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基于PLC的污水处理系统
摘要
随着现代生产工艺的飞速发展，我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。
充分证明了自动化控制系统对提高生产率，无人值守或少人值守，提高安全性具有良好的效果。
第一章绪论
1.1国内污水处理行业的发展概况
近几年随着工业迅速，城市人口的逐渐增加，人们生活水平逐渐提高各种用水量亦随之增长。
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。
20世纪50年代以后，全球人口急剧增长，工业发展迅速。
全球水资源状况迅速恶化，“水危机”日趋严重。
一方面，人类对水资源的需求以惊人的速度扩大；另一方面，日益严重的水污染蚕食大量可供消费的水资源。
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；所有流经亚洲城市的河流均被污染；美国40％的水资源流域被加工食品废料、金属、肥料和杀虫剂污染；欧洲55条河流中仅有5条水质差强人意。
20世纪，世界人口增加了两倍，而人类用水增加了5倍。
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。
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。
截至2005年底，全国661个设市城市中，已有383个城市建成污水处理厂792座，污水处理率由2000年的34％提高到52％，并形成了适合国情的污水处理技术路线和管理机制。
其中，有135个城市的污水处理率已达到或接近70％，单厂处理规模达到每天100万立方米。
2007年，中国水污染治理投资达到3387.6亿元，比上年增加32%，占当年GDP的1.36%。
中国水环境质量总体保持稳定。
2007年，共取缔一级水源保护区内排污口942个，停建二级水源保护区内可能造成污染的建设项目1294个，限期治理931个。
截至2010年9月底，全国设市城市、县及部分重点建制镇（以下简称“城镇”）累计建成污水处理厂2631座，污水处理能力达到1.22亿立方米/日；全国正在建设的城镇污水处理项目达1849个，总设计能力约4660万立方米/日。
在全国设市城市中，已有593个城市建有污水处理厂，占设市城市总数的90.7%；累计建成污水处理厂1623座，形成污水处理能力1.04亿立方米/日；其中36个大中城市（直辖市、省会城市和计划单列市）建有污水处理厂376座，处理能力达4368万立方米/日。
在县城及乡、镇中，全国已有933个县（含新疆生产建设兵团团级单位）建有污水处理厂，约占县城总数的52.1%；县城及乡、镇建有污水处理厂1008座，处理能力达1826万立方米/日。
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。
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。
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。
中国将在“十一五”期间投资3000亿元以推进城市污水处理和利用，中国污水处理行业由此迎来高速发展期。
1.2生活污水的处理工艺
生产废水及生活污水的循环利用，是节约用水和减少水资源开采的有效途径，既可利国利民，又是减少生产成本的重要举措。
同时为了响应实现工业废水零排放，努力建设节约型企业的号召，污水处理工程改造项目很必要。
前处理也称为预处理技术，常用有格栅或格网、调节池、沉砂池、初沉池等。
由于生活污水处理的核心是生化部分，因此我们称污水处理艺是特指这部分，如接触氧化法、SBR法、A/O法等。
用生化法（包括厌氧和好氧）处理工生活污水在目前是最经济、最适用的污水处理工艺，根据生活污水的水量、水质及现场的条件而选择不同的污水处理工艺对投资及运行成具有决定性的影响。
典型的生活污水处理完整工艺如下图1-1所示：
1.3SBR污水处理工艺
