基于PLC的制革廢水處理自控系統(tǒng)設(shè)計(jì)獲獎(jiǎng)科研報(bào)告

基于PLC的制革廢水處理自控系統(tǒng)設(shè)計(jì)獲獎(jiǎng)科研報(bào)告

【摘要】本文將在當(dāng)前這樣的一種時(shí)代背景之下，以當(dāng)前這樣的一種現(xiàn)實(shí)狀況，作為主要的切入點(diǎn)，以期能夠設(shè)計(jì)出一種高效，經(jīng)濟(jì)，節(jié)能的污水處理方案，進(jìn)而解決當(dāng)前我國的污水，在具體的排放過程中，面臨到的重大的現(xiàn)實(shí)困境。論文所述的污水處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)采用美國GE公司的上位機(jī)組態(tài)軟件iFIX（HMI/SCADA）和法國施耐德SchneiderElectric的下位機(jī)編程軟件Unitypro來完成。組態(tài)人機(jī)界面采用GE公司的iFIX來完成，iFIX提供的HMI/SCADA組態(tài)，其中SCADA功能主要是實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的實(shí)施和客觀的管理功能，HMI功能在整個(gè)生產(chǎn)設(shè)計(jì)的過程中，是能夠?qū)崿F(xiàn)可視化的管理的。設(shè)計(jì)的污水處理自控系統(tǒng)方案可以實(shí)現(xiàn)通過管理層的中央監(jiān)控系統(tǒng)和現(xiàn)場層的PLC控制站，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)整個(gè)污水管理和系統(tǒng)性的處理過程中的良好的調(diào)度和優(yōu)質(zhì)的管理;并在精確性、方便性、通用性這幾方面都能夠較好的按照相關(guān)的方案和系統(tǒng)性的計(jì)劃來予以高效的執(zhí)行。

【關(guān)鍵詞】PLC;污水處理;系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1前言

我國淡水資源日漸減少，污染現(xiàn)象越來越嚴(yán)重，重工業(yè)廢水與城市生活廢水的直接排放，是水體遭受污染的主要因素。目前，我國城市污水處理相對(duì)滯后，而每年排出的廢水量逐漸上升，導(dǎo)致部分區(qū)域水資源短缺，人們?nèi)粘Ｉ畹挠盟繜o法得到保障，污水治理成為了當(dāng)前首要解決問題。為了采取有效的水污染防治措施，國務(wù)院印發(fā)了《水污染防治行動(dòng)計(jì)劃》，提出了十條防治意見。按照此計(jì)劃行動(dòng)，預(yù)計(jì)2020年，我國的水環(huán)境問題將得到緩解，并取得階段性的改善。新型科學(xué)技術(shù)、污水處理工藝是構(gòu)建污水處理系統(tǒng)的核心，使其向全自動(dòng)化時(shí)代邁進(jìn)，滿足污水處理需求。本文基于PLC，依據(jù)系統(tǒng)開發(fā)功能需求，對(duì)污水處理廠中的PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)展開了研究。

2總體方案設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)中污水處理工藝流程圖如圖2-1所示。

本設(shè)計(jì)中根據(jù)傳統(tǒng)活性污泥法的工作原理，主要采用了氧化還原處理工藝來完成對(duì)污水的雜質(zhì)處理，整個(gè)流程是按“進(jìn)水，氧化（空氣氧化），出水”周期性的進(jìn)行處理工藝。本設(shè)計(jì)工作原理與傳統(tǒng)活性污泥法相同，但是又在后者的基礎(chǔ)上對(duì)其系統(tǒng)的部分功能進(jìn)行了相應(yīng)的改進(jìn)，改進(jìn)的部分主要是對(duì)污泥進(jìn)行氧化處理這個(gè)步驟中，設(shè)計(jì)中在曝氣池處多增加了一個(gè)攪拌機(jī)和一個(gè)曝氣風(fēng)機(jī)，在曝氣池占地小的前提下達(dá)到對(duì)一定量污水進(jìn)行相同的氧化效果;并且在氧化處理前多增加了粗細(xì)格柵機(jī)的初步處理工序，主要是完成對(duì)污水中的固體雜質(zhì)進(jìn)行過濾[4]。

從系統(tǒng)的污水進(jìn)入到處理后清水的排出作為整個(gè)污水處理工序的一個(gè)完整周期?；静僮鬟\(yùn)行程序：進(jìn)水泵開啟，污水進(jìn)入，經(jīng)過除沙、氧化和沉淀的一系列處理工序，處理完的清水排出，沒處理完的污水經(jīng)過污泥回流到進(jìn)水池進(jìn)行二次處理。

此流程中，各個(gè)電機(jī)的自動(dòng)控制下的運(yùn)行都是按一定的系統(tǒng)要求來實(shí)現(xiàn)的，本文采用了PLC技術(shù)來完成對(duì)電機(jī)自動(dòng)控制方面上的技術(shù)設(shè)計(jì)。

