污水处理氧化沟曝氧机控制系统的研究与设计毕业论文.doc

污水处理氧化沟曝氧机控制系统的研究与设计毕业论文目 录摘 要IAbstractII第1章 绪论11.1 污水处理概述11.2 污水处理氧化沟曝气机控制系统产生发展及研究现状11.3曝气类型与曝气器的功能21.4 污水处理氧化沟曝氧机控制系统的设计要求及研究意义51.5 论文的组织6第2章 污水处理氧化沟曝氧机控制系统总体方案设计72.1 污水处理氧化沟曝氧机控制系统的简介72.2 系统主控器的比较与选择72.2.1 单片机72.2.2 可编程序控制器82.2.3 主控器的选择102.3 系统的方案分析102.3.1 基于PLC的曝氧机控制系统10第3章 污水处理氧化沟曝氧机控制系统的硬件设计123.1 可编程序控制器设计123.1.1 PLC的硬件系统123.1.2 PLC的基本工作原理143.1.2 PLC的选型153.1.3 PLC中PID算法的实现163.3 变频器的选型183.4 传感器选择193.5 变频器与曝氧机的电路连接203.6报警电路253.7 PLC的输入输出端口分配错误！未定义书签。第4章 曝氧机控制系统的软件设计264.1 系统的工作流程图264.3 系统的梯形图程序27总 结28参考文献29致 谢30附录A 污水处理氧化沟曝氧机控制系统的控制电路图31附录B 对应梯形图的指令表32 第1章 绪论1.1 污水处理概述水是一切生物生存必不可少的物质之一，没有水的世界是无法想象的。虽然我国水资源总量非常丰富，居世界第六位，但是由于人口众多，人均占有率却很低，约为世界平均的l/4。由于水污染控制的相对滞后，受污染的水体逐年增加，也加剧了水资源的短缺。而中国迅速进行的工业化、城市化，不可避免地会加快水污染速度。据统计，2000年我国城市污水排放量已达332亿立方米，其中绝大部分污水未经有效处理而排入江河湖海。全国90%以上的城市水域受到不同程度的污染，近50%的重点城镇的集中饮用水不符合取水标难。我国北方城市大部分受到资源型缺水的困扰，南方多水地区由于受到不同程度的污染，已经呈现水质型缺水趋势。因此，增加污水处理比例和将污水处理之后再回用是今后我国城市污水处理的趋势。城市污水是城市地区范围内的生活污水、工业废水和径流污水的总称，它通常是由城市管渠汇集排入水体或者通过城市污水处理厂处理后排入水体。随着城市化水平和人民生活水平的提高，城市生活污水排放量迅速增长，其所占城市污废水排放量的比例逐年增多。因此世界各国对城市污水都采用集中处理的办法。我国城市污水处理设施的建设比较缓慢，城市污水处理率不到7，大量污水未经处理而直接排入江河、湖泊。因此建立对城市污水进行集中处理的法律制度，使有关城市污水处理厂的建设、运行管理及污水处理收费纳入法制化轨道，是十分必要的。1.2 污水处理氧化沟曝气机控制系统产生发展及研究现状国外的一些发达国家，如英、美、日等国，由于这些国家经济发达，很早的实现了工业现代化，并且经济发展得很快，这就引发了环境问题特别是水污染问题，但也得到了这些国家的重视，投入大量的人力、物力进行水处理的研究，在研究水处理新理论和工艺的同时，也重视污水处理自动控制系统的研究。先后投资研究高效型、智能型、集约型污水处理设备和自动化控制仪表，一些发达国家经过多年的努力，污水处理率已经达到80%90%，成功地解决了来自城市和工业的点源污染问题。由于自动控制技术、网络通信技术以及现场总线技术的飞速发展，国外的污水厂很早便实现了污水厂的网络自动控制，如DCS、FCS系统。同时国外较早的将SCADA技术引入到给水排水工程中，并取得了良好的经济效益与社会效益。国外同时注重水处理中的PLC的开发，相继研制出了一些智能、稳定、小巧的控制单元，如AB公司的SLC系列、Siemens的S7系列、OMRON的欧姆龙PLC；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DO（Dissolved Oxygen）、化学需氧量COD（Chemical Oxygen Demand）分析仪。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，实行集体巡检；八十年代应用分析仪表和DCS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：手动和自动皆备，自制和引用并举。1.3曝气类型与曝气器的功能曝气类型大体分为两类：一类是鼓风曝气，一类是机械曝气。鼓风曝气是采用曝气器扩散板或扩散管在水中引入气泡的曝气方式。一般乙烯厂的污水处理多采用这种方式。机械曝气是指利用叶轮等器械引入气泡的曝气方式。所有的曝气设备，都应该满足下列3种功能：产生并维持有效的气-水接触，并且在生物氧化作用不断消耗氧气的情况下保持水中一定的溶解氧浓度；在曝气区内产生足够的混合作用和水的环流动；维持液体的足够速度，以使水中的生物固体处于悬浮状态。1）鼓风曝气设备鼓风曝气系统由鼓风机、曝气器和一系列连通的管线组成。