1、 本科 毕业 论文 (设计 ) （二零 届） 基于 PLC的污水处理系统的设计 所在学院 专业班级 电气工程及其自动化 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 - 1 - 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
2、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 - 2 - Abstract With the continuous development of human society, the continuous expansion of the city, the ci
3、tys water and the displacement are constantly increasing, which exacerbates the tension of water and water pollution. Environmental problems have become increasingly prominent, and the resulting water crisis has become a social important constraint for economic development. At present, China is rela
4、tively backward automatic control system of sewage treatment. Sewage treatment costs remain high, and sewage plants discharge treated effluent quality of instability, so how to create an effective automatic control system to optimize operating results and reduce operating costs, is of great signific
5、ance. For medium and small-scale municipal sewage, the design application of sequencing batch activated sludge (SBR) treatment process. First, design a sewage treatment according to the electrical control equipment and automatic control circuits, including equipment start-stop, status signals, fault
6、 signals and signal acquisition. Finally, in accordance with the process requirements designed PLC control system, including PLC, selection, system resources, and wastewater treatment process in accordance with procedures for the preparation of PLC, and ultimately realize the automatic control of se
7、wage treatment, sewage treatment constitutes a low-cost control system. Key Words: Sewage Treatment; PLC; Control System; SBR Process - 3 - 目 录 1 绪论 .1 1.1 引言 .1 1.2 选题的背景及意义 .1 2 总体设计方 案 .3 2.1 活性污泥法污水处理系统 .3 2.2 污水处理系统结构介绍 .3 2.2.1污水处理系统的示意图 . 3 2.2.2 污水处理系统的基本工作过程 . 4 3 硬件设计 .6 3.1 SBR污水处理电气控制原理图
8、 .6 3.1.1 主电路设计 . 6 3.1.2 交流控制电路设计 . 7 3.2 主要参数及硬件的选择 .8 3.2.1 断路器 QF . 8 3.2.2 熔断器 FU . 8 3.2.3 热继电器 FR . 8 3.3 PLC控制电路设计 .8 3.3.1 PLC的选择 . 8 3.3.2 其他电气元件的选择 . 8 3.3.3 PLC的输入 /输出资源配置 . 9 4 软件设计 .12 4.1 PLC控制程序流程图设计 .12 4.2 PLC控制程序设计 .13 5 系统调试 .14 6 结论 .15 致 谢 . 错误 !未定义书签。 参考文献 .16 附录 1 PLC控制程序 .17
