【文章內(nèi)容簡介】 制系統(tǒng)使得設(shè)計(jì)過程變得更加簡單，可實(shí)現(xiàn)的功能變得更多。與各類人機(jī)界面的通信可完成 PLC 控制系統(tǒng)的監(jiān)視，同時使用戶可通過操作界面功能控制 PLC 系統(tǒng)。由于 PLC 的 CPU 強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)通信能力，使得 工業(yè)污水處理 系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸與通信變得可能，并且也可實(shí)現(xiàn)其遠(yuǎn)程監(jiān)控。 利用 PLC 作為控制器的 工業(yè)污水處理 系統(tǒng)主要涉及兩個方面：一是信號輸入；二是控制輸出信號。 信號輸入 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） 9 工業(yè)污水處理 系統(tǒng)信號輸入檢測方面主要涉及四類信號的監(jiān)測，主要包括：按鈕的輸入檢測、液位差的輸入檢測、液位高低的輸入檢測，以及曝氣池中含氧量的輸入檢測。 （ 1） 按鈕輸入檢測。大多數(shù)為人工方式控制的輸入檢測，主要有自動按鈕、手動按鈕、格柵機(jī)啟動按鈕、清污機(jī)啟動按鈕、潛水泵啟動按鈕、潛水?dāng)嚢铏C(jī)啟動按鈕、污泥回流泵按鈕、曝氣機(jī)工頻、變頻按鈕，以及變頻加速減速按鈕等。 （ 2） 液位差輸入檢測。檢測粗細(xì)格柵兩側(cè)液位差，用 來控制清污機(jī)的啟動與停止。 （ 3）液位高低輸入檢測。檢測進(jìn)水泵房和污泥回流泵房中液位的高低，用來控制潛水泵或污泥回流泵的啟動和停止，以及投入運(yùn)行的潛水泵的數(shù)量。 （ 4）含氧量輸入檢測。以上三種 都 為數(shù)字量輸入，該輸入為模擬量輸入。曝氣過程是 工業(yè)污水處理 系統(tǒng)中最重要的環(huán)節(jié)，為了保證微生物所需要的氧氣，必須檢測污水中的含氧量，并通過曝氣機(jī)增加或減少其含氧量。通過將溶解氧儀設(shè)置在適當(dāng)位置上，將檢測值反饋到 PLC 中，通過運(yùn)算輸出控制曝氣機(jī)的轉(zhuǎn)速信號。當(dāng)溶解氧值偏低時，降低了微生物分解的效果，延長了處理時間，嚴(yán)重時甚至 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，導(dǎo)致微生物過氧化，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)。 控制輸出信號 信號輸出部分主要包括 兩個方面：一個是數(shù)字量輸出，即各類設(shè)備的接觸器；另外一個是模擬量輸出，用來控制曝氣機(jī)變頻器。 （ 1）數(shù)字量輸出?？刂聘黝愒O(shè)備的啟動和停止，包括：格柵機(jī)啟停、清污機(jī)啟停、潛水泵啟停、潛水?dāng)嚢杵鲉⑼?、污泥回流泵等設(shè)備。 （ 2）模擬量輸出通過 PLC中 PID 運(yùn)算后的數(shù)據(jù)，通過其功能 模塊輸出控制信號，該控制信號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。 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） 10 3 硬件系統(tǒng)配置 氧化溝是工業(yè)污水處理系統(tǒng)中的重要環(huán)節(jié)，其結(jié)構(gòu)的不同形成了不同的氧化方法例如，奧貝爾、卡魯賽爾和一體化氧化溝法，對于不同的結(jié)構(gòu)，其配套的設(shè)備也有較大的不同，所以其結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，不同的結(jié)構(gòu)對應(yīng)不同的控制系統(tǒng)，因此需要根據(jù)不同的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)設(shè)計(jì)相應(yīng)的控制系統(tǒng)。 主要組成部分 工業(yè)污水處理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，設(shè)備較多，在氧化溝中其控制過程及原理大致相同，都是通過 控制曝氣機(jī)的轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)污水中的含氧量，其基本組成如圖 31所示。 