基于PLC的污水处理系统

1、设计题目 基于 PLC 污水处理系统设计学生姓名学生姓名 学学 号号 指导教师指导教师 专专 业业 年年 级级 摘摘 要要目前国内大部分的污水处理监控和管理机制还处于相对落后的状况，不能适应生产和科技发展的要求。本系统具有信号采集、趋势分析、预报报警分析、辅助功能和帮助系统等功能，能对各种监控参数进行动态管理和报表自动生成，基本满足了用户的需求。本课题通过实际污水处理控制系统的设计，可使学生接触到可编程控制器、计算机的实际应用，从而对今后工作带来一定的帮助。最后根据研究课题的要求，进行系统性调试。关键词：水；可编程控制器；计算机；调试目录1 引 言.11.1 污水处理的起因.11.2 污水处理

2、的现状.11.3 污水处理的发展趋势分析.12 我国污水处理事业现状及今后发展的趋势.22.1 现状 .22.2 今后的发展趋势 .33 PLC 国内外的发展状况.53.1 PLC 国内外发展状况 .54 传化污水处理站监控系统的方案设计 .64.1 污水处理系统工艺流程 .64.2 污水处理系统控制 .85 电气及 PLC 程序设计 .105.1 FX2N 系列 PLC 的概况 .105.2 三菱 PLC 编程软件 GX DEVELOPER.105.3 PLC 流程图、重点 .115.4 PLC 输入输出地址 .115.5 PLC 输入/输出接线图 .135.6 PLC 程序流程图 .135

3、.7 调节池搅拌机及提升泵控制回路 .165.8 PLC 程序 .196 总 结.247 参考文献.25第 1 页 共 25 页1 引 言1.1 污水处理的起因城市污水是目前江河湖泊水域污染的重要原因，是制约许多城市可持续发展的主要原因之一。“环境保护”是我国的基本国策，中国可持续发展战略与对污水制定的2000年治理目标。1.2 污水处理的现状近200年来，城市污水处理已从原始的自然处理、简单的一级处理发展到利用各种先进技术、深度处理污水，并回用。处理工艺也从传统活性污泥法、氧化工艺发展到A/O、A2/OAB。污水处理一般来说包含以下三级处理：一级处理是它通过机械处理，如格栅、沉淀或气浮，去除

4、污水中所含的石块、砂石和脂肪、油脂等。二级处理是生物处理，污水中的污染物在微生物的作用下被降解和转化为污泥。三级处理是污水的深度处理，它包括营养物的去除和通过加氯、紫外辐射或臭氧技术对污水进行消毒。而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1.3 污水处理的发展趋势分析.加快城市污水处理厂的建设步伐势在必行.应将规模化小城镇污水处理作为进的发展目标.拓展投融资渠道的五种模式。.拓展融资渠道，规范市场运作 .着力提高城市污水的资源化利用率 .加强流域的集成化管理而本文中所做的主要工作是介绍整个污水系统污水处理工艺流程及其要求；阐述整

5、个污水控制系统的系统结构及工作原理；分析了系统实现中的特殊性、难点和重点。用于污水自动控制的电气控制图、PLC 程序；分析并解决实现中的若干技术问题；建立完整的控制系统，进行测试并分析结果。第 2 页 共 25 页2 我国污水处理事业现状及今后发展的趋势世界任何国家的经济发展，都会推向社会进步、促进工农业生产能力得到提高，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。中国政府历来重视环保治理工作，敬爱的周恩来总理提出了“全国规划，合理布局，综合利用，化害为利

6、，领先群众，大家动手，保护环境，造福人民”32 字方针，历届政府提出根治海河、三河三湖的治理的要求。由于各国政府的高度重视，我国的污水处理事业得到了长足的发展，但是我们要清醒的看到，我国工业农业生产发展的步伐很快，非凡是改革开放的 20 年乡镇企业的诞生使我国的企业结构发生了变化，有些企业在追求经济效益时忽视了社会、环境效益，若长此下去将带来环境受到严重污染的后患。为此当今环境污染的治理不能停留在各级政府的重视，而要深化到全民族每位公民环保意识的提高。我们不仅要达到经济发展了，生活水平提高了，还要做到经济与环境保护协调发展，生活的质量不断提高。为此我们要唤起民众为 21世纪可持续发展目标的实现

