【正文】 僅為 2220m3，居世界第 110 位，是世界上 13 個(gè)缺水國(guó)家之一。在城市污水處理過(guò)程中，污水主要來(lái)自城市居民生活污水，污水成分多樣，因此對(duì)城市污水處理的工藝和控制方式提出了較高的要求。為了防止這些現(xiàn)象產(chǎn)生的嚴(yán)重后果，合理利用水資源，尤其是城市污水處理的自動(dòng)化完善已經(jīng)迫在眉睫。如何有效快速的對(duì)城市污水進(jìn)行處理，提高水資源利用率，已經(jīng)刻不容緩。如何合理運(yùn)用淡水資源己經(jīng)成為我國(guó)正在研究的課題。在上次淡水資源調(diào)查中，全球 149 個(gè)國(guó)家參加調(diào)查，我國(guó)人均淡水資源占有量位居第 110 位，淡水資源貧乏。 MCGS configuration software。系統(tǒng)主要由PLC、液位傳感器、進(jìn)水泵、潷水器、進(jìn)泥泵及抽泥泵組成，分為手動(dòng)和自動(dòng)兩種控制方式，使用梯形圖語(yǔ)言完成系統(tǒng)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的控制；使用 MCGS 監(jiān)控組態(tài)軟件設(shè)計(jì)監(jiān)控界面，不僅可以模擬演示系統(tǒng)工作狀況，而且還可以對(duì)現(xiàn)場(chǎng)工作情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，并對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，完成 SBR 污水處理法的自動(dòng)運(yùn)行。畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)設(shè)計(jì)題目： 基于 PLC 的城市污水處理控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 系 別： 信息工程系 班 級(jí)： 電子信息工程 基于 PLC 的城市污水處理控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)摘 要隨著城市現(xiàn)代化建設(shè)步伐的加快，城市污水處理控制系統(tǒng)也日益發(fā)展和完善。本系統(tǒng)包括梯形圖設(shè)計(jì)和監(jiān)控組態(tài)設(shè)計(jì)兩個(gè)方面，實(shí)現(xiàn)了中小型城市的污水處理自動(dòng)控制和遠(yuǎn)程監(jiān)控。 urban sewage treatment。我國(guó)淡水資源總量雖大但人占有量不足，僅為世界平均值的 1/4。我國(guó)北方地區(qū)已出現(xiàn)眾多環(huán)境問(wèn)題，如水位下降、湖泊干涸、河水?dāng)嗔鞯?，水資源的超采，己形成漏斗地勢(shì)。目前全國(guó)城市污水達(dá)排放標(biāo)準(zhǔn)的有效率僅有 10%，大部分污水未經(jīng)處理就直接排入河流、湖泊和海洋。據(jù)有關(guān)專家預(yù)測(cè)，未來(lái) 90 年全球氣候變暖加劇，到 2100 年，地球表面將有 1/3的面積沙漠化，干旱將成為全球人類生存的威脅 [2]。隨著環(huán)境保護(hù)者的呼吁，人們的環(huán)保意識(shí)越來(lái)越高，城市污水處理未經(jīng)處理直接排放是絕對(duì)不能容忍的，因此污水處理自動(dòng)化系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)與利用已經(jīng)體現(xiàn)出其必要性和緊迫性。這個(gè)污染源的出現(xiàn)引起了社會(huì)各界的廣泛關(guān)注，因?yàn)檫@不僅影響了城市形象，更與我們生活息息相關(guān)，近年來(lái)治理水污染環(huán)境的課題已被列入世界環(huán)保組織的工作日程，其重要性可見(jiàn)一斑。水資溝的匱乏和水資源的污染，已經(jīng)成為制約經(jīng)濟(jì)發(fā)展、影響人民生活水平提高的一大阻礙 [3]。