基于PLC的生活污水处理系统设计.docx
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基于PLC的生活污水处理系统设计
基于PLC的生活污水处理系统设计
目录1
摘要2
Abstract3
第一章绪论4
1.1课题背景4
1.2课题研究目的与意义5
1.3国内外发展现状5
1.4课题主要设计内容6
第二章生活污水处理控制系统总体介绍6
2.1生活污水处理的基本概念6
2.2常见的生活污水处理工艺2
2.3生活污水处理系统控制形式3
2.4生活污水处理系统的功能要求4
第三章生活污水处理系统硬件设计5
3.1生活污水处理系统的主要组成部分5
3.2电气控制系统硬件设计7
3.3PLC的工作原理8
3.4污水处理系统主电路设计9
第四章生活污水处理系统软件设计15
4.1污水处理系统软件设计总体流程概括15
4.2粗、细格栅除污机控制子程序的设计16
4.3进水阀门控制子程序的设计17
4.4空气阀门、潜水搅拌机、回流污泥泵控制子程序的设计19
4.5滗水器控制子程序的设计19
第五章MCGS组态软件在本系统中的应用20
5.1对上位机监控软件的要求20
5.2上位机设计20
5.3定义数据对象21
5.4主画面的设计23
5.5实时报警26
5.6设备与变量连接26
5.7程序调试运行及安全机制27
结论29
致谢30
参考文献31
摘要
随着社会的快速发展,污水处理厂在城市中已经不可或缺。
由于现在对环境的重视,各国政府都把建设污水处理厂摆在城市发展的首位，人类对环境的保护和资源的循环利用的意识也逐步提升。
如今由于自动化和计算机的不断普及与提升,促使污水处理厂的除污水平也相应大步迈进。
本文着重就PLC技术对污水处理所提供的技术支持，进行了详细的说明，分别从生活污水处理控制系统的工作原理、自动控制系统的组成与功能、控制系统的硬件和软件设计、控制系统的调试和运行结果，来诠释PLC技术在生活污水处理过程中的应用。
由于PLC技术的日趋成熟、模块化集成、高可靠性、简单灵活、扩展便利、性能价比高等特点，使其在工业方面得到了越来越多的重视与应用。
在采用PLC控制系统之后，自动控制系统的可靠性得到了大力的提升,不但减轻了员工的工作强度,而且提高了净污效率，从而使污水处理厂实现效率、效益双丰收。
关键词：
污水处理；PLC；
Abstract
Withtherapiddevelopmentofsociety,thesewagetreatmentplantinthecityhasbeenindispensable.Nowthattheimportanceoftheenvironment,governmentsregardtheconstructionofsewagetreatmentplantsinthefirstplaceurbandevelopment,humanawarenessofenvironmentalprotectionandresourcerecyclingalsograduallyimproved.Today,duetothegrowingpopularityandincreasingautomationandcomputers,topromotethelevelofsewagetreatmentplantdecontaminationcorrespondingstride.ThispaperfocusesonthetechnicalsupportofPLCtechnologyforwastewatertreatmentprovidedbyadetaileddescriptionofthecompositionandfunctionseparatelyfromthesewagetreatmentworkscontrolsystem,automaticcontrolsystem,thecontrolsystemhardwareandsoftwaredesign,controlsystemcommissioningandoperatingresults,tointerpretthePLCtechnologyinthesewagetreatmentprocess.AsthePLCtechnologymatures,modularintegration,highreliability,simpleandflexible,expandingfacilities,andhighperformancepriceratio,sothatintheindustrialsectorisgainingmoreandmoreattentionandapplication.AfterthePLCcontrolsystem,automaticcontrolsystemreliabilitywasstronglyimproved,notonlytoreducetheintensityoftheworkofemployees,butalsoimprovetheefficiencyofthenetdirt,sothatthesewagetreatmentplanttoachieveefficiency,effectivenessdoubleharvest.
