基于PLC的工業(yè)污水處理控制系統(tǒng)設計論文

1、. . . . 本 科 畢 業(yè) 設 計（論文）題目 基于PLC污水處理控制系統(tǒng)設計62 / 67摘 要我國多數污水處理控制系統(tǒng)自動化水平不高、安全性低、管理不當，效率普遍低于世界標準。污水處理系統(tǒng)中的曝氣過程控制、數據通訊和監(jiān)控管理是急需解決的主要問題。中國污水處理自控系統(tǒng)相對落后，污水處理成本居高不下，污水廠排放的處理過的污水的水質不穩(wěn)定，所以如何建立有效的自控系統(tǒng)，優(yōu)化運行效果，減少運行費用，具有重要意義。本文介紹了工廠污水處理的基本工藝和流程，并通過研究設計一套基于PLC控制的污水處理系統(tǒng)。文章首先介紹了基于PLC污水處理控制系統(tǒng)的工藝與相關流程，控制系統(tǒng)硬件結構與設計、工作原理以與設計

2、PLC控制系統(tǒng)的基本原則和步驟，來說明PLC在污水處理過程中的應用。先根據污水處理要求設計了設備的電器控制與自動控制線路，主要包括設備的啟停、狀態(tài)信號故障信號、和信號采集等，最后按照工藝要求設計PLC控制系統(tǒng)，其中包括PLC的選型、系統(tǒng)資源配置以與按照污水處理工藝編制PLC程序。關鍵詞：污水處理 PLC 工藝流程AbstractOur country majority of wastewater treatment control system automation horizontal anti higher -low stability,manage not appropriate, th

3、e efficiency is morewidespreadlylow than a world standard.ThePugas process control in the wastewatertreatment system,data telecommunication and supervision are the key problems that needs settle urgently.Chinese wastewater treatmentfrom control system contra to fall behind, the wastewater treatment

4、cost is high, the fluid matter instability of sewage of handling of sewage plant emissions super , so how create useful from control system, excellent effect for turning run - time, decrease running expense, have important meaning.This text introduced the basic craft and flow process of works wastew

5、ater treatment, and design a wastewater treatment system that control according to PLC through a search.The article introduced according to the craft and related flow process of PLC wastewater treatment control system first, control system hardware structure and design, operate priniple and design P

6、LC control systemKeyword:Wastewater treatment PLC process flow目 錄1 緒論11.1 工業(yè)污水處理的國外現(xiàn)狀11.2 課題的背景11.3 研究目的和意義21.4 課題主要設計的容22 工業(yè)污水處理控制系統(tǒng)總體介紹32.1 工業(yè)污水處理基本概念32.2 常用的工業(yè)污水處理工藝42.3工業(yè)污水處理系統(tǒng)控制形式82.4 工業(yè)污水處理系統(tǒng)的功能要求93硬件系統(tǒng)配置123.1主要組成部分123.2電氣控制系統(tǒng)143.3工業(yè)污水處理系統(tǒng)的工作原理153.4 PLC選型183.5 PLC的I/O資源配置183.6變頻器與電動機223.7接觸器選型

7、. 27 3.8液位差計. 28 3.9溶解氧儀. 29 4軟件系統(tǒng)設計304.1總體流程設計304.2曝氣過程控制的任務404.3氯氣投加環(huán)節(jié)414.4絮凝劑投加環(huán)424.5 PID控制424.6 PLC和變頻器通訊44結 論46參考文獻47致48附錄.49附錄工業(yè)污水處理系統(tǒng)變頻部分主電路圖.61附錄工業(yè)污水處理系統(tǒng)PLC硬件接線圖.621 緒 論1.1 工業(yè)污水處理的國外現(xiàn)狀我國工業(yè)污水處理技術經過“七五”、“八五”和“九五”期間的努力，我國在工業(yè)污水處理技術方面取得了較大的成就。目前在水污染治理技術上，我國已能提供下列工藝技術傳統(tǒng)活性污泥法技術、各種新型活性污泥工藝如：SBR法和氧化溝

8、技術等、酸化水解好氧技術和多種類型的穩(wěn)定塘技術等，這些污水治理技術已經在水體污染、改善水體環(huán)境方面發(fā)揮了突出的作用，標志著我國工業(yè)污水處理事業(yè)發(fā)展到了一個嶄新的階段?，F(xiàn)階段，我國工業(yè)污水處理的工作重點已經從工藝技術的研究轉移到具體項目的實施。國際上，大規(guī)模的水污染治理是在第二次世界大戰(zhàn)后，隨著50年代經濟的蓬勃發(fā)展帶來的60年代日益嚴重性的環(huán)境污染而展開的。工業(yè)污水處理設施中，城市排水管線和工業(yè)污水處理廠的興建和運行在水污染控制中發(fā)揮著骨干作用。至70年代末，美國投入了數千億美元興建了18000余座城市工業(yè)污水處理廠，英國、法國、德國更耗費了巨額資金興建了7000至8000座城市工業(yè)污水處理廠

9、。這些工業(yè)污水處理廠的投入對國家的水體污染改善起了關鍵的作用，也為人類治理水污染積累了豐富的經驗。現(xiàn)在，這些國家的工業(yè)污水處理水平又有了進一步提高，興建了一批具有脫氮除磷功效的設施，對水體質量改善和水環(huán)境保護起了重大的作用。1.2 課題的背景未來10年，采用先進、實用的技術改造傳統(tǒng)工藝，在環(huán)保工程中廣泛采用先進的自動控制技術，是推動環(huán)保產業(yè)升級，實現(xiàn)環(huán)保發(fā)展戰(zhàn)略的重要環(huán)節(jié)。在這種形勢下工業(yè)污水處理自動化控制系統(tǒng)無疑是一個具有巨大的社會效益、環(huán)境效益與經濟效益的研究課題。對于環(huán)境保護問題，國務院明確規(guī)定所有工業(yè)污染源都必須達到排放標。其中處理過的污水還可以循環(huán)再利用，由于我國是一個水資源匱乏的國

