基于plc的污水处理系统.docx
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基于plc的污水处理系统
基于plc的污水处理系统
基于plc的污水处理系统毕业论文题目：
基于PLC的污水处理系统__作者：
于寒学号：
441110125系部：
自动控制系专业：
电气自动化技术班级：
10电气301指导者：
讲师评阅者：
讲师2013年4月基于PLC的污水处理系统摘要:
近年来，随着我国现代化经济的飞速发展，市化进程的加速，人民生活水平需要提高，水污染的问题日渐严重。
全国很多中小城镇都没有污水处理设备或者设备比较简单，自动化程度不高，不便于管理，安全性也没有保障。
缺乏正确的污水处理设备，不仅会导致当地水资源污染，影响人民的身体健康，而且阻碍现代化经济发展。
序批式活性污泥法（SequencingBatchReactors，简称SBR）符合中小城市（镇）污水处理的基本要求，其运行条件与中小城市（镇）污水的基本特征接近。
SBR工艺集调节、初沉、曝气、二沉等过程于一池，按不同的时间顺序进行不同的操作，所有过程都在一个池体内进行，不需另建二沉池，也不需专用的回流污泥泵房，使水处理工艺简洁易行，构筑物占地少，布局紧凑合理，节省投资。
SBR工艺抗冲击负荷能力较强，有较好的脱氮除磷效果，是一种先进的污水处理系统。
这些优越性表现了其强大的生命力与广阔的应用前景。
同时，SBR法本身也有一些缺点，主要表现为设计比较复杂，对自动化控制的要去较高。
以设计一套稳定可靠，节能，低成本的控制系统是十分必要的。
本文主要介绍了污水处理厂自动控制系统的基本组成、主要功能及如何使用PLC完成自动控制。
使用PLC进行自动控制，可以提高自控控制的可靠性，不仅能减轻人工劳动，也可以提高污水处理厂的可持续性运行，实现污水厂自动化。
关键词：
污水处理，PLC，自动化，序批式活性污泥法。
目录第一章一绪论.11.1污水处理的国内外现状.11.2课题的背景.21.3研究目的和意义.21.4课题主要设计的内容.2第二章污水处理系统总体介绍.42.1污水处理基本概念.42.2生活污水的处理.42.3SBR污水处理工艺.42.4污水处理系统的功能.5第三章控制系统.73.1控制系统的总体设计.73.2控制要求分析.73.2.1格栅机.73.2.2调节池.83.2.4除盐池.83.3所需设备及PLC类型.93.3.1所需设备设备.93.3.2PLC的选用.93.4系统软件的介绍11第四章PLC程序设计124.1PLC的I/O分配表124.2系统PLC接线图124.3系统流程144.4制作仿真元件154.5程序的调试运行19结论.21致谢.22参考文献.23附件系统程序24第1页共28页第一章第一章绪论绪论1.11.1污水处理的国内外现状污水处理的国内外现状不断有新鲜的雨水,汇聚到河流和水井，这一事实导致我们认为淡水是无处不在,它在世界上永远不会被使用完。
但事实是,这种想法是非常不幸的，是错误的,可能是危险的。
我们知道,尽管事实上,百分之七十的地球表面被水覆盖着,只有一小部分是淡水。
然而,在我们的日常生活和在工业对淡水的需求非常之大。
此外,随着人口的膨胀和经济的发展,对于新鲜水的需求量迅速增加。
据估计,如果这一趋势持续下去,地球上的淡水将很快耗尽。
据报道我国人均拥有淡水量为2400吨，为世界平均值的1/4，在全球149个国家（参与统计国家中），我国人均淡水资源位居110位，属于淡水资源贫乏的国家。
而且我国水资源时空分布极不均衡，全国500多个城市缺水，其中多个严重缺水，北方地区缺水现象尤其严重，人均拥有淡水量仅有240吨。
令人担忧的是淡水总量日益减少，用水成本不断升高，淡水的浪费非常严重。
我国北方地区水资源的超采，己形成漏斗地势、水位下降、湖泊干涸、河水断流、生态恶化。
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。
