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 的污水处理系统的设计一、课题研究意义及现状水,作为一种必不可少的资源，长期以来一直被认为是取之不尽、用之不竭的。随着人类社会的不断发展，城市规模的不断扩大，城市的用水量和排水量都在不断增加，加剧了用水的紧张和水质的污染，环境问题日益突出，由此造成的水危机已经成为社会经济发展的重要制约因素。我国是一个严重缺水的国家，虽然我国年平均水资源总量为 28000 亿 m 2，居世界第6 位，人均水资源量为 2220m 2，居世界第 110 位，已经被联合国列为世界上 13 个缺水国家之一。目前我国约 300 个城市缺水，其中严重缺水城市有 50 个
2、。据统计：目前全国年排污量约为 350 亿 m3,但城市污水集中处理率仅为 15，全国超过 80的城市污水未经任何有效的收集处理就直接排放到附近的水体，使得原本具有泄洪和美化景观作用的河渠变成了天然污水渠。特别是在全国 2200 座县城与 19200 个建制镇中，污水排放量约占污水排放总量的一半以上，但这些中小城市（镇）的污水处理能力都明显低于全国平均水平。 照此发展下去，城市的水环境将每况愈下。并进一步的加剧了水资源的短缺。即使在我国水资源比较丰富的南方地区，由于水体污染，水质型缺水也处于相当严峻地步。而且随着现代工业的发展及人口城市化的加速，城镇污水量将愈来愈大，水环境污染也会日益加重。由
3、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 TSX Quantum 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（Dissolved Oxygen） 、化学需氧量COD（Chemical Oxygen Dema
4、nd）分析仪。我国城市污水处理事业开始于 1921 年，上海首先建立了北区污水处理厂。近几年来随着经济的发展，水污染控制所面临的问题也愈加严重，污水处理厂的建设远远不能适应社会经济发展的需要。据 2000 年统计，全国城镇的污水处理率达到 25 ，2010 年将达到50 。但是，各地发展很不平衡，截至 2005 年 6 月底，全国 31 个省(区、市)中还有 297个城市没有建成污水处理厂。同先进国家比较，我国城市污水处理事业从数量、规模、普及率以及机械化、自动化程度上，还都存在着较大的差距。因此建设符合我国国情的污水处理自动控制系统对降低治理成本，改善环境、建立和谐社会、保持我国经济高速可持
5、续发展具有重要意义。二、课题研究的主要内容和预期目标1主要内容主要研究内容是利用可编程序控制器(PLC）实现SBR工艺污水处理系统。序批式活性污泥法，简称SBR法，是一种中、小型的污水处理方法。污水处理采用SBR污水生物处理工艺，是按“进水、反应（曝气等） 、沉淀、排水”步骤周期性进行生化反应。从污水流入开始到排水结束算做一个周期。通过PLC控制SBR工艺污水处理系统按如下程序运行：（1）进水：进水阀门打开，污水通过粗格栅过滤，经过水泵，然后细格栅过滤到达SBR池。 （2）反应：进水到一定液位后，停止进水，空气阀门打开，鼓风机启动，开始曝气，同时潜水搅拌器和回流污泥泵运行。 （3）沉淀：当SB
6、R池停止曝气以后，空气阀门关闭，潜水搅拌器和回流污泥泵停止运行，开始重力沉淀和泥水分离。 （4）排水：SBR池水位达到最高水位，并经过沉淀工艺以后，上清液（上面的清液）由滗水器缓慢排出池外。在池水位达到处理周期开始时的最低水位时，停止滗水。剩余污泥泵在滗水器停止运行后开始运行，排泥至储泥池。2预期目标预期操作目标是当污水处理系统处于自动工作方式的状态下，所有设备按照程序运行，实现污水处理自动化。三、课题研究的方法及措施1. 检索相关文献，研究污水处理的发展及现状，分析污水处理的工艺流程；2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。3具体分析污水处理工艺流
