水汙染是我（wǒ）國城市麵臨的嚴重環境問題，它不僅危害人民的身體健康，還抑製了我（wǒ）國經濟的發展，破壞了生態平衡，並容易導致水荒的發生。城市汙水（shuǐ）處理設施的建設是現代（dài）化城市經濟發（fā）展和水資源保護不可（kě）缺少的組（zǔ）成（chéng）部分，工業汙水由於成分複雜，有害汙染（rǎn）物多，處理難度大，一直是企業（yè）發展壯大的瓶頸。為了實現汙水處理的（de）過程能在惡（è）劣的（de）環境中(溫差大、汙水水質水量變化大、電網電壓波動大、電氣幹擾嚴重)能夠連續、穩定、可靠（kào）、準確地工作，對控製係統的要（yào）求有（yǒu）著比一般的過程（chéng）控製係統更高的要求（qiú）。

    隨著計算機控製技術（shù）的發（fā）展，可（kě）以對汙水（shuǐ）處理實現日常的信息化管（guǎn）理。針對湖北宜都高（gāo）壩洲汙水廠汙水處理係統，南（nán）京康（kāng）卓環境科技有限公司設計一套基（jī）於工業以太網和profibus總（zǒng）線的汙水處理自控係統，對汙水處理過程進（jìn）行自動控製和遠程監視。係統采（cǎi）用模糊pid控製方法，結合（hé）了模糊控製方法的動態性能和（hé）pid控製算法的穩態性能，由（yóu）上位機和現場設備構成。

 

2  汙水處理工藝流程

 

    汙水（shuǐ）處理（lǐ）是一個複雜的大滯後的生化反應（yīng）過程，如果通過機理的方法，建立（lì）精確的數學模型（xíng）是很複雜的（de），而采用一般的控（kòng）製方法（fǎ），大滯後問題又很難被解決。此外，還有加混凝劑和曝（pù）氣等裝置以（yǐ）及汙泥的處置單元來收集各個沉澱池（chí）的汙泥。

 

3  汙水（shuǐ）處理控製係統總體方案

    汙水處理控製（zhì）部分由中央控製室、風機房、汙泥處理（lǐ）房構成。中央控製室裏麵設置中央控製（zhì）的plc和裝有wincc組態軟件的上位機以及電氣控（kòng）製櫃。風機房裏麵設置一個遠程i/o控製站和風（fēng）機部分的電氣櫃。汙泥處理房設置一個遠程i/o控製站和（hé）汙泥機的電氣控製（zhì）櫃。

    如圖2所示，係（xì）統采用以太網和現場總線混合型結構，現場（chǎng）層的通（tōng）信采用（yòng）profibus-dp主/從協議，使用屏蔽雙絞線作為（wéi）傳輸介質，不同的子（zǐ）網和不同介質之間可通過藕合器或接口模塊（kuài）連接。過程監控層（céng）使（shǐ）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（wéi）以太網上（shàng）的一個站點，而操作員站計（jì）算機和工程師（shī）站計算機不作為（wéi）現場總線網絡中的站點。隻作（zuò）為以太網中的節（jiē）點，此網上的各站點相（xiàng）互之間的數據（jù）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，控製現場的參（cān）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。

 

    中央控製室由一台操作站（zhàn）兼工程師站以及一台打印機組成（chéng）。過（guò）程plc控製係統主要選用西門子s7-300的產（chǎn）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（de）兩（liǎng）個et200通信。在plc上還配置一塊cp343-1的工業以太網卡，還配置一台以太（tài）網交換機osm實現與裝有wincc的操作站以及公司（sī）級的裝有pi軟（ruǎn）件（jiàn）的監視計算機通信。工程師站（zhàn）使用研華(advantech)工控機，配西門子的以太網（wǎng）卡cp1613，以wincc6.0中文版組態軟件為開發平台組態的控製係統顯示畫麵。采用基於tcp/ip協議的工業以太網實現上（shàng）、下位機的通訊，從而實現整個（gè）城市汙水處理的管、控一體化。

 

 

4  控（kòng）製（zhì）係統硬件設計

    plc選用西門子（zǐ）公司simatic s7-300的可編程序控製器進行（háng）程（chéng）序控製。cpu選用帶有profibus-dp接口的cpu315-2dp，配有et200的遠程i/o點。由於這個汙水站中央控製室與風機房和汙泥機房都沒有超過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（jì）器即可直接用profibus電纜把它們連接起來。根據（jù）工藝的需要和控（kòng）製要求，本係統需要數字輸（shū）入量76點，數字輸出量44點，模（mó）擬輸入點24點。考慮到係統的餘量（liàng），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（shù）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（de）di16*24v數字量輸出模塊（kuài）1塊（kuài）；sm331的8點（diǎn）ai8*12bit模擬（nǐ）量（liàng）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，將位於現場的開關觸點（diǎn）的狀態經過光電隔離和濾波（bō），將從過程傳輸來的外部（bù）數字信號轉化為內部s7-300信（xìn）號電平。然後送至（zhì）輸入緩衝器等待cpu采（cǎi）樣，采樣過（guò）程是信號經過背（bèi）板總線進入到輸入映像區。數字輸出模塊將s7-300的內部（bù）信號電平轉化（huà）為控製過程所需的外部信號電平（píng）。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用於將模擬量信號轉（zhuǎn）換成（chéng）cpu內部處理的數字信號，一塊（kuài）sm331模塊中的各個通道可以分別使用電流輸入和電壓輸入，並選用不同的量程。有多種分辨率可供選擇（zé）(9-15位)，我們選擇的模塊是12位的，分辨率（lǜ）不同轉換時間也（yě）不同（tóng）。

