污水处理控制系统设计1

I 摘摘 要要 当前 我国大多数污水处理控制系统自动化程度低 安全性不高 管理不妥 效率普遍少于世界标准 污水处理中的提水加药过程的自动化实现是急需解决的 主要问题 我国污水处理自动系统相对落后 污水处理成本高 污水处理厂处理 后的水质量不稳定的放电 所以建立有效的计量分配机制 优化运行效果 降低 运行成本 具有重要的理论和经济意义 本文介绍了几种常用的污水处理的基本工艺和流程 通过对比分析 确定本 系统中污水处理工艺及其控制系统总体方案 设计了一种基于施耐德昆腾系列 PLC 的污水处理工艺中的提水加药自动控制系统 实现了提水加药过程的全自动 化和加药量的精确配比 解决了由于加药量不精确导致的排出污水水质不稳定的 问题 分别对系统的软硬件进行了设计 硬件方面主要包括 PLC 变频器 电动 闸阀以及传感器的选型设计 软件方面主要是对其控制程序的设计 包括手动自 动切换 提水泵控制子程序 加药子程序 故障子程序等 关键词 污水处理 变频 PLC Abstract At present in our country most of the sewage treatment control system automation level is not high low safety poor management Their efficiency is commonly lower than the world standard Automatic water dosing extraction process in wastewater treatment are the main problems to be solved China s sewage treatment cost is high and the discharge of wastewater treatment plant treated water quality is not stable Therefore the establishment of effective dosing dispensing mechanism optimize the operation effect reduce operating costs has important theoretical and economic significance This paper introduces several basic techniques and processes of sewage treatment through the comparative analysis this system in the sewage treatment process and the overall scheme of control system is conformed design an automatic control system for II water treatment in the sewage treatment process based on Schneider PLC achieved the full automation of water dosing process and the exact ratio dosage to solve the problem of unstable water quality of sewage discharged caused by the inaccuracy dosage Design the system hardware and software respectively hardware including PLC frequency converters electric valve and sensor design Software including manual and automatic switching lift pump failure dosing control subroutine subprograms subroutines and so on Key Words Sewage treatment Frequency converter PLC III 目录 摘要摘要 I Abstract I 1 绪论绪论 1 1 1 研究背景和意义 1 1 2 国内外研究现状 2 1 3 污水处理控制系统的设计难点 4 1 4 主要研究内容 4 2 污水处理控制系统过程综述污水处理控制系统过程综述 5 2 1 污水处理的基本概念 5 2 2 工业污水处理的工艺过程 6 2 3 常用的工业污水处理控制方式 9 2 4 工业污水处理工艺及现场布置方案 9 3 工业污水处理控制系统硬件设计工业污水处理控制系统硬件设计 12 3 1 电控系统组成 12 3 2 PLC 介绍及选型 12 3 3 变频器的介绍及选型 15 3 4 其他系统资源配置 16 3 5 电控原理图设计 18 4 工业污水处理控制系统软件设计工业污水处理控制系统软件设计 23 4 1 编程软件介绍 23 4 2 控制系统总体控制流程设计 23 4 3 各子程序设计 24 4 4 施耐德 PLC 