基于plc污水處理全過程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

第1章緒論水與人的息息相關(guān)，特別在現(xiàn)代社會及生產(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(bào)道我國人均擁有淡水量為2400噸，是世界平均值的1/4，在全球149個(gè)國家（參與統(tǒng)計(jì)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(shí)空分布極不均衡，全國500多個(gè)城市缺水，其中多個(gè)嚴(yán)重缺水，北方地區(qū)缺水現(xiàn)象尤其嚴(yán)重，人均擁有淡水量僅有240噸。令人擔(dān)憂的是淡水總量日益減少，用水成本不斷升高，淡水的浪費(fèi)非常嚴(yán)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?dāng)嗔?、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。隨著環(huán)境保護(hù)的呼聲越來越高，污水處理已經(jīng)體現(xiàn)出其必要性和急迫性，對于各種污水進(jìn)行處理后排放成為各企業(yè)基本的要求。在工廠的污水處理過程中，污水來源的不穩(wěn)定以及工廠中各種污水的成分的復(fù)雜性，對污水處理的工藝和控制方式提出了非常高的要求。1.1污水處理的國內(nèi)外現(xiàn)狀我國污水處理技術(shù)從“七五”國家科技攻關(guān)開始逐步進(jìn)行研究?！捌呶濉焙汀鞍宋濉惫リP(guān)項(xiàng)目在氧化塘、土地處理和復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)等自然處理技術(shù)方面的研究較多，以這些成果為設(shè)計(jì)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(shù)方面，“八五”對高負(fù)荷活性污泥、高負(fù)荷生物膜、一體化氧化溝技術(shù)進(jìn)行了深入研究。研究成果己被應(yīng)用于大批污水處理廠。污水廠污泥處置問題在“九五”科技攻關(guān)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，我國在污水處理技術(shù)方面取得了較大的成就。目前在水污染治理技術(shù)上，我國已能提供下列工藝技術(shù)傳統(tǒng)活性污泥法技術(shù)、各種新型活性污泥工藝如：SBR法和氧化溝技術(shù)等、酸化水解好氧技術(shù)和多種類型的穩(wěn)定塘技術(shù)等，這些污水治理技術(shù)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(biāo)志著我國污水處理事業(yè)發(fā)展到了一個(gè)嶄新的階段?，F(xiàn)階段，我國污水處理的工作重點(diǎn)已經(jīng)從工藝技術(shù)的研究轉(zhuǎn)移到具體項(xiàng)目的實(shí)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(jì)的蓬勃發(fā)展帶來的60年代日益嚴(yán)重性的環(huán)境污染而展開的。污水處理設(shè)施中，城市排水管線和污水處理廠的興建和運(yùn)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余座城市污水處理廠，英國、法國、德國更耗費(fèi)了巨額資金興建了7000至8000座城市污水處理廠。這些污水處理廠的投入對國家的水體污染改善起了關(guān)鍵的作用，也為人類治理水污染積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)?，F(xiàn)在，這些國家的污水處理水平又有了進(jìn)一步提高，興建了一批具有脫氮除磷功效的設(shè)施，對水體質(zhì)量改善和水環(huán)境保護(hù)起了重大的作用。1.2課題的背景未來10年，中國污水處理項(xiàng)目的工程建設(shè)投資將超過2500億元，其中污水處理設(shè)備的投入約為300億元。為了提高環(huán)保工程的效率，廣泛采用先進(jìn)的自動(dòng)控制技術(shù)，并采用先進(jìn)、實(shí)用的技術(shù)改造傳統(tǒng)工藝，是推動(dòng)環(huán)保產(chǎn)業(yè)升級，實(shí)現(xiàn)環(huán)保發(fā)展戰(zhàn)略的重要環(huán)節(jié)。在這種形勢下污水處理自動(dòng)化控制系統(tǒng)無疑是一個(gè)具有巨大的社會效益、環(huán)境效益及經(jīng)濟(jì)效益的研究課題。國務(wù)院已經(jīng)明確規(guī)定，所有污染源都必須達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)以保護(hù)環(huán)境。