毕业设计论文---污水处理站的电气自控系统设计

毕业设计论文---污水处理站的电气自控系统设计内容摘要：

，如 1~5V， 4~20mA 等，因此需要将现场实际参数进行处理。 变送器则是将非标准电信号转换为标准电信号的仪器。 变送器种类很多 ， 总体来说就是由变送器发出一种信号来给二次仪表使二次仪表显示测量数据 ，它把传感器采集到的微弱的电信号放大以便转送或启动控制元件，或将传感器输入的非电量转换成电信号同时放大以便供远方测量和控制的信号源，根据需要还可将模拟量 变换为数字量。 一般分为温度变送器，压力变送器，液位变送器等 [7]。 可编程逻辑控制器按结构分为整体型 和模块型两类，按应用环境分为现场安装和控制室安装两类；按 CPU 字长分为 1 位、 4 位、 8 位、 16 位、 32 位、 64 位等。 从应用角度出发，通常可按控制功能或输入输出点数选型。 整体型可编程逻辑控制器的 I/O 点数固定，因此用户选择的余地较小，用于小型控制系统；模块型可编程逻辑控制器提供多种 I/O 卡件或插卡，因此用户可较合理地选择和配置控制系统的 I/O 点数，功能扩展方便灵活，一般用于大中型控制系统。 可编程控制器 PLC 作为一种多功能智能化的综合控制器 ,具有通用性好、可靠性高、编程简单、扩展方便、安装灵活和故障率低等诸多特 点 ,在工业控制领域得到越来越广泛的应用 [8]。 第一章绪论 4 STEP 7 和 WinCC 软件简介 STEP 7 是支持西门子 SIMATIC PLC 和编程的标准软件包，它不仅从不同层次充分支持合理的程序结构设计，而且也简化了结构设计的复杂程度。 对于一般系统， STEP 7 软件使用前我们需对程序结构进行设计，然后在 STEP 7 中确定相关数据结构，之后在程序和数据结构基础上进行编程，最终进行程序调试。 STEP 7 软件的使用包括：授权安装、项目创建、硬件组态、网络设置、程序设计、调试下载以及诊断和运行等步骤 [9]。 STEP 7 常见编程语言有 LAD（梯形图）、 STL（语句表）等 ,在程序结构设计中，根据程序要求，可选择组织块（ OB）、功能块（ FB）或功能（ FC）等三种类型的逻辑块，而数据块 DB 则用来存储执行用户程序所需的数据。 项目中常用组织块有 OB OB3 OB100。 OB1 为主程序循环，是重要的组织块，当 OB1 运行后，操作系统将过程映像输出寄存器写到外设模块中，即 OB1 是程序在硬件电路上运行的软件接口。 利用 OB35 可以控制程序的执行和中断周期。 OB100 为启动模块，即当 CPU 从 STOP 到 RUN 状态时启动，利用 OB100 可 以对一些参数和操作进行开机初始化设定 [10]。 PLC 常用功能编程模块包括 FB、 FC。 FB 是一种“带记忆”的逻辑功能块， FC 则是普通编程逻辑功能块，系统在调用 FB 模块时将给 FB 分配相应背景 DB 数据块。 WinCC（ Windows Control Center）是 HMI/SCADA 人机操作软件中的一种，是基于Microsoft Windows 2020/XP 操作系统的组态软件， 是第一个使用最新的 32 位技术的过程监视系统，具有良好的开放性和灵活性。 WinCC 是一个真正开放的，面向监控与数据采集的 SCADA（ Supervisory Control and Data Acquisition）软件，可在任何标准 PC 上运行。 WinCC 操作简单，系统可靠性高，与 STEP 7 功能集成，可直接进入 PLC 的硬件故障系统，节省项目开发时间。 WinCC 在数据处理、通讯、监控界面设计、编程语言等方面给用户提供了简单、方便的使用功能 [11]。 对于一个简单项目， WinCC 软件使用步骤为： ； ； 讯驱动； ； ；。 对于复杂的项目设计，一般要用到用户归档、脚本编 程、 SQL 数据库等软件功能块。 在工业控制中，西门子 S7 PLC 一般与 WinCC 相结合，现场数据和控制信号经 PLC运算处理后，可以利用 WinCC 进行状态监控，这样既方便工作人员远程操作又可以较好的掌握现场运行情况。 