毕业设计59污水处理厂的PLC控制系统设计

电气信息工程学院毕业设计 (论文 ) 污水 处理厂的 PLC 控制系统设计 1 污水处理 厂 的 PLC 控制 系统 设计 污泥 运输机 的 PLC 程序设计 文 摘 本文主要介绍了 PLC 在城市污水处理中的具体应用 ，系统介绍了城市污水处理工艺流程以及基于 SIEMENS的 S7 400 系列 PLC 的污水处理实施方案，介绍 了 城市污水处理厂监空系统数据采集的方法。 为了提高污水处理厂的运行管理水平， PLC 是该系统的重要组成单元，各单元按一定拓扑结构互连构成污水处理厂的控制系统。研究结果表明，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。 结合某 污水处理 厂自动化控制系统的运行情况，介绍污水处理厂的设备组成、自动化控制方式和 PLC 各工作站的功能、网络构成在污水处理中的应用，总结自动化控制系统对提高生产效率、减少现场操作人员、提高安全性发挥的良好效果。 关键词 污水处理 ；自动化控制系统； PLC； 硬件配置 ； 软件设计 。 在我国，随着经济飞速发展，人民生活水平的提高，对生态环境的要求日益提高，要求越来越多的污水处理后达标排放。在全国乃至世界范围内，正在兴建及待建的污水厂也日益增多。有学者曾根据日处理污水量将污水处理厂分为大、中、小三种规模：日处理量大于 10 万 m3 为大型处理厂，1-10m3 万为中型污水处理厂，小于 1 万 m3 的为小型污水处理厂。近年来，大型污水处理厂建设数量相对减少，而中小型污水厂则越来越多。如何搞好中、小型污水处理厂，特别是小型污水厂，是近几年许多专家和工程技术人员比较关注的问题。 我国是个缺水的国家，人均水资源占有量只为世界人均水资源占有量的 1/4。而且我国的水资源在时空和地域上分布不均匀，更加重了缺水的实际情况。因此近些来，我国的城市水资源进一步紧张，许多城市严重缺水。与此同时，水资源的污染却日益严重，也因此许多城市都规划和建设了水污水处理厂，来改变 目前水资源紧缺且污染的现状。 随着全球水资源供应的紧张和对自动化要求的增加，我国的污水处理厂必然是向着高度自动化和无人职守的方向发展。目前， PLC 在其稳定性和高度自动化程度的不断加强，使 PLC 成为在城市污水处理自动化方面的首选。 1 污水处理工艺流程 1.1工艺流程图 首先从厂外污水泵站提升到污水处理厂的污水，经过粗格栅，去除污水中较大的垃圾、漂浮物；通过 5台 100KW和 3台 54KW的污水泵将污水提升到细格栅，将较小的漂浮物去除；在沉砂池搅拌、除砂；然后进入生化池进行厌氧、耗氧处理，经沉淀池泥水分离，上 层澄清液作为净化后的清洁排电气信息工程学院毕业设计 (论文 ) 污水 处理厂的 PLC 控制系统设计 2 放水；沉淀下来的污泥一部分回流到生化池再生利用，一部分作为剩余污泥回流到污泥浓缩池，进一步浓缩，通过污泥处理系统，把泥浆态的污泥脱水、压滤，形成干污泥饼（如图 1所示）。 1.2 对工艺流程的阐述 首先从厂外污水泵站提升到污水处理厂的污水，经过粗格栅，去除污水中较大的垃圾、漂浮物；通过 5台 100KW和 3台 54KW的污水泵将污水提升到细格栅，将较小的漂浮物去除；在沉砂池搅拌、除砂；然后进入生化池进行厌氧、耗氧处理，经沉淀池泥水分离，上层澄清液作为净化后的清洁排放水；沉淀下来的污泥 一部分回流到生化池再生利用，一部分作为剩余污泥回流到污泥浓缩池，进一步浓缩，通过污泥处理系统，把泥浆态的污泥脱水、压滤，形成干污泥饼（如图 2所示）。 电气信息工程学院毕业设计 (论文 ) 污水 处理厂的 PLC 控制系统设计 3 1.3 主要设备的组成及控制方式 1.3.1主要设备 活性污泥法的曝气方式可分为两大类：鼓风曝气及机械曝气两大类。鼓风曝气系统的主要设备是鼓风机及扩散系统。小污水厂的鼓风机一般采用罗茨风机及小型离心 风机。分散系统一般采用微孔曝气器。但必须是适应于间歇曝气的运行方式。鼓风机往往安装在 SBR 池旁边，以减少管路系统的造价。由于污水厂较小，一般不设 鼓风机房 ，仅在鼓风机上设罩棚。这主要适用于厂矿企业内的污水处理厂，不严格控制噪音的情况。如果污水厂毗临生活小区，若采用鼓风曝气则必须建鼓风机房， 同时还要有相应的降噪措施，这样情况下宜采用机械曝气方式。 （如表 1） 1.3.2设备控制方式 污水处理厂的设备均采用三级控制方式，即现场控制方式、 MCC 控制方式和微机控制方式。目前，以 MCC 控制为基础， PLC 控制为主导的控制方式始终处于工业自动化控制领域的主战场，为各种各样的自动化控制设备提供了非常可靠的控制应用。其主要原因，在于它能够为自动化控制应用提供安全可靠和比 较完善的解决方案，适合于当前污水处理厂对自动化的需要。 控制系统采用 “双入单出 ”的模糊控制器。输入量为 pH 值给定值与测量值的偏差 e 以及偏差变化率 ec，输出量为向加药泵供电的变频器的输入控制电压 u。