基于PLC技術(shù)的污水處理控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)報(bào)告題 目： plc控制的污水系統(tǒng) 學(xué)生姓名： 張晗 學(xué)生學(xué)號： 1314050341 年 級： 13級 專 業(yè)： 電氣工程及其自動化 班 級： 電氣（3）班 指導(dǎo)教師： 聶文燕 機(jī)械與電氣工程學(xué)院制2015年11月PLC的污水控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)學(xué)生：張晗指導(dǎo)老師：聶文燕機(jī)械與電氣工程學(xué)院 電氣工程及其自動化摘 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(dāng)，效率普遍低于世界標(biāo)準(zhǔn)。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，污水廠排放的處理過的污水的水質(zhì)不穩(wěn)定，所以如何建立有效的自控

2、系統(tǒng)，優(yōu)化運(yùn)行效果，減少運(yùn)行費(fèi)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(shè)計(jì)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(guān)流程，控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)、工作原理以及設(shè)計(jì)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(yīng)用。先根據(jù)污水處理要求設(shè)計(jì)了設(shè)備的電器控制與自動控制線路，主要包括設(shè)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(shè)計(jì)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(guān)鍵詞：污水處理，PLC，工藝流程 1工業(yè)污水處理控制系統(tǒng)總體介紹1.1工業(yè)污水處理基

3、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，往往都排入排水系統(tǒng)。這些污水除含有碳水化合物、蛋白質(zhì)、氨基酸、動植物脂肪、尿素、氨、肥皂和合成洗滌劑等物質(zhì)外，還含有細(xì)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：排放水體；灌溉田地；重復(fù)使用。污水污染物可根據(jù)化學(xué)性質(zhì)和物理形態(tài)進(jìn)行不同的分類。按化學(xué)性質(zhì)，污水中的污染物質(zhì)可分為無機(jī)性物質(zhì)和有機(jī)性物質(zhì)，其化學(xué)元素以炭、氮、磷為主。按物理形態(tài)，污水中的污染物質(zhì)可分為固體懸浮物即呈顆粒狀的污染物質(zhì)、膠體污染物質(zhì)和溶解性污染物質(zhì)。好氧有機(jī)污染物的性質(zhì)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(jī)物，如二氧

4、化碳、水、硝酸根離子等穩(wěn)定的無機(jī)物。有機(jī)物的種類很多，其共性是在微生物的作用下被降解時(shí)，都要消耗水中的溶解氧，所以在工程實(shí)際中，采用以下的幾個(gè)綜合污染指標(biāo)來表述：生物化學(xué)需氧量或生化需氧量（Bio-chemical Oxygen Demand, BOD）mg/L、化學(xué)需氧量(Chemical Oxygen Demand, COD) mg/L、總有機(jī)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(shí)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

5、，污水五日生化需氧量(BOD5)，約占BOD20的70%80%，因此把BOD5作為衡量污染水的有機(jī)物濃度指標(biāo)?；瘜W(xué)需氧量(COD)的特點(diǎn)是能夠精確的表示污水中有機(jī)物的含量，并且測定時(shí)間短，但它不能像BOD那樣表示出微生物氧化的有機(jī)物量。1.2本設(shè)計(jì)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(jìn)水系統(tǒng)通過粗格柵和清污機(jī)進(jìn)行初步排除大塊雜質(zhì)物體，到達(dá)除砂池中。在除砂池系統(tǒng)中細(xì)格柵和轉(zhuǎn)鼓清污機(jī)進(jìn)一步凈化污水中的細(xì)小顆粒物體，將污水中的細(xì)小沙粒濾除后進(jìn)入氧化溝反應(yīng)池。在該氧化溝系統(tǒng)中進(jìn)行生化處理，分解污水中的有害物質(zhì)，此環(huán)節(jié)用到一些化學(xué)藥劑來加強(qiáng)處理

