小型污水处理厂控制系统.docx
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小型污水处理厂控制系统
目 次
引言……………………………………………………………………………………..1
1文章综述……………………………………………………………………………..2
2总体设计方案………………………………………………………………………..4
2.1SBR污水处理工艺…………………………………………………………..4
2.2SBR污水处理系统动力设备………………………………………………..5
3具体实施方案………………………………………………………………………..6
3.1硬件设计总体说明………………………………………………..…….……6
3.2SBR污水处理电气控制原理图设计………………………………………..6
3.2.1主电路设计…………………………………………………………6
3.2.2交流控制电路设计…………………………………………………7
3.2.3主要参数计算………………………………………………………8
3.2.4PLC控制电路设计………………………...……………………….9
3.2.5PLC输入、输出接口功能表…………………………………..…10
3.2.6元器件目录表…………………..…………………………………12
3.3SBR污水处理系统的软件程序设计………………………………………13
3.3.1程序设计…………………………………………………………13
3.3.2系统静态调试……………………………………………………14
3.3.3系统动态调试及运行……………………………………………15
3.4SBR污水处理系统电控箱及控制面板布置………………………………15
3.4.1确定元器件及其布局…………………………………………….15
3.4.2绘制元件布置图……………..…………………………………..15
4参考文献……………………………………………………………………………17
引 言
本设计课题为《基于PLC控制的SBR污水处理系统》，确立这个课题是从整个世界的大前提下考虑入手的。
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 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。
在这样的背景下，污水处理行业成为新兴产业，目前与自来水生产、供水、排水、中水回用行业处于同等重要地位。
在国际金融危机的背景下，中国采取继续扩大内需，促进经济增长政策，把环境保护放在突出的战略位置。
2008年四季度新增的千亿元中央投资中，投向节能减排和生态建设的资金达120亿元。
用于重点流域的水污染防治工程投资及用于城镇污水和垃圾处理设施、污水管网建设提速的资金高达60亿元，前者投资为10亿元，后者为50亿元。
可以说，污水处理行业迎来空前的发展机遇。
1文献综述
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序的环境污染。
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量为28000亿m2，居世界第六位，人均水资源量为2220m2，居世界第110位，已经被联合国列为世界上13个缺水国家之一。
目前我国约300个城市缺水，其中严重缺水城市有50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。
水资源的匮乏和水资源的污染，已经严重影响了人民的日常生活，严重影响了我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。
根据国家十五发展纲要，十五期间各县市都要建立污水处理厂，如何保证处理过程的正常运行，减少运行成本成为环保部门、城建部门所关注的问题。
目前国家治理污染的重点是“33211”工程，即“三河”（淮河、海河、辽河流域）、“三湖”（太湖、巢湖、滇池）、“两区”（酸雨控制区、二氧化硫控制区）、“一市”（北京）、“一海”（渤海流域）[1]。
我国城市污水处理的电耗为0.365kwh/m³、日本为0.304kwh/m³、美国为0.243kwh/m³，并且我们的工作人员还要比这些国家多，但是我国城市污水处理深度却远不如这些国家。
造成这种结果的原因主要是：
污水处理厂管理水平低、自动化控制手段差。
因此建设符合我国国情的污水处理自动控制系统对降低污水处理成本、改善环境、建立可持续发展社会，保持我国经济高速发展具有重要意义。
利用SBR（SequencingBatchReactor）污水处理系统，是因为SBR有以下几大优点：
