（农业电气化与自动化专业论文）污水处理厂控制系统和控制算法研究.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 城市污水处理系统的社会效益巨大，但运行成本高，经济效益差，为了让污 水处理技术有效地实现，使系统能够连续稳定运行，保证出水水质达标，将先进 的自动控制技术应用于污水处理中，提高污水处理的自动化水平已成为污水处理 中的关键环节。 本文结合工程实例，以镇江市大港污水处理厂的控制系统作为研究背景，结 合污水处理工艺，探讨了p l c 及其网络在污水处理厂中的应用，并充分考虑在 线检测仪表在控制系统中的作用。本系统采用i p c + p l c 的控制方案和 p r o f i b u s 现场总线+ 光纤冗余以太环网的通信网络方案。文中主要介绍了p l c 、 p r o f i b u s 现场总线、光纤冗余以太环网、污水处理工艺、控制系统硬件、软件 配置以及污水处理厂自动控制系统的实现。 另外，城市污水处理过程工艺复杂，具有连续生产、参数检测闲难、非线性、 时变性、大滞后、干扰多等特点。因此本文针对污水处理过程中的污水曝气过程 进行了控制策略的研究，并且通过m a t l a b 软件仿真，比较了s m i t h 预估控制和 专家模糊控制( e x p e r tf u z z y ) 的运行效果。由于专家模糊( e x p e r tf u z z y ) 控制 策略控制效果较好，而且不需要控制对象的精确数学模型，因此选用专家模糊控 制作为本工程的控制策略。 实验结果表明专家模糊控制具有动静态性能好、抗干扰能力强的特点。适合 运用于负荷冲击变化比较火的污水处理过程中。 关键词：污水处理，专家模糊控制，工业以太网，现场总线，p l c 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t a l t h o u g hc i t ys e w a g et r e a t m e n ts y s t e mh a sg r e a ts o c i a lb e n e f i t ， i t sr u n n i n g c o s ti sh i g h ，a n dt h ee c o n o m i cb e n e f i ti sl o w i no r d e rt oi m p l e m e n tt h es e w a g e t r e a t m e n tt e c h n i q u ee f f e c t i v e l y , o p e r a t et h et r e a t m e n ts y s t e ms t e a d i l y , g u a r a n t e et h e q u a n t i t yo fo u t p u tw a t e r , t h es e l f - c o n t r o lt e c h n i q u ea p p l i e di ns e w a g et r e a t m e n tt o p r o m o t ea u t o m a t i cl e v e lh a sb e c o m et h ek e yq u e s t i o ni ns e w a g et r e a t m e n t t a k ez h e n g j i a n gd a g a n gs e w a g et r e a t m e n tp l a n ta sb a c k g r o u n d ，i n c o r p o r a t i o n w i t hs e w a g et r e a t m e n tc r a f t ，t h ea p p l i c a t i o no fp l ca n di t sn e t w o r ki ns e w a g e t r e a t m e n tp l a n ti sd i s c u s s e di nt h i sp a p e r , a n dc o n s i d e r e dt h ea c t i o no fo n - l i n e d e t e c t i o ni n s t r u m e n ti nc o n t r o ls y s t e ms u f f i c i e n t l y t h ec o n t r o ls c h e m eo fi p c + p l c a n dc o m m u n i c a t i o nn e t w o r ks c h e m eo fp r o f i b u sf i e l d b u s + r e d u n d a n te t h e m e t f i b r e o p t i cr i n gn e t w o r ki sa d o p t e di nt h i ss y s t e m t h i sp a p e rm a i n l yi n t r o d u c e dp l c ， p r o f i b u sf i e l