plc污水处理论文

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河南理工大学万方科技学院本科毕业论文 3 硬件系统设计 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 31 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，其中的进水 系统 除砂 系统 氧化沟 系统 沉淀 系统 污泥脱水 系统 河南理工大学万方科技学院本科毕业 论文 11 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。 （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河南理工大学万方科技学院本科毕业 论文 12 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。 控制系统 I／ 0统计及 PLC选型 根据系统的功能要求，对 PLC的 I/O进行估算配置，具体分配如下。 数字量输入部分 首先需要一个紧急制动按钮 ,运行方式有两种自动和手动，所以有自动运行方式， 自动方式启动确认，手动方式。 手动方式针对各个部件，粗细格栅机有手动粗格栅机启动， 手动细格栅机启动。 手动清污机、潜水泵、分离机、碟曝气机工频、转碟曝气机变频、潜水搅拌机、刮泥机、污泥回流泵、分离式脱水机、污泥泵、转碟曝气机加速、转碟曝气机减少、粗格栅液位差计、细格栅液位差计、进水泵房液面高位传感器、进水泵房液面低位传感器、污泥回流泵液面高位传感器、污泥回流泵液面低位传感 ,总共 24个数字输入量 . 表 32 数字输入量分配 输入地址 输入编号 输入编号 输入设备 1 急停 13 手动刮泥机启动 2 手动 方式 14 手动污泥回流泵启动 3 自动方式 15 手动分离式脱水机启动 4 自动启动确认 16 手动污泥泵启动 5 手动粗格栅机启动 17 手动转碟曝气机加速 6 手动清污机启动 18 手动转碟曝气机减少 7 手动潜水泵启动 19 粗格栅液位差计 8 手动细格栅机启动 20 细格栅液位差计 9 手动分离机启动 21 进水泵房液面高位传感器 河南理工大学万方科技学院本科毕业 论文 13 续前表 10 手动转碟曝气机工频启动 22 进水泵房液面低位传感器 11 手动转碟曝气机变频启动 23 污泥回流泵液面高位传感器 12 手动潜水搅拌 机启动 24 污泥回流泵液面低位传感器 数字量输出部分 数字量输出主要是对接触器的启动提供信号 ,共 13个 表 33 数字输出量分配 输 出 编号 输出设备 输 出 编号 输出设备 1 粗格栅机接触器 8 潜水搅拌机接触器 2 清污机接触器 9 刮泥机接触器 3 潜水泵接触器 10 污泥回流泵接触器 4 细格栅机接触器 11 离心式脱水机接触器 5 分离机接触器 12 潜水泵报警 6 转碟曝气机工频接触器 13 污泥回流泵报警 7 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 34所示。 表 34 模拟量输入分配 输入编号 输入设备 1 溶解氧仪 河南理工大学万方科技学院本科毕业 论文 14 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 35 所示。 表 35 模拟量输出分配 输出编号 输出设备 1 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。 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，选择三菱 FX2N64M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。 通常 I/O点数是根据被控对象的输入、输出信号的需要，再加上 10%15%备用量来确定，三菱 FX2N64M在工业污水处理系统中有 32个数字量输入点和 32个数字输出点，本系统有 24个数字量输入和 13个数字量输出，所以三菱 FX2N64M符合要求。 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。 三菱公司生产的模拟量输入输出模块FX0N3A，该模块具有较高的分辨率、较强的输出驱动能力和通用性，可满足控制系统的功能要求。 电动机的选型 先选电动机再选变频器，在该工业污水处理系统中需要用到 Y2系列三相异步电机。 主要性能有：绝缘等级： F；防护等级： IP54或 IP55；电压： 380V或 415V；河南理工大学万方科技学院本科毕业 论文 15 频率： 50Hz或 60Hz；冷却方式： IC411。 