基于PLC的化工厂污水处理系统设计.docx
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基于PLC的化工厂污水处理系统设计
毕业设计（论文）
题目
基于PLC的化工厂污水处理系统
统设计
系（院）
电气工程系
专业
电气工程与自动化
班级
2010级3班
学生姓名
赵永明
学号
1014090325
指导教师
何芳
职称
助教
二〇一四年六月二十日
独创声明
本人郑重声明：
所呈交的毕业设计（论文），是本人在指导老师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果，成果不存在知识产权争议。
据我所知，除文中已经注明引用的内容外，本设计（论文）不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。
对本文的研究做出重要贡献的个人和集体均已在文中以明确方式标明。
本声明的法律后果由本人承担。
作者签名:
年月日
毕业设计（论文）使用授权声明
本人完全了解滨州学院关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定。
本人愿意按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版，同意学校保存学位论文的印刷本和电子版，或采用影印、数字化或其它复制手段保存设计（论文）；同意学校在不以营利为目的的前提下，建立目录检索与阅览服务系统，公布设计（论文）的部分或全部内容，允许他人依法合理使用。
（保密论文在解密后遵守此规定）
作者签名:
年月日
基于PLC的化工厂污水处理系统设计
摘要
随着城市的快速发展，环境问题显得日益重要。
污水是破坏环境的一个重要因素，日前中国污水处理自控系统相对落后，污水处理成本居高不下，污水站排放的处理过的污水的水质不稳定，因此本论文将主要研究污水处理系统的PLC控制系统，所以如何建立有效的控制系统，优化运行效果，具有重要的意义。
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。
本文首先介绍了基于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，以及基于PLC的化工厂污水处理控制系统软件设计。
本系统先根据污水处理要求设计了设备的电气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，其包括PLC的选型、系统资源配置以及按照污水处理工艺编制的PLC控制程序。
关键词：
污水处理，PLC，工艺流程
ChemicalPlantWastewaterTreatmentSystemDesignBasedonPLC
Abstract
Withtherapiddevelopmentofthecity,theenvironmentproblemisincreasinglyimportant.Sewageisanimportantfactortobreaktheenvironment.Chinesesewagetreatmentautomaticcontrolsystemisrelativelybackwardatpresent.Sewagetreatmentcostremainshigh.Sewageplantemissionsoftreatedsewagewaterqualityisnotstable.sothispaperwillmainlystudythesewageprocessingsystemofPLCcontrolsystem.Ithasthevitalsignificancehowtoestablishaneffectivecontrolsystemandoptimizetherunningeffect.
ThispaperintroducesthebasictechnologyofsewagetreatmentfactoryandprocessesandthroughthestudydesigningasetofsewagetreatmentsystembasedonPLCcontrol.ThispaperfirstintroducesthesewagetreatmentcontrolsystembasedonPLCtechnologyandrelatedprocesses,controlsystemhardwarestructureanddesign,andchemicalsewagetreatmentcontrolsystembasedonPLCsoftwaredesign.Thissystemaccordingtotherequirementsofsewagetreatmentfirstdesignstheequipmentofelectricalcontrolandautomaticcontrolcircuit,mainlyincludingequipmentstart-stop,statesignal,thefaultsignalandthesignalacquisitionandsoon.AccordingtorequirementofprocessitdesignsthePLCcontrolsystem,andfinallyitincludesPLCtypeselection,systemresourceallocation,andaccordingtothesewagetreatmentprocessofPLCcontrolprogram.
