污水处理控制系统的设计.docx

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污水处理控制系统的设计

摘要

污水处理一直是困扰我们国家的一个问题，在中国这个本身水资源就很缺乏的国家但是各方面废水又很多一直得不到处理。

污水处理先后经历了解放初期的污水处理其方式一般采用农业灌溉。

70直80年代间才逐步兴建了一下污水处理工厂。

到了20世纪开始引用对污水处理开始引用一些新技术，其中有AB法，A/O法等等兴建的污水处理工厂也大规模增多。

但是目前来看污水处理还存在这很多问题包括污水处理厂建设资金的短缺，污水处理后的再生水得不到充分利用，进口设备的维修及设备备件的开发等一系列问题都深深困扰着我们。

本文主要介绍工厂污水处理的基本工艺，并基于PLC控制的一套污水处理系统，首先文章介绍了PLC控制的工艺及相关过程。

其次介绍了硬件结构和设计，工作原理以及设计PLC控制系统的基本原则和步骤，以此介绍PLC在此系统的作用。

同时设计出作用于该系统的软件设计，用程序对PLC进行控制以此对此系统的控制。

关键词污水处理，PLC，系统软硬件设备

ABSTRACT

Sewagedisposalhasbeenatroubledprobleminourcountry,Chinaitselfislackofresources，butamountofwastewaterhasnotreatment.Oursewagetreatmenthasexperiencedfromtheearlyliberationwaysofsewagetreatmentgenerallyusedforagriculturalirrigation.intheperiodof70to80,ourcountrygraduallybuiltasewagetreatmentplant.IntwentiethCenturyledintosewagetreatmentbeginningtousesomenewtechniques,includingABmethod,A/Omethodandsoon.Also,sewagetreatmentplantsinthelarge-scalealsoincreased.Butnowtherearestillmanyproblemsinwastewatertreatmentincludingtheshortageoffundsforconstructionofsewagetreatmentplants,thereclaimedwateraftersewagetreatmentnotbeingfullyutilized,seriesofproblemsinimportedequipmentrepairedandsparepartsdevelopmentdeeplytroubledus.

Thispapermainlyintroducesthebasicprocessofsewagetreatmentplantandprocess,andbasedonthePLCcontrolofasewagetreatmentsystem,thepaperaddstotheprocessofPLCcontrolandrelatedprocess.Itintroducesthehardwarestructureanddesign,thebasicprinciplesandstepsoftheworkingprincipleandthedesignofPLCcontrolsystem,thispaperintroducestheroleofPLCinthissystem.Atthesametime,thearticledesignstothesoftwaredesignofthesystemcontrollingprogramofPLCcontrolbythissystem.

KeyWordssewagedisposal，PLC，Thesystemhardwareequipment

2.1本设计污水处理的基本流程5

附录..............................................................................................................................31

致谢..............................................................................................................................38

1绪论

在我国缺水问题相当严重，而且淡水资源总量在我国仅为是28000亿

，并且在全球来看我国水资源仅仅是6%，仅次于加拿大、巴西等国家，在世界排名第四位，但是众所周知中国是人口大国人均水只有2300

，是世界平均水平的四分之一在全球排名121位。

根据检测表明，目前全国大多数城市地下水在一定程度上被点状和面状污染，而且状况一年比一年差。

越来越严重的污水不仅降低了人们对水的使用功能，而且还加剧了水资源这一问题的严峻形势。

况且我国正在实施可持续发展战略，水体污染对我国这个战略带来了严重的影响，更为关键的是给人们的生活带来极为不便也在很大程度上影响到人们群众的身体健康。

1.1污水处理技术现状

在目前来看污水处理有很多方法，但是我们一般采用的是传统污水处理工艺即采用虑砂系统、絮凝沉淀，将氯化铁等化学物质放入A2/O系统终沉池中，同时为了降低终沉池中磷的浓度需要强化生物除磷。

