【正文】 25 年，世界將近一半的人口會生活在缺少的地區(qū)。同時，人類社會在工業(yè)化的進程中大量消耗水資源的同時，排出大量污水，污染江河湖泊，危害生態(tài)環(huán)境，造成嚴重后果。居世界第6位，人均水資源量為 2220m178。水資源的匱乏和水資源的污染，已經(jīng)河北工程大學(xué)科信學(xué)院畢業(yè)設(shè)計說明書 2 嚴重的影響了人民的日常生活，嚴重的影響了我國的經(jīng)濟建設(shè)和發(fā)展。、美國為 179。 課題的背景 未來 10 年，中國污水處理項目工程建設(shè)投資將超過 2500 億元，其中污水處理設(shè)備投入約 300億元。其中處理過的污水還可以循環(huán)再利用，由于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)和城市嚴重缺水。 當(dāng)今國內(nèi)外污水處理自控系統(tǒng)發(fā)展?fàn)顩r 國外污水處理自控系統(tǒng)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。一些發(fā)達國家經(jīng)過幾十年的努力，污水處理率已經(jīng)達到了 80%～ 90%，成功的解決了來自于城市和工業(yè)的水源污染問題。國外同時注重水處理中 PLC 的開發(fā)，相繼研制出了一些智能、穩(wěn)定、小巧的控制單元，如 AB公司的 SLC 系列、 Siemens的 S7系列、 Schneider 的 TSX Quantum 系列：同時國外也很重視在線儀表的研制，如德國 E+H 公司，美國的哈希公司相繼研制了溶解氧 DO（ Dissolved Oxygen）、化學(xué) 需氧量COD（ Chemical Oxygen Demand）分析儀。 （ 2） 大量采用在線監(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。 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成投產(chǎn)，我國污水處理控制系統(tǒng)的自動化水平有了很大提高。大部分以前建設(shè)的污水廠自動化程度仍然很低，仍采用人工巡檢的方式。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。 課題的主要研究內(nèi)容 本課題論述了污水處理工藝及污水處理系統(tǒng)的組成和 PLC控制系統(tǒng)設(shè)計，主要由以下內(nèi)容組成： （ 1）介紹了污水處理的基本內(nèi)容，包括污水處理的發(fā)展、現(xiàn)狀以及污水處理的工藝流程； （ 2）介紹了 PLC 的基本結(jié)構(gòu)和工作原理，并對污水處理控制系統(tǒng)進行設(shè)計分析； （ 3）具體分析設(shè)計污水處理的部分硬 件系統(tǒng)； （ 4）具體分析設(shè)計污水處理的部分軟件系統(tǒng)。水處理的目的不外乎三種： （ 1）去除水中的影響使用水質(zhì)的雜質(zhì) 以及污泥的處置，這是最主要的內(nèi)容； （ 2）為了滿足用水的要求，在水中加入新的成分以改變水的化學(xué)性質(zhì)，如食用水中加氟以防止齲齒病，循環(huán)冷卻水中加緩濁劑以控制腐蝕和結(jié)垢等； （ 3）改變水的物理性質(zhì)的處理，如水的冷卻，降低水的粘滯度等。國外一些先進、高效的污水處理專用設(shè)備也進入了我國污水處理行業(yè)市場，如柵格機、潛水泵、除砂裝置、刮泥機、曝氣器、鼓風(fēng)機、污泥泵、脫水機、沼氣發(fā)電機、沼氣鍋爐、污泥消化攪拌系統(tǒng)等大型設(shè)備與裝置。