工業污水處理PLC控制系統設計

　　摘要

　　現如今,現代工業高速發展,城市化發展進程不斷加快,但也帶來一個弊端:排放到環境中的污水量越來越多,這不僅會影響到人們的身心健康,更會污染了本就稀缺的水資源,從而嚴重影響了人們的正常生活以及經濟的可持續發展.基于目前污水污染的嚴峻形勢,我們要把目光放在污水處理項目這一塊,加大對其研究的投入.對工業污水處理的 PLC 控制系統的研究在目前的工業控制及應用中較為熱門,它有著很高的應用價值,在工業發展中起到了很大的作用.本文是以我國目前較為普遍的污水處理廠為研究背景,設計出一套適合處理工業污水的 plc 控制系統.第一步,我們分析現如今的污水處理工藝,從而列出與工藝相對應的控制方案和設計方法.第二步,對我們確定的控制方案方案進行 PLC 的硬件選型及軟件編程,硬件選型包括了選擇適合的 PLC 機型和相應的擴展模塊的配置,軟件編程主要是設計開關量的控制程序和工藝中主要涉及到的重要參數 PH 值和氧含量等模擬量的控制程序,并且采用數字 PID 控制算法來自動控制系統中的模擬量.設計的主要目的就是為了實現對污水處理工藝過程中的主要步驟的控制和管理.本設計研究是為了改善環境和提高社會經濟效益,而且對一些污水處理廠有借鑒和參考作用.

　　關鍵詞: PLC 自動控制 污水處理

　　Abstract

　　Nowadays, the rapid development of modern industry and the rapid developmentof urbanization, but also brings a malpractice: the amount of sewage discharged intothe environment is more and more, which not only affects people's physical andmental health, but also pollutes the scarce water resources, which seriously affects thenormal life of people and the sustainable economy. Continued development. Based onthe severe situation of sewage pollution at present, we should focus on the sewagetreatment project and increase investment in its research. The research on the PLCcontrol system for industrial sewage treatment is very popular in the current industrialcontrol and application. It has a high application value and plays a great role in theindustrial development. In this paper, a PLC control system which is suitable forindustrial wastewater treatment is designed based on the current sewage treatmentplant in China. The first step is to analyze the present sewage treatment process, so asto list the control plan and design method corresponding to the process. In the secondstep, the hardware selection and software programming of PLC are carried out. Theselection of hardware includes the selection of the suitable PLC model and theconfiguration of the corresponding expansion module. The software programming ismainly the control program of the switch quantity and the control of the value of theimportant parameters, such as the PH value and the oxygen content of the importantparameters, which are mainly involved in the process. The program is programmed,and digital PID control algorithm is adopted to automatically control the analogquantity in the system. The main purpose of the design is to realize the control andmanagement of the main steps in the process of sewage treatment. The purpose of thisstudy is to improve the environment and social and economic benefits, and to drawlessons from some sewage treatment plants.

　　Key word: PLC;automatic control;sewage treatment

　　目錄

　　第一章 緒論.............................................................................................................................1

　　1.1 課題的研究意義 ............................................................................................................1

　　1.2 污水處理的自動控制系統國內、外研究現狀............................................................2

　　1.3 本課題的主要研究內容 ...............................................................................................3

　　第二章 污水處理過程被控對象的分析................................................................................4

　　2.1 工藝流程的過程簡介 ....................................................................................................4

　　2.2 控制系統任務分析 ........................................................................................................5

　　第三章 系統的硬件設計 .......................................................................................................8

　　3.1 液位計的選擇 ................................................................................................................8

　　3.2 軟啟動器的選擇 ............................................................................................................9

　　3.3 調節閥的選擇 .............................................................................................................10

　　3.4 PH 計的選擇 ................................................................................................................11

　　3.5 溶解氧含量分析儀的選擇 ..........................................................................................11

　　3.6 變頻器的選擇 .............................................................................................................12

