基于plc的污水处理监控系统毕业论文

基于plc的污水处理监控系统毕业论文内容摘要：

五”国家科技攻关课题的建立与完成，使我国在污水处理新技术、污水再生利用新技术、污泥处理新技术等方面都取得了可喜的科研成果，某些研究成果达到国际先进水平同时，借助于外贷城市污水处理工程项目的建设，国外许多新技术、新工艺、新设备被引进到我国， AB 法、氧化沟法、 A/O 工艺、 A/A/O 工艺 、 SBR 法在我国城市污水处理厂中均得到应用。 污水处理工艺技术由过去只注重去除有机物发展为具有除磷脱氮功能。 国外一些先进、高效的污水处理专用设备也进入了我国污水处理行业市场，如格栅机、潜水泵、除砂装置、刮泥机、曝气器、鼓风机、污泥泵、脱水机、沼气发电机、沼气锅炉、污泥消化搅拌系统等大型设备与装置。 我国 80 年代以前建设的城市污水处理厂大部分采用普通曝气法活性污泥处理工艺， 4 由于该工艺主要以去除 BOD5 和 SS 为主要目标，对氮磷的去除率非常低。 为了适应水环境及排放要求，一些污水处理厂正在进行改造，增加或强化脱氮和除 磷功能。 AB 法污水处理工艺于 80 年代初开始在我国应用于工程实践。 由于其具有抗冲击负荷能力强、对 PH 值变化和有毒物质具有明显缓冲作用的特点，故主要应用于污水浓度高、水质水量变化较大，特别是工业污水所占比较高的城市污水处理厂。 目前氧化沟工艺是我国采用较多的污水处理工艺技术之一。 应用较多的有奥贝尔氧化沟工艺，由我国自行设计、全套设备国产化，已有成功实例。 DE 型氧化沟和三沟式氧化沟在中高浓度的中小型城市污水处理中也有应用。 采用卡罗塞尔氧化沟工艺的城市污水处理厂大部分为外贷项目。 多种类型的 SBR 工艺在我国均有应 用，如属第二代 SBR 工艺的 ICEAS 工艺，属第三代的 CAST 工艺、 UNITANK 工艺等。 随着我国对水环境质量要求的提高，使得新建城市污水处理厂必须考虑氮磷的去除问题。 由此开发了改良 A/A/O 工艺和回流污泥反硝化生物除磷工艺，并已开始在实际工程中应用。 如泰安污水处理厂、青岛李村河污水处理厂、天津北仓污水处理厂、北京清河污水处理厂等。 目前我国新建及在建的污水处理厂所采用的工艺中，各种类型的活性污泥法仍为主流，占 90%以上，其余则为一级处理、强化一级处理、生物膜法及与其他处理工艺相结合的自然生态净化法等污水 处理工艺技术。 从国情出发，我国城市污水处理发展趋势： (1) 氮、磷营养物质的去处仍为重点也是难点。 (2) 工业废水治理开始转向全过程控制。 (3) 单独分散处理转为城市污水集中处理。 (4) 水质控制指标越来越严。 (5) 由单纯工艺技术研究转向工艺、设备、工程的综合集成与产业化及经济、政策、标准的综合性研究。 (6) 污水再生利用提上日程。 (7) 中小城镇污水污染与治理问题开始受到重视。 污水处理工艺流程 污水处理就是采用各种技术与手段，将污水中所含的污染物质分离去除、回收利用，或将其转化 为无害物质，使水得到净化。 现代污水处理技术，按原理可分为物理处理法、化学处理法和生物化学处理法三类。 生物化学处理是利用微生物处理污水中的有机污染物的一种工艺。 该工艺运行费用较低，得到了广泛的应用，目前已成为城市污水处理的主体工艺。 该法有活性污泥法和生物膜法两种，前者多用于城市污水，后者多用于处理高浓度有机污水与污水处理过程中生产的污泥。 城市污水处理按处理程度不同可分为预处理、一级处理、二级处理、深度处理和污泥处理及处置。 预处理：主要包括格栅和沉砂池。 其主要作用是截留大块物质、砂石，以保证后续设备的正常 运行。 一级处理：主要是初次沉淀池。 目的是将污水中悬浮状态的固体污染物质尽可育出或沉降去除，经过一级处理后的污水，可去除 50%左右的悬浮物，污水五日需氧量一般只能去除 30%左右，达不到排放标准。 二级处理工艺：主要有曝气池和二沉池构成。 它是城市污水处理厂的核心，一般采用 5 生物处理方法中的活性污泥法，主要去除水中呈胶体和溶解状态的有机污染物。 经二级处理后，有机污染物质的去除率可达 90%以上，污水中污水五日需氧量值可降至20mg/L~30mg/L，有机污染物达到排放标准。 深度处理：通用的工艺有混凝沉淀和过滤。 主 要目的是为了满足高标准的受纳水体要求或用于工业等特殊用途，它是城市污水处理未来发展的方向。 污泥处理和处置：主要包括浓缩、消化、脱水、堆肥或卫生填埋。 SBR污水处理工艺概述 序批式活性污泥法，简称 SBR。 早在 1914 年，这种处理系统就被采用，但由于当时的自动化水平较低，操作困难且工作量大，特别是后来随着城市和工业废水处理规模的日趋扩大，这个缺点更加突出，间歇式活性污泥法逐渐被连续式活性污泥法取代。 