基于PLC工业污水处理控制系统的设计.docx
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基于PLC工业污水处理控制系统的设计
毕业论文
题目基于PLC工业污水处理控制系统的设计
学生姓名李世禹
学号***********
学院信息与控制学院
专业电气工程及其自动化
指导教师袁安富
二Ｏ一七年五月二十五日
基于PLC工业污水处理控制系统的设计
李世禹
南京信息工程大学信息与控制学院，江苏南京210044
摘要：
本文按照污水处理的工艺要求和流程,结合了SBR污水处理法,设计了一套基于西门子S7-300系列PLC的控制方案。
同时说明了本控制系统硬件构成与组合方式、工作流程及设计PLC控制系统的原理与步骤。
此系统的应用可提高污水处理的质量,减少能耗,使经济效益提高。
通过STEP7提供的仿真软件进行调试，检测了西门子PLC对现场设备的状态采集与自动控制功能,符合控制方案要求。
关键词：
污水处理；PLC；工艺流程；SBR法
DesignofIndustrialSewageTreatmentControlSystemBasedonPLC
LiShi-Yu
SchoolofInformationandControl，NUIST，Nanjing210044，China
Abstract：
Accordingtothesewagetreatmentprocessrequirementsandprocesses,combinedwiththeSBRsewagetreatmentmethod,IdesignedacontrolsystembasedonSIEMENSS7-300seriesPLC.Atthesametime,thehardwarestructureandcombinationmethod,workflowandtheprincipleandstepsofdesigningPLCcontrolsystemareexplained.Theapplicationofthissystemcanimprovethequalityofsewagetreatment,reduceenergyconsumption,andimproveeconomicefficiency.ThroughthesimulationsoftwareprovidedbySTEP7todebug,thestateacquisitionandautomaticcontrolfunctionofSIEMENSPLCtofieldequipmentisdetected,anditmeetstherequirementsofthecontrolprogram.
Keywords:
Sewagedisposal,PLC,processflow,SBRmethod
1绪论
人类文明的起源离不开水。
随着人们对工业经济的追求，水的需求量也是同步增加。
根据有关数据显示，我国淡水人均拥有量为2400多吨，与其他国家相比明显不足。
在参与统计的150个国家中，我国排名110，处于水资源匮乏国家之列。
中国的水资源布局极为不均，全国众多城市缺水，主要位于秦岭淮河以北，每人可以利用的水为240吨[1]。
我国水资源问题除了人均占有量少，而且其污染状况也令人担忧。
国家在推行城市化建设的同时，对其周围的水域也造成了或多或少的破坏。
虽然部分地区的污染得到了控制，但总体上还是持续加重的状态。
解决好水污染问题，符合我国可持续发展方针。
工业污水的处理已刻不容缓。
污水的产生主要与人类活动有关，最近几年随着城市的发展，工业项目持续开发建设，其产生的污水也在等比增加而且水的污染源也变的复杂起来。
现今污水处理厂所使用的工艺已不能使处理后的污水达到工业要求的排放标准，未达标的污水排放到水系中会对其他正常的水资源造成巨大的污染，而且严重破坏了环境。
