摘要

　　目前污水處理工程對社會(huì )發(fā)展已經(jīng)變得越來(lái)越重要，傳統的污水處理技術(shù)主要以手動(dòng)方式和常規儀表控制為主，依靠工人經(jīng)驗，處理質(zhì)量不穩定、生產(chǎn)效率低。為了提高污水處理效率，本文選用先進(jìn)的自動(dòng)控制技術(shù)和設備，對污水處理廠(chǎng)進(jìn)行自動(dòng)控制系統設計。

　　以某污水廠(chǎng)實(shí)際情況為背景，分析污水實(shí)際工藝流程，根據工藝流程特點(diǎn)確定控制系統的設計需求。針對污水處理具有非線(xiàn)性、多變量的特點(diǎn)，選用工業(yè)以太網(wǎng) PROFINET和 PROFIBUS-DP 總線(xiàn)相結合的網(wǎng)絡(luò )架構方式，構成主從式控制系統。在確定總體控制方案的基礎上，進(jìn)行控制系統的硬件設計與軟件設計。硬件設計采用 IPC+PLC+分站的形式，并對使用到的上位機、PLC 模塊和現場(chǎng)各類(lèi)儀表等硬件設備進(jìn)行選型。軟件設計包含三個(gè)部分：上位機監控畫(huà)面設計、PLC 程序編寫(xiě)和觸摸屏界面開(kāi)發(fā)。使用 Win CC軟件實(shí)現上位機界面開(kāi)發(fā)；使用 STEP 7 編程環(huán)境完成西門(mén)子 S7-300 PLC 的硬件組態(tài)和程序設計；使用 Win CC Flexible 2008 軟件實(shí)現觸摸屏畫(huà)面開(kāi)發(fā)。

　　針對污水酸堿度參數在控制時(shí)存在的非線(xiàn)性和滯后性特點(diǎn)，為實(shí)現酸堿中和反應的準確控制，采用串級 PID 控制策略。并對串級 PID 控制模型進(jìn)行 MATLAB/SIMULINK仿真實(shí)驗，實(shí)驗結果驗證了該控制算法的優(yōu)越性。

　　本設計實(shí)現了生活污水處理系統的自動(dòng)監控，能夠滿(mǎn)足現代社會(huì )對污水處理的自動(dòng)控制需求。

　　關(guān)鍵詞：污水處理 組態(tài)軟件 PLC 酸堿度

ABSTRACT

　　At present, the sewage treatment project has become more and more important to the social development. The traditional sewage treatment technology is mainly manual and conventional instrument control. Relying on the experience of workers, the treatment quality is unstable and the productivity is low. In order to improve the efficiency of sewage treatment, this paper selects advanced automatic control technology and equipment to design the automatic control system of sewage treatment plant.

　　Based on the actual situation of a sewage plant, this paper analyzes the actual processflow of sewage, and determines the design requirements of the control system according to thecharacteristics of the process flow. In view of the nonlinear and multivariable characteristicsof sewage treatment, the master-slave control system is composed of industrial EthernetPROFINET and PROFIBUS-DP bus. On the basis of determining the overall control scheme,the hardware design and software design of the control system are carried out. The hardwaredesign adopts the form of IPC + PLC + substation, and selects the type of PLC module, fieldinstruments and other hardware equipment. The software design includes three parts: the uppercomputer monitoring screen design, PLC programming and touch screen interfacedevelopment. Use Win CC software to realize the upper computer interface development; usestep 7 programming environment to complete the hardware configuration and program designof Siemens S7-300 PLC; use Win CC flexible 2008 software to realize the touch screenpicture development.

　　In order to realize the accurate control of acid-base neutralization reaction, the cascadePID control strategy is adopted. And the cascade PID control model is simulated by Matlab /Simulink. The experimental results verify the superiority of the control algorithm.

　　The design realizes the automatic monitoring of the domestic sewage treatment system,which can meet the needs of the modern society for the automatic control of sewage treatment.

