基于PLC的污水处理系统设计

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1、摘 要本论文主要研究污水处理系统的PLC控制系统，随着城市的快速发展，环境问题显得日益重要。污水是破坏环境的一个重要因素，目前中国污水处理自控系统相对落后，污水处理成本居高不下，污水站排放的处理过的污水的水质不稳定，所以如何建立有效的自控系统，优化运行效果，具有重要的意义。文章首先介绍了PLC控制系统的硬件结构、工作原理以及设计PLC控制系统的基本原则和步骤。然后以SBR污水处理工艺为例，来说明PLC在污水处理过程中的应用。先根据污水处理要求设计了设备的电气控制与自动控制线路，主要包括设备的启停、状态信号等。最后按照工艺要求设计PLC控制系统，包括PLC的选型、系统资源配置以及按照污水处工艺编

2、制PLC程序等。 建立高度自动化污水处理站，不仅可以加强整个系统的可靠性、准确性，还可以减少劳动强度，降低处理成本和节约能源。污水处理站自动控制系统的建设将降低生产和维护成本，减轻生产及维护工人的劳动强度，并为生产工艺进一步改进提供方便，具有很好的经济效益和社会效益。关键词：污水处理； PLC；硬件配置；软件设计AbstractMy main research is the PLC control system of sewage treatment. With the rapid development of cities, the environment becomes more and

3、more important. Wastewater is one of the major factor of pollute the environment. The automatic controlling system of wastewater treatment is not very advanced in China. The water qualities of the treated wastewater are unstable. So how to solve the problems is very meaningful to our country.This pa

4、per introduced the hardware structure, work principle of PLC control the system and design PLC control systems basic principle and step, then with the SBR wastewater treatment craft for example to illustrate the PLC in the application in the wastewater treatment process. Designed the electricity con

5、trol of equipments and automatically control circuit according to the sewage treatment requirements, mainly include the start and stop of equipments, the state of the signal and so on. Finally design PLC control system according to the technological requirements, include the PLC type selection, the

6、allocation of system resources and draw up PLC procedure according to the wastewater treatment craft.Establish a highly automated of sewage treatment plant, not only may strengthen the systems reliability but also may reduce the labor intensity and reduce processing costs and save energy. The establ

7、ishment of sewage treatment plants automatic control system will reduce the production and maintenance costs, also can reduce production and maintenance workers in the labor intensity.Key words: sewage treatment; PLC; Hardware disposition; Software design目录不要删除行尾的分节符，此行不会被打印摘 要IAbstractII第1章 绪论51.1

8、课题背景51.2 课题目的和意义51.3 国内外发展现状61.4 本文研究的主要内容7第2章 污水处理系统工艺流程82.1 SBR的结构及工作原理82.2 PLC控制系统设计原则与步骤92.3 污水处理工艺过程阐述102.4 PLC与MCGS组态软件的通信112.5 本章小结13第3章 电气控制系统方案的选择及硬件设计143.1 PLC的工作原理143.1.1 循环扫描技术143.1.2 PLC的输入/输出响应时间153.2 SBR污水处理电气控制系统设计要求153.3 SBR污水处理电气控制系统的总体设计163.3.1 设计过程163.3.2 控制系统方案设计173.3.3 SBR污水处理电

9、气控制系统硬件电路设计173.4 本章小结25第4章 污水处理系统的软件设计264.1 污水处理系统软件设计的总体概述264.2 污水处理各个子程序的设计264.2.1 粗、细格栅除污机控制子程序的设计264.2.2 进水阀门控制子程序的设计284.2.3 空气阀门、潜水搅拌机、回流污泥泵控制子程序的设计294.2.4 滗水器控制子程序的设计304.3 本章小结31第5章 MCGS组态软件在本系统中的应用325.1 对上位机监控软件的要求325.2 上位机设计325.2.1 定义数据对象335.2.2 主画面的设计355.2.3 实时报警385.2.4 设备与变量连接395.3 程序调试运行及

10、安全机制405.4 本章小结41结 论42致 谢43参考文献44第1章 绪论1.1 课题背景地球虽然有70.8的面积为水所覆盖，但淡水资源却极其有限，人类真正能够利用的是江河湖泊以及地下水中的一部分，仅占地球总水量的0.26，而且分布不均。全世界每天约有200吨垃圾倒进河流、湖泊和小溪，每升废水会污染8升淡水。世界上许多国家正面临水资源危机： 12亿人用水短缺，30亿人缺乏用水卫生设施1。中国污水处理行业概况:(1) 中国水资源人均占有量少，空间分布不平衡。随着中国城市化、工业化的加速，水资源的需求缺口也日益增大。在这样的背景下，污水处理行业成为新兴产业，目前与自来水生产、供水、排水、中水回用

11、行业处于同等重要地位。(2) 虽然由于国家和各级政府对环境保护重视程度的不断提高，中国污水处理行业正在快速增长，污水处理总量逐年增加，城镇污水处理率不断提高。但目前中国污水处理行业仍处于发展的初级阶段。(3) 一方面，中国目前的污水处理能力尚跟不上用水规模的迅速扩张，管网、污泥处理等配套设施建设严重滞后。另一方面，中国的污水处理率与发达国家相比，还存在着明显的差距，且处理设施的负荷率低。(4) 因此中国应完善污水处理的政策法规，建立监管体制，创建合理的污水处理收费体系，扶植国内环保产业发展，推进污水处理行业的产业化和市场化。污水处理行业是一个朝阳产业，发展前景十分广阔。中国污水处理行业由此迎来

