基于PLC的污水处理系统.doc

南 京 理 工 大 学毕业设计说明书(论文)作 者:黄钰辰学 号：20090136教学点:专 业:机电工程一体化题 目:基于PLC的污水处理系统史德林指导者： 评阅者： 2011年 5 月 黄钰辰 基于PLC的污水处理系统毕业设计（论文） 南 京 理 工 大 学毕业设计（论文）评语学生姓名： 班级、学号： 题 目： 综合成绩： 指导者评语： 指导者(签字)： 年 月 日毕业设计（论文）评语评阅者评语： 评阅者(签字)： 年 月 日答辩委员会（小组）评语： 答辩委员会（小组）负责人(签字)： 年 月 日毕业设计说明书（论文）中文摘要基于PLC的污水处理系统摘 要随着现代生产工艺的飞速发展，现场对传动设备的快速性、连续性、系统性的要求越来越高。本系统主要介绍了污水处理工艺流程，PLC在城市污水处理中的具体应用以及计算机监控系统数据采集的方法。系统运用SIEMENS S7-400 PLC作为控制核心，各级监控系统通过工业以太网相互连接，通过此设计提高了污水处理厂的运行管理水平。本系统结合某污水处理厂自动化控制系统的实际运行情况，设计并改造了污水处理厂的设备组成、自动化控制方式和各工作站的功能、网络构成等。通过生产实践证明，该系统不仅具有较强的并行协调处理能力，而且具有高可靠性、灵活性和可扩展性，以及高速处理能力等优点。充分证明自动化控制系统对提高生产效率、无人值守或少人值守、提高安全性具有良好效果。 关键词: 污水处理；自动化控制系统；PLC；硬件配置；软件设计 黄钰辰 基于PLC的污水处理系统毕业设计（论文） 毕业设计说明书（论文）外文摘要Sewage treatment system based on PLCAbstractWith the rapid development of modern manufacturing technique, the spot is stricter requirements with rapidity, continuity and systematicness of system. The paper introduces PLC application in the project of treatment urban wastewater, in which S7400 series is applied and introduces the method of urban wastewater treatment. The paper also introduces the method of receiving date in the supervisory system plant the programmable controller has already become most important, most reliable and using the most extensive industrial control microcomputer of occasion now. In order to improve the operation management level of the sewage treatment plant, the supervisory system uses the S7-400PLC to constitute core of the system and is composed of each unit of the control system according to certain topological structure. According to the running situation of the benevolence and automatic control system of sewage treatment plant, recommend structures of the sewage treatment equipment, automatic control method and the function and application of every PLC work station in sewage disposal and summarize the good result of the automatic control system how promoting production efficiency and security and reducing the on-the-spot attendant.Key Words：Sewage treatment; Automation control system; PLC; Hardware