【正文】 控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)分析； （ 3） 具體分析設(shè)計(jì) 工業(yè)污水處理 的硬件系統(tǒng)； （ 4）具體分析設(shè)計(jì) 工業(yè)污水處理 的軟件系統(tǒng) ； （ 5） 工業(yè)污水處理 系統(tǒng)的調(diào)試與運(yùn)行 。 污水污染物可根據(jù)化學(xué)性質(zhì)和物理形態(tài)進(jìn)行不同的分類(lèi)。有機(jī)物的種類(lèi)很多，其共性是在微生物的作用下被降解時(shí)，都要消耗水中的溶解氧，所以在工程實(shí)際中，采用以 下的幾個(gè)綜合污染指標(biāo)來(lái)表述：生物化學(xué)需氧量或生化需氧量 （ Biochemical Oxygen Demand, BOD） mg/L、 化學(xué)需氧量 (Chemical Oxygen Demand, COD) mg/L、 總有機(jī)碳 (Total Organic Carbon) mg/L、 總需氧量 (Total Oxygen Demand) mg/L。化學(xué)需氧量 (COD)的特點(diǎn)是能夠精確的表示污水中有機(jī)物的含量，并且測(cè)定時(shí)間短，但它不能像 BOD 那樣表示出微生物氧化的有機(jī)物量。這些方法根據(jù)實(shí)際情況，可以單一使用，也 可以針對(duì)不同的污水混合使用。 傳統(tǒng)活性污泥處理法是一種最古老的 工業(yè)污水處理工藝，其 工業(yè)污水處理 的關(guān)鍵組成部分為沼氣池與沉淀池，主要處理部分關(guān)系框圖如圖 21 所示 。 （ 2） A/O 法。但是此硝化 反硝化 反應(yīng)系統(tǒng)需要得到很好的控制，這樣就對(duì)該工藝提出了更高的管理要求，這也成為了該工藝的一大缺點(diǎn)。 A2O 法的除磷脫氮效果非常好，非常適合用于對(duì)除磷脫氮有要求的 工業(yè)污水處理 。 A/B 法是吸附生物降解法的簡(jiǎn)稱，該工藝沒(méi)有初沉淀，將曝氣池分為高低負(fù)荷兩段，并分別有獨(dú)立的沉淀和污泥回流系統(tǒng)。 B 段起到出水把關(guān)作用，處理穩(wěn)定性較好。另外，由于 A段去除了較多的 BOD，造成了碳源不足，難以實(shí)現(xiàn)脫氮工藝的要求。 SBR 法 是歇式活性污泥法的簡(jiǎn)稱，是一種按照一定的時(shí)間順序間歇式操作的污水生物處理技術(shù)，也是一種按間歇曝氣方式來(lái)運(yùn)行的活性污泥 工業(yè)污水處理 技術(shù)，又稱序批式活性污泥法。 西南科技大學(xué)應(yīng)用型自學(xué)考試畢業(yè)設(shè)計(jì) （論文） 7 本 設(shè)計(jì) 系統(tǒng) 工業(yè)污水處理 工藝及描述 ： 本 工業(yè)污水處理 工藝流程圖如下圖 24所示： 圖 24 工藝流程圖 污水由進(jìn)水系統(tǒng)通過(guò)粗格柵和清污機(jī)進(jìn)行初步排除大塊雜質(zhì)物體，到達(dá)除砂池中。同時(shí)在該系統(tǒng)中設(shè)置有溶解氧儀超聲波檢測(cè)器，通過(guò)它對(duì) 污 水中 的 含氧量 進(jìn)行 檢測(cè) ，根據(jù)其反饋到 PLC 的值來(lái)控制曝氣機(jī)變頻器的運(yùn)行，改變污水中溶解氧的含量。 工業(yè)污水處理 系統(tǒng)控制形式 早期的控制系統(tǒng)多采用繼電器 —— 接觸器控制系統(tǒng) ，但隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展，控制要求的不斷提高，該類(lèi)控制方法已不能滿足現(xiàn)代 工業(yè)污水處理 系統(tǒng)的控制要求，因此已逐漸被淘汰，取而代之的是 DCS、現(xiàn)場(chǎng)總線控制、 PLC 等控制方 。