　　3.7 控制器的選型 .............................................................................................................13

　　3.7.1 控制器的選型分析 .............................................................................................13

　　3.7.2 PLC 模塊 ..............................................................................................................14

　　3.7.3 PLC 的 I/O 點數確定 ..........................................................................................14

　　3.7.4 PLC 外部接線圖的設計 ......................................................................................15

　　第四章 系統的軟件設計 .......................................................................................................17

　　4.1 控制流程圖 .................................................................................................................17

　　4.2 PLC 控制程序的編寫 ..................................................................................................18

　　4.2.1 輸入輸出模塊 ......................................................................................................18

　　4.2.2 主程序 .................................................................................................................20

　　4.2.3 手動控制程序 P2 ................................................................................................20

　　4.2.4 自動控制程序 P1 .................................................................................................22

　　結論.........................................................................................................................................28

　　致謝.........................................................................................................................................29

　　參考文獻.................................................................................................................................30

　　附錄 梯形圖...........................................................................................................................31

　　第一章 緒論

　　現如今,水資源在我們日常生活中越來越重要,越來越寶貴.而且,我國本來就屬于淡水資源相對貧乏的國家,我國的淡水資源總量大約有兩萬八千億立方米,其中有 1000 多億立方米的淡水資源是地下水.這聽起來讓我們感覺我國水資源還是儲量相當可觀的,但是我國的人口數量世界第一,因此,人均淡水資源的占有量嚴重不足,僅有 2220 立方米,不到世界人均占有量的四分之一.目前,我國淡水資源仍在不斷的流失,我國人民群眾在用水上也存在著沒有節約意識,肆意浪費水資源等不良現象.由此可以看出,淡水資源的短缺和利用率低的問題現在已經制約了我國的經濟發展和現代化、城市化的發展的進程.

　　我國的污水主要是產生于城市的發展過程,還有隨著近些年城市工業項目越來越多,工業區的污水排放量也是日益增多,污水的組成元素和水質復雜多樣,如今現有的污水處理廠開始有些乏力,處理效果差強人意,達不到國家制定的工業排放標準.因此,地下的淡水資源就會受到這些未達標處理的污水的污染.基于這種情況,強化污水處理的手段,改善惡化的水環境是迫在眉睫的.要想保護環境和節用水資源,就需要污水的循環利用.工業污水,也就是工業工廠生產過程中排放的受污染的水.在我國,有百分之六十的廢水排放量是工業污水.所以工業污水污染的防護與治理成了我國環境保護的重點之一.工業污水處理會產生含有有害成分的氣體,導致處理現場環境惡劣,且污水處理設備運行的周期十分的長,所以基于 PLC 的污水處理系統能保證污水處理廠工作人員的人身安全和相對提高生產效率.

　　1.1 課題的研究意義

　　本課題源于我國的污水處理廠項目,對污水處理的一些工藝做了相關的分析,研究發現了一套污水處理系統,并且該系統具有高性能和高可靠的特點.該系統運用通信網絡技術、計算機、plc 以及組態軟件等技術結合污水處理的相關工藝要求實現了運行參數和狀態能夠被智能的控制和檢測,而且還達到了保護環境、降低能耗和人工勞力,從而實現增加經濟效益和減排節能的目標.

　　我國是一個缺水的國家,根據我國的污水處理規劃要求,污水通過污水處理廠通過適當的深度處理后,除了可以回收用于城市工廠的生產、城市綠化、城市消防等地方外,還可以用于許多用水水質要求不高的場地,這樣一來就可以有效緩解我國的水資源不足的困境.