10、家，而且時空分布上極不均勻，許多地區(qū)和城市嚴重缺水。所以水資源也是一種保護。因此，有效的結合目前最新的工藝狀況、計量自控檢測儀表使用、PLC 控制系統(tǒng)技術，將為當前工業(yè)污水處理控制系統(tǒng)提供有效的自控方法。1.3 研究目的和意義建設符合我國國情的污水廠自動控制系統(tǒng)對降低工業(yè)污水處理成本、改善環(huán)境、建立可持續(xù)發(fā)展社會和和諧社會、保持我國經濟高速發(fā)展具有重要意義。1.4 課題主要設計的容 本課題主要設計的容是工業(yè)污水處理工藝與工業(yè)污水處理系統(tǒng)的組成和PLC控制系統(tǒng)設計,主要由以下容組成：（1）介紹了工業(yè)污水處理的基本容，包括工業(yè)污水處理的發(fā)展現(xiàn)狀以與工業(yè)污水處理的工藝流程；（2）介紹了PLC的基本結

11、構和工作原理，并對工業(yè)污水處理控制系統(tǒng)進行設計分析；（3）具體分析設計工業(yè)污水處理的硬件系統(tǒng)；（4）具體分析設計工業(yè)污水處理的軟件系2 工業(yè)污水處理控制系統(tǒng)總體介紹2.1工業(yè)污水處理基本概念城市污水、生活污水、生產污水或經過工業(yè)企業(yè)處理后的生產污水，往往都排入排水系統(tǒng)。這些污水除含有碳水化合物、蛋白質、氨基酸、動植物脂肪、尿素、氨、肥皂和合成洗滌劑等物質外，還含有細菌、病毒等使人致病的微生物。經處理后的污水，最后出路有三種：排放水體；灌溉田地；重復使用。污水污染物可根據化學性質和物理形態(tài)進行不同的分類。按化學性質，污水中的污染物質可分為無機性物質和有機性物質，其化學元素以炭、氮、磷為主。按物理

12、形態(tài)，污水中的污染物質可分為固體懸浮物即呈顆粒狀的污染物質、膠體污染物質和溶解性污染物質。好氧有機污染物的性質穩(wěn)定，在微生物的作用下，借助微生物的新代功能而降解為無機物，如二氧化碳、水、硝酸根離子等穩(wěn)定的無機物。有機物的種類很多，其共性是在微生物的作用下被降解時，都要消耗水中的溶解氧，所以在工程實際中，采用以下的幾個綜合污染指標來表述：生物化學需氧量或生化需氧量（Bio-chemical Oxygen Demand, BOD）mg/L、化學需氧量(Chemical Oxygen Demand, COD) mg/L、總有機碳(Total Organic Carbon) mg/L、總需氧量(Tot

13、al Oxygen Demand) mg/L。雖然BOD20。能較精確地描述污水的生化需氧量，但其測定的時間太長，需20天。考慮到好氧分解速率一般在開始的幾天最快，在20溫度下，污水五日生化需氧量(BOD5)，約占BOD20的70%80%，因此把BOD5作為衡量污染水的有機物濃度指標?；瘜W需氧量(COD)的特點是能夠精確的表示污水中有機物的含量，并且測定時間短，但它不能像BOD那樣表示出微生物氧化的有機物量。2.2 常用的工業(yè)污水處理工藝工業(yè)污水處理的方法主要有物理、化學、物理化學，以與生物等幾種。這些方法根據實際情況，可以單一使用，也可以針對不同的污水混合使用。目前，工業(yè)污水處理的方法一般以

14、生物處理法為主，輔以物理處理法和化學處理法。常用的工業(yè)污水處理工藝有以下幾種。（1）傳統(tǒng)活性污泥法。傳統(tǒng)活性污泥處理法是一種最古老的工業(yè)污水處理工藝，其工業(yè)污水處理的關鍵組成部分為沼氣池與沉淀池，主要處理部分關系框圖如圖2-1所示。曝氣池微生物吸附有機物氧化沉淀池活性泥下沉回流活性泥處理后的污水污水圖2-1傳統(tǒng)活性污泥法工藝流程圖活性污泥：含有凈化廢水所用的微生物群體與其所吸附的有機物質和無機物質的總體。污水中的有機物在曝氣池停留的過程中，曝氣池中的微生物吸附污水中的大部分有機物，并且在曝氣池中被氧化成無機物，然后在沉淀池中經過沉淀后的部分活性泥需要回流到曝氣池中。該工藝的優(yōu)點有：有機物去除率

15、高，污泥負荷高，池的容積小，耗電省，運行成本低。該工藝的缺點有：普通曝氣池占地多，建設投資大，滿足國家標準相關指標圍小、易產生污泥膨脹現(xiàn)象，磷和氮的去除率低。（2）A/O法。A/O法是在傳統(tǒng)活性污泥法的基礎上發(fā)展起來的一種工業(yè)污水處理工藝，其中A代表Anoxic（缺氧的），O代表Oxic（好氧的）。A/O法是一種缺氧-好氧生物工業(yè)污水處理工藝。該工藝通過增加好氧池與缺氧池所形成的硝化-反硝化反應系統(tǒng)，很好的處理了污水中的氮含量，具有明顯的脫氮效果。但是此硝化-反硝化反應系統(tǒng)需要得到很好的控制，這樣就對該工藝提出了更高的管理要求，這也成為了該工藝的一大缺點。其工藝流程圖如圖2-2：、剩余污泥沉砂