disposition; Software design 目 录第一章 引言11.1 当今国内外污水处理系统的发展状况21.1.1国外污水处理系统的发展状况21.1.2国内污水处理系统的发展状况31.2 污水水源及其杂用水水质41.2.1污水水源41.2.2污水水质41.3 选取本课题的目的和意义4第二章 污水处理的主要内容及工艺流程52.1污水处理主要内容52.2污水处理工艺技术的现状和发展52.3污水处理工艺流程6第三章 污水处理系统中PLC的设计83.1 PLC的简介83.2 PLC构成的控制系统93.3PLC控制系统的设计分析123.3.1PLC的结构123.3.2PLC的工作原理143.3.3PLC控制系统设计原则的设计步骤153.4污水处理PLC控制系统的设计与分析173.4.1污水处理的过程173.4.2污水处理控制流程183.4.3上位监控管理机193.5控制软件193.6控制方式20第四章 监控及实施设计方案224.1硬件部分的设计224.1.1PLC的选择224.1.2I/O分配表224.1.3硬件电路接线图234.2软件部分的设计231 黄钰辰 基于PLC的污水处理系统毕业设计（论文） 4.2.1程序的流程图234.2.2梯形图程序244.3组态软件对现场监控的实现294.3.1组态王6.53的特点294.3.2S7-200系列PLC的网络通信协议304.3.3数据采集的实现314.3.4污水处理控制系统监控程序32总结与展望33致谢34参考文献352 黄钰辰 基于PLC的污水处理系统毕业设计（论文） 第一章 引言近几年，随着工业迅速发展，城市人口逐渐增加，人民生活水平逐渐提高以及近期世界经济的高速发展，各种用水量亦随之增长。但是大自然赋予人类的这部分资源是有限的，而这有限的资源还在不断地受到人类肆意开采及污染。这就使得水资源供需矛盾愈来愈突出，愈来愈明显。对生活污水进行处理主要有两种形式：一种是周围有城市污水厂管网的，生活污水进入城市污水厂管网，由城市污水厂进行处理；另一种是无法进入城市管网的生活污水就地建设污水处理设施，处理后达标排放或进一步处理达到中水回用的目的。本文主要讨论前一种形式。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。与此同时，在我国大部分城市和地区，本已极为有限的水资源还受到水质恶化和水生态系统破坏的严重威胁。由于80%以上的污水未经有效处理就直接投进水域，已造成我国1/3以上的河段受到污染，90%以上的城市水域严重污染，近50%的重点城镇水源不符合饮用水标准。尤其伴随着城市化和工业化进程的加速，需水量和污染物排放量迅速增长，水危机不仅会长期存在，而且有迅速加剧的趋势。水资源短缺和水环境污染造成的水危机已经成为我国社会经济发展的重要制约因素。国内外水环境恢复与再生的实践表明，污水深度处理与再利用是通向健康水循环的桥梁，推进污水深度处理和普及再生水，利用人类与自然兼容协调，创造良好水环境，促进人类可持续发展的重要举措。随着全球水资源供应的紧张和对自动化要求的增加，我国的污水处理厂必然是向着高度自动化和无人职守的方向发展。目前，PLC在其稳定性和高度自动化程度的不断加强，使PLC成为在城市污水处理自动化方面的首选。1.1 当今国内外污水处理系统的发展状况1.1.1国外污水处理系统的发展状况国外的一些发达国家，如美国、日本、西欧等国，由于这些国家经济发达，并较早的实现了工业现代化。这些国家经济发展较早而且较快，环境问题特别是水资源污染的严重性也较早的体现出来，同时也得到了这些国家政府的重视，投入了大量的人力、物力，进行水处理的研究。这些国家在研究水处理新理论和工艺的同时，也重视污水处理自控系统的研究。这些国家先后投资研究高效型、智能型、集约型污水处理设备和自动化控制仪表。一些发达国家经过十几年的努力，污水处理率几经达到了80%90%，成功地解决了来自于城市和工业的点源污染问题。同时一些国家开始重视污水的回用，如以色列的污水回用率达到了90%。由于控制技术、网络通信技术以及现场总线技术的飞速发展，国外的污水厂很早便实现了污水厂的网络控制，如DCS、FCS系统。同时国外较早的将SCADA技术引入到了给水排水工程中，并取得了良好的经济效益和社会效益。国外同时注重水处理中PLC的开发，相继研制出了一些智能、稳定、小巧的控制单元，如AB公司的SLC系列、Siemens的S7系列、Schneider的TSX Quantum系列；同时国外也很重视在线仪表的研制，如德国E+H公司，美国的哈希公司相继研制了溶解氧DO(Dissolved Oxygen)、化学需氧量COD(Chemical Oxygen Demand)分析仪。国外污水处理自控系统主要存在以下几个特点：(1)采用集散控制系统DCS和现场总线控制系统FCS。