1、本科毕业论文系列开题报告电气工程及其自动化基于 PLC 的污水处理控制系统设计一、课题研究意义及现状我国是一个严重缺水的国家，水资源的匮乏和污染已经严重的影响了人民的日常生活以及我国的经济建设和发展。我国城市污水处理的电耗为 0.365k Wh/m3、日本为 0.304k Wh/m3、美国为 0.243k Wh/m3，并且我们的工作人员还要比这些国家多，但是我国城市污水处理深度却远不如这些国家。造成这种结果的原因主要是：污水处理厂管理水平低、自动控制手段差。因此建设符合我国国情的污水厂自动控制系统对降低污水处理成本、改善环境等具有重要意义。我国现有城市污水处理厂大部分采用的是活性污泥法，其余采
2、用一级处理、强化一级处理、稳定塘法及土地处理法等。批序式活性污泥法简称 SBR，是一种简易、快速且低耗的废水生物处理工艺。与传统污水处理工艺不同，SBR 技术采用时间分割的操作方式替代空间分割的操作方式，非稳定生化反应替代稳定生化反应，静置理想沉淀替代传统的动态沉淀。与其他的处理工艺相比，SBR 工艺具有工艺流程简单，造价低，运行稳定，处理效率高，出水水质好净化效果好等优点，且工艺过程中各工序可根据水质、水量进行调整，运行灵活。处理设备少，构造简单，便于操作和维护管理。SBR 法系统本身也适合于组合式构造方法，利于废水处理厂的扩建和改造。本次研究的课题是利用 PLC 技术来实现污水处理系统的控
3、制。PLC 是以嵌入式 CPU 为核心，加上输入、输出等模块。PLC 的程序设计大多采用类似于继电器控制线路的梯形语言。这样我们可以很方便的根据污水处理的各个功能，来编写出程序语言。从而实现污水处理各个功能，完成控制系统所需要达到的设计要求。二、课题研究的主要内容和预期目标1主要内容完成一个污水处理控制系统的设计，主控部分用 PLC 来实现，具体实施可以参照某一实际过程设定。系统总体指标及功能要求：研究污水处理的发展及现状，分析污水处理的工艺流程；研究 PLC 控制系统的硬件结构、运行原理以及 PLC 控制系统的设计原则和步骤；具体分析污水处理工艺流程，确定被控对象，给出具体实施方案和综合考虑
4、；硬件电路设计，进行 PLC 选型、I/O 点数分配和综合电气控制设置等考虑，并结合应用考虑给出电气控制详图；对污水处理工艺各环节进行具体的软件编程，给出系统控制的程序框图、控制梯形图和具体程序等；综合考虑安全性和可靠性等问题。2预期目标1）预期设计污水处理系统的控制系统，主要利用 PLC 来实现控制系统的主控模块。初步设污水处理的控制系统由 PLC、控制面板、水泵、鼓风机、污泥泵、空气阀门等组成。在设计 PLC 控制系统之前，对工艺过程进行细致的分析，详细了解控制对象和控制要求，并且根据控制要求选择合适的输入设备（控制按钮、开关、传感器等）和输出设备（接触器、继电器） 。并根据所选用的输入/
5、输出设备的类型和数量，确定 PLC 的 I/O 点数。在确定 PLC 的 I/O 点数后，就根据 I/O 点数、控制要求等来进行 PLC 的选择。选择包括机型、存储器容量、输入/输出模块、电源模块和智能模块等，并进行 I/O 点数的分配，画出 I/O 接线原理图。2）由于主要是对以 PLC 为主的主控模块进行实现，所以要根据控制对象和控制要求对PLC 进行编程。首先把工艺流程分为若干阶段，确定每一阶段的输入信号和输出要控制的设备，还有不同阶段之间的联系，然后画出程序流程图，最后再进行程序编制。程序编制好后，可以用按钮和开关模拟数字量，电压源和电流源代替模拟量，进行模拟调试，使控制程序基本满足控
6、制要求。3）用组态软件实现综合功能，如果可以实现，则进行现场联机调试，就是将 PLC 与现场设备进行调试。在这一步中可以发现程序存在的实际问题，然后经过修正后使其满足控制要求。三、课题研究的方法及措施1研究方法首先要对污水处理的工艺和 PLC 进行了解，这需要查阅一定的资料，清楚污水处理系统需要实现的功能以及如何实现这些功能，PLC 的原理和其所能实现的功能。因为本次研究要完成的主要是对污水处理控制系统的设计，其控制系统主要由 PLC、控制面板、水泵、鼓风机、污泥泵、空气阀门等组成。根据这些器件以及相关资料，对污水处理系统所要实现的功能来对 PLC 进行编程，并调式通过。由于污水处理需要对设备
