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1引言

本文以佛山市南海区盐步污水处理厂为例，介绍了以cass池为工艺的城市污水处理的流程，并通过研究设计一套基于plc控制的污水处理系统。

2工艺流程

进入污水厂的污水首先经过粗格栅过滤去除直径较大、较长、较硬的漂浮物，诸如木棍、大块的泡沫塑料或海绵等，然后进入粗格栅间，由提升泵房提升后进入细格栅间。污水在细格栅作进一步的细过滤，之后流入沉砂池，旋流式沉砂池除砂机在驱动装置的驱动下，池中搅拌叶轮旋转产生离心力，使水中粒径0.2mm以上的砂粒沿壁及池底斜坡集于池底的集砂斗中，同时将砂粒上粘附的有机物分离下来，完成一级处理；从沉砂池出来的污水进入cass池进行二级生化处理，利用池内活性污泥中的微生物在厌氧和好氧等不同条件下的新陈代谢作用去除污水中溶解的cod及氮、磷等有机污染物，经重力浓缩池分离污泥和污水，污泥通过污泥浓缩处理之后作为泥饼外运，污水经紫外消毒后排出。流程图如图1所示。

图1 流程图

3cass工艺介绍

cass（cyclic activated sludge system）工艺是近年来国际公认的处理生活污水及工业废水的先进工艺。整个工艺的曝气、沉淀、排水等过程在同一池子内周期循环运行，省去了常规活性污泥法的二沉池和污泥回流系统，建设费用低；由于曝气是周期性的，池内溶解氧的浓度也是变化的，沉淀阶段和排水阶段溶解氧降低，重新开始曝气时，氧的浓度梯度大，传递效率高，节能效果显著，运转费用低；同时可连续进水，间断排水，效率高，出水水质好。

cass池分预反应区和主反应区。在预反应区内，微生物能通过酶的快速转移机理迅速吸附污水中大部分可溶性有机物，经历一个高负荷的基质快速积累过程，这对进水水质、水量、ph和有毒有害物质起到较好的缓冲作用，同时对丝状菌的生长起到抑制作用，可有效防止污泥膨胀；随后在主反应区经历一个较低负荷的基质降解过程。cass工艺集反应、沉淀、排水功能于一体，污染物的降解在时间上是一个推流过程，而微生物则处于好氧、缺氧、厌氧周期性变化之中，从而达到对污染物去除作用，同时还具有较好的脱氮、除磷功能。cass池的剩余污泥通过污泥浓缩处理之后作为泥饼外运，污泥处理过程中排出的污水进行除磷后再返污水处理系统处理。

cass法是在间歇式活性污泥法（sbr法）的基础上演变而来的，其工作原理如图2所示。

图2 工作原理图

在反应器的前部设置了生物选择区，后部设置了可升降的自动滗水装置。其工作过程可分为曝气、沉淀和排水三个阶段，周期循环进行。污水连续进入预反应区，经过隔墙底部进入主反应区，在保证供氧的条件下，使有机物被池中的微生物降解。根据进水水质可对运行参数进行调整。

4工艺自动化

4.1通讯体系

佛山市南海区盐步污水处理厂自控系统的系统结构由三层网络组成，包括管理级、控制级、现场级。系统的三层网络分别为基于tcp/ip协议的高速以太网、工业以太网络、现场总线网。1台操作站，1台工程师站，1台大屏幕投影仪向上接入全厂管理系统网络；工业以太网为冗余光纤网络，以光缆为通信介质，连接2个plc现场控制站，每个现场工作站配置有各自的电源，通讯模块，接口模块，同时将所有带智能通讯接口的仪表设备、以及设备自带小闭环系统接入系统中。为了提供报表、报警打印服务，配置两台打印机，实现各种报表以及实时报警和报警历史的打印功能。操作站和工程师站计算机相互在线冗余，向下通过光纤网络对各现场监控子站进行监视。建立在bbbbbbs 2000/xp基础上的组态软件提供了功能全面、简单易用的操作界面，操作人员通过上位机实现对全厂生产过程、工艺参数和设备运行状态进行实时监控。系统网络结构图见图3。

图3 系统网络结构图

4.2管理界面

其中plc1站负责粗格栅、提升泵、细格栅、漩流沉砂池、紫外线消毒、进出水仪表小屋、计量井、变电所设备状态检测、数据采集和控制。plc2站负责鼓风机房、cass生物反应池、重力浓缩池、污泥脱水系统设备状态检测、数据采集和控制。中控界面之一如图4所示。

