【正文】 水資源，尤其是城市污水處理的自動化完善已經(jīng)迫在眉睫。在城市污水處理過程中，污水主要來自城市居民生活污水，污水成分多樣，因此對城市污水處理的工藝和控制方式提出了較高的要求。雖然我國年平均水資源總 量 為 28000 億 m3，居世界第 4 位， 但仍改變不了我國水資源短缺的現(xiàn)實，因為雖然水資源總量很多，但 人均水資源量 不足，僅 為 2220m3， 居世界第 110 位，是 世界上 13 個缺水國家之一。因此建設(shè)符合我國國情的污水廠自動控制系統(tǒng)對 有效的改善環(huán)境、建立可持續(xù)發(fā)展 和諧社會、 構(gòu)建“美麗中國”同時又保持我國經(jīng)濟又快又好的 發(fā)展具有重要意義 。 在 污水處理自動化控制 方面， 我國 與國外相比起步較晚 。但是這種控制方式 也有自己的有點，比如 投資少、 易實現(xiàn)， 所以 主要在一些小型 畢 業(yè) 設(shè) 計 3 城市 污水處理 廠 應(yīng)用。 全自動控制 模式 ： 通過電腦技術(shù) 與多層次的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng) 的協(xié)調(diào)配合，從而實現(xiàn) 污水處理的 自動控制。 主要設(shè)計內(nèi)容 本設(shè)計面向中、小型城市污水處理廠，采用 PLC 作為控制系統(tǒng)實現(xiàn)污水處理自動 /手動控制，完成對現(xiàn)場設(shè)備的過程監(jiān)控功能，并利用組態(tài)軟件設(shè)計監(jiān)控界面，完成現(xiàn)場設(shè)備狀態(tài)監(jiān)視、數(shù)據(jù)記錄、工業(yè)參數(shù)設(shè)置、報警顯示等功能。 污水處理工藝主要有物理工藝、化學工藝、物理化學工藝以及生物工藝等幾種。 1． 傳統(tǒng)活性污泥法。 但 該工藝 也有 缺點 ，如 普通曝氣池占地多， 資金投入大，滿足國家標準相關(guān)指標范圍 較 小 ， 污泥膨脹現(xiàn)象 嚴重 ，磷 、 氮 去除率 比較 低。但此硝化 /反硝化反應(yīng)系統(tǒng)需要得到較好的控制，因此該工藝管理要求較高，也成為此工藝的一大缺點。 A/A/O 法 對除磷脫氮 有一定 效果 ， 尤為 適合 對除磷脫氮有要求的污水處理 廠應(yīng)用 。吸附生物降解法簡稱 A/B 法，該工藝將曝氣池分為高、低負荷兩個階段，并各自擁有獨立的污泥回流及沉淀系統(tǒng)，沒有初沉池。對高濃度的城市污水的處理， AB 法節(jié)能效益高，適應(yīng)性強。而且對污水濃度也有要求，若濃度較低， B 段很難發(fā)揮優(yōu)勢。早在 1914 年，這種處理系統(tǒng)就被采用，但由于當時自動化水平較低，操作困難且工作量大，尤其是后來隨著城市和工業(yè)污水處理規(guī)模的日趨規(guī)?；?，這一缺點更加凸顯，所以曾經(jīng)連續(xù)式活性污泥法一度取代了間歇式活性污泥法。 SBR 法與傳統(tǒng)的污水處理工藝相比，其主要以時間分割代替空間分割操作，非穩(wěn)態(tài)生化反應(yīng)代替穩(wěn)態(tài)生化反應(yīng)，理想靜置沉淀代替動態(tài)沉淀等。 SBR 污水處理工藝主要特點如下： (1) 工藝簡單，造價低，運行方式靈活，脫氮除磷效果好； (2) 時間上間歇排水，具有理想的推流式反應(yīng)器的特性； (3) 耐沖擊負荷能力較強，污泥沉降性能好，不易產(chǎn)生污泥膨脹現(xiàn)象； 畢 業(yè) 設(shè) 計 7 本設(shè)計是針對中小型城市的污水處理，無論是從 工藝效率，還是從經(jīng)濟方面考慮， SBR 污水處理法都非常適合。