基于plc的工業污水處理控制系統的設計-資料下載頁

　　

【正文】 控制系統的控制要求 和硬件部分的設計情況及 PLC 控制系統 I/O 的分配情況，進行軟件編程設計。在軟件的設計中，首先按照需要實現的功能要求做出流程框圖，其次按照不同功能編寫不同功能模塊，這樣寫出的程序條例清晰，既方便編寫，也便于調試。 總體流程設計 根據 系統的控制要求，控制過程可以分為手動控制功能和自動運行功能。在手動控制模式下 ，每個設備可以單獨運行，以測試設備的性能，如圖 41 所示。 圖 41模式選擇流程圖 手動模式 在手動模式下，可單獨調試每個設備的運行，如圖 52 所示。在此模式下，可以通過按鈕對格柵機、清污機、轉碟曝氣機、刮泥機，以及各類泵進行控制，對于轉碟曝氣機的控制，可以通過按鈕增大或減小變頻器的頻率來改變其速度，以檢測調試性能。 西南科技大學應用型自學考試畢業設計 （論文） 24 圖 42手動操作模式流程圖 自動模式 處于自動方式 時，系統上電后，按下自動啟動確認后系統運行，系統開始工作，其工作過程包括以下幾個方面。 （ 1）系統上電后 ，按下自動啟動確認按鈕，啟動潛水攪拌器和刮泥機。 （ 2）啟動粗格柵系統。 （ 3）啟動潛水泵。 （ 4）啟動細格柵系統。 （ 5）啟動曝氣沉砂系統。 （ 6）啟動污泥回流系統。 （ 7）啟動污泥脫水系統。 以上工作過程并不是順序控制方式，而是按照 PLC檢測到傳感器狀態進行啟動如圖 43所示 。 圖 43 自動操作模式流程圖 西南科技大學應用型自學考試畢業設計 （論文） 25 在自動控制模式流程圖中，調用了各個控制系統的程序，主要包括粗格柵系統程序、潛水泵程序、細格柵系統程序、曝氣沉砂系統程序、污泥回流泵系統程序。以及污泥脫水系統程序，以下將分別介紹各個子程序的工 作過程。 粗格柵系統程序主要控制粗格柵機和清污機的運行，其工作過程包括以下幾個方面。 （ 1）自動過程開始啟動粗格柵機，定時 20min。 （ 2）定時到，停止運行粗格柵機 2h。 （ 3） 2h 定時到，運行粗格柵機 20min，循環進行。 （ 4）同時檢查液面差，若超過設定值則啟動清污機。 （ 5）液面差值低于設定值，停止清污機運行。 粗格柵系統工作流程圖如圖 44所示。 圖 44粗格柵系統工作流程圖 潛水泵程序主要控制潛水泵的運行和停止，其工作過程包括以下幾個方面 ： （ 1）自動過程開始啟動潛水泵。 （ 2）檢測液面 高度，低于最低位傳感器時，開始定時防止誤判。 西南科技大學應用型自學考試畢業設計 （論文） 26 （ 3）定時到后，若仍低于最低位傳感器，則停止潛水泵運行，否則潛水泵繼續運行。 （ 4）檢測液面處于中位和高位傳感器之間時，開始定時防止誤判。 （ 5）定時到后，若液面仍持續處于高位傳感器，則輸出報警信號。 潛水泵工作流程圖如圖 45 所示 。 圖 45潛水泵工作流程圖 細格柵系統程序與粗格柵系統程序相似，主要控制細格柵機和轉鼓清污機的運行，其工作過程包括以下幾個方面 ： （ 1）自動過程開始，啟動細格柵機，定時 20min。 （ 2）定時到，停止運行細格柵機 2h。 （ 3） 2h 定時到，運行細格柵機 20min，循環進行。 （ 4）同時檢測液面差，若超過設定值則啟動轉鼓清污機。 （ 5）液面差低于設定值，停止轉鼓清污機運行。 西南科技大學應用型自學考試畢業設計 （論文） 27 圖 46細格柵系統工作流程圖 曝氣沉砂系統工作流程圖如圖 47所示 。 西南科技大學應用型自學考試畢業設計 （論文） 28 47曝氣沉砂系統工作流程圖 污泥回流系統程序主要控制污泥回流泵的運行和停止，其工作過程包括以下幾個方面。 （ 1）自動過程開始首先檢測液面高低，若低于最低位傳感器，啟動定時。 （ 2）定時到，若液面仍低于最低位傳感器則停止回流泵運行。 （ 3）若液面處于最高位和最低位之間，啟動污泥回流泵。 （ 4）若液面高于最高位傳感器時，啟動定時。 （ 5）定時到，若液面仍處于最高位傳感器時，輸出報警信號。 污泥回流系統工作流程圖如圖 48所示 。 西南科技大學應用型自學考試畢業設計 （論文） 29 圖 48污泥回流系統工作流程圖 污泥脫水系統程序主要控制離心式脫水機，啟動定時。 （ 1）自動過程開始首先啟動離心式脫水機，啟動定時。 （ 2）定時到，啟動聚合物泵，啟動定時。 （ 3）定時到，啟動污泥泵和切割機。 污泥脫水系統工作流程圖如圖 49所示。 西南科技大學應用型自學考試畢業設計 （論文） 30 圖 49污泥脫水系統工作流程圖 在設計程序過程中，會用到許多中間繼電器、寄存器、定時器等軟元件，為了便于 編程及修改，在程序編寫前應先列出可能用到的軟元件，如表 410 所示。 表 410軟元件設置 元件 意義 內容 備注 系統停止標志 On有效 手動方式標志 On有效 自動方式標志 On有效 自動方式啟動標志 On有效 清污機運行標志 On有效 聚合物泵運行標志 On有效 污泥泵運行標志 On有效 切割機運行標志 On有效 粗格柵機停止標志 On有效 粗格柵機定時脈沖計數 On有效 進水泵房液面低于最低位 On有效 細格柵機停止標志 On有效 西南科技大學應用型自學考試畢業設計 （論文） 31 細格柵機定時脈沖計數 On有效 轉碟曝氣機變頻轉工頻運行標志 On有效 轉碟曝氣機變頻運行標志 On有效 回流泵房液面低于最低位標志 On有效 回流泵房液面高于最高位標志 On有效 C1 粗格柵機 2h 定時中間計數器 10 C2 細格柵機 2h 定時中間計數器 10 T33 時鐘脈沖 5 50ms T37 粗格柵機運行時間 12021 20min T38 粗格柵機停止時間定時 7200 12min T39 進水泵房液面低于最低位定時 20 2s T40 進水泵房液面高于最高位定時 20 2s T41 細格柵機運行時間 12021 20min T42 細格柵機停止時間定時 7200 12min T43 污泥回流泵房液面低于最低位定時 20 2s T44 污泥回流泵高于低位且低于高位定時 20 2s T45 污泥回流泵房液面高于最高位定時 20 2s T46 離心式脫水機與聚合物泵啟動間隔 50 5s T47 聚合物泵 與污泥泵和切割機啟動間隔 50 5s VD10 變頻器速度寄存器 VD20 含氧量反饋值寄存器 VD30 變頻器速度寄存器 VD100 含氧量標準值寄存器 VD102 變頻器速度標準值寄存器 VD104 USSINIT 指令執行結果 VD106 USSRPMR 錯誤狀態字節 曝氣過程控制的任務 工業污水處理 后的水質是否達到排放標準，其中生化需氧量 （ BOD） 和化學需氧量 （ COD） 是重要的水質指標。 BOD 是指在有氧條件下，降解有機物所需的氧量。 COD 是指在酸性條件下，用強氧化劑將有機物氧化成 CO H2O所消耗的氧量。 BOD 的測定需費時 5天，且測定結果易受多種因素影響，誤差較大。 COD 的檢測比較精確，但方法繁瑣，耗時約 2小時。雖然有 COD 濃度在線檢測儀可以在西南科技大學應用型自學考試畢業設計 （論文） 32 線檢測，但仍存在滯后 （ 30 分鐘左右 ） ，測量結果嚴重滯后于實際運行時間，不能及時反映 實際情況 。另外， COD檢測儀的價格也較昂貴，增加了控制系統的成本。所以有必要找出簡單、可行的控制參數。 在好氧反應過程中，參與 工業污水處理 的是以好氧菌為主體的微生物，決定其處理效果的關鍵因素是反應池中溶解氧的含量。為了 使微生物的活動最佳化，應該使供氧量與消耗的氧量相等，或稍大一些。如果供氧量少，處理的水質和污泥的活化就要降低如果供氧量過多，污泥的沉降性差，處理水質也差，另外也不經濟。由此可見，混合液中溶解氧濃度 (DO)是好氧反應中一個重要的控制參數。如果控制曝氣設備的最佳溶解氧濃度，就能使處理水質優化，也能節約動力費用，并且由于 DO的在線檢測簡單、可靠，因此把 DO 作為 工業污水處理 過程的控制參數。 氯氣投加環節 氯氣投加消毒效果的好壞與原水 PH值、水溫、濁度和接觸時間有直接的關系 。 人工進行加氯量控制，不僅對操作工人不 安全，而且投加量也難以準確控制。投加量少了，達不到殺菌消毒效果；投加量多了雖殺菌效果得到了保證，但水將呈氯臭味難以飲用，此外管道腐蝕將加劇，生產成本也上升。