鼓风机将空气通过一系列管道输送到安装在池底部的曝气器，通过曝气器，使空气形成不同尺寸的气泡。气泡在曝气器出口形成，尺寸则取决于空气扩散装置的形式，气泡经过上升和随水环流动，最后在液面处破裂，这一过程产生氧向污水中转移的作用。鼓风系统的曝气器主要分为微气泡、中气泡、大气泡、水力剪切、水力冲击及空气升液等类型。鼓风曝气设备的主要技术性能指标有：动力效率(Ep)，即每消耗1kW电能转移到混合液中的氧量；氧的利用效率(EA)，即通过鼓风曝气转移到混合液的氧量，占总供氧量的百分比()。2）微气泡曝气器微气泡曝气器也称微孔曝气器，采用多孔性材料如陶粒、粗瓷等掺以适当的如酚醛树脂一类的粘剂，在高温下烧结成为扩散板、扩散管和扩散罩的形式。按照安装的型式，可分为提升式微孔曝气器及固定式微孔曝气器。提升式微孔曝气器主要由微孔曝气管、活动摇臂、提升机等3部分组成：微孔曝气管即由微孔管、前盖、后盖及连接螺栓组成；活动摇臂是可提升的配管，微孔曝气管安装于支气管上，成栅条状，底座固定在池壁上，活动立管伸入池中，支管落在池底部，并支架支撑在池底部；曝气器提升机，为活动式电动卷扬机，起吊小车可随意移动，将摇臂提起。其工作原理是：空气从微气泡曝气管后盖的通气孔进入曝气管，曝气管的管壁上密布者许多细小的孔隙，管内空气在压力差的作用下，从管壁的孔隙中扩散出来，在污水形成许许多多微小的气泡，并造成水的紊流，从而达到了将空气中的氧溶入水中的目的。微孔曝气管的形式有很多，目前较为常用的有两种：一种是由粗瓷或刚玉等烧结而成的普通曝气管，这种管壁在烧结过程中产生许多极微小的孔隙，它的主要特点是能产生微小的气泡，气泡直径约0.10.2mm，气、液接触面积大，氧利用率高，一般可达到2025；其缺点是气压损失较大，易堵塞，送入的空气需经过滤处理，易损坏，一旦损坏，氧利用率就开始快速下降。另一种是管式膜片微孔曝气管。这种曝气管的安装方式与前一种基本一样，但其自身的结构却有很大的区别，它是由一个用ABS或UPVC制成的管子作为布气管，管壁上开有通风孔，布气管外周覆盖着合成橡胶制成的膜片，膜片被金属卡子固定在管子上。在合成橡胶膜片上用激光等方法打出均匀分布的孔眼。曝气时，空气通过管壁上的通气孔进入膜片与管壁之间，在压缩空气的作用下，使膜片微微鼓起，孔眼张开，达到布气扩散的目的。停止供气，气压消失后，膜片本身在弹性作用下使孔眼自动闭合，由于水压的作用，膜片压实在管壁上。因此，污水不会倒流而堵塞孔眼。但由于这种膜片的开孔直径直接影响到氧的利用率，因此，开孔直径应适当。开孔直径过大，氧的利用率较低，开孔直径过小，氧利用率高，但阻力增大。橡胶膜片应选用耐老化，高强度胶质，以免膜片出现撕裂，造成曝气器损坏。3）动态曝气器动态曝气器是一种新型的曝气器，属于固定安装式的微气泡曝气器，它由圆罩、旋混筒、旋混圈、套接头抱箍和配气管组成。动态曝气器采用了“大孔排气泡布气”技术，将引入曝气器内的空气分别进行正旋和反旋导流，正旋导流为顺时针方向，反旋导流为逆时针方向，由两个不同方向旋流作用下，在套筒旋混筒内形成一个瞬间连续局部反应的气液强化旋混区。由旋混旋流作用所产生的大量气泡，再经-圆罩阻挡扩散作用之后，均匀密布的向上产生气泡。总的来说，动态曝气器是由大孔双向旋混、套筒强化旋混和圆罩阻挡扩散等各种结构作用，使气相在液相中碰撞、剪切和分割，从而形成混合性扩散。由于动态曝气器采用了大孔排气，即使停风停压后，污水倒流进曝气器和配气管中，也不会造成排气孔堵塞，从而从根本上解决了曝气器堵塞的问题，可长期保持氧利用率不发生变化。但由于产生气泡的直径较大，氧利用率相对微孔曝气器要低，一般在1519之间。与动态曝气器的结构和性能类似的还有旋混曝气器。4）摇臂微孔曝气器与动态曝气器的对比除了上面所讲的气泡直径、氧利用率、是否易堵塞等不同之处外，两者还有以下几个不同点：1.安装方式摇臂微孔曝气器为可活动式安装，当曝气器需要更换或检修时，可用提升机将曝气器从水中出来，在池面进行施工检修，不影响同池其他曝气器的工作，不需要停池净水，检修成本低，工作量少。动态曝气器为固定式安装，一经-安装完成后，便不可以移动，如果某间曝气池需要检修，就必须停止该池的运行，并且将池内的污水和淤泥等杂物清除后，方可施工，检修成本较高。2.耐用性摇臂式微孔曝气器的失效形式主要有以下3种：钢制布气管生锈后产生氧化铁以及污水和空气中的杂物会造成曝气管内堵，曝气管内气流分布不均匀，使曝气管抖动，而产生疲劳损坏；曝气管安装在管接头上，在曝气管抖动和污水腐蚀的双重作用下，管接头易从根部折断，污水的腐蚀还会造成布气管壁减薄穿孔；水下摇臂活动关节长期浸泡在水中，可能会因为生锈等原-因而无法转动，从而使得曝气器不能正常提升到水面。以上3种失效形式，经-过近年来的新技术的应用，已经得到很大的改善，使得曝气器的使用寿命可达5年左右。动态曝气器的失效形式则有：由于疲劳或腐蚀等原因，曝气头各部件(如圆罩、旋混筒、旋混圈等)之间的连接件断裂或松脱，而造成曝气头解体或脱落；配气管断裂；配气管一般采用UPVC等非金属管材，管子与管子，管子与管件多用胶水粘连，一旦粘接不牢，容易从粘连处脱落和漏气。