基于PLC污水处理控制系统的设计

编编 号号 无锡太湖学院 毕毕业业设设计计 论论文文 题目 题目 基于基于 PLC 污水处理控制系统的设污水处理控制系统的设 计计 信机 系系 机械工程及自动化 专专 业业 学 号 0923178 学生姓名 孙 叶 冬 指导教师 陈浩 职称 高工 职称 II 2013 年 5 月 25 日 无锡太湖学院本科毕业设计 论文 无锡太湖学院本科毕业设计 论文 诚诚 信信 承承 诺诺 书书 本人郑重声明 所呈交的毕业设计 论文 基于 PLC 污水 处理控制系统的设计是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的成果 其内容除了在毕业设计 论文 中特别加以标注引 用 表示致谢的内容外 本毕业设计 论文 不包含任何其他 个人 集体已发表或撰写的成果作品 班 级 机械 94 学 号 0923178 作者姓名 2013 年 5 月 25 日 I 无无锡锡太太湖湖学学院院 信信 机机 系系 机机械械工工程程及及自自动动化化 专专业业 毕毕 业业 设设 计计论论 文文 任任 务务 书书 一 题目及专题 一 题目及专题 1 题目 基于 PLC 污水处理控制系统的设计 2 专题 二 课题来源及选题依据二 课题来源及选题依据 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 PLC 作为工业污水处理的控制系统使得设计过程变得更加便 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 三 本设计 论文或其他 应达到的要求 三 本设计 论文或其他 应达到的要求 1 熟悉 PLC 技术的发展历程 了解 PLC 的组成 软硬件基础 性能指标 II 和分类等 2 熟练掌握 PLC 的原理以及 PLC 的使用方法 3 熟练掌握各个设备的接线方式以及设备运行的顺序过程 4 了解掌握 PLC 各个符号的用处 能够绘出梯形图 5 了解污水处理过程和设备的运行 四 接受任务学生 四 接受任务学生 机械 94 班班 姓名姓名 孙 叶 冬 五 开始及完成日期 五 开始及完成日期 自自 2012 年年 11 月月 12 日日 至至 2013 年年 5 月月 25 日日 六 设计 论文 指导 或顾问 六 设计 论文 指导 或顾问 指导教师指导教师 签名签名 签名签名 签名签名 教教研研室室主主任任 学科组组长研究所学科组组长研究所 所长所长 签名签名 系主任系主任 签名签名 2012 年年 11 月月 12 日日 III 摘摘 要要 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 关键词 污水处理 PLC 工艺流程 3 IV Abstract Today the majority of our sewage treatment control system low level of automation security is not high mismanagement the efficiency lower than the standard markedly Sewage disposal system in the aeration process control data communications and monitoring and management of these problems are urgently needed to be addressed Sewage treatment automatic control system in China is relatively backward the high cost of sewage treatment wastewater treatment plant discharge treated effluent quality is not stable so how to create a good and effective automatic control system improve operating results lower operating costs has a very important significance This article describes the basic process of the plant sewage treatment and research to design a wastewater treatment program based on PLC control The article first described the sewage treatment control system based on PLC technology and processes the basic principles and steps of the control system hardware architecture and design working principle and design of PLC control system which can