污水厂粗格栅自动控制系统设计及应用毕业设计.docx
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污水厂粗格栅自动控制系统设计及应用毕业设计
吉林化工学院毕业设计说明书
污水厂粗格栅自动控制系统设计及应用
WastewaterTreatmentPlantCoarseGridDesignandApplicationofAutomaticControlSystems
摘要
为了解决粗格栅污水处理生产效率低、需要大量的人工操作和维护复杂等问题，本设计提出了应用可编程控制器实现无人监守、自动控制的系统方案。
本文介绍了粗格栅污水处理工艺原理和控制要求，采用简易的逻辑控制、硬件和软件互锁的方法实现自控要求。
阐述了粗格栅系统的电气控制系统设计和自控系统设计。
电气控制系统设计根据污水处理厂承担的负荷和尖峰电流选择低压开关、断路器和熔断器等设备型号。
自动控制系统部分包含下位机项目的创建、编写和仿真调试，绘制控制系统流程图和二次回路接线图；上位机部分有现场监控画面、历史趋势曲线画面、报警画面和PID变频控制画面。
本系统可实现自动、手动、远程控制，改善污水处理系统操作环境。
最后对系统的调试与运行结果分析得知，粗格栅系统设计基本达到预期的要求。
关键词：
污水处理；粗格栅；电气控制；可编程控制器
Abstract
Inordertosolvethecoarsegridofsewagetreatmentandlowproductionefficiency,requiresalotofmanualoperationandmaintenanceofcomplexissuessuchasthepresentdesignoftheapplicationofprogrammablecontrollersnobodyprobationprogramofautomaticcontrolsystems.
Thisarticledescribesthecoarsegridsewagetreatmentprocessprincipleandcontrolrequirements,theuseofsimplelogiccontrol,hardwareandsoftwareinterlocktoachieveself-controlrequirements.Thecoarsegridsystemelectricalcontrolsystemdesignandautomaticcontrolsystemdesign.Electricalcontrolsystemdesignbasedonbeartheloadandthepeakcurrentofthesewagetreatmentplanttoselectthedevicemodelofthelow-voltageswitchgear,circuitbreakersandfuses.Partoftheautomaticcontrolsystemincludesthecreationofthenextbitmachine,thepreparationandsimulationdebugging,drawcontrolsystemflowchartandthesecondarycircuitwiringdiagram;livemonitorscreenofthehostcomputerpartofthehistoricaltrendcurvescreen,alarmscreensandPIDfrequencyconversioncontrolscreen.Thissystemcanachieveautomatic,manual,remotecontrol,toimprovethesewagetreatmentsystemoperatingenvironment.Finally,systemcommissioningandoperationresultsoftheanalysisofthecoarsegridsystem,thebasicdesigntomeetexpectations.