　　1.2 污水處理的自動控制系統國內、外研究現狀

　　現如今,我國經濟高速發展,環境的污染也日益嚴重,令人堪憂,面對污水治理這一難題,世界各國都投入了大量的研究,在物力、人力和財力方面,我國的投入也毫不遜色.近年來,中美日歐等地區在污水處理項目這一塊都取得了不錯的成果,理論的創新、工藝的研究和自動控制系統方面的研發這些部分都有很好的表現.其中,有一些發達國家在經過了幾十年如一日的不懈努力,高達百分之八十五的污水處理率的宏偉目標已經得以實現,成功有效的解決了城市的工業水污染問題.同一時間,一些國家比如以色列已經開始研發污水再利用的項目,以色列目前達到了百分之九十的污水再利用.

　　我國在污水治理方面也投入了很大的精力,在未來很長的一段時間對污水處理項目的投資也持續加大.河北省的污水治理和環境保護事業事我國的重點關注對象,該地區的環境會影響到首都的環境質量.光靠關閉有污染的企業顯然事遠遠不夠和不可行的,我們要從根本解決污染問題,這本就是一項長久的工程.因此,這也為我國的污水處理事業提供了巨大的機遇和挑戰.如何在我國的污水處理的巨大市場穩穩占有一席之地,我過的污水處理工業廠得好好思量這個實際的問題.只有持之以恒的投入到相關技術的研究中去,才能提高我國在污水處理項目上的能力.

　　工業污水污染環境的問題在我國已經持續了很久,相關部門在這方面也做了很多的部署,并且確立了保護環境為我國的一項基本國策.除此之外,我國開展的治理"三河三湖"的工程,同樣也起到了很明顯的治理效果.在環保理論和處理工藝方面我國與其他國家相比并不處于劣勢,但是,國外所擁有的環保單元設備和先進的自動控制系統都領先于我們.

　　目前,我國大多數污水處理廠的現狀是:手動和自動的都有,同時存在著自制和引進的裝置.通過調查我們發現其中大多數自控系統從硬件到軟件都是從國外原裝引進的,但是我們無法完全吸收它的技術.如白酒廠、谷朊粉廠等自備的小型污水處理廠就有突出的問題表現,由于儀表的準確性較差,運行過程中設備的調整遲緩會導致出水的水質出現差異.而其中儀表的問題就是因為資金不足而采用的國產的一些離線設備.同時,季節性的生產原因也會導致上述現象.

　　但是,我國的一些大型污水處理廠就相對比較高級了,其中有的會借鑒國外的現金污水處理工藝和經驗來自行研發,有的會花大量資金引進丹麥、德國等國家的成套的污水處理的自動控制系統和其所必須要的軟硬件.由于設備都是整套的引進的,所以裝置和系統運行配合較好,操控性能也很強.系統也就能實現自動化控制,不間斷地運行保證排出的水能叨叨水質標準.但是運行期間一旦遇到故障就很難自己解決,需要花資金來聘請外國的技術人員來進行維修,而且現在設備更新很快,花費的成本日益倍增.

　　盡管我國的環保方面的研究和工藝的創新和國外相比較晚,環保的單元設備和自控系統與國外有些差距,但是污染治理進程和其他國家相比并不處于劣勢.我國現有的污水處理廠的設備還不能完全的實現全自動控制,大多數只可以實現部分的自動控制和現場檢測.因此,我們要增加對污水處理項目研究的時間才能縮小與國外先進污水處理技術的差距,從而增強我國的影響力.

　　1.3 本課題的主要研究內容

　　對 PLC 控制系統在現有的污水處理項目應用的方面進行研究,從而設計出一套污水處理的自動控制系統,包括控制系統的總體設計及關鍵技術的分析.選擇合適的污水處理流程,根據污水處理廠的實際情況,通過對控制系統做出了具體的功能和性能及關鍵技術的分析,完成了控制系統的監控方案和結構設計.污水處理廠電氣控制系統硬件設計.完成儀器儀表系統的分析,分析了PLC 的特點和工作原理,統計各工藝設備的 I/O 點數,并對此工程做出 PLC 的選型和地址分配,實現 PLC 的數據采集,完成其他設備配置的選擇.從而實現了對系統的各參數的有效控制.

