基于PLC的污水处理系统毕业论文

1、基于plc的污水处理系统 【摘要】随着经济的快速发展与生活水平的提高，水污染的问题日益严重，水资源短缺的压力越来越大。只有合理地使用水资源，才是水资源可持续利用的有效途径。为了实现这一目的，加强污水再生利用是关键。在国内污水处理的自控系统相对比较落后，污水处理成本普遍居高不下，排放的处理水的水质不稳定，所以如何建立有效的自控系统，优化运行效果，缩减运行费用，具有重要意义。序列间歇式活性污泥法（简称sbr)，处理工艺简洁易行，占地少，布局紧凑合理，节省投资，是一种先进的污水处理工艺，本系统主要介绍了污水处理的基本工艺和流程，通过研究设计一套基于可编程序控制器（plc）控制的污水处理模拟系统，实现

2、了对格栅、沉淀、好氧曝气、厌氧沉淀分离以及生化池的接触消毒的模拟控制。plc是一种专为工业现场环境设计的计算机，抗干扰能力强，在污水处理系统采用plc控制系统，可以大幅减轻工作人员的劳动强度,提高污水处理的运行效率, 提高自动控制的可靠性。上位机方面，使用组态王作为上位机监控系统软件，用于对污水站的运行状态进行集中监控。对污水站数据采集和自动控制系统的控制参数进行设置，监控设备的运行及控制状态，绘制重要参数的变化曲线。【关键词】编程序控制器(plc);污水处理;序列间歇式活性污泥法（sbr);组态王目 录1 引言12 工艺流程及主体设计22.1主要内容22.2工艺流程22.3工艺流程主要设施2

3、2.3.1 粗栏栅池22.3.2 细栏栅池32.3.3 sbr反应池42.3.4 生化池62.3.5 给水房72.3.6 鼓风机房83 上位机组态与下位机设计93.1 上位机设计93.1.1上位机组态介绍93.1.2上位机组态软件设计93.2 下位机设计103.2.1 下位机介绍103.2.2 下位机硬件介绍103.2.3 下位机的接线方式123.2.4 下位机软件设计134 通信设置144.1 上位机设置144.2 下位机设置154.3 其他设置155 运行效果165.1 硬件模型运行效果165.2 上位机模型运行效果166 结束语19参考文献20英文翻译211 引言随着经济的快速发展，人们

4、的生活水平逐步提高，但随之而来的水污染问题也越来越严重。政府对水污染问题的重视程度迅速提升，目前国内对大中型城市的生活污水及工业污水采取了一定的治理措施，但大部分中小行城镇的污水处理情况不容乐观。许多城镇没有专门的污水处理设施，这不仅严重污染了当地的水资源也影响了居民的身心健康，而且严重阻碍了经济的发展。因此，进行污水处理改善水环境是刻不容缓的事情。sbr序列间歇式活性污泥法（sequencing batch reactor activated sludge process），是一种按间歇曝气方式来运行的活性污泥污水处理技术，与传统的污水处理工艺不同，sbr技术采用时间分割的操作方式替代空间分

5、割的操作方式，该处理工艺简洁易行，处理设备少，耐冲击负荷，占地少，布局紧凑合理，节省投资，是一种先进的污水处理系统。但相对的对于自动化控制要求比较高。plc可编程逻辑控制器（programmable logic controller），是一种专用于工业控制的计算机，可靠性高，抗干扰能力强，它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。组态王开发监控系统软件，是新型的工业自动控制系统，它以标准的工业计算机软、硬件平台构成的集成系统取代传统的封闭式系统。它具有适应性强、开放性好、

6、易于扩展、经济、开发周期短等优点。通常可以把这样的系统划分为控制层、监控层、管理层三个层次结构。其中监控层对下连接控制层，对上连接管理层，实现对现场的实时监测与控制。本系统构建了基于plc的控制网络,采用pc机和plc组成网络控制。为提高系统可靠性，本系统采用组态王作为上位机通讯软件，plc作为下位机，控制现场设备运运行。从而实现污水处理过程的自动控制功能，同时与中央监控系统进行通信，上传数据和接受中央监控系统下发的控制命令。大大提高污水处理的自动化水平，大幅减轻工作人员的劳动强度,提高污水处理的运行效率, 提高自动控制的可靠性。2 工艺流程及主体设计2.1主要内容设计了简单的污水处理模型，并