實(shí)現(xiàn)了真正的分散控制，使系統(tǒng)的危險(xiǎn)性分散，可靠性提高。 （ 2） 現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)。通信協(xié)議公開(kāi)，不同產(chǎn)品可互連?？刂乒δ軓?qiáng)。為實(shí)現(xiàn) 工業(yè)污水處理 技術(shù)的簡(jiǎn)易、高效、低能耗的功能， 并且實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的控制過(guò)程，采用 PLC 作為核心控制器是個(gè)較好的方案。 利用 PLC 作為控制器的 工業(yè)污水處理 系統(tǒng)主要涉及兩個(gè)方面： 一是信號(hào)輸入；二是控制輸出信號(hào)。 （ 2）液位差輸入檢測(cè)。 （ 4）含氧量輸入檢測(cè)。當(dāng)溶解氧值偏低時(shí)，降低了微生物分解的效果，延長(zhǎng)了處理時(shí)間，嚴(yán)重時(shí)甚至導(dǎo)致處理失效，因此需要增加曝氣機(jī)轉(zhuǎn)速以增加供氧量 ；當(dāng)溶解氧值偏高時(shí)，導(dǎo)致微生物過(guò)氧化，降低了其活性，也不利于處理，因此減小曝氣機(jī)轉(zhuǎn)速以減少供氧量，最終使污水中的溶解氧保持在一定的范圍內(nèi)。 （ 2）模擬量輸出通過(guò) PLC 中 PID 運(yùn)算后的數(shù)據(jù)，通過(guò)其功能模塊輸出控制信號(hào)，該控制信號(hào)輸入到變頻器的控制端 子上，改變變頻器的輸出頻率，從而控制曝氣機(jī)的轉(zhuǎn)速，最后達(dá)到控制污水中含氧量的要求。進(jìn)水系統(tǒng)主要有進(jìn)水管道和進(jìn)水泵房組成，進(jìn)水管道主要由粗格柵機(jī)和清污機(jī)組成，進(jìn)水泵房主要有兩臺(tái)潛水泵組成。除砂系統(tǒng)主要由細(xì)格柵系統(tǒng)和沉砂池組成，細(xì)格柵系統(tǒng)是由細(xì)格柵機(jī)和轉(zhuǎn)鼓清污機(jī)組成，沉砂池的主要設(shè)備是分離機(jī)。氧化溝系統(tǒng)由氧化溝和污泥回流系統(tǒng)構(gòu)成，氧化溝是工業(yè)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(guò)程叫復(fù)雜，包括轉(zhuǎn)碟曝氣機(jī)和潛水?dāng)嚢铏C(jī)，污水回流系統(tǒng)主要有污泥回流泵構(gòu)成。污水回流系統(tǒng)的污泥回流泵將剩余的污泥及使用過(guò)的污泥進(jìn)行處理，該設(shè)備的運(yùn)行與停止主要根據(jù)泵房?jī)?nèi)液位傳感器的狀態(tài)，當(dāng)液位低于某個(gè)值時(shí)停止回流泵的運(yùn)行；當(dāng)液位持續(xù)高于某個(gè)高位時(shí)，回流泵停止運(yùn)行同時(shí)輸出報(bào)警信號(hào)；液位處于正常狀態(tài)時(shí)，回流泵正常運(yùn)行。 (5）污泥脫水環(huán)節(jié)。由于在該系統(tǒng)中需要檢測(cè)較多的數(shù)字輸入量，并且還要檢測(cè)模擬量的輸入，根據(jù)設(shè)定的程序進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后，輸出控制信號(hào)，因此系統(tǒng)的控制邏輯與時(shí)序就需要嚴(yán)格照檢測(cè)信號(hào)的輸入進(jìn)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(jī)界面。 32 電氣控制系統(tǒng)框圖 工作過(guò)程 在手動(dòng)狀態(tài)下，各類(lèi)設(shè)備的控制是根據(jù)操作面板上的按鈕輸入來(lái)控制，無(wú)邏輯控制，即可不根據(jù)傳感器的狀態(tài)進(jìn)行控制。 (3）根據(jù)反饋回來(lái)的液位差狀態(tài)控制清污機(jī)的運(yùn)行與停止。 西南科技大學(xué)應(yīng)用型自學(xué)考試畢業(yè)設(shè)計(jì) （論文） 13 (7）在污泥脫水系統(tǒng)中，離心式脫水機(jī)的啟動(dòng)采用順序控制方式，依次啟動(dòng)其設(shè)備。選用的 MM430 變頻器是用來(lái)控制電機(jī) M M3變頻運(yùn)行的。在此采用EM223 輸入 /輸出混合擴(kuò)展模塊。西門(mén)子公司專門(mén)為 S7— 200 系列 PLC 配置了模擬量輸入輸出模塊 EM235，該模塊具有較高的分辨率和較強(qiáng)的輸出驅(qū)動(dòng)能力，可滿足控制系統(tǒng)的功能要求。 表 37 模擬量輸出地址分配 輸出地址 輸出設(shè)備 西南科技大學(xué)應(yīng)用型自學(xué)考試畢業(yè)設(shè)計(jì) （論文） 16 AQW0 經(jīng) PID 運(yùn)算輸出 根據(jù)控制系統(tǒng)的功能要求，設(shè)計(jì)出 工業(yè)污水處理 控制系統(tǒng)的硬件連線圖如圖38 所示，此控制面板上的手動(dòng)控制部分主要在調(diào)試系統(tǒng)時(shí)使用，調(diào)試完成后基本處于閑置狀態(tài)。其特點(diǎn)有： 高標(biāo)準(zhǔn)：符合 IEC6094741和 標(biāo)準(zhǔn)。強(qiáng)通用性：具有 50Hz60Hz 通用線圈，可以全世界通用。變頻器的輸入端接至頻率固定的三相交流電，輸出端輸出的是頻率在一定范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)的三相交流電。由于中間直流環(huán)節(jié)是 Cd低阻抗輸出相當(dāng)于是恒壓源，故稱電壓型。φ m增加將導(dǎo)致鐵芯的飽和，進(jìn)而引起勵(lì)磁電流波形的畸變，這是不希望的結(jié)果，因此希望φ m 可以保持基本不變。 （ 1） 脈幅調(diào)制 (PAM) 實(shí)現(xiàn)方法就是調(diào)節(jié)頻率的同時(shí)，也改變直流電壓的振幅值。 PWM 只需控制逆變電路便可實(shí)現(xiàn)，與 PAM 相比電路簡(jiǎn)化了許多，因此在變頻調(diào)速中比較常用。旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速 n0=60f/p，其中 f是電流頻率， P是旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的磁極對(duì)數(shù)。 設(shè)變頻后的頻率為 fx，電壓為 Ux，電 動(dòng)機(jī)的額定相電壓和頻率為 UN和 fN，則有： xf ＝ fk Nf （ ） xU ＝ uk NU （ ） 其中 kf為頻率可調(diào)比， ku為電壓可調(diào)比。這無(wú)疑給變頻調(diào)速帶來(lái)了瑕點(diǎn)。 （ ）） ] 西南科技大學(xué)應(yīng)用型自學(xué)考試畢業(yè)設(shè)計(jì) （論文） 20 該系統(tǒng)選用的變頻器是西門(mén)子 MM430 變頻器，具有多個(gè)繼電器輸出，具有多個(gè)模擬量輸出（ 0~20 mA）， 2 個(gè)模擬輸入： AIN1： 0~10 V， 0~20 mA 和 – 10 至+10 V； AIN2： 0~10 V， 0~20 mA， 6 個(gè)帶隔離的數(shù)字輸入，并可切換為 NPN/PNP 接線。其脈沖寬度調(diào)制的開(kāi)關(guān)頻率是可選的，因而降低了電動(dòng)機(jī)運(yùn)行的噪聲。在此控制系統(tǒng)中， 需要對(duì)變頻器進(jìn)行通信控制，因此需先對(duì)變頻器的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，主要對(duì)一下幾個(gè)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，如表 311 所示。