基于plc污水处理系统设计毕业论文

基于plc污水处理系统设计毕业论文内容摘要：

(3) pH 计：监测污水的酸碱度，当污水用过大或过小时都要采取特殊措施，以防活性污泥中的微生物死亡，影响处理效果．选用 LP3000C 型 pH 计，该表解析度 ，精度等级177。 (4)溶解氧 (DO)仪 ：用于测量污水中溶解氧的含量，溶解氧测量仪是污水处理的最重要的仪表之一，是调节曝气机鼓风量的重要依据。 溶解氧的测定一般用薄膜法和碘量法，本次试验选用薄膜电极法。 (5)ORP 检测仪：用于测量污水中的氧化还原电位。 可通过 ORP 的测定值监控系统进入除磷需要的厌氧状态和脱氮需要的缺氧状态的情况，调整控制时序，从而达到脱氮除磷的要求。 (6)温度计：由于活性污泥法的机理是生化反应，温度对其反应有重要影响因此需对污水温度进行监测。 可以设独立的温度传感器，也可以用复合式，即测 11 一，温与其它仪表共用。 参量的选 择与测量 污水处理过程中，溶解氧浓度 DO、氧化还原电位 ORP、 pH 值、温度是几个重要参数。 溶解氧 DO 或氧化还原电位 ORP 可作为反应器中有机物降解程度的间接指标。 试验研究结果表明：在 SBR 法反应阶段， ORP 和 DO 这两个参数与 COD 浓度都有一定的相关关系，尤其当空气量恒定时， COD 被降解至难降解浓度时， ORP 和 DO 值则迅速地大幅度升高，之后很快趋于平稳，并在某一较高值的特定范围内稳定下来。 ORP 与 DO 的这些变化特点，能可靠地作为 SBR反应阶段结束的信号 [11]。 而且 ORP 与 DO 检测仪的构造都较简单，价格便宜，响 应迅速，便于与计算机接口．因此以 ORP 或 DO 作为 SBR 法反应时间的控制参数，既能在进水有机物浓度无规律大幅度变化的情况下，保证其处理水水质，又能避免因曝气时间过长而浪费电能和污泥膨胀。 污水在反应器中是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， DO 过低，会使好氧菌活性下降，不利于微生物的生长，微生物难以形成易沉淀的絮体，直接影响处理效果。 供氧量过大， DO 过高不仅使能耗增高，增大运行费用，同时也会造成混合液絮体分散和破碎，使固液分离发生困难。 因此，控制水中的含氧量是污水处理过程控 制中比较关键的任务之一。 Eh 于溶解氧的浓度同进水水质、温度、压力、曝气重毛等有着非常密切的关系。 这些外界条件发生变化时，溶解氧浓度也随之发生变化。 如何控制曝气池中的溶解氧，是污水处理过程控制中自动调节系统的主要任务之一。 4 控制系统设计 PLC 选型 PLC 是可编程控制器的简称，有下列优点 : (1)控制程序可改变 在污水厂生产工艺或流程改变的情况下，不必改变 PLC 的硬件设备，只要改变相应的程序就可满足用户的要求。 (2)适用于工业环境，具有高可靠性 PLC 产品的平均无故障时间达 5 年以上，因而它是一种 高可靠的产品，大大地提高了生产设备的工作效率。 (3)PLC 功能齐全 一般 PLC 具有开关量及模拟量输人 /输出、定时、计数、逻辑和算术运算， 12 顺序控制， PID 调节，通信等功能。 除了应用于开关量控制系统外，也可用于连续的流程控制系统，从而使污水处理设备的控制水平大大提高。 （ 4） 易掌握，便于维护 使用人员只需掌握工程上通用的梯形图语言就可进行用户程序的编程和调试。 因此，即使不懂计算机的人，也能掌握 PLC。 又由于 PLC 具有自诊断功能，因而较容易进行维护，查找出故障原因 [12]。 由于 PLC 自身的高可 靠性，也使其故障率几乎降至于零。 正是 PLC 具有这么多的优点，才使越来越多的 PLC 应用到污水处理厂中 [13]。 本文采用日本松下电工公司的 FP 系列 PLC，其型号位 C16。 PLC 通过各种模块接口采样电信号；控制信号由 PLC 输出后以 4— 20mA 电流形式 送到执行机构，控制执行机构的动作。 