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摘要
目前污水处理工程对社会发展已经变得越来越重要，传统的污水处理技术主要以手动方式和常规仪表控制为主，依靠工人经验，处理质量不稳定、生产效率低。为了提高污水处理效率，本文选用先进的自动控制技术和设备，对污水处理厂进行自动控制系统设计。
以某污水厂实际情况为背景，分析污水实际工艺流程，根据工艺流程特点确定控制系统的设计需求。针对污水处理具有非线性、多变量的特点，选用工业以太网 PROFINET和 PROFIBUS-DP 总线相结合的网络架构方式，构成主从式控制系统。在确定总体控制方案的基础上，进行控制系统的硬件设计与软件设计。硬件设计采用 IPC+PLC+分站的形式，并对使用到的上位机、PLC 模块和现场各类仪表等硬件设备进行选型。软件设计包含三个部分：上位机监控画面设计、PLC 程序编写和触摸屏界面开发。使用 Win CC软件实现上位机界面开发；使用 STEP 7 编程环境完成西门子 S7-300 PLC 的硬件组态和程序设计；使用 Win CC Flexible 2008 软件实现触摸屏画面开发。
针对污水酸碱度参数在控制时存在的非线性和滞后性特点，为实现酸碱中和反应的准确控制，采用串级 PID 控制策略。并对串级 PID 控制模型进行 MATLAB/SIMULINK仿真实验，实验结果验证了该控制算法的优越性。
本设计实现了生活污水处理系统的自动监控，能够满足现代社会对污水处理的自动控制需求。
关键词：污水处理 组态软件 PLC 酸碱度
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 录
第一章 绪论
1.1 课题研究背景
随着近年来我国城市化进程的快速发展，淡水作为一项极为重要的自然资源。其总量在逐渐减少，城市污水的随意排放是造成水资源污染的重要原因。目前在我国占总量38%左右的城市污水会得到处理，剩余的污水则会被排放到河流和湖泊，最后汇聚到海洋。随着将来我国城市人口的增加和城市规模的进一步扩大，水污染问题将来无疑会成为一项艰巨的社会问题。
近年来国家越来越重视污水处理方面的研究，各种先进的自动化生产领域的研究被大量应用到污水处理行业中，用来不断改进污水治理技术，提高污水处理质量。目前针对有些污水存在的黏性高、含油率重等现象，通常选择使用微生物分解的处理方式。通过微生物的分解，一般可以高效的消耗溶解在水体中的有机物，使得处理后的水体达到良好的处理效果。在微生物分解的过程中，对于水体酸碱度的控制非常重要，该过程必须确保 PH 值控制在合理范围内。否则一方面会引起微生物的分解效率降低，另一方面也会引起药剂浪费的现象。
污水厂酸碱中和控制工艺经历了从传统人工加药控制方式到现代自动控制方式的历史沿革。由于酸碱中和反应具有严重的非线性、时滞性特点，因此控制系统的鲁棒性和精确性通常很难保障。随着自动控制领域在物料加药方面的研究，污水酸碱度控制系统的自动化水平得以不断提高。通过对加药动作的精准控制，能够避免因加药过量引起的反复加药处理现象，进而节约处理成本。
随着计算机在小型化、高速化、低成本和大容量等方面的迅速发展，各种性能优良的微处理器不断面世。尤其是随着工业控制计算机、可编程控制器的大量应用和推广，以 PLC 和变频器为核心的控制系统被应用到对 PH 值的控制领域，取得了很好的效果。
采用自动加药控制系统能够很好地实现对排放污水酸碱度的控制，降低工人的劳动强度，提高工作效率。通过使用计算机进行控制，还能实现数据记录和故障报警等功能，有利于克服传统污水控制和管理方面存在的诸多弊端。本文研究基于工业以太网的计算机控制系统无疑会使得污水处理的控制更加精确化、智能化，实现高效、环保、精准的处理效果。
1.2 污水处理监控系统国内外现状
1.2.1 国外研究现状
欧美发达国家由于多年前就实现了工业现代化，因此城市污水对河流的污染问题也较早的暴露出来。并且这些国家在面对污水治理问题时得到了相关政府部门在资金和政策方面的大力扶持，大量的资金和科研人员被投入到污水治理技术领域的研究。污水处理自动化研究首当其冲地成为了研究重点，他们的科研人员先后成功研制了多种高效型污水自动化处理系统和仪表设备。如今他们的污水处理率达到了污水排放总量的 75%~86%,基本上解决了城市污水问题。美国、英国、德国和日本等发达国家，在上世纪九十年代开始逐渐实现城市污水的二级处理和二级强化处理，有些国家还进行了污水的三级处理，甚至个别国家还做到了污水的回收利用，比如以色列国家的污水回用率最高可达到 89%.
