基于PLC的污水净化处理系统.docx
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基于PLC的污水净化处理系统
2011年度本科生毕业论文（设计）
基于PLC的污水净化处理系统
——组态画面设计
院－系：
工学院-自动化系
专业：
电气工程及其自动化
年级：
学生姓名：
学号：
导师及职称：
2011年05月
2011AnnualGraduationThesis（Project）oftheCollegeUndergraduate
BasedonPLCsewagepurificationprocessingsystem
——Configurationscreendesign
Department:
Tech-automationsystem
Major:
ElectricalengineeringandautomationGrade:
The2007level
Student’sName:
StudentNo.:
Tutor:
May,2011
毕业论文（设计）原创性声明
本人所呈交的毕业论文（设计）是我在导师的指导下进行的研究工作及取得的研究成果。
据我所知，除文中已经注明引用的内容外，本论文（设计）不包含其他个人已经发表或撰写过的研究成果。
对本论文（设计）的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中作了明确说明并表示谢意。
作者签名：
日期：
毕业论文（设计）授权使用说明
本论文（设计）作者完全了解红河学院有关保留、使用毕业论文（设计）的规定，学校有权保留论文（设计）并向相关部门送交论文（设计）的电子版和纸质版。
有权将论文（设计）用于非赢利目的的少量复制并允许论文（设计）进入学校图书馆被查阅。
学校可以公布论文（设计）的全部或部分内容。
保密的论文（设计）在解密后适用本规定。
作者签名：
指导教师签名：
日期：
日期：
毕业论文（设计）答辩委员会（答辩小组）成员名单
姓名
职称
单位
备注
教授
副教授
红河学院
讲师
红河学院
组长
讲师
红河学院
讲师
红河学院
摘要
水是人类生活和国民经济发展的不可或缺的重要部分，随着科技水平的飞速发展和人类生活水平的巨大提升，对于洁净的优质水源的需求也不断急剧释放。
微电子、通信、计算机技术的发展大大提高了水处理控制系统的信息化和智能化程度，与3C技术相结合的PLC以其卓越的可靠性、抗干扰性以及灵活的控制方式成为水处理自动化系统的核心控制器，其与开放的网络通信系统一起，共同推动着水处理自动化系统的智能化程度的发展。
本文主要介绍了PLC控制系统的硬件结构、工作原理以及设计PLC控制系统的基本原则和步骤，然后对整个污水处理工艺进行控制，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气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控制程序、组态监控画面等。
PLC自控系统是污水处理厂的控制核心部分，对其合理的选型和设计，对污水处理厂能否高效、自动化的运行非常重要。
关键词：
污水处理；PLC控制；组态监控画面
ABSTRACT
Wateristhehumanlifeandnationaleconomicdevelopmentoftheimportantpartofthescienceandtechnologylevel,withtherapiddevelopmentofhumanlifeandthelevelofascensiontoclean,greatqualityofwaterdemandisalsoconstantlysharprelease.Microelectronics,communication,thedevelopmentofcomputertechnologyhasgreatlyincreasedthewatertreatmentofthecontrolsystemofinformationandintelligence,and3CcombinesthePLCforitsexcellentreliability,anti-jammingandflexiblecontrolwaysbecomewatertreatmentoftheautomationsystem,thecorecontrollerwithopennetworkcommunicationsystemtogethertojointlypromotethewatertreatmentoftheautomationsystemofthedevelopmentlevelofintelligence.
ThisarticlemainlyintroducedthePLCcontrolsystemhardwarestructure,workingprincipleanddesignPLCcontrolsystem,thebasicprinciplesandsteps,andthentothesewagetreatmentprocesscontrol,PLCinthewastewatertreatmenttoillustratetheapplicationprocess.Accordingtothefirstsewagetreatmentequipmentdesignrequirementsofelectricalcontrolandautomaticcontrolcircuit,mainlyincludingequipmentandstop,statesignals,faultsignalandsignalcollection,accordingtorequirementofprocessdesign,thePLCcontrolsystem,includingthetypeselection,PLCsystemresourcesconfiguration,andaccordingtothesewagetreatmentprocessofPLCcontrolprocedures,configurationmonitoringimage,etc.
PLCcontrolsystemisthecoreofthecontrolofthesewagetreatmentplant,thereasonableselectionanddesignofmunicipalsewagetreatmentplant,whethertheoperationofthehighefficiency,automationisveryimportant.