12、高速发展期2。1.2 课题目的和意义世界上任何国家的经济发展，都会推进社会进步、促进工农业生产能力，使人民的生活得到进一步改善，尤其在工业革命之后，各国经济飞速发展，全球大量的不可再生资源（例如石油）被利用。如果这些污水无净化排出必定会给周围环境造成很大的污染，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，严重的影响了全国的经

13、济建设和发展。特别是我国北方城市，如北京、天津、沈阳等城市水资源更为短缺。在这种情况下，污水更加不能随便外排，而是要净化之后合理利用。我国污水处理的电耗为0.365kWh/m3、日本为0.304 kWh/m3、美国为0.243kWh/m3，因此建设符合我国具体情况的污水厂自动控制系统对降低污水处理成本、改善环境、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3。1.3 国内外发展现状由于控制技术、网络通讯技术以及现场总线技术的飞速发展，国外的污水处理厂很早就实现了污水处理厂的网络控制，如DCS/FCS系统，同时国外较早的将SCADA技术引入到了给水排水工程中，并取得了良好的经济效益和社会

14、效益。国外同时注重水处理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、Schneider的TSX Quantum DO、化学需氧量COD分析仪。国外污水处理自控系统主要有以下特点：大量采用在线监控的水质分析仪表，对全厂的水质实行实时的监测，并有上位机记录下来，提高了测量精度;生产过程中不同程度上采用了智能控制，可以根据水质和水源的变化自动的调整相应的控制方式;大量采用遥控、遥测设备；并开始有效地利用社会信息资源，如电话网络、移动电话网络、国际互联网、气象信息等。与国外相比，我国污水处理自动化控制起步较晚，70年代开始采用热工仪表，实

15、行集中巡检；80年代应用分析仪表和DCS系统；到90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升。从外国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、新设备的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：手动和自动兼备，自制和引用并举。可以看出我国污水处理自控系统有以下特点：对于新建的污水处理厂，引进了计算机分散控制系统，手动和自动并存的控制方式。大部分以前建设的污水处理厂自动化程度仍然很低;国产在线仪表的稳定性还没有达到要求，所以大部分采用进口的在线仪表，但由于进口仪表价格昂

16、贵，所以应用并不广泛。水质的检测主要是有实验人员通过实验来测量;各个控制站之间完全独立，无信息交换。并且各个控制单元由于内部资源的限制，只是实现了简单的时间控制和逻辑控制;上位机监控软件很少使用，几乎没有中控室，不能对全厂的设备实行实时监控，而一些报表的工作也主要是有厂里的工作人员手工完成。通过对比，不难看出整体上和国外相比我国污水处理的自控系统仍然存在很大的差距，但是我国的应用前景却非常广泛、潜力很大4。1.4 本文研究的主要内容本文论述了污水处理工艺及污水处理系统的组成和PLC控制系统的设计， 主要由以下内容组成：(1) 介绍了污水处理的基本内容，包括污水处理的发展及污水处理的工艺流程。(

17、2) 介绍了PLC的基本结构和工作原理，并对污水处理控制系统进行设计分析。(3) 具体设计污水处理的硬件系统及软件系统。双击上一行的“1”“2”试试，J(本行不会被打印，请自行删除)第2章 污水处理系统工艺流程2.1 SBR的结构及工作原理本论文中的污水处理采用SBR污水处理工艺，即序批式间歇活性污泥法。SBR采用时间分割的操作方式替代传统的空间分割方式，可以适应工业生产连续产生大量污水的特点。SBR废水处理系统分别由粗细格栅除污池、集水池、SBR反应池、储泥池、水泵、鼓风机和电动阀门等部分组成，在粗细格栅除污池、集水池、SBR反应池、储泥池中分别设置液位开关，用以检测水池与水箱中的液位。本文

18、采用4个SBR池循环处理的工艺，并结合PLC技术，以期实现污水处理过程的实时检测和控制，保障生产过程的连续性，降低劳动强度。此工艺由4个池组成，每个SBR处理周期包括进水、生化反应（曝气）、沉淀、排放等工序，污水在SBR中按序列间歇地进入每个反应工序。曝气使好氧、缺氧和厌氧状态交替进行，最终达到脱碳、脱氨和脱氮的目的。此外还有保证SBR的用风量。SBR的布置图如图2-1所示。图2-1 SBR池的布置图在充氧阶段，SBR反应池去除有机物的机理与普通活性污泥法相同。不同点是，运行时，进水、反应、沉淀、排水、空载排泥5个工序在同一SBR反应池中周期性运行。当污水进入反应池后，与池内空载期的污泥混合，

19、污水中的有机物被菌胶团吸附，并开始生物降解。反应结束后经过沉淀期，上部的水逐渐变清，利用滗水器将水排出，最后排出污泥5。2.2 PLC控制系统设计原则与步骤PLC控制系统是为工艺流程服务的，所以它首先要很好的实现工艺提出的控制要求。PLC控制系统的设计应遵循以下原则：(1) 最大限度地满足被控对象的控制要求。(2) 保证PLC控制系统安全可靠。(3) 力求简单、经济、适用及维修方便。(4) 适应发展的需要6。PLC控制系统的设计与调试应遵循一定的步骤。整体的设计步骤如图2-2所示。图2-2 设计步骤示意图(1) 控制要求分析在设计PLC控制系统之前，必须对工艺过程进行细致的分析，详细了解控制对

20、象和控制要求，这样才能真正明白自己所要完成的任务，设计出令人满意的控制系统。(2) 确定输入/输出设备根据控制要求选择合适的输入设备和输出设备。并根据所选用的输入/输出设备的类型和数量，确定PLC的I/O点数。(3) 选择合适的PLC因为实验室只有一种三菱的FX系列PLC，而且用此PLC可以满足控制要求，因此本课题的PLC选择三菱的FX1N。(4) I/O点数分配点数分配就是规定PLC的I/O端子和输入/输出设备的对应关系。(5) PLC程序设计本阶段就是根据控制对象和控制要求对PLC进行编程。首先把工艺流程分为若干阶段，确定每一阶段的输入信号和输出要控制的设备，还有不同阶段之间的联系，然后画