近年來，人工加氯逐漸被自動方式取代。 氯氣投加系統具有大慣性、大滯后的特點，其過渡過程和純滯后時間均較長，并且系統的干擾因素較多，對這樣一個系統，使用一般的 PID 調節很難滿足控制要求。為了精確控制投加的氯量，運用模糊自整定 PID參數控制器對氯氣投加系統進行自動控制。氯氣投加自動控制系統如圖 411 所示 。 圖 411氯氣投加自控原理圖 西南科技大學應用型自學考試畢業設計 （論文） 33 絮凝劑投加 環 在污泥脫水過程中為增加沉淀效果，使污水中懸浮顆粒能夠形成具有良好沉淀性能的絮凝體，達到泥水充分分離的處理效果，需進行絮凝劑投加。其控制過程主要是通過污泥濃度、污水流量、絮凝劑濃度等因素控制來完成的。其 PID調節的模糊控制過程與上述兩個非線性控制環節類似，具有大時滯、非線性的特點。由于混凝過程的復雜性和多變性，混凝投藥的自動控制一直受到控制行業和污水行業專家的普遍關注 。 PID 控制 對于工業控制過 程 , 常規的 PID 控制器具有原理簡單、使用方便、穩定可靠、無靜差等優點，因此在控制理論和技術飛躍發 展的今天，在工業控制領域仍具有強大的生命力 。 常規的 PID 控制器的描述如式 （ ） 所示 ： （ ） 其中各參數代表的意義是： Un：控制器的輸出 En：控制器偏差輸入 ECn：系統誤差變化率 kp：比例增益 ki：積分增益 kd：微分增益 比例增益 kp使控制器的輸入輸出成一一對應比例關系。一旦輸入輸出有偏差 ， 比例作用會立即產生控制作用，比例控制是用來調節系統的靜態增益的，它是基于偏差進行調節的，是有差調節。為了盡量減小偏差， 同時也為了加快系統的響應速度，縮短系統的調節時間，需要增大 kp值。但是因為 kp 值又受到系統穩定性的限制，所以 kp 值不能任意的增大。積分作用 ki 是為了消除靜差而引入的。然而， ki 值的引入使得系統的響應的快速性下降，穩定性變差。尤其在系統出現大偏差階段時，積分往往使得系統的響應出現過大的超調，從而使調節時間變長。微分作用 kt的作用使之能夠根據偏差變化的趨勢作出反應，它加快了對偏差變化的反應速度，能夠有效地減小超調，縮小最大動態偏差。但是，同時又會使系統容易受到高頻干擾的影響。在實際的系統設計中只有合理地整定上述三個參數，才能獲得比較滿意的控制性能。在污水的自動控制中，混凝劑投加、n i=0 U n=kpEn+ki∑ Ei+KdECn 西南科技大學應用型自學考試畢業設計 （論文） 34 氯氣投加和曝氣環節由于過程的復雜性、 多變性、非線性和大滯后的特點，采用的 PID 控制算法難以實現準確和高效的控制。為此在常規的 PID控制基礎上，采用模糊推理的方法，對 PID 的控制參數進行在線自整定，從而完善 PID 控制器的性能，使其適應控制系統的參數變化和工作條 。 PLC 和變頻器通訊 （ 1） USS 通訊協議簡介 USS協議（ Universal Serial Interface Protocol 通用串行接口協議）是SIEMENS 公司所 有傳動產品的通用通訊協議，它是一種基于串行總線進行數據通訊的協議。 USS協議是主 從結構的協議，規定了在 USS 總線上可以有一個主站和最多 30 個從站；總線上的每個從站都有一個站地址（在從站參數中設定），主站依靠它識別每個從站；每個從站也只對主站發來的報文做出響應并回送報文，從站之間不能直接進行數據通訊。另外，還有一種廣播通訊方式，主站可以同時給所有從站發送報文，從站在接收到報文并做出相應的響應后可不回送報文。 在使用 USS 協議之前，需要先安裝西門子的指令庫。 USS 協議指令在STEP7— MICRO/WIN32指令樹的庫文件夾中， STEP7— MICRO/WIN32指令庫提供 14個子程序、 3個中斷程序和 8條指令來支持 USS協議。調用一條指令時，將會自動地增加一個或幾個子程序。 （ 2） USS 通訊協議庫 編程之前一定要將 USS 協議庫添加進去，編程軟件默認安裝沒有 USS協議庫的。 USS_INIT 指令：當 EN輸入接通時，每一循環都執行該指令。通過 Mode 輸入值可選擇不同