这3种失效形式一般可以通过合理选型，正确选材，严把质量关等方法来避免。因此，这种曝气器的使用寿命较长，可达810年。3.实际应用摇臂式微孔曝气器因为有氧利用率高、检修方便等优点，较多应用在生产负荷较重、污水水质较恶劣的一级生化系统；固定式动态曝气器则因为有氧利用率稍低但可以长期保持，检修困难但使用寿命长的特点，一般应用在生产负荷较低，污水水质较好的二级生化系统。曝气器的种类非常多，经-过不断的更新和发展，其结构和性能更是有着日新月异的变化。本文介绍的只是其中极少的几种，所作的论述也只是根据本地区的有限几家污水处理场的情况而作，一些看法带有很大的片面性和局限性。其实，曝气器的选用依据各有侧重，主要考虑下列因素：空气扩散装置应具有较高的氧利用率和动力效率，具有较好的节能效果；不易堵塞，出现故障易排除，便于维护管理；构造简单，便于安装，工程造价及装置本身成本都较低。此外，还应考虑污水的水质，地区条件以及曝气池型、水深等。1.4 污水处理氧化沟曝氧机控制系统的设计要求及研究意义污水处理氧化沟曝氧机控制系统的研究与设计的主要设计内容要求如下：水流速度和水含氧量检测电路及其信号处理电路设计；检测数据处理及通讯设计；自动故障检测及安全保护、报警电路设计；控制算法研究及软件设计等。而本设计的研究意义在于：曝气是使空气与水强烈接触的一种手段，其目的在于将空气中的氧溶解于水中，或者将水中不需要的气体和挥发性物质放逐到空气中。换言之，它是促进气体与液体之间物质交换的一种手段。它还有其他一些重要作用，如混合和搅拌。空气中的氧通过曝气传递到水中，氧由气相向液相进行传质转移，这种传质扩散的理论，目前应用较多的是刘易斯和惠特曼提出的双膜理论。双膜理论认为，在“气-水”界面上存在着气膜和液膜，气膜外和液膜外有空气和液体流动，属紊流状态；气膜和液膜间属层流状态，不存在对流，在一定条件下会出现气压梯度和浓度梯度。如果液膜中氧的浓度低于水中氧的饱和浓度，空气中的氧继续向内扩散透过液膜进入水体，因而液膜和气膜将成为氧传递的障，这就是双膜理论。显然，克服液膜障最有效的方法是快速变换“气-液”界面。曝气搅拌正是如此，具体的做法就是：减少气泡的大小，增加气泡的数量，提高液体的紊流程度，加大曝气器的安装深度，延长气泡与液体的接触时间。曝气设备正是基于这种做法而在污水处理中被广泛采用的。本设计开发的意义在于运用西门子PLC对污水处理氧化沟曝氧机控制系统进行控制。使污水处理实现自动化处理，对降低污水处理成本、改善环境、建立可持续发展社会和和谐社会、保持我国经济高速发展具有重要意义。1.5 论文的组织本论文主要由八个部分构成。其中，前四个部分为4个章节，第1章为绪论（即本章），主要介绍本研究课题的来源和学术背景以及理论与实际意义；第2章为系统的总体方案设计，主要进行主控器的分析；第3章为系统的硬件设计，主要是对系统的控制器、变频器及其他装置的型号选择，并且对系统所涉及的模块化电路的讲解；第4章为系统的软件设计，通过对控制系统的设计思路的完全理解与掌握，得出系统工作时的整体流程图，再使用西门子PLC的编程软件来编写出整个控制系统的梯形图程序。后四个部分分别为总结、参考文献、致谢和附录。34第2章 污水处理氧化沟曝氧机控制系统总体方案设计2.1 污水处理氧化沟曝氧机控制系统的简介水污染问题是一个遍及全世界的环境问题，无论是在发展中国家还是发达国家，这个问题已越来越引起人们的重视。现在，各国特别是发达国家每年都花巨大的人力、财力用于工业污水的治理。自20世纪60年代以来，各国都研究和发展了各种控制水体污染的新技术和新方法，对污染的控制也开始进入一个较高级的阶段，即综合防治环境污染的新阶段。对于其控制系统的设计，我们可以利用PLC的模拟量模块，对数字信号进行采样处理，通过变频器控制曝氧机的转速实现曝氧机对污水处理氧化沟的控制。模拟氧化沟曝氧机的控制系统由可编程序控制器、变频器、传感器、曝氧机组成。水流速度传感器将数据输入PLC中。通过PLC来控制阀门，从而调节流速。水含氧量检测传感器将检测到的数字量输入PLC中。在PLC中实现PID控制算法，通过PID算法来调节控制变频器，然后通过变频器来调节曝氧机的运转速度，从而改变污水中的含氧量，保持污水中溶解氧于一定浓度。根据工艺条件要求，编制出相应的控制程序，再在模型设备上进行调试和检验，配合计算机实现对可编程序控制器的程序输入、输出控制信号及对运行结果的实时监控。2.2 系统主控器的比较与选择2.2.1 单片机在我国，单片机已不陌生，它的出现是近代计算机技术的里程碑事件，因为单片机的诞生标志着计算机正式形成了通用计算机系统和嵌入式计算机系统两大分支。在单片机诞生之前，为了满足工控对象的应用要求，只能将通用计算机进行机械加固、电气加固后嵌入到对象体系中构成自动驾驶仪、轮机监控系统等。由于通用计算机的巨大体积和高成本，无线嵌入到大多数对象体系中，单片机则应运而生。单片机芯片的微小体积和极低成本，广泛地嵌入到玩具、家用电器、机器人、仪器仪表、汽车电子系统、工业控制单元、办公自动化设备、金融电子系统、个人信息终端及通信产品中，成为现代电子系统中最重要的智能化工具。