PLC在城市污水处理系统中的应用.docx

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PLC在城市污水处理系统中的应用

摘要

随着城市化进程的不断扩大，城市污水已成为当今世界的头号生态杀手，如何对其进行有效的控制已成为我们的当务之急，本文利用PLC技术的强大逻辑功能，通过完善的软件与硬件相结合，介绍了一种由PLC控制的城市污水处理系统，详细的叙述了该方案如何用西门子S7系列PLC实现对污水自动处理的过程，增强对环境风险的防范和控制能力。

关键词：

PLC传感器污水处理

目录

摘要

前言

第一章城市污水处理方法概述....................4

1.1物理法.................................4

1.2生物法.................................5

1.3化学法.................................6

第二章系统简介及方案论证.....................6

2.1一级处理系统..........................7

2.2二级处理系统...........................8

2.3三级处理系统............................8

第三章系统设计...................................9

3.1本系统中可编程序控制器的选取............9

3.2传感器的选型..............................10

3.3软件系统设计.............................10

结束语.............................................11

参考文献..................................12

附页1..........................................13

附页2..........................................17

前言

2010年3月25日，云南昆明，干渴的昆明再次遭遇饮水危机，水质污染堪忧。

昆明机场跑道因干旱而沉降破裂，地下水水位下降明显，城市菜品价格飞涨，导致城市居民的生活成本也随之增加……水环境治理和水资源再生利用工程的建设刻不容缓。

全国城镇每天至少有1亿吨污水未经处理直接排入水体。

全国七大水系中一半以上河段水质受到污染，全国1/3的水体不适于鱼类生存，1/4的水体不适于灌溉，90%的城市水域污染严重，50%的城镇水源不符合饮用水标准，40%的水源已不能饮用，南方城市总缺水量的60%—70%是由于水源污染造成的。

城市污水主要包括生活污水、工业污水、合流制污水以及城市融雪和雨水，总之是一种混合污水。

由城市排水系统汇集输送到污水处理厂进行处理。

近年来，我国城市污水处理能力提高很快，但由于我国污水处理行业起步晚，目前还有相当一批城市没有污水处理厂。

同时，在污水处理设施的建设和运行方面存在一些问题：

管网收集系统建设滞后，污水处理设施难以充分发挥效益;部分污水处理厂超标准建设;运行管理政企不分，效率低下;污水处理设备的开发研究起步较晚，发展相对滞后……已经成为城市污水处理事业发展的制约因素。

本文采用PLC自动化控制系统，从而可以克服以前人工控制精度低、运行操作烦琐、误操作可能性大等缺点。

西门子S7—200的实现用于污水处理具有一定的先进性，达到了污水的零排放，大大提高了水的利用率，减轻了劳动强度，提高了整体效益。

这样可以更加节省人力物力，便于集中管理。

第一章城市污水处理方法概述

城市污水是排入城镇污水系统的污水的统称。

城市污水处理工艺一般根据城市污水的利用或排放去向并考虑水体的自然净化能力，确定污水的处理程度及相应的处理工艺。

处理后的污水，无论用于工业、农业或是回灌补充地下水，都必须符合国家颁发的有关水质标准。

若污水直接排入自然河流，污水中的总氮、氨氮、阴离子表面活性剂等有机污染物以及种类繁多的各类重金属会污染河流，照成水资源的严重破坏。

为了分离出污水中各污染物质，或将其转化为无害物质，人们采用了多种办法，污水处理方法应针对污染物的不同特点，可选用不同处理方法，这些方法按作用原理分为物理法、生物法和化学法，污水中的污染物组成非常复杂，常常需要以上几种方法组合，才能达到处理要求。

1.1物理法

通过物理作用分离污水中不溶解的悬浮固体和漂浮物质（包括油膜和油珠）的污水处理法，可分为重力分离法、离心分离法和筛滤截留法等。

①筛滤截留法有栅筛截留和过滤两种处理单元，前者使用的处理设备是格栅、筛网，处理污水中的大型物体,如塑料袋,瓶子等；而后者使用的是砂滤池和微孔滤机等进一步物理过滤掉细小物质。

