【文章內容簡介】 制系統(tǒng)使得設計過程變得更加簡單，可實現(xiàn)的功能變得更多。與各類人機界面的通信可完成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強大的網絡通信能力，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，并且也可實現(xiàn)其遠程監(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。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、格柵機啟動按鈕、清污機啟動按鈕、潛水泵啟動按鈕、潛水攪拌機啟動按鈕、污泥回流泵按鈕、曝氣機工頻、變頻按鈕，以及變頻加速減速按鈕等。（2）液位差輸入檢測。檢測粗細格柵兩側液位差，用來控制清污機的啟動與停止。（3）液位高低輸入檢測。檢測進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，并通過曝氣機增加或減少其含氧量。通過將溶解氧儀設置在適當位置上，將檢測值反饋到PLC中，通過運算輸出控制曝氣機的轉速信號。當溶解氧值偏低時，降低了微生物分解的效果，延長了處理時間，嚴重時甚至導致處理失效，因此需要增加曝氣機轉速以增加供氧量；當溶解氧值偏高時，導致微生物過氧化，降低了其活性，也不利于處理，因此減小曝氣機轉速以減少供氧量，最終使污水中的溶解氧保持在一定的范圍內。 信號輸出部分主要包括兩個方面：一個是數(shù)字量輸出，即各類設備的接觸器；另外一個是模擬量輸出，用來控制曝氣機變頻器。（1）數(shù)字量輸出?？刂聘黝愒O備的啟動和停止，包括：格柵機啟停、清污機啟停、潛水泵啟停、潛水攪拌器啟停、污泥回流泵等設備。（2）模擬量輸出通過PLC中PID運算后的數(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，從而控制曝氣機的轉速，最后達到控制污水中含氧量的要求。常州信息職業(yè)技術學院第3章 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)，其結構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，對于不同的結構，其配套的設備也有較大的不同，所以其結構比較復雜，不同的結構對應不同的控制系統(tǒng)，因此需要根據(jù)不同的結構特點設計相應的控制系統(tǒng)。工業(yè)污水處理系統(tǒng)的結構比較復雜，設備較多，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的轉速來調節(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）進水系統(tǒng)。進水系統(tǒng)主要有進水管道和進水泵房組成，進水管道主要由粗格柵機和清污機組成，進水泵房主要有兩臺潛水泵組成。進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)程序設定的時間進行間歇工作，而清污機的運行和停止是根據(jù)粗格柵兩側的液位差來決定的，當液位差超過某個值時，啟動清污機；當液位差小于某個值時停止清污機的運行。進水泵房中的潛水泵運行及停止是通過安裝在泵房內的液位傳感器來決定的，當液位較低時只啟動一臺潛水泵，當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)主要由細格柵系統(tǒng)和沉砂池組成，細格柵系統(tǒng)是由細格柵機和轉鼓清污機組成，沉砂池的主要設備是分離機。細格柵系統(tǒng)的主要功能是進一步凈化污水中的顆粒物體，將污水中細小的沙粒濾除，其中的細格柵機是根據(jù)程序設定時間進行間歇工作，而轉鼓清污機的運行和停止則根據(jù)細格柵兩側的液位差來決定，當液位差超過某個值時，啟動清污機；當液位差小于某個值時停止清污機的運行，這和粗格柵系統(tǒng)的運行方式一致。沉砂池中分離機的運行和后續(xù)處理中的轉碟曝氣機的運行同步，即啟動轉碟曝氣機的時候同時啟動分離機，對沉砂池中的沙粒進行排除。(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，控制過程叫復雜，包括轉碟曝氣機和潛水攪拌機，污水回流系統(tǒng)主要有污泥回流泵構成。氧化溝的功能是對污水進行生化處理，分解污水中的有害物質，使其達到一定的水質標準，其中是轉碟曝氣機是關鍵設備，在氧化溝中設置有溶解氧儀對污水中的含氧量進行檢測，根據(jù)其反饋到PLC的值來控制曝氣機變頻器的運行，改變污水中溶解氧的含量。