（机械电子工程专业论文）污水处理在线监测系统及关键设备设计.pdf

a b s t r a c t 摘要 一体化氧化沟，它集曝气沉淀、泥水分离和污泥回流功能为一体，无需建 造单独的二沉池，是城市污水处理中投资小、占地少、工艺先进的一种方式。 但是现在一体化氧化沟上大都采用转刷曝气作为其污水处理的主要物理化学方 法，这种方法的主要缺点是能耗很高。同时由于没有对整个系统实现自动控制， 而全靠人的手工操作，造成水质指标不稳定，并且系统的运行维护工作相当繁 琐。 本文讨论了以活性污泥法为核心的一体化氧化沟生物处理系统的工艺流程 和设计方法，并提出了一种新型的曝气方法微孔曝气法，对原来的污水处 理工艺进行了改造，从而使曝气的效率大大提高，节约能源。根据情况，我们 设计了第二代曝气推流一体化超微孔曝气装置。 针对当前污水处理没有实现自动控制和污水处理工艺分散的特点，我们设 计了基于c a n 总线结构的污水处理d c s ( 集散控制系统) 模型构建一体化氧化 沟的整个控制系统。我们分别对c a n 总线以及系统各个部分的结构和功能设置 作了详细说明。 在本文中，对c a n 总线和d e v i c e n e t 协议做了详细的解释，并对如何对研 华提供的硬件进行调试和对所提供软件的应用做了仔细的研究，对构建于研华 提供的d l l 以及d e v i c e n e t 协议基础上的中控室应用程序的开发做了详细的研 究。 关键词：c a n 总线d e v i c e n e t 协议微孔曝气a d a m 5 0 0 0 c a n a b s t r a c t a b s t r a c t i n t e g r a t e do x i d a t i o nd i t c hg a l ai n t e g r a t ef u n c t i o n ss u c h a sa e r a t i o nd e p o s i t i o n ， s e p a r a t i n gm u da n dw a t e r , a n dp o l l u t e dm u d c i r c u m f l u e n e ew i t h o u tas e p a r a t e s e c o n d d e p o s i t i n gd i t c h i ti sm o r e a d v a n c e da n di tn e e d sl e s sa r e ar e q u i r e m e n t b u t t h e m a j o rc h e m i c o p h y s i c a lm e t h o d ，w h i c h i su s e dt ot r e a t s e w a g ei n m o s to f i n t e g r a t e d o x i d a t i o nd i t c h c u r r e n t l y , i st u r n i n g - r i n s e a e r a t i o nt h eo b v i o u s d i s a d v a n t a g eo f t h em e t h o di sh i g h - e n e r g yr e q u i r e m e n t ，a tt h es a n et i m e ，s i n c et h e a u t o m a t i cc o n t r o lo ft h ew h o l es y s t e mi sn o tr e a l i z e d ，m a n u a lw o r ki n s t e a d ，t h e m a i n t e n a n c ef o rt h es y s t e mi sv e r yc o m p l i c a t e da n di n e f f i c i e n t m o r e o v e li tc a n n o t b ea v o i d e dt h a tt h ei n d e xo f t h ew a t e r q u a n t i t yi su n s t a b l e t h i st h e s i sh a sd i s c u s s e dt h ew o r kf l o wa n dd e s i g nm e t h o do fb i o l o g y p r o c e s s i n gs y s t e mo fi n t e g r a t e do x i d a t i o nd i t c hw i t ha c t i v a t e ds l u d g em e t h o da s k e r n e lt e c h n o l o g y , a n dp r o p o s e dan e wa e r a t i o nm e t h o d - - - - - - m i c r o p o r ea r e a t i o n ，t o r e c o n s t r