基于PLC的污水处理系统的设计本科毕业设计.docx
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基于PLC的污水处理系统的设计本科毕业设计
SJ005-1
CHANGZHOUINSTITUTEOFTECHNOLOGY
毕业设计说明书
题目：
基于PLC的污水处理系统的设计
二级学院：
电子信息与电气工程学院
专业：
自动化
动化
班级：
09自一
学生姓名：
学号：
指导教师：
职称：
副教授
评阅教师：
职称：
摘要
目前，我国大多数污水处理控制系统自动化水平不高、安全性低、管理不当，效率普遍低于世界标准。
中国污水处理自控系统相对落后，污水处理成本居高不下，污水厂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，减少运行费用，具有重要意义。
本文介绍了工厂污水处理的基本工艺和流程，并通过研究设计一套基于PLC控制的污水处理系统。
文章首先介绍了基于PLC污水处理控制系统的工艺及相关流程，控制系统硬件结构及设计、工作原理以及设计PLC控制系统的基本原则和步骤，来说明PLC在污水处理过程中的应用。
本系统设计了格栅池，调节池，反应池和除盐池，通过除盐池的最后的浓度检测保证了污水的盐浓度的达标排放。
然而本系统也存在一定的缺陷，整个系统的设计偏于简单，最后对于污水中的微生物的排放也没有详细的检测。
这就需要在以后的设计中不断改善。
关键词：
污水处理；PLC；工艺流程
Abstract
Currently,themajorityofoursewagetreatmentcontrolsystemautomationlevelisnothigh,lowsecurity,mismanagement,efficiencyisgenerallylowerthantheworldstandards.Chinaisrelativelybackwardautomaticcontrolsystemofsewagetreatment,sewagetreatmentandthehighcostofwastewatertreatmentplantdischargeofthetreatedeffluentqualityisunstable,sohowtoestablishaneffectiveautomaticcontrolsystemtooptimizeoperatingresults,reduceoperatingcosts,hasimportantsignificance.
Thisarticledescribesthebasicprocessofsewagetreatmentplantsandprocesses,andthroughtheresearchanddesignofaPLC-basedcontrolofsewagetreatmentsystems.ThearticlefirstintroducesthePLC-basedcontrolsystemforwastewatertreatmenttechnologyandrelatedprocesses,controlsystemhardwarearchitectureanddesign,operatingprinciplesanddesignofthebasicprinciplesofPLCcontrolsystemandstepstoillustratePLCintheapplicationofthesewagetreatmentprocess.Thesystemwasdesignedgrillepool,regulationpool,inadditiontothereactiontankandYanchi,Yanchithroughexceptfinalconcentrationdetectionensuresthesaltconcentrationofsewagedischargestandards.
However,thepresentsystem,therearesomeflaws,overallsystemdesignaresomewhatsimpler,andfinallyforthemicroorganismsinwastewaterdischargetherewasnodetailedtesting.Thisrequirescontinuousimprovementinthedesignofthefuture.
Keywords:
sewagetreatment;PLC;process
