【正文】 .......................................................................... 32 5 調(diào)試 .......................................................................................................................... 35 模擬調(diào)試 ........................................................................................................... 35 硬件功能性調(diào)試 ............................................................................................... 40 系統(tǒng)總體調(diào)試 ................................................................................................... 40 6 結(jié)論 .......................................................................................................................... 42 謝辭 .............................................................................................................................. 43 參考文獻 ...................................................................................................................... 44 附錄一 PLC 程序控制梯形圖 ................................................................................... 45 附錄二 MCGS 腳本程序 ........................................................................................... 55 畢 業(yè) 設(shè) 計 1 1 緒 論 設(shè)計背景 水是人類生活中必不可 少的，尤其隨著工業(yè)的發(fā)展無論是生活還是生產(chǎn)中對水資源的需求量越來越大。我國淡水資源總量雖大但人占有量不足，僅為世界平均值的 1/4。而且在全國 500 多個城市中，許多北方城市嚴重缺水，加之水資源的空間分布極不缺水現(xiàn)象更為其嚴重，人均擁有淡水量僅有全國人均的1/10??1 。我國北方地區(qū)已出現(xiàn)眾多環(huán)境問題，如水位下降、湖泊干涸、河水?dāng)嗔鞯?，水資源的超采，己形成漏斗地勢。 隨著社會的發(fā)展，水資源已經(jīng)成為影響人民生活的重要因素，加之目前我國城市用水重復(fù)利用率小。目前全國城市污水達排放標(biāo)準(zhǔn)的有效率僅有 10%，大部分 污 水未經(jīng)處理就直接排入河流、湖泊和海洋。環(huán)境污 染的加重，水資源日益減少、水質(zhì)日益惡化等一系列問題，都需要我們通過污水處理問題解決。據(jù)有關(guān)專家預(yù)測，未來 90 年全球氣候變暖加劇，到 2100 年，地球表面將有 1/3 的面積沙漠化，干旱將成為全球人類生存的威脅 [2]。世界各國為了突破由水資源短缺而造成經(jīng)濟發(fā)展停滯的障礙，越來越重視水處理技術(shù)，希望通過各種水處理技術(shù)提高所供應(yīng)的生活用水質(zhì)量、工業(yè) 用水質(zhì)量，從而提高經(jīng)濟效益。隨著環(huán)境保護者的呼吁，人們的環(huán)保意識越來越高，城市污水處理未經(jīng)處理直接排放是絕對不能容忍的，因此污水處理自動化系統(tǒng)的開發(fā)與利用已經(jīng)體現(xiàn)出其必要性和緊迫性。 研究目的和意義 隨著社會的不斷進步，經(jīng)濟的不斷發(fā)展，人民的生活水平也在不斷地提高，但 環(huán)境問題卻不容樂觀。這個污染源的出現(xiàn)引起了社會各界 的 廣泛 關(guān)注， 因為這不僅影響了城市形象，更與我們生活息息相關(guān)，近年來 治理水污染環(huán)境的課題已 被列入世界環(huán)保組織的工作日程 ，其重要性可見一斑 。