基于PLC的污水处理控制系统设计毕业设计论文Word文档下载推荐.docx
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指导教师签名杨胤铎系主任签名
院长签名（章）
武汉理工大学本科生毕业设计（论文）开题报告
1、目的及意义（含国内外的研究现状分析）
长期以来,在我国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，污水净化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。
为保证污水处理工艺可靠、顺利实施，自动控制系统的设计及控制技术的运用要以可靠性为基础，综合考虑控制技术先进性、可扩展性，同时兼顾降低系统造价。
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以开关量参数居多，模拟量参数少的特点，而这些都是PLC控制系统的优势所在。
原有的污水处理厂其控制部分采用传统的继电器控制，控制线路复杂，继电器多，长时间运行后，线路老化，频繁出现控制故障。
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，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。
国外的一些发达国家，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。
这些国家经济发展较早而且较快，环境问题特别是水资源污染的严重性也较早的体现出来，同时也得到了这些国家政府的重视，投入了大量的人力、物力进行水处理的研究。
这些国家在研究水处理新理论和工艺的同时，也重视污水处理自控系统的研究。
这些国家先后投资研究高效型、智能型、集约型污水处理设备和自动化控制仪表。
一些发达国家经过几十年的努力，污水处理率已经达到80%-90%，成功的解决了来自于城市和工业的水污染问题。
同时一些国家开始重视污水的回收利用。
其特点有：
大量采用在线监测的水质分析仪表，对全厂的水质实时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的采用了智能控制，可以根据水质和水源的变化自动的调整相应的控制方式；
大量采用遥测、遥控设备，并有效地利用社会资源，如电话网络、移动电话网络、国际互联网、气象信息等。
目前,国产化污水处理设备具有品种不全,结构不合理,技术水平比较低,产品质量不稳定的特点。
我国自主生产的设备在很大程度上是依托国外相关设备的构造,再经过自我消化、研发和生产实践,逐步填补国内空白并在此基础上不断发展壮大。
不过,我国污水处理设备会在相当长的时间内落后于其他国家,还有许多空白,很多设备还停留在仿制的水平上,对于其理论研究尚显不足。
因而,国产化设备将会在未来相当长时间内在技术水平上处于劣势,特别是先进设备的技术保密与知识产权保护意识的加强,其竞争力将在未来市场中不断接受考验。
2、基本内容和技术方案
基本内容：
掌握多种污水处理工艺，并确定其中一种处理工艺，提出污水处理方案；
设计污水处理系统的输入检测环节，进行PLC设备选型及其扩展；
设计控制系统操作与显示接口；
设计系统控制流程，并利用PLC编程软件实现，要求手动与自动控制；
绘制污水处理系统的电气硬件电路。
细格栅、清污机
清污机
转碟曝气机
技术方案：
本设计采用氧化沟处理工艺，主要包括：
进水系统、除砂系统、氧化沟系统、沉淀系统和污泥脱水系统。
其工艺流程图如下图1所示。
污水
氧化沟反应池
沉砂池
粗格栅
潜水泵
分离机
潜水搅拌机
污泥回流泵
排泥灌
刮泥机
沉淀池
离心式脱水机
清水排出
污泥脱水
图1污水工艺流程图
如上图所示，污水由进水系统中的进水管道和潜水泵通过粗格栅和清污机进行初步排除大块杂质物体。
在除砂系统中细格栅和清污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，并由分离机对沉砂池中的沙粒进行排除后进入氧化沟反应池。
在该氧化沟系统中进行生化处理，分解污水中的有害物质，此环节用到一些化学药剂来加强处理效果。
同时在该系统中设置有溶解氧仪超声波检测器，通过它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，改变污水中溶解氧的含量。
潜水搅拌机的作用是推进水流，使氧化沟的污水和活性污泥处于剧烈搅拌充分混合接触，使生化反应更加充分，以最大程度地分解污水中的有害成分。
污泥回流泵根据污泥回流泵房内由液位传感器检测到液位，进行运行或停止，将剩余的污泥及使用过的污泥进行处理。
经处理的污水进入沉淀池中，在刮泥机的作用下进行物理沉淀。
污水经沉淀池处理最后到达脱水环节，离心式脱水机作用下进行脱水处理后排出清水。
3、进度安排
第1-2周及时完成外文翻译工作，英文文献不少于20000字符；
第3周对城市污水处理做详细的需求分析，掌握污水处理工艺，提出污水处理系统的总体方案；
第4-5周学习PLC指令的编程，进行PLC设备选型及其扩展，并包括水泵、电机等型号的选定；
第6-7周设计污水处理系统的输入检测环节，根据污水处理工艺过程，完成控制系统控制流程设计；
第8-9周根据系统控制流程及相关工艺，绘制程序流程图，编写程序，利用PLC编程软件STEP7-Micro/WIN，得出梯形图程序，要求手动与自动控制；
第10-11周设计控制系统操作与显示接口，利用MCGS软件设计界面；
第12-13周绘制污水处理系统的电气硬件电路，图纸规范，并不少于三张；
第14-15周根据武汉理工大学毕业设计工作管理办法，完成论文的撰写工作，制作演示PPT，做好答辩准备工作。
4、指导教师意见
指导教师签名：
年月日
摘要
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序的环境污染。
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。
本文详细介绍了一种基于PLC的污水处理控制系统。
本系统采用的是氧化沟法污水处理工艺，氧化沟法是活性污泥法的一种变形，属于低负荷、延时曝气活性污泥法。
文章首先介绍了本课题的目的和意义及国内外污水处理自控系统的发展状况，污水处理控制系统的工艺及相关流程，控制系统的总体方案设计，系统硬件结构及设计、工作原理以及系统软件PLC梯形图程序编写，来说明PLC在污水处理过程中的应用。
