毕业设计论文—基于PLC的污水处理控制系统设计

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1、 洛阳理工学院毕业设计 （论文） 洛阳理工学院2012届大专毕业论文（设计）论文题目：基于PLC的污水处理控制系统设计学生姓名：辛玲玲所在院系：洛阳理工学院所学专业：电气自动化技术导师姓名：蒋建虎完成时间：2012 年 5 月 19 日基于PLC的污水处理控制系统设计摘 要随着我国经济的快速发展和人民生活水平的提高，水环境的污染问题日益严重。全国许多小城镇没有污水处理设施 ，这不仅污染了当地水环境，影响了居民的身体健康，而且严重阻碍了经济的发展。省内多数民营企业在污水处理上投入不足，技术落后。随着制造业的进一步发展，排放到环境中的污水量日益增多，严重威胁人们的身心健康。因此，加快推行污水处理项

2、目的实施已刻不容缓。 传统的污水处理过程控制系统不但需要专门人员到现场进行手工的操作和监视，导致对系统的意外事件反应较慢，而且无法对水质的变化做出反应和调整，从而限制了污水处理的稳定性和处理质量。 本文介绍了工厂污水处理的基本工艺和流程，并通过研究设计一套基于PLC控制的污水处理系统。文章首先介绍了基于PLC污水处理控制系统的工艺及相关流程，控制系统硬件结构及设计、工作原理以及设计PLC控制系统的基本原则和步骤，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器控制与自动控制线路，主要包括设备的启停、状态信号故障信号、和信号采集等，最后按照工艺要求设计PLC控制系统，其中包

3、括PLC的选型、系统资源配置以及按照污水处理工艺编制PLC程序。关键词：污水处理，PLC，工艺流程 ABSTRACT With the rapid development of community economic & technology and the constant improvement of the level of living in our country, the pollution of water becomes more and more serious. the sewage come from industry and town living increase co

4、ntinuously, but the citys equipments which are used to drain sewage and dispose sewage are insufficient and some harmful substance which be not disposed were directly or indirectly pour into the river, then arose water pollution and appear to the problem about the aquatic environments pollution. The

5、 majority of private enterprises in the wastewater treatment of devoted inadequacy, backward technology. With the further development of manufacturing industries, the sewage discharged into the environment increasingly grow in quantity, a serious threat to peoples physical and mental health. Therefo

6、re, to accelerate the implementation of sewage treatment project has been carried out to brook no delay. The traditional wastewater treatment process control system not only needs the special personnel to the scene to the manual operation and monitoring system, lead to the accident with slower respo

7、nses, but not on the water quality changes and adjustments, thereby limiting the sewage treatment of stability and handling quality. This paper introduces the basic technology of sewage treatment plant and processes, and through the study design a system based on PLC control sewage treatment system.

8、 This article first introduces the sewage treatment control system based on PLC technology and related processes, control system hardware structure and design, working principle and design PLC control system, the basic principles and steps of PLC in sewage disposal to illustrate the application proc

9、ess. According to sewage treatment equipment design requirement for the electric control and automatic control circuit, mainly including equipment start-stop, state signal fault signal, and signal acquisition, finally according to requirement of process design PLC control system, including the selec

10、tion of PLC, system resources allocation and according to wastewater treatment process handle PLC program.Keywords：Sewage treatment ; PLC ;Process目 录前言1第1章 绪 论21.1污水处理的国内外现状 21.2 课题的背景、目的及意义21.3 课题主要设计的内容2第2章 污水处理控制系统总体介绍 42.1 污水处理基本概念42.2 常用的污水处理工艺42.3 本设计系统污水处理工艺及描述42.4 污水处理系统控制形式52.5 污水处理系统的功能要求5

11、第3章 控制系统的整体设计方案63.1 控制系统的设备组成及控制方式63.1.1 控制系统的设备及组成63.1.2 控制系统的控制方式63.2 电气控制方案6 3.2.1 水泵电气控制 3.2.2开关量控制图 3.3回路控制 3.3.1格栅机液位差控制回路 3.3.2溶解氧的回路控制 3.3.3PH值限的回路控制 3.4 设备选型及仪表清单第4章 污水处理系统硬件选型和设计74.1 PLC简介 74.1.1 PLC的特点74.1.2 PLC的主要组成及功能74.2 系统PLC设计7 4.2.1 PLC选型 4.2.2系统功能流程图 4.2.3I/O分配表 4.2.4外部接线图第5章 污水处理系

