污水处理自控系统Word文档格式.docx
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第一章绪论
1.1课题提出及意义
水污染是世界各国的严重问题。
我国在近十余年内，国民生产总值翻了两番，但对环境的压力也是严重的。
经调查，我国不仅缺水（人均占有量仅为世界人均量的1/4）。
而且，重要河流和湖泊的污染情况也很严重和普遍的。
据1995年公布的资料，重要河流中仅有不到1/3河段可以符合我国规定的可作为饮用水水源的标准，而大城市附近的水域有90%以上受到严重污染。
缺水和水源污染已成为影响我国经济持续发展的重要因素。
因此1996年国务院召开的全国环保工作会议做出了决定，凡人口500万以上的城市，都要建立城市污水处理厂，而且规定排污水应收排污费。
工业发达国家、美国、德国、日本、澳大利亚等城市的污水的处理基本上普及，平均一万多人口就有座城市污水处理厂。
城市生活污水及大部分工业污水中都会有氮磷。
平均每人每天排泄物中含氮16克，磷3克，洗涤剂来源的磷每人每天约2克。
焦化厂的炼焦废水，化肥厂、石化厂、晴纶厂、酿酒厂、皮革厂、制药厂等的废水中含有大量氮。
食品加工、发酵、产品加工、化肥工业、洗涤剂、金属抛光等废水中含有大量的磷。
农田中施用的氮、磷肥料，一部分被植物吸收外，其于随雨水流入河道。
家畜家禽的废弃物和排泄物含有大量磷、氮也都进入水体。
上述氮、磷污水物进入水体中，造成水体富营养化问题，增加了给水处理成本。
另原态氮会造成水体黑臭，化合态氮对人及生物有种种毒害作用。
为此，对污水处理已普遍要求脱氮除磷。
中小城镇以及工厂，宾馆等单位的污水处理，由于污水的排放量不大，没有必要集中到大的污水处理，而且对于这些单位来说处理的目的是允许被排放。
所以一种中小规模的污水处理系统更能给适应他们的需要。
在此问中涉及到的污水处理系统主要就针对氮、磷处理的中小规模的箱体式系统，经系统处理后的排放水质，达到排放标准，可以排入敏感水源以及作为非饮用水的其他用途。
改革开放以来，随着经济建设的高速发展，人们普遍重视对环境的保护和治理，国人环保意识普遍增强。
在污水处理工艺和技术方面，国内企业做出了积极的努力，取得了喜人的成就，只是由于起步较晚，在污水处理设备的自动化方面与发达国家相比还存在较大的差距。
因此，加强在污水处理设备自动化方面的研究无疑具有极其重要的意义。
1.2国内外发展现状
1.2.1国内发展现状
近年来，随着水环境污染的加剧和人们对水的质量日益增长的要求，城市污水处理厂的建设日益受到重视，国家甚至把城市污水厂建设作为拉动国民经济增长的重要手段。
九五期间开工建设的城市污水厂200个，总投资数百亿元，这表明了我国治理污水、改善环境的决心很大。
由于水的净化处理过程愈来愈复杂，操作控制愈来愈严格，手动操作难以达到要求，迫切需要相适应的自动控制系统来保证污水处理过程的稳定、可靠运行和优良的出水水质，同时降低电耗、药耗和人工成本，以实现污水处理的持续和经济运行。
目前国内建成的绝大部分大型城市污水处理厂采用了引进的先进工艺和设备，具有很高的自动化程度，为我国污水处理厂成功地应用自动化技术提供了范例，也使计算机控制系统在污水处理过程中所发挥的重要作用得到了普遍重视。
但引进设备的高昂代价和维护费用对国内污水处理厂的建设形成阻碍，面对国内污水处理厂的不断建设和污水处理工艺的快速发展，开发和设计符合我国国情的污水处理厂计算机控制系统已势在必行。
据有关资料表明，全国532条河流有436条受到不同程度的污染。
虽然全国大江大河干的水质状况基本良好，但流经城镇的河段污染较重。
统计的131条流经城市的河流中，严重污染的有26条，重度污染的有1条，中度污染的28条。
其中符合I类标准的9条，符合Ⅱ类标准的4条，符合Ⅲ类标准的46条，属于Ⅳ、V类标准的72条。
