基于PROFIBUS总线的污水处理系统下位机(PLC)系统设计

1、abstract毕业设计（论文）任务书题目：基于profibus总线的污水处理系统-下位机（plc）系统设计 学生姓名： 学号： 专业班级： 学院： 信息与电气工程学院 设计起止日期： 题目性质一： 实际工程 设计项目 科学研究 理论研究 其他题目性质二：真题 模拟题目 其他 技术要求及原始数据： 针对现有根据污水处理工艺特点，构筑物的分布及整体控制要求，下位机要求使用s7-200系列plc，对整个污水处理系统进行控制。该污水处理控制可满足用户对系统安全性、可靠性、可维护性和灵活性的要求。 主要任务： 学习可编程控制器s7-200的基本编程方法和原理、网络与工业现场总线 技术的有关知识，确定下

2、位机污水处理整个系统的控制方案，根据生产工艺过程，编制plc的控制程序；与外围设备i/o的数据交换控制程序；进行系统的传感器、变送器、继电器等硬件选型设计，供电电源的设计，并设计与上位机进行通讯的程序和硬件配置；设计plc的电气控制线路图和系统的电气控制线路图；绘制相应的图纸（至少一张手工绘制的图纸）。 学 生 （签 字）： 系主任（签字）： 指导教师（签字）： 院 长 （签字）： 摘 要现场总线技术具有数字化、全分散性、开放性和互操作性等特点，代表了今后工业控制网络发展的方向，是当前自动控制领域中倍受关注的技术之一。本文首先在理论上对现场总线控制系统进行了全面的探讨和阐述，并且尤为深入的对p

3、rofibus现场总线进行了阐述。然后全面的分析了国内污水处理行业的工艺和自动控制需求，从综合自动化控制系统的完整性、可靠性、开放性及可扩充性几个方面，比较分析了dcs、现场总线、工业以太网等工业应用网络的连接方式，提出了基于profibus现场总线网络的通信方案。自动控制系统设置3个现场plc监控站和1个中心操作站。下位机系统采用plc，上位机系统采用pc。考虑到污水处理控制对系统安全性、可靠性、可维护性和灵活性的要求，本系统硬件组成为：现场控制站选择西门子公司s7-300系列的模块结构plc，上位机选择工控机ipc，现场总线产品选择西门子profibus-dp开放式工业现场总线。下位机编程

4、采用step-7 v5.0软件包进行plc软件设计。关键词：污水处理； 氧化沟； plc； profibus； 现场总线abstractthe field bus technology. which is one of the best compelling technologies in the current automatic control domain, possesses the characteristics of digitization, full-decentralizationopenness and interoperability etcand indicates t

5、he direction of industrial control network development in futurein this paperfirstly the field bus control system is discussed in theoryand the profibus field bus is elaborated especiallythen the domestic craft of sewage treatment and demand of automatic control are analyzed comprehensivelyfinally t

6、he communications project base on profibus field bus-net is proposed through comparing the connected method of dcsfield busindustrial ethemet etc industrial applied network from integrality, reliabilityopenness and extensibility of integrated automatic control systemthe automatic control system esta

7、blishes 3 scene plc monitoring stations and 1entral operating station. the lower position machine system uses plc, on the position machine system uses pc. considering the sewagetreatment controls the request to the system security, the reliability, the maintainability and the flexible. this systems

8、hardware composition is: the scene control station chooses siemens s7-300 series modular structures plc, on position machine chooses labor controlling machine ipc. the field bus product chooses simens the profibus-dp open style industry field bus. the lower position machine programming adoptes step-

9、7 v5.0 software package to design the plc software. keywords：swage treatment; oxidation ditch; plc; profibus; field bus目 录目 录摘要iabstractii1 绪论11.1污水处理的现状11.2污水处理方法32 plc与现场总线技术42.1plc简介42.1.1西门子plc的特点72.1.2西门子plc与profibus现场总线82.2 profibus现场总线82.2.1 profibus-dp的设备类型102.2.2 profibus-dp的通信协议113 污水处理流程及

10、其控制设计123.1污水处理工艺流程123.2污水一级处理(污水预处理)133.3污水二级处理(生物处理)143.4污水处理工艺介绍183.4.1污水预处理段193.4.2生物处理段203.4.3污水处理网络通信设计214 软件系统开发与设计224.1 plc软件系统实现功能224.2预处理段plc软件系统234.3生物处理段plc软件系统29结论34致谢35参考文献36附录37附录a 科技文章摘译38毕业设计说明书1 绪论随着经济的飞速发展和世界人口数量的持续增加，对水的需要量也在不断增大，但是可用的水资源却在逐渐萎缩，特别是在城市周边，可以开发利用的淡水资源由于污染的原因正急剧减少。为了应

