以太网与污水处理.doc

本文介绍了西门子公司S7300PLC在污水处理厂自动控制中的应用，设计基于工业以太网的多处理器分布系统，详细介绍了系统网络拓扑结构，系统的硬件组态，PLC程序设计以及监控系统的设计。针对污水处理中曝气过程溶解氧控制对象的非线性、时变性以及不确定性等特点，提出一种基于模糊自适应P1D的控制方法，完成了溶解氧自适应模糊PID控制系统的设计。该系统实现了城市污水处理的全自动控制，实际运行稳定，效果良好。 随着城市人口的急剧增加，大量生活污水未经处理流人江河湖海，使环境和饮用水被严重污染。因此，建立高度自动化的生活污水处理站是解决水污染问题的有效途径，本文以忻城污水处理厂为例，介绍了基于工业以太网多PLC的污水处理控制系统。 为确保污水处理工艺和设备能够长期安全可靠地运行，采用西门子S7300 PLC可编程序控制器和智能检测仪表组成下位机，实现对现场设备的监控。针对污水处理中溶解氧浓度(DO)的变化对污水处理过程的影响，引入调整因子的污水处理DO自适应模糊控制系统，通过调节曝气机的运转频率。将DO稳定控制在理想浓度，使该控制系统具备较好的稳定性和自适应能力。上位机采用组态王Kingview 653软件。实现整个系统的画面监测、参数设定和指令控制等功能。整个控制系统的网络结构采用光纤环形以太网，可实现从现场控制层到管理层的无缝信息集成，并提供一个开放的基础架构。1 污水处理工艺 该污水厂主要处理城市污水。采用目前流行的CASS工艺，周期循环活性污泥法CASS(cyclic actirated sludge system)它是一种循环式活性污泥法，是SBR工艺的一种变形。CASS工艺主要原理是利用一种好氧菌在氧气充足条件下，吸附水中有机物质生成污泥沉淀。CASS池一般由生物选择区、厌氧区(也称预反应区)和主反应区构成，在此反应器中活性污泥法过程按进水曝气、沉淀、滗水、闲置4个阶段不断重复，将生物反应过程和泥水分离过程结合在一个池子中进行。在本系统中一共有4个生化池，大大增加了处理生活污水的能力。流程如图1所示。点击图片查看大图 图1 CASS工艺流程图点击图片查看大图图2 自动控制系统图2 控制系统的总体设计方案 自控系统采用“集中管理、分散控制、数据共享”的结构，中控室上位机可通过各现场的PLC子站直接控制有关设备和主要设备，如果中控室或网络发生故障，不会影响各PLC分站的控制功能，如果PLC网络中某个PLC子站发生故障，可通过就地控制箱对设备进行控制。自动控制系统见图2。21 控制系统的网络结构 如图2所示，主干网络使用了多模光纤百兆环网，单机单环即在网络中的每一个站点均有一台工业冗余以太环网交换机。这种网络具有一层网络冗余功能，当网络中某一处信道发生故障时，网络会在300ms内重新拓朴网络结构，在逻辑上形成一个总线型网络，可继续维持整个系统正常工作。由于这种网络拓朴结构只能形成一层网络冗余，如果在网络中的某一台交换机发生故障时，则这台发生故障的交换机所连接的设备将不能与其它交换机所连接的设备进行通信。某台交换机的故障不会影响其他系统的工作，而故障交换机仅暂时影响信息上传，不会影响系统内部的自动运行。 采用单机单环拓扑结构对于该厂是经济合理的。系统具有如下特点：(1)带宽大，传输速度快，整体方案采用全双工100Mbs。光纤以太环网，网络实际带宽达到200Mbs。(2)交换式以太网，保证系统的传输效率，消除了网络冲突。(3)环形冗余方案，确保系统的可靠性，减少投资。(4)可扩展性好，通用性强。22控制系统的硬件设计(1)中央监控室。中央监控室设两台中央监控计算机(互为热备)、彩色喷墨打印机等。两台监控计算机均为研华工控机，配有Windows xp操作系统，并配有STEP7 5.4西门子编程软件和Kingview653组态王监控软件。通过上位机，操作人员可以远程控制现场各设备的运行。(2)分布式控制站。本系统采用西门子SIMATICS7300 PLC可编程控制器。它是模块化结构设计。无风扇结构，易于实现分布，易于用户掌握。 a预处理子站(PLCl)。PLCl站主要负责粗格栅(2个)、提升泵房(3个)、细格栅(2个)、旋流沉砂池等设备的数据采集和现场控制柜的操作，并对进厂水质进行数据采集和监控。 b鼓风机子站(PLC2)。PLC2站主要负责鼓风机房3台变频鼓风机的控制和管道空气电动阀的控制，并对管道的压力和空气流量进行测量。 cCASS池子站(PLC3)，PLC3站主要负责4个生化池(4个进气阀、4个进水阀、4个回流污泥泵和剩余污泥泵、4个滗水器、12个搅拌机)，紫外线消毒渠，出厂水的主要电控设备及在线检测仪表、出厂水水质参数检测仪表等设备的数据采集和现场控制柜的操作。主要完成生化池的控制，每个生化池四格一组，每格生化池分为生物选择区、兼氧区、主反应区，并按照时间顺序完成进水曝气、沉淀、撇水、闲置工艺周期。4个池子的运行时序图如图3所示。点击图片查看大图 图3 生化池运行时序图 231 PLC程序设计 本系统采用STEP54编写程序。网络通讯南工业以太网组成，故采用TCPIP通讯协议。