采用卡羅塞爾氧化溝工藝的城市污水處理廠大部分為外貨項目。 目前我國新建 及在建的污水處理廠所采用的工藝中，各種類型的活性污泥法仍為主流，占 90%以上，其余則為一級處理、強化一級處理、生物膜法及其他處理工藝相結(jié)合的自然生態(tài)凈化法等污水處理工藝技術(shù)。 生物化學(xué)處理是利用微生物處理污水中的有機污染物的一種工藝。 預(yù)處理：主要包括格柵和沉砂池。 二級處理工藝：主要由曝氣池和而沉淀池構(gòu)成。主要目的是為了滿足高標(biāo)準(zhǔn)的受納水體要求或會用于工業(yè)等特殊用途，它是城市污水處理未來發(fā)展的方向。近年來，隨著計算機和自動控制技術(shù)的飛速發(fā)展，這一弊端得到很好的解決。間歇式活性污泥曝氣法在流態(tài)上雖然屬 完全混合式，但在有機物降解方面，則是時間上的推流。 l987 年國際電工技術(shù)委 員會（ International Electrotechnical Commission， IEC）頒布的 PLC標(biāo)準(zhǔn)草案對 PLC 做了如下定義：“ PLC是一種專門為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計的數(shù)字運算操作的電子裝置。這種由繼電器構(gòu)成的控制系統(tǒng)存在明顯的缺點，尤其是對生產(chǎn)工藝多變的系統(tǒng)適應(yīng)性較差。 PLC 初創(chuàng)階段的代表產(chǎn)品有 MODICON 公司的 08 AB公司的 PDQIl、 DEC的 PDP． 14和日立公司的 SCY． 022等。 而通用汽車公司（ GM）公司為了適應(yīng)生產(chǎn)工藝不斷更新的需求，從用戶角度提出了新一代控制器應(yīng)具備的 10 項指標(biāo)： （ 1） 編程方便可現(xiàn)場修改程序 （ 2） 維修方便采用模塊化結(jié)構(gòu) （ 3） 可靠性高于繼電器控制裝置 （ 4） 體積小于繼電器控制組裝置 （ 5） 具有數(shù)據(jù)通信功能數(shù)據(jù)可直接送入計算機管理 （ 6） 成本可與繼電器控制系統(tǒng)競爭 河北工程大學(xué)科信學(xué)院畢業(yè)設(shè)計說明書 9 （ 7） 輸入可為市電 （ 8） 輸出可為市電容量要求在 2A 以上，可直接驅(qū)動接觸器、電磁閥等 （ 9） 易于擴展擴展時原系統(tǒng)改變最小 （ 10） 用戶存儲器大于 4KB 根據(jù)這 10 項指標(biāo)，美國數(shù)字設(shè)備公司 (DEC 公司 )于 1969 年研制出了世界上第一臺可編程控制器 PDP14，并在 GM公司的汽車生產(chǎn)線上使用成功，可編程控制器 自此誕生。目前，可編程控制器以實現(xiàn)從“單片機 控制自動化 —— 生產(chǎn)線控制自動化 —— 全廠生產(chǎn)自動化”的三級解決方案，成為工業(yè)自動化的核心控制設(shè)備。由于這些產(chǎn)品主要完成邏輯運算功能，因此，被稱為可編程序邏輯控制器（ PLC）。在此期間，國際電工委員會頒布了 PLC標(biāo)準(zhǔn)，似的 PLC 向標(biāo)準(zhǔn)化發(fā)展。產(chǎn)品系列不斷豐富，互通功能得到了較大的發(fā)展，系統(tǒng)性能日趨可靠、完善。 PLC 的結(jié)構(gòu) PLC 實質(zhì)是一種專用于工業(yè)控制的計算機，其硬件結(jié)構(gòu)基本上與微型計算機相同?；窘Y(jié)構(gòu)框圖如圖 31 所示。模塊式的特點是系統(tǒng)構(gòu)成靈活性高。 PLC 由于采用現(xiàn)代大規(guī)模集成電路技術(shù)，采用嚴格的生產(chǎn)工藝制造，內(nèi)部電路采取了先進的抗干擾技術(shù)，具有很高的可靠性。