當污水注入達到 SBR 反應(yīng)池預(yù)定水位時，停止進水，高水位指示燈亮，空氣閥門打開，鼓風機啟動，開始曝氣，在此同時污泥泵往 SBR 反應(yīng)池中打入活性污泥，開始反應(yīng)，如驅(qū)除 BOD、硝化、磷的吸收以及反硝化等。 4． 排水 SBR 池靜置一段時間后，污泥完全沉淀至 SBR 下層，上層清液由潷水器緩慢抽出，排入河道。根據(jù)硬件結(jié)構(gòu)的不同， PLC 可分為整體式和模塊式。 圖 31 整體式 PLC結(jié)構(gòu) 2． 模塊式 PLC 模塊式（又稱組合式）結(jié)構(gòu)的 PLC，其中央處理器（ CPU）、存儲器、輸入 /輸出（ I/O）單元、電源電路和通信端口等均做成模塊，各模塊間通信通過機架上的總線互相聯(lián)系，應(yīng)用時根據(jù)控制要求將這些模塊插在機架上?？梢詷?gòu)成不同控制規(guī)模和功能的 PLC，但同時價格也比較高。也就是說，繼電器控制裝置根據(jù)輸入和邏輯控制結(jié)構(gòu)就可以得到輸出，而 PLC 控制器不行，需要輸入、執(zhí)行程序指令、輸出 3 個階段才能完成整個控制 過程 [7]。從相應(yīng)的輸入存儲單元讀入輸入信號的狀態(tài)和采集到的數(shù)據(jù)，然后根據(jù)程序內(nèi)部設(shè)定的繼電器、定時器、計數(shù)器等數(shù)據(jù)寄存器的 狀態(tài)和數(shù)據(jù)進行邏輯運算，得到運算結(jié)果，存入相應(yīng)的輸出存儲器單元。 2． PLC 的 I/O 響應(yīng)時間 I/O 響應(yīng)時間是指從某一輸入信號變化開始到系統(tǒng)相關(guān)輸出端信號的改變結(jié)束，這段時間就是 I/O 反應(yīng)時間?？紤]到輸入電路和輸出電路的延時，所以最短響應(yīng)時間應(yīng)大于一個掃描周期。 端口地址 元件 說明 自動 開關(guān) SB0 集水池高水位信號 SB1 SBR1 池高水位信號 SB2 SBR1 池低水位信號 SB3 SBR2 池高水位信號 SB4 SBR2 池低水位信號 SB5 SBR 池手動進水開關(guān) SB6 集水池低水位信號 SB7 緊急停車 SB8 啟動鼓風機 SB9 啟動進泥泵 SB10 手動 /自動開關(guān) SB11 啟動潷水器 SB12 啟動排泥泵 SB13 關(guān)閉排泥泵 SB14 手動開關(guān) SB15 進水泵 Q0 粗 /細格柵機 Q1 排污傳送帶 Q2 集水池進水泵 Q3 SBR 池進水泵 Q4 SBR1 池進水閥 Q5 SBR2 池進水閥 Q6 潷水器 Q7 SBR1 池鼓風機 Q10 SBR2 池鼓風機 Q11 SBR2 池出水閥 Q12 SBR1 池出水閥 Q13 進泥泵 Q14 表 31續(xù) I/O口分配 畢 業(yè) 設(shè) 計 12 端口地址 元件 說明 SBR1 池進泥閥 Q15 SBR2 池進泥閥 Q16 排泥泵 Q17 集水池高水位 Q20 集水池低水位 Q21 SBR1 高水位 Q22 SBR1 低水位 Q23 SBR2 高水位 Q24 SBR2 低水位 Q25 根據(jù)系統(tǒng)功能要求，合理分配 PLC 各 I/O 口。 4． 鼓風機的控制要求在無負載條件下起動或停機，需要在曝氣管路上設(shè)置空氣閥。 畢 業(yè) 設(shè) 計 13 硬件電路設(shè)計 1． 主電路設(shè)計 SBR 污水處理電氣控制系統(tǒng)主電路如圖 33 所示。 2． PLC 控制電路設(shè)計 包括 PLC 硬件結(jié)構(gòu)配置及 PLC 控制原理電路設(shè)計。圖 34 為 SBR 污水處理系統(tǒng) PLC 控制外部接線圖。 