图4 中控界面之一

 4.3控制方式

从系统完成的控制功能来说，系统采取三级控制层：手动、自动以及中央监控。手动控制具有高的控制优先级，由就地电控柜的控制按钮完成；自动控制是指由plc控制器按照预先设计的程序对设备进行自动控制，控制级别高于中央控制；中央监控管理站监控是指中控室根据生产要求对生产过程进行调度，调度指令通过控制网络由现场plc控制站实施。

这样的设计使生产运行更加安全、可靠，如果上位机或网络发生故障，不会影响现场plc站的工作，而且如果现场控制站plc出现故障，操作人员也可以通过手动控制按钮完成设备的启停。

一般设备的监测参数主要有运行、故障、现场“手动/自动（远控）”转换开关位置指示，重要设备增加其运行监测参数提供更详细的工作状态。对于使用较频繁或有控制指标反馈的设备，plc根据参数设定值自动完成设备的开停，对不经常使用的设备，plc按照中控室操作人员的指令工作，所有被控设备均具有中控室监控计算机的远方手动功能。当设备处于远控方式时，plc对所控的设备采取故障保护措施，设备处于手动控制方式时，由现场电气控制箱对设备采取故障保护，但是系统不论在哪一种控制方式，中央监控管理站都会监测到设备和生产的运行情况，出现故障会报警提示。

cass池工艺分4个周期控制，如下：

（1）曝气阶段：由曝气装置向反应池内充氧，此时有机污染物被微生物氧化分解，同时污水中的nh3-n通过微生物的硝化作用转化为no3--n。

（2）沉淀阶段：此时停止曝气，微生物利用水中剩余的do进行氧化分解。反应池逐渐由好氧状态向缺氧状态转化，开始进行反硝化反应。活性污泥逐渐沉到池底，上层水变清。

（3）滗水阶段：沉淀结束后，置于反应池末端的滗水器开始工作，自上而下逐渐排出上清液。此时反应池逐渐过渡到厌氧状态继续反硝化。

（4）闲置阶段：闲置阶段即是滗水器上升到原始位置阶段。

cass反应池通常按曝气、沉淀、排水和闲置四个阶段根据时间依次进行，连续进水，间断排水。cass在反应阶段是曝气的，微生物处于好氧状态，在沉淀和排水阶段不曝气，微生物处于缺氧甚至厌氧状态。因此，反应池中溶解氧是周期性变化的，氧浓度梯度大、转移效率高，这对于提高脱氮除磷效率、防止污泥膨胀及节约能耗都是有利的。实践证实对同样的曝气设备而言，cass工艺与传统活性污泥法相比有较高的氧利用率。

5结束语

该工程于2009年2月份开始实施，2009年5月份设备移交厂方运行，迄今为止其自控系统运行稳定、数据准确、出厂水质符合国家标准。系统投入使用后，操作人员在中央管理中心就能够全面了解整个工厂的运行情，并能对泵阀等主要设备根据预先设定好的参数进行自动控制，大大降低了值班员的劳动强度。该系统的投运解决了值班人员劳动强度大、操作易出错、出水水质不稳定、生产过程无法集中监控的问题，并取得了很好的社会效益和经济效益。

  工业以太网是一个功能强大的区域和单元网络，符合 IEEE 802.3（以太网）和 802.11 a/b/g/h（无线局域网）标准，可用于工业应用。以太网是用于联网*基本的因特网技术。
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  编程器/OP 通讯  
  包括集成的通讯功能，可通过 SIMATIC、SIMOTION 和 SINUMERIK 自动化系统与每个 HMI 设备和 SIMATIC 编程器（STEP 7）进行数据通讯。PROFINET/工业以太网和 PROFIBUS 支持编程器/OP通讯.
  S7 通讯  
  S7 通讯是一项用于 S7-400 的集成通讯功能（系统功能块），或用于 S7-300 的可装入功能块，这项功能已经在 SIMOTION、SINUMERIK 和 SIMATIC S7/WinAC 环境下进行了优化。它可用于连接 PC 与工作站。 每个作业的用户数据量*大为 64 KB。
S7 通讯提供简单、功能强大的通讯服务以及与软件接口无关的网络。
  开放式通讯  
  通过开放式通讯 (SEND/RECEIVE)，SIMATIC S7 控制器可与其他 SIMATIC S7 和 SIMATIC S5 控制器（S5 兼容通讯）、PC 和第三方系统进行通讯。 另外，为了方便地连接 HMI 站，还提供有 FETCH 和 WRITE 功能。
   　　完成国家对项目的匹配要求，额外再予以*高800万元专项补助。此外，还大力推进自主创新成果产业化。对掌握核心技术、市场前景良好并在海沧实施的产业化项目，通过多元化扶持方式予以支持，按项目软硬件投入的30%给予补助，*高500万元。
  工业以太网全面概述
  标准通讯  
  这由标准化的数据通讯协议组成，如 FTP。
  PROFIsafe
允许在同一条总线电缆上进行标准和安全相关的通讯。它是一种标准总线上的开放式故障安全通讯解决方案，且利用了 PROFINET 服务。
  OPC（开放性、高效性、协作性）
是一个标准化、开放式、跨供应商的软件接口。它允许将 OPC 兼容的 Windows 应用程序连接到 S7 通讯、开放式通讯 (SEND/RECEIVE) 和 PROFINET。
  西门子公司基于电子邮件和 web 技术的信息技术
通过工业以太网将 SIMATIC、SIMOTION 和 SINUMERIK 与信息技术相整合。在办公环境中，电子邮件和 web 浏览器已成为广泛应用的通讯手段。除了电话线和因特网以外，工业以太网是主要的通讯路径。
  使用工业以太网的套接字接口，
可通过 TCP/IP 与 PC 进行数据通讯。使用这个在 PC 和 UNIX 系统通用的接口，用户可以自由将数据交换进行编程。SIMATIC S7 和 SIMATIC TDC 使用 SEND/RECEIVE 功能块（S/R）来访问 TCP/IP。

