PLC控制的中水回用处理系统设计.docx

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PLC控制的中水回用处理系统设计

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PLC控制的中水回用处理系统设计

摘要

水污染是我国城市面临的严重问题，它不仅危害人民的身体健康，更制约着我国经济的发展，破坏了生态平衡，并容易导致水荒的发生。

中国水资源人均占有量少，空间分布不平衡。

随着中国城市化、工业化的加速，水资源的需求缺口也日益增大。

因此，中水回用目前与自来水生产、供水、排水、处于同等重要地位。

针对现阶段我国污水处理厂的计算机管理和自动控制系统水平较低,污水厂的正常运行率和出水合格率不高,利用PLC与流量计、PH计、温度计和液位计组成污水处理控制系统，通过以太网实现上位机监控，对生产和生活过程中产生的废水进行净化、中和以及生化氧化等处理,使其最终达到“中水”的排放标准。

由于应用软件控制代替了硬件控制,不仅提高了污水处理厂的正常运行率,而且为自动化控制的顺利实现创造了条件。

本设计介绍了PLC在污水处理系统中的应用及PLC控制系统的配置和控制方式，并对PLC和上位机组成的控制系统的主要功能进行了叙述，从而实现污水处理正果过程的实时监测和自动控制。

设计中运用了温度传感器、液位传感器、流量传感器和酸碱度传感器来采集信号，经PLC处理分析后分别控制各水泵、风机和阀门的启停与开关，从而实现了生产过程的自动化。

关键词：

PLC；污水处理；中水回用；传感器；组态软件

Abstract

Waterpollutionisaseriousproblemfacedbyourcity,Itisnotonlyharmfultopeople'shealthbutalsoRestrictChina'seconomicdevelopment.Itdestroyedtheecologicalbalance,andeasilyleadtowatershortagesfromoccurring.TheChinesewaterresourcesaverageamountpercapitaarefew,thespatialdistributionisnotbalanced.AlongwiththeChineseurbanization,theindustrializationacceleration,thewaterresourcesdemandgapalsodaybydayincreases.Therefore,Sewagetreatmentandrunningwaterproduction、watersupplying、drainingwaterandthewatersalescommissionisattheequallyimportantpositionnow.

ForthelowlevelofcomputermanagementandautomaticcontrolsystemofthepresentstageofChina’ssewagetreatmentplants,andthelowrateofthenormaloperationofwastewatertreatment,usingPLCandflowmeter,PHmeter,levelmeterthermometerandcompositionoftheindustrialsewagetreatmentcontrolsystem,monitoringbytheEthernet.Especiallyfortheindustrialwastewaterproducedbythefactory,byneutralizationandbiochemicaloxidationprocessing,thesystemwillpurifythewater,makingituptotheemissionstandard.Insteadofhardwarecontrol,softwarecontrolcanimprovetherateofthenormaloperation,andcreatetheconditionsforthesmoothrealizationoftheautomaticcontrol.

ThisdesignintroducedPLCinsewagetreatmentsystem'sapplicationandthePLCcontrolsystem'sdispositionandthecontrolmode,andhascarriedonthenarrationtoPLCandthesuperiormachinecomposition'scontrolsystem'smajorfunction,thusrealizesthesewagetreatmentfruitsofvirtueprocessreal-timemonitorandtheautomaticcontrol.

Inthedesignhasutilizedthetemperaturesensor,thefluidpositionsensor,theflowsensorandthepotentialofhydrogensensorgathersthesignal,afterPLCprocessinganalysiscontrolsvariouswaterpumps,theairblowerandthevalveseparatelyopensstopswiththeswitch,thushasrealizedtheproductionprocessautomation.

Keywords：

PLC；Sewagetreatment；Sensor；Configurationsoftware

绪论

1.污水处理的背景

地球虽然有70.8％的面积为水所覆盖，但淡水资源却极其有限，人类真正能够利用的是江河湖泊以及地下水中的一部分，仅占地球总水量的0.26％，而且分布不均。

20世纪50年代以后，全球人口急剧增长，工业发展迅速。

全球水资源状况迅速恶化，“水危机”日趋严重。

一方面，人类对水资源的需求以惊人的速度扩大；另一方面，日益严重的水污染蚕食大量可供消费的水资源。

全世界每天约有200吨垃圾倒进河流、湖泊和小溪，每升废水会污染8升淡水；所有流经亚洲城市的河流均被污染；美国40％的水资源流域被加工食品废料、金属、肥料和杀虫剂污染；欧洲55条河流中仅有5条水质差强人意。

