工业污水处理PLC控制系统设计

　　摘要

　　现如今,现代工业高速发展,城市化发展进程不断加快,但也带来一个弊端:排放到环境中的污水量越来越多,这不仅会影响到人们的身心健康,更会污染了本就稀缺的水资源,从而严重影响了人们的正常生活以及经济的可持续发展.基于目前污水污染的严峻形势,我们要把目光放在污水处理项目这一块,加大对其研究的投入.对工业污水处理的 PLC 控制系统的研究在目前的工业控制及应用中较为热门,它有着很高的应用价值,在工业发展中起到了很大的作用.本文是以我国目前较为普遍的污水处理厂为研究背景,设计出一套适合处理工业污水的 plc 控制系统.第一步,我们分析现如今的污水处理工艺,从而列出与工艺相对应的控制方案和设计方法.第二步,对我们确定的控制方案方案进行 PLC 的硬件选型及软件编程,硬件选型包括了选择适合的 PLC 机型和相应的扩展模块的配置,软件编程主要是设计开关量的控制程序和工艺中主要涉及到的重要参数 PH 值和氧含量等模拟量的控制程序,并且采用数字 PID 控制算法来自动控制系统中的模拟量.设计的主要目的就是为了实现对污水处理工艺过程中的主要步骤的控制和管理.本设计研究是为了改善环境和提高社会经济效益,而且对一些污水处理厂有借鉴和参考作用.

　　关键词: PLC 自动控制 污水处理

　　Abstract

　　Nowadays, the rapid development of modern industry and the rapid developmentof urbanization, but also brings a malpractice: the amount of sewage discharged intothe environment is more and more, which not only affects people's physical andmental health, but also pollutes the scarce water resources, which seriously affects thenormal life of people and the sustainable economy. Continued development. Based onthe severe situation of sewage pollution at present, we should focus on the sewagetreatment project and increase investment in its research. The research on the PLCcontrol system for industrial sewage treatment is very popular in the current industrialcontrol and application. It has a high application value and plays a great role in theindustrial development. In this paper, a PLC control system which is suitable forindustrial wastewater treatment is designed based on the current sewage treatmentplant in China. The first step is to analyze the present sewage treatment process, so asto list the control plan and design method corresponding to the process. In the secondstep, the hardware selection and software programming of PLC are carried out. Theselection of hardware includes the selection of the suitable PLC model and theconfiguration of the corresponding expansion module. The software programming ismainly the control program of the switch quantity and the control of the value of theimportant parameters, such as the PH value and the oxygen content of the importantparameters, which are mainly involved in the process. The program is programmed,and digital PID control algorithm is adopted to automatically control the analogquantity in the system. The main purpose of the design is to realize the control andmanagement of the main steps in the process of sewage treatment. The purpose of thisstudy is to improve the environment and social and economic benefits, and to drawlessons from some sewage treatment plants.

　　Key word: PLC;automatic control;sewage treatment

　　目录

　　第一章 绪论.............................................................................................................................1

　　1.1 课题的研究意义 ............................................................................................................1

　　1.2 污水处理的自动控制系统国内、外研究现状............................................................2

　　1.3 本课题的主要研究内容 ...............................................................................................3

　　第二章 污水处理过程被控对象的分析................................................................................4

　　2.1 工艺流程的过程简介 ....................................................................................................4

　　2.2 控制系统任务分析 ........................................................................................................5

　　第三章 系统的硬件设计 .......................................................................................................8

　　3.1 液位计的选择 ................................................................................................................8

　　3.2 软启动器的选择 ............................................................................................................9

　　3.3 调节阀的选择 .............................................................................................................10

　　3.4 PH 计的选择 ................................................................................................................11

　　3.5 溶解氧含量分析仪的选择 ..........................................................................................11

　　3.6 变频器的选择 .............................................................................................................12

　　3.7 控制器的选型 .............................................................................................................13

　　3.7.1 控制器的选型分析 .............................................................................................13

　　3.7.2 PLC 模块 ..............................................................................................................14

　　3.7.3 PLC 的 I/O 点数确定 ..........................................................................................14

　　3.7.4 PLC 外部接线图的设计 ......................................................................................15

　　第四章 系统的软件设计 .......................................................................................................17

　　4.1 控制流程图 .................................................................................................................17

　　4.2 PLC 控制程序的编写 ..................................................................................................18

　　4.2.1 输入输出模块 ......................................................................................................18

　　4.2.2 主程序 .................................................................................................................20

　　4.2.3 手动控制程序 P2 ................................................................................................20

　　4.2.4 自动控制程序 P1 .................................................................................................22

　　结论.........................................................................................................................................28

　　致谢.........................................................................................................................................29

　　参考文献.................................................................................................................................30

　　附录 梯形图...........................................................................................................................31

