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污水处理PLC控制
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目次
1引言..............................................................1
2系统概述..........................................................2
............................................2
..........................................2
..................................................5
3系统整体方案......................................................7
....................................................7
........................................................7
4硬件设计.........................................................11
.......................................................11
.....................................................11
........................................................13
...................................................15
5软件设计.........................................................17
....................................................18
................................................30
6系统仿真调试分析.................................................40
.......................................40
.......................................40
...............................................40
结论...............................................错误!未定义书签。
致谢...............................................错误!未定义书签。
参考文献..........................................错误!未定义书签。
附录A污水处理控制系统PLC程序.....................错误!未定义书签。
附录B上位机应用程序脚本...........................错误!未定义书签。
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1引言
全球经济的发展极大地推动了社会的进步,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。污水是造成环境污染的主要原因之一,污水处理
引起了世界各国政府的关注,治理水污染的课题已被列入世界环保组织的工作日程。
我国政府历来高度重视资源节约和环境保护,“十一五”规划纲要把节能和减排作
为约束性目标。近两年,又提出并实施节能减排综合性工作方案,建立节能减排指
标体系、监测体系、考核体系和目标责任制,颁布了应对气候变化国家方案。我国
政府在2008年“两会”中强调,2008年是完成“十一五”节能减排约束性目标的
关键一年,务必增强紧迫感,加大攻坚力度,力求取得更大成效,提高城镇污水处
理能力,力争用两年时间在36个大城市率先实现污水的全部收集和处理,建设资
源节约型、环境友好型社会。
随着现代控制技术、计算机技术和通信技术的飞速发展和广泛应用,使得整个
污水处理过程实现了计算机监测、控制和管理,完成了高质量、低成本、稳定可靠
的运营方式。如何提高污水处理的自动化程度,保障控制系统的稳定、可靠运行已
经成为一个重要的研究内容。
根据污水处理工艺流程的特点,本课题设计了下位机系统和上位机系统两部分。
下位机系统采用可编程控制器PLC和常规仪表构成可靠的自动监测和安全联锁系
统;选用Wonderware公司的InTouch工控组态软件创建上位机监控界面,最终实
现对污水处理的工艺过程参数、电气参数和设备运行状态进行监视、控制。与传统
的继电器-接触器控制系统相比,PLC控制系统具有通用性好,可靠性高,安装灵
活,扩展方便,性价比高等一系列优点,而且其总线与网络能力越来越强,可方便
地与上位机组成控制系统;另外,污水处理过程的共同特点就是开关量多,模拟量
少,以逻辑顺序控制为主,闭环回路控制为辅,因此PLC在污水处理行业得到了广
泛应用,实现了对污水处理过程的实时监测和控制,从而保障了生产过程的连续性,