Y2系列电动机有两种设计，一种是适用于一般机械配套和出口需要，在轻载时有较高效率，在实际运行中有较佳节能效果，且具有较高堵转转矩，此设计称为 Y2Y系列。 中心高 63～ 355mm，功率从 ～ 315kW。 电动机符合JB/ Y2系列 (1P54)三相异步电动机（机座号 63～ 355）技术条件。 型号含义：如 Y2200L12Y：“ Y2”表示异步电动机第二次改型设计，“ 200”表示中心高，“ L”表示机座长短号，“ 1”表示铁心长度序号，“ 2”表示极数，“ Y”表示第一种设计（可 省略）。 第 2种设计是满载时有较高效率，更适用于长期运行和负载率较高的使用场合，如水泵、风机配套，此设计称为 Y2E系列，中心高 80～ 280mm，功率从 ～ 90kW。 电动机符合 JB/ Y2系列(1P54)三相异步电动机（机座号 80～ 280）技术条件。 型号含义：如 Y2200L26E：“ Y2”表示异步电动机第二次改型设计，“ 200”表示中心高，“ L”表示机座长短号，“ 2”表示铁心长度序号，“ 6”表示极数，“ E”表示第二种设计 ,功率 22KW。 根据上述分析，选择 Y2200L26E 22KW即可满足要求。 变频器基本原理及变频器选型 变频器简介 变频器的功能是将频率固定的 (通常为 50Hz)的交流电变换成频率连续可调的三相交流电源。 变频器的输入端接至频率固定的三相交流电，输出端输出的是频率在一定范围内连续可调的三相交流电。 变频器主要分为间接变频和直接变频两大类，而间接变频又根据中间直流环节的主要储能元件的不同可分为电压型和电流型。 电压型变频器主回路由相控整流器，中间直流环节和逆变器三个部分组成。 相控整流器将交流电压整流为可控的直流电压，经滤波由电容 Cd输 出直流河南理工大学万方科技学院本科毕业 论文 16 电压 Vd，逆变器将直流 Ud变换成频率可调的交流电源供给电机进行变频调速。 由于中间直流环节是 Cd低阻抗输出相当于是恒压源，故称电压型。 电流型交 直 交变频器与电压型变频器的差别仅在于中间直流环节中的储能元件用的是电感而不是电容。 由于中间直流环节是高阻抗输出相当于电流源，故称电流型。 变频与变压 (VVVF)原理 当在实际利用变频器调节电机转速的过程中，当频率 f下降时，定子绕组的反电动势 E有所下降，定子电流增大，但是转子侧的负载并未增加，故转子段电流不变，根据电流平衡方程可知，励磁电流比增大， 因而磁通φ m增大。 φ m增加将导致铁芯的饱和，进而引起励磁电流波形的畸变，这是不希望的结果，因此希望φ m可以保持基本不变。 要实现这个目标，只要在变频过程中使变频器输出电压 Ul/f=const，则磁通φ m可保持基本不变。 因此变频的同时也要变压，常用 VVVF表示。 VVVF实施的基本方法包括：脉幅调制 (PAM)和脉宽调制 (PWM)。 （１）脉幅调制 (PAM) 实现方法就是调节频率的同时，也改变直流电压的振幅值。 PAM需要同时调节两个部分：整流部分和逆变部分，两者之间还必须满足一定的关系，故控制电路比较复杂，因此比 较少用。 （２）脉宽调制 (PWM) 实现方法就是在每半个周期内，把输出电压的波形分割成若干个脉冲波，每个脉冲的宽度为 t1，每个脉冲间的间隔宽度为 t2，则脉冲的占空比Υ=tl/(t2+tl)。 这时电压的平均值和占空比成正比，所以在调节频率时，不改变直流电压的幅值，而是改变输出电压脉冲的占空比，同样可以实现变频也变压的效果。 PWM只需控制逆变电路便可实现，与 PAM相比电路简化了许多，因此在变频调速中比较常用。 河南理工大学万方科技学院本科毕业 论文 17 变频调速的基本原理 （ １） 异步电动机的等效变换 图 36 异步电动机的等效变 换 异步电动机的电磁转矩公式： 2212 2 21 1 2 1 232 [ ( ) ( ) ]m p s r UT f s r r s x x    其中： P为旋转磁场的磁极对数， S为转差率。 （２） 变频调速的原理 异步电动机的电磁转矩是由定子主磁通和转子电流相互作用产生。 异步电动机的定子主磁通是以一定的转速旋转，旋转磁场实际是三个交变磁场合成的结果。 旋转磁场的转速 n0=60f/p，其中 f是电流频率， P是旋转磁场的磁极对数。 产生转子电流的必要条件是转子绕组切割定子磁场的磁力线。 因此转子的转速n1必须低于定子磁场的转速 n0 (即所谓的“异步” )。 两者之间的差异可由转 差率表示，转差率 s=( n0 n1)/n0根据 n0=60f/p可知，当频率 f连续可调时，电动机的同步转速 n0也连续可调，而异步电机的转子转速 n1，总是比同步转速略低一点，所以当 n0连续可调时， n1也是连续可调。 设变频后的频率为 fx，电压为 Ux，电动机的额定相电压和频率为 UN和 fN，则有： （ ）。