工业污水处理自动控制系统(毕业设计论文)

毕业设计说明书（毕业论文）工业污水处理自动控制系统工业污水处理自动控制系统摘摘 要要近年来 ,污水处理厂已成为各个城市最重要的基础设施之一。尤其是中小城市,新建或扩建污水处理厂已成为当地政府改善人民生活水平的头等大事。随着自动化技术、计算机技术的不断发展、完善,污水处理厂的自动化水平也相应提高。而 PLC 控制器以其技术成熟、通用性好、可靠性高、安装灵活、扩展方便、性能价格比高等一系列优点，在工业控制中得到了越来越广泛的应用。本文主要介绍了污水处理厂自动控制系统的组成、功能及如何利用 PLC 实现自动控制,并介绍了在系统实施中遇到的若干问题及其解决措施。在污水处理中采用PLC 控制系统改造后，提高了自动控制的可靠性,不仅减轻了工人的劳动强度,而且提高了污水处理厂的运行效率和运行效益,实现了污水厂生产管理的科学性。关键词关键词：PLC；污水处理；硬件毕业设计说明书（毕业论文）Industrial wastewater treatment automatic control systemAbstractIn recent years, sewage treatment plant has already become one of the most important infrastructures in every city, and especially in small and medium-sized ones, to build and expand such plants has been on the local governments top agenda to improve peoples life. With the development and improvement of automation technique and computer technology, automation level of sewage treatment plants has also made a corresponding leap. While PLC has series of merits such as: mature technique, fine universal property, high reliability, flexible to install, convenient to expand, excellent cost performance, etc, which have enabled it gain a more and more widespread application in industrial control. This paper will mainly introduce the composition and function of the automatic control system in sewage treatment plants and several problems that may occur in the practical use of the system and the possible solutions to them. Since the transformation by employing PLC control system in sewage treatment, the reliability of automatic control has been advanced, which has not only reduced workers work intensity, but also improved the operational efficiency of the sewage treatment plants, thus has made the scientific administration of manufacturing in sewage treatment plants possible.Key words: PLC;Sewage treatment;Hadware 毕业设计（论文）目录目录摘 要 .IABSTRACT.II第一章绪论.51.1 工业污水处理的国内外现状.61.2 课题的背景.61.3 研究目的和意义.7第二章 工业污水处理控制系统工艺流程的介绍.92.1 工业污水处理基本概念.92.2 常用的工业污水处理工艺.102.3 本设计系统工业污水处理工艺及描述：.122.4 工业污水处理系统控制形式.132.5 工业污水处理系统的功能要求.142.5.1 信号输入.152.5.2 控制输出信号.15第三章 硬件设备配置.163.1 主要组成部分.163.2 电气控制系统.173.3 工业污水处理自动控制系统的工作原理.183.3.1 控制系统总体框图.183.3.2 工作过程.183.3.3 工业污水处理系统主电路设计.193.4 PLC 的应用.193.4.1 PLC 简介.193.4.2 PLC 选型.233.4.3 PLC 的 I/O 资源配置.243.5 其他硬件的选型.26毕业设计（论文）3.5.1 电动机的选型.263.5.2.接触器的选型.293.5.3 时间继电器选用.303.5.4 变频器的应用.303.5.5 液位差计.343.5.6 软启动器的应用.35第 4 章 软件系统设计.414.1 总体流程设计.414.1.1 手动模式.414.1.2 自动模式.424.2 曝气过程控制的任务.484.3 氯气投加环节.494.4 絮凝剂投加环.494.5 PID 控制 .504.6 PLC 和变频器，软启动器通讯 .51第 5 章 调试和运行结果.535.1 硬件系统的调试.535.2 软件系统的调试.535.3 运行结果.54结论.56参考文献.57致谢.58毕业设计（论文）第一章绪论第一章绪论水与人的生活息息相关，特别在现代社会生活及生产中人们对水的需求量与日俱增。