d b u s ，r e d u n d a n te t h e r n e tf i b r e o p t i cr i n gn e t w o r k ，s e w a g et r e a t m e n t c r a f t ，h a r d w a r ea n ds o f t w a r ec o n f i g u r a t i o no fc o n t r o ls y s t e ma n dt h ea u t o m a t i c c o n t r o ls y s t e m si m p l e m e n t a t i o no fs e w a g et r e a t m e n tp l a n t i na d d i t i o n ，t h e r ea r em a n yd i f f i c u l t i e si nt h ep r o c e s so fs e w a g et r e a t m e n t ，s u c h a sc o n t i n u o u sw o r k i n g 、t h ev a r i a b l ei sh a r dt ob eo n l i n em e a s u r e d 、n o n l i n e a r i t y 、 i n t e r m i t t e n c e 、d e l a ya n dm o r ed i s t u r b e r s i nt h i sp a p e rw er e s e a r c hi n t ot h ep r o c e s so f a e r a t i o nt a n kc o n t r 0 1 w ec o m p a r et h er e s u l t so fr e s p e c t i v e l ya p p l y i n gs m i t hc o n t r o l a n de x p e r tf u z z ys t r a t e g yu s i n go fm a t l a be m u l a t i o nt o o l b o x t h ee x p e r tf u z z y s t r a t e g yg e t sag o o dr e s u l t ，a n di tn e e d n tac o r r e c tm a t hm o d e l ，s oi ti sc h o s ea n d i m p l e m e n t e di np l c t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a te x p e r tf u z z yc o n t r o lh a sg o o ds t a t i ca n d d y n a m i cp e r f o r m a n c e ，a n dt h ec h a r a c t e r i s t i c so fa n t i i n t e r f e r e n c ea b i l i t y s ot h a tf i t s t h ed e m a n di na p p l i c a t i o nf o rr e l a t i v e l yl a r g el o a di m p a c to nt h es e w a g et r e a t m e n t p r o c e s s p l c k e yw o r d s ：s e w a g et r e a t m e n t ，e x p e r tf u z z y ，i n d u s t r i a le t h e r n e t ，f i e l db u s ， 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 描等复制手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。 学位论文作者签名：岁i 司红 导师签名： 。盆i 包盘 签字日期： 矿7 年月i 日 签字口期：，矿7 年占月罗 日 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。除文中已经注明引用的内容以外，本论文 不包含任何其他个人或集体己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：岁别无 一一、 日期：伊，年6 月厂日 江苏大学硕士学位论文 1 1 课题背景及研究意义 1 1 1 课题背景 第一章绪论 近年来，随着我国经济的迅速发展，工农业生产能力得到极大的提高，人民 的生活水平得到进一步的改善，但也随之带来一系列的环境问题，水污染便足其 中之一。这已经引起了各界政府的高度重视，因此我国的污水处理事业也有了长 足的发展。目前对大中城市的生活污水和工业污水已采取了一定的治理措施，但 中小城( 镇) 污水的处理情况不容乐观，全国1 7 0 0 0 多个建制镇大多数没有污水 处理设施或者污水处理设施不能满足城( 镇) 污水处理要求l l l ，这不仅对当地的 水环境造成了严重污染，影响着居民的身体健康，同时也严重阻碍了经济的发展。 