强化生物除磷。

经过沉淀输出的水最后将进入回用水管网络但中途还要通过提升泵送入滤沙池并用到气水反冲滤池之后就将输入直清水池中。

传统的污水处理系统中，采用沉淀池进行污水凝沉淀，它不能形成颗粒凝聚的良好的条件，不能生成团粒型絮凝体，使得固液分离效率很低。

1.2污水处理面临的问题

（1）建设厂房资金短缺问题

在中国已有一百多个污水处理的厂房，但是在我国这个人口大国污水排放量也很大所以这些厂房还远远不能处理人民群众在工业、农业、生活中的排放的污水，这不仅表现在对城市中污水处理率不是很高，即对污水处理量还不够，还在很多大城市逐步开始对处理污水厂房的建设的计划和筹备建设中得到表现。

但是在很多小中城市还没有污水处理厂房或者还没有提及到建设污水处理厂房的问题，这些地方主要表现西北部中小城市。

这主要是因为没有建设厂房资金短缺问题造成的，很多地方就是因为没有资金来建设厂房而导致这些地方的污水问题越来越严重，如果这个资金问题不能得到改善将会使环境日趋恶化，这样对大众的生活带来极为不便同时将影响人民群众的身体健康，甚至会阻碍我们国家的持续发展战略，因此我们应该努力筹措资金，尽量改善我国的污水问题，为我们以及子孙后代营造一个良好的生活环境。

（2）污水处理厂资金运用不当

我国已有一百多座已建成的污水处理厂房全国，但是只有不到三分之一的厂房才能够满负荷工作，究其没有满荷工作的原因有很多：

这最关键的就是对于污水处理厂房中运作资金运用不当，很多地方连污水处理厂所需要的费用都不收取，有些地方不收取居民费用只收公司、企业、工厂的费用。

有些地方都居民的也要收取，但是收取他们的也只是少部分。

虽然如此但是这些收取的费用还远不足污水处理厂的运作费用，这样就造成了一部分处理厂房按照收取的费用来处理污水这些实际问题。

由于这些问题的出现日积月累就会使处理厂房的设备的作用得不到充分利用，甚至还会让设备受到损坏，也会让污水厂房专业管理人员的作用不能发挥出来。

（3）设备的修理和备件的开发

因为很多设备都是进口的并且作用于污水处理行业，这些设备工作几年之后难免会受到一定程度的损坏，如果这些设备在维修期内还好，但是过了索赔期后的维修就大为不便了。

为此必须要请一些专业技术人士来维修设备，但如果叵请外国高深专家来维修，这些维修费用就会很高甚至有时候难以承受这样的费用，因此要是设备能够正常工作或者即使损坏了也能够及时修好，这样我们就必须要培养对这些进口设备维修的国内专业技术人员，让他们能够对进口设备的维修有个研究让设备能够正常运作。

但是只有专业技术人员还不够的还必须要有充足的更换设备的配件，特别是一些设备的备件外国不能够生产了这对我们维修设备极为不利，所以就需要我们中国自己进行研究加工制作，这样即使设备损坏了我们还可以运用自己的配件及时更换污水处理厂的设备的作用得到充分的发挥。

（4）污水处理厂工艺流程应该因地制宜，不能跟风一味的选择热门工艺

有些地区没有根据本地区的情况而盲目的采用新工艺追求“时髦工艺”不考虑该地区的进水、处理水量问题。

在我国很多有些污水处理厂中地区中，没有考虑到进水水质低而盲目的用AB方法净水，造成的结果就是不能利用充分更为严重的就是是这些设备的闲置。

部分地方还把经过处理的水源直接用于灌溉农作物，还运用A/O方法，过分的强调除磷脱氮，这就是因为没有因地制宜而造成了成本的增加步骤繁琐也给操作带来不便，少数地区还出现了看到刮什么风就下什么雨采取什么工艺的现象，极为不好。

