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基于PLC的工业污水处理系统设计
论文题目：
基于PLC的工业污水处理系统设计
摘要
近年来,污水处理厂已成为各个城市最重要的基础设施之一。
尤其是中小城市,新建或扩建污水处理厂已成为当地政府改善人民生活水平的头等大事。
随着自动化技术、计算机技术的不断发展、完善,污水处理厂的自动化水平也相应提高。
而PLC控制器以其技术成熟、通用性好、可靠性高、安装灵活、扩展方便、性能价格比高等一系列优点，在工业控制中得到了越来越广泛的应用。
本文主要介绍了污水处理厂自动控制系统的组成、功能及如何利用PLC实现自动控制,并介绍了在系统实施中遇到的若干问题及其解决措施。
在污水处理中采用PLC控制系统改造后，提高了自动控制的可靠性,不仅减轻了工人的劳动强度,而且提高了污水处理厂的运行效率和运行效益,实现了污水厂生产管理的科学性。
关键词：
PLC,污水处理,SBR反应
DesignbasedonthePLCindustrialsewageprocessingsystem
Abstract
Inrecentyears,sewagetreatmentplanthasalreadybecomeoneofthemostimportantinfrastructuresineverycity,andespeciallyinsmallandmedium-sizedones,tobuildandexpandsuchplantshasbeenonthelocalgovernments’topagendatoimprovepeoples’life.Withthedevelopmentandimprovementofautomationtechniqueandcomputertechnology,automationlevelofsewagetreatmentplantshasalsomadeacorrespondingleap.WhilePLChasseriesofmeritssuchas:
maturetechnique,fineuniversalproperty,highreliability,flexibletoinstall,convenienttoexpand,excellentcostperformance,etc,whichhaveenableditgainamoreandmorewidespreadapplicationinindustrialcontrol.Thispaperwillmainlyintroducethecompositionandfunctionoftheautomaticcontrolsysteminsewagetreatmentplantsandseveralproblemsthatmayoccurinthepracticaluseofthesystemandthepossiblesolutionstothem.SincethetransformationbyemployingPLCcontrolsysteminsewagetreatment,thereliabilityofautomaticcontrolhasbeenadvanced,whichhasnotonlyreducedworkers’workintensity,butalsoimprovedtheoperationalefficiencyofthesewagetreatmentplants,thushasmadethescientificadministrationofmanufacturinginsewagetreatmentplantspossible.
