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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
25、此，依然存在着对污水处理自控系统的强烈改进需求，功能性更强高，稳定性更高。根据自来水厂在污水处理方面对控制系统的实际需要，在主控制器选择上，最终选择对象是西门子S7-1500PLC,在上位机选择上，最终选择对象是西门子工控机，与此同时，使用WinCC组态软件来实现监控界面的设计。此次自动控制系统的方案主要存在以下显著优势：（1）将传统污水处理工艺融入和嵌套进自控技术，二者充分结合，从而让中和反应过程能够进行更精准化和实时化检测，实现对水质PH值的准确控制，提高自来水厂的自动化水平。（2）S7-1500PLC作为此系统的控制中心，利用配置模块化的显著特性，让其具备高度灵活性，能够随时根据系统控制
26、需求进行针对性和及时性调试，与此同时，对处理要求并非呆板和僵硬的进行反馈而是根据具体要求进行更具适配性的改良型调试。（3）采用模糊PID控制策略，可以对中和反应过程中水质PH值实现快速有效的控制。显著提高了污水处理的效率，节约能源。1.4论文主要研究内容和结构安排污水处理是自来水厂重要的一部分，对生态保护环境、绿色可持续发展也具有非凡意义，对其开展研究的必要性不言而喻。本设计将自动化控制技术与当下实际的污水处理工艺密切结合。论文的结构安排如下：第一章绪论。对设计研究进行简明而扼要的背景阐述，同时对国内外污水处理领域的前沿情况和现有水平进行介绍，并对本文研究意义进行简单陈述；第二章介绍污水处理涉
27、及到的三种不同方式，并对污水处理流程进行具体性和细节性阐述，从而探讨流程环节的具体情况及所存在的控制要求，基于此掌握并明确所有控制要求，及对其中涉及到的参数和指标进行充分了解和把握，进而提出污水处理控制系统的设计路径和具体方案；第三章对控制系统所涉及的硬件进行一阐明并进行方案设计。具体内容包括对传感器进行逐一说明，对其中参数进行逐一设定，对各个模块型号进行逐一注明；第四章搭建了数学模型针对中和调节过程中的酸碱度控制，对PlD控制器进行了多类型适用设计并进行比较，具体方式是以MATLAB软件仿真，得到实验性结果，进而比较四种控制策略的仿真结果，确定了针对PH值控制模糊PID控制的方法最好；第五章
28、介绍控制系统的软件设计。其中包含上位机监控界面开发，下位机PLC梯形图的程序设计；第六章结论。2污水处理的工艺流程及总体方案设计2.1污水处理方法第一种是物理法，主要涉及格栅等多个环节，以物理作用进行污水杂质和污物的清理，主要是非溶解性污物和杂质，如通过格栅能够显著过滤掉其中较明显较大快的固体杂质，另外在沉积环节，也能够实现对污水中较小块污物和杂质如泥沙等的清除。第二种是化学法，主要原理是用化学方式来对污水中部分杂质和污物进行分解操作从而实现清理和消除目的，主要针对部分胶体及溶解物，如调节污水酸碱度，从而有效处理污水杂质中大量存在却难以用物理方式进行过滤和清除的胶体颗粒等。第三种是生物法，这一
29、方法主要针对对象是污水中部分难以用前面两面方法进行处理的有机物，通过微生物反应来促成其消融和清理，一般来说分为好氧和厌氧，以便实现能处理不同的有机物，交叉使用两种方法可以取得良好的净化效果。2.2污水处理的工艺流程通常来说，污水处理流程会先处理较为容易处理的杂质，也就是沿用“先易后难”立场。因此为了实现污水中较明显较大块杂质的清理，会以格栅这样纯物理方式进行初期阶段的过滤工作，之后再专门针对水中悬浮物进行清理和消除,随后是各种更具难度的更不易清除的胶体和溶解物。换言之，整个流程实际上先用物理方式进行简单粗暴的污水污物分离和过滤，最后利用化学方式进行更深层的清理和消除，之后再对其中顽固性污物和杂
