自来水厂污水处理自动控制系统设计研究 机械工程及其自动化专业.docx
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1、自来水厂污水处理自动控制系统设计研究摘要现如今,社会发展越来越注重可持续绿色发展,为此污水处理工程愈发重要。传统污水处理主要依靠工人经验,通过手动控制及常规化的仪表监测系统来控制污水处理流程。这种方式处理效率和处理质量相对来说都偏低。为了让污水处理跟上当今社会发展需要,强化效率和改善质量双线并行,本文利用自动控制技术及相关的控制装置,对当前污水处理展开观察,设计一套适配性高的自动控制系统,以切实解决如今迫切的污水处理需求。本文研究初始点在对污水处理要求进行探究,对实务中进行污水处理工艺的流程及其特点,确定了污水控制系统的设计目标和要求。由于污水处理具有多种类型因素变量,同时还具有非线性的特性,
2、因此在设计时利用工业以太网PROFINE作为技术支点和系统框架,构建一套主从式的具有高针对性和效率性的控制系统。在对系统控制策略以全盘性视角进行审视和设计之后,又依托于此将所需要的软硬件部分一一进行适配性开发和设计。在硬件部分中对使用到的现场各类仪表、PLC控制器的模块类型和上位机等硬件设备进行选型。在软件部分中,选用WinCC组态软件完成上位机监测界面的构建;将事先预备好的各个硬件组成,用TIAPortal软件展开预设性和对应性组态操作,并对污水处理控制中涉及到的不可或缺的环节或步骤进行控制程序编写和设计,通常来说使用的是PLG控制程序。与此同时,针对传统污水处理中难以进行有效控制和精准把握
3、的酸碱度参数,使用了更先进的控制策略,以得到更精准的参数供给,这就是模糊PID算法,将该方案的控制模型在MATLAB中仿真,结果表达该算法能够实现预期目标,具备精确化和特出化的特点。本设计实现了自来水厂污水处理系统的自动控制,满足现代社会对污水处理的需求。关键词:污水处理,PLC,MATLAB仿真,酸碱度DESIGNANDRESEARCHONAUTOMATICCONTROLSYSTEMOFSEWAGETREATMENTINWATERWORKSABSTRACTNowadays,thesocialdevelopmentispayingmoreandmoreattentiontosustainabl
4、eandgreendevelopment,sothesewagetreatmentprojectisbecomingmoreandmoreimportant.Traditionalsewagetreatmentmainlydependsontheexperienceofworkers,throughmanualcontrolandroutineinstrumentmonitoringsystemtocontrolthesewagetreatmentprocess.Inthisway,theprocessingefficiencyandqualityarerelativelylow.Inorde
5、rtomakesewagetreatmentkeepupwiththeneedsoftodayssocialdevelopment,strengthenefficiencyandimprovequalityparallel,thispaperusesautomaticcontroltechnologyandrelatedcontroldevices,toobservethecurrentsewagetreatment,designasetofautomaticcontrolsystemwithhighadaptability,inordertoeffectivelysolvetodaysurg
6、entsewagetreatmentneeds.Thispaperstudiestheinitialpointinthesewagetreatmentrequirementstoexplorethepracticeofsewagetreatmentprocessanditscharacteristics,todeterminethedesignobjectivesandrequirementsofsewagecontrolsystem.Becausesewagetreatmenthasavarietyoffactorsandvariables,andalsohasnonlinearcharac
