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污水处理过程监控系统设计

内容摘要

本论文主要研究污水处理系统的PLC控制系统，随着城市的快速发展，环境问题显得日益重要。

污水是破坏境的一个重要因素，目前中国污水处理自控系统相对落后，污水处理成本居高不下，污水站排放的处理过的污水的水质不稳定，所以如何建立有效的自控系统，优化运行效果，具有重要的意义。

文章首先介绍了PLC控制系统的硬件结构，工作原理以及设计PLC控制系统的基本原则和步骤。

然后以SBR污水处理工艺为例，来说明PLC在污水处理过程中的应用。

先根据污水处理要求设计了设备的电气控制与自动控制线路，主要包括设备的启停、状态信号等。

最后按照工艺要求设计PLC控制系统，包括PLC的选型、系统资源配置以及按照污水处工艺编制PLC程序等。

建立高度自动化污水处理站，不仅可以加强整个系统的可靠性、准确性，还可以减少劳动强度，降低处理成本和节约能源。

污水处理站自动控制系统的建设将降低生产和维护成本，减轻生产及维护工人的劳动强度，并为生产工艺进一步改进提供方便，具有很好的经济效益和社会效益。

索引关键词:

污水处理自动控制PLC

污水处理过程监控系统设计

第一章绪论

地球虽然有70.8%的面积为水所覆盖，但淡水资源却极其有限，人类真正能够利用的是江河湖泊以及地下水中的一部分，仅占地球总水量的0.26%，而且分布不均。

全世界每天约有200吨垃圾倒进河流、胡泊和小溪，每升废水会污染8升淡水。

世界上许多国家正面临水资源危机；12亿人用水短缺，30亿人缺乏用水卫生设施。

1.1中国污水处理行业概况

中国水资源人均占有量少，空间分布不平衡。

随着中国城市化、工业化的加速，水资源的需求缺口也日益强大。

在这样的背景下，污水处理行业成为新兴产业，目前与自来水生产、供水、排水、中水回用行业处于同等重要地位。

虽然由于国家和各级政府对环境保护重视程度的不断提高，中国污水处理行业正在快速增长，污水处理总量正在逐年增加，城镇污水处理率不断提高。

但目前中国污水处理行业仍处于发展的初级阶段。

中国目前的污水处理能力尚跟不上用水规模的迅速扩张，管网、污泥处理等配套设施建设严重滞后。

另一方面，中国的污水处理率与发达国家相比，还存在着明显的差距，且处理设施的负荷率低。

因此中国应完善污水处理的政策法规，建立监管体制，创建合理的污水处理收费体系，扶植国内环保产业发展，推进污水处理行业的产业化和市场化。

污水处理行业是一个朝阳产业，发展前景十分广阔。

中国污水处理行业由此迎来高速发展期。

1.2课题目的和意义

世界上任何国家的经济发展，都会推进社会进步、促进工农业生产能力，使人民的生活得到进一步改善，尤其在工业革命以后，各国经济飞速发展，全球大量的不可再生资源被利用。

如果这些污水无净化排出必定会给周围环境造成很大的污染，而且我国是一个严重缺水的国家，约有300个城市缺水，其中严重缺水城市有50个。

水资源的匮乏和水资源的污染已经严重的影响了人民的日常生活，严重的影响了全国的经济建设和发展。

特别是我国北方城市，在这种情况下，污水更加不能随便外排，而是要净化之后合理利用。

1.3国内发展现状

我国污水处理自控系统有以下特点：

对于新建的污水处理厂，引进了计算机分散控制系统，手动和自动并存的控制方式，大部分以前建设的污水处理厂自动化程度仍然很低，国产在线仪表的稳定性还没有达到要求，所以大部分采用进口的在线仪表，但由于进口仪表价格昂贵，所以应用并不广泛，本质的检测主要是有实验人员通过试验来测量；各个控制站之间完全独立，无信息交换。

