本科毕业论文基于PLC的企业污水处理电气控制部分设计 精品.docx
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本科毕业论文基于PLC的企业污水处理电气控制部分设计精品
TianjinUniversityofTechnologyandEducation
毕业论文
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本科生毕业论文
基于PLC的某企业100吨污水处理
电气控制系统设计
DesignofFactory100tonsseweragedisposalofElectriccontrolsystembasedonPLC
摘要
随着现代生产工艺的飞速发展，现场对传动设备的快速性、连续性、系统性的要求越来越高。
单台变频器的独立运行模式已经不能满足污水处理系统的工艺要求，因此，多任务系统运行已经成为发展趋势。
所有的本地柜前操作已经发展成为计算机集中远程自动控制的模式。
该系统是建立在计算机、PLC、传动装置间数据通讯的基础上，用来实现现场设备的运行状态监控和控制命令的下达。
本系统主要介绍了污水处理工艺流程，PLC在城市污水处理中的具体应用以及计算机监控系统数据采集的方法。
系统运用SIEMENSS7-400PLC作为控制核心，各级监控系统通过工业以太网相互连接，通过此设计提高了污水处理厂的运行管理水平。
本系统结合某污水处理厂自动化控制系统的实际运行情况，设计并改造了污水处理厂的设备组成、自动化控制方式和各工作站的功能、网络构成等。
通过生产实践证明，该系统不仅具有较强的并行协调处理能力，而且具有高可靠性、灵活性和可扩展性，以及高速处理能力等优点。
充分证明自动化控制系统对提高生产效率、无人值守或少人值守、提高安全性具有良好效果。
关键词:
污水处理；自动化控制系统；PLC；硬件配置；软件设计
ABSTRACT
Withtherapiddevelopmentofmodernmanufacturingtechnique,thespotisstricterrequirementswithrapidity,continuityandsystematicnessofsystem.Thesingletransducerexecuteindividuallyhaslaggedbehindnow.Itistrendthatmanysetsruntogetherasasystem.Alllocaloperationsystemshavealreadydevelopedtoautomationmodebeforethecontrolcabinet,inwhichthecomputerisamainrole.Thecharacteristicsareallsetuponthebasisofthematterthatthedateofthecomputer,PLCandTransportunitisexchangedeachether.Itwillberealizedthatsuperviseoperationstatusoftheequipmentsandsendthecontrolorders.
ThepaperintroducesPLCapplicationintheprojectoftreatmenturbanwastewater,inwhichS7—400seriesisappliedandintroducesthemethodofurbanwastewatertreatment.Thepaperalsointroducesthemethodofreceivingdateinthesupervisorysystemplanttheprogrammablecontrollerhasalreadybecomemostimportant,mostreliableandusingthemostextensiveindustrialcontrolmicrocomputerofoccasionnow.Inordertoimprovetheoperationmanagementlevelofthesewagetreatmentplant,thesupervisorysystemusestheS7-400PLCtoconstitutecoreofthesystemandiscomposedofeachunitofthecontrolsystemaccordingtocertaintopologicalstructure.Accordingtotherunningsituationofthebenevolenceandautomaticcontrolsystemofsewagetreatmentplant,recommendstructuresofthesewagetreatmentequipment,automaticcontrolmethodandthefunctionandapplicationofeveryPLCworkstationinsewagedisposalandsummarizethegoodresultoftheautomaticcontrolsystemhowpromotingproductionefficiencyandsecurityandreducingtheon-the-spotattendant.
KeyWords：
Sewagetreatment;Automationcontrolsystem;PLC;Hardwaredisposition;Softwaredesign
.