11、对水体污染，最近几年越来越多的城市污水处理厂、城市垃圾无害化处理厂正在如火如荼的建设、投运。为了提高污水处理效率和降低运行成本，将自动控制新技术引入污水处理厂，提高其自动化水平是非常关键的。应用现场总线技术、plc、控制仪表、执行装置、上位机监控设备等可以组成一个高效、实时、可靠的网络化全集成自动化系统。由于现场总线多项先进性，注定了这套系统有较好的维护性和实施性。将其应用于污水处理厂的自动控制系统，将带来良好的社会效益和可观的经济效益。1.1污水处理的现状水资源是指可以直接被人类利用、能不断更新的天然淡水，主要是陆地上的地表水和地下水的浅层部分。全球水的总储量是比较巨大的，约为1386*10

12、km。，但是可供人类使用的淡水资源只占到25，其中绝大多数分布在高原冰川、两极冰盖、冰冻地带以及750m以下的地层深处，方便取用的河水、湖水以及浅层地下水只占全球总储量的026。在全球淡水资源的分布也是非常不均衡的，65以上的淡水集中分布在910个国家，如美国、哥伦比亚和加拿大等。占世界人口总数量的40以上的80多个国家为水资源缺乏国家，有近30个国家为严重缺水国家。我国水资源的现状可以用这样的一句话来形容：“局部有所改善，整体仍在恶化”。水资源的短缺与粗放低效利用的状态并存，水资源及其安全性已经成为中国社会经济发展的瓶颈，是国家安全的重要支持因素之一。我国的污水处理开始于上世纪七十年代。那时

13、已经开始利用废弃的河道、沼泽以及城市周边洼地构筑成稳定塘，对生活污水和工业废水进行简单的处理。据当时的文献资料介绍，这样的稳定塘共计38座，日处理生活污水173万吨。八十年代，国家政策开始向环保倾斜，推动了一大批城市污水处理设施的兴建，我国第一座大型的城市污水处理厂日处理26万吨的天津纪庄子污水处理厂也于1984年4月投入运行。“八五”期间，随着城市环境综合治理的深化以及各流域水污染治理力度的加大，城市污水处理设施的建设经历了一个发展高潮时期。“九五”期间，我同正式启动对“河”(淮河、海河和辽河)、“湖”(太湖、巢湖、滇池)流域和“环渤海”地区的水污染治理，国家给予相应资金和技术上的支持。据统

14、计，到2000年底，全同已建设城市污水处理厂427座，其中二级处理厂282座，二级处理率约为15。由此可见，我国的污水处理现状并不理想，城市污水处理率还很低。2002年之后，国家大力扶持污水处理厂的建设，特别是山西、河北、河南、陕西等中西部地区，每年都有数十座污水处理厂开工建设。拿山东省为例，截至2007年底，绝大多数县级以上城市都拥有了正常运行的污水处理厂，有的城市还建成了中水厂并已投运。我国是一个发展中国家，经济发展水平相对落后而面对我国日益严重的环境污染，国家正加大力度来进行污水的治理而解决城市污水污染的根本措施是建设以生物处理为主体工艺的二级城市污水处理厂，但是，建设大批的二级城市污水

15、处理厂需要大量的投资和高额运行费，这对我国来说是一个沉重的负担。目前我国的污水处理厂建设工作，则因为资金的缺乏很难开展，部分已建成的污水处理厂由于运行费用高昂或者缺乏专业的运行管理人员等原因而一直不能正常运行，因此我国的城市污水处理发展趋势应该围绕以下两个方面：第一，未来的城市污水处理必须是高自动化、高可靠性的。现代污水处理厂采用计算机控制日益普遍。应用计算机控制技术可以实现污水处理工艺的半自动、全自动监控，提高污水处理厂的技术管理水平，合理使用和配置处理设施，具有非常现实的意义。采用计算机技术，跟踪经常变化的水处理情况，检测不同时间的水质指标数据，在计算机上显示出来，对这些数据做累计、求平均

16、、求极值等运算，并可以永久记录下来，以备在需要的时候查阅。对数据分析趋势走向，随时调整各设备及工艺过程参数，使其达到优化状态，经济运行，节约能耗。采用计算机代替人工操作，减少事故，保证安全，降低劳动强度，节约人力，甚至以完成许多人工难以完成的任务，提高生产的可靠性。欧美国家一些城市污水处理厂己经用计算机进行数据记录和运行过程控制，甚至实现全自动化无人值守控制模式。在厂区范围内设有若干台现场计算机，对整个水处理过程实行多环路控制，其中包括预处理、一次沉淀、生物处理、二次沉淀、化学药剂投放、输送泵房等。设在中心控制室内的计算机主机从各个现场计算机中收集数据，并提供图表显示、曲线、各个设备动作记录、

17、设备故障报警等。在电子自动控制系统发生故障时，每一个自动控制过程都可切换成手动控制。国内有些城市污水处理厂引进全部或局部计算机控制，取得了一定的经验。所以计算机控制系统的应用，高自动化水平和高可靠性是我国污水处理行业发展的必然趋势。第二，未来的城市污水处理必须满足“三低一高”条件：即基建投资低、运行成本低、管理要求低、处理效率高。大力发展小城镇是我国城市化过程的必由之路是具有中国特色的城市化道路的战略性选择。而对于小城镇的污水处理又面临一系列的问题：小城镇污水的特点不同于大城市，小城镇资金短缺；运行管理人员缺乏；技术力量薄弱等。因此小城镇的污水处理厂应该是基建投资低、运行成本低、运行管理相对容

