【正文】 .......................... 42 謝辭 .............................................................................................................................. 43 參考文獻(xiàn) ...................................................................................................................... 44 附錄一 PLC 程序控制梯形圖 ................................................................................... 45 附錄二 MCGS 腳本程序 ........................................................................................... 55 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 1 1 緒 論 設(shè)計(jì)背景 水是人類生活中必不可 少的，尤其隨著工業(yè)的發(fā)展無(wú)論是生活還是生產(chǎn)中對(duì)水資源的需求量越來(lái)越大。而且在全國(guó) 500 多個(gè)城市中，許多北方城市嚴(yán)重缺水，加之水資源的空間分布極不缺水現(xiàn)象更為其嚴(yán)重，人均擁有淡水量?jī)H有全國(guó)人均的1/10??1 。 隨著社會(huì)的發(fā)展，水資源已經(jīng)成為影響人民生活的重要因素，加之目前我國(guó)城市用水重復(fù)利用率小。環(huán)境污 染的加重，水資源日益減少、水質(zhì)日益惡化等一系列問(wèn)題，都需要我們通過(guò)污水處理問(wèn)題解決。世界各國(guó)為了突破由水資源短缺而造成經(jīng)濟(jì)發(fā)展停滯的障礙，越來(lái)越重視水處理技術(shù)，希望通過(guò)各種水處理技術(shù)提高所供應(yīng)的生活用水質(zhì)量、工業(yè) 用水質(zhì)量，從而提高經(jīng)濟(jì)效益。 研究目的和意義 隨著社會(huì)的不斷進(jìn)步，經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，人民的生活水平也在不斷地提高，但 環(huán)境問(wèn)題卻不容樂(lè)觀。在我國(guó)各城市中約有 300 個(gè)城市缺水，其中 50個(gè) 城市嚴(yán) 重缺水。 污水處理現(xiàn)狀 國(guó)外的污水處理廠很早就實(shí)現(xiàn)了污水處理 自動(dòng)化， 如 DCS/FCS 系統(tǒng) ，之所以會(huì)有這樣的效果是因?yàn)閲?guó)外 控制技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通 訊技術(shù)以及現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù) 發(fā)展比較快 ， 并成功 將 SCADA 技術(shù)引入到了 污水處理 工程中， 效果非常好 。 70 年代 開(kāi)始 采用熱工儀表， 在污水處理控制方面基本 實(shí) 現(xiàn)了 集中巡檢； 80 年代 ， DCS 系統(tǒng) 及 分析儀表 廣泛應(yīng)用于污水處理控制中 ； 90 年代， 眾多 大型污水處理廠 投資建成，使 我國(guó)污水處理控制系統(tǒng)的自動(dòng)化水平 ， 提升 很快 。 半自動(dòng)控制 模式 ： 顧名思義，半自動(dòng)模式只通過(guò) 上位機(jī) 界面按鈕遠(yuǎn)程 遙控部分設(shè)備的啟停， 有一部分設(shè)備還是需要現(xiàn)場(chǎng)工作人員進(jìn)行手動(dòng)處理的。 在 生產(chǎn)過(guò)程中 下位機(jī)采集的數(shù)據(jù)送到上位機(jī)， 數(shù)據(jù)通過(guò)相應(yīng) 運(yùn)算處理， 通信網(wǎng)送入下位機(jī) 的 PLC 控制單元 ， 實(shí)現(xiàn) 通過(guò)上位機(jī)界面遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)控制 現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的 要求 。 主要任 務(wù)： 1． 研究常用的污水處理方法，設(shè)計(jì)可行性解決方案，并根據(jù)方案對(duì)過(guò)程儀表進(jìn)行選型； 2． 