處理過的污水可以循環(huán)再利用，這對于我國這樣一個(gè)水資源匱乏且時(shí)空分布不均的國家來說尤為重要。許多地區(qū)和城市都面臨著嚴(yán)重的缺水問題。所以水資源也是一種保護(hù)。因此，從環(huán)保、注水等多方面的因素考慮，對于污水處理非常有必要。因此，有效的結(jié)合目前最新的工藝狀況、計(jì)量自控檢測儀表使用、PLC控制系統(tǒng)技術(shù)，將為當(dāng)前污水處理控制系統(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(jì)發(fā)展，都會推進(jìn)社會進(jìn)步、促進(jìn)工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)能力，使人民得到進(jìn)一步改善，但也隨之帶來不同程度的環(huán)境污染，污水是造成環(huán)境污染的來源之一。這個(gè)污染源的出現(xiàn)引起了世界各國政府的關(guān)注，治理水污染環(huán)境的課題被列入世界環(huán)保組織的工作日程。我國是一個(gè)嚴(yán)重缺水的國家，盡管我國年平均水資源總量達(dá)到28000億立方米，排名全球第6，人均水資源量為2220立方米，排名全球第110，但聯(lián)合國仍將我國列為世界上13個(gè)缺水國家之一。目前，我國約有300個(gè)城市缺水，其中50個(gè)城市嚴(yán)重缺水。據(jù)中國經(jīng)濟(jì)信息網(wǎng)的分析和統(tǒng)計(jì)，按目前正常需要計(jì)算，全國每年缺水總量約為300億至400億立方米，因缺水造成的經(jīng)濟(jì)損失每年高達(dá)2300億元，超過洪澇災(zāi)害的影響。水資源匱乏和水污染已經(jīng)嚴(yán)重影響了人民的日常生活，嚴(yán)重的影響了我國的經(jīng)濟(jì)建設(shè)和發(fā)展。1.4課題主要設(shè)計(jì)的內(nèi)容本課題旨在設(shè)計(jì)污水處理工藝和系統(tǒng)的PLC控制系統(tǒng)，主要包括以下方面：(1)介紹污水處理的基本概念和發(fā)展現(xiàn)狀，包括污水處理的工藝流程和處理目標(biāo)；(2)研究PLC的基本結(jié)構(gòu)和工作原理，并設(shè)計(jì)分析污水處理控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方式；(3)具體設(shè)計(jì)污水處理系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)，包括設(shè)備的電器控制和自動(dòng)控制線路等；(4)具體設(shè)計(jì)污水處理系統(tǒng)的軟件系統(tǒng)，包括PLC程序的編制、系統(tǒng)資源的配置等；(5)對污水處理系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試和運(yùn)行，驗(yàn)證系統(tǒng)的正確性和穩(wěn)定性。

第2章污水處理控制系統(tǒng)總體介紹2.1污水處理基本概念城市污水、生產(chǎn)污水或經(jīng)過企業(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(dòng)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：=1\*GB3①排放水體；=2\*GB3②灌溉田地；=3\*GB3③重復(fù)使用。在實(shí)際工程中，常采用多種綜合污染指標(biāo)來描述污染物的含量和程度，包括生物化學(xué)需氧量或生化需氧量（Bio-chemicalOxygenDemand,BOD）mg/L、化學(xué)需氧量(ChemicalOxygenDemand,COD)mg/L、總有機(jī)碳(TotalOrganicCarbon)mg/L、總需氧量(TotalOxygenDemand)mg/L等。這些指標(biāo)可以用來評估污水處理系統(tǒng)的性能，確保排放的廢水能夠滿足國家的排放標(biāo)準(zhǔn)。2.2常用的污水處理工藝污水處理的方法主要有物理、化學(xué)、物理化學(xué)，以及生物等幾種。常用的污水處理工藝有以下幾種。原污水曝氣池（微生物吸附有機(jī)物氧化為無機(jī)物）沉淀池（活性泥下沉）清水排出回流活性泥（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污水處理工藝，其污水處理的關(guān)鍵組成部分為沼氣池與沉淀池，主要處理部分關(guān)系框圖原污水曝氣池（微生物吸附有機(jī)物氧化為無機(jī)物）沉淀池（活性泥下沉）清水排出回流活性泥圖2-1傳統(tǒng)活性污泥法工藝流程圖（2）A/O法。