Keywords:
sewagedisposal,PLC,processflow
第一章绪论
中国是一个水资源短缺和分布不均匀的国家。
同时，在中国大部分城市和地区，水生态系统受到严重破坏和威胁。
因此超过90%的城市水污染严重，近50%的重要城镇水资源不符合标准的饮用水。
特别是随着城市工业化与城市化进程加速，水和污染物的排放量迅速增加，水资源危机将长期存在，并有一个快速的上升趋势。
人与自然的和谐相处是创造良好的水环境，促进人类的可持续发展的重要措施。
因此，对即将实施的工业废水处理工程的实施刻不容缓。
很多迹象表明，水资源缺乏无疑会成为瓶颈限制经济连续和谐的成长，于是世界各地越来越多的关心水处理和水回收，经过种种技能来进一步提升给水质量，提高经济效益。
和工业废水处理过程中，厌氧好氧处理后，污水在高温下，天然气和其他可再生能源可以为工业生产提供二次能源，实现废物的再利用、循环经济。
经济增长和环境保护，工业废水处理，反映了其必要性和紧迫性，各种污水处理后才排放是每一个企业的基本要求。
工业废水处理厂，对于不稳定和各种废水成分复杂的污水源，提出很高要求的工业废水的处理工艺和控制方法。
1.1课题目的和意义
地球上任何地区的经济发展，都可以增加社会进步，促成工农业生产实力，让人民生活得到进一步改进，但也会带来各种各样的环境污染的项目。
污染引起了世界各国政府的关注，水污染问题的控制都包括在世界环境组织的议程中。
中国是一个严重缺水的国家，而中国年平均水资源总量为28000亿平方米，是世界上第六位，人均水资源量是2220平方米，居世界第110位，被联合国列为世界上13个缺水地域之一。
当前我国大约300座都市缺水，很缺水的城市50个。
年缺水总量约为300亿～400亿立方米，因缺水造成的经济损失每年达2300亿元，超过洪涝灾害。
水资源缺乏和水污染问题，影响了人们的日常生活，严重影响咱们国度的发展和经济建设。
特别是在中国的北方城市，如北京、沈阳水资源更加短缺。
按照国家发展计划，在15个县城市建设污水处理厂，如何保证流程的正常运行，减少运行成本成为环保部门，城市建设部门关心的问题。
当前我国“33211”工程的重要污染，即在“三江”（淮河、海河、辽河流域），“湖泊”（太湖、巢湖、滇池），“两个”（酸雨控制区和二氧化硫控制区），“一个城市（北京）”，“海”（渤海盆地）。
城市污水处理在中国的能耗为0.365千瓦时/m3，日本0.304千瓦时/m3，美国为0.243千瓦时/m3，同时我们的员工比这些国家多，但它远远低于这些国家的城市污水深度处理。
这一结果的原因主要是:
低水平的污水处理厂管理、自动化控制。
所以建立吻合我国国情的废水处理自动控制系统，对降低污水处理资本，改进环境，创建成为可持续发展的国家，因此对于维持中国家的经济飞速成长具有重要意义。
1.2国内外发展状况
在一些发达国家，如美国，日本，西欧等国家，因为这些国家经济发达，在早期就实现工业现代化。
发达国家，经济发展迅速，环境和水污染问题也较早显现出来，但是也获得了政府的关注，发达国家投入了巨额的人力和物力资源和水处理研究。
这些国家在同一时间进行研究新的水处理理论与技术，而且还进行污水处理自动控制系统的研究。
发达国家前后投资研究高效率型的污水处理设备和自动化控制仪表。
这些国家通过许多年的努力，废水处理率已经到达80%到90%，顺利处理了都市和工业点源污染问题。
一些国家已经注意到废水的再利用，如以色列的污水处理效率达到90%。
工业废水处理技术在中国从“七五”国家科学和技术研究开始逐步研究。
其后地十年研究项目是对氧化塘、土地处理和复合生态系统等自然处理技术研究更重要和研究更多，这些成果被看做是设计基础，创建一些氧化塘、土地处理污水的试点项目。
在手工加工技术，“八五”对生物膜污泥负荷，高负荷，一体化氧化沟技术的研究。
研究的成果已经大批应用于工业污水处理厂。
污水处理厂污泥处置问题在科学研究第九个五年计划中得到重视，并支持成套污泥处理的发展。
经过“七五”，“八五”和“第九个五年”间的努力，工业废水处理技术在中国取得了很大的成就。
当前在污水控制技巧方面，我国已经可以供应传统活性污泥法工艺，种种新技术的活性污泥法，如：
水解酸化有氧技术。
这些技术在中国的工业污水处理控制系统中，已经发展到了一个新的阶段。
通过污水处理技术的不断更新和进步，中国的污水处理效率也会不断的得到提升。
但是，当前中国工业污水处理的工作重点是技术研究具体项目的实施。
1.3研究的主要内容
这个课题主要研究的内容是工业污水处理工艺与工业污水处理系统的组成和PLC控制系统的设计，主要由如下内容组成。
（1）介绍工业污水处理的基本内容，包含工业污水处理的工艺流程和工业污水处理的发展现状；
（2）介绍PLC的工作原理与基本结构，同时对工业污水处理控制系统进行设计分析；
（3）对工业污水处理的硬件系统进行设计与分析；
（4）对工业污水处理的软件系统进行设计与分析；
（5）对工业污水处理系统进行调试与运行。
第二章工业污水处理控制系统总体介绍
2.1工业污水处理基本概念
由城市、生活、生产产生的污水或企业局部处理后的生产污水，常常都排入城市排水系统，因此把生产污水和生活污水的混合污水称为工业污水。