7、利用组态王软件进行控制显示污水处理的工艺流程，主要内容包括：粗栏栅、细栏栅、sbr反应池、生化反应池、给水房、鼓风机房等的电气控制系统的设计。2.2工艺流程首先从厂外污水泵站提升到污水处理厂的污水，经过粗格栅，去除污水中较大的垃圾、漂浮物、除砂以及部分悬浮物；通过污水泵将污水提升到细格栅，将较小的漂浮物去除；然后进入sbr池进行曝气处理，经沉淀后，上层澄清液排放至生化池进行消毒净化，最后进入给水房进行储蓄，根据需求进行安排。工艺流程图如下：厂外污水粗栏粗栅处池理细栏精栅处池理s曝b气r处池理 接生触化消池毒 分给配水使房用污泥外运图2-1 污水处理工艺流程图2.3工艺流程主要设施2.3.1 粗

8、栏栅池以下为组态王软件模拟显示的粗栏栅池图2-2 粗栏栅池污水中往往含有很多固体漂浮物及悬浮物，如塑料袋、树枝木块，泥沙等，如果不将它们去除将会对后续的污水处理设备造成损坏。粗栏栅池主要作用是去除污水中的大块固体杂物及大部分悬浮物，保护后面的设备和设施不受影响。前置过渡池主要功能在于过滤大部分的漂浮物以及水流冲击下带来的碎石等杂物，主池沉淀池用于污水的粗处理，加药静置，使悬浮在水中的泥沙和部分溶于水中的污染物絮凝沉淀。处理流程图如下：抽取粗格栅后的水进入沉淀池在沉淀池中加药静置抽取上层清液进入下一处理步骤排出污泥进入下一次循环图2-3 粗栏栅池处理流程图关键设备为粗格栅机，粗格栅机是一种可以连

9、续自动拦截并清除流体中各种形状杂物的水处理专用设备。粗格栅机是由一种独特的耙齿厂装配成一组回转格栅链。在电机减速器的驱动下，耙齿链进行逆水流方向回转运动。耙齿链运转到设备的上部时，由于槽轮和弯轨的导向，使每组耙齿之间产生相对自清运动，绝大部分固体物质靠重力落下。另一部分则依靠清扫器的反向运动把粘在耙齿上的杂物清扫干净。按水流方向耙齿链类同于格栅，在耙齿链轴上装配的耙齿间隙可以根据使用条件进行选择。当耙齿把流体中的固态悬浮物分离后可以保证水流畅通流过。整个工作过程是连续的，也可以是间歇的。2.3.2 细栏栅池以下为组态王软件模拟显示的细栏栅池图 2-4 细栏栅池前置过渡池用于拦截粗处理中遗留的絮

10、凝及无法沉淀的细小漂浮物或悬浮物。主池沉淀池用于更近一步的加药处理。静置处理后，经由特殊设备由上至下取水，减轻池水波动，并且确保取得的水是相对的优质处理水。处理流程图如下：抽取细格栅后的水进入沉淀池在沉淀池中加药静置抽取上层清液进入下一处理步骤排出污泥进入下一次循环图2-5 细栏栅池处理流程关键设备为细格栅机。细格栅机是一种可以连续自动拦截并清除流体中各种形状杂物的水处理专用设备。细格栅机是由一种独特的耙齿厂装配成一组回转格栅链。在电机减速器的驱动下，耙齿链进行逆水流方向回转运动。耙齿链运转到设备的上部时，由于槽轮和弯轨的导向，使每组耙齿之间产生相对自清运动，绝大部分固体物质靠重力落下。另一部