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。
虽然国家对环境保护的重视程度不断提高，污水处理行业正在快速增长，污水处理的总量在逐年增加，污水处理率也有所提高。
可中国目前的污水处理行业仍需加速发展。
用水规模的迅速扩张，这就需要更加提高中国污水处理的能力，而且污水处理的相关设施建设滞后。
与发达国家相比，中国的污水处理率，还存在着很大的差距，并且污水处理设备负荷率比较低。
因此中国应尽快的完善污水处理有关的法规政策，建立有效的监管体制，制定合理的收费标准，扶植环保产业第2页共28页在国内的发展，推进污水处理的产业化和市场化。
1.21.2课题的背景课题的背景污水处理行业从2007年起，就实现每年将近50%的增长，比GDP增长速度高40个百分点。
此外，政策层面的推动力也在加强。
2012年5月，国务院出台的《“十二五”全国城镇污水处理及再生利用设施建设规划》称，“十二五”期间，全国城镇污水处理及再生利用设施建设规划投资近4300亿元。
“十二五”期间，伴随着污水处理厂提标改造，水处理、供水规模的不断提高以及污泥处理、中水回用比例的提高，水处理行业将迎来大量的发展机会。
“十二五”规划污水年处理量将达500亿立方米，省会和地级市仍是建设的重点，“十二五”期间有建设需求的城市共379个，新增设施的处理规模将以中小规模为主，但保持持续增加态势。
随着城镇人口的不断增加，我国净水厂也存在着新建和扩容的需求，同时“十二五”对于引用的标准也进行了提高，从35项标准，提高到了106项。
最后，根据国家节能减排和发展低碳经济的要求，城市污水处理将以污染物减排为重点，污泥处理及污水再生利用，将成为行业发展的新热点。
中国的水处理市场在未来很长一个时期都将处于一个“黄金增长期”。
同时，水处理自动化系统的国产化也将成为行业发展的必然趋势。
1.31.3研究目的和意义研究目的和意义水的重要作用不仅仅体现在利用传统能源生产化石燃料或是利用非传统能源发电，所以，水/污水处理自动化解决方案也不仅仅针对政府和公共事业。
自动化解决饮用水和污水治理问题存在商业挑战。
水的采集、治理和配送都是高能耗过程。
污水处理在全球范围曾一度不被人们重视。
如今，采用新型的自动化解决方案，实现事半功倍的生产模式，降低水处理相关能耗成本成为新趋势。
包括北美、西欧、日本在内的许多发达地区，现有的水/污水治理基础设施正在加速老化，人们也尝尝忽视这个领域。
因此建设符合我国国情的污水厂自动控制系统对降低污水处理成本、改善环境、建立可持续发展社会和和谐社会、保持我国经济高速发展具有重要意义。
1.41.4课题主要设计的内容课题主要设计的内容第3页共28页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4页共28页第二章第二章污水处理系统总体介绍污水处理系统总体介绍2.12.1污水处理基本概念污水处理基本概念污水处理（sewagetreatment,wastewatertreatment）：
为使污水达到某一水体排水或再次使用的水质要求，对其进行处理净化的过程。
污水主要包括工业污水，农业污水，医疗污水，农村生活污水，城市生活污水等。
这些污水除含有碳水化合物、氨基酸、蛋白质、动植物脂肪、氨、尿素和合成洗涤剂等物质外，还含有大量细菌、病毒等致病微生物。
一般经处理后的污水，最后的出路有：
①排放水体，②重复使用，③灌溉田地。
污水性质可分为物理性质、化学性质和生物性质。
按物理性质，污水中的固体物质，按存在的形态，分为固体悬浮物质，胶体物质和溶解污染物质。
按不同的性质，非为有机的，无机的和生物性质。
按化学性质，以酸碱度、碱度、COD等划分。
按生物性质，以细菌和病毒为主划分。
污染物中好氧有机的成分性质稳定，可借助微生物新陈代谢的功能，使有机物降解为无机物，如硝酸根离子、水、二氧化碳等稳定的无机物。
有机物的种类比较多，在被微生物的降解时，都要消耗水中的氧。
