畢業(yè)論文---基于PLC的工業(yè)污水處理控制系統(tǒng)的設計

1、畢業(yè)論文-一基于plc的工業(yè)污水處理控制系統(tǒng)的設計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)屮的曝氣過程控制數(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木文介紹了工廠污水處理的基木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

2、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工藝流程目錄1污水處理控制系統(tǒng)總體介紹111工業(yè)污水處理基木概念112常用的工業(yè)污水處理工藝 113工業(yè)污水處理系統(tǒng)控制形式414工業(yè)污水處理系統(tǒng)的功能要求52硬件系統(tǒng)配置 721主要組成部分 722電氣控制系統(tǒng) 823工業(yè)污水處理系統(tǒng)的工作原理 924 plc 選型 1125 plc的10資源配置1126其他資源配置143軟件系統(tǒng)設計 2031總體流程設計 2032曝氣

3、過程控制的任務2833氯氣投加環(huán)節(jié) 2934絮凝劑投加環(huán) 3035 p1d 控制 3036 plc和變頻器通訊314調試和運行結果3241硬件系統(tǒng)的調試3242軟件系統(tǒng)的調試3243運行結果33結論34參考文獻35致謝361工業(yè)污水處理控制系統(tǒng)總體介紹11工業(yè)污水處理基木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)污水往往都 排入排水系統(tǒng)這些污水除含有碳水化合物蛋口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牛物經(jīng)處理后的污水最 后出路有三種排放水體灌溉q地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

4、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 共性是在微生物的作用下被降解吋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 bod2a0法ao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0代表oxic好氧的a0法是一種缺氧-好

5、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一-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一一反硝 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 a0法工藝流程圖3a20法a20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a代表anaerobic厭氧的后一個a代表anoxic缺氧 的0代表好氧的a20是一種厭氧缺氧好氧工業(yè)污水處理工藝a20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

6、工業(yè)污水處理廠一般首選a20工藝其工藝流程圖如圖23所示圖2-3 a20法工藝流程圖4ab法ab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冋流系統(tǒng)高負荷段停留吋間約為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)能效益尤其在釆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)量較人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

7、增加一定的投資和費用列外由于a段去除了較多的b0d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)勢總體而言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)污水處理廠一般不宜采用5sbr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 處理技術乂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

8、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13本設計系統(tǒng)工業(yè)污水處理工藝及描述本工業(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 污水屮的細小沙粒濾除后進入氧化溝反應池在該氧化溝系統(tǒng)屮進行生化處理分 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

9、對污水進行除油消毒調整ph值同吋在該系統(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吋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13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

10、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 求因此己逐漸被淘汰取而代之的是dcs現(xiàn)場總線控制plc等控制方1dcs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)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 分散控制和集屮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齊種要求

11、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) 場總線的白動控制系統(tǒng)該系統(tǒng)按照公開規(guī)范的通信協(xié)議在智能設備z間以及智 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吋性好通信協(xié)議公開 不同產(chǎn)品可互連3plc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控 制功能強模塊化結構擴展能力強14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

12、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而的通信可完成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

13、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 輸入二是控制輸出信號com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按鈕輸入檢測犬多數(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 潛水泵或污泥冋流泵的啟動和停止以及投入運行的潛水泵的數(shù)

14、量4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)為了保證微牛物所需要的氧氣必須檢測污 水屮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牛物過氧化降低了其 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屮的溶解氧保 持在一定的范圍內(nèi)com出信號信號輸出部分主要包括兩個方面一個是數(shù)字量輸出即各類設備的接觸器 另外一個是模擬量輸

15、出用來控制曝氣機變頻器1數(shù)字量輸出控制各類設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2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朵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)21主要組成部分工業(yè)污水處理系統(tǒng)的結構比較復雜設

16、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)基木組成示意圖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 水中的人塊物體排除其中的粗格柵是根據(jù)程序設定的吋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(nèi)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

17、持續(xù)升高時則輸岀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 是進一步凈化污水屮的顆粒物體將污水屮細小的沙粒濾除其屮的細格柵機是根據(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分離機的運行和后續(xù)處理 屮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

18、處理系統(tǒng)屮最重要的環(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 分污水冋流系統(tǒng)的污泥冋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(nèi)液位傳感器的狀

