【基于PLC的污水处理系统设计8500字（论文）】

基于PLC的污水处理系统设计TOC\o"1-3"\h\u210991前言 页1前言现在我国经过污水处理后的水质不光成本投入高，耗时很久，而且处理过的水质也没办法再次利用，此时需要从源头来解决问题，处理好没有经过净化的水质，才是解决污水污染的有效手段。我国环保法律法规随着时间的推移越来越完善，只有工业企业使用更加完善的技术和手段才能使污水处理干净，将污水中的有毒杂质完全去除，使处理后的净水达到我国净水排放标准后方可排出，但是要考虑技术和成本问题，因为这些都是要集中应用于各种大型污水厂的建设。而相对于生活污水而言，提高处理污水的效率和质量同样要求大型污水厂也可以做到。通过制定一套污水控制系统，不仅能够有效阻止水资源遭受破坏，同时还具有开发新水源的功效，为水源持续再生提供有效保障。根据报告发布数据表明：我国2012年污水处理行业实现销售收入236.64亿元，实现利润总额25.46亿元，平均从业人数2.63万人，中小企业有213家生产企业，35家经常出现财务危机，负债额为4.41亿元。说明污水处理行业十分不景气，行业亏损严重，需要改进的地方还很多，技术效率太低，成本过高。据网络信息表明，我国的每年需要大概为300亿到400亿m3的水资源补给，每年居然有2300多亿元的经济损失是水资源匮乏而造成，远远超过了洪水泛滥的经济损失，我国大概有300多个地区缺水，其中较严重缺水的地区有五十多个。水资源的缺乏和水资源的污染已经使我国的经济建设和发展受到严重阻碍，使我国可持续发展的道路变窄，使人民的生活健康受到威胁。其中最严重的是我国北方城市，比如北京、天津、沈阳，对淡水资源的需求更大更明显，油田的污水无法处理，不能随便外排，而城市净化污水能力不足，更加剧了水资源短缺。对于生活污水的处理过程，很多污水处理厂在这方面存在较多问题。由于建厂的时间不同，处理污水程度也不相同，有的老旧工厂不但需要大量的工人，而且处理效率很低，一些污水处理系统由于时间久，稳定性变差，处理效率变低。因此，我们需要研究更高效稳定的污水处理控制系统。基于此，本设计的主要内容是：了解污水处理的工艺方法，确定采用其中一种处理工艺（氧化沟法），根据其工艺要求及相关流程，选定设备的具体型号，设计系统的硬件连线图和PLC梯形图程序，从而完成整个污水处理系统的设计。2系统总体方案设计2.1系统主要组成部分污水处理厂的设备众多，工艺流程复杂。其基本的系统组成如图2-1所示。图2-1污水处理系统基本组成示意图（1）曝气沉沙池系统——污水通过进水管道进入漩流沉沙池内，漩流沉沙池中旋转的叶片促进污水呈螺旋状流动，加速污水中大块杂质污物的沉淀，进化后的污水通过污水管道通向粗格栅系统中。（2）粗格栅系统——由上一级漩流沉沙池系统中排出的污水通过管道进入，粗格栅系统主要由粗格栅和清污机组成。粗格栅由可编程序控制器设置的程序进行启停控制，污水中的大颗粒物被粗格栅筛选后沉淀。当沉淀的大颗粒污物到达一定值后，水位上升，这时候安装在粗格栅两边的液位计开始工作，将信号传给可编程序控制器，控制器将控制清污机的开启。清污机将沉淀的大颗粒污物吸入沉淀池，水位下降，低于液位传感器设定的值，清污机停止运行。（3）细格栅系统——由上一级粗格栅系统中的污水通过管道进入。细格栅系统主要由三部分构成，分别是转股清污机、除沙池和细格栅。污水中的细小沙粒进入除沙池，而转股清污机和细格栅负责将污水中的细小颗粒物进一步净化。