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基于PLC污水处理控制系统的设计

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基于PLC污水处理控制系统的设计

摘要如今,我国多数污水处理控制系统自动化水平低、安全性不高、管理不当,效率明显低于世界标准。污水处理系统中的曝气过程控制、数据通讯和监控管理这些问题是急需要解决的。中国污水处理自控系统比较落后,污水处理成本高,污水厂排放处理过的污水水质不稳定,所以如何建立良好有效的自控系统,提高运行效果,降低运行费用,具有非常重要的意义。本文介绍了工厂污水处理的基本工艺流程,并进行研究设计一种基于PLC控制的污水处理方案。文章最先描述了基于PLC污水处理控制系统的相关工艺及流程,控制系统硬件结构及设计、工作原理以及设计PLC控制系统的基本原则和步骤,从而说明PLC在污水处理过程中的应用。然后依据污水处理要求设计设备的电器控制与自动控制线路,主要包括设备的启停、状态故障信号和信号的采集等,最后按照工艺要求设计PLC控制系统,其中包括PLC的选型、系统资源配置和根据污水处理工艺编制PLC程序。关键词污水处理;PLC;工艺流程3ABSTRACTTODAY,THEMAJORITYOFOURSEWAGETREATMENTCONTROLSYSTEMLOWLEVELOFAUTOMATION,SECURITYISNOTHIGH,MISMANAGEMENT,THEEFFICIENCYLOWERTHANTHESTANDARDMARKEDLYSEWAGEDISPOSALSYSTEMINTHEAERATIONPROCESSCONTROL,DATACOMMUNICATIONSANDMONITORINGANDMANAGEMENTOFTHESEPROBLEMSAREURGENTLYNEEDEDTOBEADDRESSEDSEWAGETREATMENTAUTOMATICCONTROLSYSTEMINCHINAISRELATIVELYBACKWARD,THEHIGHCOSTOFSEWAGETREATMENT,WASTEWATERTREATMENTPLANTDISCHARGETREATEDEFFLUENTQUALITYISNOTSTABLE,SOHOWTOCREATEAGOODANDEFFECTIVEAUTOMATICCONTROLSYSTEM,IMPROVEOPERATINGRESULTS,LOWEROPERATINGCOSTS,HASAVERYIMPORTANTSIGNIFICANCETHISARTICLEDESCRIBESTHEBASICPROCESSOFTHEPLANTSEWAGETREATMENTANDRESEARCHTODESIGNAWASTEWATERTREATMENTPROGRAMBASEDONPLCCONTROLTHEARTICLEFIRSTDESCRIBEDTHESEWAGETREATMENTCONTROLSYSTEMBASEDONPLCTECHNOLOGYANDPROCESSES,THEBASICPRINCIPLESANDSTEPSOFTHECONTROLSYSTEMHARDWAREARCHITECTUREANDDESIGN,WORKINGPRINCIPLEANDDESIGNOFPLCCONTROLSYSTEM,WHICHCANSHOWTHATTHEAPPLICATIONOFPLCINTHESEWAGETREATMENTPROCESSREQUIREMENTSOFTHESEWAGEDESIGNELECTRICALCONTROLEQUIPMENTANDAUTOMATICCONTROLCIRCUIT,INCLUDINGTHESTARTANDSTOP,THESTATUSFAULTSIGNALANDSIGNALACQUISITION,THEFINALDESIGNOFPLCCONTROLSYSTEMINACCORDANCEWITHTHEPROCESSREQUIREMENTS,INCLUDINGTHEPLCSELECTION,SYSTEMRESOURCEALLOCATIONPLCPROGRAMANDTHEPREPARATIONOFTHESEWAGETREATMENTPROCESSKEYWORDSSEWAGETREATMENT,;PLC,;PROCESS目录摘要VABSTRACTVI1绪论111工业污水处理的国内外现状112课题的背景213研究目的和意义214课题主要设计的内容32工业污水处理控制系统总体介绍421工业污水处理基本概念422常用的工业污水处理工艺423工业污水处理系统控制形式724工业污水处理系统的功能要求7241信号输入8242控制输出信号83硬件系统配置931主要组成部分932电气控制系统1033工业污水处理系统的工作原理10331控制系统总体框图10332工作过程11333工业污水处理系统主电路设计1134PLC的选型1235PLC的I/O资源配置12351数字量输入部分12352数字量输出部分13353模拟量输入部分13354模拟量输出部分1436其他资源配置15361接触器选型15362变频器简介15363变频与变压原理15364变频调速的基本原理16365变频器选型17366变频器参数设置17367电动机的选型18368液位差计18369溶解氧仪194软件系统设计1941总体流程设计20411手动模式20412自动模式2042曝气过程控制的任务2943氯气投加环节2944絮凝剂投加环节3045PID控制3046PLC和变频器通讯315调试和运行结果3251硬件系统的调试3252软件系统的调试3253运行结果326结论34致谢361绪论水是人们生活中必不可少的,如今在社会生活和工业生产中人们对水的需求量更是与日俱增。可是,水资源是有限的。根据报道,我国人均拥有淡水量为2400吨,是世界平均值的1/4,在全球149个国家(参与统计国家中),我国人均淡水资源排在110位,属于淡水资源贫乏的国家。而且我国的水资源分布极不均衡,全国500多个城市缺水,其中多个缺水相当严重,北方地区缺水现象尤其突出,人均拥有的淡水量仅有240吨。让人担心的是,淡水总量日益减少,用水成本却不断升高,淡水的浪费又非常严重。甚至我国北方地区水资源的超采,己形成漏斗地势、水位下降、湖泊干涸、河水断流、生态恶化。淡水资源的短缺的问题需要得到快速的解决。我国淡水资源逐渐减少,而且污染现象很严重。随着社会发展,水资源已经成为影响工业发展是否快速的重要因素,现代工业中生产工艺和设备对水质要求也是越来越高。可是我国工业用水耗费高,重复利用水少,有关资料表明,我国的工业用水重复利用率平均4050。目前全国城市污废水的处理率(达排放标准的)只有10左右,其余的污废水都直接排入溪河、湖泊、海洋。耗水量高、重复使用率低、污染严重是我国工业系统水资源利用的主要问题。严重的环境污染使有限的水资源逐渐减少、水质越来越差,使得我们对水资源的使用日益紧迫。据统计,由于水质的污染,我国已经有大约3亿人的饮水发生过不安全的现象,其中19亿人的饮水是超标水。气象学家预测,2100年全球会变暖加剧,地表有1/3的面积将变成沙漠,到那时,干旱将威胁全球一半人类的生存。这些现象都是由于水污染而产生的严重后果,因此工业污水处理项目的实施已经迫在眉睫。众多迹象表面,水资源的短缺无疑会限制经济持续协调发展,因此世界各国越来越重视污废水处理和水的再利用,通过各种技术进一步提升供水质量,提高经济效益,并且工业污水处理过程中,经过厌氧和好氧处理,污水中的热量、沼气等再生能源还可以为工业生产提供二次能源,真正实现了变废为宝、循环经济的目的。随着环境保护的呼声越来越响亮,工业污水处理已经体现出其必要性和紧迫性,对于各种污水进行处理后排放已经成为各企业最基本的要求。在工厂的工业污水处理过程中,污水来源的不稳定以及工厂中各种污水的成分的复杂性,对工业污水处理的工艺和控制方式也相对的提出了非常高的要求。