基于PLC污水处理系统的设计.doc

毕业设计（论文）题 目： 系 部： 专 业： 学 号： 学生姓名： 指导教师： 职 称： 二OO 年 月 日毕业设计说明书课 题： 子课题: 同课题学生姓名: 专 业 学生姓名 班 组 学 号 指导教师 完成日期 毕业论文（设计）任务书课题名称：_系 部：_专 业：_姓 名：_学 号：_指导教师：_ 二 年 月 日一、毕业论文（设计）的目的与要求：二、毕业论文（设计）的内容：三、毕业论文（设计）进程的安排序 号论文（设计）各阶段名称日 期备 注四、任务执行日期：自_年_月_日起，至_年_月_日止。 学 生（签字）_ 指导教师（签字）_ 系主任（签字）_毕业设计（论文）成绩评定表系部： 专业： 班级： 姓 名设计（论文）总成绩：设计（论文）题目指导教师评语评定成绩： 签名： 年 月 日评 阅 人 评 语评定成绩： 签名： 年 月 日答 辩 小 组 评 语答辩成绩： 组长签名： 年 月 日设计（论文）总成绩=指导教师评定成绩（30%）评阅人评定成绩（30%）答辩成绩（40%）基于PLC污水处理控制系统的设计摘要环境是人类赖以生存的空间，是人类索取基本生活物质的宝库。对环境污染的治理也将是不可或缺的一项重要工作。目前中国污水处理自控系统相对落后，污水处理成本居高不下，所以建立有效的自控系统，优化运行效果，减少运行费用，也是具有重要意义。文章首先介绍了基于PLC污水处理控制系统的工艺及相关流程，控制系统硬件结构、工作原理以及设计PLC控制系统的基本原则，并说明PLC在污水处理过程中的应用。关键词：污水处理 ；控制形式；工艺流程； PLC 控制；目 录第一章 选题背景-1l 1.1工业污水处理的国内外现状 1l 1.2课题的背景 2l 1.3研究目的和意义 3l 1.4论文的指导思想 4l 1.5课题主要设计的内容. 4第二章 方案论证-5l 2.1工业污水处理基本概念 5l 2.2 常用的工业污水处理工艺 6l 2.3工业污水处理系统控制形式 10l 2.4 工业污水处理系统的现状与发展趋势 11l 2.5国内外工业污水处理系统的特点与要求. 12第三章 过程论述-13l 3.1 硬件系统配置 133.1.1主要组成部分 143.1.2电气控制系统 163.1.3工业污水处理系统的工作原理 183.1.4 PLC选型及设计 203.1.5 PLC的I/O资源配置 243.1.6其他资源配置及相关介绍 24l 3.2 软件系统设计 263.2.1总体流程设计 263.2.2 PLC和变频器通讯 28l 3.3分析结果 28第四章 小结-29l 总结-29l 致谢-30l 参考文献-31第一章 选题背景水资源的短缺已将成为制约经济持续协调发展的瓶颈。水环境是人类赖以生存的空间，也是我们索取基本生活物质的宝库。一旦被破坏，被污染则直接影响人们的生活。1.1工业污水处理的国内外现状随着工业的发展，人们的物质生活的提高，同时也产生了对我们的生活环境的污染。治理水污染环境的课题被列入世界环保组织的工作日程。我国工业污水处理技术从“七五”国家科技攻关开始逐步进行研究。我国80年代以前建设的城市污水处理厂大部分采用普通曝气法活性污泥处理工艺。七五”和“八五”相关项目在氧化塘、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，此后又建立了一些氧化塘、土地处理等污水示范工程。根据国家十五发展纲要，十五期间各县市都要建立污水处理厂，如何保证处理过程的正常运行，减少运行成本也将成为环保部门、城建部门所关注的问题。目前国家治理污染的重点是“33211”工程，即“三河”(淮河、海河、辽河流域)、“三湖”(太湖、巢湖、滇池)、“两区”(酸雨控制区、二氧化硫控制区)、“一市”(北京)、“一海”(渤海流域)8。国际上，大规模的水污染治理是在第二次世界大战后，随着50年代经济的蓬勃发展带来的60年代日益严重性的环境污染而展开的。至70年代末，美国投入了数千亿美元兴建了18000余座城市工业污水处理厂，英国、法国、德国更耗费了巨额资金兴建了7000至8000座城市工业污水处理厂。工业污水处理设施中，城市排水管线和工业污水处理厂的兴建和运行在水污染控制中发挥着骨干作用9。一些发达国家，如美国、日本、西欧等国，由于这些国家经济发达，并较早的实现了工业现代化。如今，国外发达国家正兴建一批具有脱氮除磷功效的设施，对日常生活的水体质量改善和水环境保护起了重大的作用。