为此，要改善水环境被污染的状况，保护我国紧缺的水资源，必须加人水污 染环境治理的力度。我国污水处理“十一五 的目标是：重点省会城市污水处理 率须达到8 0 ；一般城市要达到6 0 到7 0 ；县城则要做到6 0 ，新增城市污 水处理能力4 5 0 0 万吨1 2 l 。 目前，国家和各级地方政府正在大力推进城市污水处理工程的建设，有数百 座污水处理厂正在工程设计和建设中，预计到2 0 1 0 年，我国要新建城f 污水处 理厂一千余座，因此污水处理具有很大的经济效益、社会效益、及环保效益。 1 1 2 课题研究意义 由上面分析可以知道，合理开发水资源的重要战略对策，是实现我国社会经 济的可持续发展的重要保证。要解决水资源问题需要采取合理措施，大规模范围 内进行环境治理、推行环保措施、消除水污染、大力推广清洁生产工艺；采用闭 合循环、节水降耗，尽可能把水“归还”大自然。然而为了提高污水处理效率和 减少能耗，提高出水水质、提高运行状况的检测和监控水平，提高水处理设备和 系统工程的自动化水平是至关重要的l 引。 污水处理具有处理过程工艺复杂、连续生产、参数检测困难、干扰多等特点。 江苏大学硕士学位论文 污水处理自动控制系统则可以根据水处理的工艺要求实现污水处理设备的自动 控制。通过污水处理自动控制系统可以实现水处理没备按照预先设定的工艺要求 运行，同时可以在线监视设备的运行状况以及在线采集水处理的参数。污水处理 自动控制系统还可以减少能耗，最大限度地提高污水处理厂运行的可靠性。除此 之外还可以提高出水水质、降低工人劳动强度达到显著提高经济效益目的。 前几年国家环境保护总局曾对我国5 5 个城市的5 0 0 0 多套工业废水处理设施 进了大规模的调查。结果表明，运行效果好和比较好的只占2 4 ，而建后没能运 行或处理能力达不到设计能力一半的没施竟占6 3 8 。可见我国污水处理自动控 制技术仍处于较低的水平。 因此为了改变我国污水处理控制技术的这种落后现状，开展污水处理厂自动 控制统和控制算法的研究，具有很深远的意义。本文以镇江市大港污水处理厂的 污水处理系统作为研究背景来探讨污水处理自动控制系统与控制算法的实现。镇 江市高新区每年产生大量废水，废水的污染不仅影响镇江市居民的生活环境，也 直接影响镇江市的水体环境。因此污水处理自动控制技术的研究是污水处理成败 的关键。 1 2 国内外污水处理自动控制系统研究现状 现代污水处理厂采用计算机控制几益普遍，欧美国家一些城市污水处理厂已 经用计算机进行数据记录和运行过程控制，甚至实现全自动化无人值守控制模 式。如美国爱阿华水厂，在七十年代初开始研究微机自动控制水厂投加药剂，1 9 7 5 年应用直接数字式计算机控制自动加矾，运转一年就降低矾耗2 0 ，并且提高了 管理水平和稳定了水质。此外，俄罗斯莫斯科水厂、日本东京朝霞水厂等也先后 采用计算机自动控制水厂工艺，取得较理想效果。现在许多美国大中型水厂均由 一套集散型的自动控制系统进行控制。在厂区范围内设有若干台现场计算机，对 整个水处理过程实行多环路控制，其中包括沉淀、过滤及反冲洗、臭氧处理、化 学药剂投放、泵房等。设在中央控制室内的计算机主机从各个现场计算机中收集 数据，并提供图表显示曲线、各个设备动作记录、设备故障报警等。在电子自动 控制系统发生故障时，每一个自动控制过程都可切换成手动控制1 4 i 。 国内污水处理厂控制系统虽然还比较落后，基本仍是手工操作，但有些城市 2 江苏大学硕士学位论文 污水处理厂引进全部或局部计算机控制，取得了一定的经验。目前，国内污水处 理的控制水平基本分为三个层次i 引。 ( 1 ) 手动操作：采用常规分散仪表对污水处理过程中的液位、流量、温度、 浊度、p h 值、溶解氧浓度( d o ) 、生化需氧量( b o d ) 、化学需氧量( c o d ) 、 污泥浓度( m l s s ) 等性能指标进行离线或在线采集，根据数据得出控制要求， 操作员在现场控制主要设备，如阀门的丌闭、电机的启停、鼓风量的调节等等。 在这种控制方式下，控制完全由工人在现场操作，工艺参数得不到可靠保证，污 水处理后出水质量难以保证，稳定性差，工人操作劳动强度大，主要设备和装置 不能工作在最佳状态。这种控制方式由于投资少，主要在一些小型污水处理厂应 用。 ( 2 ) 半自动控制：通过数据采集器等手段采集局部过程量送入控制室，一般 在控制室设有工艺模拟显示屏或上位机，在模拟屏或上位机上显示液位、流量、 温度、浊度、p h 值、溶解氧浓度( d o ) 、生化需氧量( b o d ) 、化学需氧量( c o d ) 、 污泥浓度( m l s s ) 等过程参数，及电机、阀门等设备的运行状态。对e 产过程 进行监控的上位机操作人员可以在模拟屏或操作台上遥控部分设备的启停，而某 些设备控制就需要联系现场操作人员，由现场操作人员手工控制，生产中的数据 需要人工记录。这种控制方式，需要人工的频繁介入，中间存在人为联络的延迟， 使出水水质会有较大的波动，工人的劳动强度也较大，国内中小型污水处理厂较 多采用。