6、效果，如復(fù)合堿、氯氣、油絮凝劑等。對污水進(jìn)行除油、消毒、調(diào)整PH值。同時(shí)在該系統(tǒng)中設(shè)置有溶解氧儀超聲波檢測器，通過它對污水中的含氧量進(jìn)行檢測，根據(jù)其反饋到PLC的值來控制曝氣機(jī)變頻器的運(yùn)行，改變污水中溶解氧的含量。潛水?dāng)嚢铏C(jī)的作用是推進(jìn)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(yīng)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(jìn)入沉淀池中，在刮泥機(jī)的作用下進(jìn)行物理沉淀，為了加強(qiáng)沉淀效果，同時(shí)加入混凝劑和絮凝劑利用高分子助凝劑的強(qiáng)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(dá)脫水環(huán)節(jié)，離心式脫水機(jī)作用下進(jìn)行脫水處理后排出清水。1.3工業(yè)污水處理系統(tǒng)控制形式早期

7、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(shù)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(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，是由計(jì)算機(jī)技術(shù)、信號處理技術(shù)、測量控制技術(shù)、通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等相互滲透形成的。由計(jì)算機(jī)和現(xiàn)場終端組成，通過網(wǎng)絡(luò)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(diǎn)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(yīng)用程序

8、比較簡單。實(shí)現(xiàn)了真正的分散控制，使系統(tǒng)的危險(xiǎn)性分散，可靠性提高。擴(kuò)展能力較強(qiáng)。軟硬件資源豐富，可適應(yīng)各種要求。實(shí)時(shí)性好，響應(yīng)快。（2）現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)?，F(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(shè)備之間，以及智能設(shè)備與計(jì)算機(jī)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸和交換，從而實(shí)現(xiàn)控制與管理一體化的自動控制系統(tǒng)，其優(yōu)點(diǎn)：可以用計(jì)算機(jī)豐富的軟件、硬件資源。響應(yīng)快，實(shí)時(shí)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(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的功能要求，也可利用計(jì)算機(jī)作為其上位機(jī)，通過網(wǎng)絡(luò)連接PLC，對生

9、產(chǎn)過程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，其特點(diǎn)如下：編程方便，開發(fā)周期短，維護(hù)容易。通用性強(qiáng)，使用方便?？刂乒δ軓?qiáng)。模塊化結(jié)構(gòu)，擴(kuò)展能力強(qiáng)。1.4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(biāo)準(zhǔn)的水質(zhì)。長期以來，工業(yè)污水處理技術(shù)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(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)率低等極大地影響了城市發(fā)展。為實(shí)現(xiàn)工業(yè)污水處理技術(shù)的簡易、高效、低能耗的功能， 并且實(shí)現(xiàn)自動化的控制過程，采用PLC作為核心控制器是個(gè)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(shè)計(jì)過程變得更加簡單，可實(shí)現(xiàn)的功能變得更多。與

10、各類人機(jī)界面的通信可完成PLC控制系統(tǒng)的監(jiān)視，同時(shí)使用戶可通過操作界面功能控制PLC系統(tǒng)。由于PLC的CPU強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)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(shí)現(xiàn)其遠(yuǎn)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(gè)方面：一是信號輸入；二是控制輸出信號。2 硬件系統(tǒng)配置2.1主要組成部分工業(yè)污水處理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，設(shè)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(jī)的轉(zhuǎn)速來調(diào)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(jìn)水系統(tǒng)。進(jìn)水系統(tǒng)主要有進(jìn)水管道和進(jìn)水泵房組成，進(jìn)水管道主要由粗格柵機(jī)和清污機(jī)組成，

