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污水处理控制系统自动化设计毕业论文
污水处理控制系统自动化设计毕业论文
1前言1
1.1课题背景2
1.2课题目的和意义2
1.3国外发展现状3
1.4本文研究的主要容4
2工业污水处理系统的设计任务分析5
2.1工业污水处理基本概念5
2.2本系统的工业污水处理工艺6
2.3工业污水处理系统控制形式7
2.4工业污水处理系统的功能要求8
2.4.1信号输入检测任务要求8
2.4.2控制输出信号任务要求9
3硬件系统设计10
3.1主要组成部分10
3.2控制系统I／0统计及PLC选型12
3.2.1数字量输入部分12
3.2.2数字量输出部分13
3.2.3模拟量输入部分13
3.2.4模拟量输出部分14
3.2.5PLC选型14
3.3电动机的选型14
3.4变频器基本原理及变频器选型15
3.4.1变频器简介15
3.4.2变频与变压（VVVF）原理16
3.4.3变频调速的基本原理17
3.4.4变频器选型18
3.4.5变频器参数设置19
3.5其它硬件选型20
3.5.1接触器选型20
3.5.2液位差计选型20
3.5.3溶解氧仪选型21
3.6主控系统设计21
3.6.1控制系统总体框图21
3.6.2电气控制系统22
3.6.3工作过程24
3.7变频部分主电路设计24
4软件系统设计26
4.1总体流程设计26
4.1.1手动模式27
4.1.2自动模式27
4.2曝气过程控制的任务36
4.3氯气投加环节37
4.4絮凝剂投加环38
4.5PID控制38
5调试和运行结果40
5.1硬件系统的调试40
5.2软件系统的调试41
5.3运行结果41
致谢43
结论44
参考文献45
附录Ⅰ部分主程序梯形图46
附录Ⅱ工业污水处理系统变频部分主电路图51
附录Ⅲ基于PLC污水处理控制系统硬件接线图52
1前言
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%左右。
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，2010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课题背景
未来10年，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，是推动环保产页升级，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，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。
1.2课题目的和意义
世界上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，使人民的生活得到进一步改善，尤其在工业革命之后，各国经济飞速发展，全球大量的不可再生资源（例如石油）被利用。
如果这些污水无净化排出必定会给周围环境造成很大的污染，而且我国是一个严重缺水的国家，已经被联合国列为世界上13个缺水国家之一。
目前我国约300个城市缺水，其中严重缺水城市有50个，据中国经济信息网分析统计，全国按目前正常需要，年缺水总量约为300亿～400亿立方米，因缺水造成的经济损失达2300亿元，超过洪涝灾害。
水资源的匮乏和水资源的污染已经严重的影响了人民的日常生活，严重的影响了全国的经济建设和发展。
特别是我国北方城市，如、天津、等城市水资源更为短缺。
在这种情况下，污水更加不能随便外排，而是要净化之后合理利用。
我国污水处理的电耗为0.365kWh/m3、日本为0.304kWh/m3、美国为0.243kWh/m3，因此建设符合我国具体情况的污水厂自动控制系统对降低污水处理成本、改善环境、建立可持续发展社会、保持我国经济高速发展具有重要意义。
1.3国外发展现状
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。
1.4本文研究的主要容
本文论述了污水处理工艺及污水处理系统的组成和PLC控制系统的设计，主要由以下容组成：
（１）介绍了污水处理的基本容，包括污水处理的发展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）具体设计污水处理的硬件系统及软件系统。
2工业污水处理系统的设计任务分析
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：
①排放水体；②灌溉田地；③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本系统的工业污水处理工艺
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。
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。
