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1 引言

进入21世纪以来，我国人口数量快速增长，用水需求量明显加大，是我国城市可持续发展的主要矛盾之一，因此解决城市水资源缺乏和水环境恶化问题刻不容缓。而随着自动化技术在各行业的不断发展，污水处理行业的自动化水平也在快速提高。目前，在污水处理行业中多采用PLC控制器进行自动控制，上位计算机进行工艺参数监视和设置的系统控制模式[1]。本文以海兴县污水处理厂为例进行系统组成、功能等介绍。

海兴县污水处理厂设计规模为日处理污水二万吨，出水标准为一级A。水厂工程采用CASS+深度处理工艺CONTROL ENGINEERING China版权所有，厂区主要由格栅及沉砂系统、提升泵房、CASS池生物反应系统、曝气生物滤池系统、V型滤池系统及污泥浓缩系统构成。

2 污水处理控制系统的硬件设计

2.1 控制系统整体结构

污水处理厂自动化控制系统分为三级管理，包括生产管理级(中央控制室)、现场控制级(PLC控制站)及就地控制级。现场各种数据通过PLC系统进行采集，并通过主干通讯网络——工业以太网传送到中央控制室监控计算机集中监控和管理。同样，中央控制室监控计算机的控制命令也通过上述通道传送到PLC的测控终端，实施各单元的分散控制。

(1)生产管理级(中央控制室)

中控室管理层是系统的核心，完成对污水处理过程各部分的管理和控制，并实现厂级的办公自动化。通过高分辨率液晶显示器及投影仪可直观地动态显示全厂各工艺流程段的实时工况、各工艺参数的趋势画面，操作人员可及时掌握全厂运行情况。

(2)现场控制级(PLC站)

控制层是实现系统自动控制的关键。按照自动控制工艺要求，控制层的PLC通过程序控制整个污水处理厂的设备，实现对现场设备运行状态以及参数(如压力、流量、温度、PH值等)的采集，以及执行管理层的命令。

(3)就地控制级(设备层)

将现场控制箱上的“就地/远程”旋钮切换至“就地”位置，通过箱上的“启动/停止”按钮实现设备的就地启停控制。

2.2 下位PLC系统配置

海兴县污水厂自动控制系统采用北京和利时公司的LK系列PLC作为主控制器对生产过程进行监视和控制。模块式PLC控制系统的硬件部分主要包括CPU模块、I/O模块、通讯模块、电源模块、接口模块等，根据控制功能的复杂程度和控制对象的点号统计进行相应的配置。据统计，整个污水厂需要PLC控制的I/O点共829，共分四个PLC控制站：1#PLC站仅有一个主站;2#PLC站仅有一个主站;3#PLC站包括主站和一个远程从站;4#PLC站包括主站和两个远程从站。各个控制站的功能和分别如下：

(1)污泥脱水机房工作站——1#PLC控制站

负责采集水厂进水水质数据，以及格栅系统、旋流沉砂系统、污泥浓缩系统设备的状态采集和设备的控制。

(2)鼓风机房工作站——2#PLC控制站

负责采集CASS池水质数据，以及搅拌系统、滗水系统、曝气系统设备状态的采集和设备的控制。

(3)曝气生物滤池工作站——3#PLC控制站

负责采集曝气生物滤池水质数据，以及二次提升系统、曝气系统、反冲洗系统设备状态的采集和设备的控制。

(4)V型滤池工作站——4#PLC控制站

负责采集V型滤池水质数据，以及反冲洗系统、出水系统设备状态的采集和设备的控制。

总而言之，PLC 控制系统实现了主站与从站的数据交换及数据处理，主站对各个从站的监控和人机交互的可视性。

2.3 上位监控系统硬件配置

工程师和操作员站设立在中控室，其主要由两套互为冗余的操作站、一套投影仪、一台故障打印机、一台图表打印机、一套UPS电源组成。

中控室的两台监控操作站，其中一台为系统监控管理计算机，可对在污水处理厂的各类设备状态、工艺过程参数进行实时检测和监控，提供给操作人员、管理人员进行运行管理的人机界面，另一台为信息监控管理计算机，负责实时和定时记录以及报表的生产和打印。

3 污水处理控制系统的软件设计

3.1下位PLC控制程序开发

PLC程序设计采用北京和利时公司推出的Powerpro 下位机软件，根据工艺要求，编写格栅、提升泵房、旋流沉砂池、CASS池、二次提升泵、曝气生物滤池、V型滤池等子程序。

(1)格栅系统控制

格栅系统主控对象为格栅机组、螺旋输送机以及超声波液位计。其控制可在监控计算机上设置液位控制和定时控制，当采用液位控制时，是靠格栅的前后液位差来控制格栅机的启停，当液位差达到设定的水位上限时，PLC控制器会发出命令启动格栅设备;当水位差小于设置的下限时，格栅机组将接受到PLC控制器发出的停止的信号。操作人员可以在上位机上设定设备的启停液位或者运行周期。

