PLC在污水处理中的应用

PLC在污水处理中的应用第三组组员：刘春骁陈颂陈小瑶摘要随着行业产业化规模的不断扩大,废水污染已成为当今世界的头号生态杀手,如何对其进行有效的控制已成为我们的当务之急,本文从现代化的计算机控制入手,利用PLC技术的强大逻辑功能,通过完善的软件与硬件相结合,阐述了一种先进的污水处理系统方案。关键词：PLC；污水处理；控制系统Keywords:PLC;sewagedisposal;operatingsystem一．课题的研究背景水与人的生活息息相关。我国淡水资源不断减少，而且污染现象较为严重。城市生活污水是目前江河湖泊水域污染的重要原因，是制约许多城市可持续发展的主要原因之一。耗水量高、重复利用率低、污染严重是我国生活用水系统水资源利用的突出问题。因此世界各国越来越重视水处理和水的再利用，通过各种技术进一步提高供水质量，提高经济效益，并且污水处理过程中，经过厌氧和好氧处理，污水中的热量、沼气等再生能源可以为工业生产提供二次能源，真正实现变废为宝、循环经济的目的。二．国内外生活污水处理情况（一）国外生活污水处理国外的一些发达国家，如美国、日本、西欧等国，由于这些国家经济发达，并较早的实现了工业现代化。这些国家经济发展较早而且较快，环境问题特别是水资源污染的严重性也较早的体现出来，同时也得到了这些国家政府的重视，投入了大量的人力、物力进行水处理的研究。这些国家先后投资研究高效型、智能型污水处理设备和自动化控制仪表。由于控制技术、网络通信技术以及现场总线技术的飞速发展，国外的污水厂很早便实现了污水厂的网络控制，如DCS、FCS系统。同时国外较早的将SCADA技术引入到了给水排水工程中，并取得了良好的经济效益与社会效益。国外同时注重水处理中PLC的开发，相继研制出了一些智能、稳定、小巧的控制单元，如AB公司的SLC系列、Siemens的S7系列、Schneider的TSXQuantum系列；同时国外也很重视在线仪表的研制，如德国E+H公司，美国的哈希公司相继研制了溶解氧DO、化学需COD分析仪。（二）国内生活污水处理发展现况与国外相比，我国污水处理自动化控制起步较晚，七十年代开始采用热工仪表，实行集中巡检；八十年代应用分析仪表和DCS系统；至九十年代，随着一大批利用国际贷款的大型污水处理厂的建成投产，我国污水处理控制系统的自动化水平有了很大提高。从国外引进污水厂的自动控制系统已广泛采用集散式计算机监控系统，应用了自动化程度较高的检测仪表，各种新工艺、新设备大量出现并得到应用。我国的污水处理厂自控系统特点:(1)对于新建的污水处理厂，引进了计算机分散控制系统，手动与自动并存的控制方式。大部分以前建设的污水厂自动化程度仍然很低，仍采用人工巡检的方式。(2)国产在线仪表的稳定性还没有达到要求，所以大部分采用进口的在线仪表，但是由于进口仪表价格昂贵，所以应用并不是很广泛。(3)各个控制站之间完全独立，没有信息的交换。并且各个控制单元由于其内部资源的限制，只是实现了简单的时间控制和逻辑控制。三．课题研究的目的意义污水处理是一项紧迫性的任务，它可以避免环境恶化和更大的经济与资源损失。因此，发展污水处理产业具有重要的社会意义。在这种形势下，利用PLC及组态软件对生活污水处理系统进行控制，无疑是一个具有巨大的社会效益、环境效益及经济效益的研究课题。四．污水处理概述在人们的生产和生活活动中，每天都在使用和接触着水。在这一过程中，水受到人类活动的影响，其物理、化学性质发生变化，就变成了污染过的水，简称为污水。（一）污水的组成生活污水的组成它是人们在日常生活中使用过的，并被生活废料所污染过的水，包括厨房和卫生间用水。成分：含有泥沙、油脂、皂液、果核、纸屑、食物屑、病菌、粪尿和杂物等，其中无机物占40%，有机物占60%，与工业废水相比，污染物浓度较低。（二）污水的生物性质及指标污水中的有机物是微生物的食物，污水中的微生物以细菌与病菌为主。污水生物性质的检测指标有大肠菌群数、大肠菌群指数、病毒及细菌总数。