基于PLC技术的污水处理控制系统设计

电子技术课程设计报告题目： plc控制的污水系统

学生姓名：张晗

学生学号： 1314050341 年级： 13级

专业：电气工程及其自动化

班级：电气（3）班

指导教师：聂文燕

机械与电气工程学院制

2015年11月

PLC的污水控制系统的设计

学生：张晗

指导老师：聂文燕

机械与电气工程学院电气工程及其自动化

摘要

目前，我国大多数污水处理控制系统自动化水平不高、安全性低、管理不当，效率普遍低于世界标准。污水处理系统中的曝气过程控制、数据通讯和监控管理是急需解决的主要问题。中国污水处理自控系统相对落后，污水处理成本居高不下，污水厂排放的处理过的污水的水质不稳定，所以如何建立有效的自控系统，优化运行效果，减少运行费用，具有重要意义。

本文介绍了工厂污水处理的基本工艺和流程，并通过研究设计一套基于PLC 控制的污水处理系统。文章首先介绍了基于PLC污水处理控制系统的工艺及相关流程，控制系统硬件结构及设计、工作原理以及设计PLC控制系统的基本原则和步骤，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器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。

关键词：污水处理，PLC，工艺流程

1工业污水处理控制系统总体介绍

1.1工业污水处理基本概念

城市污水、生活污水、生产污水或经过工业企业局部处理后的生产污水，往往都排入排水系统。这些污水除含有碳水化合物、蛋白质、氨基酸、动植物脂肪、尿素、氨、肥皂和合成洗涤剂等物质外，还含有细菌、病毒等使人致病的微生物。经处理后的污水，最后出路有三种：①排放水体；②灌溉田地；③重复使用。

污水污染物可根据化学性质和物理形态进行不同的分类。按化学性质，污水中的污染物质可分为无机性物质和有机性物质，其化学元素以炭、氮、磷为主。按物理形态，污水中的污染物质可分为固体悬浮物即呈颗粒状的污染物质、胶体污染物质和溶解性污染物质。

好氧有机污染物的性质稳定，在微生物的作用下，借助微生物的新陈代谢功能而降解为无机物，如二氧化碳、水、硝酸根离子等稳定的无机物。有机物的种类很多，其共性是在微生物的作用下被降解时，都要消耗水中的溶解氧，所以在工程实际中，采用以下的几个综合污染指标来表述：生物化学需氧量或生化需氧量（Bio-chemical Oxygen Demand, BOD）mg/L、化学需氧量(Chemical Oxygen Demand, COD) mg/L、总有机碳(Total Organic Carbon) mg/L、总需氧量(Total Oxygen Demand) mg/L。

虽然BOD

20

。能较精确地描述污水的生化需氧量，但其测定的时间太长，需20天。考虑到好氧分解速率一般在开始的几天最快，在20℃温度下，污水五日

生化需氧量(BOD

5)，约占BOD

20

的70%～80%，因此把BOD

5

作为衡量污染水的有机

物浓度指标。化学需氧量(COD)的特点是能够精确的表示污水中有机物的含量，并且测定时间短，但它不能像BOD那样表示出微生物氧化的有机物量。

1.2本设计系统工业污水处理工艺及描述：

本工业污水处理工艺流程图如下图2-4所示：

图2-4 工艺流程图

污水由进水系统通过粗格栅和清污机进行初步排除大块杂质物体，到达除砂池中。在除砂池系统中细格栅和转鼓清污机进一步净化污水中的细小颗粒物体，将污水中的细小沙粒滤除后进入氧化沟反应池。在该氧化沟系统中进行生化处理，分解污水中的有害物质，此环节用到一些化学药剂来加强处理效果，如复合碱、氯气、油絮凝剂等。对污水进行除油、消毒、调整PH值。同时在该系统中设置有溶解氧仪超声波检测器，通过它对污水中的含氧量进行检测，根据其反馈到PLC的值来控制曝气机变频器的运行，改变污水中溶解氧的含量。潜水搅拌机的作用是推进水流，使氧化沟的污水和活性污泥处于剧烈搅拌充分混合接触，使生化反应更加充分，以最大程度地分解污水中的有害成分。经处理的污水进入沉淀池中，在刮泥机的作用下进行物理沉淀，为了加强沉淀效果，同时加入混凝剂和絮凝剂利用高分子助凝剂的强烈吸附架桥作用更加容易沉降。污水经沉淀池处理最后到达脱水环节，离心式脱水机作用下进行脱水处理后排出清水。