11、分则依靠清扫器的反向运动把粘在耙齿上的杂物清扫干净。按水流方向耙齿链类同于格栅，在耙齿链轴上装配的耙齿间隙可以根据使用条件进行选择。当耙齿把流体中的固态悬浮物分离后可以保证水流畅通流过。整个工作过程是连续的，也可以是间歇的。2.3.3 sbr反应池以下为组态王软件模拟显示的sbr反应池图2-6 sbr反应池sbr工艺有机物的降解规律与推流式曝气池类似，推流式曝气池是空间（长度）上的推流，而sbr反应池是时间意义上的推流。由于sbr工艺有机物浓度是逐渐变化的，在反应初期，池内有机物浓度较高，如果供氧速率小于耗氧速率，则混合液中的溶解氧为零，对单一的微生物而言，氧气的得到可能是间断的，供氧速率决定

12、了有机物的降解速率。随着好氧进程的深入，有机物浓度降低，供氧速率开始大于耗氧速率，溶解氧开始出现，微生物开始可以得到充足的氧气供应，有机物浓度的高低成为影响有机物降解速率的一个重要因素。从耗氧与供氧的关系来看，在反应初期sbr反应池保持充足的供氧，可以提高有机物的降解速度，随着溶解氧的出现，逐渐减少供氧量，可以节约运行费用，缩短反应时间。 sbr反应池通过曝气系统的设计，采用渐减曝气更经济、合理一些。sbr工艺采用间歇进水、间歇排水，sbr反应池有一定的调节功能，可以在一定程度上起到均衡水质、水量的作用。通过供气系统、搅拌系统的设计，自动控制方式的设计，闲置期时间的选择，可以将sbr工艺与调节

13、、水解酸化工艺结合起来，使三者合建在一起，从而节约投资与运行管理费用。在进水期采用水下搅拌器进行搅拌，进水电动阀的关闭采用液位控制，根据水解酸化需要的时间确定开始曝气时刻，将调节、水解酸化工艺与sbr工艺有机的结合在一起。反应池进水开始作为闲置期的结束则可以使整个系统能正常运行。具体操作方式如下所述： 进水开始既为闲置结束，通过上一组sbr池进水结束时间来控制；进水结束通过液位控制，整个进水时间可能是变化的。水解酸化时间由进水开始至曝气反应开始，包括进水期，这段时间可以根据水量的变化情况与需要的水解酸化时间来确定，不小于在最小流量下充满sbr反应池所需的时间。 曝气反应开始既为水解酸化搅拌结束

14、，曝气反应时间可根据计算得出。 沉淀时间根据污泥沉降性能及混合液污泥浓度决定，它的开始即为曝气反应的结束。 排水时间由滗水器的性能决定，滗水结束可以通过液位控制。 闲置期的时间选择是调节、水解酸化及sbr工艺结合好坏的关键。闲置时间的长短应根据废水的变化情况来确定，实际运行中，闲置时间经常变动。通过闲置期间的调整，将sbr反应池的进水合理安排，使整个系统能正常运转，避免整个运行过程的紊乱。池沿长度方向分为两个部分，前部为预反应区，后部为主反应区。预反应区可起调节水流的作用，主反应区是曝气、沉淀的主体。污水进入预反应区后，通过隔墙底部的连接口以平流流态进入主反应池，在主反应池中进行曝气和沉淀滗水

15、，使配水大大简化，运行也更加灵活。工艺中各操作单元的作用为：a、曝气阶段由曝气系统向反应池内间歇供氧，此时有机物经微生物作用被生物氧化，同时污水中的氨氮经微生物硝化反硝化作用，达到脱氮的效果。b、沉淀阶段此时停止向反应池内供氧，活性污泥在静止状态下降，实现泥水分离。c、滗水阶段在污泥沉淀到一定深度后，滗水器系统开始工作，排出反应池内上清液。在滗水过程中，由于污泥沉降于池底，浓度较大，可根据需要启动污泥泵将剩余污泥排至污泥池中，以保持反应器内一定的活性污泥浓度。滗水结束后，又进入下一个新的周期，开始曝气，周而复始，完成对污水的处理。 进水达到高水位停止进水同时开启鼓风机按照步骤要求根据do计调节

