基于PLC污水处理系统的设计.docx
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基于PLC污水处理系统的设计
毕业设计(论文)
题目:
系部:
专业:
学号:
学生姓名:
指导教师:
职称:
二OO年月日
毕业设计说明书
课题:
子课题:
同课题学生姓名:
专业
学生姓名
班组
学号
指导教师
完成日期
毕业论文(设计)任务书
课题名称:
_________________________
系部:
_________________________
专业:
_________________________
姓名:
_________________________
学号:
_________________________
指导教师:
_________________________
二〇〇年月日
一、毕业论文(设计)的目的与要求:
二、毕业论文(设计)的内容:
三、毕业论文(设计)进程的安排
序号
论文(设计)各阶段名称
日期
备注
四、任务执行日期:
自_______年_______月_______日起,至________年_______月_______日止。
学生(签字)__________
指导教师(签字)__________
系主任(签字)__________
毕业设计(论文)成绩评定表
系部:
专业:
班级:
姓名
设计(论文)总成绩:
设计(论文)题目
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年月日
评阅人评语
评定成绩:
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年月日
答辩小组评语
答辩成绩:
组长签名:
年月日
设计(论文)总成绩=指导教师评定成绩(30%)+评阅人评定成绩(30%)+答辩成绩(40%)
基于PLC污水处理控制系统的设计
摘要
环境是人类赖以生存的空间,是人类索取基本生活物质的宝库。
对环境污染的治理也将是不可或缺的一项重要工作。
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,所以建立有效的自控系统,优化运行效果,减少运行费用,也是具有重要意义。
文章首先介绍了基于PLC污水处理控制系统的工艺及相关流程,控制系统硬件结构、工作原理以及设计PLC控制系统的基本原则,并说明PLC在污水处理过程中的应用。
关键词:
污水处理;控制形式;工艺流程;PLC控制;
第一章选题背景--------------1
●1.1工业污水处理的国内外现状………………1
●1.3研究目的和意义……………………………3
●1.4论文的指导思想……………………………4
●1.5课题主要设计的内容……………………….4
第二章方案论证---------------5
●2.1工业污水处理基本概念……………………5
●2.2常用的工业污水处理工艺…………………6
●2.4工业污水处理系统的现状与发展趋势……11
●2.5国内外工业污水处理系统的特点与要求…..12
第三章过程论述---------------13
●3.1硬件系统配置………………………………13
3.1.1主要组成部分…………………………14
3.1.2电气控制系统…………………………16
3.1.3工业污水处理系统的工作原理………18
3.1.4PLC选型及设计………………………20
3.1.5PLC的I/O资源配置…………………24
3.1.6其他资源配置及相关介绍……………24
●3.2软件系统设计…………………………………26
3.2.1总体流程设计…………………………26
3.2.2PLC和变频器通讯……………………28
●3.3分析结果………………………………………28
第四章小结---------------------29
●总结-------------------29
●致谢-------------------30
●参考文献---------------31
第一章选题背景
水资源的短缺已将成为制约经济持续协调发展的瓶颈。
水环境是人类赖以生存的空间,也是我们索取基本生活物质的宝库。
一旦被破坏,被污染则直接影响人们的生活。
1.1工业污水处理的国内外现状
