【正文】 時(shí)空分布上極不均勻，許多地區(qū)和城市嚴(yán)重缺水。因此，從環(huán)保、注水等多方面的因素考慮，對于工業(yè)污水處理非常有必要。 研究目的和意義 世界任何國家的經(jīng)濟(jì)發(fā)展，都會(huì)推進(jìn)社會(huì)進(jìn)步、促進(jìn)工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)能力，使人民生活得到進(jìn)一步改善，但是也隨之帶來不同程度的環(huán)境污染，污水也是造成環(huán)境污染的來源之一。我國是一個(gè)嚴(yán)重缺水的國家，雖然我國年平均水資源總最為 28000 億 m2，居世界第 6 位，人均水資源量為 2220m2，居世界第 110 位，已經(jīng)被聯(lián)合國列為世界上 13 個(gè)缺水國家之一。據(jù)中國經(jīng)濟(jì)信息網(wǎng)分析統(tǒng)計(jì)，全國按目前正常需要，年缺水總里約為 300 億～ 400 億立方米，因缺水造成的經(jīng)濟(jì)損失每年達(dá) 2300 億。水資溝的匱乏和水資源的污染，己經(jīng)嚴(yán)重的影響了人民的 日常生活，嚴(yán)重的影響了我國的經(jīng)濟(jì)建設(shè)和發(fā)展。 課題主要設(shè)計(jì)的內(nèi)容 本系統(tǒng)采用西門子 S7300 型 PLC 作為中心控制單元，通過主程序，遠(yuǎn)程I/O 程序，和模擬量輸入程序的結(jié)合，除去水中的雜物，從而使污水得到凈化，達(dá)到污水處理的目的。其中包括的設(shè)備有兩臺粗格柵除污機(jī)和兩臺細(xì)格柵除污機(jī)， 1 和 2兩臺水 泵，潛水?dāng)嚢杵骱突亓魑勰啾?，潷水器?1 和 2兩臺鼓風(fēng)機(jī)。 系統(tǒng)在中央控制室設(shè)有一臺上位監(jiān)控器，一個(gè)模擬顯示屏。監(jiān)控管理機(jī)與 PLC 通過通信電纜（屏蔽雙絞線）連接。這些 污水除含有碳水化合物、蛋白質(zhì)、氨基酸、動(dòng)植物脂肪、尿素、氨、肥皂和合成洗滌劑等物質(zhì)外，還含有細(xì)菌、病毒等使人致病的微生物。 污水污染物可根據(jù)化學(xué)性質(zhì)和物理形態(tài)進(jìn)行不同的分類。按物理形態(tài)，污水中的污染物質(zhì)可分為固體懸浮物即呈顆粒狀的污染物質(zhì)、膠體污染物質(zhì)和溶解性污染物質(zhì) 。有機(jī)物的種類很多，其共性是在微生物的作用下被降解時(shí)，都要消耗水中的溶解氧，所以在工程實(shí)際中，采用以下的幾個(gè)綜合污染指標(biāo)來表述：生物化學(xué)需氧量或生化需氧量（ Biochemical Oxygen Demand, BOD） mg/L、化學(xué)需氧量 (Chemical Oxygen Demand, COD) mg/L、總有機(jī)碳 (Total Organic Carbon) mg/L、總需氧量 (Total Oxygen Demand) mg/L?？紤]到好氧分解速率一般在開始的幾天最快，在 20℃ 溫度下，污水五日生化需氧量 (BOD5)，約占 BOD20的 70%～ 80%，因此把 BOD5作為衡量污染水的有機(jī)物濃度指標(biāo)。 常用的工業(yè)污水處理工藝 不同的工業(yè)污水處理對象，不同的工業(yè)污水處理環(huán)境，將需要有 不同的工業(yè)污水處理工藝來處理。 工業(yè)污水處理的方法主要有物理、化學(xué)、物理化學(xué)，以及生物等幾種。目前，工業(yè)污水處理的方法一般以生物處理法為主，輔以物理處理法和化學(xué)處理法。 遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 5 第 5 頁 （ 1）傳統(tǒng)活性污泥法。 圖 污水中的有機(jī)物在曝氣池停留的過程中，曝氣池中的微生物吸附污水中的大部分有機(jī)物，并且在曝氣池中被氧化成無機(jī)物，然后在沉淀池中經(jīng)過沉淀后的部分活性泥需要回流到曝氣池中。該工藝的缺點(diǎn)有：普通曝氣池占地多，建設(shè)投資大，滿足國家標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)指標(biāo)范圍小、易產(chǎn)生污泥膨脹現(xiàn)象，磷和氮的去除率低。 A/O 法是在傳統(tǒng)活性污泥法的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種工業(yè)污水處理工藝，其中 A 代表 Anoxic（缺氧的）， O 代表 Oxic（好氧的）。該工藝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)，很好的處理了污水中的氮含量，具有明顯的脫氮效果。其工藝流程圖 所示。 