Keywords:
PLC,Sewagetreatment,SBRreaction
目 录
1引言1
2系统总体设计1
3控制系统设计2
3.1除渣2
3.2除油3
3.3中和处理4
3.4除有机物5
3.5除盐6
4PLC选型7
4.1PLC的I/O口分配8
4.2系统外部接线图9
4.3软件设计10
5上位机与下位机的设计10
5.1上位机设计10
5.2下位机设计11
5.3上位机与下位机之间的通信12
5.3.1PLC的通信功能12
5.3.2PLC的通信协议12
6通讯网络15
6.1中央控制室15
6.2控制分站15
6.3现场监测仪表15
7结束语16
致谢17
参考文献18
1引言
随着国民经济的发展，国家对环保事业也越来越重视，越来越多的污水处理厂正在兴建或待建中，只要稍上规模的污水处理厂，无一例外地都使用了PLC作为其自控系统的主要设备。
工业污水处理自动控制近年来一直是控制领域研究的热点之一。
伴随着技术进步、工艺改进、系统完善的同时,对工业污水处理的控制也提出了更高的要求。
本系统构建了基于PLC的工业控制网络,采用PC机和PLC组成网络控制。
为提高系统可靠性,用工控机作为上位机,PLC作为下位机,控制现场设备运行。
PLC编程采用了一种简便实用的方式。
从而实现污水处理过程的自动控制功能，同时与合流中央监控系统进行通信，上传数据和接受中央监控系统下发的控制命令。
整个控制系统改造最终达到无人或少人值守的目的。
本系统大大提高了污水处理的自动化水平[1]。
2系统总体设计
该污水处理系统,包括明渠除渣系统、平流隔油池系统、中和池中和系统、SBR反应池系统和除盐池除盐5个子系统.经过处理的水可满足回收利用的要求,能实现污水的循环利用。
生产废水先通过栅格，使污水中的废渣与水分离,然后进入隔油池，通过刮板及刮泥机清除水中的油液，中和池做酸碱中和处理,污水从中和池进入SBR反应池进行厌氧-好氧曝气,在微生物的作用下,污水中的有机污染物作为营养物质被微生物氧化分解,废水得到净化。
经过曝气处理的废水去除有机污染物后进入沉淀池进行固液分离。
分离后的水进入处理池,加药处理后将清水外排;分离后的污泥进入集泥池,经加药混合、絮凝反应后外运填埋[2]。
污水处理系统的工艺流程见图1。
图1工艺流程图
3控制系统设计
3.1除渣
工业污水中含有大量的废渣，如果不经处理直接排入河中，不仅污染环境，而且会提高河床高度，阻塞河道。
尤其是在雨季到来的时候，会对人民的生命造成极大的危害，给国家带来巨大的经济损失。
除渣系统主要由格栅完成。
明渠内的格栅由一组平行金属栅条制成,一般斜置于污水主渠道上,截留污水中的大块固体物,如塑料制品、纤维及其他生活垃圾,以防止阀门、管道及其后续处理设备堵塞或损坏.污水过栅越缓慢,拦污效果越好,但过栅缓慢易造成栅前渠道或栅下积砂而使过水断面缩小,流速变大.因此,污水过栅的流速应根据污水中污染物的组成、含砂量及栅条间距等确定.格栅条间距应根据污水的种类、流量代表性杂物种类和尺寸大小等来确定,既要满足除渣要求,又要满足后续水处理构筑物及设备的要求。
除渣系统的结构如图2
图2格栅除渣结构图
污物的堵塞将会使格栅前后的水位差增加,用液位计来测量该水位差,PLC通过测量液位差值控制格栅除污机的清污动作，当格栅前后的液位值之差大于预定值时开启格栅除污机，当液位差值减少至预定值时自动停机。
除污机位于明渠内的格栅上。
此外PLC系统还可控制开启顺序和运行时间。
格栅除污机的工作原理：
格栅除污机是由一种耙齿配成一组回转格栅链，在电机减速器的驱动下，耙齿进行逆水流方向回转运动；当耙齿链运动到设备的上部时，由于槽轮和弯轨的导向，使每组耙齿之间产生相对运动，绝大部分固体物质靠重力落下，另一部分则依靠清扫器的反向运动把粘在耙齿上的杂物清刷干净。
