基于组态软件的水处理过程监控系统设计毕业论文.docx

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基于组态软件的水处理过程监控系统设计毕业论文

基于组态软件的水处理过程监控系统设计

摘要

随着我国经济的发展，环境问题日益突出，污水处理在环境保护中是一个重要的环节。

由于当前的污水处理工艺对自动化程度要求不断提高，因此，利用先进的控制技术和设备对污水处理过程进行监控是十分必要的。

本文对污水处理过程控制技术的现状与发展进行了论述，介绍了污水处理的工艺流程，根据工艺要求分析了污水处理过程中需要控制的主要变量，并且提出了相应的监控方案，设计了监控系统的结构和功能，对整个污水处理的流程进行监控。

本设计下位机采用PLC对污水处理过程进行控制，并且详细介绍了现场自动化设备的选型，设计出了反应池PLC控制程序流程图。

上位机利用组态王的强大组态功能，按照污水处理的工艺流程开发出了污水处理过程的工艺流程监控画面，详细定义了各个数据变量的类型，并自动生成了水质参数的实时趋势曲线与历史趋势曲线，开发实现了系统的实时报警功能及画面，最后实现了全厂生产报表的自动生成。

本设计通过PLC与组态王的有效结合实现了污水处理过程的自动监控，提高了污水处理的管理水平和污水处理的效率。

关键词：

污水处理；PLC；组态王；监控系统

ConfigurationSoftware-basedWaterTreatmentProcessMonitoringSystem朗读显示对应的拉丁字符的拼音

Abstract

AsChina'seconomicdevelopment,environmentalissuesbecomeincreasinglyprominent,andsewagetreatmentinenvironmentalprotectionisanimportantpart.Becauseofthecurrentwastewatertreatmentprocesscontinuallyincreasingdemandsonautomation,therefore,theuseofadvancedcontroltechnologyandequipmenttomonitorthesewagetreatmentprocessisnecessary.

Inthispaper,thesewagetreatmentprocesscontroltechnologystatusanddevelopmentwerediscussed,introducedthesewagetreatmentprocess,accordingtothetechnicalrequirementsofthesewagetreatmentprocessneedtocontrolthemainvariables,andproposedthecorrespondingmonitoringprogram,designedtomonitorsystemstructureandfunctionoftheentiresewagetreatmentprocesstobemonitored.

ThedesignofthenextcrewofthesewagetreatmentprocessusingPLCcontrolandautomationequipmentdetailsofthesiteselection,designaPLCcontrolprogramflowreactor.PCconfigurationusingtheconfigurationfeaturesapowerfulking,accordingtothesewagetreatmentprocessdevelopedintheprocessofsewagetreatmentprocessmonitoringpicture,detaileddefinitionsofeachtypeofdatavariables,andautomaticallygeneratethewaterqualityparametersinrealtimetrendcurvewithhistoricaltrendcurve,developedtoachievereal-timealarmsystemandscreen,andfinallyachieveafullfactoryproductionreportgeneratedautomatically.

ThisdesignandconfigurationofPLCtoachievetheeffectiveintegrationofthekingofthesewagetreatmentprocess,automaticcontrol,improvedmanagementofsewagetreatmentandwastewatertreatmentefficiency.

Keywords：

Sewagetreatment;PLC;Kingview;monitoringsystem

第1章前言

1.1课题的背景和意义

污水是造成环境污染的重要因素之一，污水问题是实现社会可持续发展必须要解决的问题之一。

随着工农业的发展和人口的增加，以及自然环境的恶化，水污染问题已经引起了各个国家的广泛关注，成为人类共同研究的重要课题之一。

污水处理是一项紧迫的任务，对污水进行科学合理地处理，不仅能够节约水资源，实现水资源的循环利用，而且能够节约经济成本。

因此，发展污水处理事业具有良好的社会意义和经济意义。

未来几年，预计中国污水处理项目工程建设投资将突破2500亿元，我国提出了“到2015年要求设置污水处理率不低于60%”的目标，在未来相当一段时期内，污水处理事业将是国家一项重点关注的课题。

