基于PLC控制的污水处理系统毕业设计 - 副本

河南理工大学毕业设计 论文 I 摘要摘要 本文设计了一种基于 PLC 控制的污水处理系统 PLC 具有通用性良好 可靠性较高 编程控制快捷便利 安装较为简单等优点 长期以来 在推进城市发展的进程中 由 于对基础设施建设重视不够 投入不足 污水直接排入城市水系及相关流域造成江河 湖泊水质和地下水污染 城市水污染问题日益突出 加上我国是一个严重缺水的国家 水资源的匮乏和污染已严重的影响了人民的日常生活 影响了全国的经济建设和发展 中国污水处理控制系统相对落后 污水处理成本居高不下 污水厂排放的处理过的污 水的水质不稳定 因此建立有效的自动控制系统对降低工业污水治理成本 改善生态 建立可持续发展社会 保持我国经济高速发展具有重要意义 本文介绍了污水厂处理污水的基本工艺和流程 并设计了一套基于 PLC 控制的污 水处理系统 文章综合当前常用的污水处理工艺 介绍了本设计的污水治理方法 PLC 控制器优越的可靠性 抗干扰性以及方便灵活的编程等特点 讲解了 PLC 控制系统硬 件结构 工作原理 PLC 的选型 PLC 资源配置 软件设计等部分 来说明 PLC 在污水 处理系统中的应用 根据污水处理要求设计了设备的电器控制与自动控制线路 其中 包括设备的启停 状态信号和故障信号采集与判断等 并编制 PLC 控制系统程序 关键词 污水处理 PLC 工艺流程 河南理工大学毕业设计 论文 II Abstract At present the majority of our sewage treatment control system automation level is not high low security mismanagement efficiency is generally lower than the world standard Sewage treatment system in the aeration process control data communications and monitoring and management are the main issues that need to be resolved China sewage treatment automatic control system is relatively backward the high cost of sewage treatment sewage plant s treated effluent quality of instability how to establish effective automatic control system to optimize the operating results and reduce operating costs is of great significance This paper introduces the basic techniques and processes of plant sewage treatment and a sewage treatment system based on PLC control study design The article first introduces the PLC based sewage treatment process and related process control system control system hardware architecture and design operating principles and the basic principles of the design of PLC control system and the steps to illustrate the application of PLC in the sewage treatment process First design of electrical control and automatic control circuit according to the sewage treatment requirements including start and stop equipment status signal fault signal and signal acquisition the final design of PLC control system in accordance with the process requirements including the selection of the PLC the system allocation of resources as well as the preparation of the PLC program in accordance with the sewage treatment process Key words