细格栅由可编程序控制器设置的程序进行启停控制，污水中的小颗粒物被细格栅筛选后沉淀。当沉淀的小颗粒污物到达一定值后，水位上升，这时候安装在细格栅两边的液位计开始工作，将信号传给可编程序控制器，控制器将控制清污机的开启。清污机将沉淀的小颗粒污物吸入沉淀池，水位下降，低于液位传感器设定的值，清污机停止运行。除沙池中沉淀的沙粒通过曝气机和分离机的启动去除。（4）厌氧池和好氧池系统——由上一级细格栅的污水通过管道进入。此系统由三部分组成，分别是氧化沟反应池、转碟曝气机和潜水搅拌机。该系统的主要功能是将污水进行生化处理，分解污水中的有害物质，让处理后的污水达到我们设定的目标值。转碟曝气机设备是我们这个整个系统的核心部分，通过在氧化沟系统中安装的溶解氧仪设备对处理后的污水中的氧气含量进行检测，将信号传给可编程序控制器，可编程序控制器通过计算后进行控制转碟曝气机的运转，曝气机将空气混合打入污水中，提高污水的氧气含量。而潜水搅拌机的功能是通过涡轮叶片的运行来使此系统中的污水和添加的一些化学药物充分接触后达到生化反应更加剧烈的作用，是污水中对人体有害的化学物质充分分解。污泥回流泵由可编程序控制器设置的程序进行启停控制，污水中的小颗粒物被细格栅筛选后沉淀。当沉淀的小颗粒污物到达一定值后，水位上升，这时候安装在氧化沟两边的液位计开始工作，将信号传给可编程序控制器，控制器将控制污泥回流泵的开启。污泥回流泵将沉淀的小颗粒污物吸入沉淀池，水位下降，低于液位传感器设定的值，污泥回流泵停止运行。（5）沉淀池系统——此系统的核心设备是压泥机。主要对上一阶段处理后的污水进行物理沉淀后，沉淀下来的污泥和上层清水分离，压泥机在系统开启后就会一直运转。2.2系统工作原理污水处理系统电气控制系统总体框图如图2-2所示。污水处理厂的设备众多，工艺流程复杂。其基本的系统组成如图2-2所示。图2-2电气控制系统总体框图当手动控制时，我们可以通过操作面板上的开关来控制相关的设备，此时，相关设备的启停可以不由传感器的输入信号来控制。当切换到手动控制时，系统将进行闭环控制，相关传感器将信号输入到PLC中，由PLC自动调节相关设备的启停，其工作过程如下图2-3所示。（1）电源开启后，开启自动控制模式，潜水搅拌机和刮泥机启动。（2）粗格栅机和细格栅机启动间隔开启模式，设定启动时间和停止时间。（3）位于污水处理系统中的液位计测量液位信号，并将信号输入PLC，由PLC控制清污机的开启和关闭。（4）位于污水处理系统中的液位计测量液位信号，并将信号输入PLC，由PLC控制进水泵房潜水泵的开启和关闭。（5）系统中的溶解氧仪传感器将测量的数据传递给PLC，PLC经过运算后控制分离机的启停。（6）液位计测量的液位信号经过PLC运算后控制污泥回流泵的启停。（7）在污水处理系统中，脱水机按顺序控制方式启动，设备先后启动。图2-3污水处理系统工作示意图3系统硬件设计3.1PLC的选择由系统设计要求，此系统一共采用的数字量输入为24路，数字量输出为14路，模拟量输入为21路，模拟量输出5路。经分析我们选择三菱小型PLC，FX2N中的FX2N-64MR-001，一共有32个数字量输入，32个继电器输出，符合本系数字量输入和输出的使用需要，并有相应的余量。三菱FX2N系列PLC的模拟量输入模块有2路FX2N-2AD，4路的FX2N-4AD和8路的FX2N-8AD，我们选择8路模拟量输入，FX2N-8AD，共选择3块，3*8=24路模拟量输入，可以满足21路的使用需求。