7、程，确定被控对象。4对 PLC 进行选型、I/O 点数分配5研究控制系统中硬件部分与软件部分的组成 6选用所需要的仪器及电子元件7进行仿真模拟实验，验证此方案是否可行8技术文档总结，完成毕业设计四、课题研究进度计划毕业设计期限：自2010年10月20日至2011年4月2日。1第1-6周：检索相关文献，了界相关技术背景、成果、技术及方法，对资料进行消化，进行理论准备，方案的考虑和设计。2第7-9周：在完成步骤1的基础上，策划完总体设计方案。3第10-15周：在完成步骤1、2的基础上设计软硬件电路。4第16-20周：技术文档撰写，完成毕业论文，做好答辩用的PPT，并作好答辩准备。五、参考文献1 张
8、自杰.等环境工程手册水污染防治卷M .高等教育出版社， 1996，1.2 张兴国.可编程序控制器技术及应用M .北京: 中国电力出版社,2006，9.3 弭洪涛 王忠礼. PLC实用技术M.北京:科学出版社,2005,3.4 吕卫阳.徐昌荣 PLC 工程应用实例解析M.北京:中国电力出版社,2007，4.5 钟淳昌，任鹤云。中国城市排水工程的发展趋向J 。给水排水， 1994(7)：45476 杨公源 黄琦兰.可编程控制器应用与实践M. 北京: 清华大学出版社,2007，5.7 高钦和.PLC 应用开发案例精选M.北京:人民邮电出版社,2008,7. 8 牛彦平，徐伟朴，李景会 .污水处理行业
9、的现状和特征J .河北建筑工程学院学报，2004，4,24(6):3641.9 Michael Rodgers,Xinmin Zhan,Edmond OReilly.Small-scale domestic wastewater treatment using an alternating pumped sequencing batch biofilm reactor system J.Bioprocess and Biosystems Engineering,2006,28(5):323330.10 雷乐成.水处理新技术及工程设计M.北京：化学工业出版社。 2001,4.11 Mohamme
10、d Bani Younis Alexander Fay Georg Frey. Automatic Re-Implementation of PLC Programs J. ATP International ,2008,21(1):5660.毕业论文文献综述电气工程及自动化污水处理系统的研究摘要：随着人类社会的不断发展，城市规模的不断扩大，城市的用水量和排水量都在不断增加，这加剧了用水的紧张和水质的污染，环境问题日益突出，由此造成的水危机已经成为社会经济发展的重要制约因素。针对中、小规模城市生活污水，本设计方案应用序批式活性污泥法（SBR）处理工艺，确定了 SBR 池运行周期；同时讲述了 P
11、LC控制系统的优势，和以PLC为主体的污水处理系统，实现了对污水处理的自动控制，构成了低成本污水处理控制系统。关键词：水危机；污水处理；PLC；控制系统；SBR 工艺 一、污水处理现状根据2008年中国环境状况公报 ，在监测的全国200条河流的409个断面中，基本丧失使用功能的劣类水质的断面比例达20.8%，该比例近年来虽有所下降，但仍超过1/5 1。我国全海域海水同样面临污染程度扩大的趋势，清洁区域越来越少，污染面积增加。在全国污染程度加深的同时，污水处理行业的发展情况引发了广泛的关注。美国、日本、西欧等经济发达国家，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
