【正文】 對于環(huán)境保護問題，國務(wù) 院明確規(guī)定所有工業(yè)污染源都必須達到排放標 。所以水資源也是一種保護。因此，有效的結(jié)合目前最新的工藝狀況、計量自控檢測儀表使用、 PLC 控制系統(tǒng)技術(shù)，將為當(dāng)前 工業(yè)污水處理 控制系統(tǒng)提供有效的自控方法。這個污染源的出現(xiàn)引起了世界各國政府的關(guān)注，治理水污染環(huán)境的課題被列入世界環(huán)保組織的工作日程。目前我國約 300個城市缺水，其中嚴重缺水城市有 5O 個。超過洪澇災(zāi)害。因此建設(shè)符合我國國情的污水廠自動控制系統(tǒng)對降低 工業(yè)污水處理 成本、改善環(huán)境、建立可持續(xù)發(fā)展社會和和諧社會、保持我國經(jīng)濟高速發(fā)展具有重要意義。 西南科技大學(xué)應(yīng)用型自學(xué)考試畢業(yè)設(shè)計 （論文） 4 2 工業(yè)污水處理 控制系統(tǒng)總體介紹 工業(yè)污水處理 基本概念 城市污水、生活污水、生產(chǎn)污水或經(jīng)過工業(yè)企業(yè)局部處理后的生產(chǎn)污水，往往都排入排水系統(tǒng)。經(jīng)處理后的污水，最后出路有三種 ： ① 排放水體； ② 灌溉田地； ③ 重復(fù)使用 。按化學(xué)性質(zhì)，污水中的污染物質(zhì)可分為無機性物質(zhì)和有機性物質(zhì)，其化學(xué)元素以炭、氮、磷為主。 好氧有機污染物的性質(zhì)穩(wěn)定，在微生物的作用下，借助微生物的新陳代謝功能而降解為無機物，如二氧化碳、水、硝酸根離子等穩(wěn)定的無機物。 雖然 BOD20?？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物濃度指標。 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。 西南科技大學(xué)應(yīng)用型自學(xué)考試畢業(yè)設(shè)計 （論文） 5 （ 1） 傳統(tǒng)活性污泥法。 圖 21傳統(tǒng)活性污泥法工藝流程圖 污水中的有機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物，并且在曝氣池中被氧化成無機物，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。該工藝的缺點有：普通曝氣池占地多，建設(shè)投資大，滿足國家標準相關(guān)指標范圍小、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。 其工藝流程圖如下： 圖 22 A/O法工藝流程圖 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 西南科技大學(xué)應(yīng)用型自學(xué)考試畢業(yè)設(shè)計 （論文） 6 （ 3） A2/O 法。 A2/O 是一種厭氧 — 缺氧 — 好氧 工業(yè)污水處理 工藝。因此，在對除磷脫氮有特別要求的城市 工業(yè)污水處理 廠，一般首選 A2/O 工藝。 圖 23 A2/O法工藝流程圖 （ 4） A/B 法。高負荷段停留時間約為 20~40min，以生物絮凝吸附作用為主，同時發(fā)生不完全氧化反應(yīng)，去除 BOD達 50%以上。 AB 法中 A段效率很高，并有較強的緩沖能力。對于高濃度的 工業(yè)污水處理 ， AB法具有很好的適用性，并有較高的節(jié)能效益。但是， AB 法污泥產(chǎn)量較大， A段污泥有機物含量極高，因此必須添加污泥后續(xù)穩(wěn)定化處理，這樣就將增加一定的投資和費用。對于污水濃度低 的場合， B 段也比較困難，也難以發(fā)揮優(yōu)勢。 （ 5） SBR 法。其反應(yīng)機理及去除污染物的機理與傳統(tǒng)的活性污泥法基本相同，只是運行操作方式不盡相同。整個過程對于單個操作單元而言是間歇進行的，但是通過多個單元組合調(diào) 度后又是連續(xù)的，在運行上實現(xiàn)了有序和間歇操作相結(jié)合 。在除砂池系統(tǒng)中 細格柵和轉(zhuǎn)鼓清污機進一步 凈 化污水中的細小顆粒物體，將污水中的細小沙粒濾除后進入氧化溝反應(yīng)池。對污水進行除油、消毒、調(diào)整 PH值。潛水?dāng)嚢铏C的作用是推進水流，使氧化溝的污水和活性污泥處于劇烈攪拌充分混合接觸，使生化反應(yīng)更加充分，以最大程度地 分解污水中的有害成分。污水經(jīng)沉淀池處理最后到達脫水環(huán)節(jié)，離心式脫水機作用下進行脫水處理后排出清水。 西南科技大學(xué)應(yīng)用型自學(xué)考試畢業(yè)設(shè)計 （論文） 8 （ 1） DCS 系統(tǒng)。由計算機和現(xiàn)場終端組成，通過網(wǎng)絡(luò)將現(xiàn)場控制站、檢測站和操作站、控制站等連接起來，完成分散控制和集中操作、管理的功能，主要是用于各類生產(chǎn)過程，可提 高生產(chǎn)自動化水平和管理水平，其主要特點如下 ： 采用分級分布式控制，減少了系統(tǒng)的信息傳輸量，使系統(tǒng)應(yīng)用程序比較簡單。擴展能力較強。實時性好，響應(yīng)快?，F(xiàn)場總線控制系統(tǒng)是由 DCS 和 PLC 發(fā)展而來的，是基于現(xiàn)場總線的自動控制系統(tǒng)。響應(yīng)快，實時性好。 （ 3） PLC 系統(tǒng)。通用性強，使用方便。模塊化結(jié)構(gòu)，擴展能力強。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)備運轉(zhuǎn)率低等極大地影響了城市發(fā)展。 PLC 作為 工業(yè)污水處理 系統(tǒng)的控制系統(tǒng)使得設(shè)計過程變得更加簡單，可實現(xiàn)的功能變得更多。由于 PLC 的 CPU 強大的網(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，并且也可實現(xiàn)其遠程監(jiān)控。 信號輸入 西南科技大學(xué)應(yīng)用型自學(xué)考試畢業(yè)設(shè)計 （論文） 9 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。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?dāng)嚢铏C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。檢測粗細格柵兩側(cè)液位差，用 來控制清污機的啟動與停止。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。以上三種 都 為數(shù)字量輸入，該輸入為模擬量輸入。通過將溶解氧儀設(shè)置在適當(dāng)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(zhuǎn)速信號。 