11、進(jìn)水泵房主要有兩臺潛水泵組成。進(jìn)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(shè)定的時(shí)間進(jìn)行間歇工作，而清污機(jī)的運(yùn)行和停止是根據(jù)粗格柵兩側(cè)的液位差來決定的，當(dāng)液位差超過某個(gè)值時(shí)，啟動清污機(jī)；當(dāng)液位差小于某個(gè)值時(shí)停止清污機(jī)的運(yùn)行。進(jìn)水泵房中的潛水泵運(yùn)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(dāng)液位較低時(shí)只啟動一臺潛水泵，當(dāng)液位較高時(shí)啟動兩臺潛水泵，若液位持續(xù)升高時(shí)，則輸出報(bào)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(xì)格柵系統(tǒng)和沉砂池組成，細(xì)格柵系統(tǒng)是由細(xì)格柵機(jī)和轉(zhuǎn)鼓清污機(jī)組成，沉砂池的主要設(shè)備是分離機(jī)。細(xì)格柵系統(tǒng)的主要功能是進(jìn)一步凈化污水中的顆粒物體，將污水中細(xì)

12、小的沙粒濾除，其中的細(xì)格柵機(jī)是根據(jù)程序設(shè)定時(shí)間進(jìn)行間歇工作，而轉(zhuǎn)鼓清污機(jī)的運(yùn)行和停止則根據(jù)細(xì)格柵兩側(cè)的液位差來決定，當(dāng)液位差超過某個(gè)值時(shí)，啟動清污機(jī)；當(dāng)液位差小于某個(gè)值時(shí)停止清污機(jī)的運(yùn)行，這和粗格柵系統(tǒng)的運(yùn)行方式一致。沉砂池中分離機(jī)的運(yùn)行和后續(xù)處理中的轉(zhuǎn)碟曝氣機(jī)的運(yùn)行同步，即啟動轉(zhuǎn)碟曝氣機(jī)的時(shí)候同時(shí)啟動分離機(jī)，對沉砂池中的沙粒進(jìn)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(gòu)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(fù)雜，包括轉(zhuǎn)碟曝氣機(jī)和潛水?dāng)嚢铏C(jī)，污水回流系統(tǒng)主要有污泥回流泵構(gòu)成。氧化溝的功能是對污水進(jìn)行生化處理，分解污水中的有害物質(zhì)，使其達(dá)到一定的水

13、質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，其中是轉(zhuǎn)碟曝氣機(jī)是關(guān)鍵設(shè)備，在氧化溝中設(shè)置有溶解氧儀對污水中的含氧量進(jìn)行檢測，根據(jù)其反饋到PLC的值來控制曝氣機(jī)變頻器的運(yùn)行，改變污水中溶解氧的含量。 (4）沉淀系統(tǒng)。沉淀系統(tǒng)主要設(shè)備為刮泥機(jī)，其功能是對進(jìn)行氧化溝處理后的污水進(jìn)行物理沉淀，將污泥和清水分離，刮泥機(jī)在整個(gè)系統(tǒng)啟動后就開始持續(xù)運(yùn)行。在該系統(tǒng)中用到一定化學(xué)藥劑主要包括混凝劑、絮凝劑、復(fù)合堿等，主要用來調(diào)節(jié)改善混凝條件及絮凝體結(jié)構(gòu)，利用高分子助凝劑的強(qiáng)烈吸附架橋作用，使細(xì)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(jī)，其主要功能是對氧化池中處理過污水的活性污泥進(jìn)行脫水處理，由于

14、對污水進(jìn)行處理后，活性污泥中有新的微生物及其他雜質(zhì)，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(jī)主要有聚合物泵、污泥機(jī)和切割機(jī)構(gòu)成，以上設(shè)備按照順序控制的方式啟動，依次啟動聚合物泵、污泥機(jī)和切割機(jī)，完成對污泥的脫水處理。2.2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(shè)定的程序進(jìn)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(shí)序就需要嚴(yán)格照檢測信號的輸入進(jìn)行控制。(1）操作面板。操作面板主要包括手動、自動、各類設(shè)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

15、此一般采用觸摸屏或者人機(jī)界面。(3）電氣控制柜。電氣控制柜是電氣控制的核心設(shè)備，主要包括變頻器、各類傳感器的輸入信號、PLC及其擴(kuò)展模塊等。2.3工業(yè)污水處理系統(tǒng)的工作原理2.3.1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(guān)模擬量的輸入，完成相關(guān)設(shè)備的運(yùn)行、停止和調(diào)速控制。3-2電氣控制系統(tǒng)框圖2.3.2工作過程在手動狀態(tài)下，各類設(shè)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(jìn)行控制。在自動方式下進(jìn)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(shè)備進(jìn)行啟停控制，其工