（5）再生水不能充分利用：

国家经过巨大的资金建设污水处理厂房后，处理干净的水源没有充分的利用起来，最痛心的是少数地区竟然将处理后的干净水源和没有经过处理的水一同混合在一起，还有的将这些处理后的水源直接排入大海造成水源和设备的极为浪费。

现在来看世界上的淡水资源很是匮乏，我国的淡水资源在世界上的排名是121名，但是人均淡水占有量仅为2000

。

（6）处理后的污泥没有很好地的到处理：

虽然污水经过处理后的水在某种程度上满足国家排放规定，但是在此过程中所产生的污泥却没有得到很好地处理，这样给环境带来了污染。

甚至部分地区没有处理这些污泥便直接排放，完全不管环境问题。

少数地区还将污泥做简单处理后当做农家肥但是并没有考虑重金属的问题，这样对农作物极为不好的。

而且国家部门也对此做了严格规定：

重金属没有超标才能作为肥料作用于农作物。

并且还要经过园林部门对污泥进行认可后才能作用。

总而言之污泥没有得到很好地处理就乱加利用会对环境和人民群众的健康带来威胁。

（7）污水处理厂没有除臭装置：

如果没有除臭装置污水处理厂的很多设备及房间都会有很严重的臭气如格栅池、沉砂池、脱水机房、进水池、储泥池等等，不仅给技术人员的带来身体健康问题还给周围居民破坏了环境，这些问题在以前特别严重，以前污水处理厂一般要建设在农田、水池、人民生活周围而且设备不齐全污染更为严重。

所以建设污水处理厂的位置一定考虑到位，应该尽量的安装除臭装置这样才能让周围的人民不会深受臭气的危害。

污水处理厂的作用是解决污水对环境影响的问题，不能出现拆东墙补西墙的现象。

下面以造粒流化床技术在洗车废水回用处理中的应用为例介绍流化床在处理工业废水中的应用：

随着人们生活水平不断提高，汽车的数量也在不断上升，因此洗车业有着庞大的市场需求。

现在，大小不同的洗车场遍布全国各地，但是多数的洗车场所都没有设置废水处理和回收设备，洗车水也只是经过简单的沉淀后就直接排入市政管道，不仅浪费了水资源，而且还对城市水环境造成了一定的污染。

现在洗车行业对水资源的污染不容乐观，但是最近我国洗车业出现了废水回收利用设备。

这些行业采用的过滤器的种类也很多如陶粒吸附过滤器、超滤系统器其原理是截留、吸附、筛分来实现洗车废水的回收利用;有的采用常规的方法隔油沉淀、过滤、消毒来实现对废水的回收利用。