采用先进、实用的技术来改造传统的工艺，在环保工程中采用先进的控制技术，是推动环保产业升级、实现环保发展战略的重要环节。

在此背景下，水处理系统监控系统无疑是一个具有巨大的社会效益、环保效益和经济效益的研究课题。

1.2国内外污水监控系统的研究现状

国外大规模的水污染治理是在第二次世界大战后，随着50年代经济的蓬勃发展带来的60年代日益严重性的环境污染而展开的。

在污水处理设施中，城市排水管线和污水处理厂的兴建及运行在水污染控制中发挥着骨干作用。

至70年代末，美国投入了数千亿美元兴建了18000余座城市污水处理厂，英国、法国、德国更耗费了巨额资金兴建了7000至8000座城市污水处理厂。

而在欧美、日本等一些发达国家，已经普遍施行了城市污水的集中二级处理、二级强化处理，以及一定程度的三级处理，平均每0.5～1万人就有1座污水处理厂。

根据有关国家生活污水处理情况统计，美国、丹麦、英国等发达国家城市生活污水处理率己达85%～95%。

国外水处理的发达现状不仅体现在污水处理厂的数量上，而且体现在发达国家的自动监控水平上。

欧美国家一些城市污水处理厂早已使用计算机进行数据记录和运行过程监控，实现了全自动化无人值守控制模式。

现在许多美国大中型水厂均由一套集散型的自动控制系统进行控制，在厂区范围内设有若干台现场计算机，对整个水处理过程实行多环路控制，其中包括鼓风机曝气、化学药剂（絮凝剂、氯气）投加、泵房机组控制等。

设在中心控制室内的计算机主机从各个现场计算机中收集数据，并提供图表显示、曲线、各个设备动作记录、设备故障报警等。

在自动控制系统发生故障时，每一个自动控制过程都可切换成手动控制。

80年代以来在美国召开了两次水处理仪器和自动化的国际学术会议，会上发表的数百篇论文反映出水处理自动化已经发展到实用水平。

与国外相比，我国污水处理自动化控制起步较晚，发展速度较慢，近年来，受到国家政府的高度重视，建设的污水处理厂近200座，总投资数百亿元。

目前，我国已建成并投入运行的污水处理厂有266座，设计处理能力达到了1.05x107m3/d以上。

从总体上看，污水处理能力远远不能满足需求。

预计在2013年，新建污水处理厂1000余座，到时候城市生活污水处理率也只能达到40%左右。

我国水处理的落后不仅体现在污水处理厂的数量上，更重要的是，我国的自动控制水平与发达国家相比还存在较大差距，控制技术不能满足许多复杂工艺的要求，导致污水处理率严重低下。

进入90年代以后污水处理厂才开始引入自动控制系统，但多是直接引进国外成套自控设备，国产自动控制系统在污水处理中应用很少。

目前，我国污水处理厂自控系统的现状大体可分成三个档次：

手动操作、半自动控制、全自动控制。

全自动控制采用计算机控制技术与多层次的网络结构对污水处理的全程生产工序进行无人值守全自动控制。

这种控制方式是国内污水控制技术的发展方向。

纵观污水处理的发展历程，国内污水处理自动化技术已有数十年的发展历史，先后经历仪表检测、仪表闭环调节、智能单回路（多回路）控制、计算机集中控制、PLC控制以及DCS控制等多个发展阶段。

从我国已经建成的污水处理厂自动控制系统的现状看，由中央管理微机和现场PLC控制单元组成的计算式监控系统具有很好地适应性，仍为国内污水处理自动化系统应用的主导形式，同时也是未来污水处理厂自动化控制系统的发展的主要趋势。

