基于labview的污水处理控制系统设计.doc

1、 武汉轻工大学 毕 业 设 计（论 文） 设计 (论文 )题目： 基于 LabVIEW的污水处理控制系统设计 姓 名 _ _ 学 号 _ _ 院（系） 电气与电子工程 专 业 指导教师 _ 2016 年月日武汉轻工 大学毕业设计（ 论文 ） 1 目录 摘要 . 2 Abstract. 3 1 绪论 . 4 1.1 污水处理控制系统的选题背景 . 4 1.2 国内外发展现状 . 4 1.3 城市污水处理的发展趋势 . 5 1.4 本课题研究的内容 . 5 2 污水处理系统设计 . 6 2.1 污水处理的工艺流程 . 6 2.1.1 污水的预处理 . 7 2.1.2 污水的生物处理 . 7 2.1

2、.3 污水三级处理 . 8 2.2 污水处理控制过程设计 . 9 2.2.1 粗、细格栅的过程控制 . 9 2.2.2 污水提升泵的运行过程 .10 2.2.3 曝气设备的过程控制 .10 2.2.4 污泥处理过程控制 .10 3 污水处理的控制系统设计 . 11 3.1 污水处理厂控制系统的结构 . 11 3.2 电气原理图设计 .12 3.3 PLC 的 I/O 资源配置 .13 3.3.1 数字量输入部分 .13 3.3.2 数字量输出部分 .14 3.3.3 模拟量输入部分 .14 3.3.4 模拟量输出部分 .14 3.4 PLC 的硬件原理图 .15 3.5 PLC 程序设计 .1

3、6 4 基于 LabVIEW 的监控系统软件开发 .20 4.1 LabVIEW 的程序 设计 .20 4.3 LabVIEW 与 PLC 通信连接的建立 .22 结论 .25 致谢 .26 参考文献 .27 武汉轻工 大学毕业设计（ 论文 ） 2 摘要 随着社会工业化的加速发展，污水处理已然成为当今亟待解决的重要问题之一。转眼间， 国内的工业化程度已经上升到了一个新的高度 。但与 国外 对比 ， 国内 的 工业化发展时间较短 ， 暴露 问题时间晚。所以 ， 国内 的污水处理 当前还 处于发展 的初期 ，同时存在技术水平不先进，自动控制程度不高 等问题。在污水处理过程中， 涉及 到的设备 类别

4、很 多、 每一个 过程 操作 复杂 、 处理工艺 五花八门 。所以， 对于 中国 来说， 提高 污 水处理系统的自动控制 程度 对保证 出水 的水质 ，实现 无人化工厂管理 和提高效率来说 是必不可少的 。 现如今 ， LabVIEW 已经越来越多的应用于工业自动化系统的设计中。本论文集中论述了基于 LabVIEW 和 PLC 的污水处理控制系统的设计方案。 这个 系统 分别 将 PC 端 和 LabVIEW 端连接 ， LabVIEW 端与 PLC 端口 连接 ， 以实现 互相通信 的效果 ，且 运行过程能在 LabVIEW 界面 直观的 反映 。此污水处理系统主要应用于城市污水处理。 关键

5、字 ：污水处理， LabVIEW， PLC 武汉轻工 大学毕业设计（ 论文 ） 3 Abstract With the rapid development of industrial society, sewage treatment has already become one of the essential problems which are dealt with. Blink of an eye, the degree of industrialization in China has risen to a new level. However, compared with the

6、foreign countries, the development time of industrialization in China is short, and this problem exposes lately . Therefore, the domestic sewage treatment is still in the early stage . In the mean time , the level is not advanced and automatic control level is low. In the sewage treatment process, i

7、nvolving many kinds of equipment, each process is complex and the processing technology is varied. Therefore, in our country, improving the degree of automation of sewage treatment system can ensure the quality which is significant in improving the productivity of sewage treatment. Nowadays, LabVIEW

