毕业设计基于PLC的污水处理系统的设计Word文件下载.docx

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这些国家在研究水处理新理论和工艺的同时，也重视污水处理自控系统的研究。

这些国家先后投资研究高效型、智能型、集约型污水处理设备和自动化控制仪表。

一些发达国家经过十几年的努力，污水处理率几经达到了80%~90%，成功地解决了来自于城市和工业的点源污染问题。

同时一些国家开始重视污水的回用，如以色列的污水回用率达到了90%。

由于控制技术、网络通信技术以及现场总线技术的飞速发展，国外的污水厂很早便实现了污水厂的网络控制，如DCS、FCS系统。

同时国外较早的将SCADA技术引入到了给水排水工程中，并取得了良好的经济效益和社会效益。

国外同时注重水处理中PLC的开发，相继研制出了一些智能、稳定、小巧的控制单元，如AB公司的SLC系列、Siemens的S7系列、Schneider的TSXQuantum系列；

同时国外也很重视在线仪表的研制，如德国E+H公司，美国的哈希公司相继研制了溶解氧DO（DissolvedOxygen）、化学需氧量COD（ChemicalOxygenDemand）分析仪。

国外污水处理自控系统主要存在以下几个特点：

（1）　采用集散控制系统DCS和现场总线控制系统FCS。

按照厂区的自身情况和工艺段来划分若干个控制站，站与站之间可以平级关系也可以是上下级关系，站与站之间一般独立运行。

设立中控室，中控室有操作员和工程师站，负责全厂的数据管理与记录、报表等工作。

（2）　采用在线监测的水质分析仪表，对全厂的水质实行实时监测，并由上位机记录下来，提高了测量精度。

（3）　生产过程中不同程度上采用了智能控制，可以根据水质和水源的变化自动地调整相应的控制方式。

（4）　大量采用遥测、遥控设备，并开始有效地利用社会信息资源，如电话网络、移动电话网络、国际互联网、气象信息等。

1.2.2　国内污水处理自控系统发展状况

解放初期由于工农业生产刚刚起步，当时的污水污染程度很低，且提倡利用污水进行农业灌溉，特别是北方缺水地区将污水灌溉利用作为经验进行推广，如著名的沈抚灌溉等，全国仅有几个城市建设了近十座污水处理厂（还包括1921~1926年间外国人兴建3座污水处理厂），在处理工艺有的还是一级处理，处理的规模也很小，每天只有几千个立方米，最大的也只有每天5万立方米左右，致使污水处理技术和管理水平处于较落后的状态。

我国第一座大型污水处理厂——天津市纪庄子污水处理厂于1982年破土动工，1984年4月28日竣工投产运行，处理规模为26万立方米/天。

纪庄子污水处理厂投产运行后多年来达到设计出水水质标准，使黑臭的污水变为清流，它的诞生填补了我国大型污水处理厂建设的空白。

在此成功经验的带动下，北尔、上海、广东、广西、陕西、山西、河北、江苏、浙江、湖北、湖南等省市根据各自的具体情况分别建设了不同规模的污水处理厂。

与国外相比，我国污水处理自动化控制起步较晚，七十年代开始采用热工仪表，实行集中巡检；

八十年代应用分析仪表和DCS系统；

至九十年代，随着一大批利用国际贷款的大型污水处理厂的建设投产，我国污水处理控制系统的自动化水平有了很大的提高。

从国外引进污水厂的自动控制系统已经广泛采用集散式计算机监控系统，应用了自动化程度较高的检测仪表，各种新工艺，新设备大量出现并得到应用。

可以说我国污水处理自动化的现状是：

手动与自动皆备，自制和引用并举。

可以看出我国的污水处理自控系统有以下特点：

（1）　对于新建的污水处理厂，引进了计算机分散控制系统，手动与自动并存的控制方式。

大部分以前建设的污水厂自动化程度仍然很低，仍采用人工巡检的方式。

（2）　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，但是由于进口仪表价格昂贵，所以应用并不是很广泛。

