基于PLC的工业污水处理控制系统的设计.docx
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基于PLC的工业污水处理控制系统的设计
基于PLC的工业污水处理控制系统的设计
课题名称：
PLC在工业污水处理控制系统
系部：
___机电系____________
班级：
___机电一班________
姓名：
__张宇_____________
指导教师：
___李老师__________
基于PLC的工业污水处理控制系统的设计
摘要
目前，我国大多数污水处理控制系统自动化水平不高、安全性低、管理不当，效率普遍低于世界标准。
污水处理系统中的曝气过程控制、数据通讯和监控管理是急需解决的主要问题。
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。
本文介绍了工厂污水处理的基本工艺和流程，并通过研究设计一套基于PLC控制的污水处理系统。
文章首先介绍了基于PLC污水处理控制系统的工艺及相关流程，控制系统硬件结构及设计、工作原理以及设计PLC控制系统的基本原则和步骤，来说明PLC在污水处理过程中的应用。
先根据污水处理要求设计了设备的电器控制与自动控制线路，主要包括设备的启停、状态信号故障信号、和信号采集等，最后按照工艺要求设计PLC控制系统，其中包括PLC的选型、系统资源配置以及按照污水处理工艺编制PLC程序。
关键词：
污水处理，PLC，工艺流程
目录
第一章绪论4
1.1工业污水处理的国内外现状5
1.2课题的背景5
1.3PLC的发展趋势6
第二章工业污水处理控制系统总体介绍7
2.1工业污水处理基本概念7
2.2常用的工业污水处理工艺10
2.3本设计系统工业污水处理工艺及描述............................10
2.4工业污水处理系统控制形式11
2.5工业污水处理系统的功能要求12
第三章污水处理控制系统的PLC选型和资源配置10
3.1控制系统构成图13
3.2远程I/O框架配置图..........................................15
3.3模块功能概述................................................15
第四章污水处理控制系统流程图15
4.1编程软件....................................................16
4.2流程图......................................................17
4.3I/O对应的内部寄存器地址....................................18
第五章污水处理控制系统的PLC程序.................................19
5.1系统外部接线图..............................................19
5.2程序流程图..................................................20
5.3梯形图如图..................................................23
5.4程序仿真图及系统说明..........................................26
第六章设计小结.....................................................27
参考文献29
致谢30
第一章绪论
水与人的生活息息相关，特别在现代社会生活及生产中人们对水的需求量与日俱增。
然而，水资源是有限的。
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。
淡水资源的短缺己经成为我国急需解决的问题。
我国淡水资源不断减少，而且污染现象较为严重。
随着社会的发展，水资源已经成为影响工业发展的重要因素，现代工业中生产工艺和设备对水质要求越来越高。
但是我国工业用水耗费高，重复利用水少，中水使用率不高，有关资料显示，我国的工业用水重复利用率平均为40%~50%。
目前全国城市污废水的处理率（达排放标准的）仅有10%左右，其余的污废水都直接排入河川、湖泊、海洋。
耗水量高、重复利用率低、污染严重是我国工业系统水资源利用的突出问题。
严重的环境污染使有限的水资源日益减少、水质日益恶化，无疑是“雪上加霜”。
