【正文】 lay system of the sewage treatment process.Key Words：Sewage treatment Oxidation Ditch PLCII緒論1）課題目的及意義我國是一個水資源匱乏的國家，而且時空分布上極不均勻，許多地區(qū)和城市嚴(yán)重缺水。與此同時，在我國大部分城市和地區(qū)，本已極為有限的水資源還受到水質(zhì)惡化和水生態(tài)系統(tǒng)破壞的嚴(yán)重威脅。尤其伴隨著城市化和工業(yè)化進程的加速，需水量和污染物排放量迅速增長，水危機不僅會長期存在，而且有迅速加劇的趨勢。水資源短缺和水環(huán)境污染造成的水危機已經(jīng)成為我國社會經(jīng)濟發(fā)展的重要制約因素。國內(nèi)外水環(huán)境恢復(fù)與再生的實踐表明，污水深度處理與再利用是通向健康水循環(huán)的橋梁，推進污水深度處理和普及再生水，利用人類與自然兼容協(xié)調(diào)，創(chuàng)造良好水環(huán)境，促進人類可持續(xù)發(fā)展的重要舉措。目前，我國大多數(shù)污水處理控制系統(tǒng)自動化水平不高、安全性低、管理不當(dāng)，效率普遍低于世界標(biāo)準(zhǔn)。污水處理系統(tǒng)中的曝氣過程控制、數(shù)據(jù)通訊和監(jiān)控管理是急需解決的主要問題。中國污水處理自控系統(tǒng)相對落后，污水處理成本居高不下，污水廠排放的處理過的污水的水質(zhì)不穩(wěn)定，所以如何建立有效的自控系統(tǒng)，優(yōu)化運行效果，減少運行費用，具有重要意義。2）國外發(fā)展?fàn)顩r國外的一些發(fā)達國家，如美國、日本、西歐等國，由于這些國家經(jīng)濟發(fā)達，并較早的實現(xiàn)了工業(yè)現(xiàn)代化。這些國家經(jīng)濟發(fā)展較早而且較快，環(huán)境問題特別是水資源污染的嚴(yán)重性也較早的體現(xiàn)出來，同時也得到了這些國家政府的重視，投入了大量的人力、物力，進行水處理的研究。這些國家在研究水處理新理論和工藝的同時，也重視污水處理自控系統(tǒng)的研究。這些國家先后投資研究高效型、智能型、集約型污水處理設(shè)備和自動化控制儀表。國外污水處理自控系統(tǒng)主要存在以下幾個特點：（1）采用集散控制系統(tǒng)DCS和現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)FCS。按照廠區(qū)的自身情況和工藝段來劃分若干個控制站，站與站之間可以平級關(guān)系也可以是上下級關(guān)系，站與站之間一般獨立運行。設(shè)立中控室，中控室有操作員和工程師站，負責(zé)全廠的數(shù)據(jù)管理與記錄、報表等工作。（2）采用在線監(jiān)測的水質(zhì)分析儀表，對全廠的水質(zhì)實行實時監(jiān)測，并由上位機記錄下來，提高了測量精度。（3）生產(chǎn)過程中不同程度上采用了智能控制，可以根據(jù)水質(zhì)和水源的變化自動地調(diào)整相應(yīng)的控制方式。（4）大量采用遙測、遙控設(shè)備，并開始有效地利用社會信息資源，如電話網(wǎng)絡(luò)、移動電話網(wǎng)絡(luò)、國際互聯(lián)網(wǎng)、氣象信息等。3）國內(nèi)發(fā)展?fàn)顩r解放初期，我國由于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)剛剛起步，當(dāng)時的污水污染程度很低，且提倡利用污水進行農(nóng)業(yè)灌溉，特別是北方缺水地區(qū)將污水灌溉利用作為經(jīng)驗進行推廣，全國僅有幾個城市建設(shè)了近十座污水處理廠在處理工藝有的還是一級處理，處理的規(guī)模也很小，致使污水處理技術(shù)和管理水平處于較落后的狀態(tài)。與國外相比，我國污水處理自動化控制起步較晚，七十年代開始采用熱工儀表，實行集中巡檢；八十年代應(yīng)用分析儀表和DCS系統(tǒng)；至九十年代，隨著一大批利用國際貸款的大型污水處理廠的建設(shè)投產(chǎn)，我國污水處理控制系統(tǒng)的自動化水平有了很大的提高。