16、风量曝气量达到要求关闭鼓风机静置沉淀沉淀达到要求开启滗水器水量到达低水位关闭滗水器进入下一次循环处理流程图如下：图2-7 sbr反应池处理流程图关键设备为滗水器，滗水器是sbr工艺采用的定期排除澄清水的设备，它具有能从静止的池表面将澄清水滗出，而不搅动沉淀，确保出水水质的作用。由于sbr法工艺采用间歇反应，进水、反应、沉淀、排水在同一池内完成，无须二次沉淀池和污泥回流设备，因此具有占地少、投资小、效率高、出水水质好等优点；同时将多个sbr池连接起来，还可以具有传统污泥法工艺的连续性（连续进水），又具有典型 sbr 工艺的连续性，适用于水质、水量、变化大的需要。滗水器可根据工艺要求设计滗水深度。

17、采用plc程控智能驱动，滗水器接到排水指令后快速将滗水堰口由停放位置移动到水面以下停止、排水；待清水排完后，滗水器又接到排水指令快速将滗水堰口由停放位置移动到水面以下停止，排水；如此反复。当滗水器到达最低水位后，安放在最低水位的液位开关发出返回指令，滗水器快速回升到最初的停放位置，完成一个工作循环。2.3.4 生化池以下为组态王软件模拟显示的生化池图2-8 生化池生化池也可以称为接触消毒池，构造为长矩形，其间遍布特殊高分子材料，能对处理水中的微生物及各种有害物质进行吸附。处理水从池子左端流到池子右端，充分与材料接触，从而达到净化的目的。处理流程图如下：左端从sbr池取水充分与材料接触右端取处理

18、完成水进行存储图2-9 生化池处理流程图2.3.5 给水房以下为组态王软件模拟显示的给水房图2-10 给水房用于储存并安排处理完成后的水，能根据生活供水和生产供水的需求弹性调节出水量，维持着正常的流进流出，以免在非常规的情况下，出现渠道的干涸，从而使供水系统收到重大的影响。2.3.6 鼓风机房以下为组态王软件模拟显示的鼓风机房图2-11 鼓风机房鼓风机房的作用是提供sbr反应池曝气反应所需的氧气。罗茨风机是污水处理的重要设备。曝气池溶解氧的控制、厌氧段与好氧段的控制、污泥浓度的控制是污水处理厂工艺的核心。该系统控制思路：plc通过对溶解氧的检测，自动调节罗茨风机出口阀的开度；当检测到罗茨风机出

19、口阀的调节不能满足溶解氧的需要时，再着行调整罗茨风机的出风导叶片的开度。处理流程图如下：根据sbr池反应需求启动风机根据sbr池反应步骤及do计调节罗茨风机出口阀罗茨风机出口阀调节无法满足需求时调整罗茨风机的导风叶片图2-12 鼓风机房处理流程图关键设备为罗茨风机。罗茨风机为容积式风机，输送的风量与转数成比例，叶轮端面和风机前后端盖之间及风机叶轮之间者始终保持微小的间隙，在同步齿轮的带动下风从风机进风口沿壳体内壁输送到排出的一侧。风机内腔不需要润滑油，高效节能，精度高，寿命长，结构紧凑，体积小，重量轻，使用方便。3 上位机组态与下位机设计3.1 上位机设计3.1.1上位机组态介绍上位机作为污水

20、处理的监控系统用于对污水站的运行状态进行集中监控。用于监控的工业控制计算机通过工业以太网与现场的plc主站相连，监控系统使用组态王制作组态王开发监控系统软件，是新型的工业自动控制系统，它以标准的工业计算机软、硬件平台构成的集成系统取代传统的封闭式系统。上位机的主要功能是对污水站数据采集和自动控制系统的控制参数进行设置，监控设备的运行及控制状态，绘制重要参数的变化曲线。当上位监控机pc启动后,首先进入了管理员登陆界面,输入正确的登陆码,进入污水处理工艺监控界面,其中包含过程工艺监控画面,控制操作画面,实时曲线画面参数设定画面等。这些画面之间可以随意的切换。管理员登陆界面如下：图3-1 管理员登陆

