污水处理的PLC控制系统设计.docx

1、摘要我国污水处理事业迎来了高速开展的阶段，不仅大城市，很多中小城市、铁道各车站区，甚至兴旺地区的乡镇都开始修建污水处理厂。随着现代控制技术和计算机技术的飞速开展，PLC控制技术在污水厂中得到了广泛应用，使得整个污水处理过程实现了计算机监测、控制和管理，以实现高质量、低本钱、稳定可靠的运营方式。本文采用生物法中氧化沟法进行污水处理，结合污水处理流程，本系统需控制7台设备和检测2个参数。共有32个输入开关量和20个输出开关量。最终选择OMRON公司内装60个I/O端子的CPM2AE60CDR-A型PLC。它运行速度快，控制可靠，具有强大的指令系统和丰富的输入输出扩展设备及特殊扩展设备，并进行了硬件

2、和软件设计。在软件设计中做了上位机和下位机软件设计。并利用IntOUCh组态软件实现动态实时显示过程控制参数和系统运行状态，报警和报表等功能。本文通过PLC控制系统的配置和控制方式，和由PLC控制站和上位机组成的控制系统，从而实现污水处理整个过程的实时监测和自动控制。本文应用PLC控制到达了设备的自动监视和控制，使出水指标稳定，满足了工艺要求，并且节省了大量的人力物力。关键词：污水处理；PLC；控制系统目录摘要01绪论11.1 设计的背景与意义11.2 研究现状21.3 主要内容和预期目标32污水处理的工艺流程42.1工艺技术简介42.2工艺流程52.3控制要求63污水处理的PLC控制系统73

3、1PLC控制系统设计的根本原那么和步骤73.2硬件设计93.2.1PLC机型的选择93.2.2模拟量模块的选择93.2.3开关量模块的选择113.2.4电源模块的选择133.2.5PLC的输入、输出点功能134软件设计144.1软件控制系统功能的实现144.2PLC控制流程图154.3PLC控制系统梯形图程序164.4下位机软件设计184.5上位机软件设计18结论24谢辞24参考文献251绪论1.1 设计的背景与意义我国是个缺水的国家，人均水资源占有量仅为世界人均占有量的1/4。而且我国的水资源在时空和地域分布上的分布不均匀，更加重了实际的缺水情况。因此近些年来我国城市水资源进一步紧张，许多

4、城市严重缺水。与此同时，水资源污染却日益严重，因此许多都城市规划和建设了自己的污水处理厂，来改变目前水资源紧缺且污染的现状。我国城市污水处理事业是在80年代初逐步开展起来的，经过几十年的开展已经初具规模。但是，与国外同期的城市污水处理厂相比拟，始终存在效率低、自动化程度低、能耗高且运行费用高等缺点。随着全球能源供给紧张和对自动化程度要求的不断增加，我国的污水处理厂必然向着高度自动化和无人职守的方向开展。目前，PLC在其稳定性、高自动化程度的不断加强，使得PLC成为城市污水处理自动化方面IT的首选。如今，我国污水处理事业迎来了高速开展的阶段，不仅大城市，很多中小城市、铁道部各车站区，甚至兴旺地区

5、的乡镇都开始修建污水处理厂。PLC控制器以其技术成熟、通用性好、可靠性高、安装灵活、扩展方便、性能价格比高等一系列优点，在工业控制中得到了越来越广泛的应用，在污水处理中也得到一定程度的推广。随着现代控制技术和计算机技术的飞速开展，PLC控制技术在污水厂中得到了广泛应用，使得整个污水处理过程实现了计算机监测、控制和管理”，以实现高质量、低本钱、稳定可靠的运营方式。针对我国水资源现状呈不断恶化的态势，介绍现有的污水处理根本原理和技术，对新兴的污水处理理论和技术、污水治理方法做出评价。水体污染是指排入水体的污染物使该物质在水体中的含量超过了水体的本底含量和水体的自净能力，这些污染物质使水体的物理、化

