污水处理的PLC控制系统设计.doc

摘 要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、铁道各车站区，甚至发达地区的乡镇都开始修建污水处理厂。随着现代控制技术和计算机技术的飞速发展，PLC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。本文采用生物法中氧化沟法进行污水处理，结合污水处理流程，本系统需控制7台设备和检测2个参数。共有32个输入开关量和20个输出开关量。最终选择OMRON公司内装60个I/0端子的CPM2AE一60CDRA型PLC。它运行速度快，控制可靠，具有强大的指令系统和丰富的输入输出扩展设备及特殊扩展设备，并进行了硬件和软件设计。在软件设计中做了上位机和下位机软件设计。并利用Intouch组态软件实现动态实时显示过程控制参数和系统运行状态，报警和报表等功能。 本文通过PLC控制系统的配置和控制方式，和由PLC控制站和上位机组成的控制系统，从而实现污水处理整个过程的实时监测和自动控制。本文应用PLC控制达到了设备的自动监视和控制，使出水指标稳定，满足了工艺要求，并且节省了大量的人力物力。关键词：污水处理；PLC；控制系统目录摘 要01 绪论11.1 设计的背景与意义11.2 研究现状21.3 主要内容和预期目标32 污水处理的工艺流程52.1 工艺技术简介52.2 工艺流程62.3 控制要求73 污水处理的PLC控制系统93.1 PLC控制系统设计的基本原则和步骤93.2 硬件设计103.2.1 PLC机型的选择113.2.2 模拟量模块的选择123.2.3 开关量模块的选择143.2.4 电源模块的选择163.2.5 PLC的输入、输出点功能174 软件设计184.1软件控制系统功能的实现184.2 PLC控制流程图184.3 PLC控制系统梯形图程序214.4下位机软件设计234.5上位机软件设计23结 论32谢 辞33参考文献34341 绪论1.1 设计的背景与意义我国是个缺水的国家，人均水资源占有量仅为世界人均占有量的1/4。而且我国的水资源在时空和地域分布上的分布不均匀，更加重了实际的缺水情况。因此近些年来我国城市水资源进一步紧张，许多城市严重缺水。与此同时，水资源污染却日益严重，因此许多都城市规划和建设了自己的污水处理厂，来改变目前水资源紧缺且污染的现状。我国城市污水处理事业是在80年代初逐步发展起来的，经过几十年的发展已经初具规模。但是，与国外同期的城市污水处理厂相比较，始终存在效率低、自动化程度低、能耗高且运行费用高等缺点。 随着全球能源供应紧张和对自动化程度要求的不断增加，我国的污水处理厂必然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、高自动化程度的不断加强，使得PLC成为城市污水处理自动化方面1-3的首选。 如今，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。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，PLC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4-6，以实现高质量、低成本、稳定可靠的运营方式。针对我国水资源现状呈不断恶化的态势，介绍现有的污水处理基本原理和技术，对新兴的污水处理理论和技术、污水治理方法做出评价。水体污染是指排入水体的污染物使该物质在水体中的含量超过了水体的本底含量和水体的自净能力，这些污染物质使水体的物理、化学性质或生物群落组成发生变化，从而降低了水体的使用价值。治理污水的方法和技术的基本原理主要是分离、转化。设计系统应用先进的工业控制计算机、可编程控制器、工业自动化组态软件技术、电力电子控制技术艺等，介绍了PLC在污水处理厂自动控制系统中的应用，通过PLC控制系统的配置和控制方式，和用PLC控制站和上位机组成的控制系统，从而实现污水处理整个过程的实时监测和自动控制。1.2 研究现状 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。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。实践证明,在污水控制系统中,采用可靠性较高的PLC与具有强大数据处理能力的计算机组成远程监控系统7-10,不仅可以提高系统的稳定性.