16、作過程如下。(1）接通電源，啟動自動控制方式，啟動潛水?dāng)嚢杵骱凸文鄼C(jī)。(2）運(yùn)行粗、細(xì)格柵機(jī)，進(jìn)行間歇運(yùn)行，即運(yùn)行一段時(shí)間然后停止一段時(shí)間，循環(huán)進(jìn)行。(3）根據(jù)反饋回來的液位差狀態(tài)控制清污機(jī)的運(yùn)行與停止。(4）進(jìn)水泵房中的潛水泵根據(jù)液面高低進(jìn)行運(yùn)行、停止及運(yùn)行數(shù)量的控制。 (5）轉(zhuǎn)碟曝氣機(jī)根據(jù)溶解氧儀反饋的模擬量經(jīng)PLC運(yùn)算后進(jìn)行控制，同時(shí)控制分離機(jī)的運(yùn)行與停止。(6）污泥回流泵的運(yùn)行與停止根據(jù)液面的高低進(jìn)行控制。(7）在污泥脫水系統(tǒng)中，離心式脫水機(jī)的啟動采用順序控制方式，依次啟動其設(shè)備。2.3.3工業(yè)污水處理系統(tǒng)主電路設(shè)計(jì)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(jī)分別為潛水泵電機(jī)

17、（M1）、清污機(jī)電機(jī)（M2）、轉(zhuǎn)碟曝氣機(jī)電機(jī)（M3）。接觸器KM3、KM2、KM6分別控制M1、M2、M3的工頻運(yùn)行；接觸器KM5、KM9分別控制M1、M3的變頻運(yùn)行；FR1、FR2、FR3分別為三臺電機(jī)過載保護(hù)用的熱繼電器；QF1、主電路的空氣開關(guān)；FU1為主電路的熔斷器。選用的MM430變頻器是用來控制電機(jī)M1、M3變頻運(yùn)行的。圖3-3工業(yè)污水處理系統(tǒng)部分主電路圖2.4 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(fù)雜程度，從經(jīng)濟(jì)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(jī)。由于工業(yè)污水處理電氣控制系統(tǒng)涉及較多的輸入輸

18、出端口，其控制過程相對復(fù)雜，因此采用CPU226作為該控制系統(tǒng)的主機(jī)。CPU226在工業(yè)污水處理系統(tǒng)中使用的數(shù)字量輸入點(diǎn)和輸出點(diǎn)都比較多，因此除了PLC主機(jī)自帶的I/O外，還需要擴(kuò)展一定數(shù)量的I/O擴(kuò)展模塊。在此采用EM223輸入/輸出混合擴(kuò)展模塊。8點(diǎn)DC輸入8點(diǎn)輸出型。2.5 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(jìn)行配置，具體分配如下表。2.5.1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(shè)備輸入地址輸入設(shè)備I0.0急停I1.4手動刮泥機(jī)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(jī)啟動I0.3自動啟動確認(rèn)I1.7手

19、動污泥泵啟動I0.4手動粗格柵機(jī)啟動I2.0手動轉(zhuǎn)碟曝氣機(jī)加速I0.5手動清污機(jī)啟動I2.1手動轉(zhuǎn)碟曝氣機(jī)減少I0.6手動潛水泵啟動I2.2粗格柵液位差計(jì)I0.7手動細(xì)格柵機(jī)啟動I2.3細(xì)格柵液位差計(jì)I1.0手動分離機(jī)啟動I2.4進(jìn)水泵房液面高位傳感器I1.1手動轉(zhuǎn)碟曝氣機(jī)工頻啟動I2.5進(jìn)水泵房液面低位傳感器I1.2手動轉(zhuǎn)碟曝氣機(jī)變頻啟動I2.6污泥回流泵液面高位傳感器I1.3手動潛水?dāng)嚢铏C(jī)啟動I2.7污泥回流泵液面低位傳感器2.5.2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(shè)備輸出地址輸出設(shè)備Q0.0粗格柵機(jī)接觸器Q0.7潛水?dāng)嚢铏C(jī)接觸器Q0.1清污機(jī)接觸器Q1.0刮泥機(jī)接觸器