KeyWords：
Sewagetreatment；Coarsegrid；Thepowerelectricitysystemdesign;PLC
第1章绪论
1.1本课题设计背景
我国污水处理产业发展起步较晚，但改革开放以来，国民经济快速发展，人民生活水平的显著提高，拉动了污水处理的需求，进入二十一世纪，我国污水处理产也进入快速发展期，污水处理需求的增速远高于全球水平。
随着社会经济的快速发展以及城市化进程的不断加快，城市生活废水的排放量也随之日益增多。
作为改善城市生活环境的重要项目之一-城市污水处理项目无论是对于保护城市水环境及水资源的利用，还是改善居民生活环境等都具有非常积极而深渊的显示意义。
然而，如果城市污水处理项目规划不当、处理方案不合理，都会对城市环境造成很大的影响，并产生相当程度的危害。
城市污水是城市地区范围内的生活污水、工业废水和径流污水的总称，它通常是由城市管渠汇集排入水体或者通过城市污水处理厂处理后排入水体。
随着城市化水平和人民生活水平的提高，城市生活污水排放量迅速增长，其所占城市污废水排放量的比例逐年增多，据统计，到2009年全国生活污水排放量已达504亿吨，生活污水排放量首次超过工业废水排放量。
因此，在工业废水逐步得到治理后，生活污水对环境的影响越发变得突出，如何加大力度治理城市污水也显得突出起来。
我国是一个严重缺水的国家，虽然我国年平均水资源总量为28000亿立方米，位居世界第6，人均水资源量为2,220立方米，居于世界第110位，以及被联合国列为世界第十三个缺水国家之一。
水资源的匮乏和水资源的污染，已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。
特别是我国北方城市，如北京，天津沈阳等城市水资源更为短缺。
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，减少运行成本成为环保部门、城建部门所关注的问题。
在我国，随着城市人口的增加工业生产的发展，污水排放量也日益增加，水体污染相当严重而且几乎遍及全国各地。
到2000年底，全国省市的663个城市中有310个建有污水处理设施，建设务实处理厂427座，年污水处理113.6亿立方米，污水处理率只有34.23%。
城市内河道大都以成为污水退路有的已成为污水沟渠，城市地下水也受到不同程度的污染。
严重的水污染破坏到生态环境，直接威胁人民的生活和身体健康，影响工农业生产，已成为不亚于洪灾、旱灾等给人们带来的危害。
从总体上看，我国污水处理正在经历由规模小、水平低、品种单一、严重不能满足需求到具有相当规模和水平、品种质量显著提高和初步满足国民经济发展要求的深刻转变，污水处理需求逐步实现自给。
总之在当前背景下，对污水处理是迫切的而且是必要的。
1.2本课题设计目的及意义
污水问题是当今我国面临比较严重的问题之一，为了使出水指标中的主要污染浓度水平对河流和人们等水源中的污染降低到可以接受的水平，使自然资源得到保护和水的生态资源得到改善，把水体中的有机污染和无极污染物浓度水平降低，达到国家标准然后可以排放或者重复利用。
这样可以有效的保护我国有限的水资源，最大限度的节约用水和最大化的保护水资源。
污水处理在现实生活中应用的相当广泛，尤其在城市用水我处理方面，粗格栅污水处理环节是污水处理过程中的一个环节，主要作用是拦截污水中的固体废物，去除污水中一些粗大的悬浮物，保护水泵等设备不受损害。
是污水处理必不可少的一个环节，污水处理是将污水中的污染物质分离去除，使有害的物质转化为无害的物质、有用的物质，水得到净化，并使资源得到充分利用。
城市生活污水处理工艺按流程和处理程序划分可分为预处理工艺、一级处理工艺、二级处理工艺、深度处理工艺和污泥处理工艺，以及最终的污泥处置。
