PLC在污水处理系统的运用 (1).doc
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1、继续教育学院毕业设计(论文)课题名称PLC在污水处理系统的运用院 (系)无锡交通分院专 业电气自动化姓 名黄海明学 号52351515111起讫日期XXXX年X月X日至XXXX年X月XX日指导教师谢敏玲 年 月 日第一章 绪论PLC基于污水处理系统中的应用摘 要随着国家城市的快速发展,环境问题显得越来越重要。污水是破坏环境以及影响生活的重要因素,目前我国的污水自动处理系统相对于其他国家较落后,成本也一直居高不下,处理过的污水的水质也不是很稳定,所以建立一个有效的自动控制系统,优化运行效果,具有重要的意义。本文在分析了工业污水处理工艺及工业污水处理系统的组成后,选择西门子S7200系列PLC作为
2、工业污水处理系统的电气控制系统的控制主机,分析设计了工业污水处理的硬件系统,和工业污水处理的软件系统,并最后进行了调试。关键词:污水处理;PLC;硬件配置;软件设计13The use of PLC in sewage treatment systemAbstractWith the rapid development of cities, the environment becomes more and more important .Wastewater is one of the major factor of pollute the environment .The automatic
3、controlling system of wastewater treatment is not very advanced in China .The water qualities of the treated wastewater are unstable .So how to solve the problem is very meaningful to our countryBased on the analysis of the industrial wastewater treatment process and the composition of industrial wa
4、stewater treatment system, Siemens S7-200 series PLC is chosen as the industrial wastewater treatment system of electrical control system of the host, the analysis and design on the hardware system of industrial wastewater treatment, industrial wastewater treatment and the software system, and final
5、ly has carried on the debugging.Key Words: sewage treatment; PLC; Hardware disposition; Software design 南京工业大学毕业设计(论文)目 录摘要IAbstractII第一章 绪论11.1 课题研究的背景和意义11.2 污水处理系统的国内外发展状况11.3 课题主要设计的内容2第二章 工业污水处理系统的总体介绍32.1 工业污水处理的基本概念32.2 在污水处理中常用的工艺32.3 本污水处理系统的工艺及描述62.4 工业污水系统的控制形式72.5 工业污水处理系统的要求82.5.1 信号输入8
6、2.5.2 控制输出信号9第三章 关于硬件系统的配置103.1 工业污水处理系统主要组成部分103.2 电气控制系统123.3工业污水处理系统的工作原理123.3.1 控制系统总体框图123.3.2 工作过程123.3.3 工业污水处理系统主电路设计133.4 PLC选型143.5 PLC的I/O分配153.5.1数字量输入部分153.5.2 数字量输出部分153.5.3 模拟量输入部分163.5.4 模拟量输出部分163.6 其他资源配置173.6.1 接触器选型173.6.2 变频器简介183.6.3 变频与变压(VVVF)原理183.6.4 变频调速的基本原理193.6.5 变频器选型2