u c to r i g i n a lt e c h n i q u es y s t e m w ec a ng r e a t l yi m p r o v ea e r a t i o ne f f i c i e n c y a n ds a v e e n e r g y f u r t h e r m o r e ，w ed e s i g n e d t h es e c o n dg e n e r a t i o nm i c r o p o r e a e r a t i o ne q u i p m e n tw h i c hi sm a d e u p f o rt h ed e f a u l t so f t h e p r e - m i c r o p o ma e r a t i o n e q u i p m e n t w ec o n s t r u c tt h ew h o l ec o n t r o ls y s t e mf o rt h ei n t e g r a t e do x i d a t i o nd i t c hb y u s i n gt h em o d e lo fs e w a g et r e a t m e n td s c ，w h i c hi sb a s e do nc a n b u s w eh a v e m a d ead e t a i l e de x p l a n a t i o nf o rt h es t r u c t u r e sa n df u n c t i o n so fd i f f e r e n tp a r t so ft h e s y s t e mr e s p e c t i v e l y i n t r o d u c eo f t h ec a n b u si si n c l u d e dt o o t h i st h e s i sa l s oe x p l a i nh o wt ob u i du pt h ew h o l ea u t o m a t i cc o n t r o ls y s t e mo f s e w a g e t r e a t m e n tw h i c hi sb a s e d0 nt h eh a r d w a r eo ft h ec o r p o r a t i o no fy a n h u aa n d h o wt o d e b u gt h e s eh a r d w a r e a t l a s ti m a i n l y d i c u s s e dh o wt o d e v e l o pt h e c o m m u n i c a t i o na n dc o n t r o lp r o g r a mw i t ht h ed l l p r o v i d e db yy a n h u aa n dt h e p r o t o c o lo f d e v i c e n e t k e y w o r d s ：c a n b u s m i r o c p o r ea e r a t i o nd e v i c e n e tp r o t o c o la d a m 5 0 0 0 c a n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 沙睁；月f7 日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名 毒沁 导师签名： 日期：年月日 电了科技大学硕士论文 第一章绪论 当今世界的水环境面临两大问题：水资源短缺和水污染加重。造成水污 染的主要原因是工业废水、农阳排水及城乡生活污水向江河湖海中的大量排放， 地面水和地下水水质恶化，更加剧了水资源的紧张，严重制约了经济的发展和 危害着人类的健康，严峻的水环境形势提高了人们对控制污染的重视，全球都 在加大和加快水污染治理的力度和速度。 所以，我们在实旌“可持续发展战略”的过程中，必须大力推行节约用水、 清洁生产和排污达标；同时普及城市污水集中处理，加速城市污水厂建设，加 强城市污水综合利用。城市排水及污水处理设施已经成为社会经济可持续发展 必不可缺的基础设施，是城市水良性循环所必不可少的环节，城市污水再生利 用是开源节流、减轻水体污染、改善生态环境、解决城市缺水的重要途径之一。 1 1 污水处理工艺概述 要设计出合理的污水处理在线实时监控系统，必须对研究对象污水处 理系统的工作原理、本系统采用的一体化氧化沟技术和活性污泥法等有明确的 认识，为此，从下面几个方面对城市生活污水处理中遇到的技术进行阐述： 1 1 1 重要的污水水质指标 污水的污染程度如何，主要由以下几种指标来反映，了解这些指标便可全 面掌握污水在物理学、化学和生物学方面的特性，掌握污水处理流程和其最终 处理方法。 ( 1 ) 悬浮物质( s s ) 悬浮物质( s s ) ，简称悬浮物，是检测污水的重要指标，它表明污水的污 染情况，s s 含量的多少直接影响着水环境的外观情况，也影响水的复氧过程。 