基于组态软件的污水处理监控系统设计.docx

毕业设计（论文）基于组态软件的污水处理监控系统设计系 别控制工程学院专业名称自动化班级学号学生姓名指导教师2013年6月13日 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 44 页基于组态软件的污水处理监控系统设计摘 要我国污水处理监控技术起步晚，水处理和监控技术远远落后与发达国家。然而我国现阶段采用的监控软件均为组态软件，开发和应用成本高；同时组态软件的代码不开源性使水厂监控软件的升级和维护困难，难以满足不同水厂监控系统的特殊性要求，灵活性差。同时硬件设备多采用有线的控制系统，维护费用高，安全性差。根据以上国内水厂监控系统的缺点，本课题模拟一套基于组态的污水处理工艺流程实时监控系统，主要工作是设计上位机监控系统，来实现水处理工艺流程的实时监控功能。在详细分析国内外发展现状之后，确定了监控软件的设计方案。监控软件的设计均采用模块化设计，优点是便于软件的修改、升级和维护。客户端应用程序开发的主要模块包括：各个工艺流程界面模块；日志、用户及设备管理模块；及用户登陆模块。通过控件的形式完成水厂现场各个设备的监控功能,最终实现了美观、清晰、交互友好客户端程序。经过系统联调，软件运行正常，实现了监控系统对上位机监控软件功能所提出的要求。关键词：污水处理，监控系统，组态软件Monitoring system of sewage treatment design based on the configuration software Author：Yan Jiang Tutor：Gao JingAbstractThe late start of Chinas sewage treatment monitoring technology, water treatment and monitoring technologies lags far behind developed countries. Monitoring software are used by the present stage, however the configuration software, the development and application of high cost; the configuration software code is not open source the water plant monitoring software upgrades and maintenance difficulties, it is difficult to meet the particularity of different water plant monitoring system requirements, poor flexibility. Hardware devices use more wired control systems, high maintenance costs, poor security. According to the disadvantage of the above domestic water plant monitoring system, this project is to simulate a real-time monitoring system based on the configuration of the sewage treatment process, the main work is designed PC monitoring system to achieve real-time monitoring function of the water treatment process. After detailed analysis of the development status at home and abroad, and to determine the design of the monitoring software. Monitoring software design is modular in design, the advantage is the ease of software modifications, upgrades and maintenance. The client application development module include: each process interface modules; logs, user and device management module; and users landing module. Done through controls in the form of a water plant on-site