随着工业的发展,人们的物质生活的提高,同时也产生了对我们的生活环境的污染。
治理水污染环境的课题被列入世界环保组织的工作日程。
我国工业污水处理技术从“七五”国家科技攻关开始逐步进行研究。
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。
七五”和“八五”相关项目在氧化塘、土地处理和复合生态系统等自然处理技术方面的研究较多,此后又建立了一些氧化塘、土地处理等污水示范工程。
根据国家十五发展纲要,十五期间各县市都要建立污水处理厂,如何保证处理过程的正常运行,减少运行成本也将成为环保部门、城建部门所关注的问题。
目前国家治理污染的重点是“33211”工程,即“三河”(淮河、海河、辽河流域)、“三湖”(太湖、巢湖、滇池)、“两区”(酸雨控制区、二氧化硫控制区)、“一市”(北京)、“一海”(渤海流域)[8]。
国际上,大规模的水污染治理是在第二次世界大战后,随着50年代经济的蓬勃发展带来的60年代日益严重性的环境污染而展开的。
至70年代末,美国投入了数千亿美元兴建了18000余座城市工业污水处理厂,英国、法国、德国更耗费了巨额资金兴建了7000至8000座城市工业污水处理厂。
工业污水处理设施中,城市排水管线和工业污水处理厂的兴建和运行在水污染控制中发挥着骨干作用[9]。
一些发达国家,如美国、日本、西欧等国,由于这些国家经济发达,并较早的实现了工业现代化。
如今,国外发达国家正兴建一批具有脱氮除磷功效的设施,对日常生活的水体质量改善和水环境保护起了重大的作用。
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%[8]。
因此,污水深度处理与再利用是通向健康水循环的桥梁,推进污水深度处理和普及再生水,创造良好水环境,是促进人类和谐发展的重要举措。
1.2课题的背景
据报道,我国年平均水资源总量为28000亿m2,居世界第六位,人均水资源量为2220m2,我国人均拥有淡水量为2400吨,为世界平均值的1/4,属于淡水资源贫乏的国家[1]。
我们国家的水资源时空分布上极不均匀,目前我国约300个城市缺水,其中严重缺水城市有50个。
与此同时,在我国大部分城市和地区,本已极为有限的水资源还受到水质恶化和水生态系统破坏的严重威胁。
又由于80%以上的污水未经有效处理就直接投进水域,已造成我国1/3以上的河段受到污染,90%以上的城市水域严重污染,近50%的重点城镇水源不符合饮用水标准。
据中国经济信息网分析统计,全国按目前正常需要,年缺水总量约为300亿~400亿立方米,因缺水造成的经济损失每年达2300亿元。
水资源的匮乏和水资源的污染,已经严重影响了人们的日常生活,同时也严重影响了我国的经济建设和发展[14]。
因此建设符合我们的污水处理自动控制系统对降低污水处理成本、改善环境、建立和谐社会,保持我国经济高速发展也是具有重要意义。
1.3研究目的与意义
水与人的生活息息相关,在现代社会生活及生产中人们对水的需求量越来越明显。
可是我国淡水资源不断减少,而且污染现象较为严重。
现代工业中生产工艺和设备对水质要求也是越来越高,淡水的浪费非常严重,用水成本也是不断升高。
我们北方地区水资源的超采,己形成漏斗地势、水位下降、湖泊干涸、河水断流、生态恶化。
淡水资源的短缺己经成为我国急需解决的问题。
然而,水资源是有限的。
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。
日本城市污水处理的电耗为0.304kwh/m³、美国为0.243kwh/m³,然而我国却高达0.365kwh/m³,我们的工作人员也是要比这些国家多,但是我国城市污水处理深度还是远不如这些国家[8]。
造成这种结果的原因分析可得:
污水处理厂管理水平低、自动化控制手段差。
耗水量高、重复利用率低、污染严重是我国工业系统水资源利用的突出问题。
有关资料显示,我国的工业用水重复利用率平均为40%~50%。
目前全国城市污废水的处理率(达排放标准的)仅有10%左右,严重的环境污染也是使有限的水资源日益减少、水质日益恶化。
水环境污染造成的水危机也已经成为炎黄子孙需要用集体的智慧来解决的问题。
有效的结合目前最新的工艺状况、计量自控检测仪表使用、PLC控制系统技术,是当前工业污水处理控制系统的追求方向。
1.4论文的指导思想