SBR是序列间歇式活性污泥法（SequencingBatchReactorActivatedSludgeProcess）的简称，是一种按间歇曝气方式来运行的活性污泥污水处理技术，又称序批式活性污泥法.与传统污水处理工艺不同，SBR技术采用时间分割的操作方式替代空间分割的操作方式，非稳定生化反应替代稳态生化反应，静置理想沉淀替代传统的动态沉淀。
它的主要特征是在运行上的有序和间歇操作，SBR技术的核心是SBR反应池，该池集均化、初沉、生物降解、二沉等功能于一池，无污泥回流系统。
正是SBR工艺这些特殊性使其具有以下特点：
1、理想的推流过程使生化反应推动力增大，效率提高，池内厌氧、好氧处于交替状态，净化效果好。
2、运行效果稳定，污水在理想的静止状态下沉淀，需要时间短、效率高，出水水质好。
3、耐冲击负荷，池内有滞留的处理水，对污水有稀释、缓冲作用，有效抵抗水量和有机污物的冲击。
4、工艺过程中的各工序可根据水质、水量进行调整，运行灵活。
5、处理设备少，构造简单，便于操作和维护管理。
6、反应池内存在DO、BOD5浓度梯度，有效控制活性污泥膨胀。
7、SBR法系统本身也适合于组合式构造方法，利于废水处理厂的扩建和改造。
8、脱氮除磷，适当控制运行方式，实现好氧、缺氧、厌氧状态交替，具有良好的脱氮除磷效果。
9、工艺流程简单、造价低。
主体设备只有一个序批式间歇反应器，无二沉池、污泥回流系统，调节池、初沉池也可省略，布置紧凑、占地面积省。
由于上述技术特点，SBR系统进一步拓宽了活性污泥法的使用范围。
就近期的技术条件，SBR系统更适合以下情况：
（1）中小城镇生活污水和厂矿企业的工业废水，尤其是间歇排放和流量变化较大的地方。
（2）需要较高出水水质的地方，如风景游览区、湖泊和港湾等，不但要去除有机物，还要求出水中除磷脱氮，防止河湖富营养化。
（3）水资源紧缺的地方。
SBR系统可在生物处理后进行物化处理，不需要增加设施，便于水的回收利用。
（4）用地紧张的地方。
（5）对已建连续流污水处理厂的改造等。
（6）非常适合处理小水量，间歇排放的工业废水与分散点源污染的治理。
本文所研究的污水处理流程如图1-2所示
1.4本课题研究的主要内容
本课题采用的处理工艺为：
过滤—生化反应—除盐污水处理工艺，以处理生活污水为主，另有少量的工业废水，水中的COD（化学耗氧量）、BOD（生化耗氧量）含量分别为536mg／L、I12mg／L。
经处理COD为40．8mg／L，BOD为2．51mg／L，达到一级排放要求，为了实现污水工程的全自动运行，按生产工艺要求，采用PLC可编程控制器实现连锁集中控制。
本课题研究了污水处理工艺及污水处理系统的组成，设计了基于PLC的控制系统的，主要由以下内容组成：
（1）介绍了国内的污水处理行业的发展以及污水处理系统工艺流程；
（2）选择PLC对污水处理控制系统进行设计和分析；
（3）具体分析设计污水处理的软件系统。
第二章控制方案
2.1系统的总体设计
本污水处理控制系统采用的可编程控制器为三菱FX2N型。
控制系统的结构框图见图2-1，控制系统设有集中控制室（加药间低压配电室内），框图中的各设备可以在集中控制室内控制。
在集中控制室的控制面板上有自动／手动，自动控制位置时，污水站处于自动运行状态，此时启闭机打开，格栅井、调节池、生化池.污泥泵，除盐根据各自的液位控制器开动、停止，开始运行。
控制柜正面如图2-2所示。
图2-2控制柜正面示意图
在控制柜上除了有手动操作按钮外，还有各液位池的液位显示。
本处理系统对液位的控制采用浮球液位传感器，浮球连续式液位传感器是利用浮球内磁铁随液位变化，来改变连杆内的电阻与磁簧开关，磁簧开关的间隙愈小，精度愈高。
分压信号可经过转换器转变成4～20mA或其它不同之标准信号。
指示计可配合其它表头作远距离指示，是一种原理简单，可靠性极佳的液位指示计。
除盐池中的盐浓度检测由余氯（自由氯）电极来完成，此电极可以直接输出4-20mA的模拟量信号，该信号可直接接数字显示仪表进行显示，两路继电器输出实现上下限控制，可以打开仪表面板设置上下限。
液位监测系统接线如图2.3所示。
图2-3液位监测系统接线示意图
2.2工艺及控制要求分析
2.2.1格栅池
生活污水中含有大量的废渣，如果不经处理直接排入河中，不仅污染环境，而且会提高河床高度，阻塞河道。
尤其是在雨季到来的时候，会对人民的生命造成极大的危害，给国家带来巨大的经济损失。
除渣系统主要由格栅完成。