19、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了助凝劑的強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 新的微牛物及其他雜質因此需要先對

20、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22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

21、plc及其擴展模塊等23工業(yè)污水處理系統(tǒng)的工作原理com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com程在手動狀態(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?？刂破涔ぷ鬟^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

22、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運算后進行控制同吋控制 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在污泥脫水系統(tǒng)屮離心式脫水機的啟動采用順序控制方式依次啟動其設 備com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ml清污機電機m2轉碟曝氣機電機m3接觸器km3km2km6分別控制m1m2m3的工 頻運行接觸器km5km9分別控制ml m3的變頻運行fr1fr2fr3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

23、斷器選用的mm430 變頻器是用來控制電機m1m3變頻運行的圖3-3工業(yè)污水處理系統(tǒng)部分主電路圖24 plc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釆用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10外述需要擴展一定數(shù)量的10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

24、t0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25 plc的t0資源配置根據(jù)系統(tǒng)的功能要求對plc的10進行配置具體分配如下表com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100急停 114手動刮泥機啟動101手動方式 115手動污泥冋流泵啟動t02自動方式116手動分離式脫水機啟動103自動啟動確認117手動污泥泵啟動104手動粗格柵機啟動120手動轉碟曝氣機加速10

25、5手動清污機啟動121手動轉碟曝氣機減少106手動潛水泵啟動122粗格柵液機啟動124進水泵房液而高位傳感器ill手動轉碟曝氣機工頻啟動125進水泵房液面低位傳感器112手動轉碟曝氣機變頻啟動126污泥回流泵液面高位傳感器113手動潛水攪拌機啟動 127污泥回流泵液而低位傳感器com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 q00粗格柵機接觸器q07潛水攪拌機接觸器q01清污機接觸器q10刮泥機接觸器q02潛水泵接觸器q11污泥冋流泵接觸器 q03細格柵機接觸器q12離心式脫水機接觸器q04分離機接觸器q13潛水泵報警q05轉碟曝氣機工頻接觸器q14污泥回流泵報

26、警q06轉碟曝氣機變頻接觸器com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10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aiwo 溶解氧儀 com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模擬量輸岀地址分配輸出地址 輸出設備aqwo 經(jīng)p1d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

27、26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z外還需要各種傳 感器接觸器和變頻器等儀器設備com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額定電流9a其特點有高標 準符合iec60947-4-1和gb140484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t

28、h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70-120uc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no 60fp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

29、割定子磁場的磁力線因此轉子的轉速nl必須低于定 子磁場的轉速no即所謂的異步兩者z間的差異可由轉差率表示轉差率s no- nl no根據(jù)no 60fp可知當頻率f連續(xù)可調時電動機的同步轉速no也連續(xù) 可調而異步電機的轉子轉速nl總是比同步轉速略低一點所以當nl連續(xù)可調時 nl也是連續(xù)可調設變頻后的頻率為fx電壓為lx電動機的額定相電壓和頻率為un和fn則有=42=43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kf=km 1吋的機械特性如圖3-10所示圖3-10kf=km 1時的機械特性

30、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 z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 自動地決定補償?shù)某潭萩om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 ma2個模擬輸入ain1010 v 020 ma和-10至10 v ain2010 v020 ina6個帶隔離的數(shù)字輸入并可切換為npnpnp接線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 的噪聲全面而完善的保護功能為變頻

31、器和電動機提供了良好的保護參數(shù)號參數(shù)值說明p0005 21顯示實際頻率p0700 2由端子排輸入p1000 2 模擬輸入p1300 2 可用于可變轉矩負載p20106 9600baudp20111 uss 地址p0300根據(jù)具體電動機設置電動機類型 p0304根據(jù)具體屯動機設置屯動機額定電壓 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com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屯動機電機出線盒置于屯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

32、有高效節(jié)能起動轉矩大使用維護方便等特點絕緣等級f防護等級tp54或tp55電壓380v或415v頻率50hz或60hz冷卻方式1c411y2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屮有較佳節(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63355inin功率從012315kw電動機符合jbt86801-1998 y2系列1p54 三相異步電動機機座號63355技術條件型號含義如y2-200l1-2yy2表示異步 電動機第二次改型設計200表示中心高l表示機座長短號1表示鐵心長度序號2 表示極數(shù)y表示第一種設計可省略第2種設計是滿載時有較高效率