7、进行分散控制，所以决定选用三菱 FX 系列 PLC 来进行污水处理控制。并通过组态软件来实现各种功能的控制。在这个过程中，需要查阅相关资料。并编写完整梯形图的设计，通过调试达到预期的效果。2研究措施1）收集并查阅污水处理工艺的相关资料，对 PLC 的应用设计情况进行了熟悉了解；了解不同的设计实现方法，比较现有的相关方案，确定本课题的研究和实现方案，然后对方案中的各单元进行了必要的分析和研究。2）对污水处理的控制系统的功能进行详细了解，主要有上位监控机、打印机、模拟显示屏、远程 I/O、水泵、鼓风机、DO 仪、液位仪等。3）根据污水处理系统所要实现的功能，编写完整的梯形图设计。以及根据功能来分配
8、I/O 接口。完成了编程以后，进行调试，看是否满足预先所设想的功能。初步设计系统的控制方案为水泵上位机监控主控 PLC打印机 模拟显示屏远程 I/O鼓风机 DO仪液位仪根据以上方案，以及对污水处理工艺的分析，大致确定 I/O 点数，综合 PLC 的性价比。选定 PLC 型号。4）考虑控制系统的可靠性，由于控制系统工作的环境相当恶劣，故需要采取一些措施，以保证控制系统能够长期稳定的工作。四、课题研究进度计划12010 年 10 月 15 日至 2010 年 11 月 14 日分析任务，查阅污水处理系统的相关资料；对资料进行理解，进行理论准备，方案的考虑和设计；基本完成开题报告，中、英文翻译和文献
9、综述。22010 年 11 月 15 日至 2010 年 12 月 31 日确定污水处理控制系统的最佳设计方案；选择好使用何种型号的 PLC；确定所需元器件。32011 年 1 月 1 日至 2011 年 3 月 22 日对污水处理系统要实现的功能分析，并进行软件编程等，进行组态软件的调试。42011 年 3 月 23 日至 2011 年 4 月 24 日制作好具体模型，完成毕业设计论文；做好答辩用的 PPT，并作好答辩准备。五、参考文献1 杨立福，赵静生，张公度.给水排水自动化技术(SCADA)综述J.给水排水，2003，26（3）：7680.2 李道霖. 电气控制与 PLC 原理及应用(西
10、门子)M.北京:电子工业出版社,2004 年 8 月.3 雷乐成.水处理新技术及工程设计M.北京：化学工业出版社，2001 年 5 月.4 陈建明. 电气控制与 PLC 应用M.北京：电子工业出版社，2006 年 8 月.5 薛迎成. PLC 与触摸屏控制技术M.北京:中国电力出版社,2008 年 2 月.6 易泓可.电气控制系统设计基础与范例M.北京:机械工业出版社,2005 年 5 月.7 Mohammed Bani Younis Alexander Fay Georg Frey. Automatic Re-Implementation of PLC ProgramsJ.ATP Inter
11、national,2008,21(1):5660.1 张宏林. PLC应用开发技术与工程实践（2版）M.北京:人民邮电出版社,2008年5月.2 孙卫娜.基于PLC的污水处理系统研究J.沈阳航空工业学院学报,2007 24(3):64-683 徐林 牟道光. PLC在污水处理中的应用J.微计算机信息,2004 20(3):42-434 胡成龙 何琼. PLC 应用技术（三菱 FX2N 系列）M.湖北:科学技术出版社,2008 年 6月.毕业论文文献综述电气工程及自动化基于 PLC 的简易污水处理控制系统设计摘要：介绍了我国水资源的现状，并介绍了城市污水处理的基本工艺及流程，以及 PLC 在污水
12、处理系统中的应用，总结了用 PLC 控制污水处理系统的优点。关键词：污水处理；PLC；控制系统；设计；随着经济的快速发展，我国工、农业污水排放量在逐年加大，水污染成为我国需要解决的重要问题。将自动控制技术应用于污水处理中用来提高污水处理的自动化水平可以有效地解决水污染的问题。在我国城市的污水处理的电耗为 0.365k Wh/m3、日本为 0.304k Wh/m3、美国为 0.243k Wh/m3，并且我国的工作人员还要比其他国家多，但是污水处理的程度却远比不上这些国家。造成这种结果的原因主要是：污水处理厂管理水平低、自动控制化手段差。因此建设符合我国国情的污水处理控制系统对降低污水处理的成本、
