城市污水处理系统中（泵站）变频调速控制系统的设计（PLC 变频器方案）

城市污水处理系统中（泵站）变频调速控制系统的设计（PLC+变频器方案）摘要目前为止，我国大多数污水处理控制系统自动化水平不高、安全性低、管理不当，效率普遍低于世界标准。污水处理系统中的曝气过程控制、数据通讯和监控管理是急需解决的主要问题。中国污水处理自控系统相对落后，污水处理成本居高不下，污水厂排放的处理过的污水的水质不稳定，所以如何建立有效的自控系统，优化运行效果，减少运行费用，具有重要意义。本文介绍了城市污水处理中进水系统的流程，并通过研究设计一套基于PLC控制的恒压进水处理系统。文章首先介绍了基于PLC污水处理控制系统的工艺及相关流程，控制系统硬件结构及设计、工作原理以及设计PLC控制系统的基本原则和步骤，来说明PLC在污水处理过程中的应用。先根据进水系统的要求设计了设备的电器控制与自动控制线路，主要包括设备的启停、状态显示、和信号采集等，最后按照工艺要求设计PLC控制系统。本设计需3台水泵，其型号65LG36，每台自带交流电动机7.5KW，380V。3台水泵均可实现变速、定速运行。关键词：污水处理；PLC；变频器；水泵组；压力控制

Theurbansewagetreatmentsystem(pumingstation)frequencyconversioncontrolsystemdesign(PLC+inverscheme)AbstractSofar,ourmostsewagetreatmentcontrolsystemautomationlevelisnothigh,safety,efficiency,lowimpropermanagementgenerallylowerthantheworldstandards.Sewagetreatmentsystemofaerationprocesscontrol,datacommunicationandmonitoringmanagementisthemainproblemsolvedurgently.Chinasewagedisposalautomationsystemsisrelativelybackward,sewagetreatmentcostremainshigh,wastewatertreatmentplantemissionsofprocessedsewagewaterisnotstable,sohowtoestablishaneffectivecontrolsystem,optimizetheoperationeffect,toreducetheoperationcost,tohavetheimportantmeaning.Thispaperintroducestheurbansewagetreatmentsystemintheflowofwater,andthroughthestudydesignasetofbasedonPLCcontrolofconstantpressurewaterprocessingsystem.ThisarticlefirstintroducesthesewagetreatmentcontrolsystembasedonPLCtechnologyandrelatedprocesses,controlsystemhardwarestructureanddesign,workingprincipleanddesignPLCcontrolsystem,thebasicprinciplesandstepsofPLCinsewagedisposaltoillustratetheapplicationprocess.Accordingtorequirementsofthewatersystemdesignoftheelectricalcontrolequipmentandautomaticcontrolcircuit,mainlyincludingequipmentstart