18、易，处理效率高的工艺。对高效率、低投入、低运行成本、成熟可靠的污水处理工艺的研究是今后的一个重点研究方向。1.2污水处理方法生物法是利用水中微生物的新陈代谢功能，并采取一定的人工措施，创造有利于微生物生长、繁殖的环境，使微生物大量增殖，从而使废水中呈溶解和胶体状态的有机物被降解，并转化成为稳定，无害的物质，使废水得以净化。如活性污泥法、生物膜法、自然生物处理法和厌氧生物处理法等均属于生物法。城市污水中的污染物质多种多样，不可能只用一种方法就把所有的污染物去除殆尽。一种污水往往需要通过由几种方法组成的处理系统进行处理，才能达到要求处理的程度。污水处理流程的组合，一般遵循先易后难、先简后繁的规律，

19、即首先去除大块垃圾和漂浮物质，然后再依次去除悬浮固体、胶体物质及溶解性物质。也就是先使用物理法，然后再使用化学法和生物处理法。对于城市污水，采用哪种污水处理工艺，要根据污水的处理程度，而处理程度则主要取决于受纳水体的污水排放标准或处理后污水的出路。根据对污水的不同净化要求，城市污水处理系统可分为一级处理、二级处理、三级处理。一级处理的内容是去除污水中漂浮物和部分大的悬浮状态的污染物质，调节ph值，减轻污水的腐化程度和后续处理工艺的负荷。用这种处理流程建立的污水处理厂称为一级处理厂。物理法中的大部分方法（如机械过滤、过筛、沉淀、气浮等）和部分化学方法（如中和等）只能完成一级处理的要求。经过一级处

20、理后的污水，有机物的去除率仅有30%左右，一般达不到污水排放标准，还必须进行二级和三级处理。因此，相对于二级处理来说，一级处理又属于预处理。二级处理的主要任务是大幅度地去除污水中呈溶解和胶体状态的有机污染物质。根据有机污染物质的去除率，二级处理工艺可分为两类：一类是有机物去除率为75-90%左右（包括一级处理），已处理水的有机物含量为60mg/l左右，称为不完全二级处理；另一类有机物去除率达到85-95%（包括一级处理），已处理水的有机物含量为20mg/l左右，称为完全二级处理，生物处理法是二级处理的主体工艺。三级处理的目的在于进一步去除二级处理所未能去除的污染物质，其中包括残余的悬浮物及胶体

21、、残余的溶解性有机物、无机盐类（如氮、磷、重金属等）及色素、细菌与病毒等。三级处理所使用的方法是多种多样的，通常分为前述的物理法、化学法和生物法三类，如生物膜过滤、臭氧氧化、混凝沉淀、砂滤、活性炭吸附以及离子交换和电渗析等。近年来发展了一级强化处理，即在一级处理后投加化学药剂，对城市污水中的悬浮固体磷和重金属等有较强的去除率，该处理方式在工程投资、运行费用、占地、能耗等方面比二级处理要节省。综上所述，人们对水体污染的控制，初期着眼于预防传染病的流行，后来转到对需氧污染物的控制，目前又发展到防治整个水体的污染、富营养化以及重视污水的净化回用问题。在城市污水处理厂建设方面，工业发达国家正朝着普及化

22、、大型化、合并化、深度化方向发展。2 plc与现场总线技术2.1 plc简介plc英文全名是programmable logic control，即可编程控制器，指一种面向生产过程控制的数字电子装置，包括逻辑运算、顺序控制、时序、计数以及算术运算等程序。它用一串指令形式存放在存储器中，然后根据存储的控制内容，经过模拟、数字等输入输出部件，对生产设备与生产过程进行控制。它具有控制能力强、操作方便灵活、价格便宜、可靠性高等持点。它不仅可以取代传统的继电器控制系统，还可方便的构成复杂的工业过程控制网络，是一种适应现代工业发展的新型控制器。一套典型的plc通常包括cpu模块、电源模块和一些i/o模块，

23、这些模块安装在一块背板上。有些配置还可能包括一个操作员面板、通信模块以及一些可选的特殊功能模块。可编程控制器不仅容易安装，占用空间小，能源消耗小，大多带有诊断指示器可以帮助故障诊断，而且可以被重复使用到其他的项目中去。现在，尽管plc的功能、数据处理能力己经获得了很大的提高，但plc一直保持了最初设计的原则，那就是简单之上的原则。 plc是60年代末，随着现代工业生产自动化水平的日益提高及微电子技术的飞速发展，而发展起来的，并在通用汽车公司的汽车生产线上首次应用成功。随着微电子技术的发展，70年代中期出现了微处理器和微型计算机了，这使得可编程序控制器实现更大规模的集成化，从而使之工作更为可靠，