編寫(xiě) PLC 控制程序（順序梯形圖），采用手動(dòng)控制和自動(dòng)運(yùn)行兩種控制模式完成對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的過(guò)程監(jiān)控功能； 3． 采用組態(tài)軟件設(shè)計(jì)友好的人機(jī)監(jiān)控界面，完成現(xiàn)場(chǎng)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(bào)警顯示等功能； 4． 在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行聯(lián)機(jī)測(cè)試，完成系統(tǒng)功能。這些方法根據(jù)實(shí)際情況，可以單一使用，也可以混合使用。傳統(tǒng)活性污泥處理法是一種古老的工業(yè)污水處理工藝，其核心組成部分為曝氣池與沉淀池，其處理流程如圖 21 所示。 曝氣池 （微生物吸附有機(jī)物氧化為無(wú)機(jī)物） 沉淀池 （活性泥下沉） 回流活性泥 原污水 清水排出 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 5 2． A/O 法。其工藝流程如圖 22 所示： 圖 22 A/O法工藝流程圖 3． A/A/O 法。因此，在對(duì)除磷脫氮有 要求 的 中 /小型 污水處理廠，一般首選 A/A/O 工藝。 A 段負(fù)荷較高，停留時(shí)間大約為 20 到 40 分鐘，主要是生物絮凝吸附發(fā)揮作用，與此同時(shí)發(fā)生不完全的氧化反應(yīng)，對(duì) BOD 的去除效率大于 50%。若采用污泥硝化和沼氣利用等工藝，優(yōu)勢(shì)更加明顯。 總體而言， AB 法對(duì)于濃度高的污水處理比較好，具有污泥硝化等后續(xù)處理設(shè)施且對(duì)于有脫氮要求 不高的大中規(guī)模的城市工業(yè)污水處理廠。近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)和自動(dòng)控制技術(shù)的飛速發(fā)展，SBR 法的以上弊端得到較好的解決。單個(gè)操作單元間歇進(jìn)行，但通過(guò)多個(gè)單元組合調(diào)度后整個(gè)操作過(guò)程又是連續(xù)的，從而實(shí)現(xiàn)有序而間歇的運(yùn)行。所以本設(shè)計(jì)通過(guò) PLC 程序控制 SBR 污水處理法，對(duì)城市污水進(jìn)行處理。設(shè)定好曝氣時(shí)間，時(shí)間到達(dá)鼓風(fēng)機(jī)與污泥泵停止。當(dāng)池水位達(dá)到設(shè)定的最低水位時(shí)，潷水器停止運(yùn)行。 1． 整體式 PLC 整體式又稱單元式或箱體式結(jié)構(gòu)的 PLC，其主要 由中央處理器（ CPU）、存儲(chǔ)器、輸入 /輸出（ I/O）單元、電源和通信端口等組成在同一機(jī)體內(nèi)。其中 PLC 的CPU 和存儲(chǔ)器設(shè)計(jì)在一個(gè)模塊上，有時(shí)把電源也放在這一模塊上，該模塊在總線上的安裝位置一般是固定的?；窘Y(jié)構(gòu)如圖32 所示。 1． 循環(huán)掃描技術(shù) 循環(huán)掃描技術(shù)可以分為輸入階段（將外部輸入信號(hào)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(hào)傳送到外部設(shè)備） 3 個(gè)階段。執(zhí)行完成后，進(jìn)入輸出階段。因?yàn)?PLC 采用循環(huán)掃描工作方式，所以收到輸入信號(hào)的時(shí)刻不 同，輸出端信號(hào)改變時(shí)刻也不對(duì)應(yīng)相同，響應(yīng)時(shí)間的長(zhǎng)短也就不同。 最長(zhǎng)響應(yīng)時(shí)間：在一個(gè)掃描剛完成輸入讀取后才接到輸入信號(hào)，這樣這個(gè)輸入信號(hào)在該掃描周期將不會(huì)發(fā)生變化，要等到下個(gè)掃描周期才能得到響應(yīng)，這時(shí)的響應(yīng)時(shí)間最長(zhǎng) [8]。 SBR 法的總體設(shè)計(jì) 方案設(shè)計(jì) 1． SBR 廢水處理系統(tǒng)控制對(duì)象電動(dòng)機(jī)均由交流接觸器完成起、?？刂?。 5． 主電路用斷路器， 各負(fù)載回路和控制回路以及 PLC 控制回路采用熔斷器，實(shí)現(xiàn)短路保護(hù)。 