模拟量输出有2路的FX2N-2DA，4路的FX2N-4DA，我们选择FX2N-4DA，含4路模拟量输出，共2块，2*4=8，可以满足需要5路模拟量输出的使用需要。3.2主电路设计主电路图如3-1所示。采用外部3相380V交流电供电。空气开关QF1控制所有设备电源的通断，熔断器FU1在主电路中起短路、过载保护。十台电动机分别为粗格栅电动机（M1）、细格栅电动机（M2）、潜水泵1电动机（M3）、潜水泵2电动机（M4）、潜水泵3电动机（M5）、曝气机1电动机（M6）、曝气机2电动机（M7）、曝气机3电动机（M8）、曝气机4电动机（M9）、污泥泵电动机（M10）。QF2、QF3、QF4、QF5、QF6、QF7、QF8、QF9、QF10、QF11、分别为其回路断路器。FU2、FU3、FU4、FU5、FU6、FU7、FU8、FU9、FU10、FU11分别为其回路熔断器。KM1是粗格栅电动机启动接触器。KM2是细格栅电动机启动接触器。KM3和KM4分别是是潜水泵1和2的电动机启动接触器。污泥泵电动机启动接触器是KM5。FR1、FR2、FR3、FR4、FR5、FR6、FR7、FR8、FR9、FR10、分别为用作过载保护的热继电器。紫外线消毒机是B1。图3-1主电路3.3控制电路控制电路如图3-2所示。FU14和QF13分别是是控制电路的熔断器和空气开关。直流开关电源A6将交流200V转换为直流24V，供PLC使用。PLC输出端与中间继电器KA1的线圈相连，当PLC有信号输出时，继电器线圈得电，触点KA1闭合，此时接触器KM1的线圈得电，KM1的常开主触点立即闭合，粗格栅电机得电，正常运转，开启清污。PLC输出端与中间继电器KA2的线圈相连，当PLC有信号输出时，继电器线圈得电，触点KA2闭合，此时接触器KM2的线圈得电，KM2的常开主触点立即闭合，细格栅电机得电，正常运转，开启清污。水泵1、水泵2、污泥泵和紫外线杀毒设备的控制原理与粗细格栅的控制一样，其中KM3和KM4是分别控制水泵1、2的接触器；KM5和KM6是分别控制污泥泵和紫外线杀毒设备的接触器。图3-2控制电路图3.4PLC的I/O分配PLC输入和输出分配表如表3-1,3-2,3-3,3-4所示。表3-1PLC输入分配表功能描述内部地址外部编号启动按钮X000SB1停止按钮X001SB2自动手动模式选择开关X002SA1手动启动粗格栅选择开关X003SA2手动启动细格栅选择开关X004SA3手动启动水泵一选择开关X005SA4手动启动水泵二选择开关X006SA5手动启动水泵三选择开关X007SA6手动启动风机一选择开关X010SA7手动启动风机二选择开关X011SA8手动启动风机三选择开关X012SA9手动启动风机四选择开关X013SA10手动启动污泥泵选择开关X014SA11手动启动紫外线消毒选择开关X015SA12粗格栅过载保护X016FR1细格栅载保护X017FR2水泵一载保护X020FR3水泵二载保护X021FR4水泵三载保护X022FR5风机一载保护X023FR6风机二载保护X024FR7风机三载保护X025FR8风机四载保护X026FR9污泥泵载保护X027FR10表3-2PLC输出分配表功能描述内部地址外部编号启动粗格栅Y000KA1启动细格栅Y001KA2启动水泵一Y002KA3启动水泵二Y003KA4启动水泵三Y004KA5启动风机一Y005KA6启动风机二Y006KA7启动风机三Y007KA8启动风机四Y010KA9启动污泥泵Y011KA10启动紫外线消毒Y012KA11自动方式指示Y