24、更适应工业环境，功能也大大加强了。随着成本的大幅度下降，这种控制器逐渐进入了实用阶段，我国于1974年开始研制，1977年开始工业应用。1985年1月，国际电工委员会(iec)在颁布程序控制器标准草案第二稿时，将其进一步定义为：“可编程序控制器(plc)是一种数字运算操作的电子控制系统，专为在工业环境下应用而设计，它采用可编程序的存贮器，在其内部存贮执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数及算术运算等操作的指令。并通过数字式或模拟式的输入、输出接口来控制各种类型的机械或生产过程”。 按照i/o数分类：plc的输入、输出点数表明plc可以从外部接收多少个输入量和向外部输出多少个输出量。i/o点数(总数

25、)在256点以下的称为小型机，一般只有逻辑运算、定时、计数、移位等功能，适用于开关量的控制。i/o点数在256点至1024点之间的，称为中型机，它除了具备逻辑运算功能，还增加了模拟量处理、算术运算、数据传送、数据通讯等功能，可完成既有开关量、又有模拟量的复杂控制。i/o点数在1024点以上的称为大型机，其功能更加完善，具有数据处理、模拟调节、联网通讯、监视、记录、打印等功能，可以进行中断控制、智能控制、远程控制等，可用于大规模的过程控制，构成分布式控制系统或整个工厂的集散系统。 根据结构形状分类：从结构和形状上看，plc可分为整体式和模块式两种。一般的小型机多为整体式结构。这种结构的plc，其

26、电源、cpu、i/o部件等都集中配置在一起，有的甚至全部装在一块印刷电路扳上，结构紧凑、体积小、重量轻、价格低、容易装配在工业控制设备的内部，比较适合于生产设备的单机控制。整体式plc的缺点是主机的i/o点数固定，使用不够灵活，维修也不方便。模块式结构的plc各部分以单独的模块分开设置，如电源模块、cpu模块、输入模块、输出模块等。这种plc通常由机架底板联结各模块(也有的plc为串行联接，没有底板)，底板上有若干插座，使用时，各种模块直接插入机架底板即可。这种结构的plc配置灵活、装配方便、易于扩展，可根据控制要求灵活配置各种模块，构成功能不同的各种控制系统。一般大中型plc均采用这种结构。

27、模块式plc的缺点是结构较复杂，各种插件比较多，造价也比较高。 plc的特点虽然plc的种类不同，规模不同，生产厂家也不一致，但是它们却有很多共同的特点：程序编制简单：plc一般采用易于理解和掌握的梯形图语言及面向工业控制的简单指令编制程序，非常形象直观。对于小型plc而言，几乎不需要任何专门的计算机知识，只需要拥有简单的电路或者逻辑知识即可，特别适合现场工程技术人员使用。控制系统构成简单、通用性强虽然plc种类繁多，但由于其产品的系列化和模块化，且软件包齐全，用户可灵活组成各种规模和要求不同的控制系统。用户在硬件设计方面，只需确定plc的硬件配置和i/o的外部接线，不需要诸如继电器之类的固体

28、电子器件和大量繁杂的硬接线电路。当控制要求改变，需要变更控制系统的功能时，只要改变存贮器中的控制程序即可。plc的输入、输出可直接与交流220v、直流24v等强电连，并有较强的负载能力。抗干扰能力强、可靠性高plc是专为工业控制设计的，能适应工业现场的恶劣环境。在plc的设计和制造过程中，采取了多层次抗干扰及精选元器件等措施，使plc的平均无故障时间通常在20000小时以上，这是一般的其它电气设备做不到的。绝大多数用户都将可靠性作为选取控制装置的首要条件。因此plc在硬件和软件方面均采取了一系列的抗干扰措施。在硬件方面，plc采取的抗干扰措施主要是隔离和滤波技术。plc的输入和输出电路一般都用

29、光电耦合器传递信号，使cpu与外部电路完全切断电的联系，有效地抑制外部干扰源对plc的影响。在plc的电源电路和i/o口中，还设置了多种滤波电路，以抑制高频干扰信号。在软件方面，plc置出了故障检测及自诊断程序，用来检测系统硬件是否正常。易于操作及维护plc的控制程序可通过其专用的编程器输入到plc的用户程序存贮器中。编程器不仅能对plc控制程序进行写入、读出、检测、修改等操作，还能对plc的工作状态进行监控，使得plc的操作及维护都很方便。plc还具有很强的自诊断能力，能随时检查出自身的故障，并显示给操作人员，使操作人员能迅速检查、判断故障原因。由于plc的故障率很低，并且有完善的诊断和显示

30、能力，当plc或外部的输入装置及执行机构发生故障时，如果是plc本身的原因，在维修时只需要更换相应的插入式模块及其它易损件即可，既简单又方便。设计、施工、调试周期短用plc完成一项控制工程时，由于其硬、软件齐全，设计和施工可同时进行，由于用软件编程取代了继电器硬接线，实现控制功能，使得控制柜的设计及安装接线工作大为减少，缩短了施工周期。同时，由于用户程序大都可以在实验室模拟调试，调好后再将plc控制系统在生产现场进行联机调试，使得调试方便、快速、安全，因此大大缩短了设计和投运周期。plc的主要功能plc是采用微电子技术来完成顺序控制功能的自动化设备，可以在现场的输入信号作用下，按照预先输入的程