南京工业大学本科生毕业设计（论文） 5 本文的主要工作 1）熟悉污水处理的工艺过程，分析污水处理系统的各项功能需求，了解污水处理系统相关各类仪表参数指标，设计出合理的污水处理系统自动控制方案； 2）熟悉 西门子 plc 的基本结构和工作原理，并对污水处理控制系统进行设计分析 ； 3）完成污水处理系统的硬件方面，对 PLC 进行选型，分配 I/O 接口 ； 4）练习 STEP7 编程软件以及 WINCC 组态软件的使用，完成污水处理系统软件方面的组态与编程。 5） 完成现场污水处理系统的软 /硬件安装、调试与运行，使装置及控制过程正常运行。 第二章 污水处理站工艺简介 6 第二章 污水处理站工艺 简介 主要污水处理 设备 本污水处理系统主要由 格栅井 、 调节池 、 厌 氧池 、 好氧池 、 二沉池 、 污泥池 、 中间水池 、 陶瓷膜过滤设备、清洗罐、清液罐 等组成。 工艺流程及主要内容 本废水处理系统主要分为两大处理单元， A/O 生物接触氧化 和后续陶瓷膜深度处理，处理后的水可以达标回用。 主要处理流程如下： 生活污 水及生产废水采用直接自流进入排水管网，污水经管网集流后自流经格栅 [12]除去水中的粗大悬浮物，然后由自流的方式进入调节池进行均合水质、水量调节。 调节池采用 全 地下室钢筋混凝土池 ，有效水力停留时间为 8～ 10 小时。 调节池的废水 由潜污水泵提升至污 水处理系统 （活性污泥法 [13]） ，该系统 由 厌 氧池、好氧池、沉淀池、 中间水池、 污泥池等部分组成。 在 厌 氧池中，废水中大分子有机物水解成小分子有机物，从而降低了好氧池处理负荷，废水中 BOD5 和 CODcr 会有一定下降，含氮有机物也会由于细胞的合成而有一些去除，但NH3－ N 含量 没有变化， P 的含量因细胞释放而上升。 好氧池为本污水处理的核心部分，分二段，第一段在较高的有机负荷下，通过附着于填料上的大量不同种类 的微生物群落共同参与下的生化降解和吸附作 用，去除污水中的各种有机物质，使污水中的有机物含量大幅度降低。 第二 段 是 在有机负荷较低的情况下，通过硝化菌的作用，在氧量充足的条件下降解污水中的氨氮，同时也使污水中的 COD 值降低到更低的水平，使污水得以净化。 好氧池中的污水排放到二沉池，一部分污泥通过污泥提升泵送到 厌 氧池中作反应物，一部分排放到污泥池中。 污水送到中间水池中进行后续陶瓷膜深度 处理。 陶瓷膜系统中采用循环泵来节约能源，经陶瓷膜系统处理后的达标清水一部分送入清洗罐用于清洗陶瓷膜系统，另外一部分送入清液罐，然后输送到各个使用点。 清洗陶瓷膜系统时，使用清洗罐中的水，清洗后的水送到废水池再做处理。 清洗顺序： 停机 、 排渣 、 漂洗 、 排渣 、 碱洗 、 排渣 、 漂洗 、 排渣。 南京工业大学本科生毕业设计（论文） 7 污水处理流程 污水 处理工艺部分 图 21 污水处理工艺 [14] 陶瓷膜清洗工艺 部分 图 22 陶瓷膜清洗工艺第三章 污水处理站的控制方案设计 8 第三章 污水处理 站的控制方案设计 系统控制方式 污水处理 站 采用三级控制方式，即现 场控制方式、 MCC 控制方式 （电动机控制 中心）和微机控制方式 [15]。 目前 ，以 MCC 控制为基础， PLC 控制为主导的控制方式始终处于工业自动化控制领域的主战场，为各种各样的自动化控制设备提供了非常可靠的控制应用。 其 主要原因，在于它能够为自动化控制应用提供安全可靠和比较完善的解决方案，适合于当前污水处理站对自动化的需要 [16]。 1）手动控制：优先级最高，当工艺设备或其就地按钮箱的“ 手动 / 自动”转换开关处于“ 手动”时， PLC 的控制被屏蔽，工艺设备可在就地按钮箱或 MCC 上实现开、停等人工操作。 当工艺设备或 其就地按钮箱上的“ 手动 / 自动”转换开关处于“ 自动”时，设备的全部控制过程由 PLC 完成。 2） PLC 自动控制：利用 PLC 的逻辑控制功能，提供工艺设备的自动及关联设备的联动、连锁控制及闭环控制，各分站管辖区域的设备以这种控制方式为主。 3）中控室远程控制：中控室通过人机操作界面，对全厂的设备进行远程控制，实现宏观调控，处理局部的停机事故和紧急状态，维持系统的总体协调 [17]。 主要污水处理装置的控制方式 格栅 井 、 调节池、提升泵 的设备控制 格栅井、调节池、提升泵 的控制分为现场控制和远 程控制两种模式。 