20世纪，世界人口增加了两倍，而人类用水增加了5倍。

世界上许多国家正面临水资源危机：

12亿人用水短缺，30亿人缺乏用水卫生设施。

水污染是我国城市面临的严重问题，它不仅危害人民的身体健康，更制约着我国经济的发展，破坏了生态平衡，并容易导致水荒的发生。

中国水资源人均占有量少，空间分布不平衡。

随着中国城市化、工业化的加速，水资源的需求缺口也日益增大。

因此，污水处理目前与自来水生产、供水、排水、中水回用处于同等重要地位

2.我国污水处理的发展现状

虽然由于国家和各级政府对环境保护重视程度的不断提高，中国污水处理行业正在快速增长，污水处理总量逐年增加，城镇污水处理率不断提高。

但目前中国污水处理行业仍处于发展的初级阶段。

一方面，中国目前的污水处理能力尚跟不上用水规模的迅速扩张，管网、污泥处理等配套设施建设严重滞后。

另一方面，中国的污水处理率与发达国家相比，还存在着明显的差距，且处理设施的负荷率低。

因此中国应完善污水处理的政策法规，建立监管体制，创建合理的污水处理收费体系，扶植国内环保产业发展，推进污水处理行业的产业化和市场化。

污水处理行业是一个朝阳产业，发展前景十分广阔。

中国将在“十一五”期间投资3000亿元以推进城市污水处理和利用，中国污水处理行业由此迎来高速发展期。

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，污水处理需求将逐步实现自给。

我国污水处理主要面临的难题：

（1）人口增加，污水增多

在我国，随着城市人口的增加和工农业生产的发展，污水排放量也日益增加，水体污染相当严重，而且几乎遍及全国各地。

到2000年底，全国设市的663个城市中有310个建有污水处理设施，建设污水处理厂427座，年污水处理量113.6亿立方米，污水处理率只有34.23%。

（2）加快发展，急需资金

在社会主义市场经济条件下，污水处理是从一定量的资金投入开始的。

污水处理资金的规模决定着污水处理的规模。

污水处理资金自身的发展速度决定着污水处理发展的速度和污水处理技术进步的速度。

现实的污水处理中，技术先进、处理费用低的决策方案通常是预付资金量较大的方案。

从这个意义上说，资金自身的发展速度越快，污水处理技术的进步和应用才能越快，污水处理也才能越快。

（3）处理资金，来源困难

长期以来，我国城市污水处理设施采取的是免费使用政策，不仅扩大再生产由财政投资，简单再生产也需要财政拨款才能完成，财政拨款因此成了污水处理设施维护建设投资的唯一来源。

城市污水处理是公益事业，污水处理资金财政拨款应是公共财政支出。

因我国社会主义市场经济体制改革还在深化中，公共财政收入占GDP的比重、中央公共财政收入占公共财政收入的比重目前还不够合理，城市污水处理资金很难像美国等发达国家哪样绝大多数来自财政拨款或贷款。

3.污水处理的前景

随着中国经济的发展和人民生活水平的逐步提高，必然对环境质量提出更高的要求。

解决好水污染问题，对污水进行处理后再排放，是生态环境保护以及为人们营造舒适生活环境的重要条件。

《城市污水处理及污染防治技术政策》规定，2010年全国设市城市和建制镇的污水平均处理率不低于50%，重点城市的污水处理率不低于70%，要达到此目标，每年用于水污染防治投资须达400亿元以上。

新世纪,我国污水处理事业迎来了高速发展的阶段,不仅大城市,很多中小城市、铁道部各车站区,甚至发达地区的乡镇都开始修建污水处理厂。

自动化系统在污水处理过程中所发挥的重要作用已逐渐被认识，并受到普遍重视。

面对巨大的市场需求，势必要研究和开发出具有自主知识产权的自动化系统及配套设备。

PLC控制器以其技术成熟、通用性好、可靠性高、安装灵活、扩展方便、性能价格比高等一系列优点,在工业控制中得到了越来越广泛的应用,在污水处理中也得到一定程度的推广。