A/O法是在傳統(tǒng)活性污泥法的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種污水處理工藝，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(yīng)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。其工藝流程圖如下：混合液回流隔柵混合液回流隔柵進(jìn)水沉砂池初沉池厭氧池好氧池二沉池剩余泥污回流泥污進(jìn)水厭氧池（進(jìn)水厭氧池（A）缺氧池（A）好氧池（0）二沉池出水混合液回流活性污泥回流圖2-3A2/O法工藝流程圖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(fù)荷兩段，并分別有獨(dú)立的沉淀和污泥回流系統(tǒng)。SBR法。SBR法是歇式活性污泥法的簡稱，是一種按照一定的時(shí)間順序間歇式操作的污水生物處理技術(shù)，也是一種按間歇曝氣方式來運(yùn)行的活性污泥污水處理技術(shù)，又稱序批式活性污泥法。其反應(yīng)機(jī)理及去除污染物的機(jī)理與傳統(tǒng)的活性污泥法基本相同。2.3本設(shè)計(jì)系統(tǒng)污水處理工藝及描述：本污水處理工藝流程圖如下圖2-4所示：污水污水進(jìn)水泵粗格柵清污機(jī)除砂池細(xì)格柵轉(zhuǎn)碟曝氣機(jī)氧化溝反應(yīng)池潛水?dāng)嚢铏C(jī)沉淀池污泥回流泵排泥罐污泥脫水清水排出轉(zhuǎn)股清污機(jī)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。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。2.4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(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。2.5污水處理系統(tǒng)的功能要求污水處理系統(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)。PLC作為污水處理系統(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。利用PLC作為控制器的污水處理系統(tǒng)主要涉及兩個(gè)方面：一是信號輸入；二是控制輸出信號。

第3章硬件系統(tǒng)配置3.1主要組成部分進(jìn)水系統(tǒng)除砂系統(tǒng)氧化溝系統(tǒng)沉淀系統(tǒng)污泥脫水系統(tǒng)污水處理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)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，其基本組成如進(jìn)水系統(tǒng)除砂系統(tǒng)氧化溝系統(tǒng)沉淀系統(tǒng)污泥脫水系統(tǒng)圖3-1污水處理系統(tǒng)基本組成示意圖進(jìn)水系統(tǒng)。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(dòng)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。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)小的沙粒濾除。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。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(dòng)后就開始持續(xù)運(yùn)行。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。3.2電氣控制系統(tǒng)電氣控制系統(tǒng)通常由操作面板、顯示面板和電氣控制柜等單元組成。1.操作面板包括手動(dòng)和自動(dòng)操作按鈕，以及各種設(shè)備的啟動(dòng)按鈕。2.由于需要顯示大量數(shù)據(jù)，因此顯示面板通常采用觸摸屏或人機(jī)界面。3.電氣控制柜是電氣控制系統(tǒng)的核心設(shè)備，其中包括變頻器、各種傳感器的輸入信號、PLC及其擴(kuò)展模塊等。3.3污水處理系統(tǒng)的工作原理3.3.1控制系統(tǒng)總體框圖圖4-2展示了污水處理系統(tǒng)的電氣控制系統(tǒng)總框圖。該系統(tǒng)以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，實(shí)現(xiàn)相關(guān)設(shè)備的運(yùn)行、停止和調(diào)速控制?？删幊踢壿嬁刂破骺删幊踢壿嬁刂破鱌LC操作面板液位差傳感器輸入液位高度傳感器輸入溶解氧儀反饋值（模擬量）格柵機(jī)定時(shí)運(yùn)行各類泵運(yùn)行離心式脫水機(jī)運(yùn)行變頻器顯示面板轉(zhuǎn)碟曝氣機(jī)運(yùn)行圖3-2電氣控制系統(tǒng)框圖3.3.2工作過程在手動(dòng)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(dòng)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。