印刷电路板厂废水处理系统.docx
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印刷电路板厂废水处理系统
摘要
本设计中印刷电路板废水处理系统主要分为四部分，从处理原理上可得到，重金属废水、含氟废水、酸碱废水处理过程需进行pH值控制，络合物废水处理量虽小，但处理过程比较关键，既需要控制pH值，又需要硫-银离子选择电极来控制硫含量。
由于重金属处理量大，所以在对其的主要产物--沉淀进行控制时，还要用到浊度计，对沉降槽的浊度进行实时监测，控制其排放。
另外处理过程中有大量的储槽和处理槽需进行液位控制。
这里选用可编程控制器（PLC）在处理工艺中作为核心控制器件，它具有可靠性高，编程方便，易于使用，环境要求低等优点。
本处理过程中涉及较多的开关量输入输出点，模拟量输入输出点，故选用输入输出配置灵活的模块式结构PLC以提高系统的可靠性与处理效率。
从印刷电路板废水处理工艺流程图看出，本套控制系统中涉及开关量输入有24点，模拟量输入有8点，开关量输出有39点，模拟量输出有10点。
关键词：
pH计，硫银电极，浊度计，PLC，模块，开关量，模拟量
Abstract
Theprintedcircuitboardwastewaterprocessingsystemmainlydividesintofourpartsinthedesign,isworthyoflookingfromtheprocessingprinciple,theheavymetalwastewater,thefluorinewastewater,theacidandalkaliwastewatertreatingprocessesmustcarryonthepHvaluecontrol,thecomplexcompoundwastewaterprocessloadalthoughslightly,butthetreatingprocessesquiteareessential,bothneedstocontrolthepHvalue,andneedsthesulfur-silverionchoiceelectrodetocontrolthesulfur’content.Becausetheheavymetalprocessloadisbig,thereforewhentoitsmainlyproduces--theprecipitationcarriesonthecontrol,butalsomustusetheturbid-meter,tosubsidencetankstheturbiditycarriesonthereal-timemonitor,controlsittodischarge.Moreoverinthetreatingprocesseshasthemassivestoragetanksandtheprocessingtroughmustcarryonthefluidpositioncontrol.Hereselectstheprogrammablecontroller（PLC）intheprocessingcrafttotakethecorecontrolcomponent,ithasthereliabilityhigh,programmingconvenient,iseasytouse,theenvironmentrequestsandsoonthemeritlowly.Inthistreatingprocessesinvolvesmoreswitchesquantityinputoutputspot,thesimulationquantityinputoutputspot,thereforeselectsinputoutputdispositionnimblemoduletypestructurePLCtoenhancethesystemthereliabilityandtheprocessingefficiency.
Seesfromtheprintedcircuitboardwastewaterprocessingflowchart,inthissetofcontrolsysteminvolvesswitchquantityinputhas24points,thesimulationquantityinputhas8points,switchquantityoutputhas39points,thesimulationquantityoutputhas10point.
Keyword:
pH-meter,sulfursilverelectrode,turbid-meter,PLC,module,switchquantity,simulationquantity
目录
摘要……………………………………………………………………1
Abstract………………………………………………………………2
第一章绪论…………………………………………………………5
1.1设计背景概述…………………………………………………5
1.2基本控制原理…………………………………………………6
1.2.1pH值控制原理……………………………………………6