13、改善环境具有重要的意义 1、2 。我国污水处理厂处理污水的工艺大部分采用的是活性污泥法，其余采用一级处理、强化一级处理、稳定塘法等 3。序批式活性污泥法也叫 SBR。SBR 工艺是一种操作简单、反应速度快且耗能低的废水处理工艺，其处理过程是一个好氧过程，消耗氧气的速率与有机物的降解程度有关 4。常规 SBR 工艺流程是由进水、反应、沉淀、出水和闲置等 5 个过程组成。但常规 SBR 工艺不能根据水质变化有效控制反应时间，且反应周期长、速度慢，所以将原有工艺改良成新型 SBR 工艺。针对污水处理过程具有多变量，时变性，非线性等特点，以 DO，ORP，PH 值作为 SBR 法的实时控制参数。以上过
14、程都在反应池内进行，池内设有曝气设备，经过多次反应，达到生化降解的目的。为保证新型 SBR 工艺正常运行并对参数进行随时控制与调整，需要有效的自动控制系统和精确的过程仪表，由于 PLC 运行可靠、应用灵活便捷，因此在新型 SBR 工艺中得到广泛应用 5。PLC 是传统继电器技术和计算机技术相结合的产物，所以在工业控制方面，它具有继电器控制或通用计算机所无法比拟的特点 6。PLC 集顺序控制和过程控制于一体，具有可靠性高，使用方便、灵活，组网简单的特点，是实现中小规模工业自动化的有力工具。在污水处理中，基于 PLC 的控制系统在实时性、可靠性、精确性等方面满足了设计要求 7、8 。在污水处理控制
15、系统中，现场 PLC 控制站控制类型主要有两种：第一种是顺序逻辑控制。这种控制通常根据设定的时间周期、工艺参数条件及相互之间的关系等进行开停或开闭控制，并且在污水处理过程中要用到大量专用的机械设备。第二种是反馈控制。这种控制需要在一定的温度、压力、流量、液位等工艺条件下进行，与其它工艺过程相似 9。污水处理过程中，需要实时地监测各种水质参数以保证准确的运行和及时显示处理结果，所以在系统中涉及到包括温度、PH、SS、COD、DO、NH3N、污泥浓度、液位、流量、压力等数据。将现场检测到的各种数据输入到 PLC 相应的模拟量输入模块中，这样获得的所有过程参数都可以集中显示，并作为控制参数进行控制。
16、由于污水成分比较复杂，具有腐蚀性，为了避免直接与污水接触，在测量液位时选用超声波液位计测量，超声波液位计反应速度快，带有总线接口能够远程传送数据到 PLC 上，同时具有实时显示的功能，参数设置简单、操作方便。在污水处理池的进水管和出水管分别安装流量、SS、PH(可兼测温度)、NH3-N 和 COD 传感器，在进水管处测得进水水质参数反馈给 PLC 用于反应控制，在出水管处测得出水水质参数用于监测工艺的运行效果，以防止处理后不合格的水排出 10。控制系统采用“集中监测管理，分散控制”的方式，采用这种结构可使生产过程中的信息集中管理，实现整体操作、管理和优化，同时也可分散危险提高系统的可靠性 11
17、。根据工艺对自动控制的要求，可以把控制系统的功能分为上位机实现和下位机实现。下位机PLC控制系统的功能实现有PLC远程手动遥控操作，手动操作和全自动操作三种方式。前两种方式一般只在设备调试或维修时使用，主要以全自动操作方式为主。一般选用中控室PC计算机作为系统的上位机系统，选用S7300型PLC作为系统的下位机系统。并利用现场总线连接上位机与下位机系统。PLC下位机系统通过传感器传回来的信号或控制面板的开关信号将各类触发脉冲转换为数字信号。完成对液位信号、污水流量、水质、pH值、电机启动和关闭、风机启动和关闭等信号的采集、分析并判断，利用PLC内部的逻辑运算和分析形成对电机、风机的控制，并按照
18、预设程序实时控制电机的启动和关闭和在不同情况之间的相互切换。保证机组高效的运行。PLC下位机系统是污水处理系统现场监控的核心，除了信号采集、数据分析、命令控制等功能外，还具备系统故障时的自我检测功能。因此选择PLC型号应慎之以慎。需要对系统性能的分析，控制系统实际需要的点数，以及考虑到今后扩展的需要，合理选定PLC型号 12 PLC内部单元周期性检测系统中各部件运行情况，当发现有不合理的数据产生时，就会启动故障报警单元，通过声、光或语音等提示操作人员对相关环节进行检测，并通过自动判别系统初步判断故障类型及对应环节，便于操作人员快速排查故障保证污水处理系统可靠运行 13。PLC上位机系统的功能主
