基于Profibus的SBR工艺污水处理自动控制系统doc.doc

基于的工艺污水处理自动控制系统引言进入世纪我国的环保事业迅速发展工业废水生活污水的净化处理成为当务之急投资少运行灵活的处理工艺得到广泛的应用工艺早在年就被开发由于当时的自动化水平比较低所以没有得到推广应用而近年来随着自动化技术设备及在线监测仪表的发展使得对污水处理的自动化成为可能同时对污水处理工艺进行自动化监测和实时控制是提高污水处理效率降低处理能耗的关键反应主要是在反应池内进行的该工艺主要由进水曝气沉淀排水和闲置等五个阶段组成工艺的处理效果主要取决于其运行参数其中主要参数包括各反应段时间以及曝气强度一般采用以为核心的工艺过程自动监控系统实时控制鼓风机水泵电动阀等设备及各反应段时间使水质达到国家规定的排放标准由此可见污水处理是一个多参量如液位水质成分流量压力等多任务如污水输送风量控制水泵的启停等多设备如格栅机水泵鼓风机阀门等且具有随机性时变性和耦合性的复杂系统因此污水处理应由一个智能监控与综合管理系统来进行现代化的管理使之安全可靠地运行现场总线技术在污水处理厂中现场控制设备分布范围比较广如果采用传统的控制方案势必要敷设大量的控制和信号电缆浪费大量的人力和物力十分不经济同时使系统复杂可靠性降低采用目前比较流行的现场总线技术可以降低成本同时提高系统的可靠性使系统易于扩展和维护是的缩写是一种国际性的开放式的现场总线标准目前世界上多数自动化技术生产厂家都为它们的自动化设备提供通信接口已经广泛地应用于加工制造过程控制和楼宇自动化是一项成熟的技术根据应用特点可分为等三个兼容版本是经过高速优化的廉价的通信链路专为自控系统和设备级分散式之间设计的接口使用总线模块用于分布式控制系统的高速数据传输可以取代昂贵的或并行信号线解决车间级普通的通信任务提供大量数据通信服务提供中等任务的传输速度系统组成及功能设计现代化的污水处理系统需要实现管理与控制一体化实现办公自动化控制系统不仅与下层控制设备有良好的接口而且具有与上层管理系统集成的接口同时具有可扩展性所以现代化污水处理系统要求在底层采用现场总线或者工业以太网等技术上层则选用优秀的监控组态软件为了加强系统的可靠性使整个系统能够长时间无故障地运行需要采用容错技术根据全集成自动化的思想将污水厂控制系统分为管理级控制级现场级管理级管理级是系统的核心部分完成对污水处理过程各部分的管理和控制并实现厂级的办公自动化管理级提供人机接口是整个控制系统与外部信息交换的界面管理级的各台计算机具有相互通讯的功能实现数据交换或共享考虑到管理层功能结构的层次性和可分割性采用客户服务器的体系结构服务器选用大型的网络关系数据库满足开放分布式数据库管理方式的要求服务器具有远程控制操作功能状态显示功能数据处理功能报警功能报表功能通讯功能和冗余功能等厂中心控制室中设备包括两台安装公司监控组态软件的冗余服务器作为上位机两台服务器安装组态软件的完全版以及冗余软件包两台服务器互为备用实现冗余提高系统的可靠性装有运行版的机作为监控工程师操作站这种配置的最主要的优点是保证数据的完整性和监控操作的连续性如果一个服务器出现故障该服务器的客户机自动从发生故障的服务器切换到备用的服务器上使所有的客户机始终可以监控生产过程修复后的服务器回到系统后自动实现归档数据的匹配管理级现场总线选择总线冗余服务器作为现场总线的主站通过通信模块与现场总线连接控制级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系统的关键部分中要采用冗余技术控制器是整个系统的核心所以在控制级中采用两个公司型组成冗余控制器一个为主站一个为备用站两个之间通过并行总线通讯进行信息交换相互监视实现双机热备冗余每个上安装一块通信模块与现场总线连接作为现场总线的从站作为控制系统的下位机通过总线与上位机通信公司型号具有网络通讯接口可作为现场总线的主站两个主站建立冗余配置的现场总线系统与控制现场的远程分布式智能模块连接实现与现场设备和传感器通信现场级现场级是实现系统功能的基础现场级主要由一次仪表如液位计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由于控制设备比较分散在传统的工厂内输入输出设备连接到一个集中的机架在设备改变和系统扩展时导致接线工作量大成本高柔性度低通过开放的标准化的现场总线系统来连接部件应用公司分布式是解决这些问题的最佳方案分布式配置意味着可编程序控制器模块和现场设备通过称为现场总线的信号电缆连接将输入输出模块转换成就地监测器和执行器可就地转换和处理过程信号可像集中配置那样进行程序设计在控制点比较集中的控制现场配置一个远程分布式智能模块现场信号直接输入模块每个模块上安装有两块型号带有接口的模块与冗余现场总线分别连接模块采用活动总线式底板所有模块可以带电热插拔便于维修在以上的配置中系统重要的部分采用冗余技术使整个控制系统具有极高的可靠性可以实现每天小时不间断工作根据此设计思想和关键技术方案分析得出系统总体结构见图图控制系统结构原理智能传感器污水处理过程中需要实时地在线监测各种水质参数以保证准确的工艺运行参数和及时显示处理结果在本系统中涉及到的传感器数量大种类多包括温度固体悬浮物溶解氧液位传感器以及氧化还原电位仪流量计压力计等传感器全部采用德国公司的产品这些传感器都带有接口利用智能接口这些仪表能与自动化过程控制系统集