水污染是我國城市面臨的嚴重環境問題，它不僅危害人民的身體健康，還抑制了我國經濟的發展，破壞了生態平衡，并容易導致水荒的發生。城市污水處理設施的建設是現代化城市經濟發展和水資源保護不可缺少的組成部分，工業污水由于成分復雜，有害污染物多，處理難度大，一直是企業發展壯大的瓶頸。為了實現污水處理的過程能在惡劣的環境中(溫差大、污水水質水量變化大、電網電壓波動大、電氣干擾嚴重)能夠連續、穩定、可靠、準確地工作，對控制系統的要求有著比一般的過程控制系統更高的要求。

    隨著計算機控制技術的發展，可以對污水處理實現日常的信息化管理。針對湖北宜都高壩洲污水廠污水處理系統，南京康卓環境科技有限公司設計一套基于工業以太網和profibus總線的污水處理自控系統，對污水處理過程進行自動控制和遠程監視。系統采用模糊pid控制方法，結合了模糊控制方法的動態性能和pid控制算法的穩態性能，由上位機和現場設備構成。

 

2  污水處理工藝流程

 

    污水處理是一個復雜的大滯后的生化反應過程，如果通過機理的方法，建立精確的數學模型是很復雜的，而采用一般的控制方法，大滯后問題又很難被解決。此外，還有加混凝劑和曝氣等裝置以及污泥的處置單元來收集各個沉淀池的污泥。

 

3  污水處理控制系統總體方案

    污水處理控制部分由中央控制室、風機房、污泥處理房構成。中央控制室里面設置中央控制的plc和裝有wincc組態軟件的上位機以及電氣控制柜。風機房里面設置一個遠程i/o控制站和風機部分的電氣柜。污泥處理房設置一個遠程i/o控制站和污泥機的電氣控制柜。

    如圖2所示，系統采用以太網和現場總線混合型結構，現場層的通信采用profibus-dp主/從協議，使用屏蔽雙絞線作為傳輸介質，不同的子網和不同介質之間可通過藕合器或接口模塊連接。過程監控層使用以太網協議，通過帶有雙網卡的plc進行通信協議的轉換，一塊網卡為profibus-dp網卡(自帶)，另一塊為以太網卡(cp343-1)。因此，plc作為現場總線中的一個站，又作為以太網上的一個站點，而操作員站計算機和工程師站計算機不作為現場總線網絡中的站點。只作為以太網中的節點，此網上的各站點相互之間的數據交換通過以太網進行，而現場的信息也通過以太網從plc的寄存器中讀取，控制現場的參數也由以太網送到dp主站plc的寄存器中，再通過主/從協議傳送到現場總線中的各從站。

 

    中央控制室由一臺操作站兼工程師站以及一臺打印機組成。過程plc控制系統主要選用西門子s7-300的產品。plc的cpu選用cpu315-2dp，它集成了profibus-dp總線的端口，利用這個口實現和遠程的兩個et200通信。在plc上還配置一塊cp343-1的工業以太網卡，還配置一臺以太網交換機osm實現與裝有wincc的操作站以及公司級的裝有pi軟件的監視計算機通信。工程師站使用研華(advantech)工控機，配西門子的以太網卡cp1613，以wincc6.0中文版組態軟件為開發平臺組態的控制系統顯示畫面。采用基于tcp/ip協議的工業以太網實現上、下位機的通訊，從而實現整個城市污水處理的管、控一體化。

 

 

4  控制系統硬件設計

    plc選用西門子公司simatic s7-300的可編程序控制器進行程序控制。cpu選用帶有profibus-dp接口的cpu315-2dp，配有et200的遠程i/o點。由于這個污水站中央控制室與風機房和污泥機房都沒有超過200米，所以當選擇傳輸速率為1.5mbit/s的情況下，無需選擇rs-485中繼器即可直接用profibus電纜把它們連接起來。根據工藝的需要和控制要求，本系統需要數字輸入量76點，數字輸出量44點，模擬輸入點24點。考慮到系統的余量，選用西門子的sm321的32點di32*24v數字量輸入模塊2塊，sm321的16點數字量di16*24v輸入模塊1塊；選用sm322的do32*24v數字輸出量模塊1塊，sm322的di16*24v數字量輸出模塊1塊；sm331的8點ai8*12bit模擬量輸入模塊3塊；sm332的2點ao2*12bit模擬量輸出模塊1塊；et200遠程i/o模塊兩個。