　　第一章 绪论

　　现如今,水资源在我们日常生活中越来越重要,越来越宝贵.而且,我国本来就属于淡水资源相对贫乏的国家,我国的淡水资源总量大约有两万八千亿立方米,其中有 1000 多亿立方米的淡水资源是地下水.这听起来让我们感觉我国水资源还是储量相当可观的,但是我国的人口数量世界第一,因此,人均淡水资源的占有量严重不足,仅有 2220 立方米,不到世界人均占有量的四分之一.目前,我国淡水资源仍在不断的流失,我国人民群众在用水上也存在着没有节约意识,肆意浪费水资源等不良现象.由此可以看出,淡水资源的短缺和利用率低的问题现在已经制约了我国的经济发展和现代化、城市化的发展的进程.

　　我国的污水主要是产生于城市的发展过程,还有随着近些年城市工业项目越来越多,工业区的污水排放量也是日益增多,污水的组成元素和水质复杂多样,如今现有的污水处理厂开始有些乏力,处理效果差强人意,达不到国家制定的工业排放标准.因此,地下的淡水资源就会受到这些未达标处理的污水的污染.基于这种情况,强化污水处理的手段,改善恶化的水环境是迫在眉睫的.要想保护环境和节用水资源,就需要污水的循环利用.工业污水,也就是工业工厂生产过程中排放的受污染的水.在我国,有百分之六十的废水排放量是工业污水.所以工业污水污染的防护与治理成了我国环境保护的重点之一.工业污水处理会产生含有有害成分的气体,导致处理现场环境恶劣,且污水处理设备运行的周期十分的长,所以基于 PLC 的污水处理系统能保证污水处理厂工作人员的人身安全和相对提高生产效率.

　　1.1 课题的研究意义

　　本课题源于我国的污水处理厂项目,对污水处理的一些工艺做了相关的分析,研究发现了一套污水处理系统,并且该系统具有高性能和高可靠的特点.该系统运用通信网络技术、计算机、plc 以及组态软件等技术结合污水处理的相关工艺要求实现了运行参数和状态能够被智能的控制和检测,而且还达到了保护环境、降低能耗和人工劳力,从而实现增加经济效益和减排节能的目标.

　　我国是一个缺水的国家,根据我国的污水处理规划要求,污水通过污水处理厂通过适当的深度处理后,除了可以回收用于城市工厂的生产、城市绿化、城市消防等地方外,还可以用于许多用水水质要求不高的场地,这样一来就可以有效缓解我国的水资源不足的困境.

　　1.2 污水处理的自动控制系统国内、外研究现状

　　现如今,我国经济高速发展,环境的污染也日益严重,令人堪忧,面对污水治理这一难题,世界各国都投入了大量的研究,在物力、人力和财力方面,我国的投入也毫不逊色.近年来,中美日欧等地区在污水处理项目这一块都取得了不错的成果,理论的创新、工艺的研究和自动控制系统方面的研发这些部分都有很好的表现.其中,有一些发达国家在经过了几十年如一日的不懈努力,高达百分之八十五的污水处理率的宏伟目标已经得以实现,成功有效的解决了城市的工业水污染问题.同一时间,一些国家比如以色列已经开始研发污水再利用的项目,以色列目前达到了百分之九十的污水再利用.

　　我国在污水治理方面也投入了很大的精力,在未来很长的一段时间对污水处理项目的投资也持续加大.河北省的污水治理和环境保护事业事我国的重点关注对象,该地区的环境会影响到首都的环境质量.光靠关闭有污染的企业显然事远远不够和不可行的,我们要从根本解决污染问题,这本就是一项长久的工程.因此,这也为我国的污水处理事业提供了巨大的机遇和挑战.如何在我国的污水处理的巨大市场稳稳占有一席之地,我过的污水处理工业厂得好好思量这个实际的问题.只有持之以恒的投入到相关技术的研究中去,才能提高我国在污水处理项目上的能力.

　　工业污水污染环境的问题在我国已经持续了很久,相关部门在这方面也做了很多的部署,并且确立了保护环境为我国的一项基本国策.除此之外,我国开展的治理"三河三湖"的工程,同样也起到了很明显的治理效果.在环保理论和处理工艺方面我国与其他国家相比并不处于劣势,但是,国外所拥有的环保单元设备和先进的自动控制系统都领先于我们.

　　目前,我国大多数污水处理厂的现状是:手动和自动的都有,同时存在着自制和引进的装置.通过调查我们发现其中大多数自控系统从硬件到软件都是从国外原装引进的,但是我们无法完全吸收它的技术.如白酒厂、谷朊粉厂等自备的小型污水处理厂就有突出的问题表现,由于仪表的准确性较差,运行过程中设备的调整迟缓会导致出水的水质出现差异.而其中仪表的问题就是因为资金不足而采用的国产的一些离线设备.同时,季节性的生产原因也会导致上述现象.