sewage treatment the PLC process 河南理工大学毕业设计 论文 III 目目 录录 1 绪 论 1 1 1 引言 1 1 2 污水处理的国内外现状 2 1 3 课题主要设计的内容 3 2 污水处理控制系统总体介绍 4 2 1 城市污水处理基本概念 4 2 2 常用的污水处理工艺 4 2 3 本设计系统污水处理工艺及描述 9 2 4 污水处理系统控制形式 10 2 5 污水处理系统的功能要求 11 2 5 1 信号输入 11 2 5 2 控制输出信号 12 3 硬件系统配置 13 3 1 主要组成部分 13 3 2 电气控制系统 14 3 3 污水处理系统的工作原理 15 3 3 1 控制系统总体框图 15 3 3 2 工作过程 15 3 3 3 污水处理系统主电路设计 16 3 4 PLC 的选型 16 3 4 1 PLC 的选择 16 3 4 2 S7 200 PLC 概述 17 3 5 PLC 的 I O 资源配置 18 3 5 1 数字量输入部分 18 3 5 2 数字量输出部分 18 3 5 3 模拟量输入部分 19 3 5 4 模拟量输出部分 19 3 6 其他资源配置 20 3 6 1 接触器选型 20 3 6 2 变频器简介 21 河南理工大学毕业设计 论文 IV 3 6 3 变频与变压 VVVF 原理 21 3 6 4 变频调速的基本原理 22 3 6 5 变频器选型 23 3 6 6 变频器参数设置 23 3 6 7 电动机的选型 24 3 6 8 液位差计 25 3 6 9 溶解氧仪 25 4 软件系统设计 27 4 1 总体流程设计 27 4 1 1 手动模式 27 4 1 2 自动模式 28 4 2 曝气过程控制的任务 37 4 3 氯气投加环节 37 4 4 絮凝剂投加环节 38 4 5 PID 控制 38 4 6 PLC 和变频器通讯 39 5 预期效果 41 5 1 硬件系统的调试 41 5 2 预期效果 41 6 结 论 43 参考文献 44 附 录 45 致 谢 58 河南理工大学毕业设计 论文 说明书 0 1 绪 论 1 1 引言 未改 水是人类赖以生存的资源 是国民经济的发展不可缺少的重要自然资源 长 期以来在我国城市建设快速发展的进程中 由于对环境保护基础设施建设重视不 够 投入不足 污水直接排入城市水系及相关流域造成江河湖泊水质和地下水污 染 城市水环境污染问题日益突出 而且我国是一个严重缺水的国家 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 其中严重缺 水城市有 50 个 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达 2300 亿元 超过洪涝灾 害 水资源的匮乏和水资源的污染已经严重的影响了人民的日常生活 影响了全 国的经济建设和发展 我国 十一五 规划纲要提出了 节能减排 的明确目标 2009 年 7 月 19 日 国务院办公厅印发了 2009 年节能减排工作安排的通知 2009 年 12 月 18 日 国务院总理温家宝出席了哥本哈根气候变化会议领导人会议 并发表了题为 凝聚共识 加强合作 推进应对气候变化历史进程 的重要讲话 全面阐述中 国政府应对气候变化问题的立场 主张和措施 在我国 工业用水耗量大 中水回用率 经水处理后可回用的总水量 进入 水处理的总水量 不高是工业用水的突出问题 污染严重资料显示 我国工业用 水重复利用率平均为 40 50 当前 全国城市污废水的处理率 达排放标准的 仅有 10 左右 其余的污废水都直接排入江流 湖泊和海洋 糟糕的工业污水使 得有限的水资源日益减少 水质恶化 工业污水处理项目的实施已刻不容缓 许 多迹象表明 水资源短缺将成为制约经济可持续发展的障碍 世界各国也都越来 越重视污水处理和循环利用 通过改善水资源 提高经济效益 同时工业污水处 理过程中 经厌氧和好氧处理 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 实现循环经济的目的 在工厂污水处理过程中 污水来源的不稳定性及工厂污水成分的复杂性 对 工业污水处理的工艺和控制方式提出了非常高的要求 未来 10 年里 我国工业 污水处理项目工程建设总投资将超过 2500 亿元 其中污水处理设备投入约 300 亿元 采用先进实用的技术改造传统污水治理工艺 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 在这种 形势下工业污水处理自动化控制系统无疑是一个具有巨大的社会效益 环境效益 以及经济效益的研究课题 河南理工大学毕业设计 论文 说明书 1 1 2 城市污水处理的国内外现状 我国污水处理始于上世纪七十年代 那时候已经开始利用废弃的河道 沼 泽以及城市周边洼地构筑成稳定塘 据当时文献资料介绍 这样的稳定塘共计 38 座 日处理生活污水 173 万吨 八十年代国家政策开始向环保倾斜 推动了一大 批城市污水处理设施的兴建 我国第一座大型的城市污水处理厂 