华东理工大学自动化专业论文样例.docx
- 文档编号:5250669
- 上传时间:2022-12-14
- 格式:DOCX
- 页数:35
- 大小:424.82KB
华东理工大学自动化专业论文样例.docx
《华东理工大学自动化专业论文样例.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《华东理工大学自动化专业论文样例.docx(35页珍藏版)》请在冰豆网上搜索。
华东理工大学自动化专业论文样例
摘要
城市污水处理系统的社会效益巨大,但运行成本高,污水处理效率不高,所以有必要应用计算机控制技术,实现污水处理工艺的半自动、全自动监控。
本文主要介绍了PLC在污水处理过程中的具体应用,分析了污水处理自动控制的现状,介绍了城市污水处理工艺流程以及基于三菱PLC的污水处理实施方案。
针对氧化沟污水处理工艺特点及控制要求,从综合自动化系统的高效、准确、安全等几个方面考虑,设计PLC控制方案。
为了提高污水处理控制系统的运行管理水平,系统采用CC-LINK总线技术,PLC则是该系统的重要组成单元,针对控制特点采用高效便捷的编程方式,同时设计了界面友好的HMI组态,提供了方便的监控和管理方式。
现场应用表明,本设计达到了设计要求,取得了较好的控制效果。
关键词:
自动化控制系统,PLC,污水处理,氧化沟
Abstract
Thesystemsofurbansewagetreatmenthasbroughtgreatsocialbenefits,while,thedisadvantageisthehighoperatingcostsandlowefficiency.Therefore,itisnecessarytouseacomputer-controlledtechnology,inordertomakeachievementinthesemiautomatic,automaiccontrolofthesewagetreatmentprocess.
ThisarticleintroducestheparticularapplicationsofthePLCinthesewagetreatmentproccess,analysesthecurrentsituationoftheautomaticcontrollinginthesewagetreatment,presentstheprocessoftheurbansewagetreatmentandtheimplementationofthesewagetreatmentprogramme,whichisbasedontheMitsubishiPLC.Itisdirectedagainstthedistinguishingfeaturesandcontrollingrequirementsoftheoxidationditchinthesewagetreatmentprocess.PLCcontrolprogrammewasdesinedwithconsiderationsoftheintegratedautomaitonsystemintheaspects,whichisefficient,accurateandsecure.Inordertoimprovetheoperatingmanagementlevelofthesewagetreatmentcontrolsystems,thesystemisusingtheCC-LINKbustechnology,PLCisanimportantcomponentofthesystem.Theefficientandeasyprogrammingapproachisusedinthelightofthecharacterise.Auser-friendlyHMIconfigurationisdesignedatthesametime,whichproviedsaconvenientwayofmonitoringaswellasnthemanagement.