污水處理系統(tǒng)的工作流程如下：1.接通電源后，啟動(dòng)自動(dòng)控制模式，同時(shí)啟動(dòng)潛水?dāng)嚢杵骱凸文鄼C(jī)。2.粗、細(xì)格柵機(jī)間歇運(yùn)行，即運(yùn)行一段時(shí)間后停止一段時(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)行和停止。4.進(jìn)水泵房中的潛水泵根據(jù)液面高低運(yùn)行、停止和控制運(yùn)行數(shù)量。5.通過溶解氧儀反饋的模擬量，PLC控制轉(zhuǎn)碟曝氣機(jī)的運(yùn)行，同時(shí)控制分離機(jī)的運(yùn)行和停止。6.污泥回流泵的運(yùn)行和停止取決于液面高低。7.在污泥脫水系統(tǒng)中，采用順序控制方式依次啟動(dòng)離心式脫水機(jī)及其設(shè)備。3.3.3污水處理系統(tǒng)主電路設(shè)計(jì) 圖3-3為污水處理系統(tǒng)的主電路圖的部分圖。電機(jī)分為潛水泵電機(jī)（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。選用的變頻器是用來控制電機(jī)M1、M3變頻運(yùn)行的。圖3-3污水處理系統(tǒng)部分主電路圖3.4PLC選型根據(jù)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S7-226系列PLC作為污水處理系統(tǒng)的電氣控制系統(tǒng)的控制主機(jī)。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(kuò)展一個(gè)模擬量輸入輸出擴(kuò)展模塊。西門子公司專門為S7-226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(qiáng)的輸出驅(qū)動(dòng)能力，可滿足控制系統(tǒng)的功能要求。3.5PLC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。3.5.1數(shù)字量輸入部分 表3-1數(shù)字輸入量地址分配輸入設(shè)備輸入IO提升泵1運(yùn)行狀態(tài)輸入I0.0提升泵2運(yùn)行狀態(tài)輸入I0.1提升泵3運(yùn)行狀態(tài)輸入I0.2調(diào)節(jié)池中液位接通輸入I0.3調(diào)節(jié)池低液位接通輸入I0.4清水池1低液位接通輸入I0.5清水池2低液位接通輸入I數(shù)字量輸出部分表3-2數(shù)字輸出量地址分配輸出設(shè)備輸出IO風(fēng)機(jī)1運(yùn)行輸出Q0.0風(fēng)機(jī)2運(yùn)行輸出Q0.1風(fēng)機(jī)3運(yùn)行輸出Q0.2風(fēng)機(jī)4運(yùn)行輸出Q0.3提升泵1運(yùn)行輸出Q0.4提升泵2運(yùn)行輸出Q0.5提升泵3運(yùn)行輸出Q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3-3所示。表3-3模擬量輸入地址分配輸入地址輸入設(shè)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(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3-4所示。表3-4模擬量輸出地址分配輸出地址輸出設(shè)備AQW0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)出污水處理控制系統(tǒng)的硬件連線圖如圖3-4所示，此控制面板上的手動(dòng)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3-4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(jī)及其擴(kuò)展模塊之外，還需要各種傳感器、接觸器和變頻器等儀器設(shè)備。3.6.1接觸器選型在控制系統(tǒng)中，所有設(shè)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(jìn)行動(dòng)作的，因此需要PLC根據(jù)當(dāng)前的工作情況，以及按鈕的情況來控制所有設(shè)備的啟停，在此用到了大量接觸器。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。