一些发达国家经过十几年的努力，污水处理率几经达到了80%90%，成功地解决了来自于城市和工业的点源污染问题。同时一些国家开始重视污水的回用，如以色列的污水回用率达到了90% 8。因此，污水深度处理与再利用是通向健康水循环的桥梁，推进污水深度处理和普及再生水，创造良好水环境，是促进人类和谐发展的重要举措。1.2课题的背景据报道，我国年平均水资源总量为28000亿m2，居世界第六位，人均水资源量为2220m2，我国人均拥有淡水量为2400吨，为世界平均值的1/4，属于淡水资源贫乏的国家1。我们国家的水资源时空分布上极不均匀，目前我国约300个城市缺水，其中严重缺水城市有50个。与此同时，在我国大部分城市和地区，本已极为有限的水资源还受到水质恶化和水生态系统破坏的严重威胁。又由于80%以上的污水未经有效处理就直接投进水域，已造成我国1/3以上的河段受到污染，90%以上的城市水域严重污染，近50%的重点城镇水源不符合饮用水标准。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，因缺水造成的经济损失每年达2300亿元。水资源的匮乏和水资源的污染，已经严重影响了人们的日常生活，同时也严重影响了我国的经济建设和发展14。因此建设符合我们的污水处理自动控制系统对降低污水处理成本、改善环境、建立和谐社会，保持我国经济高速发展也是具有重要意义。1.3研究目的与意义 水与人的生活息息相关，在现代社会生活及生产中人们对水的需求量越来越明显。可是我国淡水资源不断减少，而且污染现象较为严重。现代工业中生产工艺和设备对水质要求也是越来越高，淡水的浪费非常严重，用水成本也是不断升高。我们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。淡水资源的短缺己经成为我国急需解决的问题。然而，水资源是有限的。由于控制技术、网络通信技术以及现场总线技术的飞速发展，国外较早的将SCADA技术引入到了给水排水工程中，并取得了良好的经济效益和社会效益。国外同时注重水处理中PLC的开发，相继研制出了一些智能、稳定、小巧的控制单元，如AB公司的SLC系列、Siemens的S7系列、Schneider的TSX Quantum系列；同时国外也很重视在线仪表的研制，如德国E+H公司，美国的哈希公司相继研制了溶解氧DO(Dissolved Oxygen)、化学需氧量COD(Chemical Oxygen Demand)分析仪。日本城市污水处理的电耗为0.304kwh/m、美国为0.243kwh/m，然而我国却高达0.365kwh/m，我们的工作人员也是要比这些国家多，但是我国城市污水处理深度还是远不如这些国家8。造成这种结果的原因分析可得：污水处理厂管理水平低、自动化控制手段差。耗水量高、重复利用率低、污染严重是我国工业系统水资源利用的突出问题。有关资料显示，我国的工业用水重复利用率平均为40%50%。目前全国城市污废水的处理率（达排放标准的）仅有10%左右，严重的环境污染也是使有限的水资源日益减少、水质日益恶化。水环境污染造成的水危机也已经成为炎黄子孙需要用集体的智慧来解决的问题。有效的结合目前最新的工艺状况、计量自控检测仪表使用、PLC 控制系统技术，是当前工业污水处理控制系统的追求方向。1.4论文的指导思想在保护环境的号召下，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再健康排放成为人们的心中大结。随着工业的不断发展和城市人口的急剧增加,大量工业和生活污水未经处理流入江河湖海，使环境和饮用水被严重污染.因此,建立高度自动化的污水处理系统是解决水污染问题的有效途径。针对目前我们污水处理厂高投入低效率的情况，我将规划一种低成本的污水处理控制系统。 为此我提出如下的设计：1.5课题主要设计的内容我选的课题主要的内容是工业工业污水处理基本工艺和流程，工业污水处理系统的组成以及PLC控制系统方面的简单规划,主要由以下内容：介绍了工业污水处理的基本内容，包括工业污水处理的工艺流程，控制形式以及工业污水处理的发展与要求。介绍了PLC的基本结构和工作原理。具体分析介绍工业污水处理系统的软硬件特点，并简要分析工业污水处理系统的系统组成。依据现有条件，展现该系统的可行性。第二章方案论证2.1工业污水处理基本概念污水污染物可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无机性物质和有机性物质，其化学元素以炭、氮、磷为主。