013HL1手动方式指示Y014HL2自动运行指示Y015HL3表3-3模拟量输入功能描述内部地址外部编号运行电流0D0IT1运行电流1D1IT2运行电流2D2IT3运行电流3D3IT4运行电流4D4IT5格栅电流D5IT6泵1电流D6IT7泵2电流D7IT8进水CODD8CT1出水CODD9CT2出水NH3ND10CT3出水DOD11CT4流速QD12FT1风压D13PT2自控风机房温度D14TT1格栅前液位D15LT1运行频率0D16HT1运行频率1D17HT2运行频率2D18HT3运行频率3D19HT4运行频率4D20HT5表3-4模拟量输出功能描述内部地址外部编号水泵频率控制D31Hz2风机1频率控制D32Hz3风机2频率控制D33Hz4风机3频率控制D34Hz5风机4频率控制D30Hz13.5PLC接线图PLC外部接线图如图3-4，图3-5，图3-6所示。图3-3PLC外部接线图图3-4PLC模拟量输入接线图图3-5PLC模拟量输出接线图3.6泵站的设计3.6.1选泵根据此污水处理厂的设计要求，已知此污水处理厂的日处理量为七万吨，根据已知流量和污水处理厂的构造选用3台水泵，两用一备。（1）每台水泵的流量为Q,24小时工作,则Q=（2）污水处理厂的设计扬程H=15(m)（3）泵的功率W=g为重力加速度，取9.8N/Kgρ为污水密度，取1000Kg/mɳ为水泵效率，取0.85则，W=根据《给排水设计手册常用设备》并结合计算结果，综合考量，选用KW40-500型无堵塞离心泵三台，两用一备。3.6.2电机选择我们已知水泵功率为71KW，设电机功率为P，则P=r*W，式中r为安全余量，取1.2；电机功率P=1.2×71=85.2(KW)根据《给排水设计手册常用设备》并结合计算结果，综合考量，选择Y280M-4型三相鼠笼式异步电动机，该电机的设备参数如下:额定功率N=90kw,满载时:电流I=164A,转速1480r/min,效率n=93%。3.7仪器仪表选型此污水处理厂的仪器仪表的选择需要根据处理厂的设计标准来确定，由以下五个要求：（1）所选用的仪器仪表必须提供充足的可靠性且性能较好。（2）由节约成本的要求，在满足污水处理厂设计要求的前提下，尽量选择价格较低的仪表。（3）因为污水处理厂的特殊性，所选用的仪器仪表需要满足防水的要求。（4）在仪器仪表的选用上，需要注意安装的便捷性，且需要设备的可换性良好。（5）尽量选择同一家公司提供的设备，防止设备系统相互冲突，此污水处理厂主要采用美国HACH公司提供的仪器仪表。本污水处理厂所选用的仪器设备型号及数量如下表3-5所示。表3-5仪器仪表选型名称型号数量超声波液位差计CXZYW-01B2超声波液位计FMU303溶解氧测定仪HI20042污泥浓缩计PWN-121硫化氢监测仪CLH1001OPR仪ORP-1441泥位计BRL-5002PH/T计PHG-20812压力变送器EJA510E5流量计H168844系统软件设计4.1控制流程图设计依据污水处理系统的设计方案，污水处理系统的控制分为手动和自动两种运行模式。当处于手动模式时，任意一个设备都可以独立运转。一般来说，处于手动模式时，都是用来检测设备运行状态是否正常。如图4-1所示。图4-1模式选择流程图4.1.1手动模式如图4-2所示。当系统处于手动控制模式的时候，可以通过手动控制单个设备的启停来测试设备运转是否正常。