7、03.6.6 变频器参数设置213.6.7 电动机的选型213.6.8 液位差计223.6.9 溶解氧仪23第四章 软件系统设计244.1 总体流程设计244.1.1手动模式244.1.2 自动模式254.2 曝气过程的控制324.3 氯气投加环节334.4 PID控制344.5 PLC和变频器通信35第五章 调试和运行结果375.1 硬件系统的调试375.2 软件系统的调试375.3 运行结果38第六章 结论39参考文献40III南京工业大学毕业设计(论文)9南京工业大学毕业设计(论文)第一章 绪论1.1 课题研究的背景和意义人类的生活离不开水。地球虽然有70%的表面积被水给覆盖,但所用的淡
8、水资源却非常有限,人们真正能利用的只有江河湖泊以及地下水中的一部分,仅占地球总水量不到百分之一,而且分布也不均匀。全世界每天约有200多万吨的垃圾倒进河流、湖泊和小溪,每升废水会污染八升食用水。世界上已经有许多国家面临着水资源枯竭危机:14亿人用水短缺,35亿人缺乏用水卫生设施。而且我国是一个严重缺水的国家,已经被联合国列为世界上13个缺水的国家之一。目前我国约200多个城市缺水,其中严重缺水的将近50个,据中国经济信息网分析,全国按正常目前水资源需求,年缺水量为300亿到400亿立方米,因缺水造成的经济损失达2500亿元,超过洪涝灾害。水资源的匮乏和水资源的污染已经严重的影响人民的日常生活,
9、严重的影响了全国的经济发展和建设。特别是我国北方的城市。如北京、天津、沈阳等城市水资源更为短缺。在这种情况下,污水更加不能随便外排,而是要净化之后合理利用。我国污水处理的电耗为0.365KWH/m3、日本为0.304 KWH/m3、美国为0.243 KWH/m3,因此建设符合我国具体情况的污水自动控制系统对降低污水处理成本、改善环境、建立可持续发展社会、保持我国经济高速发展具有重要意义。1.2 污水处理系统的国内外发展状况由于控制技术、网络通信技术以及现成总线技术的飞速发展,国外的污水处理厂很多实现了污水处理厂的网络控制,如DCS/FCS系统,同时国外较早的将SCADA技术引入到了给水排水工程
10、中,并取得了良好的经济收益和社会效益。国外同时注重水处理PLC的开发,相继研制出了一些智能、稳定、小巧的控制单元,如AB公司的SLC系列、Siemens的S7系列、Schneider的TSX Quantum Do、化学需氧量COD分析仪。国外污水处理自控系统主要有以下几个特点;大量采用在线监控的水质分析仪表,对全厂的水质进行实行实时的监控,并有上位机记录下来,提高了测量精度;生产过程中不同程度上运用了智能控制,可以根据水质和水源的变化自动调整相应的控制方式;大量采用遥控、遥测设备;并开始有效的利用社会信息资源,如电话网络、移动电话网络、国际互联网、气象信息等。与国外相比,我国污水处理自动化控制
11、起步较晚,70年代开始采用热工仪表,实行集中巡检;80年代应用分析仪表和DCS系统;到90年代,随着一大批利用国际贷款的大型污水处理厂的建成投产,我国污水处理控制系统的自动化水平有了很大提高。从外国引进污水厂的自动控制系统已广泛采用集散式计算机监控系统,应用了自动化程度较高的检测仪表,各种新工艺、新设备的大量出现并得到利用。可以说我国污水处理自动化你的现状是:手动和自动兼备,自制和引用并举。可以看出我国污水处理自控系统有以下特点;对于新建的污水处理厂,引进了计算机分散控制系统,手动和自动并存的控制方式。大部分以前建设的污水处理厂自动化程度仍然很低;国产在线仪表的稳定性还没有达到要求,所以大部分