21、出程序流程图，最后再进行程序编制。(6) 组态设计根据控制要求，模拟控制现场，在组态软件上进行组态设计。(7) 模拟调试程序编好后，可以用按钮和开关模拟数字量，与组态软件相连接，进行模拟调试，使控制程序基本满足控制要求。(8) 撰写论文以上步骤都完成后，整理有关的文档、程序，进行论文的撰写7。2.3 污水处理工艺过程阐述(1) 进水进水阀门打开，污水通过粗格栅，经过水泵，然后再经过细格栅过滤，污水到达集水池，再根据控制要求，将集水池中的污水分步骤逐次地注入各个SBR反应池。(2) 反应反应工序是SBR工艺最重要的一道工序。当污水注入达到预定容积后，停止进水，空气阀门打开，鼓风机启动，开始曝气，

22、同时潜水搅拌机和回流污泥泵运行，可开始反应操作，如驱除BOD、硝化、磷的吸收以及反硝化等7。根据反应需要达到的程度，进行曝气和搅拌，并决定反应时间的长短。潜水搅拌机与曝气系统混合使用，使能耗大幅度降低，充氧量明显提高，创建水流，加强搅拌功能，防止污泥沉淀，有效防止沉淀。(3) 沉淀当SBR池停止曝气以后，空气阀门关闭，同时潜水搅拌机、回流污泥泵也停止运行。开始重力沉淀和泥水分离。(4) 排水SBR池达到高水位，并经过沉淀工艺以后，上清液由滗水器缓慢排除池外。当池水位达到设定的最低水位时，滗水器停止运行。同时，剩余污泥泵在滗水器停止运行后开始运行，排泥至储泥池。系统有4台滗水器，分别位于4个SB

23、R反应池内。滗水器通过PLC可编程控制器实现自动控制。当SBR反应池的静置时间结束，且液位满足要求时，滗水器开始运行8。2.4 PLC与MCGS组态软件的通信从总体上讲，组态软件是由系统开发环境和系统运行环境两个部分组成的。系统开发环境是自动化工程设计工程师为实施其控制方案，在组态软件的支持下进行应用程序的系统生成工作所必须依赖的工作环境。通过建立一系列用户数据文件，生成最终的图形目标应用系统，供系统运行环境运行时使用。系统开发环境由若干个组态程序组成，如图形界面组态程序、实时数据库组态程序等。系统运行环境是在系统运行环境下，目标应用程序被装入计算机内存并投入实时运行。系统运行环境由若干个运行

24、程序组成，如图形界面运行程序、实时数据库运行程序等9。MCGS系统结构图如图2-3所示。图2-3 MCGS软件系统结构图运用MCGS 6.2建立运行程序的一般过程：(1) 启动MCGS组态环境，建立工程项目。(2) 进行设备配置。设备配置的目的是实现上下位机通讯，即实现计算机与智能仪表之间的连接。通过设备窗口配置数据采集与控制输出设备，注册设备驱动程序，定义连接与驱动设备用的数据变量。(3) 构造数据库。在实时数据库窗口建立新的数据库文件。要求与设备要求的数据库一致。该窗口定义不同类型和名称的变量，作为数据采集、处理、输出控制、动画连接及设备驱动的对象。(4) 制作图形画面，在用户窗口实现。主

25、要用于设置工程中人机交互的界面，例如：生成水位变化的动画显示画面、报警输出、数据与曲线图表等。(5) 在主控窗口建立新工程。主控窗口中可以放置一个设备窗口和多个用户窗口，负责调度和管理这些窗口的打开或关闭。主要的组态操作包括：定义工程的名称， 编制工程菜单，设计封面图形，确定自动启动的窗口，设定动画刷新周期，指定数据库存盘文件名称及存盘时间等。(6) 链接。动画链接是将动画与数据库变量建立联系，当数据库变量发生改变时动画就可以表现出来。即当水箱中水位发生变化时，动画可以适时显示。(7) 调试。当以上步骤完成以后，先进行组态检查通过后就可以进入运行环境调试10。2.5 本章小结 本章主要介绍了S

26、BR污水处理的整个工艺流程，PLC控制系统的控制原则以及设计步骤，应用组态软件的一般过程。接下来的设计应按照这个原则和步骤进行设计，有条理的逐步完成本次毕业设计及论文的撰写。第3章 电气控制系统方案的选择及硬件设计3.1 PLC的工作原理PLC与继电器构成的控制装置的重要区别之一就是工作方式不同，继电器控制是并行运行方式，即如果输出线圈通电或断电，该线圈的触点立即动作，只要形成电流通路，就有可能有几个电器同时动作。而PLC则不同，它采用循环扫描技术，只有该线圈通电或断电，并且必须当程序扫描到该线圈时，该线圈触点才动作，而且每次只能执行一条指令，这也就是说明PLC是以“串行”方式工作的，这种工作

27、方式可以避免继电器控制的控制的触点竞争和时序失配等问题。也可以说，继电器控制装置根据输入和逻辑控制结构就可以直接得到输出，而PLC控制则需要输入传送、执行程序指令、输出3个阶段才能完成控制过程。3.1.1 循环扫描技术PLC循环扫描可分为3个阶段：输入阶段（将外部输入信号的状态传送到PLC）、执行程序阶段和输出阶段（将输出信号传送到外部设备）。(1) 输入阶段在这个阶段中，PLC先进行自我诊断，然后与编程器或计算机进行通信，同时中央处理器扫描各个输入端并读取输入信号的状态和数据，并把它们存入相应的输入存储单元。(2) 执行程序阶段在这个阶段中，PLC按照由上到下的次序逐步执行程序指令。从相应的