8、 has more and more applications in system design of industrial automation.The end of computer is connected with LabVIEW. LabVIEW of the PLC output port is connected which is to finish the function of talk with each other. Operation processes can interface with intuitive reflect in the LabVIEW. The s

9、ewage treatment system is mainly used in urban sewage treatment. Keywords: sewage treatment, LabVIEW, PLC 武汉轻工 大学毕业设计（ 论文 ） 4 1 绪论 1.1 污水处理控制系统的选题背景 社会 的发展带动着经济的变革 ， 中国 从一个以农业为 基础 的 大国 过渡到一重工业、轻工业为主体的最大的发展中国家 ，社会公民的生活水平 和 生活质量 也不断地上升 。 与此同时，人们 越来越 意识到 环境污染 将会 对社会生活造成 严重后果 。 但是， 长期以来， 时代在 进步 ，由于 在国家发

10、展 之初 ， 我们 对环境保护 的 重视 力度 不够，投入心力 不足， 保护意识不强，导致大量 污水 未经过任何处理 直接排入城市水系，造成江河湖泊和地下水污染 问题愈来愈严重 。 厄尔尼诺现象的频繁出现，大型灾害的不正常发生，雾霾的盛行 这些都让人们越来越意识到保护环境刻不容缓。在这些环境污染问 题当中，水污染问题逐渐步入污染问题的中心，人们对由水污染造成的严重后果有了一个更加深刻的认识，太湖蓝藻事件， 饮用水致毒致癌事件等都给我们敲响了警钟。 随着水环境污染问题的严重化 ， 城市作为居民生活的集中地，城市 污水 处理 就成为 了 改善居民生活环境，提高 居 民 生活质量 的 重要 手段之一

11、。 1.2 国内外发展现状 在国外 ， 由于 数次 工业 革命 的 影响 ， 加速 了国外工业化 的 进程，随着 工业的 不断升级 ， 资源 的短缺 的 端倪也渐渐出现。 水资源的 短缺和 水 污染对环境和社会生活造成的严重 影响逐步 的 暴露 出来。社会的 进步 和 生活条件的优渥 致使 他们对自身的生 活质量要求也更 高 ，于是 水污染问题 较早地 得到了 这些国家 政府 的重视。 高效型 、智能型、集约型是 研究 的目标 ， 同样 也 是检测 的标准 。许多 发达国家 研制 的污水处理设备 经过时间 和实际 的 检验，在实际 运用过程中的处理效率达到了很高的水平， 有效的 解决了污水处理

12、 和 水 资源 污染 的 种种 问题。目前， 由于我国的工业化在近几十年内才取得较大的发展成果，水污染意识较为薄弱，污水处理是在近几年才得到有效的落实 。 正是因为 我国污水处理起步晚， 于是 设备 种类稀缺，框架不合逻辑 ， 设备 要求 不达标 种种 缺陷 成为 了 国内 污水处理 设备 劣势 所在 1。 因此 国产化设备 将在技术水平上处于劣势 。 随着自动控制原理 、 现代控制理论的快速发展与 投入应用 ，现场总线技术、网络通讯技术等高科技新技术也被渐渐地引进到污水处理的自动控制领域当中来，这些技术让一些新投入使用的污水处理厂实现了集散控制、远程监控等一系列功能，逐渐减少了人工对污水护理

13、系统的影响。其次 ， 我国人口分布广泛，地大物博， 水资源 分布的 区域差异十分明显， 不同 地区居民的生活水平也不平衡， 生活 要求也不 近 相同 。种种原因，导致了我国的污水处理落实率也相对较低。 武汉轻工 大学毕业设计（ 论文 ） 5 1.3 城市污水处理的发展趋势 随着国内打开国门 ，发展经济和政治 ， 中国 在国 际上的影响力 也 不断提升 。国家和 公民 在面对日益严重的环境污染 的严峻挑战 时，政府 也愈来愈 认识到这一问题的严重性 。 水污染作为环境污染的重要部分， 污水处理 在水污染 治理中 起到 了举足轻重的作用 。城市污水 处理 包括 两部分， 生活污水和工业污水 。例如