日处理 26 万 吨的天津纪庄子污水处理厂也与 1984 年 4 月投入运行 八五 期间 随着城市 环境综合治理的深化以及各流域水污染治理力度的加大 城市污水处理设施的建 设经历了一个发展高潮时期 九五 期间 我国正式启动对 河 淮河 海河 和辽河 湖 太湖 巢湖 滇池 流域和 环渤海 地区的污水治理 国家 给与相应资金和技术上的支持 据统计到 2000 年底 全国以建设城市污水处理 厂 427 座 其中二级处理厂 282 座 二级处理率约为 15 由此可见 我国的污 水处理现状并不理想 城市污水处理率还很低 2002 年之后 国家大力扶持污水处理厂的建设 特别是山西 河北 河南 陕西等中西部地区 每年都有数十座污水处理厂开工建设 拿陕西省为例 截止 到 2009 年底 绝大多数县级以上城市都拥有了正常运行的污水处理厂 有的城 市还建成了中水厂并已投运 1 3 城市污水处理的发展趋势 国外发展情况国外发展情况 国外发达国家实现工业化早 水资源污染治理经验丰富 对污水的处理更先 进 目前荷兰 德国 日本得污水治理能力处于世界领先水平 这些国家在研究 污水处理新方法的同时也十分重视污水处理自动控制系统的研究 投资更新了一 批高效 智能 集约型的污水处理设备和自动化控制仪表 微电子 通信 计算 机技术的迅速发展 提高了污水处理控制系统的信息化与智能化 同时与 PLC 相 结合 大大提高了核心部件控制器的可靠性和抗干扰性 最后与其开放的网络通 信系统共同推动污水处理自动化系统的智能化大发展 当前国际上比较先进的几种污水处理技术分别是 连续循环曝气系统 CCAS SPR 高浊度污水处理技术 除磷脱氮功能的多级活性污泥处理系统 BIOLA WT FG 生物法技术 MBR 技术 人工湿地系统水质净化技术等 污 水处理以生物法为主 物理化学为辅 通过各个国家的努力 污水处理率已达到 了 80 90 成功的解决了污水处理问题 随着控制技术 网络通讯和现场总线技术的大力发展 国外很早就实现了计算机 河南理工大学毕业设计 论文 说明书 2 控制 如 FCS DCS 系统 同时国外还引进了 SCADA 技术 PLC 以其卓越的可靠性 抗干扰性以及方便灵活的编程和应用 在工业控制中得到了越来越广泛的应用 国外污水处理自动控制系统存在特点 1 采用集散控制系统和现场控制系统 根据不同厂区的特点划分出不同的 控制基站 站与站之间或独立或联合作业 特设中控室 合理高效的记录出全厂 的数据管理与报表工作 2 通过水质分析仪对水质进行实时监测 提高测量精度 3 智能化切换不同的净化模式 实现高效节能 国内发展情况国内发展情况 我国是一个发展中国家 经济发展水平相对落后 而面对我国日益严重的环 境污染 国家正加大力度来进行污水的治理 而解决城市污水的根本措施是建设 以生物处理为主体工艺的二级城市污水处理厂 但是 建设大批的二级城市污水 处理厂需要大量的投资和高额运行费 这对我国来说是一个沉重的负担 目前我 国的污水处理厂建设工作 则因为资金的缺乏很难开展 部分已建成的污水处理 厂由于运行费用高昂或者缺乏专业的运行管理人员等原因而一直不能正常运行 因此 我国的城市污水处理发展趋势应该围绕以下两个方面 第一 未来城市污水处理必须是高自动化 高可靠性的 现代污水处理厂采 用计算机技术控制日益普遍 应用计算机控制可实现污水处理工艺的半自动化 全自动监控 对于提高污水处理厂的管理水平 合理使用和配置处理设施 具有 非常现实的意义 第二 未来城市污水处理必须满足 三低一高 条件 即基础建设投资低 运行成本低 管理要求低 处理效率高 大力发展小城镇是我国城市化过程的必 由之路 是具有中国特色的城市化道路的战略选择 但对于小城镇污水处理又面 临一系列问题 城镇污水的特点不同于大城市 城镇资金短缺 运行管理人员缺 乏 技术薄弱等 因此 城镇污水处理厂应该是设施投资低 运行成本低 管理 相对容易 处理效率高 高效率 低投入 低成本 成熟可靠的污水处理工艺的 研究是今后重点研究的方向 1 4 课题主要设计的内容 未改 本课题设计的主要内容是工业污水处理工艺流程 PLC 在污水处理系统的应 河南理工大学毕业设计 论文 说明书 3 用 具体内容如下 1 介绍工业污水处理的基本内容 包括工业污水处理的国内外现状以及 工业污水处理的工艺流程 2 理解和分析 PLC 的基本结构和工作原理 并对工业污水处理控制系统 进行设计分析 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预期效果 2 污水处理控制系统总体介绍 2 1 污水处理基本概念 城市污水是指排入城镇污水系统的污水 在合流制排水系统中 它包括生产 废液和截留的雨水 城市污水包括生活污水和工业污水 由排水管网汇集并输送 到污水厂进行处理 这些污水里含有碳水化合物 氨基酸 蛋白质 动植物脂肪 氨 尿素 肥皂 合成洗涤剂等物质外 而且含有细菌 病毒这些使人致病的微 河南理工大学毕业设计 论文 说明书 4 生物 经过处理过的污水 将通过以下三种途径排放 排放水体 灌溉田地 重复使用 普通污水中污染物根据化学性质和物理形态可进行不同的分类 