　　Key words: Sewage treatment,Configuration software,PLC,PH

目 錄

　　第一章 緒論��

　　1.1 課題研究背景

　　隨著(zhù)近年來(lái)我國城市化進(jìn)程的快速發(fā)展，淡水作為一項極為重要的自然資源。其總量在逐漸減少，城市污水的隨意排放是造成水資源污染的重要原因。目前在我國占總量38%左右的城市污水會(huì )得到處理，剩余的污水則會(huì )被排放到河流和湖泊，最后匯聚到海洋。隨著(zhù)將來(lái)我國城市人口的增加和城市規模的進(jìn)一步擴大，水污染問(wèn)題將來(lái)無(wú)疑會(huì )成為一項艱巨的社會(huì )問(wèn)題。

　　近年來(lái)國家越來(lái)越重視污水處理方面的研究，各種先進(jìn)的自動(dòng)化生產(chǎn)領(lǐng)域的研究被大量應用到污水處理行業(yè)中，用來(lái)不斷改進(jìn)污水治理技術(shù)，提高污水處理質(zhì)量。目前針對有些污水存在的黏性高、含油率重等現象，通常選擇使用微生物分解的處理方式。通過(guò)微生物的分解，一般可以高效的消耗溶解在水體中的有機物，使得處理后的水體達到良好的處理效果。在微生物分解的過(guò)程中，對于水體酸堿度的控制非常重要，該過(guò)程必須確保 PH 值控制在合理范圍內。否則一方面會(huì )引起微生物的分解效率降低，另一方面也會(huì )引起藥劑浪費的現象。

　　污水廠(chǎng)酸堿中和控制工藝經(jīng)歷了從傳統人工加藥控制方式到現代自動(dòng)控制方式的歷史沿革。由于酸堿中和反應具有嚴重的非線(xiàn)性、時(shí)滯性特點(diǎn)，因此控制系統的魯棒性和精確性通常很難保障。隨著(zhù)自動(dòng)控制領(lǐng)域在物料加藥方面的研究，污水酸堿度控制系統的自動(dòng)化水平得以不斷提高。通過(guò)對加藥動(dòng)作的精準控制，能夠避免因加藥過(guò)量引起的反復加藥處理現象，進(jìn)而節約處理成本。

　　隨著(zhù)計算機在小型化、高速化、低成本和大容量等方面的迅速發(fā)展，各種性能優(yōu)良的微處理器不斷面世。尤其是隨著(zhù)工業(yè)控制計算機、可編程控制器的大量應用和推廣，以 PLC 和變頻器為核心的控制系統被應用到對 PH 值的控制領(lǐng)域，取得了很好的效果。

　　采用自動(dòng)加藥控制系統能夠很好地實(shí)現對排放污水酸堿度的控制，降低工人的勞動(dòng)強度，提高工作效率。通過(guò)使用計算機進(jìn)行控制，還能實(shí)現數據記錄和故障報警等功能，有利于克服傳統污水控制和管理方面存在的諸多弊端。本文研究基于工業(yè)以太網(wǎng)的計算機控制系統無(wú)疑會(huì )使得污水處理的控制更加精確化、智能化，實(shí)現高效、環(huán)保、精準的處理效果。

　　1.2 污水處理監控系統國內外現狀

　　1.2.1 國外研究現狀

　　歐美發(fā)達國家由于多年前就實(shí)現了工業(yè)現代化，因此城市污水對河流的污染問(wèn)題也較早的暴露出來(lái)。并且這些國家在面對污水治理問(wèn)題時(shí)得到了相關(guān)政府部門(mén)在資金和政策方面的大力扶持，大量的資金和科研人員被投入到污水治理技術(shù)領(lǐng)域的研究。污水處理自動(dòng)化研究首當其沖地成為了研究重點(diǎn)，他們的科研人員先后成功研制了多種高效型污水自動(dòng)化處理系統和儀表設備。如今他們的污水處理率達到了污水排放總量的 75%~86%,基本上解決了城市污水問(wèn)題。美國、英國、德國和日本等發(fā)達國家，在上世紀九十年代開(kāi)始逐漸實(shí)現城市污水的二級處理和二級強化處理，有些國家還進(jìn)行了污水的三級處理，甚至個(gè)別國家還做到了污水的回收利用，比如以色列國家的污水回用率最高可達到 89%.