此外， PLC帶有硬件故障自我檢測功能，出現(xiàn)故障時可及時發(fā)出警報信息?？梢杂糜诟鞣N規(guī)模的工業(yè)控制場合。 3 易學(xué)易用，深受工程技術(shù)人員歡迎 PLC 作為通用工業(yè)控制計算機，是面向工礦企業(yè)的工控設(shè)備。 4 系統(tǒng)的設(shè)計、建造工作量小，維護方便，容易改造 PLC 用存儲邏輯代替接線邏輯，大大減少了控制設(shè)備外部的接線，使控制系統(tǒng)設(shè)計及建造的周期大為縮短，同時維護也變得容易起來。由于體積小很容易裝入機械內(nèi)部，是實現(xiàn)機電一體化的理想控制設(shè) 備 。如果兩種語言都會使用更好，因為它們之間可以相互轉(zhuǎn)換。衡量指令功能強弱可看兩個方面：一是指令條數(shù)多少；二是指令中有多少綜合性指令。 （ 3） 掃描速度數(shù)是指 PLC掃描 1k（ 1k=1024）字用戶程序所需的時間，通常以 ms/k字為單位，掃描速度越快越好。在編制 PLC 程序時，需要用到大量的寄存器來存放變量、中間結(jié)果、保持數(shù)據(jù)、定時計數(shù)、模塊設(shè)置和各種標(biāo)志位等信息。 PLC 的應(yīng)用與發(fā)展趨勢 可編程控制器的應(yīng)用領(lǐng)域 PLC 在鋼鐵、石油、化工、電力、建材、機械制造、汽車、輕紡、交通運輸、環(huán)保及文化娛樂等各個行業(yè)的應(yīng)用也越來越廣泛，主要可以歸納為以下幾類： （ 1） 開關(guān)量的邏輯控制 可編程控制器可實現(xiàn)邏輯控制、順序控制，也可用于單臺設(shè)備的控制，又可用于多機群控制及自動化流水線。從控制機構(gòu)配置來說，早期直接用開關(guān)量 I/O 模塊連接位置傳感器和執(zhí)行機構(gòu)，現(xiàn)在一般使用專用的運動控制模塊。作為工業(yè)控制計算機， PLC 能編制各種各樣的控制算法程序，完成閉環(huán)控制。這些數(shù)據(jù)可以與參考值比較，完成一定的控制操作。隨著現(xiàn)代社會計算機技術(shù)的提高，網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)的 不斷發(fā)展，它也將和其他的工業(yè)控制計算機組網(wǎng)構(gòu)成大型的控制系統(tǒng)，在工業(yè)及工業(yè)以外的眾多領(lǐng)域發(fā)揮越來越大的作用 。 1 循環(huán)掃描技術(shù) PLC 采用循環(huán)可以分為 3個階段：輸入階段（將外部輸入信號的狀態(tài)傳送到 PLC）、執(zhí)行程序階段和輸出階段（將輸出信號傳送到外部設(shè)備）。這一階段執(zhí)行完后，進入輸出階段。因為 PLC 的循環(huán)掃描工作方式，所以收到輸入信號的時刻不同，響應(yīng)時間的長短也就不同。 最長響應(yīng)時間：在一個掃描剛完成輸入讀取后才接到輸入信號，這樣這個輸入信號在該掃描周期將不會發(fā)生變化，要等到下個掃描周期才能得到響應(yīng)，這時的響應(yīng)時間最長。 （ 2）在滿足控制要求的前提下，盡量減少 PLC 系統(tǒng)硬件費用。 河北工程大學(xué)科信學(xué)院畢業(yè)設(shè)計說明書 16 圖 33 設(shè)計步驟示意圖 （ 1）控制要求分析 在設(shè)計 PLC 控制系統(tǒng)之前，必須對工藝過程進行細致的分析，詳細了解控制對象和控制要求，這樣才能真正明白自己所要完成的任務(wù)，并更好地完成任務(wù)，設(shè)計出令人滿意的控制系統(tǒng)。選擇包括機型、存儲器容量、輸入 /輸出模塊、電源模塊和智能模塊等。 