程序编写 28 5 结论结论 32 谢谢 词词 33 参考文献参考文献 33 附录附录 1 34 1 1 绪论 1 1 研究背景和意义 我国淡水资源不断减少 而且存在着较为严重的水污染现象 随着社会的进 步 用水量的不断增加 水资源已经成为制约经济发展的重要因素 现代工业中 生产工艺和设备对水质要求也越来越高 然而当前我国工业用水存在耗损高 反 复使用少 中水使用率不高等问题 相关材料显示 我国的工业用水重复使用率 只有是 40 50 当前污水 废水在中国城市的处理率 达排放标准的 只有 10 左右 其它的污废水直接都排入湖泊 河川 海洋 重复利用率低 耗水量 高 污染严重是我国工业系统水资源利用中存在的重要问题 环境污染的日益加 剧使有限的水资源变得越来越少 水质也越来越差 从而使得我国的水资源状况 面临越发严峻的考验 调查显示 因为水质污染问题 我国已经有大约 3 亿人的 饮水状况存在不安全情况 其中 1 9 亿人的长期饮用的水是超标水 气象学家猜 测 2100 年全世界变暖加重 地球将有 1 3 的面积变成沙漠 届时 水资源短缺 将对一半以上的人类的生存造成威胁 这些情况都是水污染发生的严重后果 所 以现在有必要对工业污水处理进行研究 众多实例可以看出 水资源的短缺无疑 将成为限制经济可持续发展的重大障碍 所以世界各地愈来愈看重水资源的再利 用 重视污水的处理循环利用 通过污水处理 提高给水质量 提升经济效益 并且在处理工业污水进程中 通过好氧和厌氧处置 会使得污水处理中产生沼气 和热量等 这些都可以作为二次能源为工业生产提供生产动力 实现真正的循环 经济 变废为宝的目的 随着社会的不断进步 对于环境保护的呼声不断升高 人们也越来越多的认识到工业污水处理的紧迫性和必要性 国家相关部门已经制 定政策 强制各排放污水的单位进行污水处理 使其污水处理达标后再排放 在 工厂的工业污水处理过程中 工厂中各类污水的组成成分的复杂性和污水来源的 不稳定性 对工业污水治理的控制方式和工艺提出了及其高的要求 未来十年 我国工业污水处理项目工程建设投资预计将超过 2500 亿元 其 中工业污水处理设备投入约 300 亿元 污水处理的一些新工艺 新思路 新设备 也源源不断的产生 且在污水处理工艺中 各种新的控制理论也不断得到应用 并取得了一定的成果 越来越多的污水处理自动化设备得到实际应用 工业污水 处理自动化控制系统在这种局势下必然是一个具备强大的环境效益 经济效益和 社会效益的研究课题 关于环境保护问题 国家相关部门明确规定所有工业污染源都要达到一定的 2 标准方能进行排放 未达标准排放的需追究法律责任 经过处理的工业污水可以 实现循环利用 会极大缓解工业用水紧张 因为我国是一个水资源缺乏的国家并 且时空分布上非常的不平衡 很多城市和地区严重缺水 所以 从缓解水资源压 力及环保等各方面的因素着想 对工业污水进行处理是非常有必要的 所以 结 合目前有效的最新的计量自控检测仪表使用 PLC 控制系统技术 工艺状况 将 为目前工业污水处理控制系统提供有效的自动控制方法 社会科技的进步和经济的发展都会在一定程度上提高工农业生产的能力 促 进社会进步和让人们生活得到进一步改善 但是也因此带来不同程度的环境污染 污水也是造成环境污染的原因之一 这个污染源的涌现引起了世界各个国家政府 的重视 世界环保组织的工作日程已经录入了处理水污染的课题 中国是一个缺 水严重的国家 尽管中国水资源年平均总量为 28000 亿 m2 在世界排第 6 名 但 是由于因为中国人多 人均水资源占有量只有 2220 m2 在世界排 110 名 在联 合国列为世界上 13 个缺水国家之一的国家 当前我国城市缺水的大概有 300 个 其中有 50 个是严重缺水城市 根据中国经济信息网剖析计算 中国按当前正常 需要 年缺水总量约为 300 亿 400 亿立方米 每年由于缺水产生的经济损失达 2300 亿 人水资源的缺失以及污染严重的影响了人民的日常生活 制约了中国经 济的发展和社会的进步 所以建立适合中国国情的自动控制污水处理厂对改善环 境 减少工业污水处理成本 建立和谐社会和可持续发展社会 保持我国经济快 速发展用有实际意义和重要理论 1 2 国内外研究现状 环境保护已经成为我国的基本国策之一 我国环境工艺 保护理论等应用与 研究尽管开始的比较晚 但是它的技术能力和国外的没有多大的差距 但是在与 自动控制系统和环境保护单元设备上有着很大的差距 由于发达国家的经济发展较早 污染问题较早被得到重视 经过多年的水污 染处理 现在一些发达国家的城市污水处理已经使得城市污水治理率达到 80 90 城市水污染率得到了极大的降低 水质也有了显著的改进 随着大规 模的城市污水处理厂的建立 污水处理工艺的逐步改善以及新兴控制理论在污水 处理工艺中的应用 国外污水处理厂控制系统的控制水平已经取得了较大的发展 尤其是计算机技术的快速发展使得污水处理厂的监控水平在本质上有了较大的提 高 国外的污水处理控制系统多采用 PLC 及现场总线或 DCS 等先进的自动控制 技术 其一般有着较高的技术含量和自动化水平 3 当代污水处理厂采纳计算机控制逐渐平常 一些欧美城市污水处理厂已经用 计算机进行运行过程控制和数据记录 并且 发达的一些国家陆续开发投资研究 智能型 高效型 集约型自动化控制仪表和污水处理设备 