并且各个控制单元由于内部资源的限制，只是实现了简单的时间控制和逻辑控制：

上位机监控软件很少使用，几乎没有中控室，不能对全厂的设备实行实时监控，而一些报表的工作也主要是有厂里的工作人员手工完成。

1.4本文研究的主要内容

本文论述了污水处理工艺及污水处理系统的组成和PLC控制系统的设计，主要由以下内容组成：

一、介绍了污水处理的基本内容，包括污水处理的发展及污水处理的工艺流程。

二、介绍了PLC的基本结构和工作原理，并对污水处理控制系统进行设计分析。

三、具体设计污水处理的硬件系统及软件系统。

第二章污水处理工艺简介

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。

在充氧阶段，SBR反应池去除有机物的机理与普通活性污泥法相同。

不同点是，运行时、进水、反应、沉淀、排水、空载排泥5个工序在同一SBR反应池中周期性运行。

当污水进入反应池后，与池内空载期的污泥混合，污水中的有机物被菌胶团吸附，并开始生物降解。

反应结束后经过沉淀期，上部的水逐渐变清，利用滗水器将水排出，最后排出污泥。

第三章PLC控制系统设计

3.1PLC简介

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。

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。

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，该线圈的触电立即动作，只要形成电流通路，就有可能有几个电气同时动作，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，该线圈触电才动作，而且每次只能执行一条指令，这也就是说明PLC是以“串行”方式工作的，这种工作方式可以避免继电器控制的触电竞争和时序失配等问题。

也可以说，继电器控制装置根据输入和逻辑控制结构就可以直接得到输出，而PLC控制则需要输入传送、执行程序指令、输出3个阶段才能完成控制过程。

PLC循环扫描可分为三个阶段，输入阶段、执行程序阶段和输出阶段。

一、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进行通信，同时中央处理器扫描各个输入端并读取输入信息的状态和数据并把它们存入相应的输入存储单元。

二、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出信号的状态和数据，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。

三、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，并通过出处模块向外部设备传送输出信号。

3.2PLC控制系统设计原则与步骤

PLC控制系统是为工艺流程服务的，所以它首先要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：

一、最大限度的满足被控制对象的控制要求。

二、保证PLC控制系统安全可靠。

三、力求简单、经济、适用及维修方便。

四、适应发展的需求。

PLC控制系统的设计与调试应遵循一定的步骤，整体的设计步骤如图3-1所示

图3-1

3.3SBR污水处理控制系统设计要求

控制装置选用PLC作为控制核心，根据工艺要求合理选配PLC机型和I/O接口。

执行自动工作方式，应能按照工艺要求编辑程序并可实时整定参数。

驱动搅拌机为正，反转双向运行，因此要在PLC控制回路加互锁功能。

PLC的接地应按手册中的要求设计并在图中表示或说明。

为了设备安全运行，考虑必要的保护措施。

绘制电气原理图，包括主电路、控制电路、PLC硬件电路。

选择电器元件，编制元器件目录表。

绘制接线图、电控箱、布置图和配线图，控制面板 布置图和配线图。

采用梯形图或指令表编制PLC控制程序。

3.4SBR污水处理控制流程

系统由一台粗格栅除污机，由时间间隔控制，其开或者停，为了调试方便，粗格栅池有两个浮球开关分别指示着池中污水的液位上线值和下线值，如果液位达到上线值前面的水泵1关闭，如果液位达到下线值，后面的水泵2关闭。

皮带运输机在粗格栅除污机工作一定时间后开始工作，设置粗格除污机工作2S后,皮带运输机开始工作，粗细格栅除污机同用一台皮带运输机。

污水经过细格栅除污机后进入集水池，当集水池处于低水位时关闭集水池后面与其相连的所有阀门，集水池，当集水池处于低水位时关闭集水池后面与其相连的所有阀门，集水池中应用4个浮球开关，实时检测集水池中水位的变化，当水位非常高时，发报警信号。

进水阀门关闭后空气阀门开启，潜水搅拌器和回流污泥泵同时开启，SBR池的水位有限制，水位太高会溢出池外，水位太低则不能满足曝气的要求，因此设置水位保护，在进水阶段，一定时间后关闭阀门清水搅拌器和回流污泥泵也随之关闭。

空气阀门关闭5S后滗水器开始运行，将池内的上清液排出当SBR池液位下降到一定高度后停止运行。

剩余污泥泵在滗水器停止运行后开始运行，排泥至储泥池，储泥池液位达到高液位后停止运行。

当开启一个空气阀门时开启一台鼓风机，开启两个或三个空气阀门时开启两台鼓风机。

3.5PLC控制程序结构

为了能对污水处理系统进行集中监控，本次设计采用PLC和微机组成控制系统。

PLC选用日本三菱公司FX系列可编程序控制器。

PLC程序软件编程采用FXGPW1N，组态采用MCGS6.2实现，PLC作为整个系统的控制中心，在系统过程中完成水泵、各个调节阀的动作，除污机和潜水搅拌机等的启停，液位检测信号的输入输出。

如图3-2为设计污水处理系统PLC子程序结构图，由这些子程序构成了完整地PLC梯形图设计，然后将PLC与MCGS组态软件连接，进行模拟调试。

图3-2

第四章组态软件系统设计

4.1MCGS组态软件简介

MCGS（MonitorandControlGeneratedSystem，监视与控制通用系统）是北京昆仑通态自动化软件科技有限公司研发的一套基于Windows平台的，用于快速构造和生成上位机监控系统的组态软件系统，主要完成现场数据的采集与监测、前端数据的处理与控制，可运行于MicrosoftWindows95/98/Me/NT/2000/xp等操作系统。

通过对现场数据的采集处理，以动画显示、报警处理、流程控制和报表输出等多种方式向用户提供解决实际工程问题的方案，在自动化领域有着广泛的应用。

4.2对监控软件的要求

一、组态软件实现的主要功能

1.对工艺系统进行集中监控，实现自动数据采集、数据处理以及实时曲线、历史曲线和报告输出等。

2.完成相关设备的程序启动、时间启动等。

3.实现参数报警，使操作员在线了解各池中液位变化情况。

由于PH检测传感器、液位检测传感器等检测到的模拟量不能传入组态中，因此用数字量分段显示污水的PH值，用浮球开关检测污水的上下限值。

二、对组态监控软件的主要要求

1.组态现场工艺流程画面，要求生动、形象。

2.在自动方式下，在现场有关条件满足的情况下，可以通过中控室远程控制各个开关。

3.被控对象的参数要求加以范围限值，超出范围要做报警处理。

4.3数据对象的建立

数据对象定义前需要对系统进行分析，确定需要的变量。

数据对象是构成实时数据库的基本单元，建立实时数据库的过程也就是定义数据对象的过程。

定义数据对象的内容主要包括指定的数据变量的名称、类型等参数，确定与数据的变量存盘相关的参数，如存盘的周期、存盘的时间范围和保存期限等。

本系统需要的部分变量如图4-1所示

图4-1

4.4主画面的建立

主画面显示整个污水处理厂的工艺流程，显示画面显示各个开关量的状态。

如果想了解污水池的液位、电机的状态等情况，可以切换到某个分画面，点击“系统管理”将会出现下拉菜单“用户窗口管理”、“退出系统”，点击想要实现的功能。

主画面上还有“PH值显示窗口”、“液位显示”、“电机状态窗口”、“报警数据”、“数据显示”、“历史数据”等菜单，点击可进入相应画面进行操作。

一、编辑画面

首先进入画面编辑环境，利用“插入元件”工具从元件库中选择所需要的阀门、泵、电机等设备，调整大小及位置，然后保存，如图4-2所示

图4-2

二、动画连接

插入滑动输入器，双击设置，在操作属性中设置“对应数据对象的名称”为液位1，滑块在最左面时对应的值为0，在右面时对应的值为10,。

刻度与标注属性设置如图4-3所示。

运行时，将光标移植液位1滑动输入的指针处，光标变成手形,按住鼠标向右拖动指针，液位显示随之发生变化。

用这种方法可以人为模拟液位变化。

图4-3

在水位监控画面中双击粗格删除污池，弹出属性设置窗口，进入“动画连接”页如图4-4所示

图4-4

选中“折线”,右端出现的“>”，单击“>”进入属性设置窗口，在“大小变化”页按图4-5进行属性设置。

图4-5

单击“确认”按钮，完成粗格栅除污池的设置。

用同样的方法建立细格栅池与液位2之间的动画连接，注意设置参数表达式设为液位2，最大变化百分比对应表达式的值。

单击“保存”按钮。

同样的方法，可设置其他几个水池的升降动画效果。

三、实时报警

实际运行可能会发生参数越界情况，报警显示是最基本的安全手段，实时报警可提示操作人员进行及时处理避免事故发生，历史报警能对制定时间内的所有参数越限情况进行记录、显示和打印以便对系统运行情况进行分析，特别是在事故发生后，这种分析对于调查事故发生的原因很重要。