按物理形态 分为固体悬浮物 呈颗粒状的污染物质 胶体污染物质 和溶解性污染物质 按 化学性质分 污染物质可分为无机性物质和有机性物质 其中以碳 氮 磷元素 为主 生活中水体富营养化的主要原因是大量的氨氮磷被排放到河流中 其中 磷正是水体富营养化的罪魁祸首 2 2 常用的工业污水处理工艺 污水处理就是利用各种方法 将污水在中含有的污染物质分离或将其转化为 无害物质 使污水得到净化的过程 污水处理过程是系统工程的组合 它遵循先易后难 先简后繁的规律 一般 先除去大块杂物 再依次除去悬浮固体 胶体物质和溶解性物质 通常先采用物 理方法 再使用化学方法和生物法 通常工业污水处理工艺有以下几种 1 活性污泥法 活性污泥处理法是一种较古老的污水处理工艺 其关键组 成部分为曝气池与沉淀池 活性污泥法的主要处理部分关系框图如图 2 1 所示 曝气池 微生 物吸附有机物 转化为无机 物 沉淀池 活性 污泥下沉 原污水 清水流出 回流活性污泥 图 2 1 活性污泥法工艺流程图 污水中的有机物在曝气池停留过程中 曝气池中微生物可以吸附污水中的大 部分有机物 并在曝气池中将这些有机物氧化成无机物 同时在沉淀池中经过沉 淀后的部分活性泥需要回流到曝气池中 活性污泥法的优点有 1 污水中的有机物在曝气池内的降解 经历了第一阶段的吸附作用和第 二阶段代谢的完整过程 同时池中活性污泥也经历了对数增长 减速增长 内源 呼吸期的完整生长周期 河南理工大学毕业设计 论文 说明书 5 2 该工艺对污水的处理效果好 BOD 生化需氧量 它表示水中有机物等 需氧污染物质含量的一个综合指标 去除率达 90 以上 3 对净化程度高和稳定程度要求较高的污水处理效果好 活性污泥法的缺点有 1 在曝气池的首端 有机物污染物负荷高 耗氧速度也高 为避免因缺 氧而形成厌氧状态 应控制进水的有机物负荷 若负荷过高 要达到一定的去污 标准 需要的曝气池容积大 占用土地比较多 使得基建费用较高 2 由于耗氧速度沿池长是在变化的 很难控制供养速率与其相吻合 适 应 在池前可能出现好氧速率高于供养速率 在池后又可能出现溶解氧过剩的现 象 从而影响处理效果 3 运行结果容易受到水质 水量变化的影响 对进水水质 水量变化的 适应性较低 脱氮除磷效果不太理想 2 A O 法 A O 工艺法也叫厌氧好氧工艺法 它是在传统活性污泥法的基础 上发展起来的一种工业污水处理工艺 A 是厌氧段 主要用于脱氮除磷 O 是好 氧段 用于去除污水中的有机物 A O 工艺法不仅可去除废水中有机污染物 还 可以去除氮 磷元素 对于浓度高的有机废水和难降解废水 在好氧段前设置水 解酸化段 可以明显提高污水可生化性 增加的厌氧池与好氧池形成硝化 反硝 化反应系统 具有明显的脱氮效果 但同时也对该工艺流程控制部分提出了更高 的要求 其工艺流程图如图 2 2 格 栅 沉 砂 池 初 沉 池 厌 氧 池 好 氧 池 二 沉 池 进水 排出 剩余污泥 回流污泥 混合液回流 图 2 2 A O 法工艺流程图 综合可知 A O 工艺法具有下列优点 1 流程简单 以原污水作为碳源 无需外加碳源与后曝气池 2 反硝化在前 硝化在后 设有内循环 使反硝化反应充分 河南理工大学毕业设计 论文 说明书 6 3 反硝化反应过程产生的碱可以补偿硝化反应时所需碱量 若废水中氮 浓度不高时可不必另外加碱 A O 法的不足之处是 1 该工艺的脱氮率一般在 85 左右 2 被处理的水中含有一定浓度的硝酸氮 若沉淀池运行不当 活性污泥 没有排除 将会产生反硝化反应 使污泥上浮 造成出水水质恶化 3 要提高脱氮率 需要增加内循环比 将导致 1 运行费用增加 2 内循环液带入的大量溶解氧 使反硝化池很难保持理想的缺氧状态 影响硝化反 应 3 A2 O 法 A2 O 工艺 A A O 工艺 是一种厌氧 缺氧 好氧污水处理 工艺 它也是在活性污泥法的基础上发展起来的一种污水处理工艺 A2 O 工艺 流程简单 是应用最广泛的脱氮除磷工艺 其工艺流程图如图 2 3 所示 厌氧池 A 缺氧池 A 好氧池 O 二沉 池 进水排水 混合液回 流 活性污泥回流 图 2 3 A2 O 法工艺流程图 A2 O 工艺的优点 1 该工艺是最简单的同步脱氮除磷工艺 总的水力停留时间少于其他同 类工艺 2 在厌氧 好氧交替运行条件下 丝状细菌不会大量的繁殖 无污泥膨 胀现象发生 SVI 污泥体积指数 的值一般均小于 100 3 运行中无需投药 两个 A 段之间轻缓搅拌 以不增加溶解氧的含量为 度 同时 污泥中含磷浓度较高 具有很高的肥效 该工艺的缺点 1 因污泥增长有一定的限度 除磷效果难于进一步提高 脱氮效果也难 于再行提高 2 经传统 A2 O 工艺净化的水只能达到一级 B 标准 河南理工大学毕业设计 论文 说明书 7 4 SBR 法 SBR 法又称序批式活性污泥法 它是一种按间歇曝气方式来运行 的活性污泥污水处理技术 SBR 法的主要特征是在运行上有序和间歇操作 SBR 技术的关键是 SBR 反应池 该反应池集初沉 均化 生物降解 二沉等功能于一 体 没有污泥回流系统 非常适用于间歇排放和流量变化较大的场合 