美国艾姆科工艺公司 在 1996 年成功开发了智能型多元组合一体化的生活污水治理装置 意大利开发 出一系列在线水质检测控制仪 荷兰大学成功开发了计算机控制内循环式水解塔 美国哈希公司和米顿罗公司也陆续开发出一系列的在线水质检测控制仪等 这些 国家开发出来的污水处理设备能连续稳定运行 自动化程度高 所以它可以达到 让人惊讶的水处理结果 我国的污水处理厂的控制水准比较落后 传统的控制方式为现场仪表 显示 仪表 调节器 人工操作 但是伴随着自动化控制技术在国内的快速发展 许多 污水处理厂采用了 PLC 进行控制 也取得了较好的效果 目前国内污水处理的控 制水平大体分为三个层次 1 手动操作 采取普通分散检测仪对污水处理工程中的液位 流量 温度 浊度 pH 值 溶解氧 生化需氧量 化学需氧量等机能指标进行离线和在线收 集 根据数据得出控制要去 然后根据测量结果进行人工调节 像阀门的开关和 开度 电机的启停等 所以 它很难进行迅速和有用的在线实时控制 每每致使 出水水质不平稳 这类控制方法因为投资少 主要在少许小型污水处理厂采用 2 半自动控制 根据数据收集等技术措施收集部分过程量输入控制室 一 般在控制室装有工艺模拟上位机或显示屏 在上位机或模拟屏上显示流量 液位 等性能指标 和系统运行状态像电机的启停 阀门的开关等状态 操作员可以根 据上位机或者模拟屏遥控部分设备的启停 但其它的设备控制就需要现场操作员 控制 这种控制方法只能完成污水处理厂水处理的一部分自动化控制 相比手动 控制 很大的减少了在场操作人员的工作力度 3 全自动控制 运用计算机控制技巧和多层次的网络布局对污水处理的全 过程工序采用无人值守的全自动控制 处理进程控制中种种信号经过对应的变送 器传送到下位机 正常下位机运用可靠的 PLC 作为控制单元 运行先进的控制算 法 达成现场设备的及时控制 作为上位机的工控机采纳 TCP IP 协议和标准数 据库 完成信息的集成管理和远程控制 上 下位机之间根据网络传输收集参数 和远程控制参数进行通信 这种控制方式在最大程度上解放了现场操作人员的双 手 从更大程度上降低了劳动程度 实现了污水处理过程的全自动化控制 此外 近年来很多高校和研究机构都在献身于污水处理工艺和污水处理自动 控制的专研 而且吸收了国外先进技术 获得了显著成果 像自动控制已经采用 到污水处理中 pH 值的控制 根据研究酸中和 pH 值控制 动态矩阵控制算法和 4 合适的参数整定 成功地把动态矩阵控制采用到大时滞环节等 在专家学者对污水处理工艺的进行研究的同时 有些公司也开始对污水处理 设备进行研制 如南京神克隆科技有限公司研制的 SKL 三相催化氧化反应器 如图 1 1 所示 该三相催化氧化反应器自动化程度高 可根据污水流量自动添加 催化氧化剂及压缩空气 并可自动控制其用量 图 1 1 SKL 三相催化氧化反应器 1 3 污水处理控制系统的设计难点 污水处理所涉及的控制系统范围重大 系统工艺繁杂 各个工艺过程地理位 置比较分散 是一个多回路 多变量 非线性 多变量的繁杂控制系统 因为污 水处理是一个批次生产过程 污水分批进入反应池中发生反应 给控制系统带来 很大的超调量 而且控制过程很短暂 污水处理的前后工序之间存在比较严密的 互锁关系 因此在进行污水控制系统送设计时 要对各个工艺过程有着较为熟悉 的掌握 并对各子过程分配好 然后统一进行规划 最终形成一个完整的系统 1 4 主要研究内容 本文主要是为某污水处理厂设计的自动化污水处理控制系统 根据对污水处 理工艺的分析 着重实现对污水处理工艺中提水加药过程的控制系统设计 首先 对几种污水处理工艺进行介绍 通过对比 确定污水的处理工艺和污水处理中提 水加药过程控制系统的的总体方案 其次 根据其总体控制方案 对控制系统硬 件进行介绍及选型 包括控制中心 PLC 变频器 接触器及各种传感器等的介绍 及选型 并绘制相应的电气原理图 最后 按照污水处理工艺要求 编写各部分 5 控制流程图 包括提水环节 加药环节的电机启停 变频器调节 电动阀启闭等 控制流程 2 污水处理控制系统过程综述 2 1 污水处理的基本概念 污水处理是为了使水体排污 或再次使用的水质达到净化工艺的要求 污水 处理被普遍运用在农业 交通 建筑 石化 能源 城市景观 环保 医疗 餐 饮等种种领域 也愈来愈多地走进普通百姓的平时生活 根据污水来源分类 污水理一般分为生产污水处理和生水处理 生处活污 产污水包疗污水 农业水和工业污水等 然而生水就是平时生活造括医污活污 成的污水 是指形形色色的有机物和无机物的复杂混合物 包含 漂浮和悬浮的 大小固体颗粒 胶状和凝胶状扩散物 纯溶液 根据水污的质性来分 水的污染 分为两种形式 一种是人为污染 另一种是自然污染 目前对水体危害比较大的 是人为污染 水污染可依据污染杂质的不同而主要分成生染 物性污染物污理 和化学性污染大类 污染物主要有 未经处理而排放的工业废水 未经处理而三 排放的生活污水 大批使用农药 除草剂和化肥的农田污水 遗弃在河边的工业 废弃物和生活垃圾 矿山污水等 污水处理按照其作用可分为物理法 生物法和化学法三种 1 物理法 主要采取物理作用分解污水中的非溶解性物质 在处理过程中 不转变化学性质 经常用的有重力分离 离心分离 反渗透 气浮等方法 物理 法处理构筑物较方便 划算 用于乡村较强的自洁能力 