按物理形态：污水中的污染物质可分为固体悬浮物即呈颗粒状的污染物质、胶体污染物质和溶解性污染物质8。好氧有机污染物的性质稳定，在微生物的作用下，借助微生物的新陈代谢功能而降解为无机物，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，采用生物化学需氧量或生化需氧量、化学需氧量、总有机碳、总需氧量等综合污染指标来表述。虽然生物化学需氧量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8。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。污水处理就是采用各种技术与手段，将污水中所含的污染物质分离去除、回收利用，或将其转化为无害物质，使水得到净化。废水处理技术是一种高效废水回用的处理技术，采用优势菌技术对校园生活污水进行处理，经过处理后的中水可以用来浇灌绿地、花木、冲洗厕所及车辆等，从而达到节约水资源的目的。水处理的目的主要是三种：去除水中影响使用水质的杂质以及污泥的处置满足用水的要求，在水中加入新的成分以改变水的化学性质改变水的物理性质，如水的冷却，降低水的粘滞度等。处理后的污水，最后出路有三种：排放水体；灌溉田地；重复使用9。2.2常用的工业污水处理工艺现代污水处理技术，按原理可分为物理、化学和生物化学处理法三类。目前，工业污水处理的方法一般以生物处理法为主，辅以物理处理法和化学处理法。根据实际情况，可以单一使用，也可以针对不同的污水混合使用。（生物化学处理是利用微生物处理污水中的有机污染物的一种工艺，它运行费用较低，目前已成为城市污水处理的主体工艺。该法有活性污泥法和生物膜法两种，前者多用于城市污水，后者多用于处理高浓度有机污水与污水处理过程中生产的污泥）按处理程度不同，污水处理技术又可分为预处理、一级处理、二级处理、深度处理和污泥处理及处置9。预处理：主要包括格栅和沉砂池。其主要作用是截留大块物质、砂石，以保证后续设备的正常运行。一级处理：主要是初次沉淀池。目的是将污水中悬浮状态的固体污染物质尽可育出或沉降去除，经过一级处理后的污水，可去除50%左右的悬浮物，污水五日需氧量一般只能去除30%左右，达不到排放标准。二级处理：主要有曝气池和二沉池构成。它是城市污水处理厂的核心，一般采用生物处理方法中的活性污泥法，主要去除水中呈胶体和溶解状态的有机污染物。经二级处理后，有机污染物质的去除率可达90%以上，污水中污水五日需氧量值可降至20mg/L30mg/L，有机污染物达到排放标准。深度处理：通用的工艺有混凝沉淀和过滤。主要目的是为了满足高标准的受纳水体要求或用于工业等特殊用途，它是城市污水处理未来发展的方向。污泥处理和处置：主要包括浓缩、消化、脱水、堆肥或卫生填埋。常用的工业污水处理工艺主要有三种类型9：传统活性污泥法。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为沼气池与沉淀池，工艺流程如图2-1 ：图2-1传统活性污泥法工艺流程图1优点：有机物去除率高，污泥负荷高，池的容积小，耗电省，运行成本低。缺点：普通曝气池占地多，建设投资大，满足国家标准相关指标范围小、易产生污泥膨胀现象，磷和氮的去除率低。A/O法。该法是一种缺氧-好氧生物工业污水处理工艺。该工艺通过增加好氧池与缺氧池所形成的硝化-反硝化反应系统，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，其工艺流程图如图2-2：图2-2 A/O法工艺流程图1A2/O法。该法是一种厌氧缺氧好氧工业污水处理工艺。其除磷脱氮效果非常好，非常适合用于对除磷脱氮有要求的工业污水处理。对除磷脱氮有特别要求的城市工业污水处理厂，首选A2/O工艺。其工艺流程图如图2-3：图2-3 A2/O法工艺流程图1A/B法。是吸附生物降解法的简称，于80年代初开始在我国应用于工程实践。该工艺没有初沉淀，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。主要应用于污水浓度高、水质水量变化较大，特别是工业污水所占比较高的城市污水处理厂，并有较高的节能效益。尤其在采用污泥消化和沼气利用工艺时，优势最为明显。SBR法。