基于PLC的污水處理控制系統的軟件系統設計綜述目錄TOC\o"1-2"\h\u29663基于PLC的污水處理控制系統的軟件系統設計綜述 1208281.1總體流程設計 1136721.1.1手動模式 2144471.1.2自動模式 2296371.2曝氣過程控制的任務 10160461.3氯氣投加環節 11185991.4絮凝劑投加環 1116191.5PID控制 12101061.6PLC和變頻器通訊 1211952（1）USS通訊協議簡介 1211645（2）USS通訊協議庫 13采用西門子S7—200PLC，上面介紹了工業污水處理控制系統的結構、工作原理和電氣控制部分的結構，硬件結構的總體設計基本完成后，就要開始軟件部分的設計，根據控制系統的控制要求和硬件部分的設計情況及PLC控制系統I/O的分配情況，進行軟件編程設計。在軟件的設計中，首先按照需要實現的功能要求做出流程框圖，其次按照不同功能編寫不同功能模塊。1.1總體流程設計根據系統的控制要求，控制過程可以分為手動控制功能和自動運行功能。在手動控制模式下，每個設備可以單獨運行，以測試設備的性能，模式選擇流程圖如圖4-1所示。圖4-1模式選擇流程圖1.1.1手動模式在手動模式下，可以通過按鈕對格柵機、清污機、轉碟曝氣機、刮泥機，以及各類泵進行控制，對于轉碟曝氣機的控制，可以通過按鈕增大或減小變頻器的頻率來改變其速度，以檢測調試性能。手動操作模式流程圖如圖4-2所示。圖4-2手動操作模式流程圖1.1.2自動模式處于自動方式時，系統上電后，按下自動啟動確認后系統運行，系統開始工作，其工作過程包括以下幾個方面。（1）系統上電后，按下自動啟動確認按鈕，啟動潛水攪拌器和刮泥機。（2）啟動粗格柵系統。（3）啟動潛水泵。（4）啟動細格柵系統。（5）啟動曝氣沉砂系統。（6）啟動污泥回流系統。（7）啟動污泥脫水系統。自動操作模式流程如圖4-3所示。圖4-3自動操作模式流程圖在自動控制模式流程圖中，調用了各個控制系統的程序，主要包括粗格柵系統程序、潛水泵程序、細格柵系統程序、曝氣沉砂系統程序、污泥回流泵系統程序。以及污泥脫水系統程序，以下將分別介紹各個子程序的工作過程。粗格柵系統程序主要控制粗格柵機和清污機的運行，其工作過程包括以下幾個方面。（1）自動過程開始啟動粗格柵機，定時20min。（2）定時到，停止運行粗格柵機2h。（3）2h定時到，運行粗格柵機20min，循環進行。（4）同時檢查液面差，若超過設定值則啟動清污機。（5）液面差值低于設定值，停止清污機運行。粗格柵系統工作流程圖如圖4-4所示。圖4-4粗格柵系統工作流程圖潛水泵程序主要控制潛水泵的運行和停止，其工作過程包括以下幾個方面：（1）自動過程開始啟動潛水泵。（2）檢測液面高度，低于最低位傳感器時，開始定時防止誤判。（3）定時到后，若仍低于最低位傳感器，則停止潛水泵運行，否則潛水泵繼續運行。（4）檢測液面處于中位和高位傳感器之間時，開始定時防止誤判。（5）定時到后，若液面仍持續處于高位傳感器，則輸出報警信號。潛水泵工作流程圖如圖4-5所示。圖4-5潛水泵工作流程圖細格柵系統程序與粗格柵系統程序相似，主要控制細格柵機和轉鼓清污機的運行，細格柵系統工作流程如圖4-6，其工作過程包括以下幾個方面：（1）自動過程開始，啟動細格柵機，定時20min。（2）定時到，停止運行細格柵機2h。（3）2h定時到，運行細格柵機20min，循環進行。（4）同時檢測液面差，若超過設定值則啟動轉鼓清污機。（5）液面差低于設定值，停止轉鼓清污機運行。圖4-6細格柵系統工作流程圖曝氣沉砂系統工作流程圖如圖4-7所示。4-7曝氣沉砂系統工作流程圖污泥回流系統程序主要控制污泥回流泵的運行和停止，其工作過程包括以下幾個方面。（1）自動過程開始首先檢測液面高低，若低于最低位傳感器，啟動定時。（2）定時到，若液面仍低于最低位傳感器則停止回流泵運行。（3）若液面處于最高位和最低位之間，啟動污泥回流泵。（4）若液面高于最高位傳感器時，啟動定時。（5）定時到，若液面仍處于最高位傳感器時，輸出報警信號。污泥回流系統工作流程圖如圖4-8所示。圖4-8污泥回流系統工作流程圖污泥脫水系統程序主要控制離心式脫水機，啟動定時。（1）自動過程開始首先啟動離心式脫水機，啟動定時。（2）定時到，啟動聚合物泵，啟動定時。（3）定時到，啟動污泥泵和切割機。污泥脫水系統工作流程圖如圖4-9所示。圖4-9污泥脫水系統工作流程圖設計程序過程中，會用到許多中間繼電器、寄存器、定時器等軟元件，為便于編程及修改，在程序編寫前應先列出可能用到的軟元件設置如表4-10所示。