基于PLC工业污水处理控制系统的设计Word文档格式.docx
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传感器的选择
3.4.1
浮球式传感器(水位开关)
3.4.2
pH
酸碱度传感器
............................................-
7
污水处理系统软硬件分析设计
4.1
系统中设备运行流程
...............................................-
4.2
系统所需硬件及其电路图
8
4.3
硬件组态的搭建及设备的
I/O
表。
...............................-
9
4.4
程序设计
....................................................-
12
5
结果及评论........................................................-
15
5.1
本系统所实现的主要功能
..........................................-
5.2
主要功能的调试与仿真
16
5.3
主要结果的评论
19
设计总结
...........................................................-
参考文献
.............................................................-
致谢
..................................................................-
21
李世禹
南京信息工程大学信息与控制学院,江苏
南京
210044
摘要:
本文按照污水处理的工艺要求和流程,结合了
污水处理法,设计了一套基于西门
子
系列
的控制方案。
同时说明了本控制系统硬件构成与组合方式、工作流程及
设计
控制系统的原理与步骤。
此系统的应用可提高污水处理的质量,减少能耗,使经济
效益提高。
通过
提供的仿真软件进行调试,检测了西门子
对现场设备的状态采
集与自动控制功能,符合控制方案要求。
关键词:
污水处理;
PLC;
工艺流程;
法
Design
of
Industrial
Sewage
Treatment
Control
System
Based
on
PLC
Li
Shi-Yu
School
Information
and
Control,NUIST,Nanjing
210044,China
Abstract:
According
to
the
sewage
treatment
process
requirements
processes,
combined
with
method,
I
designed
a
control
system
based
SIEMENS
S7-300
series
PLC.
At
same
time,
hardware
structure
combination
work
flow
the
principle
steps
designing
are
explained.
The
application
this
system
can
improve
quality
treatment,
reduce
energy
consumption,
economic
efficiency.
Through
simulation
software
provided
by
debug,
state
acquisition
automatic
function
field
equipment
is
detected,
it
meets
program.
Key
words:
disposal,
PLC,
flow,
method
绪论
人类文明的起源离不开水。
随着人们对工业经济的追求,水的需求量也是同步增加。
根据有关数据显示,我国淡水人均拥有量为
2400
多吨,与其他国家相比明显不足。
在参与
统计的
150
个国家中,我国排名
110,处于水资源匮乏国家之列。
中国的水资源布局极为
不均,全国众多城市缺水,主要位于秦岭淮河以北,每人可以利用的水为
240
吨
[1]。
我
国水资源问题除了人均占有量少,而且其污染状况也令人担忧。
国家在推行城市化建设的
同时,对其周围的水域也造成了或多或少的破坏。
虽然部分地区的污染得到了控制,但总
体上还是持续加重的状态。
解决好水污染问题,符合我国可持续发展方针。
工业污水的处
理已刻不容缓。
污水的产生主要与人类活动有关,最近几年随着城市的发展,工业项目持续开发建设,