國(guó)外污水處理自控系統(tǒng)主要有以下特點(diǎn)：通過(guò)高精度的水質(zhì)分析儀表對(duì)處理過(guò)程進(jìn)行在線監(jiān)控，根據(jù)需要記錄下來(lái)處理過(guò)程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)和輸出報(bào)表；生產(chǎn)過(guò)程中根據(jù)水質(zhì)和水源的變化采用智能控制，按需要對(duì)污水處理過(guò)程進(jìn)行不同程度上自動(dòng)的調(diào)整；充分利用電話網(wǎng)絡(luò)、移動(dòng)電話網(wǎng)絡(luò)、國(guó)際互聯(lián)網(wǎng)、氣象信息等社會(huì)信息資源，基本實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程遙控操作，而非人工手動(dòng)操作，自動(dòng)化程度高。所以由于人為處理的延遲性與滯后性，難免對(duì)系統(tǒng)的準(zhǔn)確性造成影響，不但出水質(zhì)量難以保證，而且人工操作繁瑣，容易發(fā)生錯(cuò)誤，造成設(shè)備和裝置不 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)3能完全利用?？梢?jiàn)此種模式下，過(guò)多的加入了人為操作，處理流程不能自動(dòng)連貫進(jìn)行，加之人為操作誤差或時(shí)間上的滯后，所以此種模式出水品質(zhì)并不穩(wěn)定，但其以資金投入量小，一直深受國(guó)內(nèi)中、小型污水處理廠的青睞。基于此種模式靈活便捷，反應(yīng)迅速，可靠性高，是目前污水處理控制系統(tǒng)發(fā)展的趨勢(shì) [4]。因此，在選擇污水處理工藝時(shí)必需要認(rèn)真考慮當(dāng)?shù)匚鬯木唧w情況，根據(jù)實(shí)際情況應(yīng)用不同的污水處理方法。常用的污水處理工藝主要有以下幾種。該工藝的優(yōu)點(diǎn)有：去除有機(jī)物效率高，沉淀池的容積小，耗電省，成本低。A/O 法作為一種缺氧 /好氧生物污水處理工藝，其反應(yīng)機(jī)理是通過(guò)增加好氧池與缺氧池所形成的硝化/ 反硝化反應(yīng)系統(tǒng)，脫氮效果很明顯。A/A/O 是一種厭氧—缺氧—好氧污水處理工藝。圖 23 A/A/O 法工藝流程圖混合液回流剩余污泥格柵沉砂池初沉池厭氧池好氧池二沉池回流污泥清水排出原污水好氧池（O）活性泥回流厭氧池（A）缺氧池（A）二沉池原污水混合液回流清水排除 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)64．A/B 法。AB 法中 A 段緩沖能力較強(qiáng)，效率高；B 段穩(wěn)定性較好，嚴(yán)格控制出水品質(zhì)。另外，難此法以實(shí)現(xiàn)脫氮工藝的要求，其原因在于 A 段去除了較多的 BOD，碳源不充足。歇式活性污泥法簡(jiǎn)稱 SBR 法，是一種按照一定的時(shí)間順序間歇式操作的活性污泥污水處理技術(shù)，也是一種通過(guò)曝氣來(lái)運(yùn)行的活性污泥污水處理技術(shù)，因此又叫序批式活性污泥處理法。其濾除污染物的機(jī)理與傳統(tǒng)的活性污泥法除操作方式外基本相通。從廢水流入開(kāi)始到待機(jī)時(shí)間結(jié)束為一個(gè)操作周期，污水處理過(guò)程在一個(gè)設(shè)有鼓風(fēng)機(jī)的 SBR 反應(yīng)池內(nèi)進(jìn)行，不需要另設(shè)沉淀池和污泥回流系統(tǒng) [5]。2．反應(yīng)反應(yīng)工序是 SBR 工藝最重要的一道工序。開(kāi)始重力沉淀和泥水分離。其流程如圖 24所示：粗/細(xì)格柵機(jī)集水池SBR池鼓風(fēng)機(jī)進(jìn)泥泵原污水 清水排入河道圖 24 SBR 法流程圖 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)83 硬件設(shè)計(jì) PLC 的介紹 PLC 的結(jié)構(gòu)PLC 的硬件結(jié)構(gòu)基本上與微型計(jì)算機(jī)基本相同，是一種專用于工業(yè)控制的計(jì)算機(jī)?；窘Y(jié)構(gòu)框圖如圖 31 所示。模塊式的特點(diǎn)是系統(tǒng)構(gòu)成的靈活性高。而 PLC 則采用循環(huán)掃描技術(shù)，每次只能執(zhí)行一條指令，只有當(dāng)程序掃描到該線圈，并且該線圈通電時(shí)，該線圈觸點(diǎn)才會(huì)動(dòng)作，所以 PLC 的工作方式是“串行”方式，這種工作方式可以避免繼電器控制的觸點(diǎn)出現(xiàn)競(jìng)爭(zhēng)或時(shí)序失配等問(wèn)題。