污水处理厂自动控制毕业论文

丹麦大型城市污水处理厂运行、维护和管理崔成武1,* Gert Petersen1,2（1. 丹麦技术大学环境与资源学院，Lyngby，丹麦，2800； 2. EnviDan，Kastrup，丹麦，2770） 摘要：本文简要介绍了丹麦城市污水处理的现状，包括城市污水处理厂数量、类型、处理负荷以及欧盟和丹麦环保部门的相关要求等。另外，针对大型城市污水处理厂，本文以Lynetten、Damhusen、Lundtofte 和Avedre 四大城市污水处理厂为例，介绍其运行维护和管理方面的经验。最后，本文还介绍了丹麦以及上述四大城市污水厂的污水和污泥处理费用。 关键词：丹麦，污水处理，污泥处理，气体处理，城市污水处理厂，运行管理，运行费用 中图分类号： 文献标识码：AThe operation, maintenance and management of big domestic wastewater treatment plants in DenmarkCui Chengwu1,* Gert Petersen1,2（1. Institute of Environment & Resources, Technical University of Denmark, Lyngby, Denmark, 2800 2. EnviDan, Kastrup, Denmark, 2770）Abstract: This paper briefly introduces the situation of domestic wastewater treatment in Denmark, which includes the numbers, types, capacities of domestic wastewater treatment plants and the effluent requirements from both EU and Danish EPA. The operational experiences and management of the big domestic wastewater treatment plants are explained mainly based on the data from Lynetten, Damhus?en, Lundtofte and Aved?re WWTP in Denmark. At last, this paper also introduces the average wastewater treatment fee in Denmark and the operational cost of both wastewater treatment and sludge treatment in those 4 words: Denmark, wastewater treatment, sludge treatment, gas treatment, domestic wastewater treatment plant, operation and management, operation fee1．简介 丹麦位于欧洲北部，经济发达，人均国民生产总值居于世界前列。同时，丹麦政府对环保建设非常重视，尤其是城市污水处理问题。在欧盟委员会关于91/271/EEC 法案（城市污水处理法案）执行情况的第三次和第四次总结报告中[1,2]，丹麦与德国、奥地利等国共同被归属于欧盟城市污水处理较好的国家之列。自执行欧盟91/271/EEC 法案后，丹麦城市污水处理厂和工业废水处理厂出水质量均得到明显改善。自1989 年到2004 年，丹麦城市污水处理的发展可分为两个阶段，分别是1989～1996 年的快速成效阶段和1996～2004 年的平稳下降阶段。例如：在1989 年，丹麦城市污水处理厂出水中BOD5 总量为35000 吨，到1996 年，这一数据快速下降到5000 吨，而到2004 年，则平稳下降到2500 吨。 丹麦政府规定，当人口当量大于30PE1 时需建设相应的污水处理设备。根据2004 年统计结果[3]，丹麦全国共有1193 个城市污水厂，其中237 个为私营污水厂。自1993 年到2004年的12 年间，丹麦城市污水处理厂的类型发生了巨大的变化。具有脱氮功能的生物污水处理厂的比例从1993 年的54%提高到2004 年。与此变化相符合的是城市污水厂出水氮磷含量明显降低。2004 年，城市污水处理厂TN 平均去除率为80%，TP 平均去除率高达96%。 