在品种众多的单片机中，51系列单片机以其结构的系统完整、特殊功能寄存器的规范化以及指令系统的控制功能等特色，成为单片机中的主流机型。STC89LE52RC+系列单片机是宏晶科技推出的新一代超强抗干扰/高速/低功耗的单片机，指令代码完全兼容传统的8051单片机，12时钟/机器周期和6时钟/机器周期可任意选择，最新的D版本内部集MAX810专用复位电路。其功能示意图如2-1所示。STC系列单片机主要特点：增强型12时钟/机器周期、6时钟/机器周期8051CPU；工作电压：5.5V-3.4V(5V单片机)/3.8V-2.0V（3V单片机）；工作频率范围：0-40MHz，相当于普通8051的0-80MHz,实际工作频率可达48MHz；图2-1 STC单片机功能示意图用户应用程序空间4K/8K/13K/16K/20K/32K/64K字节；片上集成1280字节/512字节RAM；通用I/O口（32/36个），复位后为：P1/P2/P3/P4是准双向/弱上拉；ISP/IAP，无需专用编程器/仿真器可通过串口（P3.0/P3.1）直接下载用户程序，8K程序3秒即可完成一片；内部集成MAX810专用复位电路，外部晶体20M以下时，可省外部复位电路。2.2.2 可编程序控制器可编程序控制器PC(Programmable Controller)，又称可编程序控制器PLC(Programmable Logic Controller)，是微机技术与继电器常规控制技术相接合的产物，是在顺序控制器和微机控制器的基础上发展起来的新型控制器，是一种以微处理器为核心用作数字控制的专用计算机。它不仅充分利用微处理器的优点来满足各种工业领域的实时控制要求，同时也照顾到现场电器操作维护人员的技能和习惯，摈弃了微机常用的计算机编程语言的表达形式，独具风格地形成一套以继电器梯形图为基础的形象编程语言和模块化的软件结构，使用户程序的编制清晰直观、方便易学，而且调试和查错都变得很容易。根据PLC实施控制的基本点的分析，PLC采用了典型的计算机结构，主要是由CPU、RAM、ROM和专门设计的输入输出接口电路等组成，如图2-2所示。 中央处理机中央处理机是PLC的大脑，它由中央处理器(CPU)和存储器等组成。中央处理器(CPU)一般由控制电路、运算器和寄存器组成，这些电路一般都集成在一芯片上。CPU通过地址总线、数据总线和控制总线与存储单元、输入输出(I/O)接口电路相连接。 CPU的主要功能： 从存储器中读取指令； 执行指令；准备取下一条指令；处理中断。输入接口中央处理单元存储器输入输出数据存储输出接口编程单元电源单元数据总线地址总线控制总线地址总线控制总线其他执行装置或接触器电磁装置电动机照明开关或传感器继电器触点行程开关模拟量输入图 2-2 PLC结构示意图存储器是具有记忆功能的半导体电路，用来存放系统程序、用户程序、逻辑变量和其他一些信息。 在PLC中使用的两种类型存储器为ROM何RAM，现说明如下： 只读存储器ROM中的内容是由PLC的制造厂家写入的系统程序，并且永远驻留(PLC去电后再加电，ROM内容不变)。系统程序一般包括下列几部分： 检查程序；翻译程序；监控程序。随机存储器RAM是可读可写存储器，读出时，RAM中的内容不被破坏；写入时，刚写入的信息就会消除原有的信息。RAM中一般存放以下内容：用户程序；逻辑变量；供内部程序使用的工作单元。 电源部件 电源部件将交流电源换成供PLC的中央处理器、存储器等电子电路工作所需要的直流电源，使PLC能正常工作，PLC内部电路使用的电源是整体的能源供给中心，它的好坏直接影响PLC的功能和可靠性，因此目前大部分PLC采用开关式稳压电源供电。 输入输出部分 这是PLC与被控设备相连接的接口电路。用户设备输入PLC的各种控制信号，如限位开关、操作按钮、选择开关、行程开关以及其他一些传感器输出的开关量或模拟量(要通过模数变换进入机内)等，通过输入接口电路将这些信号转换成中央处理器能够接收和处理的信号。输出接口电路将中央处理器送出的弱电控制信号转换成现场需要的强电信号输出，以驱动电磁阀、接触器、电动机等被控设备的执行元件。2.2.3 主控器的选择 虽然单片机功能强大，具有先进的工艺和更小的封装，而且功耗低、电压低以及价格更为低廉，但是，相对PLC而言，单片机却存在信号容易被干扰，外围电路繁多以及控制结构复杂等缺陷。此外，相对而言，PLC也更具有以下的优势：PLC的软件简单易学、使用维护较为方便；PLC集三电（即电控、电仪、电传）于一体，适用各种规模的自动化系统；PLC可靠性高、抗干扰能力强；PLC网络的的性能价格比高。故此氧化沟曝气机控制系统的主控制器采用可编程序控制器(PLC)。2.3 系统的方案分析2.3.1 基于PLC的曝氧机控制系统自二十世纪六十年代美国推出可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC）取代传统继电器控制装置以来，PLC得到了快速发展，在世界各地得到了广泛应用。