　　第二章 污水處理過程被控對象的分析

　　污水處理的控制系統事復雜而多變的,這也決定了污水處理的控制過程和其他的一般的控制系統具有相同的特征,同時擁有順序控制和實時控制,模擬量和數字量同在,控制回路包含著開環控制和閉環控制.當然,污水處理的控制系統也有它的不同之處:它的控制對象的參數有氧含量和 PH 值.要想達到對這些參數預期的控制效果,必須綜合調整和控制各工段的處理時間和一些工作設備的工作狀態.由此我們可以看出,污水處理過程所需要的控制系統是十分龐大的,就如目前最先進的污水處理廠的控制系統,控制幾十路的模擬量不在話下,可以包含幾百路的開關量,當然,這眾多的被控量需要有一定的時間和邏輯順序關系作為依據來進行精確的測量和調節的.

　　2.1 工藝流程的過程簡介

　　目前工業污水處理的方法主要有涉及物理、生物、化學三大領域的方法.其中,物理法最為簡單,它的工作原理主要就是通過物理作用來分離污水中的固體垃圾和懸浮物.通常作為污水處理流程的初級階段,稱為預處理.污水處理主要應用的方法是化學法和生物法,通過加入堿液等來調整廢水的 PH 值,曝氣工藝來增加水中氧含量,這些方法來提高廢水中的微生物活性來分解或轉化水中的有機物和離子物,使它們經過處理轉化為二氧化碳和無機鹽.因此生物法是污水處理的重要步驟和方法,不僅潔凈能力較強,而且節約資金費用低廉.在如今的污水處理廠,通常都會組合使用這些污水處理方法,這就造就了不同的污水處理工藝.

　　污水處理凈化的重要參考指標是水質參數,而污水處理廠的控制系統就是在處理過程中針對各種水質參數來進行控制.相對來看,越復雜的污水處理自動控制系統,它的自控系統涉及的面也就越廣.

　　本課題設計的一套污水處理系統的工藝流程如下圖 2-1 所示.

　　從流程圖可以看出,工藝流程大致分為三個部分:物理處理系統、生化處理系統、沉淀及其后處理系統.下面我將進一步介紹.

　　2.2 控制系統任務分析

　　(1)物理處理系統

　　系統這部分主要是起分離廢水中固體垃圾的作用,首先我們通過比較粗格柵前后的液位差來判斷粗格柵上是否有固體垃圾的堆積,當液位差數值大于百分之十時,PLC 控制系統自動停止排入廢水的污水泵,提起粗格柵,將堆積在上的固體垃圾清理干凈.清理完畢降下粗格柵至低限位,若此時系統檢測到前后液位差小于百分之十,系統自動控制污水泵啟動.接著是除砂池部分,當系統檢測到除砂池的液位大于總液位存儲量的 90%時,自動控制污水泵停止,開始除砂池除砂,除砂時間設定為 10s,超過設定時間系統自動開啟除砂池的出水泵至池內液位下降到百分之十以下時,系統檢測到后關閉除砂池出水泵,同時開啟轉股清污機,清理除砂池剩余的固體垃圾和泥沙.

　　(2)生化處理系統

　　這部分處理系統功能是提高廢水中的微生物活性來分解或轉化水中的有機物和離子物,使它們經過處理轉化為二氧化碳和無機鹽.提高微生物活性可以通過提高廢水內的氧含量以及調節水的 PH 值使廢水酸堿性為弱堿性來實現.當排入曝氣池的水量達到曝氣池總廢水存儲量的 90%時系統自動開始 20s 的曝氣工藝并停止除砂池出水泵,期間,系統會實時檢測池內的氧含量和 PH 值,池內氧含量大于 50%時爆氣機會自動關閉,同時,系統檢測到的 PH 值小于 8 會自動開啟加藥閥調整池內的 PH 值直至 PH 大于 8,并立即關閉加藥閥門,這樣即可保證池內微生物活性.在曝氣工藝結束之后,系統自動開啟曝氣池出水泵,在曝氣池液位為 0 的時候繼續開啟除砂池出水泵.

