工业污水处理的PLC控制

工业污水处理的PLC控制

摘要

由于一个城市的工业门类较多，废水排量大，因此城市污水处理是一个非常复杂而庞大的工程。污水中BOD、COD、SS、、，碱及有机磷、盼、氯化物、硫化物、石油、苯、三氯乙醒、甲醇络离子等浓度较高。若不经处理直接排放则不仅影响人民的健康，危害农业的和工业的生产，也严重污染自然水体，因此必须对污水进行综合治理，以使其达到国家排放标准。污水厂为例，说明其工艺流程及实施方案。如图所示，污水被粗格栅房清除，然后入曝气沉淀池，吸砂机吸出的沉砂送到分离器，沉砂连同水一起排入输砂槽，与沉沙一起处理，然后污水排入曝气池，曝气池中设有溶解氧测定仪，根据水质的变化及污水中溶解的含量控制调节进气量，再经中间沉淀池，到最终沉淀地等多道工序刮泥，除砂，调节溶解氧进入量，使污水达到国家排放标准。

目前污水处理的PLC控制系统在国内外已经得到广泛应用。此次设计的工业污水净化处理系统的工艺流程为：

按下启动按钮，启动并运行搅拌器；

打开净化反应池的进水阀，使工业午睡流入净化反应池，并检测流量；

水位在正常范围内，开始测量酸碱度并测量水温；

流量、酸碱度和水温的数字信号送给PLC，进行中和处理，水温调节以及进水阀开口度的调节；

检测水位并调节排水阀，控制处理好水的排出。

关键词：污水处理 PLC 控制系统

Industrial wastewater treatment PLC

control

?

As a city more categories of industrial wastewater discharge, therefore municipal sewage treatment is a very complex and large projects. Sewage in BOD, COD, SS, alkali and organic phosphorus, I hope, chlorides, sulfides, oil, benzene, Peter triclosan B, methanol concentration higher Tongxinluo ions. If not treated directly emissions not only affect the health of people and endanger agricultural and industrial production, but also serious pollution of natural water, it is necessary to carry out comprehensive treatment of sewage, and to make it reach the state emission standards. Wastewater treatment plant as an example to illustrate the process and the implementation of the programme. As shown, the sewage was removed rough grid, and then into the aeration sedimentation tanks, sand suction aspiration of the desilting machines to the separator, desilting together with the water discharged into the trough lose sand, sand and dealt with, Then the sewage into the aeration tanks, aeration pond with dissolved oxygen detector, according to the changes in water quality and sewage dissolved in regulating the content of the feed rate control, then the middle sedimentation tanks, and to the final sedimentation processes, such as multi-channel scratch mud, Desanding, regulating access of dissolved oxygen, the sewage reached state emission standards.

At present sewage treatment in the PLC control system has been widely applied at home and abroad. The industrial design of the sewage purification process for the treatment system:

Press the start button and up and running blender;

The open-purification tank valve, the inflow of industrial nap purification tank, and to detect flow;

The water level in the normal range, and begin measuring pH and temperature measurement;

Flow, pH and temperature digital signal gave PLC, and in the processing, as well as temperature-regulating valve opening of the regulation;

Detection and regulate water drainage valve, the control handle from the water.

Key words: sewage treatment PLC Control System

目录

第一章~第二章概述 (6)

设计课题的目的和意义 (6)

我国水资源基本情况 (6)

水污染概述 (6)

第二章工业污水的处理系统 (7)

污水处理工艺流程简介 (7)

控制系统的设计 (7)

机械处理段的自动控制系统 (7)

生化处理段的自动控制系统 (8)

污泥沉淀浓缩处理段的自动控制系统 (8)

控制系统的实现 (9)

（系统硬件构成 (9)

系统软件 (10)

控制系统的功能和工作状态 (11)

手动状态（MAN） (12)

自动状态（AUTO） (12)

自诊断 (12)

第三章可编程序控制器概述 (13)

可编程序控制器的历史 (13)

可编程序控制器的基本结构 (13)