1.3工业污水处理系统控制形式

早期的控制系统多采用继电器——接触器控制系统，但随着电子技术的飞速发展，控制要求的不断提高，该类控制方法已不能满足现代工业污水处理系统的控制要求，因此已逐渐被淘汰，取而代之的是DCS、现场总线控制、PLC等控制方。

（1）DCS系统。DCS是集散控制系统的简称，又称为分布式计算机控制系统，是由计算机技术、信号处理技术、测量控制技术、通信网络技术等相互渗透形成的。由计算机和现场终端组成，通过网络将现场控制站、检测站和操作站、

控制站等连接起来，完成分散控制和集中操作、管理的功能，主要是用于各类生产过程，可提高生产自动化水平和管理水平，其主要特点如下：采用分级分布式控制，减少了系统的信息传输量，使系统应用程序比较简单。实现了真正的分散控制，使系统的危险性分散，可靠性提高。扩展能力较强。软硬件资源丰富，可适应各种要求。实时性好，响应快。

（2）现场总线控制系统。现场总线控制系统是由DCS和PLC发展而来的，是基于现场总线的自动控制系统。该系统按照公开、规范的通信协议在智能设备之间，以及智能设备与计算机之间进行数据传输和交换，从而实现控制与管理一体化的自动控制系统，其优点：可以用计算机丰富的软件、硬件资源。响应快，实时性好。通信协议公开，不同产品可互连。

（3）PLC系统。PLC是可编程逻辑控制器的简称，用它作为处理系统的控制器，实现控制系统的功能要求，也可利用计算机作为其上位机，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。控制功能强。模块化结构，扩展能力强。

1.4工业污水处理系统的功能要求

工业污水处理系统的主要功能是完成对城市污水的净化的作用，将城市中排除的污水通过该系统处理后，输出符合国家标准的水质。长期以来，工业污水处理技术虽然经过了迅速发展，但仍滞后于城市发展的需要，工业污水处理率低、设备运转率低等极大地影响了城市发展。为实现工业污水处理技术的简易、高效、低能耗的功能，并且实现自动化的控制过程，采用PLC作为核心控制器是个较好的方案。

PLC作为工业污水处理系统的控制系统使得设计过程变得更加简单，可实现的功能变得更多。与各类人机界面的通信可完成PLC控制系统的监视，同时使用户可通过操作界面功能控制PLC系统。由于PLC的CPU强大的网络通信能力，使得工业污水处理系统的数据传输与通信变得可能，并且也可实现其远程监控。

利用PLC作为控制器的工业污水处理系统主要涉及两个方面：一是信号输入；二是控制输出信号。

2 硬件系统配置

2.1主要组成部分

工业污水处理系统的结构比较复杂，设备较多，在氧化沟中其控制过程及原

理大致相同，都是通过控制曝气机的转速来调节污水中的含氧量，其基本组成如图3-1所示。

图4-1工业污水处理系统基本组成示意图

(1）进水系统。进水系统主要有进水管道和进水泵房组成，进水管道主要由粗格栅机和清污机组成，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，其中的粗格栅是根据程序设定的时间进行间歇工作，而清污机的运行和停止是根据粗格栅两侧的液位差来决定的，当液位差超过某个值时，启动清污机；当液位差小于某个值时停止清污机的运行。进水泵房中的潜水泵运行及停止是通过安装在泵房内的液位传感器来决定的，当液位较低时只启动一台潜水泵，当液位较高时启动两台潜水泵，若液位持续升高时，则输出报警以示意有故障发生。