M3~FRFUM3~FRFUM3~FRFUM3~FRFUM3~FRFUM3~FRFUM3~FRFUM3~FRFUM3~FRFUM3~FRFUQF001112022333444777101010111111141414 171717進(jìn)水泵粗/細(xì)格柵機(jī)排污傳送機(jī) 集水池進(jìn)水泵SBR池進(jìn)水泵潷水器SBR1池鼓風(fēng)機(jī) SBR2池鼓風(fēng)機(jī)進(jìn)泥泵排泥泵 圖 33 SBR污水處理電氣控制系統(tǒng)主電路 主回路中交流接觸器 KM0、 KM KM KM KM KM KM KM1KM1 KM17分別控制 進(jìn)水泵 M0、粗 /細(xì)格柵 機(jī) M 排污傳送機(jī) M集水池進(jìn)水泵 M SBR 池進(jìn)水泵 M 潷 水器 M SBR1 鼓風(fēng)機(jī) M SBR2 鼓風(fēng)機(jī) M1污泥泵 M14 和排泥泵 M17。 硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 14 PLC輸入回路中，信號(hào)電源由 PLC本身的 24V直流電源提供，所有輸入 COM端短接后接入 PLC 電源 DC24V 的（＋）端。 在選擇接觸器方面，要選選擇使用 壽命長(zhǎng) ， 適應(yīng)性強(qiáng)，通用性強(qiáng) 的，從而能夠適用于較惡劣的污水處理 環(huán)境 [11]。再加之其結(jié)構(gòu)精巧，調(diào)校簡(jiǎn)單和安裝方式靈活，用戶能夠輕松地使用。因此，本設(shè)計(jì)選用投入式液 位傳感器 [12]。 大體上分以下幾種潷水器，控制要求不同，可以選擇不同的潷水器進(jìn)行排水處 理。缺點(diǎn)是對(duì)機(jī)械、電動(dòng)裝置要求較高。 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 17 4 軟件設(shè)計(jì) PLC 程序設(shè)計(jì)分析 整體設(shè)計(jì)流程 根據(jù)系統(tǒng)的控制要求，控制過(guò)程可以分為手動(dòng)控制功能和自動(dòng)運(yùn)行功能。 圖 42手動(dòng)操作模式流程圖 開(kāi)始 自動(dòng) ? 自動(dòng)控制 手動(dòng)控制 結(jié)束 N Y 手動(dòng)控制 粗 / 細(xì)格柵機(jī)啟動(dòng) 鼓風(fēng)機(jī)啟動(dòng) 潷水器啟動(dòng) 集水池進(jìn)水泵啟 動(dòng) SBR池進(jìn)水泵啟 動(dòng) 進(jìn)泥泵啟動(dòng) 排泥泵啟動(dòng) 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 18 自動(dòng)設(shè)計(jì)流程 根據(jù)污水處理的工藝流程圖編寫(xiě) PLC 程序，在污水進(jìn)入集水池之前，通過(guò)粗 /細(xì)格柵及皮帶運(yùn)輸機(jī)子程序，使污水依次經(jīng)過(guò)粗 /細(xì)格柵，濾除大塊垃圾和漂浮物；然后污水進(jìn)入集水池，到達(dá)高水位時(shí)，停止泵水，高水位指示燈亮，污水流入 SBR 處理池，當(dāng)集水池中水位下降到低水位時(shí)，停止排水，低水位指示燈亮 2S，再次泵入污水 ；當(dāng) SBR 池中污水到達(dá)高水位時(shí)，停止泵入污水，延時(shí)程序啟動(dòng)，鼓風(fēng)機(jī)吹風(fēng)，一定時(shí)間后，鼓風(fēng)機(jī)停止運(yùn)作，上層清水由潷水器排出，當(dāng)水位下降到低水位時(shí)低水位指示燈亮并處理污泥。為了調(diào)試方便，設(shè)置開(kāi) 10S，關(guān) 10S。集水池中應(yīng)用 2 個(gè)液位傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)集水池中水位的變化，當(dāng)水位到達(dá)高 /低 水位時(shí)，高 /低 水 位指示燈亮。 進(jìn)水閥門(mén)關(guān)閉后，空氣閥門(mén)開(kāi)啟，污泥泵同時(shí)開(kāi)啟。 圖 48 SBR反應(yīng)池設(shè)計(jì)流圖 N 開(kāi)始 集水池高水位？ SBR池進(jìn)水泵運(yùn)作 進(jìn)水泵停止，鼓風(fēng)機(jī)運(yùn)作 到達(dá)設(shè)定時(shí)間？ 鼓風(fēng)機(jī)停止，進(jìn)行靜置 到達(dá)設(shè)定時(shí)間 潷水器運(yùn)作 SBR 池低水位？ 鼓風(fēng)機(jī)停止 集水池低水位？ SBR 反應(yīng)池高水位？ Y 結(jié)束 Y N N Y N Y N Y 自動(dòng)運(yùn)行 Y 集水池進(jìn)水 N 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 24 根據(jù) SBR 反 應(yīng) 池 設(shè) 計(jì) 流 圖 編 寫(xiě) 梯 形 圖 程 序 參 見(jiàn) 附 錄 一Network13Network34。