可靠性.灵活性,及时发现可能出现的故障,还能大大节约人力成本.通过采用计算机作为上位机实现管理和监控,PLC作为下位机实现电机的控制,并使个PLC均可与PC联网通信,从而实现了远程集中控制,整个系统运行可靠,达到并满足设计的目的和要求。控制方案:通过分析工艺工程发现,在受控对象中有相当多的开关量和模拟量,检测点也较多,而控制过程是以逻辑控制为主,闭环控制为辅。针对这样一个实际情况,我们采用了基于PLC与工控机来构建监控和数据采集系统，以工控机作为监视和控制现场生产过程的可视窗口,在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。系统构成:(1)根据工艺设计要求,将污水控制系统分为三个网络层面.即监控管理层,过程控制层和设备执行层.(2)根据生产工艺的要求,将厂内所有设备按功能分为3个区域,在3个区域内各建立一个PLC站(即下位机),构建过程控制层。1#PLC控制站设在加氯间控制室内,监控项目有粗格栅机,提升泵,加氯设备等。2#PLC控制站设在沉沙池控制室内,监控项目包括鼓风机.细格栅机等。3#PLC控制站设在BAF动力间,主要监控项目是冲洗离心泵等。监控方式:集中监控,在监控计算机上可以实现工艺过程的全面监控。基于PLC与计算机构建控制系统具有系统配置合理,可靠性高,控制精度高和系统成本低等优点,随着我国对环境保护投资力度的不断加大,各城市污水处理厂在建项目相继启动,将PLC与计算机构建的污水处理控制系统应用于在建项目和老水厂的改造,不仅可以提高系统的整体控制水平,同时可以利用网络平台实现数据共享,提高整体管理水平,具有广泛的应用前景。1.3 主要内容和预期目标（1）介绍了当前工艺技术，根据需要最终选择氧化沟法进行污水处理设计，介绍了工艺流程各部分的实现方式，明确了控制要求。通过系统设计方案了解PLC控制系统的全部功能，控制规模，控制方式。 (2)针对污水处理的工业对象，分析其工艺流程和控制特点，根据其控制要求，完成基于PLC的污水处理控制系统的方案论证和设计，即PLC控制系统的硬件和软件设计。硬件设计部分，完成了PLC的机型选择，开关量的选择11-13，模拟量的选择和电源模块的选择。软件部分，通过污水处理的工艺流程，完成了流程图和梯形图的设计。 (3)通过PLC控制系统的配置和控制方式，和由PLC控制站和上位机14组成的控制系统，从而实现污水处理整个过程的实时监测和自动控制。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。 2 污水处理的工艺流程2.1 工艺技术简介“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，B法、氧化沟法、/O工艺、/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，具有工艺简单，防止污泥膨胀性能强，耐冲击负荷和处理能力强等特点，适用于水质水量变化大的生活污水处理。可是，由于该工艺主要以去除BOD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。 B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例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。 氧化沟，氧化沟又名连续循环曝气池，是活性污泥法的一种变形。经过三十多年的使用、研究、开发和改进，氧化沟系统在池型、结构、运行方式、曝气装置、处理规模、适用范围等方面都得到了长足的发展。氧化沟由沟体、曝气设备、进水区、出水区和自动控制设备等部分组成。氧化沟体的平面形状一般呈环状沟渠形，也可以是长方形、L形、马蹄形、圆形或其它形状，氧化沟断面形状多为矩形和梯形。曝气设备是氧化沟的主要设备，它起着供氧、推动水流和防止活性污泥沉淀等作用，常用的曝气设备有表面曝气机、曝气转刷(转笼、转盘、转碟)、射流曝气、导管式曝气机等。2.2 工艺流程 根据污水浓度高、负荷波动大、水质多变等特点，经过比较，采用生物法中氧化沟法进行处理，其工艺流程如下图2.1所示。图2.1污水处理工艺流程格栅井，格栅井单元的设备包括格栅井提升泵、浮球液位控制器、粗格栅、浮球液位变送器，其作用是清除污水中的颗粒与悬浮物；液位变送器用来检测粗格栅前后的液位差，当差值大于10cm时粗格栅开始运行。