1.3本文的主要设计内容

本课题主要论述污水处理的过程中的自动控制系统的组成，根据污水处理的工艺流程设计出监控方案，下位机采用PLC对污水处理过程进行控制，上位机利用组态王对污水处理的整个过程进行组态，实现污水处理全过程的自动监控。

主要有以下几部分的内容：

本文首先简要地介绍了污水处理的意义、国内现状和课题背景。

然后介绍了污水处理工艺流程，重点介绍了A/O氧化沟污水处理方法的优点和可行性。

通过分析整个工艺流程，设计出需要监控的变量，并对与PLC之间的连接进行了简要的论述。

在污水处理控制系统实现部分，主要介绍控制结构图以及各硬件设备的选型，并画出了PLC控制程序流程图。

上位机应用组态王完成监控界面的设计，实现对主要工艺数据和各种设备工作状态的监控，并对主要数据临界状态进行报警，生成指定时间内数据报表和变化曲线，实现污水处理自动监测和控制。

最后对本文设计的污水处理监控系统进行总结，并对以后的研究进行了展望。

第2章城市污水处理工艺

2.1城市污水处理方法

城市污水、生活污水、工业废水或被污染的雨水，往往都排入排水系统。

这些污水除含有碳水化合物、氨基酸、蛋白质、动植物脂肪、尿素、氨、肥皂和合成洗涤剂等物质外，还含有细菌、病毒等使人致病的微生物。

经净化处理后的污水，最后出路有三种：

（1）排放水体，作为水体的补给水；

（2）灌溉田地；（3）重复使用。

污水处理就是采用各种技术与手段，将污水中所含的污染物质分离去除、回收利用，或将其转化为无害物质，使水得到净化。

现代污水处理技术，按原理可分为物理处理法、化学处理法和生物化学处理法三类。

按处理程度不同可分为一级处理、二级处理、三级处理和污泥处理及处置，其流程如图2.1所示。

图2.1典型的污水处理流程

一级处理：

主要是由格栅、沉砂池以及初次沉淀池构成，目的是将污水中悬浮状态的固体污染物质尽可能去除。

物理处理法中的大部分只能完成一级处理的要求。

经过一级处理后的污水，可去除50%左右的悬浮物，BOD一般只能去除30%左右，达不到排放标准，还必须进行二级处理，因此，针对二级处理来说，一级处理又属于预处理。

二级处理：

主要由曝气池（氧化沟）和二沉池构成。

它是污水处理厂的核心，一般采用生物处理方法中的活性污泥法，主要是大幅度地去除污水中呈胶体和溶解状态的有机性污染物质（即BOD物质），去除可达90%以上，处理后水的BOD含量可能降到20～30mg/L，生物处理的各种方法，只要运行正常都能达到这种要求，一般地说，经二级处理后，污水已经具备排放水体的标准。

三级处理是在常规处理之后，为了从污水中去除某种特定的污染物质，如氮、磷等，而增加的一项处理工艺。

至于深度处理则往往是以污水回收，再次复用为目的，而在常规处理后增加的处理工艺或系统。

污水复用范围很广，从工业上的复用到充作饮用水，对复用水水质的要求也不尽相同，一般深度处理指那些水质要求较高而采用的处理工艺，如活性碳过滤，反渗透以及电渗析等。

污泥处理和处置：

污泥是污水处理的副产品，也是必然的产物，如从沉淀池捧出的沉淀污泥，从生物处理系统排出的剩余生物污泥等。

这些污泥如不加以妥善处理，就会造成二次污染。

由城市污水产生的污泥都含有大量的有机物，富有肥效，可以利用，但其中却含有各种细菌和寄生虫卵。

因此，在使用前应当进行处理，处理的目的在于更有效地进行利用，消除其中能够恶化环境，危害人民健康的因素，处理的主要方法是厌氧消化，在厌氧消化过程中产生大量的消化气（即沼气），沼气是宝贵的能源，应广为利用。