水体容量比较高 污水 处理等级要求不高的状况 2 生物法 采取微生物的新陈代谢功能 将污水中呈溶解或胶体形态的有 机物分解氧化为稳定的无机物质 使得污水得到净化 常见的有活性污泥法和生 物膜法 生物法处理等级比物理法要来的高 3 化学法 是利用化学反应作用来处置或回收污水的溶解物质或胶体物质 的办法 常用于工业废水 经常用到的有氧化还原法 中和法 离子交换法 混 凝法等 化学处理法效果好但是经费高 多用于生化处理后的排水 作进一步的 处理 提高排水水质 污水处理按照处理级别来分可分为一级 二级和三级处理 一级处理最主要是去除污水固体悬浮物质 比较常用物理法 经过初级处理 废水 BOD 去除率仅为 20 仍不可排放 还需进行两级处理 二级处理的主要 6 作用是大量去除污水中呈胶体和溶解状态的物质 BOD 去除率为 80 90 一 般经过二级处理的污水就可以达到排放标准 常用活性污泥法和生物膜处理法 三级处理是为了深入去除一些特殊的污染物 如氟 磷等 属于深度处理 一般 使用化学法 2 2 工业污水处理的工艺过程 不同的工业污水因其内部含有污染物成分的不同 所以需要用不同的工业污 水处理方法来进行处理 因此 在工业废水处理过程中需要认真考虑当地的污水 工业污水处理环境和实际 工业污水的处理方法主要有物理 化学 物理化学 以及生物等几种 根据 实际情况 这些方法 可以使用一个单一的 也可以根据不同的污水混合使用 当前 工业污水处理的办法主要用生物处理 物理处理法和化学处理法为辅 经 常使用的工业污水处理工艺有以下几种 1 活性污泥法 传统活性污泥处理法是一种最传统的工业污水处理办法 2 其工业污水处理的主要组成部分为沼气与沉淀池 主要处理部分关系如 图 图 2 1 传统活性污泥法工艺流程 该工艺的优点有 1 有机物在曝气池内的分解经过了阶段一的吸附作用和阶段二的代谢的 过程 活性污泥也经过了对数 减速增长 内源呼吸的完整周期 2 处理污水的效果好 BOD 去除率在 90 以上 3 用于处理净化和稳定程度要求较高的污水 该工艺的缺点有 1 高曝气池手段有机负荷 耗氧率高 为了避免由于氧和厌氧条件下 进水有机物浓度不太高 曝气池容积大 占领更多的土地 基础设施成本高 2 沿池长耗氧率是变化的 与进给速度难以持续 在坦克前可能出现好氧速 7 率高于进料速率 在游泳池后可能会出现溶解氧超标的现象 从而影响治疗效果 3 对进水的水质 水量改变的适应性较低 结果容易受到水质和水量变 化的影响 脱氮除磷效果不是很理想 2 A O 法 A O 法是在传统活性污泥法的基础上演变起来的一种工业污水 处理方法 其中 A 代表 Anoxic 缺氧的 O 代表 Oxen 好氧的 A O 法是 一种缺氧 好氧生物工业污水处理工艺 A O 法通过增加好氧池和缺氧池所形成 的硝化 反硝化反应系统 较好的处理了污水中的氮含量 具有显著的脱氮效果 硝化 反硝化反应而制度需要很好的控制 因此它的过程提出了更高要求 也日 益成为过程中的缺点 其工艺流程图如图 2 2 图 2 2 A O 法工艺流程图 A O 法工艺的优点 1 反硝化反应以原废水有机物为碳源 2 硝化池内大量硝酸盐的硝化液回流到反硝化 然后进行硝化脱氮反应 3 在反硝化反应流程中 制造出的的碱度可补偿硝化反应时所需碱量 但废水氮浓度不高时可不必另外加碱 4 本工艺具有流程简短和工程造价低等优点 其缺点是 1 该系统的脱氮率一般在 85 左右 2 处理水中包含有一定浓度的硝酸氮 如沉淀池运行不正确 不及时排 除污泥 会产生反硝化反应 污泥上浮 使出水水质恶化 3 为了提高脱氮率 必须加大内循环 将导致 一是运行费用增长 二 是在循环流体为大量的溶解氧 缺氧反硝化池保持硝化效果理想 3 A2 O 法 A2 O 法同样是在传统活性污泥法的基础上慢慢发展起来的一 种工业污水处理工艺 其中 A2 即 A A 前一个 A 代表 Anaerobic 厌氧的 后一个代表 Anoxic 缺氧的 O 代表 好氧的 A2 O 是一种厌氧 缺氧 8 好氧工业污水处理工艺 A2 O 法的除磷脱氮效果非常好 非常适合用于对除磷 脱氮有要求的工业污水处理 所以 在对除磷脱氮有特别要求的城镇工业污水处 理厂 主要首选 A2 O 工艺 其工艺流程图如图 2 3 所示 图 2 3 A2 O 法工艺流程图 A2 O 法工艺优点 1 本工艺在系统上可以称作是最简单的同步脱氮除磷工艺 水力停留的 时间远远少于其他同类工艺 2 在厌氧 缺氧 好氧交替运转的条件下 丝状细菌不能进行大量的繁殖 没有污泥膨胀现象的发生 SVI 值一般小于 100 3 未加药物的操作 两个 A 轻轻搅拌之间 不增加溶解氧的量和运行成 本低 污泥中含磷浓度高 肥效很高 其缺点是 1 除磷效果难以继续提高 污泥增长有一定的限度 难以提高 特别是 P BOD 值高时特别如此 2 脱氮效果也不易进一步提高 内循环量一般以 2Q 为限 不能太高 3 流入沉淀池的处理水需要保持一定的浓度的溶解氧 减少滞留的时间 防止滋生厌氧状态和污泥释放磷的情况的出现 但是溶解氧的浓度不能过于高 要防止循环混合液对缺氧反应器的干扰 这点控制比较困难 4 SBR 法 SBR 法是间歇式活性污泥法的简称 是一种按照特定的时间顺 序间歇式操作的污水生物的处理技术 还是一种按间歇曝气方式来运转的活性污 