　　目前隨著(zhù)現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)和工業(yè)以太網(wǎng)通信技術(shù)的不斷發(fā)展，發(fā)達國家的污水處理廠(chǎng)形成了基于工業(yè)以太網(wǎng)架構下的計算機控制系統，如 DCS 系統、FCS 系統。同時(shí)他們還將多種 SCADA 技術(shù)引入到該領(lǐng)域中，取得了良好的控制效果。這些國家針對 PLC 在控制系統方面的研究，研制出了一些智能、安全、穩定的控制器，例如 SLC 系列、西門(mén)子公司的 S7 系列、TSX Quantum 系列。此外他們還重視在線(xiàn)儀表的研制，如美國哈希公司的化學(xué)需氧量 COD 分析儀、德國 E-I-H 公司的溶解氧 DO 儀等。

　　德國在污水治理方面的特點(diǎn)是：大量使用現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)或集散控制技術(shù)。根據污水廠(chǎng)中不同污水處理工藝的現場(chǎng)分布情況，將污水處理過(guò)程劃分成多級、多層次的控制站。

　　這些控制站之間或者是平級關(guān)系，或者是上下級關(guān)系，各站之間可以實(shí)現獨立運行。同時(shí)他們還可以通過(guò)設立中央控制室，實(shí)現全廠(chǎng)的實(shí)時(shí)數據綜合管理功能，因此德國的污水處理自動(dòng)化技術(shù)能夠大大提高操作人員效率。

　　美國在污水治理方面的特點(diǎn)是：通過(guò)使用各類(lèi)先進(jìn)污水監測儀表和實(shí)時(shí)分析儀表，實(shí)現對污水廠(chǎng)中各類(lèi)水質(zhì)參數的實(shí)時(shí)在線(xiàn)監測，他們使用的儀器儀表對各類(lèi)水質(zhì)參數的測量精度非常準確。美國的有些污水廠(chǎng)還采用了先進(jìn)的遙控、遙測設備，并且充分地利用社會(huì )其它信息資源，如國際互聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)電話(huà)、氣象信息等。因此目前污水處理自動(dòng)化技術(shù)在美國的應用已經(jīng)非常廣泛，他們有一部分的污水處理廠(chǎng)目前已經(jīng)逐漸實(shí)現人工智能控制技術(shù)在該領(lǐng)域的應用，該類(lèi)控制系統可以根據水質(zhì)的情況自動(dòng)調整控制方式。

　　由此看見(jiàn)，國外在污水治理方面的研究范圍廣，控制系統設計方案成熟。對于該領(lǐng)域的研究也在不斷增加，他們提出的一些先進(jìn)控制策略和技術(shù)，對我們有著(zhù)非常重要的借鑒價(jià)值。

　　1.2.2 國內研究現狀

　　我國污水處理研究是從 20 世紀 70 年代開(kāi)始，當時(shí)主要是對工業(yè)生產(chǎn)排放的工業(yè)廢水和城市污水進(jìn)行簡(jiǎn)單的物理處理。80 年度代初，我國許多城市開(kāi)始大力興建污水處理廠(chǎng)。當時(shí)很多污水處理廠(chǎng)進(jìn)行污水處理的一、二級處理技術(shù)，但是生產(chǎn)過(guò)程中存在著(zhù)能耗高、效率低、自動(dòng)化程度低等缺點(diǎn)。上世紀 90 年代我國開(kāi)始引進(jìn)自動(dòng)化污水處理技術(shù)，此時(shí)污水處理量得以快速發(fā)展，處理效率越來(lái)越高。目前我國的污水處理廠(chǎng)通常采用的控制方式有 PLC 控制系統、現場(chǎng)總線(xiàn)控制系統和集散控制系統等 SCADA 系統。

