城市生活污水处理电气自控系统的设计与实现.docx
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城市生活污水处理电气自控系统的设计与实现
城市生活污水处理电气自控系统的设计与实现.txt我的优点是：
我很帅；但是我的缺点是：
我帅的不明显。
什么是幸福？
幸福就是猫吃鱼，狗吃肉，奥特曼打小怪兽！
令堂可是令尊表姐？
我是胖人，不是粗人。
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西南交通大学硕士学位论文城市生活污水处理电气自控系统的设计与实现姓名：
刘克天申请学位级别：
硕士专业：
电力系统及其自动化指导教师：
王富荣20060201
西南交通大学硕士研究生学位论文鱼旦里
摘
要
随着城市的快速发展，环境问题显得日益重要。
废水是破坏环境的一个主要的因素，目前中国污水处理自控系统相对落后，污水
处理成本居高不下，污水厂排放的处理过的污水的水质不稳定．所
以如何建立有效的自控系统，优化运行效果，减少运行费用，具有重要意义。
本文以重庆市城南污水处理厂的改造为背景展开，开发设计了一套基于工业以太网的污水处理自控系统。
论文主要从以下三个方面展开了工作：
设备的电气控制：
根据污水处理要求设计了设备的电气控制与自动控制的线路，主要包括设备的启停控制、状态指示、故障处理以及系统信号的采集：
下位机的开发：
确定了系统控制站的划分方式，根据污水处理工艺要求编制了ＰＬｃ控制程序，提出了利用系统内部文件来优化程
序和节约系统资源，解决了利用ＰＬＣ来统计污水厂流量和增压泵运
行时间的问题；上位机监控软件的开发：
按照污水处理流程开发了污水处理设备的监控画面，建立了设备操作、设备状态与水质参数的数据库及水质参数的实时曲线，完成了系统实时报警功能，实现了全厂生产报表的自动生成与打印功能；经过一年时间的调试与运行，系统运行稳定，污水厂处理的污水的水质稳定并且达到了国家一级标准，降低了污水的处理成本，达到了预先的设计要求。
关键词：
工业以太网；电气控制；下位机；上位机
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ｃＯｎｔｒｏｌｌｉｎｇｓｔａｔｉｏｎ，ｗｒｉｔｉｎｇｔｈｅｃｏｎｔｒＯｌｌｉｎｇｐｒｏｇｒａｍｏｆＰＬＣ，０ｐｔｊｍｉｚｉｎｇｔｈｅｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇｐｒｏｇｒａｍｂｙｉⅡｔｅｒｉＯｒｆｉｌｅｓｏｆＰＬＣ，ｃＯｕｎｔｉｎｇｔｈｅａｍＯｕｎｔｏｆｔｒｅａｔｅｄｗａｓｔｅｗａｔｅｒａｎｄｒｕｎｎｉｎｇｔｉｍｅｏｆｔｈｅｐｕｍｐｓ．ＴｈｅｅｘｐｌＯｉｔａｔｉｏｎｏｆＵｐｐｅｒＣ０ｍｐｕｔｅｒｉｎｃｌｕｄｅｓｔｈｅｄｅｓｉｇｎｉｎｇｏｆｔｈｅｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇｍａｐ，ｓｅｔｔｉｎｇｕｐｔｈｅｄａｔａｂａｓｅｏｆｏｐｅｒａｔｉｏｎａｎｄｒｃａｌｔｉｍｅ