show that the application of PLC in the sewage treatment process Requirements of the Sewage design electrical control equipment and automatic control circuit including the start and stop the status fault signal and signal acquisition the final design of PLC control system in accordance with the process requirements including the PLC selection system resource allocation PLC program and the preparation of the sewage treatment process Keywords sewage treatment PLC process V 目目 录录 摘 要 III ABSTRACT IV 1 绪论 1 1 1 工业污水处理的国内外现状 1 1 2 课题的背景 2 1 3 研究目的和意义 2 1 4 课题主要设计的内容 3 2 工业污水处理控制系统总体介绍 4 2 1 工业污水处理基本概念 4 2 2 常用的工业污水处理工艺 4 2 3 工业污水处理系统控制形式 7 2 4 工业污水处理系统的功能要求 7 2 4 1 信号输入 8 2 4 2 控制输出信号 8 3 硬件系统配置 9 3 1 主要组成部分 9 3 2 电气控制系统 10 3 3 工业污水处理系统的工作原理 10 3 3 1 控制系统总体框图 10 3 3 2 工作过程 11 3 3 3 工业污水处理系统主电路设计 11 3 4 PLC 的选型 12 3 5 PLC 的 I O 资源配置 12 3 5 1 数字量输入部分 12 3 5 2 数字量输出部分 13 3 5 3 模拟量输入部分 13 3 5 4 模拟量输出部分 14 3 6 其他资源配置 15 3 6 1 接触器选型 15 3 6 2 变频器简介 15 3 6 3 变频与变压原理 15 3 6 4 变频调速的基本原理 16 VI 3 6 5 变频器选型 17 3 6 6 变频器参数设置 17 3 6 7 电动机的选型 18 3 6 8 液位差计 18 3 6 9 溶解氧仪 19 4 软件系统设计 20 4 1 总体流程设计 20 4 1 1 手动模式 20 4 1 2 自动模式 21 4 2 曝气过程控制的任务 28 4 3 氯气投加环节 29 4 4 絮凝剂投加环节 29 4 5 PID 控制 29 4 6 PLC 和变频器通讯 30 5 调试和运行结果 32 5 1 硬件系统的调试 32 5 2 软件系统的调试 32 5 3 运行结果 32 6 结 论 34 致 谢 36 VII V 基于 PLC 污水处理控制系统设计 1 1 绪论绪论 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 40 50 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 1 9 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 1 1 工业污水处理的国内外现状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 无锡太湖学院学士学位论文 2 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 1 2 课题的背景课题的背景 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 1 3 研究目的和意义研究目的和意义 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 基于 PLC 污水处理控制系统设计 3 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 1 4 课题主要设计的内容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 无锡太湖学院学士学位论文 4 2 工业污水处理控制系统总体介绍工业污水处理控制系统总体介绍 2 1 工业污水处理基本概念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 排放水体 灌溉田地 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 Bio chemical Oxygen Demand BOD mg L 化学需氧量 Chemical Oxygen Demand COD mg L 总有 机碳 Total Organic Carbon mg L 总需氧量 Total Oxygen Demand mg 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 