equipment monitoring capabilities, and ultimately achieve a beautiful, clear, interactive and friendly client program. Through the system debugging, the software is operating correctly, the monitoring system on the PC monitoring software functionality requirements.Key Words: sewage treatment, monitoring system ,configuration software目 录1绪论11.1 课题研究的背景及意义11.2 国内外研究现状和相关成果21.2.1 国内研究现状及成果21.2.2 国外研究现状及成果31.3 课题的研究方法及论文构成32 污水处理工艺流程52.1 污水处理的基本概念52.2 污水处理工艺流程52.2.1 污水处理流程图52.2.2 流程简介52.2.3 污水的预处理52.2.4 格栅62.2.5 调节均质62.2.6 一次沉淀62.2.7 水解酸化62.2.8 厌氧反应72.2.9 好氧反应82.2.10 二次沉淀92.2.11 污泥处理92.3 污水处理水质标准93 污水处理系统构架113.1 引言113.2 现场PLC控制站123.2.1 预处理系统控制站(PLC1)123.2.2 生物处理系统控制站(PLC2)133.2.3 污泥处理系统控制站(PLC3)133.2.4 出水及雨水系统控制站(PLC4)133.3 网络通信系统133.4 中央控制室及上位机监控系统143.4.1 PLC联动控制143.4.2 上位机监控系统144 监控系统组态软件设计164.1 监控系统的含义及发展状况164.2 监控系统的特点164.3 监控系统的功能及结构174.4 组态软件的特点174.5 上位机组态软件设计184.5.1 系统软件总体机构184.5.2 系统总貌界面194.5.3 粗细格栅界面204.5.4 鼓风机、脱水机房界面234.5.5 沉淀池、氧化池界面244.5.6 各泵房状态254.5.7 加药间、污泥贮池界面264.5.8 报警窗口274.5.9 历史报表、趋势、事件记录界面274.5.10 实时曲线界面284.5.11 系统设置界面294.6 组态软件的策略控制30结 论33致 谢34参考文献35附 录37附录A37附录B421绪论1.1 课题研究的背景及意义随着当今工业的迅猛发展，人类社会的进步的步伐越来越快，水污染问题已经被重视。20世纪中期以来，由于人口增长和工农业生产的发展，加剧了水污染的现象。排放的污水会对生态环境造成严重污染，使地表水甚至地下水水质恶化，并致死水生物，缺水地区已危及人的生命健康。发展中国家约有10亿人喝不清洁水，每年约有2500多万人死于饮用不洁水，全世界平均每天5000名儿童死于饮用不洁水，约1.7亿人饮用被有机物污染的水，3亿城市居民面临水污染1。在肝癌高发区流行病的调查表明，饮用藻类毒素污染的水是肝癌的主要原因。我国的国情是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，同时近年来江南水乡出现严重干旱，水资源的需求缺口也日益增大。每年工业废水和城市污水合集排放量已达约400亿立方米，且处理效率较低，大量废水排入天然水体，已使我国约80%的河流湖泊受到不同程度的污染。水污染以成为我国面临的严重环境问题之一。地球淡水资源有限，加之日益严重的水污染现象，因此做好城市污水和工业废水的处理和再生利用成为各国面临的重要问题。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。污水处理行业有利于保护水环境，促进有限的水资源能够可持续开发利用。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。降低运营成本，提高污水处理率，一直是污水处理行业面临的最现实的问题。如今，科学技术的发展和工业化进程的不断推进，污水处理已逐渐由原来的现场人工操作逐步演变为全厂自动化控制，融计算机控制多媒体监控系统、信息管理于一体，不仅使工作效率提高，工人劳动强度降低，还提高了污水处理质量，降低了污水处理成本。现在的污水处理系统一般采用计算机技术、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，在计算机上动态现实，对这些数据进行分析处理，并记录下来，以备在需要的时候查阅。通过分析数据趋势走向，随时调整个设备及工艺过程参数，使其达到优化控制状态，经济运行，节省能耗。