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污水厂粗格栅自动控制系统设计及应用讲解.docx

1、污水厂粗格栅自动控制系统设计及应用讲解吉林化工学院毕业设计说明书污水厂粗格栅自动控制系统设计及应用Waste water Treatment Plant Coarse Grid Design and Applicationof Automatic Control Systems学生学号:08550106 学生姓名: 专业班级:电气0801 指导教师:曹玉波 职 称:副教授 起止日期:20122272012612吉林化工学院Jilin Institute of Chemical Teclmologv吉林化工学院毕业设计说明书摘 要为了解决粗格栅污水处理生产效率低、需要大量的人工操作和维护复杂等问

2、题,本设 计提出了应用可编程控制器实现无人监守、自动控制的系统方案。本文介绍了粗格栅污水处理工艺原理和控制要求,采用简易的逻辑控制、硬件和软件 互锁的方法实现自控要求。阐述了粗格栅系统的电气控制系统设计和自控系统设计。电气 控制系统设计根据污水处理厂承担的负荷和尖峰电流选择低压开关、断路器和熔断器等设 备型号。自动控制系统部分包含下位机项目的创建、编写和仿真调试,绘制控制系统流程 图和二次回路接线图;上位机部分有现场监控画面、历史趋势曲线画面、报警画面和PID 变频控制画面。本系统可实现自动、手动、远程控制,改善污水处理系统操作环境。最后 对系统的调试与运行结果分析得知,粗格栅系统设计基本达到

3、预期的要求。关M酥娅;粗删;电气删可勰控制器污水厂粗格栅自动控制设计及应用Abstracthi older to solve the coaise gild of sewage treatment and low production efficiency, lequu es a lot of manual operation and mamtenance of complex issues such as the present design of the application of piogiaimnable controllers nobody probation progiam of

4、 automatic control systems.Tlus ailicle descnbes tlie coaise gnd sewage tieatment process pimciple and control lequuements, the use of sunpie logic contiol, haidware aiid software mterlock to aclueve selfcontiol lequuements The coaise gild system electrical contiol system design and automatic contro

5、l system design Electrical contiol system design based on bear the load aiid the peak ciurent of the sewage tieatment plant to select the device model of tlie low-voltage switchgeai; ckcuit bieakeis aiid fiises. Pait of the automatic contiol system includes the creation of the next bit machine、the p

6、iepaiation and sunulation debugging、diaw contiol system flow chart aiid the secondaiy cucuit wumg diagiain; live momtof scieen of the host computer part of the lustoncal trend curve scieen, alann scieeiis and PID frequency conversion contiol scieen. Tins system can aclueve automatic, manual, remote

7、contiol, to mipiove the sewage treatment system operatmg envifomneiH. Finally, system commissioning and operation results of the analysis of the coaise gild system, the basic design to meet expectations Key Words: Sewage treatment; Coarse grid; The power electricity system design; PLC-II -吉林化工学院毕业设计

8、说明书摘 要 IAbstract II第1章绪论 11.1本课题设计背景 11.2本课题设计目的及意义 213本课题设计的内容 2第2章系统控制方案 32.1粗格栅系统控制的概述 32.1.1污水处理工艺 32.1.2粗格栅系统组成 32.2系统方案 42.2.1系统控制方式 42.2.2污水一级处理工艺 5第3章电气控制系统设计 63.1粗格栅供电系统概况 63.2粗格栅系统负荷计算和尖峰电流计算 63.2.1用电设备负荷计算 63.2.2用电设备尖峰电流的计算 733低压一次设备选择 83.3.1熔断器选择与校验 83.3.2低压断路器选择与校验 933.3低压隔离开关选择 103.4变频

9、器的选型及应用 113.4.1变频器简介 113.4.2变频器的选型与接线设计 123.5电气主接线及设计 123.5.1次回路主接线设计 123.5.2配电系统接线设计 133.5.3二次回路接线设计 14第4章自动控制系统设计 164.1PLC的结构与工作原理 16污水厂粗格栅自动控制设计及应用4.2自控系统I/O点表 164.3自控系统设备选型 184.4自控系统工程创建 204.5自控系统梯形图设计 224.6自控系统流程图设计 25第5章人机界面设计及系统仿真通讯 275.1WmCC 简介 275.2WmCC人机界面设计 275.2.1创建项目 275.2.2创建变量 285.2.3

