（电力系统及其自动化专业论文）城市生活污水处理电气自控系统的设计与实现.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第u 页 a b s t r a c t w i l ht h e r a p i dd e v e l o p m e n to fc i t i e s ，t h ee n v i r o n m e n tb c c o m e s m or ca n dm o r ei m p or t a n t w a s t e w a t e ri so n eo ft h em a j o rf a c t o r st h a t p o l l u t e t h ee n v i r o n m e n t t h ea u t o m a f i c c o n t r o i n gs y s t e m o f w a s t e w a t e rf r e a t m e n ti nc h i n ai sn o t v e r y a d v a n c e d t h ec o s to f w a s t e w a t e ri s h i g h t h ew a t e rq u a l i t i e so ft h et r e a t e dw a s t e w a t e ra r e u n s t a b l e s oh o wt 0s o l v et h c p r o b i e m si sv e r ys i g n i f i c a t i v e t oo u r c o u n t r y t h ep a p e rb a s e do nt h er e c o n s t r u c t i o no fc h o n g q i n gc h e n g n a n w a s t c w a t e rt r c a t m c n tf a c t o r y aa u t o m a t i cc o n t r o l l i n gs y s t e mw a ss e t u pw h i c ha d o p ti n d u s t r i a le t h e r n e t t h em a j o rw o r ki n c l u d c st h r e e a s p e c t s t h cd e s i g no fe l c c t r i c a lc o n t r o li n c l u d e ss t a r t i n ga n ds t o p p i n gt h e e q u i p m e n t ，s t a t ei n d i c a t i o n ，t r o u b l et r e a t m e n t ，s y s t e ms i g n a lc o l l e c t i o n t h e e x p l o i t a t i o n o fl o w c r c o m p u t e ri n c l u d e s p l o t t i n g t h e c o n t r o l l i n gs t a t i o n ，w r i t i n gt h ec o n t r o l l i n gp r o g r a mo fp l c ，0 p t j m i z i n g t h ec o n t r o l l i n gp r o g r a mb yi t e r i o rf i l e so fp l c ，c o u n t i n gt h ea m o u n to f t r e a t e dw a s t e w a t e ra n dr u n n i n gt i m eo ft h ep u m p s t h ee x p l o i t a t i o no fu p p e rc 0 m p u t eri n c l u d e st h ed e s i g n i n go ft h e c o n t r o l l i n gm a p ，s e t t i n gu pt h ed a t a b a s eo fo p e r a t i o na n dr c a lt i m ec u r v e o fwa t e rq u a l i t y ，a c c o m p l i s h i n gt h es y s t e ma l a r m ，b u i l d i n ga n dp r i n t i n g t h er e p o r tf o r m so ft h ef a c t o r y t h es y s t e mh a sb e e nw o r k i n gs t a b l yi nt h ep a s ty e a r t h ew a t e r q u a l i t yo ft h el r e a t e dw a s t e w a t e ri sv c r yg o o da n dt h ec o s to ft h e t r e a t m e n t gh a sb e e nl o w e d k e yw o r d s ：i n d u s t r i a le t h e r n e t ；e l e c t r i c a lc o n t r o l ；l o w e rc o m p u t e r ； u p p e rc o m p u t e r ； 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 随着现代工业和城市建设的发展，我国城市的环境污染特别是 水污染问题同趋严重；同时我国是一个水资源占有量匮乏的国家， 可以说水污染严重和水资源的短缺已经成为严重制约我国社会经济 持续发展、危害生态环境、影响人民生活和身体健康的突出问题， 迫切需要加以解决“1 。