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MBR
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MBR污水处理控制组态王独立仿真工程设计,MBR,污水处理,控制,组态,独立,仿真,工程设计
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3.4I/O分配表依据S7-200 CPU224模块的主要技术指标和对污水处理系统的分析，确定系统的输入和输出与PLC的数字量输入点和输出点的硬件连接，I/O 分配表如表3.3所示。表3.3I/O分配表输入输出启动按钮M1.0/I1.0原水泵Q0.0停止按钮M1.1/I1.1中水泵Q0.1浮球1M0.0/I0.0抽吸泵Q0.2浮球2M0.1/I0.1A组阀门Q0.3真空接点M0.2/I0.2B 组阀门Q0.4原水泵开启M0.3/I0.3臭氧发生器Q0.5中水泵开启M0.4/I0.4超声波振板Q0.6抽吸泵开启M0.5/I0.5曝气器Q0.7A组阀门开启M0.6/I0.6B组阀门开启M0.7/I0.7超声波开启M1.2/I1.2曝气器开启M1.3/I1.3臭氧发生器开启M1.4/I1.4自动M1.5/I1.5表3-1 IO端口表功能输入点功能输出点启动M1.0原水泵Q0.0停止M1.1中水泵Q0.1浮球传感器1M0.0抽吸泵Q0.2浮球传感器2M0.1 A组阀门Q0.3真空节点M0.2 B 组阀门 Q0.4原水泵开启M0.3臭氧发生器Q0.5中水泵开启M0.4超声波振板Q0.6抽吸泵开启M0.5 曝气器Q0.7A 组阀门开启M0.6B组阀门开启M0.7超声波开启M1.2曝气器开启M1.3臭氧发生器M1.4自动M1.5目 录1 绪论1 1.1 课题背景1 1.2 课题的目的与意义1 1.3 国内外发展现状1 1.4 研究内容22 工业污水处理控制系统总体介绍3 2.1 工业污水处理基本概念3 2.2 常用的工业污水处理工艺3 2.3 本设计系统工业污水处理工艺及描述5 2.4 工业污水处理系统控制形式6 2.5 工业污水处理系统的功能要求73 电气控制系统方案的选择及硬件设计7 3.1 PLC的工作原理8 3.2 MBR污水处理电气控制系统设计要求9 3.3 PLC选型10 3.4 PLC的I/O资源配置及外部接线图104 软件系统设计12 4.1 总体流程设计12 4.2 启动和停止程序13 4.3 自动和手动切换程序14 4.4 原水泵启动15 4.5 中水泵启动15 4.6 抽吸状态程序16 4.7 反清洗程序设计165 组态软件监控设计及系统运行18 5.1 组态软件仿真实现的意义18 5.2 组态软件的设计步骤18 5.3 组态王全局命令的编写22 5.4 系统的仿真运行23结束语26致 谢27参 考 文 献28附录1 组态王仿真程序29附录2 PLC控制程序301 绪论1.1 课题背景地球虽然有70.8的面积为水所覆盖，但淡水资源却极其有限，人类真正能够利用的是江河湖泊以及地下水中的一部分，仅占地球总水量的0.26，而且分布不均。全世界每天约有200吨垃圾倒进河流、湖泊和小溪，每升废水会污染8升淡水。 随着城市化和工业化的加速，污水处理行业逐渐成长为一个新兴的行业，与自来水生产、供水、排水、中水回用等行业处于同等重要。各级政府对环境保护的重视程度也不断提高。但是这个行业仍然处于初级阶段。中国的污水处理率与发达国家相比，还存在着明显的差距，且处理设施的负荷率较低。因此污水处理将是一个朝阳产业，发展前景将十分广阔。1.2 课题的目的与意义世界上任何国家的经济发展，都会推进社会进步、促进工农业生产能力，使人民的生活得到进一步改善，尤其在工业革命之后，各国经济飞速发展，全球大量的不可再生资源（例如石油）被利用。如果这些污水无净化排出必定会给周围环境造成 很大的污染，而且我国是一个严重缺水的国家，已经被联合国列为世界上13个缺水国家之一。目前我国约300个城市缺水，其中严重缺水城市有50个，据中国经济信息网分析统计，全国按目前正常需要，年缺水总量约为300亿400亿立方米，因缺水造成的经济损失达2300亿元，超过洪涝灾害。水资源的匮乏和水资源的污染已经严重的影响了人民的日常生活，严重的影响了全国的经济建设和发展。特别是我国北方城市，如北京、天津、沈阳等城市水资源更为短缺。在这种情况下，污水更加不能随便外排，而是要净化之后合理利用。我国污水处理的电耗为0.365kWh/m3、日本为0.304 kWh/m3、美国为0.243kWh/m3，因此建设符合我国具体情况的污水厂自动控制系统对降低污水处理成本、改善环境、建立可持续发展社会、保持我国经济高速发展具有重要意义3。1.3 国内外发展现状由于现场总线技术、控制技术以及网络通讯技术的飞速发展，国外的污水处理系统很早就实现了污水处理厂的网络控制，如FCS/DCS系统，同时国外较早的将SCADA技术引入到了给水排水工程当中。国外同时注重水处理可编程控制器的开发，相继研制出了一些小巧、智能、稳定的控制器，如AB公司的SLC系列、西门子公司的s7系列、施耐德的TSX Quantum DO、化学需氧量COD分析仪。国外污水处理自控系统主要有以下特点：大量采用在线监控的水质分析仪表，对全厂的水质实行实时的监测，并有上位机记录下来，提高了测量精度；生产过程中不同程度上采用了智能控制，可以根据水质和水源的变化自动的调整相应的控制方式；大量采用遥控、遥测设备；并开始有效地利用社会信息资源，如电话网络、移动电话网络、国际互联网、气象信息等。与国外相比，我国从70年代开始采用热工仪表；80年代使用DCS系统和分析仪表；到90年代从外国引进集散式计算机监控系统。我国污水处理自动化的现状是：自动和手动兼备，引用和自制并举，上位机组态监控软件很少使用，不能对全厂的设备实行实时监控，如果要做一个报表还需要人工手工完成。通过对比，不难看出和国外整体上相比我国污水处理的自动控制系统仍然右很大的差距。1.4 研究内容 本课题主要设计的内容是工业污水处理工艺及工业污水处理系统的组成和PLC控制系统设计，主要由以下内容组成： （1）介绍了MBR工业污水处理的基本内容，包括工业污水处理的发展现状以及工业污水处理的工艺流程； （2）介绍了PLC的基本结构和工作原理，并对MBR工业污水处理控制系统进行设计分析； （3）具体分析设计MBR工业污水处理的硬件系统； （4）具体分析设计MBR工业污水处理的软件系统；（5）MBR工业污水处理系统的调试与运行。2 工业污水处理控制系统总体介绍2.1 工业污水处理基本概念城市污水、生产污水、生活污水往往都排入排水系统。这些污水除含蛋白质有、碳水化合物、动植物脂肪、氨基酸、氨、尿素、合成洗涤剂和肥皂等物质外，还含有病毒、细菌等使人致病的微生物。有机物的种类很多，其共性是在微生物的作用下被降解时，都要消耗水中的溶解氧，所以要采用以下的几个综合污染指标来表述：生物化学需氧量或生化需氧量（Bio-chemical Oxygen Demand，BOD）mg/L、化学需氧量（Chemical Oxygen Demand，COD）mg/L、总有机碳（Total Organic Carbon） mg/L、总需氧量（Total Oxygen Demand）mg/L23。2.2 常用的工业污水处理工艺工业污水处理的方法主要有物理、化学、物理化学，以及生物等几种。目前，工业污水处理的方法一般以生物处理法为主，辅以物理处理法和化学处理法。常用的工业污水处理工艺有以下几种。曝气池（微生物吸附有机物氧化为无机物）沉淀池（活性泥下沉）回流活性泥原污水清水排出（1）活性污泥法。活性污泥处理法是一种最古老的工业污水处理工艺，其工业污水处理的关键组成部分为沼气池与沉淀池，主要处理部分关系框图如图2-1所示。图2-1传统活性污泥法工艺流程图曝气池中的微生物吸附污水中的大部分有机物之后被氧化成无机物，这些无机物经过沉淀后需要回流到曝气池中；该工艺的优点有：有机物去除率高，污泥负荷高，池的容积小，耗电省，运行成本低；该工艺的缺点有：普通曝气池占地多，建设投资大，满足国家标准相关指标范围小、易产生污泥膨胀现象，磷和氮的去除率低4。（2）A/O法。A/O法中A代表Anoxic（缺氧的），O代表Oxic（好氧的）；A/O法是一种缺氧好氧生物工业污水处理工艺；该工艺通过增加好氧池与缺氧池所形成的硝化-反硝化反应系统，很好的处理了污水中的氮含量，具有明显的脱氮效果；但是此硝化反硝化反应系统需要得到很好的控制，这样就对该工艺提出了更高的管理要求，这也成为了该工艺的一大缺点4。其工艺流程图如下：图2-2 A/O法工艺流程图（3）A2/O法。