基于plc的工業污水處理控制系統的設計(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 制系統使得設計過程變得更加簡單，可實現的功能變得更多。與各類人機界面的通信可完成 PLC 控制系統的監視，同時使用戶可通過操作界面功能控制 PLC 系統。由于 PLC 的 CPU 強大的網絡通信能力，使得 工業污水處理 系統的數據傳輸與通信變得可能，并且也可實現其遠程監控。 利用 PLC 作為控制器的 工業污水處理 系統主要涉及兩個方面：一是信號輸入；二是控制輸出信號。 信號輸入 西南科技大學應用型自學考試畢業設計 （論文） 9 工業污水處理 系統信號輸入檢測方面主要涉及四類信號的監測，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，以及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、潛水攪拌機啟動按鈕、污泥回流泵按鈕、曝氣機工頻、變頻按鈕，以及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，以及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 工業污水處理 系統中最重要的環節，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范圍內。 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。控制各類設備的啟動和停止，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。 西南科技大學應用型自學考試畢業設計 （論文） 10 3 硬件系統配置 氧化溝是工業污水處理系統中的重要環節，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，因此需要根據不同的結構特點設計相應的控制系統。 主要組成部分 工業污水處理系統的結構比較復雜，設備較多，在氧化溝中其控制過程及原理大致相同，都是通過 控制曝氣機的轉速來調節污水中的含氧量，其基本組成如圖 31所示。 圖 41工業污水處理 系統基本組成示意圖 (1）進水系統。進水系統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及停止是通過安裝在泵房內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，若液位持續升高時，則輸出報警以示意有故障發生。 (2） 除砂系統。除砂系統主要由細格柵系統和沉砂池組成，細格柵系統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機。細格柵系統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，這和粗格柵系統的運行方式一致 。沉砂池中分離機的運行和后續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。 西南科技大學應用型自學考試畢業設計 （論文） 11 (3） 氧化溝系統。氧化溝系統由氧化溝和污泥回流系統構成，氧化溝是 工業污水處理 系統中最重要的環節，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，污水回流系統主要有污泥回流泵構成。氧化溝的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，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。污水回流系統的污泥回流泵將剩余的污泥及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內液位傳感器的狀態，當液位低于某個值時停止回流泵的運行；當液位持續高于某個高位時，回流泵停止運行同時輸出報警信號；液位處于正常狀態時，回流泵正常運行。 (4）沉淀系統。沉淀系統主要設備為刮泥機，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，刮泥機在整個系統啟動后就開始持續運行。 在該系統中用到一定化學藥劑 主要包括混凝劑、絮凝劑、復合堿等， 主要用來調節改善混凝條件及絮凝體結構，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，容易發生沉降 。 (5）污泥脫水環節。污泥脫水系統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及其他雜質，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。 電氣控制系統 電氣控制系統主要包括操作面板、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 及其擴展模塊等。 西南科技大學應用型自學考試畢業設計 （論文） 12 工業污水處理系統的工作原理 控制系統總體框圖 工業污水處理系統的電氣控制系統總框圖如圖 42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，以及相關模擬量的輸入，完成相關設備的運行、停止和調速控制。 32電氣控制系統框圖 工作過程 在手動狀態下，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進行控制。在自動方式下進行閉環 控制，系統根據檢測到外部傳感器的狀態對設備進行啟停控制，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，循環進行 。 (3）根據反饋回來的液位差狀態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、停止及運行數量的控制。 (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。 西南科技大學應用型自學考試畢業設計 （論文） 13 (7）在污泥脫水系統 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。 工業污水處理系統主電路設計 圖 33為工業污水處理系統的主電路圖的部分圖。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 KM KM KM6分別控制 M M M3的工頻運行；接觸器 KM KM9 分別控制 M M3 的變頻運行； FR FR FR3 分別為三臺電機過載保護用的熱繼電器； QF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 M M3變頻運行的。 圖 33工業污水處理 系統 部分 主電路 圖 西南科技大學應用型自學考試畢業設計 （論文） 14 PLC 選型 根據 工業污水處理 系統的電氣控制系統的功能要求，以及其復雜程度，從經濟性、可靠性等方面來考慮，選擇西門子 S7— 200系列 PLC作為 工業污水處理 系統的電氣控制系統的控制主機。由于 工業污水處理 電氣控制系統涉及較多的輸入輸出端口，其控制過程相對復雜，因此采用 CPU226 作為該控制系統的主機。 CPU226 在 工業污水處理 系統中使用的數字量輸入點和輸出點都比較多，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的 I/O 需求。 在該系統中，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 S7— 200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，可滿足控制系統的功能要求。 PLC 的 I/O 資源配置 根據系統的功能要求，對 PLC 的 I/O 進行配置，具體分配如下表 。 數字量輸入部分 表 34 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 急停 手動刮泥機啟動 手動方式 手動污泥回流泵啟動 自動方式 手動分離式脫水機啟動 自動啟動確認 手動污泥泵啟動 手動粗格柵機啟動 手動轉碟曝氣機加速 手動清污機啟動 手動轉碟曝氣機減少 手動潛水泵啟動 粗格柵液位差計 手動細格柵機啟動 細格柵液位差計 西南科技大學應用型自學考試畢業設計 （論文） 15 手動分離機啟動 進水泵房液面高位傳感器 手動轉碟曝氣 機工頻啟動 進水泵房液面低位傳感器 手動轉碟曝氣機變頻 啟動 污泥回流泵液面高位傳感器 手動潛水攪拌機啟動 污泥回流泵液面低位傳感器 數字量輸出部分 表 35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 粗格柵機接觸器 潛水攪拌機接觸器 清污機接觸器 刮泥機接觸器 潛水泵接觸器 污泥回流泵接觸器 細格柵機接觸器 離心式脫水機接觸器 分離機接觸器 潛水泵報警 轉碟曝氣機工頻接觸器 污泥回流泵報警 轉碟曝氣機變頻接觸器 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 36 所示 。 表 36 模擬量輸入地址分配 輸入地址 輸入設備 AIW0 溶解氧儀 模擬量輸出部分 在此控制系統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，如下表 37 所示 。 表 37模擬量輸出地址分配 輸出地址 輸出設備 西南科技大學應用型自學考試畢業設計 （論文） 16 AQW0 經 PID 運算輸出 根據控制系統的功能要求，設計出 工業污水處理 控制系統的硬件連線圖如圖38 所示，此控制面板上的手動控制部分主要在調試系統時使用，調試完成后基本處于閑置狀態。 圖 38工業污水處理 系統 PLC硬件接線圖 西南科技大學應用型自學考試畢業設計 （論文） 17 其他資源配置 要完成系統的控制功能除了需要 PLC 主 機及其擴展模塊之外，還需要各種傳感器、接觸器和變頻器等儀器設備。 接觸器 選型 在控制系統中，所有設備是根據控制面板上的按鈕情況或者根據傳感器的反饋值進行動作的，因此需要 PLC 根據當前的工作情況，以及按鈕的情況來控制所有設備的啟停，在此用到了大量接觸器：如格柵機接觸器、清污機接觸器、潛水泵接觸器、分離機接觸器、轉碟曝氣機接觸器、潛水攪拌機接觸器、刮泥機接觸器等 。為此該系統選用施耐德 LC1D0901M5C 交流接觸，其額定電壓 220V,額定電流 9A。其特點有： 高標準：符合 IEC6094741和 標準。長壽命：機械壽命高達 2021 萬次；電壽命高達 200 萬次。強適應性： “ TH” 防護處理，可以在濕熱的環境中使