这些污水除含有各种有机物和无机物以及一些微生物外，还含有病毒、细菌等让人致病的微生物。
通过污水处理后的水，最后使用的方式有三种：
灌溉领域；放电；重复使用。
污水处理的最终目标是：
（1）最主要的是除去水中的杂质污泥等，让水合格。
（2）为了满足用水的需求，因此在水中加入新的成分以改变水的化学性质，如循环冷却水中加缓蚀剂以控制腐蚀和结垢，食用水中加氟以防止龋齿病等。
（3）改善水的特性的处理方法，如降低水的粘滞度，水的冷却等。
2.2常用的工业污水处理工艺
在污水处理的过程中由于环境和对象的不一样，就会产生不同的处理方法。
在选择工业污水处理方法的过程时，必须认真考虑当地污水的情况，以及工业废水处理的实际情况。
在污水处理的过程中一般有三种处理方法：
物理和化学以及生物法。
根据污水处理的现实情形，可以分别使用这三种方法中的一种，也可以混合使用。
当前，主要的处理方法是生物法，其他两种为辅。
污水处理还有如下方法，如接触氧化工艺、SBR、A/0法等。
在工业和生活中产生的污水主要是运用生化法，应为这是最经济和最实用的，根据不同的条件，选择不同的污水处理过程对投资和运行有很大的影响。
2.3工业污水处理系统控制形式
早期的控制系统与现在的控制系统有很大的区别，因为随着高科技的快速发展和不断改的控制方式，所以早期的控制系统越来越不符合当下的要求[1]，因此慢慢的退出了历史舞台，现在的控制方式是DCS和现场总线控制以及PLC控制方法等。
其中PLC系统既可以实现控制功能也可以作为上位机实时监控生产过程。
其特点有：
①容易编程和开发周期短以及易于维护，②通用性强使用方便和控制功能强以及结构完整。
2.4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对污水的净化，将废水通过污水处理系统处理后输出符合国家水质标准的水。
很长一段时间，尽管工业废水处理技术得到了快速发展，但仍滞后于城市和工业废水处理的发展需求，低操作率极大地影响了城市的发展。
为了工业废水处理技术能够实现简单，效率高，能耗低，过程自动控制，采用PLC为核心的控制器，是一个很好的解决方案。
采用PLC控制系统可以实现很多功能，并且操作简单。
与各种各样的人机界面结合可以完成监控PLC控制系统，与此同时，用户可以通过该界面控制PLC系统。
现在对技术的要求越来越高，如远程监控和网络数据传输等[2]。
因此一般都会用到PLC处理器。
使用PLC处理器的系统主要包括两个方面：
信号输入与控制信号的输出。
2.4.1信号输入
污水处理系统的工业信号输入主要包括四种信号的检测主要有：
液位差的检测、输入键的检测、氧含量的检查。
（1）液位差的输入检测检查粗细栅格的液差，然后就可以控制清污机的启停。
（2）按钮输入检测一般为人工方式控制的输入检测，主要包括手动和自动按钮等。
（3）含氧量输入检测为模拟量输入。
（4）液位高低输入检测。
2.4.2控制输出信号
在信号输出方面有两种方式分别为：
模拟量和数字量。
（1）模拟量输出模拟量经过PLC计算变成数据后，于是通过功能模块输出相应的控制信号来控制相应的部件。
（2）数字量输出控制各类设备的启停。
第三章硬件系统配置
氧化沟是一种工业废水处理系统的重要环节，其结构形式的不同形成了氧化法不同，例如，奥贝尔和一体化氧化沟的方法，对不同的结构，其配套的设备也完全不同，所以它的结构是复杂的，不同的结构不同的控制系统，所以我们需要根据不同的结构特点设计相应的控制系统。
3.1主要组成部分
工业污水处理系统具有如下特点：
设备多和结构复杂。
系统的组成部分和系统总流程图如图3-1和3-2所示。
图3-1主要组成部分图
图3-2系统总流程图
（1）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[3]，若液位持续升高时，则输出报警以示意有故障发生。
（2）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。
（3）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[4]，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。
（4）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。
（5）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。
3.2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。
（1）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。
（2）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。
（3）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。