为了减少此类问题，工业污水处理工艺的更新与换代就日趋重要了。
污水的再利用是人们节约水资源最重要可行的环节。
我们国家排放的废水中60%以上是工业污水。
工业污水一般是指包含中间产物、生产用料的废水。
工业污水比城市污水的整治的优先级更高。
由于工业的生产工艺以及产物的不同导致产生的污水性质也各不相同，常见的有色污染、热污染、有机污染等。
由于工业污水的水质及边界条件会根据生产工艺的变动而改变，导致了工业污水处理的技术要求提高。
工业污水处理厂的现场环境一般较差，含有大量对人体有害的物质，污水处理设备运行周期长，为了保障操作人员的安全以及提升作业效率，污水处理所需的自控系统已成为各大处理厂所必备的设施。
污水处理厂的建设标准主要体现在节能与高度自动化。
污水处理厂大多选用PLC作为控制核心设计自控系统，主要因为其稳定性以及自控技术的成熟。
PLC设备的应用一定程度上减少了工业污水处理中的电能消耗。
长期以来，能耗与运行成本问题成为了制约我国工业污水处理厂发展的关键，部分建成的处理厂由于此类问题一直不能持续生产，只能间歇性运行。
污水处理厂运行效益的关键在于能否实现对能源的合理分配。
现如今，主要厂家都在积极寻求能效高的处理工艺及其对应的控制设计。
2国内外现状
2.1国内现状
我国面临的水资源问题在工业上主要体有两个，其一是水资源不足难以支撑工业的发展，另一个方面是工业污染问题严重。
前者问题短期内并没有合适的解决方案，后者则可通过治理水体污染，最大程度上将污水变成可再次投入生产的状态。
未来的数年，国家将对污水处理厂的建设增加投资和设立相应政策。
在环保工程中，技术人员根据污水处理所需要的工艺结合已有的自控设备，设计出控制系统，从而促进产业升级。
在水污染处理工艺突破的同时，就要求与其配套的自动化控制系统的出现。
由于特殊的国情，先发展后治理，虽然工业水污染问题在我国由来已久，但对水污染治理的问题起步较晚。
早期，在七十年代，业内人士利用荒废的河道、水池建立稳定塘满足对污水预处理要求。
到了八十年代国家开始注意到环保问题，并确立了一项与之相关的基本国策。
另外国家还开展了一系列的治理工程，如“三河三湖”工程，国家政策及政府的力度使这些工程都起到了显著的治理效果。
一时间污水处理厂的建设在全国推广起来。
“八五”时期，各地政府对水体治理提出了新的要求，污水处理厂的建设达到历史新高。
有关数据显示截止本世纪初，全国已有的大小污水处理厂超过800座，但远不及西方国家，与之相比治理水污染程度并不理想。
按照“八五”、“九五”时制定的计划，国内污水处理厂生产工艺还是有不错的突破[2]。
根据水污染治理在我国的进程来看，虽说国家对环保问题、处理工艺的研究相对国外较晚，但我国在这方面并不处于劣势。
与国外的差距主要在自动控制系统和处理过程中的单元设备。
目前我国大部分处理厂中的设备还不能实现真正意义上的自动控制，他们的自动控制主要体现在现场检测及部分设备上。
根据治理水污染积累的经验，我们主要采用的解决方案：
酸化水解好氧技术、SBR法和氧化沟技术等。
随着新技术的开发与应用，我国工业污水治理水平已不再落后其他国家了。
现如今，行业内已把积累的技术开始运用于新建的污水处理厂。
2.2国外现状
国外在上世纪中叶开始重视水体污染。
随着二战的结束，各国都忙着城市的重建，恢复经济。
大规模的工业工厂的建设使其周围的水体遭到破坏。
欧洲各国考虑到水污染的带来的后果，立即着手建立相应的污水处理厂和铺设城市排水管线。
这些基础设施在控制水污染问题上起到至关重要的作用。
美国在七十年代加大了对污水处理的投资，这段时期建立投产的处理厂达18000座。
英法德为首的欧洲发达国家也是花费了大量资金建立了8000余座工业污水处理厂。
随着工业污水处理厂的建立与完善，欧美等国所承受的水污染压力明显减少。
工厂积累了大量的水污染治理经验为后来的设备升级改良提供了参考。