Keywords:
AutomaticControlSystem,PLC,SewagebTreatment,OxidationDitch
目录
1绪论1
1.1课题背景及研究现状1
1.2本文的目的与意义4
1.3本文的主要工作5
2系统总体设计6
2.1工艺分析6
2.2控制目标与功能9
2.3控制系统总体设计与结构10
2.4本章小节11
3污水处理PLC控制系统开发12
3.1三菱PLC系统概述12
3.2控制系统硬件配置15
3.3CC-LINK总线配置16
3.4PLC控制系统软件设计17
3.5本章小节23
4人机界面HMI设计25
4.1HMI组态监控软件设计25
4.2基于OPC技术的上、下位机通信系统27
4.3人机界面设计31
4.4本章小节32
5总结与展望33
参考文献35
致谢37
1 绪论
1.1课题背景及研究现状
长期以来,我国在城市建设快速发展的过程中,由于对环境保护基础设施建设重视不够、投入不足,污水直接排入城市水系及相关流域,造成江河湖泊水质和地下水污染,城市水环境污染问题日益突出,污水处理就成为改善城镇居民生活环境、提高人民健康水平的主要手段之一。
当前我国污水处理厂自动化系统的设计和实施正处于一个成长的时期,系统的需求、设计、结构以及系统的控制仍然存在不完善的地方,同时技术的发展也给污水处理自动化系统的改进创造了条件和基础,也使建设合理的监控系统成为可能。
1.1.1污水处理研究背景
水在维系人的生存、保障经济建设和维护社会发展的所有自然要素中是最为重要的元素。
然而随着工业化、城市化加快,世界面临着水资源短缺、污染严重的挑战。
中国尤其严重,是世界13个缺水国家之一,全国600多个城市中目前大约一半的城市缺水,水污染的恶化更使水短缺雪上加霜:
我国江河湖泊普遍遭受污染,全国75%的湖泊出现了不同程度的富营养化;90%的城市水域污染严重,南方城市总缺水量的60%---70%是由于水污染造成的;对我国118个大中城市的地下水调查显示,有115个城市地下水受到污染,其中重度污染约占40%。
水污染降低了水体的使用功能,加剧了水资源短缺,对我国可持续发展战略的实施带来了负面影响。
我国水体污染主要来自两方面,一是工业发展超标排放工业废水,二是城市化中由于城市污水排放和集中处理设施严重缺乏,大量生活污水未经处理直接进入水体造成环境污染。
工业废水近年来经过治理虽有所减少,但城市生活污水有增无减,占水质污染的51%以上。
据环境部门监测,目前全国近70%的生活污水未经处理直接进入江河湖海,年排污量达600亿立方米,造成全国三分之一以上水域受到污染.
目前,全国有设市城市640多个,建制镇1.6万多个,人口约2.7亿人。
近年来我国的国民生产总值连续以8~11%的高速率的增长,预计在10年内我国经济增长将保持在6~9%的高、中速率稳定发展。
建制镇的污水产生量,按照我国政府有关部门新制定的小城镇发展规划,今后新型小城镇的发展重点为沿路、沿江河、沿海、沿边境等地理位置和交通条件较好、资源丰富、乡镇企业有一定基础或农村批发和专业市场初具规模的小城镇;建设目标为布局合理、设施配套、交通方便、环境优美、经济繁荣、各具特色、具有3万左右人口规模的新型小城镇。
到2015年,全国城镇人口达到5.6亿人左右,城市化水平达到40%左右。
2015年,全国设市城市达到1200个左右,建制镇达到2.5-3万个,到2015年,全国村镇自来水普及率达到65%,小城镇人均日用水量180升、村庄110升。
考虑现状污水量、污水增量和建制镇污水量,到2015年城市污水排放总量为1050亿m3。
水资源短缺是基本国情,由于水污染控制的相对滞后,受污染的水体逐年增加,又加剧了水资源的短缺。
水资源短缺和水污染严重已经成为城市可持续发展的主要制约因素。