Keywords:
sewagetreatment；PLCcontrol；Configurationmonitoringmenu
目录
第一章绪论1
1.1概述1
1.2我国水资源和水环境现状1
1.3国外污水处理技术分析2
1.4国内污水处理技术的分析3
1.5本设计的主要研究内容4
第二章污水处理的概述5
2.1概述5
2.2污水处理工艺的现状及发展5
2.3污水处理工艺流程6
2.4整个污水处理工艺的描述7
第三章污水处理的设计方案8
3.1PLC控制系统的设计8
3.1.1污水处理的过程8
3.2污水处理的系统功能要求10
3.2.1控制信号输入10
3.2.2控制输出信号10
3.3上位监控管理机10
3.4模拟显示器10
第四章污水处理系统的硬件设计12
4.1污水处理系统的主要组成部分12
4.2污水处理的电气控制系统14
4.3污水处理系统的工作原理14
4.3.1污水处理控制系统总体框图14
4.3.2污水处理系统的工作过程15
4.3.3污水处理系统主电路设计15
4.4污水处理PLC的选型19
4.5S7-200PLC的数据区19
4.5.1输入映象寄存器（数字量输入映象区）19
4.5.2输出映像寄存器19
4.6PLC的I/O资源配置20
4.6.1数字量输入部分20
4.6.2数字量输出部分21
4.7污水处理控制系统的硬件连线图22
第五章污水处理系统的组态设计24
5.1概述24
5.2总体流程设计24
5.3手动模式25
5.4自动模式26
5.4.1粗格栅工作流程图26
5.4.2细格栅工作流程图28
5.4.3曝气沉砂系统主要工作流程图29
5.4.4SBR系统工作流程图30
5.4.5污泥脱水系统的工作流程图31
5.4.6氯气投加环节32
5.4.7絮凝剂投加环节33
5.4.8鼓风机房控制环节34
5.4.9相关曲线图及报警画35
第六章污水处理系统的调试37
6.1调试与运行结果37
6.2硬件系统的调试37
6.3软件系统的调试37
6.4运行结果38
结论39
参考文献40
致谢41
第一章绪论
1.1概述
世界上任何国家的经济发展,都伴随着人民生活水平的改善和城市化进程的不断加快。
但是相应的淡水资源的需求和消耗也在不断增多。
水作为人类必不可少的资源，长期以来一直被人们认为是取之不尽、用之不竭的。
在这种观点的驱使下，水环境的质量越来越恶劣、水资源短缺也越来越严重，这一切都加重了城市的负荷，带来一系列危及城市生存与发展的生态环境问题。
1.2我国水资源和水环境现状
据水利部门的预测，到2030年我国人口増至16亿时，人均水资源将降低到1760m3，总缺水量将达到400～500亿m3，已经达到了世界公认的缺水警戒线。
从地区分布情况来看，水资源总量的81%集中分布于长江及其以南地区，其中40%以上又集中于西南五省地区，就人均占有淡水资源而言，南方最高地区和北方最低地区相差数十倍，西部比东部甚至高出五、六百倍。
这些地区水资源短缺的现状将在一个相当长的时间成为难以解决的问题。
改革开放以来，我国城市化也进入快速发展时期，城市数量由1978年的193个增加到2001年的664个，城镇人口由17，245万人增加到48，064万人。
上世纪90年代后，我国城市化速度进一步加快，目前城市化水平达到37%左右。
城市数量与规模的迅速增加与扩张，带来了严重的城市生活污水和垃圾污染问题。
近10年来，我国城市生活污水排放量每年以5%的速度递增，在1999年首次超过工业污水排放量，2001年城市生活污水排放量221亿吨，占全国污水排放总量的53.2%。
与此同时，我国城市生活污水处理设施严重滞后和不足。
据统计：
目前全国年排污量约为350亿m3,但城市污水集中处理率仅为15％，全国超过80％的城市污水未经任何有效的收集处理就直接排放到附近的水体，使得原本具有泄洪和美化景观作用的河渠变成了天然污水渠。
特别是在全国2200座县城与19200个建制镇中，污水排放量约占污水排放总量的一半以上，但这些中小城市（镇）的污水处理能力都明显低于全国平均水平。