3污水處理系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

3.1PLC介紹

PLC的核心控制元件是CPU，集網(wǎng)絡(luò)通信、自動(dòng)控制、計(jì)算機(jī)技術(shù)為一體的可編程控制器。從其本質(zhì)性質(zhì)上來看的話，我看不難發(fā)現(xiàn)，其核心的控制系統(tǒng)是工業(yè)機(jī)算機(jī)的作用之下，予以高效的實(shí)施和系統(tǒng)的完成的，整個(gè)系統(tǒng)，不管是從可靠性能上，還是從自身的穩(wěn)定性能上，都是一種較好的狀態(tài)。在本方案中采用施耐德公司的TSXP573634自動(dòng)化平臺(tái)（如圖3-1所示），TSXP573634帶有4或5個(gè)LED的顯示面板。用于請(qǐng)求取出PCMCIA卡和存儲(chǔ)SRAM文件的按鈕。終端口（TER連接器-8針mini-DIN）用于連接FTX類型或PC兼容的終端。

3.2PLC組態(tài)硬件

整個(gè)控制系統(tǒng)采用施耐德（Schneider）公司的UnityPremiumPLC硬件平臺(tái)和iFIX監(jiān)控軟件平臺(tái)（如圖3-2所示）。整個(gè)控制系統(tǒng)由現(xiàn)場PLC控制站和中央監(jiān)控系統(tǒng)二級(jí)構(gòu)成。

3.3PLC模擬量輸入模塊

TSXAEY810模塊是一種高電平8路隔離輸入工業(yè)測量設(shè)備。該設(shè)備與傳感器或發(fā)射器相關(guān)聯(lián)，能夠有效的完成系統(tǒng)性的檢測和有效的實(shí)施控制等諸多的相關(guān)功能的完善和執(zhí)行。

3.4PLC通訊模塊

通訊模塊TSXETYI10在實(shí)際的通信過程中，是通過以太網(wǎng)的模式，實(shí)現(xiàn)彼此之間的信息交流和信息互通的。它包含一個(gè)通訊通道，該通道提供兩種連接類型：

1、與ETHWAY網(wǎng)絡(luò)的連接，該網(wǎng)絡(luò)支持使用ETHWAY配置文件傳輸公共字和運(yùn)行X-Way，UNI_TE消息處理服務(wù)。

2、與TCP_IP網(wǎng)絡(luò)的連接，該網(wǎng)絡(luò)支持X-Way，UNI_TE消息處理服務(wù)。（如圖3-3所示）此通訊模塊還確保TCP_IP網(wǎng)絡(luò)和X-Way網(wǎng)絡(luò)之間X-Way、UNI_TE消息的透明路由。該模塊提供兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)接口來與網(wǎng)絡(luò)連接：

4污水處理系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

在本設(shè)計(jì)中主要用到的是S7-200系列的CPU226來完成系統(tǒng)軟件方面的設(shè)計(jì)，上面主要介紹了污水處理控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、工作原理和電氣控制部分的結(jié)構(gòu)，硬件結(jié)構(gòu)的總體設(shè)計(jì)基本完成后，下面就要介紹的是系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)部分，根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中對(duì)整個(gè)流程中每個(gè)部分控制要求和已完成的全流程的控制電路上的設(shè)計(jì)，來進(jìn)行系統(tǒng)的軟件編程設(shè)計(jì)。在軟件的設(shè)計(jì)中，所有部分的軟件設(shè)計(jì)過程均是先按照系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能要求畫出相對(duì)應(yīng)的流程框圖，再根據(jù)每個(gè)不同的部分所要實(shí)現(xiàn)的不同的功能要求來對(duì)其進(jìn)行軟件編程方面的設(shè)計(jì)，這樣就提高了程序編寫工作的效率[11]。

4.1污水處理系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)總體概述

根據(jù)上文中所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的控制要求，整個(gè)系統(tǒng)的控制方式主要可以分為兩種控制模式：手動(dòng)控制方式下的控制模式、自動(dòng)控制方式下的控制模式。在手動(dòng)控制方式的控制模式下，整個(gè)系統(tǒng)所涉及到的每個(gè)部分的電機(jī)都可以獨(dú)立被操作，單獨(dú)實(shí)現(xiàn)其運(yùn)行和停止;在自動(dòng)控制方式的控制模式下，系統(tǒng)中所涉及到的每個(gè)部分的電機(jī)均按照系統(tǒng)中所要求的一定的順序來實(shí)現(xiàn)其運(yùn)行和停止。

4.2污水處理各個(gè)部分軟件的設(shè)計(jì)