接觸器選型 在控制系統(tǒng)中，所有設(shè)備是根據(jù)控制面板上的按鈕情況或者根據(jù)傳感器的反饋值進行動作的，因此需要 PLC 根據(jù)當前的工作情況，以及按鈕的情況來控制所有設(shè)備的啟停，在此用到了大量接觸器：如格柵機接觸器、鼓風機接觸器、各種泵 接觸器、電磁閥接觸器等。 投入式液位計應(yīng)用十分廣泛，在石油化工、 冶金 、電力、制藥、供排水、環(huán)保等行業(yè)中都有應(yīng)用。 圖 35 投入式液位 計 投入式液位計 利用流體靜力學原理測量液位 ，其 中間帶有通氣導(dǎo)管 電纜及專門的密封技術(shù)，既保證了傳感器的水密性，又使得參考壓力腔與環(huán)境壓力相通，從而保證了測量的高精度和高穩(wěn)定性。因而，潷水器是 SBR 工藝排水的最好選擇，它只撇出活性污泥沉淀后的上清水，在水位下降過程中保持水面平穩(wěn)，不擾動下面的污泥層。 3． 旋轉(zhuǎn)式潷水器 優(yōu)點是運行可靠、負荷大，適用于大型裝置，應(yīng)用最為廣泛。 虹吸式潷水器 性能可靠，價格便宜，是本設(shè)計的第一選擇 。在此模式下，可以通過按鈕對粗 /細格柵 機、鼓風機，潷水器，以及各類泵進行控制。 原污水 圖 43 自動操作模式 流程圖 粗 / 細格 柵機 集水池 SBR池 潷水器 皮帶運輸機 鼓風機 污泥池 清水排出 畢 業(yè) 設(shè) 計 19 1． 粗 /細格柵流程設(shè)計 粗 /細格柵系統(tǒng)由粗 /細格柵除污機各一臺，由時間間隔控制其開或者停。 畢 業(yè) 設(shè) 計 21 2 集水池設(shè)計 污水經(jīng)過粗 /細格柵除污機后進入集水池，當集水池處于低水位時，關(guān)閉集水池后面與其相連的所有閥門。 SBR池內(nèi)進水閥門同時開啟，當 1SBR 池與 2SBR 池水位升到一定液位后集水池閥門，進水泵與粗 /細格柵除污機全部停止。低水位指示燈滅， SBR 池再次進入污水。 上位機界面設(shè)計 組態(tài)軟件的介紹 組態(tài)軟件由組態(tài)環(huán)境和模擬運行環(huán)境兩個部分組成。模擬運行環(huán) 境由圖形界面運行程序、實時數(shù)據(jù)庫運行程序等若干個運行程序組成。首先定義連接與驅(qū)動設(shè)備用的數(shù)據(jù)變量，其目的是實現(xiàn)上下位機通訊，即通過設(shè)備窗口配置數(shù)據(jù)采集與控制輸出設(shè)備實現(xiàn)計算機與智能儀表之間的連接。此過程在用戶窗口實現(xiàn)，主要用于完成工程中人機交互的界面，如：水池水位變化的動態(tài)顯示、高低水位報警輸出、水位歷史數(shù)據(jù)與曲線圖表等。 6． 鏈接。當以上步驟完成以后，先進行組態(tài)檢查通過后就可以進入運行環(huán)境進行調(diào)試 [14]。 (3) 要擬定工程的總體規(guī)劃和設(shè)想，要考慮許多問題如系統(tǒng)需要實現(xiàn)哪些功能，控制流程采用何種方式實現(xiàn)，需要設(shè)定何種用戶窗口界面，最終達到的動畫效果怎樣以及怎么定義實時數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)變量等。在登入狀態(tài)下，不同的用戶有不同的權(quán)限，可以對給予授權(quán)的 畢 業(yè) 設(shè) 計 26 參數(shù)進行修改。 定義數(shù)據(jù)對象的內(nèi)容主要包括： 1． 定義數(shù)據(jù)變量名稱與類型； 2． 確定數(shù)據(jù)變量存盤信息，如存盤的周期、存盤的時間和保存期限等。如果想了解污水池的液位、電機的狀態(tài)等情況，可以切換到某個分畫面。畫完后如圖 411 所示。