污水處理自動控制系統(tǒng)設計畢業(yè)設計論文

1、本科生畢業(yè)設計（論文）中文題目： 污水處理自動控制系統(tǒng)的設計 英文題目：wastewater treatment of the automatic control system design 院 系： 機械電子工程學院 專 業(yè)： 電子科學與技術 姓 名： 李 良 學 號： 200710330225 指導教師： 陳 昌 虎 起訖時間： 2010.11.20-2011.6.07 摘 要目前，我國大多數(shù)污水處理控制系統(tǒng)自動化水平不高、安全性低、管理不當，效率普遍低于世界標準。污水處理系統(tǒng)中的曝氣過程控制、數(shù)據(jù)通訊和監(jiān)控管理是急需解決的主要問題。中國污水處理自控系統(tǒng)相對落后，污水處理成本居高不下，污水

2、廠排放的處理過的污水的水質不穩(wěn)定，所以如何建立有效的自控系統(tǒng)，優(yōu)化運行效果，減少運行費用，具有重要意義。本文介紹了工廠污水處理的基本工藝和流程，并通過研究設計一套基于plc控制的污水處理系統(tǒng)。文章首先介紹了基于plc污水處理控制系統(tǒng)的工藝及相關流程，控制系統(tǒng)硬件結構及設計、工作原理以及設計plc控制系統(tǒng)的基本原則和步驟，來說明plc在污水處理過程中的應用。先根據(jù)污水處理要求設計了設備的電器控制與自動控制線路，主要包括設備的啟停、狀態(tài)信號故障信號、和信號采集等，最后按照工藝要求設計plc控制系統(tǒng)，其中包括plc的選型、系統(tǒng)資源配置以及按照污水處理工藝編制plc程序。關鍵詞：污水處理，plc，工藝

3、流程 abstractat present, most sewage treatment is not high level of automation control systems, security, low, mismanagement, efficiency is generally lower than world standards. aeration sewage treatment system in process control, data communications and monitoring and management are urgently needed t

4、o solve the main problem. automatic control system in china is relatively backward sewage treatment, sewage treatment costs remain high, sewage plants discharge treated effluent quality of instability, so how to create an effective automatic control system to optimize operating results and reduce op

5、erating costs, is of great significance. this article describes the basic process of sewage treatment plants and processes, and by studying the design of a plc-based control of wastewater treatment systems. the article first introduces the plc-based control system for sewage treatment technology and

6、 related processes, the control system hardware architecture and design, working principle and design of the basic principles of plc control systems and procedures, to illustrate the plc in the application of the sewage treatment process. be designed according to requirements of wastewater treatment

7、 equipment, electrical control and automatic control circuits, including equipment start-stop, state signal fault signal, and signal acquisition, and finally in accordance with the requirements of the design process control systems plc, including plc, selection, system resource allocation and in acc

8、ordance with the sewage treatment process planning plc program. keywords: sewage treatment, plc, process目 錄1 緒 論11.1工業(yè)污水處理的國內外現(xiàn)狀11.2課題的背景21.3研究目的和意義31.4課題主要設計的內容32 工業(yè)污水處理控制系統(tǒng)總體介紹42.1工業(yè)污水處理基本概念42.2 常用的工業(yè)污水處理工藝42.3本設計系統(tǒng)工業(yè)污水處理工藝及描述：72.3工業(yè)污水處理系統(tǒng)控制形式72.4 工業(yè)污水處理系統(tǒng)的功能要求83 硬件系統(tǒng)配置103.1主要組成部分103.2電氣控制系統(tǒng)113.3工

9、業(yè)污水處理系統(tǒng)的工作原理123.4 plc選型143.5 plc的i/o資源配置143.6其他資源配置164 軟件系統(tǒng)設計234.1總體流程設計234.2曝氣過程控制的任務314.3氯氣投加環(huán)節(jié)324.4絮凝劑投加環(huán)334.5 pid控制334.6 plc和變頻器通訊345 調試和運行結果355.1硬件系統(tǒng)的調試355.2軟件系統(tǒng)的調試355.3運行結果366 結 論37參考文獻38致 謝39景德鎮(zhèn)陶瓷學院本科畢業(yè)設計（論文）1景德鎮(zhèn)陶瓷學院本科畢業(yè)設計（論文）1 緒 論水與人的生活息息相關，特別在現(xiàn)代社會生活及生產(chǎn)中人們對水的需求量與日俱增。然而，水資源是有限的。據(jù)報道我國人均擁有淡水量為2

10、400噸，為世界平均值的1/4，在全球149個國家（參與統(tǒng)計國家中），我國人均淡水資源位居110位，屬于淡水資源貧乏的國家。而且我國水資源時空分布極不均衡，全國500多個城市缺水，其中多個嚴重缺水，北方地區(qū)缺水現(xiàn)象尤其嚴重，人均擁有淡水量僅有240噸。令人擔憂的是淡水總量日益減少，用水成本不斷升高，淡水的浪費非常嚴重。我國北方地區(qū)水資源的超采，己形成漏斗地勢、水位下降、湖泊干涸、河水斷流、生態(tài)惡化。淡水資源的短缺己經(jīng)成為我國急需解決的問題。我國淡水資源不斷減少，而且污染現(xiàn)象較為嚴重。隨著社會的發(fā)展，水資源已經(jīng)成為影響工業(yè)發(fā)展的重要因素，現(xiàn)代工業(yè)中生產(chǎn)工藝和設備對水質要求越來越高。但是我國工業(yè)用

11、水耗費高，重復利用水少，中水使用率不高，有關資料顯示，我國的工業(yè)用水重復利用率平均為40%50%。目前全國城市污廢水的處理率（達排放標準的）僅有10%左右，其余的污廢水都直接排入河川、湖泊、海洋。耗水量高、重復利用率低、污染嚴重是我國工業(yè)系統(tǒng)水資源利用的突出問題。嚴重的環(huán)境污染使有限的水資源日益減少、水質日益惡化，無疑是“雪上加霜”。據(jù)統(tǒng)計，由于水質污染，我國已有大約3億人的飲水發(fā)生不安全現(xiàn)象，其中1.9億人的飲水是超標水。氣象學家預測，2100年全球變暖加劇，地表將有1/3的面積變?yōu)樯衬?，那時，干旱將威脅全球一半的大陸人類的生存。這些現(xiàn)象都是水污染產(chǎn)生的嚴重后果，因此工業(yè)污水處理項目的實施已