圖 41工業(yè)污水處理 系統(tǒng)基本組成示意圖 (1）進(jìn)水系統(tǒng)。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)水泵房主要有兩臺潛水泵組成。進(jìn)水管道的主要功能是將污水中的大塊物體排除，其中的粗格柵是根據(jù)程序設(shè)定的時間進(jìn)行間歇工作，而清污機(jī)的運(yùn)行和停止是根據(jù)粗格柵兩側(cè)的液位差來決定的，當(dāng)液位差超過某個值時，啟動清污機(jī)；當(dāng)液位差小于某個值時停止清污機(jī)的運(yùn)行。進(jìn)水泵房中的潛水泵運(yùn)行及停止是通過安裝在泵房內(nèi)的液位傳感器來決定的 ，當(dāng)液位較低時只啟動一臺潛水泵，當(dāng)液位較高時啟動兩臺潛水泵，若液位持續(xù)升高時，則輸出報(bào)警以示意有故障發(fā)生。 (2） 除砂系統(tǒng)。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)。細(xì)格柵系統(tǒng)的主要功能是進(jìn)一步凈化污水中的顆粒物體，將污水中細(xì)小的沙粒濾除，其中的細(xì)格柵機(jī)是根據(jù)程序設(shè)定時間進(jìn)行間歇工作，而轉(zhuǎn)鼓清污機(jī)的運(yùn)行和停止則根據(jù)細(xì)格柵兩側(cè)的液位差來決定，當(dāng)液位差超過某個值時，啟動清污機(jī)；當(dāng)液位差小于某個值時停止清污機(jī)的運(yùn)行，這和粗格柵系統(tǒng)的運(yùn)行方式一致 。沉砂池中分離機(jī)的運(yùn)行和后續(xù)處理中的轉(zhuǎn)碟曝氣機(jī)的運(yùn)行同步，即啟動轉(zhuǎn)碟曝氣機(jī)的時候同時啟動分離機(jī)，對沉砂池中的沙粒進(jìn)行排除。 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） 11 (3） 氧化溝系統(tǒng)。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。氧化溝的功能是對污水進(jìn)行生化處理，分解污水中的有害物質(zhì)，使其達(dá)到一定的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，其中是轉(zhuǎn)碟曝氣機(jī)是關(guān)鍵設(shè)備，在氧化溝中設(shè)置有溶解氧儀對污水中的含氧量進(jìn)行檢測，根據(jù)其反饋到 PLC 的值來控制曝氣機(jī)變頻器 的運(yùn)行，改變污水中溶解氧的含量。潛水?dāng)嚢铏C(jī)的作用是推進(jìn)水流，同時使氧化溝的污水和活性污泥處于劇烈的攪拌狀態(tài)，使他們充分混合接觸。使活性污泥的生化反應(yīng)更加充分，這樣才能最大程度地分解污水中的有害成分。污水回流系統(tǒng)的污泥回流泵將剩余的污泥及使用過的污泥進(jìn)行處理，該設(shè)備的運(yùn)行與停止主要根據(jù)泵房內(nèi)液位傳感器的狀態(tài)，當(dāng)液位低于某個值時停止回流泵的運(yùn)行；當(dāng)液位持續(xù)高于某個高位時，回流泵停止運(yùn)行同時輸出報(bào)警信號；液位處于正常狀態(tài)時，回流泵正常運(yùn)行。 (4）沉淀系統(tǒng)。沉淀系統(tǒng)主要設(shè)備為刮泥機(jī)，其功能是對進(jìn)行氧化溝處理后的污 水進(jìn)行物理沉淀，將污泥和清水分離，刮泥機(jī)在整個系統(tǒng)啟動后就開始持續(xù)運(yùn)行。 在該系統(tǒng)中用到一定化學(xué)藥劑 主要包括混凝劑、絮凝劑、復(fù)合堿等， 主要用來調(diào)節(jié)改善混凝條件及絮凝體結(jié)構(gòu)，利用高分子助凝劑的強(qiáng)烈吸附架橋作用，使細(xì)小松散的絮凝體變的粗大而緊密，容易發(fā)生沉降 。 (5）污泥脫水環(huán)節(jié)。污泥脫水系統(tǒng)主要包括離心式脫水機(jī)，其主要功能是對氧化池中處理過污水的活性污泥進(jìn)行脫水處理，由于對污水進(jìn)行處理后，活性污泥中有新的微生物及其他雜質(zhì)，因此需要先對活性污泥添加一定量的藥物，便于污泥脫水。