据统计，由于水质污染，我国已有大约3亿人的饮水发生不安全现象，其中1.9亿人的饮水是超标水。
气象学家预测，2100年全球变暖加剧，地表将有1/3的面积变为沙漠，那时，干旱将威胁全球一半的大陆人类的生存。
这些现象都是水污染产生的严重后果，因此工业污水处理项目的实施已经刻不容缓。
众多迹象表面，水资源的短缺无疑将成为制约经济持续协调发展的瓶颈，因此世界各国越来越重视水处理和水的再利用，通过各种技术进一步提高供水质量，提高经济效益。
并且工业污水处理过程中，经过厌氧和好氧处理，污水中的热量、沼气等再生能源可以为工业生产提供二次能源，真正实现变废为宝、循环经济的目的。
随着环境保护的呼声越来越高，工业污水处理已经体现出其必要性和紧迫性，对于各种污水进行处理后排放成为各企业基本的要求。
在工厂的工业污水处理过程中，污水来源的不稳定以及工厂中各种污水的成分的复杂性，对工业污水处理的工艺和控制方式提出了非常高的要求。
1.1工业污水处理的国内外现状
我国工业污水处理技术从“七五”国家科技攻关开始逐步进行研究。
“七五”和“八五”攻关项目在氧化塘、土地处理和复合生态系统等自然处理技术方面的研究较多，以这些成果为设计依据，建立了一些氧化塘、土地处理等污水示范工程。
在人工处理技术方面，“八五”对高负荷活性污泥、高负荷生物膜、一体化氧化沟技术进行了深入研究。
研究成果己被应用于大批工业污水处理厂。
污水厂污泥处置问题在“九五”科技攻关中受到重视，并配套开发成套的污泥处理。
经过“七五”、“八五”和“九五”期间的努力，我国在工业污水处理技术方面取得了较大的成就。
目前在水污染治理技术上，我国已能提供下列工艺技术传统活性污泥法技术、各种新型活性污泥工艺如：
SBR法和氧化沟技术等、酸化水解好氧技术和多种类型的稳定塘技术等，这些污水治理技术已经在水体污染、改善水体环境方面发挥了突出的作用，标志着我国工业污水处理事业发展到了一个崭新的阶段。
现阶段，我国工业污水处理的工作重点已经从工艺技术的研究转移到具体项目的实施。
国际上，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。
工业污水处理设施中，城市排水管线和工业污水处理厂的兴建和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余座城市工业污水处理厂，英国、法国、德国更耗费了巨额资金兴建了7000至8000座城市工业污水处理厂。
这些工业污水处理厂的投入对国家的水体污染改善起了关键的作用，也为人类治理水污染积累了丰富的经验。
现在，这些国家的工业污水处理水平又有了进一步提高，兴建了一批具有脱氮除磷功效的设施，对水体质量改善和水环境保护起了重大的作用。
1.2课题的背景
未来10年，中国工业污水处理项目工程建设投资将超过2500亿元，其中工业污水处理设备投入约300亿元。
采用先进、实用的技术改造传统工艺，在环保工程中广泛采用先进的自动控制技术，是推动环保产业升级，实现环保发展战略的重要环节。
在这种形势下工业污水处理自动化控制系统无疑是一个具有巨大的社会效益、环境效益及经济效益的研究课题。
对于环境保护问题，国务院明确规定所有工业污染源都必须达到排放标。
其中处理过的污水还可以循环再利用，由于我国是一个水资源匮乏的国家，而且时空分布上极不均匀，许多地区和城市严重缺水。
所以水资源也是一种保护。
因此，从环保、注水等多方面的因素考虑，对于工业污水处理非常有必要。
因此，有效的结合目前最新的工艺状况、计量自控检测仪表使用、PLC控制系统技术，将为当前工业污水处理控制系统提供有效的自控方法。
1.3PLC的发展趋势
PLC具有可靠性高、使用方便、编程简单、体积小、重量轻等特点。
目前，全世界PLC生产厂家约为200家，生产300多个品种。
作为控制装置，它在许多工业领域都得到广泛的应用。
随着微处理器技术和现代通信技术的发展，PLC也得到了迅速发展，其技术和产品日趋完善。
PLC的主要发展趋势主要表现在以下几个方面。
（1）高速度、高I/O容量、功能强大
随着CPU处理速度的提高，PLC程序执行的速度也越来越快；大规模和超大规模集成电路的发展，相应地使I/O的容量也得到增加；智能模块的增加，使PLC能够实现的功能越来越多。
（2）强大的PLC联网能力
随着人们对工业自动化的要求越来越高，人们已经不再满足对几个设备、几条生产线的PLC控制，而是要求实现对全工厂的自动化，所以提高PLC控制系统的网络功能成为PLC的发展趋势。
以后人们不仅能通过通信模块进行PLC与PLC、PLC与上位机之间的连接，还能通过拨号或者无线的方式使PLC联网。