31、序，控制现场的执行机构按照一定规律进行动作，其主要功能如下：开关量控制限时控制计数控制步进控制数据处理模拟量处理通讯及联网plc与微机一样，是以指令程序的形式进行工作的，各种型号的plc一般均以梯形图语言为主，同时也兼顾一些其它形式的编程语言。梯形图梯形图是一种图形编程语言，是面向控制过程的一种“自然语言”，它延用传统继电器的触点、线圈、串并联等术语和图形符号，同时也增加了一些继电器控制系统中没有的特殊符号，以便扩充plc的控制功能。梯形图语言比较形象、直观，对于熟悉继电器表达方式的电气技术人员来说，不需要学习更深的计算机知识，极易被接受，因此在plc编程语言中应用最多。指令语句表指令语句就是

32、用助记符来表达plc的各种控制功能，一般与梯形图形式一一对应。它类似于计算机的汇编语言，但比汇编语言通俗易懂，因此也是应用很广泛的一种编程语言。指令语句通常由地址、操作码和操作数(器件编号)三部分组成。这种编程语言可使用简易编程器编程，编程设备简单、逻辑紧凑，连接范围不受限制，但比较抽象，一般与梯形图语言配合使用，互为补充。目前，大多数plc都支持指令语句编程。逻辑功能图这种编程语言基本上沿用了半导体逻辑电路的逻辑方块图形式。对于每一种功能都使用一个运算方块，其运算功能由方块内的符号确定。常用“与”、一或”、“非”等逻辑功能表达控制逻辑。与功能方块有关的指令均画在方块的左边，输出画在方块的右边

33、。采用这种编程语言对于熟悉逻辑电路和具有逻辑代数基础的技术人员来说，是非常方便的。流程图流程图编程方式采用画工艺流程图的方法编程，只要在每一个工艺方框的输入和输出端标上特定的符号即可。对于在工厂中搞工艺的人来说，用这种方法编程，不需要很多的电气知识，非常简单。高级语言部分plc支持高级语言编程，类似与c或者pascal语言，这对于那些有着丰富的高级语言编程经历的开发人员非常的方便。2.1.1西门子plc的特点德国的西门子公司在过程自动化领域有极高的知名度，plc及其相关设备的产销量都很高。据估算，在2007年该公司的plc相关产品在国内销量约占同类产品的一半以上。西门子的plc除了具有上述的五

34、个特点之外，还具有如下的特点：产品丰富，涉及面宽首先，西门子公司拥有不同的产品系列，可以适用于不同规模的应用：简单的logo，可以算得上是最简单的plc产品，或者说是界定与传统的继电器与plc之间的一类，既具有继电器简单易用的特点，又具有plc集成度高、功能强、方便快捷的优势；$7-200系列plc，是一种小型plc，适用于对性能要求不高的场合；$3-300系列，是模块式中小型plc，在一个系统中最多可扩展32个不同的应用模块，可以满足绝大多数的应用场合，甚至能完成软冗余：s7400是大型的plc，可以挂接300多个模块，h系列和hf可以完成硬件冗余，具有极高的处理速度和卓越的通讯性能，可以应

35、用与一些特殊要求的领域。其次，西门子公司同样的产品系列还有不同应用条件的产品，可以满足扩展温度范围、防爆、高粉尘、高有毒有害和腐蚀性气体污染等多种不同的应用场合。另外，西门子公司不仅有，传统的plc，还有多个系列的plc扩展产品：s7系列是传统意义上的plc，除此之外的m7300400系列，采用与s7300400相同的结构，它可以作为cpu或功能模块使用，具有at兼容计算机的功能，可以用c，c+或cfc等语言来编程；c7系列由s7300 plc，hmi(人机接口)操作面板、io、通信和过程监控系统组成，应用于集成化要求较高的场合；最后是winac， 它基于windows和标准的接口(activ

36、ex，opc)，提供软件plc或插槽plc。高度的集成化西门子plc的高度集成化，不仅表现在io的集成，还表现在网络模块的集成和功能的集成方面：上面讲到的c7系列便是功能集成的例子，网络模块的集成更是常见，如非常常用的315-2dp、317-2dp。2.1.2西门子plc与profibus现场总线 从profibus现场总线的起源得知，西门子公司是profibus主要的发起人，那么当profibus成为德国国家标准、欧洲标准之后，我认为西门子公司作为主要的plc生产大厂，一定会推出与之相结合的plc产品。实践证明后来的6es73152af03-oabo，6es7 3162ag00一oabo和6

37、es7 316-2aj00一oabo，都是非常经典的产品。profibus现场总线发展到今天，西门子相关的产品更是层出不穷，除了多款紧凑型的simatic plc，还有simatic winac控制器、 支持主站功能的通讯处理器、iepb链路模块、et 200set 200x的主站模块、et200系列分布式io总线部件一总线连接器、中继器、耦合器、链路、网络转接器一串行通信、以太网、asi等。所以我认为，要选择profibus，一定要选择simenes的plc。2.2 profibus现场总线profibus以其技术成熟、协议开放、性能稳定，实现低廉等特点赢得了广大的用户，以下就profibu