在污水处理中最重要的是如何控制生化池溶解氧DO的含量，根据经验，曝气生物池中溶解氧浓度维持在20mgL时滤池中的生物活性最大，处理效果最佳。这就需要现场采集DO值并反馈给PLC，从而控制鼓风量大小，由于鼓风机子站与CASS池子站的控制是相互独立的，所以实现2个PLC间的数据通信很关键。实现PLC与PLC间的通讯有以下步骤： 第1步打开SIMATIC Manager，根据本系统的硬件组成，进行系统的硬件组态，并设置2个PLC站的通讯模块CP3431 Lean的参数，建立1个以太网、MPI、IP地址，鼓风机子站(PLC2)的IP地址设为192 1680 21CASS池子站的IP地址设为192.168.0.22。如图4所示。 第2步组态完硬件模块后，分别下载到PLC。然后进行网络组态，选中CPU314，在窗口的左下部分点击鼠标右键，插入一个新的网络连接，并设量链接类型为ISOONTCP connection或TCP connection或UCP connection或ISO Transport connection。点击OK后，弹出链接属性窗口，使用该窗口的默认值，并根据对话框右侧信息进行后面程序块的参数设定。组态好的网络如图5所示。点击图片查看大图 图4 鼓风机子站的硬件组态点击图片查看大图 图5 系统的网络组态 第3步组态全部完成后就可以进行程序编程了，分别在2个CPU314中插入0835定时中断程序块和数据块DB2和DB3，并在2个0835中调用FC5(AG_Send)和FC6(AGRecv)程序块，如图6所示。点击图片查看大图 图6 定时中断程序 创建DB2、DB3数据块如图7。点击图片查看大图 图7 DB2、DB3数据块的创建 两套控制程序已经编制完成分别下载到CPU当中，当CPU状态切换至运行状态，就可以实现2个控制站PLC之间的以太网通讯了。实现2个站之问的通讯，就可以控制生化池溶解氧DO的含量了。溶解氧的控制是通过传感器测得的DO值反馈给PLC，然后微机调用程序控制变频器，用变频器再调节鼓风机，增加或减少输人反应池里面的氧气，从而达到控制污水处理的效果。如图8所示。点击图片查看大图 图8 曝气控控制系统原理 在污水的自动控制中曝气环节由于过程的复杂性、多变性、非线性和大滞后的特点，在项目中采用模糊PID控制器对其进行控制。模糊自适应PID将常规的PID控制和模糊控制相结合，根据偏差和偏差变化率用模糊推理的方法可以实时涮节PID参数，模糊PID控制原理如图9所示。本文介绍了西门子公司S7300PLC在污水处理厂自动控制中的应用，设计基于工业以太网的多处理器分布系统，详细介绍了系统网络拓扑结构，系统的硬件组态，PLC程序设计以及监控系统的设计。针对污水处理中曝气过程溶解氧控制对象的非线性、时变性以及不确定性等特点，提出一种基于模糊自适应P1D的控制方法，完成了溶解氧自适应模糊PID控制系统的设计。该系统实现了城市污水处理的全自动控制，实际运行稳定，效果良好。点击图片查看大图 图9 模糊PID控制原理围点击图片查看大图 自动调节。根据模糊控制器的原理来设计程序，整体程序流程如图10所示。 整个程序的编写由5TEP7来完成。程序采用模块化编程，首先模拟量采集子程序完成溶解氧现场信号的采集和处理，为实现数据传送的实时性，在循环中断OB35中实现2个PLC之间的数据通讯并把数据存储在DB数据块中，模糊推理子程序根据采集的数据进行模糊推理，模糊推理子程序如图11所示。随后调用变频PID控制子程序，在程序中调用PID功能块，并设置其相关参数，实现对过程变量的P1D调节，即可实现对变频器的控制，从而实现对曝气机的转速控制。主程序在OBI中循环调用，每个子程序都在功能FC中编写，编写完成后直接由主程序调用即可实现其功能。点击图片查看大图 图10 控制系统整体程序流图点击图片查看大图 图11 模糊推理子程序 模糊自适应PID控制器的参数调整比常规PID控制器的参数调整较快，过程调节时间大大缩短;从系统响应上看，模糊自适应PID控制器稳态响应过程比常规PID控制器快，系统的延迟时间减少。从抗扰动能力上看，模糊自适应PID控制器能有效地抑制随机干扰，能及时地对参数进行在线调整，并以比常规PIE控制器更小的误差和更快的速度重新进入稳态工作点，有更好的跟踪性能和满意的鲁棒性。 项目投运以来整个系统运行良好，效果明显优于常规PIA控制，溶解氧浓度始终维持在2.Omg/L左右，提高了LASS生化池中污泥的活性，明显提高了处理城市污水的能力，出水COD、BOD、pH值等参数也处于最佳状态.得到满意处理效果。2.3.2组态王监控界面的设计 系统采用Kingview6.53软件设计了精美组态画面，包括全画面、粗格栅画面、旋转沉砂池画面、CASS池子画面、污泥脱水画面、消毒池画面等。采用TCP/IP进行通信，真实地反映了现场设备的状态，能够方便地通过对组态画面上的可控设备进行操作。监控系统部分画面如图12所示。点击图片查看大图 图12 部分监控系统画面3 结语 针对城市污水处理中曝气过程溶解氧控制对象的非线性、时变性以及不确定性特点，提出一种基于模糊自适应PID的控制方法，完成了溶