随着现代控制技术和计算机技术的飞速发展，控制技术在污水厂中得到了广泛应用，使得整个污水处理过程实现了计算机监测、控制和管理，以实现高质量、低成本、稳定可靠的运营方式。

作为一个朝阳产业，污水处理行业的发展前景十分广阔。

第1章基于PLC的污水处理控制系统的方案论证

1.1基于PLC的污水处理系统的设计方案

为了保证污水处理系统的正常稳定运行，保证可靠控制，减轻劳动强度，提高工作效率,降低运行成本，提高管理技术水平，采用先进的计算机控制系统进行污水处理系统的数据采集和监控。

控制系统的设计原则：

（1）保证系统具有高可靠性、稳定性，以保证污水处理设备安全可靠的运行。

（2）系统应具有较高的性能价格比。

控制系统将完成以下主要功能：

（1）对污水处理现场的各种设备进行自动控制；

（2）可根据工艺要求，随机调整检测、控制参数；

（3）对污水处理工艺过程进行数据采集和显示；

（4）对实时采集的数据进行归档、趋势图显示、打印；

（5）对历史数据的查询和打印；

污水处理是一项涉及生物、化学、物理等多项学科的综合性技术,其工艺机理较为复杂。

污水处理工艺可分三类,即一级处理、二级处理、三级处理。

一级处理：

主要去除污水中呈悬浮状态的固体污染物质，物理处理法大部分只能完成一级处理的要求。

经过一级处理的污水，BOD一般可去除30%左右，达不到排放标准。

一级处理属于二级处理的预处理。

二级处理：

主要去除污水中呈胶体和溶解状态的有机污染物质（BOD，COD物质），去除率可达90%以上，使有机污染物达到排放标准。

三级处理：

进一步处理难降解的有机物、氮和磷等能够导致水体富营养化的可溶性无机物等。

主要方法有生物脱氮除磷法，混凝沉淀法，砂率法，活性炭吸附法，离子交换法和电渗分析法等。

国内目前综合考虑水质、投资、运行成本、处理效果等因素,多采用一级和二级处理方式。

一级处理采用物理方法,利用物理作用处理、分离和回收污水中的悬浮物（SS）和泥砂。

主要设备有格栅、筛网、沉砂池、沉淀池、水泵、除渣机等,物理法工艺过程的变化较快。

二级处理则采用生化方法,生化法是利用微生物能够降解代射有机物的作用来处理污水中悬浮性溶解性有机物以及氮、磷等营养盐。

由于污水处理厂的占地面积大,设备比较分散,信号的传输距离较远。

通过分析工艺过程发现：

在受控对象中有相当多的开关量和模拟量,同时检测点也较多。

而控制过程是以逻辑顺序控制为主,闭环控制为辅。

针对这样一个实际状况,我们将PLC（ProgrammableLogicController）作为下位机,计算机作为上位机,通过上位机强大的数据处理能力和良好的界面实现管理和监控,以PLC可编程控制器进行逻辑运算,对生产过程实行在线实时控制。

各PLC均可与PC联网通信。

控制系统的主控部分采用欧姆龙公司生产的CPM2A-60的PLC,它与计算机连接,采用的通讯设备为RS-232/PPI多主站通信电缆。

1.2基于PLC的污水处理系统的方案论证

基于PLC的污水处理控制系统流程图如图1-1所示。

图1-1基于PLC的污水处理控制系统流程图

（1）粗细格栅及提升泵

格栅是由一组平行的钢制栅条组成，设在水泵前的格栅为粗格栅，设在构筑物前的格栅为细格栅。

粗格栅的目的是截流污水中较大的飘浮物和悬浮物，防止污水提升泵的阻塞，减轻后续处理构筑物的处理负荷，并使之正常运行。

细格栅进一步去除污水中的细小悬浮物及细小纤维，降低生物处理负荷。

污水通过粗格栅进入提升泵房，由提升泵提升污水，经过细格栅达到最高点，满足后续处理设施的水力要求。

其中粗细栅格池中均设计有液位传感器,通过采集液位信号送入PLC，用以控制压榨机、螺旋输送机栅格和水泵的启停。

（2）曝气沉砂池

曝气沉砂池的主要作用是去除砂和其他较重物质，主要是惰性无机物和有机物。

同时还能使有机颗粒和无机颗粒分开，保护后续设备安全稳定运行，便于后续处理。

在沉沙池单元，利用液位传感器、水泵以及PLC构成了一个简单的控制回路。

液位传感器将液位变化转化成信号传送给PLC，PLC根据信号作出相应的指令反馈给执行机构一—水泵。

通过控制水泵的启动和停止来达到控制沉沙池的水量。

（3）反应池

反应池包括氧化沟和消毒池，是整个处理工艺中的核心单元。

PIC通过液位传感器、温度传感器、流量传感器以及PH计等给出的信号变化，作出相应的信号指令传送给水泵、搅拌器、鼓风机和各个阀门，并通过水泵、搅拌器的启动和停止来实现反应池中污水处理工艺的自动控制，以达到最佳处理状态。