38、s现场总线作详细介绍。profibus是德国国家标准din19245，同时又是欧洲标准en50170，符合国际标准iec 61158-2，是世界范围的标准。它采用了osi模型的物理层，数据链路层。外设间的高速数据传输采用dp型，而作为用户接口，在fms型中采用了应用层。图2-1为profibus通信模型与iso/osi模型的对应关系。图2-1 profibus与iso/osi模型对应关系rofibus的数据链路层采用混合介质存取方式，即在profibus网络中有主动站和从动站两种总线节点，在主动站间按令牌方式下作，主动站和从动站间按从方式工作。令牌控制主站浮动由主动站组成逻辑环，令牌在逻辑环中

39、按一定方向依次流动。只有获得令牌的主动站才有访问网络的权利，并获得批准的令牌持有时间，成为主站。这就是所谓的令牌控制主站浮动的含义。主从间按优先级调度通信任务有两类：一类为主动站随机提出的通信要求，带有优先级选择，采用非周期发送请求方式传输数据。另一类为用户预先在主动站中输入的轮询表中的任务，定义了获得令牌后所有应当轮询的从动站及某些主动站，一律按低优先级任务调度，采用周期发送请求方式进行数据传输。一旦一个主动站获得了令牌，就成了一段时间内全网唯一的主站。在这段时间内，它按主从方式控制与管理全网，按优先级完成通信任务。主要完成逻辑环维护、向高优先级任务提供服务、向低优先级任务提供服务三个工作。

40、高优先级任务总会得到服务，即使超过了令牌持有时间，也应把高优先级任务处理掉。在高优先级的任务处理完之后，再根据令牌持有时间剩余情况对低优先级任务进行调度。当处理完高优先级任务之后，如果剩有令牌持有时间，则先处理上次获得令牌时未来得及处理的低优先级非周期发送睛求任务，再执行轮询表规定的任务（周期发送请求任务），然后执行本次低优先级非周期发送/请求任务。若整个轮询表任务执行完将超过令牌持有时间，则对轮询表分段处理。profibus-dp/pa可采用多种传输方式（电气数据传输、光缆数据传输、无线数据传输）及其自由组合，可覆盖整个应用范围。电气数据传输：通过标准圆形截面、带pe或pur护套、防卤化设计

41、的屏蔽双绞线电缆、地下电缆、拖曳电缆或专用于防爆区域的特殊电缆传输数据。电气网络可配置成总线或树形拓扑结构。电气接口标准为rs- 485。现代化企业的自动控制系统和信息管理系统应是一个三级网络系统，由现场设备控制层、车间监控层和工厂管理层构成。现场设备控制层由profibus-dp/pa构成，传感器、驱动器、传动装置和开关设备等全部设备都接到现场总线，具有现场总线接口的控制器实现对所有设备的单机或连锁控制。车间监控层由profibus-fms构成，实现控制系统的人机对话，车间监控计算机完成设备监控和生产管理，如设备状态在线监控、参数设定故障报警、生产调度和统计等。工厂管理层由局域网构成，负责处

42、理全厂的综合信息，如生产数据、生产管理和调度命令等。profibus现场总线的构成profibus存取协议可构成三种系统：纯主从系统；纯主主系统混合系统。它们由一级主站、二级主站和从站组成，提高了系统组态的灵活性。一级主站中央控制器，在预定的信息周期中与分散的从站交换信息，完成总线通信的控制和管理任务，通常为plc或pc机。二级主站操作员工作站、编程器和操作面板等，完成各站点的数据读写、系统配置和故障诊断等操作。从站传感器、执行部件、信息采集和发送设备等所有现场设备。多主站系统的主站之间按地址编号顺序，沿上行方向传送令牌，得到令牌的主站在规定的时间内拥有总线控制权，主从之间按主一从方式传送信息

43、。profibus现场总线的配置形式profibus现场总线的配置根据实际应用要求确定。单主系统。plc或控制器做一级主站，不设监控站，或者pc机加上profibus网卡做一级主站兼监控站。多主系统。plc或控制器做一级主站，pc机做监控站，pc机可经网卡直接与profibus总线连接或经串行口由rs-232/485与plc连接。2.2.1 profibus-dp的设备类型profibus-dp是一种经过优化的高速低成本通信连接，它的设计是专为自动控制系统与在设备级分散的i/o之间进行通信使用。它具有以下显著优点：采用数字化通讯，稳定、可靠；实现省配线化；传输精度高；高层的信息传输；功能分散、

44、危险分散；互换性、可操作性好。profibus-dp的主要应用区域在现场层，响应时间从几百s到几ms，它具有广阔的数据传输速率范围。传输的数据容量为每个报文多达244 bit，因而能用于大多数工业领域。它不需要改变硬件就能有低速和高速的传输速度。profibus-dp协议结构第一层（物理层）使用两种传输技术：eiars-485和光纤。第二层（数据链路层）使用了令牌总线和主一从方式的混合介质存取控制方式。第七层（应用层）是用户接口，规定了用户、系统以及不同设备可调用的应用功能，定义了dp的功能、行规及扩展功能。根据实际设计需要，本系统采用profibus-dp。每个profibus-dp系统包括