20、Q0.2潛水泵接觸器Q1.1污泥回流泵接觸器Q0.3細(xì)格柵機(jī)接觸器Q1.2離心式脫水機(jī)接觸器Q0.4分離機(jī)接觸器Q1.3潛水泵報(bào)警Q0.5轉(zhuǎn)碟曝氣機(jī)工頻接觸器Q1.4污泥回流泵報(bào)警Q0.6轉(zhuǎn)碟曝氣機(jī)變頻接觸器2.5.3模擬量輸入部分由于需要采集一個(gè)溶氧儀所反饋的數(shù)據(jù)，因此擴(kuò)展了一個(gè)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(shè)備AIW0溶解氧儀2.5.4 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(jìn)行數(shù)據(jù)處理，然后，通過模擬輸出口對變頻器進(jìn)行控制，進(jìn)行控制其他設(shè)備的運(yùn)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(shè)備AQW

21、0經(jīng)PID運(yùn)算輸出根據(jù)控制系統(tǒng)的功能要求，設(shè)計(jì)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(diào)試系統(tǒng)時(shí)使用，調(diào)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 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)3.1總體流程設(shè)計(jì) 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(yùn)行功能。在手動控制模式下，每個(gè)設(shè)備可以單獨(dú)運(yùn)行，以測試設(shè)備的性能，如圖4-1所示。圖4-1模式選擇流程圖3.1.1手動模式 在手動模式下，可單獨(dú)調(diào)試每個(gè)設(shè)備的運(yùn)行，如圖5-2所示。在此模式下，可以通過按鈕對格柵機(jī)、清污機(jī)、轉(zhuǎn)碟曝氣機(jī)、刮泥機(jī)，以及各類泵進(jìn)行控制，對于轉(zhuǎn)碟曝氣機(jī)的控制，可以通過按鈕

22、增大或減小變頻器的頻率來改變其速度，以檢測調(diào)試性能。圖4-2手動操作模式流程圖3.1.2自動模式 處于自動方式時(shí)，系統(tǒng)上電后，按下自動啟動確認(rèn)后系統(tǒng)運(yùn)行，系統(tǒng)開始工作，其工作過程包括以下幾個(gè)方面。（1）系統(tǒng)上電后，按下自動啟動確認(rèn)按鈕，啟動潛水?dāng)嚢杵骱凸文鄼C(jī)。（2）啟動粗格柵系統(tǒng)。（3）啟動潛水泵。（4）啟動細(xì)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(jìn)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(diào)用了各個(gè)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(xì)格柵

23、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(gè)子程序的工作過程。粗格柵系統(tǒng)程序主要控制粗格柵機(jī)和清污機(jī)的運(yùn)行，其工作過程包括以下幾個(gè)方面。（1）自動過程開始啟動粗格柵機(jī)，定時(shí)20min。（2）定時(shí)到，停止運(yùn)行粗格柵機(jī)2h。（3）2h定時(shí)到，運(yùn)行粗格柵機(jī)20min，循環(huán)進(jìn)行。（4）同時(shí)檢查液面差，若超過設(shè)定值則啟動清污機(jī)。（5）液面差值低于設(shè)定值，停止清污機(jī)運(yùn)行。 粗格柵系統(tǒng)工作流程圖如圖4-4所示。圖4-4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(yùn)行和停止，其工作過程包括以下幾個(gè)方面：（1）自動過程開始啟動潛水泵。（2）檢測液面高度，低于最低位傳