图4-2手动操作模式流程图4.1.2自动模式当系统处于自动控制模式的时候，只需要按下自动控制开关，系统就会自动开启工作，主要的工作流程如下：（1）处于自动控制模式的时候，按下自动控制开关，粗格栅机启动并开始工作。（2）细格栅机启动并开始工作。（3）潜水泵启动并开始工作。（4）曝气机启动并开始工作。（5）污泥泵启动并开始工作。（6）消毒机启动并开始工作。（7）离心脱水机启动并开始工作。上述工作过程都是通过传感器测量信号并将信号传输到PLC，由PLC计算后自动控制各个设备。4.2PLC程序设计*开机初始化，设定预置频率*开机初始化，设定FX2N-8AD输入模块1参数*开机初始化，设定FX2N-8AD输入模块2参数*开机初始化，设定FX2N-8AD输入模块3参数*开机初始化，设定FX2N-4DA模拟量1输出参数*开机初始化，设定FX2N-4DA模拟量2输出参数*开机延迟5秒读取数据*读取模拟量输入模块1数据，保存在D0到D7中*读取模拟量输入模块2数据，保存在D8到D15中*读取模拟量输入模块3数据，保存在D16到D23中*数据范围0到16000*写入模拟量输出模块1*写入模拟量输出模块2*运行电流0转换，将读取的0到16000的数值，转成0大20.0电流值，*保存在D100中*运行电流1读取，保存在D104中*运行电流2读取，保存在D108中*运行电流3读取，保存在D112中*运行电流4读取，保存在D116中*格栅电流读取，保存在D120中*泵1电流读取，保存在D124中*泵2电流读取，保存在D128中5组态画面的设计5.1通信设定选择COM2，建立设备连接，选择三菱FX2编程口，通讯地址设定为0，通讯波特率等使用预设的。组态王里面双击COM2，进行通信设定，选择数据位为7位，其他的预设。如图5-1所示。图5-1组态王COM2口通信设定双击COM2后面的新建，新建设备连接，找到PLC，找到三菱，找到FX2，找到编程口。其他的使用预设的参数。如图5-2所示。图5-2选择三菱FX2编程口5.2数据词典组态王跟外部设备通讯，需要在组态王里建立变量，连接PLC里面的地址，数据类型相匹配，建立如下图数据词典，完成后如下图5-3。图5-3数据词典5.3建立画面组态监控画面，建立各模型，例如漩流沉沙池，粗格栅模型，细格栅模型，厌氧池模型，好氧池模型，沉淀池模型，污泥浓縮池模型，压泥机模型，紫外线消毒模型等，组态管道，按钮，指示灯，建立数据显示，例如进水COD，出水COD，出水NH3N,出水DO，流量Q，累计流量，建立各泵启动，停止按钮，各风机启动和停止按钮，各泵，风机电流显示，运行频率显示，风机压力显示，机房温度显示等，连接变量，组态动画,如图5-4所示。图5-4监控画面为了有动画效果，点击画面，右键，属性，设定刷新时间为100毫秒，在编辑窗口编写组态命令语言如图5-5所示。图5-5监控画面循环命令建立设备日报表画面，实现报表。如图5-6所示。图5-6设备日报表画面建立历史报警画面，用于显示当前和以往发生的报警，插入报警控件，选择历史报警,如图5-7所示。图5-7历史报警画面建立实时曲线画面，插入实时曲线控件，用于实时显示进水COD，显示出水COD，显示出水氨氮，显示出水流水。如图5-8所示。图5-8实时曲线画面建立历史曲线画面，插入历史曲线控件，用于显示保存的进水COD数据，出水COD数据，出水氨氮数据，出水流水数据。如图5-9所示。图5-9历史曲线画面5.4运行在组态王的工程浏览，找到系统设置，选择开机显示窗口，这里选择“项目”和“ABB1”。如图5-10所示。