它能反映用简单沉淀方法去除污染物的效果、能反映该污水是否易于处理。 ( 2 ) 生物化学需氧量( b o d ) 生物化学需氧量( b o d ) 是目前城市污水和大多数有机废水广泛使用的污 染指标。它指一升废水中有机污染物在好氧微生物作用下，进行氧化分解时所 消耗的溶解氧量，单位：m g l 。实际测定时采用b o d 5 ，即水样在2 0o c 条件 第一章绪论 下，培养五天的生化需氧量。它可反映生物降解的有机物量。b o d 含量高说明 水污染严重，水中缺氧。它能模拟污水进入水体后，水体的耗氧过程。它也能 用于判断污水处理厂生物法净化过程，用于制定水体和排放水的水质标准。 ( 3 ) 化学需氧量( c o d ) 化学需氧量( c o d ) 是指用强氧化剂使被测废水中有机物进行化学氧化所 消耗的氧量。由于其检测速度快，采用它比较方便。 ( 4 ) p h p h 表示水质的酸碱性，一般污水的p h 值在6 5 9 之间。当p h 9 都将会影响生物处理，并对混凝土和金属有腐蚀作用，这时，需进行污水预处 理并对处理设备做防腐处理。对于生化处理，p h 是很重要的参数。 1 1 2 城市生活污水排放技术经济指标： 1 主要技术指标 经该工艺处理后，出水水质指标稳定达到和优于国家污水综合排放标准 g b 8 9 7 8 - - - 9 6 中一级标准。即： c o d ：? ( 6 0 m g | l b o d 5 2 0 r a g s s 2 0 r a g f l n h 一n 1 5 r a g 工 t p ( o 5 m g l 2 主要经济指标 建设投资： 8 0 0 元小3 吨水占地： o 3 m 2 m 3 能耗： o 3 k w h m 3 处理费用： o 2 5 元m 3 1 1 3 一体化氧化沟技术 污水处理一体化，这是针对传统污水处理方法通常由多个单元操作组成的 复杂工艺流程的弊端而提出和发展起来的。一类污水处理一体化工艺是指曝气 和沉淀操作按时问或空间顺序进行调配的活性污泥工艺；另一类是指曝气和沉 淀单元构筑物合建的活性污泥工艺。根据多年经验和现代理论和技术，研制发 展的这类新技术、新工艺，其目的是为了降低造价和运行费，同时针对n 、p 电了科技大学硕士论文 去除的高要求，这些技术都考虑到了，在其构成和运行方式上作了相应调整， 并不断的在完善之中。 一体化氧化沟又称合建式氧化沟( c o m b i n e do x i d a t i o nd i t c h e s ) ，集曝气沉 淀、泥水分离和污泥回流功能为一体，无需建造单独的二沉池。最早的一体化 氧化沟是p a s v e e r 教授1 9 5 4 年在荷兰v o o r s c h o t e n 研制成功的，用来处理3 6 0 人口当量的污水，间歇运行，曝气和沉淀是利用一沟完成的。规模型开发研究 始于八十年代。这里所说的一体化氧化沟是指曝气净化与固液分离操作同在 个构筑物中完成，污泥自动回流，连续运行，设备和池容利用率为1 0 0 。这 种连续运行的一体化氧化有多种，可概括为三类，根据沉淀器置于氧化沟的部 位进行区分：沟内式，侧沟式和中心岛式一体化氧化沟。其工艺的主要特点是： ( 1 ) 工艺流程短，构筑物和设备少，不设初沉池、调节泣和单独的二沉池，污 泥自动回流，投资省、能耗低、占地少、管理简便。 ( 2 ) 处理效果稳定可靠，其b o d 5 和s s 去除率均在9 0 9 5 或更高，c o d 的去除率也在8 5 以上，并且硝化和脱氮作用明显。 ( 3 ) 产生的剩余污泥量少，污泥不需硝化，性质稳定，易脱水，不会带来二次 污染。 ( 4 ) 造价低，建造快，设备事故率低，运行管理费用少。 ( 5 ) 固液分离效率比一般二沉池商，池容小，能使整个系统在较大的流量和浓 度范围内稳定运行。 ( 6 ) 污泥回流及时，减少了污泥膨胀的可能。 一体化氧化沟污水处理流程图为： 图1 1 一体化氧化沟污水处理流程 污水处理过程包括以下三个部分：( 1 ) 污水站，首先使用粗格栅机过滤去 污水中的渣滓，然后用污水泵将过滤后的污水送入沉淀池；( 2 ) 一体化氧化沟 站，运用活性污泥法去除污水中的有机物，利用生物法净化污水：( 3 ) 污泥站， 定期将氧化沟中的多于污泥排放入此站。 第一章绪论 1 1 5 工程实例 1 侧沟式一体化氧化沟： 已在四川省新都县建有四川省城市污水处理示范工程，处理量1 0 0 0 w 3 d 其工艺流程如图2 3 所示： 城 图l | 2 侧淘式氧化沟工艺流裎罄 沟宽1 0 5 m ，有效水深4 5 m ，采用侧沟式固液分离器。使用直径1 0 0 0 m m ， 长9 m 转刷两台，配用电机4 5 k w ，主沟中设7 5 k w 水下推动器两台。和以 往设计不同的是合建了前置厌氧和缺氧区，在沟段布置上省去了一道机械回流 系统。此外。厌氧区设o 7 5 k w 水下混合器一台，缺氧区设2 2 k w 水下混合器 一台。其主要技术经济指标为：吨水投资6 0 0 - - 8 0 0 元，吨水能耗0 2 一o 2 5 度， 吨水占地0 3 一o 5 平方米。 