第一章绪论
水与人的生活是密不可分的，特别是在现代社会生活及生产中对水的需求量与日俱增。
据报道我国人均淡水资源拥有量为2400吨，为世界平均值的1/4，在全球如此多个国家中，我国人均淡水资源拥有量位居后位，属于淡水资源贫乏的国家。
我国水资源空间分布极不均衡，全国很多个城市缺水，包括几个城市严重缺水，北方地区缺水现象甚是堪忧，人均拥有淡水量只有240吨。
令人担忧的是淡水总量的不断减少，然而用水成本却在不断升高，淡水资源的浪费十分严重。
我国北方地区淡水资源的超采，已形成漏斗地势、水位下降、湖泊干涸、河水断流、生态恶化等现象。
淡水资源的短缺己经成为我国急需解决的问题。
我国不但淡水资源不断减少，而且污染现象较为严重。
水资源已经成为影响工业发展的重要因素，现代工业生产中生产工艺和生产设备对水质要求不断严格。
我国工业用水耗费高，重复利用率低。
目前全国城市污废水的处理率仅有10%以下，其余的都完全不经处理排入河流湖泊等，造成了非常大的环境污染。
耗水量高、重复利用率低、污染严重已经成为我国工业系统水资源利用的急需解决的问题。
环境污染问题大的不断加剧使有限的水资源日益减少、水质日益恶化。
由于水质污染问题的不断加剧，我国已有大约四分之一人的饮水发生不安全现象。
气象学家预测，22世纪全球变暖加剧，地表将有1/3的面积将严重缺水，乃至变为沙漠，那时，水资源的问题将威胁全球一半的生物的生存。
这些都是水污染产生的严重后果，因此工业污水处理安全排放项目的实施已经刻不容缓。
众多事实说明，水资源的短缺将制约经济可持续协调发展，因此各国已经越来越重视污水处理和污水处理后水资源的二次利用的问题，并建立各种污水处理的技术来提高供水的质量。
并且在处理工业污水问题时，经过厌氧以及好氧办法，污水中的可再生能源可以为生产生活提供可利用的能源，从而实现变废为宝的目的。
随着环境污染的日益严重，环境保护项目的呼声日益提高，工业污水处理已经体现出其必要性和紧迫性，对于各种污水处理后达标排放实施成为政府对各企业最基本的要求。
在工厂的工业污水处理过程中，污水来源的不确定以及工厂中各种污水成分的复杂性，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污水处理的国内外研究现状
我国工业污水处理技术从“七五”科技攻关时期开始进行研究。
“七五”和“八五”在氧化沟方面和复合生态系统等处理技术方面的研究较多，设计依据这些研究成果，建立了一系列污水处理示范工程，如氧化沟，对负荷性高的污泥以及负荷性高的生物膜，氧化沟技术方面有了比较深入的研究。
研究成果目前已被应用于大批工业污水处理厂。
污水处理中的污泥问题在“九五”科技攻关中受到重视，并配套开发成套的污泥处理。
经过一段期间的努力，我国在工业污水处理技术方面掌握了一定的技术。
目前在水污染问题的整治技术上，我国已掌握了以下的一些工艺技术：
如比较传统的活性污泥法技术以及各种新型的活性污泥工艺，如：
SBR法和氧化沟技术法等，这些污水处理的方法已经在污水的处理及处理污水环境方面有了很大的作用，这些技术的发展以及大量应用标志着我国污水处理事业一个新阶段的到来。
现阶段，我国已经把重点由对污水处理工艺的研究转移到污水处理项目的有效实施问题上。
国际上，大规模的水污染治理开始于第二次世界大战后，随着19世纪50年代经济的蓬勃发展，工业逐渐发展强大，污水排放问题的大规模出现，60年代日益严重的环境污染开始了。
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当时控制水体污染的问题上发挥着至关重要的作用。
至70年代末，美国投入了数千亿美元兴建了很多座城市工业污水处理厂，英国、法国、德国等国家更耗费了巨额资金兴建了7000至8000座城市工业污水处理厂。
国家水体污染的问题能够得到控制，这些工业污水厂的兴建起到了决定性的作用，也为其他各国对水污染的治理问题提供了强大的实践依据。
现在，这些国家的工业污水处理水平又在进一步提高，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。
1.2课题的背景
未来10年，中国将撤资数千亿元建立工业污水处理项目工程建设投资，其中工业污水处理设备投入约三百亿元。
采用先进、实用的技术改造传统工艺，以及在环保工程中广泛采用的先进的自动控制技术，是推动环保产业升级，实现环保与经济可持续发展战略的重要环节。
在这种形势下工业污水处理的自动化控制系统毫无疑问将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。