7、，为人类健康的生存，为子孙后代留下优质的环境而努力付出自己的责任吧。2.1 现状1、建国 50 年来我国污水处理行业的成长历程。 （1）50-60 年代的状况。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浇灌，非凡是北方缺水地区将污水浇灌利用做为经验进行推广，如闻名的沈抚灌渠等，所以全国仅有几个城市建设了近十座污水处理厂， （还包括 1921 年1926 年间外国人兴建的三座污水处理厂） ，在处理工艺上有的还是一级处理，处理的规模也很小，天天只有几千立方米，最大的也只有天天 5 万立方米左右，致使污水处理技术和治理水平处于较落后的状态。 （2）70-80 年代

8、的发展变化随着工农业生产的不断发展，人民生活水平的逐步提高，城市污水的成分也随之而变化，污染程度由低向高逐渐演变，一些发达的资本主义国家由于污水的污染，使人民身体健康受到威协的沉痛教训， （日本国骨疼病、水俣病的出现）引起人们的关注和我国政府的高度重视，建立了国家级环保组织（国务院环境集保护办公室） ，大学也陆续设置环境工程系或环境工程专业，国务院环保办投资在天津兴建污水处理实试验厂（天津市纪庄子污水处理试验厂） ，70 年代末开始兴建，处理规模：一级处理 0.1 立方米/秒，二级处理 0.025 立方米/秒，北京高碑店污水处理试验厂也先后运行。国家和地方都为筹备建设国内大型污水处理厂，并于第

9、 3 页 共 25 页1982 年破土动工，1984 年 4 月 28 日竣工投产运行，处理规模 26 万立方米/天。天津市纪庄子污水处理厂的诞生填补了我国大型污水处理厂建设的空白，引起了中心领导的高度重视。李先念主席、彭真委员长、乔石主席、倪志福主席、李瑞环主席都先后来厂视察。纪庄子污水处理厂自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，得到全国人大、全国政协委员们的赞扬，并通过他们向全国各地政府呼吁，加速建设污水处理厂的步伐，发展污水处理事业，消除污水对环境的污染。由于纪庄子污水处理厂是我国第一座大型城市污水处理厂，也引起各省市领导的高度重视，纷纷带队来厂参观取经，他们的到

10、来将污水处理的种子带到祖国各地开花结果。在他们的决策下，北京、上海、广东、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，使我国的污水处理厂由 60 年代的十几座发展到几十座，天津市纪庄子污水处理厂的设计、施工、治理的成功经验，为我国大型城市综合污水处理厂的建设起到了工程建设的示范作用，也为我国 80 年代污水处理事业大规模的发展起到了奠基作用。 （3）20 世纪末污水处理技术的发展和污水处理厂建设的成就。国家“七五” 、 “八五” “九五”科技攻关课题的建立，使我国污水处理的新技术、污泥处理的新技术、再生水回用的新技术都取得了可喜的科研成果，某

11、些项目达到国际先进水平。十一届三中全会以来在邓小平建设有中国特色社会主义理论的指引下，随着改革开放大好形势的不断深入，我国的污水处理事业也得到了快速的发展。国外污水处理新技术、新工艺、新设备被引进到我国，在活性污泥法工艺应用的同时，AB 法、A/O 法、A/A/O 法、CASS 法、SBR 法、氧化沟法、稳定塘法、土地处理法等也在污不处理厂的建设中得到应用。由过去只具有去除有机物功能的污水处理工艺技术发展为具有除磷脱氮多功能的工工艺技术，国外一些先进的、高效的污水处理专用设备进入了我国污水处理行业的市场。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、