虽然经过这样处理后的废水水质基本能达到目标要求，但其共同的缺点是占地面积大、建设及运行费用都比较高，在投放市场的时候遇到不少困难。

然而，采用造粒流化床技术处理洗车废水时，洗车废水经过流化床装置处理后，出水的水质可达到洗车回用水的排放标准。

造粒流化床法产生的污泥的含水率明显比常规混凝沉淀法产生的污泥低，不需要设置污泥浓缩设备。

并且，造粒流化床法与传统的处理工艺比较，具有占地面积小、设备结构简单、投资和运行费用低等优点，因此将其用于洗车废水的回用处理，具有广阔的市场前景。

1.3研究本课题的目的和意义

世界上任何一个国家的发展都会造成不同程度的环境污染，其中污水也是造成环境污染的来源之一。

污水问题引起了各国家政府的高度关注。

我也也是个严重缺水的国家，虽然我国平均水资源总量为28000亿平方米居世界第六位。

但是我国是一个人口大国，人均水量为2220平方米，居世界第110，已经被列为世界上13个缺水国家之一。

目前我国各个地方缺水也很严重且分布也不均匀。

同时水资源的匮乏和水资源的污染已经严重影响了人们的日常生活阻碍了国家经济的发展。

因此处理好环境问题特别是污水问题，处理好污水设备成本问题，简历可持续发展社会和和谐，保持我国经济高速发展具有重要意义。

1.4主要内容：

（1）本文介绍了工业污水处理的基本流程；

（2）介绍了PLC的基本结构和工作原理并对工业污水处理控制系统进行设计分析；

（3）讲述了污水控制系统的硬件系统；

（4）介绍了污水控制系统的软件系统；

（5）污水处理控制系统设计的调试也运行；

2污水处理控制系统的总体介绍

2.1污水处理系统工艺流程

污水处理工艺流程如图2.1所示。

图2.1污水处理工艺流程

污水通过进水泵进入粗格栅，粗格栅用以去除废水中较大的悬浮物、漂浮物、纤维物质和固体颗粒物质，以保证后续处理单元和水泵的正常运行，减轻后续处理单元的处理负荷，防止阻塞排泥管道。

经过粗格栅的污水被排到除砂池中的细格栅和转股清污机中进一步清除污水中的细小颗粒物质之后就被送入氧化沟反应池中，在该系统中为了增强污水处理的效果要向其中加入复合碱、氯气、油絮凝剂等消毒剂。

同时在该系统中设置有溶解氧仪超声波检测器，通过它对污水中的含氧量进行检测，根据其反馈到PLC的值来控制曝气机变频器的运行，改变污水中溶解氧的含量。

为了使生化反应更加充分更加剧烈使氧化沟的污水和活性污泥处于剧烈搅拌充分混合接触，使用了潜水搅拌机推进水流。

此后污水进入了沉淀池，在此系统中污水进一步物理沉淀，为了是效果得到加强，可向其中加入一些药剂如混凝剂和絮凝剂：

利用高分子助凝剂的强烈吸附架桥作用更加容易沉降。

处理后的水在经过离心式脱水机作用进行脱水后就能排出清水。

2.2污水处理系统的控制形式

控制系统一般由控制器和被控对象两大部分组成，其实现形式是多种多样的，对控制对象，控制规律和控制结构的不同而不同。

在控制系统中，控制器既可以是微机，也可以是单片机或者可编程逻辑控制器（PLC），有的控制系统包含的控制器不止一种。

纵观控制系统的发展史，不难发现，每一代新的控制系统的推出都是针对老一代控制系统存在的缺陷而给出的解决方案。

1.模拟仪表控制系统

模拟仪表控制系统于20世纪60～70年代占主导地位。

常规模拟仪表控制系统经历了基地式、电动单元组合式、组件组装等发展阶段。

这种系统对设备要求简单，成本低但是还是存在很多缺陷：

模拟信号精度低，易受干扰。

操作人员要时刻观察、读取各类仪表显示的数据，经过分析和判断，及时操作有关仪表才能保证生产正常进行，但正确的进行监视和操作时十分苦难的。

2.集中式数字控制系统

在20世纪70-80年代间集中式控制系统占领着主要地位。

数字控制系统则采用的PLC、微机、或单片机作为控制器。

这些信号控制器控制器都是传输数字信号，而模拟仪表控制系统都是传输的模拟信号，所以采用数字控制系统能够改善抗干扰能力，提高精确度。

集中式数字控制系统的优点还有根据全局情况进行控制计算和判断，在控制方式、控制时机的选择上可以统一调度和安排；不足的是要求控制器本身必须具有强大的处理能力和良好的可靠性。

3.集散控制系统（DCS）

DCS于20世纪80~90年代占主导地位。

集散型是集计算机技术、控制技术、通讯技术和图形显示技术于一体的集散型系统。

其核心思想是集中管理、分散控制，即管理与控制相分离，上位机用于集中监控管理功能，若干台下位机下放分散到现场实现分布式控制，各上、下位机之间用通信网络互连，以实现互相之间的信息传递。

