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基于PLC的污水处理系统设计
摘要
本论文主要研究污水处理系统的PLC控制系统，随着城市的快速发展，环境问题显得日益重要。
污水是破坏环境的一个重要因素，目前中国污水处理自控系统相对落后，污水处理成本居高不下，污水站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，具有重要的意义。
文章首先介绍了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。
然后以SBR污水处理工艺为例，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、状态信号等。
最后按照工艺要求设计PLC控制系统，包括PLC的选型、系统资源配置以及按照污水处工艺编制PLC程序等。
建立高度自动化污水处理站，不仅可以加强整个系统的可靠性、准确性，还可以减少劳动强度，降低处理成本和节约能源。
污水处理站自动控制系统的建设将降低生产和维护成本，减轻生产及维护工人的劳动强度，并为生产工艺进一步改进提供方便，具有很好的经济效益和社会效益。
关键词：
污水处理；PLC；硬件配置；软件设计
Abstract
MymainresearchisthePLCcontrolsystemofsewagetreatment.Withtherapiddevelopmentofcities,theenvironmentbecomesmoreandmoreimportant.Wastewaterisoneofthemajorfactorofpollutetheenvironment.TheautomaticcontrollingsystemofwastewatertreatmentisnotveryadvancedinChina.Thewaterqualitiesofthetreatedwastewaterareunstable.Sohowtosolvetheproblemsisverymeaningfultoourcountry.
Thispaperintroducedthehardwarestructure,workprincipleofPLCcontrolthesystemanddesignPLCcontrolsystem’sbasicprincipleandstep,thenwiththeSBRwastewatertreatmentcraftforexampletoillustratethePLCintheapplicationinthewastewatertreatmentprocess.Designedtheelectricitycontrolofequipmentsandautomaticallycontrolcircuitaccordingtothesewagetreatmentrequirements,mainlyincludethestartandstopofequipments,thestateofthesignalandsoon.FinallydesignPLCcontrolsystemaccordingtothetechnologicalrequirements,includethePLCtypeselection,theallocationofsystemresourcesanddrawupPLCprocedureaccordingtothewastewatertreatmentcraft.
Establishahighlyautomatedofsewagetreatmentplant,notonlymaystrengthenthesystem’sreliabilitybutalsomayreducethelaborintensityandreduceprocessingcostsandsaveenergy.Theestablishmentofsewagetreatmentplant’sautomaticcontrolsystemwillreducetheproductionandmaintenancecosts,alsocanreduceproductionandmaintenanceworkersinthelaborintensity.