控制过程为控制器定时采样 pH 值和pH 值变化率与给定值比较，得 pH 值偏差 e 以及偏差变化率 ec，并以此作为 PLC 控制器的输入变电气信息工程学院毕业设计 (论文 ) 污水 处理厂的 PLC 控制系统设计 4 量，经模糊控制器输出控制变频器输出频率 n，从而改变加药量使 pH 值保持稳定。 1.4 粗格栅、细格栅、提升泵房的设备控制 粗格栅、细格栅的控制分为现场控制和远程控制两种模式。远程控制模式由 PLC 和上位机实现，它包括微机手动和微机自动，而微机自动控制方式为：（ 1）水位差控制方式，通过格栅机运行液位差计的测量值用来反映格栅阻塞程度，并传输到 PLC 控制器，进行分析计算。当液位差超过预设的数值，控制格栅运行；（ 2）时间设置控制方式，在上位机的 INTERACT 组态软件中设置格栅机运行时间和停机时间，经 PLC 控制器的程序运算指挥 MCC对格栅机进行控制。 提升泵运行控制以远程控制为主。某 污水处理厂有两个提升泵站，每个泵站设有一个 PLC 工作站与厂内主站联络（如图 3所示）。 它 们距污水处理厂约 4 5公里。为实现进水提升泵的远程自动控制的安全、可靠，水位测量和提升泵的流量测量和数据分析、传输、控制等设备是不可缺少的，所以在进水泵房处安装了液位计，测量泵井的水位；每台提升泵的提升管安装电磁流量计，测量每台提升泵工作的瞬时流量；两个 PLC工作站分别担负各泵站的设备控制、设备保护、数据采样、远程数据传输等作用。根据测量值对应控制程序，自动控制提升泵的运行组合。这样可以根据厂外来水量准确及时地调整泵运行数量，减少设备疲劳；同时可以取消传统泵站三班倒的人力资源耗费。 1.5 沉砂池、生化池 、沉淀池、污泥回流泵房和鼓风机房的设备控制 砂搅拌器的自动运行通过进水电磁流量计控制，而抽砂泵的运行状态是由微机对其开、停时间的设置控制的。 生化池厌氧区的搅拌器、沉淀池的吸刮泥机、污泥回流泵房的阀门和回流泵都是由微机触发指令通过 PLC 控制。 生化池好氧区的 DO 计、 MLSS 计、 ORP 计、空气调节阀和 HV-TURBO 鼓风机是污水处理的重要设备 。曝气池溶解氧的控制、厌氧段与好氧段的控制、污泥浓度的控制是 污水处理厂工艺的核心。该系统控制思路： PLC 通过对 DO 的检测，自动调节空气阀的开度；当检测 到空气阀的调节不能满电气信息工程学院毕业设计 (论文 ) 污水 处理厂的 PLC 控制系统设计 5 足 DO 的需要时，再着行调整鼓风机的出风导叶片的开度（目前各污水厂在该系统的应用都不理想，主要问题是溶解氧的测量值滞后、不稳定及空气阀门的选型）； PLC 检测 DO 计、 MLSS 计、 ORP计的值传送上位机进行数据分析，实时掌握厌氧段与好氧段、污泥浓度等状况，及时调整工艺控制。 1.6 脱水机房 脱水机房的设备主要担负由污泥提升泵将回流泵井的剩余污泥与污泥絮凝剂按比例混合进行脱 水处理 的任务 。污泥与溶解成一定浓度的絮凝剂混合后，污泥中的固体颗粒被凝聚成絮团，并分离出自由水，然后被输送到带式污泥脱水 机上，经顶脱水区、重力脱水区、楔形脱水区、压滤脱水区后形成滤饼排出。设备的控制思路是以时序的逻辑控制为主导，污泥和絮凝剂混合的比例通过污泥电磁流量计、清水流量计和投药泵投药量实现。该系统流程控制原理图（如图 4所示）。 脱水机系统的联动控制时序： 条件：各设备准备就绪，无故障；空压机、自动配药池工作正常。 启动：皮带输送机运转 带式脱水机运转 投药泵运转 污泥泵运转。 停机：控制顺序与启动顺序相反。 时间：根据实际的运行状况，可在 PLC中设置各设备联动间隔时间。 1.7 PLC控制系统 污水处 理厂自控系统遵循“集中管理，分散控制，数据共享”的原则，设计选型先进，安全可靠，经济合理，并能保证系统长期稳定高效地运行。 PLC控制系统满足污水处理厂运行管理和安全处理的要求，即生产过程自动控制和报警、自动保护、自动操作、自动调节、提高运行效率，降低运行成本，减轻劳动强度，对污水处理厂内各系统工艺流程中的重要参数、设备工作情况等进行计算机在线集中实时监测，重要设备进行计算机在线集散控制，确保污水处理厂的出水水质达到设计排放标准。 电气信息工程学院毕业设计 (论文 ) 污水 处理厂的 PLC 控制系统设计 6 1.7.1 PLC控制系统的基本构成及功能 污水处理厂 PLC控制系统由两台计 算机、 8 个现场控制站、工艺仪表、电量变送器构成。 8个 现场控制站用于控制现场设备、采集动态工艺参数和设备工作情况。现场控制站根据污水处理厂的实际工艺和构筑物的几何分布，设置在控制对象和信号源相对集中的几个单体中，并考虑在不影响控制功能和设备安全的前提下，尽量节省投资。本控制系统由 8个现场控制站组成。它们分别位于：厂外 1#泵站；厂外 2#泵站；厂内中心控制室；厂内低压电房；鼓风机房（ 3个站）；脱水机房。 0工作站 5工作站之间采用 A1SJ71AR21模块通过同轴电缆通讯。 1#工作站和 2#工作站与厂内主工作站的距 离 4 5公里，且无人值班，故租用电信公司无源电话专线通过调制解调器和 A1SJ71UC24通信模块进行泵房设备控制和数据传输。网络控制分布图（如图 5所示）。 