整套污水处理流程可有多个监控点，包括液位、PH值、溶氧、浊度、频率、泵运行状态等。

每台现场设备原则在其相应现地箱上输出有三个状态信号：

故障、运行/停止、手动/自动；和一个启动信号。

为了使现场与PLC完全隔离，PLC所有数字量模块与现地箱中间必须加辅助继电器。

所有输出信号（包括模拟量和数字量）由PLC内部程序或上位机指令控制。

系统可以分为手动操作和全自动操作，手动操作是为了在设备调试和维修时使用，系统主要以全自动操作方式为主。

在这种操作方式下，各类水泵、搅拌器等设备的启停、各种切换都由PLC按照预先编制的程序自动生成，不需要操作人员干预。

每种工作状况的运行时问及各种测量参数均可以在线或离线调整，每台设备和每种工况的运行情况也都由相应的LED灯进行指示。

现场的泵类、搅拌器等信号通过PLC的控制转化将在上位机上显示。

这样，即能对开关量（如泵、搅拌器）进行控制，又能对现场的模拟量〔如酸碱中和反应）进行调节，使全场的工艺、设备运行得到全面的控制。

基于PLC的污水处理系统框图如图1-2所示。

图1-2基于PLC的污水处理系统框图

其中液位传感器的作用是检测各个水池中水位的高低，把信号传递给PLC，PLC根据程序自动控制各水池水位，使各水池水位符合设计要求。

温度传感器是检测反应池中的温度，如果温度过高，则由PLC控制阀门加水降温。

流量传感器是检测阀门流量的，酸碱度传感器检测出反应池中水的酸碱度信号并反馈给PLC，由PLC控制进行水的中和处理。

在PLC工作时，搅拌机同时进行正、反转的搅拌,以达到水浓度的均匀。

LED信号灯则是根据个部件的工作情况作出相应的反映，以方便工作人员控制。

第2章系统的硬件组成及其电路设计

2.1可编程控制器（PLC）的选择

可编程序逻辑控制器简称PLC（英文全称：

ProgrammableLogicController），是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。

它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。

PLC及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。

从结构上分，PLC分为固定式和组合式（模块式）两种。

固定式PLC包括CPU板、I/O板、显示面板、内存块、电源等，这些元素组合成一个不可拆卸的整体。

模块式PLC包括CPU模块、I/O模块、内存、电源模块、底板或机架，这些模块可以按照一定规则组合配置。

PLC具有可靠性高，抗干扰能力强，适用性强，易学易用，设计、安装、维护方便，体积小，重量轻，能耗低的特点。

此外PLC具有丰富的I/O接口模块、编程简单易学、手段多、安装简单、维修方便、速度快等特点。

当PLC投入运行后，其工作过程一般分为三个阶段，即输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段。

完成上述三个阶段称作一个扫描周期。

在整个运行期间，PLC的CPU以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。

PLC是按集中输入、集中输出，周期性循环扫描的方式进行工作的。

每次扫描所用的时间称作扫描周期和工作周期。

PLC一般将完成部分或全部如下操作：

读输入，处理通信请求，执行逻辑控制程序，写输入，执行CPU自诊断。

PLC就是这样周而复始的循环这些动作过程，一直到关机。

2.2PLC的选择

本设计选用OMRON公司的CPM2A型PLC。

能基本满足系统设计的要求。

日本OMRON公司是世界上生产可编程序控制器（PC）的著名厂家之一，OMRON的大、中、小、微型机各具特色各有所长，在中国市场上的占有率位居前列，在国内用户中享有较高声誉。