当前我国饮用水资源符合或基本符合饮用水标准的只占约30%，在以地下水为饮用水源的城市中，77.8%受到不同程度的污染。
在全国666座城市中，缺水城市就达333座，其中严重缺水108座，我国每天缺水1600万立方米。
缺水造成了生态环境的严重恶化，水污染又加剧了水资源的供求矛盾.目前，我国每年废水排放量约800亿立方米，预计2000年将达到1428亿立方米，其中80%是城市污水，大部分未经处理直接排入水体，造成水源、特别是地表水污染。
因此，大力提倡节约用水和建设城市污水处理工程是我国目前控制水污染的必然措施。
1.2.2国外污水处理厂自动控制系统的研究现状
国外发达国家由于经济发展较早，水资源不足和污染的问题也较早得到重视。
现在一些发达国家经过数十年的努力，城市污水处理率达到80%-90%以上，城市水污染大大缓解，水体水质明显改善。
同时，各污水处理厂的工艺和技术水平也得到较大提高。
以美国为例，美国水法规定到1977年城市污水处理厂都要求达到二级处理出水水质，既连续30天的处理出水水质BOD5与SS的平均浓度均应小于30mg/L,BOD5,S去处率大于85%。
实际上，至1982年，全美64%的河流以达到使用水质的目标和要求。
有关资料表明1980年美国共建有污水处理厂15251座，其中二级以上的处理厂10546座，占总数的69.2%，城市污水处理厂人口普及率71%,1990年达22260座，预计到2000年将达到92%。
欧洲一些国家的城市污水处理厂普及率则更高，目前为止，瑞典建有近2000座城市污水处理厂，95%的居民生活污水都经过二级处理，另外5%的居民生活污水也都有自己的一些处理方式，也能达到满意的出水标准，因此，可以说，瑞典目前的生活污水已经是100%处理后排放。
BOD和总磷污染负荷大大降低，BOD和总磷去除率已达90%以上，河流的污染水平全部达到40年代的污染水平。
随着城市污水处理厂的大规模兴建，污水处理工艺的不断完善和复杂化，国外污水处理厂自动控制水平也迅速提高。
特别是近二十年间，计算机和网络控制技术的快速发展使污水处理厂的自动控制水平也相应地发生了本质变化。
1.3课题研究内容及实施方案
此课题的研究目的在于解决工业污水中污染负荷高、技术难度大的高浓度有机废水处理问题，开发适合多类废水、多种规模、不同处理工艺的多元模块化组合式系列设备，实现水处理设备标准化、系列化，从而提高集约化程度。
并且对硬件、软件两方面可能产生的系统干扰提出了相应一些应对措施。
本课题主要采用单片机（单片机为ATMEL公司的89C52）以及XICOR公司的X25645芯片核心，整个系统分三个部分放置，本地控制器单独放在一个铁箱中与电器驱动部分开，以达到最好的隔离效果，远程控制机放置在机房中，实施远端控制。
第二章系统设计
2.1污水处理简介
在计算机控制系统设计中要求具有功能齐备、投资小、适用性强、调整灵活等优点，并且要求和浮选工艺相适应，为污水厂经济运行提供条件。
污水处理厂的工艺特点要求控制系统必须能够兼顾流程和单元控制，单元控制是计算机控制系统的基础，是实现系统优化控制的条件，因此有必要对污水处理厂重要环节的单元控制方法进行研究和开发。
根据某污水处理厂工艺特点，在某污水处理厂工程实施过程中，我们对主要处理单元的控制方法进行了相应的分析和研究。
以下是针对相应污水处理所需的硬件、软件要求。
2.2控制系统硬件总体结构
下图所示为控制系统的硬件结构图：
图2-1控制系统的硬件结构框图
具体介绍如下：
（1）单片机为ATMEL公司的89C52，它虽然价格便宜，却提供了作为中小规模控制器所需的硬件资源。
8K的EEPROM程序存储器
256BYTE的RAM
两个外部中断输入
两个定时器
一个全双工串口
三个通用I/O并口
它完全自控系统的流程控制，用户界面控制，异常报警以及远程通讯。