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ＩｎｄｕｓｔｒｉａｌＥｔｈｅｒｎｅｔ；ＥｌｅｃｔｒｉｃａｌＣｏｎｔｒｏｌ；ＬｏｗｅｒＵｐｐｅｒＣｏｍｐｕｔｅｒ；
ＣＯｍｐｕｔｅｒ；
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第１章绪论
随着现代工业和城市建设的发展，我国城市的环境污染特别是水污染问题同趋严重；同时我国是一个水资源占有量匮乏的国家，可以说水污染严重和水资源的短缺已经成为严重制约我国社会经济持续发展、危害生态环境、影响人民生活和身体健康的突出问题，
迫切需要加以解决“１。
长期以来，自来水保证了引用水的水质安全，
但不幸的是，现在自来水的水质中，不断出现许多不安全因素，其中有属于病原体的，有属于化学物质的。
据近几年的报导，在水中
检查出来的有害物质已经从原来的１００多种变为了１５００种“１。
水污染
已经引起了世界各国的重视。
我国政府对水污染也非常重视，并将其作为今后一段时间内基本建设投资的重点。
污水处理工艺的不断改进使污水处理过程越来越繁琐、越来越
复杂，原来操作人员的手动控制已经无法满足污水处理发展的要求。
随着计算机、工业控制网络、在线检测及可编程控制技术的发展，
国外的很多污水处理厂根据自身情况相继建立了污水处理自动控制
系统，目前我国国内新建的大型城市污水处理厂全套引进了国外的
设备和技术，如沈阳北部污水处理厂全部弓ｌ进法国的设备和处理技
术。
全部引进国外技术存在以下问题：
１．引进费用昂贵；２．维护费用昂贵，维护不方便：
３．没有结合我国的国情：
４．不利于培养我国的相关专业的工程技术人员。
１．１课题的来源和背景
本课题源于重庆市重点科技攻关项目“中小城镇缺氧／需氧组合式污水处理关键技术研究与工程示范”的子课题“ＭＳＢＲ生物滤池管理控制系统研究”（编号：
７５１７—０２），使本课题在理论研究、系统集成原理研究的基础上，为完成实验系统（工艺系统、控制系统软、
硬件）的丌发和实验提供了经费保证。
重庆市渝北区城南污水处理厂位于重庆市渝北区两路的一个自然沣地，主要负责渝北区生活污水和部分工业污水的处理，陔厂建成于１９９４年，一期工程的处理能力为ｌ万吨／天、二期工程完成后同处
理能力达到了２万吨／天，处理后的污水经长河溪流入长｝工。
随着城区
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的扩建、工厂数量的增加、重庆主城区人口的迁入及西南政法等几所大学新校区的启用，使生活污水急剧增加，除了新建新的污水处理厂之外，也决定对城南污水处理厂进行工艺与处理能力改造，而本课题的实施也正是基于这个改造。
在改造前，该厂的污水处理工艺流程依次为：
粗格栅、细格栅、初沉池、曝气池、二沉池，然后流入长河溪；对全厂的控制除了在曝气池曝气机的控制上加了一块ＯＭＲＯＮ的ＰＬｃ实现时间控制之外，其他设备全部为手动控制；对水质的检测完全由实验人员通过实验测定，没有实现对水质的在线监测。
因此，可以说该厂的自动化程度很低，这样就造成了一个后果，该厂处理的污水的水蠹醛赫鸶搿；
畿嶷腰２?
１水的使用、盐理和处置系统
Ｆ１９２?