12、污泥消化搅拌系统等大型设备。由于建设大型城市污水处理厂的投资很大，我国的建设奖金有限，无法适应水污染治理的需要。为此引进国外奖金建设污水处理厂成为建设奖金的重要组成部分，从而也加快了我国城市污水处理厂的建设速度。一批大型的城市污水处理厂利用国外贷款项目相继建成投产。2.2 今后的发展趋势1、经济发展与污水处理事业协调发展。经济发展与水环境污染是成正比的，也就是说经济发展的速度越快，相应带来的水环境污染就越严重。要避免环境污染的进一步恶化，我们要采取三项措施：（1）基本建设项目要坚持生产线与污第 4 页 共 25 页染治理同步实施。审查项目的可行性研究报告时必须具备环境质量评介报告书，生产线建成

13、投产要与污染治理设备同时运转。 （2）从改革生产工艺入手，解决污染从源头开始，进行清洁生产，生产绿色产品，如无氰电镀、无氟制冷、无磷洗衣粉的生产等都是从工艺上解决污染的措施。 （3）对已经建成投产的生产线，由于没有污染治理措施而造成污染受到罚款的，不能将罚款简单的退还给污染者，要提出限期治理的要求，要帮助他制定有可操作性的实施方案。2、扶植国内环保产业（污水处理行业）的发展。 （1）污水处理专用设备国产化。为节约国家大量外汇额度， “七五”期间，国家科技攻关课题 59-03-04-04带式压滤机国产化的研究 ，该项目成果已在国内污水处理行业中得到广泛的应用，其效果达到国外同类产品水平，这说明污

14、水处理专用设备国产化是可行的。国内大中型企业中有许多是机械制造厂家，他们已具备机械制造行业的基本素质，再把污水处理专用设备的专业特点和要求结合起来，生产出高质量适用的污水处理设备是完全可以的。这条渠道也是今后机械行业谋求生存之路的良好途径，国家再给予一些优惠的环保产业政策，以促进污水处理专用设备国产化。 （2）污水处理专用仪表的开发研制。污水处理厂实行现代化治理，离不开污水处理专用仪表，而目前我国使用的国产仪表是借用化工、热工仪表，因污水处理专业与化工、热工行业不同，所以仪表在污水处理厂的运行治理中经常出现问题。另外有些仪表行业中还是空白，这就迫使国内大部分污水处理厂的仪表都采用国外生产的仪表

15、，这不仅是市场被国外占领，也给维修带来不便，为此国内仪表行业应积极投入环境保护领域，国家也应给予相应的优惠政策，使其为我国的污水处理事业发展作好配套工作。3、多方筹取国际赠款及多种渠道寻求国际贷款。 （2）自筹资金建设污水治理工程是最好的办法之一。在政府的统一组织下由多方进行筹措。从城市建设资金，污水处理费，超标罚款，财政收入等方面共同集资，这种方法在中小城市更为适宜。 （3）发挥国家、地方各级政府的积极性，实行三家抬的形式来筹措资金。对污染严重、其污染源涉及广、危害性大，又不是一个城市自己能解决的污染项目，要由所在省有关部门做好向国家有关部门立项，争取一定额度的建设资金，再由省有关部门拿出一

16、定额度的资金，剩下的由所在市自己投入一定额度的资金，把集中在一起的财力用到治理项目中来，调动了各方的积极性。 （4）调动社会财力，发放建设专项债券。第 5 页 共 25 页3 PLC 国内外的发展状况3.1 PLC 国内外发展状况在工业生产过程中，大量的开关量顺序控制，它按照逻辑条件进行顺序动作，并按照逻辑关系进行连锁保护动作的控制，及大量离散量的数据采集。传统上，这些功能是通过气动或电气控制系统来实现的。1968 年美国 GM（通用汽车）公司提出取代继电气控制装置的要求，第二年，美国数字设备公司（DEC）研制出了基于集成电路和电子技术的控制装置，首次采用程序化的手段应用于电气控制，这就是第一