1.2.2pS值控制原理……………………………………………7
1.2.3液位控制原理……………………………………………8
1.3废水处理流程和自控技术…………………………………9
1.3.1酸碱供给系统……………………………………………9
1.3.2重金属废水处理系统……………………………………9
1.3.3酸碱废水、废液处理系统………………………………10
1.3.4含氟废水处理系统………………………………………10
1.3.5络合物废水处理系统……………………………………11
1.3.6再中和处理和保护措施…………………………………11
1.3.7污泥脱水系统……………………………………………12
第二章设计方案……………………………………………………13
2.1PLC简介………………………………………………………13
2.2方案选择及确定……………………………………………14
2.2.1设计方案…………………………………………………14
2.2.2方案的确定………………………………………………17
第三章硬件系统设计………………………………………………19
3.1TSX-37系列PLC简介………………………………………19
3.1.1CPU单元…………………………………………………19
3.1.2主机架和扩展机架………………………………………20
3.1.3开关量输入/输出………………………………………21
3.1.4模拟量输入/输出………………………………………22
3.1.5内存结构…………………………………………………23
3.1.6地址分配…………………………………………………26
3.1.7其它功能和模块…………………………………………27
3.2低压电器简介…………………………………………………28
3.2.1常用低压电器的基础知识………………………………28
3.2.2低压电器的触点系统…………………………………30
3.2.3低压电器的灭弧系统…………………………………30
3.2.4低压电器的主要技术参数……………………………31
3.3电气控制系统的设计………………………………………33
3.3.1控制器外围电路设计…………………………………33
3.3.2主电路的设计…………………………………………37
第四章软件系统设计……………………………………………46
4.1程序流程图…………………………………………………46
4.1.1废水处理自动控制系统的控制流程…………………46
4.1.2程序流程图的设计……………………………………46
4.2PL7Micro编程软件简介…………………………………52
第五章组态软件监控系统………………………………………54
5.1组态软件的介绍……………………………………………54
5.1.1概述……………………………………………………54
5.1.2ForceControl简介……………………………………58
5.2组态软件监控系统的设计…………………………………60
参考文献………………………………………………………………63
英文资料及翻译………………………………………………………64
总结和致谢……………………………………………………………76
附录……………………………………………………………………78
第一章绪论
1.1设计背景概述
印刷电路板废水处理过程的自动控制部分是保证废水处理可靠性与提高处理效率的关键。
以往多采用手动技术，工人的劳动强度大，操作复杂，处理后水质达标率低。
本设计的印刷电路板废水处理系统主要分为四部分，即重金属废水、酸碱废水、含氟废水和络合物废水。
从处理原理上可看出重金属废水，含氟废水，酸碱废水处理过程需进行pH值控制，络合物废水处理量虽小，但处理过程比较关键，既需要控制pH值，又需要硫-银粒子选择电极来控制硫含量。
由于重金属处理量大，所以在对其的主要产物--沉淀进行控制时，还要用到浊度计，对沉降槽的浊度进行实时监测，控制其排放。
另外处理过程中有大量的储槽和处理槽需进行液位控制。
这里选用可编程控制器（PLC）在处理工艺中作为核心控制器件，它具有可靠性高，编程方便，易于使用，环境要求低等优点。
本处理过程中涉及较多的开关量输入输出点，模拟量输入输出点，故选用输入输出配置灵活的模块式结构PLC以提高系统的可靠性与处理效率。
对于PLC将在下一章详细讲述。
从印刷电路板废水处理工艺流程图看出，本套控制系统中涉及开关量输入有24点，模拟量输入有8点，开关量输出有39点，模拟量输出有10点。
本设计的主要思想是通过pH计、硫银电极、浊度计以及液位开关等传感器将测量得到的数据或信号送入可编程控制器，由可编程控制器将其与设定植进行比较，输出控制信号来控制电机的启停、阀门的开启关闭和开大关小。
PLC与外围器件连接好之后，就可以通过编程实现对PLC的控制，无须人再手动进行操作，甚至不需要时常到现场进行检测，直接通过上位机进行远程监控。
各单元模块的基本配置如以下结构框图所示：
1.2基本控制原理
1.2.1pH值控制原理
pH电极（玻璃电极）与参比电极（甘汞电极）和待测溶液组成工作电池，通过测量该工作电池的电动势来获得待测液的pH值年，在一定条件下可以认为它们有如下关系：
E=E
pH
（1）
式
（1）中