预处理工艺：
主要是物理处理，通过格栅、沉砂池等将污水中大块污物拦截出来，保证后续单元的正常运行。
预处理过程就去除污染物质而言，可能不起关键作用，但是至关重要。
在现在的情况下，人力成本逐渐提高，并且污水厂的环境比较差，不利于人们长期工作。
因此设计使用高度自动化设备，使生产效率提高，更加节约资源和更好的处理污水。
1.3本课题设计的内容
本课题主要研究内容有以下几点：
粗格栅系统电气设备选型：
根据动力设备进行负荷计算，选择合理低压开关和低压断路器等设备，粗格栅系统的电气主接线及设计。
PLC控制程序设计：
包括系统I/O点统计，西门子PLC设备的选型，项目的创建过程，下位机程序的编写，运行仿真调试和绘制二次接线回路等。
上位机界面设计：
利用WinCC软件对上位机进行组态，包括报警、历史趋势曲线、现场操作画面和PID控制画面等。
粗格栅系统数据处理：
对PLC程序进行调试、仿真以及与上位机通讯，对数据进行处理分析等。
第2章系统控制方案
2.1粗格栅系统控制的概述
污水由进水系统通过粗格栅和螺旋输送机进行初步排除大块杂质物体，到达沉砂池中。
在沉砂池系统中细格栅和行车式吸砂机进一步净化污水中的细小颗粒物体，将污水中的细小沙粒滤除后进入反应池。
格栅单元，作用是用来去除水中粗大的悬浮物和杂物，以保护后续处理设施能正常运行的一种预处理方法。
一般根据水源情况分别设有粗格栅和细格栅两个步序，粗格栅去除的是那些可能堵塞水泵机组及管阀门的较粗大的悬浮物，而细格栅用以去除粗格栅难以去除的呈悬浮物状的细小纤维。
本系统就是这一环节。
污水处理工艺
污水由进水系统通过粗格栅和螺旋输送机进行初步排除大块杂质物体，到达沉砂池中。
沉砂池中细格栅和行车式吸砂机进一步净化污水中的细小颗粒物体，将污水中的细小沙粒滤除后进入反应池。
工艺流程图如图2-1所示。
图2-1工艺流程图
粗格栅系统组成
粗格栅污水处理系统主要由进水井系统、格栅系统、螺旋输送压榨一体机系统、集水井系统等四部分组成。
进水井系统是污水经过简单过滤获得的污水，粗格栅系统由两台粗格栅机和一台螺旋输送机组成，集水井是由五台泵控制的，其中有一台是有变频器控制。
具体详细流程图见上位机画面。
粗格栅系统图如图2-2所示。
图2-2粗格栅系统图
2.2系统方案
系统控制方式
在污水处理这方面，粗格栅控制系统有以下几种方式。
方案1：
完全采用传统的继电器控制；方案2：
采用可编程控制器PLC控制。
第一种方案继电器控制系统逻辑采用硬件接线，利用继电器机械触点的串并联组合控制逻辑，其连线多且复杂、体积大、功耗大，系统构成后，想在改变或者扩展功能较为困难；另外，继电器的触点数量有限，所以继电器控制系统的灵活性和可扩展性受到很大限制。
继电器控制工作频率低，触电的开关动作一般在几十毫秒数量级，且机械触点还会出现抖动问题。
与第一种方案比较，方案2的PLC控制有许多优势，可编程控制器PLC控制可以实现非常复杂的控制功能，与相同功能的继电器相比，具有功能强，性价比高的特点；可编程控制器产品已经标准化，系列化，模块化，配备有品种齐全的各种硬件装置供用户选用，用户可以根据需求选择相应的模块；可编程控制器具有可靠性高，抗干扰能力强的特点；系统安装调试简单，工作量少、扩展性强、体积小、功耗低、维修方便、升级方便等优点。
综上所述，采用方案2比较合适。
从实际经验来看，粗格栅除污机可以采用时间控制和液位差控制两种方式，螺旋输送机优先的运行模式比较好。
运行停止时应先将细格栅停止后再使螺旋输送机停止，在确保过水量及合理的水头损失前提下，合理缩短格栅的运行时间，既保证了栅渣的积累，避免无效运行，又减轻设备的磨损和节约能耗。
粗格栅系统控制二种启动方式，一种为