2 2 常用的工业污水处理工艺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2 1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 基于 PLC 污水处理控制系统设计 5 图2 1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2 2 A 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A A 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2 3所示 无锡太湖学院学士学位论文 6 图2 3 A2 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 2 4 所示 基于 PLC 污水处理控制系统设计 7 图2 4 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 2 3 工业污水处理系统控制形式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 无锡太湖学院学士学位论文 8 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 2 4 工业污水处理系统的功能要求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 2 4 12 4 1 信号输入信号输入 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 基于 PLC 污水处理控制系统设计 9 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 2 4 22 4 2 控制输出信号控制输出信号 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频器的控制端子上 改变变频器输出频率 从而控制曝气机的转速 最后达到控制污水中含氧量的效果 无锡太湖学院学士学位论文 10 3 硬件系统配置硬件系统配置 氧化沟是工业污水处理系统中的重要部分 其结构的不同导致了不同的氧化方法 例如 奥贝尔 卡鲁赛尔和一体化氧化沟法 对于不同的结构 对应的配套设备也有较大的不同 所以它的结构较复杂 不同的结构对应不同的控制系统 所以需要根据不同的结构特点来设 计相应的控制系统 3 1 主要组成部分主要组成部分 工业污水处理系统的结构较复杂 设备较多 在氧化沟中其控制过程及原理基本相同 都是通过控制曝气机的转速从而调节污水中的含氧量 其大致组成如图 3 1 所示 图3 1工业污水处理系统基本组成示意图 1 进水系统 进水系统主要由进水管道和进水泵房组成 而进水管道主要是由粗格栅 机和清污机组成 进水泵房一般由两台潜水泵组成 进水管道的主要功能是排除污水中的大 块物体 其中 粗格栅是依据程序设定的时间来进行间歇工作 而清污机的运行和停止是依 据粗格栅两侧的液位差来控制的 当液位差超过某个特定值时 清污机启动 当液位差小于 某个值时 清污机运行停止 进水泵房中的潜水泵运行和停止是通过安装在泵房内的液位传 感器来控制的 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 位持续升高不停 则输出报警信号以示意有故障发生 2 除砂系统 除砂系统主要是由细格栅系统和沉砂池组成 其中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 滤除污水中细小的沙粒 其中的细格栅机是依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是依据细格栅两侧的液位差来决定 当液位差超过某个特 定值时 启动清污机 当液位差小于某个值时 清污机的运行停止 这和粗格栅系统的运行 方式是一致的 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 即启动转碟 曝气机时同时启动分离机 对沉砂池中的沙粒进行排除 3 氧化沟系统 氧化沟系统是由氧化沟和污泥回流系统组成 氧化沟是工业污水处理 系统中最重要的环节 因此控制量较多 控制过程较复杂 包括转碟曝气机和潜水搅拌机 污水回流系统主要有污泥回流泵构成 氧化沟的功能是对污水进行生化处理 分解污水中的 有害有毒物质 使其达到一定的水质标准 其中转碟曝气机是关键设备 在氧化沟中设置有 溶解氧仪对污水中的含氧量进行检测 根据反馈到 PLC 的值来控制曝气机变频器的运行停 止 改变污水中溶解氧的含量 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 使活性污泥的生化反应更加充分 这样才 能最大程度地分解污水中的有害有毒成分 污水回流系统中的污泥回流泵将剩余的污泥及使 用过的污泥进行处理 该设备的运行与停止主要根据泵房内液位传感器的状态 当液位低于 基于 PLC 污水处理系统毕业设计 