19、要是提供污水处理过程中的各种数据显示图，系统主要参数和报警信号等，并可通过键盘（或鼠标）直接控制现场设备。以PC计算机为核心的上位机系统通过现场总线获得下位机PLC采集的数据信息，并通过可视化界面了解运行情况，并能通过PC机完成远程控制风机、水泵的启闭。PLC上位机系统实现了分散单元的集中控制，它将PLC处理后的数据通过现场总线进行分享，并利用仿真软件形成人机界面。在计算机屏幕上动态显示系统各部件的运行情况和各种信号参数 14。对于数据的采集，则是利用专用检测仪器实时监测各种生化指标，并将监测数据转换成标准的电信号远程传送到PLC上，与PLC中的初始设定值进行比较，通过PLC运算后，将运算结果
20、送到执行机构，控制各回路执行机构的动作。为了保证系统对工艺参数的要求，采用偏差控制算法来实现对参数的闭环控制。并且用组态软件通过计算机访问PLC相关的寄存器地址，获得相关设备的状态或修改相关寄存器的数值，对生产过程中的数据进行采集、统计、分析处理，形成生产报表、工艺参数报表、设备运行参数报表、故障报表等多种报表以及参数的趋势图，实现系统的组态管理15。通过应用 PLC 实现控制设计，对鼓风机、水泵、行程开关、一些开关量输入/输出点，及其液位、流量等一些模拟量进行控制，从而实现了污水处理的自动化，保证了污水处理的顺利进行。不仅达到了现代企业生产综合自动化水平。提高了污水处理的效率和速率。同时节约
21、了大量的人力，节省了单位的污水处理成本。参考文献：1冯裕钊.缺氧变速生物滤池污水处理系统混合智能控制研究D.重庆大学博士学位论文，2005：13.2牛彦平,徐伟朴,李景会.污水处理行业的现状和特征J.河北建筑工程学院学报，2004.3雷乐成.水处理新技术及工程设计M.北京化学工业出版社.2001.4陈东升,韩东宁,王洪臣.小城镇污水处理采用 SBR 工艺的控制系统J. 中国给水排水, 2006（4）:71-73.5谢克明,夏路易.可编程控制器原理与程序设计M.北京:电子工业出版社,2002年8月.6张宏林. PLC应用开发技术与工程实践（第2版）M.北京:人民邮电出版社,2008年5月.7胡成
22、龙,何琼. PLC应用技术（三菱FX2N系列）M.湖北:科学技术出版社,2008年6月.8弭洪涛,王忠礼. PLC实用技术M.北京:科学出版社,2005年3月.9王东云,牛正光.基于 Compact Logix PLC 控制的污水处理系统J.电气自动化,2008（1）：43-45.10孙晓宇. 污水处理中智能控制的应用研究D.长春理工大学硕士学位论文，2006.11MI Chen，ZHAN Huiping,TANG Xiufen. Application of control system on the base of PLC in sewage treatmentJ. NingXia Eng
23、ineering Technology, 2003, 2(2): 144-146.12Mohammed Bani Younis Alexander Fay Georg Frey. Automatic Re-Implementation of PLC ProgramsJ. ATP International ,2008,21(1):5660.13徐林,牟道光. PLC在污水处理中的应用J.微计算机信息,2004,20(3):42-43.14杨小琦.基于PLC与现场总线结合的污水处理控制系统J.污水治理,2010(8):54-55.15孙卫娜.基于PLC的污水处理系统研究J.沈阳航空工业学院学报,
24、2007,24(3):64-68.毕业设计（20_ _届）基 于 PLC 的 污 水 处 理 控 制 系 统 设 计摘 要随着城市的快速发展，环境问题显得日益重要。污水处理成为生活中的一个重要问题。本文以 SBR 污水处理工艺为例，来说明 PLC 在污水处理过程中的应用。先根据污水处理要求设计了设备的电气控制与自动控制线路，主要包括设备的启停、状态信号、故障信号和信号采集等。最后按照工艺要求设计 PLC控制系统，其中包括 PLC 的选型、系统资源配置以及按照污水处理工艺编制PLC 程序等。最后通过组态软件对污水处理系统的功能进行调试和模拟仿真，经过实际仿真表明，污水处理系统工作正常，能够按照设计步骤运行，结果基本符合设计要求。此控制系统提高了污水处理的效率和速率，同时节约了大量的人力，节省了污水处理的成本。关键词：污水处理；SBR；PLC；控制系统；设计