28、输入存储单元读入输入信号的状态和数据，然后根据程序内部继电器、定时器、计数器、数据寄存器的状态和数据进行逻辑运算，得到运算结果，并将这些结果存入相应的输出存储器单元。这一阶段执行完后，进入输出阶段。在这个程序执行中，输入信号的状态和数据保持不变。(3) 输出阶段在这个阶段中，PLC将相应的输出存储单元的运算结果传送到输出模块上，并通过输出模块向外部设备传送输出信号，开始控制外部设备。3.1.2 PLC的输入/输出响应时间I/O响应时间是指某一输入信号从变化开始到系统相关输出端信号的改变所需要的时间。因为PLC的循环扫描工作方式，所以收到输入信号的时刻不同，响应时间的长短也就不同。下面就给出最短

29、和最长响应时间。最短响应时间：一个扫描周期刚结束就收到输入信号，即收到这个输入信号与开始下一个扫描周期同时，这样的响应时间最短。考虑到输入电路和输出电路的延时，所以最短响应时间应大于一个扫描周期。最长响应时间：一个扫描刚完成输入读取后才接到输入信号，这样这个输入信号在该扫描周期将不会发生变化，要等到下一个扫描周期才能得到响应，这时的响应时间最长11。3.2 SBR污水处理电气控制系统设计要求(1) 控制装置选用PLC作为系统的控制核心，根据工艺要求合理选配PLC机型和I/O接口。(2) 执行自动工作方式，应能按照工艺要求编辑程序并可实时整定参数。(3) 驱动搅拌机为正、反转双向运行，因此要在P

30、LC控制回路加互锁功能。(4) PLC的接地应按手册中的要求设计，并在图中表示或说明。(5) 为了设备安全运行，考虑必要的保护措施，如电动机过热保护、控制系统短路保护等。(6) 绘制电气原理图：包括主电路、控制电路、PLC硬件电路。(7) 选择电器元件、编制元器件目录表。(8) 绘制接线图、电控箱布置图和配线图、控制面板布置图和配线图等。(9) 采用梯形图或指令表编制PLC控制程序12。3.3 SBR污水处理电气控制系统的总体设计 3.3.1 设计过程(1) 系统由一台粗格栅除污机，由时间间隔控制其开或者停。为了调试方便，设置开5S，关5S。粗格栅池有两个浮球开关，分别标示着池中污水的液位上限

31、值和下限值。如果液位达到上限值，前面的水泵1关闭，如果液位达到下限值，后面的水泵2关闭。(2) 两台水泵，水泵2和水泵3，由时间和浮球开关同时控制，当粗细格栅除污机工作时，水泵不工作，当粗格栅除污机不工作时两台水泵工作。细格栅池水位高时，关闭水泵3。(3) 细格栅除污机，由时间控制其开或者停。为方便调试，设置开5S，关5S。细格栅池有两个浮球开关，分别标示着池中污水的液位上限值和下限值。如果液位达到上限值，前面的水泵3关闭，如果液位达到下限值，后面的调节阀2关闭，以维持系统的正常运行。(4) 皮带运输机在粗格栅除污机工作一定时间后开始工作，设置粗格栅除污机工作2S后，皮带运输机开始工作。粗细格

32、栅除污机同用一台皮带运输机。(5) 污水经过细格栅除污机后进入集水池，当集水池处于低水位时，关闭集水池后面与其相连的所有阀门。集水池中应用4个浮球开关，实时监测集水池中水位的变化，当水位非常高时，发报警信号。(6) 4个SBR池，每个池中都有2个浮球开关监测池水的水位。SBR池内进水阀门依次开启，当1#SBR池水位升到一定液位后关阀门，然后开2#SBR池进水阀门，2#SBR池水位升到一定液位后关阀门，然后开3#进水阀门，依次类推。(7) 进水阀门关闭后，空气阀门开启，潜水搅拌器和回流污泥泵同时开启。S B R池的水位有限制，水位太高会溢出池外，水位太低则不能满足曝气的要求， 因此设置水位保护。

33、在进水阶段，如达到高水位则停止进水，如水位太低则不曝气重新进水。一定时间后关闭空气阀门，潜水搅拌器和回流污泥泵也随之关闭。(8) 空气阀门关闭5S后，滗水器开始运行，将池内的上清液排出，当SBR池液位下降到一定高度后停止运行。(9) 剩余污泥泵在滗水器停止运行后开始运行，排泥至储泥池。储泥池液位达到高液位后停止运行。(10) 当开启一个空气阀门时开启一台鼓风机，开启两个或三个空气阀门时开启两台鼓风机。(11) 脱水机按水处理工艺要求工作，单体为自动化组。3.3.2 控制系统方案设计(1) SBR废水处理系统控制对象电动机均由交流接触器完成起、停控制，搅拌机要采用正、反转控制。(2) 粗细格栅除

34、污池、集水池、SBR反应池、储泥池等的液位检测开关，在选型时考虑抗干扰性能，选用电极考虑耐腐蚀性。(3) 粗细格栅除污机、各个水泵、鼓风机电动机、搅拌机分别采用热继电器实现过载保护，其热继电器的常开触点通过中间继电器转换后，作为PLC的输入信号，用以完成各个电动机系统的过载保护。(4) 鼓风机的控制要求在无负载条件下起动或停机，需要在曝气管路上设置空气阀。(5) 主电路用断路器，各负载回路和控制回路以及PLC控制回路采用熔断器，实现短路保护。(6) 电控箱设置在控制室内。控制面板与电控箱内的电器板用BVR型铜导线连接，电控箱与执行装置之间采用端子板连接。(7) PLC选用继电器输出型。(8)