離心式脫水機(jī)主要有聚合物泵、污泥機(jī)和切 割機(jī)構(gòu)成，以上設(shè)備按照順序控制的方式啟動，依次啟動聚合物泵、污泥機(jī)和切割機(jī)，完成對污泥的脫水處理。 電氣控制系統(tǒng) 電氣控制系統(tǒng)主要包括操作面板、顯示面板、電氣控制柜等單元。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(jìn)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(yán)格照檢測信號的輸入進(jìn)行控制。 (1）操作面板。操作面板主要包括手動、自動、各類設(shè)備的啟動按鈕等。 (2）顯示面板。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 。 (3） 電氣控制 柜。電氣控制柜是電氣控制的核心設(shè)備，主要包括變頻器、各類傳感器的輸入信號、 PLC 及其擴(kuò)展模塊等。 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） 12 工業(yè)污水處理系統(tǒng)的工作原理 控制系統(tǒng)總體框圖 工業(yè)污水處理系統(tǒng)的電氣控制系統(tǒng)總框圖如圖 42所示， PLC為核心控制器，通過檢測操作面板按鈕的輸入、各類傳感器的輸入，以及相關(guān)模擬量的輸入，完成相關(guān)設(shè)備的運(yùn)行、停止和調(diào)速控制。 32電氣控制系統(tǒng)框圖 工作過程 在手動狀態(tài)下，各類設(shè)備的控制是根據(jù)操作面板上的按鈕輸入來控制，無邏輯控制，即可不根據(jù)傳感器的狀態(tài)進(jìn)行控制。在自動方式下進(jìn)行閉環(huán) 控制，系統(tǒng)根據(jù)檢測到外部傳感器的狀態(tài)對設(shè)備進(jìn)行啟停控制，其工作過程如下。 (1）接通電源，啟動自動控制方式，啟動潛水?dāng)嚢杵骱凸文鄼C(jī)。 (2）運(yùn)行粗、細(xì)格柵機(jī)，進(jìn)行間歇運(yùn)行，即運(yùn)行一段時間然后停止一段時間，循環(huán)進(jìn)行 。 (3）根據(jù)反饋回來的液位差狀態(tài)控制清污機(jī)的運(yùn)行與停止。 (4） 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。 (5）轉(zhuǎn)碟曝氣機(jī)根據(jù)溶解氧儀反饋的模擬量經(jīng) PLC 運(yùn)算后進(jìn)行控制，同時控制分離機(jī)的運(yùn)行與停止。 (6）污泥回流泵的運(yùn)行與停止根據(jù)液面的高低進(jìn)行控制。 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)的啟動采用順序控制方式，依次啟動其設(shè)備。 工業(yè)污水處理系統(tǒng)主電路設(shè)計(jì) 圖 33為工業(yè)污水處理系統(tǒng)的主電路圖的部分圖。三臺電機(jī)分別為潛水泵電機(jī)（ M1）、清污機(jī)電機(jī)（ M2）、轉(zhuǎn)碟曝氣機(jī)電機(jī)（ M3）。接觸器 KM KM KM6分別控制 M M M3的工頻運(yùn)行；接觸器 KM KM9 分別控制 M M3 的變頻運(yùn)行； FR FR FR3 分別為三臺電機(jī)過載保護(hù)用的熱繼電器； QF主電路的空氣開關(guān)； FU1 為主電路的熔斷器。選用的 MM430 變頻器是用來控制電機(jī) M M3變頻運(yùn)行的。 圖 33工業(yè)污水處理 系統(tǒng) 部分 主電路 圖 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） 14 PLC 選型 根據(jù) 工業(yè)污水處理 系統(tǒng)的電氣控制系統(tǒng)的功能要求，以及其復(fù)雜程度，從經(jīng)濟(jì)性、可靠性等方面來考慮，選擇西門子 S7— 200系列 PLC作為 工業(yè)污水處理 系統(tǒng)的電氣控制系統(tǒng)的控制主機(jī)。由于 工業(yè)污水處理 電氣控制系統(tǒng)涉及較多的輸入輸出端口，其控制過程相對復(fù)雜，因此采用 CPU226 作為該控制系統(tǒng)的主機(jī)。 CPU226 在 工業(yè)污水處理 系統(tǒng)中使用的數(shù)字量輸入點(diǎn)和輸出點(diǎn)都比較多，因此除了 PLC 主機(jī)自帶的 I/O 外，還需要擴(kuò)展一定數(shù)量的 I/O 擴(kuò)展模塊。