格栅池内的格栅由一组平行金属栅条制成,一般斜置于污水主渠道上,截留污水中的大块固体物,如塑料制品、纤维及其他生活垃圾,以防止阀门、管道及其后续处理设备堵塞或损坏.污水过栅越缓慢,拦污效果越好,但过栅缓慢易造成栅前渠道或栅下积砂而使过水断面缩小,流速变大.因此,污水过栅的流速应根据污水中污染物的组成、含砂量及栅条间距等确定.格栅条间距应根据污水的种类、流量代表性杂物种类和尺寸大小等来确定,既要满足除渣要求,又要满足后续水处理构筑物及设备的要求。
格栅除污机的工作原理：
格栅除污机是由一种耙齿配成一组回转格栅链，在电机减速器的驱动下，耙齿进行逆水流方向回转运动；当耙齿链运动到设备的上部时，由于槽轮和弯轨的导向，使每组耙齿之间产生相对运动，绝大部分固体物质靠重力落下，另一部分则依靠清扫器的反向运动把粘在耙齿上的杂物清刷干净。
本系统设有液位报警模块，由液位计来测量格栅池内的水位，当格栅池内的水位超过给定的界限时，报警器发出报警，同时，系统停止工作。
工作人员应及时清查问题所在，当该问题解决后，系统重新投入运行。
2.2.2调节池
由于生活污水水量的不稳定性和波动较大，使管渠和构筑物正常工作，不受废水高峰流量或浓度变化的影响，需在废水处理设施之前设置调节池，用以调节进、出水的流量。
无论是工业废水，还是城市污水和生活污水，水量水质在一日２４小时内都有变化，对水量和水质的调节，有预曝气，沉淀作用，还可用作事故排水。
设置液位计检测调节池的液位，以免高液位污水溢出。
2.2.3SBR反应池池
SBR反应池中有一台曝气机。
曝气机的运行是由可编程序控制器来实现自动控制，在每个反应周期内，曝气机在相应的时间段内运行。
污泥的厌氧消化不但使有机物消化分解提高污泥稳定性而且随着污泥稳定化过程产生大量高热值的沼气作为能源利用,使污泥资源化。
处理系统其过程包括：
①充水（打开进水泵）0.5h;
②曝气（开启空压机）50min;
③污泥泵0.5h;
④排水（打开排水泵）0.5h
从充水开始到排水结束为一个周期。
在分解污水含碳化合物的同时,相继进行含氮化合物的硝化和反硝化,最终达到脱磷、脱氨和脱氮的目的。
2.2.4除盐池
若污水不经除盐程序，直接排出，当水中的盐类物质含量达到一定的浓度时，就会改变水中生物的生存环境，导致水中生物的细胞里的水分大量流失，从而，使各种生物脱水而死。
除盐系统经过除盐池完成除盐程序。
除盐时由余氯仪检测，当系统检测到水中含有高浓度盐类物质时，关闭阀门，利用反渗透膜的特性来除去水中经过中和反应及生物化学反应所产生出来的多余的盐类物质；当系统检测到低浓度盐类物质时，则污水通过沟渠流入清水池。
为了防止反渗透膜两侧的压力突变造成渗透膜破损，应对除盐池进行划分，使每个分支都有一个半透膜，从而，提高半透膜的使用时间，节省成本
设备的控制要求
（1）格栅井的污水由液位计进行检测液位的高低，当格栅井液位高时，关闭进水水泵，为低液位时开启水泵进水过滤。
（2）调节池用于缓冲峰时污水的冲击，可以储存来不及深度处理的污水，同样由液位计控制，高液位时停止进水。
（3）SBR反应池进水阀门开启，当污水到一定液位时停止进水。
（4）进水阀门关闭后，空压机开始运行，进行曝气，在曝气50min小时后，关闭空压机。
（5）在反应池内由污水进行沉淀，污泥泵运行0.5小时，排出污泥。
（6）打开排水阀，反应池开始排水，到低液位时，排水停止。
排水直接进入除盐池中进行除盐。
除盐池中污水到达高液位时，排水停止，计时器不停止，以便工人有时间处理。
（7）除盐池中由余氯仪检测浓度，低浓度时排水电磁阀开始排水，高浓度时停止排水。
系统中所有控制阀采用就地和远程控制方式,即使在程控系统完全故障的情况下还可以通过就地控制实现手动控制。
选择远程控制时,控制阀由操作员在操作站上控制。
操作员可以在操作站对控制阀进行状态监视和动作控制,对控制阀的控制可分选择自动和手动方式。
在自动方式时控制阀受PLC逻辑程序控制,在手动方式时控制阀由操作员直接在操作界面上点击控制，也可在控制室内的操作站上进行远方操作。
2.3PLC的I/O分配
启动开关SB1X0格栅井电磁阀KM1Y0
格栅井低位液位计B1X1格栅井高液位报警灯HL1Y1
格栅井高位液位计B2X2调节池高液位报警灯HL2Y2
调节池低位液位计B3X3调节池进水阀KM2Y3
调节池高位液位计B4X4SBR反应池进水阀KM3Y4
SBR反应池低液位计B5X5SBR反应池高液位报警灯HL3Y5
SBR反应池高液位计B6X6空压机KM4Y6