在我國各城市中約有 300 個城市缺水，其中 50個 城市嚴 重缺水。水資溝的匱乏和水資源的污染， 已 經(jīng) 成為制約經(jīng)濟發(fā)展、影響人民生活水平提高的一大阻礙 [3]。 污水處理現(xiàn)狀 國外的污水處理廠很早就實現(xiàn)了污水處理 自動化， 如 DCS/FCS 系統(tǒng) ，之所以會有這樣的效果是因為國外 控制技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通 訊技術(shù)以及現(xiàn)場總線技術(shù) 發(fā)展比較快 ， 并成功 將 SCADA 技術(shù)引入到了 污水處理 工程中， 效果非常好 。國外污水處理自控系統(tǒng)主要有以下特點： 通過高精度 的水質(zhì)分析儀表 對處理過程進行 在線監(jiān)控 ， 根據(jù)需要 記錄下來 處理過程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)和輸出報表 ； 生產(chǎn)過程中 根據(jù)水質(zhì)和水源的變化 采用智能控 制， 按需要對污水處理過程進行不同程度上 自動的調(diào)整 ；充分 利用電話網(wǎng)絡(luò)、移動電話網(wǎng)絡(luò)、國際互聯(lián)網(wǎng)、氣象信息等 社會信息資源 ，基本實現(xiàn)遠程遙控操作，而非人工手動操作，自動化程度高 。 70 年代 開始 采用熱工儀表， 在污水處理控制方面基本 實 現(xiàn)了 集中巡檢； 80 年代 ， DCS 系統(tǒng) 及 分析儀表 廣泛應(yīng)用于污水處理控制中 ； 90 年代， 眾多 大型污水處理廠 投資建成，使 我國污水處理控制系統(tǒng)的自動化水平 ， 提升 很快 。所以由于人為處理的延遲性與滯后性 ， 難免對系統(tǒng)的準(zhǔn)確性造成影響 ， 不但 出水質(zhì)量難以保證， 而 且 人 工 操作 繁瑣 ，容易發(fā)生錯誤， 造成 設(shè)備和裝置不能 完全利用 。 半自動控制 模式 ： 顧名思義，半自動模式只通過 上位機 界面按鈕遠程 遙控部分設(shè)備的啟停， 有一部分設(shè)備還是需要現(xiàn)場工作人員進行手動處理的?？梢姶朔N模式下，過多的加入了人為操作，處理流程不能自動連貫進行，加之人為操作誤差或時間上的滯后，所以此種模式 出水 品質(zhì)并不穩(wěn)定 ， 但其以資金投入量小，一直深受 國內(nèi)中、小型污水處理廠 的青睞 。 在 生產(chǎn)過程中 下位機采集的數(shù)據(jù)送到上位機， 數(shù)據(jù)通過相應(yīng) 運算處理， 通信網(wǎng)送入下位機 的 PLC 控制單元 ， 實現(xiàn) 通過上位機界面遠程實時控制 現(xiàn)場設(shè)備的 要求 。 基于此種模式靈活便捷，反應(yīng)迅速，可靠性高， 是 目前污水處理 控制 系統(tǒng)發(fā)展 的 趨勢 [4]。 主要任 務(wù)： 1． 研究常用的污水處理方法，設(shè)計可行性解決方案，并根據(jù)方案對過程儀表進行選型； 2． 編寫 PLC 控制程序（順序梯形圖），采用手動控制和自動運行兩種控制模式完成對現(xiàn)場設(shè)備的過程監(jiān)控功能； 3． 采用組態(tài)軟件設(shè)計友好的人機監(jiān)控界面，完成現(xiàn)場設(shè)備狀態(tài)監(jiān)視、數(shù)據(jù)記錄、工業(yè)參數(shù)設(shè)置、報警顯示等功能； 4． 在實驗室進行聯(lián)機測試，完成系統(tǒng)功能。因此，在選擇污水處理工藝時必需要認真考慮當(dāng)?shù)匚鬯木唧w情況，根 據(jù)實際情況應(yīng)用不同的污水處理方法。這些方法根據(jù)實際情況，可以單一使用，也可以混合使用。常用的污水處理工藝主要有以下幾種。傳統(tǒng)活性污泥處理法是一種古老的工業(yè)污水處理工藝，其核心組成部分為曝氣池與沉淀池，其處理流程如圖 21 所示。該工藝的優(yōu)點有：去除有機物 效 率高， 沉淀 池的容積小，耗電省， 成本低。 曝氣池 （微生物吸附有機物氧化為無機物） 沉淀池 （活性泥下沉） 回流活性泥 原污水 清水排出 畢 業(yè) 設(shè) 計 5 2． A/O 法。 A/O 法作為一種缺氧 /好氧生物污水處理工藝，其反應(yīng)機理是通過增加好氧池與缺氧池所形成的硝化 /反硝化反應(yīng)系統(tǒng)， 脫氮效果很明顯。其工藝流程如圖 22 所示： 圖 22 A/O法工藝流程圖 3． A/A/O 法。 A/A/O 是一種厭氧 —缺氧 —好氧污水處理工藝。因此，在對除磷脫氮有 要求 的 中 /小型 污水處理廠，一般首選 A/A/O 工藝。 圖 23 A/A/O法工藝流程圖 混合液回流 剩余污泥 格柵 沉砂池 初沉池 厭氧池 好氧池 二沉池 回流污泥 清水排出 原污水 好氧池 （ O） 活性泥回流 厭氧池 （ A） 缺氧池 （ A） 二沉池 原污水 混合液回流 清水 排除 畢 業(yè) 設(shè) 計 6 4． A/B 法。 