16、池初沉池厭氧池好氧池二級沉池回流污泥隔柵污水混合液回流圖2-2 A/O法工藝流程圖（3）A2/O法。A2/O法也是在傳統(tǒng)活性污泥法的基礎上發(fā)展起來的一種工業(yè)污水處理工藝，其中A2，即A-A，前一個A代表Anaerobic（厭氧的），后一個A代表Anoxic（缺氧的）；O代表（好氧的）。A2/O是一種厭氧缺氧好氧工業(yè)污水處理工藝。A2O法的除磷脫氮效果非常好，非常適合用于對除磷脫氮有要求的工業(yè)污水處理。因此，在對除磷脫氮有特別要求的城市工業(yè)污水處理廠，一般首選A2/O工藝。其工藝流程圖如圖2-3所示。厭氧池(A)缺氧池(A)二沉池出水進水好氧池(O)混合液回流活性污泥回流圖2-3 A2/O法工藝

17、流程圖（4）A/B法。A/B法是吸附生物降解法的簡稱，該工藝沒有初沉淀，將曝氣池分為高低負荷兩段，并分別有獨立的沉淀和污泥回流系統(tǒng)。高負荷段停留時間約為20-40min，以生物絮凝吸附作用為主，同時發(fā)生不完全氧化反應，去除BOD達50%以上。B段與常規(guī)活性污泥法相識，負荷較低。AB法中A段效率很高，并有較強的緩沖能力。B段起到出水把關作用，處理穩(wěn)定性較好。對于高濃度的工業(yè)污水處理，AB法具有很好的適用性，并有較高的節(jié)能效益。尤其在采用污泥消化和沼氣利用工藝時，優(yōu)勢最為明顯。但是，AB法污泥產量較大，A段污泥有機物含量極高，因此必須添加污泥后續(xù)穩(wěn)定化處理，這樣就將增加一定的投資和費用。另外，由于

18、A段去除了較多的BOD，造成了碳源不足，難以實現(xiàn)脫氮工藝的要求。對于污水濃度低 的場合，B段也比較困難，也難以發(fā)揮優(yōu)勢。總體而言，AB法工藝較適合于污水濃度高，具有污泥消化等后續(xù)處理設施的大中規(guī)模的城市工業(yè)污水處理廠，且有明顯的節(jié)能效果，而對于有脫氮要求的城市工業(yè)污水處理廠，一般不宜采用。（5）SBR法。SBR法是歇式活性污泥法的簡稱，是一種按照一定的時間順序間歇式操作的污水生物處理技術，也是一種按間歇曝氣方式來運行的活性污泥工業(yè)污水處理技術，又稱序批式活性污泥法。其反應機理與去除污染物的機理與傳統(tǒng)的活性污泥法基本一樣，只是運行操作方式不盡一樣。SBR法與傳統(tǒng)的水處理工藝的最大區(qū)別在于它是以時

19、間順序來分割流程各單元，以時間分割操作代替空間分割操作，非穩(wěn)態(tài)生化反應代替生化反應，靜置理想沉淀代替動態(tài)沉淀等。整個過程對于單個操作單元而言是間歇進行的，但是通過多個單元組合調度后又是連續(xù)的，在運行上實現(xiàn)了有序和間歇操作相結合。污泥脫水氧化溝反應池潛水攪拌機轉碟曝氣機進水泵粗格柵清污機進水除砂池細格柵轉股清污機沉淀池排泥灌污泥回流泵清水排出本工業(yè)污水處理工藝流程圖如下圖2-4所示：圖2-4 工藝流程圖污水由進水系統(tǒng)通過粗格柵和清污機進行初步排除大塊雜質物體，到達除砂池中。在除砂池系統(tǒng)中細格柵和轉鼓清污機進一步凈化污水中的細小顆粒物體，將污水中的細小沙粒濾除后進入氧化溝反應池。在該氧化溝系統(tǒng)中進

20、行生化處理，分解污水中的有害物質，此環(huán)節(jié)用到一些化學藥劑來加強處理效果，如復合堿、氯氣、油絮凝劑等。對污水進行除油、消毒、調整PH值。同時在該系統(tǒng)中設置有溶解氧儀超聲波檢測器，通過它對污水中的含氧量進行檢測，根據其反饋到PLC的值來控制曝氣機變頻器的運行，改變污水中溶解氧的含量。潛水攪拌機的作用是推進水流，使氧化溝的污水和活性污泥處于劇烈攪拌充分混合接觸，使生化反應更加充分，以最大程度地分解污水中的有害成分。經處理的污水進入沉淀池中，在刮泥機的作用下進行物理沉淀，為了加強沉淀效果，同時加入混凝劑和絮凝劑利用高分子助凝劑的強烈吸附架橋作用更加容易沉降。污水經沉淀池處理最后到達脫水環(huán)節(jié)，離心式脫水

21、機作用下進行脫水處理后排出清水。同時在該系統(tǒng)中設置有溶解氧儀超聲波檢測器2.3工業(yè)污水處理系統(tǒng)控制形式早期的控制系統(tǒng)多采用繼電器接觸器控制系統(tǒng)，但隨著電子技術的飛速發(fā)展，控制要求的不斷提高，該類控制方法已不能滿足現(xiàn)代工業(yè)污水處理系統(tǒng)的控制要求，因此已逐漸被淘汰，取而代之的是DCS、現(xiàn)場總線控制、PLC等控制方。（1）DCS系統(tǒng)。DCS是集散控制系統(tǒng)的簡稱，又稱為分布式計算機控制系統(tǒng)，是由計算機技術、信號處理技術、測量控制技術、通信網絡技術等相互滲透形成的。由計算機和現(xiàn)場終端組成，通過網絡將現(xiàn)場控制站、檢測站和操作站、控制站等連接起來，完成分散控制和集中操作、管理的功能，主要是用于各類生產過程，

