基于PLC的城市污水处理控制系统设计Word文档下载推荐.docx
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SBR
1绪论
1.1设计背景
水是人类生活中必不可少的，尤其随着工业的发展无论是生活还是生产中对水资源的需求量越来越大。
但水资源属于不可再生资源，必须加以合理的开发利用。
我国淡水资源总量虽大但人占有量不足，仅为世界平均值的1/4。
在上次淡水资源调查中，全球149个国家参加调查，我国人均淡水资源占有量位居第110位，淡水资源贫乏。
而且在全国500多个城市中，许多北方城市严重缺水，加之水资源的空间分布极不缺水现象更为其严重，人均拥有淡水量仅有全国人均的1/10
。
更令人担忧的是淡水的浪费非常严重，随着淡水总量不断减少，用水成本越来越高，如果不加以合理管理，必将形成恶性循环。
我国北方地区已出现众多环境问题，如水位下降、湖泊干涸、河水断流等，水资源的超采，己形成漏斗地势。
如何合理运用淡水资源己经成为我国正在研究的课题。
随着社会的发展，水资源已经成为影响人民生活的重要因素，加之目前我国城市用水重复利用率小。
如何建立合理有效的污水处理系统已成为我国亟待解决的问题。
目前全国城市污水达排放标准的有效率仅有10%，大部分污水未经处理就直接排入河流、湖泊和海洋。
如何有效快速的对城市污水进行处理，提高水资源利用率，已经刻不容缓。
环境污染的加重，水资源日益减少、水质日益恶化等一系列问题，都需要我们通过污水处理问题解决。
据统计，由于水资源污染，在我国约3亿的饮水不和谐现象中，饮用超标水的占1.9亿人。
据有关专家预测，未来90年全球气候变暖加剧，到2100年，地球表面将有1/3的面积沙漠化，干旱将成为全球人类生存的威胁[2]。
为了防止这些现象产生的严重后果，合理利用水资源，尤其是城市污水处理的自动化完善已经迫在眉睫。
世界各国为了突破由水资源短缺而造成经济发展停滞的障碍，越来越重视水处理技术，希望通过各种水处理技术提高所供应的生活用水质量、工业用水质量，从而提高经济效益。
并在城市污水处理过程中，经过SBR污水处理法处理的污水，可以直接排放到河道中，真正实现保护环境、合理利用水资源的目的。
随着环境保护者的呼吁，人们的环保意识越来越高，城市污水处理未经处理直接排放是绝对不能容忍的，因此污水处理自动化系统的开发与利用已经体现出其必要性和紧迫性。
在城市污水处理过程中，污水主要来自城市居民生活污水，污水成分多样，因此对城市污水处理的工艺和控制方式提出了较高的要求。
1.2研究目的和意义
随着社会的不断进步，经济的不断发展，人民的生活水平也在不断地提高，但环境问题却不容乐观。
尤其是现在各城市发展飞速，城市污水的随意排放造成了很严重的环境污染问题。
这个污染源的出现引起了社会各界的广泛关注，因为这不仅影响了城市形象，更与我们生活息息相关，近年来治理水污染环境的课题已被列入世界环保组织的工作日程，其重要性可见一斑。
虽然我国年平均水资源总量为28000亿m3，居世界第4位，但仍改变不了我国水资源短缺的现实，因为虽然水资源总量很多，但人均水资源量不足，仅为2220m3，居世界第110位，是世界上13个缺水国家之一。
在我国各城市中约有300个城市缺水，其中50个城市严重缺水。
据中国经济信息网分析统计，一般情况下全国年缺水总里约为300亿～400亿立方米，因缺水造成的经济损失每年达2300亿，仅次于洪涝灾害。
水资沟的匮乏和水资源的污染，已经成为制约经济发展、影响人民生活水平提高的一大阻碍[3]。
因此建设符合我国国情的污水厂自动控制系统对有效的改善环境、建立可持续发展和谐社会、构建“美丽中国”同时又保持我国经济又快又好的发展具有重要意义。