=2.303RT/nF,其中R为气体常数，T为待测液的绝对温度，n为参加反应的电子数，F为法拉第常数，
被称为电极斜率，反映pH电极本身将被测离子活度转化为所响应的电位的能力。
由式
（1）可知，把pH电极放到不同pH的溶液中，其组成电池的电动势是不同的，如把pH电极分别放pH值为pH
，pH
的标准溶液中，则可得相应的电动势分别为：
E
=E
pH
（2）
E
=E
pH
（3）
由式
（2），（3）可得：
=
由式
（1），式
（2）可得：
pH=pH
+
（4）
其中b=pH
+
这样确定了与pH值有关的两个a和b后，就能确定待测液pH值与相应电动势的对应关系，也就能够得到待测液pH值。
在控制过程中利用以上特征的传感器（pH探头）将溶液中pH值变化及时和准确地转换为电势信号，此电势信号经pH值测量变送器放大、线性转化为4--20mADC标准电流有现场远传至控制室内的可编程控制器PLC的模拟量输入单元，完成pH值的高低限值报警，而且将实测的pH值与生产工艺要求的设定值比较，输出开关量给现场的电磁阀，改变阀门的开关，即调节酸碱是否供给，实现闭环负反馈调节，保证pH值满足生产工艺要求。
实现处理过程的控制原理框图如下。
这里的pH值控制利用的是负反馈原理，选用浸入式发送器，探头不应该放在混合区域中，应放在出流中。
1.2.2pS值控制原理
我们在络合物废水处理过程中应用pH、pS同时进行控制，首先控制pH值在9-10之间以保证溶液呈碱性。
一部分铜以沉淀形式析出，溶液中铜在此pH值下用硫化钠处理生成硫化铜，过量的硫用硫酸亚铁处理生成硫化亚铁，用硫-银选择性电极控制加入硫化钠的量，保证残铜量低于排放标准，同时控制加入硫酸亚铁的量。
常用的测定硫的电极为硫-银离子电极，采用Ag
S固态膜，双液接参比电极。
Ag
S
2Ag
+S
其中K
为硫化银浓度积常数；
a表示S
和Ag
的活度；
E
为硫－银电极的标准电极电位，此项可通过对多个标准含硫溶液的测定来确定；
R,F均为常数。
由于硫化氢是弱酸，因此硫化物投加到水溶液中容易分解，总硫浓度会包括H
S﹑HS
﹑S
含量。
此净化过程中pH值在９－１０之间基本可以认为只含S
。
控制原理与pH值控制相同。
1.2.3液位控制原理
溶液具有酸碱性，所以各储槽的液位的检测采用法兰式电动差压变送器。
测量原理:
其中
为介质密度，
为重力加速度，K
为电动差压变送器放大系数，K为比例系数。
将实测液位大小线性转化成标准电流，由现场远传至控制室内的PLC模拟量输入单元，不但显示液位大小而且将实测液位值与生产要求的设定值比较，调节阀门的开度，保证生产工艺操作的稳定性。
1.3废水处理流程和自控技术
我们所采取的印刷电路板废水处理方法为分质化学沉淀处理法，将废水分成四个系统：
含重金属废水、酸碱废水、含氟废水、络合物废水。
以下对四个系统处理分别进行阐述。
1.3.1酸碱供给系统
印刷电路板废水处理的四个系统均需要通过投加酸碱来控制pH值，酸用10%盐酸，碱选用20%氢氧化钠，系统中酸碱分别在碱贮槽（C201）和酸贮槽（C202）中配置，酸碱贮槽容量1.5M3，一天配一次，配液过程采用手动操作。
盐酸配制过程为：
将浓度为35%的工业浓盐酸80公斤小心地倒入贮槽内，开启贮槽进水阀门，进水至指定液位位置后关闭进水阀门，盖上顶盖，手动搅拌10分钟，确保溶液混合均匀。
氢氧化钠溶液的配制过程与盐酸配制过程基本相同，在C201贮槽中需要投加氢氧化钠200公斤。
配制好的酸碱溶液由泵B201和B202打入酸碱高位槽（C205、C206、
C207、C208、C209、C210），再由各反应槽酸碱投料阀门的开关控制酸碱的投加，当酸碱高位槽液位显示低于20cm时开启阀F21、F22、F23、F24、F25、F26，高于80cm时则关闭各阀。
酸碱储槽及高位槽、酸碱投料阀及管路为塑料材质（PVC），酸碱高位槽容积0.3M3。
此外硫酸亚铁及絮凝剂的配制方法与盐酸基本相同。
1.3.2重金属废水处理系统
含重金属废水处理部分包括：
重金属pH调节槽（C101），酸碱高位槽（C209、C210）,絮凝剂槽（C205），斜板沉降槽（C301）等主要设备。
处理流程：
含重金属废水首先在C101中通过C205,C206酸碱的加入调节pH值，酸碱的加入量由1#pH计控制调节阀F1或F2的开关来实现。
重金属废水在此充分混合生成氢氧化钠沉淀，C205中絮凝剂由计量泵输入槽C101出口管路，充分混合后，进入C301进行固液分离，C301中液位通过出流流量（F32的开度）的控制保持稳定，在此还设计了自动吸泥功能，通过监测泥斗中污泥的浊度控制F31的开关，经C301处理的废水去最后的中和槽，污泥可以回收利用。
上层清液经过滤柱Z303过滤除去细小的悬浮物，进入最后中和槽。
处理过程中采用连续投药处理方式，处理流量6.2M3/H,为四种废水中处理量最大的。
调节槽大小为1300
1000
1000mm，钢筋混凝土结构，内壁涂环氧树脂保护层，采用上进水、下出水的方法，以减少短路现象。
螺旋桨搅拌器机械混合，搅拌器转速1500r/min，功率1.1kw。
停留时间5min。
由于重金属废水处理量大，废水经pH调节后溶液中固态悬浮物含量较高，沉淀处理选择效率高的斜板沉降槽，废水在斜槽中停留时间30min.