　　(3)沉淀及其后處理系統

　　曝氣池排出的廢水進入沉淀池,在沉淀池的水量達到總水量的百分之九十時系統自動關閉曝氣池排水泵.沉淀池的沉淀時間設為 20s,20s 后開啟沉淀池排水泵至池內水量剩余 10%時自動關閉排水泵,同時開啟污泥回流泵,將沉淀池底部的污泥回流到最開始的污水池回收再利用.

　　除了實現了控制系統的自動控制之外,本設計的污水處理系統對各個處理池的電機均設有手動開關.按下相應啟動按鈕,泵動作,按下相應關閉按鈕,泵停止.下面圖 2-2-1,2-2-2,2-2-3 為系統的主電路圖.

　　…………由于本文篇幅較長,部分內容省略,詳細全文見文末附件

　　結論

　　經過了為期幾個月的對基于 PLC 控制的污水處理系統這個課題的不斷深入研究,結合污水處理過程中遇到的問題和污水處理廠的處理廢水的工藝流程,設計出了一套 PLC 控制的污水處理系統.本系統主要通過液位、氧含量、PH 值等模擬量的采集來對系統各部分實現自動控制并且采用了 PID 算法實現對模擬量的控制.除了實現了控制系統的自動控制之外,本設計的污水處理系統的各個處理池均可手動開啟或關閉所有的閥門及機泵,按下相應啟動按鈕,泵動作,按下相應停止按鈕,泵停止.

　　本課題主要完成的工作有:

　　(1) 根據現有的污水處理廠的要求設計出了一套工業污水處理的 PLC 控制系統.

　　(2) 學習運用 GX Works2 來編輯了 PLC 控制程序的梯形圖并對重要部分進行了截圖分析.

　　(3) 整理并且優化設計內容完成一份設計說明書.

　　我們知道,工業生產具有復雜性,因此,工業污水也有多樣的污染性質,比如有色污染、無機污染、熱污染等.同時,在處理工業污水方面,還有一定的技術難度.生產工藝的變動對污水的水質和邊界條件有很大影響.還有,工業污水處理會產生含有有害成分的氣體,導致處理現場環境惡劣,且污水處理設備運行的周期十分的長,所以基于 PLC 的污水處理系統能保證污水處理廠工作人員的人身安全和相對提高生產效率.

　　致謝

　　感謝××××大學,感謝××××學院的各位老師這幾年的諄諄教導.本論文是在我的導師××老師的熱心關懷和悉心指導下才得已完成的.×老師曾是我們電梯課程的授課老師,她有著淵博的專業知識,在論文完成過程中給了我們很對指導和幫助.一開始和老師會面的時候,我們都有些局促,因為對于我們機械的學生,對于 PLC 這一塊了解的不多,腦子里對我們所選的課題的想法也是一片空白.老師鼓勵我們多看論文,找到自己的想法.由于大四下半學期沒有課程安排,懶散的我們畢業設計進度一直緩慢,老師看了也替我們著急,于是開始嚴格要求,完成初稿的前一個月,實驗室里多了我們和老師忙碌的身影.老師每天都要過來關心我們的學習情況和設計進度,每一段時間我們大家都要開一次會議來互相探討大家的設計情況,互相幫助找出各自設計出現的問題.因此,本設計的完成是大家一起努力的成果,在這里,我要感謝我的導師,還有很多幫助我的同學.

　　經過了這幾個月的設計歷程,感受頗多,在和老師同學們的交流中,對PLC 的了解也更深了,學習到了書本中難以體會的東西.

　　最后,感謝××××大學,感謝××××學院的各位老師 4 年的教誨,感謝設計期間×老師的嚴格要求和悉心指導,感謝幫助我的每一個同學.他們的鼓勵和支持給了我很強的信心,激勵著我以后在工作中,事業上取得更好的成績.
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