电子与通信工程论文 罗克韦尔控制系统在MBR膜废水处理中的应用文档格式.docx

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PLC是一种结构简单、通用性好、功能完备的新型控制元件，特别适用于工业控制

运用PLC进行控制的控制系统集过程控制和科学管理于一体，具有可靠性高、控制性能优越、管理功能完善等优点，对指导污水处理系统的正常运行、提高污水处理维护和管理水平具有重要的作用

为了有效控制膜污染问题，进一步扩大MBR的应用领域，近些年来，各种组合工艺相继出现，如MBR超声组合工艺，MBR光催化组合工艺，MBR臭氧氧化组合工艺，MBR复合混凝剂组合工艺，水解／好氧MBR组合工艺,PLCMBR组合工艺等。

2.2现阶段MBR膜处理技术的应用

膜-生物反应器（MembraneBio-Reactor,MBR）为膜分离技术与生物处理技术有机结合之新型态废水处理系统。

以膜组件取代传统生物处理技术末端二沉池，在生物反应器中保持高活性污泥浓度，提高生物处理有机负荷，从而减少污水处理设施占地面积，并通过保持低污泥负荷减少剩余污泥量。

主要利用沉浸于好氧生物池内之膜分离设备截留槽内的活性污泥与大分子有机物。

膜生物反应器系统内活性污泥（MLSS）浓度可提升至8000~10,000mg/L，甚至更高；

污泥龄（SRT）可延长至30天以上。

膜生物反应器因其有效的截留作用，可保留世代周期较长的微生物，可实现对污水深度净化，同时硝化菌在系统内能充分繁殖，其硝化效果明显，对深度除磷脱氮提供可能。

污水处理:

中国是一个缺水国家,污水处理及回用是开发利用水资源的有效措施。

污水回用是将城市污水、工业污水通过膜生物反应器等设备处理之后,将其用于绿化、冲洗、补充观赏水体等非饮用目的,而将清洁水用于饮用等高水质要求的用途。

城市污水、工业污水就近可得,可免去长距离输水，而实现就近处理实现水资源的充分利用，同时污水经过就近处理，也可防止污水在长距离输送过程中造成污水渗漏，导致污染地下水源。

污水回用已经在世界上许多缺水的地区广泛采用,被认为21世纪污水处理最实用技术。

进出水水质比较:

一般城市污水设计进水水质:

BOD5=300mg/l；

CODcr=500mg/l；

SS=300mg/l；

T-N4=5mg/l

出水水质:

BOD5=10mg/l；

NH4–N=10.0mg/l；

CODcr〈30mg/l；

浊度5NTU；

总大肠细菌总数3个/L；

膜的种类繁多,按分离机理进行分类,有反应膜、离子交换膜、渗透膜等;

按膜的性质分类,有天然膜（生物膜）和合成膜（有机膜和无机膜）;

按膜的结构型式分类,有平板型、管型、螺旋型及中空纤维型等。

如图2-1为现代MBR膜处理废水工艺的流程示意图。

图2-1现代MBR膜处理废水工艺的流程示意图

2.3工艺信息

MBR是膜分离技术与生物处理法的高效结合,其起源是用膜分离技术取代活性污泥法中的二沉池,进行固液分离。

这种工艺不仅有效地达到了泥水分离的目的,而且具有污水三级处理传统工艺不可比拟的优点:

1、高效地进行固液分离,其分离效果远好于传统的沉淀池,出水水质良好,出水悬浮物和浊度接近于零,可直接回用,实现了污水资源化。

2、膜的高效截留作用,使微生物完全截留在生物反应器内,实现反应器水力停留时间（HRT）和污泥龄（SRT）的完全分离,运行控制灵活稳定。

3、由于MBR将传统污水处理的曝气池与二沉池合二为一,并取代了三级处理的全部工艺设施,因此可大幅减少占地面积,节省土建投资。

4、利于硝化细菌的截留和繁殖,系统硝化效率高。

通过运行方式的改变亦可有脱氨和除磷功能。

5、由于泥龄可以非常长,从而大大提高难降解有机物的降解效率。

6、反应器在高容积负荷、低污泥负荷、长泥龄下运行,剩余污泥产量极低,由于泥龄可无限长,理论上可实现零污泥排放。

7、系统实现PLC控制,操作管理方便。

2.4项目设计的目标

本项目通过对模拟的MBR反应池的污水容量进行检测，模拟设定一个反应池长期处于多大容量会对膜产生巨大污染的设定值。

同时，本项目还需模拟：

1.格栅栏：

对污水进行初期的固态物质的分离。

当各条件满足时，将污水传输到MBR反应池中。

3.MBR膜反应池：

4.反应池抽吸泵：

当MBR膜反应池水量过高时，将会将污水排出到一次侧反应池中，使MBR膜反应池水量稳定于于自定义水量值。

2.5PLC应用在MBR膜处理印染废水系统的发展趋势

自20世纪70年代起，关于MBR的研究报道开始出现，在90年代后该工艺得以大规模的研究和迅速发展．然而，膜污染问题一直困扰阻碍着膜生物反应器的研究和应用推广。

膜污染是当前限制MBR广泛应用的主要瓶颈，其导致膜通量下降，增加膜组件更换和清洗的频率和系统曝气能耗，从而增加MBR的运行费用．因此，膜生物反应器（MBR）稳定运行的核心问题之一是膜污染控制．寻求延缓膜污染的对策将是本领域研究的重点和难点。

许多研究者将MBR膜处理技术与PLC控制技术相结合，研究其利用PLC控制技术为主体，变频器、传感器等膜处理系统进行不同的控制对出水水质的影响。

大量研究表明，利用现代PLC控制技术可以大大改善混合液性状，不仅能降低溶解性物质、胶体等的含量，从而把膜污染控制在最小的范围内，提高膜通量，加大污水处理效率，而且可以在一定程度上提高出水水质。

2.6项目的主要内容

4.MBR池抽吸泵：

3.项目所需设备选型

3.1硬件部分——PLC

3.1.1PLC的选型及相关参数

本项目所选用的PLC为ABPLC中的Micro850系列PLC，实物如图3-1所示，参数如表3-2,3-3所示。

图3-1ABMicro850系列PLC

表3-2ABMicro850PLC参数

属性

2080-LC50-48AWB

2080-LC50-48QWB

2080-LC50-48QVB

2080-LC50-48QBB

I/O数量

48（28个输入20个输出）

尺寸

（高×

宽×

深）

90×

238×

80mm

近似运输重量

0.725kg

线规

最小值

最大值

最高额定绝缘温度为90℃

单芯

0.2mm²

25mm²

多芯

表3-3ABMicro850PLC参数

接线类别

2-信号端口

2-电源端口

2-通信端口

线类型

仅使用铜导线

输入电路类型

120VAC

24VDC灌入型/拉出型（标准和高速）

输出电路类型

继电器

24VDC灌入型（标准和高速）

24VDC拉出型（标准和高速）

一般用途额定值

C300，R150

3.1.2PLC的特点

Micro800控制器设计用于经济型单机控制。

根据基座中内置I/O点数的不同，这些经济的小型PLC具有不同的配置，其拥有的一系列特性足以满足不同需求。

Micro800系列产品能够共用编程环境、附件和功能性插件，机器制造商可对控制器进行个性化设置，使其拥有特定功能。

Micro850可扩展控制器设计用于需要更多数字量和模拟量I/O或更高性能模拟量I/O的应用。

其支持多达四个扩展I/O。

凭借嵌入式10/100Base-T以太网端口，Micro850控制器能够包含额外的通信连接选件。

多台Micro830和Micro850控制器可通过嵌入式脉冲序列输出（PTO）支持基本的定位功能。

此类控制器还允许您配置多达6个高速计数器（HSC），可选择的HSC工作模式多达9种。

除2080-LCxx-xxAWB外，所有Micro830和Micro850系列产品均支持HSC。

3.1.3ABPLC的优点

1.使用方便，编程简单

采用简明的梯形图、逻辑图或语句表等编程语言，而无需计算机知识，因此系统开发周期短，现场调试容易。

另外，可在线修改程序，改变控制方案而不拆动硬件。

2.功能强，性能价格比高。

一台小型PLC内有成百上千个可供用户使用的编程元件，有很强的功能，可以实现非常复杂的控制功能。

它与相同功能的继电器系统相比，具有很高的性能价格比。

PLC可以通过通信联网，实现分散控制，集中管理。

3.硬件配套齐全，用户使用方便，适应性强

PLC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，用户能灵活方便地进行系统配置，组成不同功能、不同规模的系统。

PLC的安装接线也很方便，一般用接线端子连接外部接线。

PLC有较强的带负载能力，可以直接驱动一般的电磁阀和小型交流接触器。

4.可靠性高，抗干扰能力强

传统的继电器控制系统使用了大量的中间继电器、时间继电器，由于触点接触不良，容易出现故障。

PLC用软件代替大量的中间继电器和时间继电器，仅剩下与输入和输出有关的少量硬件元件，接线可减少到继电器控制系统的1/10-1/100，因触点接触不良造成的故障大为减少。

