基于PLC污水处理系统设计-电气自动化技术（工企电气）毕业论文

江苏海事职业技术学院 2012 届专科生毕业设计 第 1页 专科毕业设计（论文） 设计题目：基于基于 PLCPLC 污水处理系统设计污水处理系统设计 系部：电气工程系电气工程系 专业：电气自动化技术（工企电气）电气自动化技术（工企电气） 班级：工企电气工企电气 091301091301 姓名： 顾秋泳顾秋泳学号：093905130110093905130110 指导教师：熊渊琳熊渊琳职称：助教助教 2012 年 6 月南京 摘要 随着现代生产工艺的飞速发展，现场对传动设备的快速性、连续性、系统性的要求越 来越高。本系统主要介绍了污水处理工艺流程，PLC 在城市污水处理中的具体应用以及计 算机监控系统数据采集的方法。系统运用 SIEMENS S7-400 PLC 作为控制核心，各级监控 系统通过工业以太网相互连接，通过此设计提高了污水处理厂的运行管理水平。本系统结 合某污水处理厂自动化控制系统的实际运行情况，设计并改造了污水处理厂的设备组成、 自动化控制方式和各工作站的功能、网络构成等。通过生产实践证明，该系统不仅具有较 强的并行协调处理能力，而且具有高可靠性、灵活性和可扩展性，以及高速处理能力等优 点。充分证明自动化控制系统对提高生产效率、无人值守或少人值守、提高安全性具有良 好效果。 关键词污水处理自动化控制系统PLC软件设计 AbstractAbstract Withtherapiddevelopmentofmodernproductiontechnology,fieldof transmission equipment of the rapid, continuous, systematic request more and more high. This system mainly introduces the sewage treatment process, PLC in city sewage treatment in specific applications and computer monitoring system data collecting method. System using SIEMENS S7-400PLC as the control core, various monitoring system through industrial Ethernet connection, through this design to improve the level of operation and management of wastewater treatment plant. This system unifies some sewage treatment plant automation control systems actual operation, design and transformation of the sewage treatment plant equipment, automation control and each workstation function, network structure. Through the production practice has proved that, this system not only has the strong parallel processing ability, and has high reliability, flexibility and scalability, and high speed processing capability. The full proof of the automation control system to raise the production efficiency, unattended or fewer people on duty, improve safety with good results. KeyKeywordswords: : Sewage treatmentAutomation control systemPLCSoftware design 目录 1 1引言引言.1 1.1国外污水处理系统的发展状况.1 1.2国内污水处理系统的发展现状.1 2 