　　隨著(zhù)各個(gè)污水處理廠(chǎng)對水處理工藝的不斷改進(jìn)，污水廠(chǎng)的設備變得越來(lái)越多，因此現場(chǎng)的設備規模也隨之不斷擴大。由于現場(chǎng)安裝的設備越來(lái)越分散，顯然傳統控制手動(dòng)已經(jīng)不能經(jīng)濟高效的構建控制系統，在此基礎上發(fā)展基于工業(yè)以太網(wǎng)的計算機控制系統，目前已經(jīng)得到了廣泛的應用。這類(lèi)控制系統的結構通常是由系統管理層、監控服務(wù)層以及現場(chǎng)控制層三部分構成，它們以工業(yè)以太網(wǎng)為紐帶，形成了"管理集中、控制分散"特點(diǎn)的系統。

　　如今我國污水處理監控系統已經(jīng)得到了長(cháng)足的發(fā)展，各類(lèi)型的 PLC 控制器在該領(lǐng)域得到了大量應用。田瑞瑞選用日本三菱公司生產(chǎn)的 FX2N-48MR 型 PLC 作為主體控制硬件，實(shí)現了污水廠(chǎng)污泥壓榨處理工藝控制系統的設計[10].宋春寧選用三菱公司的FX3U-64M 型 PLC 為核心控制器，設計制糖廠(chǎng)生產(chǎn)水處理酸堿度在線(xiàn)監控系統。任強勝選用德國西門(mén)子公司生產(chǎn)的 S7-300 系列 PLC,依據 USBR 處理工藝設計了印染廠(chǎng)水處理自動(dòng)控制系統[11].邢松華針對制革行業(yè)產(chǎn)生的廢水處理問(wèn)題，選用西門(mén)子 S7-200 型PLC 作為核心控制器，提出了廢水處理自控系統解決方法[12].郝佳選用日本歐姆龍公司生產(chǎn)的 CJ1G-CPU42H 型 PLC 作為主控制器，并配以 CJ1W-AD041、CJ1W-OC211 模塊作為擴展輸入和擴展輸出端口，構建針對 CASS 工藝方法的污水處理自動(dòng)控制系統[13].

　　針對 PH 控制的研究領(lǐng)域，金以惠、孫西等人在谷氨酸結晶過(guò)程中，針對 PH 值控制問(wèn)題提出了雙線(xiàn)性自適應控制策略，他們以雙線(xiàn)性作為控制過(guò)程的機理模型，從本質(zhì)上揭示了 PH 值的中和過(guò)程[14].楊友林在解決化工污水處理過(guò)程中 PH 值控制存在的調節時(shí)間長(cháng)、系統抗干擾性能差的問(wèn)題時(shí)，采用單神經(jīng)元自適應控制器進(jìn)行 CSTR 控制器的設計方案[15].

　　三菱公司生產(chǎn)的 PLC 對污水廠(chǎng)中的各類(lèi)機械動(dòng)作控制較好，該系列 PLC 指令豐富，擁有專(zhuān)用的定位指令，因此對于伺服控制和步進(jìn)控制容易實(shí)現。但是三菱型 PLC 的模擬量模塊價(jià)格昂貴，通信部分程序編寫(xiě)復雜。歐姆龍公司生產(chǎn)的 PLC 編程方便，價(jià)格略低，但功能相對西門(mén)子型 PLC 較少，因此該類(lèi)型 PLC 僅適用于小型自動(dòng)控制系統。西門(mén)子公司生產(chǎn)的 PLC 在過(guò)程控制與通信控制方面都很容易實(shí)現，其模擬量模塊價(jià)格便宜，程序編寫(xiě)簡(jiǎn)單，通信部分容易實(shí)現。因此針對污水處理控制系統這類(lèi)有大量模擬量需要處理的控制系統，選用西門(mén)子型 PLC 非常合適，并且污水處理現場(chǎng)的很多儀表設備采集的數據通信都很容易實(shí)現。