长期以来，自来水保证了引用水的水质安全， 但不幸的是，现在自来水的水质中，不断出现许多不安全因素，其 中有属于病原体的，有属于化学物质的。据近几年的报导，在水中 检查出来的有害物质已经从原来的1 0 0 多种变为了1 5 0 0 种“1 。水污染 已经引起了世界各国的重视。我国政府对水污染也非常重视，并将 其作为今后一段时间内基本建设投资的重点。 污水处理工艺的不断改进使污水处理过程越来越繁琐、越来越 复杂，原来操作人员的手动控制已经无法满足污水处理发展的要求。 随着计算机、工业控制网络、在线检测及可编程控制技术的发展， 国外的很多污水处理厂根据自身情况相继建立了污水处理自动控制 系统，目前我国国内新建的大型城市污水处理厂全套引进了国外的 设备和技术，如沈阳北部污水处理厂全部弓l 进法国的设备和处理技 术。全部引进国外技术存在以下问题：1 引进费用昂贵；2 维护费用昂 贵，维护不方便：3 没有结合我国的国情：4 不利于培养我国的相关 专业的工程技术人员。 1 1 课题的来源和背景 本课题源于重庆市重点科技攻关项目“中小城镇缺氧需氧组合 式污水处理关键技术研究与工程示范”的子课题“m s b r 生物滤池管 理控制系统研究”( 编号：7 5 1 7 0 2 ) ，使本课题在理论研究、系统集 成原理研究的基础上，为完成实验系统( 工艺系统、控制系统软、 硬件) 的丌发和实验提供了经费保证。 重庆市渝北区城南污水处理厂位于重庆市渝北区两路的一个自 然沣地，主要负责渝北区生活污水和部分工业污水的处理，陔厂建 成于1 9 9 4 年，一期工程的处理能力为l 万吨天、二期工程完成后同处 理能力达到了2 万吨天，处理后的污水经长河溪流入长 工。随着城区 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 的扩建、工厂数量的增加、重庆主城区人口的迁入及西南政法等几 所大学新校区的启用，使生活污水急剧增加，除了新建新的污水处 理厂之外，也决定对城南污水处理厂进行工艺与处理能力改造，而 本课题的实施也正是基于这个改造。 在改造前，该厂的污水处理工艺流程依次为：粗格栅、细格栅、 初沉池、曝气池、二沉池，然后流入长河溪；对全厂的控制除了在 曝气池曝气机的控制上加了一块o m r o n 的p l c 实现时间控制之外， 其他设备全部为手动控制；对水质的检测完全由实验人员通过实验 测定，没有实现对水质的在线监测。因此，可以说该厂的自动化程 度很低，这样就造成了一个后果，该厂处理的污水的水蠹醛赫鸶搿； 畿嶷腰2 1 水的使用、盐理和处置系统 f 1 9 2 1s x 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 同时国外较早的将s c a d a 技术引入到了给水排水工程中，并取得了 良好的经济效益与社会效益1 。国外同时注重水处理中p l c 的开发， 相继研制出了一些智能、稳定、小巧的控制单元，如a b 公司的s l c 系列、s i e m e n s 的s 7 系列、s c h n e i d e r 的t s xq u a n t u m 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d o ( d i s s o l v e do x y g e n ) 、化学需氧量c o d ( c h e m i c a l o x y g e nd e m a n d ) 分析仪。国外污水处理自控系统主要存在以下一个 特点： ( 1 ) 采用集散控制系统d c s 和现场总线控制系统f c s 。按照厂 区的自身情况和工艺段来划分若干个控制站，站与站之间可以平级 关系也可以使上下级关系，站与站之间一般独立运行。设立中控室， 中控室有操作员站和工程师站，负贲全厂的数据管理与记录、报表 等工作。 ( 2 ) 大量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。 ( 3 ) 生产过程中不同程度上采用了智能控制可以根据水质和 水源的变化自动的调整相应的控制方式。 ( 4 ) 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。 1 2 2 国内污水处理厂自控系统发展状况 解放初期由于工农业生产刚刚起步，当时的污水污染程度很低， 且提倡利用污水进行农业灌溉，特别是北方缺水地区将污水灌溉利 用作为经验进行推广，如著名的沈轨灌渠等，所以全国仅有几个城 市建设了近十座污水处理厂( 还包括1 9 2 1 1 9 2 6 年间外国人兴建3 座 污水处理厂) ，在处理工艺有的还是一级处理，处理的规模也很小， 每天只有几千立方米，最大的也只有每天5 万立方米左右，致使污水 处理技术和管理水平处于较落后的状态。 