可编程序控制器的特点 (14)

PLC的应用范围 (14)

（可编程序控制器的工作原理 (14)

第四章系统控制方案设计 (16)

流量控制 (16)

中和处理 (17)

温度处理 (18)

水位控制 (18)

按下起动按钮 (19)

程序系统 (20)

第五章可编程序控制器系统的抗干扰措施 (22)

控制系统中干扰及其来源 (22)

可编程序控制器的工作环境 (22)

"

I/O端的接线 (23)

设计总结 (24)

参考文献 (25)

致谢 (26)

附录1 污水处理的PLC系统梯形图 (27)

附录2 PLC与现场器件的系统接线图 (28)

第一章概述

设计课题的目的和意义

高等院校工科专业毕业设计是实现本科培养目标要求的重要阶段. 毕业设计是学生在毕业前的综合训练阶段;是学习,深化,拓宽,综合教学的重要过程;是学生学习,研究与实践成果的全面总结;是培养学生综合素质和工程实践能力的重要方法.毕业设计着重培养学生综合分析和解决问题的能力,组织管理和社交能力,独立工作能力,培养学生严谨的科学作风和认真的工作态度,树立事业心和责任感,毕业设计对于提高毕业生全面素质具有重要意义。

我国水资源基本情况

随着我国经济的迅速发展，人口的增加，人民生活水平逐步提高，工业化和城市化步伐的加快，用水量急剧增加，污水排放量也相应增加，加剧了淡水资源的短缺和水环境的污染。

；

我国水资源的总存储量平均每年28000亿立方米，但人均水资源拥有量仅为2340立方米，为世界平均值的四分之一。并且水资源时空分布不均，造成南多北少，东多西少的局面。在北部降水大部分集中在6—9月份，此期间的降水量占全年降水量的百分之七十至百分之八十。缺乏生态保护意识，一些急功近利的做法，严重破坏了森林和植被，破坏了生态系统平衡，导致洪涝和干旱频繁发生。

水污染概述

我国水污染的状况十分严重的，国家环保总局的统计显示，2003年全国废水排放总量为460亿吨，其中工业废水占%；生活污水占%。但据水利部统计，全国废水排放总量640亿吨，其中工业废水占60%。生活污水占40%。在2003年全国七大江河水系的407个监测断面中，仅有%的断面符合III类以上水质标准，劣V 类水质占%。我们有限的淡水资源数量不足，质量下降。我国各级政府认识到水污染治理和水资源保护的重要性，认识到经济和社会的持续发展有懒于环境的保护和资源的合理开发利用，包括水资源的保护和水资源的合理开发利用，重视加速了水污染治理设施的建设。如果把工矿企业修建的污水处理设施的处理能力统计在内，估计城市污水处理率30%以上，如果把池塘、人工湿地、土地处理（农田灌溉）等自然法处理设施处理的污水量已考虑在内，污水处理率可达40%。据统计我国工业废水处理设施的总处理率已达到87%。但实际上处理的工业废水量远达不到该值，因为一些调查统计表明，我国工业废水处理设施只有1/3是运行正常的，3/3运行不正常，而另1/3停产不运行。

工业污水处理系统:

污水处理的各处理设备分布分散，每个工艺区段相对独立；I/O点中以离散量为主，

模拟量为辅；由于这些特点，使其更适宜以PLC为主要控制器的集散式控制方案。本文介绍的就是这样的一套以PLC为主组成的顺控系统。

第二章工业污水的处理系统

2 .1 污水处理工艺流程简介

该污水处理过程主要分为机械处理、生化处理、污泥处理三个阶段。现将其工艺流程介绍如下（见图2-1所示）。

）

图2-1工艺流程图

控制系统的设计

控制系统设计目的是对污水处理过程的机械处理阶段、生化处理阶段、污泥处理阶段进行顺序控制，及在故障情况下的紧急停车等一系列处理过程进行全自动PLC控制。

机械处理段的自动控制系统：

(1）每台格栅前后安装了一台液位差计，PLC根据液位计量检测到的水位差值和时间设定，自动控制格栅除污机的运行；当水位差值超过设定值或时间设定值时，自动控制格栅和螺旋输送机按照预先编制的程序运行。