12、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。这些国家在研究水处理新理论和工艺的同时，也重视污水处理自控系统的研究。这些国家先后投资研究高效型、智能型、集约型污水处理设备和自动化控制仪表。一些发达国家经过几十年的努力，污水处理率已经达到了 80%90%，成功的解决了来自于城市和工业的点源污染问题。同时一些国家开始重视污水的回用，如以色列的污水回用率达到了 90%2。相关资料显示，美国平均每 1 万人拥有 1 座污水处理厂，英国和德国则每 70008000人就拥有 1 座污水处理厂，而中国每 150 万人才拥有一座污水处理厂 3。2000
13、年后国家开始对污水处理进行投入，经历了“蛰伏”发展的 5-6 年时间。至 2006 年全国城镇污水处理及再生利用设施建设“十一五”规划提出后，国家正式把污水处理提上了工作日程，2006-2009 年迎来了污水发展的黄金期。对照美国的发展趋势，我国目前的污水处理发展水平仅仅处在美国 70 年代水平上 4。所以在中国污水处理是迫切的，而污水处理的市场也呈现出一派蓬勃的景象。二、常用的污水处理工艺污水处理的方法主要有物理、化学、物理化学以及生物等几种。这些方法根据实际情况，可以单一使用，也可以针对不同的污水混合使用。目前，污水处理的方法一般以生物处理方法为主辅以物理处理法和化学处理法 5。活性污泥法
14、是以活性污泥为主体的废水生物处理的主要方法，是一种较低成本的废水初级处理方法。活性污泥法有许多种形式，使用广泛的主要有以下三种类型：传统活性污泥法及其改进型 A/0、A2/0、AB 工艺；氧化沟工艺；SBR(Sequencing Batch Reactor)工艺. 传统活性污泥及其改进型 A/0、A2/0、AB 工艺，处理单元多，操作管理复杂，尤其是污泥厌氧消化工艺，对管理水平要求较高。 而氧化沟法回流污泥溶解氧较高，对除磷有一定的影响，综合考虑，中城市污水处理厂选用 SBR 法最经济实用 6。SBR 法集进水、曝气、沉淀、出水在一座池子中完成，常由四个或三个池子构成一组，轮流运转，一池一池地
15、间歇运行，故称序批式活性污泥法。 污水在反应池中通过曝气与停气间断的反应，从而实现好氧与厌氧交替的进行，最终实现脱氮除磷的作用 7。这种一体化工艺的特点是工艺简单，由于只有一个反应池，不需二沉池、回流污泥及设备，一般情况下不设调节池，多数情况下可省去初沉池，故节省占地和投资，耐冲击负荷且运行方式灵活，适用于中小规模的城市污水处理厂，选用 SBR 法完全符合污水水质状况、出水要求、以及污水处理厂的设计原则 8。三、污水处理工艺流程本文介绍的污水处理采用 SBR 法污水处理工艺，是按“进水、中和反应、曝气、沉淀、排水”步骤周期性进行生化反应。 从污水流入到排水结束算做一个周期。工艺流程如图 1 所
16、示 9。滗水器污水粗格栅提升泵房细格栅 集水池酸液 碱液SBR 池转刷出水图 1 污水处理工艺流程图 基本操作运行程序如下：进水:进水阀门打开，污水通过粗格栅过滤，经过水泵，然后细格栅过滤到达集水池.中和反应：当集水池满后，停止进水，在集水池里进行酸碱中和反应，反应完后，打开 SBR 池进水阀门进水。反应：进水到一定液位后，停止进水，空气阀门打开，鼓风机启动，开始曝气，同时潜水搅拌器和回流污泥泵运行。沉淀：当 SBR 池停止曝气，空气阀门关闭，潜水搅拌器和回流污泥泵停止运行，开始重力沉淀和泥水分离。排水：SBR 池水位达到最高水位，并经过沉淀工艺以后，上清液（上面的清液）由滗水器缓慢排出池外。
17、 当水位达到处理周期开始时的最低水位时，停止滗水。 剩余污泥泵在滗水器停止运行后开始运行，排泥至储泥池 10。在污水处理控制系统中，除了存在分布区域广、设备分散、控制点多及控制信息复杂等要求外，同时具有控制输入和输出以开关量参数居多，模拟量参数少的特点，而这些都是 PLC 控制系统的优势所在， PLC 用于处理系统的控制器，实现控制系统的功能要求，也可利用计算机作为上位机，通过网络连接 PLC，对生产过程进行实时监控，其特点如下：编程方便、开发周期短、维护容易。通用性强，使用方便。控制能力强。模块化结构，扩展能力强 11。因此，以 PLC 为主体就成为污水处理厂自动控制系统的主要控制模式。四、