然而，水资源是有限的。据报道我国人均拥有淡水量为 2400 吨，为世界平均值的 1/4，在全球 149 个国家（参与统计国家中） ，我国人均淡水资源位居 110 位，属于淡水资源贫乏的国家。而且我国水资源时空分布极不均衡，全国 500 多个城市缺水，其中多个严重缺水，北方地区缺水现象尤其严重，人均拥有淡水量仅有 240 吨。令人担忧的是淡水总量日益减少，用水成本不断升高，淡水的浪费非常严重。我国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【1】。我国淡水资源不断减少，而且污染现象较为严重。随着社会的发展，水资源已经成为影响工业发展的重要因素，现代工业中生产工艺和设备对水质要求越来越高。但是我国工业用水耗费高，重复利用水少，中水使用率不高，有关资料显示，我国的工业用水重复利用率平均为 40%50%【2】。目前全国城市废水的处理率（达排放标准的）仅有 10%左右，其余的污废水都直接排入河川、湖泊、海洋。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。严重的环境污染使有限的水资源日益减少、水质日益恶化，无疑是“雪上加霜” 。据统计，由于水质污染，我国已有大约 3 亿人的饮水发生不安全现象，其中 1.9 亿人的饮水是超标水。气象学家预测，2100 年全球变暖加剧，地表将有 1/3 的面积变为沙漠，那时，干旱将威胁全球一半的大陆人类的生存【3】。这些现象都是水污染产生的严重后果，因此工业污水处理项目的实施已经刻不容缓。众多迹象表明，水资源的短缺无疑将成为制约经济持续协调发展的瓶颈，因此世界各国越来越重视水处理和水的再利用，通过各种技术进一步提高供水质量，提高经济效益。并且工业污水处理过程中，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。随着环境保护的呼声越来越高，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排放成为各企业基本的要求。在工厂的工业污水处理过程中，污水来源的不稳定以及工厂中各种污水的成分毕业设计（论文）的复杂性，对工业污水处理的工艺和控制方式提出了非常高的要求。1.1 工业污水处理的国内外现状工业污水处理的国内外现状我国工业污水处理大多经历了以下几个过程 20 世纪 70 年代初全国各地陆续建立了“三废治理”和环境保护机构开始了工业污水治理工作与“三同时”（即一切企业，事业单位在进行新建，改建和扩建时，其防止污染和其他公害的设施，必须与主体工程同时设计，同时施工，同时投产）的要求，特别是 80年代以来至 90 年代初，水污染防治法规和标准逐步完善，建设项目环境影响评价，排污收费，排污许可证，限期治理等环境管理制度相继建立，更加速了工业污染治理进程。几十年来全国共投资 370 多亿元，修建了 44861 套工业废水处理装置，处理废水能力达到 6520 万立方米每日，占全国工业污水污染源约60%【4】。在工业产值翻了两倍的情况下，全国工业废水的：酚酞，氰化物，汞，砷，络，镉，铅等其中有害物质的排放量，分别下降了 39%91%。90 年代初期，在工业污染防治工作中，又提出了必须实行“三个转变”的方针，即从 末端治理向生产全过程控制推行清洁生产转变；从点源治理向点源治理与集中治理相结合转变；从浓度控制向浓度控制与总量控制相结合转变，从而使工业废水治理工作能够取得更大效益。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。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。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【5】。这些工业污水处理厂的投入对国家的水体污染改善起了关键的作用，也为人类治理水污染积累了丰富的经验。现在，这些国家的工业污水处理水平又有了进一步提高，兴建了一批具有脱氮除磷功效的设施，对水体质量改善和水环境保护起了重大的作用。毕业设计（论文）1.2 课题的背景课题的背景未来 10 年，中国工业污水处理项目工程建设投资将超过 2500 亿元，其中工业污水处理设备投入约 300 亿元。采用先进、实用的技术改造传统工艺，在环保工程中广泛采用先进的自动控制技术，是推动环保产业升级，实现环保发展战略的重要环节。在这种形势下工业污水处理自动化控制系统无疑是一个具有巨大的社会效益、环境效益及经济效益的研究课题。对于环境保护问题，国务院明确规定所有工业污染源都必须达到排放标。其中处理过的污水还可以循环再利用，由于我国是一个水资源匮乏的国家，而且时空分布上极不均匀，许多地区和城市严重缺水。所以水资源也是一种保护。因此，从环保、注水等多方面的因素考虑，对于工业污水处理非常有必要。因此，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，将为当前工业污水处理控制系统提供有效的自控方法。1.3 研究目的和意义研究目的和意义世界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，使人民生活得到进一步改善，但是也随之带来不同程度的环境污染，污水也是造成环境污染的来源之一。这个污染源的出现引起了世界各国政府的关注，治理水污染环境的课题被列入世界环保组织的工作日程。我国是一个严重缺水的国家，虽然我国年平均水资源总最为 28000 亿 m2，居世界第 6 位，人均水资源量为 2220m2，居世界第 110 位，已经被联合国列为世界上 13 个缺水国家之一。目前我国约 300 个城市缺水，其中严重缺水城市有 50 个。