基于Profibus的SBR工艺污水处理自动控制系统
基于Profibus的SBR工艺污水处理自动控制系统
在以上的配置中，系统重要的部分采用冗余技术，使整个控制系统具有极高的可靠性， 可以实现每天24小时不间断工作。根据此设计思想和关键技术方案分析得出系统总体结构 见图1。
图1 控制系统结构原理
3 智能传感器
污水处理过程中，需要实时地在线监测各种水质参数以保证准确的工艺运行参数和及时 显示处理结果。在本系统中涉及到的传感器数量大、种类多，包括温度、pH、SS（固体悬浮 物)、DO（溶解氧）、COD、液位传感器以及ORP（氧化还原电位）仪、流量计、压力计等。 传感 器全部采用德国Endress+Hauser公司的产品，这些传感器都带有ProfibusDP接口，利用智 能接口，这些仪表能与自动化过程控制系统集成，这样获得的所有过程参数可以集中显示， 同时作为工艺的控制参数。
由于污水成分比较复杂，具有腐蚀性，因此选用超声波液位计测量液位，避免直接与污 水接触，并且反应速度快，带有总线接口具有远传功能，直接输送到PLC，同时具有就地显 示的功能，参数设置简单、操作方便。 在污水厂的进水总管和出水总管分别安装SS、温度 、pH和COD传感器，测得进水水质参数用于反应控制，出水参数用于监测工艺的运行效果， 以防止处理后不合格的水排出。
在反应池的厌氧区内装有ORP计，测量厌氧区的氧化还原电位，反映生物硝化脱氮的情 况，同时决定是否需要从好氧区回流污泥。好氧池内装有DO传感器用于控制量 ，根据污水中的溶解氧含量决定空气管电动阀的开度，从而控制量。SS传感器用于监测 污水中固体悬浮物的浓度。在空气总管上安装有压力计，根据空气总管空气的压力来控制 鼓风机的启停以及实现变 频调速。在满足工艺要求的同时可以实现节能。
4 上位机组态软件
上位机系统要求：具有与多台下位机系统通讯的能力，实时监控多台下位机的工作状态 ，显示生产过程中的工作曲线；具有远程控制能力；向下位机采集数据，对历史数据进行存 储、查询、显示、打印等。因此，在一个自动监控系统中，投入运行的监控组态软件是系统 的数据收集处理中心、远程监视中心和数据转发中心，处于运行状态的监控组态软件与各种 控制、检测设备（如PLC、智能仪表等）共同构成能快速响应的控制中心。优秀的组态软件 是实现上位机功能的基础。
选用Siemens公司WinCC(Windows Control Center)5.0组态软件。WinCC具有控制自 动化过程的强大功能，是基于个人计算机，同时具有极高性价比的SCADA级操作监视系统 。在两台服务器上安装服务器版和冗余软件包，客户机安装运行版。
图2 组态软件结构
该监控软件的结构框图见图2。监控组态软件的功能及特点：
（1）友好的人机界面，控制操作方便。在中心控制室能对全系统被控设备进行实时控制， 如启停设备，在线设置PLC中程序的某些工艺参数等。
（2）实时画面显示功能。用图形实时地显示各现场被控设备的运行工况，以及现场的状 态参数。用模拟仪表、趋势图、曲线、柱状图动态显示参数的实时变化情况，使生产管理人 员能够快速、清晰地了解整个系统的生产运行情况。
（3）数据管理。数据库存储生产过程数据，供统计分析使用。工作人员可以定期把历史数据库备份到其它存储介质，以便于历史数据的查询。利用数据库中的数据进行比较和分析 ，得出一些有用的经验参数，有利于优化SBR工艺的闭环控制。
（4）报警功能。当参数超过设定范围或设备（如电机启停、阀门开关）发生故障时，可根据组态发出不同等级的声光报警，如屏幕显示报警信息、打印机输出报警信息等。可根据 报警信息自动切换到相应的监控画面。所有的报警信息均被记录在报警数据库中，便于以后 的事故分析使用。
（5）报表打印功能。可以实现报表和图形打印以及各种事件和报警实时打印。打印方 式分为定时打印和事件触发打印。
（6）通讯功能。WinCC是基于标准的Windows平台开发的SCADA系统软件，充分考虑了与其它 系统交换信息的必要性，支持如DDE，OLE，ODBC，OPC和SQL等标准。可以提供多种方式与上 层系统数据交换。
（7）冗余功能。两台装有WinCC组态软件的服务器互为冗余，确保数据完整。
5 控制软件编程
一套理想的软件不只限于满足工艺要求，而且要考虑到现场出现的各种特殊情况，因 此必须可靠、实用、易修改。
5.1 控制规律
软件编程的主要依据为生产工艺提供的控制规律。同一种处理工艺可能会有不同的控制 策略，根据目前的研究状况，SBR工艺的控制可以分为三种：一种是生物浓度法。是指根据 在线测 得的水质参数与设定参数形成闭环控制；第二种是反应时间控制。对于时间控制规律而言， 它是根据对SBR反应的五个阶段所需要的时间进行自动控制的。第三种是流量程序控制。是 根据污水流量的变化来调整各个阶段所需时间进行自动控制。后两种控制方法都不是根据废 水的水质变化来改变某些运行参数进行自适应控制的。
生物浓度控制的基本思想是动态的控制SBR的反应时间使其中的有机物浓 度（用COD或BO D表示）达到允许的排放标准，就停止。在线测定有机物浓度的BOD或COD传感器比较贵 ，一般都在几十万元，目前还没有应用报道，而且实时性比较差，反应时间慢。试验表明： 在SBR法的反应阶段在一定混合物浓度和温度的条件下，对一定的废水而言，反 应池中的BOD和COD浓度与耗氧速率（OUR）及氧化还原电位（ORP）有密切的关系。一般说来 ，有机物浓度越低，则OUR越低而ORP越高，因此可以通过OUR与ORP来 监测有机物浓度的变化，进而通过计算机来自动控制反应过程。[KG)]
时间控制程序是根据对SBR反应池的五个运行阶段所需要的时间进行自动控制。该方法 不是根据污水的水质变化来改变某些运行参数进行自适应控制。对于进水时间、时间、 沉淀时间、排水时间及闲置时间均可由上位机设定。SBR反应池的各段工艺过程及其执行时 间均严格按时序进行，每个反应池的任何设备均可通过电气柜上的手动/自动转换开关改变 其状态，但均不能改变PLC所设定的工作时序，并且一旦切入自动状态后便进入PLC所设定的 时序。在自动状态下，操作人员在中心控制室可以通过人机界面实现远程遥控操作。现场设 备的工作状态均送上位机显示。
5.2 控制程序
根据以上情况，对应设计了两种控制程序，可根据实际情况由上位机选择运行。
（1）生物浓度法控制程序。生物浓度法采用反馈控制，利用在线测得的进水水质参 数作为输入，按照预先确定好的控制模型进行运算，然后用计算的结果作为输出控制现场的 设备，动态控制反应时间，以达到控制反应的目的。
（2）时间控制程序。①本控制系统严格按照时序、按顺序工作。②允许在工作过程 中任意进行遥控、自控切换且不影响工作时序。
6