泥工业污水处理技术 又称序批式活性污泥法 其反应机制及去除污染物的机制 与传统的活性污泥法基本相同 只是运行操作方式不怎么相同 SBR 法与传统的 水处理工艺的最大区分在于它是以时间次序来分割流程各单元 以时间分割操作 替换空间分割操作 非稳态生化反应替换生化反应 静置理想沉淀替换动态沉淀 等 一个操作单元的整个过程是断断续续的 但通过多机调度是连续的 在运行 上的有序和间歇操作的组合 SBR 工艺的优点 1 工艺较为简单 处理构建物少 无二沉淀池和污泥回流系统 基本建设 9 费用和运行费用较低 2 工艺在工业废水处理中 不需要设置调节池 3 污泥的 SVI 较低 污泥比较容易沉淀 一般不会产生污泥膨胀现象 4 SBR 工艺能去除 BOD 和脱氮除磷 5 工艺简单 运行方式灵活多变 自动化程度高 其缺点是 1 和连续流污水处理工艺比起来 设备的闲置率较高 2 SBR 系统的微生物种群构造与常规活性污泥法比起来比较复杂 3 间歇曝气 间歇排水的自动化程度要求较高 2 3 常用的工业污水处理控制方式 早期的工业污水处理较多采用继电器 接触器控制系统 但是随着计算机技 术的发展和先进控制理论的出现 陆续出现了新的控制方式 有 DCS 现场总线 控制 PLC 控制等控制方式 1 DCS DCS 是集散控制系统的意思 是一种立足于多种技术的分布式计 算机控制系统 DCS 控制系统有信息传输量少 系统应用程序简单 扩展能力强 可靠性高等优点 真正实现了的分散控制 2 现场总线控制 现场总线控制系统是由 DCS 和 PLC 发展而来 是基于现 场总线的自动控制系统 现场总线控制系统具有丰富的软硬件资源 响应快 实 时性好等优点 3 PLC 控制 PLC 是可编程逻辑控制器的简称 其具有变成简单 开发周 期短 维护方便 通用性强 稳定性好等优点 基于 PLC 的众多优点 现实生活 中在众多的控制系统中均采用了 PLC 控制系统 2 4 工业污水处理工艺及现场布置方案 2 4 1 本系统污水处理工艺确定 比较优势和 2 2 节污水处理过程的四种缺点 污水处理控制系统的流程图 10 图 2 4 污水处理工艺流程图 污水由进水系统通过粗格栅和消除大目标杂质清洗机 除砂池 除砂池系统 中细格栅与转鼓清污机进一步处理污水中的细小颗粒物体 使污水中的细小沙粒 清除后进入氧化沟反应池 在这个氧化沟系统中进行生化处理 分解污水中的有 害杂质 此环节会用到一些化学药剂来补充处理效果 如硫酸 硫酸亚铁 复合 碱 氯气等 对污水进行消毒 除油 调整 PH 值 在该系统中安装有溶解氧仪 超声波检测器 经过它对污水中的含氧量进行检测 依据其反馈到 PLC 的值来控 制曝气机变频器的运作 改变污水中溶解氧的含有量 潜水搅拌机的功用是推进 水流 使氧化沟的污水和活性污泥处在剧烈搅拌充分混合接触 使其生化反应更 加充分 以最大可能地分解污水中的有害成分 处理后的污水进入沉淀池 在刮 泥机的物理沉淀的作用 以强化沉淀效果 同时通过高分子絮凝剂的吸附架桥作 用强容易添加混凝剂和絮凝剂沉降 污水经沉淀池处理最后来到达脱水环节 在 离心式脱水机作用下进行脱水后排出清水 2 4 2 现场布置方案 根据 2 3 小节对三种不同控制方式的介绍 本文选择第三种控制方法 即 PLC 控制 本论文的设计主要是针对污水处理工艺中的提水 加药两个过程 按 照污水处理工艺的控制要求 确定提水 加药工艺过程现场布置图如图 2 5 所示 11 图 2 5 污水处理的提水加药设备现场布置图 如图 2 5 所示 粉红色的指示线是污水的流动方向 浅蓝色指示线是药水的 添加流向 红色部分是提水池 污水经过细格栅工艺处理之后进入提水池 经过 提水池中的提水泵提水 进入三相催化氧化反应器中 在污水进入三相催化氧化 处理器的管路中 添加药水 使得污水跟药水得以均匀混合 然后进入下一个流 程 本污水处理工艺中采用的药水是硫酸和硫酸亚铁 提水的流量要根据提水池 中的液位高度进行自动调节 通过 PID 调节使得提水池中的液位维持在恒定值 同时药水量要根据污水流量自动进行调节 12 3 工业污水处理控制系统硬件设计 3 1 电控系统组成 根据污水处理工艺中的提水加药过程控制要求 确定本设计的电控系统如图 3 1 所示 PLC控制中心 提水泵 1 2 3 4 5 硫酸泵 1 2 硫酸亚铁泵 1 2 硫酸泵变频器 电动闸阀 液位传感器 1 2 3 提水泵变频器 硫酸亚铁变频器 电磁流量计 搅拌器 数字量模拟量 上位机监控界面 TCP IP 通 讯 图 3 1 电控系统图 如图 3 1 本污水处理工艺中的提水加药控制系统包括 PLC 控制中心 提水 泵 硫酸泵 硫酸亚铁泵 电动闸阀 搅拌器 变频器以及液位传感器 电磁流 量计等 本系统提水泵采用 3 用 2 备 同时硫酸泵和硫酸亚铁泵采用 1 用 1 备设 置 3 2 PLC 介绍及选型 3 2 1 PLC 介绍 PLC Programmable Logic Controller 即可编程序控制器 是一种即时系 统 其有别于个人电脑 PLC 是一个以微处理器为中心的数字运算操作的电子系 统装置 专门为了在工业现场应用而设计 它采用可编程的存储器 用以在内部 存储执行逻辑运作 顺序控制 定时 计数和算术运算等指令 并通过数字式或模 拟式的输入接口 输出接口 