同时，PLC的功能也不断完善。随着计算机技术、信号处理技术、控制技术网络技术的不断发展和用户需求的不断提高，PLC在开关量处理的基础上增加了模拟量处理和运动控制等功能。今天的PLC不再局限于逻辑控制，在运动控制、过程控制等领域也发挥着十分重要的作用。可编程控制器（PLC）是由工业微型计算机、输入, 输出设备、保护及抗干扰隔离电路等构成的微机控制装置，具有顺序、周期性工作的特征，从应用角度看可编程控制器具有如下特点：1、可靠性高：由于可编程控制器的输入, 输出端口均采用继电器或光电耦合器件，采取了隔离和抗干扰措施，使其具有很高的抗干扰能力，因而能在恶劣环境下可靠工作。2、体积小：由于在制造时采用了大规模集成电路和微处理器，用软件编程代替了硬连线，便于安装，实现了小型化。3、通用性好：由于可编程控制器采用模块化结构，一般有CPU 模块、电源模块、PID模块、模拟输入和输出模块等，可以用这些模块灵活的组成各种不同的控制系统，对不同的控制系统，只需选取不同的模块即可，因而具有很好的适用性。4、使用方便：对于不同的控制系统，当硬件结构选定后，如果输入、输出作很小的变动时，只需修改相应程序即可，无需对系统连线做较大的修改，减少了现场调试的工作量，使用起来灵活方便。基于可编程控制器的上述优点能够适应和满足污水处理氧化沟的运行要求，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、可靠性等方面来考虑，选择西门子 S7200 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 CPU224 作为该控制系统的主机。CPU224 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，西门子公司专门为 S7200 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。S7-200系列的PLC在各种行业的检测及控制的自动化都得到广泛的应用。由于其具有极高的性价比，在以下几方面都有优越的表现：极高的可靠性、程序易于掌握，实时特性功能、编程语言指令丰富，操作简便，有丰富的扩展功能。用西门子S7-200系列就完全可以满足电气控制系统方面的要求。污水处理氧化沟曝氧机控制系统如图4.1所示。PLC为核心控制器，通过检测操作面板按钮的输入，流速传感器的输入，溶氧仪模拟量的输入完成曝氧机运行，停止和调速。可编程逻辑控制器（PLC）流速传感器输入（数字量）溶氧仪反馈值（数字量）变频器曝气机运行PID算法含氧量水流速控制图2.3 基于PLC的氧化沟曝气机控制系统设计。第3章 污水处理氧化沟曝氧机控制系统的硬件设计 本设计的硬件部分主要由可编程控制器（PLC）、变频器、传感器与曝氧机的控制以及报警电路五部分组成，其系统控制电路图见附录。 3.1 可编程序控制器设计3.1.1 PLC的硬件系统图3.1 PLC硬件系统1、中央处理单元（CPU）中央处理单元（CPU）是PLC 的控制中枢。它按照PLC 系统程序赋予的功能接收并存储从编程器键入的用户程序和数据：检查电源、存储器、I/O 以及警戒定时器的状态，并能诊断用户程序中的语法错误，当PLC 投入运行时，首先它以扫描的方式接收现场各输入装置的状态和数据，并分别存入I/O 映象区，然后从用户程序存储器中逐条读取用户程序，经过命令解释后按指令的规定执行逻辑或算数运算的结果送入I/O 映象区或数据寄存器内。等所有的用户程序执行完毕之后，最后将I/O 映象区的各输出状态或输出寄存器内的数据传送到相应的输出装置，如此循环运行，直到停止运行。为了进一步提高PLC 的可靠性，灵活性，近年来对大型PLC 还采用双CPU 构成冗余系统，或采用三CPU 的表决式系统。这样，即使某个CPU 出现故障，整个系统仍能正常运行。2、存储器（Memory）可编程控制器的控制中枢，在系统监控下工作，承担着将外部输入的信号的状态写入映像寄存器区域，然后将结果送到输出映像寄存器区域。CPU常用的微处理器有通用型微处理器，单片机和位片式计算机等。小型PLC的CPU多采用单片机或专用的CPU。大型PLC的CPU多用位片式结构，具有高速数据处理能力。3、基本I/O接口电路（1）输入接口单元。PLC内部输入电路作用是将PLC外部电路（如行程开关、按钮、传感器等）提供的、符合PLC输入电路要求的电压信号，通过光耦电路送至PLC内部电路。输入电路通常以光电隔离和阻容滤波的方式提高抗干扰能力，输入响应时间一般在0.115ms之间。多数PLC的输入接口单元都相同，通常有两种类型。一种是直流输入，一种是交流输入。（2）输出接口单元。PLC输出电路用来将CPU运算的结果变换成一定形式的功率输出，驱动被控负载（电磁铁、继电器、接触器线圈等）。PLC输出电路结构形式分为继电器式、晶闸管式和晶体管输出型等三种。在继电器式输出中，CPU可以根据程序执行的结果，使PLC内设继电器线圈通电，带动触点闭合，通过继电器闭和的触点，由外部电源驱动交、直流负载。