在丹麦，尽管城市污水处理厂的数量较多，但规模普遍较小。在1193 个城市污水处理厂中，处理规模小于1000 m3/天的污水厂占到了，但却只处理全国6%的城市污水。绝大多数的城市污水是由大规模集中式城市污水处理厂处理的。如：处理规模大于10000 m3/ 天的污水厂只有62 个，但却处理了全丹麦70%的城市污水。 丹麦城市污水处理厂出水标准遵照欧盟91/271/EEC 法案以及丹麦环保部门和地方行政 区所制定的出水标准来执行。具体出水标准见表 1。2．丹麦大型城市污水厂的运行和维护 丹麦大型城市污水处理厂（人口当量大于100000 PE，即进水量大于20000 吨/天的城市污水厂）所具有的共同特点之一就是污水和污泥处理的工艺非常接近。就下文重点讨论的Lynetten、Damhus?en、Lundtofte 和Aved?re 污水厂来说，其污水处理的核心技术均采用基于氧化沟工艺的Biodenitro 或Biodenipho 技术。而对于污泥处理，一般都需要经过厌氧硝化、离心脱水和焚烧处理后，外排到垃圾填埋场。 另外一个共同的特点就是污水厂的管理方式非常类似。一般来说，丹麦大型城市污水处理厂有两个具有不同功能的管理机构，分别称为董事会和市政业务委员会。董事会成员由污水厂管辖范围内的几个行政区的工作人员组成。董事会成员代表其所在行政区，主要工作是协调行政区与污水厂之间的关系以及监督污水厂的日常运行情况。同时，还需对该行政区污水处理进行详细的规划和总结。而市政业务委员会则主要负责污水厂的日常运行维护和管理工作。同时，在市政业务委员会中也会有各个行政区的负责人员，其主要负责与董事会成员进行对接，确保行政区与污水处理厂之间关系的通畅。以Aved?re 污水厂机构为例，该污水厂的污水来源于10 个行政区。该污水厂管理结构见图 1。 基本情况简介 Lynetten、Damhus?en、Lundtofte 和Aved?re 污水厂均位于丹麦西兰岛上，负责周边行政区的城市污水和工业废水处理[4,5]。2004 年，污水厂处理负荷和进水负荷情况见表 2。Lynetten 是丹麦最大的城市污水处理厂，设计处理能力为15 万吨/天，2004 年实际进水负荷近20 万吨/天。Damhus?en 为丹麦第三大城市污水处理厂，设计处理能力为7 万吨/天。Damhus?en 与Lynetten 共属Lynettenf?llesskabet 公司（Lynetten 联合公司）经营管理。Aved?re 为丹麦第五大污水处理厂，设计处理能力 万吨/天，归属丹麦Spildevandscenter Aved?re （Aved?re 污水中心）经营管理。Lundtofte 相对较小，设计处理量为 万吨/天。 上述四个污水厂进水水质特性和出水情况见表 3 和表 4。对进水水质分析后发现：4 个污水厂进水水质的COD/BOD5 值属文献中[6]的中低值域范围，这可能与工业废水汇入有关。经过总结后发现：丹麦城市污水的COD/TN 和 COD/TP 均处于文献中[6]规定的中高值域范围内。从中发现，四个城市污水厂的重点污染物出水指标均低于欧盟91/271/EEC 法案以及丹麦环保部门的相关要求。 工艺流程 丹麦城市污水处理厂工艺一般可分为三部分：污水处理单元、污泥和废物处理单元以及废气处理单元。Lundtofte 污水厂是丹麦非常典型的城市污水厂，下面基于Lundtofte 污水厂的工艺流程对各部分进行讨论。Lundtofte 污水处理厂的具体工艺流程见图 2 所示。 污水处理单元 机械处理 对于城市污水厂来说，污水机械处理通常包括粗格栅、曝气沉砂池、细格栅、初沉池以及二沉池等工序。由于各种机械处理工艺的设计已经非常成熟，因此无需再进行详细讨论。但是，针对机械处理过程所产生的废物和废气处理问题是值得学习和借鉴的。 在进入曝气池前，一系列的机械处理过程会产生大量的废物。丹麦大型城市污水厂的做法是：固体废弃物并没有与剩余污泥混合进入厌氧消化池，而是经过脱水后直接进入污泥焚烧炉进行焚烧处理。这是因为此类固体中无机物含量相对较高，直接进入消化池会影响厌氧消化效果。另外，这类废物也没有应用于建筑方面的回用，主要原因是此类沙子中含有重金属以及持久性有机物，对人体健康具有潜在危害。 丹麦大型城市污水处理厂十分重视机械处理过程中由于曝气或搅动所产生废气的收集和处理问题。一般来说，曝气沉砂池全部采用铝质材料封顶。部分污水厂的初沉池上面也会封顶。处理过程中所产生的气体，如H2S 也会随特定的气体管路进入焚烧炉处理。 生物处理 如前所述，丹麦大型城市污水厂污水生物处理工艺非常接近。