-stop,statedisplay,andsignalacquisition,finallyaccordingtorequirementofprocessdesignPLCcontrolsystem.Thisdesignneed3pump,itstype,eachmachine65LG36cabinacmotor7.5KW,380V.3pumpallcanachievevariablespeed,fixedspeedoperation.KeyWords：Sewagetreatment;PLC;inverter;pumpingunit;pressuredependentcontrol

目录1章绪论 1城市污水处理的国内外现状 1课题的背景 2研究目的和意义 32章城市污水处理控制系统总体介绍 4城市污水处理基本概念 4城市污水处理工艺及描述 42.3恒压进水系统的原理介绍 52.4潜水搅拌机的作用 7推动水力循环 7提高传氧效率 7促进混合搅拌 8改善水体的水质 8潜水搅拌机的控制方式 8潜水搅拌机系统的闭环控制 93章变频调速系统 103.1变频器概述 103.2变频器的节能原理 113.3变频调速的原理 124章控制系统的模拟设计 14潜水搅拌机的工作原理 14控制系统总体框图 14进水系统主电路设计 15泵站工作过程 15PLC介绍与选型 16PLC编程语言 164PLC的工作过程 17PLC的选型 17模拟扩展模块 18压力变送器 19变频器介绍 204.5.1变频器的选型原则 204.5.2变频器参数设置 214.6变频执行模块 225章控制程序分析 23水泵工频/变频运行状态及转换过程分析 23状态转换关系 235.1.2状态转换条件 235.1.3状态转换的实现方法 24进水系统控制程序 24进水系统控制程序的主流程 26水泵运行与状态转换 275.3实现压力闭环控制的方法 275.4程序设计 286章组态的介绍与组态控制实现 376.1组态的介绍 37组态的控制实现 37建立组态与PLC的通讯 38部分组态画面 427章调试和运行结果 44硬件系统的调试 44软件系统的调试 448章结论与展望 46结论 46展望 46参考文献 48致谢 49附录APLC和变频器通讯 50附录BPLC控制程序 531章绪论水与人的生活息息相关，特别在现代社会生活及生产中人们对水的需求量与日俱增。然而，水资源是有限的。据报道我国人均拥有淡水量为2400吨，为世界平均值的1/4，在全球149个国家（参与统计国家中），我国人均淡水资源位居110位，属于淡水资源贫乏的国家。而且我国水资源时空分布极不均衡，全国500多个城市缺水，其中多个严重缺水，北方地区缺水现象尤其严重，人均拥有淡水量仅有240吨。令人担忧的是淡水总量日益减少，用水成本不断升高，淡水的浪费非常严重。我国北方地区水资源的超采，己形成漏斗地势、水位下降、湖泊干涸、河水断流、生态恶化。淡水资源的短缺己经成为我国急需解决的问题。我国淡水资源不断减少，而且污染现象较为严重。随着社会的发展，水资源已经成为影响工业发展的重要因素，现代工业中生产工艺和设备对水质要求越来越高。但是我国工业用水耗费高，重复利用水少，中水使用率不高，有关资料显示，我国的工业用水重复利用率平均为40%~50%。目前全国城市污水废水的处理率（达排放标准的）仅有10%左右，其余的污废水都直接排入河川、湖泊、海洋。耗水量高、重复利用率低、污染严重是我国水资源利用的突出问题。随着环境保护的呼声越来越高，城市污水处理已经体现出其必要性和紧迫性，对于各种污水进行处理后排放成为各企业基本的要求。城市污水处理的国内外现状我国城市污水处理事业开始于1921年。上海首先建立了北区污水处理厂，1926年又建了西区和东区污水长，总处理能力为4万吨/日。今年来随着经济的发展，水污染控制所面临的问题也愈加严重，目前不仅大、中、小城市建立污水厂，还有些郊区县也建设污水厂，如上海市嘉定县的污水厂已投入运行十几年了，上海市青浦徐泾镇、重庆市渝北区、河南省汝州市、浙江省多个县郊等几十个污水处理厂工程正在兴建中。