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免费-基于PLC污水处理控制系统毕业论文..doc

免费-基于PLC污水处理控制系统毕业论文.

少女天空618
2018-04-01 0人阅读 举报 0 0 暂无简介

简介:本文档为《免费-基于PLC污水处理控制系统毕业论文.doc》,可适用于战略管理领域

基于PLC的工业污水处理控制系统的设计基于PLC的工业污水处理控制系统的设计摘要目前我国大多数污水处理控制系统自动化水平不高、安全性低、管理不当效率普遍低于世界标准。污水处理系统中的曝气过程控制、数据通讯和监控管理是急需解决的主要问题。中国污水处理自控系统相对落后污水处理成本居高不下污水厂排放的处理过的污水的水质不稳定所以如何建立有效的自控系统优化运行效果减少运行费用具有重要意义。本文介绍了工厂污水处理的基本工艺和流程并通过研究设计一套基于PLC控制的污水处理系统。文章首先介绍了基于PLC污水处理控制系统的工艺及相关流程控制系统硬件结构及设计、工作原理以及设计PLC控制系统的基本原则和步骤来说明PLC在污水处理过程中的应用。先根据污水处理要求设计了设备的电器控制与自动控制线路主要包括设备的启停、状态信号故障信号、和信号采集等最后按照工艺要求设计PLC控制系统其中包括PLC的选型、系统资源配置以及按照污水处理工艺编制PLC程序。关键词:污水处理PLC工艺流程目录绪论工业污水处理的国内外现状课题的背景研究目的和意义课题主要设计的内容工业污水处理控制系统总体介绍工业污水处理基本概念常用的工业污水处理工艺工业污水处理系统控制形式工业污水处理系统的功能要求硬件系统配置主要组成部分电气控制系统工业污水处理系统的工作原理PLC选型PLC的IO资源配置其他资源配置软件系统设计总体流程设计曝气过程控制的任务氯气投加环节絮凝剂投加环PID控制PLC和变频器通讯调试和运行结果硬件系统的调试软件系统的调试运行结果结论参考文献致谢绪论水与人的生活息息相关特别在现代社会生活及生产中人们对水的需求量与日俱增。然而水资源是有限的。据报道我国人均拥有淡水量为吨为世界平均值的在全球个国家(参与统计国家中)我国人均淡水资源位居位属于淡水资源贫乏的国家。而且我国水资源时空分布极不均衡全国多个城市缺水其中多个严重缺水北方地区缺水现象尤其严重人均拥有淡水量仅有吨。令人担忧的是淡水总量日益减少用水成本不断升高淡水的浪费非常严重。我国北方地区水资源的超采己形成漏斗地势、水位下降、湖泊干涸、河水断流、生态恶化。淡水资源的短缺己经成为我国急需解决的问题。我国淡水资源不断减少而且污染现象较为严重。随着社会的发展水资源已经成为影响工业发展的重要因素现代工业中生产工艺和设备对水质要求越来越高。但是我国工业用水耗费高重复利用水少中水使用率不高有关资料显示我国的工业用水重复利用率平均为~。目前全国城市污废水的处理率(达排放标准的)仅有左右其余的污废水都直接排入河川、湖泊、海洋。耗水量高、重复利用率低、污染严重是我国工业系统水资源利用的突出问题。严重的环境污染使有限的水资源日益减少、水质日益恶化无疑是ldquo雪上加霜rdquo。据统计由于水质污染我国已有大约亿人的饮水发生不安全现象其中亿人的饮水是超标水。气象学家预测年全球变暖加剧地表将有的面积变为沙漠那时干旱将威胁全球一半的大陆人类的生存。这些现象都是水污染产生的严重后果因此工业污水处理项目的实施已经刻不容缓。众多迹象表面水资源的短缺无疑将成为制约经济持续协调发展的瓶颈因此世界各国越来越重视水处理和水的再利用通过各种技术进一步提高供水质量提高经济效益。并且工业污水处理过程中经过厌氧和好氧处理污水中的热量、沼气等再生能源可以为工业生产提供二次能源真正实现变废为宝、循环经济的目的。随着环境保护的呼声越来越高工业污水处理已经体现出其必要性和紧迫性对于各种污水进行处理后排放成为各企业基本的要求。在工厂的工业污水处理过程中污水来源的不稳定以及工厂中各种污水的成分的复杂性对工业污水处理的工艺和控制方式提出了非常高的要求。工业污水处理的国内外现状我国工业污水处理技术从ldquo七五rdquo国家科技攻关开始逐步进行研究。ldquo七五rdquo和ldquo八五rdquo攻关项目在氧化塘、土地处理和复合生态系统等自然处理技术方面的研究较多以这些成果为设计依据建立了一些氧化塘、土地处理等污水示范工程。在人工处理技术方面ldquo八五rdquo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。研究成果己被应用于大批工业污水处理厂。污水厂污泥处置问题在ldquo九五rdquo科技攻关中受到重视并配套开发成套的污泥处理。经过ldquo七五rdquo、ldquo八五rdquo和ldquo九五rdquo期间的努力我国在工业污水处理技术方面取得了较大的成就。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标志着我国工业污水处理事业发展到了一个崭新的阶段。现阶段我国工业污水处理的工作重点已经从工艺技术的研究转移到具体项目的实施。国际上大规模的水污染治理是在第二次世界大战后随着年代经济的蓬勃发展带来的年代日益严重性的环境污染而展开的。