毕业设计（论文）
题目： 基于PLC的工业污水控制系统设计
姓 名： 宣奇峰 专 业： 自动化 学 院： 继 续 教 育 学 院 学习形式： 自考 助学单位： 辽宁石化职业技术学院 指导教师： 曹雅静
2015年9月
毕 业 设 计（论 文）
说 明 书
题目 基于PLC的工业污水处理系统设计
院 别： 继续教育学院 专 业： 自动化 班 级： 自动化132 设 计 人： 宣奇峰 指导教师： 曹雅静
毕业设计（论文）任务书
一、题目：
基于PLC污水处理控制系统 二、说明部分：
（一）、主要任务与目标：
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，主要任务：
（1）介绍工业污水处理的基本内容，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。 毕业设计目标 ：
掌握用PLC控制工业污水处理系统，并进行设计、安装和调试； （二）、主要内容与基本要求：
1. 对污水处理系统提出初步设想和制作方案。 2. 确定污水处理的方式，完善设计方案。 3. 污水处理的电路接线和程序设计。 4. 完成梯形图控制程序设计。 5. 程序调试。
三、发 给 日 期： 2015 年 5 月 16 日
四、要 求 完 成 日 期： 2015 年 7 月 31 日
指导教师： 曹雅静
系 主 任：
2015 年 5 月 23 日
辽宁石油化工大学继续教育学院论文
基于PLC的工业污水处理控制系统的设计
摘 要
我国多数污水处理控制系统自动化水平不高、安全性低、管理不当，效率普遍低于世界标准。污水处理系统中的曝气过程控制、数据通讯和监控管理是急需解决的主要问题。中国污水处理自控系统相对落后，污水处理成本居高不下，污水厂排放的处理过的污水的水质不稳定，所以如何建立有效的自控系统，优化运行效果，减少运行费用，具有重要意义。本文介绍了工厂污水处理的基本工艺和流程，并通过研究设计一套基于PLC控制的污水处理系统。文章首先介绍了基于PLC污水处理控制系统的工艺及相关流程，控制系统硬件结构及设计、工作原理以及设计PLC控制系统的基本原则和步骤，来说明PLC在污水处理过程中的应用。先根据污水处理要求设计了设备的电器控制与自动控制线路，主要包括设备的启停、状态信号故障信号、和信号采集等，最后按照工艺要求设计PLC控制系统，其中包括PLC的选型、系统资源配置以及按照污水处理工艺编制PLC程序。
关键词：污水处理；PLC；工艺流程
I
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Design of industrial wastewater treatment control
system based on PLC
Abstract
Our country majority of wastewater treatment control system automation horizontal anti higher -low stability, manage not appropriate, the efficiency is more widespreadly low than a world standard. The Pu gas process control in the wastewater treatment system , data telecommunication and supervision are the key problems that needs settle urgently. Chinese wastewater treatment from control system contra to fall behind , the wastewater treatment cost is high, the fluid matter instability of sewage of handling of sewage plant emissions super , so how create useful from control system, excellent effect for turning run - time, decrease running expense, have important meaning. This text introduced the basic craft and flow process of works wastewater treatment, and design a wastewater treatment system that control according to PLC through a search. The article introduced according to the craft and related flow process of PLC wastewater treatment control system first, control system hardware structure and design, operate priniple and design PLC control system
Keyword: Wastewater treatment; PLC; process flow
II
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目 录
摘 要 .................................................................................................................................. I Abstract ............................................................................................................................... II 1 绪 论 ............................................................................................................................... 1
1.1 工业污水处理的国内外现状 .............................................................................. 1 1.2 课题的背景 .......................................................................................................... 1 1.3 研究目的和意义 .................................................................................................. 2 1.4 课题主要设计的内容 .......................................................................................... 2 2 工业污水处理控制系统总体介绍 ................................................................................. 3
2.1工业污水处理基本概念 ....................................................................................... 3 2.2 常用的工业污水处理工艺 .................................................................................. 3 2.3工业污水处理系统控制形式 ............................................................................... 7 2.4 工业污水处理系统的功能要求 .......................................................................... 8
2.4.1信号输入 .................................................................................................... 8 2.4.2控制输出信号 ............................................................................................ 9
3 硬件系统配置 ............................................................................................................... 10
3.1主要组成部分 ..................................................................................................... 10 3.2电气控制系统 ..................................................................................................... 11 3.3工业污水处理系统的工作原理 ......................................................................... 12
3.3.1控制系统总体框图 .................................................................................. 12 3.3.2工作过程 .................................................................................................. 12 3.3.3工业污水处理系统主电路设计 .............................................................. 13 3.4 PLC选型 ............................................................................................................. 14 3.5 PLC的I/O资源配置 ......................................................................................... 15