12、统的软件选型与设计8 5.1 组态王使用配置要求 5.2 创建一个工程的一般过程 5.3污水处理系统组态的建立 5.3.1定义新画面 5.3.2 定义IO设备85.3.3 构造数据库8 5.3.4创建动画连接 5.3.5 运行和调试 5.3.6动态分辨率转换结论9谢 辞10参考文献11英文文献及译文14前 言 由于我国污水处理上投入不足，人民对保护环境意识的淡薄以及技术的相对落后。因此，加强环境保护非常重要。污水处理过程主要通过技术人员现场检测、调试，依靠人工完成处理过程，如pH值的测定、液位的测定、温度的测定、泵的启停控制等等，若对这些指标和控制对象逐一实时检测和操作，无疑会耗费大量的人力物

13、力。随着我国新型工业化步伐的加快，自动控制系统逐渐被应用到污水处理工艺过程节约了能源，市场前景十分广阔。 在我国，随着经济的不断发展，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，给社会营造一个良好的环境，为人民造福。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

14、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，我国的水资源进一步紧张，严重缺水。与此同时，水资源的污染却日益严重，也因此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。可编程控制器为水污染环境的应用而设计，它采用可编制程序的存贮器，用来在其内部存贮执行逻辑运算、

15、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字式、模拟式的输入输出，控制各类型的机械或生产过程。是在继电器控制和计算机控制的基础上开发出来的，并逐步发展成以微处理器为核心，把自动化技术、计算机技术、通讯技术融为一体的新型工业自动控制装置。为了使可编程控制器与个人计算机PC区别，通常称之为PLC。 本系统构建了基于PLC的控制网络。为提高系统可靠性,PLC编程采用了一种简便实用的方式。从而实现污水处理过程的自动控制功能，同时与中央监控系统进行通信，上传数据和接受中央监控系统下发的控制命令。整个控制系统可以达到无人或少人值守的目的，大大提高污水处理的自动化水平。第1章 绪 论1.1 污水处

16、理的国内外现状 在国际上，大规模的水污染治理最早是在二战后，由于上世纪50年代经济蓬勃发展带来的60年代日益严重的环境污染而展开的，如英国的泰晤士河和欧洲的莱茵河等水系的污染和治理就是典型的例子。至70年代末，美国投入了数千亿美元兴建了18000余所城市污水处理厂，英国、法国、德国各耗费了巨额资金兴建了7000至8000座城市污水处理厂，这些污水处理厂的投入运行对这些国家的水体污染改观起了关键的作用，也为人类治理水污染积累了丰富的经验。经济发达国家除了非常重视污水处理的新理论和新技术之外，更重视污水处理自动控制问题，先后研究开发了各种高效性，智能型和集约型的污水处理和自动控制仪表，并采用了计算

17、机自动控制处理工艺，取得了较理想的效果。目前，先进的污水处理厂甚至已经用计算机进行数据记录和运行过程控制，实现了全自动无人值守控制模式。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。首先，水资源短缺与利用效率低下并存已严重制约着我国城市化进程。其次，对环保的要求日益提高，从对工业废水的排放到生活污水的处理都在力争和国际环保标准接轨。再次，从人民健康的角度考虑，饮用水和生活用水的水质要求也在增加。我国污水处理自动化控制起步较晚，进入上世纪90年代以后污水处理厂才开始引入自动控制系统，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

18、镇污水处理率不断提高，在这样的背景下，污水处理行业很快成为了新兴产业。但是，中国污水处理行业仍处于发展的初级阶段，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。但就我国国情而言，在污水处理控制系统方面的应用研究有着广阔的前景。目前国内外，广泛采用的污水处理自动控制系统结构形式有DCS系统、PLC控制系统、工业现场总线控制结构等。PLC是城市净水和污水处理的主流控制系统，随着中国对环保的日益重视，中国将建成更多的污水处理工厂来满足人们对污水处理方面的需要16J。1.2 课题的背景、目的