(2）除砂系统。除砂系统主要由细格栅系统和沉砂池组成，细格栅系统是由细格栅机和转鼓清污机组成，沉砂池的主要设备是分离机。细格栅系统的主要功能是进一步净化污水中的颗粒物体，将污水中细小的沙粒滤除，其中的细格栅机是根据程序设定时间进行间歇工作，而转鼓清污机的运行和停止则根据细格栅两侧的液位差来决定，当液位差超过某个值时，启动清污机；当液位差小于某个值时停止清污机的运行，这和粗格栅系统的运行方式一致。沉砂池中分离机的运行和后续处理中的转碟曝气机的运行同步，即启动转碟曝气机的时候同时启动分离机，对沉砂池中的沙粒进行排除。

(3）氧化沟系统。氧化沟系统由氧化沟和污泥回流系统构成，氧化沟是工业污水处理系统中最重要的环节，因此控制量较多，控制过程叫复杂，包括转碟曝气机和潜水搅拌机，污水回流系统主要有污泥回流泵构成。氧化沟的功能是对污水进行生化处理，分解污水中的有害物质，使其达到一定的水质标准，其中是转碟曝气机是关键设备，在氧化沟中设置有溶解氧仪对污水中的含氧量进行检测，根据其反馈到PLC的值来控制曝气机变频器的运行，改变污水中溶解氧的含量。(4）沉淀系统。沉淀系统主要设备为刮泥机，其功能是对进行氧化沟处理后的污水进行物理沉淀，将污泥和清水分离，刮泥机在整个系统启动后就开始持续运行。在该系统中用到一定化学药剂主要包括混凝剂、絮凝剂、复合碱等，主要用来调节改善混凝条件及絮凝体结构，利用高分子助凝剂的强烈吸附架桥作用，使细小

松散的絮凝体变的粗大而紧密，容易发生沉降。

(5）污泥脱水环节。污泥脱水系统主要包括离心式脱水机，其主要功能是对氧化池中处理过污水的活性污泥进行脱水处理，由于对污水进行处理后，活性污泥中有新的微生物及其他杂质，因此需要先对活性污泥添加一定量的药物，便于污泥脱水。离心式脱水机主要有聚合物泵、污泥机和切割机构成，以上设备按照顺序控制的方式启动，依次启动聚合物泵、污泥机和切割机，完成对污泥的脱水处理。

2.2电气控制系统

电气控制系统主要包括操作面板、显示面板、电气控制柜等单元。由于在该系统中需要检测较多的数字输入量，并且还要检测模拟量的输入，根据设定的程序进行数据处理后，输出控制信号，因此系统的控制逻辑与时序就需要严格照检测信号的输入进行控制。

(1）操作面板。操作面板主要包括手动、自动、各类设备的启动按钮等。

(2）显示面板。显示面板由于要显示较多的数据，因此一般采用触摸屏或者人机界面。

(3）电气控制柜。电气控制柜是电气控制的核心设备，主要包括变频器、各类传感器的输入信号、PLC及其扩展模块等。

2.3工业污水处理系统的工作原理

2.3.1控制系统总体框图

工业污水处理系统的电气控制系统总框图如图4-2所示，PLC为核心控制器，通过检测操作面板按钮的输入、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。

3-2电气控制系统框图

2.3.2工作过程

在手动状态下，各类设备的控制是根据操作面板上的按钮输入来控制，无逻辑控制，即可不根据传感器的状态进行控制。在自动方式下进行闭环控制，系统根据检测到外部传感器的状态对设备进行启停控制，其工作过程如下。