近年来，随着计算机和自动控制技术的飞速发展，这一弊端得到很好的解决。 同连续式活性污泥法相比， SBR 具有 许多独特的优点，使得间歇式活性污泥法日益受到国内外的重视。 SBR 反应池去除有机物的机理在充氧时与普通活性污泥法相同，不同之处是运行按流入、反应、沉淀、排放、待机五个工序，依次在同一 SBR 反应池中周期性运行。 从废水流入开始到待机时间结束为一个周期，一切过程都在一个设有曝气或搅拌装置的 SBR 反应池内进行，不必另设沉淀池和污泥回流泵等装置。 间歇式活性污泥曝气法在流态上虽然属完全混合式，但在有机物降解方面，则是时间上的推流。 SBR 工艺是一种简易、快速且低耗的废水生物处理工艺。 它主要有以下几个方面的特点： 工艺简单 、造价低；时间上具有理想的推流式反应器的特性；运行方式灵活，可脱氮除磷；具有较强的耐冲击负荷的能力；良好的污泥沉降性能，不易产生污泥膨胀现象。 第 3 章 设计方案的确定 PLC控制系统的设计分析 PLC 的结构 PLC 实质是一种专用于工业控制的计算机，其硬件结构基本上与微型计算机相同。 根据结构形式的不同， PLC 的基本结构分为整体式和模块式结构两类。 (1) 整体式结构的 PLC 整体式 (又称箱体式 )结构的 PLC 由中央处理器 (CPU)、存储器、输入 /输出 (I/O)单元、电源电路和通信端口等组成，并将这些组装在同一机体内。 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，但灵活性能较低。 基本结构框图如图所示： 6 中 央 处 理 器（ C P U ）编 程 器电 源系 统 总 线输 入 / 输 出 单 元存 储 器 整体式结构图 (2) 模块式结构的 PLC 模块式 (又称组合式 )结构的 PLC 是将中央处理器 (CPU)、存储器、输入 /输出 (I/O)单元、电源和通信端口等分别做成相应的模块、应用时将这些模块根据 控制要求插在机架上，各模块间通过机架上的总线互相联系。 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。 基本结构如图所示： 编 辑 器其 他 P L C或 上 位 机现 场 设 备电 源模 块C P U模 块输 入模 块特 殊 功能 模 块通 信模 块输 出模 块基 架 结构式模块图 7 PLC 的工作原理 PLC 与继电器构成的控制装置的重要区别之一就是工作方式不同，继电器控制是并行运行方式，即如果输出线圈通电或断电，该线圈的触点立即动作，只要形成电流通路，就有可能有几个电器同时动作。 而 PLC 则不同，它采用循环扫描技术，只有该线圈通电或断电，并且必须当程序扫描到该线圈时，该线圈触点才会动作，而且每次只能执行一条指令，这也就是 PLC 以“串行”方式工作的，这种工作方式可以避免继电器控制的触点竞争和时序失配等问题。 也可以说，继电器控制装置是根据输入和逻辑控制结构就可以直接得到输出，而 PLC 控制则需要出入传送、执行程序指令、输出 3 个阶段才能完成控制过程 [6]。 (1) 循环扫描技术 PLC 采用循环可以分为 3 个阶段：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 )。 (a) 输入阶段 在这个阶段中， 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的状态和数据，并把它们存入相应的输入存储单元。 (b) 执行程序阶段 在这个阶段中， PLC 按照由上到下的次序逐步执行程序指令。 从相应的输入存储单元读入输入信号的状态 和数据，然后根据程序内部继电器、定时器、计数器数据寄存器的状态和数据进行逻辑运算，得到运算结果，并将这些结果存入相应的输出存储器单元。 这一阶段执行完后，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。 (c) 输出阶段 在这个阶段中， PLC 将相应的输出存储单元的运算结果传送到输出模块上，并通过输出模块向外部设备传送输出信号，开始控制外部设备。 (2) PLC 的输入 /输出响应时间 I/O 响应时间是指某一输入信号从变化开始到系统相关输出端信号的改变所需要的时间。 因为 PLC 的循环扫描工作方式，所以收 到输入信号的时刻不同，响应时间的长短也就不同。 下面就给出最短和最长响应时间。 最短响应时间：一个扫描周期刚结束就收到输入信号，即收到这个输入信号与开始下一个扫描周期同时，这样的响应时间最短。 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。 