基于PLC的船舶生活污水处理系统的仿真与设计.docx

1、基于PLC的船舶生活污水处理系统的仿真与设计毕 业 论 文基于PLC的船舶生活污水处理系统的仿真与设计 专业班级：船舶电子电气工程姓 名： 指导教师： 信息与通信工程学院摘 要随着全球经济的快速发展，世界各国对海洋环境保护的日益重视，航运业对海洋环境的影响逐渐进入人们的视线，船舶航运业的防污染工作己被提到日程上来。本文从船舶生活污水处理角度出发，通过分析比对不同处理装置的优劣性，选择能够广泛应用于大部分船舶的装置类型，根据所选处理装置类型，对实际船舶生活污水处理过程加以分析，结合PLC控制技术，对污水处理过程中己有的工艺方法加以优化设计，使处理装置能够在满足污水处理工艺的同时，提升系统的处理效

2、果，并最终实现污水处理系统的自动运行控制。最后结合仿真技术，运用通讯手段，设计开发出一套污水处理仿真系统，模拟出实际船舶的污水处理工作过程。成果表明，所设计的污水处理的自动控制符合实际船舶污水处理的运行工况，仿真系统界面友好直观、操作性强且PLC控制运行可靠，对船舶生活污水处理系统的日后发展和研究上有一定程度的参考价值。关键词：船舶；生活污水处理；PLC；自动控制；仿真ABSTRACTWith the rapid development of the global economy, more and more attention has been paid to the marine envi

3、ronment protection in the world. The impact of the shipping industry on the marine environment has gradually come to peoples attention. The pollution prevention work of the shipping industry has been put on the agenda. This article from the perspective of ship sewage treatment, advantages and disadv

4、antages of different processing devices through the analysis of the comparison, selection can be widely used in most of the ships equipment types, according to the selected type of treatment device, the actual ship sewage treatment process analysis, combined with PLC control technology, to optimize

5、the design of the sewage treatment process has some process so, processing device can meet the sewage treatment process at the same time, enhance the treatment effect of the system, automatic operation control and finally realize the sewage treatment system. At last, a simulation system of sewage tr

6、eatment is designed and developed by means of communication technology, which simulates the process of sewage treatment of actual ships. The results show that the automatic control of sewage treatment design conforms to the actual operating conditions of ship sewage treatment simulation system, frie

7、ndly interface, strong operation and PLC control operation, with a certain degree of reference value for ship sewage treatment system on development and research.Key words: ship; domestic sewage treatment; PLC; automatic control; simulation基于PLC的船舶生活污水处理系统的仿真与设计第1章 引言1.1 研究目的与意义随着中国对节能减排工作的高度重视，积极引入

8、市场机制，加大投资力度，污水处理能力快速增长，污水处理设施对污染物减排的贡献率不断提升，对污水处理的系统要求也越来越高。世界上任何国家的经济发展，都会推进社会进步、促进工农业生产能力，使人民的生活得到进一步改善，尤其在工业革命之后，各国经济飞速发展，全球大量的不可再生资源（例如石油）被利用。如果这些污水无净化排出必定会给周围环境造成很大的污染。目前我国约300个城市缺水，其中严重缺水城市有50个。水资源的匮乏和水资源的污染已经严重的影响了人民的日常生活，严重的影响了全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。在这种情况下，污水更加不能随便外排，而是要净化之

9、后合理利用。随着淡水资源的日益短缺和需水量的不断增加,许多缺水城市和地区无新的水源可开发利用,污水的回收和再用已成为解决水资源短缺的有效措施之一。如今我国正处在经济高速发展的时期,城镇化的步伐加快，城市污水排放量增大,在这种背景下，合理地开发适合城市综合污水处理的技术和工艺，建设符合我国具体情况的污水厂自动控制系统不仅能降低污水处理成本，还能维护生态环境。而且对人类社会和经济具有深远的历史意义及现实意义。1.2 国内外研究现状国外现状：一些国家经济发达，并较早的实现了工业现代化。环境问题特别是水资源污染的严重性也较早的体现出来，对污水的处理更先进一些，同时也得到了这些国家政府的重视，投入了大量

10、的人力、物力进行污水处理的研究。这些国家在研究水处理新理论和工艺的同时，也重视污水处理自控系统的研究。先后投资研究高效型、智能型、集约型污水处理设备和自动化控制仪表。由于控制技术、网络通信技术以及现场总线技术的飞速发展，国外的污水厂很早就实现了网络控制，如DCS、FCS系统。同时国外较早的SCADA技术引入到了给排水工程当中，并取得了良好的经济效益与社会效益。意大利开发出一系列在线水质监测控制仪，美国艾姆科(EMICO)工艺公司1996年成功开发了多元组合式智能型一体化生活污水处理装置，美国米顿罗(MIDUNRO)公司也相继开发了一系列在线监测控制仪等，荷兰大学开发成功计算机控制内循环式水解生