A2/O法也是在传统活性污泥法的基础上发展起来的一种工业污水处理工艺，其中A2，即A-A，前一个A代表Anaerobic（厌氧的），后一个A代表Anoxic（缺氧的）；O代表（好氧的）；A2/O是一种厌氧缺氧好氧工业污水处理工艺；A2O法的除磷脱氮效果非常好，非常适合用于对除磷脱氮有要求的工业污水处理；因此，在对除磷脱氮有特别要求的城市工业污水处理厂，一般首选A2/O工艺4。其工艺流程图如图2-3所示。图2-3 A2/O法工艺流程图（4）A/B法。A/B法是吸附生物降解法的简称，该工艺没有初沉淀，将曝气池分为高低负荷两段，并分别有独立的沉淀和污泥回流系统。总体而言，AB法工艺较适合于污水浓度高，具有污泥消化等后续处理设施的大中规模的城市工业污水处理厂，且有明显的节能效果，而对于有脱氮要求的城市工业污水处理厂，一般不宜采用。（5）SBR法。SBR法就是歇式活性污泥方法，是一种按照时间顺序间歇式操作的生物处理技术。SBR法与之前所讲的水处理工艺的区别在于它是以时间为顺序来分割流程各单元。整个过程对于单个操作单元而言是间歇进行的，但是通过多个单元组合调度后又是连续的，在运行上实现了有序和间歇操作相结合。2.3 MBR污水处理工艺及描述本文中的污水处理采用MBR污水生物处理工艺。控制对象是一种小型MBR中水处理设备，如图2-4所示。具体工艺流程为：原水由水泵提升进入反应器，经过初步预处理，除去大颗粒的污染物，然后进入MBR反应池，在反应池中污水经过MBR膜的过滤作用后，还有活性污泥中微生物的降解，得到净化后的中水，再由抽吸泵抽出来排入到中水箱中，整个污水处理过程需要经过曝气处理1。在污水处理的过程中，在反清洗的时候加上超声波振板工作的情况下能够增强效果，用臭氧发生器来进行污水消毒，该系统处理的对象主要是生活污水，所以需要采用MBR-8型的膜片，共4片。这样的膜片每天能够处理污水约1吨，分别使用3台自吸水泵进行原始污水供水，污水处理抽吸，中水出水；阀门使用电动球阀和手动阀两套；在A组泵前加装电接点真空表，水泵后加装液体流量计，中水箱和MBR反应器都装有浮球液位控制器；MBR工业污水处理工艺流程图如下图2-4所示1。图2-4 工艺流程图2.4 污水处理控制系统分析早期的污水处理系统一般采用继电器来做为控制器，随着城市污水排放的增加和日益增长的人们对水资源的高标准的要求，这种采用继电器控制的粗放式的污水处理方式已经不能满足现代人们的要求，取而代之的是PLC控制系统、集散控制系统（DCS)、现场总线系统。（1） PLC控制系统。用PLC作为污水处理的控制器，能够实现污水处理的各项功能，也可以让PLC 和计算机相连接，用组态软件编写上位机组态监控界面，来实时监控污水处理控制系统的运行状态。用PLC作为控制器的优点是开发时间短，编写程序方便，维护相对简单。 （2）DCS系统。DCS的中文简称是集散控制系统，是由工业控制计算机、控制信号测量、数据处理、网络通信等系统的功能相结合形成的新型工业控制系统。集散控制系统由现场控制终端和工业控制计算机组成，通过通信网络把操作站、控制站、检测站和现场控制站有机的链接起来，实现分散控制、集中管理的功能，简称集散控制。集散控制系统的主要特点如下：分散控制使控制系统的危险分散，集中管理使系统操作管理方便。 （3）现场总线控制系统。现场总线控制系统是由PLC控制系统和集散控制系统相结合而产生的，是基于现场总线的自动控制系统。现场总线控制系统优点：可以用计算机丰富的软件、硬件资源。对信号的响应快，控制实时性好。现场总线控制系统的通信协议公开，不同生产厂家的产品可以相互连接在一起。2.5 MBR污水处理控制系统的功能要求MBR污水处理控制系统的主要作用是完成城市少量污水的净化作用，污水经过MBR系统处理之后，输出的水的质量符合国家标准。污水处理经过长期的发展，虽然也取得了一定的成就，但是城市工业发展太快，污水的量也增加了很多，污水处理系统难易满足社会和人们生活发展的需要。MBR小型污水处理系统能够实现城市污水处理的简易、高效、低能耗的功能， 使用PLC来控制污水处理系统，实现MBR污水处理的自动化。 PLC的使用使MBR污水处理系统操作更加简单、可靠；使用组态王监控软件能够实时的监控MBR污水处理控制系统的状态。 3 电气控制系统方案的选择及硬件设计3.1 PLC的工作原理3.1.1 PLC概况随着微处理器.计算机和数字通信技术的飞速发展，计算机控制已经扩展到几乎所有工业领域。当前用于工业自动化控制的设备有很多种类，一般可分为单片机控制系统，基于模拟量的智能仪表系统、现场总线系统、集散控制系统等。可编程控制器是应用面最广，功能最强大，使用最方便的通用工业控制装置，已成为当代工业自动化的主要支柱之一。3.1.2 PLC的特点（1）可靠性高，适用于工业现场环境（2）编程简单，使用方便（3）控制程序可变，具有很好的柔性（4）直接带负载能力强（5）接口简单、维护方便（6）功能完善、便于实现机电一体化（7）通信、网络技术趋于标准化，便于实现计算机网络控制3.1.3 PLC结构主要由CPU模块，输入模块，输出模块和编程器组成，如图3-1所示。图3-1 PLC控制系统CPU模块主要由微处理器和存储器组成。存储器分为系统程序存储器和用户程序存储器，其中系统程序存储器为ROM。I/O模块包括输入模块和输出模块，相应的输入输出电路如图3-2、3-3所示。 图3-2 PLC的输入电路图3-3 PLC的输出电路3.1.4 PLC功能和应用 可编程控制器自出现以来发展非常迅速。在工业自动化方面正逐步取代传统的继电器控制系统，逐渐成为工业自动化生产控制系统的三大支柱之一。主要表现在一下几个方面： 1.顺序逻辑控制系统 2.运动控制系统 3.定时和计数控制系统 4.多模拟量控制系统 5多数据处理系统 6.较复杂的通信和联网系统3.2 MBR污水处理电气控制系统设计要求（1）两种工作模式：手动和自动切换开关，根据反应器实际情况进行工作模式的切换。（2）MBR箱内液位控制：当浮球液位计检测到液位低于我们的设定值时，原水泵打开；达到设定液位时，系统的原水泵自动关闭。（3）抽吸泵工作：在正常运行状态，抽吸泵起抽吸作用，当进入反冲洗阶段时抽吸泵变为反冲洗泵。（4）中水箱水位控制：浮球液位计检测到液位处于设定的低水位时，出水泵关闭；当检测到的液位到达高水位时，出水泵打开。（5）超声波清洗：设定在抽吸间歇时开启，抽吸开始的时候结束。（6）膜清洗：在电接点真空表检测到水泵的抽吸负压上升到某个设定值的时候，电接点接通相应的触点，经PLC处理，分别控制阀门A组关，B组开，实现反冲洗切换，此时抽吸泵变为反冲洗泵，此时加大超声波的清晰力度。达到设定的清洗设定时间后，B组关A组开。清洗结束后系统自动进入抽吸运行状态。（7）臭氧消毒：正常运行时开启臭氧发生器进行消毒，执行膜清洗的时候停止。3.3 PLC及其他器件选型控制系统硬件由PLC、直流交流电源、电磁阀、各种开关、固态继电器等其他辅助部件组成。根据系统控制的要求，列出PLC所有输入输出量情况，开关量输入信号：运行开关（RUN），按下启动整个系统；电接点真空表开关闭，当抽吸负压达到我们的设定值时电接点接通，系统进入反冲洗状态；MBR反应器和中水箱水位控制开关，分别采用浮球液位开关连接PLC；数字量输出信号：两组电动球阀的开关控制占用8个输出点；抽吸泵，臭氧发生器，超声波发生器，原水泵，中水泵分别占用1个输出点1。总共需要14个输入和7个输出。PLC机型选择的基本原则是：在功能满足要求的前提下，选择最可靠、维护使用最方便以及性能价格比最优的机型。通常做法是，在工艺过程比较固定、环境条件较好的场合，建议选用整体式结构的PLC；其它情况则最好选用模块式结构的PLC；对于开关量控制以及以开关量控制为主、带少量仿真量控制的工程项目，一般其控制速度无须考虑，常选用带A/D转换、D/A转换、加减运算、数据传送功能的低档机就能满足要求，如西门子公司S7-200系列。PLC容量包括两方面：一是I/O点数；二是用户内存容量（字数）。PLC容量的选择除了满足控制要求外，还应留有适当的裕量，以做备用。I/0点数也应留有适当的裕量。由于目前I/O点数较多的PLC价格也较高，若备用的I/O点数太多，反而使成本增加。根据被控对象的输入信号和输出信号的总点数，并考虑到今后的调整和扩充，通常I/O点数按实际需要的10%-15%考虑备用量。根据MBR污水处理电气控制系统的功能要求，以及从实际控制系统的其复杂程度，从节省经费及元器件的可靠性来讲，选择西门子S7-200系列PLC作为MBR污水处理控制系统的主控制器。通过对MBR污水处理控制系统分析之后，确定了系统的具体输入输出点数，采用西门子CPU224作为控制器。电接点真空压力表具有抗介质脉动和冲击载荷，耐环境振动等优异特性，适用测量对铜和铜合金无腐蚀性的气体，液体等压力或负压。