对于环境污染的问题，国务院明确规定所有工业废水的污染源都必须达排放标，而有些经过处理的污水还可以变废为宝，循环再利用。
由于我国是一个水资源稀缺的国家，而且水资源时空分布极不均匀，许多地区和城市严重缺水。
因此，从环保、节水、经济等多方面的因素考虑，对于工业污水处理的实施非常有必要。
因此，有效的结合目前最新的工艺状况、自控检测仪表使用、PLC控制系统技术的使用，将为当前工业污水处理控制系统提供有效的自控方法。
1.3研究目的和意义
世界任何国家工农业生产能力的增强，都会推进社会进步、促进社会经济的发展，使人民生活条件得到进一步改善，但是也随之带来大的却是不同程度的环境污染，污水便是造成环境污染的主要来源之一。
这个污染源的出现引起了世界各国政府的关注，治理水污染，实现水资源的循环利用的课题迅速被列入世界环保组织的工作日程。
我国就是一个严重缺水的国家，目前我国约300个城市缺水，其中严重缺水城市有5O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每年达2300多个亿，以至于缺水灾害超过洪涝灾害。
水资源的匮乏和水资源污染日益严重的问题，已经严重的影响了人民的日常生活，严重的影响了我国的经济的建设和发展。
因此建立符合我国国情的污水处理厂自动控制系统对降低工业污水处理成本、改善环境发挥着重要作用，并对建立可持续发展的和谐社会、保持我国经济高速发展具有重要意义。
1.4课题主要设计的内容
本课题主要设计的内容是工业污水处理工艺及工业污水处理系统的组成和PLC控制系统设计,主要由以下内容组成：
（1）介绍了工业污水处理的基本内容，包括工业污水处理的发展现状以及工业污水处理的工艺流程；
（2）具体分析设计工业污水处理的硬件系统，主要硬件的选型以及主电路和PLC外部接线图的设计；
（3）具体分析设计工业污水处理的软件系统，对系统工作流程的编程及解释；
（4）工业污水处理系统的触摸屏与仿真。
1.5本章小结
本章主要是介绍了污水处理的背景，国内外研究现状以及研究污水处理的意义。
还大体介绍了污水处理系统的主要的设计内容。
第二章污水处理系统的工艺介绍
2.1常用的污水处理工艺
不同的工业污水处理对象和不同的工业污水处理环境，是需要有不同的工业污水处理工艺来处理的。
因此，在选择工业污水处理工艺的时候必须要认真考虑当地污水排放的情况，以及实际的工业污水处理的环境条件。
工业污水处理的方法主要有物理、化学、物理化学等主要的几种处理方法。
这些方法根据实际情况，可以单个使用，也可以针对不同的污水多个一起使用。
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。
常用的工业污水处理工艺有以下几种。
（1）传统活性污泥法。
传统活性污泥处理法是一种最普遍最古老的工业污水处理工艺，其工业污水处理的关键组成部分为沼气池与沉淀池。
污水中的微生物及有机物在曝气池停留的过程中，曝气池中的微生物吸附污水中的有机物，并且在曝气池中发生生化反应，污水中的有机物被氧化成无机物，然后在沉淀池中经过沉淀后的部分回流活性泥的作用需要回流到曝气池中。
该工艺的优点有：
有机物去除率高，池的容积小，发生的生化反应比较彻底，耗电省，运行成本较低。
该工艺的缺点有：
普通曝气池占地面积，建设投资成本高，满足国家标准的污水排放低、易产生污泥膨胀现象，污水中磷和氮的去除率低。
（2）A/O法。
A/O法是在传统的活性污泥法的基础上逐渐发展应用起来的一种工业污水处理方法，其中A具体是指缺氧的，O具体是指好氧的。
A/O法是一种缺氧—好氧生物工业污水处理工艺。
该工艺是通过增加建设好氧池与缺氧池，然后使好氧池与缺氧池发生生化反应，也就是硝化—反硝化反应，这就形成了硝化—反硝化反应系统，它能够很好的处理污水中的氮浓度以及氮含量，能够较好地达到脱氮的效果。
但是此生化反应系统需要进行非常好的控制，这样就对该工艺提出了更高的管理要求，这也成为了该工艺的一大缺点，管理量增加，人员消耗和经济损失增加。
本系统的污泥首先经过格栅池，去除大块沙石，经过沉淀池的沉淀，通过好氧和厌氧的反应，对沙石进行生化反应。
最后再经过沉淀将污水排出，其余的污泥回流。
（3）
法。
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
，即AA，前一个A代表厌氧的，后一个A表示缺氧的；O表示好氧的。
是一种厌氧—缺氧—好氧工业污水处理工艺。
主要用于除磷脱氮的污水处理中，非常适合用于对除磷脱氮有严格要求的工业污水处理系统中。