采用计算机代替人工操作，同时，利用组态软件实现数据采集与过程控制, 其突出特点是实时多任务, 可以实现数据采集与输出、数据处理与算法、图形显示及人机对话、实时数据的存储、检索管理、实时通信等多个任务在同一台计算机上运行，以达到减少事故，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，提高运行的可靠性的目的，利用组态软件提高污水处理的效率是此次课题的主要目的，污水处理厂的监控系统一般采用上位机与下位机相结合的体系结构, 体现了“ 分散控制、集中管理” 的现代控制思想，这使得基于组态的污水处理监控系统在提高污水处理效率上体现出巨大优势2。1.2 国内外研究现状和相关成果1.2.1 国内研究现状及成果据统计，我国的城市污水量正以每年6.5%的速度增大，然而由于资金、能源等方面原因的制约，城市污水处理率很低，我国在建国初期只有几个过去有国外租界留下来的城市污水处理厂，日处理量还不过万吨；解放后，城市污水处理厂有了较大的发展，特别是“六五”期间；截止1987 年底全国污水处理厂建成投产的已有78 座；至1990 年有污水处理的城市56个，省和直辖市增加到21个；1999 年全国建成污水处理厂389 座，处理率为29.65%。城建系统187 座，处理率16.18%。全国大约还有600 多个城市没有城市污水处理厂，全国城市污水处理率目前仅达20%左右，这一状况与国家提出“至2000 年使水环境污染不断恶化的趋势得到控制，至2010 年使总体环境质量得到改善”的发展目标是不相称的3。我国已颁发城市污水处理及污染防治技术政策经过几十年的努力，尤其是近十年的努力，我国的水污染控制工作已有很大的发展，城市污水处理普及率已达到30%，在水资源的再生利用方面作了大量的工作并取得了可喜的成绩。以杭州市萧山区为例4，随着萧山区经济的高速发展和城市人口的不断增加，污水处理行业得到了快速发展，污水处理厂的自动控制系统越来越成为污水处理稳定运行的关键。针对污水处理厂自动控制系统及污水工艺设备的安全运行的重要性，提出PLC和组态软件技术在污水处理项目。为了保证污水处理厂的自动控制系统的稳定性和可靠性，设计中采用了四级控制和管理方案对整套污水处理系统进行监控，管理层可实时监测污水处理的运行状况，便于管理层做出正确的规划。监控层选用两台工业控制计算机进行冗余，实时观察设备的运行状况。控制层选用西门子公司PLC（S7400+S7300+S7200）作为控制器，充分显示了“集中监测，分散控制”的原则。设备层采用了运行记录仪、超声波流量计、COD在线测试仪、PH（工业酸度）在线测试仪、变频控制器等，并配备相应的软件，确保可靠、有效的运行。该系统的上位机软件采用力控Force Control V6.0组态软件为开发平台，它的实时数据库功能、OPC Server功能、人机界面功能、冗余功能、图形功能、报表打印等功能于一身，包含动态显示、报警、控件、趋势、网络通讯等组件5。整套系统建设有多幅实时监控画面，包括系统总貌、混合池、曝气池、沉淀池、稳定池、污泥脱水系统、剩余污泥泵站、污泥储池、预处理、一级处理。其通过指示灯表明设备的运行状态。在电机运行方式为手动时，将画面切成自动时，用鼠标点击画面下电机启动按钮可远程启动现场设备。传感器的瞬时值依据实际安装位置被分别标注到不同的分布工艺流程图中，其实时数据和历史数据被做成相应分布图的子画面。整个软件界面使用Windows控件，呈树状排列，查阅、操作简便。1.2.2 国外研究现状及成果污水处理在发达国家已有较成熟的经验。如：英国、德国、芬兰、荷兰等欧洲国家均已投资对因工业革命和经济发展带来的水污染进行治理；日本、新加坡、美国、澳大利亚等国家也对污水处理给予了较大的投资，特别是新加坡并没有走先污染后治理的道路，而是采取经济与环境协调发展的政策。国外对污水的处理主要是通过建造污水处理厂。实践证明建造污水处理厂是解决水污染的一条有效途径。美国平均每1 万人拥有一座污水处理厂；瑞典和法国每5000 人有一座污水处理厂；英国和德国每70008000 人拥有一座污水处理厂。国外城市都在为污水处理普及率达到100%而努力，将推广低能耗高性能的污水处理工艺技术，提高水处理排放的标准，完善污水处理的有关政策，多功能的污水处理技术更为流行6。其中，在污水处理自动化方面，东芝公司积累了相当的经验和技术。在过程仪表方面，公司开发了微波污泥浓度计、非满水用电磁流量计等代表世界先进水平的水处理用仪表和其他如DO、MLSS等水质检测仪表。在过程控制方面，东芝公司开发出了适应于不同控制规模的PLC控制器model300020001000系列PLC控制器，它提供标准的以太网通讯协议，符合IE611311国际标准语言、内嵌C模块实现真正的计算机功能。在监控技术方面，形成了针对污水处理监控特性的监视控制软件，有针对中小系统的基于SCADA监视技术的通用控制系统，其处理点数一般在10000点以下，另外有针对大规模监控系统的使用Java语言开发的TOSWACSV系统(Toshiba water supervisory Control System)，其处理点数最多可以达50000点7。