6、学性质或生物群落组成发生变化，从而降低了水体的使用价值。治理污水的方法和技术的根本原理主要是别离、转化。设计系统应用先进的工业控制计算机、可编程控制器、工业自动化组态软件技术、电力电子控制技术艺等，介绍了PLC在污水处理厂自动控制系统中的应用，通过PLC控制系统的配置和控制方式，和用PLC控制站和上位机组成的控制系统，从而实现污水处理整个过程的实时监测和自动控制。1.2 研究现状新世纪，我国污水处理事业迎来了高速开展的阶段，不仅大城市，很多中小城市、铁道部各车站区，甚至兴旺地区的乡镇都开始修建污水处理厂。PLC控制器以其技术成熟、通用性好、可靠性高、安装灵活、扩展方便、性能价格比高等一系列优点

7、在工业控制中得到了越来越广泛的应用，在污水处理中也得到一定程度的推广。实践证明,在污水控制系统中，采用可靠性较高的PLC与具有强大数据处理能力的计算机组成远程监控系统“叫不仅可以提高系统的稳定性.可靠性.灵活性,及时发现可能出现的故障,还能大大节约人力本钱.通过采用计算机作为上位机实现管理和监控,PLC作为下位机实现电机的控制,并使个PLC均可与PC联网通信,从而实现了远程集中控制，整个系统运行可靠,到达并满足设计的目的和要求。控制方案:通过分析工艺工程发现,在受控对象中有相当多的开关量和模拟量,检测点也较多，而控制过程是以逻辑控制为主，闭环控制为辅。针对这样一个实际情况,我们采用了基于PL

8、C与工控机来构建监控和数据采集系统，以工控机作为监视和控制现场生产过程的可视窗口，在PLC可编程控制器进行逻辑运算，对生产过程实行在线实时控制。系统构成：（D根据工艺设计要求,将污水控制系统分为三个网络层面.即监控管理层,过程控制层和设备执行层.（2）根据生产工艺的要求,将厂内所有设备按功能分为3个区域，在3个区域内各建立一个PLC站（即下位机），构建过程控制层。1#PLC控制站设在加氯间控制室内，监控工程有粗格栅机，提升泵，加氯设备等。2#PLC控制站设在沉沙池控制室内，监控工程包括鼓风机.细格栅机等。3#PLC控制站设在BAF动力间，主要监控工程是冲洗离心泵等。监控方式:集中监控,在监控计

9、算机上可以实现工艺过程的全面监控。基于PLC与计算机构建控制系统具有系统配置合理,可靠性高,控制精度高和系统本钱低等优点,随着我国对环境保护投资力度的不断加大,各城市污水处理厂在建工程相继启动,将PLC与计算机构建的污水处理控制系统应用于在建工程和老水厂的改造,不仅可以提高系统的整体控制水平，同时可以利用网络平台实现数据共享，提高整体管理水平,具有广泛的应用前景。1.3 主要内容和预期目标（1）介绍了当前工艺技术，根据需要最终选择氧化沟法进行污水处理设计，介绍了工艺流程各局部的实现方式，明确了控制要求。通过系统设计方案了解PLC控制系统的全部功能，控制规模，控制方式。（2）针对污水处理的工业对

10、象，分析其工艺流程和控制特点，根据其控制要求，完成基于PLC的污水处理控制系统的方案论证和设计，即PLC控制系统的硬件和软件设计。硬件设计局部，完成了PLC的机型选择，开关量的选择11J3,模拟量的选择和电源模块的选择。软件局部，通过污水处理的工艺流程，完成了流程图和梯形图的设计。通过PLC控制系统的配置和控制方式,和由PLC控制站和上位机M组成的控制系统，从而实现污水处理整个过程的实时监测和自动控制。使得整个污水处理过程实现了计算机监测、控制和管理，以实现高质量、低本钱、稳定可靠的运营方式。2污水处理的工艺流程2.1工艺技术简介“七五”、“八五”、“九五”国家科技攻关课题的建立与完成，使我国