（3）编程软件多样化
PLC的梯形图语言、助记符语言和功能模块语言虽然使用方便，而且也能很好地实现控制要求，但是在处理一些高级功能（BASIC、C、FORTRAN等）、图形语言、汇编语言兼容。
这样不仅可以通过梯形图语言、助记符语言和功能模块语言来编写程序，也可以通过高级语言来编程。
第二章工业污水处理控制系统总体介绍
2.1工业污水处理基本概念
城市污水、生活污水、生产污水或经过工业企业局部处理后的生产污水，往往都排入排水系统。
这些污水除含有碳水化合物、蛋白质、氨基酸、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。
经处理后的污水，最后出路有三种：
排放水体；
灌溉田地；
重复使用。
污水污染物可根据化学性质和物理形态进行不同的分类。
按化学性质，污水中的污染物质可分为无机性物质和有机性物质，其化学元素以炭、氮、磷为主。
按物理形态，污水中的污染物质可分为固体悬浮物即呈颗粒状的污染物质、胶体污染物质和溶解性污染物质。
好氧有机污染物的性质稳定，在微生物的作用下，借助微生物的新陈代谢功能而降解为无机物，如二氧化碳、水、硝酸根离子等稳定的无机物。
有机物的种类很多，其共性是在微生物的作用下被降解时，都要消耗水中的溶解氧，所以在工程实际中，采用以下的几个综合污染指标来表述：
生物化学需氧量或生化需氧量（Bio-chemicalOxygenDemand,BOD）mg/L、化学需氧量（ChemicalOxygenDemand,COD）mg/L、总有机碳（TotalOrganicCarbon）mg/L、总需氧量（TotalOxygenDemand）mg/L。
虽然BOD20。
能较精确地描述污水的生化需氧量，但其测定的时间太长，需20天。
考虑到好氧分解速率一般在开始的几天最快，在20℃温度下，污水五日生化需氧量（BOD5），约占BOD20的70%～80%，因此把BOD5作为衡量污染水的有机物浓度指标。
化学需氧量（COD）的特点是能够精确的表示污水中有机物的含量，并且测定时间短，但它不能像BOD那样表示出微生物氧化的有机物量。
2.2常用的工业污水处理工艺
不同的工业污水处理对象，不同的工业污水处理环境，将需要有不同的工业污水处理工艺来处理。
因此，在选择工业污水处理工艺的时候必需要认真考虑当地污水的情况，以及实际的工业污水处理的环境。
工业污水处理的方法主要有物理、化学、物理化学，以及生物等几种。
这些方法根据实际情况，可以单一使用，也可以针对不同的污水混合使用。
目前，工业污水处理的方法一般以生物处理法为主，辅以物理处理法和化学处理法。
常用的工业污水处理工艺有以下几种。
（1）传统活性污泥法。
传统活性污泥处理法是一种最古老的工业污水处理工艺，其工业污水处理的关键组成部分为沼气池与沉淀池，主要处理部分关系框图如图2-1所示。
图2-1传统活性污泥法工艺流程图
污水中的有机物在曝气池停留的过程中，曝气池中的微生物吸附污水中的大部分有机物，并且在曝气池中被氧化成无机物，然后在沉淀池中经过沉淀后的部分活性泥需要回流到曝气池中。
该工艺的优点有：
有机物去除率高，污泥负荷高，池的容积小，耗电省，运行成本低。
该工艺的缺点有：
普通曝气池占地多，建设投资大，满足国家标准相关指标范围小、易产生污泥膨胀现象，磷和氮的去除率低。
（2）A/O法。
A/O法是在传统活性污泥法的基础上发展起来的一种工业污水处理工艺，其中A代表Anoxic（缺氧的），O代表Oxic（好氧的）。
A/O法是一种缺氧----好氧生物工业污水处理工艺。
该工艺通过增加好氧池与缺氧池所形成的硝化----反硝化反应系统，很好的处理了污水中的氮含量，具有明显的脱氮效果。
但是此硝化----反硝化反应系统需要得到很好的控制，这样就对该工艺提出了更高的管理要求，这也成为了该工艺的一大缺点。
其工艺流程图如下：
图2-2A/O法工艺流程图
（3）A2/O法。
A2/O法也是在传统活性污泥法的基础上发展起来的一种工业污水处理工艺，其中A2，即A-A，前一个A代表Anaerobic（厌氧的），后一个A代表Anoxic（缺氧的）；O代表（好氧的）。
A2/O是一种厌氧—缺氧—好氧工业污水处理工艺。
A2O法的除磷脱氮效果非常好，非常适合用于对除磷脱氮有要求的工业污水处理。
因此，在对除磷脱氮有特别要求的城市工业污水处理厂，一般首选A2/O工艺。
其工艺流程图如图2.3所示。
图2-3A2/O法工艺流程图
（4）A/B法。
A/B法是吸附生物降解法的简称，该工艺没有初沉淀，将曝气池分为高低负荷两段，并分别有独立的沉淀和污泥回流系统。