上述四个污水厂均采用Biodenitro 或是Biodenipho 工艺。下面针对这两种工艺进行简单介绍。 工艺简介 Biodenitro 和Biodenipho 工艺为丹麦Krüger 公司的专利技术。该种技术的特点是自动化控制程度高、占地面积小、有机物和氮磷的去除效果良好。与Biodenitro 工艺不同的是，Biodenipho 在前面添加了一个厌氧池（Bio-P tank），因此具有生物除磷功能。而Biodenitro 无法进行生物除磷，只能借助于化学除磷。 下面以Biodenitro 工艺为例，重点介绍该工艺的运行和控制。 Biodenitro 工艺的运行是基于氧化沟技术（丹麦城市污水厂多采用基于表曝的氧化沟技术）。通常是将两个氧化沟划分为一组，采用交替曝气的方式运行以达到硝化反硝化的目的。Biodenitro 工艺分为四个阶段，见图 3 所示。其中，值得注意的是设置b 阶段和d 阶段的主要目的有两个：一是去除第一阶段在缺氧池中残留的氨氮；二是由于硝化耗时相对较长，为了能够达到更好的出水标准。一般来说，尽管Biodenipho 工艺具有较强的生物除磷功能，但污水厂依然会辅助使用化学除磷的方法已达到更佳的出水TP 浓度。而采用Biodenitro 工艺的污水厂更是如此。投放的物质一般为FeCl3 或AlCl3，投放地点设置在曝气池前。在曝气池后安装了磷在线监控装置，当发现TP 浓度超标时会自动投加除磷。 控制系统 上述4个大型城市污水处理厂均采用SCADA和STAR系统来控制污水厂的正常运行。SCADA 技术建立在3C+S (Computer、Communication、Control、Sensor)基础上。该系统主要用于控制泵站、流量以及污泥脱水工艺等等。而STAR系统（Krüger公司的专利技术）是建立在SCADA系统之上，是一种用于控制曝气池运行的应用软件系统。在氧化沟中会安装在线检测仪器，从而将主要的污染物参数，如：氨氮、硝酸盐氮、总磷以及溶解氧浓度的信息发送到中心PLC上。由微机程序控制曝气池各阶段的运行时间和曝气模式。因此，图3中所示的4个阶段的具体运行时间是由STAR系统通过曝气池中具体污染物浓度的数据来控制的，但是会有一个最长运行时间。Lundtofte污水厂各阶段的最长运行时间为90min。 另外，如果设备一旦发生问题，程序会自动向技术人员的手机发送短信息以告知其出现技术故障的具体位置。同时，微机程序还会自动向技术人员发送电子邮件告知其具体问题，技术人员可以据此判断是否应该立即处理该故障问题。 污泥处理单元 丹麦污泥处理情况简介 欧盟及丹麦政府非常重视城市污水处理厂所产生的污泥及其处理和排放的问题，并制定了相关的法案，如86/278/EEC 法案、91/271/EEC 法案等。对城市污水厂排放污泥中的重金属以及持久性有性有机物的含量做出了相关的规定。 经过统计后发现，1999—2005 年，丹麦城市污水厂污泥处理和排放都产生了一定的变化，见表 5 所示。可以看出，变化最为明显的是污泥焚烧比例大幅提高和填埋比例明显下降。其中，污泥焚烧比例从1999 年的6%提高到2005 年的25%。上述的四个丹麦大型城市污水厂的污泥都经过焚烧处理。另外，尽管污泥总产量有所提高，但人均污泥产量基本保持不变。 污泥处理 初沉池和二沉池排出的剩余污泥首先进行脱水、絮凝，之后进行厌氧消化。丹麦城市污水厂多采用中温厌氧消化工艺，温度控制在32～37℃，SRT 控制在25～30 天。一般来说，经过厌氧消化后，污泥的固含率约为～3%。 污泥经过厌氧消化后，进入离心机脱水，污泥固含率提高到20%～32%。经过离心脱水后的剩余污泥将会和沉砂池内的污泥混合，并进入焚烧炉。经过焚烧处理后的污泥收集后运送到垃圾填埋场。 生物气 一般来说，丹麦城市污水厂厌氧消化池产生的生物气中甲烷含量在65%左右，而每产生1m3 生物气会削减 kg 干污泥。生物气能够得到有效的收集并回用。回用主要的方式有两种：一是产热、产电，供本厂内部使用；另一部分则出售给附近的工厂或天然气公司等。 废气处理单元 丹麦城市污水厂在污泥焚烧处理过程中，十分重视潜在的大气污染问题。自焚烧炉产生的废气都要经过深度处理后才能排放到大气中。下面以Lundtofe 污水厂为例，简单介绍污泥焚烧后气体深度处理设备和装置。 从焚烧炉中排出的废气首先经过降温后进入旋风分离器，在这一过程中有85%～90%的灰分会从气体中分离出来。随后，气体进入湮灭炉中进行深度处理。在湮灭炉中，首先用水喷浇，使气体进一步降温。在水体内有溶解的NaHCO3 和少量的活性炭。主要目的是使用NaHCO3 吸附SO2、HCl 和HF 气体，并转化为Na2SO4、NaCl 以及NaF。