10、组态系统变量 305.2.4创建报警画面和历史趋势曲线画面 3153 PLCSIM 与 WINCC 仿真调试 325.3.1 建立 PLCSIM 与 WINCC 连接 3253.2下载载程序及仿真调试 335.3.3程序运行过程调试 34结 论 38参考文献 39致 谢 40吉林化工学院毕业设计说明书第1章绪论1.1本课题设计背景我国污水处理产业发展起步较晚,但改革开放以來,国民经济快速发展,人民生活 水平的显著提高,拉动了污水处理的需求,进入二十一世纪,我国污水处理产也进入快 速发展期,污水处理需求的增速远高于全球水平。随着社会经济的快速发展以及城市化 进程的不断加快,城市生活废水的排放量也

11、随之日益增多。作为改善城市生活环境的重 要项目之一-城市污水处理项目无论是对于保护城市水环境及水资源的利用,还是改善居 民生活环境等都具有非常积极而深渊的显示意义。然而,如果城市污水处理项目规划不 当、处理方案不合理,都会对城市环境造成很大的影响,并产生相当程度的危害。城市污水是城市地区范围内的生活污水、工业废水和径流污水的总称,它通常是由 城市管渠汇集排入水体或者通过城市污水处理厂处理后排入水体。随着城市化水平和人 民生活水平的提高,城市生活污水排放量迅速增长,其所占城市污废水排放量的比例逐 年增多,据统计,到2009年全国生活污水排放量己达504亿吨,生活污水排放量首次超过 工业废水排放量

12、。因此,在工业废水逐步得到治理后,生活污水对环境的影响越发变得 突出,如何加大力度治理城市污水也显得突出起來。我国是一个严重缺水的国家,虽然 我国年平均水资源总量为28000亿立方米,位居世界第6,人均水资源量为2,220立方米, 居于世界第110位,以及被联合国列为世界第十三个缺水国家之一。水资源的匮乏和水资 源的污染,己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。根据国家十五发展纲 要,十五期间各县市都要建立污水处理厂,如何保证处理过程的正常运行,减少运行成 本成为环保部门、城建部门所关注的问题。在我国,随着城

13、市人口的增加工业生产的发展,污水排放量也日益增加,水体污染 相当严重而且儿乎遍及全国各地。到2000年底,全国省市的663个城市中有310个建有 污水处理设施,建设务实处理厂427座,年污水处理113.6亿立方米,污水处理率只有 34.23%。城市内河道大都以成为污水退路有的己成为污水沟渠,城市地下水也受到不同 程度的污染。严重的水污染破坏到生态环境,直接威胁人民的生活和身体健康,影响工 农业生产,己成为不亚于洪灾、旱灾等给人们带来的危害。从总体上看,我国污水处理正在经历由规模小、水平低、品种单一、严重不能满足 需求到具有相当规模和水平、品种质量显著提高和初步满足国民经济发展要求的深刻转 变,

14、污水处理需求逐步实现自给。总之在当前背景下,对污水处理是迫切的而且是必要 的。污水厂粗格栅自动控制设计及应用1.2本课题设计目的及意义污水问题是当今我国面临比较严重的问题之一,为了使出水指标中的主要污染浓度 水平对河流和人们等水源中的污染降低到可以接受的水平,使自然资源得到保护和水的 生态资源得到改善,把水体中的有机污染和无极污染物浓度水平降低,达到国家标准然 后可以排放或者重复利用。这样可以有效的保护我国有限的水资源,最大限度的节约用 水和最大化的保护水资源。污水处理在现实生活中应用的相当广泛,尤其在城市用水我 处理方面,粗格栅污水处理环节是污水处理过程中的一个环节,主要作用是拦截污水中 的

15、固体废物,去除污水中一些粗大的悬浮物,保护水泵等设备不受损害。是污水处理必 不可少的一个环节,污水处理是将污水中的污染物质分离去除,使有害的物质转化为无 害的物质、有用的物质,水得到净化,并使资源得到充分利用。城市生活污水处理工艺按流程和处理程序划分可分为预处理工艺、一级处理工艺、 二级处理工艺、深度处理工艺和污泥处理工艺,以及最终的污泥处置。预处理工艺:主 要是物理处理,通过格栅、沉砂池等将污水中大块污物拦截出來,保证后续单元的正常 运行。预处理过程就去除污染物质而言,可能不起关键作用,但是至关重要。在现在的 情况下,人力成本逐渐提高,并且污水厂的环境比较差,不利于人们长期工作。因此设 计使