　　目前從總體上看，我國污水處理技術(shù)水平已經(jīng)進(jìn)步很多，但同時(shí)存在著(zhù)很大的發(fā)展空間，無(wú)論是從控制策略層次還是設備方面，我國的污水處理技術(shù)都應不斷提高。相信隨著(zhù)計算機控制技術(shù)在該領(lǐng)域的不斷發(fā)展，更多新技術(shù)和新工藝會(huì )不斷應用到污水處理方面上去。更高效的自動(dòng)化控制策略和控制設備也會(huì )投入其中，這對于污水處理質(zhì)量的提高具有重要的實(shí)際價(jià)值。

　　1.3 課題研究意義

　　污水處理研究是目前解決水資源減少的重要手段，未來(lái)針對污水處理自動(dòng)控制系統的研究會(huì )越來(lái)越多。由于傳統污水處理系統存在可靠性低、故障頻發(fā)、處理效率低等缺點(diǎn)，因此很難達到目前環(huán)保部門(mén)對于污水處理的現實(shí)需求。

　　本文依據某污水處理廠(chǎng)的實(shí)際控制需求，使用德國西門(mén)子公司生產(chǎn)的 S7-300 PLC 作為核心控制器，使用研華工業(yè)控制計算機作為控制系統上位機，使用西門(mén)子公司的 WinCC 組態(tài)軟件進(jìn)行上位機監控界面設計。設計的控制系統能夠滿(mǎn)足污水處理過(guò)程的基本控制要求，實(shí)現對污水處理系統工藝運行狀況的監控。而且還能實(shí)現中央監控室與現場(chǎng)設備之間的遠程通訊，根據用戶(hù)的不同需求對現場(chǎng)采集到的實(shí)時(shí)監控數據和設備運行狀況信息進(jìn)行數據存儲。污水監控系統在設計中將下位機控制器跟污水處理設備通過(guò)PROFINET 方式相連，不僅可以控制執行器設備的動(dòng)作，還可以將現場(chǎng)傳感器采集到的數據信息反饋給上位機監控系統使用。

　　PROFINET 協(xié)議是德國西門(mén)子公司在 2001 年時(shí)為實(shí)現工業(yè)控制需求發(fā)布的一款通信協(xié)議，該協(xié)議通過(guò)將原來(lái)的互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與 MODBUS 技術(shù)結合，形成 PROFINET 網(wǎng)絡(luò )實(shí)現方案。它基于組件對象模型建立分布式自動(dòng)化控制系統，規定標準以太網(wǎng)和PROFINET 現場(chǎng)總線(xiàn)之間透明、開(kāi)放的通信方式，提供包括設備層和系統層在內的系統模型。工業(yè)以太網(wǎng)經(jīng)常會(huì )被應用在單元級和管理級的網(wǎng)絡(luò )通信領(lǐng)域，選用工業(yè)以太網(wǎng)作為污水處理控制系統的通信架構能夠滿(mǎn)足污水處理控制對于數據通訊的要求。考慮到工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)具有通信速率高、價(jià)格低廉、軟硬件產(chǎn)品豐富、穩定可靠、應用廣泛和技術(shù)支持成熟等優(yōu)點(diǎn)，因此選用工業(yè)以太網(wǎng)作為污水處理的通信方式非常合適。

　　本文設計的自動(dòng)控制系統具有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：

　　1）將自動(dòng)控制系統與實(shí)際的污水處理過(guò)程充分結合，實(shí)現對污水處理過(guò)程中水質(zhì)酸堿度的精準控制，提高污水處理廠(chǎng)的污水處理質(zhì)量。

　　2）通過(guò)選用不同通訊手段進(jìn)行不同控制層之間的連接，實(shí)現控制系統上下層之間的實(shí)時(shí)數據傳輸，提高通訊功能方面的可靠性。由于系統能夠保存歷史記錄，因此方便工作人員對監控系統的進(jìn)行定期的維護。