工业污水处理设施中城市排水管线和工业污水处理厂的兴建和运行在水污染控制中发挥着骨干作用。至年代末美国投入了数千亿美元兴建了余座城市工业污水处理厂英国、法国、德国更耗费了巨额资金兴建了至座城市工业污水处理厂。这些工业污水处理厂的投入对国家的水体污染改善起了关键的作用也为人类治理水污染积累了丰富的经验。现在这些国家的工业污水处理水平又有了进一步提高兴建了一批具有脱氮除磷功效的设施对水体质量改善和水环境保护起了重大的作用。课题的背景未来年中国工业污水处理项目工程建设投资将超过亿元其中工业污水处理设备投入约亿元。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。研究目的和意义世界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生活得到进一步改善但是也随之带来不同程度的环境污染污水也是造成环境污染的来源之一。这个污染源的出现引起了世界各国政府的关注治理水污染环境的课题被列入世界环保组织的工作日程。我国是一个严重缺水的国家虽然我国年平均水资源总最为亿m居世界第位人均水资源量为m居世界第位已经被联合国列为世界上个缺水国家之一。目前我国约个城市缺水其中严重缺水城市有O个。据中国经济信息网分析统计全国按目前正常需要年缺水总里约为亿~亿立方米因缺水造成的经济损失每年达亿。超过洪涝灾害。水资沟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。因此建设符合我国国情的污水厂自动控制系统对降低工业污水处理成本、改善环境、建立可持续发展社会和和谐社会、保持我国经济高速发展具有重要意义。课题主要设计的内容本课题主要设计的内容是工业工业污水处理工艺及工业污水处理系统的组成和PLC控制系统设计,主要由以下内容组成:()介绍了工业污水处理的基本内容包括工业污水处理的发展现状以及工业污水处理的工艺流程()介绍了PLC的基本结构和工作原理并对工业污水处理控制系统进行设计分析()具体分析设计工业污水处理的硬件系统()具体分析设计工业污水处理的软件系统 ()工业污水处理系统的调试与运行。工业污水处理控制系统总体介绍工业污水处理基本概念城市污水、生活污水、生产污水或经过工业企业局部处理后的生产污水往往都排入排水系统。这些污水除含有碳水化合物、蛋白质、氨基酸、动植物脂肪、尿素、氨、肥皂和合成洗涤剂等物质外还含有细菌、病毒等使人致病的微生物。经处理后的污水最后出路有三种:①排放水体②灌溉田地③重复使用。污水污染物可根据化学性质和物理形态进行不同的分类。按化学性质污水中的污染物质可分为无机性物质和有机性物质其化学元素以炭、氮、磷为主。按物理形态污水中的污染物质可分为固体悬浮物即呈颗粒状的污染物质、胶体污染物质和溶解性污染物质。好氧有机污染物的性质稳定在微生物的作用下借助微生物的新陈代谢功能而降解为无机物如二氧化碳、水、硝酸根离子等稳定的无机物。有机物的种类很多其共性是在微生物的作用下被降解时都要消耗水中的溶解氧所以在工程实际中采用以下的几个综合污染指标来表述:生物化学需氧量或生化需氧量(BiochemicalOxygenDemand,BOD)mgL、化学需氧量(ChemicalOxygenDemand,COD)mgL、总有机碳(TotalOrganicCarbon)mgL、总需氧量(TotalOxygenDemand)mgL。虽然BOD。能较精确地描述污水的生化需氧量但其测定的时间太长需天。考虑到好氧分解速率一般在开始的几天最快在℃温度下污水五日生化需氧量(BOD)约占BOD的~因此把BOD作为衡量污染水的有机物浓度指标。化学需氧量(COD)的特点是能够精确的表示污水中有机物的含量并且测定时间短但它不能像BOD那样表示出微生物氧化的有机物量。常用的工业污水处理工艺不同的工业污水处理对象不同的工业污水处理环境将需要有不同的工业污水处理工艺来处理。因此在选择工业污水处理工艺的时候必需要认真考虑当地污水的情况以及实际的工业污水处理的环境。工业污水处理的方法主要有物理、化学、物理化学以及生物等几种。这些方法根据实际情况可以单一使用也可以针对不同的污水混合使用。目前工业污水处理的方法一般以生物处理法为主辅以物理处理法和化学处理法。常用的工业污水处理工艺有以下几种。()传统活性污泥法。传统活性污泥处理法是一种最古老的工业污水处理工艺其工业污水处理的关键组成部分为沼气池与沉淀池主要处理部分关系框图如图所示。图传统活性污泥法工艺流程图污水中的有机物在曝气池停留的过程中曝气池中的微生物吸附污水中的大部分有机物并且在曝气池中被氧化成无机物然后在沉淀池中经过沉淀后的部分活性泥需要回流到曝气池中。该工艺的优点有:有机物去除率高污泥负荷高池的容积小耗电省运行成本低。该工艺的缺点有:普通曝气池占地多建设投资大满足国家标准相关指标范围小、易产生污泥膨胀现象磷和氮的去除率低。()AO法。AO法是在传统活性污泥法的基础上发展起来的一种工业污水处理工艺其中A代表Anoxic(缺氧的)O代表Oxic(好氧的)。AO法是一种缺氧好氧生物工业污水处理工艺。该工艺通过增加好氧池与缺氧池所形成的硝化反硝化反应系统很好的处理了污水中的氮含量具有明显的脱氮效果。