1.7.2 网络结构 污水处理厂的自控系统由环形拓扑形式（ ring topology）和星形拓扑形式 (startop ology)两种总线网络形式构成。 1.7.3 上位机组态功能 （ 1）控制操作：在中控室里采用 2台 IBM90和 INTERACT组态软件开发的工控程序能对全厂和2个污水提升泵站的被控设备进行控制、对各现场控制站 PLC的参数进行设定和修改 ，具有良好的人机交互界面，可方便地进行图形间的切换和各种功能的调用。设立不同的安全操作等级，针对不同的操作者，设置相应的加密等级，记录操作员及其操作信息。 （ 2）显示功能：用设计方法生成图形，实时地、集中地显示被测参数所处的变化过程。对全厂工艺过程、工艺参数、设备状态等通过颜色的变化直观地、动态地显示。 数据处理及管理：操作记录并显示工艺参数、电量参数的变化曲线或趋势图，利用在线数据和数据库的数据进行分析、统计、计算、显示。 报警功能：当某一参数异常或设备故障时，可根据不同的报警类别，发出声光报警 、屏幕报警。 （ 3）报表功能：分成年度、月度、日班报表及运行参数报表。如：污水处理量、加药量、耗电量等。 （ 4）打印功能：各种报表的打印，各种事件及报警实时打印。 由于污水厂较小，各构筑物之间一般用渠道相连，既节省了占地，又减少了水头损失。有专家统计，采用渠道输配水的污水处理厂的水头损失要比管道输配水的小 2 -3m。对于采用 SBR 法的小型污水处理厂，一般将沉砂池与 SBR 池通过渠道相连、污泥浓缩池与脱水机房和泥饼堆放场合建。这样，在常规的设计中，小型污 水厂内至多有三个主要的处理单元：辅助生产区（含办公 、变配电及总控等）、水处理单元、泥处理单元。有时泥处理和水处理单元也可合建。 电气信息工程学院毕业设计 (论文 ) 污水 处理厂的 PLC 控制系统设计 7 由于方便输配水，各构筑物采用了合建方式，在设计时应注意距离较近的构筑物的基础处理，埋深上尽量接近。通过连接构筑物的渠道应做沉降缝。 多座反应池的排泥管也可采用渠道而非管道和止回阀连接的方式，这样不仅减少了设备的维护管理，而且没有阀门堵塞的问题。连接方式如图 1。在小型污水处理厂内多采用类似策略，可以大大节省工程费用，方便维护管理。 1.8 系统构成及其布局 根据工艺特点和控制要求，本系统采用分布式集散监控系统，按流 程设两个 PLC 分站，分别监控水区和泥区的设备运行和控制，设一个总站集中分站信息并控制分站工作。具体控制分为 : (1) 现地控制，设现场箱或按钮站，由“现场 /遥控”转换控制状态，“现场”设点动按钮，用于调整和检修。 (2) 各开关柜 (包括 :10kV 进线柜、 0.4kV 进线柜等 )，由“自动 /停止 /手动”转换控制状态，“手动”设启 /停按钮，用于手动操作。 (3) 分站控制，用可编程控制器和工业控制计算机系统等自控设备，自动监控所属范围运行。 (4) 总站主机控制，多为计算机监控管理系统，集中分站信息，进行各种处理， 并通过分站统一控制全厂运行，满足工艺测控要求，使全厂运行处于最佳状态，是监控管理的中心。 电气信息工程学院毕业设计 (论文 ) 污水 处理厂的 PLC 控制系统设计 8 监控系统由操作员工作站、服务器工作站、投影仪、打印机、 2 个 PLC 工作站和现场一次设备。 通信网络采用西门子的过程现场总线标准 (Profibus)，它为分布式 I/O 站或驱动器等现场器件提供了高速通信所需的用户接口，以及提供了在主站间大量数据内部交换的接口通信协议采用 SINEC L2，该协议遵从 DIN19245 标准。 SINEC L2 又分为如下子协议 :L2-TF、 L2-FMS、 L2-DP 及 L2-AP。其中L2-DP 遵从 Profibus 标准开放式结构，适用于对时间要求严格的现场，能够以最快的速度快速处理和传送网络数据。所以本系统可以快速的采集和处理由 PLC 所采集的数据，符合控制系统要求的快速性。 2 污水处理中的 PLC 2.1 概述 2.1.1 设计范围 设计包括厂界内预处理处理、生物滤池、污泥处理及附属设施需要检测和控制应提供的仪表和有关的辅助装置等。 2.1.2 PLC设计综述 实用性： PLC系统其目的在于满足污水厂生产控制和管理要求，在保证先进的条件下，设备和系统应符合实际要求。 可靠性：污水处理厂的生产过程要求 PLC控制系 统具有连续可靠性。 经济性： PLC系统的技术含量高，设备复杂，因此，在设计时应进行技术经济比较。 先进性：网络技术、信息技术、 PLC控制技术发展迅速。 根据某污水处理 厂的设计规模和 BAF生物滤池工艺的特点，本着技术先进，性价比高，适用可靠的原则进行设计。依据集中监测为主，分散控制为辅的基本原则，设计采用以 PLC（可编程控制器）为基础的监测控制和数据采集系统（ SCADA） ,在中央控制室利用 PC（工业级 PC）对厂内各工况进行实时监控，并有信号报警和联锁等设施以保证生产正常运行，生产的工艺过程 PLC采用就地独立控 制。从安全生产的角度和操作人员技术掌握程度上考虑，设立三级控制层：设备就地手动、 PLC子站现场监控和中控室远程监控（如图 6所示）。 