按照厂区的自身情况和工艺段来划分若干个控制站，站与站之间可以平级关系也可以是上下级关系，站与站之间一般独立运行。设立中控室，中控室有操作员和工程师站，负责全厂的数据管理与记录、报表等工作。(2)采用在线监测的水质分析仪表，对全厂的水质实行实时监测，并由上位机记录下来，提高了测量精度。(3)生产过程中不同程度上采用了智能控制，可以根据水质和水源的变化自动地调整相应的控制方式。(4)大量采用遥测、遥控设备，并开始有效地利用社会信息资源，如电话网络、移动电话网络、国际互联网、气象信息等。1.1.2国内污水处理系统的发展状况解放初期由于工农业生产刚刚起步，当时的污水污染程度很低，且提倡利用污水进行农业灌溉，特别是北方缺水地区将污水灌溉利用作为经验进行推广，如著名的沈抚灌溉等，全国仅有几个城市建设了近十座污水处理厂(还包括19211926年间外国人兴建3座污水处理厂)，在处理工艺有的还是一级处理，处理的规模也很小，每天只有几千个立方米，最大的也只有每天5万立方米左右，致使污水处理技术和管理水平处于较落后的状态。我国第一座大型污水处理厂天津市纪庄子污水处理厂于1982年破土动工，1984年4月28日竣工投产运行，处理规模为26万立方米/天。纪庄子污水处理厂投产运行后多年来达到设计出水水质标准，使黑臭的污水变为清流，它的诞生填补了我国大型污水处理厂建设的空白。在此成功经验的带动下，北尔、上海、广东、广西、陕西、山西、河北、江苏、浙江、湖北、湖南等省市根据各自的具体情况分别建设了不同规模的污水处理厂。与国外相比，我国污水处理自动化控制起步较晚，七十年代开始采用热工仪表，实行集中巡检；八十年代应用分析仪表和DCS系统；至九十年代，随着一大批利用国际贷款的大型污水处理厂的建设投产，我国污水处理控制系统的自动化水平有了很大的提高。从国外引进污水厂的自动控制系统已经广泛采用集散式计算机监控系统，应用了自动化程度较高的检测仪表，各种新工艺，新设备大量出现并得到应用。可以说我国污水处理自动化的现状是：手动与自动皆备，自制和引用并举。可以看出我国的污水处理自控系统有以下特点：(1)对于新建的污水处理厂，引进了计算机分散控制系统，手动与自动并存的控制方式。大部分以前建设的污水厂自动化程度仍然很低，仍采用人工巡检的方式。(2)国产在线仪表的稳定性还没有达到要求，所以大部分采用进口的在线仪表，但是由于进口仪表价格昂贵，所以应用并不是很广泛。水质的检测主要是有实验室人员通过实验来测量。(3)各个控制站之间完全独立，没有信息的交换。并且各个控制单元由于其内部资源的限制，只是实现了简单的时间控制和逻辑控制。通过对比，不难看出整体上和国外相比我国污水的自控系统仍然存在很大的差距，但是我国的应用前景却非常广泛、潜力很大。1.2 污水水源及其杂用水水质1.2.1污水水源目前我国城市供水以地表水或地下水为主。根据最新监测，全国多数城市地下水受到一定程度的点状和面状污染，且有逐年加重的趋势。大量未经处理的废污水通过河流或渗入地下水；垃圾、废渣中的污染物通过降雨渗入地下水；郊区、农村大量化肥和农药的使用；环境地质的影响及地下水的过量开采，致使地下水遭受污染。而我们现在一般采用工业污水作为污水水源，医院医院污水和放射性污水都可作为污水水源；对于住宅建筑可考虑厕所生活污水排水作为污水水源。1.2.2污水水质污水所含的污染物质千差万别，可用分析和检测的方法对污水中的污染物质做出定性、定量的检测以反映污水的水质。一般情况下污水作为须处理的水源，其水质肯定不安全，有大量有害物质；外观给人不快的感觉；能引起设备、管道等严重腐蚀并造成维护管理的困难。1.3 选取本课题的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。污水处理技术近期得到了迅速发展，在美国、日本、印度、英国等国家(尤以日本为突出)得到了广泛的应用。这些国家均以本国度、区域的特点确定出适合其国情国力的污水处理技术，使本国的污水处理系统越来越臻于完善。在我国，这一技术已受到各级政府及有关部门重视并对其做了大量理论研究和实践工作，但由于传统的污水处理设备运行自动化程度低、效率低、故障率高，使其推广受到限制。因此，有必要开发可靠性好、自动化程度高、功能全成本低的污水处理计算机控制技术。在全国许多城市如深圳、北京、青岛、天津、太原等开展了污水处理工程的运行并取得了显著的效果。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。第二章 污水处理的主要内容及工艺流程2.1污水处理主要内容城市污水、生活污水、生产污水或工业企业局部处理后的生产污水，往往都排入城市排水系统，故把生活污水和生产污水的混合污水叫做城市污水。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：排放水体；灌溉田地；重复使用。