除盐系统低液位计B7X7污泥泵KM5Y7
除盐系统高液位计B8X10SBR排水阀KM6Y10
余氯仪低浓度检测B9X11除盐池高位报警灯HL4Y11
余氯仪高浓度检测B10X12高浓度检测报警灯HL5Y12
停止开关SB2X13除盐系统排水阀KM7Y13
手动格栅池进水电机SB2X14手动格栅池进水电机KM8Y14
手动调节池进水电机SB3X15手动调节池进水电机KM9Y15
手动反应池进水电机SB4X16手动反应池进水电机KM10Y16
手动空压机SB5X17手动空压机KM11Y17
手动排污泵SB6X20手动排污泵KM12Y20
手动反应池排水电机SB7X21手动反应池排水电机KM13Y21
手动除盐池排水电机SB8X22手动除盐池排水电机KM14Y22
2.4I/O设备确定及PLC的选型
2.4.1I/O设备确定
可编程控制器（PLC）三菱FX2N-48mr
电机（水泵）江林泵业WQ型
液位变送器西安力敏ND-21
余氯仪诺博科技NSC100
数字显示仪表力敏LXMT600
污泥泵蓝升ZW排污泵
2.4.2PLC的选型
本系统一共需要24个输入/出点，设计中用到的是三菱公司出产的FX2N系列中的FX2N-48MR型号。
FX2N系列是三菱PLC是FX家族中比较先进的系列。
具有高速处理及可扩展大量满足单个需要的特殊功能模块等特点，为工厂自动化应用提供最大的灵活性和控制能力，FX2N高速度，高性能和所有方便都是相当于FX系列中最高档次的超小形程序装置.除输入出16～25点的独立用途外，还可以适用于多个基本组件间的连接，模拟控制，定位控制等特殊用途，是一套可以满足多样化广泛需要的PLC。
2.5系统软件的介绍
本次编程用的是三菱的编程软件GXDeveloper8，本软件有以下特点。
1.软件的共通化GXDeveloper能够制作Q系列，QnA系列，A系列（包括运动控制（SCPU））,FX系列的数据,能够转换成GPPQ,GPPA格式的文档。
此外，选择FX系列的情况下，还能变换成FXGP（DOS）,FXGP（WIN）格式的文档。
2.利用Windows的优越性，使操作性飞跃上升能够将Excel,Word等作成的说明数据进行复制，粘贴，并有效利用。
3.程序的标准化
（1）标号编程用标号编程制作可编程控制器程序的话，就不需要认识软元件的号码而能够根据标示制作成标准程序。
用标号编程做成的程序能够依据汇编从而作为实际的程序来使用。
（2）功能块（以下，略称作FB）FB是以提高顺序程序的开发效率为目的而开发的一种功能。
把开发顺序程序时反复使用的顺序程序回路块零件化，使得顺序程序的开发变得容易。
此外，零件化后，能够防止将其运用到别的顺序程序时的顺序输入错误。
（3）宏只要在任意的回路模式上加上名字（宏定义名）登录（宏登录）到文档，然后输入简单的命令就能够读出登录过的回路模式，变更软元件就能够灵活利用了。
4.能够简单设定和其他站点的链接由于连接对象的指定被图形化而构筑成复杂的系统的情况下也能够简单的设定。
5.能够用各种方法和可编程控制器CPU连接
（1）经由串行通讯口
（2）经由USB（3）经由MELSECNET/10（H）计算机插板（4）经由MELSECNET（Ⅱ）计算机插板（5）经由CC-Link计算机插板（6）经由Ethernet计算机插板（7）经由CPU计算机插板（8）经由AF计算机插板。
6.丰富的调试功能
（1）由于运用了梯形图逻辑测试功能，能够更加简单的进行调试作业。
（a）没有必要再和可编程控制器连接。
（b）没有必要制作条使用的顺序程序。
（2）在帮助中有CPU错误，特殊继电器/特殊寄存器的说明，所以对于在线中发生错误，或者是程序制作中想知道特殊继电器/特殊寄存器的内容的情况下提供非常大的便利。
（3）数据制作中发生错误况时，会显示是什么原因或是显示消息，所以数据制作的时间能够大幅度缩短。
程序仿真时用的是三菱编程软件的配套软件，Gxsimulator6。
仿真软件的功能就是将编写好的程序在电脑中虚拟运行，其实这个仿真软件相当于编程软件的一个插件。
第三章PLC程序设计
3.1系统I/O接线图
图3-1系统外部接线图
3.2系统程序流程
图3-2流程图
3.3系统梯形图3-3
图3-3系统梯形图
3.4系统程序仿真图及系统说明
当X000闭合时，辅助继电器M0接通，检测液位，格栅池低液位时X001接通，格栅池进水电机Y000运行，格栅池进水。