在综合楼设立中央控制室，下设 1#预处理 PLC子站， 2#BAF生物滤池 PLC子站和 3#污泥处理 PLC子站等共 7个现场处理子站。在中央控制时可对主要设备实施开、停控制。同时，设备运转状态也通过通讯总线送入上位计算机，在计算机上对全厂设备运转情况进行监控。 电气信息工程学院毕业设计 (论文 ) 污水 处理厂的 PLC 控制系统设计 9 中央控制室还设置了以太网交换器，与厂级管理 PLC 层以太信息网络相连接，并设置厂长办公终端、生产管理终端、化验室终端。 2.2 PLC在污水处理中的部分运用 2.2.1中央控制室 在办公楼设立中央控制室，中央控制室内设有两台 21” 纯平高分辨率计算机操作站、一台数据库服务器、三台打印机、一台网络设备。两台计算机操作站互为备用，并可安装 PLC编程软件，程序可方便地通过控制网络分别下载到指定的现场控制站，以便在调试过程中随时修改程序。中央控制室可对整个分控式控制系统进行系统组态管理、系统监测、实时监测、显示、处理、控制各 PLC子站的状态、通信、数据和信息，完成报警和报表打印。在厂级管理层可以通过 Internet将结果、效益分析等发往 主管局等政府机关（如图 7所示）。 电气信息工程学院毕业设计 (论文 ) 污水 处理厂的 PLC 控制系统设计 10 主要功能： 生产工艺过程以工艺流程图方式显示，图形可以取出每幅图的局部进行放大，便于分幅，分组组展示，流程上有相关的实时生产过程的动态参数值显示。当动态显示值显示改变时，随之改变图形的数值。 2.2.2 控制网络系统 通讯控制网络系统采用可与信息系统无缝连接、可进行三阶层通信、高速可靠通信。 PLC控制系统中央控制室与现场 PLC 子站之间采用最先进的控制网络，该控制网是一种最现代化的开放网络，已成为工业 PLC领域的标准网络。它具有灵活的结构，安装方便，支持 PLC之间及 PLC和上位机之间的自动数据链接，也可使用信息服务进行可编程的数据传送，可得到大容量、柔性数据链接及大容量的数据传送，对应低成本的通信系统。其通讯介质选屏蔽双绞线。通讯速率可达 2Mbps，保证数据高速确定地传输。 主要特性： 通讯方法为 N:N令牌环。 在网络两端内藏必要的终端电阻，只需作开关设定。 最大传送距离： 1KM（线缆） 20KM（光缆）。 最大传输率： 2Mbps。 传送媒体方式：屏蔽双绞线或光缆。 最大节点数： 32 或 62PLC。 电气信息工程学院毕业设计 (论文 ) 污水 处理厂的 PLC 控制系统设计 11 通过网关或 PLC可与其他控制网络、现场总线相连。 中央控制室与厂级管理层之间采 用 100Mdps 的以太通讯网，该网带有 E-mail功能，能向 mail server发送用户自定义信息，故障信息，状态信息等，通过网关（以太网交换器）或 PLC可与其他控制网络、现场总线相连。 主要特性： 支持 TCP/IP,UDP/IP标准协议。 传输率： 10/100Mbps。 传输协议： TCP/IP、 UDP/IP、 FTP。 传输距离： 40KM。 传送媒体方式：单模光纤。 通过网关或 PLC可与其他控制网络、现场总线相连。 为保证在供电发生意外时，系统能有足够的反应时间进行应急处理，设计上中央控制室和各子站均设有 在线式不间断电源。 过电压保护装置能抑制出现在电力网络中的暂态浪涌电压和吸收暂态浪涌电压能量，在保障供电连续的条件下，保障计算机、 PLC控制子站及其他主要设备免受过电压的干扰和侵害，使用电设备安全正常运行。 2.2.3 分 现场生产过程 PLC 控制系统 （ 1） 预处理 PLC 控制及检测部 厂内 1#预处理 PLC子站位于污泥脱水间控制室内。 对工艺专业要求检测的各种工艺参数，水泵、闸门、粗格栅、细格栅、排砂装置等设备的运行状态、故障状态进行监测和控制。通过网络把信号送中央控制室计算机操作站完成指示、记录、报表和报警打印 等监控管理功能。 其主要设备有： 粗格栅、闸板，细格栅、螺旋输送机 该子站模拟量输入、输出，数字量输入、输出点数 AI:11 DI:30 DO:22 粗格栅开、停控制 根据超声波液位差计测得的粗格栅前后水位差值自动控制回转式粗格栅的运行，即水位差达到设定值时，自动启动格栅。当回转式粗格栅停止运行的时间超出设定值时，系统转为时间控制，此时限为可调式设计，并设置上限报警。 PLC系统将根据软件程序自动控制螺旋输送机、回转式粗格栅机的顺序启停、运行、停车以及安全连 锁保护，格栅机停机后延时停螺旋输送机。 电气信息工程学院毕业设计 (论文 ) 污水 处理厂的 PLC 控制系统设计 12 细格栅开、停控制 细格栅 24小时运行，并设置上限报警。 PLC 系统将根据软件程序自动控制螺旋输送机、回转式细格栅机的顺序启停、运行、停车以及安全连锁保护，格栅机停机后延时停螺旋输送机。 污水闸门控制 ： 两台闸门根据液位手动或电动，其运行信号送入中控室监控，不参加控制。 （ 2） BAF 生物滤池 PLC 控制及检测部分 厂内 2#BAF生物滤池 PLC子站位于变电所低压配电室控制室内。 对工艺专业要求检测的各种工艺参数，水泵、风机反冲洗泵等设备的运行状态、故障状态进行监测和控制。