在保护环境的号召下,工业污水处理已经体现出其必要性和紧迫性,对于各种污水进行处理后再健康排放成为人们的心中大结。
随着工业的不断发展和城市人口的急剧增加,大量工业和生活污水未经处理流入江河湖海,使环境和饮用水被严重污染.因此,建立高度自动化的污水处理系统是解决水污染问题的有效途径。
针对目前我们污水处理厂高投入低效率的情况,我将规划一种低成本的污水处理控制系统。
为此我提出如下的设计:
1.5课题主要设计的内容
我选的课题主要的内容是工业工业污水处理基本工艺和流程,工业污水处理系统的组成以及PLC控制系统方面的简单规划,主要由以下内容:
①介绍了工业污水处理的基本内容,包括工业污水处理的工艺流程,控制形式以及工业污水处理的发展与要求。
②介绍了PLC的基本结构和工作原理。
③具体分析介绍工业污水处理系统的软硬件特点,并简要分析工业污水处理系统的系统组成。
④依据现有条件,展现该系统的可行性。
第二章方案论证
2.1工业污水处理基本概念
污水污染物可根据化学性质和物理形态进行不同的分类。
按化学性质:
污水中的污染物质可分为无机性物质和有机性物质,其化学元素以炭、氮、磷为主。
按物理形态:
污水中的污染物质可分为固体悬浮物即呈颗粒状的污染物质、胶体污染物质和溶解性污染物质[8]。
好氧有机污染物的性质稳定,在微生物的作用下,借助微生物的新陈代谢功能而降解为无机物,如二氧化碳、水、硝酸根离子等稳定的无机物。
有机物的种类很多,其共性是在微生物的作用下被降解时,都要消耗水中的溶解氧,所以在工程实际中,采用生物化学需氧量或生化需氧量、化学需氧量、总有机碳、总需氧量等综合污染指标来表述。
虽然生物化学需氧量能较精确地描述污水的生化需氧量,但其测定的时间太长,需20天。
考虑到好氧分解速率一般在开始的几天最快,在20℃温度下,污水五日生化需氧量(BOD5),约占BOD20的70%~80%,因此把BOD5作为衡量污染水的有机物浓度指标[8]。
化学需氧量(COD)的特点是能够精确的表示污水中有机物的含量,并且测定时间短。
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。
废水处理技术是一种高效废水回用的处理技术,采用优势菌技术对校园生活污水进行处理,经过处理后的中水可以用来浇灌绿地、花木、冲洗厕所及车辆等,从而达到节约水资源的目的。
水处理的目的主要是三种:
①去除水中影响使用水质的杂质以及污泥的处置
②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
③改变水的物理性质,如水的冷却,降低水的粘滞度等。
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[9]。
2.2常用的工业污水处理工艺
现代污水处理技术,按原理可分为物理、化学和生物化学处理法三类。
目前,工业污水处理的方法一般以生物处理法为主,辅以物理处理法和化学处理法。
根据实际情况,可以单一使用,也可以针对不同的污水混合使用。
(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,它运行费用较低,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)
按处理程度不同,污水处理技术又可分为预处理、一级处理、二级处理、深度处理和污泥处理及处置[9]。
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:
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。
常用的工业污水处理工艺主要有三种类型[9]:
①传统活性污泥法。
一种最古老的工业污水处理工艺,其工业污水处理的关键组成部分为沼气池与沉淀池,工艺流程如图2-1:
图2-1传统活性污泥法工艺流程图[1]
优点:
有机物去除率高,污泥负荷高,池的容积小,耗电省,运行成本低。
缺点:
普通曝气池占地多,建设投资大,满足国家标准相关指标范围小、易产生污泥膨胀现象,磷和氮的去除率低。
②A/O法。
该法是一种缺氧----好氧生物工业污水处理工艺。
该工艺通过增加好氧池与缺氧池所形成的硝化----反硝化反应系统,很好的处理了污水中的氮含量,具有明显的脱氮效果。