降低了劳动强度,实现了少人或无人值守的目标。
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2系统概述
本次设计采用的污水处理工艺为活性污泥法污水处理工艺。活性污泥法是处理
生活污水、工业废水最广泛使用的方法。它能从污水中去除溶解的和胶体的可生物
降解的有机物以及能被活性污泥吸附的悬浮固体和其他一些物质。无机盐类(磷和
氮的化合物)也能部分地被去除。活性污泥法是早在1914年就由英国学者Ardern
和Locket发明了的污水处理工艺。70年代初,
授采用实验室规模对活性污泥法工艺进行了系统深入的研究,并于1980年在美国
环保局(EPA)的资助下,在印第安那州的Culwer城改建并投产了世界上第一个活
性污泥法污水处理厂。国内外对活性污泥法研究的结果表明该工艺具有下列一些优
点:工艺简单,多数情况下不必设调节池,从而节省费用;活性污泥法反应池生化
反应推力大,处理效率高;运行方式灵活可靠,管理简单;脱氮除磷效果好;反应
池中污泥活性高;沉降性能好,能有效地防止污泥膨胀,耐冲击负荷能力强;工作
稳定性好。活性污泥法适应的进出水水质要求变化范围较大,不仅适合于城市生活
污水的处理,而且适合于不同的工业废水处理。因此,国际上近年来对活性污泥法
的研究随着污水治理标准的提高,越来越引起人们的重视。
目前,活性污泥法污水处理工艺主要应用在以下几个污水处理领域:城市污水;
工业废水,主要有味精、啤酒、制药、焦化、餐饮、造纸、印染、洗涤、屠宰等工
业的污水处理。
活性污泥法是利用悬浮生长的微生物絮体处理废水的一类好氧生物处理方
法,生物絮体称活性污泥。由好氧微生物(包括真菌、细菌、原生动物及后生动物)
及其代谢和吸附的有机物,无机物组成,显示生物化学活性,具有降解废水中有机
污染物的能力。活性污泥法处理废水中有机污染物的处理可分为两个阶段,即生物
吸附阶段和生物氧化阶段。
(1)生物吸附阶段
废水与活性污泥微生物充分接触,形成悬浊混合液,废水的污染物被比表面积
巨大,且表面含有多糖类黏性物质的微生物吸附和黏连,呈胶体的大分子有机物被
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吸附后,首先在水解酶作用下,分解为小分子物质,然后这些小分子与溶解性有机
物在酶的作用下或浓度差推动下选择性渗入细胞体内,使废水中的有机物含量下降
而得到净化。
(2)生物氧化阶段
被吸附和吸收的有机物质继续被氧化,这个阶段需要很长时间,进行非常缓慢。
在生物吸附阶段,随着有机物吸附量的增加,污泥的活性逐渐减弱。当吸附饱和后,
污泥失去吸附能力,经过生物氧化阶段吸附的有机物被氧化分解后,活性污泥又呈
现活性,恢复吸附能力。
废水生物处理工艺后出水的好坏同活性污泥生物的种类、数量及其代谢活力有
关,活性污泥中的微生物由分解有机物的细菌、原生动物、后生动物等。
(1)细菌
按其外形可分为球菌、杆菌、和弧菌三种类型。活性污泥中除一般细菌外,还
存在一些较高等的细菌,如放线菌、丝状菌。
(2)真菌
真菌具有单细胞和多细胞两种形态。单细胞真菌多呈圆形或椭圆形。常见的有
酵母菌,多细胞真菌呈丝状,统称霉菌。
(3)原生动物
生物处理中,主要的原生动物有肉足虫类、鞭毛虫类、纤毛虫类等。其中的纤
毛虫类原生动物与废水处理的关系密切
(4)后生动物
又称多细胞动物。主要有轮虫、线虫等。
(5)藻类
藻类是一种单细胞或多细胞的植物。富含蛋白质、脂肪等营养物质。藻类细胞
内有叶绿体,能进行光合作用,放出氧气。
由于城市污水主要是工业企业和居民生活所排放的,所以污水中含有大量的有
机物,这种污水称为生化污水。活性污泥法污水处理工艺是利用微生物的吸附、氧
化和分解作用来降解污水中有机物含量,形成可以沉淀的污泥,从而使净化水质达
到规定的排放标准。活性污泥法污水处理工艺的主要处理单元有粗格栅、细格栅、
3:.
沉砂池、曝气池、二沉池及污泥输送机等,。污水首先经过粗格栅去
除体积较大的固体废弃物及部分漂浮物,以保证后续污水处理单元安全运转。细格
栅进水水泵提升后的污水进入细格栅。细格栅用于去除细小颗粒的无机物、漂浮物。
曝气池利用污水中的微生物净化污水,而污泥输送机将污泥送出。各组成部分的功
能如下:
(1)粗格栅用于除掉污水中大块杂物和污物,进而保护细格栅进水水泵。
(2)细格栅用于除去污水中小块杂物,吸砂桥除砂和漂浮油脂。
(3)沉砂池初步沉淀水中污泥,用砂水分离机收集污泥并送至污泥输送机。
(4)曝气池为生化处理区,通过投放回流活性污泥搅拌和曝气供氧,培养微生
物大量繁殖,形成更多活性污泥。
(5)二沉池彻底澄清污水,使泥水分离。
曝气池与二沉池是活性污泥系统的基本构筑物,二者组成了污泥的微生物处理
单元。由沉砂池流出的废水与从二次沉淀池底部回流的活性污泥同时进入曝气池,
其混合体成为混合液。在曝气池的作用下,混合液得到足够的溶解氧,并使活性污
泥和废水充分接触。废水中的可溶性有机污染物为活性污泥所吸附,并被微生物群
体所分解,使废水得到净化。在二次沉淀池内,活性污泥与已被净化的废水分离,
并以较高浓度回流曝气池。由于活性污泥不断增长,部分污泥作为剩余污泥从系统
中排出,通过除污机将污泥送至污泥输送机。在用活性污泥法处理污水的过程中,
良好的活性污泥和充足的氧气是有效处理污水的必要条件。因此,在污水处理控制
系统中,要保证有充足的氧气和足够的活性污泥进入曝气池,否则,将不能很好地
处理污水。
污水达标水
粗格栅细格栅沉砂池曝气池二沉池
污泥回流
污泥污泥污泥
污泥外运
污泥输送机
(1)初期吸附作用
4:.
