一種基于FPGA的熱電廠廢水處理控制系統(tǒng)設計

摘 要:熱電廠作為工業(yè)用水的超級大戶，建立完善的自動廢水處理系統(tǒng)顯得尤為必要，本文在分析廢水處理流程的基礎上，提出了一種基于FPGA的廢水處理自動控制系統(tǒng)，并給出了系統(tǒng)控制流程和硬件電路設計。該系統(tǒng)采用了Xilinx公司Spartan-III系列FPGA XC3S400-4PQ208C作為主控制器，工作時鐘50MHz，具有處理速度快、工作穩(wěn)定，成本低、經(jīng)濟效益可觀等優(yōu)點，具有較強的實際意義。

關鍵詞:廢水處理系統(tǒng) FPGA 智能控制

中圖分類號:TP27文獻標識碼:A文章編號:1674-098X(2011)11(c)-0018-02

1 引言

電廠工業(yè)廢水主要來自鍋爐排污水、汽機房排水、油庫排水、輸煤系統(tǒng)沖洗排水、煤廠排水、廠區(qū)辦公和生活用水等。在水資源極為匱乏的今天，熱電廠作為工業(yè)用水的超級大戶，建立完善的自動廢水處理系統(tǒng)顯得尤為必要。以往的廢水處理系統(tǒng)采用人工手動控制，這造成人員的工作強度大，控制效率低，控制工藝也極為落后。隨著科學技術的飛速發(fā)展，在電廠廢水處理過程中引入全新的自動控制系統(tǒng)和監(jiān)控技術可以克服以前人工控制精度低、運行操作繁瑣、誤操作可能性大等缺點，也能夠極大的降低人力勞動成本。通過本自動控制系統(tǒng)把處理過的廢水再納入整個電廠的水循環(huán)中，既提高了電廠用水的效率，節(jié)約成本，提高了整體的經(jīng)濟效益，又使得電廠的自動化管理和自動化控制生產方面達到了一個新的高度。

2 系統(tǒng)方案設計

2.1 廢水處理流程分析

熱電廠的廢水處理系統(tǒng)主要包括廢水收集池、調節(jié)水池、一體化廢水凈化器、污泥池以及凈水池等五個部分以及相應的水泵及污泥泵等，整個結構如圖1所示，圖中長方形代表水池及污泥池，圓圈代表水泵及污泥泵，長圓筒代表一體凈化池。該系統(tǒng)中設計了兩個廢水收集池，一個調節(jié)水池，四個一體凈化器以及一個污泥池和一個清水池。

電廠的廢水從不同的地方進入兩個廢水收集水池，廢水收集池通過兩個水泵向調節(jié)水池輸入工業(yè)廢水。兩個水泵的啟動不僅和相應的集水池的水位高度有關，還和調節(jié)水池的水位高度有關，也即廢水收集池的水要在最低線以上而調節(jié)水池的水不能超過最高限。調節(jié)水池首先會對廢水進行過濾和沉淀，出去一些雜質，之后通過水泵向三個一體化凈水器提供足夠的工業(yè)廢水。一般情況下其中兩個凈水器正常工作，一個凈水器作為備用，當其中一個需要反洗的時候，備用的凈水器就啟動，保證在同一時刻有三臺凈水器工作。清水池中是從凈化器中出來的清水，在保證有足夠的水能夠提供一體化凈化器的反洗作業(yè)前提下通過凈水泵輸出工業(yè)用水。

2.2 控制系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

控制系統(tǒng)的核心是中央處理單元，目前，可選的控制器有很多如PLC、單片機、FPGA以及DSP等，本方案中采用大規(guī)?？删幊踢壿嬁刂破鱂PGA作為系統(tǒng)的中央處理器。FPGA(Field－Programmable Gate Array)，即現(xiàn)場可編程門陣列，它是在PAL、GAL、CPLD等可編程器件的基礎上進一步發(fā)展的產物。FPGA采用了邏輯單元陣列LCA(Logic Cell Array)這樣一個概念，內部包括可配置邏輯模塊CLB(Configurable Logic Block)、輸出輸入模塊IOB(Input Output Block)和內部連線(Interconnect)三個部分。隨著技術的不斷發(fā)展，新型FPGA已經(jīng)可以用內部乘法器/寄存器/內存塊構造軟核，例如構造ARM，則可以實現(xiàn)ARM的功能;若構造成DSP，則可以實現(xiàn)DSP的功能。控制系統(tǒng)工作示意圖如圖2所示，為一個閉環(huán)反饋系統(tǒng)，控制器根據(jù)檢測到的相關信息發(fā)出驅動信號，使得相應的水泵工作，水泵工作之后又會影響到檢測信息的變化，檢測信息的變化進而影響控制信息的輸出，從而使得污水處理系統(tǒng)一直工作在正常狀態(tài)。

整個控制系統(tǒng)輸入信號包括廢水收集池、調節(jié)池、污泥池、調節(jié)池以及一體化凈水器的檢測量，輸出信號則為相應的水泵驅動信號。

控制器FPGA選用了Xilinx公司生產的Spartan-III系列FPGA XC3S400-4PQ208C，40萬門，速度等級為-4，工作溫度為0～80℃，引腳數(shù)208，PQ208封裝，內部包含8064個邏輯單元，系統(tǒng)能更門密度達到了400K，896個CLB 以32*28的陣列形式分別，提供141個用戶I/O，其中包含62個差分I/O，分布式RAM達到了56Kbit，塊RAM288Kbit。其主要電路包括始終及復位電路、電源電路、配置電路和接口電路四部分，如圖3所示。系統(tǒng)由5V電源供電，F(xiàn)PGA正常工作需要3.3V、2.5V和1.2V三個個電源，系統(tǒng)工作始終50MHz，配置芯片選用XCF02SVO20C，復位芯片為STC811，限于篇幅沒有將I/O接口放進圖中。

3 結語

本文從熱電廠污水處理系統(tǒng)的實際需求出發(fā)，提出了一種基于大規(guī)模可編程邏輯器件FGPA的污水處理智能控制系統(tǒng)，系統(tǒng)設計中采用了Xilinx公司生產的Spartan-III系列FPGA XC3S400-4PQ208C作為主控制器，系統(tǒng)工作時鐘50MHz，具有工作效率高，控制精度高，工作穩(wěn)定等特點，所開發(fā)的控制系統(tǒng)具有很高的使用價值，能夠為電廠節(jié)省大量的人力成本，提高經(jīng)濟效益，又能似的電廠的自動化管理和自動化控制生產方面達到了一個新的高度。

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