12、采用进口的在线仪表,但由于进口仪表价格昂贵,所以应用并不广泛。水质的检测主要是有试验人员通过试验来测量;各个控制站之间完全独立,无信息交换。并且各个控制单元由于内部资源的限制,只是实现了简单的时间控制盒逻辑控制;上位机监控如见很少使用,几乎没有中控室,不能对全厂的设备实行实时监控,而一些报表的工作也主要有厂里的工作人员手工完成。通过对比,不难看出我国整体上和国外相比污水处理的自动系统仍然存在很大的差距,但是我国的应用前景却非常广泛,潜力很大。 1.3 课题主要设计的内容本课题主要设计的内容是工业污水处理工艺及工业污水处理系统的组成和PLC控制系统设计,主要由以下内容组成:(1)介绍了工业污水处
13、理的基本内容,包括工业污水处理的发展现状以及工业污水处理的工艺流程;(2)介绍了PLC的基本结构和工作原理,并对工业污水处理控制系统进行设计分析;(3)具体分析设计工业污水处理的硬件系统;(4)具体分析设计工业污水处理的软件系统;(5)工业污水处理系统的调试与运行。第二章 工业污水处理系统的总体介绍2.1 工业污水处理的基本概念城市污水、生活污水、生产污水或经过工业企业局部处理后的生产污水,往往都排入排水系统。这些污水除含有碳水化合物、蛋白质、氨基酸、动植物脂肪、尿素、氨、肥皂和合成洗涤剂等物质外,还含有细菌、病毒等使人致病的微生物。经处理后的污水,最后出路有三种:排放水体;灌溉田地;重复使用
14、。污水污染物可根据化学性质和物理形态进行不同的分类。按化学性质,污水中的污染物质可分为无机性物质和有机性物质,其化学元素以炭、氮、磷为主。按物理形态,污水中的污染物质可分为固体悬浮物即呈颗粒状的污染物质、胶体污染物质和溶解性污染物质。好氧有机污染物的性质稳定,在微生物的作用下,借助微生物的新陈代谢功能而降解为无机物,如二氧化碳、水、硝酸根离子等稳定的无机物。有机物的种类很多,其共性是在微生物的作用下被降解时,都要消耗水中的溶解氧,所以在工程实际中,采用以下的几个综合污染指标来表述:生物化学需氧量或生化需氧量(Bio-chemical Oxygen Demand, BOD)mg/L、化学需氧量(
15、Chemical Oxygen Demand, COD) mg/L、总有机碳(Total Organic Carbon) mg/L、总需氧量(Total Oxygen Demand) mg/L。虽然BOD20。能较精确地描述污水的生化需氧量,但其测定的时间太长,需20天。考虑到好氧分解速率一般在开始的几天最快,在20温度下,污水五日生化需氧量(BOD5),约占BOD20的70%80%,因此把BOD5作为衡量污染水的有机物浓度指标。化学需氧量(COD)的特点是能够精确的表示污水中有机物的含量,并且测定时间短,但它不能像BOD那样表示出微生物氧化的有机物量。2.2 在污水处理中常用的工艺不同的工业
16、污水处理对象,不同的工业污水处理环境,将需要有不同的工业污水处理工艺来处理。因此,在选择工业污水处理工艺的时候必需要认真考虑当地污水的情况,以及实际的工业污水处理的环境。工业污水处理的方法主要有物理、化学、物理化学,以及生物等几种。这些方法根据实际情况,可以单一使用,也可以针对不同的污水混合使用。目前,工业污水处理的方法一般以生物处理法为主,辅以物理处理法和化学处理法。常用的工业污水处理工艺有以下几种。(1)传统活性污泥法。传统活性污泥处理法是一种最古老的工业污水处理工艺,其工业污水处理的关键组成部分为沼气池与沉淀池,主要处理部分关系框图如图2-1所示。曝气池(微生物吸附有机物氧化为无机物)沉
17、淀池(活性泥下沉)回流活性泥原污水清水排出图2-1传统活性污泥法工艺流程图污水中的有机物在曝气池停留的过程中,曝气池中的微生物吸附污水中的大部分有机物,并且在曝气池中被氧化成无机物,然后在沉淀池中经过沉淀后的部分活性泥需要回流到曝气池中。该工艺的优点有:有机物去除率高,污泥负荷高,池的容积小,耗电省,运行成本低。该工艺的缺点有:普通曝气池占地多,建设投资大,满足国家标准相关指标范围小、易产生污泥膨胀现象,磷和氮的去除率低。(2)A/O法。A/O法是在传统活性污泥法的基础上发展起来的一种工业污水处理工艺,其中A代表Anoxic(缺氧的),O代表Oxic(好氧的)。A/O法是一种缺氧-好氧生物工业