33、更適用于長 期運行和負載率較高的使用場合如水泵風機配套此設計稱為y2-e系列屮心高80280mm功率從05590kw電動機符合jbt86802-1998 y2系列1p54三和異 步電動機機座號80280技術條件 型號含義如y2-200l2-6ey2表示異步電動機 第二次改型設計200表示中心高l表示機座長短號2表示鐵心長度序號6表示極 數(shù)e表示第二種設計根據(jù)上述分析選擇y2-200l2-6e即可滿足要求com計對格柵機的清污機進行控制需要監(jiān)測格柵機兩側的液面差在該系統(tǒng)屮利用 液位差計該系統(tǒng)選用的超聲波液位差計型號xl60-y14000粗格柵細格柵各安裝 了一臺超聲波液位差計通過格柵機前后的液位

34、差來反映格柵機阻塞程度并傳輸 到plc控制器進行分析計算當液位差超過預設值后系統(tǒng)控制清污機運行清除大 顆粒的污染物質保障污水流動暢通在液位差未超過設定值時清污機處于停止狀 態(tài)這樣就可以大大減少設備損耗超聲波液位差計精度較高且有多種量程可供選擇其輸岀信號有一下三種可 編程繼電器輸岀高精度420ma模擬信號輸出rs-485通信口輸出可根據(jù)需要的 信號選擇輸出作為plc的輸入信號該系統(tǒng)選用的超聲波液位差計型號 xl60-yi4000工作溫度-2060°c工作電壓ac220v或dc24v工作壓力常壓差值精 度±3価或03%fs取其較大者重復精度1%。分辨率lira方向角4°

35、;6°全角工作頻率13khz40khz因型號規(guī)格而不同信號輸出rs-485modbus標準的4-20ma電 流信號和多路開關量輸出采用先進的嵌入式微處理技術使其測控儀器達到了高 度的數(shù)字化和智能化它集超聲波傳感器溫度補償電路運算主機為一體的非接觸 式液位差測量儀器超聲波液位差計具有精度高壽命長穩(wěn)定可靠安裝維護方便等 特點pii溶解氧測量儀型號sa29-mp5253軟件系統(tǒng)設計釆用西門子公司為s7200系列plc開發(fā)的step7microwin32作為編程軟件上 面介紹了工業(yè)污水處理控制系統(tǒng)的結構工作原理和屯氣控制部分的結構硬件結 構的總體設計基本完成后就要開始軟件部分的設計根據(jù)控制系

36、統(tǒng)的控制要求和 硬件部分的設計情況及plc控制系統(tǒng)10的分配情況進行軟件編程設計在軟件的 設計屮首先按照需要實現(xiàn)的功能要求做出流程框圖其次按照不同功能編寫不同 功能模塊這樣寫出的程序條例清晰既方便編寫也便于調試31總體流程設計根據(jù)系統(tǒng)的控制要求控制過程可以分為手動控制功能和自動運行功能 在手動控制模式下每個設備可以單獨運行以測試設備的性能如圖4-1所示圖4-1模式選擇流程圖com式在手動模式下可單獨調試每個設備的運行如圖5-2所示在此模式下可 以通過按鈕對格柵機清污機轉碟曝氣機刮泥機以及各類泵進行控制對丁 轉碟曝 氣機的控制可以通過按鈕增大或減小變頻器的頻率來改變其速度以檢測調試性 能圖4-2

37、手動操作模式流程圖com式處于自動方式時系統(tǒng)上電后按下自動啟動確認后系統(tǒng)運行系統(tǒng)開始工作其 工作過程包括以下幾個方面1系統(tǒng)上電后按下自動啟動確認按鈕啟動潛水攪拌器和刮泥機2啟動粗格柵系統(tǒng)3啟動潛水泵4啟動細格柵系統(tǒng)5啟動曝氣沉砂系統(tǒng)6啟動污泥回流系統(tǒng)7啟動污泥脫水系統(tǒng)以上工作過程并不是順序控制方式而是按照plc檢測到傳感器狀態(tài)進行啟 動如圖4-3所示圖4-3 自動操作模式流程圖在自動控制模式流程圖中調用了各個控制系統(tǒng)的程序主要包括粗格柵系統(tǒng) 程序潛水泵程序細格柵系統(tǒng)程序曝氣沉砂系統(tǒng)程序污泥回流泵系統(tǒng)程序以及污 泥脫水系統(tǒng)程序以下將分別介紹各個子程序的工作過程粗格柵系統(tǒng)程序主要控制粗格柵機和清污