45、以下三种不同类型的设备：dp主站类型1：它是profibus-dp应用的中心部件，在一个规定的、重复的信息周期内，中央控制器或pc机与分布式从站（dp从站）交换信息。非循环传输的数据与循环的测量值相比不是经常变动的，因此这种数据与快速循环的有用数据一起传输，但它以较低的优先级传输。主站中的中断确认保证由dp从站来的中断可靠传输。dp主站类型2：这种类型的设备（如编程器、组态设备或操作设备）用于dp系统的启动、组态或用于正常运行过程（如诊断）中的系统操作。此类型的主站可以读取由设备来的输入、输出、诊断和组态数据。dp从站：一个dp从站是一个i/o设备，它读取输入信息并向i/o提供输出信息，输入和

46、输出信息数取决于设备类型，最大为244字节。2.2.2 profibus-dp的通信协议profibus-dp现场总线采用了osi模型的物理层、数据链路层。其传输速率为9.6kbps12mbps，最大传输距离在12mbps时为100m，在1.5mbps时为400m，可用中断器延长到10km。其传输介质既可以是双绞线，也可以是光缆，最多可挂接127个站点。profibus-dp物理层与iso/osi参考模型的第一层相同，采用eia-rs485协议，根据数据传输速率的不同，可选用双绞线和光纤两种传输介质。profibus-dp数据链路层协议媒体访问控制（mal）部分采用受控访问的令牌总线（toke

47、n bus）和主从方式。令牌总线与局域网ieee8024协议一致，令牌在总线上的各主站间传递，持有令牌的主站获得总线控制权，该主站依照关系表与从站或与其它主站进行通信。主从方式的数据链路协议与局域网标准不同，它符合hdlc中的非平衡正常响应模式（nrm）。该模式的工作特点是：总线上一个主站控制着多个从站，主站与每一个从站建立一条逻辑链路；主站发出命令，从站给出响应；从站可以连续发送多个帧，直到无信息发送、达到发送数量或被主站停止为止。数据链数中帧的传输过程分为三个阶段：数据链路建立、帧传输和链路释放。综上所述可知，profibus-dp的实时性远高于其它局域网，因而特别适用于工业现场。经过综合

48、比较前面几种网络，并考虑到废水处理厂实际应用需要，选择了profibus现场总线网络作为上位机（ipc）和下位机（plc）之间的通信网络。同时，因为现场总线控制系统对现场自动化设备的要求较高，而现阶段由系列智能节点构成统一的现场总线系统价格昂贵且难以实现。3 污水处理流程及其控制设计3.1污水处理工艺流程污水处理就是利用各种不同的方法，将污水中所含的污染物质分离或者将其转化为无害物质，从而使污水得到净化的过程。污水处理的方法很多，按照净化程度，分为一级处理、二级处理和三级处理。一级处理主要是采取物理的方法，去除悬浮物和部分有机物，但水质还不能达到标准，需要进行二级处理。二级处理是在一级处理的基

49、础上，进一步采用生物法或化学法或物化法去除水中的胶体及溶解性物质，对有机物的去除可达80-90，水质已经大幅改善，一般均可以达标排放，但对某些难降解的有机物如氮、磷以及重金属等还不能有效的去除。三级处理是为了进一步去除难以降解的物质和氮、磷，控制水体的富营养化，在一二级处理的基础上，进一步采取活性炭、离子交换、电渗析、臭氧氧化等方法进行的净化处理。污水处理是一项系统工程，一般不可能采取单一的方法达到要求，都是采用几种方法组合成为一套工艺流程才能达标。至于采用什么样的方法，组合成一个什么样的工艺流程，则需要根据污水的水质、流量、污水中的污染物种类、可回收利用的价值、处理后的排向、处理程度等多项指

50、标，经过复杂的技术经济分析比较后才能确定。污水处理是系统工程的组合，一般是遵循先易后难、先简后繁的规律。即首先去除大块的杂物，然后再依次去除悬浮固体、胶体物质和溶解物质。先采用物理方法，然后再使用化学方法和生物法。典型的一、二、三级处理工艺流程图见图3-l、图3-2和图3-3：在一般的城市污水的三级处理体制中，一级是预处理，二级是主体，三级是精制。在各种处理方法中，目前生物处理方法仍是整个城市污水处理的主流。这是因为，从整个城市污水处理的发展来看，一级处理技术最老，已经相对定型，三级处理虽然处于发展阶段，但是所用的技术费用较高，只有生物法这一部分，近百年来始终发展变化不止，至今仍方兴未艾。3.