18、污水处理工艺。该工艺通过增加好氧池与缺氧池所形成的硝化-反硝化反应系统,很好的处理了污水中的氮含量,具有明显的脱氮效果。但是此硝化-反硝化反应系统需要得到很好的控制,这样就对该工艺提出了更高的管理要求,这也成为了该工艺的一大缺点。其工艺流程图如下:图2-2 A/O法工艺流程图(3)A2/O法。A2/O法也是在传统活性污泥法的基础上发展起来的一种工业污水处理工艺,其中A2,即A-A,前一个A代表Anaerobic(厌氧的),后一个A代表Anoxic(缺氧的);O代表(好氧的)。A2/O是一种厌氧缺氧好氧工业污水处理工艺。A2O法的除磷脱氮效果非常好,非常适合用于对除磷脱氮有要求的工业污水处理。因
19、此,在对除磷脱氮有特别要求的城市工业污水处理厂,一般首选A2/O工艺。其工艺流程图如图2.3所示。图2-3 A2/O法工艺流程图(4)A/B法。A/B法是吸附生物降解法的简称,该工艺没有初沉淀,将曝气池分为高低负荷两段,并分别有独立的沉淀和污泥回流系统。高负荷段停留时间约为2040min,以生物絮凝吸附作用为主,同时发生不完全氧化反应,去除BOD达50%以上。B段与常规活性污泥法相识,负荷较低。AB法中A段效率很高,并有较强的缓冲能力。B段起到出水把关作用,处理稳定性较好。对于高浓度的工业污水处理,AB法具有很好的适用性,并有较高的节能效益。尤其在采用污泥消化和沼气利用工艺时,优势最为明显。但
20、是,AB法污泥产量较大,A段污泥有机物含量极高,因此必须添加污泥后续稳定化处理,这样就将增加一定的投资和费用。另外,由于A段去除了较多的BOD,造成了碳源不足,难以实现脱氮工艺的要求。对于污水浓度低 的场合,B段也比较困难,也难以发挥优势。总体而言,AB法工艺较适合于污水浓度高,具有污泥消化等后续处理设施的大中规模的城市工业污水处理厂,且有明显的节能效果,而对于有脱氮要求的城市工业污水处理厂,一般不宜采用。(5)SBR法。SBR法是歇式活性污泥法的简称,是一种按照一定的时间顺序间歇式操作的污水生物处理技术,也是一种按间歇曝气方式来运行的活性污泥工业污水处理技术,又称序批式活性污泥法。其反应机理
21、及去除污染物的机理与传统的活性污泥法基本相同,只是运行操作方式不尽相同。SBR法与传统的水处理工艺的最大区别在于它是以时间顺序来分割流程各单元,以时间分割操作代替空间分割操作,非稳态生化反应代替生化反应,静置理想沉淀代替动态沉淀等。整个过程对于单个操作单元而言是间歇进行的,但是通过多个单元组合调度后又是连续的,在运行上实现了有序和间歇操作相结合。2.3 本污水处理系统的工艺及描述发本工业污水处理工艺流程图如下图2-4所示:图2-4 工艺流程图污水由进水系统通过粗格栅和清污机进行初步排除大块杂质物体,到达除砂池中。在除砂池系统中细格栅和转鼓清污机进一步净化污水中的细小颗粒物体,将污水中的细小沙粒
22、滤除后进入氧化沟反应池。在该氧化沟系统中进行生化处理,分解污水中的有害物质,此环节用到一些化学药剂来加强处理效果,如复合碱、氯气、油絮凝剂等。对污水进行除油、消毒、调整PH值。同时在该系统中设置有溶解氧仪超声波检测器,通过它对污水中的含氧量进行检测,根据其反馈到PLC的值来控制曝气机变频器的运行,改变污水中溶解氧的含量。潜水搅拌机的作用是推进水流,使氧化沟的污水和活性污泥处于剧烈搅拌充分混合接触,使生化反应更加充分,以最大程度地分解污水中的有害成分。经处理的污水进入沉淀池中,在刮泥机的作用下进行物理沉淀,为了加强沉淀效果,同时加入混凝剂和絮凝剂利用高分子助凝剂的强烈吸附架桥作用更加容易沉降。污
23、水经沉淀池处理最后到达脱水环节,离心式脱水机作用下进行脱水处理后排出清水2.4 工业污水系统的控制形式最早期的控制系统多采用继电器接触器控制系统,但随着电子技术的飞速发展,控制要求的不断提高,该类控制方法已不能满足现代工业污水处理系统的控制要求,因此已逐渐被淘汰,取而代之的是DCS、现场总线控制、PLC等控制方。(1)DCS系统。DCS是集散控制系统的简称,又称为分布式计算机控制系统,是由计算机技术、信号处理技术、测量控制技术、通信网络技术等相互渗透形成的。由计算机和现场终端组成,通过网络将现场控制站、检测站和操作站、控制站等连接起来,完成分散控制和集中操作、管理的功能,主要是用于各类生产过程
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