水质的检测主要是有实验室人员通过实验来测量。

（3）　各个控制站之间完全独立，没有信息的交换。

并且各个控制单元由于其内部资源的限制，只是实现了简单的时间控制和逻辑控制。

通过对比，不难看出整体上和国外相比我国污水的自控系统仍然存在很大的差距，但是我国的应用前景却非常广泛、潜力很大。

2　污水处理概述

2.1　污水处理概述

城市污水、生活污水、生产污水或工业企业局部处理后的生产污水，往往都排入城市排水系统，故把生活污水和生产污水的混合污水叫做城市污水。

这些污水除含有碳水化合物、蛋白质、氨基酸、动植物脂肪、尿素、氨、肥皂和合成洗涤剂等物质外，还含有细菌、病毒等使人致病的微生物。

经处理后的污水，最后出路有三种：

排放水体；

灌溉田地；

重复使用。

水处理的目的不外乎三种[2]：

（1）　去除水中影响使用水质的杂质以及污泥的处置，这是最主要的内容。

（2）　为了满足用水的要求，在水中加入新的成分以改变水的化学性质，如食用水中加氟以防止龋齿病，循环冷却水中加缓蚀剂以控制腐蚀和结垢等。

（3）　改变水的物理性质的处理，如水的冷却，降低水的粘滞度等。

2.2　污水处理工艺技术的现状及发展

我国现有城市污水处理厂80%以上采用的是活性污泥法，其余采用一级处理、强化一级处理、稳定塘法及土地处理法等。

“七五”、“八五”、“九五”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，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、UNI-TANK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。

2.3　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。

2.4　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[3]。

3　设计方案的确定

3.1　PLC控制系统的设计分析

3.1.1　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[4]。

基本结构框图如图3.1所示。

图3.1整体式结构

（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[5]。

基本结构如图3.2所示。

图3.2结构式模块

3.1.2　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。

3.1.3　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。

（2）　设计步骤

一般PLC控制系统的设计步骤如图3.3，具体操作如下。

图3.3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[7]。

3.2　污水处理PLC控制系统的设计分析

3.2.1　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[8]。

工艺流程图如图3.4所示。

图3.4SBR工艺流程

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，上清夜（上面的清夜）由滗水器缓慢排出池外。

当池水位达到处理周期开始时的最低水位时，停止滗水。

剩余污泥泵在滗水器停止运行后开始运行，排泥至储泥池。

3.2.2　污水处理控制流程

以1#SBR池循环周期为例加以说明：

第一步：

进水+曝气。

1#SBR池开始进水设定时间为早8点，进水2h，通过1#电动蝶阀控制，进水的同时1#风机开始曝气，污泥回流泵1#开启，开始回流。

第二步：

2h后，1#电动蝶阀停止进水，1#回流泵停止回流；

1#风机继续曝气。

第三步：

持续曝气6h后，1#风机停止曝气。

第四步：

静置期1h。

1#SBR池静置1h后，此时，水面分层，污泥沉降置底，上清液用滗水器排出。

第五步：

排水1h。

静置1h后，开始排水，1#池内1#滗水器启动，由上顶点缓慢向下移动，（可设为：

下潜一小段距离后停住，滗水一定时间，再继续下潜一小段距离，再停，再滗水，再下潜）；

滗水器潜至下顶点滗水结束后，迅速自动升回至上顶点停住。

至此，滗水1h结束。

第六步：

滗水1h结束后，至此，第一周期结束，开始下一循环周期进水，曝气，回流。

以后各周期依次类推。

2#SBR池与1#SBR池间隔2个小时，开始进水，各步骤与1#SBR池相同，只是在时间上相互顺延。

3#SBR池与2#SBR池相间隔2个小时，4#与3#SBR池相间隔2个小时，后续程序同1#设定。

3.2.3　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[9,10]。

4　硬件部分的设计

4.1　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，本系统选用西门子小型PLCS7-200系列，主机型号为CPU224XP，具有14个数字输入点和10个数字输出点，具有2个模拟输入点和1个模拟输出点。

可以用于代替继电器的简单控制场合，也可以用于复杂的自动化控制系统。

由于它有极强的通信功能，在大型网络控制系统中也能充分的发挥其作用。

S7-200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、恒压供水和化工系统中各种泵和电磁阀的控制等。

S7-200系列PLC在污水处理控制系统中的应用，属于在该系列PLC的典型应用[11,12]。

4.2　I/O分配表

根据控制要求与设计方案，列出I/O分配表，如表4.1所示。

表4.1I/O分配表

输

入

信

号

I0.0

复位

I0.1

自动状态

I0.2

滗水器下潜限位

I0.3

滗水器上升限位

I0.4

风机故障

I0.5

进水泵故障

I0.6

滗水器故障

I0.7

回流泵故障

I1.0

手动自动切换

I1.1

下潜滗水器手动

I1.2

上升滗水器手动

I1.3

回流泵手动

I1.4

风机手动

I1.5

进水泵手动

出

Q0.0

下