并 可在中控室计算机操作站完成指示、记录、报表和报警打印等监控管理功能。 其主要设备有： 排砂阀，排泥阀，启闭机，砂水分离器，电动进水阀，电动排水阀，电动进气阀，电动气冲阀电动反冲洗阀，回用潜水泵，离心鼓风机。 该子站模拟量输入、输出，数字量输入、输出点数 AI:14 AO:3 DI:124 DO:134 沉砂池和沉淀池 沉砂池和沉淀池定时开 /停排砂、排泥阀，砂水分离器设备控制由设备厂商自带可设定控制系统，砂水分离器应与排砂阀联锁。 BAF生物滤池 工艺过程简述： 污水经强化预处理后进入第一级生物过滤（ C/N）池，污水通过滤池进水管进入滤池底部，填料上的微生物利用进水中的溶解氧降解 BOD，同时， SS 也通过一系列复杂的物化过程被填料及其上面的生物膜吸附截留在滤床内。流出填料层的废水进入第二级生物过滤池的污水流程同第一级，但在第二级生物过滤池中可根据运行情况不曝气并减 少回流比以节能。经二级生物过滤处理后的污水即直接进入接触池消毒。 第一级生物滤池按时间及水位差控制滤池的反冲洗。在该级滤池有超声波液位计， DO 测定仪等国外仪表。第二级生物滤池按吸附与过滤方式运行。按时间及水 位差控制滤池的反冲洗。在该级滤池装有超声波液位计， SS测定仪， DO 测定仪等国外仪表。检测信号均送生物滤池处理 PLC子站进行监控。根据生物滤池水位差的反锁信号控制反冲洗机组开停，根据 DO 测量仪所测反锁信号控制调节曝气风机的风量。 BAF生物滤池按所设计时间进行周期性反冲洗，其中，第一级按每个周期 16小时，第二级按每个周期 36小时进行反冲洗。或者在一个周期内，如果水头损失达到所设反冲设定值时，优先进入反冲洗程序反冲洗周期设定值根据水质情况在反冲洗程序中为可调值。 BAF生物滤池根据其优先顺序逐台启动滤池的反冲洗。 一、二级曝气生物滤池控制过程： 电气信息工程学院毕业设计 (论文 ) 污水 处理厂的 PLC 控制系统设计 13 反冲洗阶段 根据时间设定为周期性反冲洗。 根据超声波液位计所测水位值确定反冲洗过程。 当水位下降到所设定值时，停止进水阀，开启反洗水出水阀。 待滤池液位再次下降到设定反洗液位值时，先开启反洗鼓风机，后开启反洗风阀进行气冲洗。气洗数分钟后，关闭反洗气阀，关闭反洗鼓风机，气冲洗结束。气冲洗结束，进入水冲洗阶段。先开启反冲洗水泵，后开启反洗管路阀们，进行水洗数分钟后，水冲洗结束。当水冲洗结束后，继续开启反冲洗鼓风机，再开启反冲洗风阀，进入气、水混合冲洗阶段。气、水混合反洗数分钟 后，关闭反洗风阀，关闭反洗鼓风机；关闭反洗水水阀，关闭反洗水泵。至此，反冲洗过程全部结束。 当反冲洗阶段结束后，先开启进水阀，后开启曝气鼓风机，再开启曝气风阀，最后关闭反冲洗水出水阀。进入正常曝气阶段。 强制反洗 若反洗效果不佳，说明滤路可能出现堵塞，此时，关闭进水阀，开启反冲洗出水阀，开启强制反冲洗泵和强制反冲洗阀们，进行强制反冲洗，其过程按反冲过程运行（如图 8所示）。 （ 3） 污泥脱水 PLC 控制及检测部分 厂内 3#污泥 PLC 子站位于污泥脱水间控制室内。 对于工艺专业要求检测的各种工艺参数，水泵、加药 设备、离心脱水机等设备的运行状态、故障状态进行监测和控制。通过网络把信号送中央控制室计算机操作站完成指示、记录、报表和报警打印等监控管理功能。 其主要设备有： 离心脱水机，污泥进料泵，冲洗水泵，皮带输送机，无轴螺旋输送机，隔膜计量泵，搅拌机。 该子站模拟量输入、输出，数字量输入、输出点数 AI:4 AO:3 DI:30 DO:24 污泥脱水系统 电气信息工程学院毕业设计 (论文 ) 污水 处理厂的 PLC 控制系统设计 14 污泥脱水系统为成套设备（包括污泥进料泵、加药泵、离心脱水机），自带现场控制柜。该系统运行、故障信号送入 PLC 显示 ，根据储泥池液位， PLC给出设备的开、停命令，运行中设备根据自带的控制程序动作，给料机组机开 /停与离心脱水机。 脱水后污泥螺旋输送机和皮带输送机与离心脱水机联锁，先开启螺旋输送机和皮带输送机，再开启离心脱水机，最后开启污泥泵，停运时，先停污泥泵，再停离心脱水机，最后停螺旋输送机和皮带输送机。 2.2.4 厂级管理 PLC 系统 为了及时地对来自污水处理现场的生产信息进行收集、储存、分析和加工处理，以便工厂领导层对生产管理的准确决策，设计中考虑了厂级管理终端。 该系统主要功能： 生产过程的全面查询，包括各种进、 出厂水流量，各中能耗等。 生产过程分析报告、报表和图形。 设备资料数据库和设备运行管理数据库。 化验所需要的参数。 建立与外部 Interner 的双向连接，便于发布信息和从外部获取信息 。 2.3 PLC设备及仪表选型 为了保证监控管理控制系统的正常运行， PLC 监控系统选用 SIEMENS 的 S7 400 系列产品。现场 PLC控制子站是直接监视和控制若干工艺生产过程所单元，其主要设备是： SIEMENS 的 S7 400 系列 PLC可编程控制器。 直流电源。 