　　3）控制系統采用"集中管理、分散控制"的主從式監控方式，能夠大大降低污水處理自動(dòng)控制系統的故障風(fēng)險，提高系統可靠性。

　　4）選用以西門(mén)子 S7-300 PLC 為核心控制器，同時(shí)實(shí)現系統內部不同功能配置的模塊化，從而滿(mǎn)足靈活的現場(chǎng)實(shí)際需求。

　　系統設計時(shí)使用的工業(yè)以太網(wǎng)、PLC、計算機、PROFIBUS 總線(xiàn)通訊等先進(jìn)的上位機、下位機設備，能夠對污水處理流程實(shí)現良好的監控和管理。使用自動(dòng)化控制系統代替人工手動(dòng)控制能夠增強污水處理的技術(shù)管理水平，保障操作人員安全，確保控制系統穩定運行。整個(gè)監控系統的設計可以滿(mǎn)足國家 GB 18918-2002 的排放標準，實(shí)現全廠(chǎng)自動(dòng)化操作、高效節能和安全穩定生產(chǎn)的要求。

　　1.4 論文結構安排

　　本文以富平縣城南污水處理廠(chǎng)實(shí)際項目為背景，分析污水處理廠(chǎng)的現場(chǎng)工藝過(guò)程，設計以西門(mén)子可編程邏輯控制器 S7-300 PLC 為核心的污水監控系統。利用工業(yè)以太網(wǎng)PROFINET 和 PROFIBUS-DP 總線(xiàn)相結合的方式，構建主從式控制系統。系統硬件設計采用 IPC+PLC+分站的形式，并且對使用到的各個(gè) PLC 模塊、現場(chǎng)設備和儀表等硬件進(jìn)行了硬件設備選型。軟件設計包括三個(gè)部分：上位機監控軟件 Win CC 開(kāi)發(fā)、PLC 程序設計以及觸摸屏界面的開(kāi)發(fā)。利用 Win CC 軟件進(jìn)行系統上位機監控界面的設計；利用STEP 7 編程環(huán)境完成西門(mén)子 S7-300 PLC 的硬件組態(tài)和程序開(kāi)發(fā)；利用 Win CC Flexible2008 軟件實(shí)現觸摸屏界面的開(kāi)發(fā)。

　　針對污水處理中最重要的水質(zhì)參數-酸堿度進(jìn)行控制策略研究。由于酸堿中和反應過(guò)程存在強烈的非線(xiàn)性特點(diǎn)，因此選擇設計串級 PID 控制系統。此外還進(jìn)行了控制模型的 MATLAB/SIMULINK 仿真模型構建，從理論上分析檢驗了串級控制策略對 PH 值的控制效果。

　　論文的結構安排如下：

　　第一章 緒論。介紹污水處理的背景，國內外目前在污水處理領(lǐng)域的發(fā)展現狀，明確論文研究的目的和意義；第二章 介紹污水處理廠(chǎng)的各個(gè)工藝流程。分析不同工藝環(huán)節的控制要求，明確控制要求和參數指標。根據污水處理工藝流程的特點(diǎn)，提出控制系統的總體實(shí)現方案；第三章 介紹污水控制系統的硬件實(shí)現方案。包括介紹系統使用到的各類(lèi)傳感器類(lèi)型、參數，可編程邏輯控制器的各個(gè)模塊型號、數量，以及對上位機硬件設備的選型，最后提出控制系統的網(wǎng)絡(luò )架構設計；第四章 從理論方面分析中和反應過(guò)程中 PH 值控制的難點(diǎn)。提出針對該問(wèn)題的解決方案，并且建立控制系統模型的 MATLAB/SIMULINK 仿真；第五章 介紹控制系統所有的軟件實(shí)現方案。包括上位機組態(tài)軟件開(kāi)發(fā)，下位機控制器程序設計以及觸摸屏界面開(kāi)發(fā)；第六章 總結和展望。