图2-3格栅流程图图2-4集水井流程图
按时间启动，一种为根据格栅前后液位差启动。
按时间启动：
启动间隔时间可调（小时级），运行时间可调（分钟级），二台格栅机同时启动，输送机延时1秒启动。
停车顺序为二格栅机先停，10秒钟后，输送机停机，整体停机结束。
根据格栅前后液位差启动：
液位差达到40CM时启动格栅系统，运行时间为可调（分钟级），启动顺序和上条相同。
格栅流程图如上图2-3所示。
集水井水泵系统：
根据液位控制。
2.4为停最后一台泵，2.8启一台泵，3.2启二台泵3.6启三台泵，4.0启四台泵，4.4启5台泵。
集水井流程图如上图2-4所示。
污水一级处理工艺
一级处理：
一级处理可由筛滤、重力沉淀和浮选等方法串联组成，除去废水中大部分粒径在100μm以上的大颗粒物质。
筛滤可除去较大物质；重力沉淀可除去无机粗粒和比重略大于1的有凝集性的有机颗粒；浮选可除去比重小于1的颗粒物（油类等）。
废水经过处理后，一般达不到排放标准。
一级处理的常用方法有筛滤法和沉淀法。
方案一：
格栅筛选法
用来分离污水中呈悬浮状态污染物。
常用设备是格栅和筛网。
格栅主要用于截留污水中大于栅条间隙的漂浮物，一般布置在污水处理厂或泵站的进水口，以防止管道、机械设备及其他装置的堵塞。
格栅的清渣，可采用人工或机械方法。
本次研究部分是整个系统的一次处理阶段，格栅是由一组（或多组）相平行的金属栅条与框架组成。
倾斜安装在进水的渠道，或进水泵站集水井的进口处，以拦截污水中粗大的悬浮物及杂质。
格栅所能截留污染物的数量，随所选用的栅条间距和水的性质而有很大的区别。
一般以不堵塞水泵和水处理厂站的处理设备为原则。
粗格栅除污机优点适应性强，处理量大，作业面积大，抓取深度大，结构性好，自动化程度高，使用寿命长，工作环境好，土建投资少，性价比优，维修方便，操作简单等特点，目前在国内外普遍采用此种方法。
方案二：
离心机沉淀法
离心机主要用于将悬浮的固体颗粒与液体分开；或将乳浊液中两种密度不通，有互不相容的液体分开；它也可用于排除湿固体中的液体，例如洗衣机甩干湿衣服。
用于一级处理的沉淀池，通称初次沉淀池。
其作用为：
①去除污水中大部分可沉的悬浮固体；②作为化学或生物化学处理的预处理，以减轻后续处理工艺的负荷和提高处理效果，其优点是工作可靠，连续工作周期长，但离心机的缺点是效率比较低，适应工作范围小，由于高速，对材料强度的加工精度和制造量均要求严格，自动化程度低，维护比较复杂等。
综上所述采用方案一格栅筛选法。
第3章电气控制系统设计
3.1粗格栅供电系统概况
粗格栅电机供电系统所需的电压是220V/380V电压等级，是直接经公共低压电网分配的，无需电力变压器从6~10KV电网转换获得。
在供电系统中常用一根线代表三相线图，即汇成单线图的形式。
粗格栅强电系统属于三级负荷，但是短时停电或者较长时间停电会造成一定的紊乱，对企业带来麻烦，因此设置工厂备用电源，但是在控制柜方面需要采用不间断电源，即UPS电源，将会在下章节介绍。
本系统采用220/380V低压配电方式，其接地方式采用TN-S系统，其中N线与PE线全部分开，设备的外漏可导电部分均接PE线，由于PE线中无电流通过，设备之间不会产生干扰，TN-S系统广泛用于对安全要求较高的场所，及对抗干扰要求高的数据处理和精密检测等场所，也多用于住宅供电系统。
本系统用电设备的工作制是连续工作制设备，这类设备在恒定负荷下运行，主电动机一般是连续运行的。
3.2粗格栅系统负荷计算和尖峰电流计算
用电设备负荷计算
计算负荷是通过负荷的统计求出的、用来按发热条件选择供电系统中各元件的负荷值。
根据计算负荷选择电气设备和导线电缆，如果以计算符合连续运行，其发热温度不超过允许值。