（2）污水提升泵房是全厂的咽喉，一旦出现故障，全厂就得停产，泵的控制至关重要。设在前池的液位计量仪将检测到的水位信号送到控制运算器，PLC根据

检测值与设定值的差值来自动控制水泵的运行。当水位升高到预定的水位值时，自动控制水泵按照预先编制的程序依此逐台启动；当水位减低到预定的水位值时，自动控制水泵按预先编制的程序依此逐台关闭。同时累积水泵运行时间，自动轮换水泵，保证水泵累计运行时间均等，并处于在最佳运行状态。当水位降到设定下限水位时，干运转保护起动，自动控制水泵全部停止运行，以保证水泵的安全。

（3）钟式沉砂池是由一套变速及调整系统机构控制箱来就地控制，其转盘的转速和高度均可根据除砂效率和有机物分离效率的要求，哪个更高而定来进行调整。另外进出水口及池中水位可视需要去除的砂粒的粒径而定。沉砂池各设备运行状态及故障信号送至中控室去显示监控。

生化处理段的自动控制系统：

氧化沟的运行控制：我们在外沟、中沟、内沟都各设置1台溶解氧测量仪表，将仪表检测到的溶氧仪测量值送至现场PLC控制子站，PLC根据氧化沟中的溶解氧含量，按照预先已编制好的程序（为保证氧化沟内流速均匀；所预先编制的动作顺序），自动控制转碟的运转台数和运行时间；以满足外、中、内沟的溶氧值稳定在生化反应的设定值。

{

在外沟，因所需溶氧值较低，溶氧仪将不能工作在其测量范围的精确量程内，检测值的误差较大，为此在外沟另设一台氧化-还原电位计，用来校正被监控参数的测量。同时，还可调节氧化沟的出水堰板，以改变转碟浸没水深来增减空气曝气量，既保证了氧化沟生物处理过程的稳定又节约了能源。

根据以往的氧化沟的运行情况，在编制氧化沟的运行控制程序时，还需注意三点：1，考虑水中溶解氧的变化速率，避免控制系统的不稳定，需设置溶解氧的控制死区；

2，为避免转碟的控制不稳定，在程序中设置转碟的时间死区，在此时间内转碟是不可启停的；

3，为了平衡转碟的工作时间，应开转碟和应停转碟要符合先开先停的原则，目的是减少转碟电机的损耗，达到节能的要求。

另外，在中沟我们还设置了混合液浓度检测仪表，在外沟设置了检测液位的超声波液位计。以加强对氧化沟生物反应情况的监控。

污泥沉淀浓缩处理段的自动控制系统：

（1）在污泥浓缩加药系统，我们根据容积比例设置了一套自动控制配药系统（见图2所示）

图 2-2 加药系统带控制点流程图

@

加药系统按照预先编制的程序运行，定时加药、配水及搅拌。首先进行药液的配置控制，由PLC根据所确定的容积比去自动控制除磷药剂原液与稀释水的投加量，配制成所需浓度的除磷药剂；在配药罐上还设有超声波液位计，液位信号送至PLC，当药液量和水量比例满足配比要求，配药过程结束后，PLC自动控制打开配药罐出口的电动球阀，进入加药阶段。除磷药剂的投加量，由PLC控制计量泵去完成。

（2）脱水机房设带式脱水机及全部附属装置。负责脱水、加药、进泥、出泥、反冲洗等设备的连锁控制，整套脱水系统按照预先编制的程序运行，PLC负责对各设备的运行情况进行监控及连锁保护。

控制系统的实现

系统硬件构成

(1)PLC控制系统由工艺过程监控系统、通讯系统、可编程序控制器及检测仪表组成。采用分布式计算机集散控制系统，实现对全厂的工艺流程进行分散控制、集中管理。控制系统采用了过程监控级（即中央监控站-主站）和现场控制级（即