2污水处理系统分析污水处理系统分析.2 2.1污水处理主要内容.2 2.2污水处理工艺流程.2 3 3设计方案的确定设计方案的确定.3 3.1PLC 控制系统的设计分析.3 3.2污水处理 PLC 控制系统的设计与分析.4 4 4PLCPLC 的程序设计的程序设计.6 4.1PLC 的选择.6 4.2硬件部分的设计.7 4.3软件部分的设计.8 4.4组态软件对现场监控的实现.13 结论结论.15 致谢致谢.16 参考文献参考文献.17 江苏海事职业技术学院 2012 届专科生毕业设计 第 1页 1 1引言引言 随着我国经济的不断发展，人们对于生态环境的要求也在日益提高，要求越来越的污 水处理达标后排放，目前国内外正在修建及待建的污水厂也日益增多。 中国人均水资源占有量少，空间分布不均。随着中国城市化、工业化的加速，水资源 的需求缺口也日益增大，由此背景下，污水处理行业已成为一种新兴产业。 虽然由于国家和各级政府对环境保护重视程度不断提高，中国污水处理行业正在快速 增长，污水处理总量逐年增加，城镇污水处理率不断提高，但是中国目前的污水处理行业 仍处于发展的初级阶段。 1.11.1国外污水处理系统的发展状况国外污水处理系统的发展状况 国外一些发达国家，随着经济的发展，并较早实现工业现代化。这些国家经济发展较 早、较快，环境问题，特别是水资源污染严重，也较早反映，但也受到各国政府的重视， 投入了大量的人力，物力，进行水处理的研究。这些国家在研究新的水处理理论和技术的 同时，也注重研究污水处理自动控制系统。他们就投资高效，智能型密集，污水处理设备 及自动化控制仪表。一些发达国家经过十年的努力，污水处理率达到 80% 90%，成功地解 决了从城市和工业点源污染。 作为一个结果，控制技术，网络通信技术和现场总线技术的飞速发展，污水处理厂很 快意识到网络控制在污水处理厂。同时国外早期监控技术引入给排水工程，取得了良好的 经济效益和社会效益。国外重视水处理系统的发展，形成了一批有智能，稳定，控制单元， 如抗体的基因序列，西门子系列，s7schneider 多伦多量子系列，同时国外也十分重视在 线仪表的开发，电子+ H 股公司如德国，美国美国州哈希公司开发了溶解氧，化学氧需求 分析仪。 1.21.2国内污水处理系统的发展现状国内污水处理系统的发展现状 我国第一座大型污水处理厂，天津市纪庄子污水处理厂于 1982 年破土动工，1984 年 4 月 28 日竣工投产运行，处理规模为 26 万立方米/天。纪庄子污水处理厂投产运行后多年 来达到设计出水水质标准，使黑臭的污水变为清流，它的诞生填补了我国大型污水处理厂 建设的空白。在此成功经验的带动下，北尔、上海、广东、广西、陕西、山西、河北、江 苏、浙江、湖北、湖南等省市根据各自的具体情况分别建设了不同规模的污水处理厂。 与国外发达国家相比，中国的污水处理自动控制起步较晚，七十年代开始使用热工仪 表，集中检验；八十年代应用分析仪器和 DCS 系统；到九十年代，随着大量使用国际贷款 江苏海事职业技术学院 2012 届专科生毕业设计 第 2页 的大型污水处理厂建设和运营污水处理在中国，自动化水平控制系统大大的增加。从国外 引进的污水处理厂的自动控制系统已广泛应用于分布式微机监控系统，采用自动化程度更 高的仪器，各种新技术，新设备的大量出现和应用。可以说，中国的污水处理自动化的现 状是：手动和自动皆备，自制和引用并行。 2 2污水处理系统分析污水处理系统分析 2.12.1污水处理主要内容污水处理主要内容 城市污水、生活污水、生产污水或工业企业局部处理后的生产污水，往往都排入城市 排水系统，故把生活污水和生产污水的混合污水叫做城市污水。这些污水除含有碳水化合 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、 病毒等使人致病的微生物。经处理后的污水，最后流向有三种：排放水体；灌溉田地；重 复使用。水处理的目的不外乎三种： 1.去除水中影响使用水质的杂质以及污泥的处置，这是最主要的内容。 2.为了满足用水的要求，在水中加入新的成分以改变水的化学性质，如食用水中加氟 以防止龋齿病，循环冷却水中加缓蚀剂以控制腐蚀和结垢等。 3.改变水的物理性质的处理。 2.22.2污水处理工艺流程污水处理工艺流程 污水处理的总体工艺 活性污泥是微生物群体及其吸附的有机和无机化合物的统称，具有有机质的降解能 力，表明生物活性。