论文 11 某个特定值时停止回流泵的运行 当液位持续高于某个值时 回流泵停止运行 并且输出报 警信号 液位处于正常状态时 回流泵正常运行 4 沉淀系统 沉淀系统主要设备是刮泥机 它的功能是对进行氧化沟处理后的污水进 行物理沉淀 将污泥和清水分离开 刮泥机在整个系统启动后就开始一直运行 在该系统中 用到一定化学药剂 主要包括混凝剂 复合碱 絮凝剂等 主要是用来调节改善混凝环境和 絮凝体结构 利用高分子助凝剂的强烈吸附作用 使细小松散的絮凝体变的粗大紧密 易发 生沉降 5 污泥脱水系统 污泥脱水系统主要设备是离心式脱水机 它的功能是对氧化池中处 理过污水的活性污泥进行脱水处理 由于污水进行处理后 活性污泥中有新的微生物和其他 杂质 所以需要先对活性污泥添加一定量的药物 易于污泥脱水 离心式脱水机主要有聚合 物泵 污泥机和切割机组成 以上设备都是按照顺序控制的方式启动 依次启动聚合物泵 污泥机和切割机来完成对污泥的脱水处理 3 2 电气控制系统电气控制系统 电气控制系统主要包括显示面板 操作面板 电气控制柜等 由于该系统中需要检测较 多的数字输入量 而且还要检测模拟量的输入 按照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和时序就需要严格根据检测信号的输入进行控制 1 操作面板 操作面板主要包括自动 手动 各类设备的启动按钮等 2 显示面板 显示面板因为要显示较多的数据 所以一般采用触摸屏或者人机界面 3 电气控制柜 电气控制柜是电气控制的核心设备 主要包括PLC 各类传感器的输 入信号 变频器及其扩展模块等 3 3 工业污水处理系统的工作原理工业污水处理系统的工作原理 3 3 13 3 1 控制系统总体框图控制系统总体框图 工业污水处理的电气控制系统总框图如图 3 2 所示 PLC 是核心控制器 通过检测操作 面板按钮的输入 各类传感器的输入和相关模拟量的输入 完成相关设备的运作 停止和调 速控制 无锡太湖学院学士学位论文 12 3 2 电气控制系统框图 3 3 23 3 2 工作过程工作过程 在手动状态下 各种设备是根据操作面板上的按钮输入来控制 并无逻辑控制 即不需 要传感器的状态进行控制 在自动方式下是进行闭环控制 系统根据检测到外部传感器的状 态对设备进行启停控制 其工作过程如下 1 接通电源并启动自动控制方式 潜水搅拌器和刮泥机启动 2 粗 细格栅机开始间歇运行 即运行一段时间 停止一段时间 如此循环进行 3 根据反馈回来的液位差状态控制清污机运行与停止 4 进水泵房中的潜水泵根据液面高低进行运行停止和运行数量的控制 5 转碟曝气机按照溶解氧仪反馈经过PLC运算后的模拟量进行控制 同时控制分离机 的运行和停止 6 污泥回流泵的运行和停止根据液面高低进行控制 7 在污泥脱水系统中 离心式脱水机的启动采用顺序控制方式 依次启动其设备 3 3 33 3 3 工业污水处理系统主电路设计工业污水处理系统主电路设计 图3 3为工业污水处理系统的主电路图的部分图 三台电机分别是潜水泵电机 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分别为三台电机用 于过载保护的热继电器 QF1是主电路的空气开关 FU1是主电路的熔断器 选用的MM430变 频器是用来控制电机M1 M3变频运行的 基于 PLC 污水处理系统毕业设计 论文 13 图 3 3 工业污水处理系统部分主电路图 3 4 PLC 的选型的选型 按照工业污水处理电气控制系统的功能要求 以及其复杂程度 从经济性和可靠性等方 面来考虑 选择西门子 S7 200 系列 PLC 作为工业污水处理电气控制系统的控制主机 由于 工业污水处理电气控制系统涉及较多的输入输出端口 控制过程相对复杂 所以采用 CPU226 作为该控制系统的主机 CPU226 在工业污水处理系统中使用的数字量输入点和输出点都较多 因此除了 PLC 主 机自带的 I O 外 还需要增加一定数量的 I O 扩展模块 在此采用 EM223 输入 输出混合扩 展模块 8 点 DC 输入 8 点输出型 正好能够满足控制系统的 I O 需求 在该系统中 还需要采集模拟量并利用模拟量控制的功能要求 因此需要在扩展一个模 拟量输入输出扩展模块 西门子公司专门为 S7 200 系列 PLC 配置了模拟量输入输出模块 EM235 该模块具有较高的分辨率和较强的输出驱动能力 可满足控制系统的功能要求 3 5 PLC 的的 I O 资源配置资源配置 根据系统的功能要求 对 PLC 的 I O 进行配置 具体分配如下表 3 5 13 5 1 数字量输入部分数字量输入部分 表 3 4 数字输入量地址分配 输入地址输入设备输入地址输入设备 无锡太湖学院学士学位论文 14 I0 0 急停 I1 4 手动刮泥机启动 I0 1 手动方式 I1 5 手动污泥回流泵启动 I0 2 自动方式 I1 6 手动分离式脱水机启动 I0 3 自动启动确认 I1 7 手动污泥泵启动 I0 4 手动粗格栅机启动 I2 0 手动转碟曝气机加速 I0 5 手动清污机启动 I2 1 手动转碟曝气机减速 I0 6 手动潜水泵启动 I2 2 粗格栅液位差计 I0 7 手动细格栅机启动 I2 3 细格栅液位差计 I1 0 手动分离机启动 I2 4 