在许多活性污泥系统里,当废水与活性污泥接触后3~5分钟内,就有很大一部
分有机物被去除。这种初期高速去除现象是吸附作用引起的。由于污泥表面积很大
且表面具有多糖类粘质层,因此污水中悬浮和胶体的物质能被絮凝和吸附而迅速去
除。
(2)微生物的氧化分解作用
微生物分解初期吸附或吸收有机物。同时也继续吸附前阶段未吸附和吸收的物
质,主要是溶解有机物。这一阶段进行得很缓慢,微生物一方面将一部分有机物合
成新的细胞物质,进行合成代谢,一方面对另一部分有机物进行分解代谢,即氧化
分解,以获取合成新细胞所需的能量,并最终形成CO和HO等稳定物质。吸附达
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到饱和后,污泥失去活性,不再具有吸附能力。但通过氧化阶段,除去了所吸附的
大量有机物后,污泥又重新出现活性,恢复它的吸附氧化分解能力。
(3)絮凝体形成及凝聚沉降作用
污水中有机物通过生物降解,一部分氧化分解成CO和HO等稳定物质,一部
22
分合成细胞物质形成菌体,因此,必须把形成的菌体有机物从混合液中分离出去,
这样才能彻底净化。目前菌体与水的分离,多是采用重力沉淀法,即菌体先形成比
重较大的凝絮体,再凝聚沉降。活性污泥中的菌胶团以及常见的产碱杆菌、无色杆
菌、黄杆菌、假单胞菌等,都易形成絮凝体。但也必须有一定的适宜条件。
通过上述三个过程,废水中的有机物就基本得到了净化。正因为活性污泥与废
水能充分混合接触,具有较大的表面积和活性,所以,活性污泥法处理效率是很高
的。
根据活性污泥法污水处理工艺,为了实现对污水的处理,在控制系统中将实现
以下控制功能:
(1)粗格栅的控制:粗格栅单元的主要被控对象有进水电磁阀以及链条格栅除
污机。系统启动后,进水电磁阀应根据粗格栅进水池液位自动打开和关闭,以实现
对粗格栅进水池液位的控制。链条格栅除污机也要根据粗格栅进水池液位自动启动
和停止,以实现粗格栅的功能。
(2)细格栅的控制:细格栅单元的主要被控对象有进水水泵以及回旋式格栅除
污机。系统启动后,进水水泵应根据粗格栅出水池液位和细格栅进水池液位自动打
5:.