開始設(shè)計 控制要求分析 確定輸入輸出設(shè)備 選擇合適的 PLC I/O 點數(shù)分配 PLC 程序設(shè)計 整理技術(shù)文件 設(shè)計結(jié)束 河北工程大學(xué)科信學(xué)院畢業(yè)設(shè)計說明書 17 （ 6）整理技術(shù)文件 這一步主要包括整理與設(shè)計有關(guān)的文檔，包括設(shè)計 說明書、 I/O接線原理圖、程序清單和使用說明書等。 （ 2）提污泵根據(jù)液位自動運行，兩臺提升泵一用 一 備，提污泵受調(diào)節(jié)池水位和清水池水位控制，當(dāng)調(diào)節(jié)池水位上升到高水位，清水池下降到低水位時啟動提污泵，調(diào)節(jié)池下降到低水位或清水池上升到高水位時，關(guān)閉提污泵。 （ 6）過濾泵根據(jù)液位自動運行，調(diào)節(jié)池高水位關(guān)進水電動閥門，低水位開進水電動閥門。 當(dāng)用水量較小時，用 2號 泵供水，當(dāng)用水量較大時，打開 1 號泵，兩臺同時供水。由于在該系統(tǒng)中需要檢測較多的數(shù)字輸入量，并且還要檢測模擬量的輸入，根據(jù)設(shè)定的程序進行數(shù)據(jù)處理后，輸出控制信號，因此系統(tǒng)的控制邏輯與時序就需要嚴格按照檢測信號的輸入進行控制。顯示面板由于要顯示較多的數(shù)據(jù) ，因此一般采用觸摸屏或 者人機界面 。 圖 41 電氣控制系統(tǒng)框圖 可編程邏輯控制器PLC 操作面板 液位高度傳感器輸入 液位差傳感器輸入 溶解氧儀反饋值（模擬量） 顯示面板 變頻器 風(fēng)機運行 各類泵運行 格柵機定時運行 河北工程大學(xué)科信學(xué)院畢業(yè)設(shè)計說明書 19 污水處理系統(tǒng)主電路設(shè)計 圖 4圖 4圖 44分別 為污水處理系統(tǒng)的 AC1柜、 AC2 柜、 AC3 柜 主回路 原理圖 ，圖 45為 AC3柜控制回路 原理圖。 圖 42 AC1 柜 動 力配電系統(tǒng)圖 河北工程大學(xué)科信學(xué)院畢業(yè)設(shè)計說明書 20 43 AC2 柜主回路原理圖 河北工程大學(xué)科信學(xué)院畢業(yè)設(shè)計說明書 21 圖 44 AC3 柜 主回路原理圖 河北工程大學(xué)科信學(xué)院畢業(yè)設(shè)計說明書 22 圖 45 AC3 柜 2供水泵控制原理圖 斷路器 QF：斷路器（曾稱自動開關(guān)）在電路中主要起到短路和過載保護作用，還可有欠電壓保護和遠距離分斷電源等功能，也可以直接操作不頻繁起動電動機和電路轉(zhuǎn)換作用。 熱繼電器 FR： 熱繼電器是間接斷開電路 ， 通過熱繼電器上的常開或者常閉觸點通知控制元件斷開接觸 器， 使主電路斷開，實現(xiàn) 電動機 的過載保護。在此采用 EM223 輸入 /輸出混合擴展模塊。 S7200系列的 CPU224 主機有 — 、 — 共計 14個輸入點和— 、 Q10— 10 個輸出點。另外，還有 2個高速脈沖輸出端（ 、 ），輸出脈沖頻率可達 PTO（高速脈沖束）和 PWM（寬度可變脈沖輸出）高速脈沖輸出。 圖 46 PLC 接線原理圖 圖 47 格柵機的控制電路 河北工程大學(xué)科信學(xué)院畢業(yè)設(shè)計說明書 25 圖 48 2提升泵的控制電路 圖 49 2過濾泵的控制電路 河北工程大學(xué)科信學(xué)院畢業(yè)設(shè)計說明書 26 圖 410 2加藥泵的控制電路 圖 411 2風(fēng)機的控制電路 河北工程大學(xué)科信學(xué)院畢業(yè)設(shè)計說明書 27 圖 412 電動閥的控制電路 圖 413 2反洗泵的控制電路 圖