35、PLC自身配有24V直流电源，外接负载时考虑其供电容量。PLC接地端采用第三种接地方式，提高抗干扰能力。3.3.3 SBR污水处理电气控制系统硬件电路设计1. 主电路设计 SBR污水处理电气控制系统主电路如图3-1所示。图3-1 SBR污水处理电气控制系统主电路主回路中交流接触器KM1、KM2、KM3、KM4、KM5分别控制格栅除污机M1、滗水器M2、鼓风机M3、剩余污泥泵M4、回流污泥泵M5；交流接触器KM6、KM7控制潜水搅拌机M6，KM8、KM9控制集水池搅拌机，两个搅拌机通过正、反转完成对污水的搅拌功能。电动机M1、M2、M3、M4、M5、M6、M7由热继电器FR1、FR2、FR3、F

36、R4、FR5、FR6、FR7实现过载保护。 QF为电源总开关，既可完成主电路的短路保护，又起到分断三相交流电源的作用，使用和维修方便。熔断器Fu1、Fu2、Fu3、Fu4、Fu5、Fu6、Fu7分别实现各负载回路的短路保护。2. 交流控制电路设计 SBR污水处理系统交流控制电路如图3-2所示。图3-2 SBR污水处理系统交流控制电路控制电路有电源指示HL。PLC供电回路采用隔离变压器TC，以防止电源干扰。隔离变压器TC的选用根据PLC耗电量配置，可以配置标准型、变比1：1、容量100VA隔离变压器。粗细格栅除污机、滗水器1、滗水器2、滗水器3、滗水器4、鼓风机1、鼓风机2、剩余污泥泵1、剩余污

37、泥泵2、剩余污泥泵3、剩余污泥泵4、回流污泥泵1、回流污泥泵2、回流污泥泵3、回流污泥泵4、潜水搅拌机1、潜水搅拌机2、潜水搅拌机3、潜水搅拌机4、集水池搅拌机，都有运行指示灯HL1HL21，由KM1KM9接触器常开辅助触点控制。几台电动机M1、M2、M3、M4、M5、M6、M7的过载保护，分别由热继电器FR1、FR2、FR3、FR4、FR5、FR6、FR7实现，将其常闭触点并联后与中间继电器KA1连接构成过载保护信号，KA1还起到电压转换的作用，将220V交流信号转换成直流24V信号送入PLC完成过载保护控制功能。3. 搅拌机电路的设计在集水池中要用到搅拌机，主要实现的功能是使集水池的污水中

38、所含物质分布均匀，以便PH检测传感器能够正确的检测到水池中污水的PH值。搅拌机电路如图3-3所示。图3-3 搅拌机电路4. 主要参数计算断路器QF脱扣电流。断路器为供电系统电源开关，其主回路控制对象为电感性负载交流电动机，断路器过电流脱扣值按电动机起动电流的1.7倍整定。SBR废水处理系统有3kW负载电动机两台，起动电流较大，其余五台为1.1kW以下，起动电流较小，而且工艺要求7台电动机单独起动运行，因此可根据3kW电动机选择自动开关QF脱扣电流IQF：IQF1.7IN=1.76A10.2A10A，选用IQF10A的断路器。熔断器FU熔体额定电流IFU。以鼓风机为例，IFU2IN22.5A5A

39、，选用5A的熔体。其余熔体额定电流的选择，按上述方法选配。控制回路熔体额定电流选用2A13。5. PLC控制电路设计 包括PLC硬件结构配置及PLC控制原理电路设计。硬件结构设计。了解各个控制对象的驱动要求，如：驱动电压的等级、负载的性质等；分析对象的控制要求，确定输入/输出接口（I/O）数量；确定所控制参数的精度及类型，如：对开关量的控制、用户程序存储器的存储容量等；选择适合的PLC机型及外设，完成PLC硬件结构配置。根据上述硬件选型及工艺要求，绘制PLC控制电路原理图，绘制PLC控制电路，编制I/O接口功能表。图3-4为SBR污水处理系统PLC控制电路原理图。图3-4 SBR废水处理系统P

40、LC控制电路原理图PLC输入回路中，信号电源由PLC本身的24V直流电源提供，所有输入COM端短接后接入PLC电源DC24V的（）端。输入口如果有有源信号装置，需要考虑信号装置的电源等级和容量，最好不要使用PLC自身的24V直流电源，以防止电源过载损坏或影响其他输入口的信号质量。PLC采用继电器输出，每个输出点额定控制容量为AC250V，2A。表1和表2分别为SBR污水处理系统PLC输入和输出接口功能表。表1 数字量输入地址分配表X0总开关开启X1总开关停止X2SQ16X3SQ17X4集水池浮球LT10aX5集水池浮球LT10bX6集水池浮球LT10cX7集水池浮球LT10dX101#SBR池

41、浮球LT20a高液位X112#SBR池浮球LT20b高液位X123#SBR池浮球LT20c高液位X134#SBR池浮球LT20d高液位X141#SBR池浮球LT20a低液位X152#SBR池浮球LT20b低液位X163#SBR池浮球LT20c低液位X174#SBR池浮球LT20d低液位X20储泥池浮球LT30a高液位X24SQ12X25SQ13X26SQ14X27SQ15表2 数字量输出地址分配表Y0粗栅格除污机Y1调节阀7Y2水泵2Y3水泵3Y4细栅格除污机Y5调节阀8Y6皮带运输机Y7排泥阀1Y10集水池液位报警Y11调节阀3Y12调节阀4Y13调节阀5Y14调节阀6Y151#SBR池空气

