作为从节点的数十个数字 调节器，p l c 或数字化智能变送器连接在一起，也可以将数台p l c 通过网关直 接接入高速数据公路，组成过程控制级的顺序控制站。 2 1 3 污水处理自动控韦| j 的发展现状 1 国外污水处理的自动控制 国外污水处理自动化技术已有数十年的发展历史，先后经历了仪表检测、仪 表闭环调节、智能单回路( 多回路) 控制、计算机集中控制、p l c 控制以及分布式 计算机控n ( d s c ) 等多个发展阶段。在污水处理控制领域，谣方发达国家已经走 出了一条从探索到相当成熟的道路。 七十年代中期，随着微处理器的飞速发展，结合计算机网络技术，相继出现了 用于污水处理过程的计算机分布式控制系统，分散式控制系统和集散式控制系 统，提高了整个控制系统的稳定性，可靠性，使计算机控制在污水处理中真正普 及开来，这方面的代表有日本的日立公司的a q u a m a x 8 0 系列控制系统，英国 w i t n e y a v n n m o u t h 的污水处理厂，美国的w e s tp o i n t 污水处理厂也相 继采用了这一控制系统。 1 0 江苏大学硕士学位论文 进入八十年代，国外污水处理业一直在探索试用计算机技术来增强操作过程 控制和管理水平。1 人工智能的突破，多媒体技术的出现，网络技术的发展，这些 计算机技术成果都为计算机控制提供了更高效的条件和可能，当前的污水处理控 制领域，将最新的计算机技术，如专家系统、模糊控制、网络技术等运用到过程 控制中已成为一股热潮，如美国e n o s s t o v e r 等开发了一种用于污水处理厂的专 家系统，提供专家的诊断和管理功能，日本也设计了一种知识库系统，用于污水厂 的管理。 2 我国污水处理的自动控制 我国的水处理自动化起步较晚，七十年代开始应用集中巡检，至八十年代隧 国家工业水平的提高，计算机水平的应用，使水处理自动控制技术得以发展，特 别是从国外引进自动控制技术以来，我国水处理自动化水平才有了很大提高。 目前，我国大型污水处理厂多采用d c s 系统或p l c 与p c 组成的集散式控 制系统，而小型污水处理厂和企业水处理的部分单元操作有的已采用自动控制， 但很少使用全过程自动控制系统。 2 2 控制系统的设计“” 2 2 ，1 控制系统配置 要构成一个控制系统，首先要根据控制要求配备各种硬件，然后把各个部件 之问用网络连接起来。这样便形成了控制系统的框架。荐通过软件编程，组网， 从而形成一个能实现一定功能要求的系统。本文介绍的控制系统硬件，软件配置 如下： 一、控制系统硬件配置 系统硬件由监控系统硬件，主站控制系统硬件，一号、二号加药控制系统硬 件以及一体化设备硬件配置组成。 1 监控系统硬件配置 监控系统自成体系，为满足将来进一步拓展系统，和其他自动化设备联网传 递数据，所选的监控硬件还要有较强的网络通信支持功能。经过综合比较选择， 确定配置如表2 1 所示： 江苏大学硕士学位论文 表2 1 监控系统硬件配置 序号名称 规格 数量 i 液晶显示器 溺7 2 0l 2 研华工控机 i p c 6 1 0p f v1 3 p r o f i b u s 电缆 6 x v l 8 3 0 0 e h l 0 2 0 0 0 米 4 打印机 e p s o m 1 5 控蒂柜 l 6 电脑桌 1 7 纽态软件 w j n c ci 2 主站控制系统硬件配置( 见表2 2 ) 表2 2 主站控制系统硬件配置 序号名称规格 数量 i 德国西门子p l c 6 e s 7 3 i 4 i a e 8 4 0 a 8 0l 2 p l c d p 站丛站 6 g k 7 3 4 2 5 d f 0 0 0 x e o1 3p l cp o w 重r6 e s 7 3 0 7 l e a 8 0 0 a a 0j 4p l c a l6 e s 7 3 3 2 5 h d 0 1 0 a b 01 5p l ce p r o m6 e s 7 9 5 l o k e 0 0 0 a a 0l 6 电缆；m p i 电缆 6 e s 7 9 0 l o b f 0 0 0 a a 0 3 来 7g p r sm o d e m r s 2 3 2 接口 1 3 一号、二号加药控制系统硬件配置( 见表2 3 ) 表2 3 一号、二号加药控制系统硬件配置 序号名称规格数量 1 德国西门子p l c 6 e s 71 6 2 b d 2 2 0 x b 02 2p l ca i6 e s 731 0 h c 2 2 0 x a 02 3p l ca 06 