两个智能子站—PLC站）的两层结构，划分为中央控制室、第一分控室、第二分控室三个区域。

(2)过程监控级设在中央控制室（主站）内，由两台工控机、两台打印机和通讯卡等组成工程师站、操作员站及数据通讯系统。

操作员站是操作员用以完成对整个污水处理厂进行实时监控功能的岗位，负责对全行操作，但在同一时间内只允许一个站操作同一个设备；工程师站可以实现在线控制系统的编程及各种参数的设定与修改等任务；数据通讯系统则用来提供或接受工业过程的实时信息及与上级管理站的通讯等任务。

(3)现场控制级为两个智能子站，分别设置在两个分控室内，由PLC控制器、I/O处理单元及现场检测仪表组成，用以完成数据采集、处理等功能，负责对污水处理厂各个反应处理阶段进行就地分散控制，分站的操作权限由主站来分配。两个智能子站和主站通过现场通讯总线相连.

PLC选用的是FX-2可编程序控制器，它具有模拟量、开关量的采集处理和计算功能以及逻辑控制、计时比较等顺序控制功能，并且具有集成的批处理功能和高速数据通讯网，以满足连锁控制的快速响应的要求。

根据系统的要求，我们选用以下设备：工业计算机、激光打印机、投影仪、针式打印机、通信电缆和可编程序控制器。

#

系统软件

FX-2 PLC控制系统软件为两部分：

（1）监控级应用软件

监控级应用软件为Monitor Pro监控软件。具有实时数据库、趋势和实时图表、模拟画面、报警管理、数据库巡航等功能，监控软件采用全汉化界面，设计有工艺流程图、各工艺单元流程图、趋势图、报表、报警、各种电量参数图、各种设备的操作和参数设定画面。操作员通过菜单命令或鼠标点击，可浏览所有工艺过程画面，显示当前状态并按顺序记录、输出；能完成各类数据的记录、存盘、报警，处理打印各种生产报表、曲线图和站图表（显示出泵和阀的状态，提供最重要的检测值和报警），以及对各阶段的反应时间和给定值的调整等。同时，全厂所有可操作的设备均可由操作员在工作站上通过鼠标和权限进行遥控操作，完成指挥调度过程。

由于污水处理厂自控系统需要经过长期运行，获得经验数据，然后重新调整

控制系统。所以各种可能需要调整的参数均可在上位机进行设定，如回流污泥泵、剩余污泥泵的工作时间，溶解氧的控制死区，转碟工作的时间死区等。这样，操作人员可以随时根据现场情况调整控制参数，优化工艺的运行效果。

（2）编程工具软件：

PLC编程工具为PL7 Pro，该软件可在WINDOWS系列操作系统上运行，采用图形编程界面，具有梯形图（LD）及结构化文本语言等多种编程语言可供编程人员编程时使用。可对I/O设备进行组态和参数化，能对任何连接到控制总线的节点进行测试和启动，可在线修改系统中任一点的用户程序。并包括先进的系统诊断能力、过程诊断工具和远程维护等。

该系统控制程序流程图（见图2-4所示）

：

图2-4 控制程序流程图

控制系统的功能和工作状态

为了确保在PLC系统意外情况下污水处理的顺利进行，我们配备了自控、手控两套装置，各工艺参数的显示信号分别经计算机和就地常规仪表显示，这样当计算机由于某种原因产生故障或设备检修维护时，可以手动操作。

手动状态（MAN）

在刚开始初试阶段，系统尚未稳定之前，可以使用手动操作，用鼠标直接遥控现场工艺操作。考虑到现场调试和全自动运行时故障处理的需要，设计的手动控制程序，可以对机械处理段、生化处理段及污泥浓缩处理段各个反应阶段实现手动控制，各工艺根据状态转移条件转移，中途可退出状态。在需要关闭整个控制系统时，还可在现场对重要的部分单元进行手工操作。

自动状态（AUTO）

当工艺处理过程由不稳定运行转为稳定运行，工艺参数达到工艺要求时，将系统由手动切换为自动状态。整个系统完全由PLC可编程控制器来自动控制。无论由A/M、M/A，偏差是否为零，切换过程都是无扰动的，调节输出决不会发生突变。