（1）易产生污泥膨胀的丝状细菌在SBR反应池中因反应条件的不断的循环变化而得到有效的抑制。
而污泥膨胀问题是其它活性污泥方法中很常见且很难控制的问题之一；
（2）在通常的条件下，该工艺可以不用添加化学药剂而达到硝化、反硝化的效果；
（3）SBR工艺通过缺氧—好氧过程交替进行共同作用达到对污染物的去除，因此与常规活性污泥法等好氧处理工艺相比，具有电耗低的特点；
（4）SBR工艺系统的启动及生物驯化容易，并且耗时短；
（5）运行效果稳定，污水在理想的静止状态下沉淀，需要时间短、效率高，出水水质好；
（6）工艺过程中的各工序可根据水质、水量进行调整，运行灵活；
（7）反应池内存在DO、BOD5浓度梯度，有效控制活性污泥膨胀；
（8）SBR法系统本身也适合于组合式构造方法，利于污水处理厂的扩建和改造；
（9）脱氮除磷，适当控制运行方式，实现好氧、缺氧、厌氧状态交替，具有良好的脱氮除磷效果；
（10）工艺流程简单、造价低。
加上PLC的控制简单，控制能力强、抗干扰能力强，带有脉冲输出，可以直接连接伺服系统。
可编程序控制器（简称PLC）作为一种通用控制装置,广泛应用于各类工业领域。
便于控制。
完成这个课题，需要对全球的污水处理状况做一个大体了解，世界各国的污水处理工厂等是如何来进行日常生活成产的污水处理的，对于污水处理系统做到心中有数，成熟的污水处理系统有哪些，这些系统中又有哪些缺点和不成熟的地方。
并着重了解SBR污水处理法。
在了解SBR污水处理的基础上，就需要灵活应用所学到的PLC控制知识，来完成SBR的整个过程。
做到简单控制，全面控制。
2总体设计方案
2.1SBR污水处理电气控制系统介绍及流程图
2.1.1SBR污水处理工艺
SBR污水处理技术是一种高效污水回用的处理技术，采用优势菌技术对生活污水进行处理，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污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。
污水处理过程中环境温度对菌群代谢产生的作用直接影响污水处理效果，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污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污水处理的效率，方便操作和使用。
SBR污水处理系统分别由污水处理池、清水池、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污水处理系统工艺流程图如图1-1所示。
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6～8h。
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1.5h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纳入污水。
如此循环往复。
SBR污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，以满足污水处理的要求。
2.2SBR污水处理系统动力设备
SBR污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LQ20-1，AC380V，60W。
3具体实施方案
3.1SBR污水处理系统的硬件设计
硬件设计总体说明
（1）SBR污水处理系统控制对象电动机均由交流接触器完成起、停控制，电动阀电动机要采用正、反转控制。
（2）污水池、清水池、中水水箱水位检测开关，在选型时考虑抗干扰性能，选用电极考虑耐腐蚀性。
（3）电动阀上驱动电动机，其内部设有过载保护开关，为常闭触点，作为电动阀过载保护信号，PLC控制电路考虑该信号逻辑关系。
（4）1#清水泵、2#清水泵、罗茨风机电动机、电动阀电动机分别采用热继电器实现过载保护，其热继电器的常开触点通过中间继电器转换后，作为PLC的输入信号，用以完成各个电动机系统的过载保护。
（5）罗茨风机的控制要求在无负载条件下起动或停机，需要在曝气管路上设置排空电磁阀。
（6）主电路用断路器，各负载回路和控制回路以及PLC控制回路采用熔断器，实现短路保护。
（7）PLC选用继电器输出型。
3.2SBR污水处理电气控制原理图设计
3.2.1主电路设计
SBR污水处理系统主电路如图2-1所示。
图2-1SBR污水处理系统主电路图
（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，又起到分断三相交流电源的作用，使用方便。