消化后的污泥含水量仍然很高，不易长途输送，因此，还需要进行脱水、干化等处理。

2.2污水处理工艺概述

最近国内应用较多的污水处理工艺有氧化沟工艺，SBR（sequencingBatchReactor，序批式反应器）工艺、A/O（缺氧一好氧活性污泥法）工艺、人工湿地工艺等类型。

下面简要介绍氧化沟、SBR、A/0三种污水处理工艺的过程。

氧化沟又名连续循环曝气池（ContinnousLoopReactor），是活性污泥法的一种变形。

混合液在该反应池中一条闭合曝气渠道进行连续循环，氧化沟通常在延时曝气条件下使用。

氧化沟使用一种带方向控制的曝气和搅动装置，向反应池中的物质传递水平速度，从而使被搅动的液体在闭合式渠道中循环。

在流态上，氧化沟介于完全混合与推流之间。

目前采用的氧化沟系统，基本可分为两个类型：

（1）另设沉淀池的连续流系统

该系统在氧化沟之后，另外专门设置了二次沉淀池和污泥回流装置，实行连续运行。

其基本流程如图2.2所示：

图2.2氧化沟工艺污水处理流程图

（2）不另设沉淀池的交替式系统

污水处理的整个过程如曝气、沉淀、污泥稳定等全部集中在氧化沟内完成，呈交替轮作，连续运行。

不需另设二次沉淀池和污泥回流设备。

该系统的显著优点是氧化沟中一部分兼作沉淀池，而不需另设二次沉淀池和污泥回流设备，使处理流程进一步简化，减少了处理构筑物，操作管理更为简单。

尽管氧化沟具有出水水质好、抗冲击负荷能力强、除磷脱氮效率高、污泥易稳定、能耗省、便于自动化控制等优点。

但是，在实际的运行过程中，仍存在一系列的问题，例如占地面积大、流速不均、污泥膨胀、泡沫等问题。

SBR（SequencingBatchReactor）是间歇式活性污泥法的简称，是一种按照一定的时间顺序间歇式操作的污水生物处理技术，也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。

其反应机理及去除污染物的机理与传统的活性污泥法基本相同，只是运行操作方式不同。

SBR按周期运行，一个完整周期包括进水、反应（曝气）、沉淀、排放和闲置等5个工序。

SBR的特点集进水、曝气、沉淀、出水在一座池子中完成。

在同一池子中进水时形成厌氧（此时不曝气）、缺氧，而后停止进水，开始曝气充氧，完成脱氮除磷工程，并在同一池子中沉淀，再通过撇水器出水完成一个程序。

这种方法与以空间进行分割的连续流系统有所不同，它不需要回流污泥，也无专门厌氧、缺氧、好氧区，而是在大水量污水处理厂很少采用此种工艺。

其流程图见图2.3。

A/O工艺是由厌氧（缺氧）一好氧组成的活性污泥法污水处理工艺。

A/O工艺在普通二级生化基础上引进厌氧段或缺氧段，采用内部污泥循环，是一种具有同时去除BOD、COD、氮和磷的污水处理新方法。

其工艺流程如图2.4所示。

图2.3SBR工艺流程图

图2.4A/O工艺流程图

缺氧—好氧流程的作用在于在去除有机物的同时去除废水中的磷。

整个流程由初沉池、缺氧池、好氧池、二沉池组成。

二沉池排出的污泥部分流至厌氧池，其余则作为剩余污泥排放。

活性污泥中不少细菌具有在好氧条件下过量吸收废水中的磷，而在厌氧条件下将其释放出来的特点。

通过剩余污泥的排放，可将磷排出系统。

在一般污水的水质条件下，厌氧池与好氧池的容积比约1/3至2/3。

处理后出水的BOD和悬浮物含量与传统的活性污泥法相当，同时还可使废水中的总磷含量从5mg/L降至1mg/L以下。

可见，与其他污水处理工艺相比，A/O工艺可取得更好的出水水质，由于厌氧段本身也具有去除有机物的功效，能耗比较小，并且此工艺具有改善污泥沉降性能、克服活性污泥膨胀的优点。