活性炭则用来吸附汞等重金属。最后，经过处理后的气体进入布袋分离器进行固气分离，所有固体连同污泥被运送到垃圾填埋厂，而经过处理后的气体则通过烟筒排放到大气中。3．能耗、化学品消耗及污水厂运行费用 由于丹麦大型城市污水厂采用的工艺、运行方式以及管理结构大同小异，因此污水厂能耗、运行费用等统计数据也存在一定的一致性。对这些数据进行统计核算对于今后我国拟采用或已经采用类似工艺的城市污水厂的设计、运行、管理和评估工作具有一定的价值和意义。 但是，鉴于国情不同，环境和污水管理方式也有所差异，因此，利用单一货币形式（如欧元）来描述污水处理厂的运行费用是不合理的。因此，在运行费用的具体核算上，分以下几方面进行讨论。化学药品以药品使用量作为衡量标准；能量采用kWh 作为衡量标准。 污水处理厂能耗 丹麦大型城市污水厂电耗在35～45 kWh/（PE·年），和～ kWh/m3 污水。而生物污水处理电耗约为～ kWh/m3 污水，占总电耗的30%～50%；污泥处理电耗约占总电耗的30%～40%；而污水提升、机械处理和管理电耗约占总电耗的15%～35%。对于污泥处理来说，处理1kg 干污泥需耗能～ kWh。 化学药品使用量 污水厂化学物质主要用于化学除磷和污泥脱水等。针对化学除磷，不同污水厂采用的物质不同。例如：Lynetten 污水厂采用FeCl3；而Lundtofte 污水厂采用AlCl3。化学物质投加量与污水水质、工艺以及出水指标有直接关系。Lynetten 和Lundtofte 污水处理厂化学除磷的情况见表 6。从表 6 的数据可以看出，在进水TP 浓度基本相当的情况下，采用具有生物除磷功能的Biodenipho 工艺更加节省化学除磷物质量，而且可以获得更好的出水TP 效果。 污水处理厂运行费用 丹麦城市污水厂运行费用主要费为四部分：员工工资、税费、能耗和化学药品费以及运行维护费用。以Lynetten 和Damhus?en 为例，2005 年两个污水厂运行费用为 亿DKK，具体比例分配见图 4。一般情况下，丹麦污水处理厂最大的费用支出为员工工资。同时，在运行维护中还有相当部分是用于场地租用等。另外，丹麦污水处理厂需向政府缴纳污水和污泥处理税费。污泥焚烧以及外运到垃圾填埋场也都需要缴税。在丹麦，只有污泥回用时不用向政府交税。一般来说，丹麦城市污水处理厂污泥处理费用占总运行费用（不含人工费用和税费）的40%～50%。 上述四个污水厂运行费用统计见下表 7。值得一提的是，丹麦平均污水处理费用为15 DKK/m3，这与核算后的城市污水处理厂污水处理费存在较大差异。主要原因是丹麦总污水处理费用不但包括污水处理厂的运行费用，还需计算污水管道的建设和维护费用。而市政污水管道的维护和管理归各行政区。4．结论 丹麦自20 世纪90 年代至今，城市污水处理发生了巨大的变化。这一变化得益于丹麦政府积极执行欧盟91/271/EEC 法案及制定更为严格的相关出水标准。丹麦大型城市污水厂无论是运行工艺还是管理方式比较相似。总结其发展经验和管理体制，对有效数据进行统计并吸收消化对处于发展中的中国城市污水处理是十分有益的。参考文献：[1] 3rd Report from the Commission to the Council, the European Parliament, the European Economic and Social Committee and the Committee of the Regions - Implementation of Council Directive 91/271/EEC of 21 May 1991 concerning urban waste water treatment, as amended by Commission Directive 98/15/EC of 27 February 1998. Access via Internet (20/08/2007):[2] 4th Report from the Commission to the Council, the European Parliament, the European Economic and Social Committee and the Committee of the Regions - Implementation of Council Directive 91/271/EEC of 21 May 1991 concerning urban waste water treatment, as amended