据中国经济信息网分析统计，全国按目前正常需要，年缺水总里约为 300 亿400 亿立方米，因缺水造成的经济损失每年达 2300 亿。超过洪涝灾害。水沟的匮乏和水资源的污染，己经严重的影响了人民的日常生活，严重的影响了我国的经济建设和发展。因此建设符合我国国情的污水厂自动控制系统对降低工业污水处理成本、改善环境、建立可持续发展社会和和谐社会、保持我国经济高速发展具有重要意义。课题主要设计的内容 本课题主要设计的内容是工业污水处理工艺及工业污水处理系统的组成和毕业设计（论文）PLC 控制系统设计,主要由以下内容组成：（1）介绍了工业污水处理的基本内容，包括工业污水处理的发展现状以及工业污水处理的工艺流程；（2）介绍了 PLC 的基本结构和工作原理，并对工业污水处理控制系统进行设计分析；（3）具体分析设计工业污水处理的硬件系统；（4）具体分析设计工业污水处理的软件系统；（5）工业污水处理系统的调试与运行。毕业设计（论文）第二章第二章 工业污水处理控制系统工业污水处理控制系统工艺流程的介绍工艺流程的介绍2.1 工业污水处理基本概念工业污水处理基本概念城市污水、生产污水或经过工业企业局部处理后的生产污水，往往都排入排水系统。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。污水的污染物按化学成分，污水中的污染物质可分为无机性和有机性两大类，无机污染物有矿粒，酸，碱，无机盐类，氮磷营养物及氰化物，砷化物和重金属离子等。有机物的污染物有碳水化合物，蛋白质，脂肪及农药，芳香族化合物，合成聚合物等。在污水中有大量的有机物其中一部分在水体中因微生物的作用而进行好氧分解，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。进行好氧分解时水中溶解氧降低，甚至完全缺氧。在无氧是进行厌氧分解，放出恶臭气体，水体变黑，是水中生物灭绝。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，采用以下的几个综合污染指标来表述：生物化学需氧量或生化需氧量（Bio-chemical Oxygen Demand, BOD）mg/L、化学需氧量(Chemical Oxygen Demand, COD) mg/L、总有机碳(Total Organic Carbon) mg/L、总需氧量(Total Oxygen Demand) mg/L。虽然 BOD20。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，工业污水的 BOD5为比较大有的高达数千 mg/L。化学需氧为量(COD)即高温，有催化剂及强酸环境下，强氧化剂氧化有机物所消毕业设计（论文）耗的氧量，单位为 mg/L。对于同类污水化学需氧量一般高于生化需氧量。其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，但它不能像 BOD那样表示出微生物氧化的有机物量。2.2 常用的工业污水处理工艺常用的工业污水处理工艺污水处理任务是采用各种方法和技术措施将污水中所罕有的各种形态的污染物分离出来或将其分解，转化为无害和稳定的物质使污水得到净化， 不同的工业污水处理对象，不同的工业污水处理环境，将需要有不同的工业污水处理工艺来处理。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。工业污水处理的方法主要有物理、化学、物理化学，以及生物等几种。这些方法根据实际情况，可以单一使用，也可以针对不同的污水混合使用。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。常用的工业污水处理工艺有以下几种。（1）传统活性污泥法。传统活性污泥处理法是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曝气池与沉淀池，主要处理部分关系框图如图 2.1 所示。图 2.1 传统活性污泥法工艺流程图将空气连续鼓入含有大量溶解有的有机物在曝气池中，经一段时间，水中即生成繁殖有大量好氧性微生物的絮凝体活性污泥，活性污泥能够吸附污水中的大部分有机物，生活在活性污泥上的微生物以有机物为食料，获得能量，有机物在曝气池中被氧化成无机物，然后在沉淀池中经过沉淀后的部分活性泥需要回流到曝气池中。该工艺的优点有：有机物去除率高，污泥负荷高，池的曝气池（微生物吸附有机物氧化为无机物）沉淀池（活性泥下沉）回流活性泥原污水清水排出毕业设计（论文）容积小，耗电省，运行成本低。该工艺的缺点有：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。（2）A/O 法。A/O 法是在传统活性污泥法的基础上发展起来的一种工业污水处理工艺，其中 A 代表 Anoxic（缺氧的），O 代表 OXIC（好氧的）。A/O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，这样就对该工艺提出了更高的管理要求，这也成为了该工艺的一大缺点。其工艺流程图如下：图 2.2 A/O 法工艺流程图（3）A2/O 法。A2/O 法也是在传统活性污泥法的基础上发展起来的一种工业污水处理工艺，其中 A2，即 A-A，前一个 A 代表 Anaerobic（厌氧的），后一个 A 代表 Anoxic（缺氧的）；O 代表（好氧的）。A2/O 是一种厌氧缺氧好氧工业污水处理工艺。A2O 法的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。因此，在对除磷脱氮有特别要求的城市工业污水处理厂，一般首选 A2/O 工艺。其工艺流程图如图 2.3 所示。进水出水混合液回流活性污泥回流图 2.3 A2/O 法工艺流程图二沉池好氧池（0）缺氧池（A）厌氧池（A）毕业设计（论文）（4）A/B 法。