主要用于进水泵的入口处，防止较大的污物进入泵内，进而保护进水泵，保证其能正常工作。格栅机的启停由前后为了避免液位在设定值的临界状态时，由于波动而造成频繁启停设备，将启动与停止设置成二个设定值，并可调节该回差大小。#1泵井：主要作用是将城市生活生产所排放的污水经过栅格过滤后提升，使其进入沉沙井。氧化沟：主要有氧化沟和污泥回流系统组成。氧化沟的功能主要是对来自除砂系统的污水进行生化处理，其主要设备，有转碟曝气机和潜水搅拌机，转碟曝气机的转速改变污水中溶解氧的含量，潜水搅拌机的作用是推进水流，使得氧化沟内的污水和活性污泥充分混合，有利于对污水进行生化处理。污泥回流系统的功能是通过回流泵将剩余的污泥和使用过的污泥进行处理。#2泵井, 其功能是对氧化沟处里的污水进行物理沉淀，使得污泥和清水分离, 对氧化池中处理过污水的活性污泥进行脱水处理.2.3 控制要求#1和泵井以及氧化沟均设计有PLC控制器，用以控制#1泵井、#2泵井内各2台潜水泵和氧化沟内2台转刷和1台推流器。同时，在#1、泵井内设计有液位检测装置，用来检测井内水位高度。在氧化沟内设计有液位和氧化浓度检测装置，用来检测水位高度和氧化浓度。#1泵井控制方式：水位高时，电机启动，把水抽走；当电机堵转时，热继电器动作，跳闸以保护电机。其中#1泵井、#2泵井各2台潜水泵互为备用。氧化沟两台转刷控制方式：1、2号转刷用于增氧，转速有高低两档，D。为1、0时，分别为高速、低速运转。推流器控制方式：两个转刷根据液位和氧化浓度独立工作。液位 3.2m且氧化浓度Od低于设定值时，启动转刷。当水位日H20ms额定输出电压：5VDC和24VDC输出允许范围：5VDC：+3-0.5 ，24VDC：+25 -20额定输出电流：5VDC：10 AVDC：0.5A短路保护功能：有保护等级：IP20，有保护导体工作环境：温度：0-60，湿度：10 -95尺寸：50X290217mm重量：780g3.2.5 PLC的输入、输出点功能 (1)模拟输入信号温度信号包括进水温度、PH值和空气出口温度用于指示进水特征和鼓风机进入曝气池的空气温度。压力信号包括鼓风机空气出口压力和脱水机冲洗滤布水压力信号。粗、细格栅前后液位信号用于指示前后液位的高低。进水泵阀门的开度及鼓风机进、出空气阀门的开度指示信号用以调节其流量。流量信号用于指示进水、出水、污水处理过程污水或污泥流量并参与过程控制。曝气池溶解氧信号、氧化还原电位及悬浮物仪表信号可指导污水处理工艺的调整。(2)模拟输出信号粗、细格栅前后液位差信号输出用于控制粗、细格栅的自动起停。PLC根据曝气池溶解氧信号的大小输出420mA 的电流信号控制鼓风机进、出空气阀门的大小或起停鼓风机。PLC根据脱水机房泥泵泥量信号的大小输出4-20mA电流信号控制混合絮凝剂用量的大小，以达到好的污泥脱水效果。(3)数字输入信号设备自动-y-动状态输入信号， 自动状态可由PLC达到自动控制，手动状态可由现场人工控制。设备运行状态输入信号指示设备的起停或开关位置。过热、过载、湿保护(电机内有湿保护开关)输入信号指示设备的故障现象或原因。(4)数字输出信号开关设备输出信号在自动控制状态下起停设备。4 软件设计4.1软件控制系统功能的实现 在控制系统的功能设计上，各提升泵、格栅机、污泥泵都具有独立的控制功能而且互为备用。相互之间即可以在自动控制方式下实现任意组合联锁控制，也可以在手动控制方式下独立控制。 中控室的两台操作站具有同等的功能，而且互为热备用。当一台出现故障时也不会影响污水处理的操作。各提升泵在远程控制方式下分手动控制和自动控制。手动控制是操作员根据实际情况对提升泵、格栅机、污泥泵出水堰门、进水堰门、转刷进行启动和停止操作。 PLC 根据实际情况对处于自动方式的提升泵、格栅机、污泥泵、出水堰门、进水堰门、转刷进行启动和停止操作。 在计算机操作站显示的画面有工艺流程主画面、工艺流程分画面、设备操作画面、趋势图、报警画面记录报警发生时有关信息，如故障标签名称，报警信息，故障报警时间，确认报警时间等。报表画面有主要设备运行报表和生产日报表。操作人员通过调用这些画面可以全面了解污水处理厂的运行情况，并且很方便地对设备操作。 采用基于客户服务器HMI组态软件Intouch。实现了对污水处理厂的远程监控。操作人员可在中央控制室对生产过程进行监控。管理人员坐在办公室甚至在家里也可以监控污水处理的运行情况。4.2 PLC控制流程图根据生产工艺要求，设计以下控制流程图，如图4.1所示。输入输出分配表如表4.1。