但是此硝化----反硝化反应系统需要得到很好的控制,其工艺流程图如图2-2:
图2-2A/O法工艺流程图[1]
③A2/O法。
该法是一种厌氧—缺氧—好氧工业污水处理工艺。
其除磷脱氮效果非常好,非常适合用于对除磷脱氮有要求的工业污水处理。
对除磷脱氮有特别要求的城市工业污水处理厂,首选A2/O工艺。
其工艺流程图如图2-3:
图2-3A2/O法工艺流程图[1]
④A/B法。
是吸附生物降解法的简称,于80年代初开始在我国应用于工程实践。
该工艺没有初沉淀,将曝气池分为高低负荷两段,并分别有独立的沉淀和污泥回流系统。
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,并有较高的节能效益。
尤其在采用污泥消化和沼气利用工艺时,优势最为明显。
⑤SBR法。
序批式活性污泥法的简称,是一种按照一定的时间顺序间歇式操作按间歇曝气方式来运行的污水生物处理技术。
早在1914年,这种处理系统就被采用,由于当时的自动化水平较低,操作困难且工作量大,随着城市和工业废水处理规模的日趋扩大,间歇式活性污泥法逐渐被连续式活性污泥法取代。
SBR反应池去除有机物的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。
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。
综上所述,传统活性污泥及其改进型A/0、A2/0、AB工艺,处理单元多,操作管理复杂,尤其是污泥厌氧消化工艺,对管理水平要求较高,而氧化沟法回流污泥溶解氧较高,对除磷有一定的影响。
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,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。
多种类型的SBR工艺在我国同样有应用,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。
而中城市污水处理厂选用SBR法最经济实用。
因此,在选择工业污水处理工艺的时候必需要认真考虑当地污水的情况,以及实际的工业污水处理的环境。
2.3工业污水处理系统控制形式[15]
早期的控制系统多采用继电器——接触器控制系统,但随着电子技术的飞速发展,该类控制方法逐渐被淘汰。
目前主要控制形式有以下几种:
①DCS系统。
即分布式计算机控制系统,是由计算机技术、信号处理技术、测量控制技术、通信网络技术等相互渗透形成的。
实现了真正的分散控制,可靠性提高,扩展能力较强。
主要特点是采用分级分布式控制,软硬件资源丰富,减少了系统的信息传输量,使系统应用程序比较简单,实时性好,响应快。
主要是用于各类生产过程。
②现场总线控制系统。
其是由DCS和PLC发展而来的,是基于现场总线的自动控制系统。
该系统按照公开、规范的通信协议在智能设备之间,以及智能设备与计算机之间进行数据传输和交换,从而实现控制与管理一体化的自动控制系统,优点:
可以用计算机丰富的软件、硬件资源,响应快,实时性好,通信协议公开,不同产品可互连。
③PLC系统。
利用它可以实现控制系统的功能要求,选用计算机作为其上位机,通过网络连接PLC,对生产过程进行实时监控,特点:
编程方便,开发周期短,维护容易。
通用性强,使用方便。
控制功能强。
模块化结构,扩展能力强。
PLC的CPU强大的网络通信能力,使得工业污水处理系统的数据传输与通信变得可能,并且也可实现其远程监控。
因此,PLC系统成为污水控制系统的首选控制形式。
2.4工业污水处理系统的现状与发展趋势
国外注重水处理中PLC的开发,相继研制出了一些智能、稳定、小巧的控制单元。
与国外相比,我国污水处理自动化控制起步较晚,在处理工艺有的还是一级处理,处理的规模也很小,致使污水处理技术和管理水平处于较落后的状态。
我国七十年代才开始采用热工仪表,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才有了很大的提高。
我国第一座大型污水处理厂——天津市纪庄子污水处理厂,它的诞生填补了我国大型污水处理厂建设的空白[8]。