11、化塔。由于这些水处理设备自动化程度、智能化程度相当高，能连续稳定运行，所以达到令人满意的水处理效果。国内现状：随着工业的发展，我国主要污水处理设备及配套没备基本实现了国产化，并逐步形成了系列化、规模化，如用于不同条件下的过滤设备、气浮选、压力除油、液液旋流除油等除油处理设备、药剂投加设备等。水处理的自动化程度有了提高。过滤处理、污泥脱水、气浮装置、加药装置等实现了PLC集成面板自动控制；流量、液位、以及悬浮周体含量等水质指标也实现了实时在线监测。水处理更加重视工艺和化学的有机结合。水处理剂的品种增多、效能提高。近些年来，随着科技的飞速发展，我国各大中型企业纷纷对污水处理技术进行了更新换代。崭新

12、的污水处理流程线，世界先进水平的处理设施，都表明了我国污水处理行业正在从最初的品种单一、规格低下、规模小、水平低、质量不够的水平逐渐向多样式、复合结构、大规模、高质量、高要求的方向发展，我国的污水处理技术水平在已基本满足国内的需求情况下，逐渐开始转型污水处理出口，行业发展速度之快居于世界领先水平。其中，PLC控制系统作为一项先进的技术也逐渐应用于污水处理系统中。PLC具有可靠性高、抗干扰能力强、编程简单、使用方便。程序可变，一方面采集数据，一方面进行信息的监控处理，强大的联网功能使得PLC 通信更加方便，利用PLC 这种“集中管理、分散控制”的特点，可以实现中控室中央监控，可以实现现场生产线自

13、动化流水作业，也可以构建大型集散控制系统。 我国发展了适合我国国情、高效、低耗和低成本的污水处理技术。第2章 船舶生活污水处理工艺的设计2.1 船舶生活污水处理的各种工艺流程由于船舶生活污水主要含有的是有机物，所以应当参照城市生活废水的处理工艺进行设计，才能完成达标，目前，国内外船舶生活废水处理技术多种多样，按其处理方法原理可分为生物法(活性污泥法、生物膜法和膜生物法)、物化法(混凝沉淀及吸附过滤等)、电化学法。下面对各种处理方法做一简单介绍：2.1.1 生物法一、活性污泥法：活性污泥法就是以活性污泥为主体，利用好氧菌氧化分解废水中的有机污染物质的废水处理方法。在充氧条件下，活性污泥通过混凝、

14、吸附和氧化分解作用，使有机污染物去除或降解，从而使废水得到净化。活性污泥法处理废水的主要构筑物是曝气池。活性污泥法目前被污水处理厂广泛使用，作为污水处理的核心设施，因为该方法较为成熟，使用经验丰富，所以大多数装置运行效果较好。二、生物膜法：好氧生物膜法包括生物滤池、生物转盘等，其主要特征是在设备或构筑物中设置供微生物聚集的载体。在充氧的条件下，由微生物构成的生物膜附着在载体上，将废水中的有机污染物吸附、分解、合成，最后氧化为无害物质。此方法占地面积比活性污泥法少，产生污泥量少，减少了污泥处理的压力，所以近年来被新建的污水厂广泛采用。三、膜生物（MBR）法：膜生物反应器（MBR）是一种由膜分离单

15、元与生物处理单元相结台的新型水处理技术，以膜组件取代二沉池在生物反应器中保持高活性污泥浓度减少污水处理设施占地，并通过保持低污泥负荷减少污泥量。与传统的生化水处理技术相比，MBR具有以下主要特点：处理效率高、出水水质好，在很多情况下出水可作为再生水直接使用；设备紧凑、占地面积小；易实现自动控制、运行管理简单。目前膜生物反应器己应用于美国、德国、法国和埃及等十多个国家，规模从6m3d至 13000m3d不等。在我国，MBR同时应用于生活污水与工业废水处理的研究。 这些研究结果都表明：MBR对各种高浓度有机废水与难降解废水的COD，NH3-N，SS，浊度等都达到良好的去除效果2.1.2 物化法一、