PLC 控制系统设计原则的设计步骤 (1) 设计原则 PLC控制系统是为工艺流程服务的， 所以它首先要能很好地实现工艺提出的控制要求。 PLC 控制系统的设计应遵循以下原则。 (a) 根据工艺流程进行设计，力求设计出来的控制系统能最大限度地满足控制要求。 (b) 在满足控制要求的前提下，尽量减少 PLC 系统硬件费用。 (c) 考虑到以后控制要求的变化，所以控制系统设计时应考虑 PLC 的可扩展性。 (d) 控制系统使用和维护方便、安全可靠。 8 (2) 设计步骤 一般 PLC 控制系统的设计步骤如图，具体操作如下： 开 始 设 计控 制 要 求 分 析确 定 输 入 输 出 设 备I / O 点 数 分 配选 择 合 适 的 P L CP L C 程 序 设 计模 拟 调 试现 场 联 机 调 试整 理 技 术 文 件设 计 结 束 设计步骤示意图 (3) 控制要求分 析 在设计 PLC 控制系统之前，必须对工艺过程进行细致的分析，详细了解控制对象和控制要求，这样才能真正明白自己所要完成的任务，并更好地完成任务，设计出令人满意的控制系统。 (4) 确定输入 /输出设备 根据控制要求选择合适的输入设备 (控制按钮、开关、传感器等 )和输出设备 (接触器、继电器 )。 并根据所选用的输入 /输出设备的类型和数量，确定 PLC 的 I/O 点数。 (a) 选择合适 PLC 确定 PLC 的 I/O 点数后，就根据 I/O 点数、控制要求等来进行 PLC 的选择。 选择包括机型、存储器容量、输入 /输出模块、电源模块和智能模块 等。 (b) I/O 点数分配 点数分配就是规定 PLC 的 I/O 端子和输入 /输出设备的对应关系，画出 I/O 接线原理图。 (c) PLC 程序设计 本阶段就是根据控制对象和控制要求对 PLC 进行编程。 首先把工艺流程分为若干阶 9 段，确定每一个阶段的输入信号和输出要控制的设备，还有不同阶段之间的联系，然后画出程序流程图，最后再进行程序编制。 (d) 模拟调试 程序编制好后，可以用按钮和开关模拟数字量，电压源和电流源代替模拟量，进行模拟调试，使控制程序基本满足控制要求。 (e) 现场联机调试 现场联机调试就是将 PLC 与现场设 备进行调试，在这一步中可以发现程序存在的实际问题，然后经过修正后使其满足控制要求。 (f) 整理技术文件 这一步主要包括整理与技术有关的文档，包括设计说明书、 I/O 接线原理图、程序清单和使用说明书等。 污水处理 PLC控制系统的设计分析 污水处理的过程 本课题中 的污水处理采用 SBR 污水生物处理工艺，即序批式间歇活性污泥法。 这种工艺是按“进水、曝气、沉淀、排水”步骤周期性进行生化反应。 从进水开始到排水结束算作一个周期。 工艺流程图如图所示： SBR 工艺流程图 基本工艺流程如下： (1) 进水 进水阀门打开，污水通过粗格栅，经过水泵，然后细格栅过滤到达 SBR 池。 (2) 反应 反应工序是 SBR 工艺最主要的一道工序。 当污水注入达到预定容积后，停止进水，空气阀门打开。 鼓风机启动，开始曝气，同时潜水搅拌器和回流污泥泵运行，可开始反应操作，如驱除 BOD、硝化、磷的吸收以及反硝化等。 根据反应需要达到的程度，进行曝气和搅拌，并决定反应的时间长短，必要时可投加药剂。 在进入沉淀工序前，应进行 短时间的微量曝气，以吹脱污泥上黏附的气泡或氮，以保证排泥顺利进行。 (3) 沉淀 当 SBR 池停止曝气以后，空气阀门关闭，潜水搅拌器和回流污泥泵停止运行，开始重力沉淀和泥水分离。 (4) 排水 SBR 池水位到达最高水位，并经过沉淀工艺以后，上清液 (上面的清液）由滗水器缓慢污水池 水泵 污水 处理后的污水 肥料 泥池 风机 SBR 池 10 排出池外。 当池水位达到处理周期开始时的最低水位时，停止滗水。 污泥泵开始运行，排泥至储泥池。 上位监控管理机 PLC 通过通信电缆将采集参数传送给上位监控管理机，通过上位监控管理机可实时监测有关参数变化，并保留一段时间的数据，形成变化 曲线。 同时可以实时监测所控设备工作状态，具有设备故障报警、参数打印等功能。 第 4 章 硬件部分的设计 PLC的选择 由于设计的污水处理控制系统是应用在小型规模的污水处理厂，本系统选用西门子PLC S7200 系列，主机型号为 CPU 226， 具有 24 个 数字 输入点和 16 个 数字 输出点。 CPU226在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。 正好可以 满足控制系统的 I/O 需求。 S7200 系列 PLC 在下列领域已经得到了广泛的应用：机床电气、食品工业、化学工业、陶瓷工业、电力自动化设备、实验室设备、电梯、中央空调、真空装置、恒压。