11、在污水处理新技术、污水再生利用新技术、污泥处理新技术等方面都取得了可喜的科研成果，某些研究成果到达国际先进水平。同时，借助于外贷城市污水处理工程工程的建设，国外许多新技术、新工艺、新设备被引进到我国，B法、氧化沟法、/O工艺、/O工艺、SBR法在我国城市污水处理厂中均得到应用。污水处理工艺技术由过去只注重去除有机物开展为具有除磷脱氮功能。国外一些先进、高效的污水处理专用设备也进入了我国污水处理行业市场，如格栅机、潜水泵、除砂装置、刮泥机、曝气器、鼓风机、污泥泵、脱水机、沼气发电机、沼气锅炉、污泥消化搅拌系统等大型设备与装置。我国80年代以前建设的城市污水处理厂大局部采用普通曝气法活性污泥处理工

12、艺，具有工艺简单，防止污泥膨胀性能强，耐冲击负荷和处理能力强等特点，适用于水质水量变化大的生活污水处理。可是，由于该工艺主要以去除BoD和SS为主要目标，对氮磷的去除率非常低。为了适应水环境及排放要求，一些污水处理厂正在进行改造，增加或强化脱氮和除磷功能。B法污水处理工艺于80年代初开始在我国应用于工程实践。由于其具有抗冲击负荷能力强、对PH值变化和有毒物质具有明显缓冲作用的特点，故主要应用于污水浓度高、水质水量变化较大，特别是工业污水所占比例较高的城市污水处理厂。目前氧化沟工艺是我国采用较多的污水处理工艺技术之一。应用较多的有奥贝尔氧化沟工艺，由我国自行设计、全套设备国产化，已有成功实例。D

13、E型氧化沟和三沟式氧化沟在中高浓度的中小型城市污水处理中也有应用。采用卡罗塞尔氧化沟工艺的城市污水处理厂大局部为外贷工程。氧化沟，氧化沟又名连续循环曝气池，是活性污泥法的一种变形。经过三十多年的使用、研究、开发和改良，氧化沟系统在池型、结构、运行方式、曝气装置、处理规模、适用范围等方面都得到了长足的开展。氧化沟由沟体、曝气设备、进水区、出水区和自动控制设备等局部组成。氧化沟体的平面形状一般呈环状沟渠形，也可以是长方形、L形、马蹄形、圆形或其它形状，氧化沟断面形状多为矩形和梯形。曝气设备是氧化沟的主要设备，它起着供氧、推动水流和防止活性污泥沉淀等作用，常用的曝气设备有外表曝气机、曝气转刷（转笼、

14、转盘、转碟）、射流曝气、导管式曝气机等。2.2工艺流程根据污水浓度高、负荷波动大、水质多变等特点，经过比拟，采用生物法中氧化沟法进行处理，其工艺流程如下列图2.1所示。图2.1污水处理工艺流程格栅井，格栅井单元的设备包括格栅井提升泵、浮球液位控制器、粗格栅、浮球液位变送器，其作用是去除污水中的颗粒与悬浮物；液位变送器用来检测粗格栅前后的液位差，当差值大于IOCm时粗格栅开始运行。主要用于进水泵的入口处，防止较大的污物进入泵内，进而保护进水泵，保证其能正常工作。格栅机的启停由前后为了防止液位在设定值的临界状态时，由于波动而造成频繁启停设备，将启动与停止设置成二个设定值，并可调节该回差大小。#1泵

15、井：主要作用是将城市生活生产所排放的污水经过栅格过滤后提升，使其进入沉沙井。氧化沟：主要有氧化沟和污泥回流系统组成。氧化沟的功能主要是对来自除砂系统的污水进行生化处理，其主要设备，有转碟曝气机和潜水搅拌机，转碟曝气机的转速改变污水中溶解氧的含量，潜水搅拌机的作用是推进水流，使得氧化沟内的污水和活性污泥充分混合，有利于对污水进行生化处理。污泥回流系统的功能是通过回流泵将剩余的污泥和使用过的污泥进行处理。#2泵井，其功能是对氧化沟处里的污水进行物理沉淀，使得污泥和清水别离，对氧化池中处理过污水的活性污泥进行脱水处理.2.3控制要求#1和泵井以及氧化沟均设计有PLC控制器，用以控制#1泵井、#2泵井