中心高 63～ 355mm，功率從 ~315kW。電動(dòng)機(jī)符合 JB/ Y2 系列 (1P54)三相異步電動(dòng)機(jī)（機(jī)座號(hào) 80～ 280）技術(shù)條件。粗格柵、細(xì)格柵各安裝了一臺(tái)超聲波液位差計(jì)，通過(guò)格柵機(jī)前后的液位 差來(lái)反映格柵機(jī)阻塞程度，并傳輸?shù)?PLC 控制器，進(jìn)行分析計(jì)算。 工作溫度： 20~60℃ ，工作電壓： AC220V 或 DC24V，工作壓力：常壓，差值精度：177。采用先進(jìn)的嵌入式微處理技術(shù)，使其測(cè)控儀器達(dá)到了高度的數(shù)字 化和智能化。用傳統(tǒng)的化學(xué)方法（如碘量滴定法）測(cè)定溶解液中的溶解氧是很費(fèi)時(shí)的，且成本很高，不能連續(xù)測(cè)量，而用滴汞電極（ DME）的極譜分析最為簡(jiǎn)單。這種電極利用膜可滲透氧但不能滲透水和有機(jī)及無(wú)機(jī)溶質(zhì)的原理，保護(hù)電極不與這類(lèi)還原物質(zhì)緊密接觸，從而使傳感器的靈敏度不受影響。對(duì)結(jié)構(gòu)和透氧膜確定的傳感器而言，在一定溫度下，氧傳感器的電流只與試樣中的氧分壓成正比 。 mV，溶解氧：（ 0~） mg/L(ppm)；（ 0~） % 溫度：（ 10~110）℃精確度： pH：177。 ℃，自動(dòng)溫度補(bǔ)償： pH：（ 0~100）℃ 溶解氧：（ 0~45）℃ ， 其他參數(shù)：數(shù)據(jù)儲(chǔ)存： 900組 ， 通訊接口： RS232， 電源： DC9V/300mA。新型的溶氧電極有鹽度測(cè)試功能，自動(dòng)實(shí)現(xiàn)鹽度補(bǔ)償和溫度補(bǔ)償；儀器內(nèi)置氣壓傳感器，自動(dòng)實(shí)現(xiàn)氣壓補(bǔ)償。 總體流程設(shè)計(jì) 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。 西南科技大學(xué)應(yīng)用型自學(xué)考試畢業(yè)設(shè)計(jì) （論文） 24 圖 42 手動(dòng)操作模式流程圖 自動(dòng)模式 處于自動(dòng)方式時(shí)，系統(tǒng)上電后，按下自動(dòng)啟動(dòng)確認(rèn)后系統(tǒng)運(yùn)行，系統(tǒng)開(kāi)始工作，其工作過(guò)程包括以下幾個(gè)方面。 （ 4）啟動(dòng)細(xì)格柵系統(tǒng)。 以上工作過(guò)程并不是順序控制方式，而是按照 PLC 檢測(cè)到傳感器狀態(tài)進(jìn)行啟動(dòng)如圖 43 所示 。 （ 1）自動(dòng)過(guò)程開(kāi)始啟動(dòng)粗格柵機(jī)，定時(shí) 20min。 （ 5）液面差值低于設(shè)定值，停止清污機(jī)運(yùn)行。 西南科技大學(xué)應(yīng)用型自學(xué)考試畢業(yè)設(shè)計(jì) （論文） 26 （ 3）定時(shí)到后，若仍低于最低位傳感器，則停止?jié)撍眠\(yùn)行，否則潛水泵繼續(xù)運(yùn)行。 圖 45 潛水泵工作流程圖 細(xì)格柵系統(tǒng)程序與粗格柵系統(tǒng)程序相似，主要控制細(xì)格柵機(jī)和轉(zhuǎn)鼓清污機(jī)的運(yùn)行，其工作過(guò)程包括以下幾個(gè)方面 ： （ 1）自動(dòng)過(guò)程開(kāi)始，啟動(dòng)細(xì)格柵機(jī)，定時(shí) 20min。 （ 5）液面差低于設(shè)定值，停止轉(zhuǎn)鼓清污機(jī)運(yùn)行。 （ 2）定時(shí)到，若液面仍低于最低位傳感器則停止回流泵運(yùn)行。 污泥回流系統(tǒng)工作流程圖如圖 48所示 。 （ 3）定時(shí)到，啟動(dòng)污泥泵和切割機(jī)。 BOD 是指在有氧條件下，降解有機(jī)物所需的氧量。雖然有 COD 濃度在線檢測(cè)儀可以在西南科技大學(xué)應(yīng)用型自學(xué)考試畢業(yè)設(shè)計(jì) （論文） 32 線檢測(cè)，但仍存在滯后（ 30 分鐘左右），測(cè)量結(jié)果嚴(yán)重滯后于實(shí)際運(yùn)行時(shí)間，不能及時(shí)反映實(shí)際情況。為了 使微生物的活動(dòng)最佳化，應(yīng)該使供氧量與消耗的氧量相等，或稍大一些。 氯氣投加環(huán)節(jié) 氯氣投加消毒效果的好壞與原水 PH值、水溫、濁度和接觸時(shí)間有直接的關(guān)系。 氯氣投加系統(tǒng)具有大慣性、大滯后的特點(diǎn)，其過(guò)渡過(guò)程和純滯后時(shí)間均較長(zhǎng)，并且系統(tǒng)的干擾因素較多，對(duì)這樣一個(gè)系統(tǒng)，使用一般的 PID 調(diào)節(jié)很難滿足控制要求。其控制過(guò)程主要是通過(guò)污泥濃度、污水流量、絮凝劑濃度等因素控制來(lái)完成的。常規(guī)的 PID 控制器的描述如式 （ ） 所示 ： （ ） 其中各參數(shù)代表的意義是： Un：控制器的輸出 En：控制器偏差輸入 ECn：系統(tǒng)誤差變化率 kp：比例增益 ki：積分增益 kd：微分增益 比例增益 kp 使控制器的輸入輸出成一一對(duì)應(yīng)比例關(guān)系。積分作用 ki 是為了消除靜差而引入的。但是，同時(shí)又會(huì)使系統(tǒng)容易受到高頻干擾的影響。 PLC 和變頻器通訊 （ 1） USS 通訊協(xié)議簡(jiǎn)介 USS協(xié)議（ Universal Serial Interface Protocol 通用串行接口協(xié)議）是SIEMENS 公司所 有傳動(dòng)產(chǎn)品的通用通訊協(xié)議，它是一種基于串行總線進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊的協(xié)議。 USS協(xié)議指令在 STEP7—MICRO/WIN32指令樹(shù)的庫(kù)文件夾中， STEP7— MICRO/WIN32指令庫(kù)提供 14個(gè)子程序、3個(gè)中斷程序和 8條指令來(lái)支持 USS協(xié)議。通過(guò) Mode 輸入值可選擇不同的通訊協(xié)議：輸入值為 1，指定 Port 0 為 USS 協(xié)議并使能該協(xié)議；輸入值為 0，指定 Port 0 為 PPI 并且禁止 USS 協(xié)議。 硬件系統(tǒng)的調(diào)試 按照系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求 將各硬件接線接好。 軟件系統(tǒng)的調(diào)試 在 STEP7Micro/WIN32 軟件中，通過(guò)編程，將編好的程序下載到 PLC 中進(jìn)行運(yùn)行調(diào)試，檢查程序是否有 錯(cuò) 誤，是否能夠?qū)崿F(xiàn)相應(yīng)的功能控制。 啟動(dòng)電源后按下手動(dòng)或自動(dòng)模式選擇按鈕，當(dāng)在手動(dòng)模式時(shí)，可通過(guò)各控制按鈕實(shí)現(xiàn)對(duì) 工業(yè)污水處理 系統(tǒng) 中 各電機(jī)的控制運(yùn)行同時(shí)相應(yīng)的指示燈亮 。運(yùn)行粗、細(xì)格柵機(jī)，進(jìn)行間歇運(yùn)行，即運(yùn)行一段時(shí)間然后停止一段時(shí)間，循環(huán)進(jìn)行 。 而 進(jìn)水泵房中的潛水泵根據(jù)液面高低進(jìn)行運(yùn)行、停止及運(yùn)行數(shù)量的控制 ： ① 潛水泵系統(tǒng)啟動(dòng)首先 開(kāi)始啟動(dòng)潛水泵