其产生的污水也在等比增加而且水的污染源也变的复杂起来。
现今污水处理厂所使用的工
艺已不能使处理后的污水达到工业要求的排放标准,未达标的污水排放到水系中会对其他
正常的水资源造成巨大的污染,而且严重破坏了环境。
为了减少此类问题,工业污水处理
工艺的更新与换代就日趋重要了。
污水的再利用是人们节约水资源最重要可行的环节。
们国家排放的废水中
60%以上是工业污水。
工业污水一般是指包含中间产物、生产用料的
废水。
工业污水比城市污水的整治的优先级更高。
由于工业的生产工艺以及产物的不同导
致产生的污水性质也各不相同,常见的有色污染、热污染、有机污染等。
由于工业污水的
水质及边界条件会根据生产工艺的变动而改变,导致了工业污水处理的技术要求提高。
工
业污水处理厂的现场环境一般较差,含有大量对人体有害的物质,污水处理设备运行周期
长,为了保障操作人员的安全以及提升作业效率,污水处理所需的自控系统已成为各大处
理厂所必备的设施。
污水处理厂的建设标准主要体现在节能与高度自动化。
污水处理厂大多选用
作为
控制核心设计自控系统,主要因为其稳定性以及自控技术的成熟。
设备的应用一定程
度上减少了工业污水处理中的电能消耗。
长期以来,能耗与运行成本问题成为了制约我国
工业污水处理厂发展的关键,部分建成的处理厂由于此类问题一直不能持续生产,只能间
歇性运行。
污水处理厂运行效益的关键在于能否实现对能源的合理分配。
现如今,主要厂
家都在积极寻求能效高的处理工艺及其对应的控制设计。
国内外现状
国内现状
我国面临的水资源问题在工业上主要体有两个,其一是水资源不足难以支撑工业的发
展,另一个方面是工业污染问题严重。
前者问题短期内并没有合适的解决方案,后者则可
通过治理水体污染,最大程度上将污水变成可再次投入生产的状态。
未来的数年,国家将
对污水处理厂的建设增加投资和设立相应政策。
在环保工程中,技术人员根据污水处理所
需要的工艺结合已有的自控设备,设计出控制系统,从而促进产业升级。
在水污染处理工
艺突破的同时,就要求与其配套的自动化控制系统的出现。
由于特殊的国情,先发展后治理,虽然工业水污染问题在我国由来已久,但对水污染
治理的问题起步较晚。
早期,在七十年代,业内人士利用荒废的河道、水池建立稳定塘满
足对污水预处理要求。
到了八十年代国家开始注意到环保问题,并确立了一项与之相关的
基本国策。
另外国家还开展了一系列的治理工程,如“三河三湖”工程,国家政策及政府
-1-
的力度使这些工程都起到了显著的治理效果。
一时间污水处理厂的建设在全国推广起来。
“八五”时期,各地政府对水体治理提出了新的要求,污水处理厂的建设达到历史新高。
有关数据显示截止本世纪初,全国已有的大小污水处理厂超过
800
座,但远不及西方国家,
与之相比治理水污染程度并不理想。
按照“八五”、“九五”时制定的计划,国内污水处
理厂生产工艺还是有不错的突破[2]。
根据水污染治理在我国的进程来看,虽说国家对环保
问题、处理工艺的研究相对国外较晚,但我国在这方面并不处于劣势。
与国外的差距主要
在自动控制系统和处理过程中的单元设备。
目前我国大部分处理厂中的设备还不能实现真
正意义上的自动控制,他们的自动控制主要体现在现场检测及部分设备上。
根据治理水污
染积累的经验,我们主要采用的解决方案:
酸化水解好氧技术、SBR
法和氧化沟技术等。
随着新技术的开发与应用,我国工业污水治理水平已不再落后其他国家了。
现如今,行业
内已把积累的技术开始运用于新建的污水处理厂。
国外现状
国外在上世纪中叶开始重视水体污染。
随着二战的结束,各国都忙着城市的重建,恢
复经济。
大规模的工业工厂的建设使其周围的水体遭到破坏。
欧洲各国考虑到水污染的带
来的后果,立即着手建立相应的污水处理厂和铺设城市排水管线。
这些基础设施在控制水
污染问题上起到至关重要的作用。
美国在七十年代加大了对污水处理的投资,这段时期建
立投产的处理厂达
18000
座。
英法德为首的欧洲发达国家也是花费了大量资金建立了
8000
余座工业污水处理厂。
随着工业污水处理厂的建立与完善,欧美等国所承受的水污染压力
明显减少。
工厂积累了大量的水污染治理经验为后来的设备升级改良提供了参考。
在污水
处理行业中,做的最好的是美、日、欧等地区。
其主要的成就在自控污水处理系统上以及
理论和工艺的创新方面。
起步早的西方国家拥有几十年的处理经验以及可靠的技术,使得
污水处理率达到
85%。
此外一些意识超前的国家已在研究污水的再利用,如以色列就有高
达
90%的污水利用率。
目前,西方国家的污水处理厂主要可分为三类,其中应用最广泛的是活性污泥处理工
艺,有些国家会在对此方法进行一些改进,比较知名的是克劳塞尔工艺。