序批式活性污泥法的简称，是一种按照一定的时间顺序间歇式操作按间歇曝气方式来运行的污水生物处理技术。早在1914年，这种处理系统就被采用，由于当时的自动化水平较低，操作困难且工作量大，随着城市和工业废水处理规模的日趋扩大，间歇式活性污泥法逐渐被连续式活性污泥法取代。SBR反应池去除有机物的一切过程都在一个设有曝气或搅拌装置的SBR反应池内进行，不必另设沉淀池和污泥回流泵等装置。特点：工艺简单、造价低；时间上具有理想的推流式反应器的特性；运行方式灵活，可脱氮除磷；具有较强的耐冲击负荷的能力；良好的污泥沉降性能，不易产生污泥膨胀。综上所述，传统活性污泥及其改进型 A/0、A2/0 、 AB 工艺，处理单元多，操作管理复杂，尤其是污泥厌氧消化工艺，对管理水平要求较高，而氧化沟法回流污泥溶解氧较高，对除磷有一定的影响。目前氧化沟工艺是我国采用较多的污水处理工艺技术之一，DE型氧化沟和三沟式氧化沟在中高浓度的中小型城市污水处理中也有应用。多种类型的SBR工艺在我国同样有应用，如属第二代SBR工艺的ICEAS工艺，属第三代的CAST工艺、UNI-TANK工艺等。而中城市污水处理厂选用 SBR 法最经济实用。因此，在选择工业污水处理工艺的时候必需要认真考虑当地污水的情况，以及实际的工业污水处理的环境。2.3工业污水处理系统控制形式15早期的控制系统多采用继电器接触器控制系统，但随着电子技术的飞速发展，该类控制方法逐渐被淘汰。目前主要控制形式有以下几种：DCS系统。即分布式计算机控制系统，是由计算机技术、信号处理技术、测量控制技术、通信网络技术等相互渗透形成的。实现了真正的分散控制，可靠性提高，扩展能力较强。主要特点是采用分级分布式控制，软硬件资源丰富，减少了系统的信息传输量，使系统应用程序比较简单，实时性好，响应快。主要是用于各类生产过程。现场总线控制系统。其是由DCS和PLC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数据传输和交换，从而实现控制与管理一体化的自动控制系统，优点：可以用计算机丰富的软件、硬件资源，响应快，实时性好，通信协议公开，不同产品可互连。PLC系统。利用它可以实现控制系统的功能要求，选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，特点：编程方便，开发周期短，维护容易。通用性强，使用方便。控制功能强。模块化结构，扩展能力强。PLC的CPU强大的网络通信能力，使得工业污水处理系统的数据传输与通信变得可能，并且也可实现其远程监控。因此，PLC系统成为污水控制系统的首选控制形式。2.4工业污水处理系统的现状与发展趋势国外注重水处理中PLC的开发，相继研制出了一些智能、稳定、小巧的控制单元。与国外相比，我国污水处理自动化控制起步较晚，在处理工艺有的还是一级处理，处理的规模也很小，致使污水处理技术和管理水平处于较落后的状态。我国七十年代才开始采用热工仪表，实行集中巡检；八十年代应用分析仪表和DCS系统；至九十年代，随着一大批利用国际贷款的大型污水处理厂的建设投产，我国污水处理控制系统的自动化水平才有了很大的提高。我国第一座大型污水处理厂天津市纪庄子污水处理厂，它的诞生填补了我国大型污水处理厂建设的空白8。此后，污水处理工艺技术由过去只注重去除有机物发展为具有除磷脱氮功能。国外一些先进、高效的污水处理专用设备也随后进入我国污水处理行业市场。从国外引进污水厂的自动控制系统已经广泛采用集散式计算机监控系统，应用了自动化程度较高的检测仪表，各种新工艺，新设备大量出现并得到应用。我国现有城市污水处理厂80%以上采用的是活性污泥法，其余采用一级处理、强化一级处理、稳定塘法及土地处理法等。可以说我们大体上污水处理自动化的现状是：手动与自动皆备，自制和引用并举。可以看出，我国未来城市污水处理发展趋势会是：氮、磷营养物质的去处仍为重点。工业废水治理开始转向全过程控制。单独分散处理转为城市污水集中处理。水质控制指标越来越严。由单纯工艺技术研究转向工艺、设备、工程的综合集成与产业化及经济、政策、标准的综合性研究。污水再生利用。中小城镇污水污染与治理问题受到大众的普遍重视。2.5国内外工业污水处理系统的特点与要求资料显示，国外污水处理自控系统主要存在以下几个特点4：采用集散控制系统DCS和现场总线控制系统FCS。采用在线监测的水质分析仪表，对全厂的水质实行实时监测，并由上位机记录下来，提高了测量精度。