16、内各2台潜水泵和氧化沟内2台转刷和1台推流器。同时，在#1、泵井内设计有液位检测装置，用来检测井内水位高度。在氧化沟内设计有液位和氧化浓度检测装置，用来检测水位高度和氧化浓度。#1泵井控制方式：水位高时，电机启动，把水抽走；当电机堵转时，热继电器动作，跳闸以保护电机。其中#1泵井、#2泵井各2台潜水泵互为备用。氧化沟两台转刷控制方式：1、2号转刷用于增氧，转速有上下两档，Do为1、0时，分别为高速、低速运转。推流器控制方式：两个转刷根据液位和氧化浓度独立工作。液位3.2In且氧化浓度Od低于设定值时，启动转刷。当水位日H3.2）00000转刷停止（Od高，H2.8）00001手动按钮00002

17、自动按钮00003输出信号转刷启动01000转刷停止01001高速启动转刷01002高速转刷停止01003根据工艺流程的控制要求，设计梯形图，如图4.3。TOOl0100200003图4.3PLC控制系统梯形图程序4. 4下位机软件设计下位机采用0MRON公司开发的CXPRO.GRAMMER软件对PLC进行编程和对PLC设备配置进行维护。编制的软件主要包括信号获取处理、信号控制、故障模块的设计、与上位机通讯的DB块的设计。5. 5上位机软件设计为保证工业现场的稳定，上位机采用WindoWS2000操作系统，编程平台为INTOUCHo上位机实现的功能如下：数字显示液位和溶解氧浓度，并用趋势图显示

18、溶解氧的历史和当前变化趋势；显示各设备的启动、停止、故障等运行状态；启动时，指示灯为红色，正常时为绿色，故障时指示灯闪烁，并用文本方式显示故障类型，方便故障的排除；能记录15天的故障情况（故障时刻、故障类型等），方便地进行事故分析，通过报表编辑器，实现定期或随机的相关信息打印输出。其功能可分为监视、控制和参数设置等几个局部。一 .监视功能及画面公用程序：对整个污水处理工艺的过程变量和状态变量实时显示。生产过程：由总流程图、集水池及水泵、前池及隔栅、沉砂池及砂桥、后池及旋转隔栅等子画面组成。机械设备的状态以动画形式显示.有关模拟量以数值形式显示。电气：显示全站的电气接线图，以灯光形式表达电气设备

19、的状态.以数值形式显示电气运行参数。电器设备包括主变压器、MCelMCC4、水泵及其它辅机等。成组显示：以数值形式显示所有的过程运行参数和电气运行参数。实时趋势：所有模拟量以曲线形式显示，由操作员选择子画面。报警：当有模拟量越限或联锁保护动作时，发出声光信号，并记录起始和恢复时间。登录：用户权限及身份的登记。二 .控制功能及画面监控系统具有手动控制、顺序控制、自动调节等功能.通过相应画面进行操作。手动控制：在生产过程画面上可对每台设备进行启/停操作.用于调试和事故工况。顺序控制：在自开工况下，通过一个控键即可完成整个工艺过程的启/停操作。自动调节：通过对进水量、水位、污水浊度等参数连续实时监测

20、调整水泵台数及转速，并对辅机等设备进行控制，使污水处理系统运行在最正确状态。三 .参数设置由技术人员对上下限值、PID参数、延时时间、设备解列、设备均时参数等进行设置。四 .调度站监视功能与操作员站完全相同，无控制功能和参数设置功能，增加了历史趋势、性能计算、报表等功能。调度站上的数据可由整个管理网络共享。历史趋势：在调度站上建有历史数据库，可选择显示日、旬、月、年的变化趋势。性能计算：计算去除率、电耗/吨水的累计值，供技术分析使用。报表：实时报表和历史报表。工程有累计值：运行时间、电量、流量；实时值：所有的模拟量和状态量。五 .Intouch组态系统上位组态软件采用WOderWare公司I