计算负荷实际上与从负荷曲线上查得的半小时最大负荷P30是基本相当，有功计算负荷、无功计算负荷、视在计算符合和计算电流相应地表示为P30、Q30、S30和I30。
我国目前普遍采用的确定用电设备计算负荷的方法，有需要系数法和二项式法。
本系统采用系数法计算，其有功计算负荷基本公式为
，视在计算负荷为
计算负荷为
其中Kd称为需要系数，tanΦ为正切值，cosΦ为平均功率因数，Pe为设备容量。
查附录Ⅰ知取需要系数Kd=0.8，cosΦ=0.8，tanΦ=0.75。
1．粗格栅机运行（1台运行）
有功计算负荷：
视在计算负荷：
计算电流：
2．输送机运行
有功计算负荷：
视在计算符合：
计算电流：
3．水泵（1台运行）
有功计算负荷：
视在计算符合：
计算电流：
4．粗格栅机（2台）、输送机、水泵（4台）
有功计算负：
视在计算符合：
计算电流：
5．变频泵运行
有功计算负荷：
视在计算符合：
计算电流：
6．动力系统
有功计算负荷：
视在计算符合：
计算电流：
用电设备尖峰电流的计算
尖峰电流是指持续时间1~2s的短时最大电流。
尖峰电流主要用来选择熔断器和低压断路器、整定继电保护装置及减压电动机自启动条件等。
多台用电设备尖峰电流的计算
（3-1）
或
（3-2）
其中
为起动电流，
为用电设备的起动电流倍数。
动力柜的尖峰电流
格栅机、输送机和水泵的尖峰电流
变频泵的尖峰电流
单台用电设备尖峰电流的计算
（3-3）
3.3低压一次设备选择
电气设备要能可靠性工作，必须按正常工作条件进行选择，并按短路状态来校验热稳定性和动稳定。
熔断器选择与校验
熔断器在供配电系统中的配置，应符合选择性保护的原则，也就是熔断器要配置得能使故障范围缩小到最低限度。
供电系统中配置的熔断器数量要尽量少。
低压配电系统中熔断器起安全保护作用，当电流超过规定值一定时间后以它本身产生的热量使用熔体融化而分断电流。
本系统采用RM10型低压密闭管式熔断器，RM10型熔断器由纤维管、变截面锌溶片和触头底座等部分组成，RM10型低压熔断器结构如图3-1所示。
这种熔断器的灭弧能力很强，属限流熔断器。
a）熔管b）熔片
图3-1RM10型低压熔断器
1．动力柜熔断器
选择熔体及熔断器的额定电流：
熔体额定电流IN.FE应不小于线路计算电流I30，即IN.FE>I30=93.3A，又熔体额定电流IN.FE还应躲过线路的尖峰电流IPK,即IN.FE>IPK=136.3A,选型RM10-200型低压熔断器，其熔体电流IN.FE为160A,最大电流为200A，熔管额定电压交流500V，直流440V，最大分断电流10KA，满足设计需求。
2．粗格栅机、输送机、水泵控制柜熔断器
选择熔体及熔断器的额定电流：
IN.FE>I30=67.6A，IN.FE>IPK=110.6A,选型RM10-200型低压熔断器，其熔体电流IN.FE为125A,最大电流为200A满足设计需求。
3．变频柜熔断器
选择熔体及熔断器的额定电流：
IN.FE>I30=22.8A，IN.FE>KIPK=47.8A,选型RM10-60型低压熔断器，其熔体电流为60A,最大电流为60A满足设计需求。
4．粗格栅熔断器和输送机熔断器
选择熔体及熔断器的额定电流：
IN.FE>I30=11.4A，IN.FE>KIPK=0.35×11.4×3=12.0A,选型RM10-60型低压熔断器，其熔体电流为15A,最大电流为15A满足设计需求。
5．水泵熔断器
选择熔体及熔断器的额定电流：
IN.FE>I30=8.4A，IN.FE>KIPK=0.35×8.4×2=5.9A,选型RM10-15型低压熔断器，其熔体电流为35,最大电流为60A满足设计需求。
6．室内照明和控制柜熔断器选择RM10-15，其熔体电流为10A。