但是此硝化反硝化反应系统需要得到很好的控制这样就对该工艺提出了更高的管理要求这也成为了该工艺的一大缺点。其工艺流程图如下:图AO法工艺流程图()AO法。AO法也是在传统活性污泥法的基础上发展起来的一种工业污水处理工艺其中A即AA前一个A代表Anaerobic(厌氧的)后一个A代表Anoxic(缺氧的)O代表(好氧的)。AO是一种厌氧mdash缺氧mdash好氧工业污水处理工艺。AO法的除磷脱氮效果非常好非常适合用于对除磷脱氮有要求的工业污水处理。因此在对除磷脱氮有特别要求的城市工业污水处理厂一般首选AO工艺。其工艺流程图如图所示。图AO法工艺流程图()AB法。AB法是吸附生物降解法的简称该工艺没有初沉淀将曝气池分为高低负荷两段并分别有独立的沉淀和污泥回流系统。高负荷段停留时间约为~min以生物絮凝吸附作用为主同时发生不完全氧化反应去除BOD达以上。B段与常规活性污泥法相识负荷较低。AB法中A段效率很高并有较强的缓冲能力。B段起到出水把关作用处理稳定性较好。对于高浓度的工业污水处理AB法具有很好的适用性并有较高的节能效益。尤其在采用污泥消化和沼气利用工艺时优势最为明显。但是AB法污泥产量较大A段污泥有机物含量极高因此必须添加污泥后续稳定化处理这样就将增加一定的投资和费用。另外由于A段去除了较多的BOD造成了碳源不足难以实现脱氮工艺的要求。对于污水浓度低的场合B段也比较困难也难以发挥优势。总体而言AB法工艺较适合于污水浓度高具有污泥消化等后续处理设施的大中规模的城市工业污水处理厂且有明显的节能效果而对于有脱氮要求的城市工业污水处理厂一般不宜采用。()SBR法。SBR法是歇式活性污泥法的简称是一种按照一定的时间顺序间歇式操作的污水生物处理技术也是一种按间歇曝气方式来运行的活性污泥工业污水处理技术又称序批式活性污泥法。其反应机理及去除污染物的机理与传统的活性污泥法基本相同只是运行操作方式不尽相同。SBR法与传统的水处理工艺的最大区别在于它是以时间顺序来分割流程各单元以时间分割操作代替空间分割操作非稳态生化反应代替生化反应静置理想沉淀代替动态沉淀等。整个过程对于单个操作单元而言是间歇进行的但是通过多个单元组合调度后又是连续的在运行上实现了有序和间歇操作相结合。本设计系统工业污水处理工艺及描述:本工业污水处理工艺流程图如下图所示:图工艺流程图污水由进水系统通过粗格栅和清污机进行初步排除大块杂质物体到达除砂池中。在除砂池系统中细格栅和转鼓清污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氧化沟反应池。在该氧化沟系统中进行生化处理分解污水中的有害物质此环节用到一些化学药剂来加强处理效果如复合碱、氯气、油絮凝剂等。对污水进行除油、消毒、调整PH值。同时在该系统中设置有溶解氧仪超声波检测器通过它对污水中的含氧量进行检测根据其反馈到PLC的值来控制曝气机变频器的运行改变污水中溶解氧的含量。潜水搅拌机的作用是推进水流使氧化沟的污水和活性污泥处于剧烈搅拌充分混合接触使生化反应更加充分以最大程度地分解污水中的有害成分。经处理的污水进入沉淀池中在刮泥机的作用下进行物理沉淀为了加强沉淀效果同时加入混凝剂和絮凝剂利用高分子助凝剂的强烈吸附架桥作用更加容易沉降。污水经沉淀池处理最后到达脱水环节离心式脱水机作用下进行脱水处理后排出清水。工业污水处理系统控制形式早期的控制系统多采用继电器mdashmdash接触器控制系统但随着电子技术的飞速发展控制要求的不断提高该类控制方法已不能满足现代工业污水处理系统的控制要求因此已逐渐被淘汰取而代之的是DCS、现场总线控制、PLC等控制方。()DCS系统。DCS是集散控制系统的简称又称为分布式计算机控制系统是由计算机技术、信号处理技术、测量控制技术、通信网络技术等相互渗透形成的。由计算机和现场终端组成通过网络将现场控制站、检测站和操作站、控制站等连接起来完成分散控制和集中操作、管理的功能主要是用于各类生产过程可提高生产自动化水平和管理水平其主要特点如下:采用分级分布式控制减少了系统的信息传输量使系统应用程序比较简单。实现了真正的分散控制使系统的危险性分散可靠性提高。扩展能力较强。软硬件资源丰富可适应各种要求。实时性好响应快。()现场总线控制系统。现场总线控制系统是由DCS和PLC发展而来的是基于现场总线的自动控制系统。该系统按照公开、规范的通信协议在智能设备之间以及智能设备与计算机之间进行数据传输和交换从而实现控制与管理一体化的自动控制系统其优点:可以用计算机丰富的软件、硬件资源。响应快实时性好。通信协议公开不同产品可互连。()PLC系统。PLC是可编程逻辑控制器的简称用它作为处理系统的控制器实现控制系统的功能要求也可利用计算机作为其上位机通过网络连接PLC对生产过程进行实时监控其特点如下:编程方便开发周期短维护容易。通用性强使用方便。控制功能强。模块化结构扩展能力强。工业污水处理系统的功能要求工业污水处理系统的主要功能是完成对城市污水的净化的作用将城市中排除的污水通过该系统处理后输出符合国家标准的水质。长期以来工业污水处理技术虽然经过了迅速发展但仍滞后于城市发展的需要工业污水处理率低、设备运转率低等极大地影响了城市发展。为实现工业污水处理技术的简易、高效、低能耗的功能并且实现自动化的控制过程采用PLC作为核心控制器是个较好的方案。