21、ntoUCh7.11,I/OSeVer采用MOdiConMODBUSEthernet,监控计算机采用研华工控机。系统上位采用基于客户端、指向I/O数据源的本地地址的结构。每个视图节点具有自己的I/O效劳器。这种结构能够提供容错操作，当网络中断时每个视图节点可以独立运行。结构如图4.4所示。图4.4分布式应用程序网络结构1 .动态实时显示过程控制参数和系统运行状态城市污水处理生产过程控制系统中所有主要仪表和运行设备以及系统运行状态等均在人机界面中得到表达本系统中.制作了粗格栅及提升泵站、细格栅及沉砂池、泥水分配井及氧化沟及鼓风机房、二沉池配水井及二沉池、排水泵站及污泥回流泵站和污泥浓缩脱水间六幅

22、工艺流程主画面。在每幅主画面中动态显示设备运行状态、系统运行参数和仪表数值。采用点击进入的方法对各项参数、状态进行详细查看。并对设备控制方式和参数修改。采用点击进入的好处是可以设定访问级别，防止不熟练的操作员误操作，主画面简洁，单点画面清楚。在每幅主画面中还包括实时趋势，方便操作员监视系统运行状况和走势。另外，还包括趋势组画面和数据总揽画面。配置了氧化沟溶氧值、沉砂池出水流量、污泥回流流量等工厂主要数据的历史趋势，由于使用了历史趋势向导，很方便地完成了创立和配置，并且可以在运行时动态配置。图4.5系统报警组建立了设备管理数据库，实现对城市污水处理工程较多设备的方便管理。对所有设备采用位号方式进

23、行实时监视.系统运行时，只需要键入位号就能进入位号所在主画面.并且弹出该设备的单点画面，系统运行中证明这种方法方便了操作员的操作。此外，在PLC中对设备运行时间进行累计，数据上传给上位机记录存储，通过HiStData实用程序对设备运行时间进行查看，将选定的数据移到MicrosoftEXCeI打印输出增加了一幅调试画面，方便现场调试和实际运行中的工艺参数调整，将某些变量设置了预置参数输入功能.进行直观的调整和整定.方便PLC软件内部参数的设置。2 .报警配置IntoUCh使用两种通知方式来通知操作员有关过程活动的情况：报警与事件。报警是过程状态出现问题时发出的警告，要求操作人员做出响应。事件表示

24、系统正常状态时的消息，不要求操作人员响应城市污水处理工程工段较多，根据工段号配置了报警组.方便系统开发，便于操作员识别，报警组结构如图4.6所示。图4.6报警的产生机制和查询过程刨建了报警画面，显示报警摘要和报警历史。本系统中报警的产生机制和查询过程如图4.6所示。AlarmDBLogger公用程序将报警和事件记入MiCrOSOftSQLServeroAlarmDBPUrge/Archive公用程序负责配置报警数据库的去除，归档操作，并显示任何去除活动的状态。AlarmPrinter打印报警信息。因为WindoWS网络打印机和激光打印机的工作原理是将整页缓存在内存中。再将其实际打印出来,这意味

25、着信息可能会在系统故障或掉电时丧失，因此在配置打印机时，一台选用针式打印机.用于打印报警信息。另外台选用喷墨打印机打印报表。图4.7小时、班、日、月、年报表实现过程过程变量报警期间.在设备所在任一画面中以符号闪烁和改变符号的填充颜色方式提示，设备所在工段对应主菜单对应项也以这种方式提示；过程变量报警发生后，被确认前，系统调用PIaySOUnd函数以声音的方式提示报警的过程变量。对于系统诊断报警，显示在系统诊断画面上，如诊断出故障那么也以声光报警的形式提示。3 .报表设计使有HiStData实用程序可以对由InToUCh创立的历史数据文件进行DDE动态数据交换访问，将选定的历史数据移动到请求程序

26、例如MiCrOSOftExcelo图4.8Excel可访问报表实现过程本系统中报表分为两种：实时报表和EXCeI可访问历史报表。实时报表分为小时、班、日、月、年报表，并由窗口可以访问，可在自动和手动打印之间转换输出，主要统计产量。统计数据由IntOUChQUiCkSCriPt编程产生。产生和访问过程如图4.7所示。EXCel可访问历史报表的形成是把历史记录文件转换成EXCEL（CSV格式）文件，此报表的访问需翻开转换的EXCEL文件，主要实现历史数据的查看。HiStData程序包含自己的内部数据库,实现文件转换的关键是内部数据库中的工程的正确设置。如用于指定要访问的历史数据的起始周期、持续时

