【正文】 第 1 章 緒論 水與人的生活息息相關，特別在現(xiàn)代社會 生活及生產中人們對水的需求量與日俱增。令人擔憂的是淡水總量日益減少，用水成本不斷升高，淡水的浪費非常嚴重。隨著社會的發(fā)展，水資源已經成為影響工業(yè)發(fā)展的重要因素，現(xiàn)代工業(yè)中生產工藝和設備對水質要求越來越高。嚴重的環(huán)境污染使有限的水資源日益減少、水質日益惡化，無疑是“雪上加霜 ”。眾多跡象表面，水資源的短缺無疑將成為制約經濟持續(xù)協(xié)調發(fā)展的瓶頸，因此世界各國越來越重視水處理和水的再利用，通過各種技術進一步提高供水質量，提高經濟效益。 選題的目的和意義 世界任何國家的經濟發(fā)展，都會推進社會進步、促進工農業(yè)生產能力，使人民生活得到進一步改善，但是也隨之帶來不同程序的環(huán)境污染。目前我國約 300 個城市缺水，其中嚴重缺水城市有 50 個。根據(jù)國家十五發(fā)展綱要，十五期間各縣市都要建立污水處理廠，如何保證處理過程的正常運行，減少運行成本成為環(huán)保部門、城建部門所關注的問題。、美國為 179。 當今國內外污水處理自動控制系統(tǒng)發(fā)展狀況 國外污水處理自控系統(tǒng)發(fā)展狀況 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)達國家經過十幾年的努力，污水處理率幾經達到了 80%~90%，成功地解決了來自于城市和工業(yè)的點源污染問題。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) 、化學需氧量COD(Chemical Oxygen Demand)分析儀。 (2) 采用在線監(jiān)測的水質分析儀表，對全廠的水質實行實時監(jiān)測，并由上位機記錄下來，提高了測量精度。 我國第一座大型污水處理廠 — — 天津市紀莊子污水處理廠于 1982 年破土動工， 1984年 4 月 28 日竣工投產運行，處理規(guī)模為 26 萬立方米 /天。從國外引進污水廠的自動控制系統(tǒng)已經廣泛采用集散式計算機監(jiān)控系統(tǒng)，應用了自動化程度較高的檢測儀表，各種新工藝，新設備大量出現(xiàn)并得到應用。 (2) 國產在線儀表的穩(wěn)定性還沒 有達到要求，所以大部分采用進口的在線儀表，但是由于進口儀表價格昂貴，所以應用并不是很廣泛。 通過對比，不難看出整體上和國外相比我國污水的自控系統(tǒng)仍然存在很大的差距，但是我國的應用前景卻非常廣泛、潛力很大。水處理的目的不外乎三種： (1) 去除水中影響使用水質的雜質以及污泥的處置，這是最主要的內容。 “七五”、“八五”、“九五”國家科技攻關課題的建立與完成，使我國在污水處理新技術、污水再生利用新技術、污泥處理新技術等方面都取得了可喜的科研成果，某些研究成果達到國際先進水平同時，借助于外貸城市污水處理工程項目的建設，國外許多新技術、新工藝、新設備被引進到我國， AB 法、氧化溝法、 A/O 工藝、 A/A/O 工藝 、 SBR 法在我國城市污水處理廠中均得到應用。為了適應水環(huán)境及排放要求，一些污水處理廠正在進行改造，增加或強化脫氮和除 磷功能。應用較多的有奧貝爾氧化溝工藝，由我國自行設計、全套設備國產化，已有成功實例。 隨著我國對水環(huán)境質量要求的提高，使得新建城市污水處理廠必須考慮氮磷的去除問題。 從國情出發(fā)，我國城市污水處理發(fā)展趨勢： (1) 氮、磷營養(yǎng)物質的去處仍為重點也是難點。 (5) 由單純工藝技術研究轉向工藝、設備、工程的綜合集成與產業(yè)化及經濟、政策、標準的綜合性研究?，F(xiàn)代污水處理技術，按原理可分為物理處理法、化學處理法和生物化學處理法三類。 城市污水處理按處理程度不同可分為預處理、一級處理、二級處理、深度處理和污泥處理及處置。目的是將污水中懸浮狀態(tài)的固體污染物質盡可育出或沉降去除，經過一級處理后的污水，可去除 50%左右的懸浮物，污水五日需氧量一般只能去除 30%左右，達不到排放標準。 深度處理：通用的工藝有混凝沉淀和過濾。早在 1914 年，這種處理系統(tǒng)就被采用，但由于當時的自動化水平較低，操作困難且工作量大，特別是后來隨著城市和工業(yè)廢水處理規(guī)模的日趨擴大，這個缺點更加突出，間歇式活性污泥法逐漸被連續(xù)式活性污泥法取代。從廢水流入開始到待機時間結束為一個周期，一切過程都在一個設有曝氣或攪拌裝置的 SBR 反應池內進行，不必另設沉淀池和污泥回流泵等裝置。 第 3 章 設計方案的確定 PLC控制系統(tǒng)的設計分析 PLC 的結構 PLC 實質是一種專用于工業(yè)控制的計算機，其硬件結構基本上與微型計算機相同?；窘Y構框圖如圖所示： 6 中 央 處 理 器（ C P U ）編 程 器電 源系 統(tǒng) 總 線輸 入 / 輸 出 單 元存 儲 器 整體式結構圖 (2) 模塊式結構的 PLC 模塊式 (又稱組合式 )結構的 PLC 是將中央處理器 (CPU)、存儲器、輸入 /輸出 (I/O)單元、電源和通信端口等分別做成相應的模塊、應用時將這些模塊根據(jù) 控制要求插在機架上，各模塊間通過機架上的總線互相聯(lián)系?；窘Y構如圖所示： 編 輯 器其 他 P L C或 上 位 機現(xiàn) 場 設 備電 源模 塊C P U模 塊輸 入模 塊特 殊 功能 模 塊通 信模 塊輸 出模 塊基 架 結構式模塊圖 7 PLC 的工作原理 PLC 與繼電器構成的控制裝置的重要區(qū)別之一就是工作方式不同，繼電器控制是并行運行方式，即如果輸出線圈通電或斷電，該線圈的觸點立即動作，只要形成電流通路，就有可能有幾個電器同時動作。 (a) 輸入階段 在這個階段中， PLC 先進行自我診斷，然后與編程器或計算機通信，同時中央處理器掃描各個輸入端并讀取輸入信號的狀態(tài)和數(shù)據(jù)，并把它們存入相應的輸入存儲單元。在這個程序執(zhí)行中，輸入信號的狀態(tài)和數(shù)據(jù)保持不變。下面就給出最短和最長響應時間。 PLC 控制系統(tǒng)設計原則的設計步驟 (1) 設計原則 PLC控制系統(tǒng)是為工藝流程服務的， 所以它首先要能很好地實現(xiàn)工藝提出的控制要求。 (c) 考慮到以后控制要求的變化，所以控制系統(tǒng)設計時應考慮 PLC 的可擴展性。并根據(jù)所選用的輸入 /輸出設備的類型和數(shù)量，確定 PLC 的 I/O 點數(shù)。 (c) PLC 程序設計 本階段就是根據(jù)控制對象和控制要求對 PLC 進行編程。 (f) 整理技術文件 這一步主要包括整理與技術有關的文檔，包括設計說明書、 I/O 接線原理圖、程序清單和使用說明書等。工藝流程圖如圖所示： SBR 工藝流程圖 基本工藝流程如下： (1) 進水 進水閥門打開，污水通過粗格柵，經過水泵，然后細格柵過濾到達 SBR 池。根據(jù)反應需要達到的程度，進行曝氣和攪拌，并決定反應的時間長短，必要時可投加藥劑。當池水位達到處理周期開始時的最低水位時，停止?jié)? 