仪表有上限和下限节点装置，在压力达到设定值时发出信号或通断控制电路，供作业系统自动控制或发讯用。其抗振结构可有效抑制指针的抖动、冲击，保护接点，使仪表指示清晰，电信号切换可靠，工作稳定。广泛应用于机械、化工、石油、冶金、电力等工业生产过程。电接点压力表有三根接线，一根是公用的，表针是可调的，可将一个表针调到0.4M，接低压启动控制继电器，另一个表针调到0.6M，接高压停止继电器，公用线是高低压控制的公用线。图3-4 电接点压力表220V接线图上面的指针是上限，下面的指针是下限，中间的黑色指针指示是实际压力的数值。实际压力在上限之上时，与上限接通，与下限断开。实际压力在上下限之间时，公共端与上限，下限都断开。实际压力在下限之下时，公共端与下限接通，与上限断开， 电接点压力表就是控制上下限压力用的。光有电接点压力表是不够的，还要有控制泵的自动控制箱。 增加个中间继电器，电接点压力表上有1个高压点，一个中点，一个低压点，电流方向：火线进中点，经过低压点，到中间继电器1组触点的常闭点，到接触器线圈一端，继电器线圈另一端接零线。另选一组接触器上的常开触点，2端并联到压力表低压端与中点端。中间继电器的控制由火线进压力表中点，到高压点到中间继电器线圈一段，中间继电器线圈另一段接零线。 在污水处理中超声波清洗的主要原理是超声空化作用。超声波在污水中工作时将会在短时间内产生几十万次的震动，这些污水会被震碎成海量的微小气泡，经过超声波的连续震动，这样在污水中就会产生超高的压力和超高的温度。由此产生的超强压力将会使水中的污垢乳化、分散和脱离，从而达到污水净化的目的。在污水里面，只要有污垢和液体接触，在超声波的作用下，都将被清理干净。不同清洗方式的清洗效果比较结果如表3-1所示。表3-1 清晰方式残留比重序号清洗方式工件表面的残留物%1吹式清洗862浸式清洗703蒸汽清洗654刷式清洗85喷淋清洗56超声波清洗00.5根据以上分析我们采用保定市正杰电子科技有限公司生产的ZJS系列的超声波振板，此系列产品有以下特点：清洗速度快，清洗效果好。适合于清洗形状复杂、夹缝多，不能用硬物洗擦的，光洁或脆弱的物件。有利于环保，能采用水做溶剂，少用或不用清洗剂，节省大量有机溶剂。采用独立电控柜设计，便于操作，易于保养和维修。便于和其他生产线衔接。适合于器械，元器件，机械零部件的间歇式或连续式清洗作业。采用28KHz频率，适合清洗污垢多的难洗零件，同时功率可调整，使加工范围更宽。清洗振板采用加厚不锈钢板，更耐腐蚀。内设加强筋，可承受较大的外压 0.3 Mpa。超声波发生器设有电流显示、功率调整，使用方便。污水原水泵采用型号为WQ5290-226-100，流量为100M3/h，扬程60M，配套电机功率37KW，转速3000r/MIN。3.4 PLC的I/O资源配置及外部接线图PLC控制系统的控制要求如下：(1) 该系统为自动工作方式。(2) 系统工作在手动状态下，点击动作相对应的按钮，对应执行各种动作。(3) I/O端口分配根据MBR污水处理控制系统的功能要求，对PLC的I/O进行配置，具体分配如下表。表3-2 输入输出分配地址输入输出启动按钮M1.0/I1.0原水泵Q0.0停止按钮M1.1/I1.1中水泵Q0.1浮球1M0.0/I0.0抽吸泵Q0.2浮球2M0.1/I0.1A组阀门Q0.3真空接点M0.2/I0.2B 组阀门Q0.4原水泵开启M0.3/I0.3臭氧发生器Q0.5中水泵开启M0.4/I0.4超声波振板Q0.6抽吸泵开启M0.5/I0.5曝气器Q0.7A组阀门开启M0.6/I0.6B组阀门开启M0.7/I0.7超声波开启M1.2/I1.2曝气器开启M1.3/I1.3臭氧发生器开启M1.4/I1.4自动M1.5/I1.5根据MBR污水处理控制系统的要求，结合西门子PLC的结构设计出外部接线图如图3-4所示，在系统的调试过程中一般用手动方式，调试完成后就采用自动控制方式运行。图3-4 硬件连线图4 软件系统设计本次设计采用西门子的编程软件STEP7Micro/WIN32，在之前介绍了MBR污水处理系统的控制方案设计，硬件设计之后，这一章将介绍MBR污水处理系统的软件系统设计。根据控制系统的需求，首先编写了控制程序的流程图，以便更好的理解程序的进程和编写程序。本章对控制系统的具体操作步骤都编写了相应的程序，并且在关键的步骤都有详细的注解，完整的PLC程序见附录2。4.1 总体流程设计本系统设计了自动/手动两种模式，当其为手动时，可直接操作按钮实时对设备进行控制；在自动控制模式下，可以先行设定好各水箱水位参数等起始条件，PLC根据当前系统的实际运行参数与设定值进行对比，开启或停止水泵，自动开关两组阀门实现系统的平稳运行和反冲洗，如图4-1所示。图4-1 程序流程图4.2 启动和停止程序对控制系统分析了之后，编制启动和停止程序，如图4-2所示。按下启动按钮，系统处于启动状态；按下停止按钮，系统所有步都停止。图4-2 启动和停止步4.3 自动和手动切换程序系统启动之后，分为自动运行方式和手动运行方式，编制程序如图4-3所示。在按下启动按钮后，系统默认进入自动运行方式；如果按钮“自动”按钮，则系统进入手动工作方式。图4-3 自动/手动工作方式4.4 原水泵启动在自动方式下，如果当前的液位高度没有达到浮球的位置，则原水泵启动抽水，直到浮球的位置后，关闭原水泵；在手动方式下，则可以直接控制原水泵的开启和关闭；程序如图4-4所示。图4-4 原水泵启动程序4.5 中水泵启动在自动方式下，如果中水箱当前的液位高度达到浮球的位置，则中水泵启动抽水，则液位下降，关闭中水泵；在手动方式下则可以直接控制中水泵的开启和关闭；程序如图4-5所示。图4-5 中水泵启动程序4.6 抽吸状态程序如果当前真空节点没有接通，则系统工作在抽吸状态，抽吸泵启动13Min，超声波振板工作5Min，如此交替进行，程序如图4-6所示。图4-6 抽吸状态4.7 反清洗程序设计如果系统此时真空节点接通，则系统由抽吸状态切换到反清洗状态，抽吸泵和超声波震波各运行15Min，程序如图4-7所示。图4-7 反清洗程序5 组态软件监控设计及系统运行5.1 组态软件仿真实现的意义对于一个完整的监控系统，上位机尤为重要，因为上位机（人机界面）是操作人员与控制系统之间交互的纽带，良好的人机界面可以让操作人员的操作更为容易，工作效率更加提高。工控组态软件是在生产化工企业使用的某种数据采集和过程控制系统的专用上位机软件，它组态方式灵活，能够进行监控自动控制系统。组态软件使用的通信协议一般支持各种各样的外部设备，并且能够提供分布式信息采集和联网控制。在组态控制软件出现之前，工业控制领域的用户通常是通过程序员编写程序或者以项目外包的形式编写人机界面上位机程序，这样形式开发的人机界面，耗费的周期长，效率还不高，可靠性也不强；或者购买工控厂家提供的工控系统，这些系统往往是厂家批量化上产的控制系统，很难与生产现场的状态相匹配，如果想要二次开发，则会变的非常困难，且很难与外部数据进行交换，不管是升级还是以后增加功能，都会变得非常的不方便。通用组态控制软件出现之后，利用组态软件的功能，用户可以构建出适合自己系统的人机界面。随着工业控制组态软件的迅速发展，实时控制、实时数据库、开放数据接口、通讯及联网、对FO设备的也变得非常广泛。本系统中所用的上位机组态软件为北京亚控公司开发的运用于Microsoft Windows98/XP中文平台的全中文界面的组态软件组态王（King View）6.5。组态王开发系统是中文开发界面，人机界面较友好好、运行结果可视化的优点。对用户来说，具体操作简单易学并且命令语言编写容易，参数输入和输出、修改较灵活，控制能力较前，能够多次仿真运行，这些很强的交互设计能力使其在自动化控制系统的测验中可以发挥很理想的效果。5.2 组态软件的设计步骤在进行组态软件设计时要先建立一个工程，然后在该工程里进行设计具体的内容。建立组态工程的一般步骤是：定义设备、绘制图形界面、建立变量、变量和图形相关联、调试和运行。一般是下面三个过程：图形画面：用具体的工艺流程图来代表真实的工控现场和相应的工控设备，放置各个环节的参数显示，进行监控画面设计，监控设备的运行状态。数据库：创建一个符合真实现场设备工作状况的变量表，此变量能够反映工业控制设备的各种参数，比如液位、温度、压力等。动画连接：监控画面上的图素怎样模拟上产设备的运行状态，以及能够让工程师和操作员对系统运行的各种参数进行调节。下面主要介绍一下设计的具体步骤：1.新建一个工程：在工程管理器中单击“新建”按钮，弹出“新建工程向导”窗口，如图5-1所示，然后点击“下一步”，在弹出的“新建工程向导”窗口中对工程的描述（如：MBR污水处理系统），然后点击浏览设定保存的地址。图5-1 新建工程向导一2. 定义设备外部设备一般是指PLC、仪表、模块、板卡、变频器等，组态王把这些能够和它进行数据交换的设备称之为外部设备。