12、經(jīng)刻不容緩。眾多跡象表面，水資源的短缺無疑將成為制約經(jīng)濟持續(xù)協(xié)調發(fā)展的瓶頸，因此世界各國越來越重視水處理和水的再利用，通過各種技術進一步提高供水質量，提高經(jīng)濟效益。并且工業(yè)污水處理過程中，經(jīng)過厭氧和好氧處理，污水中的熱量、沼氣等再生能源可以為工業(yè)生產(chǎn)提供二次能源，真正實現(xiàn)變廢為寶、循環(huán)經(jīng)濟的目的。隨著環(huán)境保護的呼聲越來越高，工業(yè)污水處理已經(jīng)體現(xiàn)出其必要性和緊迫性，對于各種污水進行處理后排放成為各企業(yè)基本的要求。在工廠的工業(yè)污水處理過程中，污水來源的不穩(wěn)定以及工廠中各種污水的成分的復雜性，對工業(yè)污水處理的工藝和控制方式提出了非常高的要求。1.1工業(yè)污水處理的國內外現(xiàn)狀我國工業(yè)污水處理技術從“七五

13、”國家科技攻關開始逐步進行研究。“七五”和“八五”攻關項目在氧化塘、土地處理和復合生態(tài)系統(tǒng)等自然處理技術方面的研究較多，以這些成果為設計依據(jù)，建立了一些氧化塘、土地處理等污水示范工程。在人工處理技術方面，“八五”對高負荷活性污泥、高負荷生物膜、一體化氧化溝技術進行了深入研究。研究成果己被應用于大批工業(yè)污水處理廠。污水廠污泥處置問題在“九五”科技攻關中受到重視，并配套開發(fā)成套的污泥處理。經(jīng)過“七五”、“八五”和“九五”期間的努力，我國在工業(yè)污水處理技術方面取得了較大的成就。目前在水污染治理技術上，我國已能提供下列工藝技術傳統(tǒng)活性污泥法技術、各種新型活性污泥工藝如：sbr法和氧化溝技術等、酸化水解

14、好氧技術和多種類型的穩(wěn)定塘技術等，這些污水治理技術已經(jīng)在水體污染、改善水體環(huán)境方面發(fā)揮了突出的作用，標志著我國工業(yè)污水處理事業(yè)發(fā)展到了一個嶄新的階段。現(xiàn)階段，我國工業(yè)污水處理的工作重點已經(jīng)從工藝技術的研究轉移到具體項目的實施。國際上，大規(guī)模的水污染治理是在第二次世界大戰(zhàn)后，隨著50年代經(jīng)濟的蓬勃發(fā)展帶來的60年代日益嚴重性的環(huán)境污染而展開的。工業(yè)污水處理設施中，城市排水管線和工業(yè)污水處理廠的興建和運行在水污染控制中發(fā)揮著骨干作用。至70年代末，美國投入了數(shù)千億美元興建了18000余座城市工業(yè)污水處理廠，英國、法國、德國更耗費了巨額資金興建了7000至8000座城市工業(yè)污水處理廠。這些工業(yè)污水處

15、理廠的投入對國家的水體污染改善起了關鍵的作用，也為人類治理水污染積累了豐富的經(jīng)驗?，F(xiàn)在，這些國家的工業(yè)污水處理水平又有了進一步提高，興建了一批具有脫氮除磷功效的設施，對水體質量改善和水環(huán)境保護起了重大的作用。1.2課題的背景未來10年，中國工業(yè)污水處理項目工程建設投資將超過2500億元，其中工業(yè)污水處理設備投入約300億元。采用先進、實用的技術改造傳統(tǒng)工藝，在環(huán)保工程中廣泛采用先進的自動控制技術，是推動環(huán)保產(chǎn)業(yè)升級，實現(xiàn)環(huán)保發(fā)展戰(zhàn)略的重要環(huán)節(jié)。在這種形勢下工業(yè)污水處理自動化控制系統(tǒng)無疑是一個具有巨大的社會效益、環(huán)境效益及經(jīng)濟效益的研究課題。對于環(huán)境保護問題，國務院明確規(guī)定所有工業(yè)污染源都必須達

16、到排放標。其中處理過的污水還可以循環(huán)再利用，由于我國是一個水資源匱乏的國家，而且時空分布上極不均勻，許多地區(qū)和城市嚴重缺水。所以水資源也是一種保護。因此，從環(huán)保、注水等多方面的因素考慮，對于工業(yè)污水處理非常有必要。因此，有效的結合目前最新的工藝狀況、計量自控檢測儀表使用、plc 控制系統(tǒng)技術，將為當前工業(yè)污水處理控制系統(tǒng)提供有效的自控方法。1.3研究目的和意義世界任何國家的經(jīng)濟發(fā)展，都會推進社會進步、促進工農業(yè)生產(chǎn)能力，使人民生活得到進一步改善，但是也隨之帶來不同程度的環(huán)境污染，污水也是造成環(huán)境污染的來源之一。這個污染源的出現(xiàn)引起了世界各國政府的關注，治理水污染環(huán)境的課題被列入世界環(huán)保組織的工

17、作日程。我國是一個嚴重缺水的國家，雖然我國年平均水資源總最為28000 億m2，居世界第6 位，人均水資源量為2220m2，居世界第110 位，已經(jīng)被聯(lián)合國列為世界上13個缺水國家之一。目前我國約300個城市缺水，其中嚴重缺水城市有5o個。據(jù)中國經(jīng)濟信息網(wǎng)分析統(tǒng)計，全國按目前正常需要，年缺水總里約為300 億400 億立方米，因缺水造成的經(jīng)濟損失每年達2300 億。超過洪澇災害。水資溝的匱乏和水資源的污染，己經(jīng)嚴重的影響了人民的日常生活，嚴重的影響了我國的經(jīng)濟建設和發(fā)展。因此建設符合我國國情的污水廠自動控制系統(tǒng)對降低工業(yè)污水處理成本、改善環(huán)境、建立可持續(xù)發(fā)展社會和和諧社會、保持我國經(jīng)濟高速發(fā)展