目前随着现场总线技术和工业以太网通信技术的不断发展，发达国家的污水处理厂形成了基于工业以太网架构下的计算机控制系统，如 DCS 系统、FCS 系统。同时他们还将多种 SCADA 技术引入到该领域中，取得了良好的控制效果。这些国家针对 PLC 在控制系统方面的研究，研制出了一些智能、安全、稳定的控制器，例如 SLC 系列、西门子公司的 S7 系列、TSX Quantum 系列。此外他们还重视在线仪表的研制，如美国哈希公司的化学需氧量 COD 分析仪、德国 E-I-H 公司的溶解氧 DO 仪等。
德国在污水治理方面的特点是：大量使用现场总线技术或集散控制技术。根据污水厂中不同污水处理工艺的现场分布情况，将污水处理过程划分成多级、多层次的控制站。
这些控制站之间或者是平级关系，或者是上下级关系，各站之间可以实现独立运行。同时他们还可以通过设立中央控制室，实现全厂的实时数据综合管理功能，因此德国的污水处理自动化技术能够大大提高操作人员效率。
美国在污水治理方面的特点是：通过使用各类先进污水监测仪表和实时分析仪表，实现对污水厂中各类水质参数的实时在线监测，他们使用的仪器仪表对各类水质参数的测量精度非常准确。美国的有些污水厂还采用了先进的遥控、遥测设备，并且充分地利用社会其它信息资源，如国际互联网、移动电话、气象信息等。因此目前污水处理自动化技术在美国的应用已经非常广泛，他们有一部分的污水处理厂目前已经逐渐实现人工智能控制技术在该领域的应用，该类控制系统可以根据水质的情况自动调整控制方式。
由此看见，国外在污水治理方面的研究范围广，控制系统设计方案成熟。对于该领域的研究也在不断增加，他们提出的一些先进控制策略和技术，对我们有着非常重要的借鉴价值。
1.2.2 国内研究现状
我国污水处理研究是从 20 世纪 70 年代开始，当时主要是对工业生产排放的工业废水和城市污水进行简单的物理处理。80 年度代初，我国许多城市开始大力兴建污水处理厂。当时很多污水处理厂进行污水处理的一、二级处理技术，但是生产过程中存在着能耗高、效率低、自动化程度低等缺点。上世纪 90 年代我国开始引进自动化污水处理技术，此时污水处理量得以快速发展，处理效率越来越高。目前我国的污水处理厂通常采用的控制方式有 PLC 控制系统、现场总线控制系统和集散控制系统等 SCADA 系统。
随着各个污水处理厂对水处理工艺的不断改进，污水厂的设备变得越来越多，因此现场的设备规模也随之不断扩大。由于现场安装的设备越来越分散，显然传统控制手动已经不能经济高效的构建控制系统，在此基础上发展基于工业以太网的计算机控制系统，目前已经得到了广泛的应用。这类控制系统的结构通常是由系统管理层、监控服务层以及现场控制层三部分构成，它们以工业以太网为纽带，形成了"管理集中、控制分散"特点的系统。
如今我国污水处理监控系统已经得到了长足的发展，各类型的 PLC 控制器在该领域得到了大量应用。田瑞瑞选用日本三菱公司生产的 FX2N-48MR 型 PLC 作为主体控制硬件，实现了污水厂污泥压榨处理工艺控制系统的设计[10].宋春宁选用三菱公司的FX3U-64M 型 PLC 为核心控制器，设计制糖厂生产水处理酸碱度在线监控系统。任强胜选用德国西门子公司生产的 S7-300 系列 PLC,依据 USBR 处理工艺设计了印染厂水处理自动控制系统[11].邢松华针对制革行业产生的废水处理问题，选用西门子 S7-200 型PLC 作为核心控制器，提出了废水处理自控系统解决方法[12].郝佳选用日本欧姆龙公司生产的 CJ1G-CPU42H 型 PLC 作为主控制器，并配以 CJ1W-AD041、CJ1W-OC211 模块作为扩展输入和扩展输出端口，构建针对 CASS 工艺方法的污水处理自动控制系统[13].