1.3污水处理现状
国外的污水处理厂很早就实现了污水处理自动化，如DCS/FCS系统，之所以会有这样的效果是因为国外控制技术、网络通讯技术以与现场总线技术发展比较快，并成功将SCADA技术引入到了污水处理工程中，效果非常好。
一些智能、稳定、小巧的控制单元PLC的开发，更推进了污水处理的自动化控制的进程，许多价格合理、功能全面的PLC相继研制出了，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：
通过高精度的水质分析仪表对处理过程进行在线监控，根据需要记录下来处理过程中产生的数据和输出报表；
生产过程中根据水质和水源的变化采用智能控制，按需要对污水处理过程进行不同程度上自动的调整；
充分利用电话网络、移动电话网络、国际互联网、气象信息等社会信息资源，基本实现远程遥控操作，而非人工手动操作，自动化程度高。
在污水处理自动化控制方面，我国与国外相比起步较晚。
70年代开始采用热工仪表，在污水处理控制方面基本实现了集中巡检；
80年代，DCS系统与分析仪表广泛应用于污水处理控制中；
90年代，众多大型污水处理厂投资建成，使我国污水处理控制系统的自动化水平，提升很快。
目前，我国城市污水处理控制水平基本可以分为三个模式：
手动模式：
操作员对分散仪表采集到的数据（液位、流量、温度、浊度、PH值等）进行现场控制，也就是说，在这种工作状态下，系统完全由人工操作。
所以由于人为处理的延迟性与滞后性，难免对系统的准确性造成影响，不但出水质量难以保证，而且人工操作繁琐，容易发生错误，造成设备和装置不能完全利用。
但是这种控制方式也有自己的有点，比如投资少、易实现，所以主要在一些小型城市污水处理厂应用。
半自动控制模式：
顾名思义，半自动模式只通过上位机界面按钮远程遥控部分设备的启停，有一部分设备还是需要现场工作人员进行手动处理的。
在此种模式下传感器将数据传到控制室，通过上位机界面显示的流体的液位、流量、PH值等，根据显示的信息下达操作指令，自动完成一些对实时性要求不高的操作，二需要实时记录参数的操作，需要人工手动完成。
可见此种模式下，过多的加入了人为操作，处理流程不能自动连贯进行，加之人为操作误差或时间上的滞后，所以此种模式出水品质并不稳定，但其以资金投入量小，一直深受国内中、小型污水处理厂的青睐。
全自动控制模式：
通过电脑技术与多层次的网络控制系统的协调配合，从而实现污水处理的自动控制。
在生产过程中下位机采集的数据送到上位机，数据通过相应运算处理，通信网送入下位机的PLC控制单元，实现通过上位机界面远程实时控制现场设备的要求。
上位机的工控计算机采用标准的通信协议，以太网为媒介实现信息的集成管理，上位机与下位机之间通过网络传送采集到的数据和远程控制操作指令。
基于此种模式灵活便捷，反应迅速，可靠性高，是目前污水处理控制系统发展的趋势[4]。
1.4主要设计内容
本设计面向中、小型城市污水处理厂，采用PLC作为控制系统实现污水处理自动/手动控制，完成对现场设备的过程监控功能，并利用组态软件设计监控界面，完成现场设备状态监视、数据记录、工业参数设置、报警显示等功能。
主要任务：
1．研究常用的污水处理方法，设计可行性解决方案，并根据方案对过程仪表进行选型；
2．编写PLC控制程序（顺序梯形图），采用手动控制和自动运行两种控制模式完成对现场设备的过程监控功能；
3．采用组态软件设计友好的人机监控界面，完成现场设备状态监视、数据记录、工业参数设置、报警显示等功能；
4．在实验室进行联机测试，完成系统功能。
2污水处理工艺流程
2.1常用的污水处理工艺