38、機的運行其工作過程包括以下兒 個方面1自動過程開始啟動粗格柵機定時20min2定時到停止運行粗格柵機2h32h定時到運行粗格柵機20min循環(huán)進行4同時檢查液面差若超過設定值則啟動清污機5液面差值低于設定值停止清污機運行粗格柵系統(tǒng)工作流程圖如圖4-4所示圖粗格柵系統(tǒng)工作流程圖潛水泵程序主要控制潛水泵的運行和停止其工作過程包括以下幾個方面1自動過程開始啟動潛水泵2檢測液而高度低于最低位傳感器時開始定時防止謀判3定時到后若仍低于最低位傳感器則停止?jié)撍眠\行否則潛水泵繼續(xù)運行4檢測液面處于屮位和高位傳感器z間時開始定時防止誤判5定時到后若液而仍持續(xù)處于高位傳感器則輸出報警信號潛水泵工作流程圖如圖4-

39、5所示圖4-5潛水泵工作流程圖細格柵系統(tǒng)程序與粗格柵系統(tǒng)程序相似主要控制細格柵機和轉鼓清污機的 運行其工作過程包括以下幾個方面1自動過程開始啟動細格柵機定時20min2定時到停止運行細格柵機2h32h定時到運行細格柵機20niin循環(huán)進行4同時檢測液面差若超過設定值則啟動轉鼓清污機5液面差低于設定值停止轉鼓清污機運行圖4-6細格柵系統(tǒng)工作流程圖曝氣沉砂系統(tǒng)工作流程圖如圖4-7所示4-7曝氣沉砂系統(tǒng)工作流程圖污泥回流系統(tǒng)程序主要控制污泥回流泵的運行和停止其工作過程包括以下 幾個方面1自動過程開始首先檢測液面高低若低于最低位傳感器啟動定時2定時到若液面仍低于最低位傳感器則停止回流泵運行3若液面處于

40、最高位和最低位z間啟動污泥回流泵4若液面高于最高位傳感器時啟動定時5定時到若液而仍處于最高位傳感器時輸出報警信號污泥回流系統(tǒng)工作流程圖如圖4-8所示圖4-8污泥回流系統(tǒng)工作流程圖污泥脫水系統(tǒng)程序主要控制離心式脫水機啟動定時1自動過程開始首先啟動離心式脫水機啟動定時2定時到啟動聚合物泵啟動定時3定時到啟動污泥泵和切割機污泥脫水系統(tǒng)工作流程圖如圖4-9所示圖4-9污泥脫水系統(tǒng)工作流程圖在設計程序過程中會用到許多中間繼電器寄存器定時器等軟元件為了便于 編程及修改在程序編寫前應先列出可能用到的軟元件如表4-10所示表4-10軟元件設置元件 意義 內(nèi)容備注m00系統(tǒng)停止標志on有效m01手動方式標志on

41、有效m02自動方式標志on有效m03自動方式啟動標志on有效 mil清污機運行標志on有效m23聚合物泵運行標志on有效 m24污泥泵運行標志on有效m25切割機運行標志on有效 m26粗格柵機停止標志on有效 m27粗格柵機定吋脈沖計數(shù)on有效 m30進水泵房液面低于最低位 on有效 m32細格柵機停止標志on有效 m33細格柵機定時脈沖計數(shù)on有效 m34轉碟曝氣機變頻轉工頻運行標志on有效m37轉碟曝氣機變頻運行標志on有效 m40回流泵房液面低于最低位標志on有效 m41回流泵房液面高于最高位標志on有效 cl粗格柵機2h定時中間計數(shù)器 10c2細格柵機2h定時中間計數(shù)器10t33時鐘