首先对组对象进行定义，在实时数据库中对需要报警的变量进行设置，主要内容是上下限的设定和相关注释内容。

然后将变量加入定义好的组对象，双击“用户窗口”中的窗口进入该画面。

选取“工具箱”中的“报警显示”构件。

如图4-6所示

图4-6

设置好后，运行时如果变量值超过设定的上下限、上上限、下下限，报警组件会发出想应的报警信息，详细描述了报警发生的对象、时间、类型等。

MCGS不仅提供了实施报警功能，同时也支持对历史报警信息的查询浏览支持。

如图4-7所示

图4-7

4.5设备与变量连接

在工作台“设备窗口”中双击“设备窗口”进入，点击工具条中的“工具箱”图标，点击“设备管理”按钮在通用设备中选择“通用串口父接设备”和“三菱_FX系列编程口”，点击“确认”，在设备管理中先双击“通用单口父设备”在双击“三菱_FX ”系列窗口”使“三菱_FX系列编程口”成为“通用串口父设备”的子目录，双击启用串口父设备设置如图4-8所示

图4-8

4.6程序安全机制

工业过程控制中，应该尽量避免现场人员为误操作所引去的故障或事故，因为某些误操作带来的后果可能是致命性的。

安全机制是为防止人为误操作建立的，避免操作的方法是对不同的操作、不同的人员、规定不同的操作权限，使不具备操作权限的人员无法进行操作，从而使操作人员各司其职，减少误操作的发生，提高系统安全性。

在MCGS中，可以定义无限多个用户组；每个用户中可以包含无限多个用户；同一个用户可以隶属于多个用户组。

下面介绍安全机制的建立步骤

选择工具菜单中的“用户权限管理”，打开用户管理器。

默认定义的用户:

负责人：

默认定义的用户组:

管理员组，如图4-9所示

图4-9

双击负责人，弹出“用户属性设置”窗口。

设置用户密码和确认密码；隶属用户组为：

管路员组。

单击“确定”按钮，回到“用户管理器”窗口。

单击用户组列表，域内任意一个位置，进入用户组编辑状态，在窗口左下方出现“新增用户组”按钮。

单击“新增用户组”按钮，弹出“用户属性设置”对话框，进行如下设置，用户组名称；操作员组；用户组描述成员仅能进行一般操作，在用户组，成员组，成员列表域的“负责人”不打钩即负责人。

单击“确认”按钮，回到“用户管理器”窗口，此时用户组列表多了一个操作员组，下面要为操作员组增加一个成员。

单击“用户名列表”域任意位置“新增用户”按钮变成“新增用户”按钮，单击弹出“拥护属性设置”对话框，设置参数。

第五章运行和调试

5.1PLC运行调试

在GXDevoloper软件中，将编好的程序下载到PLC中进行运行调试，检查程序是否有错误，是否能够实现相应的功能控制。

调试时，可根据功能模块分类分别调试，最后进行总体调试。

在该控制程序中，需要根据外界输入的状态来控制清污机、潜水泵，以及污泥回流泵的启停，因此需要对反馈来的信息进行判断处理，然后再进行输出控制。

5.2组态软件模拟运行调试

在组态工程策略窗口脚本程序中输入编制好的控制程序，下面是部分程序代码：

IFzd=0THEN

系统状态=”手动”

ELSE

ENDIF

IFzd=1THEN

系统状态=”自动”

ELSE

ENDIF

IFgz=1THEN

系统状态=”故障”

ELSE

ENDIF

IFDYW=0AND液位>300THEN

液位=300

ELSE

ENDIF

……

语法检查无误后，进入MCGS”模拟运行环境”进行模拟运行调试，发现错误可回到组态环境进行修改，直至全部调试通过。

后记

紧张而充实的毕业设计马上要结束了，通过这次毕业设计，我学到了很多课堂上学不到的知识，同时对之前学习过的电气控制、PLC、自动控制、组态控制等课程也有了更深的理解。

由于本设计基于理论和模拟运行环境来完成，再加上本人水平有限，在设计中还有很多的不足，本文的内容结构、观点材料都还存在许多缺憾和不足，错误之处也在所难免，在此恳请各位老师多赐批评和教益！

本论文的顺利完成，离不开各位老师、同学和朋友的关心和帮助。

衷心感谢各位恩师给予我许多终身受用的有益教诲，他们严谨的治学态度、不染俗流的学者风骨、诲人不倦的师长风范，为我树立了做人、做事、做学问的楷模。

丰富多彩的校园生活也即将在我脑海中留下美好的记忆，我深深地感谢所有关心、爱护、教育和帮助过我的每一个人！

参考文献

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