生产过程中不同程度上采用了智能控制，可以根据水质和水源的变化自动地调整相应的控制方式。大量采用遥测、遥控设备，并开始有效地利用社会信息资源，如电话网络、移动电话网络、国际互联网、气象信息等。我国目前在水体污染、改善水体环境方面发挥了前所未有的效果，标志着我国工业污水处理事业发展到了一个崭新的阶段。现阶段，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具体项目的实施。资料显示，我国的污水处理自控系统有以下特点：新建的污水处理厂，引进了计算机分散控制系统，并且采用手动与自动并存的控制方式。国产在线仪表的稳定性还没有达到要求，所以大部分采用进口的在线仪表，但是由于进口仪表价格昂贵，所以应用并不是很广泛。水质的检测主要是有实验室人员通过实验来测量。各个控制站之间完全独立，没有信息的交换。并且各个控制单元由于其内部资源的限制，只是实现了简单的时间控制和逻辑控制。通过对比，不难看出整体上和国外相比我国污水的自控系统仍然存在很大的差距，但是我国的应用前景却非常广泛、潜力很大。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，将城市中排除的污水通过该系统处理后，输出符合国家标准的水质。为实现工业污水处理技术的简易、高效、低能耗的功能，并且实现自动化的控制过程。采用PLC作为核心控制器是个较好的方案。第三章 过程论述PLC污水控制系统的设计步骤如图3.1-1：图3.1 -1 3.1硬件系统配置不同的结构对应不同的控制系统，因此需要根据不同的结构特点设计相应的控制系统。应用序批式活性污泥法（SBR ）处理工艺，采用三菱系列PLC 作为控制中心实现对污水处理的自动控制6。3.1.1主要组成部分工业污水处理系统的结构比较复杂，设备较多，在氧化沟中其控制过程及原理大致相同，都是通过控制曝气机的转速来调节污水中的含氧量。经过厌氧和好氧处理，污水中的热量、沼气等再生能源可以为工业生产提供二次能源，真正实现变废为宝、循环经济的目的。图3.1-2工业污水处理系统基本组成示意图14进水系统。主要由进水管道和进水泵房组成，进水管道主要由粗格栅机和清污机组成，进水泵房主要有两台潜水泵组成。进水管道的主要功能是将污水中的大块物体排除，其中的粗格栅是根据程序设定的时间进行间歇工作，而清污机的运行和停止是根据粗格栅两侧的液位差来决定的即当液位差超过某个值时，启动清污机；当液位差小于某个值时停止清污机的运行。进水泵房中的潜水泵运行及停止是通过安装在泵房内的液位传感器来决定的即当液位较低时只启动一台潜水泵，当液位较高时启动两台潜水泵，若液位持续升高时，则输出报警以示意有故障发生。 除砂系统。主要由细格栅系统和沉砂池组成，细格栅系统是由细格栅机和转鼓清污机组成，沉砂池的主要设备是分离机。细格栅系统的主要功能是进一步净化污水中的颗粒物体，将污水中细小的沙粒滤除。细格栅机是根据程序设定时间进行间歇工作，而转鼓清污机的运行和停止则根据细格栅两侧的液位差来决定即当液位差超过某个值时，启动清污机；当液位差小于某个值时停止清污机的运行。沉砂池中分离机的运行和后续处理中的转碟曝气机的运行同步。氧化沟系统。由氧化沟和污泥回流系统构成，氧化沟包括转碟曝气机和潜水搅拌机，主要对污水进行生化处理，分解污水中的有害物质，使其达到一定的水质标准。污水回流系统主要由污泥回流泵构成。氧化沟中设置有溶解氧仪对污水中的含氧量进行检测，根据其反馈到PLC的值来控制曝气机变频器的运行。潜水搅拌机的作用是推进水流，同时使氧化沟的污水和活性污泥处于剧烈的搅拌状态，使他们充分混合接触，使它们的生化反应更加充分，以便最大程度地分解污水中的有害成分。沉淀系统。主要设备为刮泥机，其功能是对进行氧化沟处理后的污水进行物理沉淀，将污泥和清水分离，刮泥机在整个系统启动后就开始持续运行。在该系统中用到一定化学药剂主要是混凝剂、絮凝剂、复合碱等，用来调节改善混凝条件及絮凝体结构，利用高分子助凝剂的强烈吸附架桥作用，使细小松散的絮凝体变的粗大而紧密，容易发生沉降。污泥脱水环节。主要包括离心式脱水机，其主要功能是对氧化池中处理过污水的活性污泥进行脱水处理，由于对污水进行处理后，活性污泥中有新的微生物及其他杂质，因此需要先对活性污泥添加一定量的药物，便于污泥脱水。离心式脱水机主要由聚合物泵、污泥机和切割机构成，以上设备按照顺序控制的方式启动，依次启动聚合物泵、污泥机和切割机，完成对污泥的脱水处理。通过以上设计大大降低了工人的劳动强度，提高了管理水平。