我国第一座大型城市污水处理厂一一天津市纪庄子污水处理厂 于1 9 8 2 年破土动工，1 9 8 4 年4 月2 8 日竣工投产运行，处理规模为2 6 月 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，北京、上海、广东、广硒、 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 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。 与国外相比，我国污水处理自动化控制起步较晚，七十年代开 始采用热工仪表，实行集中巡检；八十年代应用分析仪表和d c s 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成投 产，我国污水处理控制系统的自动化水平有了很大提高。从国外引 进污水厂的自动控制系统已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。可以说我国污水处理自动化的现状是：手动与自动皆各，自 制和引用并举”1 。可以看出我国的污水处理厂自控系统有以下特点： ( i ) 对于新建的污水处理厂，引进了计算机分散控制系统，手 动与自动并存的控制方式。大部分以前建设的污水厂自动化程度仍 然很低，仍采用人工巡检的方式。 ( 2 ) 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。 ( 3 ) 各个控制站之间完全独立，无没有信息的交换。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。 ( 4 ) 上位机监控软件很少使用，几乎没有中控室，不能对全厂 的设备实行实时监控。而一些报表的工作也主要是由厂里的工作人 员手工完成。 通过对比，不难看出：整体上和国外相比我国污水厂的自控系统 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。 1 3 课题的研究目的和意义 世界任何国家的经济发展，都会推进社会进步、促进工农业生 产能力，使人民生活得到进一步改善，但是也随之带来不同程序的 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关注，治理水污染环境的课题被列入世界环 保组织的工作同程。 我国是一个严 x 西霉妻善羹曩= 剐囊戮弘鲥扪翳联叁 萋囊妻：萋委薹攀羹羹薹= 蠢薹羹蠢霪冀喜篓菱羹薹鏊淤囊蓑黍羹 羹粪薹酾到潦曩出衙：镩碴罐曼蒴疆蚴蛾藩；乳羹舅韵副晷羹酗甄 掣削引氍j 参列毛孤e 蟛稀蠹引引如粥鄞称赣专镰堪篓甬= ： ；琶，蚕 瓣王翼嚣弛缓裂酮黝堑霸科班型豫。 囝雾隳霪j 引矗受魁黯蛳臻辩蠢雏强精写i 割托蚓；羹霸撕； 穗厦瑶。蟪嘶穗。球蓊水；鬟弘裂蕊礤世懋i 塑鋈蔼馑臻学蠡罐 宝娄潮蘸鹭剥承浆銎葶囊渤氆蠹旧蓥藿孽凳霎奏薹辩澄 莘m 缒鲤铃碍； 结萎蓊嬲警噬菘镙爨嘤馐i 稿鬟梦虱斟荆鲻澎募蔼蔼罄罾焉蒜凝基 露是；秘翳醛吲绺髫秘裳遂弼登鞫j 饕筛酶引越望西琶蓠摩堡鞫 鲥呼蚓：霪臻麓香盟甭夔蠢囊。鋈妻毳疆妻鋈鬟| | 鬟羹蠹醛赫鸶搿； 畿嶷 腰21水的使用、盐理和处置系统f192l s x 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 污水中除含有碳水化和物、蛋白质、尿素、氨基酸、动植物脂 肪、合成洗涤剂、氨等物质外，还含有细菌、病毒等使人致病的微 生物。水处理的目的不外乎三种n “： ( 1 ) 去除水中的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的 化学性质，如食用水中加氟以防止龋齿痛，循环冷却水中加缓浊剂 以控制腐蚀和结垢等： ( 3 ) 改变水的物理性质的处理，如水的冷却，降低水的粘滞度 等。 2 2 城市污水的性质与污染指标 2 2 1 污水的物理性质及指标 表示污水的物理性质的指标主要指水温、色度、臭味、固体含 量及泡沫等1 。 1 水温 污水的水温，对污水的物理性质、化学性质及生物性质有直接 的影响。 2 色度 色度由悬浮固体、胶体或溶解物质形成。 3 臭味 臭味主要由有机物腐败产生的气体造成，臭味给人以感观不悦， 甚至会危及人的生理、呼吸困难，倒胃胸闷等。 4 固体含量 固体物质按存在的形态不同可分为：悬浮的、胶体的和溶解的三 种；按性质的不同可分为：有机物、无机物与生物体三种。 2 2 2 污水的化学性质及指标 污水中的污染物质，按化学性质可分为无机物与有机物；按存 在形态可分为悬浮状态和溶解状态。 1 无机物及指标 无机物包括酸碱度，氮，磷，无机盐及重令属离子等。 ( 1 ) 酸碱度 当p h 值超出6 9 的范围时，会对人、畜造成危害，并对污水的 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 可生物降解有机物，但对微生物有毒害或抑制作用。 ( 6 ) 表面活性剂 生活污水与表面活性剂制造工业废水，含有大量表面活性剂。 含有磷并易产生大量泡沫，属于难生物降解有机物，同时磷是水体 富营养化的主要元素之一。 ( 7 ) 有机农药 有机农药有两大类，即有机氯农药与有机磷农药。