基于plc的城市污水处理控制系统设计_毕业设计(编辑修改稿)

基于plc的城市污水处理控制系统设计_毕业设计(编辑修改稿)内容摘要：

氧的）。 A/A/O 是一种厌氧 —缺氧 —好氧污水处理工艺。 A/A/O 法 对除磷脱氮 有一定 效果 ， 尤为 适合 对除磷脱氮有要求的污水处理 厂应用。 因此，在对除磷脱氮有 要求 的 中 /小型 污水处理厂，一般首选 A/A/O 工艺。 其工艺流程图如图 23 所示。 图 23 A/A/O法工艺流程图 混合液回流 剩余污泥 格栅 沉砂池 初沉池 厌氧池 好氧池 二沉池 回流污泥 清水排出 原污水 好氧池 （ O） 活性泥回流 厌氧池 （ A） 缺氧池 （ A） 二沉池 原污水 混合液回流 清水 排除 毕 业 设 计 6 4． A/B 法。 吸附生物降解法简称 A/B 法，该工艺将曝气池分为高、低负荷两个阶段，并各自拥有独立的污泥回流及沉淀系统，没有初沉池。 A 段负荷较高，停留时间大约为 20 到 40 分钟，主要是生物絮凝吸附发挥作用，与此同时发生不完全的氧化反应，对 BOD 的去除效率大于 50%。 B 段负荷较低，与常规的活性污泥法基本相同。 AB 法中 A 段缓冲 能力较强，效率高； B 段稳定性较好，严格控制出水品质。 对高浓度的城市污水的处理， AB 法节能效益高，适应性强。 若采用污泥硝化和沼气利用等工艺，优势更加明显。 但是， AB 法也有缺点， A段污泥中有机物含量高，且处理后污泥量大，因此必须添加污泥后处理工艺，以稳定污泥量，这样无形中就增加了投资和费用。 另外，难此法以实现脱氮工艺的要求，其原因在于 A 段去除了较多的 BOD，碳源不充足。 而且对污水浓度也有要求，若浓度较低， B 段很难发挥优势。 总体而言， AB 法对于浓度高的污水处理比较好，具有污泥硝化等后续处理设施且对于有脱氮要求 不高的大中规模的城市工业污水处理厂。 5． SBR 法。 歇式活性污泥法简称 SBR 法，是一种按照一定的时间顺序间歇式操作的活性污泥污水处理技术，也是一种通过曝气来运行的活性污泥污水处理技术，因此又叫序批式活性污泥处理法。 早在 1914 年，这种处理系统就被采用，但由于当时自动化水平较低，操作困难且工作量大，尤其是后来随着城市和工业污水处理规模的日趋规模化，这一缺点更加凸显，所以曾经连续式活性污泥法一度取代了间歇式活性污泥法。 近年来，随着计算机和自动控制技术的飞速发展，SBR 法的以上弊端得到较好的解决。 SBR 以其独特的 优点，越来越受到国内外污水处理部门的重视。 其滤除污染物的机理与传统的活性污泥法除操作方式外基本相通。 SBR 法与传统的污水处理工艺相比，其主要以时间分割代替空间分割操作，非稳态生化反应代替稳态生化反应，理想静置沉淀代替动态沉淀等。 单个操作单元间歇进行，但通过多个单元组合调度后整个操作过程又是连续的，从而实现有序而间歇的运行。 SBR 反应池去除有机物的机理与普通活性污泥法相比，在曝气阶段基本相同，不同之处在于 SBR 反应池集进水、反应、沉淀、排水、待机五个工序于一身。 从废水流入开始到待机时间结束为一个操作周期，污水 处理过程在一个设有鼓风机的 SBR 反应池内进行，不需要另设沉淀池和污泥回流系统 [5]。 SBR 污水处理工艺主要特点如下： (1) 工艺简单，造价低，运行方式灵活，脱氮除磷效果好； (2) 时间上间歇排水，具有理想的推流式反应器的特性； (3) 耐冲击负荷能力较强，污泥沉降性能好，不易产生污泥膨胀现象； 毕 业 设 计 7 本设计是针对中小型城市的污水处理，无论是从 工艺效率，还是从经济方面考虑， SBR 污水处理法都非常适合。 所以本设计通过 PLC 程序控制 SBR 污水处理法，对城市污水进行处理。 SBR 法过程阐述 1． 进水 进水阀 门打开，进水泵运作，原污水通过粗 /细格栅滤除块状污染物，经过抽水泵到达集水池，到达高水位时，进水泵、粗 /细格栅、集水池抽水泵停止，SBR 反应池抽水泵运作，将集水池中的污水注入两个 SBR 反应池。 