(1)大肠菌群数与大肠菌群指数大肠菌群数是每升水样中所含有的大肠菌群的数目;水中存在大肠菌，就表明受到了粪便的污染，并可能存在病原菌。(2)病毒污水中已检查出的病毒有100多种。检出大肠菌群，可以表明肠道病原菌的存在，但不能表明是否存在病毒及其他病原菌(如炭疽杆菌)。细菌总数是大肠菌群数、病原菌、病毒及其他细菌的总和，以每毫升水样中的细菌菌落总数表示。（三）污水的出路排放水体是污水的自然归宿。但污水排入水体应以不破坏该水体的原有功能为前提。灌溉田地但必须符合灌溉的有关规定。如化肥厂水含Ｎ、Ｐ高，在厂内处理后，达到一定标准可进行灌溉。重复使用城市生活用水如冲洗厕所等和市政用水如城市绿地灌溉、洒浇道路、消防用水、建筑用水和城市景观用水等。五．可编程逻辑控制器PLC介绍可编程控制器(PLC)，针对不同的现场信号，如交流或直流、电压或电流等，有相应的I/O模块与现场设备，如按钮、行程开关、传感器和控制阀等直接连接。PLC的基本结构编程序控制器是专为工业现场而设计的，其基本结构与典型的计算机结构相同，主要由电源、中央处理器单元(CPU)模块、I/O模块、编程器等部分组成。六．基于PLC污水处理的系统设计用PLC来控制污水处理系统,一方面提高了整个工作流程的速度,使得控制更为方便,且操作程序简单,容易上手,更有利于做远程控制;另一方面使得工作更加的可靠,因为以往的污水处理基本上都是使用的接触器来进行人工操作的,使用起来费时费力,时间一长接触器的触头会发生氧化,导致一系列的事故发生.现在随着PLC技术的不断更新,应用范围也越来越广,我们这次就选用西门子PLC为例,结合SBR污水处理系统来进行一系列的改造设计。(一)污水处理系统主要组成部分如图1-1所示.图1-1污水处理系统主要组成1进水系统进水系统主要有进水管道和进水泵房组成,进水管道主要有粗格栅机和细格栅机组成,进水泵房主要有两台潜水泵组成。进水管道的主要功能是将污水中的大块物体排除其中的粗格栅机是根据程序的设定时间来进行间歇工作的,清污机的运行和停止是根据粗格栅两边的液位差来决定的,当液位差超过某值时工作,小于某值时停止.潜水泵的动作是通过安装在泵房外的液位传感器来决定的,当液位较高时启动一台泵,当液位较高时启动两台泵,若液为持续升高则发出报警。2曝气系统曝气反应系统主要设备是曝气机,在反应池中装有溶解氧仪对污水中的含氧量进行检测,根据其反馈到PLC的值来控制曝气机的运行,改变污水中的搅拌状态,使它们充分混合接触。污泥回流系统的污泥泵将不需要的泥进行处理,该设备的工作状态主要根据泵房外液位传感器的状态当液位低于某个值时停止运行,处于正常时污泥泵正常运行。3沉淀系统沉淀系统的主要设备为刮泥机,其功能是对经过曝气以后的进行物理沉淀,将污泥与清水分离,刮泥机在整个系统启动的时候就开始持续运行。4脱水系统脱水系统的主要设备为脱水机,其功能为对经过处理过的污泥进行脱水处理.脱水机主要有聚合物泵、污泥机和切割机构成,它们的启动顺序依次为:聚合物泵、污泥机和切割机。(二)污水处理系统中电气部分介绍在该系统中PLC为核心控制器,它通过检测面板上按钮的输入、各类传感器的输入,以及相关模拟量的输入,完成相关设备的运行、停止和调速控制，同时还可以对整个系统的工作流程进行监控。污水处理系统总体框图如图1-2所示。图1-2电气控制系统总体框图1西门子PLC西门子S7-200系列PLC的特点S7-200系列PLC是西门子公司于1995年推出的具有很高性价比的微型PLC。在结构上，S7-200系列PLC具有体积小、重量轻、结构紧凑等特点，即可以用接线端子进行接线，同时在接线端子上还有面板保护，防止无意中触碰到接线头，而且在PLC的底部设计有DIN导轨安装机构和安装孔，可以满足水平或者垂直方向的安装要求。在功能上，S7-200系列PLC的用户程序和全部数据都可以存放在EEPROM中，永不丢失，即使是存放在RAM中的临时数据，在突然意外断电时，也可以对其在停电那一时刻的数据状态进行保护，最长保持时间为100H。