当格栅池液位到高液位时X002接通，高液位报警灯Y001接通，第三步中的Y001断开，格栅池停止进水。
调节池中低液位X003时，调节池进水电磁阀Y003接通，调节池进水。
调节池高位时高液位检测计X004接通，高液位报警灯Y002接通，第10步中的Y002断开，调节池停止进水。
辅助继电器M0接通时，辅助继电器M1也接通。
M1接通，定时器T1开始计时，当液位没有超过高液位警戒时，反应池的进水电磁阀开始进水。
当T1计时结束时，第19步中的T1关断，反应池停止进水，T2开始计时，在T2计时的时间段中，空压机Y006运行，向反应池中充气，进行曝气。
当T2计时结束后，第27步中的T2关断，空压机Y006停止向反应池中充气，同时T3开始计时，在这T3的时段中排污泵Y007运行，排出污泥。
当T3计时结束时，第34步中的T3关断，排污泵Y007停止，同时T4开始计时，在这时段中，排水电池阀Y010开始运行，反应池排水。
当T4计时结束时，由第50步，进行重置各定时器。
反应池重新运行。
当反应池中的液位到达高液位时，X006接通，Y005高位报警接通，第19步中的Y005关断，Y004关断，反应池停止进水。
当反应池的液位到达低液位时X005接通，辅助继电器M2接通，第41步中的M2关断，排水电池阀Y010关断，反应池停止排水。
当除盐池中的液位到达高液位时，X010接通，高位报警Y011接通，第41步中的Y011关断，反应池停止排水。
T4仍然进行计时，给工人以处理的时间。
当除盐池中余氯仪检测污水中盐浓度低时，X011接通，排水电磁阀Y013接通，除盐池开始排水。
当除盐池检测到污水中盐浓度为高时，X012接通，Y012高浓度报警接通，第68步中的Y012关断，排水电磁阀Y013关断，除盐池停止排水。
当控制柜上手动按下格栅池电机按钮X014时，自动程序中的格栅池进水电机Y000关断，启动手动格栅池进水电机。
当控制柜上手动按下调节池进水电机按钮X015时，自动程序中的调节池进水电机Y003关断，启动手动调节池进水电机。
当控制柜上手动按下反应池进水电机按钮X016时，自动程序中的反应池进水电机Y004关断，启动手动反应池进水电机。
当控制柜上按下空压机按钮时，启动手动空压机。
当控制柜上按下排污按钮时，启动手动排污泵。
当控制柜上按下排水按钮时，启动手动排水泵。
当按下控制柜上除盐池排水按钮时，启动手动除盐池排水泵。
结束语
本系统与传统污水工艺PLC控制相比，具有功能齐全、高度智能化、运行可靠、投资节省、见效快等特点。
对城市生态环境、水资源、城市环境及旅游业等，都起到了极大的推动作用。
通过在毕业设计的这段时间里，基本上完成了对PLC工业污水处理系统的设计，达到了预期的设计目标。
在这个过程中，使我学到了很多知识，积累了许多宝贵的经验，锻炼了自己的独立思考能力和实践动手能力。
进一步加深了解了PLC在实践当中的应用。
熟悉了PLC硬件的工作原理，完成了整个系统的模拟调试，通过对系统的不断修改和调试，基本上达到了预期的设计要求。
对三菱PLC的特点有了进一步的了解，污水处理系统采用了三菱系列PLC的特点，对一些开关量输入/输出点等一些模拟量进行控制，在工艺上实现了PLC的强大的功能，从而解决了污水处理的实际问题。
这次做论文的经历也会使我终身受益，我感受到做论文是要真真正正用心去做的一件事情，是真正的自己学习的过程和研究的过程，没有学习就不可能有研究的能力，没有自己的研究，就不会有所突破，那也就不叫论文了。
希望这次的经历能让我在以后无论是在今后的工作中、生活中还是学习中都将激励我继续进步。
致谢
首先，感谢我的指导老师刘老师，在这短时间里她给了我很多指导性的意见，并且教会了我很多不懂的知识。
她治学严谨细致、一丝不苟。
她循循善诱的教导和不拘一格的思路给予我无尽的启迪。
这篇论文的每个细节和数据，都离不开您的细心指导。
在这段时间里，我学到了很多课堂上学不到的东西。
其次，要感谢我的同学，设计期间，我们一起讨论，我们一起找资料，在设计期间他们给我指出了很多细节上的错误，正是由于他的帮助，才使我的论文日趋完善。
参考文献
[1]张培山、钟昆，基于PLC的污水处理厂自控系统的实现，控制系统，2006.1
[2]李英辉、赵豫
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