22、可提高生產自動化水平和管理水平，其主要特點如下：采用分級分布式控制，減少了系統(tǒng)的信息傳輸量，使系統(tǒng)應用程序比較簡單。實現(xiàn)了真正的分散控制，使系統(tǒng)的危險性分散，可靠性提高。擴展能力較強。軟硬件資源豐富，可適應各種要求。實時性好，響應快。（2）現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)?，F(xiàn)場總線控制系統(tǒng)是由DCS和PLC發(fā)展而來的，是基于現(xiàn)場總線的自動控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)按照公開、規(guī)的通信協(xié)議在智能設備之間，以與智能設備與計算機之間進行數據傳輸和交換，從而實現(xiàn)控制與管理一體化的自動控制系統(tǒng)，其優(yōu)點：可以用計算機豐富的軟件、硬件資源。響應快，實時性好。通信協(xié)議公開，不同產品可互連。（3）PLC系統(tǒng)。PLC是可編程邏輯控制器的簡稱

23、，用它作為處理系統(tǒng)的控制器，實現(xiàn)控制系統(tǒng)的功能要求，也可利用計算機作為其上位機，通過網絡連接PLC，對生產過程進行實時監(jiān)控，其特點如下：編程方便，開發(fā)周期短，維護容易。通用性強，使用方便?？刂乒δ軓?。模塊化結構，擴展能力強。2.4 工業(yè)污水處理系統(tǒng)的功能要求工業(yè)污水處理系統(tǒng)的主要功能是完成對城市污水的凈化的作用，將城市中排除的污水通過該系統(tǒng)處理后，輸出符合國家標準的水質。長期以來，工業(yè)污水處理技術雖然經過了迅速發(fā)展，但仍滯后于城市發(fā)展的需要，工業(yè)污水處理率低、設備運轉率低等極影響了城市發(fā)展。為實現(xiàn)工業(yè)污水處理技術的簡易、高效、低能耗的功能， 并且實現(xiàn)自動化的控制過程，采用PLC作為核心控制器是

24、個較好的方案。 PLC作為工業(yè)污水處理系統(tǒng)的控制系統(tǒng)使得設計過程變得更加簡單，可實現(xiàn)的功能變得更多。與各類人機界面的通信可完成PLC控制系統(tǒng)的監(jiān)視，同時使用戶可通過操作界面功能控制PLC系統(tǒng)。由于PLC的CPU強大的網絡通信能力，使得工業(yè)污水處理系統(tǒng)的數據傳輸與通信變得可能，并且也可實現(xiàn)其遠程監(jiān)控。2.4.1信號輸入工業(yè)污水處理系統(tǒng)信號輸入檢測方面主要涉與四類信號的監(jiān)測，主要包括：按鈕的輸入檢測、液位差的輸入檢測、液位高低的輸入檢測，以與曝氣池中含氧量的輸入檢測。（1）按鈕輸入檢測。大多數為人工方式控制的輸入檢測，主要有自動按鈕、手動按鈕、格柵機啟動按鈕、清污機啟動按鈕、潛水泵啟動按鈕、潛水攪

25、拌機啟動按鈕、污泥回流泵按鈕、曝氣機工頻、變頻按鈕，以與變頻加速減速按鈕等。（2）液位差輸入檢測。檢測粗細格柵兩側液位差，用來控制清污機的啟動與停止。（3）液位高低輸入檢測。檢測進水泵房和污泥回流泵房中液位的高低，用來控制潛水泵或污泥回流泵的啟動和停止，以與投入運行的潛水泵的數量。（4）含氧量輸入檢測。以上三種都為數字量輸入，該輸入為模擬量輸入。曝氣過程是工業(yè)污水處理系統(tǒng)中最重要的環(huán)節(jié)，為了保證微生物所需要的氧氣，必須檢測污水中的含氧量，并通過曝氣機增加或減少其含氧量。通過將溶解氧儀設置在適當位置上，將檢測值反饋到PLC中，通過運算輸出控制曝氣機的轉速信號。當溶解氧值偏低時，降低了微生物分解的

26、效果，延長了處理時間，嚴重時甚至導致處理失效，因此需要增加曝氣機轉速以增加供氧量；當溶解氧值偏高時，導致微生物過氧化，降低了其活性，也不利于處理，因此減小曝氣機轉速以減少供氧量，最終使污水中的溶解氧保持在一定的圍。2.4.2控制輸出信號 信號輸出部分主要包括兩個方面：一個是數字量輸出，即各類設備的接觸器；另外一個是模擬量輸出，用來控制曝氣機變頻器。（1）數字量輸出?？刂聘黝愒O備的啟動和停止，包括：格柵機啟停、清污機啟停、潛水泵啟停、潛水攪拌器啟停、污泥回流泵等設備。（2）模擬量輸出通過PLC中PID運算后的數據，通過其功能模塊輸出控制信號，該控制信號輸入到變頻器的控制端子上，改變變頻器的輸出頻