A/B 法是吸附生物降解法的简称，属超高负荷活性污泥法，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。高负荷段停留时间约为 2040min，以生物絮凝吸附作用为主，同时发生不完全氧化反应，去除 BOD 达 50%以上。B 段与常规活性污泥法相识，负荷较低。AB 法中 A 段效率很高，并有较强的缓冲能力。B 段起到出水把关作用，处理稳定性较好。对于高浓度的工业污水处理，AB 法具有很好的适用性，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。但是，AB 法污泥产量较大，A 段污泥有机物含量极高，因此必须添加污泥后续稳定化处理，这样就将增加一定的投资和费用。另外，由于 A 段去除了较多的 BOD，造成了碳源不足，难以实现脱氮工艺的要求。对于污水浓度低 的场合，B 段也比较困难，也难以发挥优势。总体而言，AB 法工艺较适合于污水浓度高，具有污泥消化等后续处理设施的大中规模的城市工业污水处理厂，且有明显的节能效果，而对于有脱氮要求的城市工业污水处理厂，一般不宜采用。（5）SBR 法。SBR 法是歇式活性污泥法的简称，污水流至单一反应池中，按时间通过程序控制各过程。在反应池的一个工作周期，运行程序依次为进水，反应，沉淀，出水和待机等过程，也是一种按间歇曝气方式来运行的活性污泥工业污水处理技术，又称序批式活性污泥法。其反应机理及去除污染物的机理与传统的活性污泥法基本相同，只是运行操作方式不尽相同。SBR 法与传统的水处理工艺的最大区别在于它是以时间顺序来分割流程各单元，以时间分割操作代替空间分割操作，非稳态生化反应代替生化反应，静置理想沉淀代替动态沉淀等。整个过程对于单个操作单元而言是间歇进行的，但是通过多个单元组合调度后又是连续的，在运行上实现了有序和间歇操作相结合。该法适用于中小水量和出水水质要求较高的场合，有利于自动化控制；通过对运行的调整，该池可进行除磷脱氮和化学处理有利于污水回用。2.3 本设计系统工业污水处理工艺及描述：本设计系统工业污水处理工艺及描述：进入污水处理厂的原污水先通过格栅在这里按照格栅两端的水位差，水位差到一定高度的时候格栅开启电动机开始启动，一般设置机械格栅除污机，去毕业设计（论文）除污水中的悬浮物。然后经过沉淀池;是预先沉降分离去除污水中的砂粒，以保护管道、阀门、机泵等设施免受磨损和阻塞，否则会影响后续处理设备的正常运行经过沉砂池的污水进入提升泵房，有五台排污泵，三台启动两台备用，按照水位的高低和运行时间的累计启停排污泵，主要的作用是利用排污泵将提升到较高的位置进行处理以免污水回流，经过提升泵房的污水进入初次沉淀池，在这里通过重力沉降去除污水中的悬浮物，残留的可沉淀的并去除液面浮渣，同时去除一部分有机污染物。经过初次沉淀池的污水流入到曝气池中，曝气池中利用微生物进行生物处理，要促进有机物化合物分解为最终的无机物，为此需要大量的活性污泥和提供微生物繁殖的足够氧气，促使有机物降解，在曝气池中禁止有死角存在，经过曝气处理后的污水进入到二次沉淀池，二次沉淀池是分离水和活性污泥的构筑物，在这里靠旋转刮泥桥将沉淀的活性污泥刮入中心泥斗中，这些活性污泥大部分送至曝气池中(回流污泥)另一部分剩余的污泥送到浓缩池中进行浓缩。在二次沉淀池中还要做一项工序是进行酸碱中和。经过二次沉淀池的污水就比较比较干净的了，就进入接触池，接触池的作用是取样间，取出一些水进行化验取样，检验是否达标。然后进入加氯加药间，进行最后的一层消毒就可以回收利用了。本工业污水处理工艺流程图如下图 2.4 所示：污泥回收利用回用水图 2.4 工艺流程图格栅提升泵沉砂池曝气池二次沉淀池接触池加氯间污泥处理回用初次沉淀池毕业设计（论文）2.4 工业污水处理系统控制形式工业污水处理系统控制形式20 世纪 60 年代以前流水线的自动控制系统基本上都采用传统的继电器控制，但随着电子技术的飞速发展，控制要求的不断提高，继电器控制需要经常的重新设置和安装从而延缓了控制系统的时间，所以人们就想能有一种通用性和灵活性较强的控制系统来替代原有的机电控制系统， ，取而代之的是 DCS、现场总线控制、PLC 等控制方。（1）DCS 系统。DCS 是集散控制系统的简称，又称为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。由计算机和现场终端组成，通过网络将现场控制站、检测站和操作站、控制站等连接起来，完成分散控制和集中操作、管理的功能，主要是用于各类生产过程，可提高生产自动化水平和管理水平，其主要特点如下：采用分级分布式控制，减少了系统的信息传输量，使系统应用程序比较简单。实现了真正的分散控制，使系统的危险性分散，可靠性提高。扩展能力较强。软硬件资源丰富，可适应各种要求。实时性好，响应快。（2）现场总线控制系统。现场总线控制系统是由 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，其优点：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。（3）PLC 系统。PLC 是可编程逻辑控制器的简称，用它作为处理系统的控制器，实现控制系统的功能要求，也可利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，其特点去下：可靠性高，应用灵活使用方便，面向控制过程的编程语言，容易掌握，易于安装，调试，维修，网络功能强大，体积小重量轻。2.5 工业污水处理系统的功能要求工业污水处理系统的功能要求工业污水处理系统的主要功能是完成对城市污水的净化的作用，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。长期以来，工业污毕业设计（论文）水处理技术虽然经过了迅速发展，但仍滞后于城市发展的需要，工业污水处理率低、设备运转率低等极大地影响了城市发展。