据2000年统计，全国城镇的污水处理率达到25%，2010年将达到50%。然而，同先进国家相比，我国城市污水处理事业从数量、规模、普及率以及机械化、自动化程度上，还都存在着较大的差距。按照《城市污水污染控制技术政策》要求，城区人口达50万以上的城市，必须建立污水处理设施；在重点流域和水资源保护区，城市人口在50万一下的中小城市及村镇，应依据当地水污染控制要求，建设污水处理设施。在宪法中也有明文规定，并组建了许多专门生产环保设备和排水机械的专业工厂，许多产品已系列化了，但自动化仪表，检测仪与国外差距还很大，资金不足仍是根本性问题。19世纪以来，经济发达的国家相继出现了环境污染和社会公害问题，许多国家的河湖水域解氧降低，水生物减少，甚至绝迹。由于水环境污染，人们发病率增加，政府开始认识到加强污水处理的必要性，并投入大量资金兴建污水处理工程。经过30多年的大力整治，付出巨大代价，才基本控制了形势，使水生物恢复生长，水环境得到改善。这种污水处理事业与经济发展不相适应的状况所造成的损失是极大的，教训是深刻的。为此，各国政府对于污水处理工作极为重视，从法律和建设资金上给予保证，并不断开拓新技术，使城市污水处理事业得以迅速发展。截至上世纪70年代，发达国家基本上普及二级处理。但二级生物处理耗能多，运行费用高，基础建设投资也不低。发展中国家普遍“建不起”，或是“养不起”，因此纷纷寻求适用于本国国情的经济高效技术。就连美国也因废水处理费用的高昂引起众多的非议，据悉，美国每年二级生物处理厂所耗能量费用已超过10亿美元，因此他们也在大力研究新技术，或改革传统的流程。课题的背景随着我国快速的城市化和经济的高速发展，城市污水日益增多，由于城市污水中含有大量的杂质，不宜多次循环使用，也不能直接排放，所以为维持经济的持续、健康增长和生态环境的良性循环，必须对城市污水加以处理，循环再利用。目前，在我国只要城市和经济发达的地区都已有各自的污水处理设备，但大部分欠发达地区的县市和小城镇没有对各类污水采取处理措施，而是直接排入附近河流。随着环保要求的不断提高，未采取污水处理措施的小城镇在未来的若干年中必然有自己的污水处理设备。未来10年，中国城市污水处理项目工程建设投资将大大提高。采用先进、实用的技术改造传统工艺，在环保工程中广泛采用先进的自动控制技术，是推动环保产业升级，实现环保发展战略的重要环节。在这种形势下城市污水处理自动化控制系统无疑是一个具有巨大的社会效益、环境效益及经济效益的研究课题。对于环境保护问题，国务院明确规定所有城市污染源都必须达到排放标。其中处理过的污水还可以循环再利用，由于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。所以水资源也是一种保护。因此，从环保、注水等多方面的因素考虑，对于城市污水处理非常有必要。因此，有效的结合目前最新的工艺状况、计量自控检测仪表使用、PLC控制系统技术，将为当前城市污水处理控制系统提供有效的自控方法。研究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度的环境污染，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6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，年缺水总里约为300亿～400亿立方米，因缺水造成的经济损失每年达2300亿。超过洪涝灾害。水资沟的匮乏和水资源的污染，己经严重的影响了人民的日常生活，严重的影响了我国的经济建设和发展。因此建设符合我国国情的污水厂自动控制系统对降低城市污水处理成本、改善环境、建立可持续发展社会和和谐社会、保持我国经济高速发展具有重要意义。2章城市污水处理控制系统总体介绍城市污水处理基本概念城市污水处理是指为改变污水性质，使其对环境水域不产生危害而采取的措施。