1引言
近几年，随着工业迅速发展，城市人口逐渐增加，人民生活水平逐渐提高以及近期世界经济的高速发展，各种用水量亦随之增长。
但是大自然赋予人类的这部分资源是有限的，而这有限的资源还在不断地受到人类肆意开采及污染。
这就使得水资源供需矛盾愈来愈突出，愈来愈明显。
对生活污水进行处理主要有两种形式：
一种是周围有城市污水厂管网的，生活污水进入城市污水厂管网，由城市污水厂进行处理；另一种是无法进入城市管网的生活污水就地建设污水处理设施，处理后达标排放或进一步处理达到中水回用的目的。
本文主要讨论前一种形式。
计算机及通信技术已成为工业环境中系统控制的核心部分，其在系统中的比重正在迅速增加。
在工业控制中，交流电机的拖动越来越多的采用变频器完成，不仅作为一个单独的执行机构，而且在不断地智能化，与远程计算机之间可以通过各种通信方式结合成一个有机的整体。
在实际工程实施时，变频器的启动、停止、方向、告警、故障指示以及故障复位等控制通常为端子排开关信号控制方式，速度控制采用模拟量给定值控制方式来完成。
由于变频器的输出端会产生强烈的干扰信号，控制器有时会造成误动作的情况。
当控制距离遥远时，还存在敷线工程量过大的问题。
随着现场总线的底层控制网络的发展，采用基于RS-485接口的USS通信协议对变频器进行控制的方法，大大减少了系统布线，可以避免现场可能的各种电磁干扰对控制设备的影响，有效地提高系统的抗干扰能力。
在我国，随着经济飞速发展，人民生活水平的提高，对生态环境的要求日益提高，要求越来越多的污水处理后达标排放。
在全国乃至世界范围内，正在兴建及待建的污水厂也日益增多。
有学者曾根据日处理污水量将污水处理厂分为大、中、小三种规模：
日处理量大于10万m3为大型处理厂，1-10万m3为中型污水处理厂，小于1万m3的为小型污水处理厂。
近年来，大型污水处理厂建设数量相对减少，而中小型污水厂则越来越多。
如何搞好中、小型污水处理厂，特别是小型污水厂，是近几年许多专家和工程技术人员比较关注的问题。
我国是个缺水的国家，人均水资源占有量只为世界人均水资源占有量的1/4。
而且我国的水资源在时空和地域上分布不均匀，更加重了缺水的实际情况。
因此近些来，我国的城市水资源进一步紧张，许多城市严重缺水。
与此同时，水资源的污染却日益严重，也因此许多城市都规划和建设了水污水处理厂，来改变目前水资源紧缺且污染的现状。
随着全球水资源供应的紧张和对自动化要求的增加，我国的污水处理厂必然是向着高度自动化和无人职守的方向发展。
目前，PLC在其稳定性和高度自动化程度的不断加强，使PLC成为在城市污水处理自动化方面的首选。
1.1污水水源及其杂用水水质
1．污水水源
一般采用工业污水作为污水水源，传染病医院、结核病医院污水和放射性污水都可作为污水水源。
对于住宅建筑可考虑厕所生活污水排水作为污水水源；公共食堂、餐厅的排水水质污染程度较高，处理比较复杂，宜采用；大型洗衣房的排水由于含有各种不同的洗涤剂，能否作为中水源须经试验确定。
2．污水水质
污水作为须处理的水源，其水质必须满足下列基本条件：
1）卫生上不是太安全，存在有害物质，其主要衡量指标有大肠菌群数、细菌总数、悬浮物量、生化需氧量、化学耗氧量等；
2）外观上给人以不快的感觉，其主要衡量指标有浊度、色度、臭气、表面活性剂和油脂等；
3）能引起设备、管道等严重腐蚀并造成维护管理的困难，其主要衡量指标有PH值、硬度、溶解性固体等。
1.2本设计的意义
污水处理技术近期得到了迅速发展，在美国、日本、印度、英国等国家（尤以日本为突出）得到了广泛的应用。
这些国家均以本国度、区域的特点确定出适合其国情国力的污水处理技术，使本国的污水处理系统越来越臻于完善。
在我国，这一技术已受到各级政府及有关部门重视并对其做了大量理论研究和实践工作，但由于传统的污水处理设备运行自动化程度低、效率低、故障率高，使其推广受到限制。
因此，有必要开发可靠性好、自动化程度高、功能全成本低的污水处理计算机控制技术。
在全国许多城市如深圳、北京、青岛、天津、太原等开展了污水处理工程的运行并取得了显著的效果。
2污水处理的主要内容及工艺流程
2.1主要内容
工艺流程主要内容包括：
粗格栅、细格栅、沉砂池、生化反应池、沉淀池、鼓风机房、污泥回流池、脱水机房等的电气控制系统的设计。
2.2工艺流程
