SBR废水处理系统设计 陈猛 12.docx

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SBR废水处理系统设计陈猛12

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2012级毕业论文设计任务书

一、课题名称：

SBR废水处理系统设计

二、指导教师

三、设计的目的与意义：

1、提高学生对自动控制的更深层次的掌握和运用。

2、拓展学生的对专业知识的应用能力和创新能力。

3、培养学生正确的思想方法、严谨认真的科学态度。

四、设计具体内容：

五、设计具体的要求：

毕业设计论文应由以下几部分组成：

（1）封面：

姓名、专业、指导教师姓名、课题名称、学校名称。

（2）目录：

毕业设计说明书各部分内容。

（3）摘要：

对论文的思路做出总体说明。

（4）正文：

毕业设计说明书的核心。

（5）结束语：

对设计中所做的工作进行评价，可对设计的不足或问题作出讨论，或对未来技术及改进发表展望。

（6）致谢

附录及参考文献：

将篇幅较大的表格、附图等材料附于设计说明书末。

摘要

随着我国国城市化进程的推动，中小城市（镇）数量的不断增多，由其带来的水污染问题日趋严重。

序批式活性污泥法（简称SBR）符合中小城镇污水处理的基本要求，但必须实现自动控制，才能发挥其优势，使其具有更加广阔的应用前景。

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。

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：

PLC污水处理SBR工艺

TheSewageTreatmentSystemBasedonPLC

AbstractAlongwithourcountry'surbanizationdrive,smallandmedium-sizedcities（town）,theincreasingnumberofwaterpollutionproblemsbroughtbytheincreasinglyserious.Sequencingbatchtypeactivatedsludge（hereinafterreferredtoastheSBR）complywithsmalltownsisthebasicrequirementofsewagedisposal,butmustachieveautomaticcontrol,toexertitsadvantages,makeitshavemorebroadapplicationprospects.Asautomationtechnology,computertechnologyunceasingdevelopment,improvethelevelofautomation,sewagetreatmentplantsalsoincrease.AndwithitsmaturetechnologyofPLCcontroller,versatility,highreliability,goodflexibility,expandconvenientinstallationandperformancetopricehigherseriesofadvantages,inindustrialcontrolaregettingmoreandmorewidely.Thisarticlemainlyintroducedthesewagetreatmentplantinautomaticcontrolsystemcomposition,functionandhowtomakeuseofPLCautomaticcontrol,andintroducesthesystemimplementationproblemsencounteredandtheirsolutions.InsewagetreatmentusingPLCcontrolsystemafterthetransformation,improvethereliabilityoftheautomaticcontrol,notonlyreducethelaborintensityoftheworkers,butalsoimprovetheoperationefficiencyofwastewatertreatmentplantwithoperationefficiency,realizedthescientificproductionmanagementofthewastewatertreatmentplant.

KeywordsSewagetreatmentPLCSBRprocess

目录

摘要I

AbstractII

第一章绪论１

1.1课题背景１

1.2课题目的和意义２

1.3国内外发展现状２

1.4本文研究的主要内容３

第二章污水处理工艺流程４

2.1SBR的结构及工作原理４

2.2PLC控制系统设计原则与步骤５

2.3污水处理工艺过程阐述７

第三章电气控制系统方案的选择及硬件设计８

3.1PLC的工作原理８

3.1.1循环扫描技术８

3.1.2PLC的输入/输出响应时间９

3.2SBR污水处理电气控制系统设计要求９

3.3SBR污水处理电气控制系统的总体设计９

1.1.13.3.1设计过程９

3.3.2控制系统方案设计１０

3.3.3SBR污水处理电气控制系统硬件电路设计１０

第四章污水处理系统的软件设计１５

1.44.1污水处理系统软件设计的总体概述１５

4.2污水处理各个子程序的设计１５

4.2.1格栅除污机控制子程序的设计１５

4.2.2空气阀门、鼓风机、潜水搅拌机、回流污泥泵控制子程序的设计１６

4.2.3滗水器控制子程序的设计１７

结束语１９

参考文献２０

致谢２１

附录２２

SBR污水处理系统设计

第一章绪论

1.1课题背景

地球虽然有70.8％的面积为水所覆盖，但淡水资源却极其有限，人类真正能够利用的是江河湖泊以及地下水中的一部分，仅占地球总水量的0.26％，而且分布不均。

全世界每天约有200吨垃圾倒进河流、湖泊和小溪，每升废水会污染8升淡水。

世界上许多国家正面临水资源危机：

12亿人用水短缺，30亿人缺乏用水卫生设施[1]。

中国污水处理行业概况:

（1）中国水资源人均占有量少，空间分布不平衡。

随着中国城市化、工业化的加速，水资源的需求缺口也日益增大。

在这样的背景下，污水处理行业成为新兴产业，目前与自来水生产、供水、排水、中水回用行业处于同等重要地位。

（2）虽然由于国家和各级政府对环境保护重视程度的不断提高，中国污水处理行业正在快速增长，污水处理总量逐年增加，城镇污水处理率不断提高。

但目前中国污水处理行业仍处于发展的初级阶段。

（3）一方面，中国目前的污水处理能力尚跟不上用水规模的迅速扩张，管网、污泥处理等配套设施建设严重滞后。

另一方面，中国的污水处理率与发达国家相比，还存在着明显的差距，且处理设施的负荷率低。

（4）因此中国应完善污水处理的政策法规，建立监管体制，创建合理的污水处理收费体系，扶植国内环保产业发展，推进污水处理行业的产业化和市场化。

污水处理行业是一个朝阳产业，发展前景十分广阔。

中国污水处理行业由此迎来高速发展期[2]。

1.2课题目的和意义

世界上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，使人民的生活得到进一步改善，尤其在工业革命之后，各国经济飞速发展，全球大量的不可再生资源（例如石油）被利用。

如果这些污水无净化排出必定会给周围环境造成很大的污染，而且我国是一个严重缺水的国家，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，年缺水总量约为300亿~400亿立方米，因缺水造成的经济损失达2300亿元，超过洪涝灾害。

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，严重的影响了全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。

在这种情况下，污水更加不能随便外排，而是要净化之后合理利用。

我国污水处理的电耗为0.365kWh/m3、日本为0.304kWh/m3、美国为0.243kWh/m3，因此建设符合我国具体情况的污水厂自动控制系统对降低污水处理成本、改善环境、建立可持续发展社会、保持我国经济高速发展具有重要意义。

1.3国内外发展现状

由于控制技术、网络通讯技术以及现场总线技术的飞速发展，国外的污水处理厂很早就实现了污水处理厂的网络控制，如DCS/FCS系统，同时国外较早的将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TSXQuantumDO、化学需氧量COD分析仪。

国外污水处理自控系统主要有以下特点：

大量采用在线监控的水质分析仪表，对全厂的水质实行实时的监测，并有上位机记录下来，提高了测量精度;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的调整相应的控制方式;大量采用遥控、遥测设备；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。

与国外相比，我国污水处理自动化控制起步较晚，70年代开始采用热工仪表，实行集中巡检；80年代应用分析仪表和DCS系统；到90年代，随着一大批利用国际贷款的大型污水处理厂的建成投产，我国污水处理控制系统的自动化水平有了很大提升。

从外国引进污水厂的自动控制系统已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、新设备的大量出现并得到应用。

可以说我国污水处理自动化的现状是：

手动和自动兼备，自制和引用并举。

可以看出我国污水处理自控系统有以下特点：

对于新建的污水处理厂，引进了计算机分散控制系统，手动和自动并存的控制方式。

大部分以前建设的污水处理厂自动化程度仍然很低;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，但由于进口仪表价格昂贵，所以应用并不广泛。

水质的检测主要是有实验人员通过实验来测量;各个控制站之间完全独立，无信息交换。

并且各个控制单元由于内部资源的限制，只是实现了简单的时间控制和逻辑控制;上位机监控软件很少使用，几乎没有中控室，不能对全厂的设备实行实时监控，而一些报表的工作也主要是有厂里的工作人员手工完成。