2007年,我国六百多个城市有四百多个城市缺水,缺水原因主要不在于水量不足,而在于水质污染严重,属于水质性缺水。
我国目前年污水排放量达600亿吨,其中城市就占390亿吨以上,而全国城市污水处理厂不足400座,污水处理能力不足排放量的30%,而实际处理量更低。
中国对水处理的研究,特别是自动化控制设备方面的研究远远落后于发达国家。
近年国家环境保护总局曾对55个城市的5000多套工业废水处理设施进行了大规模的调查。
结果表明,运行效果好和比较好的只占24%,而建成后没能运行或处理能力达不到设计能力一半的设施竟占63.8%。
可见我国的污水处理技术仍处于较低的水平。
另外,由于我国经济发展水平还比较低,资金匮乏,投资力度不足等诸多因素,导致目前发达国家大批水处理企业大举进军我国水处理市场。
因此,对于这样一个污染严重、资源短缺的国家,研制出一批能满足排放要求、处理效果好、运行费用低和国产化程度高、且具有先进的自动控制系统的污水处理设备迫在眉睫。
1.1.2污水处理控制的现状
我国城市污水处理事业是在80年代初逐步发展起来的,经过几十年的发展已经初具规模。
但是,与国外同期的城市污水处理厂相比较,始终存在效率低、自动化程度低、能耗高且运行费用高等缺点。
随着全球能源供应紧张和对自动化程度要求的不断增加,我国的污水处理厂必然向着高度自动化和无人职守的方向发展。
国内污水处理厂虽还较落后,基本仍是手工操作,但有些城市污水处理厂引进全部或局部计算机控制,取得了一定的经验。
目前,国内污水处理的控制水平基本分为三个大的档次。
(1)手动操作
采用常规分散仪表对污水处理过程中的液位、流量、温度、浊度、PH值、溶解氧浓度(DO)、生化需氧量(BOD)、化学需氧量(COD),污泥浓度(MLVSS)等性能指标进行离线或在线采集,根据数据得出控制要求,操作员在现场控制主要设备,如阀门的开闭,电机的启停,鼓风量的调节等等,在这种控制方式下,控制完全由工人在现场操作,工艺参数得不到可靠保证,污水处理后出水质量难以保证,稳定性差,工人操作劳动强度大,主要设备和装置不能工作在最佳状态。
这种控制方式由于投资少,主要在一些小型污水处理场合应用。
(2)半自动控制
通过数据采集器等手段采集局部过程量送入控制室,一般在控制室设有工艺模拟显示屏或上位机,在模拟屏或上位机上显示液位、流量、温度、浊度、PH值、溶解氧浓度(DO)、生化需氧量(BOD)、化学需氧量(COD),污泥浓度(Nfvss)等过程参数,和电机、阀门运行状态,对生产过程进行监控,上位机操作人员可以在模拟屏或操作台上遥控部分设备的启停,而某些设备控制就需要联系现场操作人员,由现场操作人员手工控制,生产中的数据需要人工记录。
这种控制方式,需要人工的频繁介入,中间存在人为联络的延迟,使出水质量会有较大的波动,工人的劳动强度也较大,国内中小型污水处理厂较多采用。
如天津纪庄子污水处理厂,引进美国1研制成功的Css〔中心控制系统),采用CP/M操作系统,用于供氧、溶解氧、尾气三个控制回路中电动阀门和表曝气器变速电机控制。
Css系统由个人计算机〔OSBORNEI)、控制机(FPC404).CRT终端、打印机等组成。
能实现现场手动、遥控操作。
由于软、硬件都是国外技术,不利于后期的维护工作。
又如由西安环保公司设计的化学工业水处理控制系统,采用INTEL90196KC单片机,在水处理管道中自动根据实际PH值控制加药泵进行中和处理部分的局部控制。
系统于1999年实施。
由于单片机板卡易受粉尘、噪音等的干扰,在工业生产环境中可靠性差,系统稳定性差。
(3)全自动控制:
采用计算机控制技术与多层次的网络结构对污水处理的全程生产工序进行无人值守全自动控制。
生产过程控制中的各种信号通过相应的变送器送入下位机,一般下位机采用可靠的PLC作为控制单元,运行先进的控制算法,实现现场设备的实时控制。
作为上位机的工业控制计算机采用TCP/IP协议和标准数据库,挂在以太网上,实现信息的集成管理和远程控制。