城市污水处理一般分为三级：一级处理，系应用物理处理法去除污水中不溶解的污染物和寄生虫卵；二级处理，系应用生物处理法将污水中各种复杂的有机物氧化降解为简单的物质；三级处理，系应用化学沉淀法、生物化学法、物理化学法等，去除污水中的磷、氮、难降解的有机物、无机盐等。至于采取哪级处理比较合理，应视对最终排出物的处理要求而定。城市污水、生活污水、生产污水或经过工业企业局部处理后的生产污水，往往都排入排水系统。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：=1\*GB3①排放水体；=2\*GB3②灌溉田地；=3\*GB3③重复使用。污水污染物可根据化学性质和物理形态进行不同的分类。按化学性质，污水中的污染物质可分为无机性物质和有机性物质，其化学元素以炭、氮、磷为主。按物理形态，污水中的污染物质可分为固体悬浮物即呈颗粒状的污染物质、胶体污染物质和溶解性污染物质。2.2城市污水处理工艺及描述本城市污水处理工艺流程图如下图2-1所示：图2-1工艺流程图污水由进水系统通过粗格栅和清污机进行初步排除大块杂质物体，到达除砂池中。在除砂池系统中细格栅和转鼓清污机进一步净化污水中的细小颗粒物体，将污水中的细小沙粒滤除后进入氧化沟反应池。在该氧化沟系统中进行生化处理，分解污水中的有害物质，此环节用到一些化学药剂来加强处理效果，如复合碱、氯气、油絮凝剂等。对污水进行除油、消毒、调整PH值。同时在该系统中设置有溶解氧仪超声波检测器，通过它对污水中的含氧量进行检测，根据其反馈到PLC的值来控制曝气机变频器的运行，改变污水中溶解氧的含量。潜水搅拌机的作用是推进水流，使氧化沟的污水和活性污泥处于剧烈搅拌充分混合接触，使生化反应更加充分，以最大程度地分解污水中的有害成分。经处理的污水进入沉淀池中，在刮泥机的作用下进行物理沉淀，为了加强沉淀效果，同时加入混凝剂和絮凝剂利用高分子助凝剂的强烈吸附架桥作用更加容易沉降。污水经沉淀池处理最后到达脱水环节，离心式脱水机作用下进行脱水处理后排出清水。恒压进水系统的原理介绍变频器是实现电机变频运行的主要设备，能按照水压恒定需要将0～50Hz的频率信号供给水泵电机，调整其转速。MM420变频器功能强大，即预先编置好的参数集，将使用过程中所需设定的参数数量减小到最小，参数的缺省值依应用宏的选择而不同。系统采用PID控制的应用宏，进行闭环控制。MM420变频器根据恒压时对应的电压设定值与从压力传感器获得的反馈电流信号，利用PID控制宏自动调节，改变频率输出值来调节所控制的水泵电机转速，以保证管网压力恒在一定范围内，满足工艺要求。图2-1进水系统供水简图在以前的处理工艺中，常在同一路进水系统中，设置多台常用泵，当所需进水量大时多台泵全开，供水量小时开一台或两台。随着技术的发展，随着变频技术的成熟。变频技术应用到了污水处理中的进水系统，一方面可以实现恒压控制，另一方面可以减少能源浪费，减低成本。恒压控制是根据压力反馈信号，通过PID运算自动调整变频器输出频率，改变电动机转速，最终达到管网恒压的目的。根据反馈原理：要想维持一个物理量不变或基本不变，就应该引这个物理量与恒值比较，形成闭环系统。我们要想保持水压的恒定，因此就必须引入水压反馈值与给定值比较，从而形成闭环系统。但被控制的系统特点是非线性、大惯性的系统，现在控制和PID相结合的方法，在压力波动较大时使用模糊控制，以加快响应速度；在压力范围较小时采用PID来保持静态精度。这通过PLC加智能仪表可时现该算法，同时对PLC的编程来时现泵的工频与变频之间的切换。2.4潜水搅拌机的作用潜水搅拌机又称潜水推进器，适用于污水处理厂的工艺流程中推进搅拌含有悬浮物的污水、稀泥浆、工业过程液体等，创建水流，加强搅拌功能，防止污泥沉淀，是市政和工业污水处理工艺流程上的重要设备：分为混合潜水搅拌机、潜水推进搅拌机。潜水搅拌器在污水处理领域中的作用主要有以下四方面。2.4.1推动水力循环用“推进器”进行水力循环是一种高效节能的手段，尤其在污水生化处理中的厌氧池、缺氧池和氧化沟中，其应用十分广泛。