首先从厂外污水泵站提升到污水处理厂的污水，经过粗格栅，去除污水中较大的垃圾、漂浮物；通过5台100KW和3台54KW的污水泵将污水提升到细格栅，将较小的漂浮物去除；在沉砂池搅拌、除砂；然后进入生化池进行厌氧、耗氧处理，经沉淀池泥水分离，上层澄清液作为净化后的清洁排放水；沉淀下来的污泥一部分回流到生化池再生利用，一部分作为剩余污泥回流到污泥浓缩池，进一步浓缩，通过污泥处理系统，把泥浆态的污泥脱水、压滤，形成干污泥饼（如图2-1所示）。
图2-1工艺流程简图
3主要设备的组成及控制方式
3.1主要设备
活性污泥法的曝气方式可分为两大类：
鼓风曝气及机械曝气两大类。
鼓风曝气系统的主要设备是鼓风机及扩散系统。
小污水厂的鼓风机一般采用罗茨风机及小型离心风机。
分散系统一般采用微孔曝气器。
但必须是适应于间歇曝气的运行方式。
鼓风机往往安装在SBR池旁边，以减少管路系统的造价。
由于污水厂较小，一般不设鼓风机房，仅在鼓风机上设罩棚。
这主要适用于厂矿企业内的污水处理厂，不严格控制噪音的情况。
如果污水厂左临生活小区，若采用鼓风曝气则必须建鼓风机房，同时还要有相应的降噪措施，这样情况下宜采用机械曝气方式。
（如表3-1）。
表3-1设备的组成
序号
设备名称
数量
技术参数
1
污水提升泵
5
1号泵站：
P=100KW，V=380VI=195A
3
2号泵站：
P=54KW，V=380VI=102A
6
3号泵站：
P=37KW，V=380VI=80A
2
粗、细格栅机
8
P=1.5KW，V=380VI=3.7A
3
HV-TUPBO鼓风机
3
P=160KW，V=380V
4
搅拌机
12
P=3.8KW，V=380VI=7.2A
5
吸刮泥机
8
P=0.37KW，V=380VI=1.2A
6
污泥提升泵
3
P=4KW，V=380VI=9.3A
7
投药泵
2
P=0.36KW，V=220V/380V
8
脱水机
2
P=2.2KW，V=220V/380V
9
电磁流量计
13
OUT:
4—20mADN350,DN600,DN1000
10
污泥浓度计
4
4—20mA0—5000PPM
11
溶氧仪
10
4—20mA0—5mg/l
3.2控制方式
污水处理厂的设备均采用三级控制方式，即现场控制方式、MCC控制方式（电动机控制中心）和微机控制方式。
目前，以MCC控制为基础，PLC控制为主导的控制方式始终处于工业自动化控制领域的主战场，为各种各样的自动化控制设备提供了非常可靠的控制应用。
其主要原因，在于它能够为自动化控制应用提供安全可靠和比较完善的解决方案，适合于当前污水处理厂对自动化的需要。
控制系统采用“双入单出”的模拟控制器。
输入量为pH值给定值与测量值的偏差e以及偏差变化率ec，输出量为向加药泵供电的变频器的输入控制电压u。
控制过程为控制器定时采样pH值和pH值变化率与给定值比较，得pH值偏差e以及偏差变化率ec，并以此作为PLC控制器的输入变量，经模拟控制器输出控制变频器输出频率n，从而改变加药量使pH值保持稳定。
（如图3-2所示）
图3-2PLC污水处理控制系统框图
3.3粗格栅、细格栅、提升泵房的设备控制
粗格栅、细格栅的控制分为现场控制和远程控制两种模式。
远程控制模式由PLC和上位机实现，它包括微机手动和微机自动，而微机自动控制方式为：
（1）水位差控制方式，通过格栅机运行液位差计的测量值用来反映格栅阻塞程度，并传输到PLC控制器，进行分析计算。
当液位差超过预设的数值，控制格栅运行。
（2）时间设置控制方式，在上位机的IFIX组态软件中设置格栅机运行时间和停机时间，经PLC控制器的程序运算指挥MCC对格栅机进行控制。
提升泵运行控制以远程控制为主。
某污水处理厂有两个提升泵站，每个泵站设有一个PLC工作站与厂内主站联络（如图3-3所示）。
它们距污水处理厂约4～5公里。
为实现进水提升泵的远程自动控制的安全、可靠，水位测量和提升泵的流量测量和数据分析、传输、控制等设备是不可缺少的，所以在进水泵房处安装了液位计，测量泵井的水位；每台提升泵的提升管安装电磁流量计，测量每台提升泵工作的瞬时流量；两个PLC工作站分别担负各泵站的设备控制、
图3-3PLC工作站与厂内主站联络
设备保护、数据采样、远程数据传输等作用。
根据测量值对应控制程序，自动控制提升泵的运行组合。