在污水处理行业中，做的最好的是美、日、欧等地区。
其主要的成就在自控污水处理系统上以及理论和工艺的创新方面。
起步早的西方国家拥有几十年的处理经验以及可靠的技术，使得污水处理率达到85%。
此外一些意识超前的国家已在研究污水的再利用，如以色列就有高达90%的污水利用率。
目前，西方国家的污水处理厂主要可分为三类，其中应用最广泛的是活性污泥处理工艺，有些国家会在对此方法进行一些改进，比较知名的是克劳塞尔工艺。
第二种主要是利用化学反应，通过消化/反硝化反应进行脱氮。
还有一种就是通过生物法和沉淀法相结合的形式除磷。
其中德国在这领域处理的水质最高，该国在除磷脱氮工艺上所掌握的技术与经验值得我们学习借鉴。
2.3所存在的问题
国内较大污水处理厂的控制系统的建立主要通过两种方式，一种是使用资金从德国、丹麦等国引进成套的污水处理自控系统以及与其配套的软硬件。
另一种是通过学习、借鉴国外先进工艺和经验自行开发相应的系统。
前者由于设备都是引进工艺成熟的国家。
设备间的配合协作的比较好，可操作性强。
虽然此类处理厂实现了生产流水线的自动化，净化后的水质也有保障，但一旦运行中出现故障，没有国外技术人员的帮助，这些故障都不能得到很好的解决。
除此之外，处理设备更新速度快，需要花费的成本高。
制约我国污水处理厂发展的因素在于控制系统方面：
自制与引进的都有，手动与自动并存。
有些处理厂虽说用的是国际上先进技术与原装进口的设备，但在技术上还不能做到消化吸收。
那些个相对较小、使用自制系统的污水处理厂，由于使用准确性不高的仪表，导致设备运行不能按时到位，影响了出水质量。
此外，在通讯和监护功能都存在着不足，影响处理的效率与经济效益。
部分采用自控系统的污水处理厂由于经费问题所使用的都是比较单一的控制系统，并不能对处理过程中的所有设备的运行状态进行实时监视与控制。
另外，还有些处理厂只使用了一些基础的除污设备，如格栅除污机，完整的工艺要求具备粗细两种，只采用粗格栅除污机会使处理后的水质大打折扣。
3本文目标及实施思路
3.1系统设计目标与相应功能
本课题主要对水污染处理中的一个工艺进行操作，即除去水中杂质，得到较为干净的水。
本系统的核心是PLC控制模块，根据主程序，远程I/O程序和模拟量输入程序建立系统。
来最大程度减少人员工作量，提高整套流程的自动化程度。
通过传感器检测待处理水水质，未达到要求设备自行启动。
主要的除污设备通过时间以及浮球式液位传感器来控制。
本系统主要执行四个步骤形成一个周期，即预处理，排水以及生化反应进行的曝气、沉淀。
污水通过管道流向预处理设备，操作人员按下自动模式按钮即可，整套设备依照PLC中的程序运行，一个周期结束后，操作人员根据水质检测模块的结果决定净化后的水是排放进水系，还是排放至污水池再进行一次处理。
3.2处理工艺的选择及其控制要求
3.2.1SBR污水处理工艺
本设计采用的工艺流程如图3.1所示。
流程图根据污水处理中SBR法的工艺中关键步骤绘制。
一个流程包括预处理、曝气、沉淀、排水四个阶段。
整个流程遇到紧急状况，都能自动有序的运行[3]。
图3.1工艺流程图
SBR法相比其他处理方法有着如下优点。
进水池与预处理池共用，所需土地面积不大，建设成本低，能耗低。
SBR法在应对化学工业废水和重金属污水十分有效。
依照该工艺建立的系统构成简单，应对突发能力强。
通过PLC系统的搭建，用户管理净化过程也变得简单，而且灵活多变。
处理池可根据不同工艺要求来执行脱氮，除磷操作。
其处理出来的水体质量明显高于传统活性泥法。
面对污水处理量过大的情况，可以并联多套SBR池，但相应的经济效益和可靠性降低。
所以SBR法的局限在于应付过量的污水处理。
对可利用价值高的工艺污水以及有机含量大的废水，此方法的应用价值较高[4]。
本工艺主要由以下4个阶段构成。
（1）预处理。
导入工业造成的废水，使污水流进蓄水池。
先用过粗格栅对污水进行简单过滤，再用水泵抽至细格栅机，最后进入SBR池。