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。PLC 作为工业污水处理系统的控制系统使得设计过程变得更加简单，可实现的功能变得更多。与各类人机界面的通信可完成 PLC 控制系统的监视，同时使用户可通过操作界面功能控制 PLC 系统。由于 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。利用 PLC 作为控制器的工业污水处理系统主要涉及两个方面：一是信号输入；二是控制输出信号。2.5.1 信号输入信号输入工业污水处理系统信号输入检测方面主要涉及四类信号的监测，主要包括：按钮的输入检测、液位差的输入检测、液位高低的输入检测，二沉池中酸碱度的检测（1）按钮输入检测。大多数为人工方式控制的输入检测，主要有自动按钮、手动按钮、格栅机启动按钮、清污机启动按钮、潜水泵启动按钮、潜水搅拌机启动按钮、污泥回流泵按钮、曝气机工频、变频按钮，以及变频加速减速按钮等。（2）液位差输入检测。检测格栅两侧液位差，用来控制清污机的启动与停止。（3）液位高低输入检测。检测进水泵房和污泥回流泵房中液位的高低，用来控制潜水泵或污泥回流泵的启动和停止，以及投入运行的潜水泵的数量。（4）酸碱度的检测。当污水中含有酸性或碱性物质时，就会使水中的酸碱性不平衡，从而改变水中生物的生活环境，导致水中生物大量灭绝。若用这种水进行灌溉，就会使作物枯萎、死亡。所以必须调整去 PH 值，由 PH 值量计测量污水的酸碱值，控制加酸阀、加碱阀进行中和作业。(1)若为酸性时，PH 值量计酸性触点接通，加碱阀门打开。毕业设计（论文）(2)若为碱性时，PH 值量计碱性触点接通，加酸阀门打开。(3)若酸碱适中时，PH 值量计中性触点接通，加碱阀和加酸阀门关闭，安全灯打开。2.5.2 控制输出信号控制输出信号信号输出部分主要是数字量输出。控制各类设备的启动和停止，包括：格栅机启停、清污机启停、潜水搅拌器启停、排污泵的启停，阀门等设备。第三章第三章 硬件设备配置硬件设备配置随着我国的污水处理工艺的超常规建设速度发展，污水处理厂的机械设备也在不断地发展和提高，污水处理厂的设备分为两种即通用机械设备和专用机械设备，通用机械设备指的是水泵类，阀门类，风机类等，专用机械设备是水工业设备自身研制的重点，主要有：拦污机械设备，除砂和沉淀池刮吸泥机械设备，曝气和搅拌设备，投药和消毒设备，污泥浓缩和脱水设备，污泥消化和沼气利用设备。对于不同的结构，其配套的设备也有较大的不同，所以其结构比较复杂，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。3.1 主要组成部分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，其基本组成如图 3-1 所示。毕业设计（论文）图 3.1 工业污水处理系统基本组成示意图(1）进水系统。进水系统主要有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，进水泵房主要有五台潜水泵组成。进水管道的主要功能是将污水中的粗大物体排除，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，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和其几台泵的运行时间决定的，当液位到达一定高度的时候先启动运行时间最短的一台泵，经过一定的延时再启动在剩下的四台里面运行时间最短的一台泵，在经过一点时间启动第三台泵。水为到达指定的最小液位时，运行时间最长的一台泵先停机，经一定的延时后另一台泵再停机 1 经过一定时间另一台在停机 。(2）除砂系统。除砂系统主要由沉砂池组成，沉砂池的主要设备是分离机。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，即启动转碟曝气机的时候同时启动分离机，对沉砂池中的沙粒进行排除。(3）曝气池系统。在活性污泥法处理系统中微生物生化需要的氧量需通过曝气的方法，使空气和污水强烈的搅动，并将空气中的氧溶于水中，因此曝气过程是活性污泥法的中心环节，也是在污水处理过程中耗能最大的工序，曝气方法可分为鼓风曝气和机械曝气， 。目前活性污泥法工艺中采用鼓风曝气设备较为普遍，鼓风曝气是将带有一定压力的空气通过曝气扩散器送至曝气池混合液中。主要设备有鼓风机及曝气扩散器（曝气器） 。(4）沉淀系统。沉淀系统主要设备为刮泥机，其功能是对进行曝气池处理后的污水进行物理沉淀，将污泥和清水分离，刮泥机在整个系统启动后就开始持续运行。在该系统中用到一定化学药剂主要包括混凝剂、絮凝剂、复合碱等，主要用来调节改善混凝条件及絮凝体结构，利用高分子助凝剂的强烈吸附架桥作用，使细小松散的絮凝体变的粗大而紧密，容易发生沉降。在沉淀系统的持有做个酸碱中和处理使污水中的酸碱度得到酸碱平衡。(5）污泥脱水环节。污泥脱水系统主要包括离心式脱水机，其主要功能是对氧化池中处理过污水的活性污泥进行脱水处理，由于对污水进行处理后，活性污泥中有新的微生物及其他杂质，因此需要先对活性污泥添加一定量的药物，毕业设计（论文）便于污泥脱水。离心式脱水机主要有聚合物泵、污泥机和切割机构成，以上设备按照顺序控制的方式启动，依次启动聚合物泵、污泥机和切割机，完成对污泥的脱水 处理。3.2 电气控制系统电气控制系统电气控制系统主要包括操作面板、显示面板、电气控制柜等单元。由于在该系统中需要检测较多的数字输入量，根据设定的程序进行数据处理后，输出控制信号，因此系统的控制逻辑与时序就需要严格照检测信号的输入进行控制。(1）操作面板。操作面板主要包括手动、自动、各类设备的启动按钮等。(2）显示面板。显示面板由于要显示较多的数据，因此一般采用触摸屏或者人机界面。(3）电气控制柜。电气控制柜是电气控制的核心设备，主要包括变频器、各类传感器的输入信号、PLC 及其扩展模块等。