30、质如胶体等进行针对性的生物方式处置。传统污水处理中所涉及到的装备主要有粗或细格栅及针对格栅过滤所设置的清污机、除沙池、提升泵、氯化曝气装置等部分。其工艺示意图如图2-1所示:图2-1污水处理工艺示意图污水处理工艺流程中，污水先进入粗格栅，这一环节的目的是让污水中大量存在的体积较大杂质进行拦截过滤，经过该环节初步处理后，污水流入细格栅，密集网格的金属格网能够实现对污水中留存的较小体积杂质进行拦截过滤，一般在这些格栅间都会配备对应的清污机，使得过滤出来部分沉积在格栅处的杂质和污物能够被及时而迅速清除，从而实现持续性和循环性格栅过滤效能，这两个工艺过程中所使用的是简单直观的物理过滤模式，通过这两道环
31、节实现对污水杂质的初步清理和消除。随后的环节是初沉沙池，这一环节的主要目标是让污水中存在的大量悬浮污物和杂质能够借助重力沉淀原理实现分离。之后的环节是厌氧池和好氧池，这些环节的主要目标是让污水中存在的溶解有机物及其他悬浮污物和杂质通过生物分解的手段和办法来进行进一步清理和消除，其中分别涉及到微生物分解，两种不同的分解方式也需要不同的处理细节，好氧型生物分解为了得到更充分的清除效果和更强大的清除效率会利用鼓风机促使池水氧含量提高，在该环节中需要设置溶解氧传感器，其效用是对池水氧含量进行实时监测，通过这一环节能够有效清理和消除污水中大量存在的物理手段难以去除的可溶性有机物。经过这些环节后污水进入絮
32、凝沉淀池，在该环节中会进行针对性化学试剂添加，促使污水中部分物质实现絮凝反应，让污水中部分悬浮污物和杂质再次发生沉淀，进而得到清理和消除，之后环节是中和反应池，该环节中需要设置PH值变送器，其效用是对池水PH值进行实时跟踪和观测，并将结果实时传递到PLC控制器，让结果中的数据和参数经过PID算法，得到精确而随时进行调整的模拟控制量，从而实现对加药电磁阀的精细化和特殊化控制，所的结果让中和池中酸碱度显示出符合规范和标准的水平。后一个环节是二沉池，该环节中会设置对应的刮泥机，把污水处理后留下的厚重沉积物进行清理操作，使用回流泵将被搅和得又变成一团悬浮物堆积的污水再次送入细格栅环节，实现二次循环清理
33、和消除操作。将经过这些环节所得到的处理后符合标准的清水再进行物理性活性炭处理，也就是吸附污物效用，随后还需要通过氯化环节，该环节主要目的是进行消毒和氧化，此时污水才终于实现可排放，可以用提升泵排出到自然水系统中。2. 3控制系统总体设计方案根据本设计系统控制的需求，借助计算机控制技术对污水处理流程的各个阶段进行自动化控制。本次设计的控制系统的总体框架如图2.8所示。工控机工业以太网ProfinetET200M传感器、执行器图2-2控制系统的总体架构图本次有关于自控系统的构建和设计，同时需要软硬件各种装置和设备的配合和应用，根据污水处理流程所必须具备的且性能要更为显著的控制指标，同时需要综合考虑
34、到实际控制环境的不同情况和问题，基于前述，搭建出的自动控制系统。其中需要注意上位机的用处可以实现对PLC程序和现场仪表运行状况进行实时监测。选用WirlCC组态软件完成上位机监控画面的构建，污水处理自动控制系统的控制器选用S7-1500PLC控制器。2. 4本章小结本章介绍了污水处理的三种方法，及污水处理工艺流程的运行情况，最后提出控制系统的总体设计方案。3污水处理控制系统硬件部分的研究2.1 控制系统硬件架构此次设计中，污水处理自控系统的框架组织和系统架构建立在对PLC具有的诸如抗干扰优势利用之上，同时对工业控制计算机具有的诸如灵活性优势利用之上，二者优势组成实现的。PLC具有多方面显著优点