本系统设有液位报警模块，由液位计来测量明渠内的水位，当明渠内的水位超过给定的界限时，报警器发出报警，同时，系统停止工作。
工作人员应及时清查问题所在，当该问题解决后，系统重新投入运行[3]。
液位报警系统的结构如图3
图3液位报警结构图
3.2除油
当污水中含有过多的油类物质时，油膜就会覆盖水的表面，导致外界的氧气无法进入水中，而水中产生的废气也无法顺利排出。
从而会影响水中各种生物的正常新陈代谢，导致大量的生物灭绝。
除油系统由隔油池中设置的刮油机完成。
平流隔油池中,一般装有链条式刮油机,废水从池的一端进入,从另一端流出.池内水平流速较小,进水中相对密度小于1.0的油滴在浮力的作用下上浮,并积聚在池的表面,通过设在池面的集油管和刮油机收集浮油;相对密度大于1.0的油滴随悬浮物下沉到池底,进入收泥斗后定期排放。
刮油机的结构如图4
图4刮油机结构图
本系统报警模块的原理及其结构图同除渣系统的原理及其结构图。
3.3中和处理
当污水中含有酸性或碱性物质时，就会使水中的酸碱性不平衡，从而改变水中生物的生活环境，导致水中生物大量灭绝。
若用这种水进行灌溉，就会使作物枯萎、死亡，给人民带来巨大的经济损失。
中和处理系统通过中和池完成。
操作工人通过自动控制或手动控制加酸与加碱的阀门与含有酸碱性废水的充分中和,力图通过中和反应使污水的PH值在6.5-7.5之间,然后流入SBR反应池,这样使SBR反应池中为中性环境,适合微生物将有害物质充分分解为无害物质。
其工艺流程如下：
由PH值量计测量污水的酸碱值，控制加酸阀、加碱阀进行中和作业。
（1）若为酸性时，PH值量计酸性触点接通，加碱阀门打开。
（2）若为碱性时，PH值量计碱性触点接通，加酸阀门打开。
（3）若酸碱适中时，PH值量计中性触点接通，加碱阀和加酸阀门关闭，安全灯打开[4]。
中和池结构如图5
图5中和池结构图
本系统报警模块原理如下：
当PH值量计检测到中和池内的PH值小于2时，就说明水中的酸性太强，为防止此酸性污水对处理设备的某些元件造成危害，此时，报警器发出报警，设备停止工作。
当PH值量计检测到中和池内的PH值大于12时，就说明水中的碱性性太强，此时，报警器发出报警，设备停止工作。
系统报警时工作人员应对污水来源进行调查，看是否有强酸或者强碱物质泄露。
如果有，则应该及时治理；若没有，则应该对污水进行必要的稀释，而后，才能继续处理污水。
此外，本系统液位报警模块的原理及其结构图同除渣系统的原理及其结构图。
3.4除有机物
当水中含有大量的有机物时就会导致水质富营养化，某些浮游生物在水中爆发性繁殖，消耗水中大量的氧气，从而使水中的其他生物大量死亡。
这种生长量特别巨大的浮游生物是粉红色或红褐色的，因此染红了海水，导致了赤潮。
赤潮不仅给海洋环境、海洋渔业和海水养殖业造成严重危害，而且对人类健康甚至生命都有影响。
一方面，赤潮引起海洋异变，局部中断海洋食物链，使海域一度成为死海；另一方面，有些赤潮生物分泌毒素，这些毒素被食物链中的某些生物摄入，如果人类再食用这些生物，则会导致中毒甚至死亡。
清除有机物通过SBR反应池完成。
污水生物处理技术中的序批式活性污泥法（SBR法）是一种简单、快速且低耗的污水处理工艺，具有以下优点：
（1）结构简单；
（2）沉淀性能好；
（3）有机物去除效率高；
（4）提高难降解废水的处理效率；
（5）防止污泥膨胀性能强；
（6）脱氨、除磷效果好；
（7）耐冲击负荷和处理能力强。
本系统共一个SBR反应池，池子中有一台曝气机。
曝气机的运行是由可编程序控制器来实现自动控制，在每个反应周期内，曝气机在相应的时间段内运行，并根据SBR反应池内水质调整曝气量，实现节能运行。