高负荷段停留时间约为20~40min，以生物絮凝吸附作用为主，同时发生不完全氧化反应，去除BOD达50%以上。
B段与常规活性污泥法相识，负荷较低。
AB法中A段效率很高，并有较强的缓冲能力。
B段起到出水把关作用，处理稳定性较好。
对于高浓度的工业污水处理，AB法具有很好的适用性，并有较高的节能效益。
尤其在采用污泥消化和沼气利用工艺时，优势最为明显。
但是，AB法污泥产量较大，A段污泥有机物含量极高，因此必须添加污泥后续稳定化处理，这样就将增加一定的投资和费用。
另外，由于A段去除了较多的BOD，造成了碳源不足，难以实现脱氮工艺的要求。
对于污水浓度低的场合，B段也比较困难，也难以发挥优势。
总体而言，AB法工艺较适合于污水浓度高，具有污泥消化等后续处理设施的大中规模的城市工业污水处理厂，且有明显的节能效果，而对于有脱氮要求的城市工业污水处理厂，一般不宜采用。
（5）SBR法。
SBR法是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工业污水处理技术，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尽相同。
SBR法与传统的水处理工艺的最大区别在于它是以时间顺序来分割流程各单元，以时间分割操作代替空间分割操作，非稳态生化反应代替生化反应，静置理想沉淀代替动态沉淀等。
整个过程对于单个操作单元而言是间歇进行的，但是通过多个单元组合调度后又是连续的，在运行上实现了有序和间歇操作相结合。
2.3本设计系统工业污水处理工艺及描述：
本工业污水处理工艺流程图
图2-4工艺流程图
污水由进水系统通过粗格栅和清污机进行初步排除大块杂质物体，到达除砂池中。
在除砂池系统中细格栅和转鼓清污机进一步净化污水中的细小颗粒物体，将污水中的细小沙粒滤除后进入氧化沟反应池。
在该氧化沟系统中进行生化处理，分解污水中的有害物质，此环节用到一些化学药剂来加强处理效果，如复合碱、氯气、油絮凝剂等。
对污水进行除油、消毒、调整PH值。
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。
潜水搅拌机的作用是推进水流，使氧化沟的污水和活性污泥处于剧烈搅拌充分混合接触，使生化反应更加充分，以最大程度地分解污水中的有害成分。
经处理的污水进入沉淀池中，在刮泥机的作用下进行物理沉淀，为了加强沉淀效果，同时加入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。
污水经沉淀池处理最后到达脱水环节，离心式脱水机作用下进行脱水处理后排出清水。
2.4工业污水处理系统控制形式
早期的控制系统多采用继电器——接触器控制系统，但随着电子技术的飞速发展，控制要求的不断提高，该类控制方法已不能满足现代工业污水处理系统的控制要求，因此已逐渐被淘汰，取而代之的是DCS、现场总线控制、PLC等控制方。
（1）DCS系统。
DCS是集散控制系统的简称，又称为分布式计算机控制系统，是由计算机技术、信号处理技术、测量控制技术、通信网络技术等相互渗透形成的。
由计算机和现场终端组成，通过网络将现场控制站、检测站和操作站、控制站等连接起来，完成分散控制和集中操作、管理的功能，主要是用于各类生产过程，可提高生产自动化水平和管理水平，其主要特点如下：
采用分级分布式控制，减少了系统的信息传输量，使系统应用程序比较简单。
实现了真正的分散控制，使系统的危险性分散，可靠性提高。
扩展能力较强。
软硬件资源丰富，可适应各种要求。
实时性好，响应快。
（2）现场总线控制系统。
现场总线控制系统是由DCS和PLC发展而来的，是基于现场总线的自动控制系统。
该系统按照公开、规范的通信协议在智能设备之间，以及智能设备与计算机之间进行数据传输和交换，从而实现控制与管理一体化的自动控制系统，其优点：
可以用计算机丰富的软件、硬件资源。
响应快，实时性好。
通信协议公开，不同产品可互连。
（3）PLC系统。
PLC是可编程逻辑控制器的简称，用它作为处理系统的控制器，实现控制系统的功能要求，也可利用计算机作为其上位机，通过网络连接PLC，对生产过程进行实时监控，其特点如下：
编程方便，开发周期短，维护容易。
通用性强，使用方便。
控制功能强。
模块化结构，扩展能力强。
2.5工业污水处理系统的功能要求
工业污水处理系统的主要功能是完成对城市污水的净化的作用，将城市中排除的污水通过该系统处理后，输出符合国家标准的水质。
长期以来，工业污水处理技术虽然经过了迅速发展，但仍滞后于城市发展的需要，工业污水处理率低、设备运转率低等极大地影响了城市发展。