②离心分离法本身就是一种处理单元，使用的处理装置有离心分离机和水旋分离器等，主要是为了将悬浮液中的固体颗粒与液体分开，或将乳浊液中两种密度不同，又互不相溶的液体分开。

。

重力分离法的处理单元有：

沉淀、上浮（气浮）等，相应使用的处理设备是沉砂池、沉淀池、隔油池、气浮池及其附属装置等。

目的是去除污水中裹携的砂、石与大块颗粒物，以减少它们在后续构筑物中的沉降，防止造成设施淤砂，影响功效，造成磨损堵塞，影响管线设备的正常运行。

1.2生物法

生物法即通过微生物的代谢作用进行物质转化，使废水中呈溶液、胶体以及微细悬浮状态的有机污染物，氧化化解为稳定、无害的简单物质的废水处理方法。

根据作用微生物的不同，生物处理法又可分为需氧生物处理和厌氧生物处理两种类型。

1.废水生物处理广泛使用的是需氧生物处理法，按传统，需氧生物处理法又分为活性污泥法和生物膜法两类。

（1）活性污泥是微生物群体及它们所吸附的有机物质和无机物质的总称。

活性污泥法就是利用悬浮在水中的活性污泥，在微生物生长有利的环境下和污水充分接触，对废水中的有机物、营养元素（N、P）和某些无机毒物产生吸附、氧化分解而使废水得到净化的方法。