先根据污水处理工艺要求设计了设备的电气控制与自动控制线路，主要包括设备的启停、状态信号、故障信号、信号采集等，最后按照工艺要求设计PLC控制系统，其中包括PLC的选型、系统资源配置以及PLC程序的编写。
最后，本次设计还利用MCGS组态软件，设计了一个反映污水处理工艺流程的显示系统。
关键词：
污水处理氧化沟法PLC
Abstract
Economicdevelopmentofanycountryintheworld,willpromotesocialprogressandtopromoteindustrialandagriculturalproductioncapacityandfurtherimprovepeople'
slives,butalsowillbringadifferentprogramofenvironmentalpollution.Sewagealsocontributedtooneofthesourcesofenvironmentalpollution.Attractedtheattentionofthegovernmentsoftheworld'
spollutionsources,waterpollutionenvironmentaltopicstobeincludedintheworkscheduleoftheWorldEnvironmentalOrganization.
ThisthesisdescribesasewagetreatmentcontrolsystembasedonPLC.Thesystemusestheoxidationditchsewagetreatmentprocess,oxidationditchisadeformationoftheactivatedsludgeprocess,alowload,extendedaerationactivatedsludgeprocess.
Thethesisfirstintroducesthepurposeandsignificanceofthistopic,thestateofdevelopmentoftheautomaticcontrolsystemathomeandabroadsewagetreatment,sewagetreatmentprocesscontrolsystemandrelatedprocesses,theoverallcontrolsystemdesign,systemhardwarearchitectureanddesign,workingprincipleandsystemsoftwarePLCladderprogramming,toillustratetheapplicationofPLCinthesewagetreatmentprocess.Firstdesignofelectricalcontrolandautomaticcontrolcircuitaccordingtothesewagetreatmentprocessrequirements,includingstartandstopequipment,statussignalfaultsignal,thesignalacquisition,thefinaldesignofPLCcontrolsysteminaccordancewiththeprocessrequirements,includingtheselectionofthePLC,thesystemallocationofresources,aswellasthepreparationofthePLCprogram.
Finally,thisdesignusetheMCGSconfigurationsoftware,anddesignsareflectionofthedisplaysystemofthesewagetreatmentprocess.
KeyWords：
SewagetreatmentOxidationDitchPLC
绪论
1）课题目的及意义
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。
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。
尤其伴随着城市化和工业化进程的加速，需水量和污染物排放量迅速增长，水危机不仅会长期存在，而且有迅速加剧的趋势。
水资源短缺和水环境污染造成的水危机已经成为我国社会经济发展的重要制约因素。
国内外水环境恢复与再生的实践表明，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，利用人类与自然兼容协调，创造良好水环境，促进人类可持续发展的重要举措。
目前，我国大多数污水处理控制系统自动化水平不高、安全性低、管理不当，效率普遍低于世界标准。
污水处理系统中的曝气过程控制、数据通讯和监控管理是急需解决的主要问题。
中国污水处理自控系统相对落后，污水处理成本居高不下，污水厂排放的处理过的污水的水质不稳定，所以如何建立有效的自控系统，优化运行效果，减少运行费用，具有重要意义。
2）国外发展状况
这些国家经济发展较早而且较快，环境问题特别是水资源污染的严重性也较早的体现出来，同时也得到了这些国家政府的重视，投入了大量的人力、物力，进行水处理的研究。
国外污水处理自控系统主要存在以下几个特点：
（1）采用集散控制系统DCS和现场总线控制系统FCS。
按照厂区的自身情况和工艺段来划分若干个控制站，站与站之间可以平级关系也可以是上下级关系，站与站之间一般独立运行。
设立中控室，中控室有操作员和工程师站，负责全厂的数据管理与记录、报表等工作。
（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。
3）国内发展状况
解放初期，我国由于工农业生产刚刚起步，当时的污水污染程度很低，且提倡利用污水进行农业灌溉，特别是北方缺水地区将污水灌溉利用作为经验进行推广，全国仅有几个城市建设了近十座污水处理厂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。
与国外相比，我国污水处理自动化控制起步较晚，七十年代开始采用热工仪表，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有了很大的提高。
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。
可以说我国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。
