三菱QPLC在污水处理系统中的应用修改概要.docx
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三菱QPLC在污水处理系统中的应用修改概要
三菱Q-PLC在污水处理系统中的应用
秦娜娜，赵晨，陈丽，刘膑升
（东北大学，信息科学与工程学院）
摘要：
随着经济的快速增长，工业化程度的不断提高，人类的生产生活对于水的需求也在不断的加剧。
在资源危机愈演愈烈的今天，如何能够更有效地节约水资源、如何能够更高效的回收利用水资源也就理所当然的成为了人们不断探讨的话题。
而在这项世界范围内的讨论中，对于污水的回收处理和二次利用毋庸置疑的成为了公认的既简单而又行之有效的方法之一。
本参赛项目正是基于污水的回收处理这一热点话题，应用三菱Q系列PLC等设备，专门针对橡胶厂在生产过程中产生的碱性工业废水进行净化、中和以及生化氧化等处理，使其最终达到“中水”的排放标准。
经过处理的污水完全可以被工厂再次使用，或是被安全的排放到河流中而不会造成污染。
关键字：
Q系列PLC，CC-Link；以太网卡；变频器；污水处理；人机界面
Abstract
Withtherapideconomicgrowthandtheconstantimprovementoftheindustrialization,therequirementofthewaterisbecomingmoreintensified.Inaresourcecrisisperiod,sewagerecyclingisthekeytoconservewaterresourcesmoreeffectively,andutilizewaterresourcesmoreefficiently.
Basedonthistopic,theprojectaimsatsewagerecycling,usingtheMitsubishiQseriesofPLC,etc,especiallyforthealkalineindustrialwastewaterproducedbytherubberfactory.Byneutralizationandbiochemicaloxidationprocessing,thesystemwillpurifythewater,makingituptotheemissionstandard.Theprocessedsewagecompletelycanbereused,anditcanbedischargedsafelyintoriversunpolluted.
KeyWords:
QseriesPLC，CC-Link，Ethernetcard，invertor，sewagedisposal，HMI
一、前言
随着科学发展观的提出，环境保护已经成为了我国发展经济的同时需要重视的首要问题，而对于水资源的保护则是环境保护的第一要务。
因此，在水资源日益紧缺，水污染日益严重的今天，污水处理就成为了水资源保护工作成败的关键。
搞好污水处理既可节能减排、保护环境，又能够促进经济发展的良性循环、利国利民，是保证国民经济可持续发展、关系国计民生的重要举措。
所以，开发适合我国国情的高效、低耗、满足排放要求、基建和运行费用低的污水处理系统，具有十分重要的现实意义。
污水处理自工业革命以来，越来越受到人们的重视。
污水处理率已成为一个地区文明与否的一个重要标志。
近200年来，污水处理已从原始的自然处理、简单的一级处理发展到利用各种先进技术、深度处理污水，并且回收再利用。
处理工艺也从传统活性污泥法、氧化沟工艺发展到A/O、A2/O、AB、SBR（包括CCAS工艺）等多种工艺，以达到不同的出水要求。
我国污水处理相对于发达国家而言起步较晚，目前城市污水处理率只有6.7%。