污泥的厌氧消化不但使有机物消化分解提高污泥稳定性而且随着污泥稳定化过程产生大量高热值的沼气作为能源利用,使污泥资源化。
其过程包括：
①充水（打开进水泵）7h;
②曝气（开启空压机）1.75h;
③沉淀1.5h;
④排水（打开电磁阀）0.5h
从充水开始到排水结束为一个周期。
在一个周期内通过曝气、停气使充氧/缺氧状态相互交替进行。
在分解污水含碳化合物的同时,相继进行含氮化合物的硝化和反硝化,最终达到脱磷、脱氨和脱氮的目的[5]。
本系统液位报警模块的原理及其结构图同除渣系统的原理及其结构图。
3.5除盐
若污水不经除盐程序，直接排出，当水中的盐类物质含量达到一定的浓度时，就会改变水中生物的生存环境，导致水中生物的细胞里的水分大量流失，从而，使各种生物脱水而死。
除盐系统经过除盐池完成除盐程序。
除盐时由除氯仪检测，当系统检测到水中含有盐类物质时，开启阀门，使该污水流入除盐池，利用反渗透膜的特性来除去水中经过中和反应及生物化学反应所产生出来的多余的盐类物质；当系统未检测到盐类物质时，则污水通过沟渠流入清水池。
为了防止反渗透膜两侧的压力突变造成渗透膜破损，应对除盐池进行划分，使每个分支都有一个半透膜，从而，提高半透膜的使用时间，节省成本。
除盐系统的结构如图6
图6除盐系统结构图
本处理系统所有控制阀采用就地和远程控制方式,即使在程控系统完全故障的情况下还可以通过就地控制实现手动控制。
选择远程控制时,控制阀由操作员在操作站上控制。
操作员可以在操作站对控制阀进行状态监视和动作控制,对控制阀的控制可分选择自动和手动方式。
在自动方式时控制阀受PLC逻辑程序控制,在手动方式时控制阀由操作员直接在操作界面上点击控制。
也可通过键盘和鼠标在控制室内的操作站上进行远方操作。
阀门的开关与闭合与水位联锁,低液位开启、高液位闭合并报警。
自动/手动/就地操作进行联锁。
系统所有被检测量可在操作界面上实时监视。
系统控制每列装置的停止和再生程序、自动加酸加碱程序。
对于顺序控制设置必要的分步操作、成组操作或单独操作等,并有中断或旁路等操作功能。
在操作站界面上显示各步骤设定时间和剩余时间等。
当某一设备发生故障时，画面上出现“报警”字样，并且代表该设备的图形将闪烁，在报警记录中出现故障发生时间、故障设备名称及告警原因等，因此能及时通知操作人员，以便最快地排除故障，恢复生产运行。
另外还可对PLC进行诊断报警[6]。
4PLC选型
PLC是可编程控制器的简称，在本系统中PLC代替了原先的硬接线的控制逻辑电路，实现了生产的自动控制。
PLC较原先的继电器控制有下列优点:
（1）控制程序可改变
在污水厂生产工艺或流程改变的情况下，不必改变PLC的硬件设备，只要改变相应的程序就可满足用户的要求。
（2）适用于工业环境，具有高可靠性
PLC产品的平均无故障时间达5年以上，因而它是一种高可靠的产品，大大地提高了生产设备的工作效率。
（3）PLC功能齐全
一般PLC具有开关量及模拟量输人/输出、定时、计数、逻辑和算术运算，顺序控制，PID调节，通信等功能。
除了应用于开关量控制系统外，也可用于连续的流程控制系统，从而使污水处理设备的控制水平大大提高。
（4）易掌握，便于维护
使用人员只需掌握工程上通用的梯形图语言就可进行用户程序的编程和调试。
因此，即使不懂计算机的人，也能掌握PLC。
又由于PLC具有自诊断功能，因而较容易进行维护，查找出故障原因。
由于PLC自身的高可靠性，也使其故障率几乎降至于零。
正是PLC具有这么多的优点，才使越来越多的PLC应用到污水处理厂中[7]。
本文采用日本松下电工公司的FP系列PLC，其型号位C16。
本文使用一个8位的I/O扩展模块。
PLC通过各种模块接口采样电信号；控制信号由PLC输出后以4—20mA电流形式送到执行机构，控制执行机构的动作。
4.1PLC的I/O口分配