A2/O 法也是在傳統(tǒng)活性污泥法的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種工業(yè)污水處理工藝，其中 A2，即 AA，前一個(gè) A 代 表 Anaerobic（厭氧的），后一個(gè) A 代表 Anoxic（缺氧的）； O 代表（好氧的）。 A2O 法的除磷脫氮效果非常好，非常適合用于對除磷脫氮有要求的工業(yè)污水處理。其工藝流程圖如圖 所示。 A/B 法是吸附生物降解法的簡稱，該工藝沒有初沉淀，將曝氣池分為高低負(fù)荷兩段，并分別有獨(dú)立的沉淀和污泥回流系統(tǒng)。 B 段與常規(guī)活性污泥法相識，負(fù)荷較低。 B 段起到出水把關(guān)作用，處理穩(wěn)定性較好。尤其在采用污泥消化和沼氣利用工藝時(shí)，優(yōu)勢最為明顯。另外，由于 A 段去除了較多的 BOD，造成了碳源不足，難以實(shí)現(xiàn)脫氮工藝的要求。 總體而言， AB 法工藝較適合于污水濃度高，具有污泥消化等后續(xù)處理設(shè)施的大中規(guī)模的城市工業(yè)污水處理廠，且有明顯的節(jié)能效果，而對于有脫氮要求的城市工業(yè)污水處理廠，一般不宜采用。 圖 工藝流程圖 污水處理采 用 SBR 污水生物處理工藝，是按 ―進(jìn)水、反應(yīng)（曝氣等）、沉淀、排水 ‖步驟周期性進(jìn)行生化反應(yīng)。 進(jìn)水 進(jìn)水閥們打開， 污水連續(xù)不斷地進(jìn)入集水池， 污水通過粗格柵過濾，經(jīng)過水泵，然后細(xì)格柵過濾到達(dá) SBR池。 沉淀 當(dāng) SBR 池停止曝氣以后，空氣閥門關(guān)閉，潛水?dāng)嚢杵骱突亓魑勰啾猛Ｖ惯\(yùn)行，開始重力沉淀和泥水分離。剩余污泥含水率低，濃縮污泥含固率可達(dá)到 %～ 3%，這為后續(xù)污泥的處置提供了良好的條件。當(dāng)池水位達(dá)到處理周期開始時(shí)的最低水位時(shí)，停止?jié)? 集水池 水泵 SBR 池 SBR 池 鼓風(fēng)機(jī) 儲(chǔ)泥池 處理后的污水 肥料 污水 遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 8 第 8 頁 工業(yè)污水處理系統(tǒng)控制形式 早期的控制系統(tǒng)多采用繼電器 ——接觸器控制系統(tǒng)，但隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展，控制要求的不斷提高，該類控制方法已不能滿足現(xiàn)代工業(yè)污水處理系統(tǒng)的控制要求，因此已逐漸被淘汰，取而代之 的是 DCS、現(xiàn)場總線控制、 PLC 等控制方。 DCS 是集散控制系統(tǒng)的簡稱，又稱為分布式計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，是由計(jì)算機(jī)技術(shù)、信號處理技術(shù)、測量控制技術(shù)、通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等相互滲透形成的。實(shí)現(xiàn)了真正的分散控制，使系統(tǒng)的危險(xiǎn)性分散，可靠性提高。軟硬件資源豐富，可適應(yīng)各種要求。 （ 2）現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)按照公開、規(guī)范的通信協(xié)議在智能設(shè)備之間，以及智能設(shè)備與計(jì)算機(jī)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸和交換，從而實(shí)現(xiàn)控制與管理一體化的自動(dòng)控制系統(tǒng)，其優(yōu)點(diǎn)：可以用計(jì)算機(jī)豐富的軟件、硬件資源。通信協(xié)議公開，不同產(chǎn)品可互連。 PLC 是可編程邏輯控制器的簡稱，用它作為處理系統(tǒng)的控制器，實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的功能要求，也可利用計(jì)算機(jī)作為其上位機(jī)，通過網(wǎng) 絡(luò)連接PLC，對生產(chǎn)過程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，其特點(diǎn)如下：編程方便，開發(fā)周期短，維護(hù)容易?？刂乒δ軓?qiáng)。 本系統(tǒng)采用西門子 S7300 型 PLC 作為中心控制單元，通過主程序，遠(yuǎn)程 I/O 程序，和模擬量輸入程序的結(jié)合，除去水中的雜物，從而使污水得到凈化，達(dá)到污水處理的目的。