在我们大力发展污水处理，不断地引起国外先进技术、设备和经验的同时，我们必须结合我国的实际情况，尤其是特定地区的工业发展和人民生活水平的情况，来探索适合我国国情的污水处理系统。
结合我国实际情况，参考国外先进技术和经验，建设污水处理厂应符合以下几个发展方向：
（1）节约总投资。
我国是一个发展中国家，经济发展所需资金非常庞大，因此严格控制总投资对国民经济发展大有益处。
（2）运行费用低。
运行费用是污水处理厂能否持续正常工作的重要因素，是评判工艺优劣的主要指标之一。
（3）占地面积少。
我国人口众多，人均土地资源极其紧缺。
节约用地是我国许多城市发展和规划所要遵循的一个重要原则。
（4）脱氮除磷效果。
随着我国大面积水体环境的富营养化，污水的脱氮除磷已经成为一个迫切的问题。
我国最新实施的国家《污水综合排放标准》（GB8978-1996）非常严格地规定了适用于所有排污单位的磷酸盐排放标准和氨氮排放标准。
这就意味着今后绝大多数城市的污水处理厂都要重点考虑脱氮除磷的问题。
（5）现代先进技术与环境保护工程的有机结合。
现代先进技术，尤其是计算机技术和自动控制系统的日臻完善，为环境保护工程的发展提供了强有力的支持。
目前，发达国家的污水处理厂大都采用先进的计算机管理和自动控制系统，保证了污水处理厂的正常运行率和出水合格率，而我国在这方面还是比较落后。
因此，计算机控制及管理也必将是我国城市污水处理厂的发展方向。
PLC以可靠性高，稳定性好，功能强的特点广泛运用于企业的控制系统中，被誉为当今世界最先进的控制系统装置。
我们采用三菱Q系列PLC做控制器，通过软件编程使启停液位、报警液位、逻辑控制、出水流量、提升泵站液位差等环节满足工艺要求；HMI（HumanityMachineInterface）人机界面方便实时监控及调试；SCADA（SupervisoryControlAndDataAcquisition）上位机监控可以将数据通过以太网上传，便于数据的统计分析和故障的检测排除；CC-LINK（ControlCommunicationLink）现场总线通讯可靠性高，将其运用于污水处理厂的控制系统易于实现对于大面积分散厂区的网络化控制和管理；应用软件控制代替硬件控制，为自动化控制的顺利实现创造了条件[1]。
本参赛项目针对橡胶厂的污水处理，橡胶厂产生的工业污水呈碱性，并且含有杂质。
若任其随意排放掉，不但会造成浪费，更重要的是会严重地污染环境、破坏水质。
本污水净化处理系统就是为解决这一问题，它可将碱性污水进行过滤、沉淀、净化、中和等处理，最终达到“中水”标准进行排放，并可以循环利用。
二、项目功能简介
2.1系统工艺流程简介
本项目所设计的污水处理厂采用分级处理工艺，分为一级处理和二级处理。
一级处理采用物理方法，通过格栅拦截、沉淀等手段去除废水中大块悬浮物和砂粒等物质。
二级处理则采用生化方法，通过微生物的生命运动等手段来去除废水中的悬浮性，溶解性有机物以及氮、磷等营养盐。
具体步骤如下：
（1）工业废水经过污泥管道进入格栅间，格栅可以除去大块漂浮物，防止对后续污水处理设备的损害。
经过机械格栅过滤后的污水将进入集水井，集水井能够实现污水的提升处理。
集水井内设PH计1，若PH在设定范围外，自动开启提升泵2，将污水提升到事故池中，事故池内设电动阀门1和电磁流量计2，通过设定排水流量来控制系统调节电动阀门1的开启度，将污水重新排入集水井；若PH在设定范围内，自动开启提升泵1，污水被提升到调节池中。
（2）调节池的主要作用是调节水质水量，池底设有吹气管道，由鼓风机向池内吹气。
加药泵1根据PH计1进行变频加药，风机1给调节池鼓风，通过加药泵1、2、3的加药，使污水由碱性转化为中性，然后通过提升泵3将污水排放到沉淀池1中。