3.3 工业污水处理自动控制系统的工作原理工业污水处理自动控制系统的工作原理3.3.1 控制系统总体框图控制系统总体框图工业污水处理系统的电气控制系统总框图如图 4-2 所示，PLC 为核心控制器，通过检测操作面板按钮的输入、各类传感器的输入，以及相关模拟量的输入，完成相关设备的运行、停止和调速控制。可编程控制器PLC液位差计输入器液位传感器输入PH 测试计格栅机启动排污泵启动酸碱阀运行手动控制运行故障信号输入格栅机停机排污泵停机毕业设计（论文）图 3.2 电气控制系统框图3.3.2 工作过程工作过程在手动状态下，各类设备的控制是根据操作面板上的按钮输入来控制，无逻辑控制，即可不根据传感器的状态进行控制。在自动方式下进行闭环控制根据检测到外部传感器的输入数据经过一定的处理输出对设备进行启停控制的信号而对各设备进行启停控制，其工作过程如下。(1）接通电源，启动自动控制方式，启动搅拌机， (2）当格栅两端的液位差到达设定值时，格栅机启动，清污机也启动，运行一段时间，如果液位差到达指定的最小值是格栅机停止，清污机停止。(3） 进水泵房中的潜水泵根据液面高低和运行时间进行运行、停止及运行数量的控制。 (6）酸碱阀的开启和关闭按照测试的酸碱程度进行控制(7）污泥回流泵的运行与停止根据液面的高低进行控制。3.3.3 工业污水处理系统主电路设计工业污水处理系统主电路设计图 3-3 为工业污水处理系统的主电路及控制回路的部分图。五台电机分别为排污泵（M1）（M2）（M3）（M4）(M5)。M1、M2，M3 为用软启动器启动，然后分别用继电器 KM1，KM2 ,KM3 控制；接触器,KM4,KM5 分别控制M4,M5 的变频运行；QF1、主电路的空气开关；FU1 为主电路的熔断器。选用的MM430 变频器是用来控制电,M4,M5 的变频运行。QF2，QF3，QF4，分别为软启动的隔离开关，QF5 为变频器的空气隔离开关。3.4 PLC 的应用的应用3.4.1 PLC 简介简介以往的顺序控制器主要由继电器组成，由此构成的控制系统都是按预先设定显示面板毕业设计（论文）好的时间或条件，顺序的工作，若要改变控制的顺序就必须改变控制器的硬件接线，使用起来不灵活，也很麻烦。1968 年，美国最大的汽车制造商通用汽车公司（GM 公司）为了适应生产工艺不断更新的需求，要求寻找一种比继电器更可靠，功能更齐全，响应速度更快的新型工业控制器，并从用户角度提出了新一代控制器应具备的十大条件，立即引起了开发热潮。这十大条件是：（1）编程方便，可现场修改程序；（2）维修方便，采用插件式结构；（3）可靠性高于继电器控制装置；（4）体积小与继电器控制盘；（6）成本可与及电气控制盘竞争；（7）输入可为市电；（8）输出可为市电，容量要求在 2A 以上，可直接驱动接触器等；（9）扩展时原系统改变最少；（10）用户存储器大于 4KB。1969 年，美国数字设备公司（DEC 公司）研制出了第一台可编程器 PDP14，在美国通用汽车汽车公司的生产线上试用成功，并取得了满意的效果，可编程器自此诞生。早期的可编程器主要由分立元件和中小规模集成电路组成，它采用一些计算机技术，但简化了计算机的内部电路，对工业现场环境适应较好，指令系统简单，一般只具有逻辑运算的功能。随着微电子技术和集成电路的发展，特别是微处理器和微计算机的迅速发展，至二十世纪 70 年代中期，美，日德等国的一些厂家在可编程控制器中开始更多的引入微机技术，微处理器，及其他大规模集成电路芯片成为其核心部件，使可编程器的性能价格比产生了新的突破。现在的可编程器采用微处理器（CPU）,只读存储器（ROM）随机存储器（RAM）或是单片机作为其核心近年来可编程器的发展更为迅速。PLC 未来的发展不仅依赖于对新产品的开发，还在于 PLC 与其他工业控制设备和工厂品的开发，还在于 PLC 与其他工业控制设备和工厂管理技术的综合。无疑，PLC 在今后的工业自动化中将扮演重要角色。可编程器（Programmable Controller）缩写为 PC 为了与个人计算机相区毕业设计（论文）别把可编程控制器缩写为 PLC。PLC 一直在发展中，因此直到目前为止还未能对其下最后的定义。IEC（国际电工委员会）与 1987 年对可编程控制器下的定义为：可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专用工业环境下应用而设计；它采用一种可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算，顺序控制，定时，计数和算术操作等面向用户的指令；并通过数字式或模拟式输入输出控制各种类型的机械或生产过程。PLC 及其外部设备，都按易于工业控制系统联成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。现代工业生产多种多样，他们对控制的要求也各不相同，PLC 由于具有以下特点而深受欢迎（1）可靠性高，抗干扰能力强；（2）适应性强，应用灵活；（3）编程方便，易于使用；（4）控制系统设计，安装，调试方便；（5）维修方便，维修工作量小；（6）功能完善。PLC 的类型多，型号各异，各生产厂家的规格也各不相同，如何进行分类存在不少困难，一般按以下原则考虑：按 I/O 点容量分 PLC 可分为小型机，中型机和大型机。按照结构形式可以分为整体式结构和模块式结构。小型 PLC 输入输出总点数一般在 256 点以下，其功能以开关量控制为主，用户程序存储器容量在 4K 字以下，小型 PLC 的特点是体积小，价格低，适用于控制单台设备，开发机电一体化产品。典型的小型机有 SIEMENS 公司的 S7-200 系列，OMRON 公司的 C200H 系列，三菱 F-40,MODICONPC-085 等整体式PLC 产品。中型 PLC 的输入输出总点数一般在 256-2048 点之间，用户程序容量达到2-8K 字，中型 PLC 不仅具有开关量和模拟量的控制功能，还有更强的数字计算能力，它的通讯功能和模拟量处理能力更强大，适用于复杂的逻辑控制系统以及连续生产过程控制场合。