针对 PH 控制的研究领域，金以惠、孙西等人在谷氨酸结晶过程中，针对 PH 值控制问题提出了双线性自适应控制策略，他们以双线性作为控制过程的机理模型，从本质上揭示了 PH 值的中和过程[14].杨友林在解决化工污水处理过程中 PH 值控制存在的调节时间长、系统抗干扰性能差的问题时，采用单神经元自适应控制器进行 CSTR 控制器的设计方案[15].
三菱公司生产的 PLC 对污水厂中的各类机械动作控制较好，该系列 PLC 指令丰富，拥有专用的定位指令，因此对于伺服控制和步进控制容易实现。但是三菱型 PLC 的模拟量模块价格昂贵，通信部分程序编写复杂。欧姆龙公司生产的 PLC 编程方便，价格略低，但功能相对西门子型 PLC 较少，因此该类型 PLC 仅适用于小型自动控制系统。西门子公司生产的 PLC 在过程控制与通信控制方面都很容易实现，其模拟量模块价格便宜，程序编写简单，通信部分容易实现。因此针对污水处理控制系统这类有大量模拟量需要处理的控制系统，选用西门子型 PLC 非常合适，并且污水处理现场的很多仪表设备采集的数据通信都很容易实现。
目前从总体上看，我国污水处理技术水平已经进步很多，但同时存在着很大的发展空间，无论是从控制策略层次还是设备方面，我国的污水处理技术都应不断提高。相信随着计算机控制技术在该领域的不断发展，更多新技术和新工艺会不断应用到污水处理方面上去。更高效的自动化控制策略和控制设备也会投入其中，这对于污水处理质量的提高具有重要的实际价值。
1.3 课题研究意义
污水处理研究是目前解决水资源减少的重要手段，未来针对污水处理自动控制系统的研究会越来越多。由于传统污水处理系统存在可靠性低、故障频发、处理效率低等缺点，因此很难达到目前环保部门对于污水处理的现实需求。
本文依据某污水处理厂的实际控制需求，使用德国西门子公司生产的 S7-300 PLC 作为核心控制器，使用研华工业控制计算机作为控制系统上位机，使用西门子公司的 WinCC 组态软件进行上位机监控界面设计。设计的控制系统能够满足污水处理过程的基本控制要求，实现对污水处理系统工艺运行状况的监控。而且还能实现中央监控室与现场设备之间的远程通讯，根据用户的不同需求对现场采集到的实时监控数据和设备运行状况信息进行数据存储。污水监控系统在设计中将下位机控制器跟污水处理设备通过PROFINET 方式相连，不仅可以控制执行器设备的动作，还可以将现场传感器采集到的数据信息反馈给上位机监控系统使用。
PROFINET 协议是德国西门子公司在 2001 年时为实现工业控制需求发布的一款通信协议，该协议通过将原来的互联网技术与 MODBUS 技术结合，形成 PROFINET 网络实现方案。它基于组件对象模型建立分布式自动化控制系统，规定标准以太网和PROFINET 现场总线之间透明、开放的通信方式，提供包括设备层和系统层在内的系统模型。工业以太网经常会被应用在单元级和管理级的网络通信领域，选用工业以太网作为污水处理控制系统的通信架构能够满足污水处理控制对于数据通讯的要求。考虑到工业以太网技术具有通信速率高、价格低廉、软硬件产品丰富、稳定可靠、应用广泛和技术支持成熟等优点，因此选用工业以太网作为污水处理的通信方式非常合适。
本文设计的自动控制系统具有以下几个优点：
1）将自动控制系统与实际的污水处理过程充分结合，实现对污水处理过程中水质酸碱度的精准控制，提高污水处理厂的污水处理质量。
2）通过选用不同通讯手段进行不同控制层之间的连接，实现控制系统上下层之间的实时数据传输，提高通讯功能方面的可靠性。由于系统能够保存历史记录，因此方便工作人员对监控系统的进行定期的维护。
3）控制系统采用"集中管理、分散控制"的主从式监控方式，能够大大降低污水处理自动控制系统的故障风险，提高系统可靠性。
4）选用以西门子 S7-300 PLC 为核心控制器，同时实现系统内部不同功能配置的模块化，从而满足灵活的现场实际需求。