SBR 法的 反应机理及去污机理和传统的活性污泥法大致相同 只是操作方式上有些区别 SBR 法是按照时间顺序来分割流程各单元 以时间分割操作来代替空间分割操作 以非稳态生化反应代替生化反应 以静置理想沉淀代替动态沉淀 尽管整个过程 相对于单个操作单元而言是间歇进行的 但通过多个单元组合调度后又是连续进 行的 SBR 法实现了有序和间歇操作相结合 SBR 工艺的优点 1 该工艺无二沉淀池和污泥回流系统 基建费用和运行费用较低 2 污泥体积指数低 易于沉淀 正常条件下不会产生污泥膨胀现象 SBR 工艺的缺点 1 同连续流污水处理工艺相比 SBR 工艺的设备的闲置率较高 2 间歇曝气 间歇排水 对自动化程度要求高 2 3 本设计系统污水处理工艺及描述 本污水处理工艺的基本原理 污水由进水系统通过粗格栅和清污机进行初步排除大块杂质物体 到达除砂 池中 在除砂池系统中细格栅和转鼓清污机进一步净化污水中的细小颗粒物体 将污水中的细小沙粒滤除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 此环节用到一些化学药剂来加强处理效果 如复合碱 氯气 油絮凝剂等 对污水进行除油 消毒 调整 PH 值的处理 同时在该系统 中设置有溶解氧仪超声波检测器 通过它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 改变污水中溶解氧的含量 潜水搅拌 机的作用是推进水流 是氧化沟的污水和活性污泥处于剧烈搅拌充分混合接触 使生化反应更加充分 以最大程度地分解污水中的有害成分 经处理的污水进入 沉淀池中 在刮泥机的作用下进行物理沉淀 为了加强沉淀效果 同时加入混凝 剂和絮凝剂利用高分子助凝剂的强烈吸附架桥作用更加容易沉降 污水经沉淀池 处理最后到达脱水环节 在离心式脱水机作用下进行脱水处理后排出清水 该工艺的流程图如下图 2 4 所示 河南理工大学毕业设计 论文 说明书 8 进水泵粗格栅 清污机 沉砂池 转股清污机 细格栅 污水氧化沟反应池 转碟曝气机 潜水搅拌机 沉淀池污泥回流泵 污泥脱水 排泥灌 清水排出 图 2 4 工艺流程图 2 4 工业污水处理系统控制形式 上世纪九十年代前 国内污水处理厂一般采用手动控制或小范围内使用计算 机自动控制 而到了九十年代中期 随着计算机技术的飞迅发展 城市污水处理 厂的自动化程度也在不断的提高 PLC 和工控机逐渐在新建污水处理厂 上世纪九十年代前 国内污水处理厂控制系统多采用继电器 接触器控制 系统 以手动控制为主 小范围内使用计算机自动控制 而到了九十年代中期 随着计算机技术的飞迅发展 该类控制方法已满足了污水处理系统的控制要求 取而代之的是 DCS 现场总线控制 PLC 等控制方法 1 DCS 系统 DCS 是分布式控制系统的简称 又称之为集散控制系统 它 是一个由过程控制级和过程监控级组成的多级计算机系统 DCS 系统以通信网络 为纽带 综合了计算机 通信 控制 显示等技术 该系统通过网络将现场控制 站 操作站 检测站和控制站连接起来 实现了分散控制和集中操作 DCS 系统 主要特点如下 采用分级分布式控制 减少了系统的信息传输量 使系统应用程 序比较简单 实现了真正的分散控制 使系统的危险性分散 可靠性提高 扩展 能力较强 软硬件资源丰富 可适应各种要求 实时性好 响应快 2 现场总线控制系统 现场总线控制系统是由 DCS 和 PLC 发展而来的 河南理工大学毕业设计 论文 说明书 9 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 其优点 可以利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 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 其特点如下 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 2 5 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 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 长期以来 工业污水处理 技术虽然经过了迅速发展 但仍滞后于城市发展的需要 工业污水处理率低 设 备运转率低等极大地影响了城市的发展 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比 较好的方案 PLC 作为工业污水处理系统的控制系统使得设计过程变得更加简单 可实 现的功能变得更多 与各类人机界面的通信可完成 PLC 控制系统的监视 同时使 用户可通过操作界面功能控制 PLC 系统 由于 PLC 的 CPU 强大的网络通信功能 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 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 