基于PLC污水處理系統(tǒng)設計

江蘇海事職業(yè)技術學院2012屆?？粕厴I(yè)設計?？飘厴I(yè)設計（論文）設計題目： 基于PLC污水處理系統(tǒng)設計 系 部： 電氣工程系 專 業(yè)： 電氣自動化技術（工企電氣） 班 級： 工企電氣 姓 名： 顧秋泳 學 號： 0 指導教師： 熊淵琳 職 稱： 助教 2012年6月 南京第17頁 江蘇海事職業(yè)技術學院2012屆?？粕厴I(yè)設計摘 要 隨著現(xiàn)代生產(chǎn)工藝的飛速發(fā)展，現(xiàn)場對傳動設備的快速性、連續(xù)性、系統(tǒng)性的要求越來越高。本系統(tǒng)主要介紹了污水處理工藝流程，PLC在城市污水處理中的具體應用以及計算機監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集的方法。系統(tǒng)運用SIEMENS S7-400 PLC作為控制核心，各級監(jiān)控系統(tǒng)通過工業(yè)以太網(wǎng)相互連接，通過此設計提高了污水處理廠的運行管理水平。本系統(tǒng)結(jié)合某污水處理廠自動化控制系統(tǒng)的實際運行情況，設計并改造了污水處理廠的設備組成、自動化控制方式和各工作站的功能、網(wǎng)絡構(gòu)成等。通過生產(chǎn)實踐證明，該系統(tǒng)不僅具有較強的并行協(xié)調(diào)處理能力，而且具有高可靠性、靈活性和可擴展性，以及高速處理能力等優(yōu)點。充分證明自動化控制系統(tǒng)對提高生產(chǎn)效率、無人值守或少人值守、提高安全性具有良好效果。關鍵詞 污水處理 自動化控制系統(tǒng) PLC 軟件設計 江蘇海事職業(yè)技術學院2012屆專科生畢業(yè)設計AbstractWith the rapid development of modern production technology, field of transmission equipment of the rapid, continuous, systematic request more and more high. This system mainly introduces the sewage treatment process, PLC in city sewage treatment in specific applications and computer monitoring system data collecting method. System using SIEMENS S7-400PLC as the control core, various monitoring system through industrial Ethernet connection, through this design to improve the level of operation and management of wastewater treatment plant. This system unifies some sewage treatment plant automation control systems actual operation, design and transformation of the sewage treatment plant equipment, automation control and each workstation function, network structure. Through the production practice has proved that, this system not only has the strong parallel processing ability, and has high reliability, flexibility and scalability, and high speed