污水处理对象不同，环境不同，需要的污水处理工艺不同。
因此，在选择污水处理工艺时必需要认真考虑当地污水的具体情况，根据实际情况应用不同的污水处理方法。
污水处理工艺主要有物理工艺、化学工艺、物理化学工艺以与生物工艺等几种。
这些方法根据实际情况，可以单一使用，也可以混合使用。
目前，城市污水处理方法中以活性污泥处理法为主，以物理处理法和化学处理法为辅。
常用的污水处理工艺主要有以下几种。
1．传统活性污泥法。
传统活性污泥处理法是一种古老的工业污水处理工艺，其核心组成部分为曝气池与沉淀池，其处理流程如图2-1所示。
图2-1传统活性污泥法工艺流程图
污水中停留在曝气池中，污水中的大部分有机物被曝气池中的微生物吸附，并且在曝气池中被氧化成无机物，然后在经过沉淀池沉淀，清水排除，沉淀后的一部分活性泥回流到曝气池中。
该工艺的优点有：
去除有机物效率高，沉淀池的容积小，耗电省，成本低。
但该工艺也有缺点，如普通曝气池占地多，资金投入大，满足国家标准相关指标范围较小，污泥膨胀现象严重，磷、氮去除率比较低。
2．A/O法。
A/O法是传统活性污泥法的升级版，其中A表示Anoxic（缺氧的），O表示Oxic（好氧的）。
A/O法作为一种缺氧/好氧生物污水处理工艺，其反应机理是通过增加好氧池与缺氧池所形成的硝化/反硝化反应系统，脱氮效果很明显。
但此硝化/反硝化反应系统需要得到较好的控制，因此该工艺管理要求较高，也成为此工艺的一大缺点。
其工艺流程如图2-2所示：
图2-2A/O法工艺流程图
3．A/A/O法。
A/A/O法也是基于传统活性污泥法发展起来的一种污水处理工艺，A/A，前一个A表示Anaerobic（厌氧的），后一个表示Anoxic（缺氧的），O代表（好氧的）。
A/A/O是一种厌氧—缺氧—好氧污水处理工艺。
A/A/O法对除磷脱氮有一定效果，尤为适合对除磷脱氮有要求的污水处理厂应用。
因此，在对除磷脱氮有要求的中/小型污水处理厂，一般首选A/A/O工艺。
其工艺流程图如图2-3所示。
图2-3A/A/O法工艺流程图
4．A/B法。
吸附生物降解法简称A/B法，该工艺将曝气池分为高、低负荷两个阶段，并各自拥有独立的污泥回流与沉淀系统，没有初沉池。
A段负荷较高，停留时间大约为20到40分钟，主要是生物絮凝吸附发挥作用，与此同时发生不完全的氧化反应，对BOD的去除效率大于50%。
B段负荷较低，与常规的活性污泥法基本相同。
AB法中A段缓冲能力较强，效率高；
B段稳定性较好，严格控制出水品质。
对高浓度的城市污水的处理，AB法节能效益高，适应性强。
若采用污泥硝化和沼气利用等工艺，优势更加明显。
但是，AB法也有缺点，A段污泥中有机物含量高，且处理后污泥量大，因此必须添加污泥后处理工艺，以稳定污泥量，这样无形中就增加了投资和费用。
另外，难此法以实现脱氮工艺的要求，其原因在于A段去除了较多的BOD，碳源不充足。
而且对污水浓度也有要求，若浓度较低，B段很难发挥优势。
总体而言，AB法对于浓度高的污水处理比较好，具有污泥硝化等后续处理设施且对于有脱氮要求不高的大中规模的城市工业污水处理厂。
5．SBR法。
歇式活性污泥法简称SBR法，是一种按照一定的时间顺序间歇式操作的活性污泥污水处理技术，也是一种通过曝气来运行的活性污泥污水处理技术，因此又叫序批式活性污泥处理法。
早在1914年，这种处理系统就被采用，但由于当时自动化水平较低，操作困难且工作量大，尤其是后来随着城市和工业污水处理规模的日趋规模化，这一缺点更加凸显，所以曾经连续式活性污泥法一度取代了间歇式活性污泥法。
近年来，随着计算机和自动控制技术的飞速发展，SBR法的以上弊端得到较好的解决。
SBR以其独特的优点，越来越受到国内外污水处理部门的重视。