1999年，OMRON在推出CS1系列的同时，在小型机方面相继推出CPM2A/CPM2C/CPM2AE、CQM1H等机型。

CPM2A是CPM1A之后的另一系列机型。

CPM2A的功能比CPM1A有新的提升，例如，CPM2A指令的条数增加、功能增强、执行速度加快，可扩展的I/O点数、PC内部器件的数目、程序容量、数据存储器容量等也都增加了；所有CPM2A的CPU单元都自带RS232C口，在通信联网方面比CPM1A改进不少。

CPM2A的基本指令与CPM1A相同，都是14种，但CPM2A的应用指令增加到105种、185条；CPM2A的工作速度明显加快，基本指令LD的执行时间为0.64us，应用指令MOV的执行时间为7.8us；程序容量增加到4096字；读/写DM增加到2048字；最大I/O点数可扩展到120点；内部器件数目也有增加，如内部辅助继电器区（IR）928位，特殊继电器区（SR）448位，定时器/计数器256位，辅助继电器区（AR）384位[1]。

2.3传感器的选择

传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。

它是实现自动检测和自动控制的首要环节。

传感器早已渗透到诸如工业生产、宇宙开发、海洋探测、环境保护、资源调查、医学诊断、生物工程、甚至文物保护等等极其之泛的领域。

污水处理系统中涉及到多种传感器，包括液位传感器、温度传感器、流量传感器还有酸碱度传感器。

系统工作时，各传感器先采集模拟信号输入PLC进行分析，控制继电器的导通与关断，从而控制各电机或阀门的正常工作。

2.3.1液位传感器的选择

由于格栅机难以将污水管道的垃圾全部过滤干净，进入污水池的漂浮物（发泡塑料、烂布条等）常附着在浮球检测器上，造成浮球的误动作，从而使水泵电机频繁起动/停止。

电机的起动电流远大于运行的额定电流，会缩短电机及水泵的使用寿命及增加故障率。

同时浮球检测器直接处于污水中，其检修及更换极不方便。

因此本次设计采用CBM-2700投入式静压液位计作为液位传感器，其可靠防腐并带有陶瓷测量单元的探头，可以对净水、污水及盐水进行物位测量。

静压投入式液位变送器（液位计）是利用流体静力学原理测量液位，基于所测液体静压与该液体的高度成比例的原理，采用国外先进的隔离型扩散硅敏感元件或陶瓷电容压力敏感传感器，将静压转换为电信号，再经过温度补偿和线性修正，转化成标准电信号。

采用特种的中间带有通气导管的电缆及专门的密封技术，既保证了传感器的水密性，又使得参考压力腔与环境压力相通，从而保证了测量的高精度和高稳定性。

适用于开放液罐的低液位监控、井或开放水域的深度或液位测量、地下水水位测量、污水处理，给水、化工和制药工业等行业的液位测量控制。

测量原理：

当液位变送器投入到被测液体中某一深度时，传感器迎液面受到的压力公式为：

Ρ=ρ.g.H+Po

式中：

P：

变送器迎液面所受压力

ρ：

被测液体密度

g：

当地重力加速度

Po：

液面上大气压

H：

变送器投入液体的深度

同时，通过导气不锈钢将液体的压力引入到传感器的正压腔，再将液面上的大气压Po与传感器的负压腔相连，以抵消传感器背面的Po，使传感器测得压力为：

ρ.g.H，显然,通过测取压力P，可以得到液位深度。

功能特点：

1：

安装方便、结构简单、经济耐用。

2：

效准简单，可现场显示

3：

防结露，防雷击,防腐蚀,防堵塞设计

4：

探头直径19mm～42mm可选

5：

稳定性好，抗干扰能力强

6：

具有反向保护、限流保护电路，在安装时正负极接反不会损坏变送器，异常时送器会自动限流在35MA以内。

7:

固态结构，无可动部件，高可靠性，使用寿命长。

技术参数：

测量范围：

–0.1～0～1Kpa～2Mpa（0.1米～200米）

压力类型：

绝压/表压可选

精度等级：

0.1级0.2级

长期稳定性：

≤0.1F·S/年

供电范围：

24VDC（特殊要求可定做）

输出信号：

4～20mA/Hart协议0～5V等信号（特殊要求可定做）

探头材料：

316L不锈钢

介质温度：

–20～60～100℃（定货请说明使用温度）

环境温度：

–40～60～100℃（常规60℃以内）

图2-1投入式静压液位计的安装

2.3.2温度传感器的选择

温度是一个