控制各种类型的机械或者生产过程 PLC 因其突出的特点广泛的应用在各种工业控制系统中 其特点主要表现在 1 可靠性高 抗干扰能力强 PLC 具备很强的抗干扰能力和很高的的可靠 13 性 能在恶劣的环境中可靠地运作 平均发生故障间隔时间长 故障修复所用时 间短等 2 编程简单 使用方便 目前在 阶梯 PLC 图解编程的形式使用直观清晰 控制继电器 使得电气技术人员容易接受 3 控制程序可变 具有很好的柔性 可以在不改变 PLC 硬件设备的情况下 通过改变程序就可以满足要求 4 功能完善 PLC 具有数字和模拟输入和输出 算术运算和逻辑运算 计 时 计数 顺序控制功能 5 扩充方便 组合灵活 PLC 产品具备各种扩充单元 可较为便捷的适应 不同工业控制对硬件的需求 目前 工业上应用的 PLC 产品种类繁多 应用较多的是西门子 PLC 系列 施耐德 PLC 系列 欧姆龙 PLC 系列等 本设计中采用施耐德昆腾系列 PLC 如 图 3 2 所示 图 3 2 施耐德昆腾系列 PLC 3 2 2 PLC 选型原则 PLC 作为工业控制计算机中的一个特殊的 有一个强大的逻辑控制功能和数 据处理能力 内部可编程记忆存储系统和用户程序 它不仅拥有可靠稳定的电 源系统 同时 PLC 还具有便于使用的输入输出接口 高速计数器 PID 控制 通 信连网等功能 PLC 可靠性高 应用方便 编程便于掌握 安装调试便捷 通讯 功能和扩展能力强大 一套完整的 PLC 系统包括电源模块 CPU 模块 输入和 输出信号模块 特殊功能模块 通信模块组成 1 输入输出点确定 输入输出点数是 PLC 选型中的一个重要依据 根据污水处理工艺中的提水加 14 药过程所需要实现的功能确定输入输出信号 根据输入和输出信号 进行整体规 划的数据采集与控制系统的控制 并最终确定系统的输入和输出点的 PLC 硬件模 块 本控制系统的输入输出点一览表如表 2 2 表 3 1 输入输出点一览表 输入输出点一览表 数字量输入点36 数字量输出点40 模拟量输入点6 模拟量输出点9 数字量输入点包括 5 台提水泵 2 台硫酸泵 2 台硫酸亚铁泵以及 2 台搅拌 器的启动停止控制和各电机的运行状态信号输入 手动及自动状态切换等 数字 量输出点包括系统运行状态及故障指示 各电机的启停控制等输出信号 模拟量 输入点包括液位传感器的采集信号 电磁流量计的采集信号等 模拟量输出点包 括各变频器的频率控制信号 2 CPU 模块及输入输出模块确定 本控制系统涉及较多的 I O 点 属于一个中小型 PLC 系统 按照表 3 1 中的 输入输出点 选择本 PLC 系统的 CPU 模块为 140CPU65150 数字输入模块 32 140ddi35300 24VDC 和 140ddi84100 16 10 60vdc 数字输出模块 32 140ddo35300 140DDO84300C 24VDC 和 16 10 60vdc 模拟量输入 模块选择 140ACI03000 8 通道 模拟量输出模块选择 140ACO13000 8 通道 3 PLC 电源模块确定 PLC 电源模块的作用是为 CPU 模块 数字量输入输出模块等其他外部扩展 模块以及外设传感器提供 24V 电源 电源模块有直流型和交流型两种型号 其输 入的电源分别是 5 24 10 60 125VDC 和 24 48 115 230VAC 输出电源均为 DC24V 输出电流有 3A 8A 11A 等多个 在选择额定电流和需要确定电源模 块输出功率大于 PLC 和总用电负荷的所有模块 并预留量为 30 左右 从 DC24V 开关电源传感器外围电源电气控制系统 PLC 电源模块的选择 140cps11420 输入功率为 115 交流电 输出电流 8A 15 3 3 变频器的介绍及选型 3 3 1 变频器介绍 变频器 Variable frequency Drive VFD 是应用变频与微电子技术 运用改 变电机工作电源频率的办法来控制交流电动机的电力控制设备 主要以变频整流 电路 过滤器 逆变器 单元制动器的检测单位 驱动单元 微型处理器 变频 器依靠内部 IGBT 的通断来调整输出电源的电压和频率 根据电机的实际需求来 提供其所要用到的的电源电压 从而达到节能 调速的目的 此外 变频器还有 过流 过压 过载保护等保护功能 电动机的变频调整在运行方面拥有众多优势 如变频调速容易实现电动机的 正 反转 只需要通过改变变频器内部逆变管的关开顺序 即可实现输出换相 也不存在因换相不当从而烧毁电动机的问题 由于变频器的众多优点 变频器已广泛应用在各种工业领域中 从而陆续出 现了众多的生产厂家 常用的有西门子 三菱 台达 德力西等 3 3 2 变频器选型原则 变频器的选择包括逆变器和两方面的能力选择类型的选择 选择的主要原则 是 第一转换功能可以保证可靠的技术要求 其次是获得更好的价格 变频器的 类型选择要根据负载特性进行 对于风机 泵类等平方转矩 在一个较低的速度 负载转矩水泵等平方转矩小 通常选择专用或通用的高性能逆变器 该逆变器转 矩和转速低 机械特性硬度静 不怕冲击载荷 为高精度的要求 系统动态性能 好 响应的快速生产机械调速以矢量控制和直接转矩 控制逆变 变频器在选型时要考虑众多因素 如海拔 环境温度 进线电压等级以及安 装方式和尺寸等因素 根据本系统的功能要求 