42、脈沖 5 50mst37粗格柵機運行時間 12000 20mint38粗格柵機停止時間定時7200 12mint39進水泵房液而低于最低位定時20 2st40進水泵房液而高于最高位定時20 2s t41細格柵機運行時間12000 20min t42細格柵機 停止時間定時7200 12mint43污泥回流泵房液面低于最低位定時202st44污泥回流泵高于低位且低于高位定時20 2s t45污泥回流泵房液面高于最高位定時20 2st46離心式脫水機與聚合物泵啟動間隔50 5st47聚合物泵與污泥泵和切割機啟動間隔50 5s vd10變頻器速度寄存器vd20含氧量反饋值寄存器vd30變頻器速度寄存器

43、vd100含氧量標準值寄存器vd102變頻器速度標準值寄存器 1000vd104uss-tntt指令執(zhí)行結果vd106 uss-rpm-r錯誤狀態(tài)字節(jié)32曝氣過程控制的任務工業(yè)污水處理后的水質是否達到排放標準其中牛化需氧量bod和化學需氧 量cod是重要的水質指標b0i）是指在有氧條件下降解有機物所需的氧量c0i）是指 在酸性條件下用強氧化劑將有機物氧化成c02h20所消耗的氧量bod的測定需費 吋5天口測定結果易受多種因素影響誤差較人cod的檢測比較精確但方法繁瑣耗 時約2小時雖然有cod濃度在線檢測儀可以在線檢測但仍存在滯后30分鐘左右圖4-11氯氣投加自控原理圖34絮凝劑投加環(huán)在污泥脫水

44、過程中為增加沉淀效果使污水中懸浮顆粒能夠形成具有良好沉 淀性能的絮凝體達到泥水充分分離的處理效果需進行絮凝劑投加其控制過程主 要是通過污泥濃度污水流量絮凝劑濃度等因素控制來完成的其pid調節(jié)的模糊 控制過程與上述兩個非線性控制環(huán)節(jié)類似具有大時滯非線性的特點由于混凝過 程的復雜性和多變性混凝投藥的自動控制一直受到控制行業(yè)和污水行業(yè)專家的 普遍關注35 pid控制對于工業(yè)控制過程常規(guī)的p1d控制器具有原理簡單使用方便穩(wěn)定可靠無 靜差等優(yōu)點因此在控制理論和技術飛躍發(fā)展的今天在工業(yè)控制領域仍具有強大 的生命力常規(guī)的pid控制器的描述如式41所示41其屮各參數(shù)代表的意義是un控制器的輸出rn控制器偏差輸

45、入ecn系統(tǒng)誤差變化率kp比例增益ki積分增益kd微分增益比例增益kp使控制器的輸入輸出成一一對應比例關系一旦輸入輸出有偏差 比例作用會立即產(chǎn)生控制作用比例控制是用來調節(jié)系統(tǒng)的靜態(tài)增益的它是基于 偏差進行調節(jié)的是有差調節(jié)為了盡量減小偏差同時也為了加快系統(tǒng)的響應速度 縮短系統(tǒng)的調節(jié)時間需要增大kp值但是因為kp值又受到系統(tǒng)穩(wěn)定性的限制所以kp值不能任意的增大積分作用ki是為了消除靜差而引入的然而ki值的引入使 得系統(tǒng)的響應的快速性下降穩(wěn)定性變差尤其在系統(tǒng)出現(xiàn)大偏差階段時積分往往 使得系統(tǒng)的響應出現(xiàn)過大的超調從而使調節(jié)時間變長微分作用kt的作用使之能 夠根據(jù)偏差變化的趨勢作出反應它加快了對偏差變化

46、的反應速度能夠有效地減 小超調縮小最大動態(tài)偏差但是同時又會使系統(tǒng)容易受到高頻干擾的影響在實際 的系統(tǒng)設計中只有合理地整定上述三個參數(shù)才能獲得比較滿意的控制性能在污 水的白動控制中混凝劑投加氯氣投加和曝氣環(huán)節(jié)由于過程的復雜性多變性非線 性和大滯后的特點采用的p1d控制算法難以實現(xiàn)準確和高效的控制為此在常規(guī) 的ptd控制基礎上采用模糊推理的方法對ptd的控制參數(shù)進行在線自整定從而完 善pid控制器的性能使其適應控制系統(tǒng)的參數(shù)變化和工作條36 plc和變頻器通訊1uss通訊協(xié)議簡介uss 協(xié)議 universal serial interface protocol 通用串行接口 協(xié)議是 siemen