输入设备输入设备
启动开关SB0X0明渠电磁阀KM0Y0
明渠低位液位计B1X1明渠高液位报警灯HL1Y1
明渠高位液位计B2X2刮油机KM2Y2
除油池低位液位计B3X3除油池高液位报警灯HL3Y3
除油池高位液位计B4X4加碱阀KM4Y4
中和池低液位计B5X5加酸阀KM5Y5
PH计酸性触点B6X6强酸报警灯HL6Y6
PH计碱性触点B7X7强碱报警灯HL7Y7
PH计强酸性触点B10X10中和池高液位报警灯HL10Y10
PH计强碱性触点B11X11冲水电磁阀KM11Y11
中和池高液位计B12X12空压机KM12Y12
SBR反应池低液位计B13X13沉淀池状态灯HL13Y13
SBR反应池高液位计B14X14排水阀KM14Y14
除盐池低液位计B15X15SBR反应池高液位报警灯HL15Y15
除盐池高液位计B16X16除盐系统电磁阀KM16Y16
停止开关SB17X17除盐池高液位报警灯HL17Y17
4.2系统外部接线图
本系统外部接线图如图7
图7系统外部接线图
4.3软件设计
系统总程序设计如图8
图8系统总程序图
5上位机与下位机的设计
5.1上位机设计
污水处理监控系统用于对4个污水分站的运行状态进行集中监控，用于监控的工业控制计算机通过工业以太网与现场的PLC主站相连，上位机操作系统采用WindowsXP，监控画面图形使用3DMAX制作。
上位机的主要功能是对污水站数据采集和自动控制系统的控制参数进行设置，监控设备的运行及控制状态，绘制重要参数的变化曲线。
当上位监控机PC启动后,首先进入了管理员登陆界面,输入正确的登陆码,进入污水处理工艺监控界面,其中包含过程工艺监控画面,控制操作画面,实时曲线画面参数设定画面,报警画面等。
这些画面之间可以随意的切换。
在退出系统之前,系统会询问你是否确定退出,以防止误操作。
上位机软件设计。
上位机为通用的工控计算机。
为了更好地反映各设备的运行情况,又分别制作了中和池系统、厌氧池系统、组合池系统、沉淀池系统等分画面。
画面中各参数值都是根据下位机PLC的改变而改变的。
工作人员通过这些画面可以随时对系统的运行参数、设备状态、各种越限报警信号,进行实时监测、处理、记录和显示。
监控软件启动时首先进入主画面,可直观地显示污水处理工艺流程图,各个设备的运行状态、仪表读数都可以在主画面中显示。
点击主画面中的对应的按钮,可直接切换到各个分画面系统相应的监控画面,分画面可以查阅各个仪表、传感器和阀门的参数,还可以进行上下限报警、打印报表、显示趋势曲线等设置。
如“中和池系统”,以污水pH中和系统的流程为监控界面,在中和池和管道的敏感区安装pH计,其输出的4mA～20mA标准信号进入A/D转换器,经过A/D转换后变为相应的数字信号,然后进行运算,再输出一组4mA～20mA标准信号,信号反馈到上位机,根据当前运行情况来控制阀门,以控制所加酸碱量,达到酸、碱平衡。
流程图上可监控各个现场数据,每个监控点均放在流程图的相应位置,可实时显示过程数据。
5.2下位机设计
下位机系统软件设计。
下位机采用松下FP0型PLC,可以和现场的传感器、变送器、自动化仪表相连,进行数据通信、数据处理和数据管理。
根据工艺要求,PLC得电自检无误后,外部传送信号通过传感器、自动化仪表输入到PLC,当电路发生短路、断路或过载时电动机将停止,同时发出报警。
通过PLC进行数据处理,PLC可根据液位信号决定设备的启停和阀门开关,以出水水质为依据采用前馈—反馈控制方法,使系统在各种工况下都能够实时地、稳定地控制水质。
液位、PH值等模拟量也采用闭环控制,形成多个控制回路。
污水处理过程逻辑性很强,阀门和液位之间动作有很多连锁关系,将所有有连锁关系的阀门和液位的动作关系确定清楚,然后用相应的控制点形成电气连锁,即可实现工艺要求。