19、及意义未来10年，中国工业污水处理项目工程建设投资将超过2500亿元，其中工业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、环境效益及经济效益的研究课题。对于环境保护问题，国务院明确规定所有工业污染源都必须达到排放标。其中处理过的污水还可以循环再利用，由于我国是一个水资源匮乏的国家，而且时空分布上极不均匀，许多地区和城市严重缺水。所以水资源也是一种保护。因此，从环保、注水等多方面的因素考虑，对于工业污水处理非常有必要。因此

20、，有效的结合目前最新的工艺状况、计量自控检测仪表使用、PLC 控制系统技术，将为当前工业污水处理控制系统提供有效的自控方法。 世界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，使人民生活得到进一步改善，但是也随之带来不同程度的环境污染，污水也是造成环境污染的来源之一。这个污染源的出现引起了世界各国政府的关注，治理水污染环境的课题被列入世界环保组织的工作日程。我国是一个严重缺水的国家，虽然我国年平均水资源总最为28000 亿m2，居世界第6 位，人均水资源量为2220m2，居世界第110 位，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5O

21、个。据中国经济信息网分析统计，全国按目前正常需要，年缺水总里约为300 亿400 亿立方米，因缺水造成的经济损失每年达2300 亿。超过洪涝灾害。水资沟的匮乏和水资源的污染，己经严重的影响了人民的日常生活，严重的影响了我国的经济建设和发展。因此建设符合我国国情的污水厂自动控制系统对降低工业污水处理成本、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。1.3 课题主要设计的内容 本课题主要设计的内容是工业工业污水处理工艺及工业污水处理系统的组成和PLC控制系统设计,主要由以下内容组成：（1）介绍了工业污水处理的基本内容，包括工业污水处理的发展现状以及工业污水处理的工艺流

22、程；（2）介绍了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调试与运行。第2章 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、生活污水、生产污水或经过工业企业局部处理后的生产污水，往往都排入排水系统。这些污水除含有碳水化合物、蛋白质、氨基酸、动植物脂肪、尿素、氨、肥皂和合成洗涤剂等物质外，还含有细菌、病毒等使人致病的微生物。经处理后的污水，最后出路有三种：排放水体；灌溉田地；重复使用。污水污染物可根据化学性质和物理形态进行不同的分类。按化学性质，污水

23、中的污染物质可分为无机性物质和有机性物质，其化学元素以炭、氮、磷为主。按物理形态，污水中的污染物质可分为固体悬浮物即呈颗粒状的污染物质、胶体污染物质和溶解性污染物质。好氧有机污染物的性质稳定，在微生物的作用下，借助微生物的新陈代谢功能而降解为无机物，如二氧化碳、水、硝酸根离子等稳定的无机物。有机物的种类很多，其共性是在微生物的作用下被降解时，都要消耗水中的溶解氧，所以在工程实际中，采用以下的几个综合污染指标来表述：生物化学需氧量或生化需氧量（Bio-chemical Oxygen Demand, BOD）mg/L、化学需氧量(Chemical Oxygen Demand, COD) mg/L、

24、总有机碳(Total Organic Carbon) mg/L、总需氧量(Total Oxygen Demand) mg/L。虽然BOD20。能较精确地描述污水的生化需氧量，但其测定的时间太长，需20天。考虑到好氧分解速率一般在开始的几天最快，在20温度下，污水五日生化需氧量(BOD5)，约占BOD20的70%80%，因此把BOD5作为衡量污染水的有机物浓度指标。化学需氧量(COD)的特点是能够精确的表示污水中有机物的含量，并且测定时间短，但它不能像BOD那样表示出微生物氧化的有机物量。2.2 常用的污水处理工艺不同的污水处理对象，不同的污水处理环境，将需要有不同的污水处理工艺来处理。因此，在