（2）反应。
上涨到反应所需要水位，关闭进水阀。
曝气开始，气流通过空气阀门进入水池，同时打开池底的两部除污设备。
（3）沉淀。
第二阶段结束后，关闭曝气相应设备。
同时池底的两部除污设备随着关闭，活性泥此时开始吸附污染物自然沉淀。
SBR处理工艺中的自然沉淀是需要条件的，处理池不能受到外界干扰（风、水流的扰动），从而避免了活性泥不能发挥作用的问题。
在此状态下，杂质跟清水的分离效果最好。
处理后的污泥中水含量只有2.5%~3%，从而人们可以直接回收利用这些污泥。
（4）排水。
处理池水位到设定排出水位时，池中的滗水器启动，将上部清水移至清水池。
随着清水的不断排出，池中水位下降，到达初始水位时，滗水器关闭，接下来对池底的污泥进行清除作业。
3.2.2该工艺对控制系统（PLC）要求
工业污水处理厂主要是用来对工业生产中产生的污水进行净化，保证处理后的水仍能使用没有危害。
从目前的情况来看，工业污水处理在技术层面虽已取得不错的成就，但没有在污水处理厂中得到很好的推广。
不少污水处理厂存在着污水处理效率低，自动化程度低以及能耗大的问题。
为解决上述工厂的这些问题，使其成为自动化程度高的工厂，PLC控制器成为系统设计的核心[5]。
PLC凭借其编程简单高效的特点，使得技术人员开发相应的自动控制系统变得简洁明了，处理水污染的能力也得到加强。
PLC的通信模块可以对整个系统的实时监测，用户也可以通过其操作界面对污水处理系统进行控制。
通过PLC设备上的模块与各类型传感器进行信号传递，用户也可以实时掌握污水处理中的各种参数[6]。
SBR污水处理法作为新兴的处理工艺，其原理和工艺流程与之前所使用的活性泥法相比更为可靠。
它不仅将其他方法中的部分处理池（进水，厌氧，预处理）集于一池，而且可以处理不同类型的废水。
SBR污水处理法使用的是间歇操作方式，即污水按照设定时间进入处理设备，再根据规定时间排出。
大部分的SBR法都包含5个周期性的阶段。
第1阶段，预处理期，污水经过管道进入预处理池，抽水泵把水再经过一道工序运至处理池，随后池底的搅拌器启动，使污水与池底预先准备的活性泥充分混合。
活性泥的主要组成成分为藻类、细菌、微生物。
其主要作用是使水中有机物附着在上面然后沉淀。
第2阶段，曝气期，上述预处理操作完成后，开始曝气。
一般使用推流曝气的方式。
由于活性泥与有机物反应受氧气的影响，此时二者的反应加快，此阶段能清除污水中大量有害物质。
第3阶段，沉淀期，结束了曝气反应的阶段，不再对处理池进行操作，让处理池中的活性泥混合物进行自然沉淀。
该过程主要是吸附有害物质的活性泥与水分离，水中含氧量减少，同时发生厌氧反应。
第4阶段，排水期，处理后的水通过滗水器导入清水池。
第5阶段，恢复期，净化操作结束后，给处理池中的微生物足够的时间恢复活性。
随着长时间的使用，要定期替换处理池中的活性泥，保证其活性，不影响处理水的质量。
3.3PLC的选型及介绍
3.3.1可编程控制器（PLC）的选择
德国西门子公司在PLC行业的开发起步较早系统较为成熟，旗下主流控制器有S7、M7、C7及winAC等系列。
其中S7-300是S7系列中使用最多的产品之一。
其模块化结构、易于实现分布式的配置以及性价比高、电磁兼容性强、抗震动冲击性能好，使其在广泛的工业控制领域中，成为一种既经济又切合实际的解决方案。
S7-300系列凭借通用性强以及简单可靠的构造，深受自控设备开发者的欢迎。
S7-300与主流PLC一样由各个模块组成，用户可以根据特定的开发要求对其进行自由组合。
模块只需安装在导轨上，使用与维护都比较简单[7]。
本课题中的水污染系统属于中小型控制系统，所需要的输入输出端口并不多，S7-300的性能足够应付。
3.3.2S7-300系列主要组成模块
本系统采用的模块有电源、CPU、输入输出功能和总线通讯模块,其组成图如3.2所示:
图3.2S7-300主要组成模块
（1）CPU中央处理器
S7-300最常用的处理器有8种，CPU312、313型功能相同，应对具有较少I/O端口的设计；系统较为复杂且对运行速度有要求时使用CPU314型；CPU315到CPU318与其他型号相比最大的区别在于多了PROFIBUS-DP配置功能。
（2）IM接口模块
S7-300型PLC最多可以连接32个信号模块，这些模块需要特殊的接口模块IM360、IM361连接。
其中IM360安装位置在CPU导轨CR上，IM361是在扩展机架ER上。
（3）开关量输入DI模块
1）SM32116点输入，24VDC;高电平范围是13~30V；低电平范围是-30~5V；
2）SM32116点输入，120V/230VAC;高电平范围是79~264V；低电平范围是0~40V。
（4）开关量输出DO模块
1）SM32216点输出，24VDC；信号1时输出L+-0.8V；每通道的最大输出电流0.5A；阻性负载的最高输出频率100HZ，感性为0.5HZ，带短路电子保护；
2）SM3228点输出，可接继电器；高电平时发出闭合信号；低电平时发出断开信号；接点容量8A（230VAC）或5A（24VDC）。
（5）模拟量输入AI模块SM3318点输入；对电阻检测时可选用4点；输入信号类型如下:
1）电压：
+-80mV，+-250mV，+-500mV，+-2.5V，+-5V，1-5V，+-10V；
2）电流：
+-10mA，+-20mA，0-20mA，4-20mA；
3）电阻：
150Ω，300Ω，600Ω；
4）热电偶：
E，N，J，K型；
5）热电阻：
Pt100标准，Ni100标准；
6）分辨率：
14位。
（6）模拟量输出AO模块SM332只有4点模拟量输出；
1）电压输出：
0-10V；+-10V；1-5V；
2）电流输出：
4-20mA；+-20mA；0-20mA；
3）分辨率：
12位。
（7）FM功能模块：
1）计数器模块：
与增量编码器配合,功能为连续、单向和循环记数；
2）步进电机控制模块：
用于连接步进电机，可对其运行进行定位；
3）PID控制模块：
主要用来转换温度、压力、震动等传感信号。
（8）通讯处理器:
1）CP343-1型是工业以太网的串行通信模块。
主要用来实现以太网上的数据通信。
2）CP342-5型作为低成本DP主/从的接口模块。
主要用于连接S7-300与PROFIBUS——DP总线，实现远程组态与编程。
3）CP343-5型现场总线通信模块使用PROFIBUS-FMS协议。
该模块为了应对复杂的现场通信要求设计，同时具备远程组态与编程能力。
3.3.3本系统中所使用的信号模块
信号模块（SignalModel）主要用于信号输入或输出。
S7-300系列中的信号模块主要分为两类:
数字量信号模块与模拟量信号模块。
（1）SM321数字量输入模块。
该模块主要用来连接二线制接近开关、工业现场的标准开关以及数字量输出设备。
模块内部设有滤波器用来防止信号干扰；还设置了光隔离电路，使现场的数字信号电平转换成PLC信号电平。
SM321有直流和交流信号输入两种基本信号类型。
本系统中数字输入模块型号为DI32*DC24V。
（2）SM322数字量输出模块。
该模块的主要作用是将S7-300PLC的信号电平转换成现场需要的信号电平。
模块内部设立的功率驱动电路和电隔离电路，用来驱动小功率电机、电动机的起动器、指示灯、接触器以及电磁阀等负载。
SM322模块一般按负载回路电源类型和功率驱动设备来分类。
本系统中数字输出模块型号为DO32*DC24V/0.5A。
（3）SM331模拟量输入模块。
该模块通过收集处理测量传感器的电流或直流电压信号，将其转换为数字信号传给PLC。
SM331包含8种型号的模块，所有型号内部采用了光隔离电路以及输入使用屏蔽电缆。
本系统中使用的模拟量输入模块型号为AI2*12bit。