21、界面3.1.2上位机组态软件设计上位机为通用的工控计算机。为了更好地反映各设备的运行情况,分别制作了粗栏栅池系统、细栏栅池系统、sbr反应池系统、生化池系统、鼓风机房系统等分画面。画面中各参数值根据下位机plc的改变而改变的。工作人员通过这些画面可以随时对系统的运行参数、设备状态、各种越限报警信号,进行实时监测、记录和显示。监控软件启动时首先进入主画面,管理员登陆后可进入实时监控系统，在监控系统中，可以通过菜单选项进入各个分系统的监控画面。分画面可以查阅各个仪表、传感器和阀门的参数,还可以进行上下限报警、打印报表、显示趋势曲线等设置。3.2 下位机设计3.2.1 下位机介绍下位机选择使用可编程

22、控制器plc，用来控制污水处理的各个环节，使用plc控制有下列优点:(1)控制程序可改变在污水厂生产工艺或流程改变的情况下，不必改变plc的硬件设备，只要改变相应的程序就可满足用户的要求。(2)适用于工业环境，具有高可靠性plc产品的平均无故障时间达5年以上，因而它是一种高可靠的产品，大大地提高了生产设备的工作效率。(3)plc功能齐全一般plc具有开关量及模拟量输人/输出、定时、计数、逻辑和算术运算，顺序控制，pid调节，通信等功能。除了应用于开关量控制系统外，也可用于连续的流程控制系统，从而使污水处理设备的控制水平大大提高。(4）易掌握，便于维护使用人员只需掌握工程上通用的梯形图语言就可进

23、行用户程序的编程和调试。因此，即使不懂计算机的人，也能掌握plc。又由于plc具有自诊断功能，因而较容易进行维护，查找出故障原因。由于plc自身的高可靠性，也使其故障率几乎降至于零。正是plc具有这么多的优点，才使越来越多的plc应用到污水处理厂中。plc通过各种模块接口采样电信号；控制信号由plc输出送到执行机构，控制执行机构的动作。下位机采用三菱f2n系列plc型号为48mr,可以和现场的传感器、变送器、自动化仪表相连,进行数据通信、数据处理和数据管理。根据工艺要求,plc得电自检无误后,外部传送信号通过传感器、自动化仪表输入到plc,当电路发生短路、断路或过载时电动机将停止,同时发出报警

24、。通过plc进行数据处理,plc可根据液位信号决定设备的启停和阀门开关,以出水水质为依据采用前馈反馈控制方法,使系统在各种工况下都能够实时地、稳定地控制水质。液位、ph值等模拟量也采用闭环控制,形成多个控制回路。污水处理过程逻辑性很强,阀门和液位之间动作有很多连锁关系,将所有有连锁关系的阀门和液位的动作关系确定清楚,然后用相应的控制点形成电气连锁,即可实现工艺要求。3.2.2 下位机硬件介绍以下为硬件模型的排布图和硬件模拟图3-2 硬件模型的排布图3-3 硬件模型图以下为plc和硬件模型的输入输出接口分配表表3-1 i/o分配表i/o分配表iox1粗池上水位y1粗池上水位指示灯x3粗池下水位y

25、2粗池进水泵x5细池上水位y3粗池下水位指示灯x7细池下水位y4粗池排泥指示灯x11sbr池上水位y5细池上水位指示灯x13sbr池下水位y6粗/细池连接泵x22生活出水泵y7细池下水位指示灯x23生产出水泵y10细池排泥指示灯y11sbr池上水位指示灯y12细/sbr池连接泵y13sbr池下水位指示灯y14sbr池排泥指示灯y15sbr池处理步骤1y16sbr池处理步骤2y17sbr池处理指示灯y20滗水器y21出水水泵y22生活出水指示灯y23生产出水指示灯y24粗池完成指示灯y25细池完成指示灯3.2.3 下位机的接线方式plc输出口x口有内部24v电源供电，所以不需要外部电源。plc输

26、入口y口的输出电压电流极小，无法驱动外部设施，所以需要添加外部电源。输出/输入口的接线方式如下： 图3-2-1 plc输出口接线方式 图3-2-2 plc输入口接线方式3.2.4 下位机软件设计根据工艺流程及硬件模型的需求，做出如下系统程序设计：4 通信设置上位机与下位机进行通信，实现信息共享以达到上位机对下位机的监视以及控制的目的。4.1 上位机设置图4-1 组态王设备通信与设备所连接的串口选择com1，指定的设备地址为00图4-2 组态王串口设置4.2 下位机设置通讯参数设置与组态王一致。波特率设置为9600，奇偶校验为偶校验，数据位为7位，停止位为1位4.3 其他设置通信模块采用fx2n