5 1 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 主要包括 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 河南理工大学毕业设计 论文 说明书 10 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 设置在合适的位置上 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 2 5 2 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 河南理工大学毕业设计 论文 说明书 11 3 硬件系统配置 氧化沟是工业污水处理系统中的重要环节 其结构的不同形成了不同的氧化 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 其配套的 设备也有较大的不同 所以其结构比较复杂 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 3 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 其基本组成如 图 3 1 所示 进水系统除砂系统 氧化沟 系统 沉淀 系统 污泥脱 水系统 图 3 1 工业污水处理系统基本组成示意图 1 进水系统 进水系统主要有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去除 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 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 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 2 除砂系统 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 其中的细格栅 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 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 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 即启动转碟曝气机的同时启动分 河南理工大学毕业设计 论文 说明书 12 离机 对沉砂池中的沙粒进行排除 3 氧化沟系统 氧化沟系统由氧化沟和污泥回流系统构成 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 根据其反馈到 PLC 的值来控制曝气机变频器的运行 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成分 污水回流系统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来控制 当液位低于某个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 运行同时输出报警信号 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包括混凝剂 絮凝剂 复合碱等 主 要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 5 污泥脱水环节 污泥脱水系统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 离心式脱水机主要有聚合物泵 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 进而完成对污泥 的脱水处理 3 2 电气控制系统 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 由于在该 系统中需要检测较多的数字输入量 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按照检测 信号的输入进行控制 1 操作面板 操作面板主要包括手动 自动 各类设备的启动按钮等 2 显示面板 显示面板由于要显示较多的数据 因此一般采用触摸屏或 者人机界面 河南理工大学毕业设计 论文 说明书 13 3 电气控制柜 电气控制柜是电气控制的核心设备 主要包括变频器 各类传感器的输入信号 PLC 及其扩展模块等 3 3 工业污水处理系统的工作原理 3 3 1 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 2 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 