processing capability. The full proof of the automation control system to raise the production efficiency, unattended or fewer people on duty, improve safety with good results.Keywords: Sewage treatment Automation control system PLC Software design 江蘇海事職業(yè)技術學院2012屆?？粕厴I(yè)設計目 錄1 引言11.1 國外污水處理系統(tǒng)的發(fā)展狀況11.2 國內(nèi)污水處理系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀12 污水處理系統(tǒng)分析22.1 污水處理主要內(nèi)容22.2 污水處理工藝流程23 設計方案的確定33.1 PLC控制系統(tǒng)的設計分析33.2 污水處理PLC控制系統(tǒng)的設計與分析44 PLC的程序設計64.1 PLC的選擇64.2 硬件部分的設計74.3 軟件部分的設計84.4 組態(tài)軟件對現(xiàn)場監(jiān)控的實現(xiàn)13結(jié)論15致謝16參考文獻17 江蘇海事職業(yè)技術學院2012屆專科生畢業(yè)設計 1 引言 隨著我國經(jīng)濟的不斷發(fā)展，人們對于生態(tài)環(huán)境的要求也在日益提高，要求越來越的污水處理達標后排放，目前國內(nèi)外正在修建及待建的污水廠也日益增多。 中國人均水資源占有量少，空間分布不均。隨著中國城市化、工業(yè)化的加速，水資源的需求缺口也日益增大，由此背景下，污水處理行業(yè)已成為一種新興產(chǎn)業(yè)。 雖然由于國家和各級政府對環(huán)境保護重視程度不斷提高，中國污水處理行業(yè)正在快速增長，污水處理總量逐年增加，城鎮(zhèn)污水處理率不斷提高，但是中國目前的污水處理行業(yè)仍處于發(fā)展的初級階段。1.1 國外污水處理系統(tǒng)的發(fā)展狀況 國外一些發(fā)達國家，隨著經(jīng)濟的發(fā)展，并較早實現(xiàn)工業(yè)現(xiàn)代化。這些國家經(jīng)濟發(fā)展較早、較快，環(huán)境問題，特別是水資源污染嚴重，也較早反映，但也受到各國政府的重視，投入了大量的人力，物力，進行水處理的研究。這些國家在研究新的水處理理論和技術的同時，也注重研究污水處理自動控制系統(tǒng)。他們就投資高效，智能型密集，污水處理設備及自動化控制儀表。一些發(fā)達國家經(jīng)過十年的努力，污水處理率達到80% 90%，成功地解決了從城市和工業(yè)點源污染。作為一個結(jié)果，控制技術，網(wǎng)絡通信技術和現(xiàn)場總線技術的飛速發(fā)展，污水處理廠很快意識到網(wǎng)絡控制在污水處理廠。同時國外早期監(jiān)控技術引入給排水工程，取得了良好的經(jīng)濟效益和社會效益。國外重視水處理系統(tǒng)的發(fā)展，形成了一批有智能，穩(wěn)定，控制單元，如抗體的基因序列，西門子系列，s7schneider多倫多量子系列，同時國外也十分重視在線儀表的開發(fā)，電子+ H股公司如德國，美國美國州哈希公司開發(fā)了溶解氧，化學氧需求分析儀。1.2 國內(nèi)污水處理系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀我國第一座大型污水處理廠，天津市紀莊子污水處理廠于1982年破土動工，1984年4月28日竣工投產(chǎn)運行，處理規(guī)模為26萬立方米/天。紀莊子污水處理廠投產(chǎn)運行后多年來達到設計出水水質(zhì)標準，使黑臭的污水變?yōu)榍辶?，它的誕生填補了我國大型污水處理廠建設的空白。