（2）时钟芯片为DALLAS公司的DS1302，它为控制器的流程提供时间基准。
由一个3.6伏的电池作后备电源。
（3）XICOR公司的X25645芯片是一块功能较强的芯片，它同时能提供电源检测，看门狗，非易失存储器的功能。
在电源故障或控制器程序跑飞时自动输出复位信号。
而控制器的各种数据也都存在芯片区。
（4）LCD液晶显示器为240×
64点阵显示器，作为控制器显示界面。
控制器的键盘有四个控键，它们是“上”，“下”“确定”，“功能”键。
（5）开关信号为污水的液面传感器指示。
在进不和排水过程中，要检测水位的变化，以免进水过多或排水过量。
（6）固体继电器受控制信号控制来驱动电器动作。
（7）电器的运作情况通过隔离传感器返回控制系统。
（8）水质传感器包括酸碱度传感器的溶解氧传感器。
（9）AD公司的ADM202E为控制器的远程控制提供标准的RS232串行通讯渠道。
整个系统分三个部分放置，本地控制器单独放在一个铁箱中与电器驱动部分开，以达到最好的隔离效果。
远程控制机放置在机房中，实施远端控制。
2.3硬件设计
针对本课题的特定情况，结合前面讨论的抗干扰措施，在设计上采取了一系列的方法，详述如下：
2.3.1元件的选择
由于控制系统工作于室外，环境变化比较大，因此在元件的选择上要有一些考虑。
首先要采用工业级的元件。
其次在元件参数上要保留一定的冗余。
例如，控制器的电源是控制器正常工作的首要保证，它应有很宽的工作温度范围。
又如，电器的驱动和隔离由固体继电器完成，由于它驱动的电机等电器工作电流存在一定范围的变化，特别在启动是会有较大的电流冲击。
因此固体继电器驱动电流选为电机正常工作电流的两部以上。
第三选用工作方式可靠的器件
通用芯片一般都有串行接口和并行接口两种，在对方向速度要求不高的情况下，选用串行接口方式不但连接简单，而且由于串行接口的操作时序比并行方式更为严格，所以抗干扰的能力更强。
本设计中存储器，时钟芯片和A/D变换芯片时，都采用了SPI接口的芯片。
另外选择锁存芯片时最好使用电平有效的芯片，这样在操作时可避免偶然的干拢。
2.3.2系统监测
当电源出现故障时或单片机由于某种原因跑飞时，整个控制系统会出现混乱。
看门狗电路是修正错误的良好方法，XICOR公司的X25645芯片，它集成了一个看门狗电路的工作愿望。
低电压检测复位电路以及8KBYTE的EEPROM。
用它可完成系统监测。
X25645和单片机的连接如图2-2所示：
图2-2看门狗芯片与单片机的连接图
图2-3为看门狗的复位时序，X25645中有一个定时器，可以定时产生时钟中断。
产生中断的时限（TWDO）由内部状态寄存器的两个bit位决定分别可设置为1.6S，600ms，300ms时限监视或监视功能无效。
正常情况下单片机控程序中插入将CS信号置低的指令，因此单片机会在一定时期内将CS信号置低，当CPU工作异常时，不能正常执行程序流程时就不会置低CS。
当CS脚在TWDO时间内未出现下降沿，则定时器产生中断，RESET管脚会输出长度为TRST的复位信号，同时看门狗电路自身也复位。
图2-3看门狗的复位时序
X25645还是一个电源监视模块。
当电源低于门限电压（Vtrip）时，RESET脚会保持复位状态。
当电源恢复正常后，复位信号撤消。
值得注意的是因为单片机要求复位信号保持两个机器周期，这样如果我们单纯使用RC上电复位电路可能会出现复位不可靠的情况。
而X25645复位信号会持续一段时间（Tupres），以保证CPU可靠复位。
图2-4工作电源与复位输出的关系图
2.3.3闭环检测
因为动力电器是比较容易出现问题的部分，而它又是控制实现的关键，因此有必要对其进行检测，设计中使用隔离传感器监测电器的工作电流，并通过A/D反馈回控制器。
隔离传感器是30A/10Ma的无源电流传感器，当工作电流小于或大于正常工作电流时，说明电器工作异常，控制器报警并停止动作。