2.22.2生活污水的处理生活污水的处理生活污水及生产废水的循环利用，是节约用水和减少水资源开采的有效途径，既可减少生产成本，又是利国利民的重要举措。
同时为了实现废水零排放，努力建设节约型企业的污水处理设备，污水处理工艺改造很必要。
一般生活污水的预处理，常用有格栅机、调节池、沉淀池等。
处理生活污水的核心是解决生化部分，所以称污水处理是特指这一部分，如A/O法、SBR法、接触氧化等。
生活污水最适用、最经济处理方法是用生化法（包括好氧和厌氧），根据污水的水质、水量及现场条件，选择不同的污水处理方法对投资及运行具有有重要的影响。
2.32.3SBRSBR污水处理工艺污水处理工艺SBR是序批式活性污泥法的简称，是一种按间歇曝气方式来运行的活性污泥污水处理技术。
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，无污泥第5页共28页回流系统。
尤其适用于间歇排放和流量变化较大的场合。
这也是本课题设计方法。
特点：
1.在大多数情况下（包括工业废水处理），无需设置调节池。
2.通过调节运行方式，在曝气池内进行除磷和脱氮反应。
3.SVI值较低，易于沉淀污泥，不容易产生污泥膨胀。
4.使用电磁阀、自动计时器、液位计及PLC等设备，可实现污水处理工艺的自动化。
5.加深池深时，与同样的BOD-SS负荷的其它方式相比较，占地面积较小。
6.而由中心控制室控制；运行管理得当，处理水水质优于连续式7.耐冲击负荷，处理有毒或高浓度有机废水的能力强。
7.工艺过程中的各工序可根据水质、水量进行调整，运行灵活。
8.处理设备少，构造简单，便于操作和维护管理。
背景：
近年来序批式活性污泥法（SBR）处理废水越来越受到关注，该工艺相对比于其他工艺简单、剩余污泥处置麻烦少、节约投资投资省、占地少、运行费用低、耐有机负荷和毒物负荷冲击，运行方式灵活，由于是静止沉淀，因此出水效果好、厌（缺）氧和好氧过程交替发生、泥龄短、活性高，有很好的脱氮除磷效果。
且有通过氧化还原电位实时控制SBR反应进程的报道，进一步提高了对氮磷的去除效果、节约了能源和投资。
图2-1SBR污水处理过程2.42.4污水处理系统的功能污水处理系统的功能污水处理系统使用PLC使得设计过程变得更加简单，可实现的功能变得更多。
与各类人机界面的通信可完成PLC控制系统的监视，同时使用户可通过操作界面功能控制PLC系统。
由于PLC的CPU强大的网络通信能力，使得工业污水处理系统的数据传输与通信变得可能，并且也可实现其远程监控。
第6页共28页基于PLC设计的污水处理系统的功能主要涉及这两个方面：
一是接收信号输入；二是控制信号输出。
污水处理系统信号输入接收方面主要涉及三类信号，主要包括：
液位差的输入、按钮的输入、液位高低的输入。
（1）液位差输入。
检测粗细格栅两侧液位差，用来控制清污机的启动与停止。
（2）按钮输入。
大多数为人工方式控制的输入，主要有自动启动按钮、手动/自动转换开关、格栅机启动按钮、清污机启动按钮、潜水泵启动按钮等。
（3）液位高低输入。
可以检测SBR池中液位的高低，用来控制排污泵的启动和停止，以及投入运行的水泵的数量。
信号输出部分主要是控制各类电磁阀、水泵设备的接触器。
第7页共28页第三章第三章控制控制系统系统3.13.1控制系统的总体设计控制系统的总体设计本污水处理控制系统主要采用的三菱FX2N型可编程控制器设计序批式活性污泥法（简称SBR）。
控制系统的结构框图见图3-1，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，格栅机、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。
图3-1控制系统结构图3.23.2控制要求分析控制要求分析3.2.1格栅机生活污水中含有大量的废弃物，如果不经处理直接排入河中，不仅污染环境，而且会提高阻塞河道，河床高度。