從國外引進污水廠的自動控制系統(tǒng)已經(jīng)廣泛采用集散式計算機監(jiān)控系統(tǒng)，應(yīng)用了自動化程度較高的檢測儀表，各種新工藝，新設(shè)備大量出現(xiàn)并得到應(yīng)用?？梢哉f我國污水處理自動化的現(xiàn)狀是：手動與自動皆備，自制和引用并舉。可以看出我國的污水處理自控系統(tǒng)有以下特點：（1）對于新建的污水處理廠，引進了計算機分散控制系統(tǒng)，手動與自動并存的控制方式。（2）國產(chǎn)在線儀表的穩(wěn)定性還沒有達到要求，所以大部分采用進口的在線儀表，但是由于進口儀表價格昂貴，所以應(yīng)用并不是很廣泛。（3）各個控制站之間完全獨立，沒有信息的交換。并且各個控制單元由于其內(nèi)部資源的限制，只是實現(xiàn)了簡單的時間控制和邏輯控制。通過對比，不難看出整體上和國外相比我國污水的自控系統(tǒng)仍然存在很大的差距，但是我國的應(yīng)用前景卻非常廣泛、潛力很大。 4）設(shè)計的主要內(nèi)容和預(yù)期目標(biāo) 本設(shè)計的主要內(nèi)容是：了解污水處理的工藝方法，確定采用其中一種處理工藝（氧化溝法），根據(jù)其工藝要求及相關(guān)流程，選定設(shè)備的具體型號，設(shè)計系統(tǒng)的硬件連線圖和PLC梯形圖程序，從而完成整個污水處理系統(tǒng)的設(shè)計。 所要完成的任務(wù)和預(yù)期目標(biāo)： （1）設(shè)計能夠?qū)崿F(xiàn)污水處理的氧化溝系統(tǒng)方案。 （2）利用AutoCAD，繪制污水處理系統(tǒng)的電氣硬件連線圖。（3）根據(jù)控制流程圖，完成系統(tǒng)的PLC梯形圖程序。（4）設(shè)計控制系統(tǒng)操作與顯示接口，利用MCGS組態(tài)軟件設(shè)計界面。5）論文結(jié)構(gòu) 根據(jù)以上的主要內(nèi)容和預(yù)期目標(biāo)，本次設(shè)計論文通過以下幾個方面進行闡述污水控制系統(tǒng)： （1）緒論。主要概述課題的目的和意義，已及國內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀。 （2）第一章 系統(tǒng)總體方案設(shè)計。介紹氧化溝系統(tǒng)的組成部分、工作原理和工作基本過程。 （3）第二章 系統(tǒng)硬件設(shè)計。主要介紹PLC的I/O配置、設(shè)備選型和硬件電路連線圖。 （4）第三章 系統(tǒng)軟件設(shè)計。介紹手動自動控制流程和梯形圖程序。 （5）第四章 系統(tǒng)的MCGS組態(tài)。設(shè)計系統(tǒng)的組態(tài)界面和MCGS與PLC設(shè)備的連接控制。 （6）結(jié)束語。對本設(shè)計進行總結(jié)，并提出需要解決的問題和注意的方面。1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計 系統(tǒng)主要組成部分工業(yè)污水處理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，設(shè)備較多，在氧化溝中其控制過程及原理大致相同，都是通過控制曝氣機的轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)污水中的含氧量，其基本組成如圖11所示。污泥脫水系統(tǒng)沉淀系統(tǒng)氧化溝系統(tǒng)除砂系統(tǒng)進水系統(tǒng)圖11 污水處理系統(tǒng)基本組成示意圖1）進水系統(tǒng)。進水系統(tǒng)主要有進水管道和進水泵房組成，進水管道主要由粗格柵機和清污機組成，進水泵房主要有兩臺潛水泵組成。進水管道的主要功能是將污水中的大塊物體排除，其中的粗格柵是根據(jù)程序設(shè)定的時間進行間歇工作，而清污機的運行和停止是根據(jù)粗格柵兩側(cè)的液位差來決定的，當(dāng)液位差超過某個值時，啟動清污機；當(dāng)液位差小于某個值時停止清污機的運行。進水泵房中的潛水泵運行及停止是通過安裝在泵房內(nèi)的液位傳感器來決定的，當(dāng)液位較低時只啟動一臺潛水泵，當(dāng)液位較高時啟動兩臺潛水泵，若液位持續(xù)升高時，則輸出報警以示意有故障發(fā)生。 