表4-10軟元件設置1.2曝氣過程控制的任務工業污水處理后的水質是否達到排放標準，其中生化需氧量（BOD）和化學需氧量（COD）是重要的水質指標。BOD是指在有氧條件下，降解有機物所需的氧量。COD是指在酸性條件下，用強氧化劑將有機物氧化成CO2、H2O所消耗的氧量。BOD測定結果易受多種因素影響，誤差較大。COD的檢測比較精確，但方法繁瑣。雖然有COD濃度在線檢測儀可以在線檢測，但仍存在滯后，測量結果嚴重滯后于實際運行時間，不能及時反映實際情況。另外，COD檢測儀的價格也較昂貴，增加了控制系統的成本。在好氧反應過程中，參與污水處理的是以好氧菌為主體的微生物，決定其處理效果的關鍵因素是反應池中溶解氧的含量。為了使微生物的活動最佳化，應該使供氧量與消耗的氧量相等，或稍大一些。如果供氧量少，處理的水質和污泥的活化就要降低如果供氧量過多，污泥的沉降性差，處理水質也差，另外也不經濟。由此可見，混合液中溶解氧濃度(DO)是好氧反應中一個重要的控制參數。如果控制曝氣設備的最佳溶解氧濃度，就能使處理水質優化，也能節約動力費用，并且由于DO的在線檢測簡單、可靠，因此把DO作為污水處理過程的控制參數。1.3氯氣投加環節氯氣投加消毒效果的好壞與原水PH值、水溫、濁度和接觸時間有直接的關系。氯氣投加系統具有大慣性、大滯后的特點，其過渡過程和純滯后時間均較長，并且系統的干擾因素較多，對這樣一個系統，使用一般的PID調節很難滿足控制要求。為了精確控制投加的氯量，運用模糊自整定PID參數控制器對氯氣投加系統進行自動控制。氯氣投加自動控制系統如圖4-11所示。圖4-11氯氣投加自控原理圖1.4絮凝劑投加環在污泥脫水過程中為增加沉淀效果，使污水中懸浮顆粒能夠形成具有良好沉淀性能的絮凝體，達到泥水充分分離的處理效果，需進行絮凝劑投加。其控制過程主要是通過污泥濃度、污水流量、絮凝劑濃度等因素控制來完成的。其PID調節的模糊控制過程與上述兩個非線性控制環節類似，具有大時滯、非線性的特點。由于混凝過程的復雜性和多變性，混凝投藥的自動控制一直受到控制行業和污水行業專家的普遍關注。1.5PID控制對于工業控制過程,PID控制器具有原理簡單、使用方便、穩定可靠等優點，在工業控制領域仍具有強大的生命力。常規的PID控制器的描述如式（1.1）所示：nni=0Un=kpEn+ki∑Ei+KdECn（1.1）其中Un：控制器的輸出En：控制器偏差輸入ECn：系統誤差變化率kp：比例增益ki：積分增益kd：微分增益比例增益kp使控制器的輸入輸出成一一對應比例關系。一旦輸入輸出有偏差，比例作用會立即產生控制作用，比例控制是用來調節系統的靜態增益的，它是基于偏差進行調節的，是有差調節。為了盡量減小偏差，同時也為了加快系統的響應速度，縮短系統的調節時間，需要增大kp值。但是因為kp值又受到系統穩定性的限制，所以kp值不能任意的增大。積分作用ki是為了消除靜差而引入的。然而，ki值的引入使得系統的響應的快速性下降，穩定性變差。尤其在系統出現大偏差階段時，積分往往使得系統的響應出現過大的超調，從而使調節時間變長。微分作用kt的作用使之能夠根據偏差變化的趨勢作出反應，它加快了對偏差變化的反應速度，能夠有效地減小超調，縮小最大動態偏差。但是，同時又會使系統容易受到高頻干擾的影響。在實際的系統設計中只有合理地整定上述三個參數，才能獲得比較滿意的控制性能。在污水的自動控制中，混凝劑投加、氯氣投加和曝氣環節由于過程的復雜性、多變性、非線性和大滯后的特點，采用的PID控制算法難以實現準確和高效的控制。為此在常規的PID控制基礎上，采用模糊推理的方法，對PID的控制參數進行在線自整定，從而完善PID控制器的性能，使其適應控制系統的參數變化和工作條。1.6PLC和變頻器通訊（1）USS通訊協議簡介USS協議是一種基于串行總線進行數據通訊的協議，是主-從結構的協議，規定了在USS總線上可以有一個主站和最多30個從站；總線上的每個從站都有一個站地址（在從站參數中設定），主站依靠它識別每個從站；每個從站也只對主站發來的報文做出響應并回送報文，從站之間不能直接進行數據通訊。另外，還有一種廣播通訊方式，主站可以同時給所有從站發送報文，從站在接收到報文并做出相應的響應后可不回送報文。在使用USS協議之前，需要先安裝西門子的指令庫。USS協議指令在STEP7—MICRO/WIN32指令樹的庫文件夾中，STEP7—MICRO/WIN32指令庫提供14個子程序、3個中斷程序和8條指令來支持USS協議。調用一條指令時，將會自動地增加一個或幾個子程序。（2）USS通訊協議庫編程之前一定要將USS協議庫添加進去