１
ｓ
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同时国外较早的将ＳＣＡＤＡ技术引入到了给水排水工程中，并取得了良好的经济效益与社会效益¨１。
国外同时注重水处理中ＰＬＣ的开发，相继研制出了一些智能、稳定、小巧的控制单元，如ＡＢ公司的ｓＬｃ系列、Ｓｉｅｍｅｎｓ的Ｓ７系列、Ｓｃｈｎｅｉｄｅｒ的ＴＳＸＱｕａｎｔｕｍ系列；同时国外也很重视在线仪表的研制，如德国Ｅ＋Ｈ公司，美国的哈希公司相继研制了溶解氧ＤＯ（ＤｉｓｓｏｌｖｅｄＯｘｙｇｅｎ）、化学需氧量ＣＯＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ
Ｏｘｙｇｅｎ
Ｄｅｍａｎｄ）分析仪。
国外污水处理自控系统主要存在以下一个
特点：
（１）采用集散控制系统ＤＣｓ和现场总线控制系统ＦＣＳ。
按照厂区的自身情况和工艺段来划分若干个控制站，站与站之间可以平级关系也可以使上下级关系，站与站之间一般独立运行。
设立中控室，
中控室有操作员站和工程师站，负贲全厂的数据管理与记录、报表
‘
等工作。
（２）大量采用在线监测的水质分析仪表，对全厂的水质实行实时监测，并由上位机记录下来，提高了测量精度。
（３）生产过程中不同程度上采用了智能控制．可以根据水质和
水源的变化自动的调整相应的控制方式。
（４）大量采用遥测、遥控设备；并开始有效地利用社会信息资源，如电话网络、移动电话网络、国际互联网、气象信息等。
１．２．２国内污水处理厂自控系统发展状况
解放初期由于工农业生产刚刚起步，当时的污水污染程度很低，
且提倡利用污水进行农业灌溉，特别是北方缺水地区将污水灌溉利用作为经验进行推广，如著名的沈轨灌渠等，所以全国仅有几个城
市建设了近十座污水处理厂（还包括１９２１～１９２６年间外国人兴建３座污水处理厂），在处理工艺有的还是一级处理，处理的规模也很小，
每天只有几千立方米，最大的也只有每天５万立方米左右，致使污水
处理技术和管理水平处于较落后的状态。
我国第一座大型城市污水处理厂一一天津市纪庄子污水处理厂
于１９８２年破土动工，１９８４年４月２８日竣工投产运行，处理规模为２６月
立方米／天。
纪庄子污水处理厂投产运行后多年来达到设计出水水质
标准，使黑臭的污水变为清流，它的诞生填补了我国大型污水处理厂建设的空白。
在此成功经验的带动下，北京、上海、广东、广硒、
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陕西、山西、河北、江苏、浙江、湖北、湖南等省市根据各自的具体情况分别建设了不同规模的污水处理厂。
与国外相比，我国污水处理自动化控制起步较晚，七十年代开始采用热工仪表，实行集中巡检；八十年代应用分析仪表和ＤＣＳ系统；至九十年代，随着一大批利用国际贷款的大型污水处理厂的建成投产，我国污水处理控制系统的自动化水平有了很大提高。
从国外引进污水厂的自动控制系统已广泛采用集散式计算机监控系统，应用了自动化程度较高的检测仪表，各种新工艺、新设备大量出现并得到应用。
可以说我国污水处理自动化的现状是：
手动与自动皆各，自制和引用并举”１。
可以看出我国的污水处理厂自控系统有以下特点：
（Ｉ）对于新建的污水处理厂，引进了计算机分散控制系统，手动与自动并存的控制方式。
大部分以前建设的污水厂自动化程度仍然很低，仍采用人工巡检的方式。
（２）国产在线仪表的稳定性还没有达到要求，所以大部分采用
进口的在线仪表，但是由于进口仪表价格昂贵，所以应用并不是很广泛。
水质的检测主要是有实验室人员通过实验来测量。
（３）各个控制站之间完全独立，无没有信息的交换。
并且各个控制单元由于其内部资源的限制，只是实现了简单的时间控制和逻辑控制。
（４）上位机监控软件很少使用，几乎没有中控室，不能对全厂
的设备实行实时监控。
而一些报表的工作也主要是由厂里的工作人员手工完成。
通过对比，不难看出：
整体上和国外相比我国污水厂的自控系统仍然存在很大的差距，但是我国的应用前景却非常广泛、潜力很大。
１．３课题的研究目的和意义
世界任何国家的经济发展，都会推进社会进步、促进工农业生产能力，使人民生活得到进一步改善，但是也随之带来不同程序的
环境污染。
污水也是造成环境污染的来源之一。
这个污染源的出现
引起了世界各国政府的关注，治理水污染环境的课题被列入世界环
保组织的工作同程。
我国是一个严
西霉妻善羹曩＝剐囊戮∞弘鲥扪翳
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萋囊妻：
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蟪嘶穗。
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霪臻麓香盟甭～夔蠢囊。
鋈妻毳疆妻鋈鬟｜｜鬟羹蠹醛赫鸶搿；畿嶷
ｌ?