Keywords:
sewagetreatment;PLC;Hardwaredisposition;Softwaredesign
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第1章绪论
1.1课题背景
地球虽然有70.8％的面积为水所覆盖，但淡水资源却极其有限，人类真正能够利用的是江河湖泊以及地下水中的一部分，仅占地球总水量的0.26％，而且分布不均。
全世界每天约有200吨垃圾倒进河流、湖泊和小溪，每升废水会污染8升淡水。
世界上许多国家正面临水资源危机：
12亿人用水短缺，30亿人缺乏用水卫生设施[1]。
中国污水处理行业概况:
（1）中国水资源人均占有量少，空间分布不平衡。
随着中国城市化、工业化的加速，水资源的需求缺口也日益增大。
在这样的背景下，污水处理行业成为新兴产业，目前与自来水生产、供水、排水、中水回用行业处于同等重要地位。
（2）虽然由于国家和各级政府对环境保护重视程度的不断提高，中国污水处理行业正在快速增长，污水处理总量逐年增加，城镇污水处理率不断提高。
但目前中国污水处理行业仍处于发展的初级阶段。
（3）一方面，中国目前的污水处理能力尚跟不上用水规模的迅速扩张，管网、污泥处理等配套设施建设严重滞后。
另一方面，中国的污水处理率与发达国家相比，还存在着明显的差距，且处理设施的负荷率低。
（4）因此中国应完善污水处理的政策法规，建立监管体制，创建合理的污水处理收费体系，扶植国内环保产业发展，推进污水处理行业的产业化和市场化。
污水处理行业是一个朝阳产业，发展前景十分广阔。
中国污水处理行业由此迎来高速发展期[2]。
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，如北京、天津、沈阳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[3]。
1.3国内外发展现状
由于控制技术、网络通讯技术以及现场总线技术的飞速发展，国外的污水处理厂很早就实现了污水处理厂的网络控制，如DCS/FCS系统，同时国外较早的将SCADA技术引入到了给水排水工程中，并取得了良好的经济效益和社会效益。
国外同时注重水处理PLC的开发，相继研制出了一些智能、稳定、小巧的控制单元，如AB公司的SLC系列、Siemens的s7系列、Schneider的TSXQuantumDO、化学需氧量COD分析仪。
国外污水处理自控系统主要有以下特点：
大量采用在线监控的水质分析仪表，对全厂的水质实行实时的监测，并有上位机记录下来，提高了测量精度;生产过程中不同程度上采用了智能控制，可以根据水质和水源的变化自动的调整相应的控制方式;大量采用遥控、遥测设备；并开始有效地利用社会信息资源，如电话网络、移动电话网络、国际互联网、气象信息等。
与国外相比，我国污水处理自动化控制起步较晚，70年代开始采用热工仪表，实行集中巡检；80年代应用分析仪表和DCS系统；到90年代，随着一大批利用国际贷款的大型污水处理厂的建成投产，我国污水处理控制系统的自动化水平有了很大提升。
从外国引进污水厂的自动控制系统已广泛采用集散式计算机监控系统，应用了自动化程度较高的检测仪表，各种新工艺、新设备的大量出现并得到应用。
可以说我国污水处理自动化的现状是：
手动和自动兼备，自制和引用并举。
可以看出我国污水处理自控系统有以下特点：
对于新建的污水处理厂，引进了计算机分散控制系统，手动和自动并存的控制方式。
大部分以前建设的污水处理厂自动化程度仍然很低;国产在线仪表的稳定性还没有达到要求，所以大部分采用进口的在线仪表，但由于进口仪表价格昂贵，所以应用并不广泛。
水质的检测主要是有实验人员通过实验来测量;各个控制站之间完全独立，无信息交换。
并且各个控制单元由于内部资源的限制，只是实现了简单的时间控制和逻辑控制;上位机监控软件很少使用，几乎没有中控室，不能对全厂的设备实行实时监控，而一些报表的工作也主要是有厂里的工作人员手工完成。
通过对比，不难看出整体上和国外相比我国污水处理的自控系统仍然存在很大的差距，但是我国的应用前景却非常广泛、潜力很大[4]。
1.4本文研究的主要内容
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。
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第2章污水处理系统工艺流程