潛水攪拌機的作用是推進水流，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行處理，該設備的運行與停止主要根據(jù)泵房內液位傳感器的狀態(tài)，當液位低于某個值時停止回流泵的運行；當液位持續(xù)高于某個高位時，回流泵停止運行同時輸出報警信號；液位處于正常狀態(tài)時，回流泵正常運行。(4）沉淀系統(tǒng)。沉淀系統(tǒng)主要設備為刮泥機，其功能是對進行氧化溝處理后的污水進行物理沉淀，將污泥和清水分離，刮泥機在整個系統(tǒng)啟動后就開始持續(xù)運行。在該系統(tǒng)中用到一定化學藥劑主要包括混凝劑、絮凝劑、復合堿等，主要用來調節(jié)改善混凝條件及絮凝體結構，利用高分子助凝劑的強烈吸附架橋作用，使細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，其主要功能是對氧化池中處理過污水的活性污泥進行脫水處理，由于對污水進行處理后，活性污泥中有新的微生物及其他雜質，因此需要先對活性污泥添加一定量的藥物，便于污泥脫水。離心式脫水機主要有聚合物泵、污泥機和切割機構成，以上設備按照順序控制的方式啟動，依次啟動聚合物泵、污泥機和切割機，完成對污泥的脫水處理。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)設定的程序進行數(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格照檢測信號的輸入進行控制。(1）操作面板。操作面板主要包括手動、自動、各類設備的啟動按鈕等。(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界面。(3）電氣控制柜。電氣控制柜是電氣控制的核心設備，主要包括變頻器、各類傳感器的輸入信號、PLC及其擴展模塊等。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，以及相關模擬量的輸入，完成相關設備的運行、停止和調速控制。32電氣控制系統(tǒng)框圖在手動狀態(tài)下，各類設備的控制是根據(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)進行控制。在自動方式下進行閉環(huán)控制，系統(tǒng)根據(jù)檢測到外部傳感器的狀態(tài)對設備進行啟?？刂疲涔ぷ鬟^程如下。(1）接通電源，啟動自動控制方式，啟動潛水攪拌器和刮泥機。(2）運行粗、細格柵機，進行間歇運行，即運行一段時間然后停止一段時間，循環(huán)進行。(3）根據(jù)反饋回來的液位差狀態(tài)控制清污機的運行與停止。(4）進水泵房中的潛水泵根據(jù)液面高低進行運行、停止及運行數(shù)量的控制。 (5）轉碟曝氣機根據(jù)溶解氧儀反饋的模擬量經PLC運算后進行控制，同時控制分離機的運行與停止。(6）污泥回流泵的運行與停止根據(jù)液面的高低進行控制。(7）在污泥脫水系統(tǒng)中，離心式脫水機的啟動采用順序控制方式，依次啟動其設備。圖33為工業(yè)污水處理系統(tǒng)的主電路圖的部分圖。三臺電機分別為潛水泵電機（M1）、清污機電機（M2）、轉碟曝氣機電機（M3）。接觸器KMKMKM6分別控制MMM3的工頻運行；接觸器KMKM9分別控制MM3的變頻運行；FRFRFR3分別為三臺電機過載保護用的熱繼電器；QF主電路的空氣開關；FU1為主電路的熔斷器。選用的MM430變頻器是用來控制電機MM3變頻運行的。圖33工業(yè)污水處理系統(tǒng)部分主電路圖43常州信息職業(yè)技術學院 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，以及其復雜程度，從經濟性、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。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，其控制過程相對復雜，因此采用CPU226作為該控制系統(tǒng)的主機。CPU226在工業(yè)污水處理系統(tǒng)中使用的數(shù)字量輸入點和輸出點都比較多，因此除了PLC主機自帶的I/O外，還需要擴展一定數(shù)量的I/O擴展模塊。在此采用EM223輸入/輸出混合擴展模塊。8點DC輸入8點輸出型。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，因此需要在擴展一個模擬量輸入輸出擴展模塊。