2 项目的技术方案 本项目采用的污水处理流程如图1 1 3 所示： 图13 污水处理工艺流程图 电子科技大学硕士论文 本项目以5 0 0 0 m 3 d 多功能氧化沟工艺为污水处理主体，其平面图如图1 4 所示： i i 顶缺轧段 1 缺氧段好氧段 厌氯段 一， 固渡分离器一一。 k一1一- 图14多功能氧化沟工艺f 面图 设计主要参数及构筑物主要尺寸如下： 预缺氧区：h r t0 5 h ，l b h = 3 0 0 0 7 7 0 0 5 0 0 0 ( 有效水深4 5 0 0 ) 厌氧区：h r t1 5 h ，l b h = 9 0 0 0 7 7 0 0 5 0 0 0 ( 有效水深4 5 0 0 ) 缺氧区：h r t 2 o h ，l b h = 8 0 0 0 x 1 2 0 0 0 5 0 0 0 ( 有效水深4 5 0 0 ) 好氧区：h r t7 o h ，l b h = 3 0 0 0 0 1 2 0 0 0 5 0 0 0 ( 有效水深4 5 0 0 ) 1 2 污水处理控制系统国内外研究概况 1 2 1 国外研究概况 国外对污水处理设备，尤其是对鼓风曝气过程的闭环控制进行了深入的研 究并己将研究成果产品化，从国外引进的污水处理成套设备中均配备鼓风曝气 过程的控制调节装置，如成都污水处理厂从荷兰引进的5 万吨污水处理设备， 在这些成套设备中，都具有由传感器、控制阀和计算机控制系统构成的鼓风曝 气过程的控制系统。发达国家在二级处理普及阱后投入大量资金和科研力量加 强污水处理设施的监测、运行和管理，实现了计算机控制、报警、计算和瞬时 记录。美国在2 0 世纪7 0 年代中期开始实现污水处理厂的自动控制，目前主要 污水处理厂己实现了工艺流程中主要参数的自动测试和控制。8 0 年代未在美国 召开了两次水处理仪器和自动化的国际学术会议，会上发表的数百篇论文反映 出水处理自动化己发展到实用水平。 第一章绪论 1 。2 2 国内研究概况 与国外相比，我国污水处理自动化控制起步较晚，进入9 0 年代以后污水处 理厂才开始引入自动控制系统，但多是直接引进国外成套自控设备，国产自动 控制系统在污水处理厂应用很少。目前国内的污水处理的研究工作尚处于起步 阶段，其主要原因是国内污水处理厂所采用的国产设备和工艺流程都十分落后， 国内也设有专业的研究单位对污水处理设备的现代化和计算机化进行研究。 1 3 课题主要任务及意义 在“七五”和“八五”期间，我国大部分中型以上的城市均建成了污水处 理厂，用以处理工业和生活污水。目前，日处理量超过3 万吨的污水处理厂大 多采用鼓风曝气的方法作为污水处理的主要物理化学方法，这种方法工艺落后， 处理过程相对较长，而且能耗很高。 己在四j i l 省新都县建设的四川省城市污水处理示范工程，采用先进的一体 化氧化沟技术，将生物处理净化和固液分离合为一体。该工程具有工艺流程短， 构筑物和设备少，处理效果稳定可靠产生的剩余污泥量少，设备事故率低， 运行管理费用少等优点。但是现在一体化氧化沟上是采用转刷曝气作为其主要 物理化学方法，这种方法的主要缺点是能耗很高。同时由于没有对整个系统实 现自动控制，两全靠人的手工操作，造成水质指标不稳定，并且系统的运行维 护工作相当繁琐。 要提高污水处理的水质指标，降低能耗和提高效率，使用污水处理微孔曝 气自动控制系统是种十分有效的手段。它不但彻底改变了原来落后的曝气工 艺，采用一种新型的曝气方法微孔曝气法，而且应用基于c a n 总线的污水 处理d c s ( 集散控制系统) 实现污水处理的分布式数据采集、自动控制以及集中 监控，具有优异的性能价格比和很好的市场潜力。该课题对于提升我国污水处 理的技术含量，为污水处理装置制造企业的科技刨颗和研制瓶一代产品有着积 极的推广作用，研究的成果还可以用于对现有污水处理厂进行技术改造，改善 其工艺和降低能耗，具有很好的推广前景。 我国污水处理设备的制造水平和科技含量都比较低，通过本课题的研究， 可以为污水处理厂的技术改造提供科学的方法和理论依据，也可以为污水处理 设备制造厂开发和研制新产品、实现技术创新提供理论基础和研究方法。我国 机械制造主管部门己将环保设备的制造和生产列为重点方向，并预测相关设备 屯子科技大学硕1 ：论文 的销售前景十分乐观，通过对本课题的研究工作，将对提高我国污水处理设备 的技术含量，提高污水处理厂的生产效率和降低能耗起到十分积极的作用。 1 4 本课题的研究内容及重点 本课题研究内容包括以下几个方面： ( 1 ) 污水处理工艺流程和一体化氧化沟技术介绍； ( 2 ) 污水处理自动控制系统的构建以及主要控制回路分析； ( 3 ) 污水处理工艺中关键机械部分设计和控制系统硬件选择和调试； ( 4 ) 在w i n d o w 9 8 平台下基于d d l 和d e v i c e n e t 协议应用程序的开发：其中第二、 三和第四为本论文重点。 第一章捧于c a n 总线的污水处理总体设计方案 第二章基于c a n 总线的污水处理总体设计方案 目前，对污水处理系统运行状况进行在线监测己成为发展趋势，国外已进 行了许多研究和开发，开发出一些污水处理在线监测系统，并设计了一些基于 神经网络、小波变化、专家系统等技术的诊断软件。