上位机组态王软件通过串行通信接口和这些外部设备进行通信，组态王软件也可以通过DDE来和其他的应用程序进行通信，通过外部设备也可以连接到其他的工业控制计算机上去。对于外部设备，在组态王当中只有先定义，才能使用。在本设计中用西门子S7-200PLC和组态王通信。在工程浏览器左侧大纲项选择“设备”，在工程浏览器右侧双击“新建设备”图标，弹出“设备配置向导”，如图5-2所示，在配置向导中选择PLC的生产厂家-设备名称-通讯方式，我们在这里选择西门子的PLC，通讯方式选择PCPPI通信，每一项设置后点击“确定”。图5-2 设备配置向导3. 构造数据库在工程浏览器左侧大纲项选择“数据库-数据词典”，在右侧双击“新建变量”图标，弹出“新建变量属性”对话框，在这个对话框种可以完整的定义系统所需的各种变量、修改变量等操作，以及数据变量的各种管理工作灯。在对话框中将要建立变量的名称、变量的类型等都设置完后点击确定，如图5-3所示。图5-3 污水处理变量定义4.建立MBR污水处理画面及动画连接进入新建的MBR污水处理监控系统工程后，选择工程浏览器左侧大纲项的“画面”，在画面创建界面中双击“新建画面”图标，弹出新画面对话框，重命名为“MBR污水处理系统”，如图5-4所示。图5-4新建画面对话框 在定义的画面上面放置一个矩形方框，放入一个文本框，命名为“启动”，双击“启动”按钮，弹出动作对话框，定义相应的动作，如图5-5所示。图5-5 启动按钮动作命令在画面中放置“管道”图形，设置相应的属性，使之有流动的效果，如图5-6所示。图5-6 管道设置按照系统的工艺流程图，对其他图形建立系统总貌图设计如图5-7所示。图5-7 MBR污水处理总貌图5.3 组态王全局命令的编写组态画面要想实现动态的结果，该界面受操作界面的控制，主要是利用画面命令语言18，对控制水位的变量进行控制，以实现液位浮动的功能，如图5-11所示。图5-11 画面命令语言为了让监控界面中的管道产生流动的效果，在全局命令输入框中输入以下指令: if（本站点抽吸泵） if（本站点真空节点）本站点流动方式=2； if（本站点真空节点=0）本站点流动方式=1； else 本站点流动方式=0；if（本站点原水泵）本站点水位=本站点水位+5； else 本站点水位=本站点水位-2；if（本站点真空节点=0）&本站点抽吸泵） 本站点水位1=本站点水位1+5； else 本站点水位1=本站点水位1-2；if（本站点中水泵）本站点水位1=本站点水位1-6；5.4 系统的仿真运行在组态王6.53版本的开发系统中选择“文件”下拉菜单中的“切换到 View”命令，切换到组态王“run”系统。在“run”系统中选择“画面打开”命令，从“选择画面”窗口选择“MBR污水处理监控系统”画面。此时弹出污水处理系统的运行画面，系统处于停止状态，如图5-12所示。图5-12 系统运行状态点击启动按钮，系统默认处于自动运行方式，开始运行，A组阀门打开，B组阀门关闭，系统处于抽吸工作方式。如果液位没有达到浮球的位置，则原水泵继续开启抽水，直到浮球位置后，原水泵停止抽水。如果中水箱里的污水达到浮球位置，则中水泵开启，否则停止。如图5-13所示。图5-13 自动运行抽吸状态如果此时真空接点接通，则系统切换到反清洗状态，A组阀门关闭，B组阀门打开，抽吸泵和超声波振板同时工作15Min之后，系统自动切换到抽吸状态，如图5-14所示。图5-14 反清洗状态总结随着工业自动化水平的迅速提高，计算机在工业领域的广泛应用，人们对自动化监控系统的人性化互动与系统定义要求也越来越高。仅仅实现对现场设备的控制已经无法满足工业自动化的要求，在对现场设备进行控制的同时实现对其运行状况的实时监视具有更多的实际意义。为了保证污水处理工作正常，控制系统的安全运行及工作人员的生命安全，对基于MBR的小型污水处理系统的全程实时监控是一项非常重要的工作。刚刚接触这个MBR污水处理的题目时，对于污水处理的过程还不太了解，于是去图书馆搜集了很多资料，包括污水处理的设备概况，污水处理的国内外发展现状，MBR污水处理的工艺流程等内容，是我对于污水处理有了一定的了解。同时由于课题中涉及到用PLC来控制污水处理系统，也在图书馆借阅了相关的西门子方面的书籍，详细研读了西门子PLC控制系统设计的步骤和过程，是我对之后对MBR污水处理控制系统编程奠定了坚实的基础。在本次MBR污水处理控制系统的设计中，我首先通过各种污水方法的对比，选择了控制过程可靠、控制系统相对简单的MBR污水处理方案；设计对MBR污水处理的工艺过程进行了详细的分析，利用西门子PLC对控制系统进行了程序设计；并且用组态王软件对MBR污水处理控制系统进行了上位机监控界面设计。结果表明，该系统能够完成污水处理控制的全部功能，能够实现系统状态的监控，保证了MBR污水处理系统的顺利进行。鉴于本次设计是基于理论来完成，没有拿到真正的污水处理系统去验证，系统还有很多缺陷，控制系统也有很多局限性；不能满足实际生产中的各种各样的要求。由于MBR污水处理系统的复杂性，实际运行和控制效果可能不会像理论这样完善，还需要进一步对MBR污水处理原理部分进行研究。致 谢本次毕业设计是在导师亲切关怀下完成的。指导老师对我的论文进行了太多的指导和帮助，不厌其烦的对论文的细节进行修改和改进；指导老师治学态度严谨，思维开阔，指导毕业论文循循善诱，给我的帮助一直都很大。为了使我的论文更加完善，在论文的撰写过程中，我也努力做到及时积极地跟指导老师交流，向本专业的其他老师请教，最终完成了本次毕业设计论文的撰写。在这次污水处理控制系统设计和论文的撰写中，周围的同学对我进行了很多的帮助，在此对于帮助我的同学们表示感谢！还要感谢电气工程自动化专业的老师们，是你们使我在这四年的学习和生活中收获颇丰、受益匪浅。感谢父母这些年来对我的细心照顾和培养，感谢答辩老师们在百忙之中抽出时间来评阅我的论文！最后，祝各位老师身体健康、工作顺利。参 考 文 献1 张坤明.基于PLC的小型污水处理设备的自动控制系统设计J.青岛理工大学学报，2009.2 王志勇.城市污水自动控制系统的研究D.新疆大学学位论文，2006.3 郭治永.基于SHCAN2000污水处理自动控制系统的设计与实现D.大连理工大学学位论文，2009.4 张万宾.倒置A/O工艺城市污水处理控制系统的设计与实现D.山东大学学位论文，2010.5 张培山，钟昆.基于PLC的工业污水处理厂自控系统的实现J.控制系统，2006，5（1）：82-83.6 李英辉，赵豫龙，戴青云.基于PLC的中水处理系统J.石家庄职业技术学院报，2008，6（4）76-78.7 何献忠.工业污水处理的PLC控制应用J.湖南冶金职业技术学院学报，2004，43（4）：86-87.8 张燕宾.SPWM变频调速应用技术（第3版）M.北京：机械工业出版社，2006.153.9 程玉华.西门子S7-200工程应用实例分析 M.北京：电子工业出版社，2008.1.10陶权，吴尚庆.变频器应用技术 M.广州：华南理工大学出版社.2009.1.11张坤明， 吕谋， 刘杰等. 基于PLC的小型污水处理设备的自动控制系统设计J. 青岛理工大学学报. 2009，30（5）：79-83.12张萌. 单片机应用系统开发综合实例M .北京：清华大学出版社，2007. 13满永奎. 通用变频器及其应用M. 北京：机械工业出版社，1995.14欧阳文. ATMEL 89 系列单片机的原理与开发实践M. 北京：中国电力出版社，2004.15漆汉宏. PLC电气控制技术M. 北京：机械工业出版社，2007. 16陈新恩. 变频调速恒压供水系统中的PID控制研究M. 机床电器，2007.4. 17刘伟，李广明. 基于PID的恒压供水系统压力振荡的消除方法M. 黑龙江造纸，2007.2.18雷宏彬， 曹晓娟. 基于PLC和变频器的恒压供水控制系统M. 工业仪表与自动化装置，2007.3.19齐从谦，王士兰. PLC技术及应用M. 北京：机械工业出版社，2000.20刘建辉. 单片机智能控制技术M. 北京：国防工业出版社，2007. 21周美兰，周封，王岳宇. PLC电气控制与组态设计M. 北京：科学出版社， 2003.22鲁远栋. PLC机电控制系列应用设计技术M. 北京：电子工业出版社，1996.23周万珍，高鸿斌.PLC分析与设计应用M. 北京：电子工业出版社，200424S.A. Hamed &B.J. Chalmers， New Method of Analysis and Performance Prediction for Thyristor Voltage-controlled RL LoadsJ，IEEE Proceedings Vol.13425严盈富，罗海平，吴海琴.监控组态软件与PLC入门M.