开和关闭,以实现对细格栅进水池液位的控制。回旋式格栅除污机根据细格栅进水
池液位自动启动和停止。
(3)沉砂池的控制:沉砂池的主要被控对象有进水电磁阀以及砂水分离机。进
水电磁阀应根据沉砂池液位自动打开和关闭,以实现对沉砂池液位的控制。砂水分
离机根据沉砂池液位以及沉砂时间自动启动和停止。
(4)曝气池的控制:曝气池的主要被控对象有进水电磁阀、鼓风机以及气冲阀
等。和其它进水电磁阀一样,曝气池的进水电磁阀也应根据曝气池液位的大小自动
打开和关闭。当开始曝气时,就打开鼓风机及气冲阀,以调节曝气池中的溶解氧的
含量。通过控制溶解氧的含量,来控制曝气池中微生物的好氧性,从而净化污水。
(5)二沉池的控制:二沉池中需要控制的对象有进水电磁阀、出水电磁阀、泵
吸式吸泥机以及污泥回流装置。进水电磁阀也应根据液位大小自动打开和关闭。
(6)污泥输送机的控制:系统运行后,污泥输送机以一定的时间间隔自动间歇
运行。
此外,为了实现远程监控污水处理工业现场的各种被控参数,控制系统中还要
有上位机监控界面,并在上位机监控界面中实现对工业现场的被控对象的控制。
6:.
3系统整体方案
污水处理过程的共同特点就是开关量多,模拟量少,以逻辑顺序控制为主,闭
环回路控制为辅。因此,PLC在污水处理行业得到了广泛应用,实现了对污水处理
整个过程的实时监测和控制,从而保障了生产过程的连续性,降低了劳动强度,实
现了少人或无人值守的目标。根据活性污泥法污水处理工艺,本系统需要控制的对
象如下:
(1)粗格栅:进水电磁阀、粗格栅进水池液位、粗格栅出水池液位以及链条格
栅除污机。
(2)细格栅:进水水泵、细格栅进水池液位、细格栅出水池液位以及回旋式格
栅除污机。
(3)沉砂池:进水电磁阀、沉砂池液位以及砂水分离机。
(4)曝气池:进水电磁阀、曝气池液位、鼓风机以及气冲阀。
(5)二沉池:进水电磁阀、达标水出水电磁阀、二沉池液位、泵吸式吸泥机以
及污泥回流装置。
除了以上控制对象外,还有污泥输送机、系统启动按钮以及系统停止按钮。
为保证污水处理厂的安全运行,污水处理控制系统设立三级控制层:就地手动
控制、现场控制和远程监控。就地手动控制是指通过设备的本地控制箱手动控制设
备的开启或关闭;现场控制是指由现场PLC执行自己的控制程序,完成控制功能;
远程监控是指由中央控制室的计算机对全厂的生产过程及设备进行控制、监测。三
级控制层的关系如下:中央控制室的上位机可通过现场的PLC直接控制相关设备。
如果中央控制室或网络发生故障,不会影响现场PLC的控制功能。如果PLC发生故
障,操作员可通过就地控制箱对设备进行控制。
根据工艺要求,本系统采用以计算机和InTouch组态软件为上位机,可编程逻
辑控制器(PLC)和控制仪表为下位机的二级分布式控制系统,。上位
机系统实现三级控制层中的远程监控,下位机系统实现三级控制层中的现场控制。
就地手动控制由操作员完成。
上位机系统的主要功能为显示工艺流程、液位、电机及电磁阀等电器的运行状
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态,并完成参数超限的报警。下位机系统主要用于实现工艺逻辑控制,并可直接控
制电动机及电磁阀,同时通过PLC的输入端口采集工业现场信号。
上位机
工业现场信号PLC接触器阀门及电机
下位机采用可编程控制器(PLC)。PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的
数字运算操作的电子装置。它采用可以编制程序的存储器,用来在其内部存储执行
逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令,并能通过数字式或模
拟式的输入和输出,控制各种类型的机械或生产过程。PLC及其有关的外围设备都
应该按易于与工业控制系统形成一个整体,易于扩展其功能的原则而设计。在工厂
自动化系统中,PLC因为具备价格便宜、系统稳定及环境适应性强的特点,一直为
自动化业界所采用。近几年来,各PLC制造厂家无不致力于新机种的研发,所以在
CPU处理速度、扩展模块及通讯的功能上,与早期PLC控制器相比,已有很大的进