通过对比，不难看出整体上和国外相比我国污水处理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。

1.4本文研究的主要内容

本文论述了污水处理工艺及污水处理系统的组成和PLC控制系统的设计，主要由以下内容组成：

（1）介绍了污水处理的基本内容，包括污水处理的发展及污水处理的工艺流程。

（2）介绍了PLC的基本结构和工作原理，并对污水处理控制系统进行设计分析。

（3）具体设计污水处理的硬件系统及软件系统。

第二章污水处理工艺流程

2.1SBR的结构及工作原理

本论文中的污水处理采用SBR污水处理工艺，即序批式间歇活性污泥法。

SBR采用时间分割的操作方式替代传统的空间分割方式，可以适应工业生产连续产生大量污水的特点。

SBR废水处理系统分别由粗细格栅除污池、集水池、SBR反应池、储泥池、水泵、鼓风机和电动阀门等部分组成，在粗细格栅除污池、集水池、SBR反应池、储泥池中分别设置液位开关，用以检测水池与水箱中的液位。

本论文设计采用PLC技术，以期实现污水处理过程的实时检测和控制，保障生产过程的连续性，降低劳动强度。

SBR处理周期包括进水、生化反应（曝气）、沉淀、排放等工序，污水在SBR中按序列间歇地进入每个反应工序。

曝气使好氧、缺氧和厌氧状态交替进行，最终达到脱碳、脱氨和脱氮的目的。

此外还有保证SBR的用风量。

SBR的简易过程如图2-1所示。

图2-1SBR污水处理

在充氧阶段，SBR反应池去除有机物的机理与普通活性污泥法相同。

不同点是，运行时，进水、反应、沉淀、排水、空载排泥5个工序在同一SBR反应池中周期性运行。

当污水进入反应池后，与池内空载期的污泥混合，污水中的有机物被菌胶团吸附，并开始生物降解。

反应结束后经过沉淀期，上部的水逐渐变清，利用滗水器将水排出，最后排出污泥。

2.2PLC控制系统设计原则与步骤

PLC控制系统是为工艺流程服务的，所以它首先要很好的实现工艺提出的控制要求。

PLC控制系统的设计应遵循以下原则：

（1）最大限度地满足被控对象的控制要求。

（2）保证PLC控制系统安全可靠。

（3）力求简单、经济、适用及维修方便。

（4）适应发展的需要。

PLC控制系统的设计与调试应遵循一定的步骤。

整体的设计步骤如图2-2所示。

图2-2设计步骤示意图

步骤说明：

（1）控制要求分析

在设计PLC控制系统之前，必须对工艺过程进行细致的分析，详细了解控制对象和控制要求，这样才能真正明白自己所要完成的任务，设计出令人满意的控制系统。

（2）确定输入/输出设备

根据控制要求选择合适的输入设备和输出设备。

并根据所选用的输入/输出设备的类型和数量，确定PLC的I/O点数。

（3）选择合适的PLC

本毕业设计采用三菱PLC，根据输入和输出端口要求选择FX2N-48MR的型号PLC。

如图2-3所示。

图2-3FX2N-48MR

（4）I/O点数分配

点数分配就是规定PLC的I/O端子和输入/输出设备的对应关系。

（5）PLC程序设计

本阶段就是根据控制对象和控制要求对PLC进行编程。

首先把工艺流程分为若干阶段，确定每一阶段的输入信号和输出要控制的设备，还有不同阶段之间的联系，然后画出程序流程图，最后再进行程序编制。

（6）模拟调试

程序编好后，可以用按钮和开关模拟数字量，与组态软件相连接，进行模拟调试，使控制程序基本满足控制要求。

（7）撰写论文

2.3污水处理工艺过程阐述

（1）进水

进水阀门打开，污水通过粗格栅，经过水泵，然后再经过细格栅过滤，污水到达集水池，再根据控制要求，将集水池中的污水注入到SBR反应池。

（2）反应

反应工序是SBR工艺最重要的一道工序。

当污水注入达到预定容积后，停止进水，空气阀门打开，鼓风机启动，开始曝气，同时潜水搅拌机和回流污泥泵运行，可开始反应操作，如驱除BOD、硝化、磷的吸收以及反硝化等[7]。