自诊断

过程诊断、实时时钟，状态和故障显示报警。当设备发生故障时，上位机画面对应设备有红灯闪烁，直至故障消除。报警内容加入报警数据库，并在报警画面显示；报警信息可通过打印机打印；通过报警画面可以查询全部历史故障情况。

"

第三章可编程序控制器概述

可编程序控制器的历史

1968年美国GM(通用汽车)公司提出取代继电器控制装置的要求，第二年美国数字公司研制出了第一代可编程序控制器，满足了GM公司装配线的要求。随着集成电路技术和计算机技术的发展，现在已有第五代PLC产品了。

在以改变几何形状和机械性能为特征的制造工业和以物理变化和化学变化将原料转化成产品为特征的过程工业中，除了以连续量为主的反馈控制外，特别在制造工业中存在了大量的开关量为主的开环的顺序控制，它按照逻辑条件进行顺序动作号按照时序动作;另外还有与顺序、时序无关的按照逻辑关系进行连锁保护动作的控制;以及大量的开关量、脉冲量、计时、计数器、模拟量的越限报警等状态量为主的—离散量的数据采集监视。由于这些控制和监视的要求，所以PLC发展成了取代继电器线路和进行顺序控制为主的产品。在多年的生产实践中，逐渐形成了PLC、DCS与IPC三足鼎立之势，还有其它的单回路智能式调节器等在市场上占一定的百分比。

可编程序控制器的基本结构

PLC种类繁多，但其组成结构和工作原理基本相同。用可编程序控制器实施控制，其实质是按一定算法进行输入输出变换，并将这个变换予以物理实现，应用于工业现场。PLC专为工业现场应用而设计，采用了典型的计算机结构，它主要是由CPU、电源、存储器和专门设计的输入输出接口电路等组成。

PLC的结构框图（见图3-1所示）

图3-1 PLC的结构框图

可编程序控制器的特点

现代工业生产是复杂多样的，它们对控制的要求也各不相同。可编程序控制器一经出现就受到了广大工程技术人员的欢迎。它的主要特点如下：…

（1）抗干扰能力强，可靠性高；

（2）控制系统结构简单，通用性强；

（3）编程方便，易于使用；

（4）功能完善；

（5）设计、施工、调试的周期短；

（6）体积小，维护操作方便。

PLC的应用范围

（1）开关量逻辑控制；

（2）运动控制；

（3）过程控制；

（4）数据处理；

:

(5) 通信联网。

可编程序控制器的工作原理

PLC的控制逻辑实现原理：

继电器控制系统是一种“硬件逻辑系统”，如图3-7（a）所示，它的三条支路是并行工作的，当按下按钮SB1，中间继电器K得电，K的两个触点闭合，接触器KM1、KM2同时得电并产生动作。所以继电器控制系统采用的是并行工作方式。

可编程控制器是一种计算机控制系统，它的工作原理是建立在计算机工作原理基础之上的，即通过执行反映控制要求的用户程序来实现的。由于CPU是以执行程序来处理各项任务的，所以在每一瞬间只能做一件事，属于串行工作方式。通过程序的执行按程序顺序依次完成各相应的动作。

PLC的工作方式：

为了满足工业逻辑控制的要求，同时结合计算机控制的特点，PLC的工作方式采用不断循环的顺序扫描工作方式。每一次扫描所用的时间称为扫描周期或工作周期。CPU从第一条指令执行开始，按顺序逐条地执行用户程序直到用户程序结束，然后返回第一条指令开始新的一轮扫描。PLC就是这样周而复始地重复上述循环扫描的。PLC工作的全过程可用图3-8所示的运行框图来表示。整个过程可分为以下几个部分：