其滤除污染物的机理与传统的活性污泥法除操作方式外基本相通。
SBR法与传统的污水处理工艺相比，其主要以时间分割代替空间分割操作，非稳态生化反应代替稳态生化反应，理想静置沉淀代替动态沉淀等。
单个操作单元间歇进行，但通过多个单元组合调度后整个操作过程又是连续的，从而实现有序而间歇的运行。
SBR反应池去除有机物的机理与普通活性污泥法相比，在曝气阶段基本相同，不同之处在于SBR反应池集进水、反应、沉淀、排水、待机五个工序于一身。
从废水流入开始到待机时间结束为一个操作周期，污水处理过程在一个设有鼓风机的SBR反应池内进行，不需要另设沉淀池和污泥回流系统[5]。
SBR污水处理工艺主要特点如下：
（1）工艺简单，造价低，运行方式灵活，脱氮除磷效果好；
（2）时间上间歇排水，具有理想的推流式反应器的特性；
（3）耐冲击负荷能力较强，污泥沉降性能好，不易产生污泥膨胀现象；
本设计是针对中小型城市的污水处理，无论是从工艺效率，还是从经济方面考虑，SBR污水处理法都非常适合。
所以本设计通过PLC程序控制SBR污水处理法，对城市污水进行处理。
2.2SBR法过程阐述
1．进水
进水阀门打开，进水泵运作，原污水通过粗/细格栅滤除块状污染物，经过抽水泵到达集水池，到达高水位时，进水泵、粗/细格栅、集水池抽水泵停止，SBR反应池抽水泵运作，将集水池中的污水注入两个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SBR反应池预定水位时，停止进水，高水位指示灯亮，空气阀门打开，鼓风机启动，开始曝气，在此同时污泥泵往SBR反应池中打入活性污泥，开始反应，如驱除BOD、硝化、磷的吸收以与反硝化等。
设定好曝气时间，时间到达鼓风机与污泥泵停止。
3．沉淀
当SBR池停止曝气以后，空气阀门与污泥阀门关闭，鼓风机与污泥泵停止。
开始重力沉淀和泥水分离。
4．排水
SBR池静置一段时间后，污泥完全沉淀至SBR下层，上层清液由滗水器缓慢抽出，排入河道。
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[6]。
其流程如图2-4所示：
图2-4SBR法流程图
3硬件设计
3.1PLC的介绍
3.1.1PLC的结构
PLC的硬件结构基本上与微型计算机基本相同，是一种专用于工业控制的计算机。
根据硬件结构的不同，PLC可分为整体式和模块式。
1．整体式PLC
整体式又称单元式或箱体式结构的PLC，其主要由中央处理器（CPU）、存储器、输入/输出（I/O）单元、电源和通信端口等组成在同一机体内。
这种结构的特点是结构简单、体积小、价格低、输入/输出点数固定、实现的功能和控制规模固定，但灵活性较低。
基本结构框图如图3-1所示。
图3-1整体式PLC结构
2．模块式PLC
模块式（又称组合式）结构的PLC，其中央处理器（CPU）、存储器、输入/输出（I/O）单元、电源电路和通信端口等均做成模块，各模块间通信通过机架上的总线互相联系，应用时根据控制要求将这些模块插在机架上。
其中PLC的CPU和存储器设计在一个模块上，有时把电源也放在这一模块上，该模块在总线上的安装位置一般是固定的。
模块式的PLC安装完成后，需进行登记，以便PLC对安装在总线上的各模块进行地址确认。
模块式的特点是系统构成的灵活性高。
可以构成不同控制规模和功能的PLC，但同时价格也比较高。
基本结构如图3-2所示。
图3-2结构式模块
3.1.2PLC的工作原理
PLC与继电器构成的控制装置的工作方式不同，继电器控制器采用并行运行方式，即线圈的触点动作与该点通断电同步。