27、间和采样间隔等。系统运行时对EXCel文件的访问通过系统函数FiIeReadFeildS实现。产生和访问过程如图4.8所示。4 .通讯的实现InToUCh使用由三局部组成的命名惯例来识别I/O效劳器程序中的数据元素，这三个局部是应用程序名、主题名和工程名。要从另一应用程序取得数据，客户端程序InToUCh需要通过指定上述三项来翻开通往效劳器程序的通道。本系统中工控机网卡通过工业以太网与ModiCOn网络模块连接,使用TCP/IP协议实现上下位之间通信。I/OSeVer采用MOdiConMODBUSEthernet.实现IntOUCh和PLC之间的数据交换。结论如今，我国污水处理事业迎来了高速开

28、展的阶段。PLC控制器以其技术成熟、通用性好、可靠性高、安装灵活、扩展方便、性能价格比高等一系列优点，在工业控制中得到了越来越广泛的应用，在污水处理中也得到一定程度的推广。本文通过各工艺的比拟，最终选择氧化沟法进行污水处理设计。在硬件设计中，完成了PLC机型的选择，模拟量模块的选择，开关量模块的选择和电源模块的选择。在软件设计中，通过工艺进行了流程图和梯形图的设计，并做了上位机和下位机的软件设计。利用IntoUCh组态软件实现动态实时显示过程控制参数和系统运行状态，报警和报表等功能。PLC的运用实现了生产过程的自动控制，减轻了操作工的劳动强度，高可靠性的PLC,以较低的本钱实现工业污水处理系统

29、的自动控制，可靠性高，节省人力，物力、财力，到达最正确控制效果。污水处理系统应用PLC控制到达了设备的自动监视和控制，使出水指标稳定，满足了工艺要求。在此次毕业设计中充分利用了所学的专业根底知识，专业理论知识，通过在图书馆和网络上查阅资料。由于时间以及自己的能力有限，这次的设计中难免会有一些遗漏和缺乏的地方，希望老师批评指正。谢本论文的完成，我要深深地感谢导师陶文华老师的悉心指导，陶老师对课题的理论根底提高、资料准备及设计方案、构思方面均给予了热心的帮助。同时也要真诚的感谢自动化系的各位老师在设计上对我的帮助。同时，还要感谢我的同学和室友对我的帮助和支持，在此对他们表示真诚的感谢！在论文完成过

30、程中，参考、吸收和引用了许多他人的研究成果，在此一并向他们表示感谢！在此学业即将完成之际，谨向辽宁石油化工大学信息与控制工程学院所有传授过我根底理论与专业知识、照顾我学习的老师们致以衷心的感谢！最后，再一次感谢我的指导老师陶文华老师不厌其烦的悉心指导和自动化系所有老师的帮助，这里我要真诚的说一句一一谢谢！参考文献1李金城.PLC在城市污水处理中的应用J.自动化与控制,2005(1):1542都志民，明立雪.PLC在污水处理过程中的应用IMI.济南：山东出版社20063杨帆.基于PLC的污水处理控制系统J.武汉化工学院电气信息学院,2004(1):47-504黄维菊.污水处理工程设计闺.北京：国

31、防工业出版社20085栗小宽.PLC技术在中小型污水处理厂的应用J.科技创新导报,2008(2):1136崔新胜.PLC控制系统在污水处理系统中的应用J.甘肃科技，2009,25(1):21-227陈金华.可编程技术及应用M.天津：天津大学出版社20088高钦和.可编程控制器应用与设计实例M.北京：人民邮电出版社20049何庆泉.PLC控制系统在污水处理中的应用M.深圳：化学工业出版社200310吴中俊，黄永红.可编程控制器原理及应用Ixl.北京：机械工业出版社200411黎一强.PLC技术在生活污水处理及回用系统中的应用J.自动化技术与应用，2008,27(8):123-1252高德欣，路永华.PLC在城市污水处理系统中的应用M.青岛：山东出版社2006