北京：人民邮电出版社，200626亚控公司.组态王使用手册M.北京：北京亚控科技发展有限公司.2001附录1 组态王仿真程序if（本站点抽吸泵）if（本站点真空节点）本站点流动方式=2；if（本站点真空节点=0）本站点流动方式=1；else 本站点流动方式=0；if（本站点原水泵）本站点水位=本站点水位+5；else 本站点水位=本站点水位-2；if（本站点真空节点=0）&本站点抽吸泵）本站点水位1=本站点水位1+5；else 本站点水位1=本站点水位1-2；if（本站点中水泵）本站点水位1=本站点水位1-6；附录2 PLC控制程序摘 要本论文主要研究污水处理系统的PLC控制系统，随着城市的快速发展，环境问题显得日益重要。污水是破坏环境的一个重要因素，目前中国污水处理自控系统相对落后，污水处理成本居高不下，污水站排放的处理过的污水的水质不稳定，所以如何建立有效的自控系统，优化运行效果，具有重要的意义。文章首先介绍了PLC控制系统的硬件结构、工作原理以及设计PLC控制系统的基本原则和步骤。然后以MBR污水处理工艺为例，来说明PLC在污水处理过程中的应用。先根据污水处理要求设计了设备的电气控制与自动控制线路，主要包括设备的启停、状态信号等。最后按照工艺要求设计PLC控制系统，包括PLC的选型、系统资源配置以及按照污水处工艺编制PLC程序等。 建立高度自动化污水处理站，不仅可以加强整个系统的可靠性、准确性，还可以减少劳动强度，降低处理成本和节约能源。污水处理站自动控制系统的建设将降低生产和维护成本，减轻生产及维护工人的劳动强度，并为生产工艺进一步改进提供方便，具有很好的经济效益和社会效益。关键词：污水处理；PLC；MBRIIAbstractMy main research is the PLC control system of sewage treatment. With the rapid development of cities, the environment becomes more and more important. Wastewater is one of the major factor of pollute the environment. The automatic controlling system of wastewater treatment is not very advanced in China. The water qualities of the treated wastewater are unstable. So how to solve the problems is very meaningful to our country.This paper introduced the hardware structure, work principle of PLC control the system and design PLC control systems basic principle and step, then with the SBR wastewater treatment craft for example to illustrate the PLC in the application in the wastewater treatment process. Designed the electricity control of equipments and automatically control circuit according to the sewage treatment requirements, mainly include the start and stop of equipments, the state of the signal and so on. Finally design PLC control system according to the technological requirements, include the PLC type selection, the allocation of system resources and draw up PLC procedure according to the wastewater treatment craft.Establish a highly automated of sewage treatment plant, not only may strengthen the systems reliability but also may reduce the labor intensity and reduce processing costs and save energy. The establishment of sewage treatment plants automatic control system will reduce the production and maintenance costs, also can reduce production and maintenance workers in the labor intensity.Key words: sewage treatment; PLC; MBR摘 要IAbstractII第1章 绪论11.1 课题背景11.2 课题目的和意义11.3 国内外发展现状21.4 本文研究的主要内容3第2章 工业污水处理控制系统总体介绍42.1 工业污水处理基本概念42.2 常用的工业污水处理工艺42.3 本设计系统工业污水处理工艺及描述：72.4 工业污水处理系统控制形式82.5 工业污水处理系统的功能要求8第3章 电气控制系统方案的选择及硬件设计103.1 PLC的工作原理103.1.1循环扫描技术103.1.2 PLC的输入/输出响应时间113.2 MBR污水处理电气控制系统设计要求113.3 PLC选型123.4 PLC的I/O资源配置及外部接线图12第4章 软件系统设计144.1 总体流程设计144.2 启动和停止程序154.3 自动和手动切换程序154.4 原水泵启动164.5 中水泵启动174.6 抽吸状态程序174.7 反清洗程序设计18第5章 组态软件监控设计及系统运行195.1 组态软件的控制功能、仿真实现的意义195.2 组态软件的设计步骤195.3 组态王全局命令的编写265.4 系统的仿真运行27第6章 结 论30致 谢31参考文献32附录1 组态王仿真程序34附录2 PLC控制程序35第1章IV第1章 绪论1.1 课题背景地球虽然有70.8的面积为水所覆盖，但淡水资源却极其有限，人类真正能够利用的是江河湖泊以及地下水中的一部分，仅占地球总水量的0.26，而且分布不均。全世界每天约有200吨垃圾倒进河流、湖泊和小溪，每升废水会污染8升淡水。世界上许多国家正面临水资源危机： 12亿人用水短缺，30亿人缺乏用水卫生设施1。中国污水处理行业概况:(1) 中国水资源人均占有量少，空间分布不平衡。随着中国城市化、工业化的加速，水资源的需求缺口也日益增大。在这样的背景下，污水处理行业成为新兴产业，目前与自来水生产、供水、排水、中水回用行业处于同等重要地位。(2) 虽然由于国家和各级政府对环境保护重视程度的不断提高，中国污水处理行业正在快速增长，污水处理总量逐年增加，城镇污水处理率不断提高。但目前中国污水处理行业仍处于发展的初级阶段。(3) 一方面，中国目前的污水处理能力尚跟不上用水规模的迅速扩张，管网、污泥处理等配套设施建设严重滞后。另一方面，中国的污水处理率与发达国家相比，还存在着明显的差距，且处理设施的负荷率低。 (4) 因此中国应完善污水处理的政策法规，建立监管体制，创建合理的污水处理收费体系，扶植国内环保产业发展，推进污水处理行业的产业化和市场化。污水处理行业是一个朝阳产业，发展前景十分广阔。中国污水处理行业由此迎来高速发展期2。1.2 课题目的和意义世界上任何国家的经济发展，都会推进社会进步、促进工农业生产能力，使人民的生活得到进一步改善，尤其在工业革命之后，各国经济飞速发展，全球大量的不可再生资源（例如石油）被利用。如果这些污水无净化排出必定会给周围环境造成很大的污染，而且我国是一个严重缺水的国家，已经被联合国列为世界上13个缺水国家之一。目前我国约300个城市缺水，其中严重缺水城市有50个，据中国经济信息网分析统计，全国按目前正常需要，年缺水总量约为300亿400亿立方米，因缺水造成的经济损失达2300亿元，超过洪涝灾害。水资源的匮乏和水资源的污染已经严重的影响了人民的日常生活，严重的影响了全国的经济建设和发展。