可以看出我国的污水处理自控系统有以下特点：
（1）对于新建的污水处理厂，引进了计算机分散控制系统，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。
（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。
4）设计的主要内容和预期目标
本设计的主要内容是：
了解污水处理的工艺方法，确定采用其中一种处理工艺（氧化沟法），根据其工艺要求及相关流程，选定设备的具体型号，设计系统的硬件连线图和PLC梯形图程序，从而完成整个污水处理系统的设计。
所要完成的任务和预期目标：
（1）设计能够实现污水处理的氧化沟系统方案。
（2）利用AutoCAD，绘制污水处理系统的电气硬件连线图。
（3）根据控制流程图，完成系统的PLC梯形图程序。
（4）设计控制系统操作与显示接口，利用MCGS组态软件设计界面。
5）论文结构
根据以上的主要内容和预期目标，本次设计论文通过以下几个方面进行阐述污水控制系统：
（1）绪论。
主要概述课题的目的和意义，已及国内外的发展现状。
（2）第一章系统总体方案设计。
介绍氧化沟系统的组成部分、工作原理和工作基本过程。
（3）第二章系统硬件设计。
主要介绍PLC的I/O配置、设备选型和硬件电路连线图。
（4）第三章系统软件设计。
介绍手动自动控制流程和梯形图程序。
（5）第四章系统的MCGS组态。
设计系统的组态界面和MCGS与PLC设备的连接控制。
（6）结束语。
对本设计进行总结，并提出需要解决的问题和注意的方面。
1系统总体方案设计
1.1系统主要组成部分
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1-1所示。
污泥脱水系统
沉淀系统
氧化沟系统
除砂系统
进水系统
图1-1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，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，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。
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，其中的细格栅机是根据程序设定时间进行间歇工作，而清污机的运行和停止则根据细格栅两侧的液位差来决定，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，这和粗格栅系统的运行方式一致。
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）氧化沟系统。
氧化沟系统由氧化沟和污泥回流系统构成，氧化沟是污水处理系统中最重要的环节，因此控制量较多，控制过程较复杂，包括转碟曝气机和潜水搅拌机，污泥回流系统主要有污泥回流泵构成。
氧化沟的功能是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，其中，转碟曝气机是关键设备，在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，改变污水中溶解氧的含量。
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。
使活性污泥的生化反应更加充分，这样才能最大程度地分解污水中的有害成分。
污泥回流系统的污泥回流泵将剩余的污泥及使用过的污泥进行处理，该设备的运行与停止主要根据泵房内液位传感器的状态，当液位低于某个值时停止回流泵的运行；
当液位持续高于某个高位时，回流泵停止运行同时输出报警信号；
液位处于正常状态时，回流泵正常运行。
4）沉淀系统。
沉淀系统主要设备为刮泥机，其功能是对进行氧化沟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。
5）污泥脱水系统。
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，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。
1.2系统工作原理
污水处理系统的电气控制系统总框图如图1-2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。
操作面板
执行设备
PLC
传感器输入
模拟量输入
变频器
图1-2电气控制系统总体框图
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，系统根据检测到外部传感器的状态对设备进行启停控制，其工作过程如下。
1）接通电源，启动自动控制方式，启动潜水搅拌器和刮泥机。
2）运行粗、细格栅机，间歇运行，即运行一段时间然后停止一段时间，循环进行。
3）根据反馈回来的液位差状态控制清污机的运行与停止。
4）进水泵房中的潜水泵根据液面高低进行运行、停止及运行数量的控制。
5）转碟曝气机根据溶解氧仪反馈的模拟量经PLC运算后进行控制，同时控制分离机的运行与停止。
6）污泥回流泵的运行与停止根据液面的高低进行控制。
7）在污泥脱水系统中，离心式脱水机的启动采用顺序控制方式，依次启动其设备。
间歇启动粗、细格栅机
根据设定程序时间
启动潜水搅拌机和刮泥机
同步
氧化沟溶解氧
启动离心式脱水机
反馈
溶解氧仪
采集液位数据
液位传感器
是
停止潜水泵
潜水泵房液面是否低于设定值
P
LC
及其扩展
否
启动潜水泵
采集液位差数据
液位差是否
超过设定值
液位差计
启动清污机
停止清污机
停止污泥回流泵
污泥回流液面是否低于设定值
启动污泥回流泵
图1-3污水处理系统工作示意图
2系统硬件设计
以上介绍了污水处理系统的机械结构及其相关设备，根据其工作原理和控制系统的功能要求，本节主要介绍如何设计污水处理系统的控制系统和所需的各种硬件设备，在此控制系统中的核心处理器是PLC，其主要输入和输出量主要为数字量，只有一组模拟量的输入和输出。
2.1PLC的I/O配置
根据系统的功能要求，对PLC的I/O进行配置，具体分配如下所示。
2.1.1数字量输入输出部分
在此控制系统中，所需要的输入量基本上都属于数字量，主要包括各种控制按钮、旋钮、传感器输入及过载保护输入，共有49个数字量输入，如表2-1所示。
表2-1数字输入量地址分配
输入
地址
输入设备
I0.0
急停
I3.1
细格栅液位差计
I0.1
手动方式
I
升级会员 