（2）執(zhí)行程序階段進(jìn)入此階段，PLC 由上而下按次序一步一步執(zhí)行程序指令。（3）輸出階段進(jìn)入此階段，PLC 將相應(yīng)的輸出存儲(chǔ)單元的運(yùn)算結(jié)果傳送到對(duì)應(yīng)的輸出模 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)10塊上，并通過(guò)輸出模塊向外部設(shè)備傳送輸出信號(hào)和指令，控制外部設(shè)備動(dòng)作，既而實(shí)現(xiàn)通過(guò) PLC 程序控制外部設(shè)備。最短響應(yīng)時(shí)間：上一個(gè)掃描周期剛結(jié)束就收到輸入信號(hào)，也就是說(shuō)收到輸入信號(hào)與下一個(gè)掃描周期同時(shí)開(kāi)始，這時(shí)響應(yīng)時(shí)間最短。其具體的輸入輸出如表31。3．粗/細(xì)格柵除污機(jī)、各個(gè)水泵、鼓風(fēng)機(jī)電動(dòng)機(jī)分別采用熱繼電器實(shí)現(xiàn)過(guò)載保護(hù)，其熱繼電器的常開(kāi)觸點(diǎn)通過(guò)中間繼電器轉(zhuǎn)換后，作為 PLC 的輸入信號(hào)，用以完成各個(gè)電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的過(guò)載保護(hù)。自身配有 24V 直流電源，外接負(fù)載時(shí)考慮其供電容量 [9]。QF為電源總開(kāi)關(guān)，熔斷器FU0、FU FU FU FU FU FU FU 1FU 1FU 17 分別實(shí)現(xiàn)各負(fù)載回路的短路保護(hù)。根據(jù)上述硬件選型及工藝要求，繪制 PLC 控制電路原理圖，繪制 PLC 控制電路，編制 I/O 接口功能表。 其他資源配置要完成系統(tǒng)的控制功能除了需要 PLC 主機(jī)及其擴(kuò)展模塊之外，還需要各種傳感器、接觸器和變頻器等儀器設(shè)備。第二類為非接觸式液位計(jì)，主要分為超聲波液位計(jì)，雷達(dá)液位計(jì)等。圖 35 所示為一種投入式液位計(jì)。間歇式出水要求集中大流量排放，能在較短的時(shí)間內(nèi)完成出水任務(wù)，如果出水管形狀與方向不當(dāng)，會(huì)擾動(dòng)池中污泥層，出水時(shí)會(huì)帶走大量活性污泥。2．虹吸式潷水器優(yōu)點(diǎn)是成本低，可靠性高，不易故障；缺點(diǎn)是潷水器下端應(yīng)置于池水要求最低水位處與排水口齊平，為了泥水徹底分離，其沉淀時(shí)間比較長(zhǎng)。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，本設(shè)計(jì)主要針對(duì)中小型城市污水處理廠，所以在潷水器性能合適的同時(shí)，降低成本很重要。開(kāi)始自動(dòng)?自動(dòng)控制 手動(dòng)控制結(jié)束NY圖 41 PLC 整體設(shè)計(jì)流圖 手動(dòng)設(shè)計(jì)流程在手動(dòng)模式下，可單獨(dú)調(diào)試每個(gè)設(shè)備的運(yùn)行，如圖 42 所示。本設(shè)計(jì)由兩個(gè) SBR 反應(yīng)池組成。設(shè)計(jì)流程圖如下：開(kāi)始自動(dòng)運(yùn)行？粗/細(xì)格柵機(jī)運(yùn)行運(yùn)行時(shí)間到達(dá)？粗/細(xì)格柵停止，排污口打開(kāi)，傳送帶運(yùn)行運(yùn)行時(shí)間到達(dá)？結(jié)束手動(dòng)模式Y(jié)NYNY N集水池高水位 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)20圖 44 粗/細(xì)格柵設(shè)計(jì)流圖根據(jù)粗/細(xì)格柵設(shè)計(jì)流圖編寫梯形圖程序如下：圖 45 粗/細(xì)格柵梯形圖 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)21粗細(xì)格柵機(jī)() 運(yùn)行 10S 停止，排污傳送帶()運(yùn)行 10S 停止，循環(huán)運(yùn)行。3 SBR 反應(yīng)池設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)由 2 個(gè) SBR 池，每個(gè)池中都有 2 個(gè)液位傳感器監(jiān)測(cè)池水的水位。 