PLC作为工业污水处理系统的控制系统使得设计过程变得更加简单可实现的功能变得更多。与各类人机界面的通信可完成PLC控制系统的监视同时使用户可通过操作界面功能控制PLC系统。由于PLC的CPU强大的网络通信能力使得工业污水处理系统的数据传输与通信变得可能并且也可实现其远程监控。利用PLC作为控制器的工业污水处理系统主要涉及两个方面:一是信号输入二是控制输出信号。信号输入工业污水处理系统信号输入检测方面主要涉及四类信号的监测主要包括:按钮的输入检测、液位差的输入检测、液位高低的输入检测以及曝气池中含氧量的输入检测。()按钮输入检测。大多数为人工方式控制的输入检测主要有自动按钮、手动按钮、格栅机启动按钮、清污机启动按钮、潜水泵启动按钮、潜水搅拌机启动按钮、污泥回流泵按钮、曝气机工频、变频按钮以及变频加速减速按钮等。()液位差输入检测。检测粗细格栅两侧液位差用来控制清污机的启动与停止。()液位高低输入检测。检测进水泵房和污泥回流泵房中液位的高低用来控制潜水泵或污泥回流泵的启动和停止以及投入运行的潜水泵的数量。()含氧量输入检测。以上三种都为数字量输入该输入为模拟量输入。曝气过程是工业污水处理系统中最重要的环节为了保证微生物所需要的氧气必须检测污水中的含氧量并通过曝气机增加或减少其含氧量。通过将溶解氧仪设置在适当位置上将检测值反馈到PLC中通过运算输出控制曝气机的转速信号。当溶解氧值偏低时降低了微生物分解的效果延长了处理时间严重时甚至导致处理失效因此需要增加曝气机转速以增加供氧量当溶解氧值偏高时导致微生物过氧化降低了其活性也不利于处理因此减小曝气机转速以减少供氧量最终使污水中的溶解氧保持在一定的范围内。控制输出信号信号输出部分主要包括两个方面:一个是数字量输出即各类设备的接触器另外一个是模拟量输出用来控制曝气机变频器。()数字量输出。控制各类设备的启动和停止包括:格栅机启停、清污机启停、潜水泵启停、潜水搅拌器启停、污泥回流泵等设备。()模拟量输出通过PLC中PID运算后的数据通过其功能模块输出控制信号该控制信号输入到变频器的控制端子上改变变频器的输出频率从而控制曝气机的转速最后达到控制污水中含氧量的要求。硬件系统配置氧化沟是工业污水处理系统中的重要环节其结构的不同形成了不同的氧化方法例如奥贝尔、卡鲁赛尔和一体化氧化沟法对于不同的结构其配套的设备也有较大的不同所以其结构比较复杂不同的结构对应不同的控制系统因此需要根据不同的结构特点设计相应的控制系统。主要组成部分工业污水处理系统的结构比较复杂设备较多在氧化沟中其控制过程及原理大致相同都是通过控制曝气机的转速来调节污水中的含氧量其基本组成如图所示。图工业污水处理系统基本组成示意图()进水系统。进水系统主要有进水管道和进水泵房组成进水管道主要由粗格栅机和清污机组成进水泵房主要有两台潜水泵组成。进水管道的主要功能是将污水中的大块物体排除其中的粗格栅是根据程序设定的时间进行间歇工作而清污机的运行和停止是根据粗格栅两侧的液位差来决定的当液位差超过某个值时启动清污机当液位差小于某个值时停止清污机的运行。进水泵房中的潜水泵运行及停止是通过安装在泵房内的液位传感器来决定的当液位较低时只启动一台潜水泵当液位较高时启动两台潜水泵若液位持续升高时则输出报警以示意有故障发生。()除砂系统。除砂系统主要由细格栅系统和沉砂池组成细格栅系统是由细格栅机和转鼓清污机组成沉砂池的主要设备是分离机。细格栅系统的主要功能是进一步净化污水中的颗粒物体将污水中细小的沙粒滤除其中的细格栅机是根据程序设定时间进行间歇工作而转鼓清污机的运行和停止则根据细格栅两侧的液位差来决定当液位差超过某个值时启动清污机当液位差小于某个值时停止清污机的运行这和粗格栅系统的运行方式一致。沉砂池中分离机的运行和后续处理中的转碟曝气机的运行同步即启动转碟曝气机的时候同时启动分离机对沉砂池中的沙粒进行排除。()氧化沟系统。氧化沟系统由氧化沟和污泥回流系统构成氧化沟是工业污水处理系统中最重要的环节因此控制量较多控制过程叫复杂包括转碟曝气机和潜水搅拌机污水回流系统主要有污泥回流泵构成。氧化沟的功能是对污水进行生化处理分解污水中的有害物质使其达到一定的水质标准其中是转碟曝气机是关键设备在氧化沟中设置有溶解氧仪对污水中的含氧量进行检测根据其反馈到PLC的值来控制曝气机变频器的运行改变污水中溶解氧的含量。潜水搅拌机的作用是推进水流同时使氧化沟的污水和活性污泥处于剧烈的搅拌状态使他们充分混合接触。使活性污泥的生化反应更加充分这样才能最大程度地分解污水中的有害成分。污水回流系统的污泥回流泵将剩余的污泥及使用过的污泥进行处理该设备的运行与停止主要根据泵房内液位传感器的状态当液位低于某个值时停止回流泵的运行当液位持续高于某个高位时回流泵停止运行同时输出报警信号液位处于正常状态时回流泵正常运行。()沉淀系统。沉淀系统主要设备为刮泥机其功能是对进行氧化沟处理后的污水进行物理沉淀将污泥和清水分离刮泥机在整个系统启动后就开始持续运行。在该系统中用到一定化学药剂主要包括混凝剂、絮凝剂、复合碱等主要用来调节改善混凝条件及絮凝体结构利用高分子助凝剂的强烈吸附架桥作用使细小松散的絮凝体变的粗大而紧密容易发生沉降。()污泥脱水环节。