18、具有重要意義。1.4課題主要設計的內容 本課題主要設計的內容是工業(yè)工業(yè)污水處理工藝及工業(yè)污水處理系統(tǒng)的組成和plc控制系統(tǒng)設計,主要由以下內容組成：（1）介紹了工業(yè)污水處理的基本內容，包括工業(yè)污水處理的發(fā)展現(xiàn)狀以及工業(yè)污水處理的工藝流程；（2）介紹了plc的基本結構和工作原理，并對工業(yè)污水處理控制系統(tǒng)進行設計分析；（3）具體分析設計工業(yè)污水處理的硬件系統(tǒng)；（4）具體分析設計工業(yè)污水處理的軟件系統(tǒng)； （5）工業(yè)污水處理系統(tǒng)的調試與運行。4 景德鎮(zhèn)陶瓷學院本科畢業(yè)設計（論文）2 工業(yè)污水處理控制系統(tǒng)總體介紹2.1工業(yè)污水處理基本概念城市污水、生活污水、生產(chǎn)污水或經(jīng)過工業(yè)企業(yè)局部處理后的生產(chǎn)污水，往

19、往都排入排水系統(tǒng)。這些污水除含有碳水化合物、蛋白質、氨基酸、動植物脂肪、尿素、氨、肥皂和合成洗滌劑等物質外，還含有細菌、病毒等使人致病的微生物。經(jīng)處理后的污水，最后出路有三種：1排放水體；2灌溉田地；3重復使用。污水污染物可根據(jù)化學性質和物理形態(tài)進行不同的分類。按化學性質，污水中的污染物質可分為無機性物質和有機性物質，其化學元素以炭、氮、磷為主。按物理形態(tài)，污水中的污染物質可分為固體懸浮物即呈顆粒狀的污染物質、膠體污染物質和溶解性污染物質。好氧有機污染物的性質穩(wěn)定，在微生物的作用下，借助微生物的新陳代謝功能而降解為無機物，如二氧化碳、水、硝酸根離子等穩(wěn)定的無機物。有機物的種類很多，其共性是在微

20、生物的作用下被降解時，都要消耗水中的溶解氧，所以在工程實際中，采用以下的幾個綜合污染指標來表述：生物化學需氧量或生化需氧量（bio-chemical oxygen demand, bod）mg/l、化學需氧量(chemical oxygen demand, cod) mg/l、總有機碳(total organic carbon) mg/l、總需氧量(total oxygen demand) mg/l。雖然bod20。能較精確地描述污水的生化需氧量，但其測定的時間太長，需20天?？紤]到好氧分解速率一般在開始的幾天最快，在20溫度下，污水五日生化需氧量(bod5)，約占bod20的70%80%，因

21、此把bod5作為衡量污染水的有機物濃度指標?；瘜W需氧量(cod)的特點是能夠精確的表示污水中有機物的含量，并且測定時間短，但它不能像bod那樣表示出微生物氧化的有機物量。2.2 常用的工業(yè)污水處理工藝不同的工業(yè)污水處理對象，不同的工業(yè)污水處理環(huán)境，將需要有不同的工業(yè)污水處理工藝來處理。因此，在選擇工業(yè)污水處理工藝的時候必需要認真考慮當?shù)匚鬯那闆r，以及實際的工業(yè)污水處理的環(huán)境。工業(yè)污水處理的方法主要有物理、化學、物理化學，以及生物等幾種。這些方法根據(jù)實際情況，可以單一使用，也可以針對不同的污水混合使用。目前，工業(yè)污水處理的方法一般以生物處理法為主，輔以物理處理法和化學處理法。常用的工業(yè)污水處理

22、工藝有以下幾種。（1）傳統(tǒng)活性污泥法。傳統(tǒng)活性污泥處理法是一種最古老的工業(yè)污水處理工藝，其工業(yè)污水處理的關鍵組成部分為沼氣池與沉淀池，主要處理部分關系框圖如圖2-1所示。曝氣池（微生物吸附有機物氧化為無機物）沉淀池（活性泥下沉）回流活性泥原污水清水排出圖2-1傳統(tǒng)活性污泥法工藝流程圖污水中的有機物在曝氣池停留的過程中，曝氣池中的微生物吸附污水中的大部分有機物，并且在曝氣池中被氧化成無機物，然后在沉淀池中經(jīng)過沉淀后的部分活性泥需要回流到曝氣池中。該工藝的優(yōu)點有：有機物去除率高，污泥負荷高，池的容積小，耗電省，運行成本低。該工藝的缺點有：普通曝氣池占地多，建設投資大，滿足國家標準相關指標范圍小、易

23、產(chǎn)生污泥膨脹現(xiàn)象，磷和氮的去除率低。（2）a/o法。a/o法是在傳統(tǒng)活性污泥法的基礎上發(fā)展起來的一種工業(yè)污水處理工藝，其中a代表anoxic（缺氧的），o代表oxic（好氧的）。a/o法是一種缺氧-好氧生物工業(yè)污水處理工藝。該工藝通過增加好氧池與缺氧池所形成的硝化-反硝化反應系統(tǒng)，很好的處理了污水中的氮含量，具有明顯的脫氮效果。但是此硝化-反硝化反應系統(tǒng)需要得到很好的控制，這樣就對該工藝提出了更高的管理要求，這也成為了該工藝的一大缺點。其工藝流程圖如下：圖2-2 a/o法工藝流程圖（3）a2/o法。a2/o法也是在傳統(tǒng)活性污泥法的基礎上發(fā)展起來的一種工業(yè)污水處理工藝，其中a2，即a-a，前一個

24、a代表anaerobic（厭氧的），后一個a代表anoxic（缺氧的）；o代表（好氧的）。a2/o是一種厭氧缺氧好氧工業(yè)污水處理工藝。a2o法的除磷脫氮效果非常好，非常適合用于對除磷脫氮有要求的工業(yè)污水處理。因此，在對除磷脫氮有特別要求的城市工業(yè)污水處理廠，一般首選a2/o工藝。其工藝流程圖如圖2.3所示。圖2-3 a2/o法工藝流程圖（4）a/b法。a/b法是吸附生物降解法的簡稱，該工藝沒有初沉淀，將曝氣池分為高低負荷兩段，并分別有獨立的沉淀和污泥回流系統(tǒng)。高負荷段停留時間約為2040min，以生物絮凝吸附作用為主，同時發(fā)生不完全氧化反應，去除bod達50%以上。b段與常規(guī)活性污泥法相識，負