16、混凝沉淀法：在水处理中，向水中投加混凝剂以破坏水中胶体颗粒的稳定状态，在一定水力条件下，通过胶粒间以及其它微粒间的互相碰撞和聚集，从而形成易于从水中分离的絮状物质的过程，成为混凝。在船舶废水的处理中，混凝可去除水中的浊度、色度、某些无机或有机污染物，如油、硫、砷、镉、表面活性物质、放射性物质、浮游生物和藻类等。混凝过程的药剂可分为混凝剂、助凝剂两大类。混凝剂包括两类：一类是无机盐类，如铝盐和铁盐；二是高分子混凝剂，如聚丙烯酰胺等。助凝剂包括三类：一是酸碱类，如石灰等；二是混凝核心类，如二氧化硅、活性炭、各种粘土、沉淀污泥等；三是氧化剂类，如氯、臭氧等。混凝剂、助凝剂及其它药剂的选择，应根据被处

17、理水的工艺实验，或参照类似被处理水的运行经验来确定。二、吸附过滤法：纤维活性炭(ACF)是一种新型吸附材料,对CODCr、浊度、硫化物、挥发酚、石油类等有良好的去除效果,具有吸附容量大,吸附速度快,解析快的优点:ACF使用寿命长,可望替代粒状碳用于生活废水的处理,而且可以回收排放水用作循环水的补充水，整个工艺流程简单,成本较低,既消除了环境污染又节约了用水。过滤是以具有空隙的粒状滤料，如石英砂、无烟煤等截留水中杂质，从而使水得到澄清的工艺过程。目前，国内外生活废水二级处理流程中，通常将过滤作为废水处理厂的把关措施，使处理水量的一部分或全部通过过滤设施，从而保证工厂排水合格。在废水三级处理过程中

18、，常把过滤作为三级处理的预处理，使深度处理设施免于经常堵塞，提高其处理效率。三、电化学法：电化学法又称电化学还原氧化法，电化学还原即通过电解法在阴极发生还原反应而去除污染物。可分为两类：一类是直接还原，即污染物直接在阴极上得到电子而发生还原，另一类是间接还原，指利用电化学过程中生成的一些氧化还原媒质，如Ti3+，V2+和Cr2+，将污染物还原去除，另一种是直接氧化，即污染物直接在阳极失去电子而发生氧化，在含氰化物、含酚、含醇、含氮有机染料的废水处理中，直接电化学氧化都发挥了非常有效的作用。另一种是间接氧化，即通过阳极反应生成具有强氧化作用的中间产物或发生阳极反应之外的中间反应，氧化被处理污染物

19、，最终达到氧化降解污染物的目的2.2 船舶生活污水处理方案的选择尽管从船舶生活污水的水质特性来看，解决船舶生活废水问题似乎不存在技术上的难度，但到目前为止仍没有一种公认的理想工艺。近年来国际上的研究方向以强化生物处理工艺流程及处理效率为主，比较典型的就是结合膜分离技术而形成的膜生物法工艺(MBR)。目的是将船舶所产生的灰水、黑水以及舱底含油废水集中到一个MBR处理后达标排放。一、生化法。优点：1）一次性投资较少；2）运行费用低缺点：1）装置体积庞大，为点解法装置的5-10倍；2）处理污水种类单一，含洗涤剂、消毒剂id灰水(“黑水”如厕所污水和“灰水”如洗澡水)无法处理；3）没有细菌无法处理污水

20、，必须正确的培养细菌，操作人员应具备专业知识；4)无法随时启运，船舶一旦靠岸，污水量不足，将导致以分解污水为生的细菌“饿死”；5)需要定期清理储罐内的污渣（有恶臭）；6）另需要加化学消毒剂，不仅占地，而且船上储存也很危险，建造后的船舶安装不方便，经常要破坏船体，二、物化法。优点：1）整机体积较小，运行和空载的质量较轻；2）操作简便缺点：1）外加大量化学消毒药剂，不仅需要很大空间储存，也很危险；2）运行费用高，远大于电解法和生物法装置；3）装置内部管道泵连接复杂；4）由于装置内的单体设备体积大，建造后的船舶安装不方便；5）装置中的关键部件滤网经常赌赛，人工清理环境恶劣；6）需定期清理储存罐内的污

21、渣（有恶臭）三、电解法。优点：1）整机体积小，运行和空载重量最轻；2）操作维护简单，无需专业人员，运行可靠，无有害、有味气体放出，缺点：1）一次性投入大，安装在船舶上运用不符合经济利益最大话原则；2）运行费用较生化法高，但低于物化法通过上述比较可以看出，生化法和物化法的生活污水处理装置，无论从装置上还是处理水种类和使用性能上都存在不足，电解法较好的解决了传统生化法和物化法操作复杂、运行不稳定、操作条件恶劣等缺点，但价格高，初次投资费用大，并且污水中必须维持一定的盐水浓度，以保证电解质正常工作，他太适合内河和湖泊航运的船舶。作为在内河和湖泊中航行的船舶以及沿海航行的船舶，海上固定设施、人员相对比