典型的中型机有 SIEMENS 公司的 S7-300 系列，OMRON 公司的 C200H 系列，AB 公司的 SLC500 系列模块式 PLC 等产品。毕业设计（论文）大型 PLC 的输入输出总点数在 2048 点以上，用户程序存储容量达到 8-16K 字，它具有计算，控制和调节的功能，还具有强大的网络结构和通讯联网能力。它的监视系统采用 CRT 显示，能够表示过程的动态流程。大型机适用于设备自动化控制，过程自动化控制和过程监控系统。典型的大型 PLC 有SIEMENS 公司的 S7-400，OMRON 公司的 CVM1 和 CS1 系列 AB 公司的SLC5/05 系列等产品。整体式结构的又叫单元式或箱体式，它的体积小，价格低，小型 PLC 一般采用整体式结构，整体式结构的特点是将 PLC 的的基本部件，如 CPU 模块，I/O 模块和电源等紧凑的安装在一个标准的机壳内，组成 PLC 的一个基本单元或扩展单元。基本单元上没有扩展端口，通过扩展电缆与扩展单元相连，已构成 PLC 不同的配置。模块式结构的 PLC 是由一些模块单元构成，将这些模块插在框架上或者基板上即可。各模块的功能是独立的，外形尺寸是统一的，插入什么模块可根据需要灵活配置。目前，中，大型 PLC 多采用这种结构形式。PLC 的基本组成PLC 实际上是一个工业计算机，只不过它比一般的计算机具有更强的与工业过程相连接的接口和更直接的适用于控制要求的编程语言，故 PLC 与计算机的组成十分相似。从硬件结构看，它也有硬件处理器（CPU） 、存储器、输入输出接口、电源等，如图 3.4 所示图 3.4 PLC 的基本组成电源中央处理器存储器编程器输入接口输出接口毕业设计（论文）3.4.2 PLC 选型选型根据工业污水处理自动控制系统对电气控制器的功能要求，以及其复杂程度，从经济性、可靠性等方面来考虑，选择西门子 S7200 系列 PLC 作为工业污水处理系统的电气控制系统的控制主机。由于工业污水处理电气控制系统涉及较多的输入输出端口，其控制过程相对复杂，因此采用 CPU226 作为该控制系统的主机。S7-200 系统 CPU 22X 系列 PLC 的 CPU 模块包括一个中央处理单元，点源以及数字 I/O 点，这些都被集成在紧凑，独立的设备中，CPU 负责执行程序，以便对工业自动化控制任务或过程进行控制。输入部分从现场设备中采集信号，输出部分则输出控制信号，控制工业过程中的设备。从 CPU 模块的功能来看，S7-200 系列小型 PLC 发展至今，经历了两代：第一代为 CPU21X 它具有四种不同结构配置的 CPU 单元 ，另一种是 CPU22X它是二十一世纪投放市场的，其速度快具有极强的通讯能力。它具有四种不同结构配置的 CPU 单元其分别为：CPU221，CPU221 具有 6 输入 4 输出，共计十个点的 I/O,无扩展能力，有6KB 程序和数据存储空间。还具有四个独立的 30kMB 高速脉冲输出端，一个RS-485 通讯、编程口，具有 PPI 通讯协议、MPI 通讯协议和自由通讯方式。它非常适合于小点数的控制系统。CPU222。CPU222 除了具有 CPU221 的功能外其不同在于：它具有 8 输入/6 输出，共计 14 点 I/O,可以扩展 8 路模拟量和最多 64 个 I/O，因此是更广泛的全功能控制器。CPU224。它在 CPU222 的基础上使主机的输出点数增加为 24 点，最大扩展为 168 点数字量或者 35 点模拟量的输入和输出；存储容量也进一步增加，还增加了一些数学指令和高速计数器的数量，具有较强的控制能力。CPU226。这种模块在 CPU224 的基础上功能又进一步增强，主机输入点数和输出点数增到 40 点，最大可扩展为 248 点数字量或 35 点模拟量；增加了通讯口的数量，通讯能力大大曾强，它可用于点数较多，要求较高的小型或中型控制系统。综上所述根据各类 CPU 的功能来分析在工业污水处理系统中使用的数字量输入毕业设计（论文）点和输出点都比较多，因此除了 PLC 主机自带的 I/O 外，还需要扩展一定数量的 I/O 扩展模块。因此在这使用 CPU226 为适合再加一个数字量扩展模块EM222.在该系统中，还需要采集模拟量并利用模拟量控制的功能要求，因此需要在扩展一个模拟量输入输出扩展模块。西门子公司专门为 S7200 系列 PLC 配置了模拟量输入输出模块 EM235，该模块具有较高的分辨率和较强的输出驱动能力，可满足控制系统的功能要求。3.4.3 PLC 的的 I/O 资源配置资源配置 根据系统的功能要求，对 PLC 的 I/O 进行配置，具体分配如下表。数字量输入部分I0.0急停I1.2手动排污泵 M3 启动I0.1手动或自动方式I1.3排污泵 M3 故障信号I0.2手动格栅机运行I1.4手动排污泵 M4 运行I0.3手动格栅机故障I1.5排污泵 M4 故障I0.4手动清污机运行I1.6手动排污泵 M5 运行I0.5清污机故障信号I1.7排污泵 M5 故障信号I0.6手动排污泵 M1 运行 I2.1搅拌机运行I0.7排污泵 M1 故障信号I2.2搅拌机故障信号I1.0手动排污泵 M2 启动I2.3液面高位传感器I1.1排污泵 M2 故障信号I2.4液面低位传感器表 3.1 数字输入量地址分配数字量输出部分Q0.0格栅机启动接触器Q1.4排污泵 M3 启动接触器Q0.1格栅机停机接触器Q1.5排污泵 M3 停机接触器Q0.2格栅机复位接触器Q1.6排污泵 M3 复位接触器Q0.3清污机启动接触器Q1.7排污泵 M4 启动接触器Q0.4清污机停机接触器Q2.1排污泵 M4 停机接触器Q0.5清污机复位接触器Q2.2排污泵 M4 复位接触器毕业设计（论文）Q0.6排污泵 M1 启动接触器Q2.3排污泵 M5 启动接触器Q0.7排污泵 MI 停机接触器Q2.4排污泵 M5 停机接触器Q1.0排污泵 M1 复位接触器Q2.5排污泵 M5 复位接触器Q1.1排污泵 M2 启动接触器Q2.6搅拌机启动接触器Q1.2排污泵 M2 停机接触器Q2.7搅拌机停机接触器Q1.3排污泵 M2 复位接触器Q2.8搅拌机复位接触器表 3.2 数字输出量地址分配模拟量输入部分由于需要采集一个溶氧仪所反馈的数据，因此扩展了一个模拟量输入输出模块，具体 I/O 分配，如下表 3-6 所示。