污水凈化處理系統(tǒng)的PLC控制

1、維修電工 技師資格考評(píng)論文論文題目：污水凈化處理系統(tǒng)的PLC控制 單位名稱： 作 者： 2012年 04 月 18 日摘 要目前，我國大多數(shù)污水處理控制系統(tǒng)自動(dòng)化水平不高、安全性低、管理不當(dāng)，效率普遍低于世界標(biāo)準(zhǔn)。污水處理系統(tǒng)中的曝氣過程控制、數(shù)據(jù)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(duì)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(zhì)不穩(wěn)定，所以如何建立有效的自控系統(tǒng)，優(yōu)化運(yùn)行效果，減少運(yùn)行費(fèi)用，具有重要意義。本文介紹了工業(yè)污水凈化處理的基本內(nèi)容，并通過研究設(shè)計(jì)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污水凈化處理控制系統(tǒng)的工藝及相關(guān)流程以及設(shè)計(jì)P

2、LC控制系統(tǒng)的步驟，來說明PLC在污水處理過程中的應(yīng)用。按照工藝要求設(shè)計(jì)PLC控制系統(tǒng)，其中包括PLC的選型、IO分配以及按照污水處理工藝編制PLC程序。關(guān)鍵詞：污水處理，PLC，工藝流程 目 錄摘要11 前言32 設(shè)計(jì)課題要求43 工業(yè)污水處理控制系統(tǒng)介紹53.1工業(yè)污水處理基本概念53.2 常用的工業(yè)污水處理工藝53.3本次設(shè)計(jì)任務(wù)描述、系統(tǒng)組成及工藝流程64 PLC的設(shè)計(jì)104.1 PLC的介紹104.2 PLC選型124.3 PLC的I/O分配圖及接線圖144.4 PLC程序設(shè)計(jì)165 調(diào)試和運(yùn)行結(jié)果215.1硬件系統(tǒng)的調(diào)試215.2軟件系統(tǒng)的調(diào)試215.3運(yùn)行結(jié)果22參考文獻(xiàn)23總

3、結(jié)24致 謝251 前 言水與人的生活息息相關(guān)，特別在現(xiàn)代社會(huì)生活及生產(chǎn)中人們對(duì)水的需求量與日俱增。然而，水資源是有限的。據(jù)報(bào)道我國人均擁有淡水量為2400噸，為世界平均值的1/4，在全球149個(gè)國家（參與統(tǒng)計(jì)國家中），我國人均淡水資源位居110位，屬于淡水資源貧乏的國家。而且我國水資源時(shí)空分布極不均衡，全國500多個(gè)城市缺水，其中多個(gè)嚴(yán)重缺水，北方地區(qū)缺水現(xiàn)象尤其嚴(yán)重，人均擁有淡水量?jī)H有240噸。令人擔(dān)憂的是淡水總量日益減少，用水成本不斷升高，淡水的浪費(fèi)非常嚴(yán)重。我國北方地區(qū)水資源的超采，己形成漏斗地勢(shì)、水位下降、湖泊干涸、河水?dāng)嗔鳌⑸鷳B(tài)惡化。淡水資源的短缺己經(jīng)成為我國急需解決的問題。我國淡

4、水資源不斷減少，而且污染現(xiàn)象較為嚴(yán)重。隨著社會(huì)的發(fā)展，水資源已經(jīng)成為影響工業(yè)發(fā)展的重要因素，現(xiàn)代工業(yè)中生產(chǎn)工藝和設(shè)備對(duì)水質(zhì)要求越來越高。但是我國工業(yè)用水耗費(fèi)高，重復(fù)利用水少，中水使用率不高，有關(guān)資料顯示，我國的工業(yè)用水重復(fù)利用率平均為40%50%。目前全國城市污廢水的處理率（達(dá)排放標(biāo)準(zhǔn)的）僅有10%左右，其余的污廢水都直接排入河川、湖泊、海洋。耗水量高、重復(fù)利用率低、污染嚴(yán)重是我國工業(yè)系統(tǒng)水資源利用的突出問題。據(jù)統(tǒng)計(jì)，由于水質(zhì)污染，我國已有大約3億人的飲水發(fā)生不安全現(xiàn)象，其中1.9億人的飲水是超標(biāo)水。氣象學(xué)家預(yù)測(cè)，2100年全球變暖加劇，地表將有1/3的面積變?yōu)樯衬?，那時(shí)，干旱將威脅全球一半的