25、荷較低。ab法中a段效率很高，并有較強的緩沖能力。b段起到出水把關作用，處理穩(wěn)定性較好。對于高濃度的工業(yè)污水處理，ab法具有很好的適用性，并有較高的節(jié)能效益。尤其在采用污泥消化和沼氣利用工藝時，優(yōu)勢最為明顯。但是，ab法污泥產(chǎn)量較大，a段污泥有機物含量極高，因此必須添加污泥后續(xù)穩(wěn)定化處理，這樣就將增加一定的投資和費用。另外，由于a段去除了較多的bod，造成了碳源不足，難以實現(xiàn)脫氮工藝的要求。對于污水濃度低 的場合，b段也比較困難，也難以發(fā)揮優(yōu)勢?？傮w而言，ab法工藝較適合于污水濃度高，具有污泥消化等后續(xù)處理設施的大中規(guī)模的城市工業(yè)污水處理廠，且有明顯的節(jié)能效果，而對于有脫氮要求的城市工業(yè)污水處

26、理廠，一般不宜采用。（5）sbr法。sbr法是歇式活性污泥法的簡稱，是一種按照一定的時間順序間歇式操作的污水生物處理技術，也是一種按間歇曝氣方式來運行的活性污泥工業(yè)污水處理技術，又稱序批式活性污泥法。其反應機理及去除污染物的機理與傳統(tǒng)的活性污泥法基本相同，只是運行操作方式不盡相同。sbr法與傳統(tǒng)的水處理工藝的最大區(qū)別在于它是以時間順序來分割流程各單元，以時間分割操作代替空間分割操作，非穩(wěn)態(tài)生化反應代替生化反應，靜置理想沉淀代替動態(tài)沉淀等。整個過程對于單個操作單元而言是間歇進行的，但是通過多個單元組合調度后又是連續(xù)的，在運行上實現(xiàn)了有序和間歇操作相結合。2.3本設計系統(tǒng)工業(yè)污水處理工藝及描述：本

27、工業(yè)污水處理工藝流程圖如下圖2-4所示：圖2-4 工藝流程圖污水由進水系統(tǒng)通過粗格柵和清污機進行初步排除大塊雜質物體，到達除砂池中。在除砂池系統(tǒng)中細格柵和轉鼓清污機進一步凈化污水中的細小顆粒物體，將污水中的細小沙粒濾除后進入氧化溝反應池。在該氧化溝系統(tǒng)中進行生化處理，分解污水中的有害物質，此環(huán)節(jié)用到一些化學藥劑來加強處理效果，如復合堿、氯氣、油絮凝劑等。對污水進行除油、消毒、調整ph值。同時在該系統(tǒng)中設置有溶解氧儀超聲波檢測器，通過它對污水中的含氧量進行檢測，根據(jù)其反饋到plc的值來控制曝氣機變頻器的運行，改變污水中溶解氧的含量。潛水攪拌機的作用是推進水流，使氧化溝的污水和活性污泥處于劇烈攪拌

28、充分混合接觸，使生化反應更加充分，以最大程度地分解污水中的有害成分。經(jīng)處理的污水進入沉淀池中，在刮泥機的作用下進行物理沉淀，為了加強沉淀效果，同時加入混凝劑和絮凝劑利用高分子助凝劑的強烈吸附架橋作用更加容易沉降。污水經(jīng)沉淀池處理最后到達脫水環(huán)節(jié)，離心式脫水機作用下進行脫水處理后排出清水。2.3工業(yè)污水處理系統(tǒng)控制形式早期的控制系統(tǒng)多采用繼電器接觸器控制系統(tǒng)，但隨著電子技術的飛速發(fā)展，控制要求的不斷提高，該類控制方法已不能滿足現(xiàn)代工業(yè)污水處理系統(tǒng)的控制要求，因此已逐漸被淘汰，取而代之的是dcs、現(xiàn)場總線控制、plc等控制方。（1）dcs系統(tǒng)。dcs是集散控制系統(tǒng)的簡稱，又稱為分布式計算機控制系統(tǒng)

29、，是由計算機技術、信號處理技術、測量控制技術、通信網(wǎng)絡技術等相互滲透形成的。由計算機和現(xiàn)場終端組成，通過網(wǎng)絡將現(xiàn)場控制站、檢測站和操作站、控制站等連接起來，完成分散控制和集中操作、管理的功能，主要是用于各類生產(chǎn)過程，可提高生產(chǎn)自動化水平和管理水平，其主要特點如下：采用分級分布式控制，減少了系統(tǒng)的信息傳輸量，使系統(tǒng)應用程序比較簡單。實現(xiàn)了真正的分散控制，使系統(tǒng)的危險性分散，可靠性提高。擴展能力較強。軟硬件資源豐富，可適應各種要求。實時性好，響應快。（2）現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)。現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)是由dcs和plc發(fā)展而來的，是基于現(xiàn)場總線的自動控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)按照公開、規(guī)范的通信協(xié)議在智能設備之間，以及

30、智能設備與計算機之間進行數(shù)據(jù)傳輸和交換，從而實現(xiàn)控制與管理一體化的自動控制系統(tǒng)，其優(yōu)點：可以用計算機豐富的軟件、硬件資源。響應快，實時性好。通信協(xié)議公開，不同產(chǎn)品可互連。（3）plc系統(tǒng)。plc是可編程邏輯控制器的簡稱，用它作為處理系統(tǒng)的控制器，實現(xiàn)控制系統(tǒng)的功能要求，也可利用計算機作為其上位機，通過網(wǎng)絡連接plc，對生產(chǎn)過程進行實時監(jiān)控，其特點如下：編程方便，開發(fā)周期短，維護容易。通用性強，使用方便?？刂乒δ軓姟ＤK化結構，擴展能力強。2.4 工業(yè)污水處理系統(tǒng)的功能要求工業(yè)污水處理系統(tǒng)的主要功能是完成對城市污水的凈化的作用，將城市中排除的污水通過該系統(tǒng)處理后，輸出符合國家標準的水質。長期以來