2.1SBR的结构及工作原理
本论文中的污水处理采用SBR污水处理工艺，即序批式间歇活性污泥法。
SBR采用时间分割的操作方式替代传统的空间分割方式，可以适应工业生产连续产生大量污水的特点。
SBR废水处理系统分别由粗细格栅除污池、集水池、SBR反应池、储泥池、水泵、鼓风机和电动阀门等部分组成，在粗细格栅除污池、集水池、SBR反应池、储泥池中分别设置液位开关，用以检测水池与水箱中的液位。
本文采用4个SBR池循环处理的工艺，并结合PLC技术，以期实现污水处理过程的实时检测和控制，保障生产过程的连续性，降低劳动强度。
此工艺由4个池组成，每个SBR处理周期包括进水、生化反应（曝气）、沉淀、排放等工序，污水在SBR中按序列间歇地进入每个反应工序。
曝气使好氧、缺氧和厌氧状态交替进行，最终达到脱碳、脱氨和脱氮的目的。
此外还有保证SBR的用风量。
SBR的布置图如图2-1所示。
图2-1SBR池的布置图
在充氧阶段，SBR反应池去除有机物的机理与普通活性污泥法相同。
不同点是，运行时，进水、反应、沉淀、排水、空载排泥5个工序在同一SBR反应池中周期性运行。
当污水进入反应池后，与池内空载期的污泥混合，污水中的有机物被菌胶团吸附，并开始生物降解。
反应结束后经过沉淀期，上部的水逐渐变清，利用滗水器将水排出，最后排出污泥[5]。
2.2PLC控制系统设计原则与步骤
PLC控制系统是为工艺流程服务的，所以它首先要很好的实现工艺提出的控制要求。
PLC控制系统的设计应遵循以下原则：
（1）最大限度地满足被控对象的控制要求。
（2）保证PLC控制系统安全可靠。
（3）力求简单、经济、适用及维修方便。
（4）适应发展的需要[6]。
PLC控制系统的设计与调试应遵循一定的步骤。
整体的设计步骤如图2-2所示。
图2-2设计步骤示意图
（1）控制要求分析
在设计PLC控制系统之前，必须对工艺过程进行细致的分析，详细了解控制对象和控制要求，这样才能真正明白自己所要完成的任务，设计出令人满意的控制系统。
（2）确定输入/输出设备
根据控制要求选择合适的输入设备和输出设备。
并根据所选用的输入/输出设备的类型和数量，确定PLC的I/O点数。
（3）选择合适的PLC
因为实验室只有一种三菱的FX系列PLC，而且用此PLC可以满足控制要求，因此本课题的PLC选择三菱的FX1N。
（4）I/O点数分配
点数分配就是规定PLC的I/O端子和输入/输出设备的对应关系。
（5）PLC程序设计
本阶段就是根据控制对象和控制要求对PLC进行编程。
首先把工艺流程分为若干阶段，确定每一阶段的输入信号和输出要控制的设备，还有不同阶段之间的联系，然后画出程序流程图，最后再进行程序编制。
（6）组态设计
根据控制要求，模拟控制现场，在组态软件上进行组态设计。
（7）模拟调试
程序编好后，可以用按钮和开关模拟数字量，与组态软件相连接，进行模拟调试，使控制程序基本满足控制要求。
（8）撰写论文
以上步骤都完成后，整理有关的文档、程序，进行论文的撰写[7]。
2.3污水处理工艺过程阐述
（1）进水
进水阀门打开，污水通过粗格栅，经过水泵，然后再经过细格栅过滤，污水到达集水池，再根据控制要求，将集水池中的污水分步骤逐次地注入各个SBR反应池。
（2）反应
反应工序是SBR工艺最重要的一道工序。
当污水注入达到预定容积后，停止进水，空气阀门打开，鼓风机启动，开始曝气，同时潜水搅拌机和回流污泥泵运行，可开始反应操作，如驱除BOD、硝化、磷的吸收以及反硝化等[7]。
根据反应需要达到的程度，进行曝气和搅拌，并决定反应时间的长短。
潜水搅拌机与曝气系统混合使用，使能耗大幅度降低，充氧量明显提高，创建水流，加强搅拌功能，防止污泥沉淀，有效防止沉淀。
（3）沉淀
当SBR池停止曝气以后，空气阀门关闭，同时潜水搅拌机、回流污泥泵也停止运行。
开始重力沉淀和泥水分离。
（4）排水
SBR池达到高水位，并经过沉淀工艺以后，上清液由滗水器缓慢排除池外。
当池水位达到设定的最低水位时，滗水器停止运行。
同时，剩余污泥泵在滗水器停止运行后开始运行，排泥至储泥池。
系统有4台滗水器，分别位于4个SBR反应池内。
滗水器通过PLC可编程控制器实现自动控制。
当SBR反应池的静置时间结束，且液位满足要
求时，滗水器开始运行[8]。
2.4PLC与MCGS组态软件的通信