16、用高度自动化设备,使生产效率提高,更加节约资源和更好的处理污水。1.3本课题设计的内容本课题主要研究内容有以下儿点:粗格栅系统电气设备选型:根据动力设备进行负荷计算,选择合理低压开关和低压 断路器等设备,粗格栅系统的电气主接线及设计。PLC控制程序设计:包括系统O点统计,西门子PLC设备的选型,项目的创建过程, 下位机程序的编写,运行仿真调试和绘制二次接线回路等。上位机界面设计:利用WinCC软件对上位机进行组态,包括报警、历史趋势曲线、 现场操作画面和PID控制画面等。粗格栅系统数据处理:对PLC程序进行调试、仿真以及与上位机通讯,对数据进行 处理分析等。吉林化工学院毕业设计说明书第2章系统

17、控制方案2.1粗格栅系统控制的概述污水由进水系统通过粗格栅和螺旋输送机进行初步排除大块杂质物体,到达沉砂池 中。在沉砂池系统中细格栅和行车式吸砂机进一步净化污水中的细小颗粒物体,将污水 中的细小沙粒滤除后进入反应池。格栅单元,作用是用來去除水中粗大的悬浮物和杂物, 以保护后续处理设施能正常运行的一种预处理方法。一般根据水源情况分别设有粗格栅 和细格栅两个步序,粗格栅去除的是那些可能堵塞水泵机组及管阀门的较粗大的悬浮物, 而细格栅用以去除粗格栅难以去除的呈悬浮物状的细小纤维。本系统就是这一环节。2.1.1污水处理工艺污水由进水系统通过粗格栅和螺旋输送机进行初步排除大块杂质物体,到达沉砂池 中。沉

18、砂池中细格栅和行车式吸砂机进一步净化污水中的细小颗粒物体,将污水中的细 小沙粒滤除后进入反应池。工艺流程图如图2-1所示。图2-1工艺流程图2.1.2粗格栅系统组成粗格栅污水处理系统主要由进水井系统、格栅系统、螺旋输送压榨一体机系统、集 水井系统等四部分组成。进水井系统是污水经过简单过滤获得的污水,粗格栅系统由两 台粗格栅机和一台螺旋输送机组成,集水井是由五台泵控制的,其中有一台是有变频器 控制。具体详细流程图见上位机画面。粗格栅系统图如图2-2所示。图2-2粗格栅系统图污水厂粗格栅自动控制设计及应用2.2系统方案2.2.1系统控制方式在污水处理这方面,粗格栅控制系统有以下几种方式。方案1:完

19、全釆用传统的继 电器控制;方案2:采用可编程控制器PLC控制。第一种方案继电器控制系统逻辑釆用 硬件接线,利用继电器机械触点的串并联组合控制逻辑,其连线多且复杂、体积大、功 耗大,系统构成后,想在改变或者扩展功能较为困难;另外,继电器的触点数量有限, 所以继电器控制系统的灵活性和可扩展性受到很大限制。继电器控制工作频率低,触电 的开关动作一般在儿十毫秒数量级,且机械触点还会出现抖动问题。与第一种方案比较, 方案2的PLC控制有许多优势,可编程控制器PLC控制可以实现非常复杂的控制功能, 与相同功能的继电器相比,具有功能强,性价比高的特点;可编程控制器产品己经标准 化,系列化,模块化,配备有品种

20、齐全的各种硬件装置供用户选用,用户可以根据需求 选择相应的模块;可编程控制器具有可靠性高,抗干扰能力强的特点;系统安装调试简 单,工作量少、扩展性强、体积小、功耗低、维修方便、升级方便等优点。综上所述,采用方案2比较合适。从实际经验來看,粗格栅除污机可以釆用时间控制和液位差控制两种方式,螺旋输 送机优先的运行模式比较好。运行停止时应先将细格栅停止后再使螺旋输送机停止,在 确保过水量及合理的水头损失前提下,合理缩短格栅的运行时间,既保证了栅渣的积累, 避免无效运行,乂减轻设备的磨损和节约能耗。粗格栅系统控制二种启动方式,一种为图2-3格栅流程图(开始)变荻衆G动 G动两什泉 启动三台泉 启动网台

21、宋 启动五台采图2-4集水井流程图按时间启动,一种为根据格栅前后液位差启动。按时间启动:启动间隔时间可调(小时 级),运行时间可调(分钟级),二台格栅机同时启动,输送机延时1秒启动。停车顺吉林化工学院毕业设计说明书序为二格栅机先停,10秒钟后,输送机停机,整体停机结束。根据格栅前后液位差启 动:液位差达到40CM时启动格栅系统,运行时间为可调(分钟级),启动顺序和上条 相同。格栅流程图如上图2-3所示。集水井水泵系统:根据液位控制。2.4为停最后一台泵,2.8启一台泵,3.2启二台泵 3.6启二台泵,4.0启四台泵,4.4启5台泵。集水井流程图如上图2-4所不。2.2. 2污水一级处理工艺一级