根据反应需要达到的程度，进

行曝气和搅拌，并决定反应时间的长短。

潜水搅拌机与曝气系统混合使用，使能耗大幅度降低，充氧量明显提高，创建水流，加强搅拌功能，防止污泥沉淀，有效防止沉淀。

（3）沉淀

当SBR池停止曝气以后，空气阀门关闭，同时潜水搅拌机、回流污泥泵也停止运行。

开始重力沉淀和泥水分离。

（4）排水

SBR池达到高水位，并经过沉淀工艺以后，上清液由滗水器缓慢排除池外。

当池水位达到设定的最低水位时，滗水器停止运行。

同时，剩余污泥泵在滗水器停止运行后开始运行，排泥至储泥池。

滗水器通过PLC可编程控制器实现自动控制，当SBR反应池的静置时间结束且液位满足要求时，滗水器开始运行。

第三章电气控制系统方案的选择及硬件设计

3.1PLC的工作原理

PLC与继电器构成的控制装置的重要区别之一就是工作方式不同，继电器控制是并行运行方式，即如果输出线圈通电或断电，该线圈的触点立即动作，只要形成电流通路，就有可能有几个电器同时动作。

而PLC则不同，它采用循环扫描技术，只有该线圈通电或断电，并且必须当程序扫描到该线圈时，该线圈触点才动作，而且每次只能执行一条指令，这也就是说明PLC是以“串行”方式工作的，这种工作方式可以避免继电器控制的控制的触点竞争和时序失配等问题。

也可以说，继电器控制装置根据输入和逻辑控制结构就可以直接得到输出，而PLC控制则需要输入传送、执行程序指令、输出3个阶段才能完成控制过程。

3.1.1循环扫描技术

PLC循环扫描可分为3个阶段：

输入阶段（将外部输入信号的状态传送到PLC）、执行程序阶段和输出阶段（将输出信号传送到外部设备）。

（1）输入阶段

在这个阶段中，PLC先进行自我诊断，然后与编程器或计算机进行通信，同时中央处理器扫描各个输入端并读取输入信号的状态和数据，并把它们存入相应的输入存储单元。

（2）执行程序阶段

在这个阶段中，PLC按照由上到下的次序逐步执行程序指令。

从相应的输入存储单元读入输入信号的状态和数据，然后根据程序内部继电器、定时器、计数器、数据寄存器的状态和数据进行逻辑运算，得到运算结果，并将这些结果存入相应的输出存储器单元。