剩余污泥泵在潷水器停止運(yùn)行后開(kāi)始運(yùn)行， 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)24排泥至儲(chǔ)泥池。SBR1 池到達(dá)高水位同時(shí) 動(dòng)作，SBR2 池開(kāi)始進(jìn)水，SBR2 池到達(dá)高水位時(shí)，指示燈（）亮，鼓風(fēng)機(jī) ()運(yùn)作，進(jìn)泥閥()打開(kāi)，計(jì)時(shí) 1 分鐘開(kāi)始，計(jì)時(shí)到達(dá)，鼓風(fēng)機(jī)、進(jìn)泥泵停止，靜置 30S 后潷水器()運(yùn)作，到達(dá)低水位，低水位指示燈() 亮 2S 后重新進(jìn)水。模擬運(yùn)行環(huán)境是將目標(biāo)應(yīng)用程序被裝入計(jì)算機(jī)內(nèi)存并投入實(shí)時(shí)運(yùn)行所依賴的環(huán)境。2．進(jìn)行設(shè)備配置。4．制作圖形畫面。其主要的組態(tài)操作包括：定義工程的名稱，設(shè)計(jì)封面圖形，確定自動(dòng)啟動(dòng)的窗口，設(shè)定動(dòng)畫刷新周期，指定數(shù)據(jù)存盤文件和存盤時(shí)間等。7．調(diào)試。(2) 要達(dá)到預(yù)期的監(jiān)控目標(biāo)，需要綜合考慮系統(tǒng)的整體構(gòu)成、工藝流程以及被監(jiān)控對(duì)象的具體特征。期間如果用戶想對(duì)畫面進(jìn)行操作，包括控制和更改參數(shù)，必須有操作員或者管理員的權(quán)限。數(shù)據(jù)對(duì)象作為實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)的基本單元，因此定義數(shù)據(jù)對(duì)象的過(guò)程也就是建立實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)的過(guò)程。顯示畫面顯示各個(gè)開(kāi)關(guān)量的狀態(tài)。1．編輯界面首先進(jìn)入畫面編輯環(huán)境，利用“插入元件” 工具從元件庫(kù)中選擇所需要的閥門、泵、電機(jī)等設(shè)備，調(diào)整大小及位置，然后保存。(3) 單擊〉進(jìn)入屬性設(shè)置窗口。注意設(shè)置參數(shù)，表達(dá)式：液位 液位 0；最大變化百分比對(duì)應(yīng)表達(dá)式的值：100。報(bào)警顯示是最基本的安全手段。首先對(duì)組對(duì)象進(jìn)行定義，然后雙擊“用戶窗口”中的“水位監(jiān)控”窗口，進(jìn)入該畫面。圖 414 報(bào)警窗口 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)31圖 415 報(bào)警窗口屬性設(shè)置 設(shè)備連接在工作臺(tái)“設(shè)備窗口”中雙擊“設(shè)備窗口”進(jìn)入，點(diǎn)擊工具條中的“工具箱”圖標(biāo)，點(diǎn)擊“設(shè)備管理”按鈕。雙擊“通用串口父設(shè)備”設(shè)置如圖 416 所示。圖417 通信設(shè)備初始化失敗圖 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)33選擇“設(shè)備工具箱”添加“西門子_S7200PPI”驅(qū)動(dòng)。 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)34圖 419 通道屬性設(shè)置西門子_S7200PPI 驅(qū)動(dòng)可以添加的通道類型如下：I 輸入映象寄存器、Q 輸出映象寄存器、M 中間存儲(chǔ)器、V 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、SM 特殊寄存器、AI 寄存器、AQ 寄存器、T 時(shí)間寄存器、C 計(jì)數(shù)寄存器、HC 寄存器。如果需要添加腳本程序而沒(méi)有策略工具箱，請(qǐng)單擊工具條中的 圖標(biāo)，彈出“策略工具箱” ，單擊“策略工具箱”中的“腳本程序” ，把鼠標(biāo)移出“策略工具箱” ，會(huì)出現(xiàn)一個(gè)小手，把小手放在 上，單擊鼠標(biāo)左鍵，出現(xiàn)腳本程序策略行，可以進(jìn)行腳本程序的添加，腳本程序可添加多個(gè)，添加后如圖 420 所示。