11工业污水处理的国内外现状我国工业污水处理技术从“七五”国家科技攻关开始逐步研究。“七五”和八五”攻关项目是在氧化塘、土地处理和复合生态系统等自然处理技术方面的研究较多,依据这些成果设计,建立了一些土地处理、氧化塘等污水示范工程。在人工处理技术方面,八五”对高负荷生物膜、高负荷活性污泥、一体化氧化沟技术进行了较深入的研究,研究成果己经被应用于大批工业污水处理厂中。七五五”攻关项目是在氧化塘、土地处理和复合生态系统等自然处理技术方面的研究较多,依据这些成果设计,建立了一些土地处理、氧化塘等污水示范工程。在人工处理技术方面,“八五”对高负荷生物膜、高负荷活性污泥、一体化氧化沟技术进行了较深入的研究。研究成果己经被应用于大批工业污水处理厂中。污水厂污泥处置问题在“九五”科技攻关中受到了重视,八五”攻关项目是在氧化塘、土地处理和复合生态系统等自然处理技术方面的研究较多,依据这些成果设计,建立了一些土地处理、氧化塘等污水示范工程。在人工处理技术方面,“八五”对高负荷生物膜、高负荷活性污泥、一体化氧化沟技术进行了较深入的研究。研究成果己经被应用于大批工业污水处理厂中。污水厂污泥处置问题在“九五”科技攻关中受到了重视,并配套开发形成了成套的污泥处理。经过“七五”、“八五”和“九五”这些期间的努力奋斗,我国在工业污水处理技术方面取得了很大的成绩。如今在水污染治理技术上,我国已经能够提供许多工艺技术传统活性污泥法技术、各种新型活性污泥工艺,比如SBR法和氧化沟技术、酸化水解好氧技术和多种类型的稳定塘技术等,这些污水治理技术已经应用于水体污染、改善水体环境方面,并取得了突出的效果,标志着我国工业污水处理事业上升到了一个崭新的阶段。现在,我国工业污水处理的工作重点已经从工艺技术的研究转移到了具体项目的实施。国际上,大规模的水污染治理是发生在第二次世界大战过后,随着50年代经济蓬勃发展带来的60年代日益严重的环境污染而展开的。工业污水处理设施中,城市排水管线、工业污水处理厂的兴建和运行在水污染控制中发挥着主导作用。到70年代末,美国投资了近数千亿美元兴建了18000多座城市工业污水处理厂,英国、法国、德国更是花费巨额资金兴建了7000至8000座城市工业污水处理厂。这些工业污水处理厂的兴建运行对国家的水体污染改善起到了关键性作用,也为人类治理水污染积累了宝贵丰富的经验。现在,这些国家的工业污水处理水平又得到了进一步提升,兴建了一套具备脱氮除磷功效的设施,对水体质量改善和水环境保护起了重大作用。12课题的背景未来10年,中国工业污水处理项目工程建设投资将会超过2500亿元,其中工业污水处理设备投资约近300亿元。采用先进、实用安全的技术改造传统工艺,在环保工程中广泛采用先进的自动控制技术,是推动环保产业升级,实现环保发展战略的重要环节。在如此形势下工业污水处理自动化控制系统将会成为一个具有巨大的社会效益、环境效益及经济效益的研究课题。对于环境保护问题,国务院明确规定所有工业污染源都必须达到排放标准。其中处理过的污废水还可以循环再利用,由于我国是一个水资源贫乏的国家,而且分布上极不均衡,许多地区和城市缺水严重。所以水资源要重点保护。因此,从环保、注水等多方面的因素考虑,对于工业污水处理非常必要。所以,有效的结合目前最新的工艺状况、PLC控制系统技术,将为当前工业污水处理控制系统提供有效的自控方法。13研究目的和意义世界各个国家的经济发展,都会推进社会的进步、促进工农业生产的能力,使人民生活得到更大的改善,同时也带来了不同程度的环境污染,污水也是造成环境污染的来源之一。这个污染源的出现引起了世界各国政府的严密关注,治理水污染环境的课题被列入世界环保组织的工作日程。我国是个严重缺水的国家,虽然我国年平均水资源总量达到28000亿M2,居世界第6位,但是我国人口多,人均水资源量只有2220M2,居世界第110位,已经被联合国列为世界上13个缺水国家之一。目前我国约300个城市缺水,其中有5O个城市缺水严重。据中国经济信息网分析统计,全国按目前正常需要,年缺水总量约为300亿~400亿立方米,每年因缺水造成的经济损失达2300亿。