特别是我国北方城市，如北京、天津、沈阳等城市水资源更为短缺。在这种情况下，污水更加不能随便外排，而是要净化之后合理利用。我国污水处理的电耗为0.365kWh/m3、日本为0.304 kWh/m3、美国为0.243kWh/m3，因此建设符合我国具体情况的污水厂自动控制系统对降低污水处理成本、改善环境、建立可持续发展社会、保持我国经济高速发展具有重要意义3。1.3 国内外发展现状由于控制技术、网络通讯技术以及现场总线技术的飞速发展，国外的污水处理厂很早就实现了污水处理厂的网络控制，如DCS/FCS系统，同时国外较早的将SCADA技术引入到了给水排水工程中，并取得了良好的经济效益和社会效益。国外同时注重水处理PLC的开发，相继研制出了一些智能、稳定、小巧的控制单元，如AB公司的SLC系列、Siemens的s7系列、Schneider的TSX Quantum DO、化学需氧量COD分析仪。国外污水处理自控系统主要有以下特点：大量采用在线监控的水质分析仪表，对全厂的水质实行实时的监测，并有上位机记录下来，提高了测量精度;生产过程中不同程度上采用了智能控制，可以根据水质和水源的变化自动的调整相应的控制方式;大量采用遥控、遥测设备；并开始有效地利用社会信息资源，如电话网络、移动电话网络、国际互联网、气象信息等。与国外相比，我国污水处理自动化控制起步较晚，70年代开始采用热工仪表，实行集中巡检；80年代应用分析仪表和DCS系统；到90年代，随着一大批利用国际贷款的大型污水处理厂的建成投产，我国污水处理控制系统的自动化水平有了很大提升。从外国引进污水厂的自动控制系统已广泛采用集散式计算机监控系统，应用了自动化程度较高的检测仪表，各种新工艺、新设备的大量出现并得到应用。可以说我国污水处理自动化的现状是：手动和自动兼备，自制和引用并举。可以看出我国污水处理自控系统有以下特点：对于新建的污水处理厂，引进了计算机分散控制系统，手动和自动并存的控制方式。大部分以前建设的污水处理厂自动化程度仍然很低;国产在线仪表的稳定性还没有达到要求，所以大部分采用进口的在线仪表，但由于进口仪表价格昂贵，所以应用并不广泛。水质的检测主要是有实验人员通过实验来测量;各个控制站之间完全独立，无信息交换。并且各个控制单元由于内部资源的限制，只是实现了简单的时间控制和逻辑控制;上位机监控软件很少使用，几乎没有中控室，不能对全厂的设备实行实时监控，而一些报表的工作也主要是有厂里的工作人员手工完成。通过对比，不难看出整体上和国外相比我国污水处理的自控系统仍然存在很大的差距，但是我国的应用前景却非常广泛、潜力很大4。1.4 本文研究的主要内容 本课题主要设计的内容是工业工业污水处理工艺及工业污水处理系统的组成和PLC控制系统设计,主要由以下内容组成： （1）介绍了MBR工业污水处理的基本内容，包括工业污水处理的发展现状以及工业污水处理的工艺流程； （2）介绍了PLC的基本结构和工作原理，并对MBR工业污水处理控制系统进行设计分析； （3）具体分析设计MBR工业污水处理的硬件系统； （4）具体分析设计MBR工业污水处理的软件系统；（5）MBR工业污水处理系统的调试与运行。第2章 工业污水处理控制系统总体介绍2.1 工业污水处理基本概念城市污水、生活污水、生产污水或经过工业企业局部处理后的生产污水，往往都排入排水系统。这些污水除含有碳水化合物、蛋白质、氨基酸、动植物脂肪、尿素、氨、肥皂和合成洗涤剂等物质外，还含有细菌、病毒等使人致病的微生物。经处理后的污水，最后出路有三种：排放水体；灌溉田地；重复使用。污水污染物可根据化学性质和物理形态进行不同的分类。按化学性质，污水中的污染物质可分为无机性物质和有机性物质，其化学元素以炭、氮、磷为主。按物理形态，污水中的污染物质可分为固体悬浮物即呈颗粒状的污染物质、胶体污染物质和溶解性污染物质。好氧有机污染物的性质稳定，在微生物的作用下，借助微生物的新陈代谢功能而降解为无机物，如二氧化碳、水、硝酸根离子等稳定的无机物。有机物的种类很多，其共性是在微生物的作用下被降解时，都要消耗水中的溶解氧，所以在工程实际中，采用以下的几个综合污染指标来表述：生物化学需氧量或生化需氧量（Bio-chemical Oxygen Demand, BOD）mg/L、化学需氧量(Chemical Oxygen Demand, COD) mg/L、总有机碳(Total Organic Carbon) mg/L、总需氧量(Total Oxygen Demand) mg/L。虽然BOD20。能较精确地描述污水的生化需氧量，但其测定的时间太长，需20天。考虑到好氧分解速率一般在开始的几天最快，在20温度下，污水五日生化需氧量(BOD5)，约占BOD20的70%80%，因此把BOD5作为衡量污染水的有机物浓度指标。化学需氧量(COD)的特点是能够精确的表示污水中有机物的含量，并且测定时间短，但它不能像BOD那样表示出微生物氧化的有机物量。2.2 常用的工业污水处理工艺不同的工业污水处理对象，不同的工业污水处理环境，将需要有不同的工业污水处理工艺来处理。因此，在选择工业污水处理工艺的时候必需要认真考虑当地污水的情况，以及实际的工业污水处理的环境。工业污水处理的方法主要有物理、化学、物理化学，以及生物等几种。这些方法根据实际情况，可以单一使用，也可以针对不同的污水混合使用。目前，工业污水处理的方法一般以生物处理法为主，辅以物理处理法和化学处理法。常用的工业污水处理工艺有以下几种。（1）传统活性污泥法。传统活性污泥处理法是一种最古老的工业污水处理工艺，其工业污水处理的关键组成部分为沼气池与沉淀池，主要处理部分关系框图如图2-1所示。曝气池（微生物吸附有机物氧化为无机物）沉淀池（活性泥下沉）回流活性泥原污水清水排出图2-1传统活性污泥法工艺流程图污水中的有机物在曝气池停留的过程中，曝气池中的微生物吸附污水中的大部分有机物，并且在曝气池中被氧化成无机物，然后在沉淀池中经过沉淀后的部分活性泥需要回流到曝气池中。该工艺的优点有：有机物去除率高，污泥负荷高，池的容积小，耗电省，运行成本低。该工艺的缺点有：普通曝气池占地多，建设投资大，满足国家标准相关指标范围小、易产生污泥膨胀现象，磷和氮的去除率低。（2）A/O法。A/O法是在传统活性污泥法的基础上发展起来的一种工业污水处理工艺，其中A代表Anoxic（缺氧的），O代表Oxic（好氧的）。A/O法是一种缺氧-好氧生物工业污水处理工艺。该工艺通过增加好氧池与缺氧池所形成的硝化-反硝化反应系统，很好的处理了污水中的氮含量，具有明显的脱氮效果。但是此硝化-反硝化反应系统需要得到很好的控制，这样就对该工艺提出了更高的管理要求，这也成为了该工艺的一大缺点。其工艺流程图如下：图2-2 A/O法工艺流程图（3）A2/O法。A2/O法也是在传统活性污泥法的基础上发展起来的一种工业污水处理工艺，其中A2，即A-A，前一个A代表Anaerobic（厌氧的），后一个A代表Anoxic（缺氧的）；O代表（好氧的）。A2/O是一种厌氧缺氧好氧工业污水处理工艺。A2O法的除磷脱氮效果非常好，非常适合用于对除磷脱氮有要求的工业污水处理。因此，在对除磷脱氮有特别要求的城市工业污水处理厂，一般首选A2/O工艺。其工艺流程图如图2-3所示。图2-3 A2/O法工艺流程图（4）A/B法。A/B法是吸附生物降解法的简称，该工艺没有初沉淀，将曝气池分为高低负荷两段，并分别有独立的沉淀和污泥回流系统。高负荷段停留时间约为2040min，以生物絮凝吸附作用为主，同时发生不完全氧化反应，去除BOD达50%以上。B段与常规活性污泥法相识，负荷较低。AB法中A段效率很高，并有较强的缓冲能力。B段起到出水把关作用，处理稳定性较好。对于高浓度的工业污水处理，AB法具有很好的适用性，并有较高的节能效益。尤其在采用污泥消化和沼气利用工艺时，优势最为明显。但是，AB法污泥产量较大，A段污泥有机物含量极高，因此必须添加污泥后续稳定化处理，这样就将增加一定的投资和费用。另外，由于A段去除了较多的BOD，造成了碳源不足，难以实现脱氮工艺的要求。对于污水浓度低 的场合，B段也比较困难，也难以发挥优势。总体而言，AB法工艺较适合于污水浓度高，具有污泥消化等后续处理设施的大中规模的城市工业污水处理厂，且有明显的节能效果，而对于有脱氮要求的城市工业污水处理厂，一般不宜采用。（5）SBR法。SBR法是歇式活性污泥法的简称，是一种按照一定的时间顺序间歇式操作的污水生物处理技术，也是一种按间歇曝气方式来运行的活性污泥工业污水处理技术，又称序批式活性污泥法。其反应机理及去除污染物的机理与传统的活性污泥法基本相同，只是运行操作方式不尽相同。SBR法与传统的水处理工艺的最大区别在于它是以时间顺序来分割流程各单元，以时间分割操作代替空间分割操作，非稳态生化反应代替生化反应，静置理想沉淀代替动态沉淀等。