17、代可编程序控制器，称Programmable ,是世界上公认的第一台 PLC.20 世纪 70 年代中末期，可编程控制器进入实用化发展阶段，计算机技术已全面引入可编程控制器中，使其功能发生了飞跃。更高的运算速度、超小型体积、更可靠的工业抗干扰设计、模拟量运算、 PID 功能及极高的性价比奠定了它在现代工业中的地位。 20 世纪 80 年代初，可编程控制器在先进工业国家中已获得广泛应用。这个时期可编程控制器发展的特点是大规模、高速度、高性能、产品系列化。这个阶段的另一个特点是世界上生产可编程控制器的国家日益增多，产量日益上升。这标志着可编程控制器已步入成熟阶段。上世纪 80 年代至 90 年代中

18、期，是 PLC 发展最快的时期，年增长率一直保持为 3040%。在这时期， PLC 在处理模拟量能力、数字运算能力、人机接口能力和网络能力得到大幅度提高， PLC 逐渐进入过程控制领域，在某些应用上取代了在过程控制领域处于统治地位的DCS 系统。20 世纪末期，可编程控制器的发展特点是更加适应于现代工业的需要。从控制规模上来说，这个时期发展了大型机和超小型机；从控制能力上来说，诞生了各种各样的特殊功能单元，用于压力、温度、转速、位移等各式各样的控制场合；从产品的配套能力来说，生产了各种人机界面单元、通信单元，使应用可编程控制器的工业控制设备的配套更加容易。目前，可编程控制器在机械制造、石油化工

19、、冶金钢铁、汽车、轻工业等领域的应用都得到了长足的发展。我国可编程控制器的引进、应用、研制、生产是伴随着改革开放开始的。最初是在引进设备中大量使用了可编程控制器。接下来在各种企业的生产设备及产品中不断扩大了 PLC 的应用。4 传化污水处理站监控系统的方案设计第 6 页 共 25 页4.1 污水处理系统工艺流程一个完整的、优化的系统流程，往往能够体现出设计人员的设计精髓。换句话说，不用看设计方案，就能给人一个直观的系统流程、及其系统的工艺要求。在设计本系统工艺流程时，也就是从这个角度出发，以简洁、明了为目的，直观表达设计意图；各个细节、难点的处理方法。为能够更好地理解本系统流程。 21 世纪污

20、水处理技术，按处理程度划分，可分为一级、二级和三级处理。下面是整个系统的工艺流程图及其工艺流程的分析：第 7 页 共 25 页图 4.1 工艺流程图第 8 页 共 25 页我们将对这处理工序进行简单的阐述：将工业废水或生活污水集中排放到调节池中进行调节。首先把污水中明显的杂质进行排除，在把污水中的明显的尘土进行一断时间的沉淀。其中有部分是污水，而有部分是污泥。然后让提升泵一边将污水从调节池送入反应池进行反应，一边把污泥送到污泥浓缩池。在这期间利用电磁流量计监控 PH 度，使 PH 值保持平衡。再将污水排入沉淀池中，进行一轮沉淀处理。中和池提升泵将处理过的污水再提升到沉淀池中，在这个部分是加药泵

21、把药和污水同时送到沉淀池中进行沉淀。在这期间各个池排出来污水也存在一些污泥、尘土，把这些送到污泥浓缩池。通过 2 次这样的沉淀再把水送入反应池中反应。通过前面的处理，污水也就不在算是污水了，也就几乎满足排放的国家标准了。在最后一个工序也就是将原来处理过的水，在进行一断时间的沉淀。因为在前几个工序里化学处理后，会有很多的杂质悬浮在水中，而在水的流动过程中有些没有很好的被沉淀下来，因此在最后环节加了沉淀，让其水中的悬浮物得到处理。水质也就能够完全达到国家排放标准。最后就排放。在这里的每道工序都是非常重要的、也是必要的。只有在每个环节做好了，系统的整体工艺指标也就上去了。能够出色的完成这些就要权仗可