这样可以根据厂外来水量准确及时地调整泵运行数量，减少设备疲劳；同时可以取消传统泵站三班倒的人力资源耗费。
3.4沉砂池、生化池、沉淀池、污泥回流泵房和鼓风机房的设备控制
砂搅拌器的自动运行通过进水电磁流量计控制，而抽砂泵的运行状态是由微机对其开、停时间的设置控制的。
生化池厌氧区的搅拌器、沉淀池的吸刮泥机、污泥回流泵房的阀门和回流泵都是由微机触发指令通过PLC控制。
生化池好氧区的DO计、MLSS计、ORP计、空气调节阀和HV-TURBO鼓风机是污水处理的重要设备。
曝气池溶解氧的控制、厌氧段与好氧段的控制、污泥浓度的控制是污水处理厂工艺的核心。
该系统控制思路：
PLC通过对DO的检测，自动调节空气阀的开度；当检测到空气阀的调节不能满足DO的需要时，再着行调整鼓风机的出风导叶片的开度（目前各污水厂在该系统的应用都不理想，主要问题是溶解氧的测量值滞后、不稳定及空气阀门的选型）；PLC检测DO计、MLSS计、ORP计的值传送上位机进行数据分析，实时掌握厌氧段与好氧段、污泥浓度等状况，及时调整工艺控制。
3.5脱水机房
脱水机房的设备主要担负由污泥提升泵将回流泵井的剩余污泥与污泥絮凝剂按比例混合进行脱水处理的任务。
污泥与溶解成一定浓度的絮凝剂混合后，污泥中的固体颗粒被凝聚成絮团，并分离出自由水，然后被输送到带式污泥脱水机上，经顶脱水区、重力脱水区、楔形脱水区、压滤脱水区后形成滤饼排出。
设备的控制思路是以时序的逻辑控制为主导，污泥和絮凝剂混合的比例通过污泥电磁流量计、清水流量计和投药泵投药量实现。
该系统流程控制原理图（如图3-4所示）。
图3-4系统流程控制原理图
脱水机系统的联动控制时序：
条件：
各设备准备就绪，无故障；空压机、自动配药池工作正常。
启动：
皮带输送机运转带式脱水机运转投药泵运转污泥泵运转。
停机：
控制顺序与启动顺序相反。
时间：
根据实际的运行状况，可在PLC中设置各设备联动间隔时间。
3.6PLC控制系统
污水处理厂自控系统遵循“集中管理，分散控制，数据共享”的原则，设计选型先进，安全可靠，经济合理，并能保证系统长期稳定高效地运行。
PLC控制系统满足污水处理厂运行管理和安全处理的要求，即生产过程自动控制和报警、自动保护、自动操作、自动调节、提高运行效率，降低运行成本，减轻劳动强度，对污水处理厂内各系统工艺流程中的重要参数、设备工作情况等进行计算机在线集中实时监测，重要设备进行计算机在线集散控制，确保污水处理厂的出水水质达到设计排放标准。
PLC控制系统的基本构成及功能
污水处理厂PLC控制系统由两台计算机、8个现场控制站、工艺仪表、电量变送器构成。
8个现场控制站用于控制现场设备、采集动态工艺参数和设备工作情况。
现场控制站根据污水处理厂的实际工艺和构筑物的几何分布，设置在控制对象和信号源相对集中的几个单体中，并考虑在不影响控制功能和设备安全的前提下，尽量节省投资。
本控制系统由8个现场控制站组成。
它们分别位于：
厂外1#泵站；厂外2#泵站；厂内中心控制室；厂内低压电房；鼓风机房（3个站）；脱水机房。
0＃工作站～5＃工作站之间采用A1SJ71AR21模块通过同轴电缆通讯。
1#工作站和2#工作站与厂内主工作站的距离4～5公里，且无人值班，故租用电信公司无源电话专线通过调制解调器和A1SJ71UC24通信模块进行泵房设备控制和数据传输。
3.7系统构成及其布局
根据工艺特点和控制要求，本系统采用分布式集散监控系统，按流程设两个PLC分站，分别监控水区和泥区的设备运行和控制，设一个总站集中分站信息并控制分站工作。
具体控制分为:
（1）现地控制，设现场箱或按钮站，由“现场/遥控”转换控制状态，“现场”设点动按钮，用于调整和检修。
（2）各开关柜（包括:
10kV进线柜、0.4kV进线柜等），由“自动/停止/手动”转换控制状态，“手动”设启/停按钮，用于手动操作。
（3）分站控制，用可编程控制器和工业控制计算机系统等自控设备，自动监控所属范围运行。
（4）总站主机控制，多为计算机监控管理系统，集中分站信息，进行各种处理，并通过分站统一控制全厂运行，满足工艺测控要求，使全厂运行处于最佳状态，是监控管理的中心。
监控系统由操作员工作站、服务器工作站、投影仪、打印机、2个PLC工作站和现场一次设备。