PLC性能特点： CPU 指示 高速 RISC的 CPU 最大 IO点数为 5120点 数据内存容量： 64K字 电源电压范围： 85 132VAC或 170 264VAC 基本指令处理速度： 0.04ms/k 特殊指令处理速度： 0.12ms/k I/O模块指令 数字量输入模块（ DI） ： 输入点数： 16 点 电气信息工程学院毕业设计 (论文 ) 污水 处理厂的 PLC 控制系统设计 15 输入电压： 24VDC 快速刷新时间： 0.004ms 连接方式：采用可拆卸式端子排以提高可靠性，易于连接和维修各模块 各模块具有光电隔离功能，每个输出点都具有状态指示 数字量输出模块（ DO） 输入点数： 16 点继电器 最大开闭幕、能力： AC250V/DC24V， 2A 快速刷新时间： 0.004ms 连接方式：采用可拆卸式端子排以提高可靠性，易于连接和维修 各模块具有光电隔离功能，每个输出点都具有状态指示 模拟量输入模块（ AI）： 输入点： 8路 输入范围： 0 5V,1 5V,0 10V,-10 +10V,4 20mA 分辨率： 12 位 隔离方式：光电隔离 转换速度： 1ms/点 精度（ 25）：电压 0.2% 电流 0.4% 其他功能：断线检测 ,峰值保持、平均值功能、定 标功能等 连接方式：采用可拆卸式端子排以提高可靠性，易于连接和维修 各模块具有光电隔离功能，每个输出点都具有状态指示 模拟量输出模块（ AO）： 输出点数： 8路 输出范围： 0 5V,1 5V,0 10V,-10 +10V,4 20mA 分辨率： 12 位 隔离方式：光电隔离 转换速度： 1ms/点 精度（ 25）：电压 0.3%FS 电流 0.5%FS 其他功能：输出限幅，上 /下限报警，脉冲输出 连接方式：采用可拆卸式端子排以提高可靠性，易于连接和维 修 操作员面板（ PT 触摸屏） 显示器： TFT 彩色 有效显示区域： 10.4 触摸开关分辨率： 32*24个 显示分辨率： 640*480 点 电气信息工程学院毕业设计 (论文 ) 污水 处理厂的 PLC 控制系统设计 16 通讯接口： RS-422A/RS-485 口 RS-232C口 电源电压范围： DC20.4V DC26.4V 运行时间： 25000小时 能取代手持式编程器对 PLC 进行编程器对 PLC进行编程 隔离装置 根据开关量信号输入输出点配置继电器以隔离 PLC与被测控的设备。 在仪表选型上，介于监测仪表的重要性，在仪表选型上应遵循： 准确全面反映进厂水的水质水量情况。 准确全面反映出水厂的水质情况。 各处理单元的出口的主要水质情况。 参与控制的水质和物理参数。 尽量选用国内可靠成熟的仪表产品，以节约投资，也方便维修。对关键的现场仪表，则考虑引进国外设备。 超声波液位计 超声波液位计是非接触式测量仪表该仪表通过对超声波发射和反射的行程所需的时间和测量距离成正比的原理测量液位。仪表由传感器（超声波探头）、变送器及专用电缆组成，德国 E+H公司。 型号：传感器 FDU80-RG2A 变送器 FMU682-R1A1A1 (1）被测介质：污水和稀污泥 (2）测量范围： FDU80 量程 0 50m (3）输入范围： 4 20mA DC， 负载电阻 600 (4）电源： 220VAC 50HZ (5）测量值误差： 0.2%满量程 分辨率： 1mm (6）安装位置：室外 (7）防护等级：传感器： IP68 变送器： IP65 (8）现场显示： 4 1/2数显 (9）专用电缆： 10M (10）安装支架：墙支架 919792-0001 电磁流量计 电磁流量计是测量和指示导电液体的流量， 由传感器、变送器及专用电缆组成，传感器形式为发兰连接，带接地环，转换器具备微处理器信号功能，用手持磁棒方法，不打开外壳就可对机内实行编程。上海光华爱尔美特。 型号：传感器 IFS4000 转换器 SC100AS/MP-2211 PH计 电气信息工程学院毕业设计 (论文 ) 污水 处理厂的 PLC 控制系统设计 17 此装置为一组电极，这组电极产生的电势与被测液体的氢离子浓度成比例，该装置包括传感器、变送器及专用电缆，包括传感器的安装支架及传感器的手动清洗头，德国 E+H公司。 型号： 传感器 CPS11-2AA2TSA 变送器 CPM253-PR0010 SS 计 该装置包括传感器、变送器及专用电缆，包括传感器的安装支架及传感器的手动清洗头，德国 E+H公司。 DO 计 测量原理是覆膜式，电流测量传感器。该装置包括传感器、变送器及专用电缆，包括传感器的安装支架及传感器的手动清洗头，德国 E+H公司。 型号：传感器 C0S4-2 变送器 C0M253-0010 污泥液位测量系统 该装置是通过浓度变送器，应用成熟的双 -光束，脉动 -光方法实现。包括浓度计、浓度传感器、步进电机控制器、跟踪单元，德国 E+H公司。 型号： CUC101-A0 2.4 仪表的动力要求 和相应的配电室提供，中央控制室、各子供电要求，交流电压： 220VAC 10% 50Hz 5%，直流电压： 24V-5% +10%。中控机房电源采用双回路电源供电，并装设防雷器和 UPS，计算机不得与空调等大容量电器共回路。 PLC子站电源取自低压配电屏仪表控制配电回路，回路装设电源防雷器及 UPS. 2.5主要 PLC设备表及其说明 由于污水厂较小，各构筑物之间一般用渠道相连，既节省了占地，又减少了水头损失。