在此成功經(jīng)驗的帶動下，北爾、上海、廣東、廣西、陜西、山西、河北、江蘇、浙江、湖北、湖南等省市根據(jù)各自的具體情況分別建設了不同規(guī)模的污水處理廠。 與國外發(fā)達國家相比，中國的污水處理自動控制起步較晚，七十年代開始使用熱工儀表，集中檢驗；八十年代應用分析儀器和DCS系統(tǒng)；到九十年代，隨著大量使用國際貸款的大型污水處理廠建設和運營污水處理在中國，自動化水平控制系統(tǒng)大大的增加。從國外引進的污水處理廠的自動控制系統(tǒng)已廣泛應用于分布式微機監(jiān)控系統(tǒng)，采用自動化程度更高的儀器，各種新技術，新設備的大量出現(xiàn)和應用?？梢哉f，中國的污水處理自動化的現(xiàn)狀是：手動和自動皆備，自制和引用并行。2 污水處理系統(tǒng)分析2.1 污水處理主要內(nèi)容城市污水、生活污水、生產(chǎn)污水或工業(yè)企業(yè)局部處理后的生產(chǎn)污水，往往都排入城市排水系統(tǒng)，故把生活污水和生產(chǎn)污水的混合污水叫做城市污水。這些污水除含有碳水化合物、蛋白質(zhì)、氨基酸、動植物脂肪、尿素、氨、肥皂和合成洗滌劑等物質(zhì)外，還含有細菌、病毒等使人致病的微生物。經(jīng)處理后的污水，最后流向有三種：排放水體；灌溉田地；重復使用。水處理的目的不外乎三種： 1.去除水中影響使用水質(zhì)的雜質(zhì)以及污泥的處置，這是最主要的內(nèi)容。 2.為了滿足用水的要求，在水中加入新的成分以改變水的化學性質(zhì)，如食用水中加氟以防止齲齒病，循環(huán)冷卻水中加緩蝕劑以控制腐蝕和結(jié)垢等。 3.改變水的物理性質(zhì)的處理。2.2 污水處理工藝流程污水處理的總體工藝活性污泥是微生物群體及其吸附的有機和無機化合物的統(tǒng)稱，具有有機質(zhì)的降解能力，表明生物活性。這種方法的污水處理過程可以分為：格柵治療，水泵揚程，砂處理，沉淀池，曝氣池處理，二次沉淀池處理，漿料制備，天然氣利用?，F(xiàn)代污水處理技術，按處理程度劃分，可分為一級，二級和三級。一級處理，主要去除污水中的懸浮固體是一個污染物質(zhì)的物理治療，大部分可以完成一級處理的要求。二級處理，主要去除膠體和溶解的有機污染物，去除率可達90%以上，使有機污染物達到排放標準。三級處理，進一步處理了難降解有機物，氮磷是會導致水體富營養(yǎng)化的可溶性無機化合物。主要的處理方法：生物脫氮除磷方法，混凝沉淀法，砂率，活性炭吸附，離子交換法二沉池污泥回流部分初級沉淀池或生物處理設備，一部分進入了污泥濃縮池，后進入污泥消化池，經(jīng)過脫水和烘干設備，污泥是最后被利用的。3 設計方案的確定3.1 PLC控制系統(tǒng)的設計分析3.1.1 PLC的基本結(jié)構(gòu)PLC實質(zhì)是一種專用于工業(yè)控制的計算機，其硬件結(jié)構(gòu)基本上與微型計算機相同。根據(jù)結(jié)構(gòu)形式的不同，PLC的基本結(jié)構(gòu)分為整體式和模塊式結(jié)構(gòu)兩類。1.整體式：整體式(又稱箱體式)結(jié)構(gòu)的PLC由中央處理器(CPU)、存儲器、輸入/輸出(I/O)單元、電源電路和通信端口等組成，并將這些組裝在同一機體內(nèi)。這種結(jié)構(gòu)的特點是結(jié)構(gòu)簡單、體積小、價格低、輸入/輸出點數(shù)固定、實現(xiàn)的功能和控制規(guī)模固定，但靈活性能較低。 2.模塊式：是把PLC各基本組成做成獨立模塊。中型、大型PLC采用這種方式，便于維修。這種模式的主要特點是系統(tǒng)構(gòu)成的靈活性高?？梢詷?gòu)成不同控制規(guī)模和功能的PLC，但同時價格也比較高。3.1.2 PLC的工作原理 PLC采用了“順序掃描，不斷循環(huán)”的工作方式。 1.每次掃描過程。集中對輸入信號進行采樣，集中對輸出信號進行刷新。 2.輸入刷新過程。當輸入端口關閉時，程序在進行執(zhí)行階段時，輸入端有新狀態(tài)，新狀態(tài)不能被讀入，只有程序進行下一次掃描時，新狀態(tài)才被讀入。 