如天津纪庄子污水处理厂，引进美国1 9 7 6 年研制成功的c s s ( 中心控 制系统) ，采用c p m 操作系统，用于供氧、溶解氧、尾气三个控制回路中电动 阀门和曝气器变速电机控制。c s s 系统由个人计算机、控制机、c r t 终端、打 印机等组成。能实现现场手动、遥控操作。由于软、硬件都足国外技术，不利于 后期的维护工作。 ( 3 ) 全自动控制：采用计算机控制技术与多层次的网络结构对污水处理过程 进行无人值守全自动控制。生产过程控制中的各种信号通过相应变送器送入下位 机，一般下位机采用可靠的p l c 作为控制单元，运行先进的摔制算法，实现现 场设备的实时控制。作为上位机的工业控制计算机采用t c p i p 协议和标准数据 库，实现信息的集成管理和远程控制。上、下位机之间通过网络传送采集参数和 远程控制参数。这种控制方式是自控技术的发展方向，国内外的大型污水处理厂 江苏大学硕士学位论文 都在使用。如安徽圣泉啤酒厂，日处理污水7 0 0 0 吨。其自控系统采用二级集散 型控制系统，由上位p c 机作为管理机，由三台p l c 作为测控连锁机，并能对现 场设备实施保护控制。再如2 0 0 1 年调试成功的上海松江污水处理厂自动控制系 统，采用了s i e m e n ss i m a t i cs 7 3 0 0p l c + p r o f i b u s + p c 的结构，共有5 个p l c 控制器、6 个上位p c 监控站( 内装s i e m e n sw i n c c 视窗控制中心监控软件) 。 系统的网络采取双层网络结构，其中局域网部分采用p r o f i b u s 方式，用于各 个从站之问和从站与主站之间的信息传送。整个主干网络的距离有2 公里，因此 在各个站之间放置了网络放大器，用以提高网络的传输速度。模拟屏的控制使用 了一套单独的p l c 系统，通过网络和每个从站交换u o 信息，这样就大大地减 少了i o 模块，降低了成本。 1 3 污水处理自动控制系统的难点 污水处理所涉及的控制系统规模较大，系统工艺流程复杂，各工艺过程地理 位置比较为分散，是一个多变量、多回路、大滞后、非线性的复杂系统1 6 i 。由于 污水处理是一个批次乍产过程，废水分批进入反应池中发生反应，给控制系统带 来较大的超调鼍，而且控制过程比较短暂。污水处理的前后工序之间存在互锁关 系，而某些检测在线参数的检测仪器存在滞后、误差等问题，从而导致控制的实 时性和精度难把握。为此需要研究污水控制对象的特性，选择合适的控制参数， 保证其控制质量。污水处理涉及到一些生化反应过程，如污水的曝气过程，是一 个大滞后的过程，因此要选择既保证控制效果又不能太过于复杂的控制策略是一 个重要的研究问题。污水处理厂的设备都是大功率、大能耗的设备，在实际的设 计过程中应充分考虑设备的保护和合理配置使用，以及节能的问题。同时在污水 处理的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，建立完 整、可靠的综合自动化系统，也是有待研究发展的问题1 1 i 。 1 4 本文所作的主要工作 本课题是为镇江市大港污水处理厂设计的全自动污水处理控制系统，经过上 面分析可以知道，污水处理是个动态复杂的过程，存在许多控制难点。目前国内 外专家都在努力寻找解决方案，目前已经有了很多成功的案例。本课题在分析诸 4 江苏大学硕士学位论文 多难点的基础上结合目前污水处理控制方面很多成功的案例，针对难点结合镇江 市污水处理项目提出了适合镇江市大港污水处理厂的控制方案。因此本课题主要 讨论以下几个内容。 l 、对目前自动控制系统中多种网络形式进行比较分析，确定 p r o f i b u s 现场总线+ 光纤冗余环网作为污水处理厂的通讯网络。 2 、根据污水处理工艺及污水处理自动控制的要求，确定p l c + i p c 为污 水处理厂的控制模式，p l c 采用德国西门子公司的s 7 3 0 0 ，并采用 德国西门子公司的w i n c c 作为系统的监控组态软件。 3 、 针对污水处理过程动态复杂，提出专家模糊控制方案( e x p e r t f u z z y ) ，通过m a t l a b 仿真，对专家模糊控制、s m i t h 预估算法进行 比较。 4 、 研究污水处理厂现场控制站的软、硬件的实现。 因此文章接下来首先对污水处理工艺进行简单介绍，介绍了目前污水处理厂 的几种常用工艺，同时针对镇江市大港污水处理厂的特点，提出该污水处理厂的 处理工艺。接着提出该污水处理厂的自动控制方案，同时对关键没备进行选型。 然后对污水处理厂的自动控制系统根据设计方案进行详细设计，包括上位机、下 位机的实现。最后文章针对污水处理过程中的难点介绍了专家模糊控制( e x p e r t f u z z y ) 在污水处理过程控制中的优点，及其在污水处理中的应用和在m a t l a b 上 的仿真。 1 5 本章小结 本章首先阐述了污水处理厂控制系统与控制算法课题提出的背景及研究意 义。接羞回顾目前国内外污水处理a 动控制系统的现状，同时提出了污水处理过 程中的难点。最后提出了本课题的设计方案。 江苏大学硕士学位论文 第二章污水处理工艺介绍 2 1 城市污水的污染指标 污水的污染指标是用来衡量水在使用过程中被污染的程度，也称污水的水质 指标l 引。 