基于plc的污水处理系统_毕业设计论文(编辑修改稿)

基于plc的污水处理系统_毕业设计论文(编辑修改稿)内容摘要：

进行实时监控，其特点如下 ： 编程方便，开发周期短，维 护容易。 通用性强，使用方便。 控制功能强。 模块化结构，扩展能力强。 工业污水处理 系统的功能要求 工业污水处理 系统的主要功能是完成对城市污水的净化的作用，将城市中排除的污水通过该系统处理后，输出符合国家标准的水质。 长期以来， 工业污水处理 技术虽然经过了迅速发展，但仍滞后于城市发展的需要， 工业污水处理 率低、设备运转率低等极大地影响了城市发展。 为实现 工业污水处理 技术的简易、高效、低能耗的功能， 并且实现自动化的控制过程，采用 PLC 作为核心控制器是个较好的方案。 PLC 作为 工业污水处理 系统的控制系统使得 设计过程变得更加简单，可实现的功能变得更多。 与各类人机界面的通信可完成 PLC 控制系统的监视，同时使用户可通过操作界面功能控制 PLC 系统。 由于 PLC 的 CPU强大的网络通信能力，使得 工业污水处理 系统的数据传输与通信变得可能，并且也可实现其远程监控。 利用 PLC 作为控制器的 工业污水处理 系统主要涉及两个方面：一是信号输入；二是控制输出信号。 信号输入 工业污水处理 系统信号输入检测方面主要涉及四类信号的监测，主要包括：按钮的输入检测、液位差的输入检测、液位高低的输入检测，以及曝气池中含氧量的输入检测。 9 （ 1）按钮输入检测。 大多数为人工方式控制的输入检测，主要有自动按钮、手动按钮、格栅机启动按钮、清污机启动按钮、潜水泵启动按钮、潜水搅拌机启动按钮、污泥回流泵按钮、曝气机工频、变频按钮，以及变频加速减速按钮等。 （ 2）液位差输入检测。 检测粗细格栅两侧液位差，用来控制清污机的启动与停止。 （ 3）液位高低输入检测。 检测进水泵房和污泥回流泵房中液位的高低，用来控制潜水泵或污泥回流泵的启动和停止，以及投入运行的潜水泵的数量。 （ 4）含氧量输入检测。 以上三种 都 为数字量输入，该输入为模拟量输入。 曝气过程是 工业污水处理 系统中最重要的环节，为了保证微生物所需要的氧气，必须检测污水中的含氧量，并通过曝气机增加或减少其含氧量。 通过将溶解氧仪设置在适当位置上，将检测值反馈到 PLC 中，通过运算输出控制曝气机的转速信号。 当溶解氧值偏低时，降低了微生物分解的效果，延长了处理时间，严重时甚至导致处理失效，因此需要增加曝气机转速以增加供氧量；当溶解氧值偏高时，导致微生物过氧化，降低了其活性，也不利于处理，因此减小曝气机转速以减少供氧量，最终使污水中的溶解氧保持在一定的范围内。 控制输出信号 信号输出部分主要包括两个方面：一 个是数字量输出，即各类设备的接触器；另外一个是模拟量输出，用来控制曝气机变频器。 （ 1）数字量输出。 控制各类设备的启动和停止，包括：格栅机启停、清污机启停、潜水泵启停、潜水搅拌器启停、污泥回流泵等设备。 （ 2）模拟量输出通过 PLC 中 PID 运算后的数据，通过其功能模块输出控制信号，该控制信号输入到变频器的控制端子上，改变变频器的输出频率，从而控制曝气机的转速，最后达到控制污水中含氧量的要求。 10 第三章 硬件系统配置 氧化沟是工业污水处理系统中的重要环节，其结构的不同形成了不同的氧化方法例如，奥贝尔、卡鲁赛尔 和一体化氧化沟法，对于不同的结构，其配套的设备也有较大的不同，所以其结构比较复杂，不同的结构对应不同的控制系统，因此需要根据不同的结构特点设计相应的控制系统。 主要组成部分 工业污水处理系统的结构比较复杂，设备较多，在氧化沟中其控制过程及原理大致相同，都是通过控制曝气机的转速来调节污水中的含氧量，其基本组成如图 31 所示。 图 41 工业污水处理系统基本组成示意图 (1）进水系统。 进水系统主要有进水管道和进水泵房组成，进水管道主要由粗格栅机和清污机组成，进水泵房主要有两台潜水泵组成。 进水管道的主要 功能是将污水中的大块物体排除，其中的粗格栅是根据程序设定的时间进行间歇工作，而清污机的运行和停止是根据粗格栅两侧的液位差来决定的，当液位差超过某个值时，启动清污机；当液位差小于某个值时停止清污机的运行。 