3.1.2电气控制系统电气控制系统方面的设计要求1：控制装置选用PLC作为系统的控制核心，根据工艺要求选配PLC可执行手动/自动两种方式，应能按照工艺要求编辑程序驱动电动机为双向运行，因此要在控制回路加互锁功能PLC的接地应按手册中的要求设计，并在图中表示或说明考虑必要的保护措施，如电动机过热保护、控制系统短路保护等绘制电气原理图：包括主电路、控制电路、PLC硬件电路，编制PLC的I/O接口功能表选择电器元件、编制元器件目录表绘制接线图、电控柜布置图和配线图、控制面板布置图和配线图本设计电气控制系统主要包括操作面板、显示面板、电气控制柜等单元。在该系统中需要检测较多的数字输入量，并且还要检测模拟量的输入，根据设定的程序进行数据处理后，输出控制信号，因此系统的控制逻辑与时序就需要严格照检测信号的输入进行控制。操作面板。主要包括手动、自动、各类设备的启动按钮等。显示面板。显示较多的数据，一般采用触摸屏或者人机界面。电气控制柜。电气控制的核心设备，主要包括变频器、各类传感器的输入信号、PLC及其扩展模块等。为了简化电缆铺设，保证系统的稳定性和可靠性，采用两台PLC对生产工艺进行监控。即采用两级控制方案对整套污水处理系统进行监控，上位机选用两台工业控制计算机，下位机可选用Omron公司PLC，系统构成监控布局如下图3： 图3.1-3主PLC控制提升泵站、沉砂池、氧化沟、二沉池、回流污泥泵站的所有设备及传感器。 从PLC控制剩余污泥泵站、储泥池、加药间、脱水间的所有设备及传感器。主、从PLC数据通过Control-Link总线进行数据交换，实现数据共享。控制核心采用PLC，其特点是体积小、功能多、可靠性高。编程后的PLC能够按照内部程序对系统进行实时监控1。PLC与上位机的通讯采用传输距离远，技术可靠RS485方式。3.1.3工业污水处理系统的工作原理 控制系统总体框图工业污水处理系统的电气控制系统总框图如图3.1-4所示，PLC为核心控制器，通过检测操作面板按钮的输入、各类传感器的输入，以及相关模拟量的输入，完成相关设备的控制。图3.1-4电气控制系统框图10 工作过程在手动状态下，各类设备的控制是根据操作面板上的按钮输入来控制；在自动方式下进行闭环控制，系统根据检测到外部传感器的状态对设备进行启停控制。 工业污水处理系统主电路设计工业污水处理系统的主电路图的部分图如下3.1-5图：图3.1-5工业污水处理系统部分主电路图10三台电机分别为潜水泵电机（M1）、清污机电机（M2）、转碟曝气机电机（M3）。接触器KM3、KM2、KM6分别控制M1、M2、M3的工频运行；接触器KM5、KM9分别控制M1、M3的变频运行；FR1、FR2、FR3分别为三台电机过载保护用的热继电器；QF1，为供电系统电源开关，其主回路控制对象为电感性负载交流电动机；FU1为主电路的熔断器，曝气风机的熔体额定电流IFU2IN22.5A5A，选用5A的熔体，控制回路熔体额定电流选用2A。选用的MM430变频器是用来控制电机M1，M3变频运行的。3.1.4 PLC选型及设计设计PLC控制系统之前，先对工艺过程进行细致的分析，再通过详细地了解控制对象和控制要求进行设计。PLC采用循环扫描技术，它每次只能执行一条指令，即PLC以“串行”方式工作的，这种工作方式可以避免继电器控制的触点竞争和时序失配等问题。PLC采用循环可以分为3个阶段：输入阶段(将外部输入信号的状态传送到PLC)、执行程序阶段和输出阶段(将输出信号传送到外部设备)。 输入阶段：在这个阶段中，PLC先进行自我诊断，然后与编程器或计算机通信，同时中央处理器扫描各个输入端并读取输入信号的状态和数据，并把它们存入相应的输入存储单元。执行程序阶段：在这个阶段中，PLC按照由上到下的次序逐步执行程序指令。从相应的输入存储单元读入输入信号的状态和数据，然后根据程序内部继电器、定时器、计数器数据寄存器的状态和数据进行逻辑运算，得到运算结果，并将这些结果存入相应的输出存储器单元。这一阶段执行完后，进入输出阶段。在这个程序执行中，输入信号的状态和数据保持不变。输出阶段：在这个阶段中，PLC将相应的输出存储单元的运算结果传送到输出模块上，并通过输出模块向外部设备传送输出信号，开始控制外部设备。PLC控制系统为工艺流程服务的，它是首先要能很好地实现工艺提出的控制要求的。PLC控制系统的设计应遵循以下原则。根据工艺流程设计，力求设计出最大限度满足控制要求的控制系统在满足控制要求的前提下，尽量减少PLC系统硬件费用。