水处理的目的不外乎三种2：(1)去除水中影响使用水质的杂质以及污泥的处置，这是最主要的内容。(2)为了满足用水的要求，在水中加入新的成分以改变水的化学性质，如食用水中加氟以防止龋齿病，循环冷却水中加缓蚀剂以控制腐蚀和结垢等。(3)改变水的物理性质的处理，如水的冷却，降低水的粘滞度等。2.2污水处理工艺技术的现状和发展我国现有城市污水处理厂80%以上采用的是活性污泥法，其余采用一级处理、强化一级处理、稳定塘法及土地处理法等。“七五”、“八五”、“九五”国家科技攻关课题的建立与完成，使我国在污水处理新技术、污水再生利用新技术、污泥处理新技术等方面都取得了可喜的科研成果，某些研究成果达到国际先进水平同时，借助于外贷城市污水处理工程项目的建设，国外许多新技术、新工艺、新设备被引进到我国，AB法、氧化沟法、A/O工艺、A/A/O工艺、SBR法在我国城市污水处理厂中均得到应用。污水处理工艺技术由过去只注重去除有机物发展为具有除磷脱氮功能。国外一些先进、高效的污水处理专用设备也进入了我国污水处理行业市场，如格栅机、潜水泵、除砂装置、刮泥机、曝气器、鼓风机、污泥泵、脱水机、沼气发电机、沼气锅炉、污泥消化搅拌系统等大型设备与装置。我国80年代以前建设的城市污水处理厂大部分采用普通曝气法活性污泥处理工艺，由于该工艺主要以去除BOD5和SS为主要目标，对氮磷的去除率非常低。为了适应水环境及排放要求，一些污水处理厂正在进行改造，增加或强化脱氮和除磷功能。AB法污水处理工艺于80年代初开始在我国应用于工程实践。由于其具有抗冲击负荷能力强、对PH值变化和有毒物质具有明显缓冲作用的特点，故主要应用于污水浓度高、水质水量变化较大，特别是工业污水所占比较高的城市污水处理厂。目前氧化沟工艺是我国采用较多的污水处理工艺技术之一。应用较多的有奥贝尔氧化沟工艺，由我国自行设计、全套设备国产化，已有成功实例。DE型氧化沟和三沟式氧化沟在中高浓度的中小型城市污水处理中也有应用。采用卡罗塞尔氧化沟工艺的城市污水处理厂大部分为外贷项目。多种类型的SBR工艺在我国均有应用，如属第二代SBR工艺的ICEAS工艺，属第三代的CAST工艺、UNI-TANK工艺等。随着我国对水环境质量要求的提高，使得新建城市污水处理厂必须考虑氮磷的去除问题。由此开发了改良A/A/O工艺和回流污泥反硝化生物除磷工艺，并已开始在实际工程中应用。如泰安污水处理厂、青岛李村河污水处理厂、天津北仓污水处理厂、北京清河污水处理厂等。目前我国新建及在建的污水处理厂所采用的工艺中，各种类型的活性污泥法仍为主流，占90%以上，其余则为一级处理、强化一级处理、生物膜法及与其他处理工艺相结合的自然生态净化法等污水处理工艺技术。从国情出发，我国城市污水处理发展趋势：(1)氮、磷营养物质的去处仍为重点也是难点。(2)工业废水治理开始转向全过程控制。(3)单独分散处理转为城市污水集中处理。(4)水质控制指标越来越严。(5)由单纯工艺技术研究转向工艺、设备、工程的综合集成与产业化及经济、政策、标准的综合性研究。(6)污水再生利用提上日程。(7)中小城镇污水污染与治理问题开始受到重视。2.3污水处理工艺流程污水处理就是采用各种技术与手段，将污水中所含的污染物质分离去除、回收利用，或将其转化为无害物质，使水得到净化。现代污水处理技术，按原理可分为物理处理法、化学处理法和生物化学处理法三类。生物化学处理是利用微生物处理污水中的有机污染物的一种工艺。该工艺运行费用较低，得到了广泛的应用，目前已成为城市污水处理的主体工艺。该法有活性污泥法和生物膜法两种，前者多用于城市污水，后者多用于处理高浓度有机污水与污水处理过程中生产的污泥。城市污水处理按处理程度不同可分为预处理、一级处理、二级处理、深度处理和污泥处理及处置。预处理：主要包括格栅和沉砂池。其主要作用是截留大块物质、砂石，以保证后续设备的正常运行。一级处理：主要是初次沉淀池。目的是将污水中悬浮状态的固体污染物质尽可育出或沉降去除，经过一级处理后的污水，可去除50%左右的悬浮物，污水五日需氧量一般只能去除30%左右，达不到排放标准。二级处理工艺：主要有曝气池和二沉池构成。它是城市污水处理厂的核心，一般采用生物处理方法中的活性污泥法，主要去除水中呈胶体和溶解状态的有机污染物。经二级处理后，有机污染物质的去除率可达90%以上，污水中污水五日需氧量值可降至20mg/L30mg/L，有机污染物达到排放标准。深度处理：通用的工艺有混凝沉淀和过滤。主要目的是为了满足高标准的受纳水体要求或用于工业等特殊用途，它是城市污水处理未来发展的方向。污泥处理和处置：主要包括浓缩、消化、脱水、堆肥或卫生填埋。第三章 污水处理系统中PLC的设计3.1 PLC的简介利用可编程序控制器（PLC）组成远程自动监测系统时，首先遇到的是PLC的选型问题。