25、选择污水处理工艺的时候必需要认真考虑当地污水的情况，以及实际的污水处理的环境。污水处理的方法主要有物理、化学、物理化学，以及生物等几种。这些方法根据实际情况，可以单一使用，也可以针对不同的污水混合使用。目前，污水处理的方法一般以生物处理法为主，辅以物理处理法和化学处理法。常用的污水处理工艺有以下几种。（1）传统活性污泥法。传统活性污泥处理法是一种最古老的污水处理工艺，其工业污水处理的关键组成部分为沼气池与沉淀池，主要处理部分关系框图如图2-1所示。曝气池（微生物吸附有机物氧化为无机物）沉淀池（活性泥下沉）回流活性泥原污水清水排出图2-1传统活性污泥法工艺流程图污水中的有机物在曝气池停留的过程中

26、，曝气池中的微生物吸附污水中的大部分有机物，并且在曝气池中被氧化成无机物，然后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。该工艺的优点有：有机物去除率高，污泥负荷高，池的容积小，耗电省，运行成本低。该工艺的缺点有：普通曝气池占地多，建设投资大，满足国家标准相关指标范围小、易产生污泥膨胀现象，磷和氮的去除率低。（2）A/O法。A/O法是在传统活性污泥法的基础上发展起来的一种污水处理工艺，其中A代表Anoxic（缺氧的），O代表Oxic（好氧的）。A/O法是一种缺氧-好氧生物工业污水处理工艺。该工艺通过增加好氧池与缺氧池所形成的硝化-反硝化反应系统，很好的处理了污水中的氮含量，具有明显的脱

27、氮效果。但是此硝化-反硝化反应系统需要得到很好的控制，这样就对该工艺提出了更高的管理要求，这也成为了该工艺的一大缺点。其工艺流程图如下：图2-2 A/O法工艺流程图（3）A2/O法。A2/O法也是在传统活性污泥法的基础上发展起来的一种污水处理工艺，其中A2，即A-A，前一个A代表Anaerobic（厌氧的），后一个A代表Anoxic（缺氧的）；O代表（好氧的）。A2/O是一种厌氧缺氧好氧污水处理工艺。A2O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污水处理。因此，在对除磷脱氮有特别要求的污水处理厂，一般首选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（4

28、）A/B法。A/B法是吸附生物降解法的简称，该工艺没有初沉淀，将曝气池分为高低负荷两段，并分别有独立的沉淀和污泥回流系统。高负荷段停留时间约为2040min，以生物絮凝吸附作用为主，同时发生不完全氧化反应，去除BOD达50%以上。B段与常规活性污泥法相识，负荷较低。AB法中A段效率很高，并有较强的缓冲能力。B段起到出水把关作用，处理稳定性较好。对于高浓度的污水处理，AB法具有很好的适用性，并有较高的节能效益。尤其在采用污泥消化和沼气利用工艺时，优势最为明显。但是，AB法污泥产量较大，A段污泥有机物含量极高，因此必须添加污泥后续稳定化处理，这样就将增加一定的投资和费用。另外，由于A段去除了较多的

29、BOD，造成了碳源不足，难以实现脱氮工艺的要求。对于污水浓度低 的场合，B段也比较困难，也难以发挥优势。总体而言，AB法工艺较适合于污水浓度高，具有污泥消化等后续处理设施的大中规模的污水处理厂，且有明显的节能效果，而对于有脱氮要求的污水处理厂，一般不宜采用。（5）SBR法。SBR法是歇式活性污泥法的简称，是一种按照一定的时间顺序间歇式操作的污水生物处理技术，也是一种按间歇曝气方式来运行的活性污泥污水处理技术，又称序批式活性污泥法。其反应机理及去除污染物的机理与传统的活性污泥法基本相同，只是运行操作方式不尽相同。SBR法与传统的水处理工艺的最大区别在于它是以时间顺序来分割流程各单元，以时间分割操