优点是过载能力强，交、直流负载皆宜。但存在动作速度较慢，且为有触点系统，使用寿命有限等问题。双向晶闸管和晶体管输出型输出分别具有驱动交、直流负载的能力。晶闸管输出型CPU通过光耦电路的驱动，使双向晶闸管通断，可以驱动交流负载；晶体管输出型CPU通过光耦电路的驱动，使双晶体管通断，驱动直流负载。优点是两者均为无触点开关系统，不存在电弧现象，而且开关速度快，缺点是半导体器件的过载能力差。以上列举了六类输入和输出电路形式，各类PLC产品的输入、输出电路结构形式均有所不同，但光耦隔离及阻容滤波等抗干扰措施是相似的。根据输入、输出电路的结构形式不同，I/O借口又可以分为开关量I/O和模拟量I/O两大类。其中模拟量I/O要经过A/D，D/A转换电路的处理，转换成计算机系统所能识别的数字信号，在整体机构的PLC中，有开关量的交，直流I/O模块，和模拟量I/O模块及各种智能I/O模块可供选择。PLC输入电路和输出电路各种不同结构形式能够适应各不同负载的要求。4、接口电路PLC接口电路分为I/O扩展接口电路和外设通信接口电路两类（1）I/O扩接口电路I/O扩展接口电路用连接I/O扩展单元，可以用来扩充开关量I/O点数和增加模拟量的I/O端子。I/O扩展接口电路采用并行接口和串行接口两种电路形式。根据被控制对象对PLC控制系统的技术和要求，确定用户所需的输入、输出设备，据此确定PLC的I/O点数。（2）外设通信接口电路通信接口电路用于连接手持编程器或其他图形编程器、文本显示器，并能组成PLC的控制网络。PLC通过PC/PPI电缆或使用MPI卡通过RS-485接口和电缆与计算机连接，可以实现编程、监控、联网等功能。5、电源PLC内部配有一个专用开关式稳压电源，将交流/直流供电电源转化为PLC内部电源需要的工作电源（5V直流）。当输入端子为非干接点结构时，为外部输入元件提供24V直流电源（仅供输入点使用）。3.1.2 PLC的基本工作原理 PLC虽然具有微机的许多特点，但它的工作方式却与微机有很大不同。微机一般采用等待命令的工作方式。如常见的键盘扫描方式或I/O扫描方式，有键按下或I/O动作则转入相应的子程序，无键按下则继续扫描。PLC则采用循环扫描工作方式，在PLC中，用户程序按先后顺序存放。 CPU从第一条指令开始执行程序，直至遇到结束符后又返回第一条。如此周而复始不断循环。这种工作方式是在系统软件控制下，顺次扫描各输入点的状态，按用户程序进行运算处理，然后顺序向输出点发出相应的控制信号。整个工作过程分为5个阶段：自诊断，与编程器、计算机等的通信，输入采样，用户程序执行，输出结果，其PLC工作过程图如图3-3所示。图3.2 PLC的工作过程框图每次扫描用户程序之前，都先执行故障自诊断程序。自诊断内容为I/O部分、存储器、CPU等，发现异常停机显示出错。若自诊断正常，继续向下扫描。PLC检查是否有与编程器和计算机的通信请求，若有则进行相应处理，如接收由编程器送来的程序、命令和各种数据，并把要显示的状态、数据、出错信息等发送给编程器进行显示。如果有与计算机等的通信请求，也在这段时间完成数据的接受和发送任务。PLC的中央处理器对各个输入端进行扫描，将输入端的状态送到输入状态寄存器中，这就是输入采样阶段。中央处理器CPU将指令逐条调出并执行，以对输入和原输出状态（这些状态统称为数据）进行“处理”，即按程序对数据进行逻辑、算术运算，再将正确的结果送到输出状态寄存器中，这就是程序执行阶段。当所有的指令执行完毕时，集中把输出状态寄存器的状态通过输出部件转换成被控设备所能接受的电压或电流信号，以驱动被控设备，这就是输出刷新阶段。PLC经过这5个阶段的工作过程，称为一个扫描周期，完成一个周期后，又重新执行上述过程，扫描周而复始地进行。PLC与继电接触器控制的重要区别之一就是工作方式不同。继电接触器控制是按“并行”方式工作的，也就是按同时执行的方式工作的，只要形成电流通路，就可能有几个继电器同时动作。而PLC是以反复扫描的方式工作的，它是循环地连续逐条执行程序，任一时刻它只能执行一条指令，这就是说PLC是以“串行”方式工作的。这种工作方式可以避免继电器控制的接点竞争和时序失配问题。3.1.2 PLC的选型当某一个控制任务决定由PLC完成后，选择什么样的PLC就是最重要的。一方面要选择PLC的容量，另一方面要选择PLC的型号及外设。对第一个问题，首先要对控制任务进行详细的分析，把所有的I/O点找出来，包括开关开关量1/0和模拟量I/O以及这些I/O点的性质。I/O点的性质主要是指它们是直流信号还是交流信号，它们的电源电压，以及输出是用继电器型还是晶体管型或是可控硅型。控制系统输出点的类型非常关键，如果它们之中既有交流220V的接触器、电磁阀，又有直流24V的指示灯，则最后选用的PLC的输出点数有可能大于实际点数。因为PLC的输出点一般是几个一组共用一个公共端，这一组输出只能有一种电源的种类和等级，所以一旦它们是交流220V的负载使用，则直流24V的负载只能使用其他组的输出端了。