9、 附录 2 系统实物图 .26 - 1 - 1 绪论 1.1 引言 近些年来，随着我国经济的快速发展，工业和农业生产的能力已经大大提高，人们的生活水平得到了进一步改善，但在同时带来了一系列环境问题，水 环境污染就是其中之一。这已引起政府高度重视，我国的污水处理事业也得到长远的发展。目前，我国对大，中型城市的生活污水和工业废水处理已采取了一些措施，但中小城市污水处理情况仍然不容乐观，全国大部分地区超过 17,000 城镇没有污水处理设施 1，这不仅对当地水环境的污染，影响居民健康，而且严重阻碍了国民经济的发展。为了改善水环境的污染情况，保护我们有限的水资源，在对大中城市的污水进行处理的同时，也应
10、刻不容缓地关注重点小城市 (镇 )的污水处理情况，为此应加快小城市 (镇 )污水处理步伐。 中小城市 (镇 )污水具有流量小且排 放时间不集中等特点，序批式活性污泥法(Sequencing Batch Reactor， 简称 SBR)符合了这些基本要求，它的运行条件十分接近中小城市 (镇 )污水的基本特征。 SBR 工艺流程简单、管理方便、成本低廉 ,比传统活性污泥工艺节省基建投资至少 30% ,并且布置紧凑，用地节省，目前该自动控制已经比较成熟、配套 2 ,这就使得运行管理变得相当灵活、方便，特别适用于中小型城市污水处理或工业废水处理。该工艺是污水处理新技术，同时也适合我国国情。在有效防治水
11、污染的道路上，它开辟了一条经济实用的新途径。 1.2 选题的背景及意义 由于水资源的日益短缺和环境污染的日益严重，人们越来越关注污水处理。尤其是近几年，除大中型城市以外，越来越多的中小型城市渐渐地建立了污水处理厂，甚至一些企业也加入了这个行业。污水主要来自于生活污水和工业污水，其处理技术按处理目标的演变经历了四个发展阶段 3。污水处理早期是利用物理方法去除污水中的漂浮物、悬浮物，又称为一级处理。之后人们逐渐认识到水中的有机污染物对生态环境的危害，因此污水处理的主要目标停留在了有机污染物和悬浮固体的去除这两部分；污水的处理技术进入了另一个阶段，即利用生物分- 2 - 解的 方法进行处理的二级处理
12、阶段。上世纪的六、七十年代，常规二级生物处理技术得到普及，人们又发现光是去除有机污染物和悬浮污泥是不够的，污水中氨氮的存在仍然会导致溶解氧浓度过于偏低，同时水体也会变的黑臭，这一现象的出现使污水处理中有机物和氨氮的联合去除代替了常规二级生物处理技术从纯粹的有机物去除，即污水硝化和反硝化的处理 4。发展到上一世纪七、八十年代，随着日益严重的水质富营养化，污水处理的实际需要是去除污水中的氮磷，污水处理进入深度二级的处理阶段。此外，有些场合对水质有特别要求的，还应对二级处理后的出水利用化学 或物理法去除磷、氮及有毒有害物，此过程常常被称为三级处理或深度处理。目前我国对大多数工业污水和城市污水的处理主
13、要停留在二级处理的阶段。 污水的二级处理方法有许多种，如生物膜法、曝气塘法及活性污泥法等，它们的工作原理是模拟水的自净化过程，通过自然界中微生物生命活动来去除污水中的污染物 5。在这些处理方法中应用最为广泛的是活性污泥法，当前世界上工业有机污水和城市污水二次处理的主要途径也是活性污泥法。活性污泥法是一个机理复杂的生物过程，但是污水处理过程与其他工业过程相比，有很大的时变性，需要更多地考虑其运行特性 和动态行为。为了提高出水水质和保证过程连续运转，对污水处理过程进行自动控制，非常有必要的。 尽管人们对水环境的保护意识越来越强，但我国污水处理的实际情况还是不容乐观： 2005 年我国城市污水处理率
14、仅为 45.67%6，超过一半的污水没有得到有效处理。为了提高我国城市污水治理率，我国建设部、国家环保总局、科技部联合发布政策指出，在“十一五”期间我国城市污水处理率必须达到 60%以上，重点城市如省会城市、重点环保城市、旅游风景城市，污水处理率要求超过 70%。我国计划在未来五年将城镇污水处理能力翻一番 7。因此 ，污水处理的新技术新方法研究应积极开展，污水处理质量可以得到有效的提高，同时降低治理成本和污水的再生利用进一步推进，得到的研究成果具有广阔的应用前景。污水处理过程是相对比较复杂的系统，对于此类复杂过程的智能控制方法的研究，不但具有重要的现实意义，还具有重要的理论意义：研究工作丰富以
15、及发展了控制理论与方法，特别是将 SBR 污水处理工艺与 PLC 这两项有机的结合起来，对智能控制理论发展的推动具有重要的现实意义。 - 3 - 2 总体设计方案 2.1 活性污泥法污水处理系统 污水生物处理方法是一种对自然界中水的自净化过程的模 拟，通过活性污泥中微生物的新陈代谢作用，从而去除污染物的方法。活性污泥法是现代污水生物处理中使用最广泛的一种，自从 1914 年在英国曼彻斯特市建成试验厂以来 8，已经有九十多年的历史。随着在生产上的不断改进，特别是近五十年，人们在对其生物反应和净化机理进行深入研究的基础上，活性污泥法得到了较大的发展，现已成为有机污水处理的常规方法。 序批式活性污泥