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
工艺。
（4）A/B法。
A/B法是吸附生物降解法的简称，该工艺没有初沉淀池，将曝气池分为高负荷和低负荷两段，两段分别有各自的沉淀以及污水污泥的回流系统。
在高负荷是持续的时间约为二十到四十分钟，此时间中主要进行生物絮凝吸附，并进行不完全氧化的反应，能达到去除一半以上的微生物。
B段污泥处理方法与常规去污泥法类似，对污泥的负荷比较低。
AB法中A段中去除污泥的效率比较高，缓冲能力也比较强。
B段的作用是在出水时检验，对污泥的处理比较好。
对于浓度比较高的工业污水的处理，AB法被广泛运用，并能节约能源，提高经济效益。
尤其在采用污泥消除和利用沼气的工艺时，最能突出优势。
但是，AB法的缺点就是产生的污泥较多，A段污泥中含有很多的有机物高，因此必须建立污泥有机物处理的工艺，然而这样投资费用就会增加，增加了不必要的经济损失。
而且，由于微生物在A段消除的比较多，使得碳的消耗量增加，导致了碳资源的利用增多，从而对脱氮大的要求难以实现。
对于污水浓度低的场合，B段也比较难于发生作用，也难以发挥本身的优势。
总体而言，AB法工艺较适合于浓度高的污水，且具有污泥硝化等后续处理设施的大中规模的城市工业污水处理厂，且有明显的节能效果，而对于有脱氮要求的城市工业污水处理厂，一般不宜采用。
2.2本设计污水处理工艺
SBR是间歇式活性污泥法，是一种使用曝气机间接释放曝气的方式来处理活性污泥的技术。
SBR处理与其他的污水处理方式不同的是，SBR技术是依靠时间的分割的方式，而传统的污水处理工艺是采用的空间分割的操作方式，不稳定的生化反应和理想的静置沉淀替代稳态生化反应和传统的动态沉淀。
它的主要特征是在运行时，保持有序和间歇操作，SBR处理工艺的主要部分是SBR反应池，该池集均化、初次沉淀、生物降解、二次沉淀等功能于一池的无污泥回流系统。
正是SBR工艺这些特殊性使其具有以下特点：
1、理想的推流过程使生化反应动力增大，效率提高，池内厌氧、好氧处于不断交替状态，生化反应进行得更加彻底，净化效果好。
2、运行效果好，污水在静止的状态下沉淀下来，所需要时间短、污水处理效率高，出水水质好。
3、耐冲击负荷，池内一般都有有滞留的处理水，对污水有稀释、缓冲作用，处理水能有效抵抗水量和有机污染物的冲击。
4、污水处理的各过程可根据污水的质量和污水的体积进行快速有效大的调整，运行灵活快速。
5、SBR处理池的处理设备较少，构造简单，便于进行日常的操作和管理。
6、反应池内有氧和微生物的浓度比较大，能够有效控制活性污泥的增多。
7、SBR法系统本身也适合于与其他系统的结合式构造方法，有利于很好地建立污水处理厂，适应其他的污水处理系统。
8、脱氮除磷，能够在一定程度上控制好运行的方法，实现好氧、缺氧、厌氧三种状态的交替，脱氮除磷具有很好的效果。
9、工艺流程简单、造价低。
主体设备简单，可单独使用，无需沉淀池，除污池。
占地面积小，投资费用低。
由于上述技术特点，SBR系统拓展了活性污泥法的使用范围。
就SBR系统近期的技术条件而言，SBR系统更适合以下情况：
中小城镇生活污水和厂区，工矿企业的工业废水，尤其是间歇不定期排放和污水排量变化较大的地方；需要较高出水水质的地方，不但要去除有机物，还要实现水中除磷脱氮的作用，防止生态旅游景区河湖富营养化；最后就是水资源紧缺的地方，要通过污水系统的处理排出的废水可以循环使用。
SBR系统可在生物处理后进行物化反应处理，不需要增加设施，减少了经济损失，便于水的回收利用。
本系统主要设有格栅池，调节池，SBR反应池和除盐池四个池，格栅池的作用主要是除渣，也就是简单的去除的大块的杂质，调节池的作用主要是调节水质和水量，SBR反应池的作用主要是脱磷，脱氮，除盐池的作用是检测盐的浓度，最后确保污水的安全排放。
本文所研究的污水处理流程如图2-1所示
图2-1污水处理流程图
2.3本章小结
本章内容主要介绍了各种污水的处理工艺，并详细介绍了本课题污水处理工艺，及其流程图。
本次污水处理的主要工艺是SBR法，是按间歇曝气方式来运行的活性污泥污水处理技术，能进一步处理生化反应，更好地处理各种有害物质。
第三章污水处理系统的控制方案
3.1污水处理系统的控制形式
最开始大家多采用继电器—接触器控制系统，但随着社会以及电子技术的快速发展，控制要求不断精密，此类控制方法已经完全不能满足工业污水处理系统的控制要求，所以逐渐被DCS、现场总线控制、PLC等控制方式所取代。
（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、通信网络技术等技术相互作用形成的。