为实现工业污水处理技术的简易、高效、低能耗的功能，并且实现自动化的控制过程，采用PLC作为核心控制器是个较好的方案。
PLC作为工业污水处理系统的控制系统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。
利用PLC作为控制器的工业污水处理系统主要涉及两个方面：
一是信号输入；二是控制输出信号。
2.5.1信号输入
工业污水处理系统信号输入检测方面主要涉及四类信号的监测，主要包括：
按钮的输入检测、液位差的输入检测、液位高低的输入检测，以及曝气池中含氧量的输入检测。
（1）按钮输入检测。
大多数为人工方式控制的输入检测，主要有自动按钮、手动按钮、格栅机启动按钮、清污机启动按钮、潜水泵启动按钮、潜水搅拌机启动按钮、污泥回流泵按钮、曝气机工频、变频按钮，以及变频加速减速按钮等。
（2）液位差输入检测。
检测粗细格栅两侧液位差，用来控制清污机的启动与停止。
（3）液位高低输入检测。
检测进水泵房和污泥回流泵房中液位的高低，用来控制潜水泵或污泥回流泵的启动和停止，以及投入运行的潜水泵的数量。
（4）含氧量输入检测。
以上三种都为数字量输入，该输入为模拟量输入。
曝气过程是工业污水处理系统中最重要的环节，为了保证微生物所需要的氧气，必须检测污水中的含氧量，并通过曝气机增加或减少其含氧量。
通过将溶解氧仪设置在适当位置上，将检测值反馈到PLC中，通过运算输出控制曝气机的转速信号。
当溶解氧值偏低时，降低了微生物分解的效果，延长了处理时间，严重时甚至导致处理失效，因此需要增加曝气机转速以增加供氧量；当溶解氧值偏高时，导致微生物过氧化，降低了其活性，也不利于处理，因此减小曝气机转速以减少供氧量，最终使污水中的溶解氧保持在一定的范围内。
2.5.2控制输出信号
信号输出部分主要包括两个方面：
一个是数字量输出，即各类设备的接触器；另外一个是模拟量输出，用来控制曝气机变频器。
（1）数字量输出。
控制各类设备的启动和停止，包括：
格栅机启停、清污机启停、潜水泵启停、潜水搅拌器启停、污泥回流泵等设备。
（2）模拟量输出通过PLC中PID运算后的数据，通过其功能模块输出控制信号，该控制信号输入到变频器的控制端子上，改变变频器的输出频率，从而控制曝气机的转速，最后达到控制污水中含氧量的要求。
第三章污水处理控制系统的PLC选型和资源配置
3.1控制系统构成图
（1）监控系统图
图3-1污水处理监控系统图
（2）主控PLC框架配置图
主控PLC框架配置图
图3-2主控PLC框架配置图
3.2远程I/O框架配置图
远程I/O框架配置图：
U-02RS
U-05T
Q100-Q117
U-05T
Q120-Q137
U-05T
Q140-Q157
图3-3远程I/O框架配置图
3.3模块功能概述
（1）U-01DM专门为华光SU-5/SU-6系列PLC而生产的数据通信模块，使用U-01DM就可以与其他PLC或上位计算机进行串行通信。
（2）U-55N数字量输入模块，输入点数为16点，主要用来将外部一些信号输入到PLC，如行程开关信号等。
（3）U-05T数字量输出模块，输出点数为16点，主要用来将控制信号输出到相应的器件，实现控制。
（4）U-01AD模拟量输入模块，用于将模拟量信号（电压、电流）变换成数字信号。
本模块具有4个通道，各通道将模拟输入信号分时变换成（0~4095）或（-4095~+4095）的数字信号，并逐个向CPU输出。
（5）U-02RM和U-02RS远程I/O模块，主控PLC利用U-02RM模块，采用串行通信的方式控制扩展I/O。
（6）U-DMY填空模块，它的外形尺寸和输入/输出模块一样。
第四章污水处理控制系统流程图
4.1编程软件
编程软件采用华光公司为其生产的PLC而设计的编程软件DirectSOFT2.3。
DirectSOFT2.3是ＷINDOＷS环境下的PLC编程软件，使用方便、简单、功能强大，利用它可进行程序设计、编程实现、编写注释说明文档、语法检查及与PLC进行通讯等。
4.2流程图
程序主要依据SBR法污水处理工艺（进水、反应、沉淀、排水）、根据各环节设备的运行状况进行编制。
具体一个SBR池、一个周期的流程图如图6所示。
而整个工程有4个SBR池，整个工程的进程时序图如图5所示。
程序主要有以下几种模式：
自动模式、手动模式、报警模式等。
（1）自动模式在这种模式下，PLC将运行已经设置好的程序和参数（适用于
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