这样有可能造成输出点数的浪费，增加成本。所以要尽可能选择相同等级和种类的负载，比如使用交流220V的指示灯等。一般情况下继电器输出的PLC使用最多，但对于要求高速输出的情况，如运动控制时的高速脉冲输出，就要使用无触点的晶体管输出的PLC了。知道这些以后，就可以定下选用多少点和I/O是什么类型的PLC了。对第二个问题，则有以下几个方面要考虑：功能方面：所有PLC一般都具有常规的功能，但对于某些特殊要求，就要知道所选用的PLC是否有能力完成控制任务。如对PLC与智能仪表及上位机之间有灵活方便的通信要求或对PLC的计算速度、用户程序容量等有特殊要求时，就要求设计者对市场上流行的PLC品种有一个详细的了解，以便做出正确的选择。价格方面：不同厂家的PLC的PLC产品价格相差很大，有些功能类似、质量相当、I/O点数相当的PLC的价格能相差40%以上。个人喜好方面：有些工程技术人员对某种品牌的PLC熟悉，所以一般比较喜欢使用这种产品。通过对系统原理及控制要求分析可知，结合系统的控制电路图（见附录）可知：在氧化沟曝氧机控制系统中我选用的是S7-200 CPU 224。西门子S7-200系列西门子S7-200系列PLC适用于各行各业，各种场合中的检测、监测及控制的自动化。S7-200系列的强大功能使其无论在独立运行中，或相连成网络皆能实现复杂控制功能。因此S7-200系列具有极高的性能/价格比。S7-200 CPU将微处理器、集成电源、输入电路和输出电路集成在一个紧凑的外壳中，从而形成了一个功能强大的Micro PLC。参见图1-1。在下载了程序之后，S7-200将保留所需的逻辑，用于监控应用程序中的输入输出设备。图3.3 西门子S7-200系列可编程控制器单元的外形图3.1.3 PLC中PID算法的实现S7-200 能够进行 PID 控制。S7-200 CPU 最多可以支持 8 个 PID 控制回路（8 个 PID 指令功能块）。 PID 是闭环控制系统的比例积分微分控制算法。 PID 控制器根据设定值（给定）与被控对象的实际值（反馈）的差值，按照 PID 算法计算出控制器的输出量，控制执行机构去影响被控对象的变化。PID 控制是负反馈闭环控制，能够抑制系统闭环内的各种因素所引起的扰动，使反馈跟随给定变化。 PID控制器具有算法简单，鲁棒性好和可靠性高的特点。 被广泛应用于工业过程控制中，尤其适应用于可建立精确的数学模型的确定控制系统。（1）PID控制器的结构设计常规的PID控制系统原理图如图 1所示： 图 3.4 PID 控制系统原理图比例环节 ( P ) : 成比例地反映控制系统的偏差信号 e( t)，偏差一旦产生， 控制器立即产生控制作用， 以减小偏差。积分环节 ( I ) : 主要用于消除静差，提高系统的无差度。积分作用的强弱取决于积 分时间常数T， T越大，积分作用越弱，反之则越强。微分环节 ( D ): 反映偏差信号的变化趋势，并能在偏差信号变得太大之前，在系统中引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统的动作速度，减少调节时间。（2）PLC实现PID控制的方式用PLC对模拟量进行PID控制大致有如下几种方法:1)使用PID过程控制模块这种模块的PID控制程序是PLC 厂家设计的, 并放在模块中, 用户使用时只需要设置一些参数, 使用起来非常方便。2)使用PID功能指令它是用于PID控制的子程序, 与模拟量输入输出模块一起使用, 可以得到类似于使用PID过程控制的效果, 但价格便宜的多。如S7- 200的PID指令。3)用自编的程序实现PID闭环控制在没有PID过程控制模块和功能指令的情况下, 仍希望采用某种改进的PID 控制算法, 此时用户需要自己编制PID控制程序。（3）PLC中PID控制器的实现 PLC的PID控制器的设计是以连续的PID控制规律为基础, 将其数字化, 写成离散形式的PID方程, 再根据离散方程进行控制程序的设计。在连续系统中, 典型的PID 闭环控制系统如图1 所示。图中sp ( t) 是给定值, p v ( t) 为反馈量, c( t) 为系统的输出量,PID控制器的输入输出关系如式1 所示:式中: M ( t)为控制器输出, M 0 为输出的初始值,e( t) = sp ( t) - p v ( t) 为误差信号; K c 为比例系数, TI 为积分时间常数, TD 为微分时间常数。图3.5 连续闭环控制系统方框图假设采样周期为TS, 系统开始运行的时刻为t = 0,用矩形几分来近似精确积分, 用差分近似精确微分, 将式1 离散化, 第n 次采样时控制器的输出为:式中: en 为第n 次采样时的误差值, K I 为积分系数, KD为微分系数。基于PLC 的闭环控制系统如图2 所示, 图中虚线部分在PLC内, spn、pvn、en、Mn 分别为模拟量sp ( t)、p v( t)、e( t) 、M ( t)在第n次采样的数字量。