5、大陸人類的生存。這些現(xiàn)象都是水污染產(chǎn)生的嚴(yán)重后果，因此工業(yè)污水處理項(xiàng)目的實(shí)施已經(jīng)刻不容緩。眾多跡象表面，水資源的短缺無疑將成為制約經(jīng)濟(jì)持續(xù)協(xié)調(diào)發(fā)展的瓶頸，因此世界各國越來越重視水處理和水的再利用，通過各種技術(shù)進(jìn)一步提高供水質(zhì)量，提高經(jīng)濟(jì)效益。并且工業(yè)污水處理過程中，經(jīng)過厭氧和好氧處理，污水中的熱量、沼氣等再生能源可以為工業(yè)生產(chǎn)提供二次能源，真正實(shí)現(xiàn)變廢為寶、循環(huán)經(jīng)濟(jì)的目的。隨著環(huán)境保護(hù)的呼聲越來越高，工業(yè)污水處理已經(jīng)體現(xiàn)出其必要性和緊迫性，對(duì)于各種污水進(jìn)行處理后排放成為各企業(yè)基本的要求。在工廠的工業(yè)污水處理過程中，污水來源的不穩(wěn)定以及工廠中各種污水的成分的復(fù)雜性，對(duì)工業(yè)污水處理的工藝和控制方式

6、提出了非常高的要求。2 設(shè)計(jì)課題要求本課題主要設(shè)計(jì)的內(nèi)容是冶金企業(yè)污水凈化處理工藝和基于PLC污水凈化處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案和PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì),主要由以下內(nèi)容組成：（1）介紹了工業(yè)污水處理的基本內(nèi)容：首先介紹了工業(yè)污水處理的概念和幾種主要的污水處理方式；然后對(duì)自己本次設(shè)計(jì)的任務(wù)、系統(tǒng)組成和工藝流程進(jìn)行了介紹。（2）介紹了PLC的基本結(jié)構(gòu)和工作原理和PLC的選用： 首先介紹了PLC的背景及基本構(gòu)成、工作原理，然后介紹了本次課題自己所選擇的PLC類型及其特點(diǎn)和PLC用于污水凈化處理系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)。（3）畫出輸入輸出接線圖及相關(guān)圖紙： 首先列出了系統(tǒng)組成示意圖和系統(tǒng)工藝流程圖及PLC設(shè)計(jì)的I/O分配圖并畫

7、出了詳細(xì)的PLC輸入輸出接線圖。（4）設(shè)計(jì)梯形圖控制程序： 詳細(xì)的列出了此次課題PLC設(shè)計(jì)的梯形順序圖。（5）污水凈化處理系統(tǒng)的PLC調(diào)試與運(yùn)行： 首先對(duì)硬件進(jìn)行調(diào)試，然后對(duì)軟件進(jìn)行調(diào)試，最后再進(jìn)行總體的調(diào)試運(yùn)行。（6）設(shè)計(jì)總結(jié)。 列出了此次課題設(shè)計(jì)的參考文獻(xiàn)及自己對(duì)此次設(shè)計(jì)課題的總結(jié)和鳴謝。3 工業(yè)污水處理控制系統(tǒng)介紹3.1工業(yè)污水處理基本概念城市污水、生活污水、生產(chǎn)污水或經(jīng)過工業(yè)企業(yè)局部處理后的生產(chǎn)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(zhì)、氨基酸、動(dòng)植物脂肪、尿素、氨、肥皂和合成洗滌劑等物質(zhì)外，還含有細(xì)菌、病毒等使人致病的微生物。經(jīng)處理后的污水，最后出路有三種：排放水體；