42、阀门、潜水搅拌机、回流污泥泵Y162#SBR池空气阀门、潜水搅拌机、回流污泥泵Y173#SBR池空气阀门、潜水搅拌机、回流污泥泵Y204#SBR池空气阀门、潜水搅拌机、回流污泥泵Y211#SBR池滗水器Y222#SBR池滗水器Y233#SBR池滗水器Y244#SBR池滗水器Y251#SBR池剩余污泥泵Y262#SBR池剩余污泥泵Y273#SBR池剩余污泥泵Y304#SBR池剩余污泥泵Y311#鼓风机Y322#鼓风机Y33水泵1Y34调节阀2Y35酸液罐无药液Y36碱液罐无药液Y37排泥阀2Y40备用Y41PH值6.57.5Y42PH值34Y43PH值45Y44PH值56Y45PH值66.5Y4

43、6PH值7.58Y47PH值89Y50PH值910Y51PH值1011 6. 电控箱布置图和配线图、控制面板布置图和配线图的设计电控箱电器板原件布置图如图3-5所示，电控箱电器面板元件布置图如图3-6所示。 图3-5电控箱电器板元件布置图 图3-6电控箱电器面板元件布置图3.4 本章小结本章主要是对污水处理系统的主电路和控制电路进行设计，由于条件有限，在完成系统控制要求的前提下，要适当减少输入输出点数，尽量选择一套比较好的设计方案。第4章 污水处理系统的软件设计4.1 污水处理系统软件设计的总体概述为了能对污水处理系统进行集中监控，本次设计采用PLC和微机组成控制系统。PLC选用日本三菱公司F

44、X系列可编程序控制器。软件变成采用FXGPW1N实现，组态采用MCGS 6.2实现，PLC作为整个系统的控制中心，在系统过程中完成水泵、各个调节阀的动作，除污机和潜水搅拌机等的启停，液位检测信号的输入输出。图4-1为设计污水处理系统要编写的全部子程序，由这些子程序构成了完整的PLC梯形图设计，然后将PLC与MCGS组态软件连接，进行模拟调试。图4-1 污水处理系统子程序设计4.2 污水处理各个子程序的设计4.2.1 粗、细格栅除污机控制子程序的设计进站的污水可能含有大件的石头、木棒等污染物。粗栅格主要是将体积比较大的污染物过滤掉。在自动工作方式下，由时间间隔来控制两台粗栅格除污机的开和停。大件

45、的物体被粗栅格过滤掉，还会由部分偏小一点的污染物随着污水继续向前流，细栅格主要是将小号的污染物过滤掉。自动工作方式下，由时间间隔来控制两台细栅格除污机的开与停。粗细格栅除污机工作流程图如图4-2所示，对应的梯形图如图4-3所示。 图4-2粗、细栅格除污机工作流程图4-3 粗、细栅格除污机梯形图4.2.2 进水阀门控制子程序的设计当集水池水位高、很高或超高时，开1#SBR池进水阀门，水位上升到高水位后，关闭1#SBR池进水阀门；然后开2#SBR池进水阀门，2#SBR池水位上升一定高度后关闭2#SBR池进水阀门，开3#SBR池进水阀门，依此类推。SBR池进水阀门工作流程图如图4-4所示，对应的梯形

46、图如图4-5所示。图4-4 SBR池进水阀门工作流程图图4-5 进水阀门控制程序梯形图4.2.3 空气阀门、潜水搅拌机、回流污泥泵控制子程序的设计进水阀门关闭后，空气阀门开启，潜水搅拌器和回流污泥泵同时开启。SBR池的水位有限制，水位太高会溢出池外，水位太低则不能满足曝气的要求， 因此设置水位保护。一定时间后关闭空气阀门，潜水搅拌器和回流污泥泵也随之关闭。 其对应的梯形图如图4-6所示。图4-6 空气阀门、潜水搅拌机、回流污泥泵控制程序梯形图4.2.4 滗水器控制子程序的设计SBR法由于是周期排水，排水时池内水位是变化的，进水时水位由最低升至最高，出水时水位由最高降至最低，故SBR反应池出水管

47、位置必须设在最低水位以下。间歇式出水要求集中大流量排放，能在较短的时间内完成出水任务，如果出水管形状与方向不当，会扰动池中污泥层，出水时会带走大量活性污泥。因而，滗水器是SBR工艺排水的最好选择，它只撇出活性污泥沉淀后的上清水，在水位下降过程中保持水面平稳，不扰动下面的污泥层。大体上分以下几种滗水器，控制要求不同，可以选择不同的滗水器进行排水处理。1. 固定式管理滗水器优点是造价低，运行可靠，缺点是管理较多，操作较为繁琐，管路内易吸收表面浮泥及底部沉泥。2. 虹吸式滗水器优点是成本低，运行可靠，不易出故障；缺点是由于排水管的下端位于池水要求最低水位处，为了泥水分离彻底，其沉淀和排水时间相应较长

48、。3. 旋转式滗水器优点是运行可靠、负荷大，适用于大型装置，应用最为广泛。缺点是对机械、电动装置要求较高。4. 套筒式滗水器多为不锈钢制，造价偏高，且密封件为橡胶制品，寿命有一定限制14。滗水器控制程序梯形图如图4-7所示。图4-7 滗水器控制程序梯形图4.3 本章小结本章主要是对污水处理系统的软件编写梯形图，由于子程序较多，本章节挑出一些比较特殊的子程序进行介绍，并同时介绍了相应的控制设备的工作过程，进一步分析了系统工艺。 第5章 MCGS组态软件在本系统中的应用5.1 对上位机监控软件的要求组态软件上主要实现以下功能：(1) 对工艺系统进行集中监控，实现自动数据采集、数据处理、以及实时曲线