第一部分是上电处理。PLC上电后对系统进行一次初始化，包括硬件初始化和软件初始化，停电保持范围设定及其他初始化处理等。

第二部分是自诊断处理。PLC每扫描一次，执行—次自诊断检查，确定PLC自身的动作是否正常。如CPU、电池电压、程序存储器、I／O和通讯等是否异常或出错，如检查出异常时，CPU面板上的LED及异常继电器会接通，在特殊寄存器中会存入出错代码。当出现致命错误时，CPU被强制为STOP方式，所有的扫描便停止。（如图3-2所示）

图3-2 PLC运行框图

)

第三部分是通讯服务。PLC自诊断处理完成以后进入通讯服务过程。首先检查有无通讯任务，如有则调用相应进程，完成与其他设备的通讯处理，并对通讯数据作相应处理；然后进行时钟、特殊寄存器更新处理等工作。

第四部分是程序扫描过程。PLC在上电处理、自诊断和通讯服务完成以后，如果工作选择开关在RUN位置，则进人程序扫描工作阶段。先完成输入处理，即把输入端子的状态读入输入映像寄存器中，然后执行用户程序，最后把输出处理结果刷新到输出锁存器中。

在上述几个部分中，通讯服务和程序扫描过程是PLC工作的主要部分，其工作周期称为扫描周期。可以看出扫描周期直接影响控制信号的实时性和正确性，为了确保控制能正确实时地进行，在每个扫描周期中，通讯任务的作业时间必须被控制在一定范围内。PLC运行正常时，程序扫描周期的长短与CPU的运算速度、与I/O点的情况、与用户应用程序的长短及编程情况等有关。通常用PLC执行l KB 指令所需时间来说明其扫描速度，一般为零点几ms到上百ms。值得注意的是，不同指令其执行时间是不同的，从零点几us到上百us不等，故选用不同指令所用的扫描时间将会不同。而对于一些需要高速处理的信号，则需要特殊的软、硬件措施来处理。

当PLC处于正常运行时，它将不断重复扫描过程。分析上述扫描过程，如果对远程I/O、特殊模块和其他通讯服务暂不考虑，这样扫描过程就只剩下“输入采样”、“程序执行”和“输出刷新”三个阶段了。这三个阶段是PLC工作过程的中心内容。

第四章系统控制方案设计

工业污水处理示意图如图（4-1）所示，控制要求如下：

图4-1 工业污水处理示意图

流量控制

由流量计计量流量，并由进水阀调整流量。

~

当流量计检测到水的流速过慢时，其过慢触点（X2）接通，进水阀门开大（Y1有输出），使水的流速加快。

当流量计检测到水的流速过快时，其过速触点（X3）接通，进水阀门关小（Y2有输出），使水的流速减慢。

当流量计检测到水的流速适中时，其适中触点（X4）接通，进水阀门不动作（Y1、Y2无输出）。

其梯形图如下:

其梯形图程序如下：

LD X2

OR Y1

ANI Y2

(

ANI X4

OUT Y1

LD X3

OR Y2

ANI Y1

ANI X4

OUT Y2

中和处理

由PH值量计，测量污水的酸碱值，控制加酸阀、加碱阀门进行中和作业。

，

若为强酸时，PH值量计强酸触点（X5）接通，报警器发出警报（Y5有输出），加碱阀门打开（Y3有输出）。

若为强碱时，PH值时计强碱点（X6）接通，报警器发出警报（Y5有输出），加酸阀门打开（Y4有输出）。

若酸碱适中时，PH值触点（X7）接通，加碱阀门和加酸阀门关闭，报警器不报警。其梯形图如下:

其梯形图程序如下：

}

LD X5

OR Y3

ANI Y4

ANI X7

OUT Y3

LD X6

OR Y4

ANI Y3

ANI X7

OUT Y4

LD Y3

|

OR Y4

OUT Y5

温度处理

由温度计计量，若水温过高，加水降温。

若水温过高，温度计触点（X8）接通，加水阀门打开（Y6有输出）。若水温适中，温度计触点（X9）接通，加水阀门关闭（Y6无输出）。

·

其梯形图控制如下:

其梯形图程序如下：

LD X8

OR Y6

ANI X9

OUT Y6