1.3 课题的研究方法及论文构成本课题主要采取调查法以及经验总结法，通过有目的、有计划、有系统地搜集有关研究对象现实状况或历史状况的材料，并对调查搜集到的大量资料进行分析、综合、比较、归纳。所获得资料来自于校阅览室各期刊报纸、图书馆、网上数据库和社会、企业调研。在对污水处理系统有深入了解后，运用课堂上所学的工业软件基础（力控组态软件）以及其他相关知识，模拟污水处理监控系统。文章主要章节及内容：第一章 绪论 主要介绍课题背景，研究现状及研究目的。第二章 污水处理工艺流程 对污水处理工艺进行了解，为课题研究做准备第三章 污水处理系统构架 对污水处理系统的构架进行了解，掌握其主要部分的结构及功能。第四章 监控系统组态软件设计 通过前期调研，对污水处理监控系统进行设计，调试。结论 对本文进行总结。2 污水处理工艺流程2.1 污水处理的基本概念城市污水、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:(l)排放水体;(2)灌溉田地;(3)重复使用。2.2 污水处理工艺流程2.2.1 污水处理流程图图2.1 污水处理工艺流程2.2.2 流程简介本污水处理系统处理流程包含两部分：污水处理和污泥处理。污水处理主要的工艺环节大致包括：格栅、调节均质、一次沉淀、水解酸化、厌氧反应、好氧反应、二次沉淀、达标出水（如对水质要求较高需经过深度处理）。2.2.3 污水的预处理污水的预处理是以去除废水中的大颗粒污染物和悬浮物在废水中的油脂类物质为目的的处理方法。常见的预处理方法包括格栅、沉沙、隔油及调节等。除油方法主要有：加隔板、加斜板。水质水量的调节可使用调节池。2.2.4 格栅生产线污水经过排放管路自流进入格栅井进行过滤。厂区生活污水经过管路从化粪池引入格栅井，并入生产污水一同过滤后进入污水处理系统统一处理。格栅井内设人工格栅，主要作用是截留污水中的大块悬浮物和漂浮物，以保证整个系统机械设备的安全性8。2.2.5 调节均质格栅井出水自流进入提升井。提升井用于收集格栅井出水。提升井内污水经提升泵提升进入调节池。调节池的主要作用有以下四点：一是调节水量，缓冲生产线排水峰量，为后续污水处理系统提供稳定的运行条件；二是考虑到生产线排水所含的污染物浓度因时序不同存在差异，均衡进入后续污水处理系统的污水水质；三是制药污水的原水pH值波动较大，可在调节池内设pH监控、调节设备，以稳定污水的pH值，减少对后续生化反应中微生物的影响。四是调节池曝气可以去除部分COD，为后续处理减轻压力。2.2.6 一次沉淀调节池出水自流进入初沉池。初沉池用于沉淀格栅未能截留的大部分较小的悬浮物在初沉池中沉淀形成污泥，达到与污水分离的目的。根据水质情况，悬浮物主要是未经格栅过滤掉的可沉淀颗粒状物质，比重一般都大于1的，在沉淀阶段选用竖流式沉淀池，较适用于该类颗粒状物质的沉淀，并可起到有效的作用。对于悬浮物的去除也可选用溶气气浮，溶气气浮主要适用于比重接近于1处于悬浮状的物质，使用溶气带起悬浮物浮上液面，利用刮渣设备进行刮除，根据水质情况，选用气浮对污水中颗粒物的去除较差，该方案设计不予采用。初沉池至少每天排泥2次，视具体情况增加排泥次数。保证初沉池没有大量污泥随水流入集水池，保证后续工艺的安全运行9。2.2.7 水解酸化初沉池出水自流进入集水池。集水池用于收集初沉池出水。集水池内污水经提升泵提升进入水解酸化池。水解酸化生物处理工艺出现于20世纪80年代。这种工艺摒弃了厌氧消化过程中对环境条件要求严格，且降解速度较慢的甲烷发酵阶段，将系统控制在缺氧状态下的水解酸化阶段。原理是通过水解菌、产酸菌释放的酶促使水中难以生物降解的大分子物质发生生物催化反应，具体表现为断链和水溶。微生物则利用水溶性底物完成胞内生化反应，同时排出各种有机酸。因此水解酸化过程废水中易降解有机物质减少较少，而一些难降解大分子物质被转化为易于降解的小分子物质（如：有机酸）。从而使废水的可生化性和降解速度大幅度提高。因此，后续的厌氧生物处理可在较短的水力停留时间内达到较高的COD去除率10。同时，水解反应也能降低一部分COD（约10%20%）。2.2.8 厌氧反应水解酸化池内污水经配水系统均匀配水后自流进入UASB反应池。UASB反应池共分三组，并联运行。厌氧生物处理作为利用厌氧性微生物的代谢特性，在毋需提供外源能量的条件下，以被还原有机物作为受氢体，同时产生有能源价值的甲烷气体。厌氧生物处理法不仅适用于高浓度有机废水，进水BOD最高浓度可达数万毫克每升，也可适用于低浓度有机废水，如城市污水等。厌氧生物处理过程能耗低；有机容积负荷高，一般为510kgCOD/m3.d；剩余污泥量少；厌氧菌对营养需求低、耐毒性强、可降解的有机物分子量高；耐冲击负荷能力强；产出的沼气是一种清洁能源。升流式厌氧污泥床UASB( Up-flow Anaerobic Sludge Bed）工艺由于具有厌氧过滤及厌氧活性污泥法的双重特点，作为能够将污水中的污染物转化成再生清洁能源沼气的一项技术。