在选用PLC时，除把可靠性、环境适应性放在首位外，还要根据具体应用场合尽量选用合适的可编程序控制器。关于可编程控制器选型的一般原则可从以下几方面考虑：1、明确控制对象要求。本系统要求改善信息管理，把PLC与上位微机的通讯能力远程I/O与微机通讯方式和手段作为选择的依据。PLC响应时间的影响因素有：输入信息时，CPU读解用户逻辑网络时间和输出时间。PLC的实时响应性还受到系统中最慢仪器的限制，与上位机的通讯也将增加服务时间。2、功能选择要根据不同的控制对象确定。具体有：替代继电器、数学运算、数据传递、矩阵功能、高级功能、诊断功能以及串行接口。3、输入输出模块选择。输入/输出模块是PLC与被控对象之间的接口，模块选择得当否直接影响控制系统的可靠性。4、存储器类型及其容量选择。小型PLC作为单机小规模控制使用时，由于工艺简单、程序固定，多数使用EPROM或EPROM加RAM。对于中、大规模的PLC，往往用于工艺比较复杂，且多变的场合，程序改变较多，因此一般都使用CMOSRAM存储器，且有后备电池，以便关机时保存存储信息。根据控制规模和应用目的，我们按下列公式进行估算：（1）代替继电器MKm（10DI）（5DO）-1（2）模拟量控制MKm（10DI）（5DO）（100AI）（3）多路采样控制MKm（10DI）（5DO）（100AI）（1+采样点025）式中DI为数字（开关）量输入信号；DO为数字（开关）量输出集中；AI为模拟量输入信号；Km为每个节点所占存储器字节数；M为存储器容量。我们还可在编完程序以后精确地计算出存储器实际使用容量。5、控制系统结构和方式的选择。用PLC构成的控制系统有集中控制、远程I/O控制和分布式控制等三种方式。6、支持技术条件。在选用PLC时，有无支持技术条件也是重要的选择依据。支持技术条件主要有：编程手段、程序文本处理、程序贮存方式和通讯软件包。通讯软件包往往是和通讯硬件一起使用的，如调制解调器等。3.2 PLC构成的控制系统近10年来，随着PLC价格的不断降低和用户需求的不断扩大，越来越多的中小设备开始采用PLC进行控制，PLC在我国的应用增长十分迅速。随着中国经济的高速发展和基础自动化水平的不断提高，今后一段时期内PLC在我国仍将保持高速增长势头。通用PLC应用于专用设备时可以认为它就是一个嵌入式控制器，但PLC相对一般嵌入式控制器而方具有更高的可靠性和更好的稳定性。实际工作中碰到的一些用户原来采用嵌入式控制器，现在正逐步用通用PLC或定制PLC取代嵌入式控制器。在厂区电气自控的总体设计上，应在允许的条件下，提高污水处理厂的自动化程度。尽量做到无人值守。这一点对减少小型污水处理厂的单方经营成本有很重要的意义。有条件时，还可在反应池等重要地方 安装摄像头，以监视污水厂的运行状况。在电缆布置上，也有着与大型污水处理厂不同的特点。各处理构筑物的电气与信号电缆的铺设应尽量结合构筑 物上的管沟和渠道，从整体效果来看，整个处理构筑物表面看不到任何电缆和管线的敷设，只有走道板及盖镀锌钢格板的管沟，既美观又便于维护管理。在某些情况下，全厂的电缆沟可以借助某个构筑物实现。一般来讲，配电与信号传输从辅助处理单元要到水处理和泥处理单元，无论是先经过哪个处理单元，都可以在处理构筑物的侧壁上向池内挑出管沟，做为管道与电缆的通道，服务于本处理单元的同时，又可使电力和信号到达另一个处理单元。这样既方便了总图的布置，又节省的工程造价。（如图3.1）图3.1 PLC构成的控制系统设计步骤这种设计方法与常用的继电器控制逻辑设计比较，组件的选择代替了原来的部件选择，程序设计代替了原来的硬件设计。我们采用一台PLC控制多台监测仪器的集中控制系统。该系统用于监测对象（仪器）所处的地理位置比较接近，且相互之间有一定联系的场合（如图3.2所示）。 图3.2 集中控制系统该系统采用的PLC（SZ-4）模块是：8点DC12/24输入模块Z-8ND1；8点集电极开路输出模块Z-8TD1；4通道12位模拟量输入模块Z-4AD1；S-20P指令编程器、S-10D通用操作面板等。I/O点数是PLC的输入输出点，输入采集各开关量的状态，通过编程实现逻辑功能，达到控制要求，同时要注意尽可能简化I/O点数来降低成本。用PLC构成的监测控制系统，有自动、半自动和手动三种运行方式。在进行完总体设计以及具体的硬件系统设计和软件系统设计后，除要分别对其进行调试外，必须对整个系统进行联合调试和试运行，反复进行硬件系统和软件系统的修改调整，使整个系统全部投入正常工作为止。PLC在监测系统中要完成信号实时采样、脉冲量累计、预警报信号监测与报警输 出等，并通过各种传感变送器与传感器连接。PLC作为一种控制设备，用它单独构成一个监测系统是有局限性的，主要是无法进行复杂运算，无法显示各种实时图形和保存大量历史数据，也不能显示汉字和打印汉字报表，没有良好的界面。这些不足，我们选用上位微机来弥补。