本工业污水处理工艺流程图如下图所示：
图2-1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。
同时在该系统中设置有溶解氧仪超声波检测器。
2.3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。
2.4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。
2.4.1信号输入检测任务要求
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围。
2.4.2控制输出信号任务要求
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。
3硬件系统设计
氧化沟是工业污水处理系统中的重要环节，其结构的不同形成了不同的氧化方法例如，奥贝尔、卡鲁赛尔和一体化氧化沟法，对于不同的结构，其配套的设备也有较大的不同，所以其结构比较复杂，不同的结构对应不同的控制系统，因此需要根据不同的结构特点设计相应的控制系统。
3.1主要组成部分
工业污水处理系统的结构比较复杂，设备较多，在氧化沟中其控制过程及原理大致相同，都是通过控制曝气机的转速来调节污水中的含氧量，其基本组成如图3-1所示。
图3-1工业污水处理系统基本组成示意图
（１）进水系统。
进水系统主要有进水管道和进水泵房组成，进水管道主要由粗格栅机和清污机组成，进水泵房主要有两台潜水泵组成。
进水管道的主要功能是将污水中的大块物体排除，其中的粗格栅是根据程序设定的时间进行间歇工作，而清污机的运行和停止是根据粗格栅两侧的液位差来决定的，当液位差超过某个值时，启动清污机；当液位差小于某个值时停止清污机的运行。
进水泵房中的潜水泵运行及停止是通过安装在泵房的液位传感器来决定的，当液位较低时只启动一台潜水泵，当液位较高时启动两台潜水泵，若液位持续升高时，则输出报警以示意有故障发生。
（２）除砂系统。
除砂系统主要由细格栅系统和沉砂池组成，细格栅系统是由细格栅机和转鼓清污机组成，沉砂池的主要设备是分离机。
细格栅系统的主要功能是进一步净化污水中的颗粒物体，将污水中细小的沙粒滤除，其中的细格栅机是根据程序设定时间进行间歇工作，而转鼓清污机的运行和停止则根据细格栅两侧的液位差来决定，当液位差超过某个值时，启动清污机；当液位差小于某个值时停止清污机的运行，这和粗格栅系统的运行方式一致。
沉砂池中分离机的运行和后续处理中的转碟曝气机的运行同步，即启动转碟曝气机的时候同时启动分离机，对沉砂池中的沙粒进行排除。
（３）氧化沟系统。
氧化沟系统由氧化沟和污泥回流系统构成，氧化沟是工业污水处理系统中最重要的环节，因此控制量较多，控制过程叫复杂，包括转碟曝气机和潜水搅拌机，污水回流系统主要有污泥回流泵构成。
氧化沟的功能是对污水进行生化处理，分解污水中的有害物质，使其达到一定的水质标准，其中是转碟曝气机是关键设备，在氧化沟中设置有溶解氧仪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，同时使氧化沟的污水和活性污泥处于剧烈的搅拌状态，使他们充分混合接触。
使活性污泥的生化反应更加充分，这样才能最大程度地分解污水中的有害成分。
污水回流系统的污泥回流泵将剩余的污泥及使用过的污泥进行处理，该设备的运行与停止主要根据泵房液位传感器的状态，当液位低于某个值时停止回流泵的运行；当液位持续高于某个高位时，回流泵停止运行同时输出报警信号；液位处于正常状态时，回流泵正常运行。
（４）沉淀系统。
沉淀系统主要设备为刮泥机，其功能是对进行氧化沟处理后的污水进行物理沉淀，将污泥和清水分离，刮泥机在整个系统启动后就开始持续运行。
在该系统中用到一定化学药剂主要包括混凝剂、絮凝剂、复合碱等，主要用来调节改善混凝条件及絮凝体结构，利用高分子助凝剂的强烈吸附架桥作用，使细小松散的絮凝体变的粗大而紧密，容易发生沉降。
（５）污泥脱水环节。
污泥脱水系统主要包括离心式脱水机，其主要功能是对氧化池中处理过污水的活性污泥进行脱水处理，由于对污水进行处理后，活性污泥中有新的微生物及其他杂质，因此需要先对活性污泥添加一定量的药物，便于污泥脱水。
离心式脱水机主要有聚合物泵、污泥机和切割机构成，以上设备按照顺序控制的方式启动，依次启动聚合物泵、污泥机和切割机，完成对污泥的脱水处理。
3.2控制系统I／0统计及PLC选型
根据系统的功能要求，对PLC的I/O进行估算配置，具体分配如下。
3.2.1数字量输入部分
首先需要一个紧急制动按钮,运行方式有两种自动和手动，所以有自动运行方式，自动方式启动确认，手动方式。
手动方式针对各个部件，粗细格栅机有手动粗格栅机启动，手动细格栅机启动。
手动清污机、潜水泵、分离机、碟曝气机工频、转碟曝气机变频、潜水搅拌机、刮泥机、污泥回流泵、分离式脱水机、污泥泵、转碟曝气机加速、转碟曝气机减少、粗格栅液位差计、细格栅液位差计、进水泵房液面高位传感器、进水泵房液面低位传感器、污泥回流泵液面高位传感器、污泥回流泵液面低位传感,总共24个数字输入量.