污泥脱水系统主要包括离心式脱水机其主要功能是对氧化池中处理过污水的活性污泥进行脱水处理由于对污水进行处理后活性污泥中有新的微生物及其他杂质因此需要先对活性污泥添加一定量的药物便于污泥脱水。离心式脱水机主要有聚合物泵、污泥机和切割机构成以上设备按照顺序控制的方式启动依次启动聚合物泵、污泥机和切割机完成对污泥的脱水处理。电气控制系统电气控制系统主要包括操作面板、显示面板、电气控制柜等单元。由于在该系统中需要检测较多的数字输入量并且还要检测模拟量的输入根据设定的程序进行数据处理后输出控制信号因此系统的控制逻辑与时序就需要严格照检测信号的输入进行控制。()操作面板。操作面板主要包括手动、自动、各类设备的启动按钮等。()显示面板。显示面板由于要显示较多的数据因此一般采用触摸屏或者人机界面。()电气控制柜。电气控制柜是电气控制的核心设备主要包括变频器、各类传感器的输入信号、PLC及其扩展模块等。工业污水处理系统的工作原理控制系统总体框图工业污水处理系统的电气控制系统总框图如图所示PLC为核心控制器通过检测操作面板按钮的输入、各类传感器的输入以及相关模拟量的输入完成相关设备的运行、停止和调速控制。电气控制系统框图工作过程在手动状态下各类设备的控制是根据操作面板上的按钮输入来控制无逻辑控制即可不根据传感器的状态进行控制。在自动方式下进行闭环控制系统根据检测到外部传感器的状态对设备进行启停控制其工作过程如下。()接通电源启动自动控制方式启动潜水搅拌器和刮泥机。()运行粗、细格栅机进行间歇运行即运行一段时间然后停止一段时间循环进行。()根据反馈回来的液位差状态控制清污机的运行与停止。()进水泵房中的潜水泵根据液面高低进行运行、停止及运行数量的控制。()转碟曝气机根据溶解氧仪反馈的模拟量经PLC运算后进行控制同时控制分离机的运行与停止。()污泥回流泵的运行与停止根据液面的高低进行控制。()在污泥脱水系统中离心式脱水机的启动采用顺序控制方式依次启动其设备。工业污水处理系统主电路设计图为工业污水处理系统的主电路图的部分图。三台电机分别为潜水泵电机(M)、清污机电机(M)、转碟曝气机电机(M)。接触器KM、KM、KM分别控制M、M、M的工频运行接触器KM、KM分别控制M、M的变频运行FR、FR、FR分别为三台电机过载保护用的热继电器QF、主电路的空气开关FU为主电路的熔断器。选用的MM变频器是用来控制电机M、M变频运行的。图工业污水处理系统部分主电路图PLC选型根据工业污水处理系统的电气控制系统的功能要求以及其复杂程度从经济性、可靠性等方面来考虑选择西门子Smdash系列PLC作为工业污水处理系统的电气控制系统的控制主机。由于工业污水处理电气控制系统涉及较多的输入输出端口其控制过程相对复杂因此采用CPU作为该控制系统的主机。CPU在工业污水处理系统中使用的数字量输入点和输出点都比较多因此除了PLC主机自带的IO外还需要扩展一定数量的IO扩展模块。在此采用EM输入输出混合扩展模块。点DC输入点输出型。正好可以满足控制系统的IO需求。在该系统中还需要采集模拟量并利用模拟量控制的功能要求因此需要在扩展一个模拟量输入输出扩展模块。西门子公司专门为Smdash系列PLC配置了模拟量输入输出模块EM该模块具有较高的分辨率和较强的输出驱动能力可满足控制系统的功能要求。PLC的IO资源配置根据系统的功能要求对PLC的IO进行配置具体分配如下表。数字量输入部分表数字输入量地址分配输入地址输入设备输入地址输入设备I急停I手动刮泥机启动I手动方式I手动污泥回流泵启动I自动方式I手动分离式脱水机启动I自动启动确认I手动污泥泵启动I手动粗格栅机启动I手动转碟曝气机加速I手动清污机启动I手动转碟曝气机减少I手动潜水泵启动I粗格栅液位差计I手动细格栅机启动I细格栅液位差计I手动分离机启动I进水泵房液面高位传感器I手动转碟曝气机工频启动I进水泵房液面低位传感器I手动转碟曝气机变频启动I污泥回流泵液面高位传感器I手动潜水搅拌机启动I污泥回流泵液面低位传感器数字量输出部分表数字输出量地址分配输出地址输出设备输出地址输出设备Q粗格栅机接触器Q潜水搅拌机接触器Q清污机接触器Q刮泥机接触器Q潜水泵接触器Q污泥回流泵接触器Q细格栅机接触器Q离心式脱水机接触器Q分离机接触器Q潜水泵报警Q转碟曝气机工频接触器Q污泥回流泵报警Q转碟曝气机变频接触器模拟量输入部分由于需要采集一个溶氧仪所反馈的数据因此扩展了一个模拟量输入输出模块具体IO分配如下表所示。表模拟量输入地址分配输入地址输入设备AIW溶解氧仪模拟量输出部分在此控制系统中需要将采集回来的模拟量进行数据处理然后通过模拟输出口对变频器进行控制进行控制其他设备的运行如下表所示。表模拟量输出地址分配输出地址输出设备AQW经PID运算输出根据控制系统的功能要求设计出工业污水处理控制系统的硬件连线图如图所示此控制面板上的手动控制部分主要在调试系统时使用调试完成后基本处于闲置状态。图工业污水处理系统PLC硬件接线图其他资源配置要完成系统的控制功能除了需要PLC主机及其扩展模块之外还需要各种传感器、接触器和变频器等仪器设备。接触器选型在控制系统中所有设备是根据控制面板上的按钮情况或者根据传感器的反馈值进行动作的因此需要PLC根据当前的工作情况以及按钮的情况来控制所有设备的启停在此用到了大量接触器:如格栅机接触器、清污机接触器、潜水泵接触器、分离机接触器、转碟曝气机接触器、潜水搅拌机接触器、刮泥机接触器等。