现有的污水处理在线监测 系统大多采用传统的上下位机结构，下位机面向现场设备，完成设备运行状况 秘污水处理状况状态信号的在线监测，大多采用工控机和单片枧来实现；上位 机负责污水处理状态参数的监测显示、报警、故障诊断及识别等。这种结构对 少量设备的几个状态参数的检测，实时处理效率较高，当需要对多个设备的多 种状态进行监测时，上下位机的通信成为系统实时性和可靠性的瓶颈。另外 这些系统的在线监测和故障诊断相对脱离，即各成一套系统，即使有些系统将 两者合在一起，当多个设备对多种诊断功能提出诊断请求时，整个系统的工作 效率会明显降低，造成系统集成性差，不便于软件升级和扩充。 针对以上情况，在本项目中，我们采用了3 层分布式在线监溅结构，提出 了一种基于c a n 总线的污水处理控制设备、多微机分布式在线监测系统，它 是由多个面向设备的以s j l 0 0 0 为核心的智能处理单元，多个并行运行具有不 同的监测和故障诊断功能的微机构成的分布式系统。该系统采取“分治”的设 计思想，将数据采集，部分数据处理任务交给设备层的智能处理单元完成，监 测诊断层主要负责监视和故障诊断，并利用c a n 总线实现设备层和监测处理 单元间的通信及与上层监测主机的通信。在本章中给出了系统实现框架，最后 以污水处理在线监测系统为实例加以说明。 2 1 污水处理分布式在线监测系统的结构 本系统实现了在一个污水处理厂内对现场设备合工艺流程进行在线监测， 综合了信号处理，人工智能、通信、数据库、d l l 、计算机网络等成熟的技术 这里将系统分成设备层、监测诊断层、调度中心等3 层，系统体系结构如图： 电子科技人学硕一l 一论文 监测诊断层 设备层 图21 污水处理厂在线监测系统3 层分布式系统结构 在上图中，将一个完整的在线监测和诊断任务分解到不同层的各计算机 上，相互配合，共同实现分布式的监测过程。在设备层，由多个以 a d a m 5 0 0 0 c a n 为核心的嵌入式系统等智能采集处理单元组成。 a d a m 5 0 0 0 c a n 具有高速数据处理能力，配合外围的智能传感器、滤波器、 放大、a d 转换等采集输入输出模块，采集到污水处理设备和处理流程中的各 种状态信号，再经过软件滤波等预处理后，可获得需要的状态原始数据。然后， 根据相关监测算法对这些数据加以处理，最终通过设备层的总线将数据上传到 监测诊断层。而某个a d a m 5 0 0 0 c a n 智能单元监测算法要从其他智能系统中 获得相关数据，就需要设备层的各采集处理单元之间能够相互通信。这里采用 c a n 总线作为设备层的总线，构成了一个分布式的设备监测系统。 在监测诊断层，利用局域网将监测主机、通信计算机、多个诊断控制计算 机、w e b 服务器、数据库、监测显示屏等设备连接起来。监测主机通过通信计 算机接收设备层采集的原始数据和处理后的数据，可调用监测画面将其显示出 来，并进行及时的报警和常规的数据分析，采用专家系统技术进行深入的故障 诊断和分析决策。如果需要进行故障诊断，则先由监测主机的调度程序调度， 将污水处理设备的各种诊断请求分配到运行在各诊断计算机上的故障诊断服 9 第二章基于c a n 总线的污水处理总体设计方案 务模块。当然，这些故障诊断模块也能以独立的应用程序形式存在。在本系统 中，由于这里有多个设备的多种诊断请求，有多种诊断服务，是一个多对多的 关系，为了提高运行效率和满足实时性，由本项目另外设计人彭芳设计一个完 整的专家系统实现故障渗断，这样的交互性更好。 监测诊断层通过通信计算机用m o d e m 与调度中心进行远程数据交换，还 可以通过w e b 服务器将监测信息发布出去，这样就构成了一个3 层结构的分布 式监测系统。 2 2 污水处理在线监测系统的具体实现 污水处理自动控制系统采用c a n 总线现场总线技术，中央控制室和c a n 总 线的通信以及中控室与其它部门的通信连线如下图所示： 啦删5 0 0 0 c 删 , 舳a t d 5 0 0 0 c a n 2 2 1 中央控制室 图22 污水处理在线监测系统实物示意图 中央控制室各站的具体功链如下： ( 1 ) 服务器操作员站 它是由终端总线联接的多用户系统的核心，完成中央任务，所有组态数据 和过程控制数据均集中的放在中央服务器内。它为其它客户机提供中央服务， 例如：数据采集和存储。服务器操作员站是厂级控制和管理中心，还具有以下 主要功能： 控制操作：在中控室里能对全厂被控设备进行控制，对各现场控制器的参 数进行设定和修改，具有良好的人机界葱，可方便地进行图形闯的切换和各种 功能的调用。设立不同的安全操作等级，针对不同的操作者，设置相应的加密 等级，记录操作员及其操作信息。 1 0 电了科技大学硕士论文 显示功能：用设计或实地图片的方法生成图片，实时显示某参数，可定义 不同的颜色来表示被测参数所处的不同范围，使参数的变化过程一目了然。对 全厂工艺过程、工艺参数、设备状态等通过颜色的变化，百分比，色标填充等 多种直观方式动态显示。 数据处理及管理：记录并显示工艺参数、电量参数的变化蓝线或趋势图， 利用在线数据和数据库的数据进行分析、统计、计算、显示。 