集散型控制系统的特点是集中监视、操作、管理和分散控制检测，在中心控制室内可以对整个工况进行监视并发布调度命令，各工序则采用独立自

控的原理进行系统配置和运行。

集散控制系统实质是封闭专用的、不具有可互操作性的。

并且DCS造价昂贵。

在这种情况下，用户对网络控制系统提出了开放化

和降低成本的迫切要求。

4.现场总线控制（FCS）

目前联网功能也运用于现在控制站，尤其是PLC具有比较强大网络功能。

FCS的传输介质有很多种可以采用比较廉价的双绞线为传输介质，最为FCS的主节点和PLC、数字化智能传感器变送器或数字传感器等从节点结合起来，还可以把多台PLC经过网络传输到高数据公路，得到顺序控制站。

FCS对外围自动化设备具有较高的要求，但是现在由控制器传感器等智能节点组成的统一FCS在费用方面比较高而无法实现，因此我们选择了建立基于现场总线的、由PLC、PLC组成的与DCS相兼容的系统，这样的系统比较经济和现实。

这种系统实现数字量传输，提高信号传输精度，增加了灵活性，降低费用便于维修，是今后的发展方向。

3硬件系统的配置

此硬件系统由五部分组成其中最关键也是最复杂的部分是氧化沟系统，其结构的不同形成了不同的氧化方法如基本型氧化沟、Carrousel（卡鲁塞尔）式氧化沟、交替工作式氧化沟、Orbal（奥贝尔）型氧化沟等等。

不同的硬件系统对应不同的控制系统，所以在每个系统中都有相应的控制系统。

3.1主体工艺

图3.1主体工艺

下面对个系统的要用的设备进行简单的介绍：

（1）进水系统进水系统有两个主要是设备进水管和进水泵，进水管主要是清除污水中的大块杂物，进水管由粗格栅和清污机组成。

清污机的运行或者停止是根据粗格栅两端的液位差进行，当粗格栅两端的液位差大于某个值时启动清污机小于某个值时停止清污机。

粗格栅是根据程序的设定间歇性的运行或者停止。

进水泵由两台潜水机组成，潜水机的运行主要是通过在泵房里面的传感器来工作，当液位较低时只开启一台潜水机，当液位较高时开启两台潜水机，如果液位高到一定程度后便触发报警装置。

（2）过滤系统过滤系统主要由细格栅系统和沉砂池系统组成。

细格栅系统主要是清除污水中的细小杂物，由细格栅机和转股清污机。

这两部分设备的工作方式分别对应粗格栅和清污机：

细格栅的是根据程序间歇性工作或停止，而转股清污机是根据细格栅两端液位差工作，当液位差高于某个值时启动转股清污机当液位差低于某个值时转股清污机停止工作。

沉砂池系统主要设备室分离机，其运行和后续处理中的转碟曝气机的运行同步，即启动转跌曝气机的时候同时启动分离机，对沉砂池中的沙粒进行排除。

（3）氧化沟系统氧化沟系统的设备和装置主要是水平轴曝气转刷或转盘。

水平轴曝气机包括曝气转刷和曝气转盘，是应用最广的一类氧化沟充氧设备。

它充氧效率高、结构简单、安装维修方便。

整个系统由电机、调速装置和主轴等组成，主轴上有放射状的叶片或由两个半圆组成的盘片。

氧化沟曝气设备的主要功能包括：

（a）供氧；（b）推动水流做不停的循环流动；（c）防止活性污泥沉淀；（d）使有机物、微生物及氧三者充分混合、接触。

曝气的作用是在曝气机运行时，在传动装置的带动下，以一定速度回转，转刷叶片在随主轴水平旋转的过程中，将空气的氧不断倒入水中；此外，通过转刷的运转，推动污水以一定的流速在氧化沟中循环流动，技能防止活性污泥的沉淀，又能是有机物、微生物与氧充分混合接触，从而有效的达到氧化沟工艺对混合、充氧的需要；曝气转盘上有大量的曝气孔和三角形凸出物，用以充氧和推进混合液。