3.2硬件部分——触摸屏

3.2.1触摸屏的选型

本系统威纶公司的TK6070IP型号触摸屏，实物图如3-4所示。

图3-4触摸屏实物图

3.2.2触摸屏的优点

威纶触摸屏是威纶通触摸屏（人机界面）的简称。

是威纶通公司的一款产品。

威纶是威纶通的简称。

威纶通科技有限公司（WEINVIEWCO.,LTD）是集研发、生产、制造、销售于一体的金牌人机界面供应商，基于先进的人机沟通技巧和品牌化发展理念，在生产自动化、过程自动化领域提供多种选择的优质人机界面产品、解决方案及服务。

WEINVIEW品牌专注于中国HMI市场，已广泛应用于机械、纺织、电气、包装、化工等行业。

威纶TK6070IP触摸屏拥有更高的效能，内置了CortexA8600MHzCPU、128MBFlash、128MBRAM，拥有更快的速度。

显示为1600万色，高分辨率，更大的可视角度。

该触摸屏也更加实惠实用，适合一般的工作场景。

3.3硬件部分——变频器

3.3.1变频器的选型

本系统的变频器采用ABPowerFlex525型号变频器，实物图如3-5所示。

图3-5ABPowerFlex525变频器

3.3.2变频器的优点

1.模块化设计采用创新的可拆卸控制模块，可以同步安装和配置，有助于提高生产率。

2.PowerFlex525交流变频器的EtherNet/IP嵌入式端口支持无缝集成到Logix环境和EtherNet/IP网络。

3.可选双端口EtherNet/IP卡支持环形拓扑和设备级环网（DLR）功能，可以提高网络弹性。

4.PowerFlex525交流变频器可通过安全断开扭矩功能保护人员安全。

5.软件和工具有助于简化编程。

6.集成的人机界面模块（HIM）支持多种语言，并具有描述性QuickView™滚动文本功能，有助于解释参数和代码，从而简化配置。

7.AppView™应用参数组有助于加快多种常见应用的配置速度。

8.CustomView™配置可通过自定义参数组加快机器的调试速度。

9.节能控制模式和能源监视功能有助于降低能源成本。

10.变频器在-20℃（-4°

F）至50℃（122°

F）的环境温度下运行。

如果具备电流降额特性和控制模块风扇套件，工作温度最高可达70℃（158°

F）。

11.多种电机控制选项支持多种应用。

12.外型小巧，灵活，有助于节省面板内的空间。

3.4硬件部分——ABPLC扩展模块

3.4.1扩展模块的选型

本项目选用的扩展模块为2080-IF2，实物如图3-6所示。

图3-62080-IF2模块

3.4.2扩展模块的优点

2080-IF2或2080-IF4功能性插件能够提供额外的嵌入式模拟量I/O，2080-IF2最多可增加10个模拟量输入，而2080-IF4最多可增加20个模拟量输入，并提供12位分辨率。

此功能性插件可在Micro830/850控制器的任意插槽中使用。

不支持带电插拔（RIUP）。

3.4.3扩展模块的相关参数

扩展模块技术参数如表3-7所示。

表3-7扩展模块技术参数

产品目录

输入/输出数量

电压范围

电流范围

功耗

输入阻抗

电压阻性负载

2080-IF2

2个输入，单极性非隔离型

0-10V

0-20mA

<

60mA/3.3V

>

100KΩ（电压模式）

250Ω（电流模式）

2080-IF4

4个输入，单极性非隔离型

2080-OF2

2个输出，单极性非隔离型

60mA/24V

1KΩ（最小值）

3.5硬件部分——压力变送器

3.5.1工作原理

压力变送器用于测量液体、气体或蒸汽的液位、密度和压力，然后将压力信号转变成4-20mADC信号输出。

主要有电容式压力变送器和扩散硅压力变送器，陶瓷压力变送器，应变式压力变送器等。

介质压力直接作用于敏感膜片上，分布于敏感膜片上的电阻组成的惠斯通电桥，利用压阻效应实现了压力量向电信号的转换，通过电子线路将敏感元件产生的毫伏信号放大为工业标准信号。