有机氯农药 毒性极大且难分解，会在自然界不断积累，造成二次污染，故我国 于7 0 年代起，禁止生产与使用。现在普遍采用的有机磷农药，约占 农药总量的8 0 以上，毒性大，属于难生物降解的有机物，并对微 生物有毒害与抑制作用。 2 2 3 污水的生物性质及指标 污水中的有机物是微生物的食物，污水中的微生物以细菌与病 菌为主。污水生物性质的检测指标有大肠菌群数( 或称大肠菌群值) 、 大肠菌群指数、病毒及细菌总数。 ( 1 ) 大肠菌群数( 大肠菌群值) 与大肠菌群指数 大肠菌群数( 大肠菌群值) 是每升水样中所含有的大肠菌群的 数目，以个l 计：大肠菌与病原菌都存在于人类肠道系统中，水中存 在大肠菌，就表明受到了粪便的污染，并可能存在病原菌。 ( 2 ) 病毒 污水中已检查出的病毒有1 0 0 多种。检出大肠菌群，可以表明肠 道病原菌的存在，但不能表明是否存在病毒及其他病原菌( 如炭疽 杆菌) 。 ( 3 ) 细菌总数 细菌总数是大肠菌群数、病原菌、病毒及其他细菌的总和，以 每毫升水样中的细菌菌落总数表示。 2 3 城市污水处理工艺 城市污水处理可按处理程度划分为预处理、一级处理、二级处 理、深度处理和污泥处理及处置。 预处理：粗格栅、细格栅、沉砂池： 一绒处理：初沉池； 二级处理：生物滤池、曝气池礼二沉池： 西南交通大学硕士研究生学位论文第l o 页 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 高标准受纳水体要求或会用于工业等特殊用途，它是城市污水处理 未束发展的方向： 污泥处理：主要包括浓缩、消化、脱水、堆肥或卫生填埋1 ； 本次污水厂改造主要实在初沉池和曝气池之间加入了缺氧变速 生物滤池，改造之后的工艺流程主要包括粗格栅、沉砂池、细格栅、 初沉池、生物滤池、提升泵房、曝气池、二沉池，如图2 2 。 田2 2 辗市污水娃理褫程 f l l 2 2f l o w 5 h e e t 吖m u l c l p a lw a s t e w q t e rt r e 4 t m e n tp r o c e s s 除去上面几个环节以外，城市污水处理厂还有重力浓缩池、储 泥池、污泥脱水车间等环节，主要用于对污泥的处理。 ( 1 ) 格栅 格栅由一组平行的金属栅条或筛网制成，安装在污水渠道、泵 房集水井的进口或污水处理厂的端部，用以截留较大的悬浮物或漂 流物，如纤维、碎皮、毛发、木屑、果皮、蔬菜、塑料制品等，以 便减轻续后处理构筑物的处理负荷并使之正常运行。 城南污水厂有两个粗格栅、两个细格栅，主要用来清除污水中 的大块杂物，考虑到污水厂工作人员的工作习惯、和工艺要求，自 控方式采用了三种控制：液位差控制、栅前液位控制、时州控制。具 体控制方式由工作人员来选择。 ( 2 ) 沉砂池 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 沉砂池的功能是去除比重较大的无机颗粒( 如泥砂，煤渣等， 他们的相对密度约为2 6 5 ) 。沉砂池一般设于泵站、倒虹管前，以减 轻无机颗粒对水泵、管道的磨损；也可设于初次沉淀池前，以减轻 沉淀池负荷及改善污泥处理构筑物的处理条件。其处理效果将直接 影响污水处理设施的运行寿命和维修费用。 城南污水厂采用钟式沉砂池。它利用机械力控制水流流态与流 速，加速沙粒的沉淀，并使有机物被水流带走的圆形沉砂装置。这 种沉砂池除砂效率9 5 ( 沙粒d = o 2 9 7 m m ) ，有机物分离率一般为 5 0 7 0 。 ( 3 ) 初沉池 初次沉淀池是一级污水处理厂的主体处理构筑物，或作为二级 污水处理厂的预处理构筑物设在生物处理构筑物的前面。处理的对 象是悬浮物质( 英文缩写s s ，约可去除4 0 5 5 以上) ，同时可 去除部分b o d 5 ( 五天生物需氧量) ，可改善生物处理构筑物的运行条 件并降低其b o d 5 负荷。 污水经过初次沉淀处理后，基本可以达到国家规定的城市污水 直接排入i 级水体标准。它利用固体或液滴与它们在其中悬浮的液体 之间的密度差，来分离污水中的脂肪、油、纤维和其它密度低的固 体，然后通过潜污泵把浮渣打到集泥井，使比重大的“颗粒一汽泡” 复合体沉淀到池底，通过刮泥机排到排泥廊道，再通过气动隔膜泵 打到集泥井。刮泥桥的控制采用时间控制和泥位控制。 ( 4 ) 厌氧，缺氧生物滤池 厌氧，缺氧生物滤池是一种内部装有滤料的厌氧缺氧生物反应 器。厌氧微生物以生物膜的形态生长在滤料表面，污水淹没地通过 滤料，在生物膜的吸附作用与代谢作用和滤料截留的共同作用下， 污水中的有机污染物得以分解和去除。 滤料是生物滤池的主要部分，常用的有碎石、卵石、焦炭、和 各种形式的塑料式滤料。当一种载体( 填料或滤科) 浸没于有机污 水中。在污水流动的前提下，其载体表面就会附着生长一些微生物， 微生物不断繁殖而会在载体表面最终形成一层薄膜状的微生物群 体，称其为微生物膜。微生物的生长必须有为其提供新陈代谢的营 养物质，这些营养物质主要来源于污水中的有机物。 厌氧生物滤池运行时，其工作过程为：有机污( 废 水进入滤泣 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 后连续通过附着生长有厌氧微生物膜的载体，污( 废) 水中的有机 物扩散到厌氧微生物膜的表面，并被微生物膜中的微生物吸收，在 缺氧的条件下通过新陈代谢将有机物转化为生物气，净化后的出水 通过排水设施排出池体。 ( 5 ) 曝气池及二沉池 曝气池是活性污泥反应器，是活性污泥系统的核心设备，活性 污泥系统的净化效果，在很大程度上取决于曝气池的功能是否能够 f 常发挥。污水进入曝气池后，在鼓风曝气提供氧气的条件下，污 水得到足够的溶解氧并使活性污泥和污水充分接触。活性污泥是由 细菌类、真菌类、原生动物、后生动物等异种群体所组成的混和培 养体，当污水和活性污泥充分接触后，附着在活性污泥上的这些微 生物在有氧的条件下，消耗污水中的有机物，达到去除污水中有机 物的目的，使污水净化。二次沉淀池是活性污泥系统重要的组成部 分，它的作用是泥水分离，使混和液澄清，浓缩和回流活性污泥。 其工作效果能够直接影响到活性污泥系统的出水水质和回流污泥的 浓度。 曝气池中的主要设备是曝气机，曝气机的作用主要是向污水中 冲氧。污水中溶解氧的浓度直接影响到微生物的生长和污水的处理 效果。溶解氧浓度过高，则引起污泥膨胀，而其浓度过低时，微生 物的处理效果又达不到要求。所以要合理的控制曝气机，使污水中 溶解氧的浓度保持在一个允许的范围内。而人工控制往往达不到这 个要求，所以要引入自控系统，对于水质的监测则要引入一些在线 的监测仪表。 ( 6 ) 污泥处理 在污水处理过程中，产生大量污泥，污泥的处理主要在重力浓 缩池、储泥池、污泥脱水车间完成。污泥中含有大量的有害物质， 因此污泥需要及时的处理与处置。污泥最终处置方法包括作为肥料 施用于农用、森林、草地或沙漠改良；填地或投海；作为能源和建 材；焚烧等。对于污泥处理过程，主要包括污泥的传送，和污泥的 脱水。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 第3 章控制系统电气设计 电气设计主要是对全厂进行配电线路的铺设以及一次设备配 电、电气控制的设计。本课题对厂区原有污水处理工艺进行改造， 增设缺氧变速生物滤池，并对全厂可控设备工况进行自动控制。本 课题根据污水处理工艺的要求构建电气控制系统，包括控制系统的 方案设计、各控制箱( 屏) 的原理设计以及与之配套的电气线路设 计。而厂区的变配电系统及厂区照明不在本设计范围之内。 3 1 电气布局 污水厂平面图如图3 1 ，其中机械格栅、初沉池、曝气池为原有 的处理工艺，本次增加了生物滤池部分。考虑污水处理厂原有处理 部分和新增部分一次设备的数量及污水厂原有的配电线路、电力电 缆沟以及工艺段的地理位置，将整个污水厂的控制划分为两个控制 室，其中控制室1 位于原来控制室，在滤池泵房新建控制室2 ( 泵房 内) 。 圈3 1 污水厂电气布局 f i 9 3 1t h ee l e c t r i c a ld l s t r i b u t i o no fw a s t w a t t rt r e a t m e n tf a c t o r y 控制室1 位于配电室旁边原有控制室内，控制的工艺段有：粗格 栅、细格栅、仞沉池、曝气池。改造前，曝气池中曝气机的控制山 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 预处理段的设备包括2 个粗格栅电机、2 个细格栅电机、两个刮 泥桥电机，这些设备除了功率不一样之外，电气控制原理完全一样。 如图3 2 。 设计要求：电机电源指示；电机自动控制与手动控制两种方式； 电机运行状态指示；电机过载、故障自动停机。 耋旦堕垦五图 量型堡堡旦 l tl 2 乙3p en l l i n l 茸h 圈3 2 预处理段设鲁电气控制原理 f i g 3 2e l e c t r o n i cc o n t r o lt h e o 吖f o re q u i p m e n to fp r e t r e t m e n tp r o c e s s 格栅部分和初沉池部分的电机控制分为现地控制柜本地控制和 远程p l c 自动控制。配电线依次经过断路器1 q f 、交流接触器1 k m 、 热继电器1 k h 对电机进行供电。电路图中和电气控制柜中各元件的功 能如下1 ： 断路器l q f ：断路器( 曾称自动开关) 在电路中主要起到短路和 过载保护作用，还可有欠电压保护和远距离分断电源等功能，也可 以直接操作不频繁起动电动机和电路转换作用。一般情况下，断路 器闭合，只有当电机发生短路或者过载时，短路其动作，断开线路， 停止电机，起到保护作用。 交流接触器l k m ：接触器主要控制对象为电动机，也可用来控 制其他电力负载。交流接触器的触头有主触头和辅助触头，触头有 分为常i 丌：触头和常i 羽触头，当交流接触器线圈动作时，常丌触头闭 合、常闭触头断丌对电机的控制主要通过对交流接触器线圈的控 圜 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 6 页 制来实现。 热继电器l k h ：电机过载时，电流变大，热继电器1 k h 动作，切 断电路，实现保护作用”。 主令开关s a k ：主令开关主要用于本地控制与p l c 远程控制之间 的切换。当主令开关触点接通时，为本地电控柜控制。触点 接通时，为远程p l c 控制。主令开关实现本地控制和远程p l c 控制之 间的转换。 由控制原理图可以看出，当l 1 1 和n 之间加上2 2 0 v 的电压时，红 色电源指示灯1 h r 亮，作为控制的电源指示。