超过洪涝灾害。水资源的缺乏和水资源的污染,己经严重影响了人民的日常生活,严重影响了我国的经济建设和发展。因此建设符合我国国情的污水厂自动控制系统对减少工业污水处理成本、改善环境、建立可持续发展社会和和谐社会、保持我国经济快速发展具有重大意义。14课题主要设计的内容本课题主要内容是工业污水处理工艺及工业污水处理系统的组成和PLC控制系统设计,主要由以下几点组成(1)介绍了工业污水处理的基本概况,其中包括工业污水处理的发展现状以及工业污水处理的工艺流程;(2)介绍了PLC的基本结构和工作原理,并且对工业污水处理控制系统进行研究设计和分析;(3)具体分析设计工业污水处理的硬件系统;(4)具体分析设计工业污水处理的软件系统;(5)工业污水处理系统的调试与运行。2工业污水处理控制系统总体介绍21工业污水处理基本概念城市污水、生产污水、生活污水或经过工业企业局部处理后的生产污水,基本都会排入排水系统。这些污水除了含有碳水化合物、蛋白质、氨基酸、动植物脂肪、尿素、氨、肥皂和合成洗涤剂等物质外,还含有细菌、病毒等使人生病致癌的微生物。经处理后的污水,最后出路一般有三种①排放水体;②灌溉田地;③循环利用。污水污染物可以根据化学性质和物理形态进行不同的分类。按化学性质,污水中的污染物质可分为有机性物质和无机性物质,其化学元素以碳、氮、磷为主。按物理形态,污水中的污染物质可以分为固体悬浮物、胶体污染物质和溶解性污染物质。好氧有机污染物的性质比较稳定,在微生物作用下,借助微生物的新陈代谢可以将其降解为无机物,如二氧化碳、水、硝酸根离子等稳定的无机物。有机物的种类很多,其共性是在微生物的作用下被降解时,都要消耗水中的溶解氧,所以在工程实际中,采用以下的几个综合污染指标来表述生物化学需氧量或生化需氧量(BIOCHEMICALOXYGENDEMAND,BOD)MG/L、化学需氧量CHEMICALOXYGENDEMAND,CODMG/L、总有机碳TOTALORGANICCARBONMG/L、总需氧量TOTALOXYGENDEMANDMG/L。虽然BOD20。能较精确地描述污水的生化需氧量,但其测定的时间太长,需20天。考虑到好氧分解速率一般在开始的几天最快,在20℃温度下,污水五日生化需氧量BOD5,约占BOD20的70~80,因此把BOD5作为衡量污染水的有机物浓度指标。化学需氧量COD的特点是能够精确的表示污水中有机物的含量,并且测定时间短,但它不能像BOD那样表示出微生物氧化的有机物量。22常用的工业污水处理工艺不同的工业污水处理对象,不同的工业污水处理环境,将需要有不同的工业污水处理工艺来进行。所以,在选择工业污水处理工艺的时候必需要认真地考虑当地污水的情况和实际的工业污水处理的环境。工业污水处理的方法主要有物理、化学、物化结合,以及生物处理等几种。这些方法可以根据实际情况单一使用,也可以针对不同的污水配合使用。目前,工业污水处理的方法一般都是以生物处理法为主,物理处理法和化学处理法以辅。常用的工业污水处理工艺有以下几种(1)传统活性污泥处理法。传统活性污泥处理法是一种最古老的工业污水处理工艺,其工业污水处理的关键组成部分是沼气池与沉淀池,主要处理部分关系框图如图21所示曝气池(有机物氧化为无机物)无机物)沉淀池(活性泥下沉)活性泥循环原污水清水排出图21传统活性污泥法工艺流程图污水中的有机物在曝气池停留的时间内,曝气池中的微生物吸附污水中的大部分有机物,并且在曝气池中将有机物氧化成无机物,然后在沉淀池中经过沉淀,部分活性泥需要回流到曝气池中。该工艺的优点有机物去除率高,污泥负荷高,池的体积小,耗电低,运行成本低。该工艺的缺点普通曝气池占地大,建设投资多,不能严格满足国家标准相关指标范围、容易产生污泥膨胀的现象,磷和氮的去除率比较低。(2)A/O法。A/O法是在传统活性污泥处理法的基础上发展起来的一种工业污水处理工艺,其中A表示ANOXIC(缺氧的),O表示好氧的意思。A/O法是一种缺氧好氧生物工业污水处理工艺。