49、、历史曲线和报表输出等；(2) 完成SBR内相关设备的程序启动、时间启动等；(3) 实现集水池中酸碱液的自动添加；(4) 实现参数报警，使操作员在线了解各池中液位的变化情况。由于PH检测传感器、液位检测传感器等检测到的模拟量不能传入组态中，因此用数字量分段显示污水的PH值。用浮球开关检测污水的上下限值15。对监控软件的要求主要为：(1) 组态现场工艺流程画面，要求生动、形象；(2) 在自动方式下，在现场有关条件满足的情况下，可以通过中控室远程控制各个开关；(3) 被控对象的参数要求加以范围限制，超出范围要求报警；(4) 要求显示污水PH值的范围。5.2 上位机设计上位机设计包括：(1) 污水处

50、理远程计算机控制系统。它采用MCGS组态软件来控制和管理，是一套用来构造和生成计算机监控系统的组态软件，通过对现场数据的采集显示、报警处理、流程控制和报表输出等多种直观方式，向用户提供解决实际问题的方案。(2) 整个工程的系统构成及工艺流程，被监控对象的特征，主要监控要求和技术要求等。(3) 拟定组建工程的总体规划和设想，主要包括系统需要实现哪些功能。控制流程采用什么方式实现，需要用什么样的用户窗口界面，实现什么样的动画效果以及如何在实时数据库中定义数据变量等环节。同时，还要分析工程中设备的数据采集及输出通道与实时数据库中定义的变量的对应关系，要分清哪些变量是要求与设备相连接的，哪些变量是软件

51、内部用来传递数据及用于实现动画显示的等。上位机监控画面的设计：程序运行时首先进入主画面，显示污水处理的整个工艺流程，电机状态画面显示各个开关量的状态，液位报警窗口显示各个污水池水位的高低，并发出报警信号，PH值显示窗口显示集水池中污水的PH值范围，以便适时加入酸液或者碱液。期间如果用户想对画面进行操作，包括控制和更改参数，必须有操作员或者管理员的权限。在登入状态下，不同的用户有不同的权限，可以对给予授权的参数进行修改。在中央控制室的操作人员都可以对现场设备进行启、停控制。5.2.1 定义数据对象数据对象定义前需要对系统进行分析，确定需要的变量。数据对象是构成实时数据库的基本单元，建立实时数据库

52、的过程也就是定义数据对象的过程。定义数据对象的内容主要包括：(1) 指定数据变量的名称、类型等；(2) 确定与数据变量存盘相关的参数，如存盘的周期、存盘的时间范围和保存期限等。本系统需要的变量如图5-1所示。（续图）图5-1 数据对象的定义5.2.2 主画面的设计主画面显示整个污水处理厂的工艺流程。显示画面显示各个开关量的状态。如果想了解污水池的液位、电机的状态等情况，可以切换到某个分画面。点击“系统管理”将会出现下拉菜单“用户窗口管理”、“退出系统”，点击想要实现的功能。主画面上还有“PH值显示窗口”、“液位显示”、“电机状态窗口”、“报警数据”、“数据显示”、“历史数据”等菜单，点击可进入

53、相应画面进行操作。1. 编辑画面首先进入画面编辑环境，利用“插入元件”工具从元件库中选择所需要的阀门、泵、电机等设备，调整大小及位置，然后保存。画完后如图5-2所示。图5-2 工艺流程主画面2. 动画连接(1)液位实时显示动画效果的制作插入滑动输入器，双击设置，在操作属性中设置“对应数据对象的名称”为液位1，滑块在最左面时对应的值为0，在右面时对应的值为10。刻度与标注属性设置如图5-3所示。运行时，将光标移至液位1滑动输入的指针处，光标变成手形，按住鼠标想右拖动指针，液位显示随之发生变化。用这种方法可以人为模拟液位变化。 图5-3 刻度与标注属性设置(2)液位升降动画效果制作1) 在水位监控

54、画面中双击粗格栅除污池，弹出属性设置窗口，进入“动画连接”页如图5-4所示。 图5-4 将水罐进行动画连接2) 选中“折线”，右端出现的。3)单击进入属性设置窗口。在“大小变化”页按图5-5进行属性设置。图5-5 缩放连接4)单击“确认”按钮，完成粗格栅除污池的设置。5)用同样的方法建立细格栅池与液位2之间的动画连接。注意设置参数，表达式：液位2；最大变化百分比对应表达式的值：6。6)单击“保存”按钮。7)进入允许环境，拖动液位滑动器指针，可观察到水罐水位的升降变化的动画效果。同理。可设置其他几个水池的升降动画效果。5.2.3 实时报警实际运行时，可能会发生参数越极情况。报警显示是最基本的安全

55、手段。实时报警可提示操作人员进行及时处理，避免事故发生。历史报警能对指定时间内的所有参数越限情况进行记录、显示和打印，以便对系统运行情况进行分析。特别是在事故发生后，这种分析对于调查事故发生的原因很重要，本系统需设置报警的数据对象是液位组（包括液位1-9）。首先对组对象进行定义，然后双击“用户窗口”中的“水位监控”窗口，进入该画面。选取“工具箱”中的“报警显示”构件。如图5-6所示。图5-6 报警窗口双击报警窗口，弹出属性设置窗口，如图5-7所示。图5-7 报警窗口属性设置5.2.4 设备与变量连接在工作台“设备窗口”中双击“设备窗口”进入，点击工具条中的“工具箱”图标，点击“设备管理”按钮。