22、较稳定，不存在污水量不足的问题，一次性投资较少，长期运行费用低，选用生化法比较合适。在生化法中，活性污泥法虽然成熟,使用经验丰富,大多数装置运行效果也较好，但主要适用于处理量大的废水处理，不符合船舶的应用设计生物膜处理法虽然占地面积少,产生污泥量少,减少了污泥处理的压力，但出水水质明显不如MBR法，MBR法由于膜的高效分离作用，分离效果远好于传统沉淀池，处理出水极其清澈， 悬浮物和浊度接近于零，细菌和病毒被大幅去除 ，出水水质优于建设部颁发的生活杂用水水质标准（ CJ25.1-89 ），可以直接作为非饮用水进行回用。第3章 船舶生活污水处理系统的设计3.1小型污水处理控制系统设计要求3.1.1

23、 技术要求SBR废水处理技术是一种高效废水回用的处理技术，采用优势菌技术对校园生活污水进行处理，经过处理后的中水可以用来浇灌绿地、花木、冲洗厕所及车辆等，从而达到节约水资源的目的。SBR废水处理系统方案要充分考虑现实生活中校园生活区较为狭小的特点，力求达到设备体积小，性能稳定，工程投资少的目的。废水处理过程中环境温度对菌群代谢产生的作用直接影响废水处理效果，因此采用地埋式砖混结构处理池以降低温度对处理效果的影响。同时，SBR废水处理技术工艺参数变化大，硬件设计选型与设备调试比较复杂，采用先进的PLC控制技术可以提高SBR废水处理的效率，方便操作和使用。SBR废水处理系统分别由污水处理池、清水池

24、、中水水箱、电控箱以及水泵、罗茨风机、电动阀门和电磁阀等部分组成，在污水处理池、清水池、中水水箱中分别设置液位开关，用以检测水池与水箱中的水位。SBR废水处理系统示意图如图1所示。图1 SBR废水处理系统示意图污水处理的第一阶段：当污水池中的水位处于低水位或无水状态时，电动阀会自动开起纳入污水。当污水池纳入的污水至正常高水位时，电动阀自动关闭，污水池中污水呈微氧和厌氧状态。污水处理的第二阶段：采用能降解大分子污染物的曝气法，可使污水脱色、除臭、平衡菌群的pH值并对污染物进行高效除污，即好氧处理过程。整个好氧（曝气）时间一般需要68h。在曝气管路上安装了排空电磁阀，当电动阀门自动关闭后，排空电磁

25、阀开起，罗茨风机延时空载起动，然后排空电磁阀关闭，污水池开始曝气。当曝气处理结束后，排空电磁阀再次开起，罗茨风机空载停机，然后排空电磁阀延时关闭。曝气风机在无负荷条件下起动和停止，能起到保护电动机和风机的作用。经过0.5h的水质沉淀，PLC下达起动1#清水泵指令，将沉淀后的水泵入到清水池。当清水池中的水位升至正常高水位时，1#清水泵自动停止运行。这时2#清水泵自动起动向中水箱泵水，当水箱内达到正常高水位时，2#清水泵自动停止运行，这时中水箱内的水全部完成处理过程。如上所示，当中水箱内水位降至低水位时，2#清水泵又自动起动向中水箱泵水。当污水池中的水位降至低水位时，电动阀门会自动打开继续向污水池

26、纳入污水。如此循环往复。SBR废水处理技术针对污水水质不同选用生物菌群不同，工艺要求要求有所不同，电气控制系统应有参数可修正功能，以满足废水处理的要求。3.1.2 动力设备SBR废水处理系统中所使用的动力设备（水泵、罗茨风机、电动阀），均采用三相交流异步电动机，电动机和电磁阀（AC220V选配）选配防水防潮型。1#清水泵：立式离心泵LS50-10-A，扬程10m，流量29m3/h，1kW。2#清水泵：立式离心泵LS40-32.1，扬程30m，流量16m3/h，3kW。曝气罗茨风机：TSA-40，0.7m3/min，1.1kW。电动阀：阀体D97A1X5-10ZB-125mm，电动装置LQ20-