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的輸出驅動能力，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進行配置，具體分配如下表。表34 數(shù)字輸入量地址分配輸入地址輸入設備輸入地址輸入設備急停手動刮泥機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啟動自動啟動確認手動污泥泵啟動手動粗格柵機啟動手動轉碟曝氣機加速手動清污機啟動手動轉碟曝氣機減少手動潛水泵啟動粗格柵液位差計手動細格柵機啟動細格柵液位差計手動分離機啟動進水泵房液面高位傳感器手動轉碟曝氣機工頻啟動進水泵房液面低位傳感器手動轉碟曝氣機變頻啟動污泥回流泵液面高位傳感器手動潛水攪拌機啟動污泥回流泵液面低位傳感器表35數(shù)字輸出量地址分配輸出地址輸出設備輸出地址輸出設備粗格柵機接觸器潛水攪拌機接觸器清污機接觸器刮泥機接觸器潛水泵接觸器污泥回流泵接觸器細格柵機接觸器離心式脫水機接觸器分離機接觸器潛水泵報警轉碟曝氣機工頻接觸器污泥回流泵報警轉碟曝氣機變頻接觸器由于需要采集一個溶氧儀所反饋的數(shù)據(jù)，因此擴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行數(shù)據(jù)處理，然后，通過模擬輸出口對變頻器進行控制，進行控制其他設備的運行，如下表37所示。表37模擬量輸出地址分配輸出地址輸出設備AQW0經PID運算輸出根據(jù)控制系統(tǒng)的功能要求，設計出工業(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試系統(tǒng)時使用，調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硬件接線圖要完成系統(tǒng)的控制功能除了需要PLC主機及其擴展模塊之外，還需要各種傳感器、接觸器和變頻器等儀器設備。在控制系統(tǒng)中，所有設備是根據(jù)控制面板上的按鈕情況或者根據(jù)傳感器的反饋值進行動作的，因此需要PLC根據(jù)當前的工作情況，以及按鈕的情況來控制所有設備的啟停，在此用到了大量接觸器：如格柵機接觸器、清污機接觸器、潛水泵接觸器、分離機接觸器、轉碟曝氣機接觸器、潛水攪拌機接觸器、刮泥機接觸器等。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。其特點有：高標準：。長壽命：機械壽命高達2000萬次；電壽命高達200萬次。強適應性：“TH”防護處理，可以在濕熱的環(huán)境中使用。寬電壓：線圈控制電壓在70%120%Uc之間波動，不影響產品正常工作。強通用性：具有50Hz60Hz通用線圈，可以全世界通用。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。也可以很方便地組合成可逆接觸器、星三角起動器。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連續(xù)可調的三相交流電。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，經濾波由電容Cd輸出直流電壓Vd，逆變器將直流Ud變換成頻率可調的交流電源供給電機進行變頻調速。由于中間直流環(huán)節(jié)是Cd低阻抗輸出相當于是恒壓源，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)是高阻抗輸出相當于電流源，故稱電流型。(VVVF)原理當在實際利用變頻器調節(jié)電機轉速的過程中，當頻率f下降時，定子繞組的反電動勢E有所下降，定子電流增大，但是轉子側的負載并未增加，故轉子段電流不變，根據(jù)電流平衡方程可知，勵磁電流比增大，因而磁通φm增大。φm增加將導致鐵芯的飽和，進而引起勵磁電流波形的畸變，這是不希望的結果，因此希望φm可以保持基本不變。要實現(xiàn)這個目標，只要在變頻過程中使變頻器輸出電壓Ul/f=const，則磁通φm可保持基本不變。因此變頻的同時也要變壓，常用VVVF表示。VVVF實施的基本方法包括：脈幅調制(PAM)和脈寬調制(PWM)。（1）脈幅調制(PAM)實現(xiàn)方法就是調節(jié)頻率的同時，也改變直流電壓的振幅值。PAM需要同時調節(jié)兩個部分：整流部分和逆變部分，兩者之間還必須滿足一定的關系，故控制電路比較復雜，因此比較少用。（2）脈寬調制(PWM