56、在通用设备中选择“通用串口父设备”和“三菱_FX系列编程口”，点击确认。在设备管理中先双击“通用串口父设备”再双击“三菱_FX系列编程口”。使“三菱_FX系列编程口”成为“通用串口父设备”的子目录。双击“通用串口父设备”设置如图5-8所示。图5-8 通用串口父设备属性编辑5.3 程序调试运行及安全机制将PLC和组态环境进行连接，模拟调试是否满足控制要求。工业过程控制中，应该尽量避免现场人为误操作所引去的故障或事故，因为某些误操作所带来的后果可能是致命性的。安全机制是为防止人为误操作建立的。避免操作的方法是对不同的操作、不同的人员规定不同的操作权限，使不具备操作权限的人员无法进行操作，从而使操作

57、人员各司其职，减少误操作的发生，提高系统安全性。 在MCGS中：(1) 可以定义无限多个用户组；(2) 每个用户中可以包含无限多个用户；(3) 同一个用户可以隶属于多个用户组。下面介绍安全机制的建立步骤：选择工具菜单中的“用户权限管理”，打开用户管理器。默认定义的用户：负责人；默认定义的用户组：管理员组，如图5-9所示。 图5-9 用户权限设置 (1) 双击负责人，弹出“用户属性设置”窗口。设置用户密码和确认密码；隶属用户组为：管理员组。单击“确定”按钮，回到“用户管理器”窗口。(2) 单击用户组名列表域内任意一个位置，进入用户组编辑状态，在窗口左下放出现“新增用户组”按钮。(3) 单击“新增

58、用户组”按钮，弹出“用户属性设置”对话框。进行如下设置，用户组名称：操作员组；用户组描述：成员仅能进行一般操作；在用户组成员组成员列表域的“负责人”前不打钩，即负责人。(4) 单击“确认”按钮，回到“用户管理器”窗口。此时用户组列表多了一个操作员组。下面要为操作员组增加一个成员。(5) 单击用户名列表域任意位置，“新增用户组”按钮变成“新增用户”按钮，单击，弹出“用户属性设置”对话框，设置参数。5.4 本章小结本章主要是按照上位机的设计要求，要考虑到保密及安全机制，对组态软件进行编辑，对模拟环境进行设计。设计完成后与PLC相连，实现模拟调试。结 论我之前在学校的图书馆里上网查找了有关方面的一些

59、资料，搜集了很多关于污水处理方面的资料，包括污水处理的发展、现状、工艺以及很多污水处理厂的信息。同时，我也借阅了一些PLC相关的书籍，进行了较为细致的分析，详细了解被控制对象和控制要求，这样才能真正明白自己所要完成的任务是什么。所以我首先对污水处理的工艺进行了细致的分析。通过学习得知污水处理有很多工艺，我选择了一种自动化程度较高，工艺比较简单的SBR法来进行我的设计。PLC集顺序控制和过程控制于一体，具有可靠性高，使用方便、灵活，组网简单的特点，是实现中小规模工业自动化的有力工具。在污水处理中，基于PLC的控制系统在实时性、可靠性、准确性等方面满足了设计要求。本次设计利用了PLC的特点，对粗细

60、格栅除污机、水泵、各种阀门等进行控制，从而实现了污水处理的自动化，保证了污水处理的顺利进行。我选择了FX2N系列的PLC。FX2N系列不仅具有小型可编程控制器所必需的：结构紧凑、基本性能、功能丰富、性能价格比高等优点，而且应用范围广泛。其强大的定位控制功能、丰富的设定、显示功能、丰富的通信功能是微型可编程器的增强版。由于本设计基于理论来完成，再加上本人知识有限，在系统设计中还有很多缺陷。由于污水处理为滞后系统，实际运行和控制效果可能不会像理论这样完善，还需要进一步对污水处理原理部分进行研究。致 谢本课题是在导师曲延滨教授亲切关怀和悉心指导下完成的，导师以渊博的学识和严谨的治学态度，为学生开拓了

61、研究视野，丰富了专业知识。先生谦逊无私的高尚品质、朴实真诚的做人原则和一丝不苟的敬业精神，对学生将永远的鞭策。在我毕业设计期间，曲延滨老师在学习、生活上都给予了我极大的关怀和鼓励。从论文选题、实验到最后论文的撰写，曲延滨老师都做了悉心的指导，并提出了许多宝贵的建议。藉此完成之际，借此机会谨向尊敬的曲延滨老师致以最衷心的感谢！感谢论文中参考的参考文献的作者；对于提供论文中隐含的上述提及的支持者以及研究思想和设想的支持者表示感谢。在论文的写作中，还得到了同学们的悉心指点，在此表示衷心的感谢！在此还要感谢电气工程及其自动化专业的全体老师，感谢他们对我的培养，使我在大学这四年的学习生活中受益匪浅。感谢

62、家人的关心与支持！感谢评阅和阅读本文的老师为此付出的辛勤劳动！最后，衷心地感谢在百忙之中评阅论文和参加答辩的各位老师、教授！忠心地祝愿各位身体健康、工作顺利。不要自己写，要利用word来自动生成。详情请看最后一页参考文献1 张卫娜.基于PLC的污水处理研究.沈阳航空工业学院学报.,15(3):67-682 Tellez,Gilbert T. Performance evaluation of an activated sludge system for removing petroleum hydrocarbons from oilfield produced water. Advances in Environmental Research .(6):15-173 Campos J C.Borges, R.M.H.Oliveira A.M Filho. Oilfield wastewater treatment by combined mjcrofiltration and biological processes. Water Research. (36):75-