有专家统计，采用渠道输配水的污水处理厂的水头损失要比管道输配水的小 2 -3m。对于 采用 SBR 法的小型污水处理厂，一般将沉砂池与 SBR 池通过渠道相连、污泥浓缩池与脱水机房和泥饼堆放场合建。这样，在常规的设计中，小型污 水厂内至多有三个主要的处理单元：辅助生产区（含办公、变配电及总控等）、水处理单元、泥处理单元。有时泥处理和水处理单元也可合建。 由于方便输配水，各构筑物采用了合建方式，在设计时应注意距离较近的构筑物的基础处理，埋深上尽量接近。通过连接构筑物的渠道应做沉降缝。 多座反应池的排泥管也可采用渠道而非管道和止回阀连接的方式，这样不仅减少了设备的维护管理，而且没有阀门堵塞的问题 。连接方式如图 1。在小型污水处理厂内多采用类似策略，可以大大节省工程费用，方便维护管理。 小型污水处理厂受服务区域的现状及污水收集输送系统的限制，其厂址往往是小区内或厂矿企电气信息工程学院毕业设计 (论文 ) 污水 处理厂的 PLC 控制系统设计 18 业内不规则、不好利用的地块，有的高低起伏较大、有的存在地面障碍和架空线路、有的靠近居住区，这些不利因素在总平面布置时必须充分考虑。 一般来讲，对于污水厂的现状情况应充分考虑，因地置宜，若厂址高差变化太大，厂区内的设计地坪也应随之调整，采取不同标高。整个全厂看来，呈台阶式布 置。有条件的尽量放坡处理，不做挡墙，以节省土建投资。在护 坡上做绿化小品，起到美化全厂、改善环境的目的。若空中有高压线，则在地面上可考虑大量的进行 绿化，在满足电气相关规范的同时，尽可能的增加厂区的绿化面积。 再比如，如果厂址靠近居民区，则要在总图上更要加以注意，首先污水及污泥处理构筑物应尽量布置在远离居民区的地方，而且在有条件的情况下，处理构筑物可以采取增设上部建筑或加盖的方式以减少对周围环境的影响。必要时，增加相应的环保措施。 如前所述，在小型污水处理厂的设计，有时因毗临居民区或处于小区内的重要地区，往往有较高的环保要求，这就要求进行必要的环保方面的考虑。大致 可分为以下几个方面。 （如表 2 ） 电气信息工程学院毕业设计 (论文 ) 污水 处理厂的 PLC 控制系统设计 19 设备分布 污水处理的一次设备主要包括 :进水泵、排污泵、栅格机、配电设备、传送机、各种传感器和各种检测仪表等。 (1) 水区分布的一次设备及其功能 进水泵 :主要作用是将城市生活生产所排放的污水经过栅格过滤后提升，使其进入沉砂池。 栅格机 :主要用于各个进水泵的入口处，防止较大的污物进入泵内，进而保护进水泵，保证其能正常工作。 配电设备 :主要是指 10kV 高压配电设备和 0.4kV 配电设备，用来给进水泵供电。它的稳定性对于整个污水处理厂的安全运行至关重要。 各种传感器 :主要是测量集水池水位和栅格间水位的液位传感器，用来测量各个进水泵出口压力的压力传感器，以及测量进水泵出口流量的流量传感器等传感设备。 （ 2) 泥区分布的 一次设备及其功能 排污泵 :主要是将沉砂池中的污泥送入初沉池中，进而对污泥进行处理。 配电设备 :用来给排污泵供电。 传送机 :用来将处理好的泥饼从脱水泵房运送出去。 各种传感器 :用来采集现场的模拟量。 以上所说各种设备均为系统中 PLC 的监控对象，系统一次设备与 PLC 的连接 : 其中配电设备通过传感器与 PLC 进行通讯，使 PLC 能监测到配电设备的各种开关量和模拟量，进而达到监控配电区的作用。 2.6 PLC具体配置情况 根据具体情况，本监控系统的 PLC 分成水区 PLC 和泥区 PLC 两个分站。根据水区和泥区的监控对象的点数的多少，对 PLC 分别配置如下 : 水区 PLC 配置 水区监控系统的 PLC 采用 SIEMENS 的 S7-400 系列。根据水区的具体要求，水区 PLC 总体配置如下 : 中央处理模块 (CPU):选用 CPU412; 数字量输入模块 (DI):选用 SM421，共 14 块 (32 点 /块 )，处理 448 点输入信号 ; 数字量输出模块 (DO):选用 SM422，共 5 块 (32 点 /块 )，处理 160 点输出信号 ; 模拟量输入模块 (AI):选用 SM431;共 6 块 (16 点 /块 )，处理 96 点输入信号 ; 通信模块 (CP):选用 CP443-5,共 1 块为 RS485 接口 ; 接口模板 (IM):选用 IM460-0 和 IM460-0，用于 PLC 的扩展。 泥区 PLC 配置 电气信息工程学院毕业设计 (论文 ) 污水 处理厂的 PLC 控制系统设计 20 泥区监控系统的 PLC 采用 SIEMENS 的 S7-400 系列。根据泥区的具体要求，泥区 PLC 总体配置如下 : 中央处理模块 (CPU):选用 CPU412-2; 数字量输入模块 (DI):选用 SM421，共 15 块 (32 点 /块 )。处理 480 点输入信号 ; 数字量输出模块 (DO):选用 SM422，共 4 块 (32 点 /块 )。