27、率，從而控制曝氣機的轉速，最后達到控制污水中含氧量的要求。3 硬件系統(tǒng)配置氧化溝是工業(yè)污水處理系統(tǒng)中的重要環(huán)節(jié)，其結構的不同形成了不同的氧化方法例如，奧貝爾、卡魯賽爾和一體化氧化溝法，對于不同的結構，其配套的設備也有較大的不同，所以其結構比較復雜，不同的結構對應不同的控制系統(tǒng)，因此需要根據不同的結構特點設計相應的控制系統(tǒng)。3.1主要組成部分工業(yè)污水處理系統(tǒng)的結構比較復雜，設備較多，在氧化溝中其控制過程與原理大致一樣，都是通過控制曝氣機的轉速來調節(jié)污水中的含氧量，其基本組成如圖3-1所示。進水系統(tǒng)除砂系統(tǒng)氧化溝系統(tǒng)沉淀系統(tǒng)污泥脫水系統(tǒng)圖3-1工業(yè)污水處理系統(tǒng)基本組成示意圖（1）進水系統(tǒng)。進水系統(tǒng)

28、主要有進水管道和進水泵房組成，進水管道主要由粗格柵機和清污機組成，進水泵房主要有兩臺潛水泵組成。進水管道的主要功能是將污水中的大塊物體排除，其中的粗格柵是根據程序設定的時間進行間歇工作，而清污機的運行和停止是根據粗格柵兩側的液位差來決定的，當液位差超過某個值時，啟動清污機；當液位差小于某個值時停止清污機的運行。進水泵房中的潛水泵運行與停止是通過安裝在泵房的液位傳感器來決定的，當液位較低時只啟動一臺潛水泵，當液位較高時啟動兩臺潛水泵，若液位持續(xù)升高時，則輸出報警以示意有故障發(fā)生。 （2）除砂系統(tǒng)。除砂系統(tǒng)主要由細格柵系統(tǒng)和沉砂池組成，細格柵系統(tǒng)是由細格柵機和轉鼓清污機組成，沉砂池的主要設備是分離

29、機。細格柵系統(tǒng)的主要功能是進一步凈化污水中的顆粒物體，將污水中細小的沙粒濾除，其中的細格柵機是根據程序設定時間進行間歇工作，而轉鼓清污機的運行和停止則根據細格柵兩側的液位差來決定，當液位差超過某個值時，啟動清污機；當液位差小于某個值時停止清污機的運行，這和粗格柵系統(tǒng)的運行方式一致。沉砂池中分離機的運行和后續(xù)處理中的轉碟曝氣機的運行同步，即啟動轉碟曝氣機的時候同時啟動分離機，對沉砂池中的沙粒進行排除。（3）氧化溝系統(tǒng)。氧化溝系統(tǒng)由氧化溝和污泥回流系統(tǒng)構成，氧化溝是工業(yè)污水處理系統(tǒng)中最重要的環(huán)節(jié)，因此控制量較多，控制過程叫復雜，包括轉碟曝氣機和潛水攪拌機，污水回流系統(tǒng)主要有污泥回流泵構成。氧化溝的

30、功能是對污水進行生化處理，分解污水中的有害物質，使其達到一定的水質標準，其中是轉碟曝氣機是關鍵設備，在氧化溝中設置有溶解氧儀對污水中的含氧量進行檢測，根據其反饋到PLC的值來控制曝氣機變頻器的運行，改變污水中溶解氧的含量。潛水攪拌機的作用是推進水流，同時使氧化溝的污水和活性污泥處于劇烈的攪拌狀態(tài)，使他們充分混合接觸。使活性污泥的生化反應更加充分，這樣才能最大程度地分解污水中的有害成分。污水回流系統(tǒng)的污泥回流泵將剩余的污泥與使用過的污泥進行處理，該設備的運行與停止主要根據泵房液位傳感器的狀態(tài)，當液位低于某個值時停止回流泵的運行；當液位持續(xù)高于某個高位時，回流泵停止運行同時輸出報警信號；液位處于正

31、常狀態(tài)時，回流泵正常運行。（4）沉淀系統(tǒng)。沉淀系統(tǒng)主要設備為刮泥機，其功能是對進行氧化溝處理后的污水進行物理沉淀，將污泥和清水分離，刮泥機在整個系統(tǒng)啟動后就開始持續(xù)運行。在該系統(tǒng)中用到一定化學藥劑主要包括混凝劑、絮凝劑、復合堿等，主要用來調節(jié)改善混凝條件與絮凝體結構，利用高分子助凝劑的強烈吸附架橋作用，使細小松散的絮凝體變的粗大而緊密，容易發(fā)生沉降。（5）污泥脫水環(huán)節(jié)。污泥脫水系統(tǒng)主要包括離心式脫水機，其主要功能是對氧化池中處理過污水的活性污泥進行脫水處理，由于對污水進行處理后，活性污泥中有新的微生物與其他雜質，因此需要先對活性污泥添加一定量的藥物，便于污泥脫水。離心式脫水機主要有聚合物泵、污

32、泥機和切割機構成，以上設備按照順序控制的方式啟動，依次啟動聚合物泵、污泥機和切割機，完成對污泥的脫水處理。3.2電氣控制系統(tǒng)電氣控制系統(tǒng)主要包括操作面板、顯示面板、電氣控制柜等單元。由于在該系統(tǒng)中需要檢測較多的數字輸入量，并且還要檢測模擬量的輸入，根據設定的程序進行數據處理后，輸出控制信號，因此系統(tǒng)的控制邏輯與時序就需要嚴格照檢測信號的輸入進行控制。(1）操作面板。操作面板主要包括手動、自動、各類設備的啟動按鈕等。(2）顯示面板。顯示面板由于要顯示較多的數據，因此一般采用觸摸屏或者人機界面。(3）電氣控制柜。電氣控制柜是電氣控制的核心設備，主要包括變頻器、各類傳感器的輸入信號、PLC與其擴展模