by Commission Directive 98/15/EC of 27 February 1998. Access via Internet (20/08/2007): uwwtd_report/final_circa-per/[3] Milj?styrelsen 2005; Punktkilder 2004. Det nationale program for overv?gning af vandmilj?et; Fagdatacenterrapport. (In Danish)[4] Cui Chengwu et al. The Maintenance and Management in Lundtofte Wastewater Treatment Plant, Denmark. China water & wastewater. (In Press)[5] Cui Chengwu et al. The Maintenance and Management in Lynetten Wastewater Treatment Plant, Denmark. Water & Wastewater. (In Press)[6] Henze M., Harremoes P., La Cour J., Arvin E. (2001) Wastewater treatment biological and chemical processes. Third edition, Springer, Berlin,

“化学法废水零排放技术”充分的利用了企业的废水资源，将企业原来要花钱处理后排放的废水进行了再利用，节约了企业水资源费、废水处理费、排污费等费用，即为企业带来了经济效益又可以从根本上解决废水排放造成的水资源环境的污染。

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污水处理 (sewage treatment,wastewater treatment)：为使污水达到排水某一水体或再次使用的水质要求，并对其进行净化的过程。污水处理被广泛应用于建筑、农业，交通、能源、石化、环保、城市景观、医疗、餐饮等各个领域，也越来越多地走进寻常百姓的日常生活。 首先要把在准备工作当中搜集的资料整理出来，包括课题名称、课题内容、课题的理论依据、参加人员、组织安排和分工、大概需要的时间、经费的估算等等。第一是标题的拟定。课题在准备工作中已经确立了，所以开题报告的标题是不成问题的，把你研究的课题直接写上就行了。比如我曾指导过一组同学对伦教的文化诸如“伦教糕”、伦教木工机械、伦教文物等进行研究，拟定的标题就是“伦教文化研究”。第二就是内容的撰写。开题报告的主要内容包括以下几个部分：一、课题研究的背景。 所谓课题背景，主要指的是为什么要对这个课题进行研究，所以有的课题干脆把这一部分称为“问题的提出”，意思就是说为什么要提出这个问题，或者说提出这个课题。比如我曾指导的一个课题“伦教文化研究”，背景说明部分里就是说在改革开放的浪潮中，伦教作为珠江三角洲一角，在经济迅速发展的同时，她的文化发展怎么样，有哪些成就，对居民有什么影响，有哪些还要改进的。当然背景所叙述的内容还有很多，既可以是社会背景，也可以是自然背景。关键在于我们所确定的课题是什么。二、课题研究的内容。课题研究的内容，顾名思义，就是我们的课题要研究的是什么。比如我校黄姝老师的指导的课题“佛山新八景”，课题研究的内容就是：“以佛山新八景为重点，考察佛山历史文化沉淀的昨天、今天、明天，结合佛山经济发展的趋势，拟定开发具有新佛山、新八景、新气象的文化旅游的可行性报告及开发方案。”三、课题研究的目的和意义。课题研究的目的，应该叙述自己在这次研究中想要达到的境地或想要得到的结果。比如我校叶少珍老师指导的“重走长征路”研究课题，在其研究目标一栏中就是这样叙述的：1、通过再现长征历程，追忆红军战士的丰功伟绩，对长征概况、长征途中遇到了哪些艰难险阻、什么是长征精神，有更深刻的了解和感悟。2、通过小组同学间的分工合作、交流、展示、解说，培养合作参与精神和自我展示能力。3、通过本次活动，使同学的信息技术得到提高，进一步提高信息素养。四、课题研究的方法。在“课题研究的方法”这一部分，应该提出本课题组关于解决本课题问题的门路或者说程序等。一般来说，研究性学习的课题研究方法有：实地调查考察法(通过组织学生到所研究的处所实地调查，从而得出结论的方法)、问卷调查法（根据本课题的情况和自己要了解的内容设置一些问题，以问卷的形式向相关人员调查的方法）、人物采访法（直接向有关人员采访，以掌握第一手材料的方法）、文献法（通过查阅各类资料、图表等,分析、比较得出结论）等等。