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(diào)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，輸出端輸出的是頻率在一定范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)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逆變器，中間直流環(huán)節(jié)和相控整流器三個(gè)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(diào)的交流電源供給電機(jī)進(jìn)行變頻調(diào)速。由于中間直流環(huán)節(jié)是Cd低阻抗輸出相當(dāng)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(dāng)于電流源，故稱電流型。3.6.3變頻與變壓(VVVF)原理當(dāng)在實(shí)際利用變頻器調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速的過程中，當(dāng)頻率f下降時(shí)，定子繞組的反電動(dòng)勢E有所下降，定子電流增大，但是轉(zhuǎn)子側(cè)的負(fù)載并未增加，故轉(zhuǎn)子段電流不變，根據(jù)電流平衡方程可知，勵(lì)磁電流比增大，因而磁通φm增大。φm增加將導(dǎo)致鐵芯的飽和，進(jìn)而引起勵(lì)磁電流波形的畸變，這是不希望的結(jié)果，因此希望φm可以保持基本不變。要實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)，只要在變頻過程中使變頻器輸出電壓Ul/f=const，則磁通φm可保持基本不變。因此變頻的同時(shí)也要變壓，常用VVVF表示。3.6.4變頻調(diào)速的基本原理（1）異步電動(dòng)機(jī)的等效變換圖3-5異步電動(dòng)機(jī)的等效變換異步電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩公式：（4.1）（4.1）其中：P為旋轉(zhuǎn)磁場的磁極對數(shù)，S為轉(zhuǎn)差率。（2）變頻調(diào)速的原理異步電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩是由定子主磁通和轉(zhuǎn)子電流相互作用產(chǎn)生。異步電動(dòng)機(jī)的定子主磁通是以一定的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)磁場實(shí)際是三個(gè)交變磁場合成的結(jié)果。設(shè)變頻后的頻率為fx，電壓為Ux，電動(dòng)機(jī)的額定相電壓和頻率為UN和fN，則有：（4.2）＝（4.2）（4.3）＝（4.3）其中kf為頻率可調(diào)比，ku為電壓可調(diào)比。將上述兩個(gè)公式代入異步電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩公式可得變頻后的轉(zhuǎn)矩公式：（4.4（4.4）其中：sx為頻率為fx時(shí)的轉(zhuǎn)差率。在變頻器正常工作情況下，即kf＝km<1時(shí)的機(jī)械特性如圖3-6所示。圖3-6kf＝km<1時(shí)的機(jī)械特性由圖4-2可知隨著f的下降，臨界轉(zhuǎn)矩Tkx逐漸減少，電動(dòng)機(jī)的帶負(fù)載能力也隨之下降。這無疑給變頻調(diào)速帶來了瑕點(diǎn)。而針對這種想象一般要采取電壓補(bǔ)償法。新系列的變頻器一般都提供了設(shè)置自動(dòng)轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償功能。變頻器可以根據(jù)電流的大小自動(dòng)地決定補(bǔ)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，而且具有多個(gè)繼電器輸出，具有多個(gè)模擬量輸出（0~20mA），2個(gè)模擬輸入。3.6.6變頻器參數(shù)設(shè)置該污水處理系統(tǒng)中的MM430變頻器是一種風(fēng)機(jī)水泵負(fù)載專用變頻器，可以適用于各種變速驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，尤其適用于部門的水泵和風(fēng)機(jī)。主要對一下幾個(gè)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，如表3-5所示。