在以上繪制的自動(dòng)控制模式流程圖中，主要調(diào)用了長個(gè)系統(tǒng)中各個(gè)被控制部分系統(tǒng)的程序，其中包含五個(gè)部分的系統(tǒng)程序：粗格柵系統(tǒng)程序、進(jìn)水泵程序、細(xì)格柵系統(tǒng)程序、曝氣氧化系統(tǒng)程序、污泥回流泵程序。由于自動(dòng)控制模式下，在整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行過程中，曝氣氧化系統(tǒng)中的曝氣風(fēng)機(jī)和攪拌機(jī)持續(xù)運(yùn)行，因此下面的程序軟件設(shè)計(jì)中主要介紹對(duì)于粗細(xì)格柵系統(tǒng)、進(jìn)水泵和污泥回流泵這三個(gè)部分的運(yùn)行程序的工作過程進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)解說。

4.2.1粗細(xì)格柵系統(tǒng)程序

本設(shè)計(jì)中粗細(xì)格柵系統(tǒng)的工作過程一樣，因此下面只介紹粗格柵系統(tǒng)工作過程。工作過程主要有以下幾個(gè)方面：

（1）系統(tǒng)的自動(dòng)控制模式開啟之后，粗格柵機(jī)停止不運(yùn)行，停止?fàn)顟B(tài)定時(shí)時(shí)間為4min。

（2）停止的定時(shí)時(shí)間4min結(jié)束后，粗格柵機(jī)開始運(yùn)行，運(yùn)行狀態(tài)的設(shè)定時(shí)間為1min。

（3）運(yùn)行的定時(shí)時(shí)間1min結(jié)束后，粗格柵機(jī)停止運(yùn)行4min后，再運(yùn)行1min，整個(gè)操作過程如此循環(huán)運(yùn)行。

4.2.2進(jìn)水泵程序

進(jìn)水泵主要的功能根據(jù)進(jìn)水池中的液位檢測傳感器反饋的實(shí)際液位對(duì)進(jìn)入系統(tǒng)的污水量的控制，其工作過程包括以下幾個(gè)方面：

（1）自動(dòng)控制開啟后，進(jìn)水泵開始運(yùn)行，并檢測液面的高低。

（2）若實(shí)際液面低于最低要求液面，進(jìn)水泵持續(xù)運(yùn)行。

（3）若實(shí)際液面高于最高要求液面，進(jìn)水泵停止運(yùn)行，否則啟動(dòng)進(jìn)水泵，如此循環(huán)運(yùn)行。

4.2.3污泥回流泵程序

污泥回流泵主要功能是將未能處理的污泥回流到處理系統(tǒng)的起始處進(jìn)行再次處理。其工作過程包括以下幾個(gè)方面：

（1）自動(dòng)控制開啟后，污泥回流泵泵開始運(yùn)行，并檢測液面的高低。

（2）若實(shí)際液面高于最高要求液面，污泥回流泵持續(xù)運(yùn)行。

（3）若實(shí)際液面低于最低要求液面，污泥回流泵停止運(yùn)行，否則啟動(dòng)污泥回流泵，如此循環(huán)運(yùn)行。

4.2.4模擬/數(shù)字量間的轉(zhuǎn)換

在本設(shè)計(jì)中，進(jìn)水泵和污泥回流泵的在自動(dòng)控制下的啟停由進(jìn)水池和沉淀池中的液位檢測器反饋的實(shí)際液位值來確定。液位檢測器反饋的是模擬量，控制兩個(gè)泵運(yùn)行需要數(shù)字量，這就涉及到系統(tǒng)中的模擬量和數(shù)字間的轉(zhuǎn)換問題。模擬量的輸入和輸出通用的換算方法主要是A/D的轉(zhuǎn)換和運(yùn)算[12]。

模擬量的輸入/輸出都可以用下列的通用換算公式換算見式：Ov=[（Osh-Osl）*（Iv-Isl）/（Ish-Isl）]+Osl

結(jié)語

目前，環(huán)境問題已經(jīng)成為了世界各國的想要解決的首要問題。隨著我國的各個(gè)省區(qū)不斷的外擴(kuò)不斷的城市化，生活污水的處理已經(jīng)成為了省政府最為頭疼的問題。近幾年各個(gè)省政府投入了大量資金在各個(gè)城鎮(zhèn)建設(shè)污水處理系統(tǒng)，用于居民生活污水的處理與凈化。眾所周知，我國的水資源嚴(yán)重的匱乏，世界上13個(gè)缺水的國家中，中國就在其中。如何將生活污水進(jìn)行處理與凈化再循環(huán)利用已成為當(dāng)今社會(huì)的一大重要問題。世界中的發(fā)達(dá)國家已經(jīng)很有效的完成了生活污水的處理，例如美國平均每1萬人就擁有一座生活污水處理廠，而中國平均每150萬人才擁有一座生活污水處理廠。因此，我國想要改善環(huán)境質(zhì)量與人民的生活環(huán)境就必須加大我國生活污水處理的效率與力度。而PLC以其適用范圍廣、安裝便捷、性價(jià)比高、方便可靠等許多優(yōu)點(diǎn)，在當(dāng)今的工業(yè)中已經(jīng)得到了越來越多的應(yīng)用。成為了許多工廠的