为此该系统选用施耐德LCDMC交流接触其额定电压V,额定电流A。其特点有:高标准:符合IEC和GB标准。长寿命:机械寿命高达万次电寿命高达万次。强适应性:ldquoTHrdquo防护处理可以在湿热的环境中使用。宽电压:线圈控制电压在Uc之间波动不影响产品正常工作。强通用性:具有HzHz通用线圈可以全世界通用。模块化:产品本体上可以附加辅助触头通电断电延时触头机械闭锁等模块。也可以很方便地组合成可逆接触器、星三角起动器。变频器简介变频器的功能是将频率固定的(通常为Hz)的交流电变换成频率连续可调的三相交流电源。变频器的输入端接至频率固定的三相交流电输出端输出的是频率在一定范围内连续可调的三相交流电。变频器主要分为间接变频和直接变频两大类而间接变频又根据中间直流环节的主要储能元件的不同可分为电压型和电流型。电压型变频器主回路由相控整流器中间直流环节和逆变器三个部分组成。相控整流器将交流电压整流为可控的直流电压经滤波由电容Cd输出直流电压Vd逆变器将直流Ud变换成频率可调的交流电源供给电机进行变频调速。由于中间直流环节是Cd低阻抗输出相当于是恒压源故称电压型。电流型交直交变频器与电压型变频器的差别仅在于中间直流环节中的储能元件用的是电感而不是电容。由于中间直流环节是高阻抗输出相当于电流源故称电流型。变频与变压(VVVF)原理当在实际利用变频器调节电机转速的过程中当频率f下降时定子绕组的反电动势E有所下降定子电流增大但是转子侧的负载并未增加故转子段电流不变根据电流平衡方程可知励磁电流比增大因而磁通phim增大。phim增加将导致铁芯的饱和进而引起励磁电流波形的畸变这是不希望的结果因此希望phim可以保持基本不变。要实现这个目标只要在变频过程中使变频器输出电压Ulf=const则磁通phim可保持基本不变。因此变频的同时也要变压常用VVVF表示。VVVF实施的基本方法包括:脉幅调制(PAM)和脉宽调制(PWM)。()脉幅调制(PAM)实现方法就是调节频率的同时也改变直流电压的振幅值。PAM需要同时调节两个部分:整流部分和逆变部分两者之间还必须满足一定的关系故控制电路比较复杂因此比较少用。()脉宽调制(PWM)实现方法就是在每半个周期内把输出电压的波形分割成若干个脉冲波每个脉冲的宽度为t每个脉冲间的间隔宽度为t则脉冲的占空比Upsilon=tl(ttl)。这时电压的平均值和占空比成正比所以在调节频率时不改变直流电压的幅值而是改变输出电压脉冲的占空比同样可以实现变频也变压的效果。PWM只需控制逆变电路便可实现与PAM相比电路简化了许多因此在变频调速中比较常用。变频调速的基本原理()异步电动机的等效变换图异步电动机的等效变换异步电动机的电磁转矩公式:其中:P为旋转磁场的磁极对数S为转差率。()变频调速的原理异步电动机的电磁转矩是由定子主磁通和转子电流相互作用产生。异步电动机的定子主磁通是以一定的转速旋转旋转磁场实际是三个交变磁场合成的结果。旋转磁场的转速n=fp其中f是电流频率P是旋转磁场的磁极对数。产生转子电流的必要条件是转子绕组切割定子磁场的磁力线。因此转子的转速n必须低于定子磁场的转速n(即所谓的ldquo异步rdquo)。两者之间的差异可由转差率表示转差率s=(nn)n根据n=fp可知当频率f连续可调时电动机的同步转速n也连续可调而异步电机的转子转速n总是比同步转速略低一点所以当n连续可调时n也是连续可调。设变频后的频率为fx电压为Ux电动机的额定相电压和频率为UN和fN则有:=()=()其中kf为频率可调比ku为电压可调比。将上述两个公式代入异步电动机的电磁转矩公式可得变频后的转矩公式:其中:sx为频率为fx时的转差率。在变频器正常工作情况下即kf=km时的机械特性如图所示。图kf=km时的机械特性由图可知随着f的下降临界转矩Tkx逐渐减少电动机的带负载能力也随之下降。这无疑给变频调速带来了瑕点。而针对这种想象一般要采取电压补偿法。新系列的变频器一般都提供了设置自动转矩补偿功能。变频器可以根据电流的大小自动地决定补偿的程度。变频器选型该系统选用的变频器是西门子MM变频器具有多个继电器输出具有多个模拟量输出(~mA)个模拟输入:AIN:~V~mA和ndash至VAIN:~V~mA个带隔离的数字输入并可切换为NPNPNP接线。它是一种风机水泵负载专用变频器能适用于各种变速驱动系统尤其是适用于工业部门的水泵和风机。该型变频器具有能源利用率高的特点优化了部分结构与功能便于工作人员进行操作实现功能强。它们具有很高的运行可靠性和功能的多样性。其脉冲宽度调制的开关频率是可选的因而降低了电动机运行的噪声。全面而完善的保护功能为变频器和电动机提供了良好的保护。变频器参数设置该工业污水处理系统中的MM变频器是一种风机水泵负载专用变频器能适用于各种变速驱动系统尤其适合用于工业部门的水泵和风机。该变频器具有能源利用率高的特点优化了部分结构与功能便于工作人员进行操作实现其控制功能。在此控制系统中需要对变频器进行通信控制因此需先对变频器的参数进行设置主要对一下几个参数进行调整如表所示。