47、s公司所有傳動產(chǎn)品的通用通訊協(xié)議它是一種基于串行總線進行數(shù)據(jù)通 訊的協(xié)議uss協(xié)議是主-從結構的協(xié)議規(guī)定了在uss總線上可以有一個主站和最 多30個從站總線上的每個從站都有一個站地址在從站參數(shù)中設定主站依靠它 識別每個從站每個從站也只對主站發(fā)來的報文做出響應并回送報文從站之間不 能直接進行數(shù)據(jù)通訊另外還有一種廣播通訊方式主站可以同時給所有從站發(fā)送 報文從站在接收到報文并做出相應的響應后可不冋送報文在使用uss協(xié)議之前 需要先安裝四門子的指令庫uss協(xié)議指令在step7m1cr0w1n32指令樹的庫文件夾 中step7microwin32指令庫提供14個子程序3個中斷程序和8條指令來支持uss

48、協(xié)議調用一條指令時將會自動地增加一個或幾個子程序編程之前一定要將uss協(xié)議庫添加進去編程軟件默認安裝沒有uss協(xié)議庫的ussinit指令當en輸入接通時每一循環(huán)都執(zhí)行該指令通過mode輸入值可 選擇不同的通訊協(xié)議輸入值為1指定port 0為uss協(xié)議并使能該協(xié)議輸入值為 0指定port 0為ppi并且禁止uss協(xié)議baud設置波特率為1200240048009600192003840057600 或 115200active指示哪個驅動激活有些驅動只支持地址0到304調試和運行結果工業(yè)污水處理廠自動控制系統(tǒng)設計安裝完成后進行系統(tǒng)的調試和試運行確 定符合實際進水水量和水質的各項控制參數(shù)發(fā)現(xiàn)并解決

49、設備儀表程序工藝等方 而出現(xiàn)的問題檢驗系統(tǒng)是否實現(xiàn)工藝設計目標即出水各項指標達到設計要求41硬件系統(tǒng)的調試按照系統(tǒng)設計要求將各硬件接線接好調試過程首先檢查總供電及各設備供 電是否止常然后檢查設備的電氣控制是否止常能否正常開機各種閘閥能否止常 開啟和關閉檢查儀表及控制系統(tǒng)是否正常在對系統(tǒng)進行必要的檢查后開始具體 調試硬件功能調試主要是測試硬件的功能是否正常這部分的調試內(nèi)容包括1供電線路的設置和檢驗主要用萬用表檢測屯路的連通是否實現(xiàn)以及保證 接線的正確性防止220v與24v線路的錯位接線發(fā)生2電機直接加三相屯源調試檢測電機工作狀態(tài)3變頻器單獨調試檢測能否正常進行參數(shù)設置4變頻器加電機進行調試檢測能

50、否正常進行變頻調速在外部控制模式下控 制端子是否能正?？刂齐姍C啟動調節(jié)電機轉速等5plc單獨檢測檢查plc單元能否正常工作指示燈是否正常該部分工作實際 上在計算機模擬調試前就己經(jīng)完成6plc加變頻器聯(lián)機調試檢查plc變頻器是否能實現(xiàn)對此系統(tǒng)控制經(jīng)過測試結果表明上述功能一切正?？梢赃M行總體調試42軟件系統(tǒng)的調試在step7-microwin32軟件中通過編程將編好的程序下載到plc中進行運行 調試檢查程序是否有錯課是否能夠實現(xiàn)相應的功能控制調試時可根據(jù)功能模塊 分類分別調試最后進行總體調試在該控制程序中需要根據(jù)外界輸入的狀態(tài)來控 制清污機潛水泵以及污泥回流泵的啟停因此需要按照液位傳感器和液位差計反 饋來的信息進行判斷處理然后再進行輸出控制43運行結果通過系統(tǒng)調試能夠實現(xiàn)plc在系統(tǒng)控制屮的手動白動模式的控制啟動電源 后按下手動或自動模式選擇按鈕當在手動模式時可通過各控制按鈕實現(xiàn)對工業(yè) 污水處理系統(tǒng)中各電機的控制運行同時相應的指示燈亮當在自動模式時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?？刂谱詣?/p>