报警功能：当某一参数异常或设备的故障时，可根据不同的报警类别，发 出声光报警、屏幕报警，输入报警表，打印输出或播放事先录制的语言提示， 同时显示相应的提示信息，并记录在报警数据库中，且可分等级。 报表功能：分成年度、季度、月度、日班报表及运行参数报表( 如：污水 处理量、加药量、耗电量等) 。 t e d 功能；各种报表的打印，各种事件及报警实时打印。 ( 2 ) 厂长查询站 用于厂长对整个污水处理厂的生产状况和各项指标的随时查询，并有成本 分析，统计计算功能。 ( 3 ) 总工程师站 主要用于总工程师对控制系统的软件进行在线或离线方式的编制和修改或 对软件的参数调整。 2 2 2 中中央控制室与c a n 总线通信的实现 c a n 总线卓越性能为工业控制提供了一种可靠的数据通信，为了扩展c a n 总 线的监控和管理功能，我们选择了研华的通讯适配卡p c l 一8 4 1 ，可以将该适配卡 插入p c 扩展槽内。 c a n 适配卡要完成的数据处理包括上行数据和下行数据，其中包括测量、 报警、c a n 适配卡配置、下位机节点配置等各种数据。工作过程如下： c a n 适配卡上电复位和初始化后，等待p c 机的命令和数据，当p c 机发出命令和数 据时，通知c a n 适配卡。c a n 适配卡将命令分成两种方式进行处理：( 1 ) 将命令 作为数据写入s j i 0 0 0 的d p r a m 中，_ 并置位标志位，与c a n 网络节点建立联系 后，由软件参与数据通信。( 2 ) 根据命令将数据写入d p r a m 中，并置标志位， 随后网络上的帧传送由s j l 0 0 0 自动完成。当c a n 适配卡完成一次通信后，通 知p c 机，p c 机从双口r a m 中取出数据做进一步处理。 第二章幕于c a n 总线的污水处理总体设计方案 2 2 3 中控制和现场智能单元的通信实现 一体化氧化沟系统、污水站系统、污泥站系统等子系统的现场控制器通过 c a n 总线与污水处理自动控制系统主机之间通信将设备的状态报告给污水处 理自控系统的主机，并接受来自污水处理自控系统主机的控制命令对设备进行 相应的控制，另外，污水处理自动控制系统主机对各个子系统进行数据分析、 统计和处理，并将结果提供给用户参考。另外，监控主机和智能控制器之间通 过控制网络进行数字化通信，不但能够完成组态与管理，还能够应用优化的策 略和高等控制算法得到高精度、高效率的控制效果 2 3 现场控制系统各个子系统分析于设计： 2 3 1 一体化氧化沟站 在一体化氧化沟站，控制系统总体设计框图如下 1 中央控糊室1 l 厩i 硼i i 、 c c j 3 号a d a m - 5 5 1 0 c a n 图23 氧化沟现场控制器连接图 1 系统描述：可编程控制器a d a m 5 0 0 0 c a n 控制曝气机( 2 台) 的起停，水下 推动器的起停( 2 个) ，回流泵的起停( 2 台) ，以及水下搅拌器的起停( 4 台) 。 要显示的量有沉淀池的液位置、温度值、p h 值等参数。氧化沟站的控制功能相 对复杂些，主要要由以下几部分来实现：根据c o d 值、溶解氧浓度、温度和悬 1 2 电了科技大学硕士论文 浮物浓度来控制微孔曝气机的曝气气流量，以保证氧化沟污水处理效果；根据 氧化沟中p h 值的变化来控制中和液的流速，以保证p h 值控制在规定的范围内； 对氧化沟中的液位值、温度值、悬浮物浓度、c o d 值、含氧量和p h 值进行采集 和显示：根据氧化沟中各执行部件韵工作情况，对氧化沟中的各开关量进行相 应的控制。 2 氧化沟站融解氧控制原理 污水连续进入氧化沟，经处理后排出。为了保证污水处理效果，必须严格 控制氧化沟中融解氧d o 值，为此采用调节阀来改变空气流量，引起融解氧d o 变化的扰动因素来自两个方面：在污水方面有它的流量、环境温度和它的化学 成分；在供气方面有它的的入口温度和调节阀前面的压力值。在下图中，我们 分剐用d l 和d 2 代表来自污水方面和供气方面的扰动，它们的作用地点不同， 因此对氧化沟中融解氧d o 的影响也很不一样。 当供气方面发生扰动，如供气压力增高时，需要通过两个容积以后才会使 d o 升高，故而我们在控制中增加了副调节器。由于供气方面的扰动d 2 很快就 能在储气罐压力p 。上表现出来，因此测量出该压力，送入副调节器，让它来控 制调节阀，那么调节动作就提前了许多，加快了对空气方面扰动的反应速度。 为了保持一体化氧化沟中d o 不变，副调节器只能起到稳定储气罐压力的 作用，丽在污水方面扰动d l 的情况下，并不能保证d o 符合要求。为此我们设 计了主控制器，它的任务就是根据d o 值的偏差( 相对于给定值q 1 r ) 来改变给 定值q 。便构成了串级调节控制系统。 第二章基于c a n 总线的污水处理总体设计方案 图24 一体化氧化沟融解氧串级比值控制系统原理图 3 氧化沟站电机转速控制原理 为了保证压缩机提供的空气能够在水下充分扩散，计算得到必须要让水下 推动器转速达到1 4 0 0 转分钟，为此必须对水下推动器用变频器进行调速，同 时测量电机电流值，使其不超过2 0 a 。