(1）接通电源，启动自动控制方式，启动潜水搅拌器和刮泥机。

(2）运行粗、细格栅机，进行间歇运行，即运行一段时间然后停止一段时间，循环进行。

(3）根据反馈回来的液位差状态控制清污机的运行与停止。

(4）进水泵房中的潜水泵根据液面高低进行运行、停止及运行数量的控制。

(5）转碟曝气机根据溶解氧仪反馈的模拟量经PLC运算后进行控制，同时控制分离机的运行与停止。

(6）污泥回流泵的运行与停止根据液面的高低进行控制。

(7）在污泥脱水系统中，离心式脱水机的启动采用顺序控制方式，依次启动其设备。

2.3.3工业污水处理系统主电路设计

图3-3为工业污水处理系统的主电路图的部分图。三台电机分别为潜水泵电机（M1）、清污机电机（M2）、转碟曝气机电机（M3）。接触器KM3、KM2、KM6分别控制M1、M2、M3的工频运行；接触器KM5、KM9分别控制M1、M3的变频运

行；FR1、FR2、FR3分别为三台电机过载保护用的热继电器；QF1、主电路的空气开关；FU1为主电路的熔断器。选用的MM430变频器是用来控制电机M1、M3变频运行的。

图3-3工业污水处理系统部分主电路图

2.4 PLC选型

根据工业污水处理系统的电气控制系统的功能要求，以及其复杂程度，从经济性、可靠性等方面来考虑，选择西门子S7—200系列PLC作为工业污水处理系统的电气控制系统的控制主机。由于工业污水处理电气控制系统涉及较多的输入输出端口，其控制过程相对复杂，因此采用CPU226作为该控制系统的主机。

CPU226在工业污水处理系统中使用的数字量输入点和输出点都比较多，因此除了PLC主机自带的I/O外，还需要扩展一定数量的I/O扩展模块。在此采用EM223输入/输出混合扩展模块。8点DC输入8点输出型。

2.5 PLC的I/O资源配置

根据系统的功能要求，对PLC的I/O进行配置，具体分配如下表。

2.5.1数字量输入部分

表3-4 数字输入量地址分配

2.5.2数字量输出部分

表3-5数字输出量地址分配

2.5.3模拟量输入部分

由于需要采集一个溶氧仪所反馈的数据，因此扩展了一个模拟量输入输出模块，具体I/O分配，如下表3-6所示。

表3-6 模拟量输入地址分配

2.5.4 模拟量输出部分

在此控制系统中需要将采集回来的模拟量进行数据处理，然后，通过模拟输出口对变频器进行控制，进行控制其他设备的运行，如下表3-7所示。

表3-7模拟量输出地址分配

根据控制系统的功能要求，设计出工业污水处理控制系统的硬件连线图如图3-8所示，此控制面板上的手动控制部分主要在调试系统时使用，调试完成后基本处于闲置状态。

图3-8工业污水处理系统PLC硬件接线图

3 软件系统设计

3.1总体流程设计

根据系统的控制要求，控制过程可以分为手动控制功能和自动运行功能。在

手动控制模式下，每个设备可以单独运行，以测试设备的性能，如图4-1所示。

图4-1模式选择流程图

3.1.1手动模式

在手动模式下，可单独调试每个设备的运行，如图5-2所示。在此模式下，可以通过按钮对格栅机、清污机、转碟曝气机、刮泥机，以及各类泵进行控制，对于转碟曝气机的控制，可以通过按钮增大或减小变频器的频率来改变其速度，以检测调试性能。

图4-2手动操作模式流程图

3.1.2自动模式

处于自动方式时，系统上电后，按下自动启动确认后系统运行，系统开始工作，其工作过程包括以下几个方面。

（1）系统上电后，按下自动启动确认按钮，启动潜水搅拌器和刮泥机。

（2）启动粗格栅系统。

（3）启动潜水泵。

（4）启动细格栅系统。

（5）启动曝气沉砂系统。

（6）启动污泥回流系统。

（7）启动污泥脱水系统。

以上工作过程并不是顺序控制方式，而是按照PLC检测到传感器状态进行启动如图4-3所示。

图4-3 自动操作模式流程图

在自动控制模式流程图中，调用了各个控制系统的程序，主要包括粗格栅系统程序、潜水泵程序、细格栅系统程序、曝气沉砂系统程序、污泥回流泵系统程序。以及污泥脱水系统程序，以下将分别介绍各个子程序的工作过程。