　　但是,我国的一些大型污水处理厂就相对比较高级了,其中有的会借鉴国外的现金污水处理工艺和经验来自行研发,有的会花大量资金引进丹麦、德国等国家的成套的污水处理的自动控制系统和其所必须要的软硬件.由于设备都是整套的引进的,所以装置和系统运行配合较好,操控性能也很强.系统也就能实现自动化控制,不间断地运行保证排出的水能叨叨水质标准.但是运行期间一旦遇到故障就很难自己解决,需要花资金来聘请外国的技术人员来进行维修,而且现在设备更新很快,花费的成本日益倍增.

　　尽管我国的环保方面的研究和工艺的创新和国外相比较晚,环保的单元设备和自控系统与国外有些差距,但是污染治理进程和其他国家相比并不处于劣势.我国现有的污水处理厂的设备还不能完全的实现全自动控制,大多数只可以实现部分的自动控制和现场检测.因此,我们要增加对污水处理项目研究的时间才能缩小与国外先进污水处理技术的差距,从而增强我国的影响力.

　　1.3 本课题的主要研究内容

　　对 PLC 控制系统在现有的污水处理项目应用的方面进行研究,从而设计出一套污水处理的自动控制系统,包括控制系统的总体设计及关键技术的分析.选择合适的污水处理流程,根据污水处理厂的实际情况,通过对控制系统做出了具体的功能和性能及关键技术的分析,完成了控制系统的监控方案和结构设计.污水处理厂电气控制系统硬件设计.完成仪器仪表系统的分析,分析了PLC 的特点和工作原理,统计各工艺设备的 I/O 点数,并对此工程做出 PLC 的选型和地址分配,实现 PLC 的数据采集,完成其他设备配置的选择.从而实现了对系统的各参数的有效控制.

　　第二章 污水处理过程被控对象的分析

　　污水处理的控制系统事复杂而多变的,这也决定了污水处理的控制过程和其他的一般的控制系统具有相同的特征,同时拥有顺序控制和实时控制,模拟量和数字量同在,控制回路包含着开环控制和闭环控制.当然,污水处理的控制系统也有它的不同之处:它的控制对象的参数有氧含量和 PH 值.要想达到对这些参数预期的控制效果,必须综合调整和控制各工段的处理时间和一些工作设备的工作状态.由此我们可以看出,污水处理过程所需要的控制系统是十分庞大的,就如目前最先进的污水处理厂的控制系统,控制几十路的模拟量不在话下,可以包含几百路的开关量,当然,这众多的被控量需要有一定的时间和逻辑顺序关系作为依据来进行精确的测量和调节的.

　　2.1 工艺流程的过程简介

　　目前工业污水处理的方法主要有涉及物理、生物、化学三大领域的方法.其中,物理法最为简单,它的工作原理主要就是通过物理作用来分离污水中的固体垃圾和悬浮物.通常作为污水处理流程的初级阶段,称为预处理.污水处理主要应用的方法是化学法和生物法,通过加入碱液等来调整废水的 PH 值,曝气工艺来增加水中氧含量,这些方法来提高废水中的微生物活性来分解或转化水中的有机物和离子物,使它们经过处理转化为二氧化碳和无机盐.因此生物法是污水处理的重要步骤和方法,不仅洁净能力较强,而且节约资金费用低廉.在如今的污水处理厂,通常都会组合使用这些污水处理方法,这就造就了不同的污水处理工艺.

　　污水处理净化的重要参考指标是水质参数,而污水处理厂的控制系统就是在处理过程中针对各种水质参数来进行控制.相对来看,越复杂的污水处理自动控制系统,它的自控系统涉及的面也就越广.

　　本课题设计的一套污水处理系统的工艺流程如下图 2-1 所示.

　　从流程图可以看出,工艺流程大致分为三个部分:物理处理系统、生化处理系统、沉淀及其后处理系统.下面我将进一步介绍.

　　2.2 控制系统任务分析

　　(1)物理处理系统

　　系统这部分主要是起分离废水中固体垃圾的作用,首先我们通过比较粗格栅前后的液位差来判断粗格栅上是否有固体垃圾的堆积,当液位差数值大于百分之十时,PLC 控制系统自动停止排入废水的污水泵,提起粗格栅,将堆积在上的固体垃圾清理干净.清理完毕降下粗格栅至低限位,若此时系统检测到前后液位差小于百分之十,系统自动控制污水泵启动.接着是除砂池部分,当系统检测到除砂池的液位大于总液位存储量的 90%时,自动控制污水泵停止,开始除砂池除砂,除砂时间设定为 10s,超过设定时间系统自动开启除砂池的出水泵至池内液位下降到百分之十以下时,系统检测到后关闭除砂池出水泵,同时开启转股清污机,清理除砂池剩余的固体垃圾和泥沙.