（3）沉淀池1内设电导率仪，电导率控制电动阀门2的开启，将一小部分达标的清水排放掉；而其他大部分污水将被排放到生化池中。
（4）生化池的作用包括水解酸化和接触氧化。
水解酸化可以调节废水的PH值，接触氧化是利用好氧微生物分解污水中的有机物，通过风机2不断地把空气打入水中，使空气中的氧溶入水中，为好氧微生物提供分解环境。
风机2通过变频器与溶解氧测定仪连锁控制，依据溶解氧测定仪的检测反馈，应用PID算法来调节鼓风量。
反应后的水将会被排放到沉淀池2中，此时沉淀池2的上层水已经达到排放标准，可以直接排放。
（5）沉淀池1和沉淀池2底部的污泥被两个污泥泵抽到污泥池，污泥池的作用是对于污泥的储存，并进行污泥浓缩处理，污泥浓缩池主要进行污泥重力浓缩，通过手动控制电动阀门3来将污泥池中的清水排放掉。
（6）污泥池内的污泥将被螺杆泵抽出送至带式污泥压缩机，在加药泵4的药物作用下，污泥最终被压缩成泥饼，作为固体肥料用于农业生产。
通过上述过程，呈碱性的污水被净化处理成为达到排放标准的“中水”，污水中的杂质经过压缩处理最终转化成可作为肥料使用的泥饼。
这样既达到污水净化处理的目的，又充分利用了资源。
系统的工艺流程如2.1图所示。
图2.1系统工艺流程图
2.2系统功能
1.用户可以通过HMI人机界面修改风机等设备的运行时间，从而适应不同的污水达标要求。
2.两种运行方式：
自动操作：
（1）根据集水井的液位高度，自动开启或关闭污水阀。
（2）根据集水井内PH计的设定范围，自动开启调节池或事故池。
（3）根据调节池的液位高度，自动控制提升泵1的运行。
（4）根据事故池的PH值，自动控制电动阀门1的开启，决定是否回流。
（5）加药泵1通过PH计1可通过变频器控制加药量。
（6）根据电导率测定值，自动控制电动阀门2的开启。
（7）变频器与溶解氧测定仪连锁控制风机2的鼓风量，溶解氧测定仪显示溶解氧含量，当溶解氧低于某值时自动报警。
（8）根据污泥池的液位高度，自动控制螺杆泵的启动。
（9）带式污泥脱水机自带报警显示。
手动操作：
手动操作也就是单步运行操作，既可以手动操作整个系统运行，也可对于系统进行检修，对部件进行逐个调试。
调试可以用控制柜中的开关对其进行控制，或是通过HMI人机界面对其进行单步控制，也可以使用上位机的监视画面对其进行操作。
3、污水处理自动控制系统硬件设计
对于污水处理厂而言，其在线仪表信号大多为模拟信号、其处理设备大多为直接电气控制，同时污水处理的水池体积都较为庞大，导致数据采集点相对分散，距离远。
因此，本系统采用三菱PLC+CC-Link+以太网组成两层网络的远程控制系统。
PLC是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用设计，它采用一类可编程序的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术操作等面向用户的指令，并通过数字式或模拟式输入输出，控制各种类型的机械或生产过程[2]。
三菱Q系列PLC的特点是：
可靠性高；控制能力强；编程方便，易于使用；适用恶劣工业环境，抗干扰能力强；具备各种接口，与外部设备连接方便；采用积木式或模块式结构，具有较大的灵活性和可扩展性；维修方便，可在线修改程序等。
CC-Link是通过专用电缆将分散的I/O模块组态，搭建现场总线网络通过PLC的CPU控制。
它具有如下特点：
（1）将每个模块分散到类似传送生产线和机械设备中去，节省配线。
（2）使用处理类似I/O或数字的ON/OFF数据的模块，实现高速的通信。
（3）可以与其他商家的不同设备进行连接，使系统更加具有灵活性。
CC-Link具有丰富的功能：
简单的系统组态功能，自动刷新功能，丰富的RAS（ReliabilityAvailabilityServiceability）功能，预约站功能，备用主站功能，子站脱离功能，自动上线功能，监控功能。