为此我们采用了下面的反馈控制系统。 2 。3 2 污水站 图25 曝气装景装置转速控制原理图 污水站的控制功能比较简单，主要是实现污水站中液位的采集和显示以及 开关量的控制。 2 3 3 污泥站 污泥站的控制功能与污水站比较相似，主要是实现在污泥站中液位的采集、 显示和开关量的控制 1 污泥站控制 在污泥站，可编程控制器a d a m 5 0 0 0 c a n 需要控制控制的量有脱水机的起 停、污泥流量大小控制等，需要显示的参数有流量大小、加药量大小，加药罐 中液位值等参数。 2 污泥站控制系统总体设计 污泥站总体设计已在前一阶段工作中阐述过，现根据现场情况，做了进一 步完善。如图2 6 所示为污水处理基于c a n 总线的控制系统，污泥站的输入输 出控制信号通过研华的a d a m 5 0 0 0 模块挂接在c a n 总线上。 + 1 4 电子科技火学硕士论文 _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 。_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - 。- _ _ _ _ 。_ - 。_ 。1 。1 1 。1 。一 j 一二一 a i ) 甜i n n f 】l 下r 下r 寓虐由南胃匮国寓 = li 型! = i i 坚 甲广下_ 图26 污泥站控制系统 3 污泥站控制系统设计 污泥站是整个污水处理系统中机械设备最集中最多的地方，把现行的手动 控制改为自动控制有着重要的意义，但原系统的阀门全部是手动阀门，无法实 现自动控制，于是把所有手动阀门换成电磁阀，并在加药罐中增加一个液位计， 实现加药罐的进水的控制。 整个污泥站采用嬲廖7 ；。劫：其控制流程如图2 7 所示： 第二章基于c a n 总线的污水处理总体设计方案 蓉露 审苗溪 嘤 去_ 窜 厂= _ 、 图2 7 污泥站控制流程图 6 电了科技大学硕士论立 3 1 现场总线概述 第三章c a n 总线 所谓总线，就是传送信息的公共通路，是计算机和测试系统的重要组成部 分。根据国际电工委员会i e c l l 5 8 定义：“现场总线”是安装在制造或过程区 域的现场装置与控制室内自动控制装置之间的数字式、双向、串行、多点通信 的数据总线。 “现场总线”实际上是将安装在工业过程现场的智能化仪表和装嚣与设置在 控制室内的控制设备连接起来的一种全数字化、串行、双向、多站的通信网络。 现场总线控制系统( f c s ) 一方面突破了分布式控制系统( d c s ) 的专用通信 网络的局限，采用基于公开化、标准化的解决方案，克服了封闭系统所造成的 缺陷：另一方面又把d c s 系统集中与分散相结台的集散系统结构变成了新型全 分布式结构，把控制功能彻底下放到现场。可以说，开放性、分散性与数字通 信是f c s 最显著的特征。现场总线按其传输数据的大小可分为3 类：传感器总 线( s e n s o rb u s ) ，为位传输，如a s i 设备总线( d e v i c eb u s ) ，为字节传输， 如c a n ；现场总线，为数据流传输，如f f ，l o n w o r k s ，p r o f i b u s ，w o r l d f i p 等，每一种现场总线都有相对应的f c s 3 2c a n 总线 c a n 即控制器局域网，是一种全数字化、多主和双向的现场总线。它是德 国b o s h 公司从8 0 年代初为解决现代汽车中众多的控制与测试仪器之间的数据 交换而开发的一种串行数据通信协议，它具有以下特点： ( 1 ) 它是一种多主总线，通信介质可以是双绞线、同轴电缆或光导纤维。通 信速度可达1 m b p s 。 ( 2 ) c a n 总线通信接口中集成了c a n 协议的物理层我数据链路层功能，可完成 对通信数据的成帧处理。包括位填充、数据编码、循环冗余检验、优先级判别 等工作。 ( 3 ) c a n 协议的一个最大特点是废除了传统的战地址编码，而代之以对通信数 据块进行编码。采用这种方法的优点可使网络内的节点数在理论上不受限制， 笙兰童! 垒垡璺垡 数据块的标志码可由2 ”位或2 。位二进制数组成，因此可以定义2 1 1 或2 2 9 个 不同的数据块。这种按数据块编码的方式，还可使不同的节点同时接受到相同 的数据，这一点在分布式控制系统中非常有用。 ( 4 ) 数据段长度最多为8 个字节，可满足通常工业领域中控制命令、工作状态 及测试数据的一般要求。同时8 个字节不会占用总线时间过长，从而保证了通 信的实时性。 ( 5 ) c a n 协议采用c r c 检验并且提供相应的错误处理功能，保证了数据通信的 可靠性 c a n 卓越的特性、极高的可靠性和独特的设计，特别适合工业过程监控设 备的互联，因此，越来越受到工业界的重视，并且已公认为最有前途的现场总 线之一。自从c a n 诞生依赖，就以其独特的设计思想、优良的性能和极高的 可靠性越来越受到工业界的青睐，c a n 国际标准的指定，更加推动了它的发展 和应用。