　　(2)生化处理系统

　　这部分处理系统功能是提高废水中的微生物活性来分解或转化水中的有机物和离子物,使它们经过处理转化为二氧化碳和无机盐.提高微生物活性可以通过提高废水内的氧含量以及调节水的 PH 值使废水酸碱性为弱碱性来实现.当排入曝气池的水量达到曝气池总废水存储量的 90%时系统自动开始 20s 的曝气工艺并停止除砂池出水泵,期间,系统会实时检测池内的氧含量和 PH 值,池内氧含量大于 50%时爆气机会自动关闭,同时,系统检测到的 PH 值小于 8 会自动开启加药阀调整池内的 PH 值直至 PH 大于 8,并立即关闭加药阀门,这样即可保证池内微生物活性.在曝气工艺结束之后,系统自动开启曝气池出水泵,在曝气池液位为 0 的时候继续开启除砂池出水泵.

　　(3)沉淀及其后处理系统

　　曝气池排出的废水进入沉淀池,在沉淀池的水量达到总水量的百分之九十时系统自动关闭曝气池排水泵.沉淀池的沉淀时间设为 20s,20s 后开启沉淀池排水泵至池内水量剩余 10%时自动关闭排水泵,同时开启污泥回流泵,将沉淀池底部的污泥回流到最开始的污水池回收再利用.

　　除了实现了控制系统的自动控制之外,本设计的污水处理系统对各个处理池的电机均设有手动开关.按下相应启动按钮,泵动作,按下相应关闭按钮,泵停止.下面图 2-2-1,2-2-2,2-2-3 为系统的主电路图.

　　…………由于本文篇幅较长,部分内容省略,详细全文见文末附件

　　结论

　　经过了为期几个月的对基于 PLC 控制的污水处理系统这个课题的不断深入研究,结合污水处理过程中遇到的问题和污水处理厂的处理废水的工艺流程,设计出了一套 PLC 控制的污水处理系统.本系统主要通过液位、氧含量、PH 值等模拟量的采集来对系统各部分实现自动控制并且采用了 PID 算法实现对模拟量的控制.除了实现了控制系统的自动控制之外,本设计的污水处理系统的各个处理池均可手动开启或关闭所有的阀门及机泵,按下相应启动按钮,泵动作,按下相应停止按钮,泵停止.

　　本课题主要完成的工作有:

　　(1) 根据现有的污水处理厂的要求设计出了一套工业污水处理的 PLC 控制系统.

　　(2) 学习运用 GX Works2 来编辑了 PLC 控制程序的梯形图并对重要部分进行了截图分析.

　　(3) 整理并且优化设计内容完成一份设计说明书.

　　我们知道,工业生产具有复杂性,因此,工业污水也有多样的污染性质,比如有色污染、无机污染、热污染等.同时,在处理工业污水方面,还有一定的技术难度.生产工艺的变动对污水的水质和边界条件有很大影响.还有,工业污水处理会产生含有有害成分的气体,导致处理现场环境恶劣,且污水处理设备运行的周期十分的长,所以基于 PLC 的污水处理系统能保证污水处理厂工作人员的人身安全和相对提高生产效率.

　　致谢

　　感谢××××大学,感谢××××学院的各位老师这几年的谆谆教导.本论文是在我的导师××老师的热心关怀和悉心指导下才得已完成的.×老师曾是我们电梯课程的授课老师,她有着渊博的专业知识,在论文完成过程中给了我们很对指导和帮助.一开始和老师会面的时候,我们都有些局促,因为对于我们机械的学生,对于 PLC 这一块了解的不多,脑子里对我们所选的课题的想法也是一片空白.老师鼓励我们多看论文,找到自己的想法.由于大四下半学期没有课程安排,懒散的我们毕业设计进度一直缓慢,老师看了也替我们着急,于是开始严格要求,完成初稿的前一个月,实验室里多了我们和老师忙碌的身影.老师每天都要过来关心我们的学习情况和设计进度,每一段时间我们大家都要开一次会议来互相探讨大家的设计情况,互相帮助找出各自设计出现的问题.因此,本设计的完成是大家一起努力的成果,在这里,我要感谢我的导师,还有很多帮助我的同学.

　　经过了这几个月的设计历程,感受颇多,在和老师同学们的交流中,对PLC 的了解也更深了,学习到了书本中难以体会的东西.

　　最后,感谢××××大学,感谢××××学院的各位老师 4 年的教诲,感谢设计期间×老师的严格要求和悉心指导,感谢帮助我的每一个同学.他们的鼓励和支持给了我很强的信心,激励着我以后在工作中,事业上取得更好的成绩.
　　参考文献
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