这一阶段执行完后，进入输出阶段。

在这个程序执行中，输入信号的状态和数据保持不变。

（3）输出阶段

在这个阶段中，PLC将相应的输出存储单元的运算结果传送到输出模块上，并通过输出模块向外部设备传送输出信号，开始控制外部设备。

3.1.2PLC的输入/输出响应时间

I/O响应时间是指某一输入信号从变化开始到系统相关输出端信号的改变所需要的时间。

因为PLC的循环扫描工作方式，所以收到输入信号的时刻不同，响应时间的长短也就不同。

下面就给出最短和最长响应时间。

最短响应时间：

一个扫描周期刚结束就收到输入信号，即收到这个输入信号与开始下一个扫描周期同时，这样的响应时间最短。

考虑到输入电路和输出电路的延时，所以最短响应时间应大于一个扫描周期。

最长响应时间：

一个扫描刚完成输入读取后才接到输入信号，这样这个输入信号在该扫描周期将不会发生变化，要等到下一个扫描周期才能得到响应，这时的响应时间最长。

3.2SBR污水处理电气控制系统设计要求

（1）控制装置选用PLC作为系统的控制核心，根据工艺要求合理选配PLC机型和I/O接口。

（2）执行自动工作方式，应能按照工艺要求编辑程序并可实时整定参数。

（3）驱动搅拌机为正、反转双向运行，因此要在PLC控制回路加互锁功能。

（4）PLC的接地应按手册中的要求设计，并在图中表示或说明。

（5）为了设备安全运行，考虑必要的保护措施，如电动机过热保护、控制系统短路保护等。

（6）绘制电气原理图：

包括主电路、控制电路、PLC硬件电路。

（7）选择电器元件、编制元器件目录表。

（8）绘制接线图、电控箱布置图和配线图、控制面板布置图和配线图等。

（9）采用梯形图或指令表编制PLC控制程序。

3.3SBR污水处理电气控制系统的总体设计

1.1.13.3.1设计过程

（1）系统由一台格栅除污机，由时间间隔控制其开或者停。

为了调试方便，设置开5S，关5S。

格栅池有两个浮球开关，分别标示着池中污水的液位上限值和下限值。

如果液位达到上限值，关闭电动阀；如果液位在下限位以下，电动阀打开，当水位溢过下限位时，格栅机打开。

（2）污水经过格栅除污机后由水泵1进入集水池2，当集水池2处于低水位时，关闭集水池2后面与其相连的所有阀门。

集水池2中应用2个浮球作为限位开关。

（3）SBR污水处理池中都有2个浮球开关监测池水的水位。

当水位到达上限时关闭水泵2同时启动空气阀、鼓风机、潜搅拌水机和回流污泥泵。

（4）滗水机由时间控制（便于调试设定时间为5S），当空气阀门关闭5S后，滗水器开始运行，将池内的上清液排出，当时间到后停止运行。

（5）剩余污泥泵在滗水器停止运行后开始运行，排泥至储泥池。

排泥过程可以用时间来控制（为调试方便可以设计时间为30s排完）。

3.3.2控制系统方案设计

（1）SBR废水处理系统控制对象电动机均由交流接触器完成起、停控制，搅拌机要采用正、反转控制。

（2）格栅除污池、集水池、SBR反应池、清水池等的液位检测开关，在选型时考虑抗干扰性能，选用电极考虑耐腐蚀性。

（3）粗细格栅除污机、各个水泵、鼓风机电动机、搅拌机分别采用热继电器实现过载保护，用以完成各个电动机系统的过载保护。

（4）鼓风机的控制要求在无负载条件下起动或停机，需要在曝气管路上设置空气阀。

（5）主电路用断路器，各负载回路和控制回路以及PLC控制回路采用熔断器，实现短路保护。

（6）电控箱设置在控制室内。

控制面板与电控箱内的电器板用BVR型铜导线连接，电控箱与执行装置之间采用端子板连接。

（7）PLC选用继电器输出型。

（8）PLC自身配有24V直流电源，外接负载时考虑其供电容量。

PLC接地端采用第三种接地方式，提高抗干扰能力。

53.3.3SBR污水处理电气控制系统硬件电路设计

1.主电路设计

SBR污水处理电气控制系统主电路如图3-1所示。

图3-2主电路（续）

主回路中交流接触器KM1、KM2、KM3、KM4、KM5分别控制格栅除污机M1、滗水器M2、鼓风机M3、剩余污泥泵M4、回流污泥泵M5；交流接触器KM6、KM7控制潜水搅拌机，搅拌机通过正、反转完成对污水的搅拌功能；水泵1交流接触器KM8,水泵2交流接触器KM9，水泵3交流接触器KM10。

格栅机、滗水机、鼓风机、剩余污水机、回流污泥机和搅拌机由热继电器FR1、FR2、FR3、FR4、FR5、FR6、FR7、FR8、FR9、FR10实现过载保护。

QF为电源总开关，既可完成主电路的短路保护，又起到分断三相交流电源的作用，使用和维修方便。

熔断器Fu1、Fu2、Fu3、Fu4、Fu5、Fu6分别实现各负载回路的短路保护。

2.主要参数计算

（1）.断路器QF脱扣电流。

断路器为供电系统电源开关，其主回路控制对象为电感性负载交流电动机，断路器过电流脱扣值按电动机起动电流的1.7倍整定。

SBR废水处理系统有3kW负载电动机1台，起动电流较大，其余五台为1.1kW以下，起动电流较小，而且工艺要求7台电动机单独起动运行，因此可根据3kW电动机选择自动开关QF脱扣电流IQF：

IQF＝1.7IN=1.7×6A＝10.2A≈10A，选用IQF＝10A的断路器。

熔断器FU熔体额定电流IFU。

以鼓风机为例，IFU≥2IN＝2×2.5A＝5A，选用5A的熔体。

其余熔体额定电流的选择，按上述方法选配。

控制回路熔体额定电流选用2A。

在原理图中的熔断器规格选用RT18-32系列。

（2）.热继电器在本论文里选用JR36系列，整定电流等于各电机的额定电流。

（3）.在原理图中的交流接触器规格选用CJ20-10。

3.PLC控制电路设计

包括PLC硬件结构配置及PLC控制原理电路设计。

硬件结构设计。

了解各个控制对象的驱动要求，如：

驱动电压的等级、负载的性质等；分析对象的控制要求，确定输入/输出接口（I/O）数量；确定所控制参数的精度及类型，如：

对开关量的控制、用户程序存储器的存储容量等；选择适合的PLC机型及外设，完成PLC硬件结构配置。

根据上述硬件选型及工艺要求，绘制PLC控制电