这种方法的污水处理过程可以分为：格栅治疗，水泵扬程，砂处理， 沉淀池，曝气池处理，二次沉淀池处理，浆料制备，天然气利用。现代污水处理技术，按 处理程度划分，可分为一级，二级和三级。 一级处理，主要去除污水中的悬浮固体是一个污染物质的物理治疗，大部分可以完成 一级处理的要求。 二级处理，主要去除胶体和溶解的有机污染物，去除率可达 90%以上，使有机污染物 达到排放标准。 三级处理，进一步处理了难降解有机物，氮磷是会导致水体富营养化的可溶性无机化 合物。主要的处理方法：生物脱氮除磷方法，混凝沉淀法，砂率，活性炭吸附，离子交换 法二沉池污泥回流部分初级沉淀池或生物处理设备，一部分进入了污泥浓缩池，后进入污 泥消化池，经过脱水和烘干设备，污泥是最后被利用的。 江苏海事职业技术学院 2012 届专科生毕业设计 第 3页 3 3设计方案的确定设计方案的确定 3.13.1PLCPLC 控制系统的设计分析控制系统的设计分析 3.1.1PLC 的基本结构 PLC 实质是一种专用于工业控制的计算机，其硬件结构基本上与微型计算机相同。根 据结构形式的不同，PLC 的基本结构分为整体式和模块式结构两类。 1.整体式：整体式(又称箱体式)结构的 PLC 由中央处理器(CPU)、存储器、输入/输出 (I/O)单元、电源电路和通信端口等组成，并将这些组装在同一机体内。这种结构的特点 是结构简单、体积小、价格低、输入/输出点数固定、实现的功能和控制规模固定，但灵 活性能较低。 2.模块式：是把 PLC 各基本组成做成独立模块。中型、大型 PLC 采用这种方式，便于 维修。这种模式的主要特点是系统构成的灵活性高。可以构成不同控制规模和功能的 PLC， 但同时价格也比较高。 3.1.2PLC 的工作原理 PLC 采用了“顺序扫描，不断循环”的工作方式。 1.每次扫描过程。集中对输入信号进行采样，集中对输出信号进行刷新。 2.输入刷新过程。当输入端口关闭时，程序在进行执行阶段时，输入端有新状态，新 状态不能被读入，只有程序进行下一次扫描时，新状态才被读入。 3.一个扫描周期分为输入采样、程序执行、输出刷新。 4.元件映象寄存器的内容是随着程序的执行变化而变化的。 5.扫描周期的长短由三条决定。 （1） CPU 执行指令的速度 （2） 指令本身占有的时间 （3） 指令条数。 6.由于采用集中采样，集中输出的方式存在输入/输出滞后的现象，即输入/输出响应 延迟。 3.1.3PLC 控制系统设计原则和设计步骤 1、 设计原则 PLC 控制系统的设计原则主要是为了实现被控对象的工艺要求，以提高生产效率和产 品质量。 （1）PLC 除了最大限度地满足控制要求外，同时要注意和现场工程管理和技术人员及 操作人员紧密配合，共同解决重点问题和疑难问题。 江苏海事职业技术学院 2012 届专科生毕业设计 第 4页 （2）保证系统的安全可靠。 （3）力求简单、经济、使用与维修方便。 （4）适应发展的需要。 2、 设计步骤 （1）深入了解和分析被控对象的工艺条件和控制要求这是整个系统设计的基础， 以后的选型、编程、调试都是以此为目标的。 （2）确定 I/O 设备根据被控对象的功能要求，确定系统所需的输入、输出设备。 （3）选择合适的 PLC 类型根据已确定的用户 I/O 设备，统计所需的输入信号和 输出信号的点数，选择合适的 PLC 类型，包括机型的选择、 I/O 模块的选择、特殊模块、 电源模块的选择等。 （4）分配 I/O 点分配 PLC 的输入输出点，编制出输入 / 输出分配表或者画出输 入 / 输出端子的接线图。 （5）编写梯形图程序 （6）进行软件测试 （7）应用系统整体调试 （8）编制技术文件系统技术文件包括说明书、电气原理图、电器布置图、电气元 件明细表、PLC 梯形图等。 3.23.2污水处理污水处理 PLCPLC 控制系统的设计与分析控制系统的设计与分析 3.2.1污水处理的过程 本课题讲述了 SBR 污水生物处理工艺，即序批式间歇活性污泥法。这种工艺是按“进 水、曝气、沉淀、排水”步骤周期性进行生化反应。从进水开始到排水结束算作一个周期。 工艺流程图如图 1 所示。 江苏海事职业技术学院 2012 届专科生毕业设计 第 5页 污水池水泵 污水处理后的污水 肥料 泥池 风机 SBR 池 图 1SBR 流程图 基本工艺流程如下： 1. 进水 进水阀门打开，污水通过粗格栅，经过水泵，然后细格栅过滤到达 SBR 池。 2. 反应 反应过程是 SBR 的主要工艺技术。当水位达到预定的注射量的水，停下来，打开空气 阀。