由于在这类池中只需提供必要的循环流速，就可以保持池内的混合液呈悬浮状态，使微生物与其基质充分接触，因此其池型多采用Carrousel池型，通过“推进器”输人的能量，形成连续循环水流。这种设计不仅能有效地保持混合液悬浮，而且由于池内循环水流的流量通常高于进水流量数十倍，甚至上百倍，使池内水流产生巨大的稀释匀化能力，因而这种反应器具有耐冲击负荷的优良工艺特性。同样在氧化沟设计中，表曝设备兼有充氧与水力循环的双重功能。在工程中往往会因水质和水量变化而需要调整充氧能力时，难于兼顾池内的循环流速，造成沟内沉泥积泥的问题。增设“推进器”便可以有效地解决其积泥问题，而且进行这项技术改造并不复杂，投资又很少。这种设计不仅可以应用于生化处理系统中，还可以应用到污水排海工程的预处理系统中。在某污水处理工程的污水泵站建成之前，就设置了贮水池以均衡出水流量，保证放流管系统的平稳运行。贮水池池容为800立方米，每组水池池长64米，池宽27米，有效水深6米，设计最小循环流速。在贮水池中按廊道分别布置了四台“推进器”2.4.2提高传氧效率在污水生化处理系统中，曝气是维持好氧微生物正常代谢的基本手段，水下曝气系统的传氧效率又与水深有着直接的关系。在曝气池中采用“推进器”将曝气池设计成上述连续循环流池型，就会在循环流速的作用下，改变由曝气头释放“气泡”的路径，增大“传氧水深”，提高传氧效率。采用这种设计通常可使曝气系统的传氧效率提高15%左右，污水处理的能耗与运行费用随之节省。2.4.3促进混合搅拌随着污水生化处理技术的发展，出现了分格、分段处理的工艺。当单格池容较小时，可将每格设计成正方形平面或圆形平面，并在每格中设置一台“搅拌器”。这类反应器的布置方式十分灵活，在圆形池中可以任意布置位置，只要产生的推力与水流方向一致即可。在矩形池中则要布置在池壁的夹角处，设计中应注意水流方向的选择。当单池容积较大(如超过800立方米)时，就应当通过对技术方案进行分析比较，来选择确定是采用“搅拌器”还是“推进器”。一般而论，单池池容越大，池面越大，采用“推进器”越经济。2.4.4改善水体的水质在许多受污染的水体和污水处理所用的深度处理塘中，往往会遇到因水深、水流滞缓导致水体表面复氧不能保证深水区的溶氧要求的问题。这时候可以设置“搅拌器”进行“人工呼吸”，为深水区复氧，改善整个水体的水质。这种“人工呼吸”技术是一种简单而有效的水质改善手段。但由于其设计方式较多，涉及的边界条件较为复杂，限于篇幅，不在此赘述。潜水搅拌机的控制方式污水处理系统定流量控制方式的这些缺陷是显而易见的，能否找到一种更先进的运行控制方式，既能够实现污水处理系统中潜水搅拌机的基本作用，又能够实现节能？答案的肯定的。长期以来，人们为了降低污水处理的运行成本，减少宝贵的能源浪费，污水吹系统的运行管理工作者、设计工作者和节能科技工作者们，都进行了艰苦不懈的努力。一些有经验的污水处理系统操作和维护人员，在没有技术手段的情况下，常常采用人工控制的方法来进行节能。如：污水处理负荷减少时，减少投入运行的主机台数和水泵台数，或者使主机间断工作，这可以收到一定节能效果，但这种人工步进式的调节非常粗糙，实时性差，且受设备配置的限制和人的因素影响较大。近年来，随着大功率电力电子器件的出现，促进了变频器的小型化和实用化，为降低污水处理系统的能源浪费，人们开始采用变频器来控制空调系统的水泵，通过出水口压力的采集，对潜水搅拌机进行PID（比例、积分、微分）调节，以达到节能效果。这种基于精确数学模型的PID控制，历史悠久，原理简单，使用方便，价格较低。潜水搅拌机系统的闭环控制目前，在潜水搅拌机系统进行改造的方案最为常见，节电效果也较为显著。该方案同样在保证潜水搅拌机有一定的水流出的情况下，通过控制变频器的输出频率来调节搅拌机出水流量，当所需处理的污水不多时，减少搅拌机出水流量；当所需处理的污水较多时，加大搅拌机出水的水流量，从而保证污水中悬浮物不沉淀前提下达到节能增效的目的。其闭环控制框架如图2-3。