【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院本科畢業(yè)論文 3 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì) 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(duì)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(duì)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 31 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(tái)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(shí)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(gè)值時(shí)，啟動(dòng)清污機(jī)；當(dāng)液位差小于某個(gè)值時(shí)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?jī)?nèi)的液位傳感器來決定的，當(dāng)液位較低時(shí)只啟動(dòng)一臺(tái)潛水泵，當(dāng)液位較高時(shí)啟動(dòng)兩臺(tái)潛水泵，若液位持續(xù)升高時(shí)，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，其中的進(jìn)水 系統(tǒng) 除砂 系統(tǒng) 氧化溝 系統(tǒng) 沉淀 系統(tǒng) 污泥脫水 系統(tǒng) 河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院本科畢業(yè) 論文 11 細(xì)格柵機(jī)是根據(jù)程序設(shè)定時(shí)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(gè)值時(shí)，啟動(dòng)清污機(jī)；當(dāng)液位差小于某個(gè)值時(shí)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(dòng)轉(zhuǎn)碟曝氣機(jī)的時(shí)候同時(shí)啟動(dòng)分離機(jī)，對(duì)沉砂池中的沙粒進(jìn)行排除。 （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(duì)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(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(shí)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?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。 （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(duì)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(gè)系統(tǒng)啟動(dòng)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(duì)氧化池中處理過污水的活性污泥進(jìn)行脫水處理，由于對(duì)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(duì)活性污泥添加一定量的藥河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院本科畢業(yè) 論文 12 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(dòng)，依次啟動(dòng)聚合物泵、污泥機(jī)和切割機(jī)，完成對(duì)污泥的脫水處理。 控制系統(tǒng) I／ 0統(tǒng)計(jì)及 PLC選型 根據(jù)系統(tǒng)的功能要求，對(duì) PLC的 I/O進(jìn)行估算配置，具體分配如下。 數(shù)字量輸入部分 首先需要一個(gè)緊急制動(dòng)按鈕 ,運(yùn)行方式有兩種自動(dòng)和手動(dòng)，所以有自動(dòng)運(yùn)行方式， 自動(dòng)方式啟動(dòng)確認(rèn)，手動(dòng)方式。手動(dòng)方式針對(duì)各個(gè)部件，粗細(xì)格柵機(jī)有手動(dòng)粗格柵機(jī)啟動(dòng)， 手動(dòng)細(xì)格柵機(jī)啟動(dòng)。手動(dòng)清污機(jī)、潛水泵、分離機(jī)、碟曝氣機(jī)工頻、轉(zhuǎn)碟曝氣機(jī)變頻、潛水?dāng)嚢铏C(jī)、刮泥機(jī)、污泥回流泵、分離式脫水機(jī)、污泥泵、轉(zhuǎn)碟曝氣機(jī)加速、轉(zhuǎn)碟曝氣機(jī)減少、粗格柵液位差計(jì)、細(xì)格柵液位差計(jì)、進(jìn)水泵房液面高位傳感器、進(jìn)水泵房液面低位傳感器、污泥回流泵液面高位傳感器、污泥回流泵液面低位傳感 ,總共 24個(gè)數(shù)字輸入量 . 