在鼓风机开始的同时，开始曝气，同时潜水搅拌器和回流污泥泵运行，可以开始反应 操作，如驱动生化需氧量，硝化，反硝化和磷的吸收。根据反应需要达到的程度，曝气混 合，并确定了反应时间，如果需要，添加药剂。在进入沉淀过程，应进行短时间的曝气， 清除污泥上粘附的气泡或氮，为了确保顺利进行排泥。 3. 沉淀 当 SBR 池停止曝气以后，空气阀门关闭，潜水搅拌器和回流污泥泵停止运行，开始重 力沉淀和泥水分离。 4. 排水 SBR 池水位到达最高水位，并经过沉淀工艺以后，上清夜由滗水器缓慢排出池外。当 池水位达到处理周期开始时的最低水位时，停止滗水。剩余污泥泵在滗水器停止运行后开 始运行，排泥至储泥池。 5. 闲置 闲置期的作用是通过搅拌、曝气或静置使微生物恢复活性，并起到一定的反硝化作用 而进行脱氮，为下一个运行周期创造良好的初始条件。通过闲置期后的活性污泥处于一种 营养物的饥饿状态，单位重量的活性污泥具有很大的吸附表面积，因而一当进入下个运行 周期的进水期时，活性污泥便可充分发挥其较强的吸附能力而有效地发挥其初始去除作 江苏海事职业技术学院 2012 届专科生毕业设计 第 6页 用。闲置期的设置是保证 SBR 工艺处理水水质的重要内容，闲置期所需的时间也取决于所 处理的污水种类、处理负荷和所要达到的处理效果。 3.2.2设备控制流程 第一步：进水+曝气。1 号 SBR 池开始进水设定时间为早 8 点，进水 2h，通过 1 号电 动蝶阀控制，进水的同时 1 号风机开始曝气，污泥回流到泵 1 号开启，开始回流。 第二步：2h 后，1 号电动蝶阀停止进水，1 号回流泵停止回流；1 号风机继续曝气。 第三步：持续曝气 6h 后，1 号风机停止曝气。 第四步：静置期 1h。1 号 SBR 池静置 1h 后，此时，水面分层，污泥沉降置底，上清 液用滗水器排出。 第五步：排水 1h。静置 1h 后，开始排水，1 号池内 1 号滗水器启动，由上顶点缓慢 向下移动；滗水器潜至下顶点滗水结束后，迅速自动升回至上顶点停住。至此，滗水 1h 结束。 第六步：滗水 1h 结束后，第一周期结束，开始下一循环周期进水，曝气，回流。以 后各周期如上所述。 2 号 SBR 池与 1 号 SBR 池间隔 2 个小时，开始进水，各步骤与 1 号 SBR 池相同，只是 在时间上相互顺延。3 号 SBR 池与 2 号 SBR 池相间隔 2 个小时，4 号与 3 号 SBR 池相间隔 2 个小时，后续程序同 1 号设定。 3.2.3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。 4 4PLCPLC 的程序设计的程序设计 4.14.1PLCPLC 的选择的选择 污水处理自动控制系统中对 PLC 的性能提出了更高的要求，作为污水处理自动控制系 统的核心控制器，它必须有以下特点：第一，必须是稳定可靠的，并有一个预定的数据处 理和浓度的数据传输能力，具有较高的故障保护能力；其次，局部控制控制器可以独立承 担控制分区基本控制的任务，即使监测站和监控中心因故障停止运行，相邻的控制器可以 交换数据信息；然后，当一个控制站的控制量发生变化，能按照预定的计划和程序采取相 应的算法，对于区域控制对象如泵和加药系统做出相应的调整。因此，它必须至少有一下 江苏海事职业技术学院 2012 届专科生毕业设计 第 7页 几个功能模块，数据采集功能、存储处理功能、通信功能、自动诊断功能和本地操作功能。 必须综合考虑整个监控系统的性能要求和自然条件以及运营周期对设备的要求进行 选择，尤其在极端气候和恶劣环境状况条件下或较大规模的污水处理厂，需要选择性能更 好的双机热备冗余的 PLC。 PLC 是可编程控制器的简称，在本系统中 PLC 代替了原先的硬接线的控制逻辑电路，实现 了生产的自动化控制。 PLC 较原先的继电器控制有下列优点: 1. 控制程序可改变 在污水厂生产工艺或流程改变的情况下，不必改变 PLC 的硬件设备，只要改变相应的 程序就可满足用户的要求。 2. 适用于工业环境，具有高可靠性 PLC 产品的平均无故障时间达 5 年以上，因而它是一种高可靠的产品，大大地提高了 生产设备的工作效率，降低了生产的成本。 3. PLC 功能齐全 一般 PLC 具有开关量及模拟量输人/输出、定时、计数、逻辑和算术运算，顺序控制， PID 调节，通信等功能。除了应用于开关量控制系统外，也可用于连续的流程控制系统， 从而使污水处理设备的控制水平大大提高。 