在课题研究中，应该根据自己课题的实际情况提出相关的课题研究方法，不一定面面俱到，只要实用就行。五、课题研究的步骤。课题研究的步骤，当然就是说本课题准备通过哪几步程序来达到研究的目的。所以在这一部分里应该着重思考的问题就是自己的课题大概准备分几步来完成。一般来说课题研究的基本步骤不外乎是以下几个方面：准备阶段、查阅资料阶段、实地考察阶段、问卷调查阶段、采访阶段、资料的分析整理阶段、对本课题的总结与反思阶段等。六、课题参与人员及组织分工。这属于对本课题研究的管理范畴，但也不可忽视。因为管理不到位，学生不能明确自己的职责，有时就会偷懒或者互相推诿，有时就会做重复劳动。因此课题参与人员的组织分工是不可少的。最好是把所有的参与研究的学生分成几个小组，每个小组通过民主选举的方式推选出小组长，由小组长负责本小组的任务分派和落实。然后根据本课题的情况，把相关的研究任务分割成几大部分，一个小组负责一个部分。最后由小组长组织人员汇总和整理。七、课题的经费估算。一个课题要开展，必然需要一些经费来启动，所以最后还应该大概地估算一下本课题所需要 的资金是多少，比如搜集资料需要多少钱，实地调查的外出经费，问卷调查的印刷和分发的费用，课题组所要占用的场地费，有些课题还需要购买一些相关的材料，结题报告等资料的印刷费等等。所谓“大军未动，粮草先行”，没有足够的资金作后盾，课题研究势必举步维艰，捉襟见肘，甚至于半途而废。因此，课题的经费也必须在开题之初就估算好，未雨绸缪，才能真正把本课题的研究做到最好。

来自《计算机工程应用技术》污水处理自动控制系统的设计何宇锋( 西南科技大学国有资产管理处, 四川绵阳621010)摘要: 介绍了一个污水处理自动控制系统的设计, 首先介绍了污水处理工艺流程, 然后对污水处理自动控制系统进行设计, 最后对控制系统的软件进行了开发。关键词: 污水处理系统; 自动控制; PLC中图分类号: TP273 文献标识码: A 文章编号: 1009- 3044(2008)10- 20180- 03The Design of Automatic Controlling System in Wastewater Tr eatmentHE Yu- feng(Southwest University of Science and Technology,Management Section of State Assets,Mianyang 621010,China)Abstr act:This paper designed a Automatic Controlling System in Wastewater , it introduced the sewage treatment technique'selection, Secondly, it analyzed detailedly the design of Automatic Controlling System in Wastewater Treatment, in the end it discussedon the software of sewage treatment control system .Key words:sewage treatment control system;Automatic Controlling;PLC随着现代工业和城市建设的发展, 我国水污染问题日趋严重; 同时我国是一个水资源极其匾乏的国家, 水污染严重和水资源的短缺已经成为严重制约我国社会经济持续发展、影响人民生活和身体健康的突出问题。因此建设污水处理自动控制系统对改善环境、建立可持续发展社会、繁荣经济都具有重要意义。1 污水处理工艺流程按处理程度, 污水处理一般可划分为预处理、一级处理、二级处理、深度处理和污泥处理及处置。其中, 预处理主要包括: 粗格栅、细格栅、沉砂池; 一级处理主要包括: 初沉池; 二级处理主要包括: 生物滤池、曝气池和二沉池; 深度处理: 常用的工艺有混凝沉淀和过滤。污泥处理主要包括浓缩、消化、脱水、堆肥或卫生填埋。通过对需求进行详细的调研, 决定污水处理工艺流程应包括粗格栅、沉砂池、细格栅、初沉池、生物滤池、提升泵房、曝气池、二沉池等, 结构图如图1 所示:图1 污水处理工艺流程图2 控制系统设计污水处理系统控制对象既有开关量又有模拟量, 既有开环控制又有闭环控制; 在系统运行期间有大量的参数需要加以检测和控制, 通过综合考虑, 决定采用图2 所示的控制系统。