表 32 數(shù)字輸入量分配 輸入地址 輸入編號(hào) 輸入編號(hào) 輸入設(shè)備 1 急停 13 手動(dòng)刮泥機(jī)啟動(dòng) 2 手動(dòng) 方式 14 手動(dòng)污泥回流泵啟動(dòng) 3 自動(dòng)方式 15 手動(dòng)分離式脫水機(jī)啟動(dòng) 4 自動(dòng)啟動(dòng)確認(rèn) 16 手動(dòng)污泥泵啟動(dòng) 5 手動(dòng)粗格柵機(jī)啟動(dòng) 17 手動(dòng)轉(zhuǎn)碟曝氣機(jī)加速 6 手動(dòng)清污機(jī)啟動(dòng) 18 手動(dòng)轉(zhuǎn)碟曝氣機(jī)減少 7 手動(dòng)潛水泵啟動(dòng) 19 粗格柵液位差計(jì) 8 手動(dòng)細(xì)格柵機(jī)啟動(dòng) 20 細(xì)格柵液位差計(jì) 9 手動(dòng)分離機(jī)啟動(dòng) 21 進(jìn)水泵房液面高位傳感器 河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院本科畢業(yè) 論文 13 續(xù)前表 10 手動(dòng)轉(zhuǎn)碟曝氣機(jī)工頻啟動(dòng) 22 進(jìn)水泵房液面低位傳感器 11 手動(dòng)轉(zhuǎn)碟曝氣機(jī)變頻啟動(dòng) 23 污泥回流泵液面高位傳感器 12 手動(dòng)潛水?dāng)嚢?機(jī)啟動(dòng) 24 污泥回流泵液面低位傳感器 數(shù)字量輸出部分 數(shù)字量輸出主要是對(duì)接觸器的啟動(dòng)提供信號(hào) ,共 13個(gè) 表 33 數(shù)字輸出量分配 輸 出 編號(hào) 輸出設(shè)備 輸 出 編號(hào) 輸出設(shè)備 1 粗格柵機(jī)接觸器 8 潛水?dāng)嚢铏C(jī)接觸器 2 清污機(jī)接觸器 9 刮泥機(jī)接觸器 3 潛水泵接觸器 10 污泥回流泵接觸器 4 細(xì)格柵機(jī)接觸器 11 離心式脫水機(jī)接觸器 5 分離機(jī)接觸器 12 潛水泵報(bào)警 6 轉(zhuǎn)碟曝氣機(jī)工頻接觸器 13 污泥回流泵報(bào)警 7 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(gè)溶氧儀所反饋的數(shù)據(jù)，因此擴(kuò)展了一個(gè)模擬量輸入輸出模塊，具體 I/O分配，如下表 34所示。 表 34 模擬量輸入分配 輸入編號(hào) 輸入設(shè)備 1 溶解氧儀 河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院本科畢業(yè) 論文 14 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(duì)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 35 所示。 表 35 模擬量輸出分配 輸出編號(hào) 輸出設(shè)備 1 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) 。 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，選擇三菱 FX2N64M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)。 通常 I/O點(diǎn)數(shù)是根據(jù)被控對(duì)象的輸入、輸出信號(hào)的需要，再加上 10%15%備用量來確定，三菱 FX2N64M在工業(yè)污水處理系統(tǒng)中有 32個(gè)數(shù)字量輸入點(diǎn)和 32個(gè)數(shù)字輸出點(diǎn)，本系統(tǒng)有 24個(gè)數(shù)字量輸入和 13個(gè)數(shù)字量輸出，所以三菱 FX2N64M符合要求。 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(gè)模擬量輸入輸出擴(kuò)展模塊。三菱公司生產(chǎn)的模擬量輸入輸出模塊FX0N3A，該模塊具有較高的分辨率、較強(qiáng)的輸出驅(qū)動(dòng)能力和通用性，可滿足控制系統(tǒng)的功能要求。 電動(dòng)機(jī)的選型 先選電動(dòng)機(jī)再選變頻器，在該工業(yè)污水處理系統(tǒng)中需要用到 Y2系列三相異步電機(jī)。主要性能有：絕緣等級(jí)： F；防護(hù)等級(jí)： IP54或 IP55；電壓： 380V或 415V；河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院本科畢業(yè) 論文 15 頻率： 50Hz或 60Hz；冷卻方式： IC411。 Y2系列電動(dòng)機(jī)有兩種設(shè)計(jì)，一種是適用于一般機(jī)械配套和出口需要，在輕載時(shí)有較高效率，在實(shí)際運(yùn)行中有較佳節(jié)能效果，且具有較高堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩，此設(shè)計(jì)稱為 Y2Y系列。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) 63～ 355）技術(shù)條件。 型號(hào)含義：如 Y2200L12Y：“ Y2”表示異步電動(dòng)機(jī)第二次改型設(shè)計(jì)，“ 200”表示中心高，“ L”表示機(jī)座長(zhǎng)短號(hào)，“ 1”表示鐵心長(zhǎng)度序號(hào)，“ 2”表示極數(shù)，“ Y”表示第一種設(shè)計(jì)（可 省略）。 第 2種設(shè)計(jì)是滿載時(shí)有較高效率，更適用于長(zhǎng)期運(yùn)行和負(fù)載率較高的使用場(chǎng)合，如水泵、風(fēng)機(jī)配套，此設(shè)計(jì)稱為 Y2E系列，中心高 80～ 280mm，功率從 ～ 90kW。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。 型號(hào)含義：如 Y2200L26E：“ Y2”表示異步電動(dòng)機(jī)第二次改型設(shè)計(jì)，“ 200”表示中心高，“ L”表示機(jī)座長(zhǎng)短號(hào)，“ 2”表示鐵心長(zhǎng)度序號(hào)，“ 6”表示極數(shù)，“ E”表示第二種設(shè)計(jì) ,功率 22KW。 