尤其是在雨季到来的时候，会污染水源，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。
格栅机由平行金属栅条组成,斜置于进水主渠道上,可以截留水中的大块固体物,例如纤维、塑料制品及各类生活垃圾,用来防止管道、阀门及后续设备的堵塞，以免造成损坏.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.污水通过栅越慢,拦截垃圾的效果越好,但是过于缓慢易第8页共28页造成积砂而使通过污水的断面缩小。
因此格栅条间距应根据污水的流量、杂物的种类和大小等确定,既要后续水处理构筑物及设备的要求,又要满足满足除渣要求。
格栅机除污机的工作原理：
格栅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，由液位计来测量调节池内的水位，当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。
工作人员可以及时清查问题，解决问题后，系统再重新投入运行。
3.2.2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。
3.2.3SBR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）30min;②曝气（开启空压机）90min;③污泥泵20min;④排水（打开排水泵）30min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。
3.2.4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。
第9页共28页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，则污水通过沟渠流出。
为了防止反渗透膜两侧的压力突变造成渗透膜破损，应对除盐池进行多分枝划分，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。
系统中所有电磁阀都可以使用就地控制和远程控制两种方式。
程控系统即使出现故障，也可以就地控制。
远程控制时,操作员可在操作站上控制电磁阀，进行动作控制和状态监视,可选择自动和手动方式控制电磁阀。
自动控制时由PLC程序控制,手动控制时操作员可在操作界面上控制电磁阀，也可在控制室内的计算机上进行远程操作。
3.33.3所需设备及所需设备及PLCPLC类型类型3.3.1所需设备设备可编程控制器（PLC）三菱FX2N-48MR电机（水泵）QDN不锈钢耐腐蚀潜水泵液位仪UR-68-T01/T02浮球液位计余氯仪LCH-7120E工业余氯仪曝气空压机GLML（B）型泵污泥泵GW型无堵塞管道排污泵表3-1设备列表3.3.2PLC的选用第10页共28页图3-2FX2N-48MR本系统出于节约成本考虑，加上需要多个I/O点，因此设计中选用的是三菱公司出产的FX2N系列中的FX2N-48MR型号。
不仅如此，FX2N还是FX系列中速度最高、功能最强的微型可编程控制器。
它的基本指令执行时间只有0.08μs，速度超过很多大型PLC。
用户储存器可以扩展到16K步，还可以货栈I/O点，最高支持256个。
还有5种模拟量I/O模块、脉冲输出模块、告诉计数模块等多种扩展模块。
使用特殊模块可以时间模拟量控制、位置控制和联网通信等多种功能。
此一个具有多样化功能的PLC还可以为今后的设备改造提空巨大的空间。
FX2N有3000多个辅助继电器、200多点定时器、1000点状态、8000多点16位数据寄存器等等。
这么多元件对于一般的系统绰绰有余。
这种使用微型PLC设计的控制系统与继电器控制系统相比，有许多相似之处，也有许多不同之处。
不同之处主要在以下几个方面：
1）维护和可靠性方面，由继电器组成的控制系统应用了许多机械触点，有第11页共28页电弧烧伤、机械磨损等问题，寿命短，另外系统的连线多，所以维护和可靠性较差。