图4.1 程序设计流程图图4.2氧化沟#l转刷程序流程框图输入信号转刷启动（Od 低，H3.2）00000转刷停止(Od高，H2.8)00001手动按钮00002自动按钮00003输出信号转刷启动01000转刷停止01001高速启动转刷01002高速转刷停止01003表4.1 输入输出分配表4.3 PLC控制系统梯形图程序根据工艺流程的控制要求，设计梯形图，如图4.3。SNTXT(09)HR0000SNXT(09)HR0002STEP(08)HR0000STEP(08)HR0001SNXT(09)HR0001010000100100000000001025313000002000010000020000253140253130SNXT(09)HR0004STEP(08)HR000200001000002T1MHT001#200STEP(09)HR000301002SNXT(09)HR0003T00100003253130000301003STEP(08)SNXT(09)HR0009图4.3 PLC控制系统梯形图程序4.4下位机软件设计下位机采用OMRON公司开发的CXPROGRAMMER软件对PLC进行编程和对PLC设备配置进行维护。编制的软件主要包括信号获取处理、信号控制、故障模块的设计、与上位机通讯的DB块的设计。4.5上位机软件设计为保证工业现场的稳定，上位机采用Windows2000操作系统，编程平台为INTOUCH。上位机实现的功能如下：数字显示液位和溶解氧浓度，并用趋势图显示溶解氧的历史和当前变化趋势；显示各设备的启动、停止、故障等运行状态；启动时，指示灯为红色，正常时为绿色，故障时指示灯闪烁，并用文本方式显示故障类型，方便故障的排除；能记录15天的故障情况(故障时刻、故障类型等)，方便地进行事故分析，通过报表编辑器，实现定期或随机的相关信息打印输出。其功能可分为监视、控制和参数设置等几个部分。一监视功能及画面公用程序：对整个污水处理工艺的过程变量和状态变量实时显示。 生产过程：由总流程图、集水池及水泵、前池及隔栅、沉砂池及砂桥、后池及旋转隔栅等子画面组成。机械设备的状态以动画形式显示有关模拟量以数值形式显示。 电气：显示全站的电气接线图，以灯光形式表达电气设备的状态以数值形式显示电气运行参数。电器设备包括主变压器、MCC1一MCC4、水泵及其它辅机等。成组显示：以数值形式显示所有的过程运行参数和电气运行参数。实时趋势：所有模拟量以曲线形式显示，由操作员选择子画面。报警：当有模拟量越限或联锁保护动作时，发出声光信号，并记录起始和恢复时间。登录：用户权限及身份的登记。二控制功能及画面监控系统具有手动控制、顺序控制、自动调节等功能通过相应画面进行操作。 手动控制：在生产过程画面上可对每台设备进行启停操作用于调试和事故工况。 顺序控制：在自动工况下，通过一个控键即可完成整个工艺过程的启停操作。 自动调节：通过对进水量、水位、污水浊度等参数连续实时监测，调整水泵台数及转速，并对辅机等设备进行控制，使污水处理系统运行在最佳状态。三参数设置由技术人员对上下限值、PID参数、延时时间、设备解列、设备均时参数等进行设置。四调度站监视功能与操作员站完全相同，无控制功能和参数设置功能，增加了历史趋势、性能计算、报表等功能。调度站上的数据可由整个管理网络共享。 历史趋势：在调度站上建有历史数据库，可选择显示日、旬、月、年的变化趋势。 性能计算：计算去除率、电耗吨水的累计值，供技术分析使用。 报表：实时报表和历史报表。项目有累计值：运行时间、电量、流量；实时值：所有的模拟量和状态量。5. Intouch组态系统上位组态软件采用woderware公司Intouch7.11,I/O Sever采用Modicon MODBUS Ethernet，监控计算机采用研华工控机。系统上位采用基于客户端、指向I/O数据源的本地地址的结构。每个视图节点具有自己的I/O服务器。这种结构能够提供容错操作,当网络中断时每个视图节点可以独立运行。结构如图4.4所示。过程视图节点2视图节点1Intouch应用程序Intouch应用程序I/O服务器I/O服务器图4.4分布式应用程序网络结构1动态实时显示过程控制参数和系统运行状态城市污水处理生产过程控制系统中所有主要仪表和运行设备以及系统运行状态等均在人机界面中得到体现本系统中制作了粗格栅及提升泵站、细格栅及沉砂池、泥水分配井及氧化沟及鼓风机房、二沉池配水井及二沉池、排水泵站及污泥回流泵站和污泥浓缩脱水间六幅工艺流程主画面。