处理 128 点输出信号 ; 模拟量输入模块 (AI):选用 SM431，共 2 块 (16 点 /块 )。处理 32 点输入信号 ; 通信模块 (CP):选用 CP443-5，共 1 块为 RS485 接口。 系统构成及其布局 根据工艺特点和控制要求，本系统采用分布式集散监控系统，按流程设两个 PLC 分站，分别监控水区和泥区的设备运行和控制，设一个总站集中分站信息并控制分站工作。具体控制分为 : （ 1) 现 长就 地 手动 控制，设现场箱或按钮站，由“现场 /遥控”转换控制状态，“现场”设点动按钮，用于调整和检修。 （ 2) 各开关柜 (包括 :10kV 进线柜、 0.4kV 进线柜等 )，由“自动 /停止 /手动”转换控制状态，“手动”设 启 /停按钮，用于手动操作。 （ 3) 分站控制，用可编程控制器和工业控制计算机系统等自控设备，自动监控所属范围运行。 （ 4) 总站主机控制，多为计算机监控管理系统，集中分站信息，进行各种处理，并通过分站统一控制全厂运行，满足工艺测控要求，使全厂运行处于最佳状态，是监控管理的中心。 监控系统由操作员工作站、服务器工作站、投影仪、打印机、 2 个 PLC 工作站和现场一次设备。通信网络采用西门子的过程现场总线标准 (Profibus)，它为分布式 I/O 站或驱动器等现场器件提供了高速通信所需的用户接口，以及提供了在主站间大量 数据内部交换的接口通信协议采用 SINEC L2，该协议遵从 DIN19245 标准。 SINEC L2 又分为如下子协议 :L2-TF、 L2-FMS、 L2-DP 及 L2-AP。其中L2-DP 遵从 Profibus 标准开放式结构，适用于对时间要求严格的现场，能够以最快的速度快速处理和传送网络数据。所以本系统可以快速的采集和处理由 PLC 所采集的数据，符合控制系统要求的快速性。 SIMATIC S7-400 简介 SIMATIC S7-400 系列 PLC 是西门子公司生产的大中型可编程序控制器，其功能强大，稳定性高，完全适合城市污水 处理对可编程序控制器功能的要求。 SIMATIC S7-400 是应用于中、高档性能范围的可编程序控制器。模块化及无风扇的设计，坚固耐用，容易扩展和广泛的通讯能力，容易实现的分布式结构以及用户友好的操作使 SIMATIC S7-400 成为中、高档性能控制领域中首选的理想解决方案。用户还可以根据需要不断的进行升级可编程序控制器。 SIMATIC S7-400 自动化系统采用模块化设计。它所具有的模板的扩展和配置功能使其能够按照每个不同的需求灵活组合。一个系统包括 :电源模板、中央处理单元 (CPU)、各种信号模板 (SM)、通讯模板 (CP)、功能模板 (FM)、接口模板 (IM)等。 电气信息工程学院毕业设计 (论文 ) 污水 处理厂的 PLC 控制系统设计 21 2.7 监控系统的软件部分 计算机操作系统采用 Microsoft Windows 2000 Professional 中文版操作系统。历史数据库采用 Microsoft SQL Server 2000 中文版软件。上位机监控软件采用当前流行的美国 GE 公司的 iFIX3.5组态软件来实现。 （ 1) 操作系统软件 Windows 2000 Professional 中文版操作系统提供了一个快速、高效的多用户、多任务操作系统环境，是目前使用广泛的工控操 作系统。数据库服务器采用 Windows 2000 server 中文版配合 Microsoft SQL2000 使用，用来保存历史数据。各工作站均采用 Windows 2000 Professional 中文版操作系统。 （ 2) iFIX3.5 监控软件 实现了对整个系统的开关量、状态量、电量、模拟量的采集和处理，并显示在主工作站的界面上 ;对一些污水处理厂重要的物理量如各个进水泵的电流、频率、出口压力等都实时显示在主工作站的主界面上，便于调度员及时掌握系统的运行情况 ; （ 3) 数据库软件 数据库服务器上安装 Microsoft SQL 2000 中文版，用来储存整个电站重要的历史数据，通过 iFIX3.5 与 Microsoft SQL 2000 的通讯来读取历史数据。单独设计一个数据库服务器可以避免因为系统局部故障导致历史数据丢失现象的发生。 （ 4) STEP7 可以利用 IEC-1131 标准中八种编程语言中的六种 (STL、 LAD、 FBD、 CFC、 SFC 和 SCL)进行编程。本系统利用 STEP7 对西门子可编程序控制器进行配置、编程。 （ 5) SIX 利用 SIMATIC S7-400 在 iFIX3.5 中驱动程序，可以在 iFIX3.5 数 据库中配置 PLC 的 DI、DO、 AI 和 DB 等模块和中间继电器的地址分配。 3 PLC 设计 3.1 PLC简介 利用可编程序控制器（ PLC）组成远程自动监测系统时，首先遇到的是 PLC的选型问题。在选用PLC时，除把可靠性、环境适应性放在首位外，还要根据具体应用场合尽量选用合适的可编程序控制器。 关于可编程控制器选型的一般原则可从以下几方面考虑： 1、明确控制对象要求。本系统要求