进水泵房中的潜水泵运行及停止是通过安装在泵房内的液位传感器来决定的，当液位较低时只启动一台潜水泵，当液位较高时启动两台潜水泵，若液位持续升高时，则输出报警以示意有故障发生。 (2）除砂系统。 除砂系统主要由细格栅系统和沉砂池组成，细格栅系统是由细格栅机和转鼓清污机组成，沉砂池的主要设备是分离机。 细格栅系 统的主要功能是进一步净化污水中的颗粒物体，将污水中细小的沙粒滤除，其中的细格栅机是根据程序设定时间进行间歇工作，而转鼓清污机的运行和停止则根据细格栅两侧的液位差来决定，当液位差超过某个值时，启动清污机；当液位差小于某个值时停止清污机的运行，这和粗格栅系统的运行方式一致。 沉砂池中分离机的运行和后续处理中的转碟曝气机的运行同步，即启动转碟曝气机的时候同时启动分离机，对沉砂池中的沙粒进行排除。 11 (3）氧化沟系统。 氧化沟系统由氧化沟和污泥回流系统构成，氧化沟是工业污水处理系统中最重要的环节，因此控制量较多，控制过程 叫复杂，包括转碟曝气机和潜水搅拌机，污水回流系统主要有污泥回流泵构成。 氧化沟的功能是对污水进行生化处理，分解污水中的有害物质，使其达到一定的水质标准，其中是转碟曝气机是关键设备，在氧化沟中设置有溶解氧仪对污水中的含氧量进行检测，根据其反馈到 PLC 的值来控制曝气机变频器的运行，改变污水中溶解氧的含量。 潜水搅拌机的作用是推进水流，同时使氧化沟的污水和活性污泥处于剧烈的搅拌状态，使他们充分混合接触。 使活性污泥的生化反应更加充分，这样才能最大程度地分解污水中的有害成分。 污水回流系统的污泥回流泵将剩余的污泥及使用过的 污泥进行处理，该设备的运行与停止主要根据泵房内液位传感器的状态，当液位低于某个值时停止回流泵的运行；当液位持续高于某个高位时，回流泵停止运行同时输出报警信号；液位处于正常状态时，回流泵正常运行。 (4）沉淀系统。 沉淀系统主要设备为刮泥机，其功能是对进行氧化沟处理后的污水进行物理沉淀，将污泥和清水分离，刮泥机在整个系统启动后就开始持续运行。 在该系统中用到一定化学药剂主要包括混凝剂、絮凝剂、复合碱等，主要用来调节改善混凝条件及絮凝体结构，利用高分子助凝剂的强烈吸附架桥作用，使细小松散的絮凝体变的粗大而紧密，容易 发生沉降。 (5）污泥脱水环节。 污泥脱水系统主要包括离心式脱水机，其主要功能是对氧化池中处理过污水的活性污泥进行脱水处理，由于对污水进行处理后，活性污泥中有新的微生物及其他杂质，因此需要先对活性污泥添加一定量的药物，便于污泥脱水。 离心式脱水机主要有聚合物泵、污泥机和切割机构成，以上设备按照顺序控制的方式启动，依次启动聚合物泵、污泥机和切割机，完成对污泥的脱水处理。 电气控制系统 电气控制系统主要包括操作面板、显示面板、电气控制柜等单元。 由于在该系统中需要检测较多的数字输入量，并且还要检测模拟量的输入， 根据设定的程序进行数据处理后，输出控制信号，因此系统的控制逻辑与时序就需要严格照检测信号的输入进行控制。 (1）操作面板。 操作面板主要包括手动、自动、各类设备的启动按钮等。 (2）显示面板。 显示面板由于要显示较多的数据，因此一般采用触摸屏或者人机界面。 (3）电气控制柜。 电气控制柜是电气控制的核心设备，主要包括变频器、各类传感器的输入信号、 PLC 及其扩展模块等。 12 工业污水处理系统的工作原理 控制系统总体框图 工业污水处理系统的电气控制系统总框图如图 42所示， PLC为核心控制器，通过检测操作 面板按钮的输入、各类传感器的输入，以及相关模拟量的输入，完成相关设备的运行、停止和调速控制。 32 电气控制系统框图 工作过程 在手动状态下，各类设备的控制是根据操作面板上的按钮输入来控制，无逻辑控制，即可不根据传感器的状态进行控制。 在自动方式下进行闭环控制，系统根据检测到外部传感器的状态对设备进行启停控制，其工作过程如下。 (1）接通电源，启动自动控制方式，启动潜水搅拌器和刮泥机。 (2）运行粗、细格栅机，进行间歇运行，即运行一段时间然后停止一段时间，循环进行。 (3）根据反馈回来的液位差状 态控制清污机的运行与停止。 (4）进水泵房中的潜水泵根据液面高低进行运行、停止及运行数量的控制。 13 (5）转碟曝气机根据溶解氧仪反馈的模拟量经 PLC 运算后进行控制，同时控制分离机的运行与停止。 (6）污泥回流泵的运行与停止根据液面的高低进行控制。 (7）在污泥脱水系统中，离心式脱水机的启动采用顺序控制方式，依次启动其设备。 工业污水处理系统主电路设计 图 33 为工业污水处理系统的主电路图的部分图。 三台电机分别为潜水泵电机（ M1）、清污机电机（ M2）、转碟曝气机电机（ M3）。 接触器 KM KMKM6 分别控制 M M M3 的工频运行；接触器 KM KM9 分别控制 MM3 的变频运行； FR FR FR3 分别为三台电机过载保护用的热继电器； QF主电路的空气开关； FU1 为主电路的熔断器。 选用的 MM430 变频器是用来控制电机 M M3 变频运行的。 图 33 工业污水处理系统部分主电路图 14 PLC 选型 根据 工业污水处理 系统的电气控制系统的功能要求，以及其复杂程度，从经济性、可靠性等方面来考虑，选择西门子 S7—200 系列 PLC 作为 工业污水处理系统的电气控制系统的控制主机。 由于 工业污水处理 电 气控制系统涉及较多的输入输出端口，其控制过程相对复杂，因此采用 CPU226 作为该控制系统的主机。 CPU226 在 工业污水处理 系统中使用的数字量输入点和输出点都比较多，因此除了 PLC 主机自带的 I/O 外，还需要扩展一定数量的 I/O 扩展模块。 在此采用EM223 输入 /输出混合扩展模块。 8 点 DC 输入 8 点输出型。 正好可以满足控制系统的 I/O 需求。 在该系统中，还需要采集模拟量并利用模拟量控制的功能要求，因此需要在扩展一个模拟量输入输出扩展模块。 西门子公司专门为 S7—200 系列 PLC 配置了模拟量输入输出模块 EM235，该 模块具有较高的分辨率和较强的输出驱动能力，可满足控制系统的功能要求。 PLC 的 I/O 资源配置 根据系统的功能要求，对 PLC 的 I/O 进行配置，具体分配如下表。 数字量输入部分 表 34 数字输入量地址分配 输入地址 输入设备 输入地址 输入设备 急停 手动刮泥机启动 手动方式 手动污泥回流泵启动 自动方式 手动分离式脱水机启动 自动启动确认 手动污泥泵启动 手动粗格栅机启动 手动转 碟曝气机加速 手动清污机启动 手动转碟曝气机减少 手动潜水泵启动 粗格栅液位差计 手动细格栅机启动 细格栅液位差计 手动分离机启动 进水泵房液面高位传感器 手动转碟曝气机工频启动 进水泵房液面低位传感器 15 手动转碟曝气机变频 启动 污泥回流泵液面高位传感器 手动潜水搅拌机启动 污泥回流泵液面低位传感器 数字量输出部分 表 35 数字输出量地址分配 输 出地址 输出设备 输出地址 输出设备 粗格栅机接触器 潜水搅拌机接触器 清污机接触器 刮泥机接触器 潜水泵接触器 污泥回流泵接触器 细格栅机接触器 离心式脱水机接触器 分离机接触器 潜水泵报警 转碟曝气机工频接触器 污泥回流泵报警 转碟曝气机变频接触器 模拟量输入部分 由于需要采集一个溶氧仪所反馈的数据，因此扩展了一个模拟量输入输出模块，具体 I/O 分 配，如下表 36 所示。 表 36 模拟量输入地址分配 输入地址 输入设备 AIW0 溶解氧仪 模拟量输出部分 在此控制系统中需要将采集回来的模拟量进行数据处理，然后，通过模拟输出口对变频器进行控制，进行控制其他设备的运行，如下表 37 所示。 表 37 模拟量输出地址分配 输出地址 输出设备 AQW0 经 PID 运算输出 根据控制系统的功能要求，设计出 工业污水处理 控制系统的硬件连线图如图38 所示，此控制面板上的手动控制部分主要在调试系统时使用，调试完成后基本处于闲置状态。 16 图 38 工 业污水处理 系统 PLC 硬件接线图 其他资源配置 要完成系统的控制功能除了需要 PLC 主机及其扩展模块之外，还需要各种传感器、接触器和变频器等仪器设备。 接触器 选型 在控制系统中，所有设备是根据控制面板上的按钮情况或者根据传感器的反馈值进行动作的，因此需要 PLC 根据当前的工作情况，以及按钮的情况来控制 17 所有设备的启停，在此用到了大量接触器：如格栅机接触器、清污机接触器、潜水泵接触器、分离机接触器、转碟曝气机接触器、潜水搅拌机接触器、刮泥机接触器等。 为此该系统选用施耐德 LC1D0901M5C 交流接 触，其额定电压 220V,额定电流 9A。 其特点有： 高。