圖 421 手動(dòng)界面在手動(dòng)模式下，可以對(duì)進(jìn)水泵、進(jìn)泥泵、鼓風(fēng)機(jī)、潷水器和出泥泵進(jìn)行單獨(dú)控制，當(dāng)集水池到達(dá)高/低水位時(shí)，進(jìn)行高/低水位報(bào)警。在集水池下方的方框可以顯示集水池中的水位情況，兩個(gè) SBR 池間歇進(jìn)水、反應(yīng)、出水，當(dāng)集水池到達(dá)低水位時(shí)，集水池重新進(jìn)水，整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行正常。 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)375 調(diào)試經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的前期準(zhǔn)備工作，在電腦上進(jìn)行模擬仿真，確定程序無(wú)誤，考慮到軟件模擬與現(xiàn)實(shí)中存在一定的誤差，在模擬調(diào)試完成之后需要進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行實(shí)物試驗(yàn)調(diào)試。其主界面如圖 51。將導(dǎo)出的文件裝載進(jìn) S7_200 漢化版軟件，選擇“程序”下的“裝載程序”如圖 51。圖 55 SBR2 池進(jìn)水 SBR1 池設(shè)備動(dòng)作SBR2 池到達(dá)高水位，高水位指示燈() 亮，鼓風(fēng)機(jī)(Q11)啟動(dòng)，進(jìn)泥閥（）打開(kāi)，如圖 56 所示。 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)42圖 511 SBR1 池排水結(jié)束SBR2 池到達(dá)低水位，低水位指示燈（）亮，潷水器（ ） 、SBR2池排水閥（）關(guān)閉，2S 后，SBR1 池再次進(jìn)水，進(jìn)入下一次循環(huán)。在實(shí)驗(yàn)室，首先檢查設(shè)備的完好性，以保證實(shí)驗(yàn)?zāi)M的順利進(jìn)行。PLC 調(diào)試無(wú)誤之后，需要將 MCGS 組態(tài)界面與 PLC 現(xiàn)場(chǎng)連接調(diào)試，做到實(shí)時(shí)監(jiān)控的效果。在系統(tǒng)調(diào)試過(guò)程中出現(xiàn)了一些問(wèn)題，開(kāi)始 MCGS 與 PLC 控制下位機(jī)連接不成功，經(jīng)過(guò)仔細(xì)考慮和同學(xué)幫助，最終發(fā)現(xiàn)是參數(shù)設(shè)定和腳本程序有問(wèn)題，修改后運(yùn)行成功。首先加深了對(duì) PLC 的了解，更加系統(tǒng)的學(xué)習(xí)了 PLC 的功能以及具體應(yīng)用；掌握了 SBR 法處理污水的過(guò)程；通過(guò)對(duì)程序的編寫和調(diào)試，進(jìn)一步學(xué)習(xí)了 PLC 梯形圖編程語(yǔ)言。通過(guò)這次設(shè)計(jì)我也學(xué)會(huì)了 PLCS7200、MCGS 等仿真軟件。本次的設(shè)計(jì)雖然達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)要求，實(shí)現(xiàn)了中小型城市污水處理的自動(dòng)控制，并通過(guò)組態(tài)界面對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和遠(yuǎn)程操作控制，但是由于我的知識(shí)和見(jiàn)識(shí)有限致使作品還是有些不足，MCGS 組態(tài)界面與 PLC 設(shè)備實(shí)時(shí)通信存在一些問(wèn)題，比如一些突發(fā)事件的發(fā)生，需要 PLC 及時(shí)處理避免意外發(fā)生，以及對(duì)控制系統(tǒng)實(shí)行遠(yuǎn)程控制還需要我的深入學(xué)習(xí)和研究。這種方法大大提高了我學(xué)習(xí)的自主能動(dòng)性，同時(shí)也發(fā)揮了團(tuán)隊(duì)精神，使我學(xué)到很多，受益很深。同時(shí)，我還要感謝那些我參考過(guò)的論文、期刊的作者，他們的設(shè)計(jì)對(duì)我?guī)椭艽?，從中學(xué)到的一些方法幫我解決了許多問(wèn)題，在此表