7、teristics,sointhedesignofindustrialEthernetPROFINEasthetechnicalfulcrumandsystemframework,tobuildamaster-slavecontrolsystemwithhightargetedandefficiency.Afterinspectinganddesigningthecontrolstrategyfromtheperspectiveofthewholesystem,thehardwareandsoftwarepartsneededaredevelopedanddesignedforadaption
8、onebyone.Inthehardwarepartoftheusedfieldofallkindsofinstruments,PLCcontrollermoduletypeandtheuppercomputerandotherhardwareequipmentselection.Inthesoftwarepart,theconstructionofthemonitoringinterfaceoftheuppercomputerisselected.Willbepreparedinadvanceofthevarioushardwarecomponents,withthedevelopmento
9、fpresetandcorrespondingconfigurationoperation,andthesewagetreatmentcontrolinvolvedintheindispensablelinksorstepsofthecontrolprogramwritinganddesign,usuallytheuseofPLGcontrolprogram.Atthesametime,inviewofthetraditionalsewagetreatmentisdifficulttoeffectivelycontrolandaccurategraspofphparameter,usethem
10、oreadvancedcontrolstrategies,inordertogetmoreaccurateparametersofthesupply,whichisthefuzzyPIDalgorithm,theschemeofthecontrolmodelinthesimulation,theresultexpressedthealgorithmcanachieveexpectedgoal,withaccurateanduniquecharacteristics.Thisdesignhasrealizedtheautomaticcontrolofwaterplantsewagetreatme
11、ntsystem,tomeettheneedsofmodemsocietyforsewagetreatment.Keywords:Sewagetreatment,PLC,MATLABSimulation,Ph1.绪论1.1 引言61.2 国内外污水处理研窕状况71.2.1 国外污水处理研究状况71.2.2 国内污水处理研究状况81.3 课题研究意义91.4 论文主要研究内容和结构安排92 .污水处理系统的工艺流程及总体方案设计112.1 污水处理方法112.2 污水处理系统工艺流程112.3 控制系统总体设计方案132.4 本章小结143 .污水处理控制系统硬件部分的研窕153.1 控制系统硬
12、件架构153.2 控制系统硬件选型153.2.1 PLC硬件选型153.2.2 传感器选型183.3 本章小结194 .污水PH值的调节与控制方法研究204.1 PH值控制要求204.2 PID控制214.3 PlD控制器的设计214.4 串级PID控制的设计224.5 SMITH预估控制器的设计234.6 模糊自适应PID控制器的设计244.7 模糊自适应PID控制器建模274.8 仿真结果分析30314.9 本章小结5 .污水处理控制系统软件部分的研究325.1 PLC程序设计325.1.1 硬件组态的设置325.1.2 各环节控制方案的设计325.2 上位机监控系统设计385.2.1 W