30、作代替空间分割操作，非稳态生化反应代替生化反应，静置理想沉淀代替动态沉淀等。整个过程对于单个操作单元而言是间歇进行的，但是通过多个单元组合调度后又是连续的，在运行上实现了有序和间歇操作相结合。2.3 本设计系统污水处理工艺及描述本污水处理工艺流程图如下图2-4所示：2-4 工艺流程图从工厂排出的原污水必须先经过格栅处理，目的是通过格栅作用，把污水中带有的大块的杂质截留下来，防止造成后面管道的堵塞。继而经过一次沉沙池去除污水中裹携的砂、石与大块颗粒。再经过沉淀池进行一次沉淀处理，将水中的悬浮物尽可能的沉淀去除，大体能去除50%的悬浮物，25%左右的BOD。再经过粗格栅处理，为了能让污水顺利的通过

31、后续的设备，这样就要求提高水头的高度，使水头经过一定的重力加速度，产生一定的动能。又经过油格栅，将油污去除。通过初沉池将污泥再次过滤，经过曝气池处理，使微生物的新陈代谢，把污染物分解成CO2和H2O,曝气的目的就是让气相与液相产生更大的接触面，加快微生物的新陈代谢能力。再一次经过提升泵房提高水头的高度，使水头经过一定的重力加速度，产生一定的动能。经过化学处理后，配合泥浆制备，把从废水中沉淀出来的污泥进行处理。首先采取污泥浓缩、有机物浓缩、重力浓缩等方法。然后再进行泛氧中温消化。而对于重金属超标的污泥，经过脱水处理后要妥善处理，一般需要填埋，主要是为了不造成二次污染。最后通过二次沉淀池把污水中残

32、留的有机物沉淀掉，这样污水就变成了可以循环使用的净水了。2.4 污水处理系统控制形式早期的控制系统多采用继电器接触器控制系统，但随着电子技术的飞速发展，控制要求的不断提高，该类控制方法已不能满足现代工业污水处理系统的控制要求，因此已逐渐被淘汰，取而代之的是DCS、现场总线控制、PLC等控制方。（1）DCS系统。DCS是集散控制系统的简称，又称为分布式计算机控制系统，是由计算机技术、信号处理技术、测量控制技术、通信网络技术等相互渗透形成的。由计算机和现场终端组成，通过网络将现场控制站、检测站和操作站、控制站等连接起来，完成分散控制和集中操作、管理的功能，主要是用于各类生产过程，可提高生产自动化水

33、平和管理水平，其主要特点如下：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，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

34、统的控制器，实现控制系统的功能要求，也可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 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的作用，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较好的方案。

35、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强大的网络通信能力，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。第3章 控制系统的整体设计方案3.1 控制系统的设备组成及控制方式3.1.1 控制系统的设备及组成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

36、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）2、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

37、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45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

38、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。 3、 沉砂池、生化池、沉淀池、污泥回流泵房、脱水机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-TUR

39、BO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。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，

40、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。4、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

41、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45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

42、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）。3.1.2 控制系统的控制方式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。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

43、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。监控点的物理参数，均通过Profibus总线采样各个模拟量、数字量信号；控制信号同样有PLC输出，以Profibus总线送到各控制站，控制从站通过各种模块来控制执行机构的动作。如图3-1所示： 操作站Profibus1#PLC站2#PLC站3#PLC站 图3-1系统的控制结构图3.2 电气控制方案3.2.1 水泵电气控制 通常我们

44、所使用的电机泵类，其控制原理基本是一致的。因此这里以水泵的电气控制为例进行介绍。水泵的电气控制图如下图3-2所示：图3-2水泵电气控制图3.2.2 开关量控制图 开关量是我们学习中用到最多的输入、输出信号。PLC在控制电机的数字信号是往往会给每个电机设置备妥、应答、故障等数字输入信号，同时相应的设置电机的数字输出信号驱动信号，下图3-3显示的是这些开关量控制的接线控制图图3-3开关量控制图3.3 回路控制3.3.1 格栅机液位差控制回路生活污水中往往含有很多固体悬浮物，如塑料袋、树枝木块等，如果不将它们去除将会对后续的污水处理设备造成损坏。格栅除污机主要作用是去除污水中的大块固体杂物，保护后面