l 、生化需氧量b o d 生化需氧量b o d 是在指定的温度和指定的时间段内，微生物在分解、氧化 水中有机物的过程中所需要的氧气量。一般采用以2 0 。c 和培养5 天的时间作为 标准。以b o d 5 表示，通常用m g l 或p p m 作为b o d 的量度单位。 2 、化学需氧量c o d 。， c o d 。，是在高温、有催化剂及强酸环境下，强氧化剂氧化有机物所消耗的氧 气量，单位为m g l 。 3 、悬浮同体s s 悬浮固体s s ，也称悬浮物，是水中未溶解的非胶态的固体物质，反映污水 汇入水体后将发生的淤积情况，其含量的单位为m g l 。 4 、p h 值 反映污水的酸度和碱度，用p h 值来表示。 5 、总氮t n 、氨氮n h 3 n 和总磷t p 氮和磷是植物性营养物质，会导致湖泊、海湾、水库等缓流水体富营养化， 而使水体加速老化。总氮是污水中各类有机氮和无机氮的总和。氨氮是无机氮的 一种，总磷是污水中有机磷和无机磷的总和。 6 、有毒化合物和重金属 这类物质对人体和污水处理中的生物都有一定的毒害作用，如氰化物、砷化 物、汞、锡、铅等有直接毒害作用的污染物和其它有毒害作用的无机污染物等。 2 2 城市污水处理方法 城市污水处理方法主要有物理法、化学法和生物法。 物理法主要利用物理作用来分离或回收废水中的悬浮物，它只适应于作废水 6 江苏大学硕士学位论文 的预备处理或初级处理；化学法主要利用化学反应来处理或回收废水中的溶解物 或胶体物，如酸碱中和等；生物法主要利用生物的作用来处理废水，有机物经过 生物法处理后转变为c 0 2 与无机盐。生物法具有净化能力强、费用低廉、运行 可靠性好等优点，是废水处理的主要方法i 引。 城市污水处理的目的在于如何经济合理地解决城市污水的管理、处理和利用 问题。根据处理任务的不同，被划分为三级处理流程。典型的污水处理流程如图 2 1 所示1 5 i 。 水 图2 1 城市污水典型处理流程 预处理和一级处理( 物理处理) ：预处理由格栅和沉砂池组成，再加上初沉 池组成一级处理系统，主要去除污水中大的泥沙颗粒和呈：悬浮态的固体污染物， 一般可去除5 0 左右的悬浮物和2 5 左右的有机物。一级处理出水中还含有较 多溶解性有机污染物质，一般不宜直接排放，仅作为二级处理的预处理。 二级处理( 生化处理) ：主要处理对象是废水中的胶体态和溶解态有机物。 经过二级处理后的污水已经能够达到标准的排放标准。根据生化反应中氧气的需 求与否可将二级处理分为两大类：一是好氧生物处理法，常用的是活性污泥法和 生物膜法；二是厌氧生物处理法，又分为污泥消化法、厌氧接触法等。在实际中 若废水有机物浓度低于1 0 0 0 m g l ，比较适于采用好氧生物处理；浓度更高时， 则应该采用厌氧生物处理。城市生活污水中的有机物浓度不是太高，且水温较低， 一次采用好氧生物处理方法就可以了。 三级处理( 深度处理和再利用系统) ：进一步去除二级处理所未能去除的污染 物质，其中包括微生物未能降解的有机物和磷、氮等能导致水体营养化的可溶性 无机物质等。当前广泛应用的是利用活性污泥法或生物膜法的生物脱磷除氮技 术。 7 江苏大学硕士学位论文 目前，国内外最普遍流行的是以传统活性污泥法为核心的二级处理技术，它 集物理化学处理和生物处理于一体。活性污泥法工艺具有较高的处理率，运行稳 定可靠。活性污泥工艺有很多种形式，应用最广泛的主要有：氧化沟、u n i t a n k 工艺、b i o l a k 工艺、a a o 工艺、c a s t 法等。 2 3 污水处理工艺选择 污水处理工艺选择基本原则为：“技术合理、经济合算、高效节能、运转可 靠”。下面主要对a a o 工艺、c a s t 工艺、氧化沟工艺进行比较l l o i ，选择适合 本工程的污水处理工艺。 l 、删o 工艺 a a o 工艺是一种典型的除磷脱氮工艺，其生物反应池由a n a e r o b i c ( 厌 氧) 、a n o x i c ( 缺氧) 和o x i c ( 好氧) 三段组成，是一种推流式的除磷脱氮工 艺。其特点是厌氧、缺氧和好氧三段功能明确，界限分明，可根据进水条件和出 水要求，人为创造和控制三段的时空比例和运转条件，当碳源充足时，具有良好 的脱氮效果。总的来说，这种工艺运行可靠，除磷脱氮效果好。其缺点是构建物 较多，流程复杂，而且当进水水质、水量变化较大时，其适应能力下降。其工艺 流程见图2 2 。 图2 - 2a a o 工艺流程图 2 、c a s t 工艺 c a s t ( c y c l i ca c t i v a t e ds l u d g et e c h n o l o g y ) 是一种s b r 的改进型工艺，其 8 江苏大学硕士学位论文 特点是利用微生物在反应器中按照一定的顺序对污水进行处理。与传统意义的 s b r 反应器不同，c a s t 工艺的一个重要特点在于反应池的进水始端设置生物选 择器，它是一容积较小的污水污泥接触区，进入反应器的污水和从主反应区回流 的活性污泥( 2 0 ) 在此相互混合接触。设计合理的生物选择器可有效的抑制丝 状菌的繁殖，克服污泥膨胀，提高系统的运行稳定。