第一章绪论
在我国淡水资源主要集中在南方，北方的淡水资源只占到南方淡水资源的1/4。
如果忽略掉缺水问题，水污染将大大的制约人类文明的发展。
通过2001年有关研究机构对我国七大水系断面的监测，能够进入自来水厂最低要求的淡水，也就是三类水质，仅仅占到29.5%，然而五类水质竟高达44%。
此外，我国地下水资源污染现象较为普遍，全国范围内浅层地下水大约就有50%的地区遭到破坏，而城市约1/2的地下水污染较为严重。
伴随着工业发展，大量的企业将污水排到河流当中，致使其污染了80%以上的地下水和地表水。
我国的城市供水目前主要是地表水或地下水，或者两种水相混合，然而一些地区长期的透支地下水，致使其区域地下水位严重下降，最后形成了区域地下水位演变成降落漏斗型。
目前全国已形成地下水降落漏斗100多，而面积达到15万平方千米，一些城市几乎形成了方圆几百公里的大漏斗，使得海水倒灌数公里。
我国是缺水严重国家之一。
淡水资源总储量约为28000亿立方米，仅占全球水资源的6%，居世界的第四位，而人均只有2300立方米，约占世界平均水平的25%，世界排名121位，在全球水资源最贫乏的13个国家中，占了一席之地。
除去洪水泾流与偏远地区的地下水资源，我国实际可利用的淡水量少之又少，仅为11000亿立方米，然而分到人均可能只有900立方米，悲观的是其分布又极不均衡。
到了20世纪末，全国600多个城市中，供水不足的城市已有400多个，其中较严重缺水城市达110个，截止目前全国城市缺水总量约为60亿立方米，然而我国正在实施的可持续发展战略在水污染问题上受到了严重影响，并且水污染严重威胁到了民众健康与饮水安全。
据水利部预测，2030年我国人口预计将达到16亿，届时每人水资源占有量只有1750立方米。
如果考虑节约用水，则用水量将从7000亿变为8000亿立方米，其供水能力同比从1300亿增至2300亿立方米，从而全国实际可用水量将接近合理用水量上限，从而得出若要水资源开发，难度极大。
如果不加大力度对污水处理项目贯彻落实，那么我国将会面临无水可用的情况。
然而水污染所产生的严重后果，高效的净水除污设备呼之欲出。
从这些迹象中表明，水资源的短缺必将成为经济可持续发展的瓶颈，所以水处理和水的再利用受到了各国的重视。
如何改进净化设备，提高净化能力，完善技术手段，成为了实现可持续循环经济的法宝。
伴随着保护环境的呼声一浪接一浪，生活污水处理已表现出其严重性和迫切性，政府也针对性的对所有公司的污水处理标准划定了红线。
介于污水成分的复杂性，更高的工艺与控制方式显得尤为重要。
1.1课题背景
未来10年，中国工业污水处理项目工程建设投资将超过2500亿元，其中工业污水处理设备投入约300亿元。
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，是推动环保产业升级，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，从环保、注水等多方面的因素考虑，对于工业污水处理非常有必要。
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课题研究目的与意义
人类在进步，社会在发展，如今世界上各个国家都在迅速的崛起，然而衡量一个国家的强大，首先看如何把经济搞上去，然而工农业一直是各国发展的基础。
伴随着工农业不计后果的迅速冒进，随之而来造成了环境的各种污染。
污水的污染成为了人类污染的重要敌人。
由于湖泊、河流的大面积污染，治理水污染被列入世界环保组织的工作范畴。
水资源的短缺无疑成为各国经济可持续发展的瓶颈，因此各国相继重视水处理和水利用。
为保证污水处理能实现可靠的自动控制并兼顾控制技术的先进性与扩展性，同时能实现低成本高效率，新一代的污水处理设备呼之欲出。
传统处理厂控制部分采用继电器控制，控制线路的复杂化，和长时间的工作状态与线路老化问题，从而使其频繁出现故障。
而能同时解决分布广、设备散、控制信息复杂、控制输入和输出开关量参数居多、模拟量参数少的特点，PLC控制系统得以出现，以其技术的成熟、可靠性高、灵活简单、模块化、扩展便利、性价比高等一系列优点，在工业控制中应用越来越广泛，不仅提高了自动控制的安全性，而且减轻了劳动力，提高了净污效率，实现了污水厂生产管理的可持续性和科学能动性。
1.3国内外发展现状
国外发展情况