上、下位机之间通过网络传送采集参数和远程控制参数。
这种控制方式是自控技术的发展方向,国外国内的大型污水处理厂都在使用。
如安徽圣泉啤酒厂,日处理污水7000吨。
其自控系统采用二级集散型控制系统,由上位PC机作为管理机,由三台PLC作为测控连锁机,并能对现场设备实施保护控制。
系统于2000年I月实施。
系统中PLC和上位机之间通过串行接口相连,通讯能力差,难以保证数据的准确性。
再如2001年调试成功的上海松江污水处理厂自动控制系统,采用了Siemens SIMATICS7-300PLC+PROFIBUS+PC的结构,共有5个PLC控制器、6个上位PC监控站(内装SiemensWinCC视窗控制中心监控软件)。
系统的网络采取双层网络结构,其中域网部分采用PROFIBUS方式,用于各个从站之间和从站与主站之间的信息传送。
整个主干网络的距离有2公里,因此在各个站之间放置了网络放大器,用以提高网络的传输速度。
模拟屏的控制使用了一套单独的PLC系统,通过网络和每个从站交换I/O信息,这样就大大地减少了I/O模块,降低了成本。
系统性能稳定可靠,由于采用PROFIBUS工业控制总线,系统开放性好,利于扩充。
污水处理工艺是一个复杂的处理过程。
在处理过程中由于受到原水浊度、PH值、配水流量、原水温度和其他水质污染等因素的影响。
处理难度相当大。
现时的污水处理系统普遍存在处理后的水质不稳定和处理成本高等问题,国内外污水处理采用的方法有物理法、化学法、物理化学法和生物法等,每种处理方法都有自己的特点。
目前我国城市污水处理厂80%以上采用的是活性污泥法,较为常见的污水处理工艺主要为氧化沟法、AB法、A/A/O工艺、SBR法等。
其中氧化沟法在我国最为常见。
但是无论是通过那种处理工艺,现时的污水处理系统存在以下缺陷:
(1)水质复杂性、非线性、时变性、不确定性和不完全性,对数学模型的建立要求高,控制方式相对复杂,计算量大;
(2)污水处理自动控制系统中自动化检测设备、仪表多,因此采样响应快、抗干扰能力强;(3)污水处理自动控制有别于其他控制系统,它需要对大量阀门、泵、鼓风机和吸(刮)泥机、曝气池和污泥消化池内的搅拌器等机械设备及沉淀池和消化池进、排泥量进行控制。
由于PLC无论从采样、分析、计算和输出具有自身的优势,能满足污水处理系统。
PLC在污水处理的应用越来越广泛。
今后我国的污水处理厂监控系统的发展方向是,在原有基础上,按照监测与控制适当分离、最大限度的集中监测、灵活机动的现场控制的总体思想,逐步改进,使得污水处理厂自动化系统的建设更趋合理。
1.2本文的目的与意义
本文的目的和意义就在于,运用PLC控制方式,能够高效,准确,安全的使污水处理过程达到控制要求。
中国是水资源相对缺乏的国家,同时又是水质污染大国,污水回用有着巨大潜力,污水处理意义重大。
与此同时,如何做好能源的合理利用,如何有效的对污水处理过程的生产运行,管理控制的实施,高效的分配资源就成了污水处理过程控制的所面临的问题。
在污水处理控制系统中,除了存在分布区域广、设备分散、控制点多及控制信息复杂等要求外,同时具有控制输入和输出一集开关量参数居多,模拟量参数少的特点,而要做到这些对于传统的控制系统来说是有困难的。
因此,我们在建造经济、节能且自动化程度较高的污水处理工程时,如何针对污水处理工艺的特性来选择设计自动控制系统就显得极为重要。
而可编程逻辑控制器(PLC)在其稳定性、高自动化程度的不断加强,使得PLC成为城市污水处理自动化方面的首选。
可编程控制器(PLC)具有结构简单、性能优越、可靠性高、灵活通用、易于编程、使用方便等优点。
近年来,在工业自动控制、机电一体化、改造传统产业等方面得到了广泛的应用。
随着我国自动化技术和仪表检测技术的发展,尤其是近几年来,我国新建城市污水处理厂大都采用了目前较为先进的可编程控制器系统。