作用过程如下：

1）吸附阶段

主要是废水中的污染物由于活性污泥的吸附作用被转移到活性污泥中从而被去除，这一阶段时间很短，一般10~45min即可完成。

2）氧化阶段

在有氧的条件下，微生物将前一阶段所吸附的污染物氧化分解以获得能量或合成细胞质。

从水处理的角度看，无论氧化分解还是合成都能从水中去除污染物，这一阶段进行缓慢，一般需要4~6h。

3）絮凝沉淀阶段

氧化阶段合成的菌体、有机体絮凝形成絮凝体，通过重力沉淀从水中分离出来，使水净化。

（2）生物膜是一种为参与污染物净化的微生物、原生动物、小型浮游动物等提供附着生长条件的设施。

它是在固定支架上设置生物填料，使大量参与污染物净化的生物在此生长，可强化水体的净化能力，有利于加强对污染物的降解作用。

其反应过程是：

基质向生物膜表面扩散；在生物膜内部扩散；微生物分泌的酵素与催化剂发生化学反应；代谢生成物排出生物膜。

属于生物膜法的处理设备有生物滤池、生物转盘、生物接触氧化池以及最近发展起来的生物流化床等。

生物氧化塘法又称自然生物处理法。

2.厌氧生物处理法，又名生物还原处理法，主要用于处理高浓度有机废水和污泥。

使用的处理设备主要为消化池。

处理方法是利用兼性厌氧菌和专性厌氧菌来降解有机物的，大分子的有机物首先被水解成小分子化合物，然后被转化成甲烷和二氧化碳等。

1.3化学法

通过化学反应和传质作用来分离、去除废水中呈溶解、胶体状态的污染物或将其转化为无害物质的废水处理法。

具体有混凝法、中和法、化学沉淀法、氧化还原法和电渗析法。

现代污水处理技术，按处理程度划分，可分为一级、二级和三级处理工艺。

污水一级处理应用物理方法。

污水二级处理主要是应用生物处理方法。

污水三级处理是在一、二级处理的基础上，应用混凝、过滤、离子交换、反渗透等物理、化学方法去除污水中难溶解的有机物、磷、氮等营养性物质。

污水一级处理为预处理，二级处理为主体，处理后的污水一般能达到排放标准。

三级处理为深度处理，出水水质较好，甚至能达到饮用水质标准，但处理费用高。

废水中的污染物是多种多样的，不可能只使用一种处理方法就把所有的污染物除尽，往往需要通过由几种方法和几个处理单元组成的处理系统处理后，才能达到要求。

第二章工艺流程及主要控制

该污水处理系统处理工艺流程如图1所示

图1：

污水处理系统处理工艺流程图

污水厂自动控制系统中，现场PLC控制类型主要有两种顺序逻辑控制和反馈控制。

反馈控制需要在一定的温度、压力、流量、液位等工艺条件下进行。

为了节约成本，本论文使用成本较低的顺序逻辑控制。

污水净化过程中要用到大量的泵机、阀门及污水净化专用机械设备，它们根据规定的时间周期、相互之间的状态逻辑关系等进行开/闭控制。

流程图见附页2。

2.1一级处理系统（物理法）

主要是初级沉淀池，目的是将污水中悬浮物尽可能地沉降去除，一般初次沉淀池可去除50%左右的悬浮物和25%左右的BOD5。

1.粗细格栅程控系统

打开进水阀SV1在粗细格栅处设置超声波液位传感器SQ1，通过对格栅前堵塞物高低的检测，判断格栅是否堵塞，但当超过一定时限后转由时间控制，PLC按时间间隔，自动控制机械格栅电动机KM1转动除渣，将栅渣通过带式输送机KM2运走，因此带式输送机要与机械格栅联动。

起动顺序为：

带式输送机→机械格栅，关机顺序为：

机械格栅5S后复位KM3→带式输送机20S后关闭。

2.污水提升泵房程控系统

　　污水提升泵房有3台潜污提升泵，前两台是恒速泵，第三台备用（可手动启用）。

所有提升泵均可现场手动控制，也可以通过PLC远程单动控制或自动控制。

在提升泵自动状况下，根据相应的超声波液位计SQ2通过PLC自动控制提升泵KM4的运行。

3.旋流沉砂池系统

旋流沉砂池按超声波液位计SQ3排砂，砂水分离器KM5与沉砂池排砂KM6联动工作，砂水分离器延时停机。

起动顺序为：

砂水分离器5S→启动开始提砂，关机10S顺序相反。

2.2二级处理系统（物理与生物法）

1.主要是由初沉淀、氧化沟和二次沉淀池构成

先将旋流沉砂池的分离的污水SV2放入初沉淀，一段时间后SV3输入氧化沟,污泥SV7进入脱水机房。

利用风机KM7向氧化沟内供氧,主要目的促进微生物的新陈代谢将污水中的大部分污染物变成CO2和H2O，这也就是好氧技术。

氧化沟内微生物在反应过后SV4与水一起源源不断地流入二次沉淀池，沉淀后微生物沉在池底，部分污泥通过管道和泵回SV5送到氧化沟前端与新流入的污水混合，剩余污泥则回到初沉池；二次沉淀池上面澄清的处理水则源源不断地SV6流入消毒渠。

2.脱水机房的设备

主要担负将初沉淀和二沉淀的剩余污泥与污泥絮凝剂按比例混合进行脱水处理的任务。

污泥与溶解成一定浓度的絮凝剂KM8混合后，污泥中的固体颗粒被凝聚成絮团，并分离出自由水，然后打开KM9离心污泥脱水机，经浓缩脱水一体机的离心脱水后形成滤饼KM10排出。