8、灌溉田地；重復(fù)使用。污水污染物可根據(jù)化學(xué)性質(zhì)和物理形態(tài)進(jìn)行不同的分類。按化學(xué)性質(zhì)，污水中的污染物質(zhì)可分為無機(jī)性物質(zhì)和有機(jī)性物質(zhì)，其化學(xué)元素以炭、氮、磷為主。按物理形態(tài)，污水中的污染物質(zhì)可分為固體懸浮物即呈顆粒狀的污染物質(zhì)、膠體污染物質(zhì)和溶解性污染物質(zhì)。3.2 常用的工業(yè)污水處理工藝不同的工業(yè)污水處理對(duì)象，不同的工業(yè)污水處理環(huán)境，將需要有不同的工業(yè)污水處理工藝來處理。因此，在選擇工業(yè)污水處理工藝的時(shí)候必需要認(rèn)真考慮當(dāng)?shù)匚鬯那闆r，以及實(shí)際的工業(yè)污水處理的環(huán)境。工業(yè)污水處理的方法主要有物理、化學(xué)、物理化學(xué)，以及生物等幾種。這些方法根據(jù)實(shí)際情況，可以單一使用，也可以針對(duì)不同的污水混合使用。目前，工業(yè)

9、污水處理的方法一般以生物處理法為主，輔以物理處理法和化學(xué)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(guān)鍵組成部分為沼氣池與沉淀池。（2）A/O法。A/O法是在傳統(tǒng)活性污泥法的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種工業(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(yīng)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(yīng)系統(tǒng)需要得到很好的控制，這樣就對(duì)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(diǎn)。（3）A2/O法。A2/O法也是在傳統(tǒng)活性污泥法的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種工業(yè)污水處理工藝

10、。A2/O是一種厭氧缺氧好氧工業(yè)污水處理工藝。A2/O法的除磷脫氮效果非常好，非常適合用于對(duì)除磷脫氮有要求的工業(yè)污水處理。因此，在對(duì)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。（4）A/B法。A/B法是吸附生物降解法的簡(jiǎn)稱，該工藝沒有初沉淀，將曝氣池分為高低負(fù)荷兩段，并分別有獨(dú)立的沉淀和污泥回流系統(tǒng)。高負(fù)荷段停留時(shí)間約為2040min，以生物絮凝吸附作用為主，同時(shí)發(fā)生不完全氧化反應(yīng)，去除BOD達(dá)50%以上。B段與常規(guī)活性污泥法相似，負(fù)荷較低。AB法中A段效率很高，并有較強(qiáng)的緩沖能力。B段起到出水把關(guān)作用，處理穩(wěn)定性較好。對(duì)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

11、高的節(jié)能效益。但是，AB法污泥產(chǎn)量較大，A段污泥有機(jī)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(fèi)用。（5）SBR法。SBR法是歇式活性污泥法的簡(jiǎn)稱，是一種按照一定的時(shí)間順序間歇式操作的污水生物處理技術(shù)，又稱序批式活性污泥法。其反應(yīng)機(jī)理及去除污染物的機(jī)理與傳統(tǒng)的活性污泥法基本相同，只是運(yùn)行操作方式不盡相同。SBR法與傳統(tǒng)的水處理工藝的最大區(qū)別在于它是以時(shí)間順序來分割流程各單元，以時(shí)間分割操作代替空間分割操作，非穩(wěn)態(tài)生化反應(yīng)代替生化反應(yīng)，靜置理想沉淀代替動(dòng)態(tài)沉淀等。3.3本次設(shè)計(jì)任務(wù)描述、系統(tǒng)組成及工藝流程（1） 任務(wù)描述：在冶金企業(yè)中，有大量的工業(yè)用水用于冷卻，為此每天