成相关设备的运行 停止和调速控制 格栅及 定时运 行 各类泵 运行 离心式脱 水机运行 变频器 转跌曝气 机运行 显示面板 操作面 板 液位差传 感器输入 液位高度 传感器输 入 溶解氧仪 反馈值 模拟 量 可编辑 控制器 PLC 3 2 电气控制系统框图 3 3 2 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 无逻 辑控制 即可不根据传感器的状态进行控制 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 其工作过程如下 1 接通电源 启动自动控制方式 启动潜水搅拌器和刮泥机 2 运行粗 细格栅机 进行间歇运行 即运行一段时间然后停止一段时 间 循环进行 3 根据反馈回来的液位差状态控制清污机的运行与停止 河南理工大学毕业设计 论文 说明书 14 4 进水泵房中的潜水泵根据液面高低进行运行 停止及运行数量的控制 5 转碟曝气机根据溶解氧仪反馈的模拟量经 PLC 运算后进行控制 同时 控制分离机的运行与停止 6 污泥回流泵的运行与停止根据液面的高低进行控制 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 动设备 3 3 3 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 三台电动机分别为潜水泵 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 为主电路的空气开关 FU1 为主电路的熔断器 选用的 MM430 变频器是用来 控制电机 M1 M3 变频运行的 河南理工大学毕业设计 论文 说明书 15 MMM L1 L2 L3 N QF L11 L21 L31 L22 L32 L12 L12 L22 L32 N KM6 L18 L28 L38 FR3 3 PE W3V3 U3 PEPE FR1 FR2 U1V1W1U2V2W2 KM5 L35 L15 L2 5 4 09 B2 09 3 B2 1 2 3 4 L13L23L33 03 10D3 KM3 L26L36L16 KM2 L17 L27 R1 RST UVW 500 西门子变频器 M430 L37 KM9 L14L24L34 1 2 图 3 3 工业污水处理系统部分主电路图 3 4 PLC 的选型 3 4 1 PLC 的选择 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 从经 济性 可靠性等各方面来考虑 选择西门子 S7 200 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 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 其控制过程相对复杂 因此采用 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比较多 因此 除了 PLC 主机自带的 I O 外 还需要扩展一定数量的 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 正好可以满足控制系 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 因此需要再 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 河南理工大学毕业设计 论文 说明书 16 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 4 2 S7 200 PLC 概述 S7 200 PLC 系统是紧凑型的可编程序控制器 系统的硬件构架由系统的 CPU 模块和丰富的扩展模块组成 它能够满足各种设备的自动化控制需求 S7 200 除具有 PLC 基本的控制功能外 更在如下方面有其独到之处 1 功能强大的指令集 指令内容包括位逻辑指令 计数器 定时器 PID 指令 复杂数字运算指令 字符串指令 时钟指令 通讯指令 以及和智能模块配合的专用指令等 2 丰富强大的通讯功能 S7 200 提供了近 10 种通讯方式以满足不同的应用需求 从简单的 S7 200 之间的通讯到 S7 200 通过 Profibus DP 网络通讯 甚至到 S7 200 通过以太 网通讯 在互联网需求已日益成为必需的今天 强大的通讯功能无疑会使 S7 200 为更多的用户服务 可以说 S7 200 的通讯功能已经远远超出了小型 PLC 的整体 通讯水平 3 编程软件的易用性 Step 7 Micro WIN V4 0 编程软件为用户提供了开发 编辑和监控的良 好编程环境 全中文的界面 中文的在线帮助信息 Windows 的界面风格以及丰 富的编程向导功能使用户快速进入状态 得心应手 4 不断地创新 创新是西门子公司的一贯风格 在 S7 200 上更是体现得淋漓尽致 