粗格栅系统程序主要控制粗格栅机和清污机的运行，其工作过程包括以下几个方面。

（1）自动过程开始启动粗格栅机，定时20min。

（2）定时到，停止运行粗格栅机2h。

（3）2h定时到，运行粗格栅机20min，循环进行。

（4）同时检查液面差，若超过设定值则启动清污机。

（5）液面差值低于设定值，停止清污机运行。

粗格栅系统工作流程图如图4-4所示。

图4-4粗格栅系统工作流程图

潜水泵程序主要控制潜水泵的运行和停止，其工作过程包括以下几个方面：（1）自动过程开始启动潜水泵。

（2）检测液面高度，低于最低位传感器时，开始定时防止误判。

（3）定时到后，若仍低于最低位传感器，则停止潜水泵运行，否则潜水泵继续运行。

（4）检测液面处于中位和高位传感器之间时，开始定时防止误判。

（5）定时到后，若液面仍持续处于高位传感器，则输出报警信号。

潜水泵工作流程图如图4-5所示。

图4-5潜水泵工作流程图

细格栅系统程序与粗格栅系统程序相似，主要控制细格栅机和转鼓清污机的运行，其工作过程包括以下几个方面：

（1）自动过程开始，启动细格栅机，定时20min。

（2）定时到，停止运行细格栅机2h。

（3）2h定时到，运行细格栅机20min，循环进行。

（4）同时检测液面差，若超过设定值则启动转鼓清污机。

（5）液面差低于设定值，停止转鼓清污机运行。

图4-6细格栅系统工作流程图曝气沉砂系统工作流程图如图4-7所示。

4-7曝气沉砂系统工作流程图

污泥回流系统程序主要控制污泥回流泵的运行和停止，其工作过程包括以下几个方面。

（1）自动过程开始首先检测液面高低，若低于最低位传感器，启动定时。

（2）定时到，若液面仍低于最低位传感器则停止回流泵运行。

（3）若液面处于最高位和最低位之间，启动污泥回流泵。

（4）若液面高于最高位传感器时，启动定时。

（5）定时到，若液面仍处于最高位传感器时，输出报警信号。

污泥回流系统工作流程图如图4-8所示。

图4-8污泥回流系统工作流程图

污泥脱水系统程序主要控制离心式脱水机，启动定时。（1）自动过程开始首先启动离心式脱水机，启动定时。（2）定时到，启动聚合物泵，启动定时。

（3）定时到，启动污泥泵和切割机。

污泥脱水系统工作流程图如图4-9所示。

图4-9污泥脱水系统工作流程图

在设计程序过程中，会用到许多中间继电器、寄存器、定时器等软元件，为了便于编程及修改，在程序编写前应先列出可能用到的软元件，

3.2曝气过程控制的任务

工业污水处理后的水质是否达到排放标准，其中生化需氧量（BOD）和化学需氧量（COD）是重要的水质指标。BOD是指在有氧条件下，降解有机物所需的

氧量。COD是指在酸性条件下，用强氧化剂将有机物氧化成CO

2、H

2

O所消耗的氧

量。BOD的测定需费时5天，且测定结果易受多种因素影响，误差较大。COD的检测比较精确，但方法繁琐，耗时约2小时。虽然有COD浓度在线检测仪可以在线检测，但仍存在滞后（30分钟左右），测量结果严重滞后于实际运行时间，不能及时反映实际情况。另外，COD检测仪的价格也较昂贵，增加了控制系统的成本。所以有必要找出简单、可行的控制参数。

在好氧反应过程中，参与工业污水处理的是以好氧菌为主体的微生物，决定其处理效果的关键因素是反应池中溶解氧的含量。为了使微生物的活动最佳化，应该使供氧量与消耗的氧量相等，或稍大一些。如果供氧量少，处理的水质和污泥的活化就要降低如果供氧量过多，污泥的沉降性差，处理水质也差，另外也不经济。由此可见，混合液中溶解氧浓度(DO)是好氧反应中一个重要的控制参数。如果控制曝气设备的最佳溶解氧浓度，就能使处理水质优化，也能节约动力费用，