用于工业实时控制的标准TCP/IP以太网，能够帮助用户获得更加开放集成的工业自动化和信息化的整体解决方案[3]。
满足现代化企业管理要求整个生产和管理过程都运用信息技术和自动控制技术，将现场信息和管理信息结合，建立综合自动化的信息平台。
EtherNet/IP既满足从高精度时间同步、分布式伺服控制、离散控制、过程控制到安全系统等所有工业应用要求，又支持现场和远程监视、诊断和组态。
本项目采用CC-Link实现现场控制，以太网实现厂区内的分级控制。
生产过程中的各种信号通过相应的变送送入下位机，下位机采用可靠的PLC作为控制单元，运行先进的控制算法，实现现场设备的实时控制。
作为上位机的工控计算机采用标准的通信协议和数据库，通过以太网实现信息的集成管理和远程控制[4]。
上、下位机之间通过网络传送采集参数和远程控制参数。
硬件结构如3.1图所示：
图3.1污水处理自动控制系统硬件结构图
4、污水处理自动控制系统软件设计
4.1PID控制算法设计
4.1.1控制方案
污水处理是一个非线性、时变、滞后的动态过程。
其中的生物氧化环节是整个处理过程中极其重要的一部分，决定其处理效果的关键因素是生化池内嗜氧细菌的活跃程度，而决定嗜氧细菌的活跃程度的一个关键因素就是溶解氧（DO）浓度。
因此，可以说溶解氧浓度是污水处理效果的主要影响因素。
在系统中，溶解氧浓度是通过控制曝气装置的运行来加以调节的。
但是，如果曝气时间过长，浪费能源且易发生污泥膨胀；曝气时间过短,，生化反应不充分，出水水质下降，难以达到排放标准。
因此，整个反应过程生化池中的溶解氧必须维持在适当的浓度。
为了达到溶解氧浓度的要求，我们应用了PID算法来控制风机的鼓风量。
在系统设计时，我们提出了以下两套方案来完成控制要求：
方案一：
通过调节曝气时间，即鼓风机的运行时间来调节总进气量，从而调整生化池的溶解氧浓度。
方案二：
通过调节鼓风机的转速，即鼓风机送入生化池的风量大小来调节单位时间内的进气量，从而调整生化池的溶解氧浓度。
方案一中，由于进水出水的扰动，为了达到控制要求，鼓风机需要经常的启制动，这样频繁的满负荷启停会加速电机的损耗，对于设备极为不利。
综合分析以上两种方案，我们最终采用第二套方案。
生化池风机鼓风量的控制系统结构框图如图4.1所示。
图4.1DO控制系统框图
4.1.2PID调节原理
PID调节器的设计如下：
PID调节器的离散化微分方程为：
u（k）=u（k-1）+Kp*[e（k）-e（k-1）]+Ki*e（k）
其中，比例系数Kp会影响系统的反应速度，调节系统向减少偏差的方向变化，Kp参数设置过小，系统响应过慢，调节时间过长；Kp参数设置过大，将导致系统的超调增加，稳定性变坏，甚至使系统产生震荡。
积分系数Ki的作用是消除系统静差，Ki参数设置过大，不利于减少超调，减小震荡，使系统不稳定，系统响应速度反而减慢。
PID算法程序流程图
图4.2PI控制算法流程图
4.1.3变频器参数设置
因为我们选用的F740变频器自带PID调节器，所以可直接设置PID参数实现PID功能。
变频器参数设置如表4.1：
表4.1变频器参数设置表
序号
参数名称
参数号码
参数值
1
PID动作选择
P128
20
2
PID上限
P131
50
3
PID下限
P132
0
4
RT端子功能选择
P183
14
5
模拟量输入选择
P73
4
6
端子4输入选择
P267
2
7
AM端子功能选择
P158
1
8
SU端子功能选择
P191
47
9
IPF端子功能选择
P192
16
10
OL端子功能选择
P193
14
11
FU端子功能选择
P194
15
12
PID比例带
P129
1/Kp
13
PID积分时间
P130