　　第二章 污水處理工藝流程及設計方案

　　2.1 研究背景及控制要求

　　2.2 污水處理工藝流程

　　2.3 關(guān)鍵工藝分析

　　2.3.1 格柵間

　　2.3.2 鼓風(fēng)機

　　2.3.3 PH 中和反應池控制

　　2.3.4 污泥脫水車(chē)間

　　2.3.5 消毒車(chē)間

　　2.3.6 綜合工房

　　2.4 監控對象點(diǎn)數統計

　　2.5 控制系統總體設計方案

　　2.6 本章小結

　　第三章 污水處理控制系統硬件設計

　　3.1 控制系統硬件架構

　　3.2 控制系統硬件選型

　　3.2.1 上位機硬件選型

　　3.2.2 PLC 硬件選型

　　3.2.3 傳感器選型

　　3.3 污水處理監控系統硬件網(wǎng)絡(luò )設計

　　3.4 硬件接線(xiàn)圖

　　3.5 本章小結

　　第四章 污水處理系統 PH 值控制策略

　　4.1 中和調節池 PH 值控制要求

　　4.2 PID 控制

　　4.2.1 連續式 PID 控制算法

　　4.2.2 數字式 PID 控制算法

　　4.3 中和調節池 PH 值控制

　　4.3.1 污水處理 PH 值特點(diǎn)

　　4.3.2 污水處理的控制策略

　　4.4 MATLAB 仿真分析

　　4.5 本章小結

　　第五章 污水處理控制系統軟件設計

　　5.1 上位機監控界面開(kāi)發(fā)

　　5.1.1 Win CC 軟件介紹

　　5.1.2 Win CC 監控畫(huà)面的實(shí)現

　　5.1.3 用戶(hù)登錄界面設計

　　5.1.4 污水處理監控組態(tài)畫(huà)面設計

　　5.2 PLC 程序設計

　　5.2.1 硬件組態(tài)的設置

　　5.2.2 PLC 主程序設計

　　5.2.3 子程序設計

　　5.3 觸摸屏的應用

　　5.4 本章小結

第六章 結論

　　6.1 結論

　　本文基于對某污水廠(chǎng)工藝流程的分析，設計一套可靠性高、價(jià)格低廉的自動(dòng)控制系統。由于污水處理涉及的工藝流程有物理過(guò)濾、生物降解、絮凝沉淀和中和反應等十余個(gè)物理化學(xué)過(guò)程，因此為了確保處理后的水質(zhì)能達到相關(guān)參數指標，選用以西門(mén)子S7-300PLC 為核心控制器的自動(dòng)控制系統。該控制系統設計合理，可以提高污水處理的工作效率，降低作業(yè)人員的勞動(dòng)強度，在污水處理中取得了很好的效果。

　　本文完成的工作主要包括以下幾點(diǎn)：

　　（1）根據污水處理廠(chǎng)實(shí)際需求和污水處理工藝流程特點(diǎn)，逐一介紹分析各個(gè)工藝過(guò)程的功能和控制需求；

　　（ 2 ）根據統計到的現場(chǎng)控制變量點(diǎn)數，選用工業(yè)以太網(wǎng) PROFINET 和PROFIBUS-DP 總線(xiàn)相結合的網(wǎng)絡(luò )架構方式，構成主從式控制系統；

　　（3）進(jìn)行控制系統的硬件功能設計，包括硬件部分的總體框架設計，進(jìn)行了上位機工控機和顯示器的選型，PLC 控制器選型以及各類(lèi)傳感器的選型；（4）根據 PH 值具有非線(xiàn)性、遲滯后的特點(diǎn)，設計串級控制策略。基于中和反應機理和加藥控制研究，對傳統 PID 控制方式進(jìn)行改進(jìn)，控制結果達到了實(shí)際生產(chǎn)要求；（5）利用 Win CC 軟件進(jìn)行上位機界面開(kāi)發(fā)，利用 STEP 7 編程環(huán)境完成西門(mén)子S7-300 PLC 的硬件組態(tài)和程序設計，利用 Win CC Flexible 2008 軟件實(shí)現 HMI 應用開(kāi)發(fā)。