第二种主要是利
用化学反应,通过消化/反硝化反应进行脱氮。
还有一种就是通过生物法和沉淀法相结合的
形式除磷。
其中德国在这领域处理的水质最高,该国在除磷脱氮工艺上所掌握的技术与经
验值得我们学习借鉴。
所存在的问题
国内较大污水处理厂的控制系统的建立主要通过两种方式,一种是使用资金从德国、
丹麦等国引进成套的污水处理自控系统以及与其配套的软硬件。
另一种是通过学习、借鉴
国外先进工艺和经验自行开发相应的系统。
前者由于设备都是引进工艺成熟的国家。
设备
间的配合协作的比较好,可操作性强。
虽然此类处理厂实现了生产流水线的自动化,净化
后的水质也有保障,但一旦运行中出现故障,没有国外技术人员的帮助,这些故障都不能
得到很好的解决。
除此之外,处理设备更新速度快,需要花费的成本高。
制约我国污水处理厂发展的因素在于控制系统方面:
自制与引进的都有,手动与自动
并存。
有些处理厂虽说用的是国际上先进技术与原装进口的设备,但在技术上还不能做到
消化吸收。
那些个相对较小、使用自制系统的污水处理厂,由于使用准确性不高的仪表,
导致设备运行不能按时到位,影响了出水质量。
此外,在通讯和监护功能都存在着不足,
影响处理的效率与经济效益。
部分采用自控系统的污水处理厂由于经费问题所使用的都是比较单一的控制系统,并
-2-
不能对处理过程中的所有设备的运行状态进行实时监视与控制。
另外,还有些处理厂只使
用了一些基础的除污设备,如格栅除污机,完整的工艺要求具备粗细两种,只采用粗格栅
除污机会使处理后的水质大打折扣。
本文目标及实施思路
系统设计目标与相应功能
本课题主要对水污染处理中的一个工艺进行操作,即除去水中杂质,得到较为干净的
水。
本系统的核心是
控制模块,根据主程序,远程
程序和模拟量输入程序建立系
统。
来最大程度减少人员工作量,提高整套流程的自动化程度。
通过传感器检测待处理水
水质,未达到要求设备自行启动。
主要的除污设备通过时间以及浮球式液位传感器来控制。
本系统主要执行四个步骤形成一个周期,即预处理,排水以及生化反应进行的曝气、
沉淀。
污水通过管道流向预处理设备,操作人员按下自动模式按钮即可,整套设备依照
中的程序运行,一个周期结束后,操作人员根据水质检测模块的结果决定净化后的水
是排放进水系,还是排放至污水池再进行一次处理。
处理工艺的选择及其控制要求
污水处理工艺
本设计采用的工艺流程如图
所示。
流程图根据污水处理中
法的工艺中关键步
骤绘制。
一个流程包括预处理、曝气、沉淀、排水四个阶段。
整个流程遇到紧急状况,都
能自动有序的运行[3]。
图
工艺流程图
法相比其他处理方法有着如下优点。
进水池与预处理池共用,所需土地面积不大,
建设成本低,能耗低。
法在应对化学工业废水和重金属污水十分有效。
依照该工艺建
立的系统构成简单,应对突发能力强。
系统的搭建,用户管理净化过程也变得简
单,而且灵活多变。
处理池可根据不同工艺要求来执行脱氮,除磷操作。
其处理出来的水
体质量明显高于传统活性泥法。
面对污水处理量过大的情况,可以并联多套
池,但相
应的经济效益和可靠性降低。
所以
法的局限在于应付过量的污水处理。
对可利用价值
高的工艺污水以及有机含量大的废水,此方法的应用价值较高[4]。
本工艺主要由以下
个
阶段构成。
(1)预处理。
导入工业造成的废水,使污水流进蓄水池。
先用过粗格栅对污水进行简单过滤,
再用水泵抽至细格栅机,最后进入
池。
(2)反应。
上涨到反应所需要水位,关闭进水阀。
曝气开始,气流通过空气阀门进入水池,
同时打开池底的两部除污设备。
(3)沉淀。
第二阶段结束后,关闭曝气相应设备。
同时池底的两部除污设备随着关闭,活性
-3-
泥此时开始吸附污染物自然沉淀。
SBR处理工艺中的自然沉淀是需要条件的,处理池不能受到外界干扰(风、水流的扰动)
,从而避免了活性泥不能发挥作用的问题。
在此状态下,杂质跟清水的分离效果最好。
处
理后的污泥中水含量只有2.5%~3%,从而人们可以直接回收利用这些污泥。
(4)排水。
处理池水位到设定排出水位时,池中的滗水器启动,将上部清水移至清水池。
随
着清水的不断排出,池中水位下降,到达初始水位时,滗水器关闭,接下来对池底的污泥
进行清除作业。
该工艺对控制系统(PLC)要求
工业污水处理厂主要是用来对工业生产中产生的污水进行净化,保证处理后的水仍能
使用没有危害。
从目前的情况来看,工业污水处理在技术层面虽已取得不错的成就,但没
有在污水处理厂中得到很好的推广。
不少污水处理厂存在着污水处理效率低,自动化程度
低以及能耗大的问题。
为解决上述工厂的这些问题,使其成为自动化程度高的工厂,PLC
控制器成为系统设计的核心[5]。
凭借其编程简单高效的特点,使得技术人员开发相应的自动控制系统变得简洁明了,