35、，如其可靠性一直独树一帜，其稳定性也显著较强，其抗干扰特性也使其应用场景更多，尤其适用于现场级别的控制；但在取得优良人机交互上就处在相对劣势位置。工业控制计算机则由于操作的简单化和流程化更方便用户使用，其具有强大的灵活性，但同时抗干扰能力相较于前者就相形见细。二者各有其优势，考虑到设计需求和目标，将二者进行有效结合，成为污水处理控制系统的构建框架中的主要基干。该控制系统组成部分主要有上位机部分、现场部分以及下位机部分。通常来说，上位机部分主要构成是工业控制计算机，另外还有用于数据显示的液晶显示屏，不可或缺的UPS电源设备，实现对污水工艺流程进行实时跟踪监控显示画面。一般而言，下位机部分主要构成
36、是PLC控制器，当接收到来自上位机的控制命令后，并让执行器完成对应性的控制动作，并让各个环节设置的传感器实现信息通信，将采集数据有效而及时反馈到对应的上位机设备。该控制系统同时也充分利用了工业以太网结构，使得各个设备之间能够实现有效数据通信。ET200M在本次系统设计时用于PLC与机架这二者间实现有效的通信连接，Profinet在本次系统设计时主要用于主、从站间进行通信连接的需要，从而确保系统间数据通信能够具备可靠性和有效性。3. 2控制系统硬件选型3. 2.1PLC硬件选型(1)PLC简介PLC是一种应用场景极为广阔，具有高度适配性的逻辑控制器，又称为可编程序逻辑控制器，PLC具备突出而显著
37、的优势，功能模块化使得其能够进行功能扩展因此具备高度适配性、稳定性非常高同时易用性特点也非常突出等，因此极为适合在工业自动化场景进行应用。其内部架构与组成与计算机存在一致性，包含多个模块，如CPU模块，及接口模块等等，各个模块根据标准流程和现场环境要求进行机架安装。通信网络的设置能够实现工艺流程中其他设备和部件与PLC的通信，PLC的具体结构及框架组成示意图可从图3-5进行一览：扩展机架按钮接触器选择开关电磁阀限位开关指示灯电源电源通信网络他 PLC计蟀机其他我备电源模块接口模块输入模块CPU模块 通信接口输出模块图3-1PLC控制系统示意图1)CPU模块正如前文所述，PLC与计算机存在相似性
38、，因此CPU模块也同样是其核心构成，通常由MPU和RAM两者结合而成，既可以进行程序存储，也可以进行数据接收，同时还能进行循环式和周期式扫描，从而实现变送器的数据接收等诸多方面功能。此外还能对PLC电路进行当前状况扫描和相应的诊断，并检查存储程序中是否能够有效运行是否带有语法错误等等，并将多种计算和诊断结果通过通信传递到现场设备，最终达成控制目的。2)信号模块对于信号模块，一般又可以分成输入和输出两个细分模块，通常也可以将这二者以I/O模块进行替代称呼，这是实现系统控制的基础性设施，也是各个软硬件之间的连接纽带。该模块具备多种不同功能，一般性的功能诸如数据传递，又如数据转换性功能，如数模转换等
39、。信号模块由于功能和性质差异分成四种不同模块类型，分别为DI、AKDO以及AO,在实际应用中又可以将之统称为SM模块。模拟测量输入模块其主要作用和功能是实现现场变送器信号的有效而及时接收；仿真式输出模块其主要作用和功能是实现对调节阀等现场执行器进行有效操作和控制；数字测量输入模块其主要作用和功能是实现对各种不同开关或按键等发出的具体表示表现是O和1的信号接收；数字测量模块其主要作用和功能是对现场诸多设备如指示灯等的数字测量输出进行有效实现。3）功能模块该模块其主要功能和作用是实现定位操作等。该模块能够显著增强和扩展PLC功能，从而分担CPU压力实现CPU减压。4）接口模块该模块的主要功能和作用