表3-2数字输入量分配
输入地址
输入编号
输入编号
输入设备
1
急停
13
手动刮泥机启动
2
手动方式
14
手动污泥回流泵启动
3
自动方式
15
手动分离式脱水机启动
4
自动启动确认
16
手动污泥泵启动
5
手动粗格栅机启动
17
手动转碟曝气机加速
6
手动清污机启动
18
手动转碟曝气机减少
7
手动潜水泵启动
19
粗格栅液位差计
8
手动细格栅机启动
20
细格栅液位差计
9
手动分离机启动
21
进水泵房液面高位传感器
续前表
10
手动转碟曝气机工频启动
22
进水泵房液面低位传感器
11
手动转碟曝气机变频启动
23
污泥回流泵液面高位传感器
12
手动潜水搅拌机启动
24
污泥回流泵液面低位传感器
3.2.2数字量输出部分
数字量输出主要是对接触器的启动提供信号,共13个
表3-3数字输出量分配
输出编号
输出设备
输出编号
输出设备
1
粗格栅机接触器
8
潜水搅拌机接触器
2
清污机接触器
9
刮泥机接触器
3
潜水泵接触器
10
污泥回流泵接触器
4
细格栅机接触器
11
离心式脱水机接触器
5
分离机接触器
12
潜水泵报警
6
转碟曝气机工频接触器
13
污泥回流泵报警
7
转碟曝气机变频接触器
3.2.3模拟量输入部分
由于需要采集一个溶氧仪所反馈的数据，因此扩展了一个模拟量输入输出模块，具体I/O分配，如下表3-4所示。
表3-4模拟量输入分配
输入编号
输入设备
1
溶解氧仪
3.2.4模拟量输出部分
在此控制系统中需要将采集回来的模拟量进行数据处理，然后，通过模拟输出口对变频器进行控制，进行控制其他设备的运行，如下表3-5所示。
表3-5模拟量输出分配
输出编号
输出设备
1
经PID运算输出
根据控制系统的功能要求，设计出工业污水处理控制系统的硬件连线图如图所示，此控制面板上的手动控制部分主要在调试系统时使用，调试完成后基本处于闲置状态。
3.2.5PLC选型
根据工业污水处理系统的电气控制系统的功能要求，以及其复杂程度，从经济性、可靠性等方面来考虑，选择三菱FX2N-64M系列PLC作为工业污水处理系统的电气控制系统的控制主机。
通常I/O点数是根据被控对象的输入、输出信号的需要，再加上10%-15%备用量来确定，三菱FX2N-64M在工业污水处理系统中有32个数字量输入点和32个数字输出点，本系统有24个数字量输入和13个数字量输出，所以三菱FX2N-64M符合要求。
在该系统中，还需要采集模拟量并利用模拟
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