在此采用EM223 輸入 /輸出混合 擴(kuò)展模塊。 8點(diǎn) DC輸入 8點(diǎn)輸出型。正好可以滿足控制系統(tǒng)的 I/O 需求。 在該系統(tǒng)中，還需要采集模擬量并利用模擬量控制的功能要求，因此需要在擴(kuò)展一個模擬量輸入輸出擴(kuò)展模塊。西門子公司專門為 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)動能力，可滿足控制系統(tǒng)的功能要求。 PLC 的 I/O 資源配置 根據(jù)系統(tǒng)的功能要求，對 PLC 的 I/O 進(jìn)行配置，具體分配如下表 。 數(shù)字量輸入部分 表 34 數(shù)字輸入量地址分配 輸入地址 輸入設(shè)備 輸入地址 輸入設(shè)備 急停 手動刮泥機(jī)啟動 手動方式 手動污泥回流泵啟動 自動方式 手動分離式脫水機(jī)啟動 自動啟動確認(rèn) 手動污泥泵啟動 手動粗格柵機(jī)啟動 手動轉(zhuǎn)碟曝氣機(jī)加速 手動清污機(jī)啟動 手動轉(zhuǎn)碟曝氣機(jī)減少 手動潛水泵啟動 粗格柵液位差計(jì) 手動細(xì)格柵機(jī)啟動 細(xì)格柵液位差計(jì) 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） 15 手動分離機(jī)啟動 進(jìn)水泵房液面高位傳感器 手動轉(zhuǎn)碟曝氣 機(jī)工頻啟動 進(jìn)水泵房液面低位傳感器 手動轉(zhuǎn)碟曝氣機(jī)變頻 啟動 污泥回流泵液面高位傳感器 手動潛水?dāng)嚢铏C(jī)啟動 污泥回流泵液面低位傳感器 數(shù)字量輸出部分 表 35數(shù)字輸出量地址分配 輸出地址 輸出設(shè)備 輸出地址 輸出設(shè)備 粗格柵機(jī)接觸器 潛水?dāng)嚢铏C(jī)接觸器 清污機(jī)接觸器 刮泥機(jī)接觸器 潛水泵接觸器 污泥回流泵接觸器 細(xì)格柵機(jī)接觸器 離心式脫水機(jī)接觸器 分離機(jī)接觸器 潛水泵報(bào)警 轉(zhuǎn)碟曝氣機(jī)工頻接觸器 污泥回流泵報(bào)警 轉(zhuǎn)碟曝氣機(jī)變頻接觸器 模擬量輸入部分 由于需要采集一個溶氧儀所反饋的數(shù)據(jù)，因此擴(kuò)展了一個模擬量輸入輸出模塊，具體 I/O 分配，如下表 36 所示 。 表 36 模擬量輸入地址分配 輸入地址 輸入設(shè)備 AIW0 溶解氧儀 模擬量輸出部分 在此控制系統(tǒng)中需要將采集回來的模擬量進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，然后，通過模擬輸出口對變頻器進(jìn)行控制，進(jìn)行控制其他設(shè)備的運(yùn)行，如下表 37 所示 。 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控制部分主要在調(diào)試系統(tǒng)時使用，調(diào)試完成后基本處于閑置狀態(tài)。 圖 38工業(yè)污水處理 系統(tǒng) PLC硬件接線圖 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） 17 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。 接觸器 選型 在控制系統(tǒng)中，所有設(shè)備是根據(jù)控制面板上的按鈕情況或者根據(jù)傳感器的反饋值進(jìn)行動作的，因此需要 PLC 根據(jù)當(dāng)前的工作情況，以及按鈕的情況來控制所有設(shè)備的啟停，在此用到了大量接觸器：如格柵機(jī)接觸器、清污機(jī)接觸器、潛水泵接觸器、分離機(jī)接觸器、轉(zhuǎn)碟曝氣機(jī)接觸器、潛水?dāng)嚢铏C(jī)接觸器、刮泥機(jī)接觸器等 。為此該系統(tǒng)選用施耐德 LC1D0901M5C 交流接觸，其額定電壓 220V,額定電流 9A。其特點(diǎn)有： 高標(biāo)準(zhǔn)：符合 IEC6094741和 標(biāo)準(zhǔn)。長壽命：機(jī)械壽命高達(dá) 2021 萬次；電壽命高達(dá) 200 萬次。強(qiáng)適應(yīng)性： “ TH” 防護(hù)處理，可以在濕熱的環(huán)境中使