考虑到以后控制要求的变化，控制系统设计应考虑PLC可扩展性。控制系统使用和维护方便、安全可靠。再根据工业污水处理系统的电气控制系统的功能要求，以及其复杂程度，选择西门子S7200系列PLC作为工业污水处理系统的电气控制系统的控制主机。并采用CPU226作为该控制系统的主机。由于PLC的CPU强大的网络通信能力，使得工业污水处理系统的数据传输与通信变得可能，并且也可与各类人机界面的通信可完成PLC控制系统的远程监控。 利用PLC作为控制器的工业污水处理系统主要涉及两个方面：一是信号输入；二是控制输出信号2。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类信号的监测即：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。大多数为人工方式控制的输入检测，主要有自动按钮、手动按钮、格栅机启动按钮、清污机启动按钮、潜水泵启动按钮、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。检测粗细格栅两侧液位差，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的高低，用来控制潜水泵或污泥回流泵的启动和停止，以及投入运行的潜水泵的数量。（4）含氧量输入检测。以上三种都为数字量输入，该输入为模拟量输入。曝气过程是工业污水处理系统中最重要的环节，为了保证微生物所需要的氧气，必须检测污水中的含氧量，并通过曝气机增加或减少其含氧量。通过将溶解氧仪设置在适当位置上，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，降低了微生物分解的效果，延长了处理时间，严重时甚至导致处理失效，因此需要增加曝气机转速以增加供氧量；当溶解氧值偏高时，导致微生物过氧化，降低了其活性，也不利于处理，因此减小曝气机转速以减少供氧量，最终使污水中的溶解氧保持在一定的范围内8。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，即各类设备的接触器；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、污泥回流泵等设备。（2）模拟量输出通过PLC中PID运算后的数据，通过其功能模块输出控制信号，该控制信号输入到变频器的控制端子上，改变变频器的输出频率，从而控制曝气机的转速，最后达到控制污水中含氧量的要求。该系统中，还需要采集模拟量并利用模拟量控制，因此还需要在扩展一个模拟量输入输出扩展模块。如图3.1-6为PLC模块连线图图3.1-6 PLC模块连线图3.1.5 PLC的I/O资源配置对PLC的I/O进行配置，包括输入部分与输出部分，又由于需要采集一个溶氧仪所反馈的数据，因此需要再扩展了一个模拟量输入输出模块。在此控制系统中需要将采集回来的模拟量进行数据处理，通过模拟输出口对变频器进行控制，进行控制其他设备的运行。3.1.6其他资源配置相关介绍根据控制系统要求和电气设备的结构，确定电器元器件的总体布局以及电控箱内装配板与控制面板上应安装的电器元件。电控箱内电器板上安装的电器元件有：断路器、熔断器、隔离变压器、PLC、接触器、中间继电器、热继电器和端子板等。在控制面板上设计安装的电器元件有：控制按钮、旋钮开关、各色指示灯等。接触器。在控制系统中需要PLC根据当前的工作情况，以及按钮的情况来控制所有设备的启停。变频器。变频器的功能是将频率固定的(通常为50Hz)的交流电变换成频率连续可调的三相交流电源。变频器主要分为间接变频和直接变频两大类，而间接变频又根据中间直流环节的主要储能元件的不同可分为电压型和电流型。电压型变频器主回路由相控整流器，中间直流环节和逆变器三个，中间直流环节是高阻抗输出，它相当于电流源。相控整流器将交流电压整流为可控的直流电压，中间直流环节是低阻抗输出，它相当于是恒压源变频与变压(VVVF)原理：当在实际利用变频器调节电机转速的过程中，当频率f下降时，定子绕组的反电动势E有所下降，定子电流增大，但是转子侧的负载并未增加，故转子段电流不变，根据电流平衡方程可知，励磁电流比增大，因而磁通m增大。m增加将导致铁芯的饱和，进而引起励磁电流波形的畸变，这是不希望的结果，因此希望m可以保持基本不变。