与传统的活性污泥比较， c a s t 工艺有以下四点特征：( 1 ) 根据生物选择器原理，利用与主反应区合建或 分建、位于系统前段的生物选择器对磷的释放、反硝化作用及对进水中有机物的 快速吸附和吸收作用，增强了系统运行的稳定性；( 2 ) 可变容积的运行提高了系 统对水量水质变化的适应性和操作的灵活性；( 3 ) 根据生物反应动力学原理，采 用多池运行，污水反应器的流动呈现出时间上绝对推流而在空间为完全混合的复 杂流态，保证了稳定的处理效果；( 4 ) 通过对生物降解速率和d o 控制，使反应 器具有同时硝化反硝化等优良的脱氮除磷效果，降低了运行费用1 1 1 l 。 在活性污泥处理技术发展初期，对于间歇式的污水进水方式，只能采用人工 操作方法，它给系统的运行管理带来很大不便。由于自动控制技术的发展，c a s t j r 艺以其独特的优势引起了广泛的注意，成为目前世界城市污水处理技术中的热 门工艺，美、同、德近十年建成2 0 0 0 多座中、大型的c a s t 污水处理厂。在江 苏海门、无锡锡山市、浙江海宁等多座城市已建成了采用该工艺的污水处理厂。 其工艺流程如图2 3 。 l i 一j 剩余污泥 排放 图2 - 3c a s t 污水处理工艺 3 、氧化沟工艺 氧化沟工艺是五十年代由荷兰工程师发明的，因其池型呈封闭循环流沟渠而 9 江苏大学硕士学位论文 得名，其沟内循环水量往往是进水量的几十倍甚至上百倍，所以氧化沟兼有推流 型和完全混合型曝气池的特点，具有较强的抗冲击负荷的能力。 目前氧化沟工艺发展速度较快，种类也比较多，但其机理还是活性污泥法。 目前国内外应用比较多的氧化沟主要有卡鲁塞尔( c a r r o u s e l ) 氧化沟、奥贝尔 ( o r b a l ) 氧化沟等。 但是，由于受到沟深的限制，导致氧化沟的占地面积比较大。同时，其充氧 能耗较高，造成运转费用也相对较高。其工艺流程如图2 3 。 图2 - 3 氧化沟工艺流程图 4 、污水工艺比较及选择 通过上面的分析，三种工艺各有优缺点，下面对这三种工艺进行综合比较见 表2 1 。 表2 - 1三种污水处理工艺综合比较一览表 工艺 项目沁 a a o - 1 2 _ 艺c a s t t 艺o r b a l 氧化沟工艺 t 程规模3 万吨k l3 万吨日3 万屯f 1 经t 程总投资4 2 2 2 万元3 9 2 6 万元4 0 4 2 万元 济 装机容量 6 5 4 k w6 0 3 k w9 2 6 k w b o d 、c o d 、s s 达 能达标能达标能达标 标能力 技 耐冲击负荷能力、运 术 行稳定性 好好好 性t n 、t p 去除 具自脱氮除磷的功能具有脱氮除磷的功能除磷的效果差 能 成熟性成熟较成熟较成熟 对环境影响较小较小较大 产泥量较少少少 1 0 江苏大学硕士学位论文 通过上述比较可以看到，在处理程度相同的条件下，c a s t 工艺流程简便， 运行可靠，操作灵活，不单独设沉淀单元，污泥量小，工程费用及电耗较低，并 且运行经验目益丰富，因此我们采用c a s t 污水处理工艺，同时考虑到本工程的 特殊性，在c a s t 池的前面，增加厌氧水解酸化池，使污水的抗冲击能力和处理 能力得到更大的改善。 2 4 本章小结 本章首先介绍了污水处理的主要水质参数，接着对目前城市污水处理工艺进 行了简单介绍并对常用污水处理工艺进行比较，最后就本工程污水处理工艺进行 选择，并确定污水处理工艺。 江苏大学硕士学位论文 第三章污水处理厂自动控制系统方案设计 3 1 污水处理厂自动控制系统设计原则 污水处理厂自动控制系统的设计应遵循“集中管理，分散控制，数据共享 的原则，设计选型不仅要使系统性能稳定、运行可靠、操作简单、维护方便，而 且要求满足易于扩展、运行经济、性价比高等特点。而且自控系统应满足污水处 理厂运行管理和安全处理的要求，即生产过程自动控制、自动报警、自动保护、 自动操作、自动调节，提高运行效率、降低运行成本、减轻劳动强度，对污水处 理厂内各系统工艺流程中的重要参数、重要设备进行计算机在线集中实时监控， 从而确保污水处理厂的出水水质达到设计排放标准。具体要求如下： l 、有良好的适应性； 2 、采用分布式结构，具有良好的通讯能力； 3 、有友好的人机界面和良好的后备能力； 4 、有良好的开放性； 5 、采用自动检测设备对水质参数进行在线测量。 3 2 污水处理控制网络选择 与普通的办公自动化网络相比，用于工业控制，尤其是现代大型工业环境中 的通讯网络，要求有高实时性、高可靠性、故障下的高负荷和传输负荷的相对稳 定性。工业网络承载的信息是多层次的，有位信息、字节信息、帧信息等，而且 信息量的大小、反应时问、传输速度也各不相同。当前适应于工业控制的网络主 要有d c s 局部网络、工业以太网、现场总线等。采用何种网络，很大程度上取 决于应用需要，如网络大小、数据量、节点数、扩展能力等| l 引。 3 2 1d c s 网络 d c s 属于非开放式专用网络。d c s 主机是d c s 系统的控制、通信中心。在 d c s 网络中，各控制仪表或其它网络接点之问的信息交换，一般需要通过d c s 1 2 江苏大学硕士学位论文 主机进行。