（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。
3.2.2交流控制电路设计
SBR污水处理系统交流控制电路如图2-2所示。
图2-2SBR污水处理系统交流控制电路
（1）控制电路有电源指示HL1。
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HL2、HL3、HL4，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、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HL5、排空电磁阀YA2，分别由中间继电器KA2和KA3触点控制。
3.2.3主要参数计算
（1）断路器QF脱扣电流。
断路器为供电系统电源开关，其主回路控制对象为电感性负载交流电动机，断路器过电流脱扣值按电动机起动电流的1.7倍整定。
SBR污水处理系统有3kW负载电动机一台，起动电流较大，其余三台为1.1kW以下，起动电流较小，而且工艺要求4台电动机单独起动运行，因此可根据3kW电动机选择自动开关QF脱扣电流IQF：
IQF＝1.7IN=1.7×6A＝10.2A≈10A，选用IQF＝10A的断路器。
（2）熔断器FU熔体额定电流IFU。
以曝气风机为例，IFU≥2IN＝2×2.5A＝5A，选用5A的熔体。
其余熔体额定电流的选择，按上述方法选配。
控制回路熔体额定电流选用2A。
3.2.4PLC控制电路设计
包括PLC硬件结构配置及PLC控制原理电路设计。
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，选择适合的PLC机型及外设，完成PLC硬件结构配置。
FX2N-48MR-001是日本三菱公司的可编程控制器（PLC）,继电器输出及输入24点,输出24点.FX2N是FX系列中功能最强、速度最高的微型PLC，内置用户存储器8K步，可扩展到16K步，最大可扩展到256个I/O点，可有多种特殊功能扩展，实现多种特殊控制功能（PID、高速计数、A/D、D/A、等）。
有功能很强的数学指令集。
通过通信扩展板或特殊适配器可实现多种通信和数据链接。
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1-4为SBR污水处理系统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。
图2-3SBR污水处理系统PLC控制电路原理图
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。
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，以防止电源过载损坏或影响其他输入口的信号质量。
PLC采用继电器输出，每个输出点额定控制容量为AC250V，2A。
3.2.5PLC输入、输出接口功能表
表1-1和表1-2分别为SBR污水处理系统PLC输入和输出接口功能表。
表1-1SBR污水处理系统PLC输入接口功能表
序号
工位名称
文字符号
输入口
1
污水池高水位开关信号
H1
X000
2
污水池低水位开关信号
L1
X001
3
清水池高水位开关信号
H2
X002
4
清水池低水位开关信号
L2
X003
5
中水箱高水位开关信号
H3
X004
6
中水箱低水位开关信号
L3
X005
7
起动按钮（绿色）
SB1
X006
8
停止按钮（红色）
SB2
X007
9
旋钮开关（自动）
SB3-1
X010
10
旋钮开关（手动）
SB3-2
X011
11
手动开电动阀旋钮开关
SB4
X012
12
手动关电动阀旋钮开关
SB5
X013
13
1#清水泵手动旋钮开关
SB6
X014
14
2#清水泵手动旋钮开关
SB7
X015
15
电动阀门开起限位开关
SQ1
X016
16
电动阀门关闭限位开关
SQ2
X017
17
电动阀电动机故障报警
FR0
X020
18
电动机热保护器报警
KA1
X021
19
曝气风机手动旋钮开关
SB8
X022
20
输入点备用
X023～X027
表1-2SBR污水处理系统PLC输出接口功能表
序号
工位名称
文字符号
输入口
1
1#清水泵接触器
KM1
Y000
2
2#清水泵接触器
KM2
Y001
3
污水池高水位红色指示灯
HL7
Y002
4
污水池低水位绿色指示灯
HL8
Y003
5
清水池高水位红色指示灯
HL9
Y004
6
清水池低水位绿色指示灯
HL10
Y005
7
中水箱高水位红色指示灯
HL11
Y006
8
中水箱低水位绿色指示灯
HL12