该工艺增加了好氧池与缺氧池所形成的硝化反硝化反应系统,从而很好的处理了污水中的氮含量,具有明显的脱氮效果。但是此硝化反硝化反应系统需要得到很好的控制,所以该工艺有着更高的管理要求,这也成为了该工艺的一大缺点。其工艺流程图如下图22A/O法工艺流程图(3)A2/O法。A2/O法也是在传统活性污泥处理法的基础上发展起来的一种工业污水处理工艺,其中A2,即AA,前一个A表示ANAEROBIC(厌氧的),后一个A表示ANOXIC(缺氧的);O表示好氧的意思。A2/O是一种厌氧缺氧好氧工业污水处理工艺。A2O法的除磷脱氮效果非常好,特别适合用于对除磷脱氮要求高的工业污水处理。因此,在对除磷脱氮有严格要求的城市工业污水处理厂,一般都首选A2/O工艺。其工艺流程图如图23所示。图23A2/O法工艺流程图(4)A/B法。A/B法是吸附生物降解法的简称,该工艺是没有初沉淀的,却将曝气池分为高低负荷两段,并分别有独立的沉淀和污泥回流系统。高负荷段停留时间约为20至40MIN,以生物絮凝吸附作用为主,同时会发生不完全氧化反应,去除BOD达到50以上。B段与常规活性污泥法相似,负荷较低,起到出水把关作用,处理稳定性较好。AB法中A段效率高,并有很强的缓冲能力。对于高浓度的工业污水处理,AB法是个很好的选择,它具有较高的节能经济效益。尤其在采用污泥消化和沼气利用工艺时,优势更为明显。但是,AB法也有缺点,污泥产量比较大,A段污泥有机物含量非常高,因此有必要添加污泥后续稳定化处理,这样就将增加一定的建设和费用。此外,由于A段去除了较多的BOD,造成了碳源不足,难以实现脱氮工艺的要求。对于污水浓度低的状况,B段也比较困难,难以发挥优势。总之,AB法工艺比较适合于污水浓度高,具有污泥消化等后续处理设施的大中规模城市工业污水处理厂,并且有明显的节能效果,而对于脱氮要求高的城市工业污水处理厂,一般不宜采用。(5)SBR法。SBR法是间歇式活性污泥法的简称,是一种按照一定时间顺序间歇式操作的污水生物处理技术,同样也是一种按照间歇曝气方式来运行的活性污泥工业污水处理技术,又称为序批式活性污泥法。其反应原理和去除污染物的原理、传统的活性污泥法基本相同,只是运行操作方式有点差别。SBR法与传统的水处理工艺的最大区别在于它是以时间顺序来分割各流程单元,也就是说以时间分割操作代替空间分割操作,非稳态生化反应代替生化反应,静置理想沉淀代替动态沉淀等。整个工作过程对于单个操作单元而言是间歇进行的,但是通过多个单元组合调度后又是连续的,在运行上实现了有序和间歇操作相结合。6本设计系统工业污水处理工艺及描述本工业污水处理工艺流程图如下图24所示图24工艺流程图污水由进水系统通过粗格栅和清污机进行初步的排除大块杂质物体到达除砂池。在除砂池系统中细格栅和转鼓清污机进一步消除污水中的细小颗粒物体,将污水中的细小沙粒滤去后进入氧化沟反应池。在氧化沟系统中进行生化处理,分解污水中的有害物质,这个环节需要用到一些化学药剂来加强处理效果,比如复合碱、氯气、油絮凝剂等。可以对污水进行除油、消毒、调整PH值。同时在该系统中设置有溶解氧仪超声波检测器,通过它能对污水中的含氧量进行检测,根据其含量反馈到PLC的值来控制曝气机变频器的运行,改变控制污水中溶解氧的含量。潜水搅拌机的作用是推动水流,使氧化沟的污水和活性污泥剧烈搅拌得以能够充分混合,使生化反应更加彻底充分,以最大程度地分解污水中的有害成份。经处理的污水再进入沉淀池中,通过刮泥机进行物理沉淀,为了加强沉淀效果,需要加入混凝剂和絮凝剂利用高分子助凝剂的强烈吸附架桥作用,使其更加容易沉降。污水经沉淀池处理最后到达脱水环节,离心式脱水机作用下进行脱水处理后排出清水。23工业污水处理系统控制形式早期的控制系统大多是采用继电器接触器控制系统,但是随着电子技术的快速发展,控制要求的不断提高,这类控制方法已经不能满足现代工业污水处理系统的控制要求,所以已逐渐被淘汰,取而代之的是DCS、现场总线控制、PLC等控制方法。(1)DCS系统。