从总体上讲，组态软件是由系统开发环境和系统运行环境两个部分组成的。
系统开发环境是自动化工程设计工程师为实施其控制方案，在组态软件的支持下进行应用程序的系统生成工作所必须依赖的工作环境。
通过建立一系列用户数据文件，生成最终的图形目标应用系统，供系统运行环境运行时使用。
系统开发环境由若干个组态程序组成，如图形界面组态程序、实时数据库组态程序等。
系统运行环境是在系统运行环境下，目标应用程序被装入计算机内存并投入实时运行。
系统运行环境由若干个运行程序组成，如图形界面运行程序、实时数据库运行程序等[9]。
MCGS系统结构图如图2-3所示。
图2-3MCGS软件系统结构图
运用MCGS6.2建立运行程序的一般过程：
（1）启动MCGS组态环境，建立工程项目。
（2）进行设备配置。
设备配置的目的是实现上下位机通讯，即实现计算机与智能仪表之间的连接。
通过设备窗口配置数据采集与控制输出设备，注册设备驱动程序，定义连接与驱动设备用的数据变量。
（3）构造数据库。
在实时数据库窗口建立新的数据库文件。
要求与设备要求的数据库一致。
该窗口定义不同类型和名称的变量，作为数据采集、处理、输出控制、动画连接及设备驱动的对象。
（4）制作图形画面，在用户窗口实现。
主要用于设置工程中人机交互的界面，例如：
生成水位变化的动画显示画面、报警输出、数据与曲线图表等。
（5）在主控窗口建立新工程。
主控窗口中可以放置一个设备窗口和多个用户窗口，负责调度和管理这些窗口的打开或关闭。
主要的组态操作包括：
定义工程的名称，编制工程菜单，设计封面图形，确定自动启动的窗口，设定动画刷新周期，指定数据库存盘文件名称及存盘时间等。
（6）链接。
动画链接是将动画与数据库变量建立联系，当数据库变量发生改变时动画就可以表现出来。
即当水箱中水位发生变化时，动画可以适时显示。
（7）调试。
当以上步骤完成以后，先进行组态检查通过后就可以进入运行环境调试[10]。
2.5本章小结
本章主要介绍了SBR污水处理的整个工艺流程，PLC控制系统的控制原则以及设计步骤，应用组态软件的一般过程。
接下来的设计应按照这个原则和步骤进行设计，有条理的逐步完成本次毕业设计及论文的撰写。
第3章电气控制系统方案的选择及硬件设计
3.1PLC的工作原理
PLC与继电器构成的控制装置的重要区别之一就是工作方式不同，继电器控制是并行运行方式，即如果输出线圈通电或断电，该线圈的触点立即动作，只要形成电流通路，就有可能有几个电器同时动作。
而PLC则不同，它采用循环扫描技术，只有该线圈通电或断电，并且必须当程序扫描到该线圈时，该线圈触点才动作，而且每次只能执行一条指令，这也就是说明PLC是以“串行”方式工作的，这种工作方式可以避免继电器控制的控制的触点竞争和时序失配等问题。
也可以说，继电器控制装置根据输入和逻辑控制结构就可以直接得到输出，而PLC控制则需要输入传送、执行程序指令、输出3个阶段才能完成控制过程。
3.1.1循环扫描技术
PLC循环扫描可分为3个阶段：
输入阶段（将外部输入信号的状态传送到PLC）、执行程序阶段和输出阶段（将输出信号传送到外部设备）。
（1）输入阶段
在这个阶段中，PLC先进行自我诊断，然后与编程器或计算机进行通信，同时中央处理器扫描各个输入端并读取输入信号的状态和数据，并把它们存入相应的输入存储单元。
（2）执行程序阶段
在这个阶段中，PLC按照由上到下的次序逐步执行程序指令。
从相应的输入存储单元读入输入信号的状态和数据，然后根据程序内部继电器、定时器、计数器、数据寄存器的状态和数据进行逻辑运算，得到运算结果，并将这些结果存入相应的输出存储器单元。
这一阶段执行完后，进入输出阶段。
在这个程序执行中，输入信号的状态和数据保持不变。
（3）输出阶段
在这个阶段中，PLC将相应的输出存储单元的运算结果传送到输出模块上，并通过输出模块向外部设备传送输出信号，开始控制外部设备。
3.1.2PLC的输入/输出响应时间
I/O响应时间是指某一输入信号从变化开始到系统相关输出端信号的改变所需要的时间。
因为PLC的循环扫描工作方式，所以收到输入信号的时刻不同，响应时间的长短也就不同。
下面就给出最短和最长响应时间。
最短响应时间：
一个扫描周期刚结束就收到输入信号，即收到这个输入信号与开始下一个扫描周期同时，这样的响应时间最短。
考虑到输入电路和输出电路的延时，所以最短响应时间应大于一个扫描周期。
最长响应时间：