33、塊等。3.3工業(yè)污水處理系統(tǒng)的工作原理3.3.1控制系統(tǒng)總體框圖工業(yè)污水處理系統(tǒng)的電氣控制系統(tǒng)總框圖如圖4-2所示，PLC為核心控制器，通過檢測操作面板按鈕的輸入、各類傳感器的輸入，以與相關模擬量的輸入，完成相關設備的運行、停止和調速控制。操作面板液位差傳感器輸入液位高度傳感器輸入溶解氧儀反饋值（模擬量）可編程邏輯控制器PLC格柵機定時運行各類泵運行離心式脫水機運行變頻器轉碟曝氣機運行顯示面板3-2電氣控制系統(tǒng)總框圖3.3.2工作過程在手動狀態(tài)下，各類設備的控制是根據操作面板上的按鈕輸入來控制，無邏輯控制，即可不根據傳感器的狀態(tài)進行控制。在自動方式下進行閉環(huán)控制，系統(tǒng)根據檢測到外部傳感器的狀態(tài)

34、對設備進行啟?？刂?，其工作過程如下。（1）接通電源，啟動自動控制方式，啟動潛水攪拌器和刮泥機。（2）運行粗、細格柵機，進行間歇運行，即運行一段時間然后停止一段時間，循環(huán)進行。（3）根據反饋回來的液位差狀態(tài)控制清污機的運行與停止。（4）進水泵房中的潛水泵根據液面高低進行運行、停止與運行數量的控制。 （5） 轉碟曝氣機根據溶解氧儀反饋的模擬量經PLC運算后進行控制，同時控制分離機的運行與停止。（6）污泥回流泵的運行與停止根據液面的高低進行控制。（7）在污泥脫水系統(tǒng)中，離心式脫水機的啟動采用順序控制方式，依次啟動其設備。3.3.3工業(yè)污水處理系統(tǒng)主電路設計圖3-3為工業(yè)污水處理系統(tǒng)的主電路圖的部分圖

35、。三臺電機分別為潛水泵電機（M1）、清污機電機（M2）、轉碟曝氣機電機（M3）。接觸器KM3、KM2、KM6分別控制M1、M2、M3的工頻運行；接觸器KM5、KM9分別控制M1、M3的變頻運行；FR1、FR2、FR3分別為三臺電機過載保護用的熱繼電器；QF1、主電路的空氣開關；FU1為主電路的熔斷器。選用的MM430變頻器是用來控制電機M1、M3變頻運行的。09/B2 09/B24 3 R1500歐姆FR1M13 FR2M23 PEFR3M33 U3 V3 W3KM9L34L24L141 R S T2西門子變頻器3 MM4304U V W03/D310L16 L26 L36KM3 KM2 KM

36、6L17 L27 L37 L18 L28 L38L15 L25 L35 KM5L1L2L3NL12L22L32N FU1 QF1 L11 L12 L21 L22 L31 L32L13 L 23 L33圖3-3工業(yè)污水處理系統(tǒng)變頻部分主電路圖3.4 PLC選型根據工業(yè)污水處理系統(tǒng)的電氣控制系統(tǒng)的功能要求，以與其復雜程度，從經濟性、可靠性等方面來考慮，選擇西門子S7200系列PLC作為工業(yè)污水處理系統(tǒng)的電氣控制系統(tǒng)的控制主機。由于工業(yè)污水處理電氣控制系統(tǒng)涉與較多的輸入輸出端口，其控制過程相對復雜，因此采用CPU226作為該控制系統(tǒng)的主機。CPU226在工業(yè)污水處理系統(tǒng)中使用的數字量輸入點和輸出點都

37、比較多，因此除了PLC主機自帶的I/O外，還需要擴展一定數量的I/O擴展模塊。在此采用EM223輸入/輸出混合擴展模塊。8點DC輸入8點輸出型。正好可以滿足控制系統(tǒng)的I/O需求。在該系統(tǒng)中，還需要采集模擬量并利用模擬量控制的功能要求，因此需要在擴展一個模擬量輸入輸出擴展模塊。西門子公司專門為S7200系列PLC配置了模擬量輸入輸出模塊EM235，該模塊具有較高的分辨率和較強的輸出驅動能力，可滿足控制系統(tǒng)的功能要求。3.5 PLC的I/O資源配置根據系統(tǒng)的功能要求，對PLC的I/O進行估算配置，具體分配如下。3.5.1數字量輸入部分首先需要一個緊急制動按鈕,運行方式有兩種自動和手動，所以有自動運

38、行方式，自動方式啟動確認，手動方式。手動方式針對各個部件，粗細格柵機有手動粗格柵機啟動， 手動細格柵機啟動。手動清污機、潛水泵、分離機、碟曝氣機工頻、轉碟曝氣機變頻、潛水攪拌機、刮泥機、污泥回流泵、分離式脫水機、污泥泵、轉碟曝氣機加速、轉碟曝氣機減少、粗格柵液位差計、細格柵液位差計、進水泵房液面高位傳感器、進水泵房液面低位傳感器、污泥回流泵液面高位傳感器、污泥回流泵液面低位傳感,總共24個數字輸入量.表3-4 數字輸入量地址分配輸入地址輸入設備輸入地址輸入設備I0.0急停I1.4手動刮泥機啟動I0.1手動方式I1.5手動污泥回流泵啟動I0.2自動方式I1.6手動分離式脫水機啟動I0.3自動啟動