2.3.4控制系统与外界的隔离
控制器开关电源带有两组独立输出，5伏供控制器使用，12伏供光耦外端的电路使用，电源输入与输出，两组电源输出之间，电源同外壳之间都有1.5千伏的绝缘强度。
对于开关信号通路，为防止强信号馈入，使用光耦的开关来隔离。
对于输出驱动信号除光耦隔离外，再使用固体继电器实施二次隔离。
对于模拟信号通道，使用线性光耦隔离，如图3-5为线性光耦的内部结构和外部电路。
图2-5线性光耦的内部结构和外部电路
图中上方的二级管为发光二极管，下方为两只光敏二极管，它们的电流转换比分别为K1和K2;
K1,K2≈1%，为达到输入输出电压的线性，左边的光敏二极管为运放提供反馈控制信号。
公式如下：
K1，K2≈1%；
K3=K2/K1；
Vi=Va
Va≈Vb；
（有负反馈）
Vb=1P1*R1;
Vo=1P2*R2;
Vo=K3（R2/R1）Vi;
值得注意的是由于电流转换比只有1%左右，因此在选择R1，R3的阻值得要满足1P1/IF大约为1%，这样电路才能工作在有效范围内。
对于远程通讯接口，使用AD公司的ADM202E芯片，它是RS-232标准接口芯片，自身就带有土15千伏的ESD保护。
通过以上措施，使控制器与外界实现了电隔离。
2.3.5防浪涌电压
本控制器有16路模拟输入通道。
模拟通道需采用线性光耦隔离，如16路同时加入光耦，一则成本不合算，二则由于并行接入多的光耦会增加耦合电容值，反而降低信号能道的隔离性。
所以信号先经多路转换，再进行隔离。
这样多路转换，输入放大电路就直接和信号接触，未受任何保护。
设计中采用在每路信号线上并接瞬变电压掏二极管（TVP，TRANSIENTVOLTAGESUPPRESSOR）的方式这些电路实施保护。
TVP的外形与普通二极管无异，但却能“吸收”高达数千瓦的浪涌功率。
它具有体积小、功率大、响应快、无噪声、价格低等诸多优点。
TVP的工作很可靠。
即使长期承受重复性大脉冲的高能量冲击，也不会出现所谓的“老化”问题。
试验证明，TVP安全工作于10000次脉冲后，其最大允许脉冲功率仍为原值的80%以上。
2.3.6温度补偿
由于控制器工作于室外，所以必须考虑温度变化对系统的影响。
其中水质传感器对温度变化较敏感，使用带温度被偿的酸碱度和溶解氧传感器可克服这一问题。
2.3.7掉电保护
目前流程的设计是按时钟严格执行，因此在掉电保护方面，只对时钟芯片提供后备电源，后备电源为—3.6伏的可充电电池，当电源正常时，电路给电池充电，当停电时由电池为时钟芯片供电。
而时钟芯片会自动判断电源脚和备用电源脚的电压值，以电压高的一个电源作为其电源输入。
其电路如图2-6：
图2-6备用电源电路
2.3.8按键电路及按键消料
无论是按键或键盘都是利用机械触点的合、断作用，一个电压信号通过机械触点的闭合、断开过程，其波形如图2-7所示。
图2-7按键的动作示意图
由于机械触点的弹性作用，在闭合及断开瞬间均有抖动过程，会出现一系列负脉中。
抖动时间长短，与开关的机械特性有关，一般为5～10ms。
按键的稳定闭合期，由操作人员的按键动作所确定，一般为十分之几秒至几秒时间。
为了保CPU对键的一次闭合，仅仅、做一次键输入处理，必须去除抖动影响。
通常去抖动影响的措施有硬、软件两种。
硬件方式是用按键与触发器或单稳态电路构成去抖动电路。
采用软件除去抖动影响的方法是检测到有键按下时，执行一个10ms的延时程序后再确认该键电平是否仍保持闭合状态电平，如保持闭合状态电平则确认为真正键按下状态，从而消除了抖动影响。
最后进行键值扫描。
键盘电路如下：
图2-8按键电路原理图
2.4软件设计
本地控制器的程序固化在89C52的8K程序存储器中，可独立地按固化的流程工作。
远程控制微机为普通的微机，程序运行在WINDOWS2000下，可对本地控制器的工作进行监测，记录数据以及修改一些工作参数。