表3-5變頻器參數(shù)設(shè)置表參數(shù)號參數(shù)值說明P000521顯示實(shí)際頻率P07002由端子排輸入P10002模擬輸入P13002可用于可變轉(zhuǎn)矩負(fù)載P201069600baudP20111USS地址P0300根據(jù)具體電動(dòng)機(jī)設(shè)置電動(dòng)機(jī)類型P0304根據(jù)具體電動(dòng)機(jī)設(shè)置電動(dòng)機(jī)額定電壓P0305根據(jù)具體電動(dòng)機(jī)設(shè)置電動(dòng)機(jī)額定電流P0310根據(jù)具體電動(dòng)機(jī)設(shè)置電動(dòng)機(jī)額定頻率P0311根據(jù)具體電動(dòng)機(jī)設(shè)置電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速3.6.7電動(dòng)機(jī)的選型在該污水處理系統(tǒng)中需要用到許多電機(jī)，Y2系列三相異步電機(jī)是專為歐洲市場設(shè)計(jì)的三相異步電動(dòng)機(jī)、電機(jī)出線盒置于電機(jī)機(jī)殼頂部、整機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊、外形美觀大方，安裝尺寸符合IEC標(biāo)準(zhǔn)，具有高效、節(jié)能、起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，使用維護(hù)方便等特點(diǎn)。主要性能有：絕緣等級：F；防護(hù)等級：IP54或IP55；電壓：380V或415V；頻率：50Hz或60Hz；冷卻方式：IC411。根據(jù)上述分析，選擇Y2-200L2-6E即可滿足要求。3.6.8液位差計(jì)對格柵機(jī)的清污機(jī)進(jìn)行控制，需要監(jiān)測格柵機(jī)兩側(cè)的液面差，在該系統(tǒng)中利用液位差計(jì)，該系統(tǒng)選用的超聲波液位差計(jì)型號：XL60-YI4000。粗格柵、細(xì)格柵各安裝了一臺超聲波液位差計(jì)，通過格柵機(jī)前后的液位差來反映格柵機(jī)阻塞程度，并傳輸?shù)絇LC控制器，進(jìn)行分析計(jì)算。當(dāng)液位差超過預(yù)設(shè)值后，系統(tǒng)控制清污機(jī)運(yùn)行，清除大顆粒的污染物質(zhì)，保障污水流動(dòng)暢通；在液位差未超過設(shè)定值時(shí)，清污機(jī)處于停止?fàn)顟B(tài)，這樣就可以大大減少設(shè)備損耗。3.6.9溶解氧儀溶解氧（DO）是指溶解在水中的氧氣，它在河流、湖泊、海洋中都大量的存在，是檢測水質(zhì)和環(huán)境污染程度的主要指標(biāo)。用傳統(tǒng)的化學(xué)方法（如碘量滴定法）測定溶解液中的溶解氧是很費(fèi)時(shí)的，且成本很高，不能連續(xù)測量，而用滴汞電極（DME）的極譜分析最為簡單。選用PH/溶解氧測量儀型號:SA29-MP525。自動(dòng)實(shí)現(xiàn)氣壓補(bǔ)償。極譜型溶氧電極，極化時(shí)間短，反應(yīng)快，測量準(zhǔn)確。

第4章軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)4.1總體流程設(shè)計(jì)開始自動(dòng)？自動(dòng)控制手動(dòng)控制YN根據(jù)系統(tǒng)的控制要求，控制過程可以分為手動(dòng)控制功能和自動(dòng)運(yùn)行功能。在手動(dòng)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，如開始自動(dòng)？自動(dòng)控制手動(dòng)控制YN圖4-1模式選擇流程圖4.1.1手動(dòng)模式手動(dòng)控制污泥回流機(jī)啟停離心式脫水機(jī)啟停格柵機(jī)啟停轉(zhuǎn)碟曝氣機(jī)啟停及速度調(diào)節(jié)清污機(jī)啟停潛水泵啟停潛水?dāng)嚢铏C(jī)啟停刮泥機(jī)啟停在手動(dòng)模式下，可單獨(dú)調(diào)試每個(gè)設(shè)備的運(yùn)行，如圖4-2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，可以通過按鈕增大或減小變頻器的頻率來改變其手動(dòng)控制污泥回流機(jī)啟停離心式脫水機(jī)啟停格柵機(jī)啟停轉(zhuǎn)碟曝氣機(jī)啟停及速度調(diào)節(jié)清污機(jī)啟停潛水泵啟停潛水?dāng)嚢铏C(jī)啟停刮泥機(jī)啟停圖4-2手動(dòng)操作模式流程圖4.1.2自動(dòng)模式當(dāng)污水處理系統(tǒng)處于自動(dòng)工作模式時(shí)，按下自動(dòng)啟動(dòng)確認(rèn)按鈕后，系統(tǒng)開始工作。其工作過程包括以下幾個(gè)方面：首先，系統(tǒng)上電后啟動(dòng)潛水?dāng)嚢杵骱凸文鄼C(jī)；其次，啟動(dòng)粗格柵系統(tǒng)；接著，啟動(dòng)潛水泵；然后啟動(dòng)細(xì)格柵系統(tǒng)；再接著，啟動(dòng)曝氣沉砂系統(tǒng)；最后，啟動(dòng)污泥回流系統(tǒng)和污泥脫水系統(tǒng)。