系统设计时使用的工业以太网、PLC、计算机、PROFIBUS 总线通讯等先进的上位机、下位机设备，能够对污水处理流程实现良好的监控和管理。使用自动化控制系统代替人工手动控制能够增强污水处理的技术管理水平，保障操作人员安全，确保控制系统稳定运行。整个监控系统的设计可以满足国家 GB 18918-2002 的排放标准，实现全厂自动化操作、高效节能和安全稳定生产的要求。
1.4 论文结构安排
本文以富平县城南污水处理厂实际项目为背景，分析污水处理厂的现场工艺过程，设计以西门子可编程逻辑控制器 S7-300 PLC 为核心的污水监控系统。利用工业以太网PROFINET 和 PROFIBUS-DP 总线相结合的方式，构建主从式控制系统。系统硬件设计采用 IPC+PLC+分站的形式，并且对使用到的各个 PLC 模块、现场设备和仪表等硬件进行了硬件设备选型。软件设计包括三个部分：上位机监控软件 Win CC 开发、PLC 程序设计以及触摸屏界面的开发。利用 Win CC 软件进行系统上位机监控界面的设计；利用STEP 7 编程环境完成西门子 S7-300 PLC 的硬件组态和程序开发；利用 Win CC Flexible2008 软件实现触摸屏界面的开发。
针对污水处理中最重要的水质参数-酸碱度进行控制策略研究。由于酸碱中和反应过程存在强烈的非线性特点，因此选择设计串级 PID 控制系统。此外还进行了控制模型的 MATLAB/SIMULINK 仿真模型构建，从理论上分析检验了串级控制策略对 PH 值的控制效果。
论文的结构安排如下：
第一章 绪论。介绍污水处理的背景，国内外目前在污水处理领域的发展现状，明确论文研究的目的和意义；第二章 介绍污水处理厂的各个工艺流程。分析不同工艺环节的控制要求，明确控制要求和参数指标。根据污水处理工艺流程的特点，提出控制系统的总体实现方案；第三章 介绍污水控制系统的硬件实现方案。包括介绍系统使用到的各类传感器类型、参数，可编程逻辑控制器的各个模块型号、数量，以及对上位机硬件设备的选型，最后提出控制系统的网络架构设计；第四章 从理论方面分析中和反应过程中 PH 值控制的难点。提出针对该问题的解决方案，并且建立控制系统模型的 MATLAB/SIMULINK 仿真；第五章 介绍控制系统所有的软件实现方案。包括上位机组态软件开发，下位机控制器程序设计以及触摸屏界面开发；第六章 总结和展望。
第二章 污水处理工艺流程及设计方案
2.1 研究背景及控制要求
2.2 污水处理工艺流程
2.3 关键工艺分析
2.3.1 格栅间
2.3.2 鼓风机
2.3.3 PH 中和反应池控制
2.3.4 污泥脱水车间
2.3.5 消毒车间
2.3.6 综合工房
2.4 监控对象点数统计
2.5 控制系统总体设计方案
2.6 本章小结
第三章 污水处理控制系统硬件设计
3.1 控制系统硬件架构
3.2 控制系统硬件选型
3.2.1 上位机硬件选型
3.2.2 PLC 硬件选型
3.2.3 传感器选型
3.3 污水处理监控系统硬件网络设计
3.4 硬件接线图
3.5 本章小结
第四章 污水处理系统 PH 值控制策略
4.1 中和调节池 PH 值控制要求
4.2 PID 控制
4.2.1 连续式 PID 控制算法
4.2.2 数字式 PID 控制算法
4.3 中和调节池 PH 值控制
4.3.1 污水处理 PH 值特点
4.3.2 污水处理的控制策略
4.4 MATLAB 仿真分析
4.5 本章小结
第五章 污水处理控制系统软件设计
5.1 上位机监控界面开发
5.1.1 Win CC 软件介绍
5.1.2 Win CC 监控画面的实现
5.1.3 用户登录界面设计
5.1.4 污水处理监控组态画面设计
5.2 PLC 程序设计
5.2.1 硬件组态的设置
5.2.2 PLC 主程序设计
5.2.3 子程序设计
5.3 触摸屏的应用
5.4 本章小结
第六章 结论
6.1 结论