22、处理:一级处理可由筛滤、重力沉淀和浮选等方法串联组成,除去废水中大部 分粒径在100pm以上的大颗粒物质。筛滤可除去较大物质;重力沉淀可除去无机粗粒和 比重略大于1的有凝集性的有机颗粒;浮选可除去比重小于1的颗粒物(油类等)。废水经 过处理后,一般达不到排放标准。一级处理的常用方法有筛滤法和沉淀法。方案一:格栅筛选法用来分离污水中呈悬浮状态污染物。常用设备是格栅和筛网。格栅主要用于截留污 水中大于栅条间隙的漂浮物,一般布置在污水处理厂或泵站的进水口,以防止管道、机 械设备及其他装置的堵塞。格栅的清渣,可采用人工或机械方法。本次研究部分是整个 系统的一次处理阶段,格栅是由一组(或多组)相平行的金

23、属栅条与框架组成。倾斜安装在 进水的渠道,或进水泵站集水井的进口处,以拦截污水中粗大的悬浮物及杂质。格栅所 能截留污染物的数量,随所选用的栅条间距和水的性质而有很大的区别。一般以不堵塞 水泵和水处理厂站的处理设备为原则。粗格栅除污机优点适应性强,处理量大,作业面 积大,抓取深度大,结构性好,自动化程度高,使用寿命长,工作环境好,土建投资少, 性价比优,维修方便,操作简单等特点,目前在国内外普遍采用此种方法。方案二:离心机沉淀法离心机主要用于将悬浮的固体颗粒与液体分开;或将乳浊液中两种密度不通,有互 不相容的液体分开;它也可用于排除湿固体中的液体,例如洗衣机甩干湿衣服。用于一 级处理的沉淀池,通

24、称初次沉淀池。其作用为:去除污水中大部分可沉的悬浮固体; 作为化学或生物化学处理的预处理,以减轻后续处理工艺的负荷和提高处理效果,其 优点是工作可靠,连续工作周期长,但离心机的缺点是效率比较低,适应工作范围小, 由于高速,对材料强度的加工精度和制造量均要求严格,自动化程度低,维护比较复杂 等。综上所述釆用方案一格栅筛选法。污水厂粗格栅自动控制设计及应用第3章电气控制系统设计3.1粗格栅供电系统概况粗格栅电机供电系统所需的电压是220V/380V电压等级,是直接经公共低压电网分 配的,无需电力变压器从610KV电网转换获得。在供电系统中常用一根线代表三相线 图,即汇成单线图的形式。粗格栅强电系统

25、属于三级负荷,但是短时停电或者较长时间 停电会造成一定的紊乱,对企业带來麻烦,因此设置工厂备用电源,但是在控制柜方面 需要釆用不间断电源,即UPS电源,将会在下章节介绍。本系统采用220/380V低压配 电方式,其接地方式釆用TN-S系统,其中N线与PE线全部分开,设备的外漏可导电部 分均接PE线,由于PE线中无电流通过,设备之间不会产生干扰,TN-S系统广泛用于 对安全要求较高的场所,及对抗干扰要求高的数据处理和精密检测等场所,也多用于住 宅供电系统。本系统用电设备的工作制是连续工作制设备,这类设备在恒定负荷下运行, 主电动机一般是连续运行的。3.2粗格栅系统负荷计算和尖峰电流计算3.2.1

26、用电设备负荷计算计算负荷是通过负荷的统计求出的、用来按发热条件选择供电系统中各元件的负荷 值。根据计算负荷选择电气设备和导线电缆,如果以计算符合连续运行,其发热温度不 超过允许值。计算负荷实际上与从负荷曲线上查得的半小时最大负荷P30是基本相当,有 功计算负荷、无功计算负荷、视在计算符合和计算电流相应地表示为P30、Q30、S30和130。 我国目前普遍采用的确定用电设备计算负荷的方法,有需要系数法和二项式法。本系统 采用系数法计算,其有功计算负荷基本公式为0 = K. X ,视在计算负荷为 s3o = 4/cos0,计算负荷为厶=S3/(屈X0.38)错误!未找到引用源。,其中Kd称 为需要