控制輸出信號 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(shè)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?？刂聘黝愒O(shè)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?dāng)嚢杵鲉⑼！⑽勰嗷亓鞅玫仍O(shè)備。 西南科技大學(xué)應(yīng)用型自學(xué)考試畢業(yè)設(shè)計 （論文） 10 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)特點設(shè)計相應(yīng)的控制系統(tǒng)。 圖 41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(cè)的液位差來決定的，當(dāng)液位差超過某個值時，啟動清污機；當(dāng)液位差小于某個值時停止清污機的運行。 (2） 除砂系統(tǒng)。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(shè)定時間進行間歇工作，而轉(zhuǎn)鼓清污機的運行和停止則根據(jù)細格柵兩側(cè)的液位差來決定，當(dāng)液位差超過某個值時，啟動清污機；當(dāng)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 。 西南科技大學(xué)應(yīng)用型自學(xué)考試畢業(yè)設(shè)計 （論文） 11 (3） 氧化溝系統(tǒng)。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(zhì)，使其達到一定的水質(zhì)標準，其中是轉(zhuǎn)碟曝氣機是關(guān)鍵設(shè)備，在氧化溝中設(shè)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。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。 (4）沉淀系統(tǒng)。 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 。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(zhì)，因此需要先對活性污泥添加一定量的藥物，便于污泥脫水。 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。 (1）操作面板。 (2）顯示面板。 (3） 電氣控制 柜。 西南科技大學(xué)應(yīng)用型自學(xué)考試畢業(yè)設(shè)計 （論文） 12 工業(yè)污水處理系統(tǒng)的工作原理 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，通過檢測操作面板按鈕的輸入、各類傳感器的輸入，以及相關(guān)模擬量的輸入，完成相關(guān)設(shè)備的運行、停止和調(diào)速控制。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(shè)備進行啟?？刂?，其工作過程如下。 (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 。 (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。 (6）污泥回流泵的運行與停止根據(jù)液面的高低進行控制。 工業(yè)污水處理系統(tǒng)主電路設(shè)計 圖 33為工業(yè)污水處理系統(tǒng)的主電路圖的部分圖。接觸器 KM KM KM6分別控制 M M M3的工頻運行；接觸器 KM KM9 分別控制 M M3 的變頻運行； FR FR FR3 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(guān)； FU1 為主電路的熔斷器。 圖 33工業(yè)污水處理 系統(tǒng) 部分 主電路 圖 西南科技大學(xué)應(yīng)用型自學(xué)考試畢業(yè)設(shè)計 （論文） 14 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。 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。 8點 DC輸入 8點輸出型。 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。 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 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(shè)備的運行，如下表 37 所示 。 圖 38工業(yè)污水處理 系統(tǒng) PLC硬件接線圖 西南科技大學(xué)應(yīng)用型自學(xué)考試畢業(yè)設(shè)計 （論文） 17 其他資源配置 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(shè)備。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。長壽命：機械壽命高達 2021 萬次；電壽命高達 200 萬次。寬電壓：線圈控制電壓在 70%120%Uc 之間波動，不影響產(chǎn)品正常工作。模塊化：產(chǎn)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。 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。 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進行變頻調(diào)速。 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。 (VVVF)原理 西南科技大學(xué)應(yīng)用型自學(xué)考試畢業(yè)設(shè)計 （論文） 18 當(dāng)在實際利用變頻器調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速的過程中，當(dāng)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(zhuǎn)子側(cè)的負載并未增加，故轉(zhuǎn)子段電流不變，根據(jù)電流平衡方程可知，勵磁電流比增大，因而磁通φ m增大。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φ m可保持基本不變。 VVVF 實施的基本方法包括：脈幅調(diào) 制 (PAM)和脈寬調(diào)制 (PWM)。 PAM需要同時調(diào)節(jié)兩個部分：整流部分和逆變部分，兩者之間還必須