組態(tài)環(huán)境是工程師根據(jù)需要設(shè)計(jì)自動(dòng)化工程實(shí)施方案必須依賴的工作環(huán)境。 MCGS 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖 49 所示。 3． 定義數(shù)據(jù)庫(kù)。 5． 建立主控窗口新工程。動(dòng)畫(huà)鏈接是將圖符與數(shù)據(jù)庫(kù)變量建立聯(lián)系，當(dāng)數(shù)據(jù)庫(kù)變量發(fā)生變動(dòng)時(shí)圖符就表現(xiàn)出來(lái)。 設(shè)計(jì) 要求及效果 1． 界面設(shè)計(jì)要求 (1) 污水處理遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。而且，必須分清變量，如那些變量是與設(shè)備相連接的，哪些變量是軟件內(nèi)部用來(lái)實(shí)現(xiàn)動(dòng)畫(huà)顯示的等 [15]。在中央控制室的操作人員都可以對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行啟、?？刂啤１驹O(shè)計(jì)需要的數(shù)據(jù)變量如圖 410 所示。點(diǎn)擊“系統(tǒng)管理”將會(huì)出現(xiàn)下拉菜單“用戶窗口管理”、“退出系統(tǒng)”，點(diǎn)擊想要實(shí)現(xiàn)的功能。 圖 411 工藝流程主畫(huà)面 2． 動(dòng)畫(huà)連接 (1) 在水位監(jiān)控畫(huà)面中雙擊集水池，彈出屬性設(shè)置窗口，進(jìn)入 “ 動(dòng)畫(huà)連接 ”頁(yè)如圖 412 所示。 圖 413 縮放連接 (4) 單擊 “確認(rèn) ”按鈕，完成粗格柵除污池的設(shè)置。 (7) 進(jìn)入允許環(huán)境，按下開(kāi)始按鈕，可觀察到水罐水位的升降變化的動(dòng)畫(huà)效果。歷史報(bào)警能對(duì)指定時(shí)間內(nèi)的所有參數(shù)越限情況進(jìn)行記錄、顯示和打印，以便對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行情況進(jìn)行分析。如圖 414 所示。在設(shè)備管理中先雙擊“通用串口父設(shè)備”再雙擊“ 西門(mén)子 _S700PPI”。在設(shè)置過(guò)程中需要注意串口端號(hào)的選擇，其選擇需要與連接 PLC的串口端號(hào)一致， “ 數(shù)據(jù)校驗(yàn)方式 ” 選擇 “ 2偶校驗(yàn) ” ，否則在需要 PLC 連接實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控時(shí)會(huì)出現(xiàn)圖 417 顯示的界面。 添加完成之后雙擊，對(duì)其屬性設(shè)置，如圖 418 所示。 腳本程序介紹 打開(kāi)“運(yùn)行策略”窗口，單擊右側(cè)“新建策略”選擇“循環(huán)策略”，雙擊新建的循環(huán) 策略進(jìn)入，雙擊 圖標(biāo)進(jìn)入“策略屬性設(shè)置”，設(shè)定“循環(huán)時(shí)間”設(shè)為 ： 500ms， 單擊確定。控制本次設(shè)計(jì)模擬運(yùn)行的的腳本程序參見(jiàn)附錄二。 圖 422 自動(dòng)界面 在自動(dòng)模式下，首先在輸入框輸入運(yùn)行次數(shù)，否則不能運(yùn)行。 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 34 圖 423 報(bào)表輸出 系統(tǒng)無(wú)論進(jìn)入自動(dòng)模式還是手動(dòng)模式，可以 根據(jù)需要設(shè)定兩 SBR 池水位上限和下限，其上下限值初始設(shè)定分別為 450 和 50，當(dāng)?shù)竭_(dá)此水位時(shí)，進(jìn)行報(bào)警顯示。 然后根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)各種狀況來(lái)進(jìn)一步 完善設(shè)計(jì)，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。 可以在“配置”菜單下選擇需要的 PLC 型號(hào)。 啟動(dòng)系統(tǒng)，按下 進(jìn)水泵 啟動(dòng)， 5 秒鐘以后粗 /細(xì)格柵除污機(jī) 、 及集水池進(jìn)水泵 同時(shí)啟動(dòng)，如變化如圖 52