系统包括两套CPU412 控制器, 三条通讯链路, 即主系统与从站通讯链路( PROFIBUS1) 、备用系统与从站通讯链路( PROFIBUS2) 、主系统与备用系统的数据同步通讯链路(MPI 或PROFIBUS 或Ethernet) 。三个ET200M 从站, 每个从站包括两个IM153- 2 接口模块和若干个I/O 模块。工程师站通过上位机监控软件实现对全厂设备的监控、水质数据记录、生产报表等功能; 自动控制柜是整个自动控制系统的核心部分, 整个污水厂设备的工艺控制、逻辑判断、在线检测仪表数据的采集以及控制站之间的通信都是通过自动控制柜来完成, 自动控制柜中最重要的设备是PLC; 工程师站所需要的数据主要由自动控制柜中的PLC 通过工业以太网传递过来, 而工程师站完成对现场设备的控制也是通过对PLC 中相应设备的程序地址写值来实现。工程师站要完成控制功能只能向PLC 发送相应的命令, 然后由PLC 判断此时是否应该执行此控制, 条件成立则执行, 否则向工程师站发出拒绝。自动控制系统的功能主要是由PLC 来完成,即使网络发生故障, PLC 也可以按照实现编好的程序进行控制。 PLC 控制系统硬件介绍可编程逻辑控制器( Programmable Logic Controller, PLC) 是一种数字运算操作的电子系统, 专为在工业环境下应用而设计, 它采用了可编程序的存储器, 用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令, 并通过数字式和模拟式的输入和输出, 控制各种类型的机械或生产过程。收稿日期: 2008- 02- 28作者简介: 何宇锋( 1977- ) , 男, 四川绵阳人, 助教, 工学学士, 主要研究方向: 计算机应用。180本栏目责任编辑: 贾薇薇计算机工程应用技术根据对控制系统工艺特点和现场生产的条件, 本系统采用了S7- 400 PLC 作为主站, 从站采用有源底板总线的方式将各模块从物理上和电气上连接起来, 每块信号模块都带有总线连接器。安装时先将有源底板装入导轨, 然后依次将各模块插入, 最后将这组模块固定在导轨上。 中央处理器CPU412- 2DPS7- 400 有7 种不同类型的CPU, 分别适用于不同等级的控制要求。本系统考虑可靠性以及项目成本, 使用了CPU412- 2DP, 该CPU 模块集成了MPI 和PROFIBUS- DP 接口, MPI 可以连接计算机、操作面板和其他的S7- 400 或者300 控制器。 通讯模块CP443- 1用于将SIMATIC S7- 400 连接到以太网上, 是工业以太网总线系统的通讯处理器, 具有独立处理经过工业以太网的数据业务。它有自己的微处理器, 因而能减轻CPU 的通讯任务和进一步的连续扩展。 ET200M 通讯模块ET200M 是多通道模块化的分布式I/O, 采用S7- 300 全系列模块, 最多可扩展8 个模块, 可以连接256 个I/O 通道。 32 路开关量输入模块SM321 DI×32 DC12V数字量输入模块用于连接外部的机械触点和电子数字式传感器, 例如二线式光电开关和接近开关等。 数字量输出模块SM322 DO×32 DC24VSM322 数字量输出模块用于驱动电磁阀、接触器、小功率电机、电动机启动器等负载。 模拟量输入模块模拟量输入模块用于将模拟量信号转换CPU 内部处理用的数字信号, 其主要组成部分是A/D 转换器。 模拟量输出模块模拟量输出模块用于将CPU 送给它的数字信号转换成为比例的电流信号或者电压信号, 对执行机构进行调节或控制, 其主要组成部分是D/A 转换器。 电源模块PS407 4A 和电源模块PS307 5A电源模块通过背板总线向S7- 300/400 模块提供DC5V 和DC24V 电源。3 软件设计控制系统的软件开发包括下位机PLC 程序设计和上位机监控界面的开发。PLC 程序设计与开发是在编程软件STEP7 环境下实现的, 主要完成系统工艺的控制要求。 PLC 控制程序的开发 PLC 的工作原理PLC 的工作过程可分为建立I/0 映像区、循环扫描。I/O 映像区的大小由用户程序确定, 对于系统的每一个输入或输出点总有输入或输出映像区的某一位与之对应, PLC 在执行用户程序时所需要的外部信息取自于I/O 映像区, 而不直接与外部设备发生关系。I/O 映像区的建立, 使PLC 工作时只和有关地址单元内所存信息状态发生关系, 系统输出也是只给内存某一地址单元设定一个状态。PLC 上电后在系统程序的监控下, 周而复始地按规定的顺序对系统内部的各种任务进行查询、判断和执行, 用户程序执行、输入/输出信息处理。 