照此发展下去，城市的水环境将每况愈下。
并进一步的加剧水资源的短缺。
即使在我国水资源比较丰富的南方地区，由于水体污染，水质型缺水也处于相当严峻地步。
而且随着现代工业的发展及人口城市化的加速，城镇污水量将愈来愈大，水环境污染也会日益加重。
1.3国外污水处理技术分析
欧洲城市污水处理技术——可持续生物除磷脱氮工艺以控制富营养化为目的的氮、磷脱除已成为各国主要的奋斗目标。
无疑应付日趋严格的排放标准，传统工艺会因上述弊端而雪上加霜。
在此情形下，发展可持续污水处理工艺变得势在必行。
所谓可持续污水处理工艺就是朝着最小的COD氧化、最低的CO2释放、最少的剩余污泥产量以及实现磷回收和处理水回收等方向努力。
这就需要以较综合的方式来解决污水处理问题，即污水处理不应仅仅是满足单一的水质改善，同时也需要一并考虑污水及所含污染物的资源化和能源化问题，且所采用的技术必须以低能量消耗（避免出现污染转移现象）、少资源损耗为前提。
在污水生物除磷实践中，南非开普顿大学（UCT）研究人员最早发现专性好氧细菌不是唯一对磷的摄/放起作用的菌种，兼性反硝化细菌也有着很强的生物摄/放磷现象。
反硝化细菌的生物摄/放磷作用被荷兰代尔夫特工业大学（TUDelft）和日本东京大学（UT）研究人员合作研究确认，并冠名为反硝化除磷（denitrifyingdephosphatation）。
在磷的生物摄/放过程中，反硝化除磷细菌以硝酸氮取代氧作为电子接受体，也就是说反硝化除磷细菌能将反硝化脱氮和生物除磷这两个原本认为彼此独立的作用合二为一。
显然，在结合的除磷脱氮过程中，COD和氧的消耗量均能得到相应节省。
比较传统的专性好氧磷细菌去除工艺，反硝化除磷细菌能分别节省约50%和30%的COD与氧的消耗量，相应减少剩余污泥量50%。
在反硝化除磷过程中由于COD需要量的大为减少，过剩的COD因此能被分离，并使之甲烷化，从而避免COD单一的氧化稳定（至CO2）。
归因于曝气能量的减少，以及过剩COD甲烷化后能量的产生，这种综合的能量节约最终会导致释放到大气的CO2量明显减少。
因此，具有反硝化除磷细菌富集的处理系统可以被视为可持续处理工艺。
传统上，两个已得到充分确认的生物途径，硝化（NH+4NO3-）与反硝化（NO3N2）被应用于污水处理的生物脱氮。
这种传统生物
脱氮途径从可持续角度看并不是最佳的，因为充分地氧化氨氮到硝酸氮首先要消耗大量能源（因曝气）；其次，还需要有足够碳源（COD）来还原硝酸氮到氮气。
对这一传统脱氮途径的改进可借助于新近由荷兰TUDelft研发的一种中温亚硝化技术——SHARON来实现。
在亚硝化/反硝化脱氮途径中，亚硝酸氮为仅有的中间过渡形态；这一途径无论对氧化（NH+4NO2-）还是还原（NO2-N2）均能起到最小量化的作用，意味着氧气和COD消耗量的双重节约。
显然，亚硝化/反硝化脱氮途径可以成为一种可持续的脱氮技术。
1.4国内污水处理技术的分析
目前，中国污水处理现已位于世界前列。
随着中国政府对节能减排工作的高度重视，积极引入市场机制，加大投资力度，污水处理能力快速增长，城镇污水处理设施对污染物减排的贡献率不断提升。
中国“十一五”规划中有关城镇污水处理的相关指标已经基本实现，并提前一年完成规划任务。
截至2009年底，中国设置城市、县及部分重点建制镇累计建成污水处理厂1993座，总处理能力已超过1亿立方米/日；在建城镇污水处理项目2360个，可新增污水处理能力约6400万立方米/日，城镇污水处理能力1.05亿立方米／日；城市排水管网31.5万公里；城市污水排放量360多亿立方米。
2009年，城镇污水处理厂累计消减化学需氧量达700多万吨，已成为中国实施节能减排工作的目标的主要手段。
从市场化程度来看，全国已运营污水处理厂市场化程度至少达到45.4%，从市场化的模式来看，BOT、TOT、BT、托管分别占29.1%、5.0%、2.3%和8.1%，BOT模式是已投入运营污水处理厂市场化投资的主流模式。