12、要消耗大量的水資源，由于用過的冷卻水含有大量的氧化鐵雜質(zhì)，不宜多次循環(huán)使用。為保護(hù)環(huán)境節(jié)約用水，需要對(duì)含有氧化鐵雜質(zhì)的污水進(jìn)行凈化處理。 （2）本此設(shè)計(jì)的污水凈化處理系統(tǒng)由1臺(tái)磁濾器，5只電磁閥和連接管道組成，系統(tǒng)組成示意圖如下：圖1-1 污水凈化處理系統(tǒng)示意圖（3）工藝流程 污水凈化處理可分為兩道工序，分別為： 濾水工序：打開進(jìn)水閥和出水閥，污水流經(jīng)磁濾器時(shí)，如果磁濾器的線圈一直通電，則污水中的氧化鐵雜質(zhì)會(huì)附著在磁濾器的磁鐵上，使水箱中流出的是凈化水。 反洗工序：濾水一段時(shí)間后，必須清洗附著在磁鐵上的氧化鐵雜質(zhì)。這時(shí)只要切斷磁濾器線圈的電源，關(guān)閉進(jìn)水閥和出水閥，打開排污閥和空氣壓縮閥，讓壓縮

13、空氣強(qiáng)行把水箱中的水打入磁濾器中，沖洗磁鐵，去掉附著的氧化鐵雜質(zhì)，使沖洗后的污水流入污水池，進(jìn)行二次處理。其工藝流程圖如圖所示：圖1-2 污水凈化處理工藝流程圖4 PLC的設(shè)計(jì)4.1 PLC的介紹 可編程序控制器(Programmable Logic Controller，簡(jiǎn)稱PLC)，是隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步與現(xiàn)代社會(huì)生產(chǎn)力式的轉(zhuǎn)變，為適應(yīng)多品種、小批量生產(chǎn)的需要而產(chǎn)牛、發(fā)展起來的一種新型的工業(yè)控制裝置。PLC從1969年問世以來，雖然至今還不到40年，但由于其具有通用靈活的控制性能、可以適應(yīng)各種工業(yè)環(huán)境的可靠性與簡(jiǎn)單方便的使用性能，在工業(yè)自動(dòng)化各領(lǐng)域取得了廣泛的應(yīng)用。 PLC實(shí)質(zhì)是一種專用于工

14、業(yè)控制的計(jì)算機(jī)，其硬件結(jié)構(gòu)基本上與微型計(jì)算機(jī)相同，基本構(gòu)成為：. 電源PLC的電源在整個(gè)系統(tǒng)中起著十分重要的作用。如果沒有一個(gè)良好的、可靠的電源系統(tǒng)是無法正常工作的，因此PLC的制造商對(duì)電源的設(shè)計(jì)和制造也十分重視。一般交流電壓波動(dòng)在+10%(+15%）范圍內(nèi)，可以不采取其它措施而將PLC直接連接到交流電網(wǎng)上去. 中央處理單元（CPU)中央處理單元（CPU）是PLC的控制中樞。它按照PLC系統(tǒng)程序賦予的功能接收并存儲(chǔ)從編程器鍵入的用戶程序和數(shù)據(jù)；檢查電源、存儲(chǔ)器、I/O以及警戒定時(shí)器的狀態(tài)，并能診斷用戶程序中的語法錯(cuò)誤。當(dāng)PLC投入運(yùn)行時(shí)，首先它以掃描的方式接收現(xiàn)場(chǎng)各輸入裝置的狀態(tài)和數(shù)據(jù)，并分別