14、 降雨降雪 等 天气因素 造成 的下水道中的污 水 ， 从公众场合排 放 的污水 和 日常的生产活动产生的 污水 ， 这类污水都属于 生活 污水 。 生活废水的特点是含有较高的有机物 以及 N、 P 无机物，此外，还含微生物和 大块 的悬浮物 等。 对于各种工厂 来说，污水的排放 是 其中必不可少的一个环节 。特别是对于 一些 金属 冶炼厂 来说 ，矿石 加工 后必然产生许多重金属元素，若含有这些的污水直接排放，必将对土壤造成巨大的危害。 工业 污水 污染 的影响更为严重。 所以说 ， 筹建 高效、集约 、 友好的城市污水处理厂是有效减缓城市水污染 程度 ，建设绿色家园 的 关键 2。但 是国

15、内的 污水处理厂 普遍 存在 运营成本 高 ，技术 严重 依赖等问题， 很多污水 处理厂被迫停止使用 。因此，我国城市水污染处理发展趋势主要是提高自动化程度，提升处理效率，降低投入成本等方面。 1.4 本课题研究的内容 本课题研究的是城市污水处理的自动控制系统，采用的处理方法为生物处理方法。同时，根据污水处理工艺的 特点和现场环境的要求，我们将采用 LabVIEW 和 PLC相结合的方式。 论文的章节安排： 第一章是绪论 ， 本章主要介绍了对基于 LabVIEW 的污水处理控制系统设计这个 课题所做的背景调查 ，基于此前提，今后对开发污水处理系统提出的要求并进行展望，最后，描述了本论文的研究框

16、架。 第二章是 污水处理控制系统过程控制设计，主要分污水处理的工艺流程和污水处理的过程控制设计两大板块来写。对 污水 处理的分层和每层污水处理中主要设备的控制运行过程做了一个详细的说明。 第三章是 污水处理的系统设计， 首先描述 了控制系统的结构，然后详细分 析了系统 硬件 设计和软件 设计 。 第四章 是介绍 人机界面 LabVIEW 软件 的相关介绍和使用，并将 PLC 和 LabVIEW 连接 ，最终能够在 LabVIEW 监控界面 直观的监控污水处理的 全部 流程。 第五章 是结语， 是 对本次设计的一个总体认识 和 对大学四年的一个总结。 武汉轻工 大学毕业设计（ 论文 ） 6 2

17、污水处理系统设计 2.1 污水处理的工艺流程 我国 污水处理 一般 分为三级处理工艺 。一级 污水处理工艺主要是为了去除污水中的大块杂物， 大颗 砂砾以及 肉眼 可见的悬浮物 等 ， 属于粗处理 工艺 。 一级 污水 处理工艺流程图如图 2.1 所示 图 2.1 一级 处理工艺 在 污水处理的过程中， 泵房 又 称污水提升泵房 。水泵、 格栅机等 设备 和一些设备的控制装置构成了这个建筑 。 泵房 的 原理 是 重力自流； 在两个处理过程之间，需要 实现污水 的传送，若 两个 设备 没有 水位差，或者水位差为负时 ， 此时我们借助泵房，将低处的污水送入高处污水处理设备的进水口中 3。 沉砂池主