在 “ 大小變化 ” 頁按圖 413 進行屬性設(shè)置。 (6) 單擊 “ 保存 ” 按鈕。實時報警可提示操作人員進行及時處理，避免事故發(fā)生。選取“工具箱”中的“報警顯示”構(gòu)件。在通用設(shè)備中選擇“通用串口父設(shè)備”和“ 西門子 _S700PPI”，點擊確認。 圖 414 報警窗口 畢 業(yè) 設(shè) 計 30 圖 416 通用串口父設(shè)備屬性編輯 以上參數(shù)設(shè)置，要按照所通訊設(shè)備的要求來設(shè)置，如果設(shè)置錯誤，會導(dǎo)致無法正常通訊。 本驅(qū)動構(gòu)件用于 MCGS軟件讀寫西門子 S7200 系列 (包括 S7_21X、 S7_22X 等 )PLC 設(shè)備的各種寄存器的數(shù)據(jù) ， 采用西門子 PPI 協(xié)議，串口子設(shè)備，須掛接在“通用串口父設(shè)備”下才能工作。根據(jù)實時數(shù)據(jù)庫中設(shè)置的各開關(guān)量以及 PLC 編程中使用的各 I/O 口，增加合適的通道用來與 PLC 通信。 圖 420 添加腳本圖 為使界面能夠單獨運行，所以在集水池、 SBR1 池、 SBR2 池進 /出水需要用到腳本程序，其中鼓風機運作時間控制需要用到定時器或者延時函數(shù)。 MCGS 自動界面如圖 422 所示 。 本設(shè)計還設(shè)定了， SBR 池高低水位報警設(shè)定，集水池和兩 SBR 池水位實時曲線、歷史曲線顯示，如圖 423 所示。試驗調(diào)試就是根據(jù)工業(yè)應(yīng)用的特定環(huán)境對設(shè)計進行檢查，看它是否能達到預(yù)期的目標。限于該軟件條件的限制，需修改 PLC 程序中部分 I/O 端口再進行模擬仿真。裝載完成之后即可啟動程序，對已經(jīng)編寫好的 PLC 程序進行模擬仿真。 畢 業(yè) 設(shè) 計 38 圖 56 SBR2池滿設(shè)備動作 一分鐘后， SBR1 池進泥閥（ ）與鼓風機 ()停止， SBR1 池靜置，如圖 57 所示 圖 57 SBR1池靜置 一段時間后， SBR2 池鼓風機 ()、進泥電磁閥 ()和進泥泵 ()全部停止， SBR2 池也進入靜置階段，如圖 58 所示 圖 58 SBR SBR2池。 畢 業(yè) 設(shè) 計 36 圖 52 粗 /細格柵啟動狀態(tài) 當集水池達到高水位即 =1 時，集水池高水位指示燈（ ）亮 10 秒，同時所有泵停止工作，如圖 53 所示 圖 53 集水池高水位狀態(tài) 定時到達， 滅，同時 SBR1 池進水閥 ()打開，進水泵 ()啟動，如圖 54 所示： 畢 業(yè) 設(shè) 計 37 圖 54 SBR1池進水 當 SBR1 池到達高水位，傳感器（ ）相應(yīng)，高水位指示燈 ()亮，同時 SBR2 池進水閥（ ）打開， SBR2 池開始進水，鼓風機（ Q10）、進泥泵（ Q14）SBR1 池進泥閥（ Q15）打開如圖 55 所示。使用該軟件模擬之前需要將已經(jīng)編寫好的 PLC 程序在“ STEP 7 MicroWIN SP6”軟件環(huán)境中“編譯”并“導(dǎo)出”。 模擬 調(diào)試 限于實驗室條件的限制，需要先利用軟件對已經(jīng)設(shè)計好的 PLC 程序進行模擬調(diào)試，本次設(shè)計采用 S7_200 漢化版 的軟件對 PLC 程序進行模擬仿真。集水池和兩 SBR 池的實時水位情況可以在圖 423 左上角 顯示，歷史水位情況在圖 423 右上角顯示。設(shè)定好運行次數(shù)，按下 start 開關(guān)，系統(tǒng)自動運行，當?shù)竭_設(shè)定次數(shù)時，系統(tǒng)