27、1，AC380V，60W。3.1.3 设计要求1)控制装置选用PLC作为系统的控制核心，根据工艺要求合理选配PLC机型和I/O接口。2)可执行手动/自动两种方式，应能按照工艺要求编辑程序并可实时整定参数。3)电动阀上驱动电动机为正、反转双向运行，因此要在PLC控制回路加互锁功能。4)PLC的接地应按手册中的要求设计，并在图中表示或说明。5)为了设备安全运行，考虑必要的保护措施，入如电动机过热保护、控制系统短路保护等。6)绘制电气原理图：包括主电路、控制电路、PLC硬件电路，编制PLC的I/O接口功能表。7)选择电器元件、编制元器件目录表。8)绘制接线图、电控柜布置图和配线图、控制面板布置图和配

28、线图等。9)采用梯形图或指令表编制PLC控制程序。3.2 小型污水处理控制系统程序图3.2.1 程序流程图图2 小型污水处理控制系统程序流程图3.2.2 主电路设计 图3 SBR废水处理电气控制系统主电路1)主回路中交流接触器KM1、KM2、KM3分别控制1#清水泵M1、2#清水泵M2、曝气风机M3；交流接触器KM4、KM5控制电动阀电动机M4，通过正、反转完成开起阀门和关闭阀门的功能。2)电动机M1、M2、M3、M4由热继电器FR1、FR2、FR3、FR4实现过载保护。电动阀电动机M4控制器内还装有常闭热保护开关，对阀门电动机M4实现双重保护。3)QF为电源总开关，既可完成主电路的短路保护，

29、又起到分断三相交流电源的作用，使用和维修方便。4)熔断器FU1、FU2、FU3、FU4分别实现各负载回路的短路保护。FU5、FU6分别完成交流控制回路和PLC控制回路的短路保护。3.2.3 交流控制电路设计1)控制电路有电源指示HL。PLC供电回路采用隔离变压器TC，以防止电源干扰。2)隔离变压器TC的选用根据PLC耗电量配置，可以配置标准型、变比1：1、容量100VA隔离变压器。3)1#清水泵M1、2#清水泵M2、曝气风机M3分别有运行指示灯HL1、HL2、HL3，由KM1、KM2、KM3接触器常开辅助触点控制。4)4台电动机M1、M2、M3、M4的过载保护，分别由4个热继电器FR1、FR2

30、、FR3、FR4实现，将其常闭触点并联后与中间继电器KA1连接构成过载保护信号，KA1还起到电压转换的作用，将220V交流信号转换成直流24V信号送入PLC完成过载保护控制功能。5)上水电磁阀YA1和指示灯HL1、排空电磁阀YA2，分别由中间继电器KA2和KA3触点控制。图4 SBR废水处理系统交流控制电路3.3 小型污水处理控制系统硬件软件设计3.3.1 可编程控制器控制电路设计1)硬件结构设计。了解各个控制对象的驱动要求，如：驱动电压的等级、负载的性质等；分析对象的控制要求，确定输入/输出接口（I/O）数量；确定所控制参数的精度及类型，如：对开关量、模拟量的控制、用户程序存储器的存储容量等

31、，选择适合的PLC机型及外设，完成PLC硬件结构配置。2)根据上述硬件选型及工艺要求，绘制PLC控制电路原理图，绘制PLC控制电路，编制I/O接口功能表。图11-4为SBR废水处理系统PLC控制电路原理图，L6作为PLC输出回路的电源，分别向输出回路的负载供电，输出回路所有COM端短接后接入电源N端。3)KM4和KM5接触器线圈支路，设计了互锁电路，以防止误操作故障。4)PLC输入回路中，信号电源由PLC本身的24V直流电源提供，所有输入COM端短接后接入PLC电源DC24V的（）端。输入口如果有有源信号装置，需要考虑信号装置的电源等级和容量，最好不要使用PLC自身的24V直流电源，以防止电源

32、过载损坏或影响其他输入口的信号质量。5)PLC采用继电器输出，每个输出点额定控制容量为AC250V，2A。3.3.2 输入输出口分配表1-1 废水处理系统PLC输入接口功能表工位名称文字符号输入口1污水池高水位开关信号H1I0.02污水池低水位开关信号L1I0.13清水池高水位开关信号H2I0.24清水池低水位开关信号L2I0.35中水箱高水位开关信号H3I0.46中水箱低水位开关信号L3I0.57起动按钮SB1I0.68停止按钮SB2I0.79旋钮开关（自动）SB3-1I1.010旋钮开关（手动）SB3-2I1.111手动开电动阀旋钮开关SB4I1.212手动关电动阀旋钮开关SB5I2.1131#清水泵手动旋钮开关SB6I1.3142#清水泵手动旋