3.3工业污水处理系统的工作原理
3.3.1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3-3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。
图3-3电气控制系统框图
3.3.2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。
（1）接通电源，启动自动控制方式，启动潜水搅拌器和刮泥机。
（2）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。
（3）根据反馈回来的液位差状态控制清污机的运行与停止。
（4）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。
（5）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。
（6）污泥回流泵的运行与停止根据液面的高低进行控制。
（7）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。
3.3.3工业污水处理系统主电路设计
图3-4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（M1）、清污机电机（M2）、转碟曝气机电机（M3）。
接触器KM3、KM2、KM6分别控制M1、M2、M3的工频运行；接触器KM5、KM9分别控制M1、M3的变频运行；FR1、FR2、FR3分别为三台电机过载保护用的热继电器；QF1、主电路的空气开关；FU1为主电路的熔断器。
选用的MM430变频器是用来控制电机M1、M3变频运行的。
图3-4工业污水处理系统部分主电路图
3.4PLC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S7—200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CPU226作为该控制系统的主机[5]。
CPU226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I/O外，还需要扩展一定数量的I/O扩展模块。
在此采用EM223输入/输出混合扩展模块。
8点DC输入8点输出型。
正好可以满足控制系统的I/O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[6]。
西门子公司专门为S7—200系列PLC配置了模拟量输入输出模块EM235，该模块具有较高的分辨率和较强的输出驱动能力[7]，可满足控制系统的功能要求。
3.5PLC的I/O资源配置
根据系统的功能要求，对PLC的I/O进行估算配置，具体分配如下。
3.5.1数字量输入部分
首先需要一个紧急制动按钮,运行方式有两种自动和手动，所以有自动运行方式，自动方式启动确认，手动方式。
手动方式针对各个部件，粗细格栅机有手动粗格栅机启动，手动细格栅机启动。
手动清污机、潜水泵、分离机、碟曝气机工频、转碟曝气机变频、潜水搅拌机、刮泥机、污泥回流泵、分离式脱水机、污泥泵、转碟曝气机加速、转碟曝气机减少、粗格栅液位差计、细格栅液位差计、进水泵房液面高位传感器、进水泵房液面低位传感器、污泥回流泵液面高位传感器、污泥回流泵液面低位传感，总共24个数字输入量[8]。
表3-1数字量输入地址分配
输入地址
输入设备
输入地址
输入设备
I0.0
急停
I1.4
手动刮泥机启动
I0.1
手动方式
I1.5
手动污泥回流泵启动
I0.2
自动方式
I1.6
手动分离式脱水机启动
I0.3
自动启动确认
I1.7
手动污泥泵启动
I0.4
手动粗格栅机启动
I2.0
手动转碟曝气机加速
I0.5
手动清污机启动
I2.1
手动转碟曝气机减速
I0.6
手动潜水泵启动
I2.2
粗格栅液位差计
I0.7
手动细格栅机启动
I2.3
细格栅液位差计
I1.0
手动分离机启动
I2.4
进水泵房液面高位传感器
I1.1
手动转碟曝气机工频启动
I2.5
进水泵房液面低位传感器
I1.2
手动转碟曝气机变频启动
I2.6
污泥回流泵液面高位传感器
I1.3
手动潜水搅拌机启动
I2.7
污泥回流泵液面低位传感器
3.5.2数字量输出部分
数字量输出主要是对接触器的启动提供信号，共13个输出量。
表3-2数字量输出地址分配
输出地址
输出设备
输出地址
输出设备
Q0.0
粗格栅机接触器
Q0.7
潜水搅拌机接触器
Q0.1
清污机接触器
Q1.0
刮泥机接触器
Q0.2
潜水泵接触器
Q1.1
污泥回流泵接触器
Q0.3
细格栅机接触器
Q1.2
离心式脱水机接触器
Q0.4
分离机接触器
Q1.3
潜水泵报警
Q0.5
转碟曝气机工频接触器
Q1.4
污泥回流泵报警
Q0.6
转碟曝气机变频接触器
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