２９１Ｆ统系置处和理盐、用使的水１?
２腰ｓ
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污水中除含有碳水化和物、蛋白质、尿素、氨基酸、动植物脂肪、合成洗涤剂、氨等物质外，还含有细菌、病毒等使人致病的微
生物。
水处理的目的不外乎三种ｎ¨“：
（１）去除水中的影响使用水质的杂质以及污泥的处置，这是最主要的内容；（２）为了满足用水的要求，在水中加入新的成分以改变水的的化学性质，如食用水中加氟以防止龋齿痛，循环冷却水中加缓浊剂以控制腐蚀和结垢等：
（３）改变水的物理性质的处理，如水的冷却，降低水的粘滞度等。
２．２城市污水的性质与污染指标
２．２．１污水的物理性质及指标表示污水的物理性质的指标主要指水温、色度、臭味、固体含量及泡沫等¨１。
１．水温
污水的水温，对污水的物理性质、化学性质及生物性质有直接
的影响。
２．色度色度由悬浮固体、胶体或溶解物质形成。
３．臭味
臭味主要由有机物腐败产生的气体造成，臭味给人以感观不悦，
甚至会危及人的生理、呼吸困难，倒胃胸闷等。
４．固体含量固体物质按存在的形态不同可分为：
悬浮的、胶体的和溶解的三种；按性质的不同可分为：
有机物、无机物与生物体三种。
２．２．２污水的化学性质及指标污水中的污染物质，按化学性质可分为无机物与有机物；按存在形态可分为悬浮状态和溶解状态。
１．无机物及指标无机物包括酸碱度，氮，磷，无机盐及重令属离子等。
（１）酸碱度
当ｐＨ值超出６～９的范围时，会对人、畜造成危害，并对污水的
西南交通大学硕士研究生学位论文可生物降解有机物，但对微生物有毒害或抑制作用。
（６）表面活性剂
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生活污水与表面活性剂制造工业废水，含有大量表面活性剂。
含有磷并易产生大量泡沫，属于难生物降解有机物，同时磷是水体富营养化的主要元素之一。
（７）有机农药有机农药有两大类，即有机氯农药与有机磷农药。
有机氯农药毒性极大且难分解，会在自然界不断积累，造成二次污染，故我国于７０年代起，禁止生产与使用。
现在普遍采用的有机磷农药，约占农药总量的８０％以上，毒性大，属于难生物降解的有机物，并对微生物有毒害与抑制作用。
２．２．３污水的生物性质及指标污水中的有机物是微生物的食物，污水中的微生物以细菌与病菌为主。
污水生物性质的检测指标有大肠菌群数（或称大肠菌群值）、大肠菌群指数、病毒及细菌总数。
（１）大肠菌群数（大肠菌群值）与大肠菌群指数
大肠菌群数（大肠菌群值）是每升水样中所含有的大肠菌群的
数目，以个／Ｌ计：
大肠菌与病原菌都存在于人类肠道系统中，水中存在大肠菌，就表明受到了粪便的污染，并可能存在病原菌。
（２）病毒污水中已检查出的病毒有１００多种。
检出大肠菌群，可以表明肠
道病原菌的存在，但不能表明是否存在病毒及其他病原菌（如炭疽
杆菌）。
（３）细菌总数细菌总数是大肠菌群数、病原菌、病毒及其他细菌的总和，以每毫升水样中的细菌菌落总数表示。
２．３城市污水处理工艺
城市污水处理可按处理程度划分为预处理、一级处理、二级处理、深度处理和污泥处理及处置。
预处理：
粗格栅、细格栅、沉砂池：
一绒处理：
初沉池；二级处理：
生物滤池、曝气池礼二沉池：