DCS是集散控制系统的简称,又被称为分布式计算机控制系统,是由计算机技术、测量控制技术、信号处理技术、通信网络技术等相互结合形成的。计算机和现场终端的组成,通过网络将现场控制站、检测站和操作站等连接起来,完成了分散控制和集中操作管理的功能,主要是用于各类生产过程,可提升生产自动化水平和管理水平,其主要特点有采用了分级分布式控制,减少了系统的信息传输量,使系统应用程序更加简单。实现了真正的分散控制,使系统的危险性降低并且分散,可靠性提高。扩展能力比较强。软硬件资源丰富,可适应各种要求。实时性好,响应够快。(2)现场总线控制系统。现场总线控制系统是由DCS和PLC结合发展而来的,是基于现场总线的自动控制系统。该系统按照公开、规范的通信协议在智能设备之间,以及智能设备与计算机之间进行着数据传输和转换,从而实现控制和管理一体化的自动控制系统,其优点有可以运用计算机丰富的软件、硬件资源。响应够快,实时性好。通信协议公开,不同产品可以互连。(3)PLC系统。PLC是可编程逻辑控制器的简称,用它作为处理系统的控制器,实现控制系统的功能要求,也可以利用计算机作为其上位机,通过网络连接PLC,对生产过程进行实时监控,其特点有编程简便,使用方便,开发周期短,维护容易,通用性强,控制功能好。模块化结构,扩展能力强。24工业污水处理系统的功能要求工业污水处理系统的主要功能是完成对城市污水的净化作用,即将城市中排除的污水通过该系统治理后,输出符合国家标准的水质。长期以来,工业污水处理技术虽然经过了快速发展,但是仍滞后于城市发展的需要,工业污水处理率低、设备运转率低等已经极大地影响了城市发展。为实现工业污水处理技术的方便、高效、低能耗的效果,并且能够实现自动化的控制过程,采用PLC作为核心控制器是个理想的方案。PLC作为工业污水处理的控制系统使得设计过程变得更加简便,能够实现的功能变得更多。可以与各类人机界面的通信完成PLC控制系统的监视,同时使用户方便通过操作界面功能控制PLC系统。由于PLC的CPU强大网络通信能力,使得工业污水处理系统的数据传输与通信变为可能,并且也可实现其远程监控。利用PLC作为控制器的工业污水处理系统主要涉及到两个方面一是控制信号输入;二是控制信号输出。241信号输入工业污水处理系统信号输入检测方面主要涉及四种信号的监测,有按钮的输入检测、液位差的输入检测、液位高低的输入检测,以及曝气池中含氧量的输入检测。(1)按钮输入检测大多数是人工方式控制的输入检测,主要有手动按钮、自动按钮、格栅机启动按钮、潜水泵启动按钮、清污机启动按钮、潜水搅拌机启动按钮、污泥回流泵按钮、曝气机工频、变频按钮,以及变频加速减速按钮等。(2)液位差输入检测检测粗细格栅两侧的液位差,是用来控制清污机的启动与停止。(3)液位高低输入检测检测进水泵房和污泥回流泵房中液位高低,是用来控制潜水泵或污泥回流泵的启动和停止和投入运行的潜水泵的数量。(4)含氧量输入检测上面三种都是数字量输入,这个输入是模拟量输入。曝气过程是工业污水处理系统中最重要关键的环节,为了保证微生物所需要的氧气,必须检测污水中的含氧量,并由曝气机增加或减少其含氧量。将溶解氧仪放置在适当位置,将检测值反馈到PLC中,通过运算输出控制曝气机的转速信号。当溶解氧值偏低时,降低微生物分解的效果,延长处理时间,严重时甚至会导致处理失效,因此需要增加曝气机转速来增加供氧量;当溶解氧值偏高时,导致微生物过氧化,降低其活性,也不利于处理,因此减小曝气机转速来减少供氧量,最终使污水中的溶解氧保持在一定的范围内。242控制输出信号信号输出部分主要包括两个方面一个是数字量输出,即各种类型设备的接触器;另外一个是模拟量输出,用来控制曝气机变频器。(1)数字量输出控制各类设备的启动和停止,包括格栅机启停、清污机启停、潜水泵启停、潜水搅拌器启停、污泥回流泵启停等。(2)模拟量输出通过PLC中PID运算后的数据,通过它功能模块输出控制信号,该控制信号输入到变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