13、inCC软件介绍385.2.2 WinCC监控画面的实现395.3 本章小结396 .结论40参考文献41附录43致谢50译文及原文511绪论1.1 引言地球上的淡水资源很少,占总水量的3%左右,并且有80%的淡水资源难以开发使用。同时也存在水资源时空分布不平衡,地区和国家差异显著的特点。随着我国城市化进程的不断推进发展,淡水总量也在逐渐减少。而致使水资源污染进而导致淡水总量减少的重要原因是城市污水的随意排放。目前我国城市废水和污水中仅仅只有38%的比例能够得到有效而及时的处理,其他残余污水通常情况下会选择直接排放入天然水系统,流入海洋。可以预见我国城市将长期且持续性膨胀,聚集性人口越发多,水
14、污染将成为突出社会困境。国家已经认识到水污染的严重性,高度关注污水处理问题及推进相关领域研究进程,在实际污水处理领域和行业中已经程度不一的应用和采纳自动化生产方面的科技和成果,污水处理技术也有显著进步和提高,污水处理质量也有显著改善,排放标准和质量也出现令人振奋的提升。污水处理的酸碱度控制工艺,也发生了翻天覆地的变化,传统的手动加药控制,不仅效率存在问题且难以确保污水处理后的质量,如今自动化的深度应用让控制方式也向自动控制转化。由于污水处理中酸碱度变化,是来自于中和反应,而由于其中存在显著时滞性属性,与此同时还存在突出非线性特点,造成控制系统难以进行有效控制和精准把握,鲁棒性也处在同样困境。而
15、自动控制技术则能够显著改善和提高物料添加工艺且技术也在持续不断研发中,让污水酸碱度能无法掌握到较为精确参数到实现参数精准化这一转变,自动化水平在这一过程中也将显著提升。随着时代的进步发展,具有成本低廉、高速等多方面优点却还因为体型小巧而应用场景更广阔的的小型计算机得以迅猛扩张和发展,微处理器也不断涌现并进行快速迭代陆续得到应用。特别是伴随工业控制计算机,以及在工业化环境中高度适配的可编程逻辑控制器的出现和推广,污水处理中的酸碱度控制也开始尝试对新科技和新设备的利用,其中PLC控制系统在实际应用中显示出了较为显著的控制作用。以自动化控制来对周围影响因子进行判断从而实现精准加药,一方面实现对污水酸
16、碱值的控制,另一方面可以显著节约人力成本和人力投入,提升污水处理工效。借助计算机来控制,也有助于克服过去污水处理在控制和管理各方面存在的许多问题。1.2 国内外污水处理研究状况1 .2.1国外污水处理研究状况欧美等发达国家因为在数年前就已经步入了工业现代化,随之而来的污水排放问题也凸显出来,对当地水体造成的恶性污染及难以在短期内得到有效治理和改善的水环境弊端也初露犬牙。多数国家都在采取积极防治措施,在资金和政策等方面给予有力支持,许多科研精力和资金都向这一领域倾斜,助力先进技术的研究。自然而然地,实现污水处理的自动化便是研究的重点所在,科学家们已在污水自动化处理方面取得诸多重要进展,处理系统的
17、能效化已经表现出众,另外仪表设备研发方面也涌现诸多成果,多年努力已取得了污水治理的优良成果,排放污水的处理率高达排放总量的75%86%,城市的污水排放和污染问题得到了初步解决。欧美等发达国家,在上个世纪90年代开始根据污水性质和污染程度进行分级处理,大多为二级处理模式,也有更进一步使用三级处理模式,少数走在前列的先进国家还开始进行污水回收利用并得到有效贯彻和施行,如以色列由于资源禀赋限制突出因为积极推行污水回用,其回用率傲视诸国,达到惊人的89%。在技术进步方面,现场总线技术已经日益成熟,与此同时,工业以太网建构也日趋完善,两方面的持续进步和研发,使得欧美各国计算机控制系统已经成形,如DCS系
18、统、FCS系统。特别是这些国家引进了诸多种SCADA技术,从而获得了更为优良性和效率化的控制效能。他们在控制系统方面取得了巨大突破和进展,深度利用PLC,研发并得到了诸多性能不同,应用场景各异但稳定性都表现优良,且智能化效用突出的控制器,典型范例就是如今颇受欢迎的SLC系列等。另外这些欧美发达国家同样也对在线仪表领域展开深入探索并得到不少在市场上广受欢迎的先进成果,典型范例就是哈希COD分析仪等。德国在污水治理方面不管是经验还是投入都颇为引人瞩目,尤其是对现场及集散控制技术进行的全方位和深度化应用有诸多可兹借鉴之处。从污水处理流程所涉及到的不同工艺环节和步骤的实际情况出发,污水处理过程按照需要