長期以來，工業(yè)污水處理技術(shù)雖然經(jīng)過了迅速發(fā)展，但仍滯后于城 市發(fā)展的需要，工業(yè)污水處理率低、設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)率低等極大地影響了城市發(fā)展。 [3] 遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 9 第 9 頁 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)過程變得更加簡單，可實(shí)現(xiàn)的功能變得更多。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。 SBR 工藝采用間歇運(yùn)行方式 [2],污水間歇進(jìn)入處理系統(tǒng)，間歇排出，一般來說，它的一個(gè)運(yùn)行周期包括 5 個(gè)階段。此時(shí)活性污泥中菌膠團(tuán) (由細(xì)菌、藻類、原生動(dòng)物、后生動(dòng)物等組成 ) 將對廢水中的有機(jī)物產(chǎn)生吸附作用。 第 3 階段，靜置期 (Settle)，既不曝氣也不攪拌，反應(yīng)池處于靜沉狀態(tài)，進(jìn)行高效的泥水分離，隨著水中的溶解氧不斷降低，厭氧反應(yīng)也在進(jìn)行。 第 5 階段，閑置期 (Idle)，活性污泥中微生物充分休息恢復(fù)活性，為了保證污泥的活性防止出現(xiàn)污泥老化現(xiàn)象，還須定期排出剩余污泥，為新鮮污泥提供足夠的空間生長 繁殖。它具有工藝系統(tǒng)組成簡單，一池多用，無須設(shè)污泥回流設(shè)備，建設(shè)費(fèi)用與運(yùn)行費(fèi)用都較低等特點(diǎn)。在實(shí)際工作中，當(dāng)處理規(guī)模大時(shí)，需多套 SBR 池并聯(lián)運(yùn)行，使控制系統(tǒng)及維護(hù)管理趨于復(fù)雜，故 SBR 法特別適合于一般中、小型規(guī) 模，有機(jī)濃度較高、可生化性好的工業(yè)廢水處理，具有較大的推廣應(yīng)用價(jià)值 [5] 遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 10 第 10 頁 3 設(shè)備控制要求 系統(tǒng)構(gòu)成 系統(tǒng)在中央控制室設(shè)有一臺上位監(jiān)控器，一個(gè)模擬顯示屏。監(jiān)控管理機(jī)與 PLC 通過通信電纜（屏蔽雙絞線）連接。一般開 10min，停30min。當(dāng)集水池處于低水位時(shí)，關(guān)閉所有泵；當(dāng)水位較高時(shí)，開一臺水泵；當(dāng)水位高時(shí)開兩臺水泵；當(dāng)水位 很高時(shí)發(fā)出警報(bào)。一般開 10min，停30min。 5） SBR 池內(nèi)進(jìn)水閥門依次開啟，當(dāng) 1池水位升到一定液位后關(guān)閉閥門，然后開 2進(jìn)水閥門， 2水位升到一定液位后關(guān)閥門，然后開 3閥門，以此類推。 7）空氣閥門關(guān)閉 30min 后，潷水器開始運(yùn)行。 8）剩余污泥泵在潷水器停止運(yùn)行后開始運(yùn)行，排泥至污泥池。 9）當(dāng)開啟 1 個(gè)空氣閥門時(shí)，開啟一臺鼓風(fēng)機(jī)，開啟 2 個(gè)或 3 個(gè)空氣閥門時(shí)，開兩臺鼓風(fēng)機(jī)。同時(shí)可以實(shí)時(shí)監(jiān)測所控設(shè)備工作狀態(tài)，具有設(shè)備故障報(bào)警，參數(shù)打印等功能。 自動(dòng)控制檢測裝置 自動(dòng)控制檢測裝置利用自動(dòng)檢測儀表（輸出均為模擬信號）對電能、進(jìn)水流量、 PH值、溶解氧、氧化還原、回流污泥流量、剩余污泥流量、及水位、水溫等數(shù)值的檢測。 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。時(shí)序圖如圖 所示。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā) 展及微處理器的應(yīng)用，可編程控制器的功能不斷擴(kuò)展和完善，早已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出邏輯控制、順序控制的范圍，具備了模擬量控制、過程控制以及遠(yuǎn)程通信等強(qiáng)大功能。目前公認(rèn)的是 1980 年美國電氣制造商協(xié)會(huì)NEMA 對它下的定義：可編程控制器是一種數(shù)字式的電子裝置。將其正式命名為可編程控制器（ Programmable Controller），簡稱 PC。 