39、確認I1.7手動污泥泵啟動I0.4手動粗格柵機啟動I2.0手動轉碟曝氣機加速I0.5手動清污機啟動I2.1手動轉碟曝氣機減少I0.6手動潛水泵啟動I2.2粗格柵液位差計I0.7手動細格柵機啟動I2.3細格柵液位差計I1.0手動分離機啟動I2.4進水泵房液面高位傳感器I1.1手動轉碟曝氣機工頻啟動I2.5進水泵房液面低位傳感器I1.2手動轉碟曝氣機變頻啟動I2.6污泥回流泵液面高位傳感器I1.3手動潛水攪拌機啟動I2.7污泥回流泵液面低位傳感器3.5.2數字量輸出部分數字量輸出主要是對接觸器的啟動提供信號,共13個表3-5數字輸出量地址分配輸出地址輸出設備輸出地址輸出設備Q0.0粗格柵機接觸器Q

40、0.7潛水攪拌機接觸器Q0.1清污機接觸器Q1.0刮泥機接觸器Q0.2潛水泵接觸器Q1.1污泥回流泵接觸器Q0.3細格柵機接觸器Q1.2離心式脫水機接觸器Q0.4分離機接觸器Q1.3潛水泵報警Q0.5轉碟曝氣機工頻接觸器Q1.4污泥回流泵報警Q0.6轉碟曝氣機變頻接觸器3.5.3模擬量輸入部分由于需要采集一個溶氧儀所反饋的數據，因此擴展了一個模擬量輸入輸出模塊，具體I/O分配，如下表3-6所示。表3-6 模擬量輸入地址分配輸入地址輸入設備AIW0溶解氧儀3.5.4 模擬量輸出部分在此控制系統(tǒng)中需要將采集回來的模擬量進行數據處理，然后，通過模擬輸出口對變頻器進行控制，進行控制其他設備的運行，如下

41、表3-7所示。 表3-7模擬量輸出地址分配輸出地址輸出設備AQW0經PID運算輸出根據控制系統(tǒng)的功能要求，設計出工業(yè)污水處理控制系統(tǒng)的硬件連線圖如圖3-8所示，此控制面板上的手動控制部分主要在調試系統(tǒng)時使用，調試完成后基本處于閑置狀態(tài)。變頻器 潛水泵電機 轉碟曝氣機電機 AC220vM1M33 MM4304U V WRS485L NS7-200CPU 226+EM223L+2M1MMNLML+ EM235RA A+ A-P手動操作面板溶解氧儀圖3-8工業(yè)污水處理系統(tǒng)PLC硬件接線圖此圖同3-2電氣控制系統(tǒng)總框圖急停 I0.0手動方式 I0.1自動方式 I0.2自動啟動 I0.3確認 I0.4

42、操作面板 I2.1粗格柵液位計 I2.2細格柵液位計 I2.3進水泵高位 I2.4進水泵低位 I2.5回流泵高位 I2.6回流泵低位 I2.7 N 1L Q0.0 KM1 粗格柵機啟動 Q0.1 KM2 清污機啟動 Q0.2 KM3 潛水泵啟動 Q0.3 KM4 細格柵機啟動 Q0.4 KM5 分離機啟動 Q0.5 KM6 曝氣機工頻啟動Q0.6 KM7 曝氣機變頻啟動Q0.7 KM8 潛水攪拌機啟動Q1.0 KM9 刮泥機啟動Q1.1 KM10 污泥回流泵啟動2L Q1.2 KM11 離心式脫水機啟動Q1.3 潛水泵報警顯示面板 Q1.4 污泥回流泵報警 3.6變頻器與電動機3.6.1變頻器

43、簡介變頻器的功能是將頻率固定的(通常為50Hz)的交流電變換成頻率連續(xù)可調的三相交流電源。變頻器的輸入端接至頻率固定的三相交流電，輸出端輸出的是頻率在一定圍連續(xù)可調的三相交流電。變頻器主要分為間接變頻和直接變頻兩大類，而間接變頻又根據中間直流環(huán)節(jié)的主要儲能元件的不同可分為電壓型和電流型。電壓型變頻器主回路由相控整流器，中間直流環(huán)節(jié)和逆變器三個部分組成。相控整流器將交流電壓整流為可控的直流電壓，經濾波由電容Cd輸出直流電壓Vd，逆變器將直流Ud變換成頻率可調的交流電源供給電機進行變頻調速。由于中間直流環(huán)節(jié)是Cd低阻抗輸出相當于是恒壓源，故稱電壓型。電流型交-直-交變頻器與電壓型變頻器的差別僅在于

44、中間直流環(huán)節(jié)中的儲能元件用的是電感而不是電容。由于中間直流環(huán)節(jié)是高阻抗輸出相當于電流源，故稱電流型。3.6.2變頻與變壓(VVVF)原理當在實際利用變頻器調節(jié)電機轉速的過程中，當頻率f下降時，定子繞組的反電動勢E有所下降，定子電流增大，但是轉子側的負載并未增加，故轉子段電流不變，根據電流平衡方程可知，勵磁電流比增大，因而磁通m增大。m增加將導致鐵芯的飽和，進而引起勵磁電流波形的畸變，這是不希望的結果，因此希望m可以保持基本不變。要實現(xiàn)這個目標，只要在變頻過程中使變頻器輸出電壓Ul/f=const，則磁通m可保持基本不變。因此變頻的同時也要變壓，常用VVVF表示。VVVF實施的基本方法包括：脈幅