    西門（mén）子的et200是基於profibus-dp現（xiàn）場總線的分布式i/o，可以與經過認證的非西門子公（gōng）司（sī）生（shēng）產profibus-dp主（zhǔ）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係統協同運行，實現了從硬件配置到共（gòng）享數據庫等所有層次上的集成。

 

5  控製係統軟件設計

5.1 plc程序設計

    plc中的程序分為操作係統和用戶程序，操作係統用來實現與特定的控製任務無關的功能，處理plc的啟動、刷新輸入/輸出過程映（yìng）像表、調（diào）用用戶程序、處理中斷和錯（cuò）誤、管理存貯（zhù）區和處理通信等（děng）。用（yòng）戶（hù）程序由用（yòng）戶在step7中生成，然後將它下載到cpu。

    以本汙水（shuǐ）處理係統中的物料混合裝置典型控製流程為例，控製（zhì）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（yī）定的比例混合在一起，經過一（yī）定時（shí）間的攪拌後便得到成品。粉料（liào）和液料都用電子秤來計量。

 

 

    初始狀態時粉料秤秤鬥、液料秤秤鬥和攪拌器都是空的，它（tā）們底部的排料（liào）閥關閉；放料倉的放料閥關閉，粉料倉下部（bù）的螺旋輸送機的電動機和攪拌機的電動機停（tíng）轉；q1.0到q1.4均為0狀態。

    plc開機後（hòu）用ob100將初始步對應的m0.0置為1狀態，將其餘各步對應的存儲器位複位為0狀態，並將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（wéi）1狀（zhuàng）態，螺旋輸送機的電動機（jī）旋轉，粉料進入粉料秤的秤鬥；同（tóng）時q1.1變為1狀態，液料倉的放料閥打開，液（yè）料進入液料秤的（de）秤鬥。電子秤的光（guāng）電碼盤輸出與秤鬥內物料重量秤正（zhèng）比的（de）脈衝信（xìn）號。減計數器c0和c1分別對粉料秤和液料秤產生（shēng）的脈衝計數。粉料脈衝計數值減至（zhì）0時，其常閉觸點閉合，粉料秤的（de）秤鬥內的物料等於預置值。q1.0變為0狀態，螺旋輸（shū）送機的電動機停機。液料脈衝計數值減至0時（shí），其常閉觸點閉合，液（yè）料秤內的物（wù）料等於預置值。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（shí），計數器的輸出位為1，反之為0。粉料稱量結束後，c0的常（cháng）閉觸點閉合（hé），轉換條件滿足，粉料秤從步m0.1轉（zhuǎn）換到等待步m0.2，預置值送給c0，為下一次（cì）稱量做好準備。同樣的，液料稱量結束後，液料秤從步m0.3轉換到等待步m0.4，預置值送給c1。步（bù）m0.2和m0.4後麵（miàn）的轉換條件“=1”表示轉換條件為二（èr）進製常數1，即轉換條件為二進製常數1，即轉換條件（jiàn）總是滿（mǎn）足的。因此在兩個秤的稱量都結束後，m0.2和m0.4同時為活（huó）動步，係統將“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（wéi）1狀態，攪拌機開始攪拌。t0的定時時間到時（shí）排料結束（shù），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（jiān）後，關閉排料門，一個工作循環（huán）結束。

    本係統要求在按（àn）了啟動按鈕i2.0後，能連續不停地工作下去。按了停止按鈕i2.1後，並不（bú）立（lì）即停止運行，要等到當前工藝周期的全部工作（zuò）完成，成品排放結束後，再從步m0.7返回到初始步m0.0。

5.2 監控界麵（miàn）設計

    利用wincc6.0組態軟件開發的（de）的汙水處理監控界麵包括調節池、厭氧池、a2/o反應池、四沉池（chí）、風機及水泵、加藥（yào）等控製界麵。

    以調節池、風機及水泵界麵（miàn）為例，工（gōng）業汙水在調節池（chí）中的液位可以實時監測，還（hái）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（sè）和風機工作（zuò）狀態表觀察電（diàn）機的工作狀（zhuàng）態，實現手動和自動控製（zhì）。