2）除砂系統(tǒng)。除砂系統(tǒng)主要由細格柵系統(tǒng)和沉砂池組成，細格柵系統(tǒng)是由細格柵機和清污機組成，沉砂池的主要設(shè)備是分離機。細格柵系統(tǒng)的主要功能是進一步凈化污水中的顆粒物體，將污水中細小的沙粒濾除，其中的細格柵機是根據(jù)程序設(shè)定時間進行間歇工作，而清污機的運行和停止則根據(jù)細格柵兩側(cè)的液位差來決定，當(dāng)液位差超過某個值時，啟動清污機；當(dāng)液位差小于某個值時停止清污機的運行，這和粗格柵系統(tǒng)的運行方式一致。沉砂池中分離機的運行和后續(xù)處理中的轉(zhuǎn)碟曝氣機的運行同步，即啟動轉(zhuǎn)碟曝氣機的時候同時啟動分離機，對沉砂池中的沙粒進行排除。3）氧化溝系統(tǒng)。氧化溝系統(tǒng)由氧化溝和污泥回流系統(tǒng)構(gòu)成，氧化溝是污水處理系統(tǒng)中最重要的環(huán)節(jié)，因此控制量較多，控制過程較復(fù)雜，包括轉(zhuǎn)碟曝氣機和潛水?dāng)嚢铏C，污泥回流系統(tǒng)主要有污泥回流泵構(gòu)成。氧化溝的功能是對污水進行生化處理，分解污水中的有害物質(zhì)，使其達到一定的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，其中，轉(zhuǎn)碟曝氣機是關(guān)鍵設(shè)備，在氧化溝中設(shè)置有溶解氧儀對污水中的含氧量進行檢測，根據(jù)其反饋到PLC的值來控制曝氣機變頻器的運行，改變污水中溶解氧的含量。潛水?dāng)嚢铏C的作用是推進水流，同時使氧化溝的污水和活性污泥處于劇烈的攪拌狀態(tài)，使他們充分混合接觸。使活性污泥的生化反應(yīng)更加充分，這樣才能最大程度地分解污水中的有害成分。污泥回流系統(tǒng)的污泥回流泵將剩余的污泥及使用過的污泥進行處理，該設(shè)備的運行與停止主要根據(jù)泵房內(nèi)液位傳感器的狀態(tài)，當(dāng)液位低于某個值時停止回流泵的運行；當(dāng)液位持續(xù)高于某個高位時，回流泵停止運行同時輸出報警信號；液位處于正常狀態(tài)時，回流泵正常運行。4）沉淀系統(tǒng)。沉淀系統(tǒng)主要設(shè)備為刮泥機，其功能是對進行氧化溝處理后的污水進行物理沉淀，將污泥和清水分離，刮泥機在整個系統(tǒng)啟動后就開始持續(xù)運行。5）污泥脫水系統(tǒng)。污泥脫水系統(tǒng)主要包括離心式脫水機，其主要功能是對氧化池中處理過污水的活性污泥進行脫水處理，由于對污水進行處理后，活性污泥中有新的微生物及其他雜質(zhì)，因此需要先對活性污泥添加一定量的藥物，便于污泥脫水。離心式脫水機主要有聚合物泵、污泥機和切割機構(gòu)成，以上設(shè)備按照順序控制的方式啟動，依次啟動聚合物泵、污泥機和切割機，完成對污泥的脫水處理。 系統(tǒng)工作原理污水處理系統(tǒng)的電氣控制系統(tǒng)總框圖如圖12所示，PLC為核心控制器，通過檢測操作面板按鈕的輸入、各類傳感器的輸入，以及相關(guān)模擬量的輸入，完成相關(guān)設(shè)備的運行、停止和調(diào)速控制。操作面板執(zhí)行設(shè)備PLC傳感器輸入模擬量輸入變頻器圖12 電氣控制系統(tǒng)總體框圖在手動狀態(tài)下，各類設(shè)備的控制是根據(jù)操作面板上的按鈕輸入來控制，無邏輯控制，即可不根據(jù)傳感器的狀態(tài)進行控制。在自動方式下進行閉環(huán)控制，系統(tǒng)根據(jù)檢測到外部傳感器的狀態(tài)對設(shè)備進行啟?？刂疲涔ぷ鬟^程如下。1）接通電源，啟動自動控制方式，啟動潛水?dāng)嚢杵骱凸文鄼C。2）運行粗、細格柵機，間歇運行，即運行一段時間然后停止一段時間，循環(huán)進行。3）根據(jù)反饋回來的液位差狀態(tài)控制清污機的運行與停止。4）進水泵房中的潛水泵根據(jù)液面高低進行運行、停止及運行數(shù)量的控制。 5）轉(zhuǎn)碟曝氣機根據(jù)溶解氧儀反饋的模擬量經(jīng)PLC運算后進行控制，同時控制分離機的運行與停止。