步。可编程控制器的发展特点是更加适应于现代工业的需要。从控制规模上来说,
已形成了大型机和超小型机;从控制能力上来说,已诞生了各种各样的特殊功能单
元,用于压力、温度、转速、位移等各式各样的控制场合;从产品的配套能力来说,
生产了各种人机界面单元、通信单元,使应用可编程控制器的工业控制设备的配套
更加容易。
目前,PLC有许多系列如:西门子、三菱、欧姆龙等。本设计采用西门子S7-200
系列PLC。西门子S7-200系列是一种可编程序逻辑控制器,它能够控制各种设备以
满足自动化控制需求,因此它可应用于各种自动化系统。西门子S7-200的用户程
序中包括了位逻辑、计数器、定时器、复杂数学运算以及与其它智能模块通讯等指
令内容,从而使它能够监视输入状态,改变输出状态以达到控制目的。紧凑的结构、
灵活的配置和强大的指令集使西门子S7-200成为各种控制应用的理想解决方案。
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西门子S7-200产品的多样化以及基于Windows的编程工具,使人们能够更加灵活
地完成自动化任务。西门子S7-200系列的强大功能使其无论是独立运行,还是相
连成网络,皆能实现复杂控制功能。因此,西门子S7-200系列PLC具有极高的性
价比。西门子S7-200系列PLC的出色性能表现在:极高的可靠性、极丰富的指令
集、易于掌握、便捷的操作、丰富的内置集成功能、实时特性、强劲的通讯能力以
及丰富的扩展模块。
由于西门子S7-200系列PLC功能强大,所以下位机系统采用西门子S7-200系
列PLC和常规电气器件构成可靠的自动监测和安全联锁系统。系统通过可编程控制
器PLC的一系列输入端口采集工业现场信号,如液位、电磁阀开关状态等。在PLC
程序的控制下,系统通过PLC的一系列输出端口控制接触器触点的吸合与断开来控
制系统中的阀门、电机等控制器件,这样就可以控制污水处理过程以及设备的运行。
上位机系统选用Wonderware公司的InTouch工控组态软件。组态软件是指一
些数据采集与过程控制的专用软件,它们是在自动控制系统监控层一级的软件平台
和开发环境。组态软件能支持各种工控设备和常见的通信协议,并且通常提供分布
式数据管理和网络功能。对应于原有的HMI(人机接口软件,HumanMachine
Interface)的概念,组态软件是一个使用户能快速建立自己的HMI的软件工具或开
发环境。在组态软件出现之前,工控领域的用户通过手工或委托第三方编写HMI应
用,开发时间长,效率低,可靠性差。组态软件的出现,把用户从这些困境中解脱
出来,可以利用组态软件的功能,构建一套最适合自己的应用系统。随着它的快速
发展,实时数据库、实时控制、通讯及联网、开放数据接口、对I/O设备的广泛支
持已经成为它的主要内容。随着计算机技术的发展,监控组态软件将会不断被赋予
新的内容。
1995年以后,组态软件在国内的应用逐渐得到了普及。常见的组态软件有:
Intellution公司的Fix组态软件、Simens的WinCC、组态王以及Wonderware的
InTouch等。Wonderware的InTouch软件是最早进入我国的组态软件。在80年代末、
90年代初,,并且InTouch提供了
丰富的图库。。InTouch是
Wonderware公司开发的世界上第一个集成的、基于组件的MMI系统的一个核心组件。
它具有世界领先的HMI和面向对象的图形开发环境,便于高效、快捷地配置用户的
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应用程序。InTouchHMI软件用于可视化和控制工业生产过程,它提供了一种易用
的开发环境和广泛的功能,使工程师能够快速地建立、测试和部署强大的连接和传
递实时信息的自动化应用。InTouch是一个开放的、可扩展的HMI,为定制应用程序
设计提供了灵活性。它具有丰富的图形用户界面(GUI)、访问级口令安全性、强大
的网络功能以及无可匹敌的连接功能等。另外,InTouch提供了比其它HMI产品更
多的数以百计的I/O服务器,支持用户连接任何工业自动化控制设备。