从项目的地域分布来看，江苏、山东、广东、河南、浙江分列市场化项目数量前五位。
这五省共运营污水处理厂占全国运营项目总数的48.4%。
2009年运营的污水处理厂中，采用市场化手段投资超过50%的省市达到13个，而2008年仅为4个，显示市场化项目在污水处理领域的延伸。
我国水务行业面临着快速城市化及生态、民生、资金等方面的挑战与压力。
比如排水系统方面，环境承载力有限，我国处理设施建设也存在问题，尽管“十一五”期间处理能力翻了一番，但是城乡差别、区域差别大，现在还有120多个城市没有污水处理设施，70％以上的县没有污水处理设施。
为此，要加大对污染源排放的控制力度，工业企业要采用深度处理达到稳定达标排放；除继续建设污水处理厂外，对已建成污水处理厂要加强运营监管，包
括污水处理厂负荷率的提升，污水收集管网的完善，污泥处理处置设施的建设运行，再生水的利用等；采用人工湿地、生态修复、区域截污等措施加强区域综合治理；增加科研投资，促进新的治理技术和设备的开发和应用；加大水污染防治监督检查力度，进一步完善水污染防治保障机制；加快相关政策、法规体系的建设；加快污水处理行业产业化、市场化的步伐。
1.5本设计的主要研究内容
本设计论述了污水处理工艺及污水处理系统的组成、PLC控制系统的设计及组态的设计，主要有以下内容组成：
（1）介绍了污水处理的基本内容，包括污水处理的发展，现状以及污水处理的工艺流程；
（2）介绍了PLC的基本结构和工作原理，并对污水处理控制系统进行设计分析；
（3）具体分析设计污水处理的硬件系统；
（4）具体分析设计污水处理的软件系统；
（5）具体分析设计污水处理的组态监控画面。
第二章污水处理的概述
2.1概述
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，往往都排入城市排水系统，故把生活污水和生产污水的混合污水叫做城市污水。
这些污水除含有碳水化合物、蛋白质、氨基酸、动植物油、尿素、氨、肥皂和合成洗调剂等物质外，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：
（1）排放水体；
（2）灌溉田地；（3）重复使用。
水处理的目的不外乎有三种：
（1）去除水中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化学性质，如食用水中加氟以防止龋齿病，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，如水的冷却，降低水的粘滞度等。
2.2污水处理工艺的现状及发展
我国现有城市污水处理厂80%以上采用的是活性污泥法，其余采用一级处理、强化一级处理、稳定糖法及土地处理法等。
“七五”、“八五”、“九五”国家科技攻关课题的建立与完成，使我国在污水处理新技术、污水再生利用新技术、污泥处理新技术等方面都取得了可喜的科研成果，某些研究成果达到国际先进水平，同时借助于外贷城市污水处理工程项目的建设，国外许多新技术、新工艺、新设备被引进到我国，AB法、氧化沟法、A/O工艺、A/A/O工艺、SBR法在我国城市污水处理厂中均得到应用。
污水处理工艺技术由过去只注重去除有机物发展为具有除磷脱氮功能。
国外一些先进、高效的污水处理专用设备也进入了我国污水处理行业市场。
如隔栅机、潜水泵、除砂装置、刮泥机、曝气器、鼓风机、污泥泵、脱水机、沼气发电机等大型设备与装置。
我国80年代以前建设的城市污水处理厂大部分采用普通曝气法活性污泥处理工艺，由于该工艺主要去除BOD5和SS为主要目标，对氮磷的去除率非常低。
为了适应水环境及排放要求，一些污水处理厂正在进行改造，增加或强化脱氮和
除磷功能。
AB法污水处理工艺80年代初开始在我国应用于工程实践。
由于其具有抗冲击负荷能力强、对pH值变化和有毒物质具有明显缓冲作用的特点，故主要应用于污水浓度高、水质水量变化较大，特别是工业污水所占比例较高的城市污水处理厂。
