【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 高效、低能耗的功能， 并且實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的控制過(guò)程，采用 PLC作為核心控制器是個(gè)較好的方案。 PLC 作為工業(yè)污水處理系統(tǒng)的控制系統(tǒng)使得設(shè)計(jì)過(guò)程變得更加簡(jiǎn)單，可實(shí)現(xiàn)的功能變得更多。與各類(lèi)人機(jī)界面的通信可完成 PLC 控制系統(tǒng)的監(jiān)視，同時(shí)使用戶可通過(guò)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 景德鎮(zhèn)陶瓷學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 10 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(gè)方面：一是信號(hào)輸入；二是控制輸出信號(hào)。 信號(hào)輸入 工業(yè)污水處理系統(tǒng)信號(hào)輸入檢測(cè)方面主要涉及四類(lèi)信號(hào)的監(jiān)測(cè)，主要包括： 按鈕的輸入檢測(cè)、液位差的輸入檢測(cè)、液位高低的輸入檢測(cè)，以及曝氣池中含氧量的輸入檢測(cè)。 （ 1）按鈕輸入檢測(cè)。大多數(shù)為人工方式控制的輸入檢測(cè)，主要有自動(dòng)按鈕、手動(dòng)按鈕、格柵機(jī)啟動(dòng)按鈕、清污機(jī)啟動(dòng)按鈕、潛水泵啟動(dòng)按鈕、潛水?dāng)嚢铏C(jī)啟動(dòng)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(cè)。檢測(cè)粗細(xì)格柵兩側(cè)液位差，用來(lái)控制清污機(jī)的啟動(dòng)與停止。 （ 3）液位高低輸入檢測(cè)。檢測(cè)進(jìn)水泵房和污泥回流泵房中液位的高低，用來(lái)控制潛水泵或污泥回流泵的啟動(dòng)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(cè)。以上三種都為數(shù)字量輸入，該輸入為模擬量輸入。曝氣過(guò)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(cè)污水中的含氧量，并通過(guò)曝氣機(jī)增加或減少其含氧量。通過(guò)將溶解氧儀設(shè)置在適當(dāng)位置上，將檢測(cè)值反饋到 PLC 中，通過(guò)運(yùn)算輸出控制曝氣機(jī)的轉(zhuǎn)速信號(hào)。當(dāng)溶解氧值偏低時(shí)，降低了微生物分解的效果，延長(zhǎng)了處理時(shí)間，嚴(yán)重時(shí)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(shí)，導(dǎo)致微生物過(guò)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(hào) 信號(hào)輸出部分主要包括兩個(gè)方面：一個(gè)是數(shù)字量輸出，即各類(lèi)設(shè)備的接觸器；另外一個(gè)是模擬量輸出，用來(lái)控制曝氣機(jī)變頻器。 （ 1）數(shù)字量輸出?？刂聘黝?lèi)設(shè)備的啟動(dòng)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(guò) PLC中 PID 運(yùn)算后的數(shù)據(jù)，通過(guò)其功能模塊輸出控制信號(hào)，該控制信號(hào)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。景德鎮(zhèn)陶瓷學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 11 景德鎮(zhèn)陶瓷學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 12 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(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)。 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(guò)程及原理大致相同，都是通過(guò)控制曝氣機(jī)的轉(zhuǎn)速來(lái)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(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(lái)決定的，當(dāng)液位差超過(guò)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(guò)安裝在泵房?jī)?nèi)的液位傳感器來(lái)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(lái)決定，當(dāng)液位差超過(guò)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。 景德鎮(zhèn)陶瓷學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 13 (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(guò)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(lái)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(guò)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(kāi)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(lái)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(guò)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。 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(cè)較多的數(shù)字輸入量，并且還要檢測(cè)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(hào)，因此系統(tǒng)的控制邏輯與時(shí)序就需要嚴(yán)格照檢測(cè)信號(hào)的輸入進(jìn)行控制。 (1）操作面板。操作面板主要包括手動(dòng)、自動(dòng)、各類(lèi)設(shè)備的啟動(dòng)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。 景德鎮(zhèn)陶瓷學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 14 (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(lèi)傳感器的輸入信號(hào)、 PLC 及其擴(kuò)展模塊等。 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(guò)檢測(cè)操作面板按鈕的輸入、各類(lèi)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(guò)程 在手動(dòng)狀態(tài)下，各類(lèi)設(shè)備的控制是根據(jù)操作面板上的按鈕輸入來(lái)控制，無(wú)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(dòng)方式下進(jìn)行閉環(huán)控制，系統(tǒng)根據(jù)檢測(cè)到外部傳感器的狀態(tài)對(duì)設(shè)備進(jìn)行啟停控制，其工作過(guò)程如下。 (1）接通電源，啟動(dòng)自動(dòng)控制方式，啟動(dòng)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(shí)間然后停止一段時(shí)間，循環(huán)進(jìn)行。 (3）根據(jù)反饋回來(lái)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。 景德鎮(zhèn)陶瓷學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 15 (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(shí)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。 (7）在污泥脫水系統(tǒng)中，離心式脫水機(jī)的啟動(dòng)采用順序控制方式，依次啟動(dòng)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(tái)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 KMKM6 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(tái)電機(jī)過(guò)載保護(hù)用的熱繼電器； QF主電路的空氣開(kāi)關(guān)； FU1 為主電路的熔斷器。選用的 MM430 變頻器是用來(lái)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)部分主電路圖景德鎮(zhèn)陶瓷學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 16 景德鎮(zhèn)陶瓷學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 17 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(lái)考慮，選擇西門(mén)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(guò)程相對(duì)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(gè)模擬量輸入輸出擴(kuò)展模塊。 西門(mén)子公司專門(mén)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(dòng)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(duì) 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(dòng)刮泥機(jī)啟動(dòng) 手動(dòng)方式 手動(dòng)污泥回流泵啟動(dòng) 自動(dòng)方式 手動(dòng)分離式脫水機(jī)啟動(dòng) 自動(dòng)啟動(dòng)確 認(rèn) 手動(dòng)污泥泵啟動(dòng) 手動(dòng)粗格柵機(jī)啟動(dòng) 手動(dòng)轉(zhuǎn)碟曝氣機(jī)加速 手動(dòng)清污機(jī)啟動(dòng) 手動(dòng)轉(zhuǎn)碟曝氣機(jī)減少 手動(dòng)潛水泵啟動(dòng) 粗格柵液位差計(jì) 手動(dòng)細(xì)格柵機(jī)啟動(dòng) 細(xì)格柵液位差計(jì) 手動(dòng)分離機(jī)啟動(dòng) 進(jìn)水泵房液面高位傳感器 景德鎮(zhèn)陶瓷學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 18 手動(dòng)轉(zhuǎn)碟曝氣機(jī)工頻啟動(dòng) 進(jìn)水泵房液面低位傳感器 手動(dòng)轉(zhuǎn)碟曝氣機(jī)變頻啟動(dòng) 污泥回流泵液面高位傳感器 手動(dòng)潛水?dāng)嚢铏C(jī)啟動(dòng) 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(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 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(lái)的模擬量進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，然后，通過(guò)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 37所示。 表 37 模擬量輸出地址分配 輸出地址 輸出設(shè)備 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(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)。 景德鎮(zhèn)陶瓷學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 19 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(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(dòng)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(lái)控景德鎮(zhèn)陶瓷學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 20 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(zhǎng)壽命：機(jī)械壽命高達(dá) 2021 萬(wàn)次；電壽命高達(dá) 200 萬(wàn)次。強(qiáng)適應(yīng)性：“TH” 防護(hù)處理，可以在濕