1.3.3酸碱废水、废液处理系统
处理量3.2M3/H,酸碱废水、废液的处理与其它处理系统不同的是需要一均质池C103，可使部分酸碱尤其是废液首先在均质池中发生中和反应，避免强酸强碱情况的出现，减少酸碱的投加量。
停留时间为5min，均质槽大小为1000
800
800mm，选用PVC塑料或钢筋混凝土结构，内壁涂环氧树脂保护层，槽内装有搅拌器选用钢材橡胶。
液位控制通过控制F7开度实现。
经均质后废液由泵打入最后中和槽中。
1.3.4含氟废水处理系统
含氟废水自动处理系统应用较少，仅在彩电显象管制造厂有少量，但氟化物废水的处理又是相当重要的，其难点在于处理氟化物的重要药剂石灰石投加量难控制，石灰结在管道壁上堵塞管道，这里利用一些改进方法来满足自动控制的需要。
含氟废水处理部分包括：
氟化物处理槽（C102），氢氧化钙制浆槽（C208），絮凝剂槽（C203）等主要设备。
处理流程：
从含氟废水管送来的废水在C102中投加石灰浆料进行处理，石灰浆料由制浆罐重力溢流投加，投加量根据C102中pH值自动控制，当pH值大于9.0时开F15，当pH值小于8.0时开F16，pH值介于8.0—9.0时F15、F16均关闭。
絮凝剂由C203供给。
废水处理量1.5M3/h.
1．石灰乳制备系统
石灰乳的制备是自动加药过程能否稳定运行的因素之一。
石灰是一种不可溶药剂，250C时其饱和溶液pH值约为12.53,这样的溶液用来中和强酸性溶液显然太弱，所以石灰的加入方式通常为干料或者浆，直接投加干料不容易浸湿，在加入后往往会在液面上停留几秒钟，这样会增加控制回路的时滞。
在本系统中处理量较小，采用浆料投加比较容易控制。
采用这种方法需要制浆系统，它包括进水、恒速石灰送料器、治浆罐、泵，送料器把石灰送入治浆罐中，加入成比例的水，在机械搅拌下混合均匀，为了保证石灰乳浓度的相对恒定采用泵循环搅拌。
管道阀门的设计考虑到石灰可能发生的堵塞，管道横平竖直，阀门顶部安装，管道中石灰乳流速中等。
2．反应系统
反应在C102中进行，石灰与氟的反应进行较慢，需要一定的反应时间，停留时间选30min，反应槽尺寸为1200×1100×1400mm，为使反应液充分混合，采用机械搅拌（由于石灰乳中的钙离子会合空气中的二氧化碳反应称碳酸钙堵塞曝气管，一般不采用空气压缩搅拌）。
药剂的投加由于石灰乳中的颗粒使小流量的电磁阀堵塞，采用大流量电磁阀脉冲加药。
絮凝剂投加由计量泵连续加入。
反应过程中pH值控制在8.0—9.0之间，一般氟化物废水为酸性，控制投加石灰乳的量。
为防止石灰乳投加过量和一些未溶解石灰颗粒缓慢溶解造成pH值超出规定范围以及一些特殊情况，系统中设有酸投料管路和阀门.