3.一個掃描周期分為輸入采樣、程序執(zhí)行、輸出刷新。 4.元件映象寄存器的內(nèi)容是隨著程序的執(zhí)行變化而變化的。 5.掃描周期的長短由三條決定。（1）CPU執(zhí)行指令的速度（2）指令本身占有的時間（3）指令條數(shù)。 6.由于采用集中采樣，集中輸出的方式存在輸入/輸出滯后的現(xiàn)象，即輸入/輸出響應延遲。3.1.3 PLC控制系統(tǒng)設計原則和設計步驟1、 設計原則 PLC控制系統(tǒng)的設計原則主要是為了實現(xiàn)被控對象的工藝要求，以提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。 （1）PLC除了最大限度地滿足控制要求外，同時要注意和現(xiàn)場工程管理和技術人員及操作人員緊密配合，共同解決重點問題和疑難問題。 （2）保證系統(tǒng)的安全可靠。 （3）力求簡單、經(jīng)濟、使用與維修方便。 （4）適應發(fā)展的需要。2、 設計步驟（1）深入了解和分析被控對象的工藝條件和控制要求 這是整個系統(tǒng)設計的基礎，以后的選型、編程、調(diào)試都是以此為目標的。（2）確定 I/O 設備 根據(jù)被控對象的功能要求，確定系統(tǒng)所需的輸入、輸出設備。 （3）選擇合適的 PLC 類型 根據(jù)已確定的用戶 I/O 設備，統(tǒng)計所需的輸入信號和輸出信號的點數(shù)，選擇合適的 PLC 類型，包括機型的選擇、 I/O 模塊的選擇、特殊模塊、電源模塊的選擇等。（4）分配 I/O 點 分配 PLC 的輸入輸出點，編制出輸入 / 輸出分配表或者畫出輸入 / 輸出端子的接線圖。（5）編寫梯形圖程序 （6）進行軟件測試 （7）應用系統(tǒng)整體調(diào)試（8）編制技術文件 系統(tǒng)技術文件包括說明書、電氣原理圖、電器布置圖、電氣元件明細表、PLC梯形圖等。3.2 污水處理PLC控制系統(tǒng)的設計與分析3.2.1 污水處理的過程本課題講述了SBR污水生物處理工藝，即序批式間歇活性污泥法。這種工藝是按“進水、曝氣、沉淀、排水”步驟周期性進行生化反應。從進水開始到排水結(jié)束算作一個周期。工藝流程圖如圖1所示。污水池水泵污水處理后的污水肥料泥池風機SBR池圖1 SBR流程圖基本工藝流程如下：1. 進水進水閥門打開，污水通過粗格柵，經(jīng)過水泵，然后細格柵過濾到達SBR池。2. 反應反應過程是SBR的主要工藝技術。當水位達到預定的注射量的水，停下來，打開空氣閥。在鼓風機開始的同時，開始曝氣，同時潛水攪拌器和回流污泥泵運行，可以開始反應操作，如驅(qū)動生化需氧量，硝化，反硝化和磷的吸收。根據(jù)反應需要達到的程度，曝氣混合，并確定了反應時間，如果需要，添加藥劑。在進入沉淀過程，應進行短時間的曝氣，清除污泥上粘附的氣泡或氮，為了確保順利進行排泥。3. 沉淀當SBR池停止曝氣以后，空氣閥門關閉，潛水攪拌器和回流污泥泵停止運行，開始重力沉淀和泥水分離。4. 排水SBR池水位到達最高水位，并經(jīng)過沉淀工藝以后，上清夜由潷水器緩慢排出池外。當池水位達到處理周期開始時的最低水位時，停止?jié)?。剩余污泥泵在潷水器停止運行后開始運行，排泥至儲泥池。5. 閑置 閑置期的作用是通過攪拌、曝氣或靜置使微生物恢復活性，并起到一定的反硝化作用而進行脫氮，為下一個運行周期創(chuàng)造良好的初始條件。通過閑置期后的活性污泥處于一種營養(yǎng)物的饑餓狀態(tài)，單位重量的活性污泥具有很大的吸附表面積，因而一當進入下個運行周期的進水期時，活性污泥便可充分發(fā)揮其較強的吸附能力而有效地發(fā)揮其初始去除作用。閑置期的設置是保證SBR工藝處理水水質(zhì)的重要內(nèi)容，閑置期所需的時間也取決于所處理的污水種類、處理負荷和所要達到的處理效果。3.2.2 設備控制流程第一步：進水+曝氣。1號SBR池開始進水設定時間為早8點，進水2h，通過1號電動蝶閥控制，進水的同時1號風機開始曝氣，污泥回流到泵1號開啟，開始回流。