由于InTouch具有上述优点,所以,本系统使用InTouch开发上位机监控界面。
用InTouch创建上位机监控界面,并在监控界面中实现对污水处理的工艺过程参数、
电气参数和设备运行状态进行监视、控制及参数超限的报警等。
在上位机监控界面中创建与污水处理设备相关联的组态控件。通过这些控件,
可以控制污水处理系统中阀门、电机等设备的运行,从而控制系统的运行。各种参
数值和设备运行状态也可以在组态界面中显示出来。
在监控界面中,可以利用InTouch提供的分布式报警实现对各种被控参数的报
警。当报警条件成立时,报警界面将记录报警的来源,并向用户报告参数已超限以
等待用户处理。
此外,整个上位机系统的运行由InTouch工控组态软件的应用程序脚本、条件
脚本等脚本程序来控制。
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4硬件设计
为了实现对污水的有效处理,本污水处理控制系统采用了许多设备,具体设备
如下:
(1)电磁阀:电磁阀用于控制污水管道中污水的流动。当水池液位达到上限时,
电磁阀在PLC程序的控制下自动关闭;当水池液位为零时,若系统正处于运行状态,
则电磁阀打开。电磁阀的技术参数为:阀体D97A1X5-10ZB-125mm,电动装置LQ20-1,
AC380V,60W。
(2)动力设备:所有除污机的动力设备均采用三相交流异步电动机,电动机选
配防水防潮型。
(3)鼓风机:选用曝气罗氏鼓风机,技术参数为:TSA-40,,。
(4)浮球液位开关:选用UQK-61-3型浮球液位开关。UQK型磁性浮球液位控制
开关是工业、民用建筑及污水处理等行业中广泛应用的液位开关。它具有安全、经
济、实用、工作可靠、搭配灵活、规格品种多样等特点。
UQK型磁性浮球液位控制开关,由磁性浮球、浮球稳定导管、干簧管开关、隔
爆接线盒和安装固定组件构成。磁性浮球随被测液位的变化而沿稳定导向管上、下
运动,从而使稳定导向管内的干簧管触点瞬时通(或断),输出相应的控制信号。簧
管触点的瞬时通(或断)与继电器电路配合,可以完成多种功能的高压、大电流的
控制。由于干簧管触点完全密封在充满惰性气体的玻璃内,故触点在通断时不产生
电火花,控制非常安全。UQK-61-3型浮球液位开关配有3个常开触点。
本污水处理控制系统所用的控制设备有电磁阀、用电机控制运行的各种除污机、
水泵、鼓风机以及气冲阀等。为了保证系统安全、可靠、稳定地运行,在系统中用
接触器来控制这些设备。各种污水处理设备与相关的接触器触点相连。系统通过控
制接触器触点的吸合与断开来控制污水处理设备的启动与停止。
主电路由刀开关QS、熔断器FU、接触器KM、热继电器FR、软件启动器以及被
控对象组成。。
其中,刀开关用于手动控制电路的总电源。为了安全可靠,用熔断器进行过电
流保护,防止电路短路时烧毁电机。另外,热继电器FR用于过载保护。当链条格
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栅除污机、回旋式格栅除污机、砂水分离机等除污设备过载时,热继电器FR的常
闭触点断开。在控制电路中,热继电器FR的常闭触点与相应的接触器的线圈串联
在一起。当热继电器FR的常闭触点断开时,与其串联的接触器线圈断电,主电路
中接触器常开触点恢复到断开状态,过载设备断电,从而保护过载器件。
污水处理中所用的链条格栅除污机、回旋式格栅除污机、砂水分离机、鼓风机、
二沉池除污机及污泥输送机等除污设备的功率很大,如果采用直接启动方式启动电
机,则易引起机械与电气冲击等问题。所以,不能采用直接启动的方式,须采用软
启动器实现电机的软启动。
软启动器采用三相反并联晶闸管作为调压器,将其接入电源和电动机定子之间。
使用软启动器启动电动机时,晶闸管的输出电压逐渐增加,电动机逐渐加速,直到
晶闸管全导通,电动机工作在额定电压的机械特性上,实现平滑启动,降低启动电
流,避免启动过流跳闸。待电机达到额定转数时,启动过程结束,软启动器自动用
旁路接触器取代已完成任务的晶闸管,为电动机正常运转提供额定电压,以降低晶
闸管的热损耗,延长软启动器的使用寿命,提高其工作效率,又使电网避免了