进水泵房液面高位传感器 I1 1 手动转碟曝气机工频启动 I2 5 进水泵房液面低位传感器 I1 2 手动转碟曝气机变频启动 I2 6 污泥回流泵液面高位传感器 I1 3 手动潜水搅拌机启动 I2 7 污泥回流泵液面低位传感器 3 5 23 5 2 数字量输出部分数字量输出部分 表 3 5 数字输出量地址分配 输出地址输出设备输出地址输出设备 Q0 0 粗格栅机接触器 Q0 7 潜水搅拌机接触器 Q0 1 清污机接触器 Q1 0 刮泥机接触器 Q0 2 潜水泵接触器 Q1 1 污泥回流泵接触器 Q0 3 细格栅机接触器 Q1 2 离心式脱水机接触器 Q0 4 分离机接触器 Q1 3 潜水泵报警 Q0 5 转碟曝气机工频接触器 Q1 4 污泥回流泵报警 Q0 6 转碟曝气机变频接触器 3 5 33 5 3 模拟量输入部分模拟量输入部分 因为需要采集一个溶氧仪反馈的数据 所以扩展一个模拟量输入输出模块 具体 I O 分 配 如表 3 6 所示 表 3 6 模拟量输入地址分配 输入地址输入设备 基于 PLC 污水处理系统毕业设计 论文 15 AIW0 溶解氧仪 3 5 43 5 4 模拟量输出部分模拟量输出部分 在此控制系统中需要将采集回来的模拟量进行数据处理 接着通过模拟输出口对变频器 进行控制其他设备的运行 如表 3 7 所示 表 3 7 模拟量输出地址分配 输出地址输出设备 AQW0 经 PID 运算输出 根据控制系统的功能要求 设计了工业污水处理控制系统的硬件连线图 如图 3 8 所示 控制面板上的手动控制部分主要是在调试系统时使用 调试完成后基本处于闲置状态 图3 8工业污水处理系统PLC硬件接线图 无锡太湖学院学士学位论文 16 3 6 其他资源配置其他资源配置 要完成系统的控制功能 除了需要 PLC 主机和其扩展模块之外 另外还需要各种传感器 接触器和变频器等设备 3 6 13 6 1 接触器选型接触器选型 在控制系统中 所有设备是根据控制面板上的按钮情况或根据传感器的反馈值进行运作 的 因此需要 PLC 根据当前的工作情况以及按钮情况来控制所有设备的启停 在此用到了大 量接触器 如格栅机接触器 清污机接触器 潜水泵接触器 分离机接触器 潜水搅拌机接 触器 转碟曝气机接触器 刮泥机接触器等 所以该系统选用施耐德 LC1 D0901M5C 交流接 触 它的额定电压是 220V 额定电流是 9A 其特点有 高标准 符合 IEC60947 4 1 和 GB14048 4 的标准 长寿命 机械寿命高达 2000 万次 电寿命高达 200 万次 适应性 强 TH 防护处理 能够在湿热的环境中使用 宽电压 线圈控制电压可以在 70 至 120 Uc 之间波动 不会影响产品的正常工作 通用性强 具有 50Hz 至 60Hz 的通用线圈 可以全世界通用 模块化 产品本体可以附加辅助触头 通电和断电延时触头 机械闭锁 等模块 能够很方便地组合成可逆接触器 星 三角起动器 3 6 23 6 2 变频器简介变频器简介 变频器的作用是将频率固定 通常为 50Hz 的交流电变换成频率连续可调的三相交流电 即变频器的输入端接至频率固定的三相交流电 输出端能输出频率在一定范围内连续可调的 三相交流电 变频器主要分为直接变频和间接变频两类 而间接变频又根据中间直流环节的主要储能元件不同可 分为电流型和电压型 电压型变频器主回路是由相控整流器 中间直流环节和逆变器三个部分组成的 相控整流器是将交流电压整流为可控的直流电压 经过滤波由电容 Cd输出直流电压 Vd 逆变器将直流 Ud转换成频率可调的交流电源供给电机进行变频调速 由于中间直流环 节是 Cd低阻抗输出 相当于是恒压源 故称电压型 电流型交 直 交变频器和电压型变频器的差别是中间直流环节中的储能元件用的是电感 而不是电容 由于中间直流环节是高阻抗输出 相当于电流源 故称电流型 3 6 33 6 3 变频与变压原理变频与变压原理 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 定子绕组反电动势 E 下降 定子电流增大 但是转子侧的负载并未增加 所以转子段电流不变 根据电流平衡方程得出 励磁电流比增大 从而磁通 m增加 m增加导致铁芯饱和 从而引起励磁电流波形的畸 变 这是不想要的结果 因此希望 m能够稳定保持不变 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 磁通 m 就可以基本保持不变 因此变频同时也要变压 常用 VVVF 表示 基于 PLC 污水处理系统毕业设计 论文 17 VVVF 实施的基本方法包括 脉幅调制 PAM 和脉宽调制 PWM 1 脉幅调制 PAM 实现方法 调节频率的同时也改变直流电压的振幅值 即 PAM 需要同时调节整流部分和 逆变部分两个部分 两者之间还必须满足一定的关系 所以控制电路复杂 因此一般少用 2 脉宽调制 PWM 实现方法 每半个周期内 将输出电压的波形分割成若干个脉冲波 每个脉冲的宽度为 t1 每个脉冲间隔宽度为 t2 则脉冲的占空比 tl t2 tl 这时电压的平均值和占空比 成正比 因此在调节频率时 不需要改变直流电压的幅值 而是改变输出电压脉冲的占空比 同样可以实现变频变压的效果 PWM 只需控制逆变电路就可以实现目标 与