作为一项比较成熟的工程技术，d c s 在全世界范围内取得了巨大成 功，但随着时代的进步，各种新技术的推陈出新，人们对d c s 的要求也同益苛 刻，所以今天的d c s 呈现出一些不足，具体有： 1 、系统接线工作特别繁重，因为每个现场设备都需要用线缆连至控制室， 为以后的查线、维护带来许多不便； 2 、由于采用的是标准模拟4 2 0 m a 信号，不是数字信号进行数据传输，因 此在信号可靠性、抗干扰等方面值得怀疑； 3 、各种不同的d c s 在互连时存在问题，也就是说我们在同一工程中选用不 同d c s 联接时，在互相通讯上往往有一些麻烦，这就给系统集成带来困难，因 此我们需要在不同d c s 的互操作性上做些工作。 因此在采用d c s 集散型控制系统的污水处理厂中，各厂家的系统网络大多 按各制造厂自身的通讯协议工作，影响了综合自动化系统的完整性与可靠性，同 时开放性和可扩充性都比较差1 1 3 l 。 3 2 2 工业以太网 7 0 年代出现的以太网主要应用于办公自动化( o a ) 领域，从实时控制要求 出发，以太网有许多缺点，其中最重要的便是以太网采用c s m a c d 协议，该协 议是一种非确定性通讯方式，亦即是大家一起争抢总线控制权发送信息，但是该 方式无法保证一串重要信息，在一定的时间内能发送到指定的设备。但由于其技 术完全公开，很快地被大家所接受，通过不断改进、提升，市场占有率越来越大， 而成本就越来越低，进而变成主流网络。工业以太网遵循i e e e 8 0 2 3 国际标准， 是一种开放式的、多供应商、高性能区域的管理级网络。工业以太网传输介质可 以采用同轴电缆、双绞线、光纤和无线通讯。当采用双绞线网络时，网络可最大 扩展1 4 0 0 米，两个网络节点间的最大距离为1 0 0 米1 1 4 j 。以太网传输具有以下特 占i i s l 、 ( 1 ) 具有相当高的数据传输速率，能提供足够的带宽； ( 2 ) 由于具有相同的通信协议，e t h e r n e t 和t c p i p 很容易集成到i t ( 信息技 术) 世界； ( 3 ) 能在同一总线上运行不同的传输协议，从而能建立企业的公共网络平台 江苏大学硕士学位论文 或基础构架； ( 4 ) 在整个网络中，运用了交互式和开放的数据存取技术； ( 5 ) 沿用多年，已为众多的技术员所熟悉，市场上能提供广泛的设置、维护 和诊断工具，成为事实上的统一标准； ( 6 ) 允许使用不同的物理介质和构成不同的拓扑结构； 3 2 3 现场总线 现场总线( f i e l db u s ) 是8 0 年代末、9 0 年代初国际上发展形成的，用于过 程自动化、制造自动化、楼宇自动化等领域的现场智能设备互连通信网络。它是 工厂数字通信网络的基础，沟通了生产过程现场控制设备之间及其与更高控制管 理层次之间的联系。它不仅是一个基础网络，而且还是一种开放式、新型全分布 式控制系统。 现场总线系统在技术上具有以下特点1 1 4 1 ： 1 、系统具有开放性和互用性 通信协议遵从相同的标准，设备之间可以实现信息交换，用户可按自己的需 要，把不同供应商的产品组成开放互连的系统。系统间、设备间可以进行信息交 换，不同生产厂家的性能类似的设备可以互换。 2 、系统功能自治性 系统将传感测量、补偿计算、工程鼍处理与控制等功能分散到现场设备中完 成，现场设备可以完成自动控制的基本功能，并可以随时诊断设备的运行状况。 3 、系统具有分散性 现场总线构成的是一种全分散的控制系统结构，简化了系统结构，提高了可 靠性。 4 、系统具有对环境的适应性 现场总线支持双绞线、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，能采用两线制实现供电和通信，并可以满足安全防爆的要求。 由于现场总线结构简化，不再需要d c s 系统的信号调理、转换隔离等功能 单元及其复杂的接线，节省了硬件数量和投资。简单的连线设计，节省了安装费 用。设备具有自诊断与简单故障处理能力，减少了维护工作量。设备的互换性、 1 4 江苏大学硕士学位论文 智能化、数字化提高了系统的准确性和可靠性。还具有设计简单，易于重构等优 点。 目前国际上现场总线种类繁多，主要有五种典型的现场总线，它们分别是： 基金会现场总线、p r o f i b u s 现场总线、l o n w o r k s 现场总线、c a n 总线、 h a r t 总线。各种现场总线各有自己的优势，和应用侧重点。表3 1 为各种现场 总线的主要应用领域。由表3 1 可以看出p r o f i b u s 现场总线在各个领域应用 都比较广泛。同时经过多年的应用实践，p r o f i b u s 以其技术成熟、协议开放、 性能稳定等特点赢得了广大的用户的好评。因此在镇江市大港污水处理厂自动控 制系统中，我们把p r o f i b u s 作为我们首选的现场总线。 表3 - 1 各种现场总线的主要应用领域 总线类型制造业输配电公共建筑自动化仪表过程控制 w o r l d f i p + 奎 幸幸 p r o f i b u s 幸 f f l o n w o r k s 幸幸 c a n 幸幸 d e v i c e n e t 幸 注：表中+ 代表该类总线市场占有率。 