31、，工業(yè)污水處理技術雖然經(jīng)過了迅速發(fā)展，但仍滯后于城市發(fā)展的需要，工業(yè)污水處理率低、設備運轉率低等極大地影響了城市發(fā)展。為實現(xiàn)工業(yè)污水處理技術的簡易、高效、低能耗的功能， 并且實現(xiàn)自動化的控制過程，采用plc作為核心控制器是個較好的方案。 plc作為工業(yè)污水處理系統(tǒng)的控制系統(tǒng)使得設計過程變得更加簡單，可實現(xiàn)的功能變得更多。與各類人機界面的通信可完成plc控制系統(tǒng)的監(jiān)視，同時使用戶可通過操作界面功能控制plc系統(tǒng)。由于plc的cpu強大的網(wǎng)絡通信能力，使得工業(yè)污水處理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸與通信變得可能，并且也可實現(xiàn)其遠程監(jiān)控。 利用plc作為控制器的工業(yè)污水處理系統(tǒng)主要涉及兩個方面：一是信號輸入；二是控

32、制輸出信號。2.4.1信號輸入工業(yè)污水處理系統(tǒng)信號輸入檢測方面主要涉及四類信號的監(jiān)測，主要包括：按鈕的輸入檢測、液位差的輸入檢測、液位高低的輸入檢測，以及曝氣池中含氧量的輸入檢測。（1）按鈕輸入檢測。大多數(shù)為人工方式控制的輸入檢測，主要有自動按鈕、手動按鈕、格柵機啟動按鈕、清污機啟動按鈕、潛水泵啟動按鈕、潛水攪拌機啟動按鈕、污泥回流泵按鈕、曝氣機工頻、變頻按鈕，以及變頻加速減速按鈕等。（2）液位差輸入檢測。檢測粗細格柵兩側液位差，用來控制清污機的啟動與停止。（3）液位高低輸入檢測。檢測進水泵房和污泥回流泵房中液位的高低，用來控制潛水泵或污泥回流泵的啟動和停止，以及投入運行的潛水泵的數(shù)量。（4）

33、含氧量輸入檢測。以上三種都為數(shù)字量輸入，該輸入為模擬量輸入。曝氣過程是工業(yè)污水處理系統(tǒng)中最重要的環(huán)節(jié)，為了保證微生物所需要的氧氣，必須檢測污水中的含氧量，并通過曝氣機增加或減少其含氧量。通過將溶解氧儀設置在適當位置上，將檢測值反饋到plc中，通過運算輸出控制曝氣機的轉速信號。當溶解氧值偏低時，降低了微生物分解的效果，延長了處理時間，嚴重時甚至導致處理失效，因此需要增加曝氣機轉速以增加供氧量；當溶解氧值偏高時，導致微生物過氧化，降低了其活性，也不利于處理，因此減小曝氣機轉速以減少供氧量，最終使污水中的溶解氧保持在一定的范圍內。2.4.2控制輸出信號 信號輸出部分主要包括兩個方面：一個是數(shù)字量輸出

34、，即各類設備的接觸器；另外一個是模擬量輸出，用來控制曝氣機變頻器。（1）數(shù)字量輸出?？刂聘黝愒O備的啟動和停止，包括：格柵機啟停、清污機啟停、潛水泵啟停、潛水攪拌器啟停、污泥回流泵等設備。（2）模擬量輸出通過plc中pid運算后的數(shù)據(jù)，通過其功能模塊輸出控制信號，該控制信號輸入到變頻器的控制端子上，改變變頻器的輸出頻率，從而控制曝氣機的轉速，最后達到控制污水中含氧量的要求。11景德鎮(zhèn)陶瓷學院本科畢業(yè)設計（論文）3 硬件系統(tǒng)配置氧化溝是工業(yè)污水處理系統(tǒng)中的重要環(huán)節(jié)，其結構的不同形成了不同的氧化方法例如，奧貝爾、卡魯賽爾和一體化氧化溝法，對于不同的結構，其配套的設備也有較大的不同，所以其結構比較復雜

35、，不同的結構對應不同的控制系統(tǒng)，因此需要根據(jù)不同的結構特點設計相應的控制系統(tǒng)。3.1主要組成部分工業(yè)污水處理系統(tǒng)的結構比較復雜，設備較多，在氧化溝中其控制過程及原理大致相同，都是通過控制曝氣機的轉速來調節(jié)污水中的含氧量，其基本組成如圖3-1所示。圖4-1工業(yè)污水處理系統(tǒng)基本組成示意圖(1）進水系統(tǒng)。進水系統(tǒng)主要有進水管道和進水泵房組成，進水管道主要由粗格柵機和清污機組成，進水泵房主要有兩臺潛水泵組成。進水管道的主要功能是將污水中的大塊物體排除，其中的粗格柵是根據(jù)程序設定的時間進行間歇工作，而清污機的運行和停止是根據(jù)粗格柵兩側的液位差來決定的，當液位差超過某個值時，啟動清污機；當液位差小于某個值

36、時停止清污機的運行。進水泵房中的潛水泵運行及停止是通過安裝在泵房內的液位傳感器來決定的，當液位較低時只啟動一臺潛水泵，當液位較高時啟動兩臺潛水泵，若液位持續(xù)升高時，則輸出報警以示意有故障發(fā)生。 (2）除砂系統(tǒng)。除砂系統(tǒng)主要由細格柵系統(tǒng)和沉砂池組成，細格柵系統(tǒng)是由細格柵機和轉鼓清污機組成，沉砂池的主要設備是分離機。細格柵系統(tǒng)的主要功能是進一步凈化污水中的顆粒物體，將污水中細小的沙粒濾除，其中的細格柵機是根據(jù)程序設定時間進行間歇工作，而轉鼓清污機的運行和停止則根據(jù)細格柵兩側的液位差來決定，當液位差超過某個值時，啟動清污機；當液位差小于某個值時停止清污機的運行，這和粗格柵系統(tǒng)的運行方式一致。沉砂池中