国外发达国家由于实现工业化早，水资源污染积累经验多，所以对于污水的处理更为先进。
目前荷兰、德国、日本处于世界领先水平。
这些国家在研究水处理的新方法时也相当重视污水处理自控系统的研究。
投资更新了高效、智能、集约型污水处理设备和自动化控制仪表。
而微电子、通信、计算机技术的大力发展提高了水处理控制系统的信息化与智能化，同时与PLC的相互结合，使得核心部件控制器更大大提高了其可靠性与抗干扰性。
最后与其开放的网络通信系统一起，共同推动着水处理自动化系统的智能化大发展。
目前国际上比较先进的几种污水处理技术分别是：
连续循环曝气系统（CCAS）、SPR高浊度污水处理技术、除磷脱氮功能的多级活性污泥污水处理系统（BIOLA）、WT---FG生物法技术、MBR技术、人工湿地系统水质净化技术等。
然而污水处理主要是物理、化学以及生物的结合。
目前污水处理以生物法为主，物理化学为辅。
通过发达国家的努力，污水处理率已经达到了80%~90%，成功的解决了污水处理问题。
由于控制技术、网络通讯和现场总线技术的大力发展，国外在很久前就已经实现了计算机控制，如FCS、DCS系统。
同时期国外还引进了SCADA技术运用到给排水中。
更加重要的是现在大家都把目光瞄向了PLC的开发，相继问世的小型、集成块、智能稳定的控制单元应运而生.国外污水处理自控系统主要存在以下特点：
（1）采用集散控制系统和现场控制系统。
根据不同厂区的特点划分出不同的控制基站，站与站之间或独立或联合作业。
特设中控室，合理高效的记录全厂的数据管理与报表工作。
（2）通过水质分析仪对水质进行实时监测，提高测量精度。
（3）智能化切换不同的净污模式，实现高效与节能。
国内发展情况
我国目前自主研发的设备大部分是依托国外技术进行相关构造的，经过自我摸索、消化和实践，逐渐在填补国内除污的空白。
但目前还有很多不足，总结下来有3点主要问题：
（1）污水处理技术落后。
我国与同期国外的技术相比依旧差的很远，始终存在着能耗高、效率低、维修率高、自动化程度低，从而缺少了市场竞争力，和自我完善的基础。
同时设备老化严重，好多应该彻底改造。
好多设备腐蚀和结垢，严重影响了生产。
（2）国内相比较发达国家，经济实力不够，投资少，然而运营成本相比较偏高，药剂费用居高不下。
而高昂的运营使其入不敷出。
据清华大学紫光顾问公司调查统计，光是一年国内的运营成本至少要在170亿元左右。
（3）水系统发展与提高技术缺乏，例如污泥的无害化处理及综合利用、高含盐采出水的处理利用。
我国工业污水处理技术一直都有攻关项目。
在氧化塘、土地处理和复合生态系统下了功夫，依托实践，建立了配套的污水示范工程。
在人工处理技术层次，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。
其科研以用于实践。
在经历了几年改进之后开始大批量配套整套的净水设备。
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。
根据未来10年的规划，水治理已经被重点列出来，有效的结合最新工艺、计量自控监测仪和PLC控制系统技术，为当前工业污水处理控制系统提供行之有效的自控方法。
1.4课题主要设计内容
本文研究设计的主要内容是生活污水处理工艺及组成，基于PLC控制系统的设计,其具体内容如下：
（1）了解生活污水处理的基本内容，其包括生活污水处理的国内外发展现状以及生活污水处理的工艺流程；
（2）介绍PLC的设计原理及步骤，并对生活污水处理控制系统进行设计分析；
（3）设计分析生活污水处理系统的硬件设计；
（4）设计分析生活污水处理系统的软件设计；
（5）生活污水处理系统的调试和运行结果
第二章生活污水处理控制系统总体介绍
2.1生活污水处理的基本概念
人类生产和生活过程中所产生的污水，是水体污染的主要元凶之一。
其主要部分是洗涤废水和粪便。
城市生活中所使用的各类洗涤液和垃圾、污水、粪便等，多数属于无毒的无机盐类，而生活污水中则含有硫、磷、氮，并且致病细菌多。
在城市里每人每日排出的生活污水量约为150—400L。
生活污水中有大量的有机物，例如纤维素、淀粉、糖类、脂肪和蛋白质等；通常也含有病原菌、病毒和寄生虫卵；无机盐类则包含氯化物、铝化物、硫酸盐、磷酸盐和钾、钠、钙、铅、镁等。
其中含量最高的分别是氮、硫和磷,然而这些元素在厌氧细菌的作用下，极易生恶臭类物质。