16、法 (Sequencing Batch Reactor，简称 SBR)是较典型的污水处理方法。它与很多工艺是相对传统好氧生物处理法的发展和变革，例如周期循环曝气活性污 泥法和周期循环延时曝气活性污泥法等。相比连续流活性污泥工艺，它具有如下显著特点： SBR 装置简单，操作方便；运行费用低；处理工艺系统布置紧密、占地空间少；运行稳定 ,可承受较大的水质水量冲击 ,COD 降解率高；能通过计算机加以控制，实现系统优化运行等 9。 2.2 污水处理系统结构介绍 2.2.1 污水处理系统的示意图 本文介绍的污水处理采用 SBR 法污水处理工艺， SBR 法是一种连续进水、间歇曝气、间歇排水的工艺。其原
17、理是通过微生物的生命活动来净化污水 (河川的自净原理 )。 SBR 污水处理系统分别由电动阀 、排空电磁阀、污水处理池、清水池、鼓风机、清水泵、滗水器等部分组成。在污水处理池、清水池内部分别设置水位电极开关，用以检测水池中的水位。 SBR 污水处理系统示意图如图 2-1所示。 - 4 - 电动阀 排空电磁阀 水位电极 水位电极 排入污水 污水处理池 排出清水 清水池 空气 滗水器 清水泵 鼓风机 生物菌泥 图 2-1 SBR 污水处理系统示意图 2.2.2 污水处理系统的基本工作过程 污水处理分两个阶段： 在第一 阶段中，当污水池中的水位处于低水位或低水位以下状态时，电动阀自动开启，污水排入污
18、水处理池中。当污水池中的水位处于高水位或高水位以上状态时，电动阀自动关闭，污水池中污水呈微氧和无氧状态。 在第二阶段中，运用能降解大分子污染物的曝气法，能使污水除臭、脱色、平衡菌群的 PH 值并对污染物进行高效去除，以上是好氧处理过程。整个曝气时间一般需要三到五个小时。在曝气管路上安装排空电磁阀，当电动阀门自动关闭后，排空电磁阀自动开启，此后，鼓风机延时启动，然后排空电磁阀关闭，污水池开始曝气。曝气处理结束后，排空电磁阀再次开启，鼓 风机停止运行，然后排空电磁阀延时关闭。经过一小时的水质沉淀， PLC 下达启动清水泵指令，沉淀后的水由清水泵泵入到清水池。当清水池中水位升到正常高水位时，清水泵自
19、动停机。这时滗水器自动开启，将清水池中处理完毕的污水排出再利用，直到清水池中水位下降到低液位时，滗水器自动停机。当污水池中的水位降低至低水位时，电动阀门会自动开启继续向污水池中放入污水。至此，一个污水处理周期完毕。根据不同污水处理的要求， SBR 污水处理技术选用不同生物菌群，不同的工艺要求，电气控制系统也具有可修正参数的功能 10。 总体方案说明： 1)电动机由交流接触器完成起、停控制，以及电动阀电动机要采用正、反转控制。 - 5 - 2)PLC 控制电路考虑以下信号逻辑关系：电动阀上驱动电动机，内部设有过载保护开关 常闭触点（作为电动阀过载保护信号）。 3)清水泵、鼓风机电动机、滗水器、电
20、动阀电动机均采用热继电器进行过载保护，其热继电器的常开触点通过中间继电器转换后，作为 PLC 的输入信号，用以完成各个电动机系统的过载保护。 4)鼓风机的控制要求在无负载条件下开始运行或停止运行，需要在曝气管路上设置排空电磁阀。 5)主电路用断路器，各负载回路和控制回路以及 PLC 控制 回路采用熔断器 ， 实现短路保护。 6)电控箱设置在控制室内。控制面板与电控箱内的电器板用 BVR 型铜导线连接，电控箱与执行装置之间采用端子板连接。 7)PLC 选用继电器输出型。 PLC 自身配有 24V 直流电源，外接负载时考虑其供电容量。 PLC 接地端采用第三种接地方式，提高抗干扰能力。 8)控制系
21、统要求具有自动与手动运行方式 10。 - 6 - 3 硬件设计 3.1 SBR 污水处理电气控制原理图 3.1.1 主电路设计 SBR 污水处理电气控制系统主电路如图 3-1所示。 R-X QF S-X T-X N FU6 FU5 FU1 FU2 FU3 FU4 KM1 KM2 KM3 KM4 KM5 N L5 L6 FR1 FR2 FR3 3 FR4 清水泵 滗水器 鼓风机 阀门电动机 图 3-1 SBR 污水处理电气控制系统主电路 1)交流接触器 KM1， KM2， KM3 分别控制清水泵，滗水器，鼓风机；交流接触器 KM4， KM5 控制电动阀电动机 M4，通过正转和反转分别完成开启和关闭阀门。 2)热继电器 FR1， FR2， FR3， FR4 对电动机 M1， M2， M3， M4 分别进行过载保护。 3)电源总开关 QF 具有完成主电路的短路保护和分断三相的交流电源的功能。 4)各负 载回路的短路保护分别由熔断器组 FU1， FU2， FU3， FU4 实现。交流3 3 3 3 M1 M2 M3 M4