控制分为电控柜就地控 制和p l c 远程控制，主要通过主令开关s a k 来选择，当主令开关选择 时( 电控柜就地控制) 按动起动按钮1 s f ，由于停机按钮l s s 和热继电器1 k h 为常闭状态，电路导通，交流接触器1 k m 通电动作( 吸 合) ，1 k m 的一个常开触点也动作( 变为导通状态，即电机的运行 状态) ，同时电机运行指示灯1 h g 变亮。此时，松开起动按钮1 s f ， 由于1 k m 的一个常开触点闭合将1 s f 短接，所以交流接触器1 k m 保持 通电状态，其的主触头导通，电机起动。停机时，按动停机按钮1 s s ， 由于1 s s 为一常闭按钮，所以按动时变为断开状态，下面的交流接触 器便停止供电，自动断开，其常开触点也为断开状态，电机停止运 行，运行指示灯1 h g 灭。如果电机运行在过载状态下，当达到一定时 间时，热继电器1 k h 动作，交流接触器1 k m 由于断开电源断开，电机 停止，并且无法自动起动。 电机的远程控制是通过控制自控柜中的直流继电器( m y 2 n j ) 的吸合来实现。当主令开关由转向时，此时，即使电机为运 行状态，由于交流接触器的断路，也将自动停机。导通时，p l c 检测到相应的信号，即认为电机为远程控制。当p l c 认为应该起动电 机时，c o m e 和0 u t l 之间形成2 4 v 的直流电压，2 4 v 继电器1 k a 吸合， 从而交流接触器1 k m 吸合，电机起动，运行信号经过1 k m 的一个常 开触点反馈到p l c 的状态输入端。 3 3 曝气池段电气控制 曝气池处理段主要通过变频器来控制曝气电机的转速，曝气池 段含有4 组共2 4 台曝气机，每台曝气机分为本地控制和远程控制，同 时可以手动调节曝气机的转速。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 7 页 设计要求；曝气机控制既有手动控制又有自动控制；可以手动 和自动调节曝气机的转速；曝气机运行指示：变频器故障指示；曝 气机转速指示。变频器的接线端子如图3 3 “”。 图3 3 变频嚣接线蜡于 f i g 3 3w ir i n gt e r m i n a lo fc o n v e r t e r 变频器r 、s 、t 端子接外部输入电源，u 、v 、w 接负载电机， 电机的启停控制主要是通过对交频器的启动端子f o r 、c o m 的控制来 完成，调速控制分为控制柜上的手动调速和p l c 调速两种情况，由 v 1 、v 2 、v 3 、f m 来完成。曝气机的电气控制原理如图3 4 。通过主 令_ 丌关1 s a 来选择远程控制与本地控制，远程控制原理与预处理段相 同，本地控制分为房间内曝气屏上的手动控制和曝气机上的就地按 钮控制，虚框内为曝气机就地按钮控制，自动控制仍然为向被控对 象提供一个干接点k a ，曝气机的启停控制主要是通过继电器1 k m 的 触点的吸合、断开来控制变频器来实现。调速控制主要是调节v 2 上 的电压柬实现，v l 上电压为1 0 v 不变。当手动控制时，v 1 和v 2 通过 一个电位器连接，调节电位器即可改变v 2 上的电压，自动控制时则 有p l c 的模拟量输出端子直接改变v 2 上的电压，转速显示用一个电 压式转速表柬测量f m 与v 3 之间的电压柬显示。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 8 页 手动拄 l t l u 嘎场控辩 l ； i e 黼 ! _ 阿： v l 自动t 劓 隅i 蜩l i”；” qhl 电砷一 圈3 4 曝气机电气控制原理 f j g 3 4e l e c t r o n i cc o n t r o lt h e o r yo fa e r a t o r 3 4 生物滤池段电气控制 生物滤池段包括生物滤池和泵房两部分。每格生物滤池有一个 进水蝶阀、一个反冲进水蝶阀、一个出水闸门、一个反冲出水闸门 泵房内含有两个反冲总管蝶阀、两台增压水泵、一台反冲水泵。 闸阀设计要求：电源指示：手动打开与关闭；自动打开与关闭。 l 、f 。叫j | 1 l 一一。 ，芏”z ，芹。 1 ，气l 忙 = 磊；11 州强 l 一一 m 圈3 5 闸翔电机控制电路 f i g 3 sc o n t r o lc ir c u i to fg a t e v a iv em o t o r 电气控制原理：闸门与阀门的电气控制电路如图3 5 ，在闸阀电 机的主结线图中，通过两个接触器l k m 与2 k m 来控制闸阀电机的诈 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 9 页 转与反转；控制电路中，1 h r 做为电源指示，1 s f 为闸阀门打开( 电 机正转) 按钮，2 s f 为闸阀门关闭( 电机反转) 按钮；手动自动选择 由具有两个常开触点与两个常闭触点的主令开关s a k 来实现；为了防 止打开关闭两种情况同时出现，造成短路的后果，用两个接触器的 常闭触点来互相限制两个接触器，形成任何时候，只允许一个接触 器处于吸合状态；闸门与阀门本身提供了机械式到位限制开关，具 有常开与常闭触点，例如到阀门开到位时，开到位限制开关常闭触 点断开，自动断开控制电路，完成打丌控制，同时常开触点向p l c 提供闸阀门打开与关闭状态。 水泵的控制与预处理段电机控制原理基本相同，只是在电机回 路中加入了一个电流互感器。