整个过程对于单个操作单元而言是间歇进行的，但是通过多个单元组合调度后又是连续的，在运行上实现了有序和间歇操作相结合。2.3 本设计系统工业污水处理工艺及描述：本文中的污水处理采用MBR污水生物处理工艺。控制对象是一种小型MBR中水处理设备，如图2-4所示。具体工艺流程为：原水由水泵提升进入反应器，经过初步预处理，除去大颗粒的污染物，然后进入MBR反应室，在这里污水经过膜的过滤作用，还有活性污泥中微生物的降解，得到净化的中水，由抽吸泵负压抽图2-4 工艺流程图出排入中水箱。此外整个过程需要气泵进行曝气处理9。运行过程中以及反冲洗时加以超声波清洗以增强效果，出水进行臭氧消毒脱色。系统处理对象主要针对生活污水，所以采用4片浙江凯宏膜厂生产的MBR-8型三层式膜片，每片膜每天出水约1 t。管路采用PPR材质，分别使用3台自吸泵进行原水供水，膜抽吸，中水出水。阀门使用手动阀和电动球阀两套。泵前加装电接点真空表，泵后加装流量计，MBR反应器和中水箱都设有浮球液位控制器进行控制。MBR工业污水处理工艺流程图如下图2-4所示。2.4 工业污水处理系统控制形式早期的控制系统多采用继电器接触器控制系统，但随着电子技术的飞速发展，控制要求的不断提高，该类控制方法已不能满足现代工业污水处理系统的控制要求，因此已逐渐被淘汰，取而代之的是DCS、现场总线控制、PLC等控制方。（1）DCS系统。DCS是集散控制系统的简称，又称为分布式计算机控制系统，是由计算机技术、信号处理技术、测量控制技术、通信网络技术等相互渗透形成的。由计算机和现场终端组成，通过网络将现场控制站、检测站和操作站、控制站等连接起来，完成分散控制和集中操作、管理的功能，主要是用于各类生产过程，可提高生产自动化水平和管理水平，其主要特点如下：采用分级分布式控制，减少了系统的信息传输量，使系统应用程序比较简单。实现了真正的分散控制，使系统的危险性分散，可靠性提高。扩展能力较强。软硬件资源丰富，可适应各种要求。实时性好，响应快。（2）现场总线控制系统。现场总线控制系统是由DCS和PLC发展而来的，是基于现场总线的自动控制系统。该系统按照公开、规范的通信协议在智能设备之间，以及智能设备与计算机之间进行数据传输和交换，从而实现控制与管理一体化的自动控制系统，其优点：可以用计算机丰富的软件、硬件资源。响应快，实时性好。通信协议公开，不同产品可互连。（3）PLC系统。PLC是可编程逻辑控制器的简称，用它作为处理系统的控制器，实现控制系统的功能要求，也可利用计算机作为其上位机，通过网络连接PLC，对生产过程进行实时监控，其特点如下：编程方便，开发周期短，维护容易。通用性强，使用方便。控制功能强。模块化结构，扩展能力强。2.5 工业污水处理系统的功能要求工业污水处理系统的主要功能是完成对城市污水的净化的作用，将城市中排除的污水通过该系统处理后，输出符合国家标准的水质。长期以来，工业污水处理技术虽然经过了迅速发展，但仍滞后于城市发展的需要，工业污水处理率低、设备运转率低等极大地影响了城市发展。为实现工业污水处理技术的简易、高效、低能耗的功能， 并且实现自动化的控制过程，采用PLC作为核心控制器是个较好的方案。 PLC作为工业污水处理系统的控制系统使得设计过程变得更加简单，可实现的功能变得更多。与各类人机界面的通信可完成PLC控制系统的监视，同时使用户可通过操作界面功能控制PLC系统。由于PLC的CPU强大的网络通信能力，使得工业污水处理系统的数据传输与通信变得可能，并且也可实现其远程监控。利用PLC作为控制器的工业污水处理系统主要涉及两个方面：一是信号输入；二是控制输出信号。第3章 电气控制系统方案的选择及硬件设计3.1 PLC的工作原理PLC与继电器构成的控制装置的重要区别之一就是工作方式不同，继电器控制是并行运行方式，即如果输出线圈通电或断电，该线圈的触点立即动作，只要形成电流通路，就有可能有几个电器同时动作。而PLC则不同，它采用循环扫描技术，只有该线圈通电或断电，并且必须当程序扫描到该线圈时，该线圈触点才动作，而且每次只能执行一条指令，这也就是说明PLC是以“串行”方式工作的，这种工作方式可以避免继电器控制的控制的触点竞争和时序失配等问题。也可以说，继电器控制装置根据输入和逻辑控制结构就可以直接得到输出，而PLC控制则需要输入传送、执行程序指令、输出3个阶段才能完成控制过程。3.1.1循环扫描技术PLC循环扫描可分为3个阶段：输入阶段（将外部输入信号的状态传送到PLC）、执行程序阶段和输出阶段（将输出信号传送到外部设备）。(1) 输入阶段在这个阶段中，PLC先进行自我诊断，然后与编程器或计算机进行通信，同时中央处理器扫描各个输入端并读取输入信号的状态和数据，并把它们存入相应的输入存储单元。(2) 执行程序阶段在这个阶段中，PLC按照由上到下的次序逐步执行程序指令。从相应的输入存储单元读入输入信号的状态和数据，然后根据程序内部继电器、定时器、计数器、数据寄存器的状态和数据进行逻辑运算，得到运算结果，并将这些结果存入相应的输出存储器单元。这一阶段执行完后，进入输出阶段。在这个程序执行中，输入信号的状态和数据保持不变。(3) 输出阶段在这个阶段中，PLC将相应的输出存储单元的运算结果传送到输出模块上，并通过输出模块向外部设备传送输出信号，开始控制外部设备。3.1.2 PLC的输入/输出响应时间I/O响应时间是指某一输入信号从变化开始到系统相关输出端信号的改变所需要的时间。因为PLC的循环扫描工作方式，所以收到输入信号的时刻不同，响应时间的长短也就不同。下面就给出最短和最长响应时间。最短响应时间：一个扫描周期刚结束就收到输入信号，即收到这个输入信号与开始下一个扫描周期同时，这样的响应时间最短。考虑到输入电路和输出电路的延时，所以最短响应时间应大于一个扫描周期。最长响应时间：一个扫描刚完成输入读取后才接到输入信号，这样这个输入信号在该扫描周期将不会发生变化，要等到下一个扫描周期才能得到响应，这时的响应时间最长11。3.2 MBR污水处理电气控制系统设计要求(1)两种工作模式：自动和手动切换开关，根据实际情况进行不同工作模式的切换。(2)MBR箱内水位控制：当浮球液位计检测到液面低于设定值时，原水泵开启；达到设定水位时，原水泵自动关闭。(3)抽吸泵工作：当正常运行状态下抽吸泵起抽吸作用，当进入反冲洗阶段时抽吸泵变为反冲洗泵。(4)中水箱液位控制：浮球液位计处于低水位时，出水泵关闭；到达高水位时，出水泵打开。(5)超声波清洗：设定在抽吸间歇时开启，抽吸开始时结束。(6)膜清洗：在电接点真空表检测到抽吸负压上升到一定数值时，电接点接通相应的PLC触点，经可编程控制器(PLC)处理，分别发送信号给两组阀门，A组开，B组关，实现反冲洗，此时抽吸泵变为反冲洗泵，并且此时超声波发生器连续工作加大清洗力度。清洗设定的时间后，A组关B组开。清洗结束，自动进入正常运行状态。(7)臭氧消毒：正常运行时臭氧发生器开启进行消毒，膜清洗时停止。3.3 PLC选型控制系统硬件由可编程控制器、电磁阀、直流交流电源、固态继电器、各种开关等其他辅助部件组成。根据系统控制的要求，列出PLC所有输入输出量情况，开关量输入信号：运行开关(RUN)，按下启动整个系统；电接点真空表开关，当抽吸负压达到设定值时电接点接通，系统进入反冲洗；MBR反应器和中水箱液位控制开关，分别采用浮球液位开关连接PLC；开关量输出信号：两组电动球阀的开关控制占用8个输出点；抽吸泵，臭氧发生器，超声波发生器，原水泵，中水泵分别占用1个输出点。总共需要14个输入和7个输出。根据工业污水处理系统的电气控制系统的功能要求，以及其复杂程度，从经济性、可靠性等方面来考虑，选择西门子S7200系列PLC作为工业污水处理系统的电气控制系统的控制主机。由于工业污水处理电气控制系统涉及较多的输入输出端口，其控制过程相对复杂，因此采用CPU224作为该控制系统的主机。3.4 PLC的I/O资源配置及外部接线图根据系统的功能要求，对PLC的I/O进行配置，具体分配如下表。表3-1 数字输入量地址分配输入输出启动按钮M1.0/I1.0原水泵Q0.0停止按钮M1.1/I1.1中水泵Q0.1浮球1M0.0/I0.0抽吸泵Q0.2浮球2M0.1/I0.1A组阀门Q0.3真空接点M0.2/I0.2B 组阀门Q0.4原水泵开启M0.3/I0.3臭氧发生器Q0.5中水泵开启M0.4/I0.4超声波振板Q0.6抽吸泵开启M0.5/I0.5曝气器Q0.7A组阀门开启M0.6/I0.6B组阀门开启M0.7/I0.7超声波开启M1.2/I1.2曝气器开启M1.3/I1.3臭氧发生器开启M1.4/I1.4自动M1.5/I1.5根据控制系统的功能要求，设计出工业污水处理控制系统的硬件连线图如图3-1所示，此控制面板上的手动控制部分主要在调试系统时使用，调试完成后基本处于闲置状态。