22、靠的控制系统。4.2 污水处理系统控制机械部分是接受电气控制所发出的信号，同时去执行相应的动作；但还有及少的部分也是存在发送信号的作用。两者是相辅相成的，缺一不可；也是互相依赖的。根据上面所描述可划分为：电气部分。电气部分也就是个智能控制部件，让一些本没有关系的系统结合在一起。全局出发，通过运算改变个体动作，从而改于整个系统来说，符合排放要求是最为重要的。处于整体性的考虑，在这个控制系统中，就引入了先进的设备，以此来提高控制要求。同时对整个系统的稳定性也有所提高了、控制效益也大幅改变。整个系统的控制部分，应该可以分为几个大快，电气部分、机械部分。电气部分是整个系统的大脑，所有的逻辑运算善系统性

23、能提高工艺要求。在整个系统的所有的逻辑控制都是通过 FX2N PLC 实现的，所有的运行的模式也在这里选择；还用了两路的模拟量输入，一路用于五个池（调节池、气浮池、反应池、沉淀池、污泥浓缩池）的液位监控，还有一路是监控中和的酸碱度，用于 PH 值（即酸碱）控制调节。在这个部分也就是个 PLC。只是它担负着控制整个系统对象的动作的信号发出者，也就是它联系了全局。让原本分散的、功能独立的个体，结合起来，使各自发挥及至。第 9 页 共 25 页机械部分。机械部分又可以分成纯执行器和混合执行器。a 纯执行器整个系统在各处的提升泵部分的运行模式，不光从水泵的机械特性考虑，也对其利用率、水泵的寿命的角度出

24、发，它们的工作都是轮流的。这样一来，水泵不会处于 24 小时负荷运行，从而提高了水泵最大的功效，也降低了水泵运营成本。在这里是采用两台水泵以每 12 小时作为一次轮换的标准，不影响工作进程的情况下，两台水泵做循环、连续的工作，将相应的水提升到另一处，为下个系统的工作作好准备。为此在逻辑控制部分，就要非常的小心。因为它是长期运作的，对它的过载能力、动作要求就非常高，在这里设计程序的时候也考虑到了。在硬件部分也加强了保护，而且让其动作看似智能化。当某个池液位低于一定的标准，相应的水泵就会停止提水，等到液位在次恢复到提水标准时，水泵就又投入运行。这样一来就很好的保护了水泵，不至于空载运行等。在则其中

25、，风机也是这样的工作原理。b 混合执行器五个池（调节池、气浮池、反应池、沉淀池、污泥浓缩池）都有对应的提升泵，出于安全的考虑，提升泵的工作是受池内的水位高度控制的，有一定的逻辑关系。在机械设计部分，是采取上下液位开关（即当液位低于设定值泵关机，液位高于设定值自动开启泵工作） 。在这里机械部件不是一个执行机构，而变成了控制部件。当然这是从安全的角度出发，这是非常有必要的。采用微机工作站作为主要的人机接口方式，通过画面、键盘和鼠标对过程进行监视和控制，控制系统能对上述控制范围内的所有设备进行集中监控、管理和自动顺序控制，并可实现远方手动操作。出灰控制系统正常情况下在自动方式下运行，调试和事故时可手

26、动控制。系统设置相应的自动、远程软件手动操作的闭锁开关。所有运行参数及报警信息均能通过打印机进行记录并制表。系统具有设备运行实时动态/历史曲线显示，故障报警等功能。微机操作站在 WIN98 及以上中文操作系统软件平台之上进行工作。第 10 页 共 25 页5 电气及 PLC 程序设计5.1 FX2N 系列 PLC 的概况FX2N 系列是小型化，高速度，高性能和所有方便都是相当于 FX 系列中最高档次的超小形程序装置。除输入出 16-25 点的独立用途外，还可以适用于在多个基本组件间的连接，模拟控制，定位控制等特殊用途，是一套可以满足多样化广泛需要的 PLC。系统配置既固定又灵活：在基本单元上连