19、被分成有层次性的多级控制站。从实际需要和情况出发,确定控制站间的关系和隶属,要么是平级,要么是上下隶属,但同时控制站在实际运行中也要确保独立性,与此同时还会存在一个总览性的总控制站,能够对网域内的实时数据进行综合性反馈、跟踪和处理,也就是说进行综合性管理,因此,德国污水处理不但具有极高的自动化和智能化程度,并且行业内员工工作效率也依托于系统得到极大提升。美国在污水治理方面值得称道的地方在于,利用各种先进的水质监测设备和技术及与之进行深度适配的分析仪表,实现了污水处理所涉及的不同工艺环节和阶段中所得到的处理后污水水质的实时监控和测定。其中采用的仪表对水质相关参数的测量结果十分精准。甚至他们的污水
20、厂在安装和设计监控和测定系统时,已经开始涉足一些前沿科技,如一些远程遥测装置等,与此同时,也充分对社会资源进行综合性和有效性利用,如移动网络等。因此,自动化技术已经普及到美国污水处理的方方面面,同时更为前沿和高端的技术也在稳步推行和利用,如人工智能控制等,这些控制技术新成果实现了污水水质的实时监控和测定,并能够根据情况自发调整、选择合适的控制方式。综上可见,在污水治理方面,国外部分先进国家走在了中国前面,它们所应用的控制体统相较而言更为完善和成熟,当前他们该方面的研究仍在持续投入,国外研制的一些先进控制方案和技术,对国内的发展具有十分参考价值。2 .2.2国内污水处理研究状况我国污水治理始于上
21、个世纪七十年代,那个时候只是对工业制造产生的工业废水和城市生活污水进行简要的物理处理。上个世纪八十年代末,我国很多城市陆续为更好地处理污水建造厂房。那时许多污水处理厂只使用一、二级处理技术,同时处理过程中还存有能源消耗高、工作效率低、自动化水平不高等缺点。上世纪九十年代国内逐渐引入先进的污水处理技术,这时污水厂的自动控制水平得到迅速提升,运行效率也逐渐提高。随着污水治理领域不断有新技术的出现和发展,污水处理的传统工艺也得到了持续改良,污水处理的装备也逐渐增多,污水厂装备规模也日益扩增。由于现场配置诉求已经趋向于去中心化,也就是分散化,因此传统手动控制已经无法严重滞后,难以保障控制系统的实用性和
22、有效性,也因此有必要立足于原系统,借助工业以太网等技术,发展计算机控制系统。该类型控制系统其详细的框架结构有三层,具体来说包括控制服务层、现场控制层以及最为核心也最具基座性的系统管理层,形成了以“管理集中、控制分散”为特性的系统。三菱品牌的PLe对离散控制和运动控制较好,运用在污水处理过程中的控制效果较好,这一系列显著优点和长处是PLC指令多样性和丰富性较为突出,定位指令实现了专门化,与此同时,伺服控制的实现过程较为快捷和容易,另外快捷控制也同样能够较为轻松的实现。该品牌的模拟量模块在使用上的花费更为高昂,且程序编写方面较之于其他类型和型号产品也具有更复杂的特性。欧姆龙品牌在PLC方面的特点和
23、优势在于编程方面易用性较为显著,价格相较低廉,但是功能相较于西门子品牌的PLC略少,所以它只适合用于小型系统。西门子品牌的PLC在过程控制与通信控制这两方面更占据优势,同时它的模块在实际使用中更实惠低廉,程序编写难度低,通信功能区块相对而言较为简单方便。面对琳琅满目的PLe产品,由于污水处理控制过程中,其运行系统需要进行大量模拟量处理,该种情况和诉求条件下,选用西门子品牌的PLC适配性程度高,且污水处理需要同时动用诸多种类仪表装备,要求监测数据能够完成及时而高效的通信传输,以确保污水处理的效率性。综上所述,我国正在努力学习和全力追赶发达国家的污水处理技术和经验,并立足于此,逐渐发展出我国自己的
24、技术,污水处理的水平也有了一定的进步。然而我国污水处理的整体水平依旧处在欧美发达国家九十年代的技术水平,并且每个城市之间发展非常不平衡,但发展前景远大。未来污水处理领域将继续进行控制技术的持续性和发展性创新并积极进行应用,污水处理中将涌现更多黑科技,工艺水平也经愈发先进。与此同时,控制方案也将实现与时俱新,而控制装置也建立在科技广泛发展和进步上出现多样性和专门性变化,这些都将让污水处理水平始终处在持续不断的动态提升过程。1.3 课题研究意义面对污水处理中实际存在的情况和问题,许多的自来水厂,仍然存在自动化水平不高的问题,尚未完全实现无人值守,并且一些控制系统经常出现问题和障碍,处理效率不高,因
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