成这样获得的所有过程参数可以集中显示同时作为工艺的控制参数由于污水成分比较复杂具有腐蚀性因此选用超声波液位计测量液位避免直接与污水接触并且反应速度快带有总线接口具有远传功能直接输送到同时具有就地显示的功能参数设置简单操作方便在污水厂的进水总管和出水总管分别安装温度和传感器测得进水水质参数用于反应控制出水参数用于监测工艺的运行效果以防止处理后不合格的水排出在反应池的厌氧区内装有计测量厌氧区的氧化还原电位反映生物硝化脱氮的情况同时决定是否需要从好氧区回流污泥好氧池内装有传感器用于控制曝气量根据污水中的溶解氧含量决定空气管电动阀的开度从而控制曝气量传感器用于监测污水中固体悬浮物的浓度在空气总管上安装有压力计根据空气总管空气的压力来控制鼓风机的启停以及实现变频调速在满足工艺要求的同时可以实现节能上位机组态软件上位机系统要求具有与多台下位机系统通讯的能力实时监控多台下位机的工作状态显示生产过程中的工作曲线具有远程控制能力向下位机采集数据对历史数据进行存储查询显示打印等因此在一个自动监控系统中投入运行的监控组态软件是系统的数据收集处理中心远程监视中心和数据转发中心处于运行状态的监控组态软件与各种控制检测设备如智能仪表等共同构成能快速响应的控制中心优秀的组态软件是实现上位机功能的基础选用公司组态软件具有控制自动化过程的强大功能是基于个人计算机同时具有极高性价比的级操作监视系统在两台服务器上安装服务器版和冗余软件包客户机安装运行版图组态软件结构该监控软件的结构框图见图监控组态软件的功能及特点友好的人机界面控制操作方便在中心控制室能对全系统被控设备进行实时控制如启停设备在线设置中程序的某些工艺参数等实时画面显示功能用图形实时地显示各现场被控设备的运行工况以及现场的状态参数用模拟仪表趋势图曲线柱状图动态显示参数的实时变化情况使生产管理人员能够快速清晰地了解整个系统的生产运行情况数据管理数据库存储生产过程数据供统计分析使用工作人员可以定期把历史数据库备份到其它存储介质以便于历史数据的查询利用数据库中的数据进行比较和分析得出一些有用的经验参数有利于优化工艺的闭环控制报警功能当参数超过设定范围或设备如电机启停阀门开关发生故障时可根据组态发出不同等级的声光报警如屏幕显示报警信息打印机输出报警信息等可根据报警信息自动切换到相应的监控画面所有的报警信息均被记录在报警数据库中便于以后的事故分析使用报表打印功能可以实现报表和图形打印以及各种事件和报警实时打印打印方式分为定时打印和事件触发打印通讯功能是基于标准的平台开发的系统软件充分考虑了与其它系统交换信息的必要性支持如和等标准可以提供多种方式与上层系统数据交换冗余功能两台装有组态软件的服务器互为冗余确保数据完整控制软件编程一套理想的软件不只限于满足工艺要求而且要考虑到现场出现的各种特殊情况因此必须可靠实用易修改控制规律软件编程的主要依据为生产工艺提供的控制规律同一种处理工艺可能会有不同的控制策略根据目前的研究状况工艺的控制可以分为三种一种是生物浓度法是指根据在线测得的水质参数与设定参数形成闭环控制第二种是反应时间控制对于时间控制规律而言它是根据对反应的五个阶段所需要的时间进行自动控制的第三种是流量程序控制是根据污水流量的变化来调整各个阶段所需时间进行自动控制后两种控制方法都不是根据废水的水质变化来改变某些运行参数进行自适应控制的生物浓度控制的基本思想是动态的控制的反应时间使其中的有机物浓度用或表示达到允许的排放标准就停止曝气在线测定有机物浓度的或传感器比较贵一般都在几十万元目前还没有应用报道而且实时性比较差反应时间慢试验表明在法的反应阶段在一定混合物浓度和温度的条件下对一定的废水而言反应池中的和浓度与耗氧速率及氧化还原电位有密切的关系一般说来有机物浓度越低则越低而越高因此可以通过与来监测有机物浓度的变化进而通过计算机来自动控制反应过程时间控制程序是根据对反应池的五个运行阶段所需要的时间进行自动控制该方法不是根据污水的水质变化来改变某些运行参数进行自适应控制对于进水时间曝气时间沉淀时间排水时间及闲置时间均可由上位机设定反应池的各段工艺过程及其执行时间均严格按时序进行每个反应池的任何设备均可通过电气柜上的手动自动转换开关改变其状态但均不能改变所设定的工作时序并且一旦切入自动状态后便进入所设定的时序在自动状态下操作人员在中心控制室可以通过人机界面实现远程遥控操作现场设备的工作状态均送上位机显示控制程序根据以上情况对应设计了两种控制程序可根据实际情况由上位机选择运行生物浓度法控制程序生物浓度法采用反馈控制利用在线测得的进水水质参数作为输入按照预先确定好的控制模型进行运算然后用计算的结果作为输出控制现场的设备动态控制反应时间以达到控制反应的目的时间控制程序本控制系统严格按照时序按顺序工作允许在工作过程中任意进行遥控自控切换且不影响工作时序结语在污水处理控制系统中采用现场总线改变了传统的全模拟量传输的方式在现场总线级实现了数字量传输达到了提高信号传送精度增强现场控制灵活性降低现场仪表初装费和设计施工费用减少电缆敷设易于维护和扩展的目的该自动控制系统已经在浙江海宁污水处理厂投入运行实现了污水处理工艺的自动控制提高了污水处理的效率和效果同时降低了能耗取得了良好的经济效益与社会效益参考文献阳宪惠现场总线技术及其应用北京清华大学出版社马国华监控组态软件及其应用北京清华大学出版社彭永臻邵剑英等利用作为法反应时间的计算机控制参数中国给水排水