45、的设备和设施不受影响粗格栅间是污水的入口，格栅的投入由手动转为自动。启动格栅机，栅渣直接收集到格栅机后的运渣小车上，格栅机前后的液位差由超声波液位差计测量，以检验格栅是否堵塞。如液位差超过设定值，则清污机开始连续工作，直至液位差低于预设值。如果液位差继续增加，则触发报警。清污机按照设置时间工作。当一台除污机故障时，此除污机跳出自动程序，变为手动，并发出报普信号，另一台除污机继续执行自动程序；当全部除污机故障时，粗格栅自动程序停止，被控设备都变为手动并发出相应设备的报警信号，整个格栅的恢复运行不是自动执行，而是由操作员完成。格栅机液位差控制示意图如图3-4所示：图3-4 格栅机液位差回路控制结构

46、图3.3.2 溶解氧的回路控制用于测量污水中溶解氧的含量，溶解氧测量仪是污水处理的最重要的仪表之一，是调节曝气机鼓风量的重要依据。溶解氧的测定一般用薄膜法和碘量法，本次试验选用薄膜电极法。在污水处理过程中，通过曝气机的运行来控制氧化沟中溶解氧的浓度。曝气机的转速大小由电动机的转速调节。溶解氧控制系统的结构框图如图3-5所示。图3-5溶解氧控制回路的结构图图3-5中v表示曝气机转速，Q、S、X分别表示进水流量、氧化沟底物浓度、氧化沟MLSS中浓度；DOst、DOnt分别为水样中实际溶解氧浓度、溶解氧测量值。整个溶解氧控制系统由曝气机转速控制环节、曝气机曝气环节、曝气传质过程和溶解氧检测环节组成。

47、3.3.3 PH值限的回路控制 在污水处理过程中，PH值是表征水质的重要参数，中和池的PH值控制效果直接影响到出水水质，为提高控制效果和精度，系统采用PID控制，使出水PH值稳定控制在设定范围内，保证良好的控制效果。中和池为地上式池。加碱、加酸调PH值，内设机械搅拌系统，有效容积5一。中和池处所需的设备有：搅拌机l台，加药计量泵4台(备用2台)，PH计一套。PH反调池的PH值控制在8595pH之间，当PH值小于9opH时开启Ca(oH)2计量加药泵，当PH值大于等于9。OpH时C0H)2计量加药泵停止运行。中和池加碱、加酸调PH值，PH值控制在6875pH之间，当PH值大于等于75pH时开启H

48、2S04计量泵；当PH值出现异常时，即PH值小于68pH时开启NaOH计量泵。监测污水的酸碱度，当污水用过大或过小时都要采取特殊措施，以防活性污泥中的微生物死亡，影响处理效果选用LP-3000C型pH计，该表解析度0.01pH，精度等级0.05pH。 为解决酸碱泵会给泵造成很大损坏，提出2个pH值限的PLC自动控制方案。对于废水pH值的PLC自动控制系统，是使用两个pH值限的控制系统.两个pH值限是指pH值上限和pH值下限.当调节池中废水的pH值大于上限时打开酸阀，低于上限时关闭酸阀；当调节池中废水的pH值低于下限时打开碱阀，高于下限时关闭碱阀，这样便使设备控制在一定的范围内，不致于因频繁开关

49、而使设备损坏。PH值限的控制回路结构如下图2-8所示：图2-8 PH值限的控制回路结构图3.4 设备选型及仪表清单根据我们对各种仪器仪表的要求，依据型号、规格、数量、及单位和生产厂家都在下列表2中显示，以便使用。表2 仪表清单序号名称型号规格数量单位厂家粗格栅及进水泵房1超声波液位差计USK532/US-512(2)0-10m2套瑞普三元2超声波液位计US5030-10m1套瑞普三元3仪表箱500*400*3503套国产细格栅旋流沉砂池1PH计及温度计P33AINN/6028P0/MH474B0-14pH,-5951套HACH2超声波液位差计USK532/US-512(2)0-10m2套瑞普三