设备的控制卡（适配器）插接。通过更换这些插卡，可以对微机的相应子系统进行局部升级，使厂家和用户在配置机型方面有更大的灵活性。主板在整个微机系统中扮演着举足轻重的角色。可以说，主板的类型和档次决定着整个微机系统的类型和档次，主板的性能影响着整个微机系统的性能。
BIOS芯片：是一块方块状的存储器，里面存有与该主板搭配的基本输入输出系统程序。能够让主板识别
各种硬件，还可以设置引导系统的设备，调整CPU外频等。BIOS芯片是可以写入的，这方便用户更新BIOS的版本，以获取更好的性能及对电脑硬件的支持，当然不利的一面便是会让主板遭受诸如CIH病毒的袭击。
南北桥芯片：横跨AGP插槽左右两边的两块芯片就是南北桥芯片。南桥多位于PCI插槽的上面；而CPU插槽旁边，被散热片盖住的就是北桥芯片。芯片组以北桥芯片为核心，一般情况，主板的命名都是以北桥的核心名称命名的（如P45的主板就是用的P45的北桥芯片）。北桥芯片主要负责处理CPU、内存、显卡三者间的“交通"，由于发热量较大，因而需要散热片散热。南桥芯片则负责硬盘等存储设备和PCI之间的数据流通。南桥和北桥合称芯片组。芯片组在很大程度上决定了主板的功能和性能。需要注意的是，AMD平台中部分芯片组因AMD CPU内置内存控制器，可采取单芯片的方式，如nⅥDIA nForce 4便采用无北桥的设计。从AMD的K58开始，主板内置了内存控制器，因此北桥便不必集成内存控制器，这样不但减少了芯片组的制作难度，同样也减少了制作成本。现在在一些主板上将南北桥芯片封装到一起，只有一个芯片，这样大大提高了芯片组的功能。
RAID控制芯片：相当于一块RAID卡的作用，可支持多个硬盘组成各种RAID模式。目前主板上集成的RAID控制芯片主要有两种：HPT372 RAID控制芯片和Promise RAID控制芯片。
扩展槽
所谓的“插拔部分"是指这部分的配件可以用“插"来安装，用“拔"来反安装。
内存插槽：内存插槽一般位于CPU插座下方。图中的是DDR SDRAM插槽，这种插槽的线数为184线。
AGP插槽：颜色多为深棕色，位于北桥芯片和PCI插槽之间。AGP插槽有1×、2×、4×和8×之分。AGP4×的插槽中间没有间隔，AGP2×则有。在PCI Express出现之前，AGP显卡较为流行，其传输速度

可达到2133MB/s(AGP8×）。
PCI Express插槽：随着3D性能要求的不断提高，AGP已越来越不能满足视频处理带宽的要求，目前主流主板上显卡接口多转向PCI Exprss。PCI Exprss插槽有1×、2×、4×、8×和16×之分。注：目前主板支持双卡：（NⅥDIA SLI/ ATI 交叉火力)
PCI插槽：PCI插槽多为乳白色，可以插上软Modem、声卡、接受卡、网卡、检测卡、多功能卡等设备。CNR插槽：多为淡棕色，长度只有PCI插槽的一半，可以接CNR的软Modem或网卡。这种插槽的前身是AMR插槽。CNR和AMR不同之处在于：CNR增加了对网络的支持性，并且占用的是ISA插槽的位置。共同点是它们都是把软Modem或是软声卡的一部分功能交由CPU来完成。这种插槽的功能可在主板的BIOS中开启或禁止。