通信网络采用西门子的过程现场总线标准，它为分布式I/O站或驱动器等现场器件提供了高速通信所需的用户接口，以及提供了在主站间大量数据内部交换的接口通信协议采用SINECL2，该协议遵从DIN19245标准。
SINECL2又分为如下子协议:
L2-TF、L2-FMS、L2-DP及L2-AP。
其中L2-DP遵从Profitbus标准开放式结构，适用于对时间要求严格的现场，能够以最快的速度快速处理和传送网络数据。
所以本系统可以快速的采集和处理由PLC所采集的数据，符合控制系统要求的快速性。
4污水处理电气系统的设计
4.1概述
设计包括厂界内预处理、生物滤池、污泥处理及附属设施需要检测和控制应提供的仪表和有关的辅助装置等。
4.2系统设计综述
实用性：
PLC系统其目的在于满足污水厂生产控制和管理要求，在保证先进的条件下，设备和系统应符合实际要求。
可靠性：
污水处理厂的生产过程要求PLC控制系统具有连续可靠性。
经济性：
PLC系统的技术含量高，设备复杂，因此，在设计时应进行技术经济比较。
先进性：
网络技术、信息技术、PLC控制技术发展迅速。
根据某污水处理厂的设计规模和BAF生物滤池工艺的特点，本着技术先进，性价比高，适用可靠的原则进行设计。
依据集中监测为主，分散控制为辅的基本原则，设计采用以PLC（可编程控制器）为基础的监测控制和数据采集系统（SCADA）,在中央控制室利用PC（工业级PC）对厂内各工况进行实时监控，并有信号报警和联锁等设施以保证生产正常运行，生产的工艺过程PLC采用就地独立控制。
从安全生产的角度和操作人员技术掌握程度上考虑，设立三级控制层：
设备就地手动、PLC子站现场监控和中控室远程监控（如图4-1所示）。
在综合楼设立中央控制室，下设1#预处理PLC子站，2#BAF生物滤池PLC子站和3#污泥处理PLC子站等共7个现场处理子站。
在中央控制时可对主要设备实施开、停控制。
同时，设备运转状态也通过通讯总线送入上位计算机，在计算机上对全厂设备运转情况进行监控。
中央控制室还设置了以太网交换器，与厂级管理PLC层以太信息网络相连接，并设置厂长办公终端、生产管理终端、化验室终端。
图4-1PLC子站现场监控和中控室远程监控
4.2.1中央控制室
在办公楼设立中央控制室，中央控制室内设有两台计算机操作站、一台数据库服务器、三台打印机、一台网络设备。
两台计算机操作站互为备用，并可安装PLC编程软件，程序可方便地通过控制网络分别下载到指定的现场控制站，以便在调试过程中随时修改程序。
中央控制室可对整个分控式控制系统进行系统组态管理、系统监测、实时监测、显示、处理、控制各PLC子站的状态、通信、数据和信息，完成报警和报表打印。
在厂级管理层可以通过Internet将结果、效益分析等发往主管局等政府机关（如图4-2所示）。
图4-2系统流程图
主要功能：
生产工艺过程以工艺流程图方式显示，图形可以取出每幅图的局部进行放大，便于分幅，分组组展示，流程上有相关的实时生产过程的动态参数值显示。
当动态显示值显示改变时，随之改变图形的数值。
4.2.2分现场生产过程PLC控制系统
（1）预处理PLC控制及检测部
厂内1#预处理PLC子站位于污泥脱水间控制室内。
对工艺专业要求检测的各种工艺参数，水泵、闸门、粗格栅、细格栅、排砂装置等设备的运行状态、故障状态进行监测和控制。
通过网络把信号送中央控制室计算机操作站完成指示、记录、报表和报警打印等监控管理功能。
其主要设备有：
粗格栅、闸板，细格栅、螺旋输送机
该子站模拟量输入、输出，数字量输入、输出点数
AI:
11DI:
30DO:
22
粗格栅开、停控制
根据超声波液位差计测得的粗格栅前后水位差值自动控制回转式粗格栅的运行，即水位差达到设定值时，自动启动格栅。
当回转式粗格栅停止运行的时间超出设定值时，系统转为时间控制，此时限为可调式设计，并设置上限报警。
PLC系统将根据软件程序自动控制螺旋输送机、回转式粗格栅机的顺序启停、运行、停车以及安全连锁保护，格栅机停机后延时停螺旋输送机。
细格栅开、停控制
细格栅24小时运行，并设置上限报警。
PLC系统将根据软件程序自动控制螺旋输送机、回转式细格栅机的顺序启停、运行、停车以及安全连
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