根據(jù)上述分析，選擇 Y2200L26E 22KW即可滿足要求。 變頻器基本原理及變頻器選型 變頻器簡(jiǎn)介 變頻器的功能是將頻率固定的 (通常為 50Hz)的交流電變換成頻率連續(xù)可調(diào)的三相交流電源。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。 變頻器主要分為間接變頻和直接變頻兩大類，而間接變頻又根據(jù)中間直流環(huán)節(jié)的主要儲(chǔ)能元件的不同可分為電壓型和電流型。電壓型變頻器主回路由相控整流器，中間直流環(huán)節(jié)和逆變器三個(gè)部分組成。 相控整流器將交流電壓整流為可控的直流電壓，經(jīng)濾波由電容 Cd輸 出直流河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院本科畢業(yè) 論文 16 電壓 Vd，逆變器將直流 Ud變換成頻率可調(diào)的交流電源供給電機(jī)進(jìn)行變頻調(diào)速。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。 電流型交 直 交變頻器與電壓型變頻器的差別僅在于中間直流環(huán)節(jié)中的儲(chǔ)能元件用的是電感而不是電容。由于中間直流環(huán)節(jié)是高阻抗輸出相當(dāng)于電流源，故稱電流型。 變頻與變壓 (VVVF)原理 當(dāng)在實(shí)際利用變頻器調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速的過程中，當(dāng)頻率 f下降時(shí)，定子繞組的反電動(dòng)勢(shì) E有所下降，定子電流增大，但是轉(zhuǎn)子側(cè)的負(fù)載并未增加，故轉(zhuǎn)子段電流不變，根據(jù)電流平衡方程可知，勵(lì)磁電流比增大， 因而磁通φ m增大。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。要實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)，只要在變頻過程中使變頻器輸出電壓 Ul/f=const，則磁通φ m可保持基本不變。因此變頻的同時(shí)也要變壓，常用 VVVF表示。 VVVF實(shí)施的基本方法包括：脈幅調(diào)制 (PAM)和脈寬調(diào)制 (PWM)。 （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。 PAM需要同時(shí)調(diào)節(jié)兩個(gè)部分：整流部分和逆變部分，兩者之間還必須滿足一定的關(guān)系，故控制電路比較復(fù)雜，因此比 較少用。 （２）脈寬調(diào)制 (PWM) 實(shí)現(xiàn)方法就是在每半個(gè)周期內(nèi)，把輸出電壓的波形分割成若干個(gè)脈沖波，每個(gè)脈沖的寬度為 t1，每個(gè)脈沖間的間隔寬度為 t2，則脈沖的占空比Υ=tl/(t2+tl)。這時(shí)電壓的平均值和占空比成正比，所以在調(diào)節(jié)頻率時(shí)，不改變直流電壓的幅值，而是改變輸出電壓脈沖的占空比，同樣可以實(shí)現(xiàn)變頻也變壓的效果。 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。 河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院本科畢業(yè) 論文 17 變頻調(diào)速的基本原理 （ １） 異步電動(dòng)機(jī)的等效變換 圖 36 異步電動(dòng)機(jī)的等效變 換 異步電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩公式： 2212 2 21 1 2 1 232 [ ( ) ( ) ]m p s r UT f s r r s x x?? ? ? ? 其中： P為旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的磁極對(duì)數(shù)， S為轉(zhuǎn)差率。 （２） 變頻調(diào)速的原理 異步電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩是由定子主磁通和轉(zhuǎn)子電流相互作用產(chǎn)生。異步電動(dòng)機(jī)的定子主磁通是以一定的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)實(shí)際是三個(gè)交變磁場(chǎng)合成的結(jié)果。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)。產(chǎn)生轉(zhuǎn)子電流的必要條件是轉(zhuǎn)子繞組切割定子磁場(chǎng)的磁力線。因此轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速n1必須低于定子磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速 n0 (即所謂的“異步” )。兩者之間的差異可由轉(zhuǎn) 差率表示，轉(zhuǎn)差率 s=( n0 n1)/n0根據(jù) n0=60f/p可知，當(dāng)頻率 f連續(xù)可調(diào)時(shí)，電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速 n0也連續(xù)可調(diào)，而異步電機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速 n1，總是比同步轉(zhuǎn)速略低一點(diǎn)，所以當(dāng) n0連續(xù)可調(diào)時(shí)， n1也是連續(xù)可調(diào)。 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： （ ）