3.5.2压力变送器实物图

本项目所选的压力变送器为KYB压力变送器，如图3-8所示。

图3-8KYB压力变送器

3.5.3压力变送器接线图

如图3-9所示，为压力变送器外部接线图。

图3-9压力变送器外部接线

4.项目总体设计方案

4.1项目的整体分布图

本项目整体分布图如图4-1所示。

图4-1项目整体分布图

4.2项目的运行流程图

本项目的运行流程图如图4-2所示。

图4-2项目运行流程图

4.3项目的I/O分配表

本项目I/O分配表如表4-3所示。

表4-3I/O分配表

PLCI/O分配表

输入

输出

_IO_EM_DI_01

启动按钮

_IO_EM_DO_12

污水提升泵

_IO_EM_DI_03

停止按钮

_IO_EM_DO_16

排水泵

_IO_EM_DI_04

手动排水

_IO_EM_DO_08

报警灯

_IO_EM_DI_05

手动进水

_IO_EM_DI_10

一次过滤池上限位

_IO_EM_DI_11

一次过滤池下限位

4.4PLC与触摸屏Modbus映射地址分配表

本项目PLC与触摸屏Modbus映射地址分配表如表格4-4所示。

表4-4PLC与触摸屏Modbus映射地址分配

变量名

数据类型

地址

已用地址

Bool

00012

00013

D111@Main_program

Real

400030

400030-400031

D112@Main_program

400020

400020-400021

M500@Main_program

00010

M502@Main_program

00001

S1@Main_program

S3@Main_program

00002

S4@Main_program

00004

S5@Main_program

00003

4.5项目的外部接线图

本项目的外部接线图如图4-5所示。

图4-5外部接线图

4.6PLC程序部分

4.6.1模拟量模块的使用

本项目使用了Micro850PLC中模拟量模块——2080-IF2，其能接收外界传入的电流或者电压信号，并将其转换成数字信号，传给PLC，使PLC能通过一系列计算后，进行对输出量的控制。

其数据范围如表4-6所示。

表4-62080-IF2数据范围

类型/范围

原始/比例数据

-32768-32767

工程单位

4-20mA

-10-10V

百分比范围

0-21000

3200-21000

-10500-10500

-500-10500

4.6.2整体程序框图

如图4-7所示本项目程序由主程序、静态进水值处理模块、动态进水值模块、静态排水值模块、动态排水值模块五个部分组成。

其中，主程序部分包括启动，停止，手动进水排水，初始状态监测等功能。

图4-7程序主框图

4.6.3主程序部分程序

如图4-8至4-13所示，为主程序中对于自定义所输入的水量值进行数据处理计算的部分程序。

图4-8手动进水、排水程序

图4-9实际水量值换算程序

图4-10自定义输入水量静态处理程序（进水）

图4-11自定义输入水量动态处理程序（进水）

图4-12自定义输入水量静态处理程序（排水）

图4-13自定义输入水量动态处理程序（排水）

4.6.4PLC与触摸屏通讯的参数设置

如图4-14所示，其为PLC与触摸屏进行通讯所必须设置的参数。

图4-14PLC与触摸屏进行通讯设置的参数

4.7触摸屏部分

4.7.1触摸屏参数设置

如图4-15所示，为触摸屏所设置的参数。

图4-15触摸屏参数

4.7.2触摸屏画面

如图4-16和4-17所示，分别为触摸屏的操作界面和监视界面。

图4-16触摸屏操作界面

图4-17触摸屏监视界面

4.8变频器的参数设置

4.8.1变频器外部接线图

本项目所用的变频器为ABPowerFlex525变频器，利用其外部端子控制方法通过PLC控制，来带动污水提升泵进行抽水动作。

其外部接线示意图如图4-18所示。

图4-18变频器外部接线示意图

4.8.2变频器参数设置

变频器参数P46和P47设置如图4-19所示。

图4-19变频器参数P46和P47设置

5.数据分析

5.1数据表

通过控制变量法，进行多次的实验以及测量，排除误差数据，记录了一份可靠数据，如表格5-1所示。

表5-1水位、电流、模拟量数据表

水位、电流、模拟量数据表

水位值（ml）

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

8000

9000

11000

12000

电流值（Ma）

3.94

4.12

4.14

4.16

4.18

4.20

4.22

4.24

4.26

4.28

4.30

4.32

模拟量值

13000

13500

13566

13630

13697

13762

13828

13894

13959

14025

14090

14156

5.2数据折线图

对测量以及整理得到的数据画成折线图能够直观的看出其具体数据变化的趋势和规律，详细见图5-2至5-5所示。

图5-2水位值折线图

图5-3电流值折线图

图5-4模拟量值折线图

图5-5水位值、模拟量值折线图

5.3数据结论

由上诉表格数据和折线图趋势可知，模拟量数值会随着水位值地增加而增加，而随着水位地增加，压力变送器的输出电流也将以一个比例增加，由此可以得出模拟量值会随着水位值以及压力变送器输出电流的增加而增加，且呈一定比例。

6.结论

经过了一个多月的学习，从最初的确定毕业设计题目，再到寻找相关文献资料，又为了做实物而寻找各种合适的设备，最后经过