第二步：2h后，1號電動蝶閥停止進水，1號回流泵停止回流；1號風機繼續(xù)曝氣。第三步：持續(xù)曝氣6h后，1號風機停止曝氣。第四步：靜置期1h。1號SBR池靜置1h后，此時，水面分層，污泥沉降置底，上清液用潷水器排出。第五步：排水1h。靜置1h后，開始排水，1號池內(nèi)1號潷水器啟動，由上頂點緩慢向下移動；潷水器潛至下頂點潷水結(jié)束后，迅速自動升回至上頂點停住。至此，潷水1h結(jié)束。第六步：潷水1h結(jié)束后，第一周期結(jié)束，開始下一循環(huán)周期進水，曝氣，回流。以后各周期如上所述。2號SBR池與1號SBR池間隔2個小時，開始進水，各步驟與1號SBR池相同，只是在時間上相互順延。3號SBR池與2號SBR池相間隔2個小時，4號與3號SBR池相間隔2個小時，后續(xù)程序同1號設定。3.2.3 上位監(jiān)控管理機 PLC通過通信電纜將采集參數(shù)傳送給上位監(jiān)控管理機，通過上位監(jiān)控管理機可實時監(jiān)測有關參數(shù)變化，并保留一段時間的數(shù)據(jù)，形成變化曲線。同時可以實時監(jiān)測所控設備工作狀態(tài)，具有設備故障報警、參數(shù)打印等功能。4 PLC的程序設計4.1 PLC的選擇 污水處理自動控制系統(tǒng)中對PLC的性能提出了更高的要求，作為污水處理自動控制系統(tǒng)的核心控制器，它必須有以下特點：第一，必須是穩(wěn)定可靠的，并有一個預定的數(shù)據(jù)處理和濃度的數(shù)據(jù)傳輸能力，具有較高的故障保護能力；其次，局部控制控制器可以獨立承擔控制分區(qū)基本控制的任務，即使監(jiān)測站和監(jiān)控中心因故障停止運行，相鄰的控制器可以交換數(shù)據(jù)信息；然后，當一個控制站的控制量發(fā)生變化，能按照預定的計劃和程序采取相應的算法，對于區(qū)域控制對象如泵和加藥系統(tǒng)做出相應的調(diào)整。因此，它必須至少有一下幾個功能模塊，數(shù)據(jù)采集功能、存儲處理功能、通信功能、自動診斷功能和本地操作功能。 必須綜合考慮整個監(jiān)控系統(tǒng)的性能要求和自然條件以及運營周期對設備的要求進行選擇，尤其在極端氣候和惡劣環(huán)境狀況條件下或較大規(guī)模的污水處理廠，需要選擇性能更好的雙機熱備冗余的PLC。PLC是可編程控制器的簡稱，在本系統(tǒng)中PLC代替了原先的硬接線的控制邏輯電路，實現(xiàn)了生產(chǎn)的自動化控制。PLC較原先的繼電器控制有下列優(yōu)點: 1. 控制程序可改變 在污水廠生產(chǎn)工藝或流程改變的情況下，不必改變PLC的硬件設備，只要改變相應的程序就可滿足用戶的要求。2. 適用于工業(yè)環(huán)境，具有高可靠性PLC產(chǎn)品的平均無故障時間達5年以上，因而它是一種高可靠的產(chǎn)品，大大地提高了生產(chǎn)設備的工作效率，降低了生產(chǎn)的成本。 3. PLC功能齊全 一般PLC具有開關量及模擬量輸人/輸出、定時、計數(shù)、邏輯和算術運算，順序控制，PID調(diào)節(jié)，通信等功能。除了應用于開關量控制系統(tǒng)外，也可用于連續(xù)的流程控制系統(tǒng)，從而使污水處理設備的控制水平大大提高。 4. 易掌握，便于維護使用人員只需掌握工程上通用的梯形圖語言就可進行用戶程序的編程和調(diào)試。因此，即使不懂計算機的人，也能掌握PLC。又由于PLC具有自診斷功能，因而較容易進行維護，查找出故障原因。由于PLC自身的高可靠性，也使其故障率幾乎降至于零。正是PLC具有這么多的優(yōu)點，才使越來越多的PLC應用到污水處理廠中。由于設計的污水處理控制系統(tǒng)是應用在小型規(guī)模的污水處理廠，本系統(tǒng)選用西門子小型PLC S7-200系列，主機型號為CPU 224 XP，具有14個數(shù)字輸入點和10個數(shù)字輸出點，2個模擬輸入點和1個模擬輸出點?？