2.3三级处理系统（化学法）

在消毒渠中加入ClO2，进行消毒，流进排水渠。

二氧化氯杀菌机制主要是二氧化氯分子渗入细胞内，将核酸（DNA或RNA）氧化，以快速抑制微生物蛋白质的合成来破坏微生物的生存的。

第三章系统设计

3.1本系统中可编程序控制器的选取

PLC是本控制系统硬件配置的关键因素。

不同的厂家的PLC产品虽然基本功能相似，但有些特殊功能、价格、服务及使用的编程指令和编程软件都不相同，且不同系列、不同型号的产品在功能上有较大的差别。

因此为本系统选择适合的PLC至关重要。

3.1.1PLC的选型

根据性价比的选择，被控对象的I/0点数以及工艺要求、扫描速度、自诊断功能等方面的考虑，本设计采用SIEMENS公司的S7-200系列PLC。

S7-200系列PLC功能强、速度快、扩展灵活。

具有极高的可靠性、极丰富的指令集、易于掌握、操作便捷、内置丰富的集成功能、紧凑的结构、实时特性，良好的通信能力，丰富的扩展模块。

可以根据对象的不同，可以选用不同的型号和不同数量的模块。

并可以将这些模块安装在同一机架上。

3.1.2I/O点数估算

I/O点数是PLC的一项重要指标。

合理选择I/O点数既可使系统满足控制要求有可使系统总投资最低。

一般一个输入输出元件要占用一个输入输出点。

考虑到今后的扩充，一般应估计的总点数再加上15%～20%的备用量。

本设计所占用的I/O点数计算：

输入信号：

开始按钮，需要一个输入点；停止按钮，需要一个输入点；急停按钮，需要一个输入点；四个超声波液位传感器，需4个输入点。

以上共需要7个输入信号点，考虑以后对系统的调整与扩充留有20%的备用点，即用7×20%=1.2，取2个点，这样共用9个输入点。

输出信号：

一共要用七个电磁阀，需要使用7个输出点；十二个交流接触器，需12个输出点：

以上共需要19个输出点考虑以后对系统的调整与扩充留有20%的备用点，即19×20%=3.8，这样共用23个输出点。

3.1.3CPU模块

S7-200的CPU模块包括一个中央处理单元、电源以及数字I/O点，这些都被集成在一个紧凑、独立的设备中。

它具有多种不同结构配置的CPU单元。

经过分析后，决定使用CPU226，它有24输入/16输出，I/0共计40点。

当CPU的I/0点数不够用或需要进行特殊功能的控制时，就要进行I/O扩展。

选用开关量I/O扩展模块EM223（24VDC8输入/8继电器输出）。

其PLC接线图见附页1。

3.2传感器的选型

由于使用的传感器是用在污水处理系统中，所以其耐腐、防水、寿命都必须经得起考验。

所以本文使用美国邦纳公司的Q45ULIU64ACR超声波开关。

其可在100MM到3000MM检测距离间进行窗口设定，相应速度快，简单易用，PBT热塑聚酯外壳，透明丙烯酸顶盖，带不锈钢附件，抗1200psi水压冲击。

3.3软件系统设计

具体程序见附页3

结束语

我们自中学地理就学习“西南地区河流众多，常年雨量丰沛，水资源总量排在全国之首”。

想想不可思议——今年西南会大旱。

我们生活在鱼米之乡中，不要觉得灾害离得很远，其实身边正在悄然发生改变。

李冰的都江堰已经滋润了天府之国两千余年，这次不也没帮上忙。

编写此文的过程中，我充分认识到水资源治理的重要性，日趋加剧的水污染，已对人类的生存安全构成重大威胁，成为人类健康、经济和社会可持续发展的重大障碍。

在高科技高速发展的今天，我们还要继续学习和更新所学的科学技术，从而掌握更多、更新、更先进的污水处理技术，以达到更快更准确的掌握污水自动处理中的问题，让污水处理能够迅速发展，这样才能更好的保护水环境，发展社会。

参考文献

1.《城市中小型污水处理厂的建设与管理》[M]化学工业出版社,冯生华编,2001年1月,367~383.

2.《西门子S7-200工程应用实例分析》电子工业出版社.程玉华主编

3.《可编程控制器原理及应用》中国电力出版社.郁汉琪主编.

4.《传感器与传感器技术》第二版.科学出版社，何道清、张禾编著

附页1:

PLC接线图

附页2：

流程图

附页3:

控制程序