要实现这个目标，只要在变频过程中使变频器输出电压Ul/f=const，则磁通m可保持基本不变。因此变频的同时也要变压，常用VVVF表示。VVVF实施的基本方法包括：脉幅调制和脉宽调制。电动机。Y2系列电动机有两种设计，一种是Y2-Y系列。适用于一般机械配套和出口需要，在轻载时有较高效率，具有较高堵转转矩。另一种设计是Y2-E系列，满载时有较高效率，更适用于长期运行和负载率较高的使用场合，如水泵、风机配套。液位差计。利用液位差计，对格栅机的清污机进行控制。超声波液位差计精度较高，且有多种量程可供选择。粗格栅、细格栅各安装了一台超声波液位差计，通过格栅机前后的液位差来反映格栅机阻塞程度，并传输到PLC控制器，进行分析溶解氧仪。用滴汞电极（DME）的极谱分析测定溶解液中的溶解氧最为简单。但是DME的一些特殊性又影响了它在现场工作中的应用。根据电池原理而设计出膜覆盖氧电极，利用膜可渗透氧但不能渗透水和有机及无机溶质的原理，保护电极不与这类还原物质紧密接触，从而使传感器的灵敏度不受影响。仪器内置气压传感器，自动实现气压补偿。极谱型溶氧电极，极化时间短，响应快，测量准确。它不需要外加电压，可通过测量电解电流来测量溶解氧浓度。测量时将其放入待测溶液，水质溶解氧透过透氧膜，溶解于膜与电极之间的电解液薄层中，当两输出端接上负载电路时，氧在阴极表面上发生还原反应。在一定温度下，氧传感器的电流只与试样中的氧分压成正比。因此，测定电流即可知氧浓度。上位监控管理机。PLC通过通信电缆将采集参数传送给上位监控管理机，通过上位监控管理机可实时监测有关参数变化，并保留一段时间的数据，形成变化曲线。同时可以实时监测所控设备工作状态，具有设备故障报警、参数打印等功能。3.2软件系统设计软件的设计中，按照需要实现的功能要求做出流程框图3.2.1总体流程的设计根据系统的控制要求，控制过程主要分为手动控制和自动运行。自动控制模式流程图中，也会调用各个控制系统的程序。如图3.2-1图3.2-1模式选择流程图13 在手动模式下，可以通过按钮对格栅机、清污机、转碟曝气机、刮泥机，以及各类泵进行控制，对于转碟曝气机的控制，可以通过按钮增大或减小变频器的频率来改变其速度，以检测调试性能。每个设备可以单独运行，也可单独调试每个设备的运行，以测试设备的性能，如图3.2-2所示图3.2-2手动操作模式流程图6处于自动方式时，系统上电后，按下自动启动确认后系统运行，系统开始工作图3.2-3 自动操作模式流程图6在自动控制模式流程图中，调用了各个控制系统的程序，主要包括：粗格栅系统程序、潜水泵程序、细格栅系统程序、曝气沉砂系统程序、污泥回流泵系统程序以及污泥脱水系统程序13粗格栅系统程序主要控制粗格栅机和清污机的运行。潜水泵程序主要控制潜水泵的运行和停止。细格栅系统程序主要控制细格栅机和转鼓清污机的运行。污泥回流系统程序主要控制污泥回流泵的运行和停止。污泥脱水系统程序主要控制离心式脱水机，启动定时。3.2.2 PLC和变频器通讯USS通讯协议是SIEMENS 公司所有传动产品的通用通讯协议，它是一种基于串行总线进行数据通讯的协议。USS协议是主-从结构的协议，规定了在USS 总线上可以有一个主站和最多30 个从站；总线上的每个从站都有一个站地址（在从站参数中设定），主站依靠它识别每个从站；每个从站也只对主站发来的报文做出响应并回送报文，从站之间不能直接进行数据通讯。在使用USS协议之前，需要先安装西门子的指令库。USS通讯协议库。编程之前一定要将USS协议库添加进去，USS协议指令在STEP7MICRO/WIN32指令树的库文件夹中，STEP7MICRO/WIN32指令库提供14个子程序、3个中断程序和8条指令来支持USS协议。USS_INIT指令：当EN输入接通时，每一循环都执行该指令。通过Mode输入值可选择不同的通讯协议：输入值为1，指定Port 0为USS协议并使能该协议；输入值为0，指定Port 0为PPI并且禁止USS协议2。3.3.3分析结果如若经过系统调试，能够实现PLC在系统控制中的手动、自动模式的控制。启动电源后按下手动或自动模式选择按钮，当在手动模式时，可通过各控制按钮实现对工业污水处理系统中各电机的控制运行同时指示灯亮。即说明该污水处理系统的设计基本上达到了系统设计的目标要求。第四章 小结总结工业污水处理控制系统是一个比较复杂的系统，它包括与之相关的生产工艺流程、相关生产设备、控制流程的模型建立等。在设计过程中我主要从原理上入手，以搜寻到的各类文献为参考，辅以网络信息，