对于不同含固量污水的适应性也强，且其结构、运行操作维护管理相对简单，造价也相对较低，技术已经成熟，正日益受到污水处理业界的重视，得到广泛的欢迎和应用11。UASB由污泥反应区、气液固三相分离器（包括沉淀区）和气室三部分组成。在底部反应区内存留大量厌氧污泥，具有良好的沉淀性能和凝聚性能的污泥在下部形成污泥层。要处理的污水从厌氧污泥床底部流入与污泥层中污泥进行混合接触，污泥中的微生物分解污水中的有机物，把它转化为沼气。沼气以微小气泡形式不断放出，微小气泡在上升过程中，不断合并，逐渐形成较大的气泡，在污泥床上部由于沼气的搅动形成一个污泥浓度较稀薄的污泥和水一起上升进入三相分离器，沼气碰到分离器下部的反射板时，折向反射板的四周，然后穿过水层进入气室，集中在气室沼气，用导管导出，固液混合液经过反射进入三相分离器的沉淀区，污水中的污泥发生絮凝，颗粒逐渐增大，并在重力作用下沉降。沉淀至斜壁上的污泥沿着斜壁滑回厌氧反应区内，使反应区内积累大量的污泥，与污泥分离后的处理出水从沉淀区溢流堰上部溢出，然后排出污泥床。基本要求有：(1)为污泥絮凝提供有利的物理、化学和力学条件，使厌氧污泥获得并保持良好的沉淀性能；(2)良好的污泥床常可形成一种相当稳定的生物相，保持特定的微生态环境，能抵抗较强的扰动力，较大的絮体具有良好的沉淀性能，从而提高设备内的污泥浓度；(3)通过在污泥床设备内设置一个沉淀区，使污泥细颗粒在沉淀区的污泥层内进一步絮凝和沉淀，然后回流入污泥床内。UASB的主要优点是：(1)UASB内污泥浓度高，平均污泥浓度为2040gVSS/1；有机负荷高，水力停留时间短，采用中温发酵时，容积负荷一般510kgCOD/m3.d左右；无混合搅拌设备，靠发酵过程中产生的沼气的上升运动，使污泥床上部的污泥处于悬浮状态，对下部的污泥层也有一定程度的搅动；(2)污泥床不填载体，节省造价及避免因填料发生堵赛问题；UASB内设三相分离器，通常不设沉淀池，被沉淀区分离出来的污泥重新回到污泥床反应区内，通常可以不设污泥回流设备；(3)UASB在冬季低温运行情况下，池内增设蒸汽管道，利用锅炉蒸汽余热对系统进行加温，以保证良好的运行环境，系统产生甲烷气体可引入锅炉房进行留用。2.2.9 好氧反应生物接触氧化工艺是一种介于活性污泥法与生物滤池之间的生物膜法工艺，其特点是在池内设置填料，池底曝气对污水进行充氧，并使池体内污水处于流动状态，以保证污水与污水中的填料充分接触，避免生物接触氧化池中存在污水与填料接触不均的缺陷。微生物所需氧由鼓风曝气供给，生物膜生长至一定厚度后，填料壁的微生物会因缺氧而进行厌氧代谢，产生的气体及曝气形成的冲刷作用会造成生物膜的脱落，并促进新生物膜的生长，此时，脱落的生物膜将随出水流出池外。生物接触氧化工艺具有以下特点：(1)由于填料比表面积大，池内充氧条件良好，池内单位容积的生物固体量较高，因此，生物接触氧化池具有较高的容积负荷；(2)由于生物接触氧化池内生物固体量多，水流完全混合，故对水质水量的骤变有较强的适应能力；(3)剩余污泥量少，不存在污泥膨胀问题，运行管理简便。2.2.10 二次沉淀生物接触氧化池出水自流进入二沉池。生物接触氧化池流失的部分微生物在二沉池中沉淀形成生化污泥，达到与污水分离的目的。二沉池内设污泥回流泵，污泥定量回流至生物接触氧化池内，以调节生物接触氧化池内的微生物量。二沉池出水自流进入清水池，达标排放。2.2.11 污泥处理污水处理系统中产生的污泥分两类：物化污泥和生化污泥。由于生物接触氧化法产生的剩余不多，加上部分剩余污泥被回流至生物接触氧化池内用于调节生物量，因此污泥处理系统处理的污泥主要以物化污泥为主，初沉池沉淀的物化污泥重力流自流进入污泥池。经污泥提升泵提升进入板框压滤机压滤处理。处理后的污泥外运。压滤机压滤出水排入调节池。二沉池沉淀的生化污泥中回流后剩余的部分重力流自流进入污泥。与初沉池的物化污泥混合后，进入后续污泥处理系统统一处理。2.3 污水处理水质标准表2.1 城市污水处理厂水质排放标准(mg/L)12序号处理分级标准值项目一级处理二级处理最高允许排放浓度处理效率%最高允许排放浓度1PH值6.58.56.58.52悬浮物120不低于40303生化需氧量（5d,20）150不低于30304化学需氧量（重铬酸钾法）250不低于301205色度（稀释倍数）-806油 类-607挥发酚-18氰化物-0.59硫化物-110氟化物-1511苯 胺-312铜-113锌-514总 汞-0.0515总 铅-116总 铬-1.517六价铬-0.518总 镍-119总 镉-0.120总 砷-0.5注：1、pH、生化需氧量和化学需氧量的标准值系指24h定时均量混合水样的检测值； 其它项目的标准值为季均值。2、当城市污水处理厂进水悬浮物，生化需氧量或化学需氧量处于GJ18中的高浓度范围，且一级处理后的出水浓度大于表1中一级处理的标准值时，可只按表1中一级处理的处理效率考核。