基于工业以太网的污水处理计算机控制系统设计

  本篇论文是一篇计算机硕士论文范文，控制系统软件设计的合理性与科学性关系到污水的质量和操作人员的安全，因此开发出一套功能强大、可靠性高的软件非常重要。污水处理控制系统采用三种控制方式：现场手动控制、自动控制方式以及远程上位机控制。现场手动控制方式是指采用现场控制设备旁边配备的手动开关对设备进行直接开启或关闭；自动控制方式是指执行设备按照 PLC 控制器内编写好的控制程序结合传感器输入的参数，进行工艺任务的自动控制；上位机控制是利用中央控制室及网络传输设施对现场设备工艺参数和运行状态进行监控，对现场设备实施的远程控制操作。

  1.2  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 Win CC 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 S7-300PLC 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。

  2.1  研究背景及控制要求
  近年随着我国城市现代化的迅速发展和城市人口规模的不断扩大，现在已经产生了严峻的污水处理环境问题。本文以富平县城南污水处理厂实际工程项目为研究背景，分析污水处理各个环节的工艺过程。以污水厂酸碱中和反应这一关键工艺过程为研究重点，将串级 PID 控制算法应用其中，实现对 PH 值的准确控制。富平县城南污水处理厂如图2-1 所示：

  3.1  控制系统硬件架构

  3.2  控制系统硬件选型

  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

  4.1  中和调节池 PH 值控制要求

  4.2  PID 控制

  4.3 中和调节池 PH 值控制

  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

  第六章  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 WinCC 软件进行上位机界面开发，利用 STEP7 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。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。