表变频器参数设置表参数号参数值说明P显示实际频率P由端子排输入P模拟输入P可用于可变转矩负载PbaudPUSS地址P根据具体电动机设置电动机类型P根据具体电动机设置电动机额定电压P根据具体电动机设置电动机额定电流P根据具体电动机设置电动机额定频率P根据具体电动机设置电动机额定转速电动机的选型在该工业污水处理系统中需要用到许多电机Y系列三相异步电机是专为欧洲市场设计的三相异步电动机、电机出线盒置于电机机壳顶部、整机结构紧凑、外形美观大方安装尺寸符合IEC标准具有高效、节能、起动转矩大使用维护方便等特点。主要性能有:绝缘等级:F防护等级:IP或IP电压:V或V频率:Hz或Hz冷却方式:IC。Y系列电动机有两种设计一种是适用于一般机械配套和出口需要在轻载时有较高效率在实际运行中有较佳节能效果且具有较高堵转转矩此设计称为YY系列。中心高~mm功率从~kW。电动机符合JBTY系列(P)三相异步电动机(机座号~)技术条件。型号含义:如YLY:ldquoYrdquo表示异步电动机第二次改型设计ldquordquo表示中心高ldquoLrdquo表示机座长短号ldquordquo表示铁心长度序号ldquordquo表示极数ldquoYrdquo表示第一种设计(可省略)。第种设计是满载时有较高效率更适用于长期运行和负载率较高的使用场合如水泵、风机配套此设计称为YE系列中心高~mm功率从~kW。电动机符合JBTY系列(P)三相异步电动机(机座号~)技术条件。型号含义:如YLE:ldquoYrdquo表示异步电动机第二次改型设计ldquordquo表示中心高ldquoLrdquo表示机座长短号ldquordquo表示铁心长度序号ldquordquo表示极数ldquoErdquo表示第二种设计。根据上述分析选择YLE即可满足要求。液位差计对格栅机的清污机进行控制需要监测格栅机两侧的液面差在该系统中利用液位差计该系统选用的超声波液位差计型号:XLYI。粗格栅、细格栅各安装了一台超声波液位差计通过格栅机前后的液位差来反映格栅机阻塞程度并传输到PLC控制器进行分析计算。当液位差超过预设值后系统控制清污机运行清除大颗粒的污染物质保障污水流动畅通在液位差未超过设定值时清污机处于停止状态这样就可以大大减少设备损耗。超声波液位差计精度较高且有多种量程可供选择其输出信号有一下三种:可编程继电器输出、高精度~mA模拟信号输出、RS通信口输出可根据需要的信号选择输出作为PLC的输入信号。该系统选用的超声波液位差计型号:XLYI。工作温度:~℃工作电压:ACV或DCV工作压力:常压差值精度:plusmnmm或%FS(取其较大者)重复精度:permil分辨率:mm方向角:degdeg(全角)工作频率:KHz~KHz(因型号规格而不同)信号输出:RS、Modbus、标准的mA电流信号和多路开关量输出。采用先进的嵌入式微处理技术使其测控仪器达到了高度的数字化和智能化。它集超声波传感器、温度补偿电路、运算主机为一体的非接触式液位差测量仪器。超声波液位差计具有精度高寿命长稳定可靠安装维护方便等特点。溶解氧仪溶解氧(DO)是指溶解在水中的氧气它在河流、湖泊、海洋中都大量的存在是检测水质和环境污染程度的主要指标。用传统的化学方法(如碘量滴定法)测定溶解液中的溶解氧是很费时的且成本很高不能连续测量而用滴汞电极(DME)的极谱分析最为简单。但是DME的一些特殊性又影响了它在现场工作中的应用。金与铂电极能克服DME遇到的某些困难但在一些生物介质中就失效。为了消除上述困难膜覆盖氧电极诞生了它最初是由Clark在年提出的故而得名Clark氧电极。这种电极利用膜可渗透氧但不能渗透水和有机及无机溶质的原理保护电极不与这类还原物质紧密接触从而使传感器的灵敏度不受影响。当前用来测量水中溶解氧浓度最常用的仪器就是电化学传感器(例如Clark传感器)。它是根据电池原理而设计的本身就是个电池不需要外加电压可通过测量电解电流来测量溶解氧浓度。测量时将其放入待测溶液水质溶解氧透过透氧膜溶解于膜与电极之间的电解液薄层中当两输出端接上负载电路时氧在阴极表面上发生还原反应。对结构和透氧膜确定的传感器而言在一定温度下氧传感器的电流只与试样中的氧分压成正比。因此测定电流即可知氧浓度。选用PH溶解氧测量仪型号:SAMP。测量范围:pH:(~)pHmV:plusmnmV溶解氧:(~)mgL(ppm)(~)温度:(~)℃精确度:pH:plusmnpHmV:plusmnFS溶解氧:plusmnmgL温度:plusmn℃自动温度补偿:pH:(~)℃溶解氧:(~)℃其他参数:数据储存:组通讯接口:RS电源:DCVmA。其特点是高精度的pH溶解氧双参数仪表。配用型pH电极可用于离子强度较低、浑浊液体和胶体溶液的测量。可设定高纯水和加氨纯水二种特殊的pH测量模式适合电力、石化等行业使用。新型的溶氧电极有盐度测试功能自动实现盐度补偿和温度补偿仪器内置气压传感器自动实现气压补偿。极谱型溶氧电极极化时间短响应快测量准确。软件系统设计采用西门子公司为Smdash系列PLC开发的STEPmdashMicroWIN作为编程软件上面介绍了工业污水处理控制系统的结构、工作原理和电气控制部分的结构硬件结构的总体设计基本完成后就要开始软件部分的设计根据控制系统的控制要求和硬件部分的设计情况及PLC控制系统IO的分配情况进行软件编程设计。