表 3-6 模拟量输入地址分配输入地址输入设备AIW0格栅液面差计AIW2PH 值测量计模拟量输出部分在此控制系统中需要将采集回来的模拟量进行数据处理，然后，通过模拟输出口对变频器进行控制，进行控制其他设备的运行，如下表 3-7 所示。表 3-7 模拟量输出地址分配输出地址输出设备AQW0经 PID 运算输出根据控制系统的功能要求，设计出工业污水处理控制系统的硬件连线图如图 3-8 所示，此控制面板上的手动控制部分主要在调试系统时使用，调试完成后基本处于闲置状态毕业设计（论文）3.5 其他硬件的选型其他硬件的选型要完成系统的控制功能除了需要 PLC 主机及其扩展模块之外，还需要各种传感器、接触器和变频器，各类电机等仪器设备。3.5.1 电动机的选型电动机的选型电动机的选型主要确定电动机的种类，电动机的型式，电动机的额定电压，额定转速和额定功率等，选择电动机的基本原则如下：（1）在工作过程中其额定功率应得到充分利用，要求温升高确定但不得超过的规定的允许值。（2）电动机应满足生产机械需要的有关机械特性的要求。保证一定负载下的转速稳定，有一定的调速范围及具有良好的启动和制动性能。（3）电动机的结构形式应满足设计提出的安装要求和适应周围的工作环境。电动机种类的选用电力拖动系统是应用电动机来拖动生产机械工作的，由于生产机械种类繁多，工艺要求不一，因而成为驱动电机的电动机的种类也很多，按电流种类分，有直流电动机和交流电动机，交流电动机又有异步电动机和同步电动机两种。异步电动机又分为笼型和绕线转子，笼型又可分为普通笼型，特殊笼型和多速电动机。从电动机的机械特性， ，启动性能，调速性能，点源电动机的经济性等方面考虑用的是三相笼型异步电动机。电动机电压等级的选用：电动机电压等级要与工厂的供电电压等级一致，一般重、小型交流电动机的额定电压为 220/380V 或 380/660V,大型交流电动机的是 3000V,6000V 及 10000V 高压电动机。所以选用 220/380V 为最合适不过了。电动机形式的选用电动机的安装方式：根据电动机安装要求和机械转动的要求，可选用卧式和立式。卧式电动机的转轴安装以后为水平位置，立式的转轴则为垂直地面的位置。一般情况下应选卧式的，电动机的防护方式：电动机的结构类型还应根据其周围环境的情况来选用。按照防护方式分，电动机有开启式，防护式，封闭式和防爆式几种。开启式电毕业设计（论文）动机的定子两侧和端盖上都有很大的通风口。防护式的机座下面有通风口。封闭式电动机的机座和端盖上均无通风孔完全是封闭的，防爆式电动机在封闭式的基础上制成隔爆型，机壳有足够的强度，适应于易燃易爆气体的环境。在此设计中发电机常年呆在潮湿的环境于是要用防潮性很好的电动机为宜。所以选用的是普通型电动机加防潮处理的电动机。电动机额定功率的选用额定功率的选用必须考虑电动机的发热，过载能力及启动能力三个方面我们工艺要求的发电机需要转动的排污泵的功率为 55KW,所以发电机的负载功率 PL=55KW根据负载功率，预选电动机的额定功率为PL. 在该工业污水处理系统中需要用到许多电动机，Y2 系列三相异步电机是专为欧洲市场设计的三相异步电动机、电机出线盒置于电机机壳顶部、整机结构紧凑、外形美观大方，安装尺寸符合 IEC 标准，具有高效、节能、起动转矩大，使用维护方便等特点。主要性能有：绝缘等级：F；防护等级：IP54 或 IP55；电压：380V 或 415V；频率：50Hz 或 60Hz；冷却方式：IC411。Y2 系列电动机有两种设计，一种是适用于一般机械配套和出口需要，在轻载时有较高效率，在实际运行中有较佳节能效果，且具有较高堵转转矩，此设计称为 Y2-Y 系列。中心高 63355mm，功率从 0.12315kW。电动机符合JB/T8680.1-1998 Y2 系列(1P54)三相异步电动机（机座号 63355）技术条件。 型号含义：如 Y2-200L1-2Y：“Y2”表示异步电动机第二次改型设计， “200”表示中心高， “L”表示机座长短号， “1”表示铁心长度序号， “2”表示极数，“Y”表示第一种设计（可省略） 。第 2 种设计是满载时有较高效率，更适用于长期运行和负载率较高的使用场合，如水泵、风机配套，此设计称为 Y2-E 系列，中心高 80280mm，功率从 0.5590kW。电动机符合 JB/T8680.2-1998 Y2系列(1P54)三相异步电动机（机座号 80280）技术条件。 型号含义：如 Y2-200L2-6E：“Y2”表示异步电动机第二次改型设计， “200”表示中心高， “L”表示机座长短号， “2”表示铁心长度序号， “6”表示极数， “E”表示第二种设计。根据上述分析，选择 Y2-280M-6 即可满足要求。毕业设计（论文）3.5.2.接触器的选型接触器的选型接触器是一种自动控制电器，它可以用来频繁的远距离接通或断开交直流电路，它不同于刀开关类的手动切换电器，因为它有手动切换电器所没有的远距离操作功能，同时又具备手动切换电器所没有的失电压保护功能。另外接触器也不同于断路器在控制系统中应用，因为它有一定的过载能力， ，但却不能切断短路电流，也不具备过载保护能力。控制交流笼型异步电动机是交流接触器最主要的用途之一，在我们这个设计里所有设备是根据控制面板上的按钮情况或者根据传感器的反馈值进行动作的，因此需要 PLC 根据当前的工作情况，以及按钮的情况来控制所有设备的启停，在此用到了大量接触器：如格栅机接触器、清污机接触器、排污泵接触器、潜水搅拌机接触器等。在接触器的