目前，支持c a n 协议的有i n t e l 、l o t o r o a 、p h i l i p s 、s i e m e n s 、 n e c 、s i l i o n i 、h o n e y w e l l 3 3c 州总线的通信模型 c a n 只采用了i s o o s i 模型全部七层中的两层即物理层和数据链路层。物 理层又分为物理信令( p l s ，p h y s i c a ls i g n a l i n g ) 、物理媒体附件( p m a ，p h y s i c a l m e d i u ma t t a c h m e n t ) 与媒体接口( m d i ，m e d i u md e p e n d e n ti n t e r f a c e ) 三部 分。可以完成电气连接、实现驱动器接收器特性、定时、同步、位编码解码。 数据链路层分为逻辑链路控制( l l c ，l o g i cl i n kc o n t r 0 1 ) 子层与媒体访问控 制( m a c ，m e d i u ma c c e s sc o n t r 0 1 ) 子层两部分。它们分别完成接收滤波、超 载通知、恢复管理以及应答、帧编码、数据封装拆装、媒体访问管理、出错检 测等。其模型见表3 1 所示。 表3 1c a n 模型 逻辑链路控制( l l c ) 子层 数据链路层媒体访问控制( m a c ) 子层 物理信令( p l s ) 物理层物理媒体附件( p m a ) 媒体接口( m d i ) 电了科技大学硕士论文 3 4c a n 总线的技术规范 随着c a n 在各种领域的应用和推广，对其通信格式的标准化提出了要求。 为此，1 9 9 1 年9 月p h i l i p ss e m i c o n d u o t o r s 制订并发布了c a n 技术规范 ( v e r s i o n2 0 ) 。该技术规范包括a 和b 两部分。2 o a 给出了c a n 报文标准格 式，而2 o b 给出了标准的和扩展的两种格式。此后，1 9 9 3 年1 1 月i s o 正式颁 布了道路交通运输工具数据信息交换一高速通信控制器局域网( c a n ) 国 际标准i s o1 1 8 9 8 ，为控制器局域网的标准化、规范化铺平了道路。 ( 1 ) c a n 节点的分层结构 为使设计透明和执行灵活，遵循i s o o s i 标准模型，c a n 分为数据链路层 ( 包括逻辑链路控制子层l l c 和媒体访问控制子层m a c ) 和物理层。而在c a n 技术规范2 0 a 版本中，数据链路层的l l c 和m a c 子层的服务和功能被描述为“目 标层”和“传送层”。c a n 的分层结构和功能如图3 1 所示。 ( 2 ) c a n 的分层功能 l l c 子层的主要功能是为数据传送和远程数据请求提供服务，确认由l l c 子层接收的报文是否己被接收，并为恢复管理和通知超载提供信息。在定义目 标处理时，存在许多灵活性。 m a c 子层的功能主要是传送规则( 即控制帧结构) 、执行仲裁、错误检测、 出错标定和故障界定。在开始一次新的发送时，它会确定总线是否开放或是马 上丌始接收。同时，位定时特性也是它的一部分。但对它的特性不能进行灵活 修改。 1 9 第三章c a n 总线 逻辑链路控制子层 接收滤波x 超载通知 瘦 、 居 媒体访问控制子层 连 数据封装拆装- 络 故障界定 己 帧编码( 填充解除填充y 五 媒体访问管理 错误监测 出错标定 勿 位编码解码 里 位定时 7 l 思袋嵌悍冒理 刍 e 同口( 张甜j 器椿妇器特 图3 1c a n 的分层结构和功能 物理层的功能是有关全部电气特性在不同节点间的实际传送。自然，在一 个网络内，物理层的所有节点必须是相同的。然而。在选择物理层时存在很大 的灵活性。 c a n 技术规范2 o b 定义了数据链路层中的m a c 子层和l l c 子层的一部分， 并描述与c a n 有关的外层。物理层定义信号怎样进行发送，因而，涉及位定时、 位编码和同步的描述。在这部分技术规范中，未定义物理层中的驱动器接收器 特性，以便允许根据具体应用，对发送媒体和信号电平进行优化。m a c 子层可 响应报文帧、仲裁、应答、错误检测和标定。m a c 子层由称为故障界定的一个 管理实体监控，它具有识别永久故障或短暂扰动的自检机制。l l c 子层的主要 功能是报文滤波、超载通知和恢复管理。 3 5 报文传送及其帧类型 进行数据传送时，发出报文的单元称为该报文的发送器。该单元在总线空 闲或丢失仲裁前恒为发送器。如果一个单元不是报文发送器，并且总线不处于 2 0 电了科技大学硕士论文 空闲状态，则该单元为接收器。 对于报文发送器和接收器，报文的实际有效时刻是不同的。对于发送器而 言，如果直到帧结束的最后一位一直未出错，则对于发送器报文有效。如果报 文受损，将允许按照优先权顺序自动重发送。为了能同其它报文进行总线访问 竞争，总线一旦空闲，重发送立即开始。对于接收器而言，如果直到帧结束的 最后一位一直未出错，则对于接收器报文有效。 构成一帧的帧起始、仲裁场、控制场、数据场和c r c 序列均借助位填充规