可編程控制器是建立在計(jì)算機(jī)技術(shù)和常規(guī)繼電器技術(shù)基礎(chǔ)上的新型工業(yè)控制裝置。它采用的不同于計(jì)算機(jī)中斷運(yùn)打印機(jī) 上位監(jiān)控機(jī) 主控 PLC 模擬顯示屏 遠(yuǎn)程 I/O 水 泵 鼓風(fēng)機(jī) 液位計(jì) DO 儀 遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 13 第 13 頁 行方式的掃描技術(shù)，在輸入輸出信號的順序處理方式上與繼電器控制系統(tǒng)相似，而可編程控制器軟件的優(yōu)勢是繼電器無法比擬的。功能 I/O 單元是可編程控制器系統(tǒng)為擴(kuò)展 I/O 點(diǎn)數(shù)和增加功能而設(shè)置的擴(kuò)展部件，與 PLC 主機(jī)的 I/O 擴(kuò)展接口相連?？删幊炭刂破鞯能浖到y(tǒng)分為系統(tǒng)程序和用戶程序兩大部分。用戶程序是用戶根據(jù)實(shí)際控制要求，使用可編程控制器生產(chǎn)廠家提供的專門編程語言而自行編制的應(yīng)用程序。國際 電工委員會(huì) IEC 1987 年對可編程控制器定義如下： ―可編程控制器是專為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)的一種數(shù)字運(yùn)算操作的電子裝置 ,是帶有存儲(chǔ)器、可以編制程序的控制器。可編程控制器及其有關(guān)的外圍設(shè)備，都應(yīng)按易與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個(gè)整體，易于擴(kuò)展其功能的原則設(shè)計(jì)。 [7] 可編程控制器專為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用及滿足用戶需要而設(shè)計(jì)，因此具有以下的顯著特點(diǎn)： 1）可靠性高 設(shè)備的高可靠性指的是平均無故障工作時(shí)間（ MTBF）長和故障平均修復(fù)時(shí)間（ MTTR）短。 采取以上措施后，一般可編程控制器的抗干擾能力可達(dá) 1000V 1μs 的窄脈沖的沖擊，平均無故障工作時(shí)間可高達(dá) 5～ 10 萬小時(shí)。 2）柔性好 設(shè)備的柔性是指其在使用過程中的適應(yīng)性和靈活性。這一柔性特點(diǎn)使 PLC 成為柔性制造系統(tǒng) FMS 中必不可少的控制裝備。 3）功能強(qiáng)大 可編程控制器不但具有開關(guān)量控制、模擬量控制、數(shù)據(jù)通信、中斷控制等完善的功能，還能根據(jù)需要實(shí)現(xiàn)容量和功能的擴(kuò)展，形成各種專門的智能控制功能。 4）使用方便 可編程控制器的使用方便表現(xiàn)在以下兩方面：編程方便。這樣，即使不懂計(jì)算機(jī)原理和語言的用戶，也能使用 PLC。對 PLC 的操作是指程序的輸入和程序的更改，通常采用手持式編程器和個(gè)人計(jì)算機(jī)進(jìn)行。通過 PLC 廠商提供的編程軟件及通信接口，用戶還可以使用個(gè)人計(jì)算機(jī)對 PLC 編程，并對系統(tǒng)進(jìn)行仿真、測試、監(jiān)視和控制。 PLC 的特點(diǎn)：靈活通用、安全可靠、環(huán)境適應(yīng)性好、使用方便、維護(hù)簡單、價(jià)格較高。大范圍的各種功能模塊可以非常好地滿足和適應(yīng)自動(dòng)控制任務(wù) , 模塊化，無排風(fēng)扇結(jié)構(gòu)，易于實(shí)現(xiàn)分布，易于用戶掌握等特點(diǎn)使得 S7300 成為各種從小規(guī)模到中等性能要求控制任務(wù)的方便又經(jīng)濟(jì)的解決方案。當(dāng)任務(wù)規(guī)模擴(kuò)大并且愈加復(fù)雜時(shí)，可隨時(shí)使用附加模塊對 PLC 進(jìn)行擴(kuò)展。 S7300 系列主要組成模塊 主要模塊有電源 、 CPU、輸入輸出塊、功能塊和總線通訊模塊，如圖 所示 : 圖 S7300主要組成模塊 1） CPU 中央處理器 S7300 總共有 8 種不同的 CPU 型號。 2） IM 接口模塊 遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 16 第 16 頁 使用 IM360、 IM361 接口模塊最多可以擴(kuò)展 3 個(gè)機(jī)架，使一個(gè)傳統(tǒng)的 PLC系統(tǒng)最多處理 32 個(gè) 信號模塊。 3）開關(guān)量輸入 DI 模塊 （ 1） SM321 16 點(diǎn)輸入， 24V DC； 13～ 30V 為信號 1； 30～ 5V為信號 0； （ 2） SM321 16 點(diǎn)輸入， 120V/230V AC； 79～ 2