3 污水处理系统构架3.1 引言随着计算机、网络通信、电子技术的飞速发展、自动化技术的日新月异，可编程控制器（简称PLC）以其卓越的可靠性、抗干扰性以及方便灵活的编程和应用而越来越广泛地采用以PLC为核心来实现工艺过程的全面监控。污水处理系统的体现了“集中管理，分散控制，数据共享”的原则，系统选型不仅可以使系统性能稳定、运行可靠、操作简单、维护方便，而且易于扩展、运行经济、维护方便、性价比高。自动控制系统在生产中可以起到生产过程自动控制、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、减轻劳动强度的作用，自动控制系统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。对于整个系统，控制级是实现系统功能的关键，也是管理级与现场级之间的枢纽层。其主要功能是接受管理层设置的参数或命令即PLC的控制和采集的仪表数据，通过网络传到中央控制室，对污水处理生产过程进行控制，同时将现场状态输送到管理层。控制级要求具有高可靠性，所以在这个环节一般采用冗余技术13。由于自动控制过程比较复杂，且是一个顺序性、周期性很强的逻辑操作系统，因此选择PLC作为系统底层控制单元(下位机)，上位机主要实现系统管理功能，一般不参与过程控制，而是承担高一级的控制与管理任务，要求信息储存量大、计算速度快。因此以PC机作为中央控制和监视系统。每部分具体功能如下。上位机系统实现对整个工艺流程的设备运行状态的实时监控，将工艺流程以直观的画面显示出来，记录在线检测的参数，记录设备运行状态和过程，分析参数的变化趋势，及时发布和预报运行情况，实施诊断和报警，完成高级控制策略。下位机系统主要完成数据采集，逻辑顺序控制，执行闭环控制输出。对多样化的污水处理设备，如泵、阀系统和排泥设备等，能够根据实时情况和要求，控制设备的启、停和工作强度，达到设备的最优化调度，节约药剂的投加量，保证处理效果。网络通讯系统将上、下位机之间连接起来，使现场控制站数据能正确、及时地反映在上位机上，而上位机的控制信号也能及时传达到下位机，实现远程监控15。图3.1 典型自动控制系统图3.2 现场PLC控制站现场PLC控制站，主要有现场PLC与远程分布式I/O链、在线检测及分析仪表、电控设备、调节设备等组成。其直接面向生产过程，是自动化控制系统的基础。主要是通过现场控制柜的选择开关来实现。现场级主要由一次仪表(如液位计。DO传感器等)、控制设备等组成。其功能主要是对系统设备的状态。传感器参数进行监测，并把监测到的数据上传；接受控制级的指令对执行机构进行控制。3.2.1 预处理系统控制站(PLC1)主要负责进水泵房、沉砂池、计量槽。具体为如下单元的检测、控制：进水闸门、粗格栅、进水泵房、细格栅、旋流沉砂池、分砂机房、初次沉淀池、初沉污泥泵房。另外在附近的初沉污泥泵房设置子站，负责相应的初沉污泥泵房和初沉池。主要通信方式包括：主站和子站PLC之间的通信采用PLC间的控制级总线Controller-Link。变频器、软启动器、分砂设备等成套设备通过数字接口与PLC实现通信(协议宏)。3.2.2 生物处理系统控制站(PLC2)主要负责生物处理系统、加氯间的监控，同时兼顾变电站(电站自动化成套设备)、鼓风机系统(成套系统)的通信。另外在附近的回流污泥泵房设置子站。子站负责生物处理过程，如AO曝气池、回流污泥泵房和二沉池。主站通信方式包括：鼓风机主控制盘(MCP)与主站通过数字接口通信(协议宏)。变电站的电站自动化系统通过以太网与厂区快速以太网设备通信。子站通信方式包括：主站与子站PLC之间的通信采用Controller-Link。回流泵的变频器通过数字借口与子站PLC通信。3.2.3 污泥处理系统控制站(PLC3)主要负责浓缩池、浓缩污泥泵房、储气罐、燃烧器等监控，同时兼顾污泥脱水系统(成套设备)、污泥消化系统(成套设备)、污泥干化系统的通信。控制环节包括：浓缩污泥泵房的污泥泵控制。I/O检测信号包括：液位、浓度和电气设备状态等。通信方式包括：污泥脱水系统(成套设备)通过数字接口与PLC实现通信；污泥消化系统、污泥干化系统通过以太网与厂区快速以太网设备通信。3.2.4 出水及雨水系统控制站(PLC4) 主要负责出水泵房、与水泵房的检测和控制。控制功能：水泵系统现场和远程控制，流量控制，多台定速泵编组优化控制。监视功能：状态信号，水泵“运行”、“自动/手动”、“故障”信号；模拟信号，池液位16。3.3 网络通信系统系统的网络从高到底划分为三个层次：信息层、控制层和设备层。第一层信息层，包括Ethernet(以太网)、Host-Link(上位机链接),主要负责大量信息及不同厂家设备之间的信息传输，Ethernet已成为当前最通用的一种信息网络。第二层为控制层，包括SYSMAC-Link(令牌总线)、PC-Link(PC链接)和Controller-Link(控制器链接)，控制层网络的特点是高速、高可靠，适合PLC与计算机、PLC与PLC及其他设备之间的大量数据的高速通信。