啟動(dòng)潛水泵啟動(dòng)細(xì)格柵系統(tǒng)啟動(dòng)粗格柵系統(tǒng)啟動(dòng)曝氣沉砂系統(tǒng)啟動(dòng)污泥回流系統(tǒng)啟動(dòng)污泥脫水系統(tǒng)啟動(dòng)潛水?dāng)嚢杵骱凸文鄼C(jī)自動(dòng)控制以上工作過程并不是順序控制方式，而是按照PLC檢測到傳感器啟動(dòng)潛水泵啟動(dòng)細(xì)格柵系統(tǒng)啟動(dòng)粗格柵系統(tǒng)啟動(dòng)曝氣沉砂系統(tǒng)啟動(dòng)污泥回流系統(tǒng)啟動(dòng)污泥脫水系統(tǒng)啟動(dòng)潛水?dāng)嚢杵骱凸文鄼C(jī)自動(dòng)控制圖4-3自動(dòng)操作模式流程圖粗格柵系統(tǒng)程序主要用于控制粗格柵機(jī)和清污機(jī)的運(yùn)行，其工作流程如下：1.自動(dòng)過程開始，啟動(dòng)粗格柵機(jī)，并定時(shí)運(yùn)行20分鐘。2.定時(shí)結(jié)束后，停止粗格柵機(jī)運(yùn)行，并維持2小時(shí)的停止?fàn)顟B(tài)。3.2小時(shí)后，再次啟動(dòng)粗格柵機(jī)運(yùn)行20分鐘，循環(huán)進(jìn)行。4.同時(shí)，檢查液位差值，若超過設(shè)定值則啟動(dòng)清污機(jī)運(yùn)行。5.當(dāng)液位差值低于設(shè)定值時(shí)，停止清污機(jī)的運(yùn)行。粗格柵系統(tǒng)工作流程圖如圖4-4所示。NN粗格柵控制自動(dòng)控制過程開始？粗格柵機(jī)啟動(dòng)運(yùn)行時(shí)間到？粗格柵機(jī)停止停止時(shí)間到？轉(zhuǎn)手的控制檢查液面差超過設(shè)定值？啟動(dòng)清污機(jī)低于設(shè)定值停止清污機(jī)YNYNYNNYY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啟停，包括以下幾個(gè)步驟：首先，自動(dòng)程序開始啟動(dòng)潛水泵。然后，檢測液面高度，如果低于最低位傳感器，則開始定時(shí)以避免誤判。定時(shí)結(jié)束后，若液面仍低于最低位傳感器，則停止?jié)撍玫倪\(yùn)行。如果液面高度處于中位和高位傳感器之間，則開始定時(shí)以避免誤判。如果定時(shí)結(jié)束后液面仍然處于高位傳感器的范圍內(nèi)，則程序?qū)⑤敵鰣?bào)警信號。潛水泵控制啟動(dòng)潛水泵潛水泵控制啟動(dòng)潛水泵啟動(dòng)定時(shí)2s低于最低要求液面？高于高位頁面啟動(dòng)定時(shí)2s延時(shí)到？報(bào)警延時(shí)到？停止?jié)撍肶NNYYNYN圖4-5潛水泵工作流程圖粗格柵系統(tǒng)程序主要用于控制粗格柵機(jī)和清污機(jī)的運(yùn)行，其工作流程如下：1.自動(dòng)過程開始，啟動(dòng)粗格柵機(jī)，并定時(shí)運(yùn)行20分鐘。2.定時(shí)結(jié)束后，停止粗格柵機(jī)運(yùn)行，并維持2小時(shí)的停止?fàn)顟B(tài)。3.2小時(shí)后，再次啟動(dòng)粗格柵機(jī)運(yùn)行20分鐘，循環(huán)進(jìn)行。4.同時(shí)，檢查液位差值，若超過設(shè)定值則啟動(dòng)清污機(jī)運(yùn)行。5.當(dāng)液位差值低于設(shè)定值時(shí)，停止清污機(jī)的運(yùn)行。細(xì)格柵控制細(xì)格柵控制自運(yùn)行過程開始？細(xì)格柵機(jī)啟動(dòng)運(yùn)行時(shí)間到？細(xì)格柵機(jī)停止停止時(shí)間到？轉(zhuǎn)手動(dòng)控制檢測液面差超過設(shè)定值？啟動(dòng)轉(zhuǎn)鼓清污機(jī)停止轉(zhuǎn)股清污機(jī)超過設(shè)定值？NYNYYNNYNY圖4-6細(xì)格柵系統(tǒng)工作流程圖曝氣沉砂池控制自運(yùn)行過程開始？曝氣沉砂池控制自運(yùn)行過程開始？啟動(dòng)分離機(jī)和變頻啟動(dòng)轉(zhuǎn)碟曝氣機(jī)檢測污水含氧量含氧量超過設(shè)定值？變頻器速度達(dá)到100%轉(zhuǎn)碟曝氣機(jī)工頻運(yùn)行維持現(xiàn)有狀態(tài)轉(zhuǎn)手動(dòng)控制NYNNYY圖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啟停，包括以下幾個(gè)步驟：首先，自動(dòng)程序開始檢測液面高度。如果液面低于最低位傳感器，則啟動(dòng)定時(shí)程序。定時(shí)結(jié)束后，若液面仍低于最低位傳感器，則停止污泥回流泵的運(yùn)行。如果液面高度處于最高位傳感器和最低位傳感器之間，則啟動(dòng)污泥回流泵。如果液面高于最高位傳感器，則啟動(dòng)定時(shí)程序。定時(shí)結(jié)束后，若液面仍處于最高位傳感器的范圍內(nèi)，則程序?qū)⑤敵鰣?bào)警信號。污泥回流系統(tǒng)工污泥回流泵房檢測污泥池水位液面低于低位值？