图3.6 PLC闭环控制系统方框3.3 变频器的选型考虑到目前变频器价格较贵，在氧化沟污水处理厂中，可以将一部分曝气转刷装上变频器，其余的曝气转刷仍按额定转速运转，根据近年来部分污水处理厂的使用经验，变频器产品质量应得到保证。变频器是一种把电压和频率固定不变的交流电变换为电压或频率可变的交流电的装置。它能实现交流异步电机的软起动、变频调速、提高运转精度、改变功率因素、过载保护等功能。变频器容量的选择是一个重要且复杂的问题，要考虑变频器容量与电动机容量的匹配，容量偏小会影响电动机有效力矩的输出，影响系统的正常运行，甚至损坏装置，而容量偏大则电流的谐波分量会增大，也增加了设备投资。在满足生产机械要求的前提下，变频器容量越小越经济。变频器容量选择可分三步：了解负载性质和变化规律，计算出负载电流的大小或作出负载电流图 I=F(t)；预选变频器容量及其他；校验预选变频器。必要时进行过载能力和起动能力的校验。若都通过，则预选的变频器容量便选定了；否则从（2）开始重新进行，直到通过为止。根据控制功能来分类的话，变频器可分3种类型：普通功能型的V/F控制变频器、具有转矩控制功能的高功能型V/F控制变频器和矢量控制的高性能变频器。根据负载的要求来选择变频器的类型的话，本设计中采用丹佛斯DANFOSS型变频器FC101。3.4 传感器选择流速的测量我选择的是TFT32超声波液位计/多功能变送器，格莱公司TFT32超声波液位计能连续测量、显示、传送和控制罐或泵站中的液位。TFT32包括一个安装在被测液面上方的非接触式超声波传感器探头和变送器，没有可动部件。通常超声波传感器探头安装在罐顶，超声波变送器安装在附近方便的地方。在危险场合时，可装安全栅以实现本安防爆。 TFT32用面板上的两个键进行组态，很容易对测量的液位进行现场组态。用面板上的两个键可以直接输入测量的量程并对继电器进行设置。继电器状态在显示器上能显示。TFT32有LEVEL 模式和RANGE模式，以厘米、英寸或百分比显示液位。 同时，TFT32变送器还可接受多种信号：420mA电流、电压、RS232/485等，并且可以与上位机以总线形式连接通信，使用它很容易把现场所有变送器都连接至总控室。含氧量的检测我选择的是溶解氧变送器COS61传感器，COS61传感器水中溶解氧浓度的连续测量在水处理领域起着重要的作用。广泛应用于污水处理中，活性污泥池中通过氧的测量和调节以便在生物降解过程中达到高效。溶解氧变送器COS61传感器在污水处理中有以下优势：1.维护量小，实用性好。 2.与经过测试的COS31和COM2x3W兼容能够方便的将测量点转换成光学技术。3. 实用转换工具能够与COS41，COM2x3D兼容 4.传感器带有数字信号处。5. 标定数据储存在传感器中由于变送器使用数字通信，EMC防护等级高 维护间隔时间长，长期稳定性好。6.智能自监测功能保证测量值，无流量要求能够在静止的水中进行测量。3.5 变频器与曝氧机的电路连接变频器用于曝气转刷的自控中, 通过调节曝气转刷的转速, 实现氧化沟需氧量与充氧量的最佳匹配, 在保证出水水质的同时, 可以最大限度的降低能耗。同时论证了变频调速的可行性和必要性。全面介绍了在实际应用中曝气转刷的三种控制方式, 其中计算机系统自动控制方式中的变频调速控制可以实现节能。氧化沟中的曝气转刷具有充氧、混合和推流等功能, 其中充氧功能占主要地位。在使用氧化沟作为污水处理工艺的城市污水处理厂中, 曝气转刷的能耗占总能耗的 40% 左右, 因而, 降低曝气转刷的能耗能取得明显的经济效益。目前, 氧化沟中的曝气转刷的数量和功率按理论需氧量来设计, 并适当增设一定数量的曝气转刷作为备用。相当多的氧化沟污水处理厂由于种种原因并没有设置变频调速, 在这种情况下, 当需要降低 DO 值时, 就通过减小曝气转刷的浸深或运行台数, 除造成能量的浪费外, 还可能导致出水水质的不稳定。此外, 氧化沟中 DO 值过低, 则好氧菌活性下降, 微生物难以形成易沉淀的絮体; DO 值过高, 则不仅会增加能耗, 同时也会造成混合液絮体分散和破碎, 使二沉池的固液分离发生困难。而氧化沟中混合液的需氧量是不断变化的, 影响 DO 值的因素有进水水质、氧转移速率、微生物量及其活性和底物的去除速率。因而, 在采用氧化沟工艺的污水处理厂的自动控制中, 采用变频器对曝气转刷进行变频调速, 使之根据 DO 值的变化在一定范围内( 35 rpm 75 rpm) 降低或提高曝气转刷的转速, 不仅能保证良好的污水处理效果, 而且还有显著的节能效果。目前的氧化沟设计, 多采用水下推动器配合使用, 使转刷只担负充氧任务成为可能, 因而转刷的变频设置更为必要。本文拟通过对氧化沟转刷的变频控制进行论述和实例分析, 以提请工艺设计师和污水处理厂管理者重视。在恒转矩情况下,当电源频率在低于工频( 50 H z)范围内调节时,电动机转速 n 与电磁转矩 M 之关系，即机械特性见图 1。A、B、C 3 点处对应 3个转速 n A、nB 、n C,但转矩相等。 图3.2 恒转矩调速的机械特性(1)变频调速节能效果显著变频调速可以实现鼠笼式异步电动机无极调速;电动机的启动电流小,即实现软启动;方便地进