普通的污水处理可以根据其物理形态和化学性质进行归类。
若按物理形态归类，污染物质则可分为固体悬浮物、溶解性污染物和胶状污染物。
若按化学性质分，则把污水中的污染物质分为无机性物质与有机性物质，而其化学元素就要是以碳、氮、磷为主。
生活中水体富营养化的主要原因是大量的氨氮和磷被人类排放到河流中，而磷正是水体富营养化的罪魁祸首。
目前国内大部分城市污水处理厂采用的都是污水处理工艺，有氧化沟、传统活性污泥法、A2/O等。
2.2常见的生活污水处理工艺
目前在国内比较主流的污水处理工艺有以下几种：
1.强化生物除磷
在污水处理的过程中，我国的河流湖泊主要受磷污染，环保局为了降低磷污染，针对磷元素制定了严格的排放标准。
以除去有机物和磷元素为主的化学法强化生物除磷工艺，在此时崭露头角。
此工艺通过化学除磷和生物除磷的方法，利用厌氧环境消化生物系统中的有机酸，作为聚磷菌生长的培养物，使聚磷菌在活性污泥中迅速的繁殖，使其又回流到生态系统中，从而使除磷功能发挥到极致。
这种高效的市政除污工艺技术，满足了我国现阶段的需求。
2.循环间歇曝气
我国目前还处于发展中国家，资金在处理污水方面还差的很远。
如何合理规范的利用有限资金，且能减少污染，是国家最头疼的事情。
循环间歇曝气除污工艺充分发挥了高负荷氧化沟高效处理的优点，且充分利用了序批式活性污泥处理工艺过滤水好的特性，保证了处理污水的质量。
其良好的低成本运营，与除污能力是适合我国现阶段的工艺要求。
3.连续循环曝气
连续循环曝气（CCAS）是一种连续进水式的曝气装置。
其主要是采用间歇式连续进水，周期性排水，延时曝气的好氧活性污泥处理工艺。
1986年被美国环保局正式承认为目前最先进的电脑控制的生物脱氮、除磷处理工艺。
CCAS工艺处理污水初期能力不高，主要是由粗细格栅和沉淀池来完成。
其核心处理是CCAS反应池，通过有效的除磷、脱氮、降解有机物及悬浮物等完成出水任务。
经过初期处理的污水被排放到预反应池内，在该池内污水被活性污泥中的微生物吸附一起从主、预反应区隔墙下缓慢流进反应区。
通过曝气、沉淀、排除周期性运行，从而使污水在“好氧-缺氧”的中反复完成脱氮、除磷。
最终由计算机集中控制，每个过程通过相应设备预先编排运行。
、
SPR处理
SPR污水处理通过化学方法让污染物从溶液中析出，使之成为微小的悬浮颗粒和小胶粒；接着用高效吸附剂把有机污染物等从污水中分离出来；然后采用物理方法把污水中的胶粒与悬浮颗粒聚集在一起变成大絮块；再使用分离净化器把絮块与水分离；最后通过悬浮泥层沉淀过滤，达到出水标准实现净水的目的；最后剩下的污泥通过压缩减少其含水率，制成泥饼制造人行道砖块，实现环保利用，从而避免了二次污染。
典型的生活污水处理完整工艺如下图1所示：
图1
2.3生活污水处理系统控制形式
随着控制系统的不断更新，早期的控制系统也逐步被淘汰，继电器时代的接触器控制，已经不能满足于现代生活的除污要求，新的控制逐渐被社会接受，具有代表的就是现场总线控制、DCS和PLC控制。
（1）现场总线控制系统。
该系统通过对DCS和PLC的改进，得出自动化控制。
该系统按照公开、规范的通信协议在智能设备之间，通过通信协议，运用智能设备与计算机的数据链接与传递，从而实现了控制与管理。
优点表现为：
丰富的硬、软件搭配，使计算机能快速反应，具有良好的实时性，公开的通讯协议实现了不同产品的互相连接。
（2）DCS系统。
DCS被叫做分布式计算机控制，业界简称为分散控制系统。
其包含了信号处理、测量监控、通信网络与计算机操作。
它通过过程控制级和过程监控级构成的以通信网络为桥梁的多级计算机控制系统，综合了计算机、通讯、显示和控制等技术，其优点是实现了分散控制的需求，通过集中操作，分级分层的管理，又由于配置灵活并且其扩展能力强，组态方便，软硬件资源丰富等一系列特点，使其运用颇多。
（3）PLC系统。
PLC也就是可编程逻辑控制器,其就是一种可编程的存储器，它不但实现了其控制系统的的需求，通过内部存储程序与执行逻辑运算，定时向用户发布指令，并通过模拟式控制各类型的机械或生产过程。
作为系统控制器，通过与上位机的连接，从而进行实时监控。
其功能特点是：
编程简单、性能价格比高、适应性强、可靠性高、调试工作量少、维修方便、模块化结构和开发周期短等特点。
2.4生活污水处理系统的功能要求
长期以来，生活污水处理系统的功能就是净化城市用水，使生活用水达到国家标准。