最底层网络为设备层，它们有SYSBUS(远程I/O系统)、Compo bus/D (Device Net)、Compo bus/S(设备网)、Profibus-DP、Mod-bus等，这一层用于PLC连接方便，并能起到省配线的作用，成本低廉。第二、第三层网络习惯上称为现场总线8。3.4 中央控制室及上位机监控系统3.4.1 PLC联动控制PLC联动控制又叫中心控制室，主要由工业控制计算机、网络服务器、无线电台、输入/输出设备等组成。工程监控层以上位机组为核心，一般设置三台SCADA工作站(工控机)，其中一台为工程师专用计算机，以流行的SCADA软件作为系统控制软件，内部集成VBA，可离线或在线对整个监控系统进行组态、参数修改、开发等。另外两台计算机为操作员计算机，可通过工控软件实时监视全厂工艺参数变化，设备运行、故障发生等情况，并进行多种模式操作，同时负责日常报表打印、事故打印和数据记录等。两台操作站的监控系统互为冗余。三台工作站插入通用计算机以太网卡，与服务器一起连接到以太网，可以读取和写入网络上PLC的任意一个接点的数据存储器。中央控制室可调用各现场站的全部运行信息，在中央控制室可控制现场主要设备的启动和停止9。上位机监控软件具体实现有以下功能17。(1)控制操作 在中控室可对被控设备进行控制(如启动或停止各类泵、电机、曝气机、电动阀等)，对各现场控制站的PLC的参数进行设定和修改，具有良好的人机界面，可方便地进行图形间的切换和各种功能的调用。设立不同的安全操作等级，针对不同的操作者，设置相应的加密等级，记录操作员及其操作信息。(2)显示功能 实时显示某参数值，使参数的变化过程一目了然。对全厂工艺过程、工艺参数、设备状态等动态显示。数据处理及管理：记录并显示工艺参数、电量参数的变化曲线或趋势图，利用在线数据和数据库的数据进行分析、统计、计算、显示。(3)报警功能 当某一参数异常或设备故障时，可根据不同的报警类别，发出声光报警、屏幕报警、输入报警表、打印输出或播放事先录制的语音提示，同时显示相应的提示信息，并记录在报警数据库中，且可分等级。(4)报表功能 分成年度、季度、月度、日班报表及运行参数报表(如污水处理量、耗电量等)。(5)登录 用户权限及身份的等级3.4.2 上位机监控系统上位监控系统是指在厂区的中心控制室对全厂的设备和工艺运行情况进行监控，它是通过通讯系统采集到系统内各个站点的设备工作状态和各种与调度、控制有关的工艺参数，根据整个系统的运转情况，进行统一调配、控制。上位监控系统包括监控计算机、上位监控软件、模拟屏、电视墙、网络通讯系统、不间断电源及打印机等。图3.3 中心控制室4 监控系统组态软件设计4.1 监控系统的含义及发展状况计算机检测控制系统(简称计算机监控系统)是指具有数据采集、监视、控制功能的计算机系统。在这个系统中，计算机直接参与被监控对象的检测、监督和控制，加上检测装置、执行机构，与被检测控制的对象(生产过程)共同构成一个整体。自1956年美国首先研究了用于军事上测试项目的计算机监控系统之后，经历了集中式监控系统、微型计算机监控系统、分层分散监控系统、开放式监控和数据采集监控系统(Supervisory Control and Data Acquisition，SCADA)的发展。SCADA是具有代表性的系统，发展过程与数据通信、网络的发展过程类似且密切相关，可以大致归纳为三个阶段：20世纪70年代前，第一代集中式监控系统，从网络的发展看，这期间叫网络的第一步，即远程联机系统阶段；7080年代中期是第二代微型计算机监控系统，其基本结构还是集中式的；80年代中期至今是第三代分层分散型监控系统(DCS和SCADA)18。此时，不同的监控系统之间不能直接互通信息，不满足或不完全符合开放系统标准；随着网络技术应用的迅速发展，有的系统采用符合TCP/IP的Ethernet、DEC-net局域网、广域网、互联网。可以说第四代的开放式SCADA系统已经问世。近几年来，我国新建城市污水处理厂为保证污水处理过程的安全性、可靠性和生产的连续性，控制系统采用目前国内外污水处理厂广泛应用并取得良好效果的基于PLC的集散型的控制系统及SCADA系统。数据采集系统通过现场检测仪表和网络设备完成对主要工艺参数的数据采集并对生产流程进行监控。污水处理流程中的各检测仪表均为在线式智能仪表，变送器均带有数字显示装置并通过PLC接口传送标准的模拟、数字信号。4.2 监控系统的特点 计算机监控系统能将分散在工艺流程上各控制点的检测数据处理后作为PLC控制的依据，并将监测的数据作为计算机选择运行模式的依据，实现PLC对各设备有效、自动的控制。通过计算机实现对全厂运行情况有序、集中的管理，保证操作人员对整个系统的监控。归纳起来计算机监控系统具有如下特点：实时性、可靠性、可维护性、过程数据自动采集处理、人机交互、通信功能、管理功能、自动报警、自动校正、信息处理和控制算法、自动运行、自动控制、自动调度决策10。4.3 监控系统的功能及结构计算机直接参与生产过程的检测、监督和控制，具体有下述3方面功能。