18、污水处理控制系统整个系统由现场信号输入、PLC、驱动及执行机构等设备组成， PLC 为整个系统的控皮带运输机 皮带运输机 搅拌机 鼓风机 污泥池制核心。 整个系统框图如图 2 所示 12。图 2 PLC 污水处理控制系统框图根据上述对污水处理控制工艺流程的描述，可知 PLC 控制系统的基本单元输入包括：系统启动、集水池高低液，4 个 SBR 池的高低液位及循环工作按钮。 系统输出包括粗格栅，细格栅，皮带运输机，水泵，搅拌机，酸阀，碱阀，4 个 SBR 池的进水阀、回流污泥泵、鼓风机、滗水器、剩余污泥泵 13。本文提出的 PLC 污水控制系统同传统的人工控制污水处理厂相比，不仅提高了污水处理的质
19、量，使排放有害物量较大减少，而且操作人员的工作量减少，劳动强度随之降低，完全满足出水水质要求；同时，与某些大型污水处理设备相比，系统运行可靠，投资大为降低，不失为一种值得推广的小型污水处理控制系统。参考文献：1 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 ,1,26(8):2225. 2 雷乐成.水处理新技术及工程设计M. 北京：化学工业出版社 .2001,3. 3 张自杰等.环境工程手册水污染防治卷M. 北京：高等教育出版社， 1996,1.4 张培山,钟昆,张林江.基于 PLC 的污水处理厂自控系统的实现J.自动化与仪表.2007,(5):6072
20、. 5 高钦和.PLC应用开发案例精选M.北京:人民邮电出版社,2008,7.6 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,2002,8.7 李方园.PLC行业应用实践M.北京:中国电力出版社,2007，1. 8 吕卫阳，徐昌荣.PLC工程应用实例解析M.北京:中国电力出版社,2007，4.9 陈莉荣.城市污水单项活性污泥法处理系统模拟设计及预测D.西安：西安建筑科技大学,2003,1.10 Mohammed Bani Younis Alexander Fay Georg Frey. Automatic Re-Implementation of PLC 液位开关P
21、H 仪融氧仪环境数据采集PLC驱动及执行机构粗/细格栅皮带运输机水泵、水阀搅拌机鼓风机滗水器污泥汞ProgramsJ. ATP International ,2008，4，31(4):23-27.11 张兴国.可编程序控制器技术及应用M. 北京: 中国电力出版社,2006，9.12 Lina N. Abu-Ghunmi，Ahmad I. JamrahBiological treatment of textile wastewater using sequencing batch reactor technologyJ. Environmental Modeling and Assessment
22、， 2006，11，21(7):33-40.13 杨公源，黄琦兰.可编程控制器应用与实践M. 北京:清华大学出版社,2007，5.毕业设计（20_ _届）基于 PLC 的污水处理系统的设计摘 要随着人类社会的不断发展，城市规模的不断扩大，城市的用水量和排水量都在不断增加，这加剧了用水的紧张和水质的污染。环境问题日益突出，由此造成的水危机已经成为社会经济发展的重要制约因素。目前，我国的污水处理自动控制系统相对落后，污水处理成本居高不下，污水处理厂排放污水的水质不稳定，因此建立一个有效的自动控制系统，以优化经营业绩，降低经营成本，有着极其重要的意义。针对中、小规模城市生活污水，本设计方案应用序批式活性污泥法（SBR）处理工艺。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，最终实现了对污水处理的自动控制，构成了低成本污水处理控制系统。关键词：污水处理；PLC；控制系统；SBR 工艺