15、存入I/O映象區(qū)，然后從用戶程序存儲(chǔ)器中逐條讀取用戶程序，經(jīng)過命令解釋后按指令的規(guī)定執(zhí)行邏輯或算數(shù)運(yùn)算的結(jié)果送入I/O映象區(qū)或數(shù)據(jù)寄存器內(nèi)。等所有的用戶程序執(zhí)行完畢之后，最后將I/O映象區(qū)的各輸出狀態(tài)或輸出寄存器內(nèi)的數(shù)據(jù)傳送到相應(yīng)的輸出裝置，如此循環(huán)運(yùn)行，直到停止運(yùn)行。. 存儲(chǔ)器存放系統(tǒng)軟件的存儲(chǔ)器稱為系統(tǒng)程序存儲(chǔ)器。存放應(yīng)用軟件的存儲(chǔ)器稱為用戶程序存儲(chǔ)器。. 輸入輸出接口電路1現(xiàn)場(chǎng)輸入接口電路由光耦合電路和微機(jī)的輸入接口電路，作用是PLC與現(xiàn)場(chǎng)控制的接口界面的輸入通道。2現(xiàn)場(chǎng)輸出接口電路由輸出數(shù)據(jù)寄存器、選通電路和中斷請(qǐng)求電路集成，作用是PLC通過現(xiàn)場(chǎng)輸出接口電路向現(xiàn)場(chǎng)的執(zhí)行部件輸出相應(yīng)的控

16、制信號(hào)。. 功能模塊：如計(jì)數(shù)、定位等功能模塊。. 通信模塊：如以太網(wǎng)、RS485、Profibus-DP通訊模塊等。 PLC的工作原理： 一. 掃描技術(shù)當(dāng)PLC投入運(yùn)行后，其工作過程一般分為三個(gè)階段，即輸入采樣、用戶程序執(zhí)行和輸出刷新三個(gè)階段。完成上述三個(gè)階段稱作一個(gè)掃描周期。在整個(gè)運(yùn)行期間，PLC的CPU以一定的掃描速度重復(fù)執(zhí)行上述三個(gè)階段。 輸入采樣階段 在輸入采樣階段，PLC以掃描方式依次地讀入所有輸入狀態(tài)和數(shù)據(jù)，并將它們存入I/O映象區(qū)中的相應(yīng)的單元內(nèi)。輸入采樣結(jié)束后，轉(zhuǎn)入用戶程序執(zhí)行和輸出刷新階段。在這兩個(gè)階段中，即使輸入狀態(tài)和數(shù)據(jù)發(fā)生變化，I/O映象區(qū)中的相應(yīng)單元的狀態(tài)和數(shù)據(jù)也不會(huì)

17、改變。 用戶程序執(zhí)行階段在用戶程序執(zhí)行階段，PLC總是按由上而下的順序依次地掃描用戶程序（梯形圖)。在掃描每一條梯形圖時(shí)，又總是先掃描梯形圖左邊的由各觸點(diǎn)構(gòu)成的控制線路，并按先左后右、先上后下的順序?qū)τ捎|點(diǎn)構(gòu)成的控制線路進(jìn)行邏輯運(yùn)算，然后根據(jù)邏輯運(yùn)算的結(jié)果，刷新該邏輯線圈在系統(tǒng)RAM存儲(chǔ)區(qū)中對(duì)應(yīng)位的狀態(tài)。 輸出刷新階段當(dāng)掃描用戶程序結(jié)束后，PLC就進(jìn)入輸出刷新階段。在此期間，CPU按照I/O映象區(qū)內(nèi)對(duì)應(yīng)的狀態(tài)和數(shù)據(jù)刷新所有的輸出鎖存電路，再經(jīng)輸出電路驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的外設(shè)。這時(shí)，才是PLC的真正輸出。4.2 PLC選型本次設(shè)計(jì)選用日本三菱公司的FX2N32MR型號(hào)的PLC。三菱FX2N系列PLC是三菱