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深度处理：
通用的工艺有混凝沉淀和过滤。
主要目的是为了满足高标准受纳水体要求或会用于工业等特殊用途，它是城市污水处理未束发展的方向：
污泥处理：
主要包括浓缩、消化、脱水、堆肥或卫生填埋…１；
本次污水厂改造主要实在初沉池和曝气池之间加入了缺氧变速生物滤池，改造之后的工艺流程主要包括粗格栅、沉砂池、细格栅、初沉池、生物滤池、提升泵房、曝气池、二沉池，如图２．２。
田２．２辗市污水娃理褫程
Ｆｌｌ２．２
Ｆｌｏｗ５ｈｅｅｔ吖ＭｕⅡｌｃｌｐａｌＷａｓｔｅｗｑｔｅｒＴｒｅ４ｔｍｅｎｔＰｒｏｃｅｓｓ
除去上面几个环节以外，城市污水处理厂还有重力浓缩池、储泥池、污泥脱水车间等环节，主要用于对污泥的处理…。
（１）格栅
格栅由一组平行的金属栅条或筛网制成，安装在污水渠道、泵
房集水井的进口或污水处理厂的端部，用以截留较大的悬浮物或漂
流物，如纤维、碎皮、毛发、木屑、果皮、蔬菜、塑料制品等，以便减轻续后处理构筑物的处理负荷．并使之正常运行。
城南污水厂有两个粗格栅、两个细格栅，主要用来清除污水中的大块杂物，考虑到污水厂工作人员的工作习惯、和工艺要求，自控方式采用了三种控制：
液位差控制、栅前液位控制、时州控制。
具体控制方式由工作人员来选择。
（２）沉砂池
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沉砂池的功能是去除比重较大的无机颗粒（如泥砂，煤渣等，他们的相对密度约为２．６５）。
沉砂池一般设于泵站、倒虹管前，以减轻无机颗粒对水泵、管道的磨损；也可设于初次沉淀池前，以减轻沉淀池负荷及改善污泥处理构筑物的处理条件。
其处理效果将直接影响污水处理设施的运行寿命和维修费用。
城南污水厂采用钟式沉砂池。
它利用机械力控制水流流态与流速，加速沙粒的沉淀，并使有机物被水流带走的圆形沉砂装置。
这种沉砂池除砂效率９５％（沙粒ｄ＝Ｏ．２９７ｍｍ），有机物分离率一般为
５０％～７０％。
（３）初沉池
初次沉淀池是一级污水处理厂的主体处理构筑物，或作为二级污水处理厂的预处理构筑物设在生物处理构筑物的前面。
处理的对象是悬浮物质（英文缩写ｓＳ，约可去除４０％～５５％以上），同时可
去除部分ＢＯＤ５（五天生物需氧量），可改善生物处理构筑物的运行条
件并降低其ＢＯＤ５负荷。
污水经过初次沉淀处理后，基本可以达到国家规定的城市污水
直接排入ⅡＩ级水体标准。
它利用固体或液滴与它们在其中悬浮的液体
之间的密度差，来分离污水中的脂肪、油、纤维和其它密度低的固体，然后通过潜污泵把浮渣打到集泥井，使比重大的“颗粒一汽泡”
复合体沉淀到池底，通过刮泥机排到排泥廊道，再通过气动隔膜泵
打到集泥井。
刮泥桥的控制采用时间控制和泥位控制。
（４）厌氧，缺氧生物滤池厌氧，缺氧生物滤池是一种内部装有滤料的厌氧／缺氧生物反应
器。
厌氧微生物以生物膜的形态生长在滤料表面，污水淹没地通过滤料，在生物膜的吸附作用与代谢作用和滤料截留的共同作用下，
污水中的有机污染物得以分解和去除。
滤料是生物滤池的主要部分，常用的有碎石、卵石、焦炭、和
各种形式的塑料式滤料。
当一种载体（填料或滤科）浸没于有机污
水中。
在污水流动的前提下，其载体表面就会附着生长一些微生物，