目前，氧化沟工艺是我国采用较多的污水污水处理工艺技术之一。
应用较多的有奥贝尔氧化沟工艺，由我国自行设计、全套设备国产化，已有成功实例。
DE型氧化沟和三沟式氧化沟在中高浓度的中小型城市污水处理中也有应用。
采用卡罗塞尔氧化沟工艺的城市污水处理厂大部分为外贷项目。
随着我国对水环境质量要求的提高，使得新建城市污水处理厂必须考虑氮磷的去除问题，由此开发了改良A/A/O工艺和回流污泥反硝化生物除磷工艺，并已开始在实际工程中应用。
我国新建及在建的污水处理厂所采用的工艺中，各种类型的活性污泥法仍为主流，其余则为一级处理、强化一级处理、生物膜法及与其他处理工艺相结合的自然生态净化法等污水处理工艺。
从我国的国情出发，我国城市污水处理发展趋势如下：
（1）氮、磷营养物质的去除仍为重点也是难点；
（2）工业废水治理开始转为全过程控制；（3）单独分散处理转为城市污水集中处理；（4）水质控制指标越来越严；（5）由单纯工艺技术研究转向工艺、设备、工程的综合集成与产业化及经济、政策、标准的综合性研究；（6）污水再生利用提上日程；（7）中小城镇污水污染与治理问题开始受到重视。
2.3污水处理工艺流程
城市废水处理的任务是去除城市废水的悬浮物和BOD5.对于常规的废水处理流程来说，视其排放水质的要求不同，一般包括3段处理工序。
其中，一级处理（物理处理）主要是用于去除粗粒固体、悬浮固体、大粒径胶体等，棚渣呈垃圾状，沉沙池沉渣中相对密度较大的无机颗粒含量较高，所以两者一般作为垃圾处理。
由于一级处理仅能去除城市废水BOD5的30%，因此，还不宜排放。
二级处理（生物处理）主要是利用微生物的生命活动过程，对废水中的污染物进行转移和转化作用，从而使废水得到净化，其主要特征是应用微生物特别是细菌，并在为充分发挥微生物的作用而专门设计的生化反应器中，将废水中的污染物转化为微
生物细胞以及简单形式的无机物。
由于二级处理能大幅度去除水中呈胶体和溶解状态的有机污染物，BOD5的去除率可以达到90%以上，BOD5的浓度降到20-30mg/L,污水能达到排放标准。
其中初沉池污泥和二沉池生物污泥，因富含有机物，容易腐化、破坏环境，必须妥善处置。
初沉池污泥还含有病原体和重金属化合物等，二沉池生物污泥基本上是微生物机体，含水率高、数量多，更需要注意。
目前，世界上工业发达国家普遍采用二级生物处理流程，三级处理是对废水的深度处理，一般指去除氮、磷和其他微量的杂质。
近年来，随着对环境质量要求的不断提高，为了防止水体富营养化，防止藻类的过度繁殖，对二级生化处理后的污水再进行三级处理，除去水中的残留有机物，使污水成为新的资源，无论哪个阶段的污水处理，其结果都分为两部分，即达标排放的上清液和含有９７％水分的污泥，这些污泥中的成份具有很强的亲水性，存在于一沉池和二沉池中，通过刮泥机被集中到池底中央，由污泥泵排出通过管道输送到絮凝剂中。
2.4整个污水处理工艺的描述
本设计主要介绍污水的整个工艺过程，在整个污水处理的工艺中，主要以序批式活性污泥法和全自动加药系统来研究。
SBR工艺是一种简易、快速且低耗的废水生物处理工艺。
他主要有以下几个方面的特点：
1.工艺简单、造价低；2.时间上具有理想的推流式反应器的特性；3.运行方式灵活，可脱磷除氮；4.具有较强的耐冲击负荷能力；5.良好的污泥沉降性能，不易产生污泥膨胀现象。
其优点如下：
1.聚丙烯酰胺通过计量加药系统加入溶药罐，保证了药剂用量上的控制；2.聚丙烯酰胺在溶药罐里被搅拌2小时后才加入到絮凝器中，经过充分搅拌的药液其絮凝效果最好；3.药液通过加药泵实现量的控制并连续不断地送出，和污泥在管道中混合后被一起送入絮凝器，实现了药剂于污泥的均匀混合；4.整个加药系统通过PLC自动控制，减少了人工操作，使絮凝过程更及时、准确、高效、降低了成本；5.以往的水处
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