（4）SM332模拟量输出模块。
S7-300PLC的数字信号需要通过此模块转换成所需要的模拟量信号。
SM332的4种型号的模块也都采用了光隔离电路。
本课题所使用的SM332型号为AO2*12bit。
3.3.4STEP7软件的介绍
STEP7是西门子公司专为旗下PLC产品开发的具有编程、仿真、组态的软件。
STEP7标准版集成了一系列用于PLC开发调试的工具,如SIMATIC管理器、硬件组态、编程语言、符号编辑器、仿真器等。
STEP7编程软件不同于常规编程软件，使用者更能直观的对程序进行修改，可以用来对硬件、网络实现组态。
STEP7可以编译和检查用户编写的程序以及存储用户自定义的程序块。
类似于C语言编程，在编写程序时可以调用其他块编好的程序，很大程度上提高了编程效率。
此外还有利于对PLC程序理解与维护。
STEP7提供的编程语言有3种:
梯形图（LAD）、语句表（STL）以及功能块图（FBD）。
操作者可以使用STEP7进行在线或离线编程，用户编程调试时可以不依赖PLC设备。
本次设计所使用的是STEP7版本是V5.5SP2版本，该版本可以支持WINDOWS764位操作系统，包含之前版本的所有功能并对一些细节进行优化。
3.4传感器的选择
3.4.1浮球式传感器（水位开关）
浮球式液位传感器可以充当水位开关，主要部件组成有磁性浮球、感应磁簧、接线盒等。
该传感器开关是根据浮力的特性和静磁场原理开发设计的。
浮球在水池中的受到浮力影响导致磁性材质也发生相应的变化。
水位上升导致浮球中的磁体与磁簧开关接触构成简单的传感器,用来向设备传递信号。
浮球式液位开关的技术优势:
浮球开关采用浮子与开关连接，磁簧动作接通电路，PLC设备接受闭合信号。
浮球简易传感器与其他液位测量仪器相比结构简单、可靠性高、成本低。
其特殊设计的开关具有响应速度快、工作寿命长以及抗负载冲击能力强的特点。
缺点也很明显，对水位的检测不够精确。
在本系统中浮球液位开关的作用相只对水池中几个特定水位进行检测，未达到指定液位，开关不动作；到达指定液位图3.3浮球式传感器
开关动作。
其示意图如图3.3。
3.4.2pH酸碱度传感器
水是一种弱电解质其所含物质之间影响其pH值，pH值除了作为检测净化水质的标准，还可以用来判断处理池中活性泥的活性。
工业污水排放的要求要保证pH值在6-9之间。
水发生弱电离产生氢离子与氢氧根离子，pH值是液体中氢离子浓度的常用对数负值。
pH值的测量器的原理主要基于电位法，用一个恒定电位的参比电极（测量电极电势作比较的电极）和测量电极组成一个原电池，氢离子的浓度决定了电动势的大小。
测量电极玻璃电极制成，该电极使用能渗透氢离子的、具有导电特性的玻璃制成。
当玻璃电极放入被测液体中，构成了简单回路产生电位,电位经过氯化银溶液中再与参比电极对比可换算成pH值。
本设计选用的传感器电极是图3.4pH检测仪
将玻璃电极和参比电极组合在一起的构成的一种复合电极，作为pH计测量元件，具体pH数值的大小得通过微型控制器里的特定程序换算而成。
该传感器与Arduino控制器（开源电子原型平台）以及LCD显示屏组合构成一个能显示具体pH值的检测仪。
将pH传感器连接到Arduino控制器上，把pH检测程序导入进控制器,可通过显示屏得出测量溶液的pH值。
操作人员可根据传回的pH值判断水质是否达标。
结构图如图3.4。
4污水处理系统软硬件分析设计
4.1系统中设备运行流程
工业污水处理系统是根据SBR法污水处理工艺设计的。
该工艺主要体现了四个重要过程，分别是预处理、曝气、沉淀和排水。
其中影响出水水质好坏的过程是在SBR池中进行的，图4.1所是根据要求设计的SBR池中一个周期流程图。
整个工艺流程如下。
（1）污水流入，两台粗格栅除污机由PLC中的
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