37、分離機的運行和后續(xù)處理中的轉碟曝氣機的運行同步，即啟動轉碟曝氣機的時候同時啟動分離機，對沉砂池中的沙粒進行排除。(3）氧化溝系統(tǒng)。氧化溝系統(tǒng)由氧化溝和污泥回流系統(tǒng)構成，氧化溝是工業(yè)污水處理系統(tǒng)中最重要的環(huán)節(jié)，因此控制量較多，控制過程叫復雜，包括轉碟曝氣機和潛水攪拌機，污水回流系統(tǒng)主要有污泥回流泵構成。氧化溝的功能是對污水進行生化處理，分解污水中的有害物質，使其達到一定的水質標準，其中是轉碟曝氣機是關鍵設備，在氧化溝中設置有溶解氧儀對污水中的含氧量進行檢測，根據(jù)其反饋到plc的值來控制曝氣機變頻器的運行，改變污水中溶解氧的含量。潛水攪拌機的作用是推進水流，同時使氧化溝的污水和活性污泥處于劇烈的攪

38、拌狀態(tài)，使他們充分混合接觸。使活性污泥的生化反應更加充分，這樣才能最大程度地分解污水中的有害成分。污水回流系統(tǒng)的污泥回流泵將剩余的污泥及使用過的污泥進行處理，該設備的運行與停止主要根據(jù)泵房內液位傳感器的狀態(tài)，當液位低于某個值時停止回流泵的運行；當液位持續(xù)高于某個高位時，回流泵停止運行同時輸出報警信號；液位處于正常狀態(tài)時，回流泵正常運行。(4）沉淀系統(tǒng)。沉淀系統(tǒng)主要設備為刮泥機，其功能是對進行氧化溝處理后的污水進行物理沉淀，將污泥和清水分離，刮泥機在整個系統(tǒng)啟動后就開始持續(xù)運行。在該系統(tǒng)中用到一定化學藥劑主要包括混凝劑、絮凝劑、復合堿等，主要用來調節(jié)改善混凝條件及絮凝體結構，利用高分子助凝劑的強

39、烈吸附架橋作用，使細小松散的絮凝體變的粗大而緊密，容易發(fā)生沉降。(5）污泥脫水環(huán)節(jié)。污泥脫水系統(tǒng)主要包括離心式脫水機，其主要功能是對氧化池中處理過污水的活性污泥進行脫水處理，由于對污水進行處理后，活性污泥中有新的微生物及其他雜質，因此需要先對活性污泥添加一定量的藥物，便于污泥脫水。離心式脫水機主要有聚合物泵、污泥機和切割機構成，以上設備按照順序控制的方式啟動，依次啟動聚合物泵、污泥機和切割機，完成對污泥的脫水處理。3.2電氣控制系統(tǒng)電氣控制系統(tǒng)主要包括操作面板、顯示面板、電氣控制柜等單元。由于在該系統(tǒng)中需要檢測較多的數(shù)字輸入量，并且還要檢測模擬量的輸入，根據(jù)設定的程序進行數(shù)據(jù)處理后，輸出控制信

40、號，因此系統(tǒng)的控制邏輯與時序就需要嚴格照檢測信號的輸入進行控制。(1）操作面板。操作面板主要包括手動、自動、各類設備的啟動按鈕等。(2）顯示面板。顯示面板由于要顯示較多的數(shù)據(jù)，因此一般采用觸摸屏或者人機界面。(3）電氣控制柜。電氣控制柜是電氣控制的核心設備，主要包括變頻器、各類傳感器的輸入信號、plc及其擴展模塊等。3.3工業(yè)污水處理系統(tǒng)的工作原理3.3.1控制系統(tǒng)總體框圖工業(yè)污水處理系統(tǒng)的電氣控制系統(tǒng)總框圖如圖4-2所示，plc為核心控制器，通過檢測操作面板按鈕的輸入、各類傳感器的輸入，以及相關模擬量的輸入，完成相關設備的運行、停止和調速控制。3-2電氣控制系統(tǒng)框圖3.3.2工作過程在手動狀

41、態(tài)下，各類設備的控制是根據(jù)操作面板上的按鈕輸入來控制，無邏輯控制，即可不根據(jù)傳感器的狀態(tài)進行控制。在自動方式下進行閉環(huán)控制，系統(tǒng)根據(jù)檢測到外部傳感器的狀態(tài)對設備進行啟?？刂?，其工作過程如下。(1）接通電源，啟動自動控制方式，啟動潛水攪拌器和刮泥機。(2）運行粗、細格柵機，進行間歇運行，即運行一段時間然后停止一段時間，循環(huán)進行。(3）根據(jù)反饋回來的液位差狀態(tài)控制清污機的運行與停止。(4）進水泵房中的潛水泵根據(jù)液面高低進行運行、停止及運行數(shù)量的控制。 (5）轉碟曝氣機根據(jù)溶解氧儀反饋的模擬量經(jīng)plc運算后進行控制，同時控制分離機的運行與停止。(6）污泥回流泵的運行與停止根據(jù)液面的高低進行控制。(7

42、）在污泥脫水系統(tǒng)中，離心式脫水機的啟動采用順序控制方式，依次啟動其設備。3.3.3工業(yè)污水處理系統(tǒng)主電路設計圖3-3為工業(yè)污水處理系統(tǒng)的主電路圖的部分圖。三臺電機分別為潛水泵電機（m1）、清污機電機（m2）、轉碟曝氣機電機（m3）。接觸器km3、km2、km6分別控制m1、m2、m3的工頻運行；接觸器km5、km9分別控制m1、m3的變頻運行；fr1、fr2、fr3分別為三臺電機過載保護用的熱繼電器；qf1、主電路的空氣開關；fu1為主電路的熔斷器。選用的mm430變頻器是用來控制電機m1、m3變頻運行的。圖3-3工業(yè)污水處理系統(tǒng)部分主電路圖16景德鎮(zhèn)陶瓷學院本科畢業(yè)設計（論文）3.4 plc

43、選型根據(jù)工業(yè)污水處理系統(tǒng)的電氣控制系統(tǒng)的功能要求，以及其復雜程度，從經(jīng)濟性、可靠性等方面來考慮，選擇西門子s7200系列plc作為工業(yè)污水處理系統(tǒng)的電氣控制系統(tǒng)的控制主機。由于工業(yè)污水處理電氣控制系統(tǒng)涉及較多的輸入輸出端口，其控制過程相對復雜，因此采用cpu226作為該控制系統(tǒng)的主機。cpu226在工業(yè)污水處理系統(tǒng)中使用的數(shù)字量輸入點和輸出點都比較多，因此除了plc主機自帶的i/o外，還需要擴展一定數(shù)量的i/o擴展模塊。在此采用em223輸入/輸出混合擴展模塊。8點dc輸入8點輸出型。正好可以滿足控制系統(tǒng)的i/o需求。在該系統(tǒng)中，還需要采集模擬量并利用模擬量控制的功能要求，因此需要在擴展一個模