永不停 歇地推出新产品 使更多的需求梦想成为现实 这正是 S7 200 成为市场佼佼者 的原动力 3 5 PLC 的 I O 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 1 数字量输入部分 表 3 5 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 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 河南理工大学毕业设计 论文 说明书 17 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手动转碟曝气机减少 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 2 数字量输出部分 表 3 6 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Q1 5潜水泵报警 3 5 3 模拟量输入部分 由于需要采集一个溶氧仪所反馈的数据 因此扩展了一个模拟量输入输出模 块 具体 I O 分配 如下表 3 7 所示 表 3 7 模拟量输入地址分配 输入地址输入设备 AIW0溶解氧仪 河南理工大学毕业设计 论文 说明书 18 3 5 4 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 然后 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 如下表 3 8 所示 表 3 8 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 设计出工业污水处理控制系统的硬件连线图如图 3 9 所示 此控制面板上的手动控制部分主要在调试系统时使用 调试完成后基 本处于闲置状态 3 9 硬件连线图 河南理工大学毕业设计 论文 说明书 19 3 6 其他资源配置 要完成系统的控制功能除了需要 PLC 主机及扩展模块之外 还需要各种传感 器 接触器和变频器等仪器设备 3 6 1 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者根据传感器的反 馈值进行动作的 因此需要 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 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 转碟曝气机接触器 潜水搅拌机接触器 刮泥机接触 器等 为此该系统选用施耐德 LC1 D0901M5C 交流接触器 其额定电压为 220V 额 定电流为 9A 其特点有 高标准 符合 IEC60947 4 1 和 GB14048 4 标准 长寿 命 机械寿命高达 2000 万次 电寿命高达 200 万次 强适应性 TH 防护处 理 可以在湿热的环境中使用 宽电压 线圈控制电压在 70 120 Uc 之间波动 不影响产品正常工作 强通用性 具有 50Hz 60Hz 通用线圈 可以全世界通用 模块化 产品本体上可以附加辅助触头 通电 断电延时触头 机械闭锁等模块 也可以很方便地组合成可逆接触器 星 三角起动器 3 6 2 变频器简介 变频器的功能是将频率固定的 通常为 50Hz 交流电转换成频率连续可调的三 相交流电源 变频器的输入端接至频率固定的三相交流电 输出端输出的是频率 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部分组成 相控整流器将交流电压整流为可控的直流电压 经滤波电容 Cd输出直流电压 Vd 逆变器将直流 Ud变换成频率可调的交流电源供给电动机进行变频调速 由于 中间直流环节是 Cd低阻抗输出相当于是恒压源 故称为电压型 电流型交 直 交变频器与电压型变频器的差别仅在于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 称为电流型 3 6 3 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 河南理工大学毕业设计 论文 说明书 20 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 不变 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 PAM 和脉宽调制 PWM 1 脉幅调制 PAM 实现方法就是调节频率的同时 也改变直流电压的振幅值 PAM 需要同时调 节两个部分 整流部分和逆变部分 两者之间还必须满足一定的关系 故控制电 路比较复杂 因此比较少使用 2 脉宽调制 PWM 实现方法就是在每半个周期内 把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 每个脉冲间的间隔宽度为 t2 则脉冲