整个软件设计为便于调试采用模块化编程,其主要包括信号获取处理、信号控制、故障模块的设计,与上位机通信的设计。
控制每个设备的功能模块都编制好后,将功能模块都放在组织块中,PLC执行程序时,按顺序执行组织块中的所有功能模块,就可以实现对所有设备的自动或手动控制[8]。
5.3上位机与下位机之间的通信
5.3.1PLC的通信功能
PLC与计算机的通信一般是通过计算机的串口实现的。
根据一台计算机与PLC通信数量的不同，可分为一台计算机与一台PLC通信的1：
1方式，一台计算机与多台PLC通信的1：
N方式。
本文采用1：
N的方式[9]。
此时，计算机使用RS-422/RS-232C适配器通过RS-422口与PLC连接，如图9所示。
图9计算机与PLC连接图
5.3.2PLC的通信协议
FP系列PLC通信系统的基本协议是松下电工的专用通信协议MEWTOCOL,分为两个部分：
一是关于PLC与计算机的通信协议的MEWTOCOL-COM，另一个是关于数据传送协议的MEWTOCOL-DATA。
（1）MEWTOCOL-COM通信协议
①发送命令帧格式
通信开始先由计算机发出呼叫，呼叫信息包括一些特殊标志码、PLC站号和呼叫字符等，具体格式如图10。
图10
②响应帧格式
PLC接到计算机的呼叫后，首先判断是不是一个完整的信息，然后检查呼叫站号是不是自己的站号，若是呼叫自己，则发送响应信息，否则不予理睬。
如果正常，PLC发送下面信息，如图11。
图11
在数据传送期间如有错误，将由PLC发送下面信息，如图12。
图12
（2）MEWTOCOL-DATA协议
这是应用在PLC与PLC之间或计算机之间进行数据传送的通信协议。
①发送命令帧格式，如图13。
图13
②响应帧格式
正确响应，如图14。
图14
错误响应，如图15。
图15
6通讯网络
该自动化系统是由中央监控管理级（工业计算机）、区域现场级（可编程逻辑控制器）、检测执行级（现场监测仪表）组成的三级计算机分散控制系统。
6.1中央控制室
一般来说,中央控制室设备主要有工控计算机、工业电视监控系统、不间断供电电源、打印机、网络控制设备、大型屏幕显示设备等组成。
中央控制室的功能主要是接收现场控制分站传送的各阶段工艺参数及设备状态,为生产管理提供依据;工艺管理人员按工艺要求,通过工控计算机向现场控制分站发出控制指令;另外工控计算机具备数据记录、报表打印、趋势查询、报警查询和确认等功能;工控机监控软件的操作、数据更改也在此进行;它还可与上级企业管理网络进行通讯,为上级管理单位提供生产信息等工作。
中央控制室以工控计算机为核心,采用100M交换式的计算机局域网络,通过光纤冗余环和工业以太网交换机与各控制分站相连接进行数据传输。
工业电视监控系统是在中控室操作监视台上设视频控制器和监视器,可控制、切换视频图像和显示模式,通过调整安放在不同运行区域控制摄像机的方位角度,巡视或定点监视生产区域的设备运行状况和工艺调整的执行情况。
6.2控制分站
控制分站由一套可编程控制器PLC、一台现场操作显示系统一台不间断供电电源UPS、分布式或远程I/O单元组成。
控制分站一般根据生产工艺设备的布置区域进行设置。
中小型污水处理厂一般设置2-4个控制分站。
每个控制分站负责相应区域所有自动化设备的控制,控制分站的主要功能是接收现场采集的生产数据,并将生产数据通过网络上传至中央控制室,接受中央控制室发出的控制指令,完成对现场设备的控制操作。
6.3现场监测仪表
现场监测仪表是在工艺运行过程中在线测量、监视、显示工艺运行环节关键数据参数的自动化智能仪表,是最基层的数据采集来
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