    數字輸入模塊sm321向外提供電源，將位于現場的開關觸點的狀態經過光電隔離和濾波，將從過程傳輸來的外部數字信號轉化為內部s7-300信號電平。然后送至輸入緩沖器等待cpu采樣，采樣過程是信號經過背板總線進入到輸入映像區。數字輸出模塊將s7-300的內部信號電平轉化為控制過程所需的外部信號電平。按負載回路使用的電源不同分為:直流輸出模塊、交流輸出模塊和交直流兩用輸出模塊。模擬量輸入模塊sm331用于將模擬量信號轉換成cpu內部處理的數字信號，一塊sm331模塊中的各個通道可以分別使用電流輸入和電壓輸入，并選用不同的量程。有多種分辨率可供選擇(9-15位)，我們選擇的模塊是12位的，分辨率不同轉換時間也不同。

    西門子的et200是基于profibus-dp現場總線的分布式i/o，可以與經過認證的非西門子公司生產profibus-dp主站協同運行。全集成自動化概念和step7使et200能與西門子的其它自動化系統協同運行，實現了從硬件配置到共享數據庫等所有層次上的集成。

 

5  控制系統軟件設計

5.1 plc程序設計

    plc中的程序分為操作系統和用戶程序，操作系統用來實現與特定的控制任務無關的功能，處理plc的啟動、刷新輸入/輸出過程映像表、調用用戶程序、處理中斷和錯誤、管理存貯區和處理通信等。用戶程序由用戶在step7中生成，然后將它下載到cpu。

    以本污水處理系統中的物料混合裝置典型控制流程為例，控制順序如圖3所示，用來將粉狀的固體物料(粉料)和液體物料(液料)按一定的比例混合在一起，經過一定時間的攪拌后便得到成品。粉料和液料都用電子秤來計量。

 

 

    初始狀態時粉料秤秤斗、液料秤秤斗和攪拌器都是空的，它們底部的排料閥關閉；放料倉的放料閥關閉，粉料倉下部的螺旋輸送機的電動機和攪拌機的電動機停轉；q1.0到q1.4均為0狀態。

    plc開機后用ob100將初始步對應的m0.0置為1狀態，將其余各步對應的存儲器位復位為0狀態，并將mw10和mw12中的計數預置值分別送給減計數器c0和c1。

    按下啟動按鈕i2.0，q1.0變為1狀態，螺旋輸送機的電動機旋轉，粉料進入粉料秤的秤斗；同時q1.1變為1狀態，液料倉的放料閥打開，液料進入液料秤的秤斗。電子秤的光電碼盤輸出與秤斗內物料重量秤正比的脈沖信號。減計數器c0和c1分別對粉料秤和液料秤產生的脈沖計數。粉料脈沖計數值減至0時，其常閉觸點閉合，粉料秤的秤斗內的物料等于預置值。q1.0變為0狀態，螺旋輸送機的電動機停機。液料脈沖計數值減至0時，其常閉觸點閉合，液料秤內的物料等于預置值。q1.1變為0狀態，關閉液料倉的放料閥。

    計數器的當前值非0時，計數器的輸出位為1，反之為0。粉料稱量結束后，c0的常閉觸點閉合，轉換條件滿足，粉料秤從步m0.1轉換到等待步m0.2，預置值送給c0，為下一次稱量做好準備。同樣的，液料稱量結束后，液料秤從步m0.3轉換到等待步m0.4，預置值送給c1。步m0.2和m0.4后面的轉換條件“=1”表示轉換條件為二進制常數1，即轉換條件為二進制常數1，即轉換條件總是滿足的。因此在兩個秤的稱量都結束后，m0.2和m0.4同時為活動步，系統將“無條件地”轉換到步m0.5，q1.2變為1狀態，打開電子秤下部的排料門，兩個電子秤開始排料，排料過程用定時器t0定時。同時q1.3變為1狀態，攪拌機開始攪拌。t0的定時時間到時排料結束，轉換到步m0.6，攪拌機繼續攪拌。t1的定時時間到停止攪拌，轉換到步m0.7，q1.4變為1狀態，攪拌器底部的排料門打開，經過t2的時間后，關閉排料門，一個工作循環結束。

    本系統要求在按了啟動按鈕i2.0后，能連續不停地工作下去。按了停止按鈕i2.1后，并不立即停止運行，要等到當前工藝周期的全部工作完成，成品排放結束后，再從步m0.7返回到初始步m0.0。

5.2 監控界面設計

    利用wincc6.0組態軟件開發的的污水處理監控界面包括調節池、厭氧池、a2/o反應池、四沉池、風機及水泵、加藥等控制界面。

    以調節池、風機及水泵界面為例，工業污水在調節池中的液位可以實時監測，還可以通過i/o域讀取溫度，流量及ph值等數據。圖6中，可以通過電機的顏色和風機工作狀態表觀察電機的工作狀態，實現手動和自動控制。