处理水污染的能力也得到加强。
的通信模块可以对整个系统的实时监测,用户也可以
通过其操作界面对污水处理系统进行控制。
设备上的模块与各类型传感器进行信
号传递,用户也可以实时掌握污水处理中的各种参数[6]。
SBR污水处理法作为新兴的处理工艺,其原理和工艺流程与之前所使用的活性泥法相比
更为可靠。
它不仅将其他方法中的部分处理池(进水,厌氧,预处理)集于一池,而且可以
处理不同类型的废水。
SBR污水处理法使用的是间歇操作方式,即污水按照设定时间进入处
理设备,再根据规定时间排出。
大部分的SBR法都包含5个周期性的阶段。
第
阶段,预处理期,污水经过管道进入预处理池,抽水泵把水再经过一道工序运至
处理池,随后池底的搅拌器启动,使污水与池底预先准备的活性泥充分混合。
活性泥的主
要组成成分为藻类、细菌、微生物。
其主要作用是使水中有机物附着在上面然后沉淀。
阶段,曝气期,上述预处理操作完成后,开始曝气。
一般使用推流曝气的方式。
由于活性泥与有机物反应受氧气的影响,此时二者的反应加快,此阶段能清除污水中大量
有害物质。
阶段,沉淀期,结束了曝气反应的阶段,不再对处理池进行操作,让处理池中的
活性泥混合物进行自然沉淀。
该过程主要是吸附有害物质的活性泥与水分离,水中含氧量
减少,同时发生厌氧反应。
阶段,排水期,处理后的水通过滗水器导入清水池。
阶段,恢复期,净化操作结束后,给处理池中的微生物足够的时间恢复活性。
着长时间的使用,要定期替换处理池中的活性泥,保证其活性,不影响处理水的质量。
3.3
的选型及介绍
可编程控制器(PLC)的选择
德国西门子公司在
行业的开发起步较早系统较为成熟,旗下主流控制器有
S7、M7、C7
及
winAC
等系列。
其中
是
S7
系列中使用最多的产品之一。
其模块化结
构、易于实现分布式的配置以及性价比高、电磁兼容性强、抗震动冲击性能好,使其在广
泛的工业控制领域中,成为一种既经济又切合实际的解决方案。
系列凭借通用性强
以及简单可靠的构造,深受自控设备开发者的欢迎。
与主流
一样由各个模块组
成,用户可以根据特定的开发要求对其进行自由组合。
模块只需安装在导轨上,使用与维
-4-
护都比较简单[7]。
本课题中的水污染系统属于中小型控制系统,所需要的输入输出端口并
不多,S7-300
的性能足够应付。
系列主要组成模块
本系统采用的模块有电源、CPU、输入输出功能和总线通讯模块,其组成图如3.2
所示:
图3.2
S7-300主要组成模块
(1)CPU
中央处理器
最常用的处理器有
种,CPU
312、313
型功能相同,应对具有较少
端口的
设计;
系统较为复杂且对运行速度有要求时使用
CPU
314
型;
315
到
318
与其他
型号相比最大的区别在于多了
PROFIBUS-DP
配置功能。
(2)IM
接口模块
型
最多可以连接
32
个信号模块,这些模块需要特殊的接口模块
IM360、IM361
连接。
IM360
安装位置在
导轨
CR
上,IM361
是在扩展机架
ER
上。
(3)开关量输入
DI
模块
1)SM321
点输入,24V
DC;
高电平范围是
13~30V;
低电平范围是-30~5V;
2)SM321
点输入,120V/230V
AC;
79~264V;
低电平范围是
0~40V。
(4)开关量输出
DO
1)SM322
点输出,24V
DC;
信号
时输出
L+-0.8V;
每通道的最大输出电流
0.5A;
阻性负载的最高输出频率
100HZ,感性为
0.5HZ,带短路电子保护;
2)SM322
点输出,可接继电器;
高电平时发出闭合信号;
低电平时发出断开信号;
接
点容量
8A(230V
AC)或
5A(24V
DC)。
(5)模拟量输入
AI
模块
SM331
点输入;
对电阻检测时可选用
点;
输入信号类型如下:
1)电压:
+-80mV,+-250
mV,+-500
mV,+-2.5V,+-5V,1-5V,+-10V;
2)电流:
+-10mA,+-20
mA,0-20
mA,4-20
mA;
3)电阻:
Ω,300Ω,600Ω;
4)热电偶:
E,N,J,K
5)热电阻:
Pt100
标准,Ni100
标准;
6)分辨率:
14
位。
(6)模拟量输出
AO
SM332
只有
点模拟量输出;
1)电压输出:
0-10V;
+-10V;
1-5V;
2)电流输出:
4-20m
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- 基于 PLC 工业 污水处理 控制系统 设计
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