50、元3仪表箱500*400*3503套国产匀质池1超声波液位计US5030-5m1套瑞普三元2仪表箱500*400*3501套国产脱水机房1电磁流量计RPMAG62Y-01501111011DN1002套瑞普三元2仪表箱500*400*3502套国产计量井1超声波流量计XLBY-20000-2000m3/h1套瑞普三元2仪表箱500*400*3501套国产氧化沟1溶解氧仪D53A4A1N/5540D0A/MH276R00F0-20mg/l6套HACH2污泥浓度计-TXPRO-2+RD2400-10g/l2套HACH3仪表箱500*400*3508套国产二沉池1泥位计OptiQuant SLM0-

51、4m2套瑞普三元2仪表箱500*400*3502套国产污泥泵站1超声波液位计US5030-10m1套瑞普三元2超声波流量计XLBY-20000-2000m3/h1套瑞普三元3仪表箱500*400*3502套国产接触池及出水计量井1在线COD检测仪CODcr10-5000mg/l1套HACH2NH3-N测定仪57386-00/FILTRAX2-120mg/l1套HACH3超声波流量计XLBY-20000-2000m3/h1套瑞普三元4仪表箱500*400*3503套国产第4章 污水处理系统硬件选型和设计4.1 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

52、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。本系统要求改善信息管理，把PLC与上位微机的通讯能力远程I/O与微机通讯方式和手段作为选择的依据。PLC响应时间的影响因素有：输入信息时，CPU读解用户逻辑网络时间和输出时间。PLC的实时响应性还受到系统中最慢仪器的限制，与上位机的通讯也将增加服务时间。2、功能选择要根据不同的控制对象确定。具体有：替代继电器、数学运算、数据传递、矩阵功能、高级功能、诊断功能以及串行接口。3、输入输出模块选择。输入/输出模块是PLC与被

53、控对象之间的接口，模块选择得当否直接影响控制系统的可靠性。4、存储器类型及其容量选择。小型PLC作为单机小规模控制使用时，由于工艺简单、程序固定，多数使用EPROM或EPROM加RAM。对于中、大规模的PLC，往往用于工艺比较复杂，且多变的场合，程序改变较多，因此一般都使用CMOSRAM存储器，且有后备电池，以便关机时保存存储信息。根据控制规模和应用目的，我们按下列公式进行估算：（1）代替继电器MKm（10DI）（5DO）（2）模拟量控制MKm（10DI）（5DO）（100AI）（3）多路采样控制MKm（10DI）（5DO）（100AI）（1+采样点025）式中DI为数字（开关）量输入信号；D

54、O为数字（开关）量输出集中；AI为模拟量输入信号；Km为每个节点所占存储器字节数；M为存储器容量。我们还可在编完程序以后精确地计算出存储器实际使用容量。5、控制系统结构和方式的选择。用PLC构成的控制系统有集中控制、远程I/O控制和分布式控制等三种方式。6、支持技术条件。在选用PLC时，有无支持技术条件也是重要的选择依据。支持技术条件主要有：编程手段、程序文本处理、程序贮存方式和通讯软件包。通讯软件包往往是和通讯硬件一起使用的，如调制解调器等。4.1.1 PLC的特点（1）可靠性高，抗干扰能力强（2)编程简单、使用方便（3)体积小、重量轻、功耗低（4）循环周期短，处理速度快（5）存储容量大，运

55、行速度快。（6）指令集功能强大，可用于复杂功能。（7）CPU的智能化诊断系统连续不断的监控系统的运行，对不正常状态、错误和特殊系统事件进行记录或者警告。（8）系统允许设置多种级别的保护口令，可有效防止用户程序在未经允许的情况下被复制或修改。同时，在CPU模块面板上的工作模式选择开关是钥匙型的，钥匙取出后，就不能改变工作方式，也有利于防止删除或改写用户程序。4.1.2 PLC的主要组成及功能 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

56、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45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。4.2 系统PLC设计 4.2.1 PLC选型PLC是可编程控制器的简称，有下列优点:(1)控制程序可改变在污水厂生产工艺或流程改变的情况下，不必