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 2 页 图4 1 所示为一个分散控制系统的典型结构，系统中的所有设备 分别处于四个不同的层次，自上而下分别是：管理级、监控级、控 制级和现场级。对应着这四层结构，分别由四层计算机网络即管理 网络m n e t ( m a n a g e m e n tn e t w o r k ) 、监控网络 s n e t ( s u p c r v i s i o n n e t w o r k ) 、控制网络c n e t ( c o n t r o ln c t w o r k ) 和现场网络f n e t ( f i c l d n e t w o r k ) 把相应的设备连接在一起“。 p 椭囱。髓捌站豳。聃蒯u 刚。 i 密陶睁囱豳豳 醚蚓随到鼬墓刽 。r t 。r 。r 。r 一r t ， 巩插薯螭使表 圈4 1 分敢 空制系统的典型结构 f i g 4 1t y p l c a ls t r u c t u r eo fd c s 城南污水处理厂基本上采用图4 1 的结构。根据污水厂被控对象 的控制量和地理位置，将自控系统p l c 控制划分为两个并行站，分 别为p l c l 和p l c 2 ，p l c l 主要控制预处理段、曝气池、出水口以及 各个段仪表的检测数据，p l c 2 控制生物滤池、泵房以及仪表的检测 数据。系统的网络结构如图4 2 。 通过图4 2 可以看出：整个污水自控系统是基于1 0 0 m 工业以太 网的一个控制系统，p l c l 、p l c 2 、触摸屏以及工业计算机都是挂在 工业以太网上，彼此独立，通过以太网进行通信。根据d c s 系统的 典型结构可以看出，位于预处理段配电室p l c l 与位于泵房的p l c 2 为可以认为是现场控制级；预处理配电室和中央控制室的做操作员 站以及泵房的触摸屏操作终端可以认为是监控级；中央控制室的工 程师站可以认为是管理级。因为现场存在大量的电气设备，为了避 免通信受到干扰，通信介质采用4 芯多模光纤，其中两芯备削。对 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 3 页 于以太网上各个设备的i p ，如下： 工程师站1 ：1 9 2 1 6 8 0 1 1 操作员站：1 9 2 1 6 8 o 1 2 现场操作终端：1 9 2 1 6 8 0 1 3 1 毒p l c ：1 9 2 1 6 8 0 。2 l 2 挣p l c ：1 9 2 1 6 8 0 2 2 触摸屏操作终端：1 9 2 1 6 8 o 2 3 圈4 2 控制系统结鞠 f i g 4 2s i r u c t r eo fc o n t r o is y 5 t e m 根据控制舰则，整个控制系统可以分为现场就地控制、p l c 联 动控制、中央监视三个层次，各层次的功能如下： ( 1 ) 现场就地控制：现场就地控制主要是通过现场电控柜进行 控制，通过控制柜的选择- 丌关来实现，主要在一些紧急和更换设备 的情况下进行使用，并且具有最高的控制权限。同时在上位机p l c 发生故障时，仍然可以通过现地电控柜对设备进行控制，避免因停 产造成的损失。 ( 2 ) p l c 联动控制：p l c 控制主要分为自动控制和手动控制， 当电控柜相应设备的控制方式选择到p l c 控制时，p l c 则按照工艺 进行控制，同时完成水质数据的采集工作，以及防l e 一些误操作。 ( 3 ) 中央监控：p l c 的控制和采集的仪表数掘通过网络传到中 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 4 页 央控制室，中央控制室完成数据的记录、报表的处理、水质参数的 实时曲线、操作记录、全厂设备状态显示、报警以及打印等功能。 4 1 3 自控系统设备及软件 自控系统包括软件和硬件两部分，硬件与软件的选择影响到系 统的稳定性和可扩展性，这个系统要使硬件与软件合理搭配，使整 个自控系统具有较好的稳定性、可扩展性、维护性和较高的性价比。 1 可编程控制器( p l c ) p l c 控制器是整个控制系统的核心设备，目前国内控制器的种 类繁多，比较常用的有：西门子、施奈德、a b 。因为本次自控系统 基于工业以太网，这三种类型的p l c 本身都带有工业以太网接口， 其中西门子的s 7 3 0 0 系列对上位机要求安装西门子公司专用的以 太网卡，施奈德的q u a n t u m 系列p l c 价格昂贵，综合考虑各方面原 因，选用a b 公司模块式s l c 5 0 0 系列的s l c 5 0 5 小型p l c 。 模块式s l c 5 0 0 处理器的用户内存容量从1 6 4 k b ，通过提供大 范围的内存容量，可以满足不同的应用。处理器的组态能力为3 个 本地框架，通过r e m o t ei o 或d e v i c e n e t ，使s l c5 0 2 及以上处理 器支持4 0 9 6 点离散输入与4 0 9 6 点离散输出n “。可编程控制器之间 可以通过内置网口进行通信，以进行编程和监控。s l c 5 0 5 处理器 还可通过内置的支持t c p i p 通信协议的1 0 b a s e t 以太网接口，将控 制系统和监视及信息管理系统集成在一起“。 