一个扫描刚完成输入读取后才接到输入信号，这样这个输入信号在该扫描周期将不会发生变化，要等到下一个扫描周期才能得到响应，这时的响应时间最长[11]。
3.2SBR污水处理电气控制系统设计要求
（1）控制装置选用PLC作为系统的控制核心，根据工艺要求合理选配PLC机型和I/O接口。
（2）执行自动工作方式，应能按照工艺要求编辑程序并可实时整定参数。
（3）驱动搅拌机为正、反转双向运行，因此要在PLC控制回路加互锁功能。
（4）PLC的接地应按手册中的要求设计，并在图中表示或说明。
（5）为了设备安全运行，考虑必要的保护措施，如电动机过热保护、控制系统短路保护等。
（6）绘制电气原理图：
包括主电路、控制电路、PLC硬件电路。
（7）选择电器元件、编制元器件目录表。
（8）绘制接线图、电控箱布置图和配线图、控制面板布置图和配线图等。
（9）采用梯形图或指令表编制PLC控制程序[12]。
3.3SBR污水处理电气控制系统的总体设计
3.3.1设计过程
（1）系统由一台粗格栅除污机，由时间间隔控制其开或者停。
为了调试方便，设置开5S，关5S。
粗格栅池有两个浮球开关，分别标示着池中污水的液位上限值和下限值。
如果液位达到上限值，前面的水泵1关闭，如果液位达到下限值，后面的水泵2关闭。
（2）两台水泵，水泵2和水泵3，由时间和浮球开关同时控制，当粗细格栅除污机工作时，水泵不工作，当粗格栅除污机不工作时两台水泵工作。
细格栅池水位高时，关闭水泵3。
（3）细格栅除污机，由时间控制其开或者停。
为方便调试，设置开5S，关5S。
细格栅池有两个浮球开关，分别标示着池中污水的液位上限值和下限值。
如果液位达到上限值，前面的水泵3关闭，如果液位达到下限值，后面的调节阀2关闭，以维持系统的正常运行。
（4）皮带运输机在粗格栅除污机工作一定时间后开始工作，设置粗格栅除污机工作2S后，皮带运输机开始工作。
粗细格栅除污机同用一台皮带运输机。
（5）污水经过细格栅除污机后进入集水池，当集水池处于低水位时，关闭集水池后面与其相连的所有阀门。
集水池中应用4个浮球开关，实时监测集水池中水位的变化，当水位非常高时，发报警信号。
（6）4个SBR池，每个池中都有2个浮球开关监测池水的水位。
SBR池内进水阀门依次开启，当1#SBR池水位升到一定液位后关阀门，然后开2#SBR池进水阀门，2#SBR池水位升到一定液位后关阀门，然后开3#进水阀门，依次类推。
（7）进水阀门关闭后，空气阀门开启，潜水搅拌器和回流污泥泵同时开启。
SBR池的水位有限制，水位太高会溢出池外，水位太低则不能满足曝气的要求，因此设置水位保护。
在进水阶段，如达到高水位则停止进水，如水位太低则不曝气重新进水。
一定时间后关闭空气阀门，潜水搅拌器和回流污泥泵也随之关闭。
（8）空气阀门关闭5S后，滗水器开始运行，将池内的上清液排出，当SBR池液位下降到一定高度后停止运行。
（9）剩余污泥泵在滗水器停止运行后开始运行，排泥至储泥池。
储泥池液位达到高液位后停止运行。
（10）当开启一个空气阀门时开启一台鼓风机，开启两个或三个空气阀门时开启两台鼓风机。
（11）脱水机按水处理工艺要求工作，单体为自动化组。
3.3.2控制系统方案设计
（1）SBR废水处理系统控制对象电动机均由交流接触器完成起、停控制，搅拌机要采用正、反转控制。
（2）粗细格栅除污池、集水池、SBR反应池、储泥池等的液位检测开关，在选型时考虑抗干扰性能，选用电极考虑耐腐蚀性。
（3）粗细格栅除污机、各个水泵、鼓风机电动机、搅拌机分别采用热继电器实现过载保护，其热继电器的常开触点通过中间继电器转换后，作为PLC的输入信号，用以完成各个电动机系统的过载保护。
（4）鼓风机的控制要求在无负载条件下起动或停机，需要在曝气管路上设置空气阀。
（5）主电路用断路器，各负载回路和控制回路以及PLC控制回路采用熔断器，实现短路保护。
（6）电控箱设置在控制室内。
控制面板与电控箱内的电器板用BVR型铜导线连接，电控箱与执行装置之间采用端子板连接。
（7）PLC选用继电器输出型。
（8）PLC自身配有24V直流电源，外接负载时考虑其供电容量。
PLC接地端采用第三种接地方式，提高抗干扰能力。
3.3.3SBR污水处理电气控制系统硬件电路设计
1.主电路设计
SBR污水处理电气控制系统主电路如图3-1所示。
图3-1
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