现有的控制方式大都先确定一个搅拌机变频器工作的最小工作频率，将其设定为：下限频率并锁定，变频搅拌机水泵的频率是取搅拌机出水口压力信号来调节，当压力大于设定值时，频率无极上调，当压力小于设定值时，频率无极下调，当压力差越大时，变频器的输出频率越高；当压力差越小，变频器的输出频率越低。PLC控制器PLC控制器变频器潜水搅拌机管道水泵机组压力检测图2-3系统控制闭环回路3章变频调速系统变频器概述（frequencychanger/frequencyconverter）是一种用来改变交流电频率的电气设备。此外，它还具有改变交流电电压的辅助功能。过去，变频器一般被包含在电动发电机、旋转转换器等电气设备中。随着半导体电子设备的出现，人们已经可以生产完全独立的变频器。变频器通常包含3个组成部分：整流器（rectifier）和逆变器（Inverter）,还有直流部分(DC)。其中，整流器将输入的交流电转换为直流电，逆变器将直流电再转换成所需频率的交流电。除了这2个部分之外，变频器还有可能包含变压器和电池。其中，变压器用来改变电压并可以隔离输入/输出的电路，电池用来补偿变频器内部线路上的能量损失。不同的变频器能够处理的电源功率是不一样的，从几瓦到几兆瓦都有。变频器主要是由主电路、控制电路组成。图3-1变频器工作原理图流电压变动。为了抑制电压波动，采用电容和电感吸收脉动电压（电流）。装置容量小时，主电路是给异步电动机提供调压调频电源的电力变换部分，变频器的主电路大体上可分为两类:电压型是将电压源的直流变换为交流的变频器，直流回路的滤波是电容。电流型是将电流源的直流变换为交流的变频器，其直流回路滤波是电感。它由三部分构成，将工频电源变换为直流功率的“整流器”，吸收在变流器和逆变器产生的电压脉动的平波回路”，以及将直流功率变换为交流功率的“逆变器”。（1）整流器：最近大量使用的是二极管的变流器，它把工频电源变换为直流电源。也可用两组晶体管变流器构成可逆变流器，由于其功率方向可逆，可以进行再生运转。（2）中间直流电路：在整流器整流后的直流电压中，含有电源6倍频率的脉动电压，此外逆变器产生的脉动电流也使直如果电源和主电路构成器件有余量，可以省去电感采用简单的平波回路。（3）逆变器：同整流器相反，逆变器是将直流功率变换为所要求频率的交流功率，以所确定的时间使6个开关器件导通、关断就可以得到3相交流输出。以电压型PWM逆变器为例示出开关时间和电压波形控制电路是给异步电动机供电（电压、频率可调）的主电路提供控制信号的回路，它有频率、电压的“运算电路”，主电路的“电压、电流检测电路”，电动机的“速度检测电路”，将运算电路的控制信号进行放大的“驱动电路”，以及逆变器和电动机的“保护电路”组成。（1）运算电路：将外部的速度、转矩等指令同检测电路的电流、电压信号进行比较运算，决定逆变器的输出电压、频率。（2）电压、电流检测电路：与主回路电位隔离检测电压、电流等。（3）驱动电路：驱动主电路器件的电路。它与控制电路隔离使主电路器件导通、关断。（4）速度检测电路：以装在异步电动机轴机上的速度检测器(tg、plg等)的信号为速度信号，送入运算回路，根据指令和运算可使电动机按指令速度运转。（5）保护电路：检测主电路的电压、电流等，当发生过载或过电压等异常时，为了防止逆变器和异步电动机损坏，使逆变器停止工作或抑制电压、电流值。3.2变频器的节能原理变频器是输出频率可变的交流电力拖动设备。变频器调速的主要工作原理是将供给电机定子的三相交流工频电经大功率整流变成直流，再将直流电用正弦波脉宽调节技术逆变为频率可调、幅度也随之改变的三相交流电，以此为电源再供给电机使用。由水泵的工作原理可知，风机、水泵特性为：Q∝CH∝2P∝3即流量与转速成正比，压力与转速的平方成反比，轴功率与转速的三次方成正比。根据转速公式：n=n1(1-s)=60f(1-s)/p式中f——电源频率，在我国工频为50Hzp——极对数s——转差率（(定子旋转磁场转速-转子转速)/定子旋转磁场转速）调节电动机电源频率就可调节电动机转速，调节