6）污泥回流泵的運行與停止根據(jù)液面的高低進行控制。7）在污泥脫水系統(tǒng)中，離心式脫水機的啟動采用順序控制方式，依次啟動其設(shè)備。間歇啟動粗、細格柵機根據(jù)設(shè)定程序時間啟動潛水?dāng)嚢铏C和刮泥機分離機同步氧化溝溶解氧轉(zhuǎn)碟曝氣機變頻器啟動離心式脫水機反饋溶解氧儀采集液位數(shù)據(jù)液位傳感器是停止?jié)撍脻撍梅恳好媸欠竦陀谠O(shè)定值PLC及其擴展否啟動潛水泵采集液位差數(shù)據(jù)是液位差是否超過設(shè)定值液位差計啟動清污機否采集液位數(shù)據(jù)停止清污機是停止污泥回流泵液位傳感器污泥回流液面是否低于設(shè)定值否啟動污泥回流泵圖13 污水處理系統(tǒng)工作示意圖2 系統(tǒng)硬件設(shè)計以上介紹了污水處理系統(tǒng)的機械結(jié)構(gòu)及其相關(guān)設(shè)備，根據(jù)其工作原理和控制系統(tǒng)的功能要求，本節(jié)主要介紹如何設(shè)計污水處理系統(tǒng)的控制系統(tǒng)和所需的各種硬件設(shè)備，在此控制系統(tǒng)中的核心處理器是PLC，其主要輸入和輸出量主要為數(shù)字量，只有一組模擬量的輸入和輸出。 PLC的I/O配置根據(jù)系統(tǒng)的功能要求，對PLC的I/O進行配置，具體分配如下所示。 數(shù)字量輸入輸出部分 在此控制系統(tǒng)中，所需要的輸入量基本上都屬于數(shù)字量，主要包括各種控制按鈕、旋鈕、傳感器輸入及過載保護輸入，共有49個數(shù)字量輸入，如表21所示。表21 數(shù)字輸入量地址分配輸入地址輸入設(shè)備輸入地址輸入設(shè)備急停細格柵液位差計手動方式進水泵房液面高位傳感器自動方式進水泵房液面中位傳感器自動啟動確認進水泵房液面低位傳感器手動粗格柵機啟動污泥回流泵房液面高位傳感器手動1清污機啟動污泥回流泵房液面低位傳感器手動1潛水泵啟動粗格柵機過載手動2潛水泵啟動細格柵機過載手動細格柵機啟動1清污機過載手動2清污機啟動2清污機過載手動分離機啟動1潛水泵過載手動1轉(zhuǎn)碟曝氣機工頻正轉(zhuǎn)啟動2潛水泵過載手動2轉(zhuǎn)碟曝氣機工頻正轉(zhuǎn)啟動1轉(zhuǎn)碟曝氣機過載手動1轉(zhuǎn)碟曝氣機變頻啟動2轉(zhuǎn)碟曝氣機過載手動2轉(zhuǎn)碟曝氣機變頻啟動分離機過載手動潛水?dāng)嚢铏C啟動潛水?dāng)嚢铏C過載手動刮泥機啟動污泥回流泵過載續(xù)表21輸入地址輸入設(shè)備輸入地址輸入設(shè)備手動污泥回流泵啟動刮泥機過載手動離心式脫水機啟動離心式脫水機過載手動聚合物泵啟動聚合物泵過載手動污泥機啟動污泥機過載手動切割機啟動切割機過載手動轉(zhuǎn)碟曝氣機加速手動1轉(zhuǎn)碟曝氣機工頻反轉(zhuǎn)啟動手動轉(zhuǎn)碟曝氣機減速手動2轉(zhuǎn)碟曝氣機工頻反轉(zhuǎn)啟動粗格柵液位差計在這個控制系統(tǒng)中，主要輸出控制的設(shè)備有各種接觸器、報警和指示燈，共有24個輸出點，其具體分配，如表22所示。表22 數(shù)字輸出量地址分配輸出地址輸出設(shè)備輸出地址輸出設(shè)備粗格柵機接觸器刮泥機接觸器1清污機接觸器污泥回流泵接觸器1潛水泵接觸器離心式脫水機接觸器2潛水泵接觸器聚合物泵接觸器細格柵機接觸器污泥機接觸器2清污機接觸器潛水泵房報警分離機接觸器污泥回流泵房報警1轉(zhuǎn)碟曝氣機工頻正轉(zhuǎn)接觸器手動方式指示燈2轉(zhuǎn)碟曝氣機工頻正轉(zhuǎn)接觸器自動方式指示燈1轉(zhuǎn)碟曝氣機變頻接觸器1轉(zhuǎn)碟曝氣機工頻反轉(zhuǎn)接觸器2轉(zhuǎn)碟曝氣機變頻接觸器2轉(zhuǎn)碟曝氣機工頻反轉(zhuǎn)接觸器潛水?dāng)嚢铏C接觸器切割機接觸器 模擬量輸入輸出部分 由于需要采集一個溶解氧儀所反饋的數(shù)據(jù)，因此擴展了一個模擬量輸入輸出模塊，具體I/O分配，如表23所示。表23 模擬量輸入地址分配輸入地址輸入設(shè)備AIW0溶解氧儀在此控制系統(tǒng)中，需要將采集回來的模擬量進行數(shù)據(jù)處理，然后，通過模擬輸出口對變頻器進行控制，進而控制其他設(shè)備的運行，如