p r o f i b u s i l l 6 是一种国际性的、开放的、已在世界范围内得到广泛应用的 现场总线。目前国际上许多公司的产品支持p r o f i b u s 总线，现场总线仪表系 列齐全，市场占有率第一，德国西门子公司则是p r o f i b u s 产品的主要供应商。 p r o f i b u s 根据应用特点分外p r o f i b u s d p 、p r o f i b u s f m s 、p r o f i b u s p a 三个兼容版本。其中p r o f i b u s d p 是一种经过优化的高速通信连接，专为自动 控制系统和分散i o 设备之间通信设计，用于分布式控制系统的高速数据传输， 其传输速率最高可达1 2 m b i t s ，一般构成单主站系统：p r o f i b u s f m s 主要解 决车问级通信任务，提供大量的通信服务，完成中等速度的循环和非循环通信任 务，用于纺织工业、楼宇自动化等一般自动化控制；p r o f i b u s p a 专为过程自 动化设计，提供标准的本质安全传输技术，用于对安全性要求较高的场合及有总 线供电的站点。 江苏大学硕士学位论文 3 2 4 网络选择 通过以上分析，我们知道工业以太网与现场总线的特点和优越性。同时参考 许多成功的污水自动控制案例。我们选用“工业以太网+ 现场总线”的方案。 3 3 主要硬件设备选型 3 3 1 控制设备选型 在本项目现场控制系统中选用德国s i e m e n s 公司s 7 3 0 0 系列p l c 做主站， 分布式i os i m a t i ce t 2 0 0 m 做从站。s 7 3 0 0 是s i e m e n s 公司推出的一种中型 p l c 。s 7 3 0 0 是一种全集成的、模块化的p l c 。它硬件安装简单、快捷，具有很 多种扩展模块及各种功能模块，能满足用户的不同需要1 1 8 1 1 1 9 l 。 s 7 3 0 0 具有下列特点： 高密度的i o 模块，每个模块最多可达3 2 个通道。 模块无需设置跳线。 集成的易于连接的背板总线。 d i n 导轨安装方便可靠，无槽位限制。 自编码型前连接器识别模块类型，确保模块更换后连线正确。 内容丰富，功能强大的指令集。 多种c p u 型号满足不同的性能要求。 强大的扩展能力，集中式配置可达1 0 2 4 个d i o ，1 2 8 个a i o ，分布式 配置可达1 6 3 8 4 个d i o ，2 0 4 8 个a i o 。 丰富的模块，从i o 到工业p c 。 通过网络和点到点连接进行通讯。 s i m a t i ce t2 0 0 m 分布式远程i o ，它是功能较强并且使用灵活的分布式 i o ，它具有下列特点0 2 0 i ： 模块化：支持8 个扩展模块。 使用s 7 3 0 0 全系列模块，包括c p 、f m 。 可以连接2 5 6 个i o 通道。 支持h a t r 协议的模板，将现有的h a r t 仪表接入现场总线。 1 6 江苏大学硕士学位论文 独立接线。 集成模块诊断功能。 选用有源背板总线实现热插拔功能。 提供与h 系统相连的冗余接口模块：i m l 5 3 2 。 通过e t 2 0 0 m 上的i m l 5 3 接口模块使用双绞线电缆可将e t 2 0 0 m 分布式远 程i o 设备连接到d p 主站。c p u 处理e t 2 0 0 m 分布式远程i o 设备上的输入 输出信号就象处理主机架上的输入输出信号一样。 因此在本工程中采用s 7 3 0 0 ( c p u 3 1 5 2 d p ) 作为p r o f i b e u s d p 的主站， s i m a t i ce t 2 0 0 m 作为p r o f i b e u s d p 的从站。通过网络通讯模块c p 3 4 3 1 ， 将p l c 系统连接到工业以太网。 3 3 2 在线检测仪表的选型 污水出水水质的好坏与在线检测仪表的性能有决定性的关系。因此在本工程 中，在线检测仪表都是选用国际知名品牌。在污水处理过程中有以下几个重要检 测仪表：超声波液位仪、溶解氧测定仪、悬浮颗粒浓度检测仪表、污泥浓度检测 仪、p h 温度仪、氧化还原电位仪、压力变送器、气体流量计、电磁流量计、在 线c o d 测定仪表、全自动水质采样器等。下面将对几个重要的检测仪表进行选 型。 1 、在线c o d 测定仪 在线c o d 测定仪表我们选用德幽l a r c o d 分析仪。德国l a r 公司是一家 全球领先的在线分析仪器供应商，他们生产的仪器仪表已经成功应用于工业和市 政领域水质和过程分析的多参数测量。该公司生产的e l o x l 0 0 在线c o d 监测 仪具有技术先进，采用电化学方法，不用有害物质，操作方便，响应快，可检测 瞬时“尖峰 等特点。下面是e l o x l 0 0 在线c o d 监测仪性能描述： 灵敏度：l m g l 重复性：+ 3 e s 测量精度：士5 f s 线性度：土2 f s 反应时问：3 0 秒 1 7 江苏大学硕士学位论文 模拟输出：0 4 - - 2 0 m a 串行输出：r s 2 3 2 环境温度