在软件的设计中首先按照需要实现的功能要求做出流程框图其次按照不同功能编写不同功能模块这样写出的程序条例清晰既方便编写也便于调试。总体流程设计根据系统的控制要求控制过程可以分为手动控制功能和自动运行功能。在手动控制模式下每个设备可以单独运行以测试设备的性能如图所示。图模式选择流程图手动模式在手动模式下可单独调试每个设备的运行如图所示。在此模式下可以通过按钮对格栅机、清污机、转碟曝气机、刮泥机以及各类泵进行控制对于转碟曝气机的控制可以通过按钮增大或减小变频器的频率来改变其速度以检测调试性能。图手动操作模式流程图自动模式处于自动方式时系统上电后按下自动启动确认后系统运行系统开始工作其工作过程包括以下几个方面。()系统上电后按下自动启动确认按钮启动潜水搅拌器和刮泥机。()启动粗格栅系统。()启动潜水泵。()启动细格栅系统。()启动曝气沉砂系统。()启动污泥回流系统。()启动污泥脱水系统。以上工作过程并不是顺序控制方式而是按照PLC检测到传感器状态进行启动如图所示。图自动操作模式流程图在自动控制模式流程图中调用了各个控制系统的程序主要包括粗格栅系统程序、潜水泵程序、细格栅系统程序、曝气沉砂系统程序、污泥回流泵系统程序。以及污泥脱水系统程序以下将分别介绍各个子程序的工作过程。粗格栅系统程序主要控制粗格栅机和清污机的运行其工作过程包括以下几个方面。()自动过程开始启动粗格栅机定时min。()定时到停止运行粗格栅机h。()h定时到运行粗格栅机min循环进行。()同时检查液面差若超过设定值则启动清污机。()液面差值低于设定值停止清污机运行。粗格栅系统工作流程图如图所示。图粗格栅系统工作流程图潜水泵程序主要控制潜水泵的运行和停止其工作过程包括以下几个方面:()自动过程开始启动潜水泵。()检测液面高度低于最低位传感器时开始定时防止误判。()定时到后若仍低于最低位传感器则停止潜水泵运行否则潜水泵继续运行。()检测液面处于中位和高位传感器之间时开始定时防止误判。()定时到后若液面仍持续处于高位传感器则输出报警信号。潜水泵工作流程图如图所示。图潜水泵工作流程图细格栅系统程序与粗格栅系统程序相似主要控制细格栅机和转鼓清污机的运行其工作过程包括以下几个方面:()自动过程开始启动细格栅机定时min。()定时到停止运行细格栅机h。()h定时到运行细格栅机min循环进行。()同时检测液面差若超过设定值则启动转鼓清污机。()液面差低于设定值停止转鼓清污机运行。图细格栅系统工作流程图曝气沉砂系统工作流程图如图所示。曝气沉砂系统工作流程图污泥回流系统程序主要控制污泥回流泵的运行和停止其工作过程包括以下几个方面。()自动过程开始首先检测液面高低若低于最低位传感器启动定时。()定时到若液面仍低于最低位传感器则停止回流泵运行。()若液面处于最高位和最低位之间启动污泥回流泵。()若液面高于最高位传感器时启动定时。()定时到若液面仍处于最高位传感器时输出报警信号。污泥回流系统工作流程图如图所示。图污泥回流系统工作流程图污泥脱水系统程序主要控制离心式脱水机启动定时。()自动过程开始首先启动离心式脱水机启动定时。()定时到启动聚合物泵启动定时。()定时到启动污泥泵和切割机。污泥脱水系统工作流程图如图所示。图污泥脱水系统工作流程图在设计程序过程中会用到许多中间继电器、寄存器、定时器等软元件为了便于编程及修改在程序编写前应先列出可能用到的软元件如表所示。表软元件设置元件意义内容备注M系统停止标志On有效M手动方式标志On有效M自动方式标志On有效M自动方式启动标志On有效M清污机运行标志On有效M聚合物泵运行标志On有效M污泥泵运行标志On有效M切割机运行标志On有效M粗格栅机停止标志On有效M粗格栅机定时脉冲计数On有效M进水泵房液面低于最低位On有效M细格栅机停止标志On有效M细格栅机定时脉冲计数On有效M转碟曝气机变频转工频运行标志On有效M转碟曝气机变频运行标志On有效M回流泵房液面低于最低位标志On有效M回流泵房液面高于最高位标志On有效C粗格栅机h定时中间计数器C细格栅机h定时中间计数器T时钟脉冲msT粗格栅机运行时间minT粗格栅机停止时间定时minT进水泵房液面低于最低位定时sT进水泵房液面高于最高位定时sT细格栅机运行时间minT细格栅机停止时间定时minT污泥回流泵房液面低于最低位定时sT污泥回流泵高于低位且低于高位定时sT污泥回流泵房液面高于最高位定时sT离心式脱水机与聚合物泵启动间隔sT聚合物泵与污泥泵和切割机启动间隔sVD变频器速度寄存器VD含氧量反馈值寄存器VD变频器速度寄存器VD含氧量标准值寄存器VD变频器速度标准值寄存器VDUSSINIT指令执行结果VDUSSRPMR错误状态字节曝气过程控制的任务工业污水处理后的水质是否达到排放标准其中生化需氧量(BOD)和化学需氧量(COD)是重要的水质指标。BOD是指在有氧条件下降解有机物所需的氧量。COD是指在酸性条件下用强氧化剂将有机物氧化成CO、HO所消耗的氧量。BOD的测定需费时天且测定结果易受多种因素影响误差较大。COD的检测比较精确但方法繁琐耗时约小时。虽然有COD浓度在线检测仪可以在线检测但仍存在滞后(分钟左右)测量结果严重滞后于实际运行时间不能及时反映实

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