(2)提升泵控制

提升泵的控制工艺要求是根据液位的高低来自动控制提升泵的启停，项目现场采用两用一备方式。当其中的泵出现故障时，故障泵会自动切出自控程序，备用泵会自动切入自控程序。这样长期运行能保证泵的运行时间大致相同。

(3)旋流沉砂池系统控制

旋流沉砂系统主控对象为搅拌器、罗茨风机和砂水分离器。系统工作原理如下：污水从沉砂池的切向进入，具有一定的流速，从而对沙砾产生离心力，使较重的沙砾沿池壁沉降到池底集砂槽。搅拌器的桨叶旋转形成轴向涡流CONTROL ENGINEERING China版权所有，产生一个轻微的上升流动，从而带动污水排出，流入下一道工艺流程进行处理。罗茨风机为旋流沉砂池提供空气，达到气提的作用，另外气提直接将沉砂输送到砂水分离器，实现沙砾与污水的彻底分离[2]。其控制工艺要求如下：搅拌器、风机和砂水分离器以一定周期运转，通过工程师站可以设定运行时间。

(4) CASS池系统控制

CASS池系统操作周期分为四个步骤：曝气阶段，鼓风机向反应池内充氧www.cechina.cn，此时有机污染物被微生物氧化分解;沉淀阶段，微生物利用水中剩余的DO进行进一步氧化分解，活性污泥逐渐沉淀到池底，上层水变清，污泥回流泵将部分活性污泥送回预反应区，剩余污泥泵则将反应池多余污泥抽到污泥脱水间;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;闲置阶段，滗水器上升到原始位置阶段，等待下一周期滗水。根据上述工艺要求，对CASS工艺的各个阶段编写控制子程序。

(5)曝气生物滤池系统控制

曝气风机其控制工艺要求：曝气风机为24小时运转，每天中午12点更换一台风机，这样可以保证三台风机运行的时间大体相等。

反冲洗系统控制主要是控制反洗风机、反洗泵以及阀门来实现反冲洗的功能，每两天进行一次反冲洗。

(6)V型滤池系统控制

V型滤池系统的自动控制主要是滤池的自动反冲洗功能。子程序控制的主要设备有反洗泵、反洗风机、阀门以及仪表工艺参数，每两天进行一次反冲洗。

3.2上位机监控系统的实现

本控制系统上位监控系统采用北京和利时公司的上位机软件FacView。监控软件将现场各分系统的运行状态形象、直观、实时地显示在中控室的工控机上，使操作员在中控室能实时获得现场数据和信息并对污水处理厂的运行进行管理。友好的人机界面把分散的、单回路的测控系统进行了统一的管理，另外还有数据报警、历史数据存储、报表显示、趋势显示等多种功能。

计算机监控画面主要包括全厂工艺图、格栅及沉砂系统、CASS工艺、曝气生物滤池、V型滤池、仪表数据图、趋势图、报警图、报表，各个画面之间可以实现自由切换控制工程网版权所有，

4 结语

该自动控制系统实行集中控制CONTROL ENGINEERING China版权所有，分散管理的方式，把管理层和控制层分开，通过对全过程的监控，实现了污水处理整个过程的全自动化运营，保证了污水生产运行的安全可靠，大大提高了污水处理的自动化控制水平和管理水平，减轻了劳动强度，从而提高了生产效率，降低了水厂能耗。其中，PLC 控制器发挥了相当重要的作用。自投产运行以来，控制系统运行平稳，处理水质达到排放标准，不仅改善了人们的生活环境，而且为社会的可持续发展发挥了积极的作用，取得了社会和经济双重效益。

在汽车的传动系统中，若采用机械式手动变速器，一般都配有同步器，其主要功能是：使接合套与待接合齿圈两者之间能迅速同步，阻止在同步之前齿轮进行啮合，防止产生接合齿圈之间的冲击，缩短换档时间，迅速完成换档操作，并延长齿轮寿命。

同步器的性能指标直接影响变速器的效能表现，从而影响车辆的操控性，所以要在安装前对其技术性能和寿命进行一系列相关测试。

研究基于PLC的变速器同步器测试系统，可以对同步器换挡过程中的关键参数进行实时准确的测试记录，通过对比分析处理，从而对被试同步器的性能与寿命作出客观准确的评价。

因为PLC具有体积小、功能强、可靠性高等特点，所以采用PLC作为整个测试系统的控制核心，通过驱动电机模拟换挡过程，并且控制二个轴的转速;同时配以计算机，设定测试条件，用以高速采集测试系统中多路传感器信号，并对采集数据进行后期分析处理，并发出相应指令。

汽车同步器测试系统的主要部件有：结构台体、变频电机、伺服电机、惯性飞轮、被试同步器、换挡机械手、循环润滑系统、机械手控制箱、控制柜、各种检测传感器、PLC、计算机等，测试台的机械结构