開始定時(shí)污泥回流泵房檢測污泥池水位液面低于低位值？開始定時(shí)延時(shí)到？停止污泥回流泵液面高于高位值？開始定時(shí)延時(shí)到？報(bào)警啟動(dòng)污泥回流泵NYNYNYNY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)的運(yùn)行和停止，包括以下幾個(gè)步驟：首先，自動(dòng)程序啟動(dòng)離心式脫水機(jī)，并啟動(dòng)定時(shí)程序。定時(shí)結(jié)束后，程序啟動(dòng)聚合物泵，并再次啟動(dòng)定時(shí)程序。定時(shí)結(jié)束后，程序啟動(dòng)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。污泥脫水控制自運(yùn)行過程開始？污泥脫水控制自運(yùn)行過程開始？啟動(dòng)離心式脫水機(jī)定時(shí)開始延時(shí)到？啟動(dòng)聚合物泵轉(zhuǎn)手動(dòng)控制定時(shí)到延時(shí)到？啟動(dòng)污泥泵和切割機(jī)NYNYYN4.2組態(tài)仿真設(shè)計(jì)4.2.1組態(tài)工程創(chuàng)建1.建立新工程如圖4-10所示。圖4-10力控工程管理器界面單擊菜單欄“文件/新建工程”命令彈出“新建工程向?qū)б弧睂υ捒?如圖4-11所示。圖4-11新建工程向?qū)螕簟跋乱徊健卑粹o,彈出“新建工程向?qū)Ф睂υ捒?如圖4-12所示。圖4-12新建工程向?qū)Ф凇肮こ堂Q”文本框中輸入新建工程的名字,在“工程描述”中輸入對新建工程的描述文本。單擊“完成”按鈕,確認(rèn)新建的工程。圖4-13新建工程向?qū)?.創(chuàng)建組態(tài)界面單擊左側(cè)目錄中的“畫面”,在右側(cè)單擊“新建”,彈出“新建畫面”對話框,如圖4-14所示。圖4-14新畫面3.定義IO設(shè)備用組態(tài)王繪制PLC的控制面板,可以提前設(shè)計(jì)控制相,實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的監(jiān)控和仿真。系統(tǒng)的界面如圖4-15所示。 圖4-15仿真圖4.2.2控制系統(tǒng)的程序調(diào)試對于較為復(fù)雜的控制系統(tǒng)，需要繪制系統(tǒng)流程圖以清晰地表明動(dòng)作的順序和條件。其次，結(jié)合定義的輸入輸出要求，編寫相應(yīng)的控制程序。程序編寫完成后，將其輸入到PLC的用戶存儲器中，并進(jìn)行檢查以確保程序的正確性。接著，需要對程序進(jìn)行調(diào)試和修改，直至其滿足要求為止。圖4-16處理過程仿真通過系統(tǒng)調(diào)試，能夠?qū)崿F(xiàn)PLC在系統(tǒng)控制中的手動(dòng)、自動(dòng)模式的控制。啟動(dòng)電源后按下手動(dòng)或自動(dòng)模式選擇按鈕，當(dāng)在手動(dòng)模式時(shí)，可通過各控制按鈕實(shí)現(xiàn)對污水處理系統(tǒng)中各電機(jī)的控制運(yùn)行同時(shí)相應(yīng)的指示燈亮。

第5章結(jié)論污水處理控制系統(tǒng)是一個(gè)比較復(fù)雜的綜合系統(tǒng)，它包括與之相關(guān)的生產(chǎn)工藝流程、相關(guān)生產(chǎn)設(shè)備，現(xiàn)場計(jì)量自控檢測儀表的選用、控制流程的模型建立、對PLC系統(tǒng)軟硬件應(yīng)用研究等。本文詳細(xì)闡述了污水處理工藝流程、控制系統(tǒng)總體方案以及具體的軟硬件實(shí)現(xiàn)。通過四個(gè)月的設(shè)計(jì)和調(diào)試，基本上完成了對PLC污水處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)目標(biāo)。在這個(gè)過程中，使我學(xué)到了很多知識，積累了許多寶貴的經(jīng)驗(yàn)，鍛煉了自己的獨(dú)立思考能力和實(shí)踐動(dòng)手能力。進(jìn)一步加深了解了PLC在實(shí)踐當(dāng)中的應(yīng)用。熟悉了PLC硬件的工作原理，完成了整個(gè)系統(tǒng)的模擬調(diào)試，通過對系統(tǒng)的不斷修改和調(diào)試，基本上達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)要求。在設(shè)計(jì)過程中主要從硬件和軟件兩個(gè)方面的問題進(jìn)行，污水處理系統(tǒng)中，主要的硬件問題包括機(jī)械結(jié)構(gòu)、硬件選型和PLC的外圍電路設(shè)計(jì)和接線處。在PLC的外圍硬件連線方面，主要是增加一些保護(hù)設(shè)備。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。

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