SBR 控制系统流程图 图 3 控制流程 图 PLC 的 I/O 口分配 输入设备 输出 设备 启动开关 SB0 X0 格栅除污机 KM0 Y0 明渠高 位液位计 B1 X1 明渠高液位报警灯 HL1 Y1 SBR 池高 位 液位计 B2 X2 提升泵 KM2 Y2 开启 SBR 反应池进水阀门 关闭 SBR 反应池进水阀门 SBR 反应池达到高水位 打开鼓风机 关闭鼓风机 曝气量达到要求 沉淀 开启滗水器 关闭滗水器 SBR 反应池 降至低 水位 沉淀达到要求 13 SBR 池低位 液位计 B3 X3 SBR 池进水阀门 KM3 Y3 停止开关 SB1 X4 SBR 池出水阀门 KM4 Y4 X5 鼓风机 KM5 Y5 X6 滗水器 KM6 Y6 X7 Y7 软件设计 系统总程序设计如图 4 图 4 总程序图 14 系统外部接线图 本系统外部接线图如图 5 图 5 外部接线图 5 上位机与下位机的设计 上位机设计 污水处理 监控系统用于对 污水 站的运行状态进行集中监控，用于监控的工业控制计算机通过工业以太网与现场的 PLC 主站相连，上位机操作系统采用Windows XP，监控画面图形使用 3DMAX 制作。 上位机的主要功能是对污水站数据采集和自动控制系统的控制参数进行设置，监控设备 的运行及控制状态，绘制重要参数的变化曲线。 当上位监控机 PC 启动后 ,首先进入了管理员登陆界面 ,输入正确的登陆码 ,进入 污 水处理工艺监控界面 ,其中包含过程工艺监控画面 ,控制操作画面 ,实时曲线画面参数设定画面 ,报警画面等。 这些画面之间可以随意的切换。 在退出系统之前 ,系统会询问你是否确定退出 ,以防止误操作。 上位机软件设计。 上位机为通用的工控计算机。 为了更好地反映各设备的运行情况 ,又分别制作了 调节池 系统、 SBR 反应池 系统等分画面。 画面中各参数值都是根据下位机 PLC 的改变而改变的。 工作人员通过这些画面可以随时对系统的 15 运行参数、设备状态、各种越限报警信号 ,进行实时监测、处理、记录和显示。 监控软件启动时首先进入主画面 ,可直观地 显示污水处理工艺流程图 ,各个设备的运行状态、仪表读数都可以在主画面中显示。 点击主画面中的对应的按钮 ,可直接切换到各个分画面系统相应的监控画面 ,分画面可以查阅各个仪表、传感器 和阀门的参数 ,还可以进行上下限报警、打印报表、显示趋势曲线等设置。 如“ SBR 反应池 系统” ,在 反应 池和管道的敏感区安装 pH 计 ,其输出的 4mA～ 20mA标准信号进入 A/D 转换器 ,经过 A/D 转换后变为相应的数字信号 ,然后进行 运算 ,再输出一组 4mA～ 20mA 标准信号 ,信号反馈到上位机 [14]。 流程图上可监控 各 个现场数据 ,每个监控点均放在流程图的 相应位置 ,可实时显示过程数据。 下位机设计 下位机系统软件设计。 下位机采用松下 FP0 型 PLC,可以和现场的传感器、变送器、自动化仪表相连 ,进行数据通信、数据处理和数据管理。 根据工艺要求 ,PLC 得电自检无误后 ,外部传送信号通过传感器、自动化仪表输入到 PLC,当电路发生短路、断路或过载时电动机将停止 ,同时发出报警。 通过 PLC 进行数据处理 ,PLC可根据液位信号决定设备 的启停和阀门 开关 ,以出水 水质 为依据采用前馈— 反馈控制方法 ,使系统在各种工况下都能够实时地、稳定地控制 水质。 液位、PH 值 等模拟量也采用闭环控制 ,形成多个控制回路。 污水处理过程逻辑性很强 ,阀门和液位 之间动作有很多连锁关系 ,将所有有连锁关系的阀门和液位 的动作关系确定清楚 ,然后 用相应的控制点形成电气连锁 ,即可实现工艺要求。 整个软件设计为便于调试采用模块化编程 ,其主要包括信号获取处理、信号控制、故障模块的设计 ,与上位机通信的设计。 控制每个设备的功能模块都编制好后 ,将功能模块都放在组织块中 ,PLC 执行程序时 ,按顺序执行组织块中的所有功能模块 ,就可以实现对所有设备的自动或手动控制 [8]。 上位机与下位机之间的通信 PLC 的通信功能 PLC 与计算机的通信一般是通过计算机的串口实现的。 根据一台计算机与PLC 通信数量的不同，可分为一台计算机与一台 PLC 通信的 1： 1 方式，一台计算机与多台 PLC 通信的 1： N 方式。 本文采用 1： N 的方式 [9]。 此时，计算机使用 RS422/RS232C 适配器通过 RS422 口与 PLC 连接，如图6 所示。 