梢杂糜诖胬^電器的簡單控制場合，也可以用于復雜的自動化控制系統(tǒng)。4.2 硬件部分的設計4.2.1 I/O分配表根據(jù)控制要求與設計方案，列出I/O分配表，如表1所示。表1 I/O分配表輸入信號I0.0復位I0.1自動狀態(tài)I0.2潷水器下潛限位I0.3潷水器上升限位I0.4風機故障I0.5進水泵故障I0.6潷水器故障I0.7回流泵故障I1.0手動自動切換I1.1下潛潷水器手動I1.2上升潷水器手動I1.3回流泵手動I1.4風機手動I1.5進水泵手動輸出信號Q0.0下潛潷水器Q0.1上升潷水器Q0.2起?；亓鞅肣0.3起停風機Q0.4起停進水泵4.2.2 硬件電路接線圖 根據(jù)實際PLC模塊，I/O分配表和I/O接線圖，連接PLC各模塊，并通過PC機聯(lián)機，實現(xiàn)程序控制要求。4.3 軟件部分的設計4.2.1 程序的流程圖 程序主要依據(jù)SBR法污水處理工藝具體一個SBR池，一個周期的流程圖如圖2所示圖2 一個SBR池一個周期的流程圖4.3.2 梯形圖程序根據(jù)控制要求、I/O分配表，設計PLC梯形圖，如圖3所示圖3梯形圖程序4.4 組態(tài)軟件對現(xiàn)場監(jiān)控的實現(xiàn)4.4.1 組態(tài)王6.53的特點組態(tài)王6.53是運行在Windows98/NT/2000上的一種組態(tài)軟件，主要用來接受來自PLC的數(shù)據(jù)，使用組態(tài)王，用戶可以方便地構(gòu)造適應自己需要的“監(jiān)控與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)”，并可以實現(xiàn)：1. 使用清晰準確的畫面描述工業(yè)控制現(xiàn)場。2. 使用圖形化的控制按鈕實現(xiàn)單任務和多任務。3. 設計復雜的動畫顯示現(xiàn)場的操作狀態(tài)和數(shù)據(jù)。4. 顯示生產(chǎn)過程的文字信息和圖形信息。5. 為任何現(xiàn)場畫面指定鍵盤命令。6. 監(jiān)控和記錄所有報警信息。7. 顯示實時趨勢曲線和歷史趨勢曲線。8. 使用多樣而靈活的方式查詢歷史數(shù)據(jù)。9. 時間驅(qū)動和事件驅(qū)動的報表的打印。10. 設計多級安全控制和訪問權限。組態(tài)王6.53全面支持了OPC標準，支持網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)、分布式歷史數(shù)據(jù)庫和分布式報警系統(tǒng)，還提供了完整的安全系統(tǒng)和冗余系統(tǒng)，使系統(tǒng)運行時變得更加安全、可靠、穩(wěn)定。4.4.2 S7-200系列PLC的網(wǎng)絡通信協(xié)議S7-200系列PLC支持多種通信協(xié)議，如點對點接口(PPI)、多點接口(MPI)和PROFIBUS。在污水處理控制系統(tǒng)中，控制器將利用點對點PPI(Point-to-Point)協(xié)議與安裝在上位計算機中的工業(yè)控制組態(tài)軟件進行通信。網(wǎng)絡上的S7-200 CPU224 PLC作為從站，組態(tài)軟件組態(tài)王6.53作為主站。在PLC控制程序中，將污水處理控制系統(tǒng)運行現(xiàn)場的各項參數(shù)放入用戶數(shù)據(jù)存儲區(qū)的指定區(qū)域中，通過組態(tài)王6.53中的I/O變量采集或刷新這些存放在PLC用戶數(shù)據(jù)存儲區(qū)中的數(shù)據(jù)。這樣，PLC就可以與上位計算機利用通信進行數(shù)據(jù)的交換，為實現(xiàn)上位計算機對污水處理控制系統(tǒng)現(xiàn)場數(shù)據(jù)的監(jiān)控創(chuàng)造了條件。結(jié) 論本文成功的運用了一系列設計方法，設計了人機監(jiān)控污水處理的控制系統(tǒng)，更好地實現(xiàn)了對污水處理的