上位微机完成监测数据的存贮、处理与输出，以图形或表格形式对现场进行动态模拟显示、分析限值或警报信息，驱动打印机实时打印各种图表。对于环保要求较严格的污水处理厂，可考虑在处理构筑物增设上部建筑或加盖的方式，以隔绝臭气。如果增设上部建筑，可采用透光阳光板或彩色压型钢板的罩棚， 外形做成圆拱形。其特点外形美观，视觉效果好，设备设在室内，便于维护管理。在高出地面的池子部分，做成天蓝色或湖绿色彩带。既与罩棚相呼应，又减弱了纯 构筑物的僵硬、呆板。阳光板的造价大约为300元/平米左右。而压型板则较低，仅为100元/平米左右。构筑物上部加盖的方式，是在其上设混凝土盖板，在可能的情况下，在盖板上可填300-500mm的土，种植绿化，增加全厂的绿化面积。这种处理办法特别适用于需采用自重抗浮的情况。 两种方法比较各有优缺点，采用阳光板或压形钢板拱形罩棚的办法，外形美观，管理方便，但为了日常的检修，往往需要增加吊车，另外，采用这种圆拱顶应注意 在严寒地区冬季结露的问题；第二种方案造价较省，但需在混凝土盖板上开孔，以便池内设备的安装及维护管理。另外由于上部加了混凝土盖，对于表曝机不太适合。（1）采用传统SBR处理工艺，具有占地省，处理效果可靠，自动化程度高等优点。（2）各处理构筑物布置紧凑。（3）采用旋流沉砂池，与三座SBR池合建，由SBR池中间的渠道给三座SBR配水。泥处理单元由浓缩池。（4）与脱水机房合建组成。全厂占地面积仅为0.34公顷，但并不显拥挤。 （5）处理厂离居民区较近（离最近的居民楼仅10米），故设计应用了大量的环保措施和手段，使污水厂对周围环境的影响降低到最小程度：采用潜水射流曝气 机代替常用的鼓风曝气方式，最大限度的降低噪声；全部处理构筑物加混凝土盖板或设上部建筑，将构筑物内的臭气进行统一收集（根据不同构筑物采用不同换气次 数），进行土壤生物除臭。系统的设计步骤（如图3.3所示）：图3.3系统的设计步骤3.3PLC控制系统的设计分析3.3.1PLC的结构PLC实质是一种专用于工业控制的计算机，其硬件结构基本上与微型计算机相同。根据结构形式的不同，PLC的基本结构分为整体式和模块式结构两类。(1)整体式结构的PLC整体式(又称箱体式)结构的PLC由中央处理器(CPU)、存储器、输入/输出(I/O)单元、电源电路和通信端口等组成，并将这些组装在同一机体内。这种结构的特点是结构简单、体积小、价格低、输入/输出点数固定、实现的功能和控制规模固定，但灵活性能较低4。基本结构框图如图3.4所示。图3.4 整体式结构(2)模块式结构的PLC模块式(又称组合式)结构的PLC是将中央处理器(CPU)、存储器、输入/输出(I/O)单元、电源和通信端口等分别做成相应的模块、应用时将这些模块根据控制要求插在机架上，各模块间通过机架上的总线互相联系。其中PLC的CPU和存储器设计在一个模块上，有时把电源也放在这一模块上，该模块在总线上的安装位置一般是固定的，模块式的PLC安装完成后，需进行登记，以便PLC对安装在总线上的各模块进行地址确认。模块式的特点是系统构成的灵活性高。可以构成不同控制规模和功能的PLC，但同时价格也比较高5。基本结构如图3.5所示。图3.5 结构式模块3.3.2PLC的工作原理PLC与继电器构成的控制装置的重要区别之一就是工作方式不同，继电器控制是并行运行方式，即如果输出线圈通电或断电，该线圈的触点立即动作，只要形成电流通路，就有可能有几个电器同时动作。而PLC则不同，它采用循环扫描技术，只有该线圈通电或断电，并且必须当程序扫描到该线圈时，该线圈触点才会动作，而且每次只能执行一条指令，这也就是PLC以“串行”方式工作的，这种工作方式可以避免继电器控制的触点竞争和时序失配等问题。也可以说，继电器控制装置是根据输入和逻辑控制结构就可以直接得到输出，而PLC控制则需要出入传送、执行程序指令、输出3个阶段才能完成控制过程6。一、循环扫描技术PLC采用循环可以分为3个阶段：输入阶段(将外部输入信号的状态传送到PLC)、执行程序阶段和输出阶段(将输出信号传送到外部设备)。1、输入阶段在这个阶段中，PLC先进行自我诊断，然后与编程器或计算机通信，同时中央处理器扫描各个输入端并读取输入信号的状态和数据，并把它们存入相应的输入存储单元。2、执行程序阶段在这个阶段中，PLC按照由上到下的次序逐步执行程序指令。从相应的输入存储单元读入输入信号的状态和数据，然后根据程序内部继电器、定时器、计数器数据寄存器的状态和数据进行逻辑运算，得到运算结果，并将这些结果存入相应的输出存储器单元。这一阶段执行完后，进入输出阶段。在这个程序执行中，输入信号的状态和数据保持不变。3、输出阶段在这个阶段中，PLC将相应的输出存储单元的运算结果传送到输出模块上，并通过输出模块向外部设备传送输出信号，开始控制外部设备。