图5-10选择开机显示画面在组态王的编辑画面，到文件菜单，点击切换到view，启动组态王运行。如图5-11所示。图5-11启动运行画面就可以在线监控，连接PLC后和点击画面进行控制。污泥泵运行时会动画显示管道流动，紫外线灯打开会动画显示消毒。点击底部的切换按钮可以切换到不同的画面，点击仿真按钮，启动仿真，进行动画演示。观察到各处在动画动作。粗格栅系统如下图5-12所示，由上一级漩流沉沙池系统中排出的污水通过管道进入，粗格栅系统主要由粗格栅和清污机组成。粗格栅由可编程序控制器设置的程序进行启停控制，污水中的大颗粒物被粗格栅筛选后沉淀。当沉淀的大颗粒污物到达一定值后，水位上升，这时候安装在粗格栅两边的液位计开始工作，将信号传给可编程序控制器，控制器将控制清污机的开启。清污机将沉淀的大颗粒污物吸入沉淀池，水位下降，低于液位传感器设定的值，清污机停止运行。图5-12粗格栅系统画面细格栅系统如下图5-13所示，由上一级粗格栅系统中的污水通过管道进入。细格栅系统主要由三部分构成，分别是转股清污机、除沙池和细格栅。污水中的细小沙里进入除沙池，而转股清污机和细格栅负责将污水中的细小颗粒污进一步净化。细格栅由可编程序控制器设置的程序进行启停控制，污水中的小颗粒物被细格栅筛选后沉淀。当沉淀的小颗粒污物到达一定值后，水位上升，这时候安装在细格栅两边的液位计开始工作，将信号传给可编程序控制器，控制器将控制清污机的开启。清污机将沉淀的小颗粒污物吸入沉淀池，水位下降，低于液位传感器设定的值，清污机停止运行。除沙池中沉淀的沙粒通过曝气机和分离机的启动去除。图5-13细格栅系统画面曝气沉沙池系统如下图5-14所示，污水通过进水管道进入漩流沉沙池内，漩流沉沙池中旋转的叶片促进污水呈螺旋状流动，加速污水中大块杂质污物的沉淀，进化后的污水通过污水管道通向粗格栅系统中。图5-14曝气沉沙池系统画面生化池系统如下图5-15所示，由上一级细格栅的污水通过管道进入。此系统由三部分组成，分别是氧化沟反应池、转碟曝气机和潜水搅拌机。该系统的主要功能是将污水进行生化处理，分解污水中的有害物质，让处理后的污水达到我们设定的目标值。转碟曝气机设备是我们这个整个系统的核心部分，通过在氧化沟系统中安装的溶解氧仪设备对处理后的污水中的氧气含量进行检测，将信号传给可编程序控制器，可编程序控制器通过计算后进行控制转碟曝气机的运转，曝气机将空气混合打入污水中，提高污水的氧气含量。而潜水搅拌机的功能是通过涡轮叶片的运行来使此系统中的污水和添加的一些化学药物充分接触后达到生化反应更加剧烈的作用，是污水中对人体有害的化学物质充分分解。污泥回流泵由可编程序控制器设置的程序进行启停控制，污水中的小颗粒物被细格栅筛选后沉淀。当沉淀的小颗粒污物到达一定值后，水位上升，这时候安装在氧化沟两边的液位计开始工作，将信号传给可编程序控制器，控制器将控制污泥回流泵的开启。污泥回流泵将沉淀的小颗粒污物吸入沉淀池，水位下降，低于液位传感器设定的值，污泥回流泵停止运行。图5-15生化池系统画面污泥处理系统系统如下图5-16所示，此系统的核心设备是压泥机。主要对上一阶段处理后的污水进行物理沉淀后，沉淀下来的污泥和上层清水分离，压泥机在系统开启后就会一直运转。同时为了进一步提高污水的沉淀效果，在物理沉淀的过程中我们加入混凝剂和絮凝剂，通过高分子聚合物的作用污水会更加容易沉淀。图5-16污泥处理系统画面6总结本文主要介绍了我国目前污水处理的现状和污水处理的重要性。设计了通过PLC自动控制的污水处理厂，完成了设计的主要目标。分析了国内外污水处理