57、改变PLC的硬件设备，只要改变相应的程序就可满足用户的要求。(2)适用于工业环境，具有高可靠性PLC产品的平均无故障时间达5年以上，因而它是一种高可靠的产品，大大地提高了生产设备的工作效率。 (3)PLC功能齐全 一般PLC具有开关量及模拟量输人/输出、定时、计数、逻辑和算术运算，顺序控制，PID调节，通信等功能。除了应用于开关量控制系统外，也可用于连续的流程控制系统，从而使污水处理设备的控制水平大大提高。（4）易掌握，便于维护使用人员只需掌握工程上通用的梯形图语言就可进行用户程序的编程和调试。因此，即使不懂计算机的人，也能掌握PLC。又由于PLC具有自诊断功能，因而较容易进行维护，查找出故障

58、原因12。由于PLC自身的高可靠性，也使其故障率几乎降至于零。正是PLC具有这么多的优点，才使越来越多的PLC应用到污水处理厂中13。本文采用日本松下电工公司的FP系列PLC，其型号位C16。PLC通过各种模块接口采样电信号；控制信号由PLC输出后以420mA电流形式送到执行机构，控制执行机构的动作。4.2.2 系统功能流程图在厂区电气自控的总体设计上，应在允许的条件下，提高污水处理厂的自动化程度。尽量做到无人值守。这一点对减少小型污水处理厂的单方经营成本有很重要的意 义。因为，尽管污水厂较小，如果没有自动化程度较高的自控系统，往往需要按岗定员，这样3000-20000吨/日的污水处理厂也需要

59、10-30人。实际 上，对于规模稍大的污水厂，定员也不过如此，所以相对人力成本很高。在条件允许的情况下，尽量提高污水厂的自动化程度。有条件时，还可在反应池等重要地方 安装摄像头，以监视污水厂的运行状况。在电缆布置上，也有着与大型污水处理厂不同的特点。各处理构筑物的电气与信号电缆的铺设应尽量结合构筑 物上的管沟和渠道，从整体效果来看，整个处理构筑物表面看不到任何电缆和管线的敷设，只有走道板及盖镀锌钢格板的管沟，既美观又便于维护管理。在某些情况 下，全厂的电缆沟可以借助某个构筑物实现。一般来讲，配电与信号传输从辅助处理单元（包括办公及变配电）要到水处理和泥处理单元，无论是先经过哪个处理单 元，都可

60、以在处理构筑物的侧壁上向池内挑出管沟，做为管道与电缆的通道，服务于本处理单元的同时，又可使电力和信号到达另一个处理单元。这样既方便了总图 的布置，又节省的工程造价。PLC构成的系统功能流程图（如图4-1所示）：图4-1 系统程序流程图4.2.3 I/O分配表（1）根据所需要的输入、输出可得出数字量输入输出地址分配如下表4.1所示：表4.1 数字量输入输出地址分配表表I0.0集水池液位计Q0.0加药控制I0.1集水池中转泵备妥信号Q0.1报警标志I0.2接收池液位计Q0.2集水池污水中转泵1I0.3接收池鼓风机备妥信号Q0.3集水池污水中转泵2I0.4调节池液位计Q0.4低速推流搅拌机1I0.5

61、调节池提升泵备妥信号Q0.5鼓风机2I0.6调节池鼓风机2备妥信号Q0.6调节池污水提升泵1I0.7调节池搅拌机1备妥信号Q0.7调节池污水提升泵2I1.0好氧曝气池1液位计Q1.0三叶罗茨风机I1.1曝气池1风机备妥信号 Q1.1污水中转泵5I1.2曝气池1中转泵备妥信号Q1.2污水中转泵6I1.3好氧曝气池2液位计Q1.3低速推流搅拌机2I1.4曝气池2中转泵备妥信号Q1.4污水中转泵3I1.5曝气池2低速推流搅拌机备妥信号Q1.5污水中转泵4I1.6辐流沉淀池液位计Q1.6中心刮泥机I1.7辐流沉淀池中心刮泥机备妥信号 Q1.7清水外排泵I2.0清水外排泵备妥信号Q2.0污水中转泵7I2.1加药备妥信号Q2.1污水中转泵8I2.2接收池中转泵备妥信