在每幅主画面中动态显示设备运行状态、系统运行参数和仪表数值。采用点击进入的方法对各项参数、状态进行详细查看。并对设备控制方式和参数修改。采用点击进入的好处是可以设定访问级别，防止不熟练的操作员误操作，主画面简洁，单点画面清楚。在每幅主画面中还包括实时趋势，方便操作员监视系统运行状况和走势。另外，还包括趋势组画面和数据总揽画面。配置了氧化沟溶氧值、沉砂池出水流量、污泥回流流量等工厂主要数据的历史趋势，由于使用了历史趋势向导，很方便地完成了创建和配置，并且可以在运行时动态配置。图4.5 系统报警组建立了设备管理数据库，实现对城市污水处理工程较多设备的方便管理。对所有设备采用位号方式进行实时监视系统运行时，只需要键入位号就能进入位号所在主画面并且弹出该设备的单点画面，系统运行中证明这种方法方便了操作员的操作。此外，在PLC中对设备运行时间进行累计，数据上传给上位机记录存储，通过HistData实用程序对设备运行时间进行查看，将选定的数据移到Microsoft Excel打印输出增加了一幅调试画面，方便现场调试和实际运行中的工艺参数调整，将某些变量设置了预置参数输入功能进行直观的调整和整定方便PLC软件内部参数的设置。2报警配置Intouch使用两种通知方式来通知操作员有关过程活动的情况：报警与事件。报警是过程状态出现问题时发出的警告，要求操作人员做出响应。事件表示系统正常状态时的消息，不要求操作人员响应 城市污水处理工程工段较多，根据工段号配置了报警组方便系统开发，便于操作员识别，报警组结构如图4.6所示。图4.6报警的产生机制和查询过程刨建了报警画面，显示报警摘要和报警历史。本系统中报警的产生机制和查询过程如图4.6所示。Alarm DB Logger公用程序将报警和事件记入Microsoft SQL Server。Alarm DB PurgeArchive公用程序负责配置报警数据库的清除，归档操作，并显示任何清除活动的状态。Alarm Printer打印报警信息。因为Windows网络打印机和激光打印机的工作原理是将整页缓存在内存中。再将其实际打印出来，这意味着信息可能会在系统故障或掉电时丢失，因此在配置打印机时，一台选用针式打印机用于打印报警信息。另外 台选用喷墨打印机打印报表。图4.7 小时、班、日、月、年报表实现过程过程变量报警期间在设备所在任一画面中以符号闪烁和改变符号的填充颜色方式提示，设备所在工段对应主菜单对应项也以这种方式提示；过程变量报警发生后，被确认前，系统调用PlaySound函数以声音的方式提示报警的过程变量。对于系统诊断报警，显示在系统诊断画面上，如诊断出故障则也以声光报警的形式提示。3报表设计使有HistData实用程序可以对由InTouch创建的历史数据文件进行DDE动态数据交换访问，将选定的历史数据移动到请求程序，例如Microsoft Excel。图4.8 Excel可访问报表实现过程本系统中报表分为两种：实时报表和Excel可访问历史报表。实时报表分为小时、班、日、月、年报表，并由窗口可以访问，可在自动和手动打印之间转换输出，主要统计产量。统计数据由Intouch QuickScript编程产生。产生和访问过程如图4.7所示。Excel可访问历史报表的形成是把历史记录文件转换成EXCEL(CSV格式)文件，此报表的访问需打开转换的EXCEL文件，主要实现历史数据的查看。HistData程序包含自己的内部数据库，实现文件转换的关键是内部数据库中的项目的正确设置。如用于指定要访问的历史数据的起始周期、持续时间和采样间隔等。系统运行时对Excel文件的访问通过系统函数FileReadFeilds实现。产生和访问过程如图4.8所示。4.通讯的实现lnTouch使用由三部分组成的命名惯例来识别I/O服务器程序中的数据元素，这三个部分是应用程序名、主题名和项目名。要从另一应用程序取得数据，客户端程序InTouch需要通过指定上述三项来打开通往服务器程序的通道。本系统中工控机网卡通过工业以太网与Modicon网络模块连接，使用TCP/IP协议实现上下位之间通信。I/O Sever采用Modicon MODBUS Ethernet实现Intouch和PLC之间的数据交换。结 论如今，我国污水处理事业迎来了高速发展的阶段。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。本文通过各工艺的比较，最终选择氧化沟法进行污水处理设计。在硬件设计中，完成了PLC机型的选择，模拟