图3-1 硬件连线图第4章 软件系统设计采用西门子公司为S7200系列PLC开发的STEP7Micro/WIN32作为编程软件，上面介绍了工业污水处理控制系统的结构、工作原理和电气控制部分的结构，硬件结构的总体设计基本完成后，就要开始软件部分的设计，根据控制系统的控制要求和硬件部分的设计情况及PLC控制系统I/O的分配情况，进行软件编程设计。在软件的设计中，首先按照需要实现的功能要求做出流程框图，其次按照不同功能编写不同功能模块，这样写出的程序条例清晰，既方便编写，也便于调试。4.1 总体流程设计本系统设计了手动自动两种工作模式，当其运行模式为手动时，可直接操作控制柜的按钮实时对各种设备进行控制；在自动控制的工作模式下，可以预先设计好各水箱液位参数和膜清洗的起始条件，PLC根据设定数值与当前系统的实际运行参数进行对比，然后通过已设程序处理开启或停止水泵，自动开关两组阀门来达到输入输出流量的平衡，实现系统的平稳运行和反冲洗，如图4-1所示。图4-1 程序流程图4.2 启动和停止程序对控制系统分析了之后，编制启动和停止程序，如图4-2所示。按下启动按钮，系统处于启动状态；按下停止按钮，系统所有步都停止。图4-2 启动和停止步4.3 自动和手动切换程序系统启动之后，分为自动运行方式和手动运行方式，编制程序如图4-3所示。在按下启动按钮后，系统默认进入自动运行方式；如果按钮“自动”按钮，则系统进入手动工作方式。 图4-3 自动/手动工作方式4.4 原水泵启动在自动方式下，如果当前的液位高度没有达到浮球的位置，则原水泵启动抽水，直到浮球的位置后，关闭原水泵；在手动方式下，则可以直接控制原水泵的开启和关闭；程序如图4-4所示。图4-4 原水泵启动程序4.5 中水泵启动在自动方式下，如果中水箱当前的液位高度达到浮球的位置，则中水泵启动抽水，则液位下降，关闭中水泵；在手动方式下则可以直接控制中水泵的开启和关闭；程序如图4-5所示。图4-5 中水泵启动程序4.6 抽吸状态程序如果当前真空节点没有接通，则系统工作在抽吸状态，抽吸泵启动13Min，超声波振板工作5Min，如此交替进行，程序如图4-6所示。 图4-6 抽吸状态4.7 反清洗程序设计如果系统此时真空节点接通，则系统由抽吸状态切换到反清洗状态，抽吸泵和超声波震波各运行15Min，程序如图4-7所示。 图4-7 反清洗程序第5章 组态软件监控设计及系统运行5.1 组态软件的控制功能、仿真实现的意义对于一个完整的监控系统，上位机尤为重要，因为上位机（人机界面）是操作人员与控制系统之间交互的纽带，良好的人机界面可以让操作人员的操作更为容易，工作效率更加提高。现在，一般监控系统的上位机均采用组态软件。组态软件（Configurable Software）是一种基于计算机操作系统的软件平台，一般由大的专业软件公司开发，并经过正规的严格测试，其可靠性高；通过更换不同的驱动程序和板卡，可以方便地与不同厂家生产的PLC组成一个控制系统，解决以往工业监控软件编写工作量大、可靠性低、通用性差等问题，为整个工业控制系统的设计与应用注入了新的活力。著名的组态软件有Intellution公司的Fix；Wonderware公司的InTouch，Rockwell公司的RSView32和北京亚控公司的“组态王”等16。本系统中所用的组态软件为北京亚控公司开发的运用于Microsoft Windows98/XP中文平台的全中文界面的组态软件组态王（King View）6.5。组态软件是一些数据采集与过程控制的专用软件，使用灵活的组态方式，用于自动控制系统的监控。组态软件能支持各种工控设备和常见的通信协议，并且通常提供分布式数据管理和网络功能。在组态软件出现之前，工控领域的用户通过手工或委托第三方编写HMI应用，开发时间长，效率低，可靠性差；或者购买专用的工控系统，通常是封闭的系统，选择余地小，往往不能满足需求，很难与外界进行数据交互，升级和增加功能都受到严重的限制。组态软件的出现后，利用其的功能，构建出一套适合自己的应用系统。随着组态软件的快速发展，实时数据库、实时控制、通讯及联网、开放数据接口、对FO设备的广泛支持已经成为它的主要内容，现代技术的发展，监控组态软件技术的应用将会不断被赋予新的内容。5.2 组态软件的设计步骤在进行组态软件设计时要先建立一个工程，然后在该工程里进行设计。建立组态软王工程的一般过程是：设计图形界面（定义画面）、定义设备、构造数据库（定义变量）、建立动画连接、运行和调试，这五个步骤并不是完全独立的，事实上，这五个部分常常是交错进行的。在用组态王画面开发系统编制工程时，要依据此过程考虑三个方面：图形：也就是通过抽象的图形画面来模拟实际的工业现场和相应的工控设备，从而进行画面设计。数据：也就是创建一个具体的数据库，此数据库中的变量反映了工控对象的各种属性，比如水位、温度等。连接：也就是画面上的图素以怎样的动画来模拟县城设备的运行，以及怎样让操作者输入控制设备的指令。下面主要介绍一下设计的具体步骤：1.新建一个工程：利用向导新建工程，在工程管理器中单击“新建”按钮，弹出新建工程向导一，如图5-1所示，然后点击下一步，在弹出的新建工程向导二中对工程的描述（如：MBR污水处理系统），然后点击浏览设定保存的地址。图5-1 新建工程向导一2.定义设备组态王把那些需要与之交换数据的设备或程序都作为外部设备。外部设备包括：下位机（PLC、仪表、模块、板卡、变频器等），它们一般通过串行口和上位机交换数据；其他Windows应用程序，它们之间一般通过DDE交换数据；外部设备还包括网络上的其他计算机。只有在定义了外部设备之后，组态王才能通过I/O变量和它们交换数据。为方便定义外部设备，组态王设计了“设备配置向导”引导用户一步步完成设备的连接。在本设计中用西门子S7-200 PLC和组态王通信。PLC可以模拟PLC为组态王提供数据。在工程浏览器左侧大纲项选择“设备”，在工程浏览器右侧双击“新建”图标，运行“设备配置向导”，如图5-2所示，在设备配置向导中选择“西门子S7-200”的“PPI”项，单击“下一步”对每一项设置后点击“确定”。图5-2 设备配置向导3.构造数据库数据库是“组态王”软件的核心部分，工业现场的生产状况要以动画的形式反映在屏幕上，操作者在计算机前发布的指令也要迅速送达生产现场，所有这一切都是以实时数据库为中介环节，所以说数据库是联系上位机和下位机的桥梁。在TouchView运行时，它含有全部数据变量的当前值。变量在画面制作系统组态王画面开发系统中定义，定义时要指定变量名和变量类型，某些类型的变量还需要一些附加信息。在工程浏览器左侧大纲项选择“数据库-数据词典”，在右侧双击“新建”图标，弹出“变量属性”对话框，如图4.7所示，此对话框可以对数据变量完整定义、修改等操作，以及数据库的管理工作。在对话框中将“变量名”、“变量类型”等都设置完后点击确定，如图5-3所示。图5-3 定义变量表5-1 组态王动态连接方式属性变化线属性变化、填充属性变化、文本色变化位置与大小变化填充、缩放、旋转、水平移动、垂直移动值输出模拟值输出、离散值输出、字符串输出值输入模拟值输入、离散值输入、字符串输入特殊闪烁、隐含滑动杆输入水平、垂直命令语言按下时、弹起时、按住时4.建立画面及动画连接定义动画连接是指在画面的图形对象与数据库的数据变量之间建立一种关系，或者由软件使用者通过图形对象改变数据变量的值，组态王提供了21种动画连接方式，如表5-1。进入新建的组态工程后，选择工程浏览器左侧大纲项的“文件-画面”，在工程浏览器右侧双击“新建”图标，弹出新建画面对话框，如图5-4所示，可以在里面设置画面的大小等，在画面名称中输入要设计画面的名称，然后点击确定按钮进入内嵌的组态王画面开发系统，如图5-2所示。进入组态王开发系统后，就可以为每个工程建立数目不限的画面，在每个画面上生成互相关联的静态或动态图形对象。这些画面都是由“组态王”提供的类型丰富的图形对象组成的。系统为用户提供了矩形（圆角矩形）、直线、椭圆（圆）、扇形（圆弧）、点位图、多边形（多边线）、文本等基本图形对象，及按钮、趋势曲线窗口、报警窗口、报表等复杂的图形对象。提供了对图形对象在窗口内任意移动、缩放、改变形状、复制、删除、对齐等编辑操作，全面支持键盘、鼠标绘图，并可提供对图形对象的颜色、线型、填充属性进行改变的操作工具。“组态王”采用面向对象的编程技术，使用户可以方便地建立画面的图形界面。用户构图时可以像搭积木那样利用系统提供的图形对象完成画面的生成。同时支持画面之间的图形对象拷贝，可重复使用以前的开发结果。图5-4新建画面对话框 在定义的画面上面放置一个矩形方框，放入一个文本框，命名为“启动”，双击“启动”按钮，弹出动作对话框，定
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