远程控制模式由PLC 和上位机实现，它包括微机手动和微机自动，而微机自动控制方式为： 设计一个单回路控制，通过现场液位变送器（ LT101） 检测调节池的液位，当调节池液位高于设定控制上限时，提升泵起动，将污水排入缺氧池，当调节池液位低于设定控制低限时，提升泵停止。 南京工业大学本科生毕业设计（论文） 9 图 31 调节池液位单回路控制 厌 氧池、好氧池、二沉池、 污泥 池 和鼓风机房的设备控制 厌 氧池潜水搅拌器、好氧池回流泵、污泥提升泵都是 由微机 手动 通过 PLC 控制。 污水在池中通过微生物的净化作用达到去除有机物的目的。 因微生物为好 氧菌，如供氧量过少会造成细菌大量死亡，不利于微生物的生长，之间会影响处理效果，但供氧量过大，不仅使耗能增高，增大运行费用，而且会形成小而重的易沉淀物，使水质恶化。 因此，控制水中的氧中的氧的含量是污水处理过程中比较关键的任务之一 [18]。 PLC 检测 厌 氧池、好痒池在 线溶氧仪的值传送上位机进行数据分析，实时掌握厌氧段与好氧段等状况，及时调整工艺控制 [19]。 中间水池、陶瓷膜设备、清液罐的控制 中间水池、 供料泵、陶瓷膜、循环泵的控制分为 现场控制和远程控制两种模式。 远程控制模式由 PLC 和上位机实现，它包括 微机手动和微机自动，而微机自动控制方式为： （ 1） 点击操作界面“过滤”按钮 ，设备自动打开相应的阀门，起动供料泵、循环泵，在运行的过程中，监测中间水池液位 (LT103)，设备压力（ PT102， PT104），浓液侧流量（ FT101），清液侧流量（ FT102）。 当中间水池液位低于设定控制低限时或设备压力（ PT102）大于设定控制高限，系统自动停机；设备压力（ PT104）可根 据调节气动调节阀 的开度来第三章 污水处理站的控制方案设计 10 实现控制。 点击操作界面“ 停止 ”按钮 ，则设备停止过滤。 如图 32 所示。 （ 2） 点击操作界面“ 清洗 ”按钮 ，设备自动打开 相应的阀门，起动清洗泵、循环泵，在运行的过程中，监测清洗罐液位 (LT102)，设备压力（ PT102， PT104），浓液侧流量（ FT101），清液侧流量（ FT102）。 当清洗罐液位低于设定控制低限时或设备压力（ PT102）大于设定控制高限，系统自动停机；设备压力（ PT104）可根 据调节气动调节阀 的开度来实现控制。 点击操作界面“ 停止 ”按钮 ，则设备停止清洗。 如图 33 所示。 （ 3） 点击操作界面“ 排污 ”按钮 ，设备自动打开相应的阀门，开始排污。 当达到设定的排污时间，或者点击 “ 停止 ”按钮 ，则设备停止排污。 如图 34 所示。 开始过滤检查中间水池液位是否满足NY打开过滤所需阀门运行供料泵起动循环泵正常过滤NY停止过滤停止供料泵停止循环泵回监控主程序关闭过滤所需阀门NY 图 32 过滤 程序 流程图 南京工业大学本科生毕业设计（论文） 11 开始清洗检查清洗罐液位是否满足NY打开清洗所需阀门运行清洗起动循环泵正常清洗NY停止清洗停止清洗泵停止循环泵回监控主程序关闭清洗所需阀门NY 图 33 清洗 程序 流程图 开始排污打开浓液侧排污相关阀门打开清液侧达到系统设定的NY浓液排污时间关闭排污相关的所有阀门达到操作界面设定的排污时间排污相关阀门手动停止排污 图 34 排污 程序 流程图 第三章 污水处理站的控制方案设计 12 清洗罐的温度控制 本处理站中，加入了陶瓷膜设备来进行水处理，陶瓷膜设备是需要定期清洗的，所以，这就涉及到了清洗液的温度控制。 清洗液是在清洗罐中进行加热的， 因此，设计一个串级回路控制电加热系统来进行温度的调节。 串级回路中，主环为出 口液体温度调节，副环为罐内液体温度调节。 图 35 清洗罐串级控制回路 陶瓷膜设备的压力控制 本系统中通过 PID 调节来调节 气动调节阀 的开度 来进行控制。 PID（ proportionalintegralderivative）控制是比例 积分 微分的简称 [20]。 在生产过程自动控制的发展历程中， PID 控制是历史最久、生命力最强的一种基本控制方式。 在计算机用于生产过程以前，过程控制中采用的气动、液动和电动的 PID 调节器一直占垄断地位，它具有原理简单、易于实现、鲁棒性强和适用面广等优点。 下面对常 规 PID 控制算法和参数整定分别加以介绍。 1） PID 控制算法 在过程控制系统中，常规 PID 控制算法被广泛使用，一般采用两种调节器：模拟式 PID。