2.4.1用户界面
2.4.1.1本地控制器界面
本地控制器的显示信息全部都显示在240×
64点阵液晶屏幕上，为简化操作只用简单的语句来表示信息。
液晶显示器背光在按键按下后会自动打开，在最后一个按键按下10秒后熄灭。
图2-9密码输入界面
进入功能选择时，控制器会提示输入密码，密码由16位“左”，“右”键组成，密码输入正确后，进入功能选择菜单。
此时用“左”，“右”键可改变菜单选项或设置值，用“确定”键确定输入。
图2-10本地控制器的功能选择界面
再次按下“功能”键，或10秒中之内无按键，控制器退回到工作界面。
本地控制器的工作界面如图2-11，液晶显示器显示酸碱度和溶解氧值，工作模式当前步骤以及剩余时间。
图2-11本地控制器的工作界面
图2-12本地控制器的报警
当控制器检查出来故障时，会用蜂鸣器报警，并将出故障的情况简要地显示在屏幕上。
2.4.2软件结构
2.4.2.1本地控制器软件结构与功能
1）编程语言的选择
设计中选用ATMEL公司的89C52单片机作为控制器，它属于51系列单片机，与INTEL公司的8051兼容。
8051系列单片机应用相当广泛，编程容易其控制功能也足以满足普通控制器要求。
加上ATMEL公司的系列单片机内置的程序存储器使的程序修改更加容易，保密性好，指令读取不占用口资源，因而是理想的控制器芯片。
为了提高开发效率，避免用汇编语言程序的烦琐，我们使用单片机C语言来开发。
C语言是一种结构程序设计语言，它支持当前程序设计中广泛采用的由顶向下结构程序设计技术。
此外，C语言程序具有完善的模块程序结构，从而为软件开发中采用模块化程序设计方法提供了有力的保障。
用C语言进行8051单片机程序设计是单片机开发与应用的必然趋势。
单片机程序设计以C语言为主，汇编语言为辅，汇编语言只在必要时才使用。
当然，在实际使用C语言编程时，也可考虑一些变通问题。
如在木控制器的程序设计中，对模拟信号进行AD采集时，得到的是整数值，而在显示器上显示时须转换为实际值，它是一个带一位小数的实数值。
本来在C器会加入大约2K字节的实数计算库函数到程序中：
89C52只有8K字节的程序存储空间，这显然是不可取的。
而如果采用取整和取余的方式计算，虽然过程复杂一点，却避免了加入过多的库函数。
2）控制器程序流程
控制器的工作流程由主流程和三个中断组成。
主流程循环执行，检查各种工作状态，并执行相应的动作。
中断处理程序则接受和处理各种中断信号。
中断优先级从高到低为定时中断，键盘中断，串口中断。
流程图见图2-13：
图2-13本地控制器流程
a.定时中断
定时中断为50ms定时器，产生定时中断时，中断程序首选复位定时计数器，同时更新秒，10秒，1分钟计数存储单元作为主程序流程控制参考。
b.键盘中断
键盘中断由外部中断0（INTO），外部中断1（INT1）组成，设置为下降沿信号触发，四个按键按两行两列接线，两根列线接在89C52的P1口上，置为低电平，两根行线接在INTO和INT1的输入上，并接上拉电阻。
当有某个按键接下时外部中断产生，中断程序等待10ms消抖后再次检查INT0，INT1输入脚电平如果仍然保持为低，则是按键输入。
依次置高列线判断输入电平，就可确定是哪个按键接下了，并保存在键值存储单元中，下面是第一行的两个键按下后触发外部中断0的响应程序，键值保存在Key中，Wait（）子程序为消抖延时，由于按键扫描和按键功能执行是分开的，中断程序首先会判断按键功能是否已执行，阻止上一按键还未处理又出现新的按键输入。
VoidKey_Rowl（）intrrupt0using3
{
if（Key==osoFF）
///makesurethekey
Wait（10）;
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