本文基于对某污水厂工艺流程的分析，设计一套可靠性高、价格低廉的自动控制系统。由于污水处理涉及的工艺流程有物理过滤、生物降解、絮凝沉淀和中和反应等十余个物理化学过程，因此为了确保处理后的水质能达到相关参数指标，选用以西门子S7-300PLC 为核心控制器的自动控制系统。该控制系统设计合理，可以提高污水处理的工作效率，降低作业人员的劳动强度，在污水处理中取得了很好的效果。
本文完成的工作主要包括以下几点：
（1）根据污水处理厂实际需求和污水处理工艺流程特点，逐一介绍分析各个工艺过程的功能和控制需求；
（ 2 ）根据统计到的现场控制变量点数，选用工业以太网 PROFINET 和PROFIBUS-DP 总线相结合的网络架构方式，构成主从式控制系统；
（3）进行控制系统的硬件功能设计，包括硬件部分的总体框架设计，进行了上位机工控机和显示器的选型，PLC 控制器选型以及各类传感器的选型；（4）根据 PH 值具有非线性、迟滞后的特点，设计串级控制策略。基于中和反应机理和加药控制研究，对传统 PID 控制方式进行改进，控制结果达到了实际生产要求；（5）利用 Win CC 软件进行上位机界面开发，利用 STEP 7 编程环境完成西门子S7-300 PLC 的硬件组态和程序设计，利用 Win CC Flexible 2008 软件实现 HMI 应用开发。
本文的创新点在于：
（1）从污水处理厂的实际工艺出发，针对污水控制中水质酸碱度这一重点参数进行研究分析，运用数学和化学模型对污水酸碱度进行理论研究。根据其强滞后性特点，分析讨论了不同 PID 控制模型的优缺点，最终选取串级 PID 的控制方式；
（2）根据串级 PID 控制方式，实现 STEP-7 程序的编程，完成上位机监控软件和触摸屏监控部分的软件开发，基本完成了污水处理控制系统的功能。
本设计方案总体上是成功的，控制系统架构设计和仪表选型合理，网络通信稳定可靠，监控界面安全实用。生产效率得到了提高，可以为社会节约大量费用，为保护环境发挥一定的作用。
6.2 展望
随着对控制参数精度的要求不断提高，控制策略和仪器仪表需要不断改进。该污水处理厂设计的自动控制系统自动化程度高，但由于时间仓促，本文还需要进一步研究其它问题：
（1）编程软件只进行了主程序和中和调节工艺的设计，今后应考虑对全部的工艺过程进行程序设计，增加功能设置，进一步美化界面；
（2）本文针对的是 PH 酸碱中和过程进行设计，由于每套水处理工艺各有不同，同时由于不同阀门的结构类型不同，所以该控制系统的推广有待现场实际的不断调试。
总而言之，由工业以太网组成生活污水处理监控系统操作简单、容易维护，将来有很好的实际应用前景。通过该系统的设计，使得我对把自动化知识应用到生产实践的能力是一次极大的锻炼，对我将来从事的科研工作很有帮助。
致谢
三年的研究生学业生涯中，我得到了导师、同学、朋友以及家人的大量帮助，在此表示衷心的感谢！
首先我要感谢的是我的导师徐竟天老师！从研究方向的确立，到确定毕业设计的题目，再到了解课题研究内容、直至论文撰写，每一个过程都受到徐老师的悉心指导。在徐老师的指导下，让我对控制专业的知识有了更深入的理解，同时锻炼了自己的项目实践能力，在此感谢徐老师给予我的谆谆教诲和殷切关怀。当我在学习和生活遇到低谷时，是徐老师的支持和鼓励使我再次奋起。三年的求学路上，徐老师在科研和生活上给予了我莫大的帮助，在完成论文之际，谨向徐老师致以最崇高的敬意！
我还要特别感谢实验室一起工作和学习的老师们！感谢他们平日里在学习和生活上给我提供的诸多帮助和建议。同时他们在日常里对工作和生活中孜孜不倦、不懈拼搏的处事态度，为我在今后的工作和科研中树立了非常好的榜样。我还要感谢实验室与宿舍里朝夕相处、并肩学习的同学们，感谢大家共同努力所营造的良好学习氛围！
最后，我要特别感谢养育我多年的家人！在她们的关爱与支持下，使得我能够一门心思地投入到学习中去，获得今天在学业上的收获。
感谢所有帮助过我的人！感谢各位老师和评审专家在百忙之中对我的论文进行评审！
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