Y007
（续）
序号
工位名称
文字符号
输入口
9
电动阀门开起绿色指示灯
HL13
Y010
10
电动阀门关闭黄色指示灯
HL14
Y011
11
开电动阀门接触器
KM4
Y012
12
关电动阀门接触器
KM5
Y013
13
电动机热保护器报警红色指示灯
HL6
Y014
14
罗茨风机（曝气风机）接触器
KM3
Y015
15
排空电磁阀继电器
KA3
Y016
16
上水电磁阀继电器
KA2
Y017
17
输出口备用
Y020～Y027
3.2.6元器件目录表
根据设计方案选择的电气元件，编制原理图的元器件目录表，如表1-3所示。
表1-3SBR污水处理系统元器件目录表
序号
文字符号
名称
数量
规格型号
备注
1
M1～M4
电动机
4
Y系列
三相交流异步电动机
2
FR1～FR4
热继电器
4
JR16B-20/3
参照电动机整定电流
3
FU1～FU4
熔断器
12
RL1-15
熔体2～10A
4
FU5、FU6
熔断器
2
RT16-32X
熔体2A
5
QF
断路器
1
C45AD
脱扣电流10A
6
TC
隔离变压器
1
BK-100
变比1：
1，AC220V
7
SB1
起动按钮
1
LAY37
绿色
8
SB2
停止按钮
1
LAY37
红色
9
SB3
转换开关
1
LAY37-D2
手动/自动转换
10
SB4～SB8
手动开关
5
LAY37-D2
黑色
11
KM1～KM4
交流接触器
4
DJX-9
线圈电压：
AC220V
12
KA1～KA3
中间继电器
3
HH52P
线圈电压：
AC220V
13
HL1～HL15
指示灯
15
AD16-22
LED显示，AC220V
14
YA1
电磁阀
1
ZCT-50A
线圈电压：
AC220V
15
YA2
电磁阀
1
ZCT-15A
线圈电压：
AC220V
16
YA3
电动阀门装置
1
LQA20-1
AC380，60W
17
PLC
可编程序控制器
1
FX2N-48MR
继电器输出
3.3SBR污水处理系统软件程序设计
3.3.1程序设计
根据控制要求，建立SBR污水处理系统控制流程图，如图1-5所示，表达出各控制对象的动作顺序，相互间的制约关系。
在明确PLC寄存器空间分配，确定专用寄存器的基础上，进行控制系统的程序设计，包括主程序编制、各功能子程序编制、其他辅助程序的编制等。
图1-5SBR污水处理系统控制流程图
3.3.2系统静态仿真调试
空载静态仿真调试时，针对运行的程序检查硬件接口电路中各种逻辑关系是否正确，然后先调试子程序或功能模块程序，然后调试初始化程序，最后调试主程序。
调试过程中尽量接近实际系统，并考虑到各种可能发生的情况，作反复调试，出现问题及时分析、调整程序或参数。
3.3.3系统动态仿真调试及仿真运行
在动态带负载状态下仿真调试，密切观察系统的仿真运行状态，采用先模拟手动再模拟自动的调试方法，逐步进行。
遇到问题及时停机，分析产生问题的原因，提出解决问题的方法，同时做好详尽记录，以备分析和改进
3.4SBR污水处理系统电控箱及控制面板布置
3.4.1确定元器件及其布局
先根据控制系统要求和电气设备的结构，确定电器元器件的总体布局以及电控箱内装配板与控制面板上应安装的电器元件。
本系统除电控箱外，在污水处理设备现场设计安装的电器元件和动力设备有：
电磁阀、水位开关、电动机、电动阀（含阀位控制器）等。
电控箱内电器板上安装的电器元件有：
断路器、熔断器、隔离变压器、PLC、接触器、中间继电器、热继电器和端子板等。
在控制面板上设计安装的电器元件有：
控制按钮、旋钮开关、各色指示灯等。
3.4.2绘制元件布置图
依据用户要求满足操作方便、美观大方、布局均匀对称等设计原则，绘制电控箱电器板元件布置图、电器面板元件布置图，如图1-7～图1-8所示。
至此，基本完成了SBR污水处理系统要求的电气控制原理设计和工艺设计任务。
图1-7电控箱电器板元件布置图图1-8电控箱电器面板元件布置图。
参考文献
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[2]漆汉宏.PLC电气控制技术[M].北京:
北京机械工业出版社,2007:
17-18
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南京东南大学出版社,2009:
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高等教育出版社,1996
[5]李建兴.可编程序控制器应用技术[M].北京:
北京机械工业出版社,2010:
16-17
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