基于plc污水处理控制系统本科毕业论文(编辑修改稿)

基于plc污水处理控制系统本科毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

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。 西南科技大学应用型自学考试毕业设计 （论文） 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。 西南科技大学应用型自学考试毕业设计 （论文） 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。 (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。 西南科技大学应用型自学考试毕业设计 （论文） 13 (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 KM KM6分别控制 M M M3 的工频运行；接触器 KM KM9 分别控制 M M3 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 西南科技大学应用型自学考试毕业设计 （论文） 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 西南科技大学应用型自学考试毕业设计 （论文） 15 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 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 西南科技大学应用型自学考试毕业设计 （论文） 16 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。 图 38 工业污水处理系统 PLC 硬件接线图 西南科技大学应用型自学考试毕业设计 （论文） 17 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： 高标准：符合 IEC6094741 和 标准。 长寿命：机械寿命高达 20xx 万次；电寿命高达 200 万次。 强适应性： “TH” 防护处理，可以在湿热的环境中使用。 宽电压：线圈控制电压在 70%120%Uc 之间波动，不影响产品正常工作。 强通用性：具有 50Hz60Hz 通用线圈，可以全世界通用。 模块化：产品本体上可以附加辅助触头，通电 /断电延时触头，机械闭锁等模 块。 也可以很方便地组合成可逆接触器、星 三角起动器。 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 西南科技大学应用型自学考试毕业设计 （论文） 18 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。 变频调速的基本原理 （ 1）异步电动机的等效变换 X 1 R 2R 1 X 2R mI OX mR 1U 1R LU 2 图 39 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    （ ） 西南科技大学应用型自学考试毕业设计 （论文） 19 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。