本论文中选用德力西变频器 如 图 3 3 所示 16 图 3 3 德力西变频器 3 4 其他系统资源配置 3 4 1 液位传感器选型 在污水处理工艺的提水加药过程中 要实现提水的自动化过程 需要多种传 感器进行检测 通过对检测结果的分析 来开启不同的提水泵 本系统中采用超 声波液位传感器 如图 3 4 所示 图 3 4 超声波液位传感器 超声波传感器向物体发射超声波脉冲 声波被物体表面反射 部分反射波被 探头接收并转换为电信号 从超声波发射到被重新被接收 测定目标距离 时间 和探头是正比 在传感器电子检测单位时间按速度计算距离测度 超声波液位传感器具有抗干扰性强 重量轻 不污染介质等优点 其量程范 围大 0 5 12m 盲区小 0 3m 精度高 0 3 量程 输出信号为标准 17 的 4 20mA 安装方式简单 3 4 2 电磁流量计选型 在加药过程中 需要根据污水的流量按比例进行添加 这就需要检测污水进 水流量和药水流量 以实现污水和药水配比的准确性 电磁流量计是一种液体流 量检测仪 电磁流量计如图 3 5 所示 图 3 5 电磁流量计 电磁流量计是由磁路系统 测量电极 导线 外壳 内衬和转换器等 电磁流量计的特点为 1 测量不受流体密度 粘度 温度 压力和电导率变化的影响 2 测量管内无阻碍流动部件 无压损 直管段要求较低 3 功耗低 零点稳定 精度高 4 转换器采取 16 位高性能微处理器 2x16LCD 显示 参数设定便捷 编程 牢靠 5 双向测量系统 可测正向流量 反向流量 且稳定性高 3 4 3 电动闸阀选型 电动闸阀是采取电动执行器控制的阀门 以此实现阀门的开和关 电动闸阀 的出现为很多工艺流程的进行实现了自动化的可能 电动闸阀具有以下特点 1 结构紧凑 设计合理 阀门刚性好 流阻系数小 2 驱动方式分手动 电动 且转换方便 3 闸阀开闭交省力 4 闸阀介质流向不受限制 不扰流 不降低压力 18 图 3 6 电动闸阀 3 5 电控原理图设计 施耐德昆腾 PLC 的 CPU 电源接线如图 3 7 所示 LN 100 240VAC 图 3 7 CPU 电源接线图 数字量输入模块接线图参见 3 8 和 3 9 19 012345678910 11 12 1314 15Com ComCom Com 数字量输入模块 M L 提 水 泵 自 动 运 行 提 水 泵 手 动 运 行 提 水 泵 1 运 行 输 入 提 水 泵 2 运 行 输 入 提 水 泵 3 运 行 输 入 提 水 泵 4 运 行 输 入 数字量输入模块 24 2526 27 28 2930 31 16 1718 19 20 2122 23 Com Com L M M 提 水 泵 5 运 行 输 入 硫 酸 泵 1 运 行 输 入 硫 酸 泵 2 运 行 输 入 硫 酸 亚 铁 泵 1 运 行 输 入 硫 酸 亚 铁 泵 2 运 行 输 入 搅 拌 器 1 运 行 输 入 变 频 器 1 故 障 输 入 变 频 器 2 故 障 输 入 变 频 器 3 故 障 输 入 变 频 器 4 故 障 输 入 变 频 器 5 故 障 输 入 变 频 器 6 故 障 输 入 变 频 器 7 故 障 输 入 变 频 器 8 故 障 输 入 变 频 器 9 故 障 输 入 M 22 0V 电 源 监 测 24 V 电 源 监 测 启 动 系 统 停 止 系 统 急 停 按 钮 硫 酸 泵 自 动 运 行 硫 酸 泵 手 动 运 行 硫 酸 亚 铁 泵 自 动 运 行 硫 酸 亚 铁 泵 手 动 运 行 备 用 搅 拌 器 2 运 行 输 入 图 3 8 数字量输入模块接线图 32 点 012345678910 11 12 1314 15Com ComCom Com 数字量输入模块 MM L 搅 拌 器 1 自 动 运 行 搅 拌 器 1 手 动 运 行 搅 拌 器 2 自 动 运 行 搅 拌 器 2 手 动 运 行 备 用 备 用 备 用 图 3 9 数字量输入模块接线图 16 点 20 PLC 数字量输出模块接线图如图 3 10 和图 3 11 所示 012345678910 11 12 1314 15 Com Com Com Com 数字量输出模块 L L M 启 动 提 水 泵 1 停 止 提 水 泵 1 启 动 提 水 泵 2 停 止 提 水 泵 2 启 动 提 水 泵 3 停 止 提 水 泵 3 启 动 提 水 泵 4 停 止 提 水 泵 4 启 动 提 水 泵 5 停 止 提 水 泵 5 启 动 硫 酸 泵 1 停 止 硫 酸 泵 1 启 动 硫 酸 泵 2 停 止 硫 酸 泵 2 启 动 硫 酸 亚 铁 泵 1 停 止 硫 酸 亚 铁 泵 1 数字量输出模块 16 1718 19 20 2122 23 16 1718 19 20 2122 23 Com Com ML L 启 动 硫 酸 亚 铁 泵 2 停 止 硫 酸 亚 铁 泵 2 启 动 搅 拌 器 停 止 搅 拌 器 提 水 泵 1 运 行 指 示 灯 提 水 泵 2 运 行 指 示 灯 提 升 泵 3 运 行 指 示 灯 提 水 泵 4 运 行 指 示 灯 提 水 泵 5 运 行 指 示 灯 硫 酸 泵 1 运 行 指 示 灯 硫 酸 泵 2 运 行 指 示 灯 硫 酸 亚 铁 泵 1 运 