二、PLC的输入/输出响应时间输入/输出滞后时间又称系统响应时间，是指PLC部输入信号发生变化的时刻至它控制的有关外部输出信号发生变化的时刻之间的时间间隔，它由输入电路滤波时间、输出电路的滞后时间和因扫描工作方式产生的滞后时间这三部分组成。由扫描工作方式引起的滞后时间最长可达两个多扫描周期。PLC总的响应延迟时间一般只有几十ms，对于一般的系统是无关紧要的。要求输入输出信号之间的滞后时间尽量短的系统，可以选用扫描速度快的PLC或采取其他措施。3.3.3PLC控制系统设计原则的设计步骤一、设计原则1、最大限度地满足控制要求：充分发挥PLC功能，最大限度地满足被控对象的控制要求，是设计中最重要的一条原则。设计人员要深入现场进行调查研究，收集资料。同时要注意和现场工程管理和技术人员及操作人员紧密配合，共同解决重点问题和疑难问题。2、保证系统的安全可靠：保证PLC控制系统能够长期安全、可靠、稳定运行，是设计控制系统的重要原则。3、力求简单、经济、使用与维修方便：在满足控制要求的前提下，一方面要注意不断地扩大工程的效益，另一方面也要注意不断地降低工程的成本。不宜盲目追求自动化和高指标。4、适应发展的需要：适当考虑到今后控制系统发展和完善的需要。二、设计步骤一般PLC控制系统的设计步骤如图3.6，具体操作如下。图3.6 设计步骤示意图三、控制要求分析在设计PLC控制系统之前，必须对工艺过程进行细致的分析，详细了解控制对象和控制要求，这样才能真正明白自己所要完成的任务，并更好地完成任务，设计出令人满意的控制系统。四、确定输入/输出设备根据控制要求选择合适的输入设备(控制按钮、开关、传感器等)和输出设备(接触器、继电器)。并根据所选用的输入/输出设备的类型和数量，确定PLC的I/O点数。1、选择合适PLC确定PLC的I/O点数后，就根据I/O点数、控制要求等来进行PLC的选择。选择包括机型、存储器容量、输入/输出模块、电源模块和智能模块等。2、I/O点数分配点数分配就是规定PLC的I/O端子和输入/输出设备的对应关系，画出I/O接线原理图。3、PLC程序设计本阶段就是根据控制对象和控制要求对PLC进行编程。首先把工艺流程分为若干阶段，确定每一个阶段的输入信号和输出要控制的设备，还有不同阶段之间的联系，然后画出程序流程图，最后再进行程序编制。4、模拟调试程序编制好后，可以用按钮和开关模拟数字量，电压源和电流源代替模拟量，进行模拟调试，使控制程序基本满足控制要求。5、现场联机调试现场联机调试就是将PLC与现场设备进行调试，在这一步中可以发现程序存在的实际问题，然后经过修正后使其满足控制要求。6、整理技术文件这一步主要包括整理与技术有关的文档，包括设计说明书、I/O接线原理图、程序清单和使用说明书等7。3.4污水处理PLC控制系统的设计与分析3.4.1污水处理的过程本课题中的污水处理采用SBR污水生物处理工艺，即序批式间歇活性污泥法。这种工艺是按“进水、曝气、沉淀、排水”步骤周期性进行生化反应。从进水开始到排水结束算作一个周期8。工艺流程图如图3.7所示。污水池水泵污水处理后的污水肥料泥池风机SBR池图3.7 SBR工艺流程基本工艺流程如下：(1)进水进水阀门打开，污水通过粗格栅，经过水泵，然后细格栅过滤到达SBR池。(2)反应反应工序是SBR工艺最主要的一道工序。当污水注入达到预定容积后，停止进水，空气阀门打开。鼓风机启动，开始曝气，同时潜水搅拌器和回流污泥泵运行，可开始反应操作，如驱除BOD、硝化、磷的吸收以及反硝化等。根据反应需要达到的程度，进行曝气和搅拌，并决定反应的时间长短，必要时可投加药剂。在进入沉淀工序前，应进行短时间的微量曝气，以吹脱污泥上黏附的气泡或氮，以保证排泥顺利进行。(3)沉淀当SBR池停止曝气以后，空气阀门关闭，潜水搅拌器和回流污泥泵停止运行，开始重力沉淀和泥水分离。(4)排水SBR池水位到达最高水位，并经过沉淀工艺以后，上清夜(上面的清夜)由滗水器缓慢排出池外。当池水位达到处理周期开始时的最低水位时，停止滗水。剩余污泥泵在滗水器停止运行后开始运行，排泥至储泥池。3.4.2污水处理控制流程以1#SBR池循环周期为例加以说明：第一步：进水+曝气。1#SBR池开始进水设定时间为早8点，进水2h，通过1#电动蝶阀控制，进水的同时1#风机开始曝气，污泥回流泵1#开启，开始回流。第二步：2h后，1#电动蝶阀停止进水，1#回流泵停止回流；1#风机继续曝气。第三步：持续曝气6h后，1#风机停止曝气。第四步：静置期1h。1#SBR池静置1h后，此时，水面分层，污泥沉降置底，上清液用滗水器排出。第五步：排水1h。静置1h后，开始排水，1#池内1#滗水器启动，由上顶点缓慢向下移动，(可设为：下潜一小段距离后停住，滗水一定时间，再继续下潜一小段距离，再停，再滗水，再下潜)；滗水器潜至下顶点滗水结束后，迅速自动升回至上顶点停住。至此，滗水1h结束。第六步：滗水1h结束后，至此，第一周期结束，开始下一循环周期进水，曝气，回流。