45、調制(PAM)和脈寬調制(PWM)。（1）脈幅調制(PAM)實現(xiàn)方法就是調節(jié)頻率的同時，也改變直流電壓的振幅值。PAM需要同時調節(jié)兩個部分：整流部分和逆變部分，兩者之間還必須滿足一定的關系，故控制電路比較復雜，因此比較少用。（2）脈寬調制(PWM)實現(xiàn)方法就是在每半個周期，把輸出電壓的波形分割成若干個脈沖波，每個脈沖的寬度為t1，每個脈沖間的間隔寬度為t2，則脈沖的占空比=tl/(t2+tl)。這時電壓的平均值和占空比成正比，所以在調節(jié)頻率時，不改變直流電壓的幅值，而是改變輸出電壓脈沖的占空比，同樣可以實現(xiàn)變頻也變壓的效果。PWM只需控制逆變電路便可實現(xiàn)，與PAM相比電路簡化了許多，因此在變頻

46、調速中比較常用。3.6.3變頻調速的基本原理U1R1 X1 R2 X2 Rm Io Ri U2 RL（1）異步電動機的等效變換圖3-9 異步電動機的等效變換異步電動機的電磁轉矩公式：（4.1）其中：P為旋轉磁場的磁極對數，S為轉差率。（2）變頻調速的原理異步電動機的電磁轉矩是由定子主磁通和轉子電流相互作用產生。異步電動機的定子主磁通是以一定的轉速旋轉，旋轉磁場實際是三個交變磁場合成的結果。旋轉磁場的轉速n0=60f/p，其中f是電流頻率，P是旋轉磁場的磁極對數。產生轉子電流的必要條件是轉子繞組切割定子磁場的磁力線。因此轉子的轉速n1必須低于定子磁場的轉速n0 (即所謂的“異步”)。兩者之間的差

47、異可由轉差率表示，轉差率s=( n0- n1)/n0根據n0=60f/p可知，當頻率f連續(xù)可調時，電動機的同步轉速n0也連續(xù)可調，而異步電機的轉子轉速n1，總是比同步轉速略低一點，所以當n1連續(xù)可調時，n1也是連續(xù)可調。設變頻后的頻率為fx，電壓為Ux，電動機的額定相電壓和頻率為UN和fN，則有： （4.2） （4.3）其中kf為頻率可調比，ku為電壓可調比。將上述兩個公式代入異步電動機的電磁轉矩公式可得變頻后的轉矩公式：（4.4）其中：sx為頻率為fx時的轉差率。在變頻器正常工作情況下，即kfkm<1時的機械特性如圖3-10所示。圖3-10kfkm<1時的機械特性由圖4-2可知隨

48、著f的下降，臨界轉矩Tkx逐漸減少，電動機的帶負載能力也隨之下降。這無疑給變頻調速帶來了瑕點。而針對這種想象一般要采取電壓補償法。新系列的變頻器一般都提供了設置自動轉矩補償功能。變頻器可以根據電流的大小自動地決定補償的程度。3.6.4電動機的選型先選電動機再選變頻器，在該工業(yè)污水處理系統(tǒng)中需要用到Y2系列三相異步電機。主要性能有：絕緣等級：F；防護等級：IP54或IP55；電壓：380V或415V；頻率：50Hz或60Hz；冷卻方式：IC411。Y2系列電動機有兩種設計，一種是適用于一般機械配套和出口需要，在輕載時有較高效率，在實際運行中有較佳節(jié)能效果，且具有較高堵轉轉矩，此設計稱為Y2-Y系

49、列。中心高63355mm，功率從0.12315kW。電動機符合/T8680.1-1998 Y2系列(1P54)三相異步電動機（機座號63355）技術條件。 型號含義：如Y2-200L1-2Y：“Y2”表示異步電動機第二次改型設計，“200”表示中心高，“L”表示機座長短號，“1”表示鐵心長度序號，“2”表示極數，“Y”表示第一種設計（可省略）。 第2種設計是滿載時有較高效率，更適用于長期運行和負載率較高的使用場合，如水泵、風機配套，此設計稱為Y2-E系列，中心高80280mm，功率從0.5590kW。電動機符合/T8680.2-1998 Y2系列(1P54)三相異步電動機（機座號80280）技

50、術條件。 型號含義：如Y2-200L2-6E：“Y2”表示異步電動機第二次改型設計，“200”表示中心高，“L”表示機座長短號，“2”表示鐵心長度序號，“6”表示極數，“E”表示第二種設計,功率22KW。根據上述分析，選擇Y2-200L2-6E22KW即可滿足要求。3.6.5變頻器選型由于電動機的功率為22KW所以在選變頻器時應注意，該系統(tǒng)選用的變頻器是西門子MM430變頻器，功率圍KW至KW，具有多個繼電器輸出，具有多個模擬量輸出（020 mA），2 個模擬輸入：AIN1：010 V， 020 mA 和10 至+10 V； AIN2：010 V， 020 mA，6 個帶隔離的數字輸入，并可切

51、換為NPN/PNP 接線。它是一種風機水泵負載專用變頻器，能適用于各種變速驅動系統(tǒng)，尤其是適用于工業(yè)部門的水泵和風機。該型變頻器，具有能源利用率高的特點，優(yōu)化了部分結構與功能，便于工作人員進行操作，實現(xiàn)功能強。它們具有很高的運行可靠性和功能的多樣性。其脈沖寬度調制的開關頻率是可選的，因而降低了電動機運行的噪聲。全面而完善的保護功能為變頻器和電動機提供了良好的保護。3.6.6變頻器參數設置該工業(yè)污水處理系統(tǒng)中的MM430變頻器是一種風機水泵負載專用變頻器，能適用于各種變速驅動系統(tǒng)，尤其適合用于工業(yè)部門的水泵和風機。該變頻器，具有能源利用率高的特點，優(yōu)化了部分結構與功能，便于工作人員進行操作，實現(xiàn)其控制功能。在此控制系統(tǒng)中，需