18、要 是 减少污水 中 的含砂量 ， 来保护 管道等不受砂砾的影响 而 导致 管道 堵塞 ，它借助的 是 重力分离 的 效用 。沉淀池 的 工作原理同沉砂池一样也是 利用重力作用 将 大块杂质 沉底 从而 去除水中悬浮物 。 二级 处理工艺 和 三级处理工艺采用物理 方法 -不发生 物质的变化 ， 化学 、 生物方法 -有物质的 变化，减少反应物，产生新的生成物 。 对污水中 的 不溶于水的 物质 ，胶体，和溶于水的物质进行精处理 。 污水 的二级处理工艺 如图 2.2。 图 2.2 二级处理工艺 在 二级处理工艺中 ， 污水中 的可以沉淀的部分如 细小 的砂石等 和 悬 浮的物质 等可以 在初

19、沉池中净化 。经过初沉池 后的废水进入生化处理设备，生化处理 设备 的核心就是活性污泥法 。 活性污泥 法应用广泛， 经过 实践表明，活性污泥法的 使用效果显著，性价比 高。 它 不仅 能通过 发生 一系列 反应去除溶于水中或者呈胶体的物质 ， 而且能通过 活性污泥 的物理等 特性 直接吸附污水中的杂质。 实验表明， 若 使用活性污泥法作为二级污水处理工艺的 核心过程， 在 检测二级 处理 工艺排除的水时，会发现水中 溶解的氮、磷 元素的 量偏低 。 二沉池 顾名思义 是一个沉淀分离设备， 在活性污泥 法中起到了 举足轻重 的 作用，其作用主要是把污泥 和清液分开 ，使 得通过 二沉池后的处理

20、水中悬浮物，胶体，砂石武汉轻工 大学毕业设计（ 论文 ） 7 等都能大量减少 。 污水 的三级处理工艺如图 2.3 图 2.3 三级 处理工艺 在三级 处理中， 调节池 的 功用 是 调节污水 的水质和水量 。 调节污水 的水质 主要就是 调节进水的 酸碱度 、 温度 这两个 量 ； 调节污水的水量就是控制调节池中污水的进水量，从而保证出水率和出水量 ， 为曝气过程做准备。 曝气池 也称氧化沟 （ 氧化渠 ） ，呈环状， 曝气池 主要就是通过电机变频改变曝气池中转刷的速度，从而使池中水的溶氧量保持在一定 范围内 。 由于 本课题研究的是城市污水处理的研究方案，对于 多数 的城市污水处理的 三级

21、处理工艺流程来说，一级污水处理 是 预处理，二级污水处理 是 主体，三级污水处理 是精处理。基于 城市 污水的大部分特性，生物处理法是城市污水处理的核心方法。 在排出 的 污水 中， 常常有 一些 溶解在污水中的物质 。 这种物质 不利于绿色发展 ，且 其中 重金属元素 稍 利用不慎将会致毒 ， 若不处理直接排出，将会对 水 环境产生很大污染 中 。生物处理法 可以 利用微生物 本身 的特性 降解 通过纯粹的物理反应或者化学反应难以降解的物质 4。 原理相对 简洁、投入低、回报高 等优点 是生物处理工艺的 特点 。 2.1.1 污水的预处理 污水的预处理 的 主要步骤是将 原 水输入至粗格栅机

22、，在粗格栅 机 中可以去除污水中的大块漂浮物， 不溶于 水的固体等 易 除物质，紧接着被 将从粗格栅机 输出的污 水送入 潜水泵 ， 通过潜水泵的重力自流作用， 再 将污水送进细格栅机，细格栅机可以 除 去污水中的小块儿杂质 ，最后 通过沉砂池等沉 淀装置出去污水中的砂石颗粒等沉淀物 。对于 污水处理厂来说，污水的预处理 是 一个重要的过程 。 2.1.2 污水的生物处理 污水的生物处理是污水的二级处理，是污水处理技术的主体。根据污水特性的区别，主要分为五种生物处理法。 一、 生物化学法 生物化学法主要用于处理含重金属的废水， 将可溶性离子转化为不溶于水的化合物。 它的 主要 原理 过程是，