40、是能够实现多机架扩展。其中涉及到CPU的通常被叫做总计较，而添加的具有针对性作用和功能的机架通常被约定俗成的叫做扩展机架。与此同时该模块还兼具一定的通信功能，因此更适用于集成化使用环境和场景。5）通信模块该模块（CP）主要功能和作用是显著减轻CPU的通信压力，让工作人员不用经常进行通信编程，该处理器的目的是实现系统间的通信。6）电源模块该模块（PS）主要功能是实现电源电压的转换，以便让其他模块能够顺利启动和使用，或用于负载使用等方面。（2）西门子PLC特点1）由于其架构方式是模块化的，具备一般模块化设计的典型优势，在功能扩展方面具有显著优势，能够适配多种不同场景和结构；2）该PLC的运算功能非
41、常突出。3）该PLC同时还具备非常强大的通信功能，由于其模块化特点可以实现多PLC连接，从而架构一个能够实现多级化需求以应对不同生产场景的控制系统;4）该PLC的操作平台环境要求不高，完全适配WindOWS操作平台；5）该PLC具有开放性的易于进行后期维护和升级的编程环境，一般计算机就可以顺利接入系统用梯形图等手段实现编程操作。（3）PLC选型由于污水处理流程的高度特殊性要求，最显著特性是高湿度环境，因此需要其中系统控制设备能够在这种环境和场景下正常而有效的运转，同时还需要达到一定的精确性，为了减少无谓损耗还需要具备高度的可靠性，另外还能够在架构设计时考虑维修方便问题，因此PLC选型方面综合衡
42、量后认为组合式能够完美实现绝大部分前述要求和标准。CPU模块为了便于仿真模拟，选择CPU1511-1PN,型号为6ES7511。3. 2.2仪表选型由于在功能方面是用于数据采集，因此需要更具针对性和灵敏性等特质和优点，选择正确而合适的传感器型号就显得尤为重要。（1）PH传感器通常来说，污水处理都会尤为关注PH值问题，如何合理控制PH值是进行设备和系统研发的重要衡量条件和考虑因素，唯有将PH值限定在中性范围内，如此才能促使微生物始终处在稳定且高效率繁殖状态，PH值过高或过低都会带来负面效用。在传感器选择上，综合考虑灵敏性和适用性，选定PS-750型号，其一般性量程区间表达是O到14范围内，所需要
43、工作温度变化区间显示O到60范围内。（2）超声波液位传感器从原理来看，该传感器就是利用超声波这一特有的性质开发出来的传感器。其运作原理为:在使用过程中，发射超声波脉冲，碰到了被检测液体表面而发生反射,从而被该传感器所接收。然后经内部电路改为处理器所能识别的无线电信号，再依靠超声波发射的信号与接收到的信号之间的时间误差来判断传感器和被检测到的物体相距的距离。超声波能够穿透固体、液态物质，穿透质量非常好,最强效果是穿透几十米。该传感器具有多项功能和设备，控制器和变送器同时兼具，与此同时还具有效用性较强的非接触式开关等，因此应用场景更具针对性，尤其在流体控制中经常会是首先选择的几个对象之一，另外化工
44、测量系统中也是首先进行选择的对象之一，尤其介质具备腐蚀性或为泥浆时，适用性更强。在传感器选择上，综合考虑适用性和经济性，最终应用对象是RW-UTG一体式超声波液位计，实现对各环节和各阶段污水情况持续性跟踪和测量，其一般性量程区间表达是O到20m范围内，所需要工作温度变化区间显示-20到55C范围内。（3）电磁流量传感器通常来说，电磁流量计的设计理论根源来自对法拉第电磁感应定律的灵巧应用。当线圈同时受到来自两个不同脉冲刺激，此时就会自然而然产生一个磁密度表现达到B的磁场，且磁场此时所处位置和状态一定与测量管保持垂直，因此经过测量管，就会出现这样一种情况，那就是电动势E被感应，由于前述几者间关系可