A 段負荷較高，停留時間大約為 20 到 40 分鐘，主要是生物絮凝吸附發(fā)揮作用，與此同時發(fā)生不完全的氧化反應(yīng)，對 BOD 的去除效率大于 50%。 AB 法中 A 段緩沖 能力較強，效率高； B 段穩(wěn)定性較好，嚴格控制出水品質(zhì)。若采用污泥硝化和沼氣利用等工藝，優(yōu)勢更加明顯。另外，難此法以實現(xiàn)脫氮工藝的要求，其原因在于 A 段去除了較多的 BOD，碳源不充足。 總體而言， AB 法對于濃度高的污水處理比較好，具有污泥硝化等后續(xù)處理設(shè)施且對于有脫氮要求 不高的大中規(guī)模的城市工業(yè)污水處理廠。歇式活性污泥法簡稱 SBR 法，是一種按照一定的時間順序間歇式操作的活性污泥污水處理技術(shù)，也是一種通過曝氣來運行的活性污泥污水處理技術(shù)，因此又叫序批式活性污泥處理法。近年來，隨著計算機和自動控制技術(shù)的飛速發(fā)展，SBR 法的以上弊端得到較好的解決。其濾除污染物的機理與傳統(tǒng)的活性污泥法除操作方式外基本相通。單個操作單元間歇進行，但通過多個單元組合調(diào)度后整個操作過程又是連續(xù)的，從而實現(xiàn)有序而間歇的運行。從廢水流入開始到待機時間結(jié)束為一個操作周期，污水 處理過程在一個設(shè)有鼓風(fēng)機的 SBR 反應(yīng)池內(nèi)進行，不需要另設(shè)沉淀池和污泥回流系統(tǒng) [5]。所以本設(shè)計通過 PLC 程序控制 SBR 污水處理法，對城市污水進行處理。 2． 反應(yīng) 反應(yīng)工序是 SBR 工藝最重要的一道工序。設(shè)定好曝氣時間，時間到達鼓風(fēng)機與污泥泵停止。開始重力沉淀和泥水分離。當(dāng)池水位達到設(shè)定的最低水位時，潷水器停止運行。其流程如圖 24 所示： 圖 24 SBR法流程圖 粗 / 細格柵機 集水池 SBR池 鼓 風(fēng) 機 進泥泵 原污水 清水排入河道 畢 業(yè) 設(shè) 計 8 3 硬件設(shè)計 PLC 的介紹 PLC 的結(jié)構(gòu) PLC 的 硬件結(jié)構(gòu)基本上與微型計算機基本相同，是 一種 專 用于工業(yè)控制的計算機。 1． 整體式 PLC 整體式又稱單元式或箱體式結(jié)構(gòu)的 PLC，其主要 由中央處理器（ CPU）、存儲器、輸入 /輸出（ I/O）單元、電源和通信端口等組成在同一機體內(nèi)?；窘Y(jié)構(gòu)框圖如圖 31 所示。其中 PLC 的CPU 和存儲器設(shè)計在一個模塊上，有時把電源也放在這一模塊上，該模塊在總線上的安裝位置一般是固定的。模塊式的特點是系統(tǒng)構(gòu)成的靈活性高?；窘Y(jié)構(gòu)如圖32 所示。而 PLC 則采用循環(huán)掃描技術(shù)，每次只能執(zhí)行一條指令，只有當(dāng)程序掃描到該線圈，并且該線圈通電時，該線圈觸點才會動作，所以 PLC 的工作方式是 “ 串行 ” 方式，這種工作方式可以避免繼電器控制的觸點出現(xiàn)競爭或時序失配等問題。 1． 循環(huán)掃描技術(shù) 循環(huán)掃描技術(shù)可以分為輸入階段（將外部輸入信號的狀態(tài)傳送到 PLC）、執(zhí)行程序階段和輸出階段（將輸出信號傳送到外部設(shè)備） 3 個階段。 （ 2）執(zhí)行程序階段 進入此階段， PLC 由上而下按次序一步一步執(zhí)行程序指令。執(zhí)行完成后，進入輸出階段。 （ 3）輸出階段 進入此階段， PLC 將相應(yīng)的輸出存儲單元的運算結(jié)果傳送到對應(yīng)的輸出模塊基 架 電 源 模 塊 CPU模 塊 通信模 塊 輸入模 塊 輸 出 模 塊 特 殊 功 能 模 塊 現(xiàn)場設(shè)備 其 它 設(shè) 備 編程器 畢 業(yè) 設(shè) 計 10 上，并通過輸出模塊向外部設(shè)備傳送輸出信號和指令，控制外部設(shè)備動作，既而實現(xiàn)通過 PLC 程序控制外部設(shè)備。因為 PLC 采用循環(huán)掃描工作方式，所以收到輸入信號的時刻不 同，輸出端信號改變時刻也不對應(yīng)相同，響應(yīng)時間的長短也就不同。 最短響應(yīng)時間：上一個掃描周期剛結(jié)束就收到輸入信號，也就是說收到輸入信號與下一個掃描周期同時開始，這時響應(yīng)時間最短。 最長響應(yīng)時間：在一個掃描剛完成輸入讀取后才接到輸入信號，這樣這個輸入信號在該掃描周期將不會發(fā)生變化，要等到下個掃描周期才能得到響應(yīng)，這時的響應(yīng)時間最長 [8]。其具體的輸入輸出如表 31。 SBR 法的總體設(shè)計 方案設(shè)計 1． SBR 廢水處理系統(tǒng)控制對象電動機均由交