基于plc污水處理控制系統本科畢業論文(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 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 20xx 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用。寬電壓：線圈控制電壓在 70%120%Uc 之間波動，不影響產品正常工作。強通用性：具有 50Hz60Hz 通用線圈，可以全世界通用。模塊化：產品本體上可以附加輔助觸頭，通電 /斷電延時觸頭，機械閉鎖等模 塊。也可以很方便地組合成可逆接觸器、星 三角起動器。 變頻器簡介 變頻器的功能是將頻率固定的 (通常為 50Hz)的交流電變換成頻率連續可調的三相交流電源。變頻器的輸入端接至頻率固定的三相交流電，輸出端輸出的是頻率在一定范圍內連續可調的三相交流電。 變頻器主要分為間接變頻和直接變頻兩大類，而間接變頻又根據中間直流環節的主要儲能元件的不同可分為電壓型和電流型。電壓型變頻器主回路由相控整流器，中間直流環節和逆變器三個部分組成。 相控整流器將交流電壓整流為可控的直流電壓，經濾波由電容 Cd 輸出直流電壓 Vd，逆 變器將直流 Ud 變換成頻率可調的交流電源供給電機進行變頻調速。由于中間直流環節是 Cd 低阻抗輸出相當于是恒壓源，故稱電壓型。 電流型交 直 交變頻器與電壓型變頻器的差別僅在于中間直流環節中的儲能元件用的是電感而不是電容。由于中間直流環節是高阻抗輸出相當于電流源，故稱電流型。 變頻與變壓 (VVVF)原理 西南科技大學應用型自學考試畢業設計 （論文） 18 當在實際利用變頻器調節電機轉速的過程中，當頻率 f 下降時，定子繞組的反電動勢 E有所下降，定子電流增大，但是轉子側的負載并未增加，故轉子段電流不變，根據電流平衡方程可知，勵磁電流比增大，因而磁通φ m增大。φ m增加將導致鐵芯的飽和，進而引起勵磁電流波形的畸變，這是不希望的結果，因此希望φ m 可以保持基本不變。要實現這個目標，只要在變頻過程中使變頻器輸出電壓 Ul/f=const，則磁通φ m可保持基本不變。因此變頻的同時也要變壓，常用 VVVF表示。 VVVF 實施的基本方法包括：脈幅調制 (PAM)和脈寬調制 (PWM)。 （ 1） 脈幅調制 (PAM) 實現方法就是調節頻率的同時，也改變直流電壓的振幅值。 PAM 需要同時調節兩個部分：整流部分和逆變部分，兩者之間還必須滿足一定的關系，故控制電路比較復雜，因此比較少用。 （ 2）脈寬 調制 (PWM) 實現方法就是在每半個周期內，把輸出電壓的波形分割成若干個脈沖波，每個脈沖的寬度為 t1，每個脈沖間的間隔寬度為 t2，則脈沖的占空比Υ=tl/(t2+tl)。這時電壓的平均值和占空比成正比，所以在調節頻率時，不改變直流電壓的幅值，而是改變輸出電壓脈沖的占空比，同樣可以實現變頻也變壓的效果。 PWM 只需控制逆變電路便可實現，與 PAM 相比電路簡化了許多，因此在變頻調速中比較常用。 變頻調速的基本原理 （ 1）異步電動機的等效變換 X 1 R 2R 1 X 2R mI OX mR 1U 1R LU 2 圖 39 異步電動機的等效變換 異步電動機的電磁轉矩公式： 2212 2 21 1 2 1 232 [ ( ) ( ) ]m p s r UT f s r r s x x?? ? ? ? （ ） 西南科技大學應用型自學考試畢業設計 （論文） 19 其中： P 為旋轉磁場的磁極對數， S為轉差率。 （ 2）變頻調速的原理 異步電動機的電磁轉矩是由定子主磁通和轉子電流相互作用產生。異步電動機的定子主磁通是以一定的轉速旋轉，旋轉磁場實際是三個交變磁場合成的結果。旋轉磁場的轉速 n0=60f/p，其中 f 是電流頻率， P 是旋轉磁場的磁極對數。產生轉子電流的必要條件是轉子繞組切割定子磁場的磁力線。因此轉子的轉速n1必須低于定子磁場的轉速 n0 (即所謂的“異步” )。兩者之間的差異可由轉差率表示，轉差率 s=( n0 n1)/n0根據 n0=60f/p 可知，當頻率 f連續