24、感器時(shí)，開始定時(shí)防止誤判。（3）定時(shí)到后，若仍低于最低位傳感器，則停止?jié)撍眠\(yùn)行，否則潛水泵繼續(xù)運(yùn)行。（4）檢測液面處于中位和高位傳感器之間時(shí)，開始定時(shí)防止誤判。（5）定時(shí)到后，若液面仍持續(xù)處于高位傳感器，則輸出報(bào)警信號。潛水泵工作流程圖如圖4-5所示。圖4-5潛水泵工作流程圖細(xì)格柵系統(tǒng)程序與粗格柵系統(tǒng)程序相似，主要控制細(xì)格柵機(jī)和轉(zhuǎn)鼓清污機(jī)的運(yùn)行，其工作過程包括以下幾個(gè)方面：（1）自動過程開始，啟動細(xì)格柵機(jī)，定時(shí)20min。（2）定時(shí)到，停止運(yùn)行細(xì)格柵機(jī)2h。（3）2h定時(shí)到，運(yùn)行細(xì)格柵機(jī)20min，循環(huán)進(jìn)行。（4）同時(shí)檢測液面差，若超過設(shè)定值則啟動轉(zhuǎn)鼓清污機(jī)。（5）液面差低于設(shè)定值，停止轉(zhuǎn)鼓

25、清污機(jī)運(yùn)行。圖4-6細(xì)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(yùn)行和停止，其工作過程包括以下幾個(gè)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(shí)。（2）定時(shí)到，若液面仍低于最低位傳感器則停止回流泵運(yùn)行。（3）若液面處于最高位和最低位之間，啟動污泥回流泵。（4）若液面高于最高位傳感器時(shí)，啟動定時(shí)。（5）定時(shí)到，若液面仍處于最高位傳感器時(shí)，輸出報(bào)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(jī)，啟動定時(shí)。（1）自動過程開始首先啟動離心

26、式脫水機(jī)，啟動定時(shí)。（2）定時(shí)到，啟動聚合物泵，啟動定時(shí)。（3）定時(shí)到，啟動污泥泵和切割機(jī)。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(shè)計(jì)程序過程中，會用到許多中間繼電器、寄存器、定時(shí)器等軟元件，為了便于編程及修改，在程序編寫前應(yīng)先列出可能用到的軟元件， 3.2曝氣過程控制的任務(wù)工業(yè)污水處理后的水質(zhì)是否達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)，其中生化需氧量（BOD）和化學(xué)需氧量（COD）是重要的水質(zhì)指標(biāo)。BOD是指在有氧條件下，降解有機(jī)物所需的氧量。COD是指在酸性條件下，用強(qiáng)氧化劑將有機(jī)物氧化成CO2、H2O所消耗的氧量。BOD的測定需費(fèi)時(shí)5天，且測定結(jié)果易受多種因素影響，誤差較大。COD

27、的檢測比較精確，但方法繁瑣，耗時(shí)約2小時(shí)。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），測量結(jié)果嚴(yán)重滯后于實(shí)際運(yùn)行時(shí)間，不能及時(shí)反映實(shí)際情況。另外，COD檢測儀的價(jià)格也較昂貴，增加了控制系統(tǒng)的成本。所以有必要找出簡單、可行的控制參數(shù)。在好氧反應(yīng)過程中，參與工業(yè)污水處理的是以好氧菌為主體的微生物，決定其處理效果的關(guān)鍵因素是反應(yīng)池中溶解氧的含量。為了使微生物的活動最佳化，應(yīng)該使供氧量與消耗的氧量相等，或稍大一些。如果供氧量少，處理的水質(zhì)和污泥的活化就要降低如果供氧量過多，污泥的沉降性差，處理水質(zhì)也差，另外也不經(jīng)濟(jì)。由此可見，混合液中溶解氧濃度(DO)是好氧反應(yīng)中一個(gè)重要的控