而PLC则采用循环扫描技术，每次只能执行一条指令，只有当程序扫描到该线圈，并且该线圈通电时，该线圈触点才会动作，所以PLC的工作方式是“串行”方式，这种工作方式可以避免继电器控制的触点出现竞争或时序失配等问题。
也就是说，继电器控制装置根据输入和逻辑控制结构就可以得到输出，而PLC控制器不行，需要输入、执行程序指令、输出3个阶段才能完成整个控制过程[7]。
1．循环扫描技术
循环扫描技术可以分为输入阶段（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）3个阶段。
（1）输入阶段
进入此阶段，PLC先进行自我诊断，然后与编程器或计算机通信，同时中央处理器扫描各个输入端并读取输入信号状态，采集数据，并将其存入相应的输入存储单元。
（2）执行程序阶段
进入此阶段，PLC由上而下按次序一步一步执行程序指令。
从相应的输入存储单元读入输入信号的状态和采集到的数据，然后根据程序内部设定的继电器、定时器、计数器等数据寄存器的状态和数据进行逻辑运算，得到运算结果，存入相应的输出存储器单元。
执行完成后，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
进入此阶段，PLC将相应的输出存储单元的运算结果传送到对应的输出模块上，并通过输出模块向外部设备传送输出信号和指令，控制外部设备动作，既而实现通过PLC程序控制外部设备。
2．PLC的I/O响应时间
I/O响应时间是指从某一输入信号变化开始到系统相关输出端信号的改变结束，这段时间就是I/O反应时间。
因为PLC采用循环扫描工作方式，所以收到输入信号的时刻不同，输出端信号改变时刻也不对应相同，响应时间的长短也就不同。
下面就介绍最短响应时间和最长响应时间。
最短响应时间：
上一个扫描周期刚结束就收到输入信号，也就是说收到输入信号与下一个扫描周期同时开始，这时响应时间最短。
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：
在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，要等到下个扫描周期才能得到响应，这时的响应时间最长[8]。
3.1.3PLCI/O口分配
表3-1I/O口分配
在此控制系统中，共用到14个输入和22个输出。
其具体的输入输出如表3-1。
端口地址
元件
说明
自动开关
I0.0
SB0
集水池高水位信号
I0.1
SB1
SBR1池高水位信号
I0.2
SB2
SBR1池低水位信号
I0.3
SB3
SBR2池高水位信号
I0.4
SB4
SBR2池低水位信号
I0.5
SB5
SBR池手动进水开关
I0.6
SB6
集水池低水位信号
I0.7
SB7
紧急停车
I1.0
SB8
启动鼓风机
I1.1
SB9
启动进泥泵
I1.2
SB10
手动/自动开关
I1.3
SB11
启动滗水器
I1.4
SB12
启动排泥泵
I1.5
SB13
关闭排泥泵
I1.6
SB14
手动开关
I2.0
SB15
进水泵
Q0.0
Q0
粗/细格栅机
Q0.1
Q1
排污传送带
Q0.2
Q2
集水池进水泵
Q0.3
Q3
SBR池进水泵
Q0.4
Q4
SBR1池进水阀
Q0.5
Q5
SBR2池进水阀
Q0.6
Q6
滗水器
Q0.7
Q7
SBR1池鼓风机
Q1.0
Q10
SBR2池鼓风机
Q1.1
Q11
SBR2池出水阀
Q1.2
Q12
SBR1池出水阀
Q1.3
Q13
进泥泵
Q1.4
Q14
表3-1续I/O口分配
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