第3章污水处理的控制方案设计

3.1系统的总体监控要求

系统的监控技术要求

污水处理控制系统监控要求按照A/O污水处理工艺进行设计，经过对整个工艺的分析，系统监控具体要求如下所述：

（1）控制对象

模拟量控制对象：

A/O池控制对象包括鼓风量控制、污泥回流量控制。

对鼓风量的控制主要通过改变两个阀门的开度来控制曝气量；进水泵和污泥回流泵通过改变转速控制进水量和污泥回流量，因此共有4个采用模拟量输出。

开关量控制对象：

该工艺流程内回液泵、进水泵、污泥回流泵、鼓风机、两个搅拌器、进水阀门、回流污泥阀门、污泥出口阀门、内回液阀门采用开关量控制，因此共有10数字量输出点。

（2）监测对象

模拟量输入点数包括反应池污水的PH值、液位、溶解氧DO的浓度、温度、流量、污泥浓度、反应池液位回流污泥流量、深度、内回液流量、进水流量供气量10个模拟输入量。

（3）报警对象

该工艺流程报警对象包括反应池污水的液位和温度、鼓风机出口管路的压力。

3.2溶解氧控制部分的设计

3.2.1曝气过程DO控制的意义

污水处理后的水质是否达到排放标准，其中生化需氧量（BOD）和化学需氧量（COD）是重要的水质指标。

BOD是指在有氧条件下，降解有机物所需的氧量。

COD是指在酸性条件下，用强氧化剂将有机物氧化成C02、H20所消耗的氧量。

BOD的测定需费时5天，且测定结果易受多种因素影响，误差较大。

COD的检测比较精确，但方法繁琐，耗时约2小时。

虽然有COD浓度在线检测仪可以在线检测，但仍存在滞后（30分钟左右），测量结果严重滞后于实际运行时间，不能及时反映实际情况。

另外，COD检测仪的价格也较昂贵，增加了控制系统的成本。

所以有必要找出简单、可行的控制参数。

在好氧区，参与污水处理的是以好氧菌为主体的微生物，决定其处理效果的关键因素是反应池中溶解氧的含量，为了使微生物的活动最佳化，应该使供氧量与消耗的氧量相等，或稍大一些。

如果供氧不足，溶解氧浓度过低，则好氧菌活性会下降，就会使污泥中的微生物的活动受到影响，微生物难以形成易沉降的絮体，净化功能下降，且易于产生污泥膨胀现象；但如果溶解氧浓度过高，则又会增加动力功耗，同时也会造成混合液絮体分散和破碎，使二沉池的固液分离发生困难。

如果曝气区处于最佳溶解氧浓度，就能使处理的水质优化，同时也能节约动力费用。

由此可见，混合液中溶解氧浓度（DO）是A/O工艺中一个重要的控制参数。

3.2.2溶解氧控制的设计

对曝气池污水中溶解氧浓度的控制实际上是通过控制鼓风量来间接实现的。

因为曝气池中的微生物要进行好氧反应，所以需要用鼓风机来送进所需要的氧气。

鼓风机的鼓风速度决定了曝气池中的溶解氧浓度，速度越大，溶解氧浓度越大。

因此通过控制鼓风机的鼓风速度即可达到控制曝气池中的溶解氧浓度的目的。

但由于溶解氧的形成是非线性的，为使问题简化，可将溶解氧的形成看成是近似线性的，且与鼓风机的鼓风量有确定的比例关系，这样便于进行PID控制算法的设计。

对鼓风量的控制主要通过控制电磁阀来实现，溶解氧控制系统框图如图3.1所示。

图3.1反应池溶解氧控制系统框图

图中虚线部分即为PLC。

变送器将传感器测量得来的信号处理后按照一定的比例关系转换为4-20mA电流，并将这个电流信号送给PLC的模拟量输入端，PLC模拟量模块将该信号转变为对应的数字量信号，数字量范围为0-27648，对应溶解氧浓度0-20mg/L．PLC运算单元再按照PID控制算法对获得的测量信号进行处理，然后输出数字量控制信号。