28、制參數(shù)。如果控制曝氣設(shè)備的最佳溶解氧濃度，就能使處理水質(zhì)優(yōu)化，也能節(jié)約動力費(fèi)用，并且由于DO的在線檢測簡單、可靠，因此把DO作為工業(yè)污水處理過程的控制參數(shù)。3.3氯氣投加環(huán)節(jié)氯氣投加消毒效果的好壞與原水PH值、水溫、濁度和接觸時(shí)間有直接的關(guān)系。人工進(jìn)行加氯量控制，不僅對操作工人不安全，而且投加量也難以準(zhǔn)確控制。投加量少了，達(dá)不到殺菌消毒效果；投加量多了雖殺菌效果得到了保證，但水將呈氯臭味難以飲用，此外管道腐蝕將加劇，生產(chǎn)成本也上升。近年來，人工加氯逐漸被自動方式取代。氯氣投加系統(tǒng)具有大慣性、大滯后的特點(diǎn)，其過渡過程和純滯后時(shí)間均較長，并且系統(tǒng)的干擾因素較多，對這樣一個(gè)系統(tǒng)，使用一般的PID調(diào)節(jié)

29、很難滿足控制要求。為了精確控制投加的氯量，運(yùn)用模糊自整定PID參數(shù)控制器對氯氣投加系統(tǒng)進(jìn)行自動控制。氯氣投加自動控制系統(tǒng)如圖4-11所示。圖4-11氯氣投加自控原理圖3.4絮凝劑投加環(huán)在污泥脫水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(dá)到泥水充分分離的處理效果，需進(jìn)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(diào)節(jié)的模糊控制過程與上述兩個(gè)非線性控制環(huán)節(jié)類似，具有大時(shí)滯、非線性的特點(diǎn)。由于混凝過程的復(fù)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(guān)注。3.5 PID控制對于工業(yè)控制過程, 常規(guī)的

30、PID 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(diǎn)，因此在控制理論和技術(shù)飛躍發(fā)展的今天，在工業(yè)控制領(lǐng)域仍具有強(qiáng)大的生命力。常規(guī)的PID控制器的描述如式（4.1）所示：ni=0U n=kpEn+kiEi+KdECn （4.1）其中各參數(shù)代表的意義是：Un：控制器的輸出En：控制器偏差輸入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(yīng)比例關(guān)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(diào)節(jié)系統(tǒng)的靜態(tài)增益的，它是基于偏差進(jìn)行調(diào)節(jié)的，是有差調(diào)節(jié)。為了盡量減小偏差，同時(shí)也為了加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度，縮短系統(tǒng)的調(diào)節(jié)時(shí)間，需

31、要增大kp值。但是因?yàn)閗p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(yīng)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(shí)，積分往往使得系統(tǒng)的響應(yīng)出現(xiàn)過大的超調(diào)，從而使調(diào)節(jié)時(shí)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(yīng)，它加快了對偏差變化的反應(yīng)速度，能夠有效地減小超調(diào)，縮小最大動態(tài)偏差。但是，同時(shí)又會使系統(tǒng)容易受到高頻干擾的影響。在實(shí)際的系統(tǒng)設(shè)計(jì)中只有合理地整定上述三個(gè)參數(shù)，才能獲得比較滿意的控制性能。在污水的自動控制中，混凝劑投加、氯氣投加和曝氣環(huán)節(jié)由于過程的復(fù)雜性、多變性、非線性和大滯后的特點(diǎn)，采用

32、的PID控制算法難以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確和高效的控制。為此在常規(guī)的PID控制基礎(chǔ)上，采用模糊推理的方法，對PID的控制參數(shù)進(jìn)行在線自整定，從而完善PID控制器的性能，使其適應(yīng)控制系統(tǒng)的參數(shù)變化和工作條。3.6 PLC和變頻器通訊（1）USS通訊協(xié)議簡介它是一種基于串行總線進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊的協(xié)議。USS協(xié)議是主-從結(jié)構(gòu)的協(xié)議，規(guī)定了在USS 總線上可以有一個(gè)主站和最多30 個(gè)從站；總線上的每個(gè)從站都有一個(gè)站地址（在從站參數(shù)中設(shè)定），主站依靠它識別每個(gè)從站；每個(gè)從站也只對主站發(fā)來的報(bào)文做出響應(yīng)并回送報(bào)文，從站之間不能直接進(jìn)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(shí)給所有從站發(fā)送報(bào)文，從站在接收到報(bào)文并做