一些利用外资兴建的污水处理厂也越来越多,它们几乎都采用了可编程控制系统,大大缩短了我国污水处理厂与世界上先进发达国家污水处理厂在自动控制领域的距离。
城市污水处理系统的社会效益巨大,但运行成本高,所以应用计算机控制技术,实现污水处理工艺的半自动、全自动监控,提高污水处理厂的技术管理水平,合理使用和配置处理设施(设备),具有非常现实的意义。
采用计算机技术,跟踪经常变化的水处理情况,检测不同时间的水质指标数据,在计算机上显示出来,并可以永久记录下来,以备在需要的时候查阅。
对数据分析,随时调整各设备及工艺过程参数,使其达到优化状态,经济运行,节约能耗。
采用计算机代替人工操作,减少事故,保证安全,降低劳动强度,节约人力,甚至可以完成许多人工难以完成的任务,提高生产的可靠性。
计算机控制技术的费用不高于一般的仪表控制,所需保养工作也比一般仪表少。
可见PLC控制方式相当符合我国污水处理的控制要求,而本文将对污水处理过程中最为重要的一部分控制结合PLC控制方式进行设计实验,达到控制标准。
1.3本文的主要工作
本文是以污水处理的控制为背景,通过深入了解三沟式氧化沟污水处理法,分析控制要求,运用基于CC-LINK总线技术的PLC控制技术,设计研究符合氧化沟污水处理要求的控制方案。
控制系统采用CC-LINK主从站控制模式,设计中主要控制的是整个污水处理过程中最重的一部分,氧化沟的控制。
氧化沟主站所采用的是三菱Q系列PLC,污水处理主要是顺序逻辑控制,而这正是PLC控制的优势所在。
本文将对CC-LINK网络按要求进行参数设置,对控制对象进行分析,并按照要求配置PLC模块,根据控制要求编写PLC程序。
运用基于OPC技术的上下位机通信,配置OPC服务器。
同时设计WINCC上位机组态监控界面,并调试。
最终设计出符合控制要求,准确、高效并且具有能够监控、报错、指令控制等功能的污水处理监控系统。
2系统总体设计
2.1工艺分析
污水处理综合考虑投资、运行成本、处理效果、污水水质等因素,处理工艺可分为三类,即物理处理、生物处理、化学处理。
物理处理主要是去除废水中悬浮固体和漂浮物质,同时通过中和或均衡等预处理对废水进行调节,主要采用格栅机、筛网等设备构件。
物理处理后,一般废水中主要水质指标BOD(生化需氧量)去除30%左右,达不到排放标准。
生物处理主要去除废水中呈胶体和溶解状态的有机污染物质,主要采用好氧生化法(活性污泥法、生物膜法)和厌氧生化法。
生物处理后,废水中BOD去除率可达90%,处理水可达标排放。
2.1.1污水处理工艺的选择
目前较为常见的污水处理工艺主要为氧化沟法、AB法、A/A/O工艺、SBR法等。
衡量污水处理工艺技术性能的主要指标有处理效果、抗冲击负荷能力、自控要求、设备闲置率、剩余污泥产量等,对经济指标的分析则涉及投资、能耗、运行成本、占地面积等。
在出水水质满足排放要求的前提下,“投资省、能耗和运行成本低、占地少”是衡量处理工艺经济与否的基本要求。
研究调查显示,氧化沟工艺在去除普通污染物、脱氮除磷、运行管理、污泥稳定等方面的性能均较好,且其占地、建设投资、运行费用等经济指标也较优。
目前已设计建成的氧化沟污水处理厂应不断总结设计及运行管理经验,并在此基础上加强该技术的改造创新,发挥科技进步在环境污染治理中的作用。
根据调研结果,结合我国二十余年的城市污水处理实践,经专家及用户问卷调查,对氧化沟工艺的技术经济评估要点概括如下:
(1)处理效果较好,出水BOD和SS可达到排放标准,配合厌氧池的使用,可满足脱氮除磷深度处理的要求。
(2)能承受水量、水质的冲击负荷,维持稳定运行。
(3)自控要求不高,运行管理较为简便。
(4)省去初沉池,流程简单,构筑物少,大大节省了基建费用。
(5)在运行费用和动力消耗方面,与一般活性污泥法相当或略低的条件下,氧化沟工艺能达到更好的处理效果。
(6)污泥生成量少,不需作消化处理。
国内现有城市污水厂的建设经验表明,氧化沟工艺既适合在我国中小城市污水处理厂采用,也适用于有条件进行污水处理的县城及乡镇。