最大电流为15A，满足设计要求。
低压断路器选择与校验
低压断路器，又称低压自动开关，它既能带负荷通断电路，又能在短路、过负荷和低电压下自动跳闸，当线路上出现短路故障时，其过电流脱扣器动作，使开关跳闸，如果出现过负荷时，其串联在一次线路的加热电阻丝加热，是双金属片弯曲，也使开关跳闸。
当线路电压严重下降或失压时，其失压脱扣器动作，同样使开关跳闸。
低压断路器有配电断路器、电动机保护用断路器、照明用断路器和漏电断路器等。
DZ47LE系列断路器如图3-2所示和小型断路器如图3-3所示。
图3-2DW系列断路器图3-3小型断路器
1．动力柜断路器
选择低压断路器及其过电流脱扣器规格：
选择DW16-630型低压断路器的过电流脱扣器额定电流IN.OR=160>I30=93.3A,故初步选DW16-630型低压断路器，其IN.OR=160A。
设瞬时脱扣电流整定为3倍，即IOP=160×3=480A。
而KrelIpk=1.35×136.3=184.0A
（其中Krel为可靠系数，DW系列断路器可取1.35），满足IOP>KrelIpk的要求，即满足脱扣电流躲过尖峰电流的要求。
2．粗格栅机、输送机、水泵控制柜断路器
选择低压断路器及其过电流脱扣器规格：
选择DW16-630型低压断路器的过电流脱扣器额定电流IN.OR=100>I30=67.6A,故初步选DW16-630型低压断路器，其IN.OR=100A。
设瞬时脱扣电流整定为3倍，即IOP=100×3=300A。
而KrelIpk=1.35×110.6=149.3A，满足IOP>KrelIpk的要求，即满足脱扣电流躲过尖峰电流的要求。
3．变频柜断路器
选择小型断路器，其额定电流（ln）为IN=40A>I30=22.8A，额定绝缘电压（Ui）为600V，额定冲击耐受电压（Uimp）为4KV，额定短路分断能力（Icn）均能满足要求。
4．粗格栅机断路器和输送机断路器
选择小型断路器，其额定电流（ln）为IN=20A>I30=11.4A，额定绝缘电压（Ui）为600V，额定冲击耐受电压（Uimp）为4KV，额定短路分断能力（Icn）均能满足要求。
5．水泵断路器
选择小型断路器，其额定电流（ln）为IN=16A>I30=8.4A，额定绝缘电压（Ui）为600V，额定冲击耐受电压（Uimp）为4KV，额定短路分断能力（Icn）均能满足要求。
6．室内照明和控制柜断路器选择额定电流（ln）IN=16A额定绝缘电压（Ui）为600V，额定冲击耐受电压（Uimp）为4KV，额定短路分断能力（Icn）均能满足要求。
低压隔离开关选择
低压隔离开关主要功能是保证电气设备及装置在检修工作时的安全，不能用于切断、
图3-4低压隔离开关
投入负荷电流或开断短路电流，仅可允许用于不产生强大电弧的某些切换操作。
本系统只有动力柜和粗格栅机、输送机、水泵控制柜需要安装低压隔离开关，需满足UN>USN，即电气设备的额定电压UN不低于装置地点电网额定电压USN的条件选择，满足IN应不小于该回路在各种合理运行方式下的最大持续工作电流Imax，即IN>Imax，满足动稳定及热稳定校验即可。
低压隔离开关如图3-4所示。
电气设备控制选型统计表如表3-1所示。
表3-1电气设备控制选型
序号
设备名称
型号
额定电流
熔体电流/脱扣电流
备注
1
动力柜熔断器
RM10-200
200A
160A
2
格栅机、输送机熔断器
RM10-60
60A
25A
3
水泵熔断器
RM10-15
15A
15A
5
变频柜熔断器
RM10-60
60A
60A
6
动力柜断路器
DW16-630
93.3A
160A
7
格栅机、输送机熔断器
DW16-630
67.6
100A
8
水泵熔断器
DZ47-63
8.4
升级会员 