33、出相應(yīng)的響應(yīng)后可不回送報(bào)文。在使用USS協(xié)議之前，需要先安裝西門子的指令庫。USS協(xié)議指令在STEP7MICRO/WIN32指令樹的庫文件夾中，STEP7MICRO/WIN32指令庫提供14個(gè)子程序、3個(gè)中斷程序和8條指令來支持USS協(xié)議。調(diào)用一條指令時(shí)，將會自動地增加一個(gè)或幾個(gè)子程序。（2）USS通訊協(xié)議庫編程之前一定要將USS協(xié)議庫添加進(jìn)去，編程軟件默認(rèn)安裝沒有USS協(xié)議庫的。USS_INIT指令：當(dāng)EN輸入接通時(shí)，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。Ba

34、ud設(shè)置波特率為1200、2400、4800、9600、19200、38400、57600或115200。Active指示哪個(gè)驅(qū)動激活，有些驅(qū)動只支持地址0到30。4 調(diào)試和運(yùn)行結(jié)果4.1硬件系統(tǒng)的調(diào)試按照系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求將各硬件接線接好。調(diào)試過程首先檢查總供電及各設(shè)備供電是否正常，然后檢查設(shè)備的電氣控制是否正常，能否正常開機(jī)，各種閘閥能否正常開啟和關(guān)閉，檢查儀表及控制系統(tǒng)是否正常。在對系統(tǒng)進(jìn)行必要的檢查后，開始具體調(diào)試。硬件功能調(diào)試主要是測試硬件的功能是否正常，這部分的調(diào)試內(nèi)容包括：（1）供電線路的設(shè)置和檢驗(yàn)，主要用萬用表檢測電路的連通是否實(shí)現(xiàn)，以及保證接線的正確性，防止220V與24V線路的錯(cuò)

35、位接線發(fā)生；（2）電機(jī)直接加三相電源調(diào)試，檢測電機(jī)工作狀態(tài)；（3）變頻器單獨(dú)調(diào)試，檢測能否正常進(jìn)行參數(shù)設(shè)置；（4）變頻器加電機(jī)進(jìn)行調(diào)試，檢測能否正常進(jìn)行變頻調(diào)速，在外部控制模式下，控制端子是否能正?？刂齐姍C(jī)啟動，調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速等；（5）PLC單獨(dú)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(shí)際上在計(jì)算機(jī)模擬調(diào)試前就己經(jīng)完成；（6）PLC加變頻器聯(lián)機(jī)調(diào)試，檢查PLC、變頻器是否能實(shí)現(xiàn)對此系統(tǒng)控制；經(jīng)過測試，結(jié)果表明上述功能一切正常，可以進(jìn)行總體調(diào)試。4.2軟件系統(tǒng)的調(diào)試在STEP7-Micro/WIN32軟件中，通過編程，將編好的程序下載到PLC中進(jìn)行運(yùn)行調(diào)試，檢查程序是否有錯(cuò)誤，是否能夠?qū)崿F(xiàn)相應(yīng)的功能控制。調(diào)試時(shí)，可根據(jù)功能模塊分類分別調(diào)試，最后進(jìn)行總體調(diào)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(jī)、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(jì)反饋來的信息進(jìn)行判斷處理，然后再進(jìn)行輸出控制。4.3運(yùn)行結(jié)果通過系統(tǒng)調(diào)試，能夠?qū)崿F(xiàn)PLC在系統(tǒng)控制中的手動、自動模式的控制。啟動電源后按下手動或自動模式選擇按鈕，當(dāng)在手動模式時(shí)，可通過各控制按鈕實(shí)現(xiàn)對工業(yè)污水處理系統(tǒng)中各電機(jī)的控制運(yùn)行同時(shí)相應(yīng)的指示燈亮。當(dāng)在自動模式時(shí)，在