1.3.5络合物废水处理系统
络合物废水处理系统在几个子系统中最为复杂，也直接关系到废水
处理的效果。
处理流程为：
络合物废水在络合物废水处理调节槽中C104进行解络，络合物废水首先进行酸化，控制酸的加入量，使pH值在1±0.5。
解络后，由泵打入C104中，首先投加氢氧化钙，调节pH值介于9-10之间，用银-硫电极检测硫含量，游离硫含量大于1mg/L时关闭F10，打开F11投加硫酸亚铁，控制硫含量小于1mg/L。
络合物处理槽停留时间30min，大小1500
1400
1250mm，材料为塑料（PVC）。
1.3.6再中和处理和保护措施
在废水处理过程中总会出现一些不正常的情况，如空压机或泵不能正常运转，搅拌机叶轮脱落，控制失灵等等，即使失控的时间很短，也会对环境造成大的危害，如果出流直接排放到河流中，印刷电路板废水中的重金属会直接造成鱼类死亡，其它水生动植物也会受到不同程度的危害。
因此必要的保护措施是需要。
首先需要设置一个能存放因事故造成不符合排放标准废水的容器，容器的大小由能恢复控制或修复电极以及排除其它故障时间决定。
如果不能修复应该依次关闭与出流系统大的过程装置。
本系统包括C303，C304在出流pH值超过上下限时会报警，并关闭排放阀，同时启动再循环泵B303使废水返回再处理。
1.3.7污泥脱水系统
含氟废水、络合物废水经C102、C104、C105处理后，生成的固体沉淀物需要进行固液分离，目前常用的分离设备为沉淀池。
我们在此选用效率更高，处理效果更好的气浮装置C302，通过气浮溶气系统产生细微的气泡（20—50微米），这些气泡黏附沉淀颗粒上浮，在气浮装置上部分离。
根据处理量的大小，约在5M3/H,选用气浮池长1.95米，出水平台宽0.8米，气浮分离池宽0.9米，池高1.7米。
液位通过F33的开度控制。
第二章设计方案
2.1PLC简介
20世纪20年代起，人们把各种继电器，定时器，接触器及其触点按一定的逻辑关系连接起来组成控制系统，控制各种机械设备，这是传统的继电器控制系统。
由于它结构简单，容易掌握，在一定范围内能满足控制要求，因而使用面很广，在工业控制领域中一直占有主导地位。
随着工业的发展，设备和生产过程越来越复杂。
复杂的系统可能使用成百上千个各式各样的继电器，并用成千上万根导线以复杂的方式连接起来，执行相应复杂的控制任务。
作为单台装置，继电器本身是比较可靠的。
但是，对于复杂的控制系统，继电器控制系统存在两个缺点：
一是可靠性差，排除故障困难。
继电器控制系统是接触控制，长期使用后机械性触点易损坏。
如果某一个继电器损坏，甚至某一个继电器中的某一对触点接触不良，都会影响整个系统的正常工作。
查找和排除故障往往是非常困难的，有时可能会花费大量的时间。
二是灵活性差，总体成本较高。
继电器本身并不贵，但是控制柜内部的安装，接线工作量极大，因此整个控制柜的价格是相当高的。
如果工艺要求发生变化，控制柜内的元件和接线也需要作相应的变动。
但是，这种改造的工期长，费用高，以致于有的用户宁愿放弃旧的控制柜的改造，另外再制作一台新的控制柜。
为了改变这一状况，美国通用汽车公司在1968年公开招标，要求用新的控制装置取代继电器控制装置，并提出了10项招标指标，即：
（1）编程方便，现场可修改程序；
（2）维修方便，采用模块化结构；
（3）可靠性高于继电器控制装置；
（4）体积小于继电器控制装置；
（5）数据可直接送入管理计算机；
（6）成本可与继电器控制装置竞争；
（7）输入可为市电；
（8）输出为市电，输出电流在2A以上，能直接驱动电磁阀，接触器等；
（9）在扩展时，原系统只需少量的变更；
（10）用户程序存储器容量至少能扩展到4KB.
将这些优点集于一身的，就是我们现在所说的可编程控制器（PLC）,这种新型的工业控制装置以其简单易懂，操作方便，可靠性高，通用灵活，体积小，使用寿命长等一系列优点，很快在工业领域得到了推广应用。
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