27、系数,tan为正切值,cos为平均功率因数,玖为设备容量。查附录I知取需要 系数 Kd=0.8, cos=0.8, tan=0.75。1.粗格栅机运行(1台运行)有功计算负荷:霧=心x叩=0. 8 x 7. 5 = 6k视在计算负荷:/cos(p = 6/0. 8 = 7. 5k VA计算电流:1 = S即Qi x 0. 38)= 7. 5/(73 x 0. 38) = 11. 4A2.输送机运行吉林化工学院毕业设计说明书有功计算负荷:= Kd x厶=0. 8 x 7. 5 = 6kW错误!未找到引用源。视在计算符合:错误!未找到引用源。计算电流:1 = S坦应 x 0. 38)= 7. 5/

28、(3 x 0. 38) = 11. 4力错误!未找到 引用源。3.水泵(1台运行)有功计算负荷:错误!未找到引用源。视在计算符合:= P/cos(p = 4. 4/0. 8 = 5.5kM错误!未找到引用源。 计算电流:1 = S汕罷x 0. 38)= 5. 5/(V3 x 0. 38)= 8. 36力错误!未找到 引用源。4.粗格栅机(2台)、输送机、水泵(4台)有功计算负:错误!未找到引用源。视在计算符合:错误味找到引用源。计算电流:错误!未找到引用源。5.变频泵运行有功计算负荷:错误!未找到引用源。视在计算符合:错误!未找到引用源。计算电流:错误!未找到引用源。6.动力系统有功计算负荷:

29、错误!未找到引用源。视在计算符合:错误!未找到引用源。 计算电流:错误!未找到引用源。3.2.2用电设备尖峰电流的计算尖峰电流是指持续时间12s的短时最大电流。尖峰电流主要用來选择熔断器和低压 断路器、整定继电保护装置及减压电动机自启动条件等。多台用电设备尖峰电流的计算(3-1)或 错误!未找到引用源。 (3-2)其中错误味找到引用源。为起动电流,心错误!未找到引用源。为用电设备的起动电流 倍数。动力柜的尖峰电流 错误味找到引用源。格栅机、输送机和水泵的尖峰电流 错误!未找到引用源。变频泵的尖峰电流 错误味找到引用源。污水厂粗格栅自动控制设计及应用单台用电设备尖峰电流的计算错误味找到引用源。

30、(3-3)3.3低压一次设备选择电气设备要能可靠性工作,必须按正常工作条件进行选择,并按短路状态來校验热 稳定性和动稳定。3.3. 1熔断器选择与校验熔断器在供配电系统中的配置,应符合选择性保护的原则,也就是熔断器要配置得 能使故障范围缩小到最低限度。供电系统中配置的熔断器数量要尽量少。低压配电系统 中熔断器起安全保护作用,当电流超过规定值一定时间后以它本身产生的热量使用熔体 融化而分断电流。本系统采用RM10型低压密闭管式熔断器,RM10型熔断器由纤维管、 变截面锌溶片和触头底座等部分组成,RM10型低压熔断器结构如图3-1所示。这种熔断 器的灭弧能力很强,属限流熔断器。a)熔管 b)熔片图

31、3-1 RM10型低压熔断器1.动力柜熔断器选择熔体及熔断器的额定电流:熔体额定电流“FE应不小于线路计算电流130,即Infe 130 =93.3 A, 乂熔体额定电流 Zfe还应躲过线路的尖峰电流Ipk,即Infe Ipk=136.3 A,选型RM10-200型低压熔断器, 其熔体电流Infe为160 A,最大电流为200A,熔管额定电压交流500V,直流440V,最 大分断电流10KA,满足设计需求。2.粗格栅机、输送机、水泵控制柜熔断器选择熔体及熔断器的额定电流:InfeLo=67.6A, In.feIpk=110.6A,选型 RM10-200 型低压熔断器,其熔体电流 Zfe 为125A,最大电流为200A满足设计需求。吉林化工学院毕业设计说明书3.变频柜熔断器选择熔体及熔断器的额定电流:Infe Iso =22.8A,In.fe KIpk=47.8A,选型 RM10-60 型低压熔断器,其熔体电流为 60A, 最大电流为60A满足设计需求。4.粗格栅熔断器和输送机熔断器选择熔体及熔断器的额定电流:Infe Iso =11.4A, Infe KIpk=0.35X 11.4X3=12.0A,选型 RM10-60 型低压熔断器, 其熔体电流为15A,最大电流为15A满足设计需求。5.水泵熔断器选择熔体及熔断器的额定电流:Infe Is

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