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、控制站等多种设备连接起来，完成控制的分散分类和集中操作、集中管理的功能，适用于平时的生产过程，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控制系统和PLC控制系统发展而来的，是立足于现场总线的自动控制系统。
该系统的数据传输是依靠在智能设备和计算机间的数据的传输和交换，智能设备间的通讯原则依据公开和规范的原则。
通过现场总线的控制，从而实现控制和管理结合的控制系统，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，它是用来控制处理系统的，能够实现控制系统所要完成的控制要求，其上位机可依靠计算机，计算机通过网络与PLC连接，并依靠PLC和计算机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。
3.2控制方案的确定
1DCS系统与PLC系统的比较
DCS系统的缺点：
（1）1对1结构。
1台仪表，1对传输线，单向传输1个信号。
这种结构造成接线庞杂、工程周期长、安装费用高、维护困难。
（2）可靠性差。
模拟信号传输不仅精确度低，且易受干扰。
为此采用各种措施提高抗干扰性和传输精确度，其结果是增加了成本。
（3）失控状态。
操作员在控制室既不了解现场模拟仪表的工作状况，也不能对其进行参数调整，更不能预测事故，导致操作员对其处于失控状态。
因操作员不能及时发现现场仪表故障，而发生事故已屡见不鲜。
（4）互操作性差。
不同品牌仪表无法互换。
而PLC系统的可靠性高，所有的I/O输入输出信号均采用光电隔离，各模块均采用屏蔽措施，以防止噪声干扰，采用性能优良的开关电源。
为了适应各种工业控制需要，除了单元式大的小型控制器以外，绝大多数控制器均采用模块化结构。
控制器的各个部件由机架及电缆将各模块连接起来，系统大的规模和功能可根据用户的需要自行组合。
2现场总线控制系统与PLC系统的比较x
现场总线控制系统的缺点：
（1）总线切断后，系统有可能产生不可预知的后果。
（2）在防爆应用中，现有防爆规定限制总线长度和总线上所挂设备数量，同时也限制了现场总线节省线缆优点的发挥。
（3）系统组态参数过于复杂，不易掌握，而其设定的好坏对系统性能影响很大。
PLC系统可以在各种工业环境下直接运行，使用时只需将现场的各种设备与PLC相应的I/O端相连接，即可投入运行，各种模块上均有运行和故障指示装置，便于用户了解运行情况和查找故障。
所以，综上所述，本文所选用的系统为PLC系统。
3.3本设计的总体设计方案
本污水处理系统采用的可编程控制器为三菱FX2N型。
控制系统的结构框图如下所示。
框图中的各设备可以在集中控制室内控制。
通过液位的高度来控制格栅池，调节池和反应池的运行，通过液位的高度以及余氯仪所反馈的盐浓度来控制除盐池的运行。
图3-1控制系统结构框图
3.4本章小结
本章内容主要介绍了常用的几种控制方式：
DCS系统，现场总线控制系统，PLC系统，并根据PLC系统的优点最终确定本设计所选用PLC的控制系统。
并简要介绍了PLC系统，PLC系统的工作原理及设计步骤。
第四章硬件的设计
4.1污水处理的组成部分
4.1.1格栅池
生活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。
除渣系统主要由格栅完成。
格栅池内的格栅是由平行的金属栅条构成的,一般都是倾斜地放在污水渠道中,用来拦截污水中的大块废弃物,如生活垃圾，大块工业垃圾等,加入格栅池以防止阀门、管道以及污水处理设备的刮伤或者损坏。
污水流过格栅池的速度越慢，则说明拦截污染物的效果越好。
但是流过格栅池的速度越缓慢也极易造成流过格栅池的水流激增，以及格栅池钱污泥的堆积。
因此，污水流过格栅池应根据污水中污染物的组成，含有污泥污砂的成份以及格栅池中格栅条之间的间距来确定格栅池的速度。
格栅池的作用是既要满足除渣要求，又要满足后续水处理构筑物及设备的要求。
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。
图4-1格栅除污机图
本系统设有液位报警模块，由液位计来测量格栅池内的水位，当格栅池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。
格栅池中包含格栅池进水电机、排污
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