45、以用数学公式进行简明表达，电动势E在流动过程中可能会被专门设置的感应电极检测到，此时就会进入下一步骤，将之送入转换器进行操作，实现流量可显示。在传感器选择上，综合考虑适用性和经济性，最终选择对象是LJDN200型号，其一般性输出信号区间表达为4到20mA之间，与此同时，测量区间表达为34到680m3h,另外，电源电压需求范围表达是24VDC。（4）温度传感器该方面传感器设计，其理论根源来自于温度对电阻产生的物理现象，在使用技巧和手段对阻值实现成功测量就可以得到对应的温度显示。该方面传感器最终选择对象为PTloO伯电阻，其一般性测量区间表达是-20到105之间。（5）溶解氧传感器该方面传感器，其
46、设计目的是为了实现对氧气含量的实时测量。由于污水处理中部分环节中需要利用到溶解氧，因此该方面的状况一直受到高度关注，如果能够实现对污水氧含量的有效性测量并得到对应的精准实施跟踪和反馈数据，从而能够对氧含量根据需要和情况进行效率化调节，从而让微生物反应一直维持在较高位的繁衍状况从而让反应质量更符合需要，实现污水有机物的高效清除。该方面传感器最终选择对象是ASY3851型号，其一般性输出信号区间表达是4到20mA之间，与此同时测量区间表达是0到20mgL取值之间。（6）悬浮物浓度传感器通常来说，污水处理流程中，需要额外关注水中悬浮物情况，悬浮物浓度在水质监测中是一项具有效用性和直观性的参考指标。具
47、体实现路径是传感器向周围进行稳定而均匀的红外线发射，部分映射到检测器，以此方式得到浓度值具体数值显示。在传感器选择上，综合考虑适用性和经济性，选定WBXY-OlO型号，其一般性测量区间显示是0到400NTU之间，且在实际应用中可以依据现场需求进行不同程度扩展。3.3本章小结本章介绍污水处理系统硬件结构部分的内容，包括系统硬件架构的总体组成，并对系统用到的各类传感器和PLC硬件进行选型。4污水PH值的调节与控制方法研究4.1 PH值控制要求国家环保部门要求，污水处理后的水质参数中的PH值应该保持在6.57.5这一区间范围内。污水处理系统只能对污水在排放的过程中进行处理，也就是在废水在线处理。排入
48、中和调节池内的废水来源不同，水质状况也各不相同，废水在排放过程中有时显示为酸性，有时显示为碱性。因此污水处理系统需要在污水排放的过程中在对污水的进行PH值检测的同时，还要对加药的开关进行相应的操控，为了让污水的PH值保持在达标范围内。PH值的精准把控到目前为止还是一个难题，具体成因如下所述：(1)在污水水质的处理中，中和反应是一个速度较慢的化学反应，而且通常表现出十分强烈的非线性特征；(2)当中和调节池的容量比较大时，就会致使酸碱中和的反应时间错后。(3)伴随污水的流量大小以及浓度高低的持续改变，水中的各种离子的浓度也无时无刻不在变化；(4)假如PH传感器的位置放的不合适，也能够对PH值检测的不准确性产生影响。怎样可以精确高效监控污水PH值是目前亟待解决的问题，由于人工控制的方法想要达到目标有些困难，所以需采取自动化装置对PH值开展监测和控制。对加药的阀门进行控制进而调控污水水质的PH值是十分繁复且滞后性较强的控制过程。药品的浓度差别、水流速度、反应釜规格、温度、传感器灵敏程度、变送器和加药口间距等要素都能够对酸碱中和