44、擬量輸入輸出擴展模塊。西門子公司專門為s7200系列plc配置了模擬量輸入輸出模塊em235，該模塊具有較高的分辨率和較強的輸出驅動能力，可滿足控制系統(tǒng)的功能要求。3.5 plc的i/o資源配置根據(jù)系統(tǒng)的功能要求，對plc的i/o進行配置，具體分配如下表。3.5.1數(shù)字量輸入部分表3-4 數(shù)字輸入量地址分配輸入地址輸入設備輸入地址輸入設備i0.0急停i1.4手動刮泥機啟動i0.1手動方式i1.5手動污泥回流泵啟動i0.2自動方式i1.6手動分離式脫水機啟動i0.3自動啟動確認i1.7手動污泥泵啟動i0.4手動粗格柵機啟動i2.0手動轉碟曝氣機加速i0.5手動清污機啟動i2.1手動轉碟曝氣機減少

45、i0.6手動潛水泵啟動i2.2粗格柵液位差計i0.7手動細格柵機啟動i2.3細格柵液位差計i1.0手動分離機啟動i2.4進水泵房液面高位傳感器i1.1手動轉碟曝氣機工頻啟動i2.5進水泵房液面低位傳感器i1.2手動轉碟曝氣機變頻啟動i2.6污泥回流泵液面高位傳感器i1.3手動潛水攪拌機啟動i2.7污泥回流泵液面低位傳感器3.5.2數(shù)字量輸出部分表3-5數(shù)字輸出量地址分配輸出地址輸出設備輸出地址輸出設備q0.0粗格柵機接觸器q0.7潛水攪拌機接觸器q0.1清污機接觸器q1.0刮泥機接觸器q0.2潛水泵接觸器q1.1污泥回流泵接觸器q0.3細格柵機接觸器q1.2離心式脫水機接觸器q0.4分離機接觸

46、器q1.3潛水泵報警q0.5轉碟曝氣機工頻接觸器q1.4污泥回流泵報警q0.6轉碟曝氣機變頻接觸器3.5.3模擬量輸入部分由于需要采集一個溶氧儀所反饋的數(shù)據(jù)，因此擴展了一個模擬量輸入輸出模塊，具體i/o分配，如下表3-6所示。表3-6 模擬量輸入地址分配輸入地址輸入設備aiw0溶解氧儀3.5.4 模擬量輸出部分在此控制系統(tǒng)中需要將采集回來的模擬量進行數(shù)據(jù)處理，然后，通過模擬輸出口對變頻器進行控制，進行控制其他設備的運行，如下表3-7所示。表3-7模擬量輸出地址分配輸出地址輸出設備aqw0經(jīng)pid運算輸出根據(jù)控制系統(tǒng)的功能要求，設計出工業(yè)污水處理控制系統(tǒng)的硬件連線圖如圖3-8所示，此控制面板上的

47、手動控制部分主要在調試系統(tǒng)時使用，調試完成后基本處于閑置狀態(tài)。圖3-8工業(yè)污水處理系統(tǒng)plc硬件接線圖3.6其他資源配置要完成系統(tǒng)的控制功能除了需要plc主機及其擴展模塊之外，還需要各種傳感器、接觸器和變頻器等儀器設備。3.6.1接觸器選型在控制系統(tǒng)中，所有設備是根據(jù)控制面板上的按鈕情況或者根據(jù)傳感器的反饋值進行動作的，因此需要plc根據(jù)當前的工作情況，以及按鈕的情況來控制所有設備的啟停，在此用到了大量接觸器：如格柵機接觸器、清污機接觸器、潛水泵接觸器、分離機接觸器、轉碟曝氣機接觸器、潛水攪拌機接觸器、刮泥機接觸器等。為此該系統(tǒng)選用施耐德lc1-d0901m5c交流接觸，其額定電壓220v,額

48、定電流9a。其特點有：高標準：符合iec60947-4-1和gb14048.4標準。長壽命：機械壽命高達2000萬次；電壽命高達200萬次。強適應性：“th”防護處理，可以在濕熱的環(huán)境中使用。寬電壓：線圈控制電壓在70%-120%uc之間波動，不影響產(chǎn)品正常工作。強通用性：具有50hz-60hz通用線圈，可以全世界通用。模塊化：產(chǎn)品本體上可以附加輔助觸頭，通電/斷電延時觸頭，機械閉鎖等模塊。也可以很方便地組合成可逆接觸器、星-三角起動器。3.6.2變頻器簡介變頻器的功能是將頻率固定的(通常為50hz)的交流電變換成頻率連續(xù)可調的三相交流電源。變頻器的輸入端接至頻率固定的三相交流電，輸出端輸出的

49、是頻率在一定范圍內連續(xù)可調的三相交流電。變頻器主要分為間接變頻和直接變頻兩大類，而間接變頻又根據(jù)中間直流環(huán)節(jié)的主要儲能元件的不同可分為電壓型和電流型。電壓型變頻器主回路由相控整流器，中間直流環(huán)節(jié)和逆變器三個部分組成。相控整流器將交流電壓整流為可控的直流電壓，經(jīng)濾波由電容cd輸出直流電壓vd，逆變器將直流ud變換成頻率可調的交流電源供給電機進行變頻調速。由于中間直流環(huán)節(jié)是cd低阻抗輸出相當于是恒壓源，故稱電壓型。電流型交-直-交變頻器與電壓型變頻器的差別僅在于中間直流環(huán)節(jié)中的儲能元件用的是電感而不是電容。由于中間直流環(huán)節(jié)是高阻抗輸出相當于電流源，故稱電流型。3.6.3變頻與變壓(vvvf)原理當