1、采集与处理功能 主要是对生产过程的参数进行检测、采样和必要的预处理，并以一定的形式输出、为生产人员提供详实的数据，以便于分析、了解生产情况，监视生产过程的进行。2、监督功能 将检测的实时数据、人工输入的数据等信息进行分析、归纳、整理、计算等二次加工，并制成实时和历史数据库加以储存。监督系统的输出一般都不直接用于生产过程，而是经过生产人员的判断后再由操作人员对生产过程进行干预。3、控制功能 在检测的基础上进行信息加工，根据事先决定的控制策略形成控制输出，直接作用于生产过程。完整的计算机监测控制系统是上述三种功能的综合集成。4.4 组态软件的特点所谓组态软件，是指一些数据采集与过程控制的专用软件，它们基于自动控制系统监控层一级的软件平台和开发环境，能以灵活多样的组态方式提供良好的用户开发界面和简捷的使用方法。其预设置的各种软件模块可以非常容易地实现和完成监控层的各项功能，并能同时支持各种硬件厂家的计算机和I/O设备；与高可靠性的工业控制计算机和网络系统相结合，可向控制层和管理层提供软、硬件的全部接口，进行系统集成。组态软件支持各种工控设备和常见的通信协议，并且提供分布式数据管理和网络功能。通用组态软件主要特点有以下3项19。1、延续性和可扩充性 用通用组态软件开发的应用程序，当现场(包括硬件设备或系统结构)或用户需求发生改变时，不需做很多修改而方便地完成软件的更新和升级。2、封装性 通用组态软件所能完成的功能都用一种方便用户使用的方法包装起来，对于用户不需要掌握太多的编程语言技术，就能很好地完成一个复杂工程所要求的所有功能。3、通用性 每个用户根据工程实际情况，利用通用组态软件提供的底层设备(PLC、智能仪表、智能模块、板卡、变频器等)的I/O Driver、开放式的数据库和画面制作工具，就能完成一个具有动画效果、实时数据处理、历史数据和曲线并存、具有多媒体功能和网络功能的工程，不受行业限制。图4.2 组态软件界面4.5 上位机组态软件设计4.5.1 系统软件总体机构水厂监控系统作为污水处理工艺控制的可视化平台，需要在远离现场的水厂控制室对整体水厂系统的各个设备状态进行监控，逼真地反映出水厂设备的真实运行状态和现场工作状态，这就要求本监控软件具有良好的图形监控画面，清晰的结构，丰富强大的图形控制界面，从而能够达到再现水厂现场实况，为水厂的管理人员提供简单方便的操作的效果。监控系统的客户端能通过网络编程接口从服务器读取参数，在平台下将参数及其动态模拟图显示在用作客户端的 PC 机上，并根据需要进行修改调整。根据水厂工艺工程师的需求，水厂的监控软件应设计成具有友好的人机界面和强大的二次开发能力，其人机界面不再是单一的文字，而是文字和图形的综合处理，除了具有菜单式的操作方法外，还要采用图形化、仪表化的操作界面，反映水厂处理现场的数据变化，在相应位置放置各种现场对象的模拟对象，将相应的实时数据与模拟对象相关联，并提供运行参数设置、报警等常用过程控制中的监控手段。图4.1 上位机监控系统的客户端软件功能模块化分框图4.5.2 系统总貌界面该界面的设计是为了管理和操作人员提供一个良好的系统监视界面。它可以显示进水数据，处理过程数据及其他重要相关参数。界面如图所示。图4.2 系统总貌界面是按照工艺流程顺序进行设计，分别显示流程中各构筑物的信息以及污水、污泥、气路方向。界面上方为分界面按钮，实现主从界面切换，单击可以查看某一部分的具体信息。右上方显示的为当前时间。界面中间部分为主体，可以直观的了解系统实时状态。设计中，将一些重要的参数信息显示在相关构筑物旁边，使得信息显示更加直观。界面中右下角为注释，来解释界面中的相关信息。左下角设有系统故障报警灯，当系统任何部分出现异常时，可以提醒管理人员。4.5.3 粗细格栅界面粗格栅的主要作用是去除污水中的大块漂浮物。格栅的液位控制是根据栅前的液位来进行格栅电机的启停控制，有上位机操作人员对格栅启动液位值和停机液位值进行设置，可以随意修改，但是限定启动值必须大于停机值20。细格栅用于拦截污水中的大量细小的漂浮物。对于细格栅可通过现场控制柜实现手动控制，也可进行远程控制启、停。由于细格栅的栅间距比粗格栅小得多，可参照粗格栅的运行情况，对其参数进行适当的修改。图4.3 粗细格栅界面该界面主要显示粗、细格栅的详细信息，包括格栅水位高度、流速。相关的PH值、COD值信息设计在实时曲线界面。界面右上方为当前时间，以及故障、水位报警灯。左侧设置了格栅除污机的开关，以控制除污机对格栅进行除污操作。该系统为模拟污水处理监控系统，没有实际的下位机连接，在I/O设备组态中选择的“力控-驱动仿真-SIMULATER” 选项。如图所示。图4.4 I/O组态设备在力控的实时数据库中，一个基本的数据对象为“点”。一个点由若干参数组成，一个点参数对应一个客观世界中的可被测量或控制的对象。模拟I/O点，输入和输出量为模拟量，可完成输入信号量程变换、报警检查、输出限值等功能。基本参数，模拟I/O点的基本参数