该数字量控制信号经D/A转换后变为模拟信号，通过控制变频器的频率来控制电磁阀的开度，从而达到控制曝气池溶解氧浓度的目的。

第4章污水处理控制系统设计

4.1污水处理监控系统结构

本课题控制系统的设计从功能上主要分为三部分：

下位机PLC的设计、上位机监控界面的设计、控制系统的通信设计。

下位机PLC由CPU和相关模块组成。

PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置，它不仅配置有数字量模块，而且也配备有模拟量模块。

在污水处理过程中，有大量的开关量需要进行数字量控制，例如泵组的开启、保护，阀门的开、关，设备的互锁、协调等；配备的模拟量模块用来控制鼓风量、流量、温度、水位等参数的测量与控制。

本课题下位机采用PLC作为现场控制站，主要实现对现场设备的控制、数据采集和反馈控制功能。

上位计算机主要由工业控制计算机组成。

上位机主要实现系统管理和监控功能，不参与过程控制，而是承担高一级的控制与管理任务，要求信息存储量大、计算速度快。

美国Intel公司生产的奔腾（Pentium）系列CPU以其运算速度快、可靠性高、性能价格比高等优点深受用户的信赖。

因而，本系统的工业控制计算机可采用IntelPIIICPU，配置MicrosoftWindowsXP操作系统，利用组态王组态软件来开发污水处理控制系统的综合应用程序，主要实现监控功能和对现场设备运行状态调整的功能。

PLC以及控制单元与上位计算机之间的通信问题是本系统开发是否成功的关键。

如果PLC及控制单元无法与上位计算机进行通信，则上位计算机就无法取得现场的有关数据，也就无法实施有效的管理和监控。

可编程序控制器PLC通过自身配备的通信端口可以与上位计算机进行数据通信，以便将有关数据传输给上位计算机。

本课题上位机采用普通的PC机加SIEMENS公司的CP5611通讯卡，通过插在PCI插槽的CP5611通讯卡实现与下位机PLC的通讯。

由于监控室没有强的干扰源，因此采用普通的PC机可以保证与下位机的通讯的稳定性。

PLC控制系统技

术路线如图4.1所示。

图4.1PLC控制技术路线图

本课题根据A/O工艺流程的控制要求，污水处理系统主要是反应池区，反应池区主要是生化处理阶段，因此采用一台PLC作为下位机，实现对现场设备的控制，污水处理控制系统结构如图4.2所示。

控制系统结构分成三层：

第一层是现场的检测和执行机构，主要实现现场的信号检测、以及控制器的命令。

第二层是现场监测控制层，实现数据的采集、主要参数的设定和主要设备的控制等功能。

第三层是操作控制站，实现采集数据的显示、通讯、报表、报警、管理以及监控设备的运行状态等功能。

图4.2监控系统结构图

4.2下位机的硬件选型

控制系统硬件是系统得以正常运行的基础，硬件性能的好坏直接影响到控制系统的性能、可靠性等指标。

任何生产过程都希望生产能持续不断进行，即使出现故障，也希望能迅速得到解决。

污水处理系统要求24h不间断运行，这更需要选择优良的系统硬件加以保证。

因此，硬件系统的设计是控制系统相当重要的一个环节。

4.2.1主体硬件的配置

主体硬件的选择主要包括CPU的选择、I/O模块的选择、电源模块选择等。

S7-300PLC的CPU模块选型。

西门子PLCS7-300的CPU模块分为紧凑型、标准型、革新型、户外型和故障安全型。

其中紧凑型的CPU用于要求响应快速并具有许多特殊功能的装备；户外型和故障安全型的主要用于特殊场合