Ti
4.1.4波形分析
调节比例系数和积分时间，当给定一个溶解氧目标值时，由于实际的溶解氧值与设定目标值存在偏差，由于PID的调节作用，风机开始运转，然后全速运转，随着溶解氧的实际值与目标值的差值的缩小，风机的转速逐步下降，最终使系统达到稳定状态。
其中，P129=20；P130=1,Kp=1,Ti=4，波形如下图所示：
图4.3鼓风机转速调节图
结果表明以溶解氧为控制参数的PID控制器应用在活性污泥处理系统中时，能够使生化池中的溶解氧很好的跟踪设定值，达到系统对溶解氧的设定要求。
4.2PLC程序设计
在污水处理系统中，采用三菱Q系列PLC进行编程，程序流程图如图4.4。
图4.4程序流程图
5、监控
本项目的监控系统主要包括现场监控和上位机监控两部分。
（1）现场监控：
触摸屏选用步科电气公司生产的MT4300C型触摸屏人机界面。
人机界面主要用于显示设备和系统状态的实时信息，屏幕中的组态画面可显示相应的系统工作状态信息,输入数值或字符可与PLC进行数据交换，从而产生相应的动作，进而控制系统设备，触摸屏作为人机界面，实现了对风机运行的监控，并且可以对寄存器的部分参数进行设定。
在具体设计上，以实用作为基本的出发点，在界面上体现出基本的输入按键与输出状态显示，同时以生动的图形来模仿表示污水处理系统的基本工作流程，最后做到清晰简约的界面。
污水处理系统污水处理系统流程示意图如图5.1，点击流程工艺区域即可进入监视该环节的监视画面。
图5.1污水处理系统流程示意图
曲线监视画面如图5.2所示。
点击环节名称即可进入曲线监视画面，观测液位，PH值，溶解氧浓度，电解率等历史曲线。
便于预测趋势，在出现故障时便于分析故障原因。
图5.2污水处理系统曲线监视选择面板
手动设置参数面板，可以根据实际需要更改风机运行时间间隔，污泥泵启动时间间隔等等。
如图5.3所示。
图5.3污水处理系统手动设置面板
（2）上位机监控
为了方便管理人员监视分析系统工作情况，我们借助三菱以太网模块QJ71E71及MOVICON组态软件搭建了一个SCADA（SupervisoryControlAndDataAcquisition）系统平台。
将系统的横向信息（同一层不同节点的通信）和纵向通信（上、下层之间的通信）加以结合，能够进行现场控制、故障诊断、过程优化、信息传送等综合处理，实现混合智能优化控制。
使控制系统灵活、可操作、方便扩大控制规模。
上位机监视示意图如图5.4所示。
图5.4上位机监视画面
6、设计总结
本项目针对污水处理厂的自动化控制应用做了整体的设计，此次项目的设计开发，使我们对污水处理工艺及三菱Q系列PLC有了较深入的了解，既增强了环保意识，又深入学习了三菱电机产品的应用。
由于本项目是实际应用工程项目，故而程序庞大且复杂。
开始动手准备时，面对一整套系统，我们也曾感到无从下手，正所谓“万事开头难”，经过仔细耐心的分析，参阅大量的资料，我们慢慢熟悉了各个模块的应用，以及GX编程的思路。
在实际工程中有很多传感器，数据可以直接反馈进入远程AD，通过CC-LINK传回PLC，但由于污水处理过程过于庞大，不能将实物搬到现场，而是采用触摸屏自动演示，调试起来比较困难。
通过不断的调试，思索，修改，总结，我们逐步熟悉并掌握了三菱Q系列PLC，CC-Link，远程I/O模块，远程AD模块，变频器、以太网模块和HMI人机界面的实际应用。
同时，在准备这次比赛的过程中，我们深深的感受到了团队精神，大家一起齐心协力，思路扩展了，问题解决了，这种合作意识将会让我们受益终身。
本项目已经在山东省青岛市高新技术开发区某橡胶厂成功运用，并得到厂方的一致好评，达到了节能、环保、高效的目的。
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