城南污水处理自控系统采用两个站，两个站采用的都是s l c 5 0 5 ，每个站采用两个1 7 4 6 a 1 0 机架，两个机架之间用条专用的 1 7 4 6 一c 1 6 扩展电缆进行连接，其中一个机架为扩展机架，在机架的 每个槽上安装c p u 和i o 模块，安装顺序如图4 3 叫5 让”。 图4 3p l c 模块构成圈 f i g 4 3t h em o d i ec o m p o s t io no fp l c 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 5 页 2 p l c 编程软件( r s l o g i x5 0 0 ) 对于s l c 5 0 0 系列p l c ，r o c k w e l l 公司推出了r s l o g i x 5 0 0 编程 软件，采用梯形图来进行下位机程序的开发。梯形图表达式是在原 电器控制系统中常用的接触器、继电器梯形图基础上演变而来的。 它沿用了继电器的触点、线圈、串联等术语和图形符号，并增加了 一些继电接触控制没有的符号”。梯形图形象、直观，对于熟悉继 电器方式的人来说，非常容易接受，而不需要学习更深的计算机知 识。这是一种最为广泛的编程方式，适用于顺序逻辑控制、离散量 控制、定时计数控制等。r s l o g i x5 0 0 的编程界面如图4 4 “。 圈4 4r s l o g j x5 0 0 的蝈程界面 f i g 4 4t h ep r o g r 8 m m i n gi n t e r f a c eo fr s l o g i xs 0 0 3 上位机软件( r s v i e w3 2 ) r s v i e w 3 2 是由r o c k w e l la u t o m a t i o n 丁f 发的一种对自动控制设 备或生产过程进行高速、有效的监视和控制的，以m f c ( 微软基础 级) 、c 0 m ( 元件对象) 组件技术为基础的，以中文m i c r o s o f t w i n d o w s n t 或w i n d o w s9 5 为平台的m m i ( 人机接口) 软件包。它是第一个 在图形显示中利用a c t i v e x 、v i s u a lb a s i ca p p l i c a t i o n 、o p c ( 面向过 程控制的o l e ) 的m m i 产品，提供了监视、控制和数据采集等必要 的全部功能且使用方便、统一。它是一个可扩展性强、监视性能高 并有很高再利用性的监控组念软件包。 r s v i e w 3 2 为生产过程提供交互窗口、面向剥象的动画图形、丌 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 6 页 放的数据库格式、历史数据存储、增强的趋势分析、报警、引导标 签创建和事物探测的能力”“。 4 1 4 自控系统工作原理及测量过程 城南污水处理自控系统主要由中央控制室、自控柜和现地设备 控制室三部分组成。中央控制室通过上位机监控软件实现对全厂设 备的监控、水质数据记录、生产报表等功能；自控柜是整个自控系 统的核心部分，整个污水厂设备的工艺控制、逻辑判断、在线检测 仪表数据的采集以及控制站之间的通信都是通过自控柜来完成的， 自控柜中最重要的设备是p l c ；现地控制柜主要对一次设备进行供 电、启动与停止等。中央控制室、自控柜和现地控制桓之间的关系 是：中央控制室所需要的数据主要由自控柜中的p l c 通过工业以太 网传递过来，而中央控制室完成对现场设备的控制也是通过对p l c 中相应设备的程序地址写值来实现；现地控制柜根据自控柜中p l c 程序运行的结果来启动和停止设备。 中央控制要完成控制功能只能向p l c 发送相应的命令，然后由 p l c 判断此时是否应该执行此控制，条件成立则执行，否则向中央 控制发出拒绝。自控系统的功能主要是由p l c 来完成，即使网络发 生故障，p l c 也可以按照实现编好的程序进行控制。p l c 完成对设 备的控制主要是由p l c 控制柜内的继电器向电控柜内的接触器提供 一个无源的干接点来实现，相当于电控柜上的按钮。如果某一个p l c 子站发生故障，则只能通过电控柜上相应设备的控制按钮来进行对 设备的控制，这样最大的降低了控制系统的危险性，避免因控制系 统的问题而造成停产。 4 2 下位机p l c 程序的编制 下位机是整个控制系统的核心部分，负责完成所有的控制功能 和现场数据采集功能。控制器控制程序编制的好坏，直接影响到控 制速度和控制效果，也同时将影响到以后的维护工作。按照污水处 理的工艺流程，将程序分成若干个子程序模块和公用子程序模块， 这样各个工艺段之问的控制程序互相不影响，独立运行。 4 2 1 主程序( m a i n ) 主程序相当于一个框架，所有的子程序都在这个框架中，程序 从左到右，从上到下依次执行每个子程序。主程穿的主要功能就是 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 7 页 一个挨着一个的执行子程序。 4 2 2 系统处理子程序( x t c l ) 系统处理子程序主要处理模块的初始化、时间( 秒、分、小时) 触发信号的产生、远程本地切换的控制时间、控制柜的风扇控制等。 模拟量采集模块1 7 4 6 n 1 8 、1 7 4 6 n 1