e s 73 5 0 k d 2 2 0 x a 0 2 4 p l cd c 6 e s 72 2 - l h f 2 2 - 0 x a 02 5p l cd o6 e s 72 2 1 b f 2 2 0 x a 0 2 6p l cp r o f i b u s6 e s 7 2 7 7 - 0 a a 2 l 一0 x a 0 2 7p l ce p r o m6 e s 7 2 9 l - 8 g e 2 0 0 x a o 2 8 网络连接器 6 e s 7 2 9 2 i a g 2 0 0 a a 0 2 9p l cp o w e r6 e s 7 3 0 7 1 e a 8 0 0 a a 02 1 2 江苏大学硕士学位论文 4 一体化设备硬件配置：( 见表2 4 ) 表2 4 一体化设备硬件配置 序号名称规格 数鬣 1 德国西门子p l c 6 e s 71 6 2 b d 2 2 0 x b 0l 2p l ca i6 e s 73 1 o h c 2 2 - 0 x a 0l 3p l ca o6 e s 73 5 - o k d 2 2 0 x a 0l 4p l cp r o f i b u s6 e s 7 2 7 7 0 a a 2 1 - 0 x a 0l 5p l ce p r o m6 e s 7 2 9 j 罐g e 2 0 0 x a o】 6 网络连接器 6 e s 7 2 9 2 1 a g 2 0 0 a a 0 l 7p l cp o w e r6 e s 7 3 0 7 l e a 8 0 0 a a 0 1 8 传感器 g l 卜p h3 9 传感器 g l i c o n3 1 0 传感器 g l i t u r1 二、控制系统软件配置 1 监控软件 上位机采用w i n c c 对整个一体化设备控制系统进行监控。w i n c c 是在 m i c r o s o f tw i n d o w s9 8 2 0 0 0 或w i n d o w sn t4 0 5 。0 操作系统下，p c 机上运行的面 向对象的一流的3 2 位应用软件。 2 编程软件f 1 5 1 7 1 s t e p 卜m i c r o w i n 3 2 编程软件是基于w i n d o w s 的应用软件，由西门子公司 专门为s i m a t i cs 7 2 0 0 系列p l c 设计开发。该软件功能强大，界面友好，并有 方便的联机帮助功能。可利用该软件开发p l c 应用程序，同时也可实时监控程序 的执行状态。 2 2 2 控制系统的数据通讯 一、工业通讯的概述f 1 8 - 2 2 j 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、求值和过程与消 息的汇报。也可以从多个站点收集和处理操作数据，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1 0 0 0 。对于管理级，以太网是主要的网络类型， 江苏大学硕士学位论文 为了连接更远的距离，在绝大多数情况下使用t c p i p 协议。 ( 2 ) 单元级 在单元级，处理自动化任务。在该级别，p l c 操作和监控设备以及p c 彼此连 接。根据性能要求，主要的网络类型是工业以太网和p r o f i b u s 。 ( 3 ) 现场级 现场级是p l c 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童较小。 对于现场级，p r o f i b u s 是主要的网络类型。为了与现场设备通讯，通常使用d p 协议。对于现场级和单元级的小型网络，可以往用m i p ( 多点接口) 。 ( 4 ) 执行器传感器级 在执行器传感器级，主站与连接到其子网的执行器和传感器进行通讯。该 级别的特征是数据传送量极小，可是响应却很快。 工业通讯可以使用不同的子网。这里仅描述与本文控制系统通讯相关的子 网。以下按性能增加的顺序列出不同的子网： ( 1 ) m p i m p i ( 多点接口) 适用于现场级和单元级的小型网络。它只能用于连接 s i m a t i c s 7 。m p i 子网使用p l c 中央处理器卡的m p i 接口进行通讯。该接口被设 计为可编程接口，随着通讯要求的增加它很快会到达其性能极限。p c 可以通过 安装的m p i 卡访问m p i 子网，也可以使用访问p r o f i b u s 的通讯处理器。 ( 2 ) p r o f i b u s l 2 3 - 2 7 1 p r o f i b u s ( 过程现场总线) 是一种用于单元级和现场级的子网。它是一种独 立于制造商的开放式通讯系统。p r o f i b u s 用于在少数几个通讯伙伴之间传送少 量数据或中等数a 的数据。通过d p ( 分散设备) 协议，p r o f i b u s 可与智能型现场 设备通讯。这种通讯类型具有快速，周期性传送数据的特点。 ( 3 ) 工业以太网 工业以太网是一种适合于管理级和单元级的子网。它用于许多站之间长距 离，大数据的传送。工业以太网是一种用于工业通讯的最有效的子网，不用费很 大的力，就可以轻松配置和扩充它。 1 4 江苏大学硕士学位论文 二、现场总线简介【2 8 。3 5 ) 在传统的集散型控制系统( d c s ) 中，通讯网络截止于控制站或输入输出单元， 现场仪表依旧是一对一模拟信号传输。随着现场装置如传感器、变送器、执行器 的微机化，总线技术也推向市场，形成现场总线( f i e l d b u s ) 的概念。现场总线是连 接智能现场设备和自动化系统的数字式、双向传输、多分支结构的通信网络主 要解决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及这 些现场控制设备与高级控制系统问的信息传递问题，现场总线中传送的信息不只 是控制器与智能传感器，控制器与执行器之间交换的信息，还包括控制器之间交 换的信息，以及各控制器与操作站或者工作站之问交换的信息。现场总线不仅是 一种信号标准、通信标准，还是系统标准。 现场总线的特点： ( 1 ) 具有较高的性能价格比。现场总线控制系统节省硬件数量与投资经济 性好，系统综合成本及安装费用减少4 0 现场仪表是智能化的。不需要单独 的控制器、计算单元等，也不需要系统信号的调理、转换、隔离技术等功能单元 及复杂接线，使系统安装和调试简单易行。原来的上百根控制电缆减少到一根总 线电缆，从而使接线端子、电缆桥等附件也大幅度减少。并且由于现场控制设备 具有自诊断和故障处理能力，并通过数字通讯将相关的诊断结果送到控制室可 查询所有设备的运行，诊断信息，以便故障排除，缩短停工时间，系统性能大幅 度提高。 ( 2 ) 系统结构高度分散：由于现场总线设备本身已经可以完成自动控制的基 本功能，导致现场总线构成一种新的全分布式控制系统结构，从根本上改变了现 有d c s 集中与分散相结合助集散控制系统体系，简化了系统结构，提高了系统 可靠性。 ( 3 ) 对现场环境的适应性增强：现场总线是专为在现场环境下工作而设计的， 可支持双绞线、同轴电缆、光缆、射频、红外线、电力线等，具有较强的抗干扰 能力。能采用两线制实现送电与通信。并可满足本质安全防爆要求。 ( 4 ) 可操作性与互用性好：能实现互连设备间，系统间的信息传送与沟通， 可实现点对点，一点对多点的数字通讯，不同厂家生产的类似的设备可进行互换 江苏大学硕士学位论文 而实现互用。使系统具有较好的扩展性。 本控制系统采用了p r o f i b u s ( p r o e c e s sf i e l d b u s ) ：过程现场总线，它是由以 西门子为首的1 3 家公司和5 家科研机构联合研制开发的开放式现场总线标准。 1 9 9 6 年p r o f i b u s 成为德国国家标准d i n l 9 2 4 5 ，同时又是欧洲标准e n 5 0 1 7 0 ， 符合国际标准i e c6 1l5 8 - 2 。p r o f i b u s 是功能强大、开放、稳定的现场总线， 响应时间非常快。d p 和p a 的完美结合使得p r o f i b u s 现场总线在结构上和性 能上优越于其它现场总线，p r o f i b u s 既适合于自动化系统与现场i o 单元的通 信，也可用于直接连接带有接口的变送器、执行器、传动装置和其他现场仪表及 设备，对现场信号进行采集和监控，并且用一对双绞线替代了传统的大量的传输 电缆，大大节省了费用。下面是一般p r o f i b u s 控制系统图( 见图2 1 ) ： 图2 1p r o f i b u s 控制系统图 三、控制系统的数据通讯结构 本控制系统的数据通讯结构运用到p r o f i b u s 控制系统结构的物理层、数 据链路层和应用层三层结构。具体数据通讯结构如图2 2 所示： 1 6 江苏大学硕士学位论文 图2 2 系统控制数据通讯结构图 本控制系统的数据通讯结构采用了三级控制的思想f 3 z - 3 9 j ： 其管理级主要由局域网构成，也可以由