位操作时间已缩短到0.37us，使CPU的响应是速度有较大的提高，同时在CPU上集成了高速计数器，可计数速率为30KHZ；也集成了高速脉冲输出功能，既能以脉冲宽度可调（PWM）方式输出，又能以高速脉冲串（PTO）方式输出，输出速率可达20KHZ。PLC的工作原理在PLC启动运行后，其工作过程一般分为输入采样阶段、用户程序执行阶段、输出刷新三个阶段。完成上述三个阶段即为一个扫描周期。(1）输入采样阶段PLC在输入采样阶段，先扫描所有输入端子，并将各输入端子状态存入各自对应的输入元件映像寄存器，此时，输入元件映像寄存器被刷新，接着进入程序执行阶段，在程序执行阶段或输出刷新阶段，输入元件映像寄存器与外界隔离，无论输入端子信号如何变化，输入元件映像寄存器中的内容保持不变，直到下一个扫描周期的输入采样阶段才将输入端的新状态写入到寄存器中。(2）用户程序执行阶段根据PLC梯形图程序扫描规则，PLC按照先左后右，先上后下的顺序执行程序。当指令中涉及输入/输出状态时，PLC从输入映像寄存器中“读入”对应输入端子的状态，从输出映像寄存器“读入”对应输出映像寄存器的当前状态。然后，进行相应的运算，运算结果再存入元件映像寄存器中，对元件映像寄存器来说，每一个元件（输出软继电器）的状态会随程序的执行过程而变化。(3）输出刷新阶段在所有指令执行完毕后，输出映像寄存器中所有输出继电器的状态在输出刷新阶段转存到输出锁存寄存器中，通过一定法式输出驱动外部负载。对于小型PLC，I/O点数较少，用户程序较短，用集中采样集中输出的工作方式虽然在一定程度降低了系统的响应速度，但从根本上提高了系统的抗干扰能力，增强了系统的可靠性。大中型PLC因I/O点数多，控制能力强，用户程序长，为提高响应速度可以采用定周期输入采样，输出刷新，也可采用直接输入采样，直接输出刷新，中断输入/输出和智能化I/O接口等法式。2接触器在污水处理系统中,所有的设备都是根据控制面板上的按钮情况或者传感器的反馈值进动作的,因此需要PLC根据当前的情况以及按钮的情况来控制所有设备的启停,主要的接触器有:格栅机接触器、清污机接触器、潜水机接触器、曝气机接触器、潜水搅拌机接触器、污泥回流泵接触器.(1）格栅机接触器格栅机接触器包括两个：一个是置于粗格栅处，控制粗格栅处的格栅机；一个是置于细格栅处，控制细格栅处的格栅机。根据程序的执行或者操作面板上的按键的情况，控制两个格栅机的启动和停止。(2）清污机接触器清污机接触器包括两个：一个是置于粗格栅处，控制粗格栅处的清污机；一个是置于细格栅处，控制细格栅处的转鼓清污机。根据格栅两侧的液位差或者控制面板上按键的情况,控制联合个清污机的运行和停止。(3）潜水机接触器潜水机接触器有两个,分别控制两台潜水泵,通过潜水泵房的液面高度或者控制面板上按键的情况,控制两台潜水泵的运行和停止。(4）曝气机接触器曝气机接触器有四个接触器,每个曝气机都有两个接触器,其中一个接到工频电网,另一个是连接到变频器。根据污水中的溶氧量或者操作面板上的按键情况,控制两台曝气机的运行和停止,以及在运行时是处于变频运行还是工频运行。(5）潜水搅拌机接触器潜水搅拌机接触器是连接潜水搅拌机和工频电网的接触器，通过程序的执行或者面板上按键的情况，控制潜水搅拌机的运行与停止。(6）污泥回流泵接触器污泥回流泵接触器是连接污泥回流泵和工频电网的接触器，通过污泥回流泵房中液位的高低或者操作面板上的状态，控制污泥回流泵的运行和停止。3变频器我们所使用的是西门子系列MM430变频器，它是一种风机负载专用变频器，能适用于各种变速驱动系统，尤其使用于工业部门的水泵和风机。具有能源利用率高的特点，优化了部分结构和功能，便于工作人员进行操作。我们在系统中所使用的参数设置如下表2-1所示。图2-1变频器参数设置表4各类按钮在这个控制系统的自动操作中，采用三种机械按钮，控制污水处理系统的启动和停止，自动按钮使用旋钮；自动启动按钮采