50、在實際利用變頻器調節(jié)電機轉速的過程中，當頻率f下降時，定子繞組的反電動勢e有所下降，定子電流增大，但是轉子側的負載并未增加，故轉子段電流不變，根據(jù)電流平衡方程可知，勵磁電流比增大，因而磁通m增大。m增加將導致鐵芯的飽和，進而引起勵磁電流波形的畸變，這是不希望的結果，因此希望m可以保持基本不變。要實現(xiàn)這個目標，只要在變頻過程中使變頻器輸出電壓ul/f=const，則磁通m可保持基本不變。因此變頻的同時也要變壓，常用vvvf表示。vvvf實施的基本方法包括：脈幅調制(pam)和脈寬調制(pwm)。（1）脈幅調制(pam)實現(xiàn)方法就是調節(jié)頻率的同時，也改變直流電壓的振幅值。pam需要同時調節(jié)兩個部分

51、：整流部分和逆變部分，兩者之間還必須滿足一定的關系，故控制電路比較復雜，因此比較少用。（2）脈寬調制(pwm)實現(xiàn)方法就是在每半個周期內，把輸出電壓的波形分割成若干個脈沖波，每個脈沖的寬度為t1，每個脈沖間的間隔寬度為t2，則脈沖的占空比=tl/(t2+tl)。這時電壓的平均值和占空比成正比，所以在調節(jié)頻率時，不改變直流電壓的幅值，而是改變輸出電壓脈沖的占空比，同樣可以實現(xiàn)變頻也變壓的效果。pwm只需控制逆變電路便可實現(xiàn)，與pam相比電路簡化了許多，因此在變頻調速中比較常用。3.6.4變頻調速的基本原理（1）異步電動機的等效變換圖3-9 異步電動機的等效變換異步電動機的電磁轉矩公式：（4.1）

52、其中：p為旋轉磁場的磁極對數(shù)，s為轉差率。（2）變頻調速的原理異步電動機的電磁轉矩是由定子主磁通和轉子電流相互作用產(chǎn)生。異步電動機的定子主磁通是以一定的轉速旋轉，旋轉磁場實際是三個交變磁場合成的結果。旋轉磁場的轉速n0=60f/p，其中f是電流頻率，p是旋轉磁場的磁極對數(shù)。產(chǎn)生轉子電流的必要條件是轉子繞組切割定子磁場的磁力線。因此轉子的轉速n1必須低于定子磁場的轉速n0 (即所謂的“異步”)。兩者之間的差異可由轉差率表示，轉差率s=( n0- n1)/n0根據(jù)n0=60f/p可知，當頻率f連續(xù)可調時，電動機的同步轉速n0也連續(xù)可調，而異步電機的轉子轉速n1，總是比同步轉速略低一點，所以當n1連

53、續(xù)可調時，n1也是連續(xù)可調。設變頻后的頻率為fx，電壓為ux，電動機的額定相電壓和頻率為un和fn，則有： （4.2） （4.3）其中kf為頻率可調比，ku為電壓可調比。將上述兩個公式代入異步電動機的電磁轉矩公式可得變頻后的轉矩公式：（4.4）其中：sx為頻率為fx時的轉差率。在變頻器正常工作情況下，即kfkm1時的機械特性如圖3-10所示。圖3-10kfkm1時的機械特性由圖4-2可知隨著f的下降，臨界轉矩tkx逐漸減少，電動機的帶負載能力也隨之下降。這無疑給變頻調速帶來了瑕點。而針對這種想象一般要采取電壓補償法。新系列的變頻器一般都提供了設置自動轉矩補償功能。變頻器可以根據(jù)電流的大小自動地

54、決定補償?shù)某潭取?.6.5變頻器選型該系統(tǒng)選用的變頻器是西門子mm430變頻器，具有多個繼電器輸出，具有多個模擬量輸出（020 ma），2 個模擬輸入：ain1：010 v， 020 ma 和10 至+10 v； ain2：010 v， 020 ma，6 個帶隔離的數(shù)字輸入，并可切換為npn/pnp 接線。它是一種風機水泵負載專用變頻器，能適用于各種變速驅動系統(tǒng)，尤其是適用于工業(yè)部門的水泵和風機。該型變頻器，具有能源利用率高的特點，優(yōu)化了部分結構與功能，便于工作人員進行操作，實現(xiàn)功能強。它們具有很高的運行可靠性和功能的多樣性。其脈沖寬度調制的開關頻率是可選的，因而降低了電動機運行的噪聲。全面而

55、完善的保護功能為變頻器和電動機提供了良好的保護。3.6.6變頻器參數(shù)設置該工業(yè)污水處理系統(tǒng)中的mm430變頻器是一種風機水泵負載專用變頻器，能適用于各種變速驅動系統(tǒng)，尤其適合用于工業(yè)部門的水泵和風機。該變頻器，具有能源利用率高的特點，優(yōu)化了部分結構與功能，便于工作人員進行操作，實現(xiàn)其控制功能。在此控制系統(tǒng)中，需要對變頻器進行通信控制，因此需先對變頻器的參數(shù)進行設置，主要對一下幾個參數(shù)進行調整，如表3-11所示。表3-11 變頻器參數(shù)設置表參數(shù)號參數(shù)值說明p000521顯示實際頻率p07002由端子排輸入p10002模擬輸入p13002可用于可變轉矩負載p201069600baudp20111u

56、ss地址p0300根據(jù)具體電動機設置電動機類型p0304根據(jù)具體電動機設置電動機額定電壓p0305根據(jù)具體電動機設置電動機額定電流p0310根據(jù)具體電動機設置電動機額定頻率p0311根據(jù)具體電動機設置電動機額定轉速3.6.7電動機的選型在該工業(yè)污水處理系統(tǒng)中需要用到許多電機，y2系列三相異步電機是專為歐洲市場設計的三相異步電動機、電機出線盒置于電機機殼頂部、整機結構緊湊、外形美觀大方，安裝尺寸符合iec標準，具有高效、節(jié)能、起動轉矩大，使用維護方便等特點。主要性能有：絕緣等級：f；防護等級：ip54或ip55；電壓：380v或415v；頻率：50hz或60hz；冷卻方式：ic411。y2系列電動機有兩種設計，一種是適用于一般機械配套和出口需要，在輕載時有較高效率，在實際運行中有較佳節(jié)能效果，且具有較高堵轉轉矩，此設計稱為y2-y系列。中心高63355mm，功率從0.12315kw。電動機符合jb/t8680.1-1998 y2系列(1p54)三相異步電動機（機座號63355）技術條件。 型號含義：如y2-200l1