此后,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随后进入我国污水处理行业市场。
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。
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。
可以说我们大体上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,我国未来城市污水处理发展趋势会是:
①氮、磷营养物质的去处仍为重点。
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。
⑦中小城镇污水污染与治理问题受到大众的普遍重视。
2.5国内外工业污水处理系统的特点与要求
资料显示,国外污水处理自控系统主要存在以下几个特点[4]:
①采用集散控制系统DCS和现场总线控制系统FCS。
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。
我国目前在水体污染、改善水体环境方面发挥了前所未有的效果,标志着我国工业污水处理事业发展到了一个崭新的阶段。
现阶段,我国工业污水处理的工作重点已经从工艺技术的研究转移到具体项目的实施。
资料显示,我国的污水处理自控系统有以下特点:
①新建的污水处理厂,引进了计算机分散控制系统,并且采用手动与自动并存的控制方式。
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。
工业污水处理系统的主要功能是完成对城市污水的净化作用,将城市中排除的污水通过该系统处理后,输出符合国家标准的水质。
为实现工业污水处理技术的简易、高效、低能耗的功能,并且实现自动化的控制过程。
采用PLC作为核心控制器是个较好的方案。
第三章过程论述
PLC污水控制系统的设计步骤如图3.1-1:
图3.1-1
3.1硬件系统配置
不同的结构对应不同的控制系统,因此需要根据不同的结构特点设计相应的控制系统。
应用序批式活性污泥法(SBR)处理工艺,采用三菱系列PLC作为控制中心实现对污水处理的自动控制[6]。
3.1.1主要组成部分
工业污水处理系统的结构比较复杂,设备较多,在氧化沟中其控制过程及原理大致相同,都是通过控制曝气机的转速来调节污水中的含氧量。
经过厌氧和好氧处理,污水中的热量、沼气等再生能源可以为工业生产提供二次能源,真正实现变废为宝、循环经济的目的。
图3.1-2工业污水处理系统基本组成示意图[14]
①进水系统。
主要由进水管道和进水泵房组成,进水管道主要由粗格栅机和清污机组成,进水泵房主要有两台潜水泵组成。
进水管道的主要功能是将污水中的大块物体排除,其中的粗格栅是根据程序设定的时间进行间歇工作,而清污机的运行和停止是根据粗格栅两侧的液位差来决定的即当液位差超过某个值时,启动清污机;当液位差小于某个值时停止清污机的运行。
进水泵房中的潜水泵运行及停止是通过安装在泵房内的液位传感器来决定的即当液位较低时只启动一台潜水泵,当液位较高时启动两台潜水泵,若液位持续升高时,则输出报警以示意有故障发生。
②除砂系统。
主要由细格栅系统和沉砂池组成,细格栅系统是由细格栅机和转鼓清污机组成,沉砂池的主要设备是分离机。
细格栅系统的主要功能是进一步净化污水中的颗粒物体,将污水中细小的沙粒滤除。
细格栅机是根据程序设定时间进行间歇工作,而转鼓清污机的运行和停止则根据细格栅两侧的液位差来决定即当液位差超过某个值时,启动清污机;当液位差小于某个值时停止清污机的运行。
沉砂池中分离机的运行和后续处理中的转碟曝气机的运行同步。
③氧化沟系统。
由氧化沟和污泥回流系统构成,氧化沟包括转碟曝气机和潜水搅拌机,主要对污水进行生化处理,分解污水中的有害物质,使其达到一定的水质标准。
污水回流系统主要由污泥回流泵构成。
氧化沟中设置有溶解氧仪对污水中的含氧量进行检测,根据其反馈到PLC的值来控制曝气机变频器的运行。
潜水搅拌机的作用是推进水流,同时使氧化沟的污水和活性污泥处于剧烈的搅拌状态,使他们充分混合接触,使它们的生化反应更加充分,以便最大程度地分解污水中的有害成分。
④沉淀系统。
主要设备为刮泥机,其功能是对进行氧化沟
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