第 4 章 硬件部分的設計 PLC的選擇 由于設計的污水處理控制系統(tǒng)是應用在小型規(guī)模的污水處理廠，本系統(tǒng)選用西門子PLC S7200 系列，主機型號為 CPU 226， 具有 24 個 數(shù)字 輸入點和 16 個 數(shù)字 輸出點 。 S7200 系列 PLC 在下列領域已經得到了廣泛的應用：機床電氣、食品工業(yè)、化學工業(yè)、陶瓷工業(yè)、電力自動化設備、實驗室設備、電梯、中央空調、真空裝置、恒壓供水和化工系統(tǒng)中各種泵和電磁閥的控制等。主要用途有廢水處理、燃燒后灰燼處理；集塵裝置；排煙脫硫、環(huán)境調節(jié)設備；排氣、干燥、空氣輸送；氣體及粉粒體輸送、水產養(yǎng)殖；利用空壓輸送、液體攪拌。構造簡單堅固、無故障。/min，風壓： 7000mmAq，轉數(shù) 1750r/min，功率： 22kw。/h，揚程： 15m，功率：。長壽命：機械壽命高達 2020 萬次；電壽命高達 200 萬次。模塊化：產品本體上可以附加輔助觸頭，通電 /斷電延時觸頭，機械閉鎖等模塊。當液位差超過預設值后，系統(tǒng)控制清污機運行，清除大顆粒的污染物質，保障污水流動暢通； 在液位差未超過設定值時，清污機處于停止狀態(tài)，這樣就可以大大減少設備損耗。 3mm或 ％ FS（取其較大者），重復精度： 1‰，分辨率： 1mm ，方 向 角： 4176。它集超聲波傳感器、溫度補償電路、運算主機為一體的非接觸式液位差 測量儀器。但是 DME 的一些特殊性又影響了它在現(xiàn)場工作中的應用。當前用來測量水中溶解氧濃度最常用的儀器就是電化學傳感器（例如 Clark 傳感器）。因此，測定電流即可知氧濃度。 pH mV：177。其特點是高精度的 pH+溶解氧雙參數(shù)儀表。極譜型溶氧電極，極化時間短，響應快，測量準確。 處于手動方式時， 可以通過按鈕對粗細格柵機 、 清污機、轉碟曝氣機、污泥回流機機，以及各類泵進行控制，對于轉碟曝氣機的控制，可以通過按鈕增大或減小變頻器的頻率來改變其速度，以檢測調試性能。以下將分別介紹各個子程序的工作過程。 16 細格柵機的工作流程圖如圖所示： 細 格 柵 控 制自 運 行 過 程開 始 ？細 格 柵 機 啟 動運 行 時 間到 ？細 格 柵 機 停 止停 止 時 間到 ？轉 手 動 控 制檢 測 液 面 差超 過 設 定值 ？低 于 設 定值 ？啟 動 轉 鼓 清 污機停 止 轉 股 清 污機NYNYNYNYNY 細格柵系統(tǒng)工作流程圖 17 曝氣沉砂系統(tǒng)工作流程圖如圖所示： 曝 氣 沉 砂 池 控制自 動 過 程 開始 ？啟 動 分 離 機 和變 頻 啟 動 轉 碟曝 氣 機轉 手 動 控 制檢 測 污 水 含 氧量含 氧 量 超 過設 定 值 ？變 頻 器 速 度達 到 1 0 0 % ?轉 碟 曝 氣 機 工頻 運 行維 持 現(xiàn) 有 狀 態(tài)YNYNNY 曝氣沉砂系統(tǒng)工作流程圖 污泥回流系統(tǒng)程序主要控制污泥回流泵的運行和停止，其工 作過程包括以下幾個方面： （ 1）自動過程開始首先檢測液位高低，若低于最低位傳感器，則啟動定時； （ 2）定時到，若液位仍低于最低位傳感器則停止回流泵運行； （ 3）若液位處于最高位和最低位之間，啟動污泥回流泵； （ 4）若液位高于最高位傳感器時，啟動定時； （ 5）定時到，若液位仍處于最高位傳感器時，輸出報警信號。 它 可用于電力、制冷、化工、機械制造、交通管理等多種工程領域。 (3) 設計復雜的動畫顯示現(xiàn)場的操作狀態(tài)和數(shù)據(jù) 。 (7) 顯示實時趨勢曲線和歷史趨勢曲線 。 