虽然污水处理技术水平在不断发展，但是还是赶不上城市的发展需求。
资金短缺和设备运行率低严重的阻碍了城市的发展。
为了实现高效率、低耗能、简单化的需求，而且能实现自动控制的要求，我们把目标定在了可编程逻辑控制器上，显然PLC是个更好的选择。
PLC以其简单的设计和可靠的性能，使整个污水处理过程变得轻松。
适应性强和维修的便利性更是实现了高效运行的特点。
凭借上机位与计算机的结合，实现了远程的实时监控，由于PLC的集成化设计，让整个系统配上了一个强劲的大脑，其中强大的网络覆盖面和通信网的形成，令污水处理系统的数据连接成为可能。
针对于PLC的功能要求，目前涉及到两个方面，控制信号输入和控制信号输出。
PLC的控制信号输入主要包括按钮的输入、浮球的高液位输入、浮球的低液位输入、PH的输入。
其中按钮包括总开关按钮、粗细格栅除污机按钮、剩余污泥泵按钮、鼓风机按钮、滗水器按钮、进水阀门按钮、空气阀门按钮、潜水搅拌机按钮、回流污泥泵按钮。
浮球高低液位输入则控制着空气阀门、潜水搅拌机和回流污泥泵的启动与停止。
PLC的信号输出则是控制各设备的接触器。
第三章生活污水处理系统硬件设计
3.1生活污水处理系统的主要组成部分
本文所研究的污水处理流程如图2所示
图2
粗、细格栅除污池
格栅除污机就是通过物理手段将固体和液体分离的一种除污机机械。
它的工作原理就是一种连续自动拦截水中固体的专业设施。
而除渣就是由格栅完成。
粗细格栅池内的粗细格栅是由不锈钢制成，并且进行了酸洗纯化处理。
该设备一般是污水处理的第一步，将其横在污水主通道上，由于其特殊的耙齿结构，截留下漂浮的固体，例如矿泉水瓶、泡沫板、塑料袋之类的生活垃圾。
其主要目的就是防止这些固体堵塞到污水处理其余深加工的设备。
通过粗细格栅的双层过滤，并且合理的控制其污水流动速度，进而满足初步的除污能力。
该除污机的工作原理是让电动机驱使耙齿链与水流方向做反向运动，通过运动使每个耙齿之间产生作用力，进而达到清理目的。
同时依靠清扫器把黏在耙齿的杂物清理干净。
最后针对该格栅池设置反馈模块，由浮球来检测格栅池水位，如果超过临界值则通过传感器反馈到报警装置，从而发出警报。
基于上机位良好的检测能力，实现安全生产。
调节池
由于人们生活的规律不尽相同，所以对于生活污水的排放也存在不确定性。
出水的时段也不尽相同，由于所有污水要经由污水厂处理，所以必须设置一个缓冲地带，也就是调节池。
有了调节池就可以控制污水量，进入规范流速，正常运行。
调节池的设立也是一个预留的防止突发事件发生的必要设置。
该池设置液位检测设备，避免污水溢出。
SBR反应池池
SBR反应池集齐了初步沉淀、生物降解、二次沉淀，并且运用到了污泥回流系统，利用间歇曝气的方法来实现活性污泥处理。
该池有曝气机，当设置好时间区段，则PLC实现对曝气机的自动化控制。
最后通过沉淀下来的污泥经过压缩处理，会得到大量的沼气和环保地砖，避免了二次污染。
在SBR反应池中，其过程包括进水（进水泵工作）、曝气（空气阀门工作）、沉淀（污泥泵工作）、排水（排水泵工作）。
从进水泵开始工作到排水泵结束为一个完整的周期。
其中通过生化反应达到脱磷、脱氮和脱氨等化学元素。
运用SBR反应池可以提高生化反应效率，反应池内好氧、厌氧的轮换交替从而提高了净化效果，并且该池运行稳定，在静止沉淀用时少，出水好。
简单的构造与处理设备使其操作更加方便，并且组合式的延展性，也可以扩大规模。
由于反应池的DO、BOD5浓度不同，所以有效的控制了活性污泥的膨胀。
最后该工艺设备价格便宜，且布置紧凑。
除盐池
经过SBR反应池处理过的污水，如果不经过除盐处理，那么水体中的盐含量就会升高，当盐浓度越来越高的时候，那么水体中的生物就会因为细胞水分流失过多而脱水死亡。
长此以往那么水体中的生物就会因为改变生存环境，而导致灭绝和死亡。
在该池中一般配备有余氯仪，该仪器就是专门检测水中的盐类物质。
如果池中的盐浓度到达高临界点的时候，系统将控制阀门关闭，并且通过相关膜处理来除去反应池中的盐类物质。
如果池中的盐浓度到达低临界点的时候，则直接排入干净的水池中。
除盐池之间还设立了不同的区域，每个区域安装一个半透膜，这样既是为了防止膜两边的压力差致使膜破裂，也是为了提高效率，节约成本。
3.2电气控制系统硬件设计
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