注：1.交流伺服电机(0.85kW);2.减速机;3.离合器;4.交流变频电机(3 kW);5.机械手液压泵站;6.皮带轮;7.位移传感器;8.液压缸;9.润滑油喷油口;10.编码器(低速);11.组合式惯性飞轮;12.离合器;13.转速传感器(高速);14.润滑油回油口;15.两分力传感器;16.齿轮锥;17.同步器;18.拨叉;19.工作仓。

测试台能对一定型号的同步器进行3类主要测试：连续测试、惯性测试和挤压测试，连续测试与惯性测试测量同步器动摩擦系数和耐磨损性能，挤压测试用于测量同步器的静摩擦系数，测试是在室温至120℃的润滑油环境中进行的，通过对测试台测量数据的分析与计算，观测并记录同步器的摩擦性能与耐磨损性能，从而对同步器的性能作出评价，

2 测试系统设计

整个测试系统的核心是测控部分，首先要求实时监控系统的运行状况，以确保系统运行的安全可靠;同时在测试过程中，要求实时采集采集位移、转速、同步扭矩、轴向力、润滑油油温和流速等一系列信号数据，通过处理采集到的信号数据及由此绘出的特性曲线，分析评价被测变速器同步器的相关性能，

测控系统由PLC、计算机、各种传感器、信号测试调理卡、驱动与控制电机等组成。测试系统由计算机和PIC共同控制，计算机作为上位机具有良好的人机交互功能，负责对整个测控系统进行监控，向PLC发送指令及数据，实现对现场设备的控制，并通过数据分析软件对采集到的测试数据进行进一步的处理，从而测试同步器的性能指标。

因为PLC具有操作方便、可靠性高等优点，能很好地满足测试系统控制的要求，所以采用PLC来采集现场信号和输出控制信号;负责直接控制与监控现场设备，包括换挡机械手的运动控制、电机速度的调节、变速器油温控制等;传感器负责采集现场的信号，经信号测试调理卡转换成模拟量传送给PLC和计算机。

需要指出的是：当测试开始之前，必须对变速器各个挡位位置进行预先设定，将各个挡位对应的选挡位置传感器和挂挡位置传感器数据存储于PLC的存储区，同时将机械手的控制参数如各个挡位的挂挡力、挂挡速度、挡位位置补偿存储于PLC的存储区，在测试过程中，通过对这些数据的快速查询而准确快速的模拟换挡过程。

3 系统实现

测控系统采用计算机与PLC综合控制。

作为上位机，计算机中的对应控制程序基于bbbbbbs2000/XP平台系统进行开发，采用人性化用户界面，能实现试验台的自动化控制和试验数据的存储及分析处理，其主要实现的功能有：

1)查阅、删除、分析、打印历史测试数据或曲线图;

2)实时显示测试中的设备状态及可能出现的错误故障，按照出错等级(警告、错误、严重错误、致命错误)自动做出应对;

3)可以预先设定试验程序，包括轴向力、加载时间、卸载时间、转速差、润滑油温度等参数，并能对同步器参数和试验工况进行编辑、保存、下载、打印;

4)连续自动记录测试过程中的相关等数据，实时图形显示所有的测量和计算数据，并生成相应变化曲线分析图;

作为下位机，PLC负责对现场设备进行控制与监控，PLC中的控制程序采用德国倍福公司的TwinCAT PLC编程软件编写，

PLC中的控制程序实现的功能主要有：

1)采集数据 因为测试环境中通常存在强烈的电磁干扰，如不采取相应的抗干扰措施，其会以传导和辐射的形式进入测控系统，严重影响测试结果，所以要从硬件和软件上加以相应处理，硬件上要采取相应的电磁屏蔽，在测试信号调制卡设置多重滤波电路，利用PLC的I/O模块带有电气隔离功能进行光电隔离;软件上采用相应算法进行滤波处理，进一步减低干扰影响。

2)安全保护 当不当操作或测试同步器零件总成发生过早损害或其他故障(电机过载、超速、超温等)时，使试验台能够快速自动停止，对变频器具有过流、过载、过压、欠压、过热、短路和冷却风扇异常保护，对电动机具有过载和超速保护，对系统具有超速、超扭和超温保护，所有报警信号通过主控制计算机显示故障原因或故障代码;紧急停车是必须的硬件功能，可以手动执行或系统自动执行;紧急停车时加载机构处于中间位，电机通过制动单元紧急停车、机械手摘到空挡，报警器发出报警。

3)控制换挡 PLC根据计算机发送的控制命令，提取其存储区内相应的数据，执行相应换挡动作;同时计算机通过读取相应传感器信号监视换挡动作完成情况，若选挡未能到位或换挡超时，会即刻强制空挡，起到安全保险作用;当选挡及时准确到位时，则发出下一步指令。

4 结论

同步器测试系统是包含信号采集处理、电子电路、机械结构等学科于一体的自动控制机电一体化设备，能够完成典型的长时间、高重复性测试项目，运行稳定可靠，对于提高同步器测试自动化水平具有重要的实用价值。