16 图 6 计算机与 PLC连接图 PLC 的通信协议 FP系列 PLC通信系统的基本协议是松下电工的专用通信协议 MEWTOCOL,分为两个部分：一是关于 PLC 与计算机的通信协议的 MEWTOCOLCOM，另一 个是关于数据传送协议的 MEWTOCOLDATA[15]。 （ 1） MEWTOCOLCOM 通信协议 ①发送命令帧格式 通信开始先由计算机发出呼叫，呼叫信息包括一些特殊标志码、 PLC 站号和呼叫字符等，具体格式如图 7。 图 7 ②响应帧格式 PLC 接到计算机的呼叫后，首先判断是不是一个完整的信息，然后检查呼叫站号是不是自己的站号，若是呼叫自己，则发送响应信息，否则不予理睬。 17 如果正常， PLC 发送下面信息，如图 8。 图 8 在数据传送期间如有错误，将由 PLC 发送下面信息，如图 9。 图 9 （ 2） MEWTOCOLDATA 协议 这是应用在 PLC 与 PLC 之间或计算机之间进行数据传送的通信协议。 ①发送命令帧格式，如图 10。 图 10 ②响应帧格式 正确响应，如图 11。 18 图 11 错误响应，如图 12。 图 12 6 通讯网络 该自动化系统是由中央监控管理级 (工业计算机 )、区域现场级 (可编程逻辑控制器 )、检测执行级 (现场监测仪表 )组成的三级计算机分散控制系统。 中央控制室 一般来说 ,中央控制室设备主要有工控计算机、工业电视监控系统、不间断供电电源、打印机、网络控制设备、大型屏幕显示设备等组成。 中 央控制室的功能主要是接收现场控制分站传送的各阶段工艺参数及设备状态 ,为生产管理提供依据。 工艺管理人员按工艺要求 ,通过工控计算机向现场控制分站发出控制指令。 另外工控计算机具备数据记录、报表打印、趋势查询、报警查询和确认等功能。 工控机监控软件的操作、数据更改也在此进行。 它还可与上级企业管理网络进行通讯 ,为上级管理单位提供生产信息等工作 [16]。 中央控制室以工控计算机为核心 ,采用 100M 交换式的计算机局域网络 ,通过光纤冗余环和工业以太网交换机与各控制分站相连接进行数据传输。 工业电视监控系统是在中控室操作监视台上 设视频控制器和监视器 ,可控 19 制、切换视频图像和显示模式 ,通过调整安放在不同运行区域控制摄像机的方位角度 ,巡视或定点监视生产区域的设备运行状况和工艺调整的执行情况。 控制分站 控制分站由一套可编程控制器 PLC、一台现场操作显示系统一台不间断供电电源 UPS、分布式或远程 I/O 单元组成。 控制分站一般根据生产工艺设备的布置区域进行设置。 中小型污水处理厂一般设置 24 个控制分站。 每个控制分站负责相应区域所有自动化设备的控制 ,控制分站的主要功能是接收现场采集的生产数据 ,并将生产数据通过网络上传至中央控制室 ,接受中 央控制室发出的控制指令 ,完成对现场设备的控制操作。 现场监测仪表 现场监测仪表是在工艺运行过程中在线测量、监视、显示工艺运行环节关键数据参数的自动化智能仪表 ,是最基层的数据采集来源 [17]。 现场监测仪表主要分为两大类 : (1)反映物理参数的检测仪表 ,主要包括压力测量仪表、流量测量仪表、温度测量仪表、液位测量仪表。 (2)反映水质状况的在线分析仪表 ,主要有溶解氧分析仪、酸度计、污泥浓度计、检测仪等设备。 仪表的维护应严格按照生产厂家提供的维修与维护说明书、手册进行。 每日巡视、定期清洗、注意校验标定 ,做好 维修计划 ,保证仪表的正常运行。 中控室操作站监控污水处理和污泥处理的全过程 ,是整个计算机系统的枢纽。 中控室操作站和模拟屏之间通过 RS232 进行串行通信。 图 13 控制系统结构图 20 污水处理厂多采用工业以太网连接中央控制室与控制分站的数据传输 ,传输速率一般为 100Mbps,这种系统的整体稳定性、可靠性 强 [18]。 控制系统的结构图，如图 13。 7 结束语 本文采用 PLC 对污水处理厂进行自动化控制 ，经过调试和运行，本控制系统基本达到预期的控制要求，系统具有较高的可靠性，可基本 实现污水处理厂 的无人化管理，不仅减轻 了工人的劳动强度 ,而且提高了污水处理厂的运行效率和运行效益 ,实现了污水厂生产管理的科学性。 其中 ,PLC 发挥了相当重要的作用。