　　本文的創(chuàng )新點(diǎn)在于：

　　（1）從污水處理廠(chǎng)的實(shí)際工藝出發(fā)，針對污水控制中水質(zhì)酸堿度這一重點(diǎn)參數進(jìn)行研究分析，運用數學(xué)和化學(xué)模型對污水酸堿度進(jìn)行理論研究。根據其強滯后性特點(diǎn)，分析討論了不同 PID 控制模型的優(yōu)缺點(diǎn)，最終選取串級 PID 的控制方式；

　　（2）根據串級 PID 控制方式，實(shí)現 STEP-7 程序的編程，完成上位機監控軟件和觸摸屏監控部分的軟件開(kāi)發(fā)，基本完成了污水處理控制系統的功能。

　　本設計方案總體上是成功的，控制系統架構設計和儀表選型合理，網(wǎng)絡(luò )通信穩定可靠，監控界面安全實(shí)用。生產(chǎn)效率得到了提高，可以為社會(huì )節約大量費用，為保護環(huán)境發(fā)揮一定的作用。

　　6.2 展望

　　隨著(zhù)對控制參數精度的要求不斷提高，控制策略和儀器儀表需要不斷改進(jìn)。該污水處理廠(chǎng)設計的自動(dòng)控制系統自動(dòng)化程度高，但由于時(shí)間倉促，本文還需要進(jìn)一步研究其它問(wèn)題：

　　（1）編程軟件只進(jìn)行了主程序和中和調節工藝的設計，今后應考慮對全部的工藝過(guò)程進(jìn)行程序設計，增加功能設置，進(jìn)一步美化界面；

　　（2）本文針對的是 PH 酸堿中和過(guò)程進(jìn)行設計，由于每套水處理工藝各有不同，同時(shí)由于不同閥門(mén)的結構類(lèi)型不同，所以該控制系統的推廣有待現場(chǎng)實(shí)際的不斷調試。

　　總而言之，由工業(yè)以太網(wǎng)組成生活污水處理監控系統操作簡(jiǎn)單、容易維護，將來(lái)有很好的實(shí)際應用前景。通過(guò)該系統的設計，使得我對把自動(dòng)化知識應用到生產(chǎn)實(shí)踐的能力是一次極大的鍛煉，對我將來(lái)從事的科研工作很有幫助。

致謝

　　三年的研究生學(xué)業(yè)生涯中，我得到了導師、同學(xué)、朋友以及家人的大量幫助，在此表示衷心的感謝！

　　首先我要感謝的是我的導師徐竟天老師！從研究方向的確立，到確定畢業(yè)設計的題目，再到了解課題研究?jì)热荨⒅敝琳撐淖珜?xiě)，每一個(gè)過(guò)程都受到徐老師的悉心指導。在徐老師的指導下，讓我對控制專(zhuān)業(yè)的知識有了更深入的理解，同時(shí)鍛煉了自己的項目實(shí)踐能力，在此感謝徐老師給予我的諄諄教誨和殷切關(guān)懷。當我在學(xué)習和生活遇到低谷時(shí)，是徐老師的支持和鼓勵使我再次奮起。三年的求學(xué)路上，徐老師在科研和生活上給予了我莫大的幫助，在完成論文之際，謹向徐老師致以最崇高的敬意！

　　我還要特別感謝實(shí)驗室一起工作和學(xué)習的老師們！感謝他們平日里在學(xué)習和生活上給我提供的諸多幫助和建議。同時(shí)他們在日常里對工作和生活中孜孜不倦、不懈拼搏的處事態(tài)度，為我在今后的工作和科研中樹(shù)立了非常好的榜樣。我還要感謝實(shí)驗室與宿舍里朝夕相處、并肩學(xué)習的同學(xué)們，感謝大家共同努力所營(yíng)造的良好學(xué)習氛圍！

　　最后，我要特別感謝養育我多年的家人！在她們的關(guān)愛(ài)與支持下，使得我能夠一門(mén)心思地投入到學(xué)習中去，獲得今天在學(xué)業(yè)上的收獲。

　　感謝所有幫助過(guò)我的人！感謝各位老師和評審專(zhuān)家在百忙之中對我的論文進(jìn)行評審！

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