18、PLC是FX家族中最先進(jìn)的系列。具有高速處理及可擴(kuò)展大量滿足單個(gè)需要的特殊功能模塊等特點(diǎn)，為工廠自動(dòng)化應(yīng)用提供最大的靈活性和控制能力。 圖1-3 三菱FX2N32MR型號(hào)PLC示意圖FX2N系列擁有以下特點(diǎn)： 控制規(guī)模：16256點(diǎn)； 內(nèi)置8K容量的RAM存儲(chǔ)器，最大可以擴(kuò)展到16K； CPU運(yùn)算處理速度0.08S/基本指令； 在FX2N系列右側(cè)可連接輸入輸出擴(kuò)展模塊和特殊功能模塊； 基本單元內(nèi)置2軸獨(dú)立最高20kHz定位功能(晶體管輸出型）。選擇PLC對(duì)污水凈化處理系統(tǒng)進(jìn)行控制的優(yōu)點(diǎn)： 整個(gè)控制系統(tǒng)采用計(jì)算機(jī)電路控制且自動(dòng)化程度更高； 參數(shù)更加精準(zhǔn)、更節(jié)能； 節(jié)約投資成本、系統(tǒng)程序管理規(guī)范；

19、 PLC編程也很靈活，可以根據(jù)客戶提出來的要求做出改變。4.3 PLC的I/O分配圖及接線圖I/O分配圖:輸入地址輸入設(shè)備輸出地址輸出設(shè)備X0啟動(dòng) SB1Y0進(jìn)水閥 KM1X1停止 SB2Y1出水閥 KM2X2管壓差高信號(hào)SQ1Y2磁濾器KM3X3急停SB3Y3空氣壓縮閥 KM4Y4排污閥 KM5Y5反洗鈴KM6圖1-4 三菱FX2N32MR PLC的I/O分配圖PLC接線圖: 圖1-5 污水凈化處理系統(tǒng)接線圖4.4 PLC程序設(shè)計(jì)PLC程序梯形圖塊：5 調(diào)試和運(yùn)行結(jié)果對(duì)污水凈化處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)、安裝完成后，進(jìn)行系統(tǒng)的調(diào)試和試運(yùn)行，發(fā)現(xiàn)并解決設(shè)備、體統(tǒng)、程序、工藝等方面出現(xiàn)的問題，檢驗(yàn)系統(tǒng)是否實(shí)現(xiàn)

20、工藝設(shè)計(jì)目標(biāo)，即凈化濾水工序是否達(dá)到設(shè)計(jì)要求。5.1硬件系統(tǒng)的調(diào)試按照系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求將各硬件接線接好。調(diào)試過程首先檢查總供電及各設(shè)備供電是否正常，然后檢查設(shè)備的電氣控制是否正常，能否正常開機(jī)，各種按鈕、行程開關(guān)能否正常開啟和關(guān)閉，檢查控制系統(tǒng)是否正常。在對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行必要的檢查后，開始具體調(diào)試。硬件功能調(diào)試主要是測(cè)試硬件的功能是否正常，這部分的調(diào)試內(nèi)容包括：（1）供電線路的設(shè)置和檢驗(yàn)，主要用萬用表檢測(cè)電路的連通是否實(shí)現(xiàn)，以及保證接線的正確性。（2）PLC單獨(dú)檢測(cè)，檢查PLC單元能否正常工作，指示燈是否正常，該部分工作實(shí)際上在計(jì)算機(jī)模擬調(diào)試前就己經(jīng)完成；（3）對(duì)系統(tǒng)和PLC進(jìn)行總體的檢查，檢查系統(tǒng)、PLC是否能實(shí)現(xiàn)對(duì)此課題控制；經(jīng)過測(cè)試，結(jié)果表明上述功能一切正常，可以進(jìn)行總體調(diào)試。5.2軟件系統(tǒng)的調(diào)試在三菱GX Developer編程軟件中，通過編程，將編好的程序?qū)懭氲絇LC中進(jìn)行運(yùn)行調(diào)試，利用軟件的診斷和參數(shù)檢查功能檢查程序是否有錯(cuò)誤，是否能夠?qū)崿F(xiàn)相應(yīng)的功能控制。也可使用梯形圖邏輯測(cè)試功能進(jìn)行模擬調(diào)試，可根據(jù)功能模塊分類分別調(diào)試，最后進(jìn)行總體調(diào)試。5.3運(yùn)行結(jié)果 將程序?qū)懭隤LC后，通電試