2． 反应 反应工序是 SBR 工艺最重要的一道工序。 当污水注入达到 SBR 反应池预定水位时，停止进水，高水位指示灯亮，空气阀门打开，鼓风机启动，开始曝气，在此同时污泥泵往 SBR 反应池中打入活性污泥，开始反应，如驱除 BOD、硝化、磷的吸收以及反硝化等。 设定好曝气时间，时间到达鼓风机与污泥泵停止。 3． 沉淀 当 SBR 池停止曝气 以后，空气阀门与污泥阀门关闭，鼓风机与污泥泵停止。 开始重力沉淀和泥水分离。 4． 排水 SBR 池静置一段时间后，污泥完全沉淀至 SBR 下层，上层清液由滗水器缓慢抽出，排入河道。 当池水位达到设定的最低水位时，滗水器停止运行。 同时，剩余污泥泵在滗水器停止运行后开始运行，排泥至储泥池 [6]。 其流程如图 24 所示： 图 24 SBR法流程图 粗 / 细格栅机 集水池 SBR池 鼓 风 机 进泥泵 原污水 清水排入河道 毕 业 设 计 8 3 硬件设计 PLC 的介绍 PLC 的结构 PLC 的 硬件结构基本上与微型计算机基本相同，是 一种 专 用于工业控制的计算机。 根据硬件结构的不同， PLC 可分为整体式和模块式。 1． 整体式 PLC 整体式又称单元式或箱体式结构的 PLC，其主要 由中央处理器（ CPU）、存储器、输入 /输出（ I/O）单元、电源和通信端口等组成在同一机体内。 这种结构的特点是结构简单、体积小、价格低、输入 /输出点数固定、实现的功能和控制规模固定，但灵活性较低。 基本结构框图如图 31 所示。 图 31 整体式 PLC结构 2． 模块式 PLC 模块式（又称组合式）结构的 PLC，其中央处理器（ CPU）、存储器、输入 /输出（ I/O）单元、电源电路和通信端口等均做成模块，各模块间通信通过机架上的总线互相联系，应用时根据控制要求将这些模块插在机架上。 其中 PLC 的CPU 和存储器设计在一个模块上，有时把电源也放在这一模块上，该模块在总线上的安装位置一般是固定的。 模块式的 PLC 安装完成后，需进行登记，以便PLC 对安装在总线上的各模块进行地址确认。 模块式的特点是系统构成的灵活性高。 可以构成不同控制规模和功能的 PLC，但同时价格也比较高。 基本结构如图32 所示。 存储器 输入 /输出单元 中央处理器（ CPU） 编程器 系 统 总 线 电源 毕 业 设 计 9 图 32 结构式模块 PLC 的工作原理 PLC 与继电器构成的控制装置的工作方式不同，继电器控制器采用并行运行方式，即线圈的触点动作与该点通断电同步。 而 PLC 则采用循环扫描技术，每次只能执行一条指令，只有当程序扫描到该线圈，并且该线圈通电时，该线圈触点才会动作，所以 PLC 的工作方式是 “ 串行 ” 方式，这种工作方式可以避免继电器控制的触点出现竞争或时序失配等问题。 也就是说，继电器控制装置根据输入和逻辑控制结构就可以得到输出，而 PLC 控制器不行，需要输入、执行程序指令、输出 3 个阶段才能完成整个控制 过程 [7]。 1． 循环扫描技术 循环扫描技术可以分为输入阶段（将外部输入信号的状态传送到 PLC）、执行程序阶段和输出阶段（将输出信号传送到外部设备） 3 个阶段。 （ 1）输入阶段 进入此阶段， PLC 先进行自我诊断，然后与编程器或计算机通信，同时中央处理器扫描各个输入端并读取输入信号状态，采集数据，并将其存入相应的输入存储单元。 （ 2）执行程序阶段 进入此阶段， PLC 由上而下按次序一步一步执行程序指令。 从相应的输入存储单元读入输入信号的状态和采集到的数据，然后根据程序内部设定的继电器、定时器、计数器等数据寄存器的 状态和数据进行逻辑运算，得到运算结果，存入相应的输出存储器单元。 执行完成后，进入输出阶段。 在这个程序执行中，输入信号的状态和数据保持不变。 （ 3）输出阶段 进入此阶段， PLC 将相应的输出存储单元的运算结果传送到对应的输出模块基 架 电 源 模 块 CPU模 块 通信模 块 输入模 块 输 出 模 块 特 殊 功 能 模 块 现场设备 其 它 设 备 编程器 毕 业 设 计 10 上，并通过输出模块向外部设备传送输出信号和指令，控制外部设备动作，既而实现通过 PLC 程序控制外部设备。 2． PLC 的 I/O 响应时间 I/O 响应时间是指从某一输入信号变化开始到系统相关输出端信号的改变结束，这段时间就是 I/O 反应时间。 因为 PLC 采用循环扫描工作方式，所以收到输入信号的时刻不 同，输出端信号改变时刻也不对应相同，响应时间的长短也就不同。 下面就介绍最短响应时间和最长响应时间。 最短响应时间：上一个扫描周期刚结束就收到输入信号，也就是说收到输入信号与下一个扫描周期同时开始，这时响应时间最短。 考虑到输入电路和输出电路的延时，所以最短响应时间应大于一个扫描周期。 最长响应时间：在一个扫描刚完成输入读取后才接到输入信号，这样这个输入信号在该扫描周期将不会发生变化，要等到下个扫描周期才能得到响应，这时的响应时间最长 [8]。 毕 业 设 计 11 表 31 I/O口分配 PLC I/O 口分配 在此控制系统中，共用到 14个输入和 22个输出。 其具体的输入输出如表 31。 端口地址 元件 说明 自动 开关 SB0 集水池高水位信号 SB1 SBR1 池高水位信号 SB2 SBR1 池低水位信号 SB3 SBR2 池高水位信号 SB4 SBR2 池低水位信号 SB5 SBR 池手动进水开关 SB6 集水池低水位信号 SB7 紧急停车 SB8 启动鼓风机 SB9 启动进泥泵 SB10 手动 /自动开关 SB11 启动滗水器 SB12 启动排泥泵 SB13 关闭排泥泵 SB14 手动开关 SB15 进水泵 Q0 粗 /细格栅机 Q1 排污传送带 Q2 集水池进水泵 Q3 SBR 池进水泵 Q4 SBR1 池进水阀 Q5 SBR2 池进水阀 Q6 滗水器 Q7 SBR1 池鼓风机 Q10 SBR2 池鼓风机 Q11 SBR2 池出水阀 Q12 SBR1 池出水阀 Q13 进泥泵 Q14 表 31续 I/O口分配 毕 业 设 计 12 端口地址 元件 说明 SBR1 池进泥阀 Q15 SBR2 池进泥阀 Q16 排泥泵 Q17 集水池高水位 Q20 集水池低水位 Q21 SBR1 高水位 Q22 SBR1 低水位 Q23 SBR2 高水位 Q24 SBR2 低水位 Q25 根据系统功能要求，合理分配 PLC 各 I/O 口。 SBR 法的总体设计 方案设计 1． SBR 废水处理系统控制对象电动机均由交流接触器完成起、停控制。 2． 粗 /细格栅除污池、集水池、 SBR 反应池、储泥池等的液位传感器，在选型时考虑抗干扰性能，选用电极考虑耐腐蚀性。 3． 粗 /细格栅除污机、各个水泵、鼓风机电动机分别采用热继电器实现过载保护，其热继电器的常开触点通过中间继电器转换后，作为 PLC 的输入信号，用以完成各个电动机系统的过载保护。 4． 鼓风机的控制要求在无负载条件下起动或停机，需要在曝气管路上设置空气阀。 5． 主电路用断路器， 各负载回路和控制回路以及 PLC 控制回路采用熔断器，实现短路保护。 6． PLC 选用继电器输出型。 自身配有 24V 直流电源，外接负载时考虑其供电容量 [9]。 毕 业 设 计 13 硬件电路设计 1． 主电路设计 SBR 污水处理电气控制系统主电路如图 33 所示。 M3~FRFUM3~FRFUM3~FRFUM3~FRFUM3~FRFUM3~FRFUM3~FRFUM3~FRFUM3~FRFUM3~FRFUQF001112022333444777101010111111141414 171717进水泵粗/细格栅机排污传送机 集水池进水泵SBR池进水泵滗水器SBR1。