微生物不断繁殖而会在载体表面最终形成一层薄膜状的微生物群
体，称其为微生物膜。
微生物的生长必须有为其提供新陈代谢的营养物质，这些营养物质主要来源于污水中的有机物。
厌氧生物滤池运行时，其工作过程为：
有机污（废＞水进入滤泣
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后连续通过附着生长有厌氧微生物膜的载体，污（废）水中的有机物扩散到厌氧微生物膜的表面，并被微生物膜中的微生物吸收，在缺氧的条件下通过新陈代谢将有机物转化为生物气，净化后的出水通过排水设施排出池体…。
（５）曝气池及二沉池
曝气池是活性污泥反应器，是活性污泥系统的核心设备，活性污泥系统的净化效果，在很大程度上取决于曝气池的功能是否能够『Ｆ常发挥。
污水进入曝气池后，在鼓风曝气提供氧气的条件下，污水得到足够的溶解氧并使活性污泥和污水充分接触。
活性污泥是由细菌类、真菌类、原生动物、后生动物等异种群体所组成的混和培
养体，当污水和活性污泥充分接触后，附着在活性污泥上的这些微
生物在有氧的条件下，消耗污水中的有机物，达到去除污水中有机物的目的，使污水净化。
二次沉淀池是活性污泥系统重要的组成部分，它的作用是泥水分离，使混和液澄清，浓缩和回流活性污泥。
其工作效果能够直接影响到活性污泥系统的出水水质和回流污泥的
浓度。
曝气池中的主要设备是曝气机，曝气机的作用主要是向污水中
冲氧。
污水中溶解氧的浓度直接影响到微生物的生长和污水的处理
效果。
溶解氧浓度过高，则引起污泥膨胀，而其浓度过低时，微生
物的处理效果又达不到要求。
所以要合理的控制曝气机，使污水中溶解氧的浓度保持在一个允许的范围内。
而人工控制往往达不到这个要求，所以要引入自控系统，对于水质的监测则要引入一些在线的监测仪表。
（６）污泥处理在污水处理过程中，产生大量污泥，污泥的处理主要在重力浓
缩池、储泥池、污泥脱水车间完成。
污泥中含有大量的有害物质，因此污泥需要及时的处理与处置。
污泥最终处置方法包括作为肥料
施用于农用、森林、草地或沙漠改良；填地或投海；作为能源和建
材；焚烧等。
对于污泥处理过程，主要包括污泥的传送，和污泥的
脱水。
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第３章控制系统电气设计
电气设计主要是对全厂进行配电线路的铺设以及一次设备配电、电气控制的设计。
本课题对厂区原有污水处理工艺进行改造，增设缺氧变速生物滤池，并对全厂可控设备工况进行自动控制。
本课题根据污水处理工艺的要求构建电气控制系统，包括控制系统的方案设计、各控制箱（屏）的原理设计以及与之配套的电气线路设计。
而厂区的变配电系统及厂区照明不在本设计范围之内。
３．１电气布局
污水厂平面图如图３．１，其中机械格栅、初沉池、曝气池为原有的处理工艺，本次增加了生物滤池部分。
考虑污水处理厂原有处理部分和新增部分一次设备的数量及污水厂原有的配电线路、电力电
缆沟以及工艺段的地理位置，将整个污水厂的控制划分为两个控制室，其中控制室１位于原来控制室，在滤池泵房新建控制室２（泵房
内）。
圈３．１污水厂电气布局
Ｆｉ９３．１ｔ
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