PLC采用无触点的电路完成大量开关动作，其可靠性高、使用寿命长。
并且PLC具有诊断功能，可以方便的查出故障，并能显示，使操作人员能够监视控制程序的执行情况，为现场调试和维护提供了方便。
2）工作方式方面，继电器控制系统是并行工作方式，即一旦电源接通，电路中所有继电器都处于受制约状态，即该闭合的继电器都同时闭合，不该闭合的继电器受某种条件限制而不能闭合。
而PLC控制系统是采用串行工作方式，用户程序是按一定顺序循环执行，各“软继电器”都处于周期性循环扫描接通中，受同一条件制约的各个“软继电器”的动作次序取决于程序扫描顺序和它们在梯形图中的位置。
3）控制速度方面，继电器控制系统依靠机械触点的动作来实现控制，而触点的开关动作一般为几十毫秒数量级，不仅工作频率低，还会出现抖动等问题。
PLC是通过程序指令控制半导体电路来实现控制的，执行指令的时间是微秒级，速度快，且无触点抖动的问题。
4）定时、计数控制方面，PLC的定时器采用半导体制作的集成电路，晶振产生时钟脉冲，精度高，定时范围广，不易受温度变化和环境的影响。
用户可要在程序中设定时间，修改方便快捷。
另外，PLC具有计数功能，继电器没有。
（5）价格方面，继电器控制系统使用机械开关、继电器和接触器，价格比采用大规模集成电路的PLC控制系统便宜。
一般认为，在少于10个继电器的系统中，使用继电器控制比较经济，而在需要10个以上的继电器系统中，采用PLC进行控制性价比较高。
3.43.4系统软件的介绍系统软件的介绍本次编程用的软件是GXDeveloper，GXDeveloper是一款三菱PLC的编程软件。
适用于Q、QnU、QS、QnA、AnS、AnA、FX等全系列可编程控制器。
支持梯形图、指令表、SFC、ST及FB、Label语言程序设计，网络参数设定，可进行程序的线上更改、监控及调试，具有异地读写PLC程序功能。
它具有丰富的调试功能，梯形图逻辑运算，可以简单快速的调试，不需要再和PLC连接。
从检测中可以及时发现错误，及时记录发现的错误，根据发现的错误修正程序。
第12页共28页第四章第四章PLCPLC程序设计程序设计4.14.1PLCPLC的的I/OI/O分配分配表表自动运行启动按钮SB1X0格栅机接触器KM1Y0调节池液位计低位G1X1调节池进水电机接触器KM2Y1调节池液位计高位G2X2SBR池进水阀KM3Y2SBR池液位计低位G3X3曝气空压机接触器KM4Y3SBR池液位计过低G4X4排污泵接触器KM5Y4SBR池液位计高位G5X5SBR池排水阀KM6Y5除盐池液位计高位G6X6除盐池排水阀KM7Y6除盐池盐浓度检测低G7X10调节池高水位报警灯L1Y7除盐池盐浓度检测高G8X11SBR池高水位报警灯L2Y10停止按钮SB2X12除盐池高水位报警灯L3Y11手动格栅机运行按钮SB3X13除盐池高浓度报警灯L4Y12手动调节池进水电机SB4X14手动SBR池进水阀SB5X15手动曝气空压机SB6X16手动排污泵SB7X17手动SBR池排水阀SB8X20手动除盐池排水阀SB9X21手自动转换开关SB10X224.24.2系统系统PLCPLC接线图接线图第13页共28页图4-1PLC接线图第14页共28页4.34.3系统流程系统流程图4-2系统流程图第15页共28页4.44.4制作仿真元件制作仿真元件GTDesigner2可以制作三菱PLC触摸屏仿真元件图4-3新建图4-4选择CPU类型第16页共28页图4-5核对CPU类型图4-6选MELSEC-FX第17页共28页图4-7I/F选择标准RS-232然后点下一步直到结束图4-8结束第18页共28页图4-9设计界面可以在黑色区域选择按钮，开关，指示灯等元件，再赋予其软元件地址，本系统的仿真元件制作如下：
图4-10仿真后的效果如下第19页共28页图4-114.54.5程序的调试运行程序的调
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