27、-232-bd连接器为9针d-sub型，针脚的配置如下所示图4-3 fx2n-232-bd针脚配置按照下图将组态王与plc相连。利用串行口进行连接时，可直接与plc的编程端口相连，采用此种方式一个串口只能接一台plc.。图4-4 pc/plc连接图5 运行效果5.1 硬件模型运行效果以下为硬件模型运行效果图5-1 硬件模型运行效果图经实验测试，在系统程序的支持下，该硬件模型运行效果良好，与预期的目标相符。5.2 上位机模型运行效果以下为上位机模型运行效果5-2 上位机模型运行效果图15-3 上位机模型运行效果图25-4 水位检测图5-5 给水房监控图5-6 部分参考量的监控图经实验测试，上位机

28、模型的运行效果良好，动画效果及监控系统的运作与预期的目标相符合。6 结束语工业污水处理控制系统是一个比较复杂的综合系统，它包括与之相关的生产工艺流程、相关生产设备，现场计量自控检测仪表的选用、控制流程的模型建立、对plc系统软硬件应用研究等。本文详细阐述了工业污水处理工艺流程、控制系统总体方案以及具体的软硬件实现。本文采用plc对污水处理厂的控制系统进行了改造，经过调试和运行，本控制系统基本达到预期的控制要求，系统具有较高的可靠性，可基本实现污水处理厂的自动化管理，不仅减轻了工人的劳动强度,而且提高了污水处理厂的运行效率和运行效益,实现了污水厂生产管理的科学性。其中,plc发挥了相当重要的作用

29、。从而降低了污水厂的运行成本。运行实践证明，与传统继电器控制相比，节省了大量时间继电器、计数器及其他相关设备，提高了自动控制的准确性和可靠性，同时保障了设备的运行安全，收到了良好的经济效益和社会效益。参考文献1 王庭有.可编程控制器原理及应用m.北京：国防工业出版社，2011，64-68.2 张泳，季洪瑞，胡详文.小规模自来水厂的自动化监控系统a，全国给水排水技术信息网2009年年会论文集c.2009，19-21.3 erdal yilmaz,sevan katrancioglu.application of plc to dynamic control system for liquid h

30、e cryogenic pumping facility on jt-60u nbi system d，procedia - social and behavioral sciences, 2011, 28, 494-498.4 杨岸明.城市污水处理厂曝气节能方法与技术d.北京工业大学,2012,03,8-9.5 李瑞桂,孟凡华,孟祥廷.plc在工业污水处理自动控制系统中的应用j.河北企业,2008,4（4）:6-9.6 武翠琴,李艾华,张炜等.废水自动处理监控系统设计与实现j,工业仪表与自动化装置;2003,03(3),42-487 金东辉 .一种污水处理厂自动化控制系统的实现j;工业控制计

31、算机;2012,08(08),61-658 杜富瑞，安福东，原英君等.基于plc的污水处理系统设计j.山东轻工业学院学报(自然科学版) 2011，04(4),24-269 辛亭，白东坡，宋晓兰.基于plc的污水处理控制系统j.中国科技信息2011,08(08),36-39 10 王莉.可编程序控制器应用基础m.北京:机械工业出版社,2010,85-91英文翻译based on plc sewage treatment system concord university college fujian normal universitydept of information technology

32、electronic information science and technology124122009038 wang jiren tutor:li yangabstract with the rapid development of economy and the improvement of living standard, the problem of water pollution is increasingly serious, shortage of water natural resources more and more pressure. only reasonable

33、 use of water resources, is the effective way of water resources sustaining utilization. in order to realize this purpose, strengthen sewage recycling is the key. in the domestic sewage treatment automatic control system is relatively backward, the cost of sewage treatment is generally high, dischar

34、ge of the treated water quality is not stable, so how to establish an effective control system, optimal operation effect, reduce the operation costs, is of great significance.this system mainly introduces the basic process of sewage treatment, through the study of the design of a plc based control system for sewage treatment.