PLC 控制程序开发下位机是整个控制系统的核心部分, 负责完成所有的控制功能和现场数据采集功能。控制器控制程序编制的好坏, 直接影响到控制速度和控制效果, 也同时将影响到以后的维护工作。按照污水处理的工艺流程, 将程序分成若干个子程序模块和公用子程序模块, 各个工艺段之间的控制程序互相不影响, 独立运行, 各模块相互独立, 分别控制着某一操作单元, 各操作单元有自动与手动两种运行方式, 当某一操作单元选用手动时, 相应的程序模块不予运行, 这样, 当某一单元操作出现故障时, 可及时从整个系统中脱离,增加了系统的可靠性。PLC 控制程序的算法如下:(1)首先, 判断粗格栅是否自动控制, 若为自动控制, 则执行粗格栅自动控制程序, 否则, 则执行手动控制;(2)判断沉砂池是否自动控制, 若为自动控制, 则执行沉砂池自动控制程序, 否则, 则执行手动控制;图2 控制系统硬件结构图181电脑知识与技术计算机工程应用技术本栏目责任编辑: 贾薇薇( 上接第172 页)示波器的红线接在VGA 发射口的1 脚, 黑线既接地线接在VGA 口的10 脚, 把SW[17]置1 状态, SW[1], SW[0]最好置0 态, 下载POF 文件后, 就可用示波器观察波形, 出来的应该是1M左右的调制波形。可能由于信息采集过快, 眼睛无法看到采集的趋势。实验还做了个400HZ 的信号, 用1M的载波来进行调制, 来验证该试验能否成功, 400HZ 的载波产生类似1M载波的产生方法, 然后两者进行调制, 调制公式为: VGA_R=(SINE*((MOD_OUT+256)<<1))>>10;SINE 是1M载波输出口, MOD_OUT 是400HZ 的要调制信号,用示波器观察输出的波形即可。该观察到的调制波形如下:图2 调制波形参考文献:[1] 夏宇闻.Verilog 数字系统设计教程[M].北京: 北京航空航天大学出版社,2003.[2] 王冠,黄熙,王鹰.Verilog HDL 与数字电路设计[M].北京:机械工业出版社,2005.[3] Michael John Sebastian Specific Integrated Circuits[M].电子工业出版社,2004.[4] 谢永瑞.VLSI 概论[M].北京:清华大学出版社,2002.[5] 阎石.数字电子技术基础[M].北京:高等教育出版社,2002.[6] 褚振勇,翁木云.FPGA 设计与应用[M].西安: 西安电子科技大学出版社,2002.[7] 徐欣.基于FPGA的嵌入式系统设计[M].北京: 清华大学出版社,2004.(3)判断细格栅是否自动控制, 若为自动控制, 则执行细格栅自动控制程序, 否则, 则执行手动控制;(4)判断初沉池是否自动控制, 若为自动控制, 则执行初沉池自动控制程序, 否则, 则执行手动控制;(5)判断生物滤池是否自动控制, 若为自动控制, 则执行生物滤池自动控制程序, 否则, 则执行手动控制;(6)判断提升泵房是否自动控制, 若为自动控制, 则执行提升泵房自动控制程序, 否则, 则执行手动控制;(7)判断曝气池是否自动控制, 若为自动控制, 则执行曝气池自动控制程序, 否则, 则执行手动控制;(8)判断二沉池是否自动控制, 若为自动控制, 则执行二沉池自动控制程序, 否则, 则执行手动控制; 上位机监控软件开发上位机监控界面采用组态软件WinCC 进行开发, 完成对系统现场数据的采集以及控制工艺流程的实时监控。西门子视窗控制中心SIEMENS WinCC 是一个集成的人机界面(HMI)系统和监控管理系统。WinCC 提供各种PLC 驱动程序, 因此使PLC 与上位机联接变得非常容易。由于监控系统要求覆盖几乎整个工艺流程, 因此在结构规划时紧紧围绕合理地安排信息反映形式, 既要实现所有的功能模块又要保证监控系统的安全可靠运行。根据污水处理厂的自身工艺和控制系统对上位机软件的要求, 上位机监控软件主要由登录管理模块、预测模块、监控界面、趋势、报警、报表、数据库、系统帮助等模块组成。4 结语污水处理是一项紧迫性的任务, 它可以避免环境恶化和更大的经济与资源损失, 污水处理自动控制系统是保证水资源长期不受污染和水资源持续再生的重要保证。因此, 对污水处理自动控制技术的研究具有极其重要的现实意义。参考文献:[1] 徐新阳,等.污水处理工程设计[M].北京:化学工业出版社,2003.[2] 廖常初.57- 300/400 PLC 应用技术[M].北京:机械工业出版社,2005.[3] 苏昆哲,等.深入浅出西门子WinCC V6[M].北