23、硫酸盐 在缺氧 的条件下 ，能够通过发生还原 反应 ， +2 价 的硫元素被氧化成为 +3 价 的硫 ， 生成 硫化物沉淀。 这种方法是 一种先通过化学过程，再通过物理过程达到目的要求的方法。 二、 生物絮凝法 许多 微生 物都很多意想不到的功能， 这些功能 不仅 限于微生物本身，还包括它的 排出 物，它们的这些特性 能够 水中 的某些悬浮物絮凝沉淀 5。 这种 方法 能使重金属离子形成稳定的聚合物而沉淀下来 ， 从而达到去除 无 水中杂质的效果 。 武汉轻工 大学毕业设计（ 论文 ） 8 三、 生物吸附法 由于某些 生物的本身的特性，它们的 化学 分子结构呈多孔状，有吸附的效果，例如活性炭。

24、 利用这些 生物本身的吸附作用，将污水中的某些 有害 的金属离子 、杂 质去除 。生物吸附法依靠着 生物的 固有属性 ，是一种简便的生物处理方法。 四 、 需氧生物处理法 根据 生物 的 好氧 /厌氧 特性，可以 将 生物处理法分为 两种 。将一些微生物 放在含氧条件下发生 特定 的化学反应，达到 去除污 水中某些物质的方法就是需氧生物处理法 。 需氧生物 处理法中， 发生了这样 的反应 ： 有机微生物 +N/C/H 等 元素 +氧气 二氧化碳 +水 公式 2-1 五、 厌氧生物处理法 在 污泥回流后，污泥罐中也有很多未经彻底处理的污泥。 这些污泥中 还有许多有机物，有毒物质等， 若 未经处理

25、直接排放到 土壤中 ，将会污染土壤环境。 污泥中的 有机物多厌氧，因此厌氧生物处理法常用在污泥中 6。 在 缺氧条件下，厌氧微生物 利用自身 特性在 无氧 或少氧状态下将难以分解的物质转 化 。由元素 守恒原理可知，最后 将 难以降解的物质转化为水，二氧化碳和碳氢气体 ， 碳氢气体 例如甲烷是一种十分绿色 的 清洁能源 。 厌氧生物 处理法大量应用于实际生活中，例如沼气池 。沼气池封闭 建 造 ，沼气池中的微生物 处于 一种缺氧环境 ， 通过一系列反应后生成氨气 、 甲烷等物质 可以 当做无污染的 清洁 能源 。 与此同时， 经过微生物反应处理后的污水生成的淤泥比未经过消化的淤泥更 易 处置。

26、 2.1.3 污水三级处理 城市污水处理三个 过程 中的最后 一个过程 -三级处理 。污水 在经过 前面种种 程序 、设备的清洁后 ， 污水中 依然包括很多 N、 P 元素 和 许多 难以去除的 物 质 ， 只有 通过进一步 处理 、 消毒 、 净化 ， 才能 达到 排出清水标准 。 所以说， 三级处理 也 是污水的深度处理， 在此 过程中，通过加药，搅拌，污泥回流等措施，使污水中的离 子浓度 达到设定的标准值 ， 此过程后，排除的水可以达到清水标准。 图 2.4 污水处理 的 工艺流程图 武汉轻工 大学毕业设计（ 论文 ） 9 2.2 污水处理 控制 过程 设计 2.2.1 粗 、细 格栅 的过程控制 一 、 粗格栅 的 过程控制 其 程序流程图如图 2.5 图 2.5 格栅机的程序流程图 相应的 工作过程 如下： 第一步 ： 选择自动方式 ， 粗格栅启动 ， 并且给粗格栅机 设定 一定的运行时间 第二步：当 设定的时间到时 ， 粗格栅机停止运行 。 第三步： 此时通过液位差超声波检测仪测量液位 高度 ，并算出液位差 第四步： 不断检测 差值 ，超过设定值时，清污机 工作 。 第五步： 反之， 低于设定值时，停止运行 。 循环操作 。 二、 细格栅的工作过程