組態(tài)王還具有以下一些特點： (1) 工程管理 對于系統(tǒng)集成商和用戶來說，一個系統(tǒng)開發(fā)人員可能保存有很多個組態(tài)王工程，對于這些工程的集中管理以及新開發(fā)工程中的工程備份等都是比較煩瑣的事情。 (3) 控件支持 組態(tài)王 支持 Windows 標準的 Active X 控件 (主要為可視控件 )，包括 Microsoft 提供的標準 Active X 控件和用戶自制的 Active X 控件 ， 用戶通過控件的這些屬性、事件、方法來完成工作 。 除此以外，組態(tài)王 還 全面支持 OPC 標準 ，支持網絡結構、 分布式歷史數(shù)據(jù)庫和分布式報警系統(tǒng) ，還提供完整的安全系統(tǒng)和冗余系統(tǒng)，使 系統(tǒng)運行時將更加穩(wěn)定、可靠 。它們都是基于字符的異步通信協(xié)議，帶有起始位、 8 位數(shù)據(jù)、偶校檢和 1 個停止位。如果用戶程序中允許 PPI 主站模式，一些S7200 CPU 在 RUN 模式下可以作 主 站，它們可以用網絡讀 (NETR)和網絡寫 (NETW)指令讀寫其他 CPU 中的數(shù)據(jù)。網絡上的 S7200 CPU226 PLC作為從站，組態(tài)軟件組態(tài)王 作為主站。其中 CPU226 模塊有長度為 5120Byte 的用戶數(shù)據(jù)存儲區(qū)。存放在“數(shù)據(jù)交換存儲區(qū)”中的數(shù)據(jù)輸入映像寄存器 IB0 及中間寄存器 MB10 就和輸出映像寄存器 QB0。單擊“下一步”繼續(xù)。 (2) 創(chuàng)建組態(tài)畫面 進入組態(tài)王開發(fā)系統(tǒng)后，就可以為每個工程建立數(shù)目不限的畫面。 第一步：定義新畫面，如圖所示： 新建畫面圖 點擊“確定”按鈕進入內嵌的組態(tài)王畫面開發(fā)系統(tǒng)，如圖所示： 組態(tài)王開發(fā)系統(tǒng)圖 第二步：在組態(tài)王開發(fā)系統(tǒng)中制作畫面。 只有定義了外部設備后，組態(tài)王才能通過 I/O 變量和它們交換數(shù)據(jù)。變量在畫面制作系統(tǒng)組態(tài)王畫面開發(fā)系統(tǒng)中定義，定義時要指定變量名和變量類型，某些類型的變量還需要一些附加信息。為了讓矩形動起來，需要使變量能夠動態(tài)變化，選擇“編輯 /畫面屬性”菜單命令，彈出對話框如圖所示： 畫面 屬性圖 單擊“命令語言 ...”按鈕，彈出畫面命令語言對話框。在組態(tài)王開發(fā)系統(tǒng)中選擇“文件 /切換到 View”菜單命令，進入組態(tài)王運行系統(tǒng)。在組態(tài)王 中，用戶通過定義 I/O 變量，就可以非常方便的實現(xiàn)對數(shù)據(jù)采集。調試時，可根據(jù)功能模塊分類分別調試，最后進行總體調試。 當在手動模式時，可通過各控制按鈕實現(xiàn)對污水處理系統(tǒng)中各電機的控制運行。 第 8 章 結束語 工業(yè)污水處理監(jiān)控系統(tǒng)是一個比較復雜的綜合系統(tǒng)，它包括與之相關的生產工藝流程、相關生產設備，現(xiàn)場計量自控檢測儀表的選用、控制流程的模型建立、對 PLC 系統(tǒng)軟硬件應用研究等。進一步加深了解了 PLC 在實踐當中的應用。由于輸出都是何接觸器等元件連接，接觸器的突然斷開和閉合會形成突波對 PLC 的輸出端子造成損壞，因此需要加裝一些保護裝置，例如，續(xù)流二極管等，增加觸點的壽命