以后各周期依次类推。2#SBR池与1#SBR池间隔2个小时，开始进水，各步骤与1#SBR池相同，只是在时间上相互顺延。3#SBR池与2#SBR池相间隔2个小时，4#与3#SBR池相间隔2个小时，后续程序同1#设定。3.4.3上位监控管理机PLC通过通信电缆将采集参数传送给上位监控管理机，通过上位监控管理机可实时监测有关参数变化，并保留一段时间的数据，形成变化曲线。同时可以实时监测所控设备工作状态，具有设备故障报警、参数打印等功能9,10。3.5控制软件PLC梯形图所用逻辑符号与继电器、接触器系统原理图的相应符号极其相似，人们能迅速熟悉该种编程语言。一般设计梯形图程序大都采用继电器系统电路图的设计方法。对于复杂的系统，在梯形图设计中采用大量的中间单元来完成记忆、联锁、互锁等功能，由于需要考虑的问题较多，分析起来非常困难，并且很容易遗漏一些该考虑的问题，且修改和阅读也很困难。根据功能图表设计PLC的梯形图程序，可以有效地解决以上问题，达到事半功倍的效果。我们在课题研究中下位机PLC采用梯形图来编制程序。下位PLC软件用来实现数据采集、脉冲计数转换、限值逻辑判断及声光报警输出、通信数据格式的转换。数据通讯与分离模块完成PLC与微机间数据和命令的双向传送，并将得到的数据按系统要求的格式分离成系统变量。显示模块将实时数据显示在屏幕上，以图形或表格形式分屏循环显示。在手动方式下可固定监视画面并可显示历史趋势图等。定时存贮模块按每十分钟将实时数据存贮到相应的数据库中，每天整理一次历史数据。系统维护模块可用来修改定值参数、口令及限值等。报警模块不论软件工作在何种方式下，一旦出现超值，系统确认后并发出报警，屏幕上显示报警内容和地点，以便采取措施。为提高PLC及系统的抗干扰能力，在硬件配置与安装上，交流电源使用双层隔离，输入信号光电隔离，远离强电布线，模拟量信号和脉冲信号采用屏蔽线传递，采用放射性一点接地等措施，消除或减弱共模和瞬变干扰。在软件设计和编程上，加上一些抗干扰模块。编程器S-20P即使不和SZ-4 CPU模块连接，也可进行编程（离线编程）。在S-20P上编程时，通常是要连在CPU模块上进行（在线编程）。3.6控制方式污水处理厂的设备均采用三级控制方式，即现场控制方式、MCC控制方式（电动机控制中心）和微机控制方式。目前，以MCC控制为基础，PLC控制为主导的控制方式始终处于工业自动化控制领域的主战场，为各种各样的自动化控制设备提供了非常可靠的控制应用。其主要原因，在于它能够为自动化控制应用提供安全可靠和比较完善的解决方案，适合于当前污水处理厂对自动化的需要。控制系统采用“双入单出”的模拟控制器。输入量为pH值给定值与测量值的偏差e以及偏差变化率ec，输出量为向加药泵供电的变频器的输入控制电压 u。控制过程为控制器定时采样pH值和pH值变化率与给定值比较，得pH值偏差e以及偏差变化率ec，并以此作为 PLC控制器的输入变量，经模拟控制器输出控制变频器输出频率n，从而改变加药量使pH值保持稳定。（如图3.8所示）图3.8 PLC污水处理控制系统框图第四章 监控及实施设计方案4.1硬件部分的设计4.1.1PLC的选择由于设计的污水处理控制系统是应用在小型规模的污水处理厂，本系统选用西门子小型PLC S7-200系列，主机型号为CPU 224 XP，具有14个数字输入点和10个数字输出点，具有2个模拟输入点和1个模拟输出点。可以用于代替继电器的简单控制场合，也可以用于复杂的自动化控制系统。由于它有极强的通信功能，在大型网络控制系统中也能充分的发挥其作用。S7-200系列PLC在下列领域已经得到了广泛的应用：机床电气、食品工业、化学工业、陶瓷工业、电力自动化设备、实验室设备、电梯、中央空调、真空装置、恒压供水和化工系统中各种泵和电磁阀的控制等。S7-200系列PLC在污水处理控制系统中的应用，属于在该系列PLC的典型应用11,12。4.1.2I/O分配表根据控制要求与设计方案，列出I/O分配表，如表4.1所示。表4.1 I/O分配表输入信号I0.0复位I0.1自动状态I0.2滗水器下潜限位I0.3滗水器上升限位I0.4风机故障I0.5进水泵故障I0.6滗水器故障I0.7回流泵故障I1.0手动自动切换I1.1下潜滗水器手动I1.2上升滗水器手动I1.3回流泵手动I1.4风机手动I1.5进水泵手动输出信号Q0.0下潜滗水器Q0.1上升滗水器Q0.2起停回流泵Q0.3起停风机Q0.4起停进水泵4.1.3硬件电路接线图根据实际PLC模块，I/O分配表和I/O接线图，连接PLC各模块，并通过PC机联机，实现程序控制要求。如图4.2所示。图4.2 PLC模块连线图4.2软件部分的设计4.2.1程序的流程图程序主要依据SBR法污水处理工艺(进水、反应、沉淀、排水)，根据各环节设备的运行状况进行编制。具体一个