27、接扩展单元或扩展模块，可进行 16-256 点的灵活输入输出组合。备有可自由选择，丰富的品种可选用 16/32/48/64/80/128 点的主机，可以采用最小 8 点的扩展模块进行扩展。可根据电源及输出形式，自由选择。令人放心的高性能程序容量：内置 800 步RAM（可输入注释）可使用存储盒，最大可扩充至 16K 步。编程简单：基本指令 27 种步进梯形指令 2 种应用指令 128 种：298 个应用指令中有多个可使用的简单指令高速处理指令： 输入过滤器常数可变，中断输入处理，直接输出等。便利指令： 数字开关的数据读取，16 位数据的读取，矩阵输入的读取，7 段显示器输出等。数据处理 ：数据

28、检索，数据排列，三角函数运算，平方根，浮点小数运算等。特殊用途 ：脉冲输出（20KHZ/DC5V，10KHZ/DC12V-24V） ，脉宽调制，PID 控制指令等。外部设备相互通信： 串行数据传送，ASCII code 印刷，HEXASCII 变换，校验码等。时计控制 ：内置时钟的数据比较、加法、减法、读出、写入等。外部机器通讯简单化5.2 三菱 PLC 编程软件 GX Developer 三菱全系列 PLC 程序设计软件,支持梯形图、指令表、SFC、ST 及 FB、Label语言程序设计，网络参数设定，可进行程序的线上更改、监控及调试，结构化程序的编写(分部程序设计)，可制作成标准化程序,

29、在其它同类系统中使用。 三菱 PLC 编程软件仿真调试软件 GX Simulator:三菱 PLC 的仿真调试软件，支持三菱所有型号 PLC(FX,AnU,QnA 和 Q 系列)，模拟外部 I/O 信号，设定软件状态与数值。第 11 页 共 25 页5.3 PLC 流程图、重点主体流程是整个系统的工作方式，从开始 PLC 就不断在扫描程序的运行模式，对整个系统工艺不影响的情况下，它的工作就如下过程：图 5.1 PLC 流程图5.4 PLC 输入输出地址 表 5.1 I/O 分配表设备名称I/O 地址备注设备名称I/O 地址备注调节池启动按钮X000调节池自锁Y000调节池停止按钮XOO1提升泵

30、Y001第 12 页 共 25 页A1 池启动按钮X002潜水搅拌机Y002A1 池停止按钮XOO3电磁流量计YOO3A2 池启动按钮X004PH 检测仪YOO4A2 池停止按钮X005A1 池自锁Y005一沉池启动按钮X006潜水搅拌机Y006一沉池停止按钮X007A2 池自锁Y007二沉池启动按钮X010潜水搅拌机Y010二沉池停止按钮X011一沉池自锁Y011斜管沉淀池启动按钮X012污泥回流泵Y012斜管沉淀池停止按钮X013二沉池自锁Y013反应池启动按钮X014污泥回流泵Y014反应池停止按钮X015污泥回流泵Y015加药系统启动按钮X016斜管沉淀池自锁Y016加药系统停止按钮X

31、017反应池自锁Y017气浮池启动按钮X020搅拌机Y020气浮池停止按钮X021加药系统自锁Y021出水管道启动按钮X022搅拌机Y022出水管道停止按钮X023水泵Y023风机启动按钮X024气浮池自锁Y024风机停止按钮X025水泵Y025风机 2 手动按钮X026出水管道自锁Y026风机 1 手动按钮X027清夜回流泵Y027风机 1Y030风机 2Y031第 13 页 共 25 页5.5 PLC 输入/输出接线图图 5.2 PLC 输入/输出接线图5.6 PLC 程序流程图调节池：提升泵 2 台、潜水搅拌机 2 台、电磁流量计 1 套，PH1 套。第 14 页 共 25 页A1 池：潜水搅拌机 2 台。A2 池：潜水搅拌机 3 台。一沉池；污泥回流泵 1 台。二沉池：污泥回流泵 1 台。斜管沉淀池：污泥回流泵 1 台。反应池：搅拌机 3 台。加药系统：搅拌机 3 台，水泵 3 台