4. 易掌握，便于维护 使用人员只需掌握工程上通用的梯形图语言就可进行用户程序的编程和调试。因此， 即使不懂计算机的人，也能掌握 PLC。又由于 PLC 具有自诊断功能，因而较容易进行维护， 查找出故障原因。由于 PLC 自身的高可靠性，也使其故障率几乎降至于零。正是 PLC 具有 这么多的优点，才使越来越多的 PLC 应用到污水处理厂中。 由于设计的污水处理控制系统是应用在小型规模的污水处理厂，本系统选用西门子小 型 PLC S7-200 系列，主机型号为 CPU 224 XP，具有 14 个数字输入点和 10 个数字输出点， 2 个模拟输入点和 1 个模拟输出点。可以用于代替继电器的简单控制场合，也可以用于复 杂的自动化控制系统。 4.24.2硬件部分的设计硬件部分的设计 4.2.1I/O 分配表 根据控制要求与设计方案，列出 I/O 分配表，如表 1 所示。 江苏海事职业技术学院 2012 届专科生毕业设计 第 8页 表 1I/O 分配表 输 入 信 号 I0.0复位 I0.1自动状态 I0.2滗水器下潜限位 I0.3滗水器上升限位 I0.4风机故障 I0.5进水泵故障 I0.6滗水器故障 I0.7回流泵故障 I1.0手动自动切换 I1.1下潜滗水器手动 I1.2上升滗水器手动 I1.3回流泵手动 I1.4风机手动 I1.5进水泵手动 输 出 信 号 Q0.0下潜滗水器 Q0.1上升滗水器 Q0.2起停回流泵 Q0.3起停风机 Q0.4起停进水泵 4.2.2硬件电路接线图 根据实际 PLC 模块，I/O 分配表和 I/O 接线图，连接 PLC 各模块，并通过 PC 机联机， 实现程序控制要求。 4.34.3软件部分的设计软件部分的设计 4.2.1程序的流程图 程序主要依据 SBR 法污水处理工艺具体一个 SBR 池，一个周期的流程图如图 2 所示 江苏海事职业技术学院 2012 届专科生毕业设计 第 9页 图 2一个 SBR 池一个周期的流程图 4.3.2梯形图程序 根据控制要求、I/O 分配表，设计 PLC 梯形图，如图 3 所示 江苏海事职业技术学院 2012 届专科生毕业设计 第 10页 江苏海事职业技术学院 2012 届专科生毕业设计 第 11页 江苏海事职业技术学院 2012 届专科生毕业设计 第 12页 江苏海事职业技术学院 2012 届专科生毕业设计 第 13页 图 3梯形图程序 4.44.4组态软件对现场监控的实现组态软件对现场监控的实现 4.4.1组态王 6.53 的特点 江苏海事职业技术学院 2012 届专科生毕业设计 第 14页 组态王 6.53 是运行在 Windows98/NT/2000 上的一种组态软件， 主要用来接受来自 PLC 的数据，使用组态王，用户可以方便地构造适应自己需要的“监控与数据采集系统” ，并 可以实现： 1. 使用清晰准确的画面描述工业控制现场。 2. 使用图形化的控制按钮实现单任务和多任务。 3. 设计复杂的动画显示现场的操作状态和数据。 4. 显示生产过程的文字信息和图形信息。 5. 为任何现场画面指定键盘命令。 6. 监控和记录所有报警信息。 7. 显示实时趋势曲线和历史趋势曲线。 8. 使用多样而灵活的方式查询历史数据。 9. 时间驱动和事件驱动的报表的打印。 10. 设计多级安全控制和访问权限。 组态王 6.53 全面支持了 OPC 标准，支持网络结构、分布式历史数据库和分布式报警 系统，还提供了完整的安全系统和冗余系统，使系统运行时变得更加安全、可靠、稳定。 4.4.2S7-200 系列 PLC 的网络通信协议 S7-200 系列 PLC 支持多种通信协议， 如点对点接口(PPI)、 多点接口(MPI)和 PROFIBUS。 在污水处理控制系统中，控制器将利用点对点 PPI(Point-to-Point)协议与安装在上位计 算机中的工业控制组态软件进行通信。网络上的 S7-200 CPU224 PLC 作为从站，组态软件 组态王 6.53 作为主站。在 PLC 控制程序中，将污水处理控制系统运行现场的各项参数放 入用户数据存储区的指定区域中，通过组态王 6.53 中的 I/O 变量采集或刷新这些存放在 PLC 用户数据存储区中的数据。这样，PLC 就可以与上位计算机利用通信进行数据的交换， 为实现上位计算机对污水处理控制系统现场数据的监控创造了条件。 江苏海事职业技术学院 2012 届专科生毕业设计 第 15页 结论 本文成功的运