此系统中还有搅拌机的作用是推进水流，同时使氧化沟的污水和活性污泥处于剧烈的搅拌状态，使他们充分混合接触。

（4）沉淀系统沉淀系统的主要设备是刮泥机将氧化沟处理后的污水进一步清除质。

此处理过程中由于有微生物及其他少量杂质没有清除到所以需要加入一定要的药物比如：

复合碱、混凝剂、絮凝剂等等，利用高分子助凝剂的强烈吸附架桥作用，使细小松散的絮凝体变得粗大而紧密，容易发生沉降。

（5）脱水系统离心式脱水机是此系统的主要设备，主要是对污水进行脱水处理，此过程中还要加入一定要的药物对活性污泥中的微生物进行污泥脱水。

离心式脱水机主要由聚合物泵、污泥机、切割机构成，它们的启动顺序为聚合物泵——污泥机——切割机，即可完成脱水处理。

3.2电气控制系统

控制系统一般由控制器和被控对象两大部分组成。

自动控制系统的基本功能是控制信号的传递，加工和比较。

这些功能是由检测变送装置、控制器、执行机构共同完成的。

控制器是核心部分可以是微机，也可以是单片机或可编程逻辑控制（PLC）在此设计中采用的是可编程逻辑控制器。

从另一方面看控制系统包括操作面板、显示面板、电器控制柜等单元。

基本介绍如下：

（1）操作面板操作面板有自动、手动等按钮。

（2）显示面板显示面板可以选择触摸屏或者是人机界面。

（3）控制柜此设备是控制系统的核心设备，包括各类传感器、变频器、各类扩展模块、PLC等等。

3.3污水处理的工作原理

3.3.1控制系统的总体框图

污水处理控制系统的总体框图如图3.2所示。

各类传感器和检测面板的输入通过模拟量传入给核心控制器PLC，PLC再根据程序的设定控制其它器件的工作。

图3.2控制系统总体框图

3.3.2工作过程：

（1）向系统供电，启动控制方式，启动刮泥机和潜水搅拌机；

（2）启动系粗格栅，使其间歇性运行；

（3）根据反馈回来的液位差控制清污机的运行与停止；

（4）根据液位高低对进水泵房中的潜水泵启动、停止及工作数量进行控制；

（5）根据溶解氧仪的反馈模拟量通过PLC运算后对转碟曝气机进行控制，同时控制分离机；

（6）根据液面高低对污泥回流泵的工作进行控制；

（7）在污泥脱水系统中，对各部分设备依次进行启动。

3.3.3污水控制系统的主电路设计

三台电机分别为进水泵电机（M1）、粗格栅电机（M2）、细格栅电机（M3）。

接触器KM6、KM3、KM2分别控制M3、M1、M2的工频运行；接触器KM9、KM5分别控制M3、M1的变频运行；FR1、FR2、FR3分别为三台电机过载保护用的热继电器；QF1为主电路的空气开关；FU1为主电路的熔断器。

选用MM430变频器是用来控制电机M1、M3的变频的，主电路如附录B图1所示。

曝气机（M4）、污泥回流电机（M5）则分别用KM1、KM4控制运行，如附录B图2所示。

脱水泵电机（M6）、聚合物泵电机（M7）则分别用KM7、KM8控制运行，如附录B如图3所示。

3.4PLC的选型

可编程逻辑控制器件（PLC）最初用于逻辑控制，它是一种数字式的电子装置。

它使用可编程逻辑程序的存储器来存储指令，并实现逻辑运算、顺序运算、计数、计时和算术运算等功能，用来对各种机械或生产过程进行控制。

PLC的硬件设备主要是中央处理器（CPU）、存储器（包括系统程序存储器、用户程序存储器、数据存储器）、输入/输出（I/O）模块、电源模块、通信联网端口、系统的其他设备。

PLC的供能主要是一下几个方面：

（1）定时计数和逻辑运算功能-开关量控制功能PLC的功能有“非”“与”“或”等逻辑命令，可以阐明继电器触点的并联、串联、复合并串联等连接关系，还将给学者提供了多个计数器和定时器并设置了相应的计数器和定时器指令使用更加方便。

（2）模拟量与数字