51、2污水一级处理(污水预处理) 污水一级处理，一般可以分为：调节段、格栅段，除砂段和初沉段，某些工艺中还包括撇油、捞毛等特殊处理段，此处不再细述。调节段调节段由一个或者数个调节池组成，用于均衡调节污水水量和水质。另外，调节池还可以起到临时储存事故排水的作用。格栅段格栅段一般由数套格栅机组成，在一些特殊情况下，还包括有筛网。格栅机由一组平行的金属或者非金属栅条制成，一般呈60"-75度倾斜安装于污水入口渠道或者提升泵集水池进口处，用来截留大块的固形物，如草木、树叶、纤维、毛发、果皮木屑、菜叶、塑料制品等，防止管道阀门和泵类设备堵塞损坏。除砂段除砂段一般由沉砂池和砂水分离器组成。从污水中分

52、离出密度较大的砂粒等颗粒的构筑物叫做沉砂池，其沉淀特性属于自由沉淀。在沉淀过程中，颗粒自由沉淀，互不干扰；沉淀图呈直线；颗粒形状及大小密度等不会发生变化。沉砂池一般设置在虹吸管、泵站、沉淀池前，保护水泵和管道免受磨损和堵塞，减轻沉淀池负荷。初沉段初沉段由一座或者数座沉淀池组成。沉淀池是利用重力作用将密度比水大的浮物从水中去除的处理构筑物，一般位于调节池、格栅和沉砂池之后，主要去除以无机物为主体的密度大的固体悬浮物。3.3污水二级处理(生物处理)污水二级处理，包括污水生物处理、沉淀和化学处理三个过程，其中污水的生物处理是核心。沉淀和加药两个过程均在为处理后的水体排放做准备。污水的生物处理，就是在

53、利用微生物自身新陈代谢的生理功能的基础上，采取一定的人工措施，创造有利于微生物生长繁殖的良好环境，加速微生物的增殖及其新陈代谢的生理功能，从而使污染物得到降解和去除的一种污水处理方法。污水的生物处理主要是去除污水中溶解的胶体状态的有机污染物，可以分为好氧生物处理和厌氧生物处理两大类。好氧生物处理应用比较广泛，可适合大多数的城市污水：厌氧生物处理主要应用于高浓度的有机废水处理和污泥处理。其中好氧生物处理法中的活性污泥法，又是生物处理的核心。“活性污泥”是指栖息着具有强大生命力的微生物群体的污泥，这些污泥由于微生物群体的新陈代谢作用，有着降解去除水体中有机污染物的作用。活性污泥法的实质是以存在于污

54、水中的有机物作为培养基，向污水中投加活性菌种并同时供氧曝气，对各种微生物群体进行混合连续培养，通过凝聚、吸附、氧化、分解沉淀等过程去除水中的有机污染物。传统的活性污泥法工艺流程见图3-4如下：活性污泥法，自1914年在英国的曼彻斯特市开创以来，历经近一个世纪的发展，衍生出多种运行方式，常见的有：传统活性污泥法、阶段曝气法、生物吸附法、完全混合法、延时曝气法、渐减曝气法、深井曝气法、纯氧曝气法、高负荷活性污泥法、浅层曝气法等十余种。这些运行方式各自有各自的优势和适应范围，但是也存在一些不足。多年来有关专家和学者进行了许多改进发展，在净化功能方面，改变了传统的一降解有机物为主要功能的运行模式，在脱

55、氮除磷方面取得显著成果，提出了缺氧一好氧(a，-0)的脱氮工艺、厌氧一好氧(a：一0)除磷工艺和厌氧一缺氧一好氧(a2-0)的脱氮除磷工艺，另外还提出了间歇式活性污泥法(sbr和改性sbr)、两级活性污泥法(ab法)和氧化沟法(od)等，将在下节详细叙述。sbr污水处理工艺sbr是一种活性污泥法运行方式。普通的活性污泥法是连续运行的，而sbr污水处理工艺中的活性污泥法是间歇运行的，又称为间歇式活性污泥法，其工艺流程见图3-5进水初次沉淀池反应池间歇暴气出水 图3-5 sbr工艺流程图该工艺省去了二次沉淀池和调节池，曝气池容积也小于连续式，基础建设费用和运行费用都较低，同时还可以完成脱氮除磷的功

56、能，并且不需要污泥回流。该工艺的工作过程是：在较短的时间内把污水加入到反应器中，并在反应器充满水后开始曝气，污水中的有机物通过生物降解达到排放标准之后停止曝气并且在沉淀一段时间以后将上层清液排出。这个过程可以概括为：短时间进水>曝气反应>沉淀>排水>进入下一个周期。sbr的核心是反应池，该池集水质均化、初次沉淀、生物降解、二次沉淀等功能于一体，整个工艺简洁，运行操作可以通过自动控制装置完成，管理简单，投资较省。由于在实际过程中的污水一般都是连续排放的，在实际运行中的处理系统都是设置两个或者多个反应器交替运行，因此污水会按照顺序依次进入各个反应器，各个反应器相互协调完成污水进化功能，但对每个反应器来说是间歇进水和间歇排水。和传统的污水活性污泥法相比较，sbr工艺只是在生化处理(二级处理)方面有区别，对于污水预处理和污泥处理，sbr和传统的活性污泥法是完全一样的。sbr工艺适合