行 指 示 灯 硫 酸 亚 铁 泵 2 运 行 指 示 等 搅 拌 器 运 行 指 示 灯 提 水 泵 自 动 运 行 指 示 灯 提 水 泵 手 动 运 行 指 示 灯 Com Com 图 3 10 数字量输出模块接线图 32 点 21 012345678910 11 12 1314 15 Com Com Com Com 数字量输出模块 L L M 硫 酸 泵 自 动 运 行 指 示 灯 硫 酸 泵 手 动 运 行 指 示 灯 硫 酸 亚 铁 泵 自 动 运 行 指 示 硫 酸 亚 铁 泵 手 动 运 行 指 示 搅 拌 器 1 手 动 运 行 指 示 灯 搅 拌 器 1 自 动 运 行 指 示 灯 搅 拌 器 2 自 动 运 行 指 示 灯 搅 拌 器 2 手 动 运 行 指 示 等 蜂 鸣 器 开 启 电 动 闸 阀 1 开 启 电 动 闸 阀 2 关 闭 电 动 闸 阀 1 关 闭 电 动 闸 阀 2 图 3 11 数字量输出模块接线图 16 点 模拟量输入模块接线如图 3 12 所示 模拟量输入模块 电 磁 流 量 计 1 CH1CH2CH3CH4CH5CH6CH7CH8 电 磁 流 量 计 2 电 磁 流 量 计 3 液 位 传 感 器 1 液 位 传 感 器 2 液 位 传 感 器 3 图 3 12 模拟量输入模块接线图 模拟量输出模块接线如图 3 13 所示 22 模拟量输出模块 变 频 器 1 CH1CH2CH3CH4CH5CH6CH7CH8 变 频 器 2 变 频 器 3 变 频 器 4 变 频 器 5 变 频 器 6 变 频 器 7 变 频 器 8 模拟量输出模块 变 频 器 9 CH1CH2CH3CH4CH5CH6CH7CH8 备 用 备 用 备 用 图 3 13 模拟量输出模块接线图 23 4 工业污水处理控制系统软件设计 4 1 编程软件介绍 Unity Pro 是五语言应用支持 IEC61131 3 进行编程 调试 诊断 软件开发 工具 可用于施耐德电气的 Premium Atrium M340 和 Quanturn PLC 硬件平台 和量化 与原创者概念施耐德电气软件的优势 软件 进一步增加了很多新功能 使其拥有较强的解决复杂问题的能力 更多的开放给用户 对制造业生产率的提 高 同时为企业更好的在不同的软件合作能力 Unity Pro 软件在开发过程中具有 以下特点 1 基于施耐德电气在自动化软件领域的丰富经验而开发 结合了现有的 Concept 以及 PL7 软件各自的特长与优点 同时也供应了许多 新的功能 以及推进了应用程序的开发 2 考虑过程 忘记 PLC 标准化 可重用性 并提高应用的质量 3 本质开放的架构 基于一个全新架构 Unity Pro 嵌入了开放的技术 更加利于数据交换和定制 4 过程中每个基本功能组件可编写成为导出功能块 DFB 从而作为标准重 复使用 仅需求开发和维护一次代码 选用 PLC 语言开发多个程序段 使用结构化数 据类型 DFB 可以嵌套 5 DFB 中所包含的数据类型可由用户自定义 6 标准化组件存储于类库中 带版本管理功能 7 4 2 控制系统总体控制流程设计 污水处理系统的各功能的实现是靠下位机 PLC 内置的程序实现的 其实时状 态由上位机组态界面显示出来 在进行污水处理工艺中的提水加药过程的软件程 序设计时 需要对其整体功能进行规划 Unity Pro 有多种编程语言 如梯形图 LAD 语句表 STL 和功能块图 FBD 在梯形图视图直观 并与电气控制原理图是最接近的特征 本系统采 24 用梯形图作为编程语言 本系统采用模块化编程思想 将不同的功能放置在不同的程序块中 这样编 写使得程序更加简单易读 易于查错和修改 本污水处理工艺中的提水加药过程 的自动化控制程序总体架构如图 4 1 所示 主程序 自动与手动 切换子程序 提水子程序 急停子程序 加硫酸程子序 加硫酸亚铁子 程序 故障报警程 序 流量检测子 程序 图 4 1 控制程序总体架构图 1 主程序 主程序用于调用其他子程序 2 提水子程序 用于提水泵的自动控制 根据水位变化 使得提水泵能够 自动启停 同时根据五台提水泵的启动次数 循环启动五台提水泵 避免因备用 提水泵的长久不使用而产生故障 3 加硫酸子程序 用于硫酸泵的自动控制 根据污水流量 自动计算加硫 酸量 4 加硫酸亚铁子程序 用于硫酸亚铁泵的自动控制 根据污水流量 自动 计算加硫酸亚铁量 5 急停子程序 当自动控制系统出现故障 发出声光报警时 可按下急停 按钮 实现整个自动控制系统的快速安全地停止运行 6 自动与手动切换子程序 自动控制与手动控制的切换 在自动控制状态 下 各个电机可单独手动进行启停操作 方便污水处理系统的检修作业 7 流量检测子程序 对污水流量 硫酸流量 硫酸亚铁流量进行检测 以 实现污水处理药水的精确配比 8 故障报警子程序 当污水处理电气控制系统出现故障时 可进行声光报 警 以及时发现故障 25 4 3 各子程序设计 4 3 1 自动控制与手动控制切换子程序 按照系统的控制要求 控制过程可分为自动和手动操控 在手动控制状态下 各 设备可以单独进行启停操作 方便对各个设备的性能进行测试 自动与手动操控 切换子程序流程图如图 4 2 所示 自动控制 开始 自动 手动控制 Y N 图 4 2 自动和手动控制切换子