如三峡库区目前修建的l8座污水处理厂中,采用氧化沟工艺的就有l2座,达到了总量的2/3。
此外,国外一些调查报告的结论也可作为参考,例如美国环境保护署于20世纪80年代的报告指出,氧化沟能够通过最低限度的操作,稳定地达到对BOD和TSS的去除率要求。
美国曾对l3种处理水平、24种二级生化及二级处理系统进行技术经济比较,统计结果表明,对于处理量为3785~37850in/d的污水厂,除渗滤系统外,氧化沟工艺是最为经济的。
如处理规模为3785in/d时,活性污泥法及生物滤池的制水成本分别是氧化沟工艺的1.67和1.85倍,生物转盘则达到2.29倍。
而现代的氧化沟技术早已扩大了上述概念,其适用范围和规模远大于上述数值。
2.1.2氧化沟工艺介绍
氧化沟是在传统活性污泥法的基础上发展起来的连续循环完全混合工艺,是用延时曝气法处理废水的一种环形渠道,平面多为椭圆形,总长可达几十米,甚至几百米以上。
在沟渠内安装与渠宽等长的机械式表面曝气装置,常用的有转刷和叶轮等。
曝气装置一方面对沟渠中的污水进行充氧,一方面推动污水作旋转流动。
氧化沟多用于处理中、小流量的生活污水和工业废水,可以间歇运转,也可以连续运转。
氧化沟工艺的特点:
(1)氧化沟的沟渠长度较大,污水在氧化沟内停留的时间长,污水的混合效果好。
可以不设初沉池,有机悬浮物在氧化沟内能达到好氧稳定的程度。
(2)氧化沟的曝气装置具有两个功能:
供氧并推动水流以一定的流速循环流动。
污水的BOD负荷低,同延时曝气法。
对水质和水量的变动有较强的适应性。
(3)污泥龄长,有利于硝化菌的繁殖,在氧化沟内可产生硝化反应;污泥产率低,且多已达到稳定的程度,不需要再进行硝化处理,可直接进行浓缩脱水。
(4)如采用一体式氧化沟,可不单独设二次沉淀池,使氧化沟与二沉池合建。
中间的沟渠连续作为曝气池,两侧的沟渠交替作为曝气池和二次沉淀池,污泥自动回流,节省了二沉池与污泥回流系统的费用。
2.1.3污水处理工艺流程
图2-1污水处理厂工艺流程
从当前污水处理工艺和技术研究、开发和应用的情况看,由于传统的活性污泥处理工艺在中小规模的污水处理厂中存在基建投资高、运行费用高以及电耗高等问题,因此,处理水量在10万m3/d以下的中小城市的污水处理厂处理工艺一般多采用氧化沟工艺。
这里的处理工艺采用的是三沟式氧化沟。
它实际上仍是一种连续流活性污泥法,只是将曝气、沉淀工序集于一体,并具有按时间顺序交替轮换运行的特点,其运转周期可根据处理水质的不同进行调整,从而使其运行操作更趋于灵活方便。
这种工艺流程简单,无需另设一次、二次沉淀池和污泥回流装置,使氧化沟工艺的基建投资和运行费用大为降低,并在一定程度上解决了以往氧化沟占地面积大的缺点。
整个污水处理厂工艺流程见图2-1。
三沟式氧化沟工艺主要按下面六个阶段轮换运行(如图2-2)。
图2-2三沟式氧化沟工艺流程
阶段A:
污水经配水井进入沟Ⅰ,沟内转刷以低速运转,转速控制在能维持水和污泥混合,并推动水流循环流动,但不足以供给徽生物降解有机物所需的氧。
此时,沟Ⅰ处于缺氧状态,沟内活性污泥利用水中的有机物作为碳源,活性污泥中的反硝化菌则利用前一段产生的硝酸盐中的氧来降解有机物,释放出氮气,完成反硝化过程。
同时沟I的出水堰门自动升起,污水和污泥混合液进人沟Ⅱ。
沟Ⅱ内的转刷以高速运行,保证沟内有足够的溶解氧来降解有机物,并使氨氮转化为硝酸盐,完成硝化过程.处理后的污水流入沟Ⅲ,沟Ⅲ中的转刷停止运转,起沉淀池的作用,进行泥水分离,由沟Ⅲ处理后的水经自动降低的出水堰门排出。
阶段B:
进水改从处于好氧状态的沟Ⅱ流入,并经沟互Ⅲ沉淀后排出。
同时沟Ⅰ中的转刷开始高速运转,使其从缺氧状态变为好氧状态,并使阶段A进入沟Ⅰ的有机物和氨氮得到好氧处理,待沟内的溶解氧上升到一定值后,该阶段结束。
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 华东理工大学 自动化 专业 论文