3.5.1数字量输入部分 ...................................................................................... 15 3.5.2数字量输出部分 ...................................................................................... 16 3.5.3模拟量输入部分 ...................................................................................... 16 3.5.4模拟量输出部分 ...................................................................................... 16 3.6 变频器与电动机 ................................................................................................ 18
3.6.1变频器简介 .............................................................................................. 18
III
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3.6.2变频与变压（VVVF）原理 ................................................................... 18 3.6.3变频调速的基本原理 .............................................................................. 19 3.6.4电动机的选型 .......................................................................................... 20 3.6.5变频器选型 .............................................................................................. 21 3.6.6变频器参数设置 ...................................................................................... 21 3.7接触器选型 ......................................................................................................... 22 3.8液位差计 ............................................................................................................. 22 3.9溶解氧仪 ............................................................................................................. 23 4软件系统设计 ................................................................................................................ 24
4.1总体流程设计 ..................................................................................................... 24
4.1.1手动模式 .................................................................................................. 24 4.1.2自动模式 .................................................................................................. 25 4.2曝气过程控制的任务 ......................................................................................... 33 4.3氯气投加环节 ..................................................................................................... 33 4.4絮凝剂投加环 ..................................................................................................... 34 4.5 PID控制 .............................................................................................................. 34 4.6 PLC和变频器通讯 ............................................................................................. 35 5 调试和运行结果 ........................................................................................................... 37
5.1硬件系统的调试 ................................................................................................. 37 5.2软件系统的调试 ................................................................................................. 37 5.3运行结果 ............................................................................................................. 38 6结 论 .............................................................................................................................. 39 参考文献 ........................................................................................................................... 40 致 谢 ............................................................................................................................... 41 附 录 Ⅰ 部分主要程序介绍 ......................................................................................... 42 附录 Ⅱ ............................................................................................................................. 51 附录 Ⅲ ............................................................................................................................. 52
IV
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1 绪 论
1.1 工业污水处理的国内外现状
我国工业污水处理技术经过“七五”、“八五”和“九五”期间的努力，我国在工业污水处理技术方面取得了较大的成就。目前在水污染治理技术上，我国已能提供下列工艺技术传统活性污泥法技术、各种新型活性污泥工艺如：SBR法和氧化沟技术等、酸化水解好氧技术和多种类型的稳定塘技术等，这些污水治理技术已经在水体污染、改善水体环境方面发挥了突出的作用，标志着我国工业污水处理事业发展到了一个崭新的阶段。现阶段，我国工业污水处理的工作重点已经从工艺技术的研究转移到具体项目的实施。
国际上，大规模的水污染治理是在第二次世界大战后，随着50年代经济的蓬勃发展带来的60年代日益严重性的环境污染而展开的。工业污水处理设施中，城市排水管线和工业污水处理厂的兴建和运行在水污染控制中发挥着骨干作用。至70年代末，美国投入了数千亿美元兴建了18000余座城市工业污水处理厂，英国、法国、德国更耗费了巨额资金兴建了7000至8000座城市工业污水处理厂。这些工业污水处理厂的投入对国家的水体污染改善起了关键的作用，也为人类治理水污染积累了丰富的经验。现在，这些国家的工业污水处理水平又有了进一步提高，兴建了一批具有脱氮除磷功效的设施，对水体质量改善和水环境保护起了重大的作用。
1.2 课题的背景
未来10年，采用先进、实用的技术改造传统工艺，在环保工程中广泛采用先进的自动控制技术，是推动环保产业升级，实现环保发展战略的重要环节。在这种形势下工业污水处理自动化控制系统无疑是一个具有巨大的社会效益、环境效益及经济效益的研究课题。
对于环境保护问题，国务院明确规定所有工业污染源都必须达到排放标。其中处理过的污水还可以循环再利用，由于我国是一个水资源匮乏的国家，而且时空分布上极不均匀，许多地区和城市严重缺水。所以水资源也是一种保护。因此，有效的结合目前最新的工艺状况、计量自控检测仪表使用、PLC 控制系统技术，将为当前工业污水处理控制系统提供有效的自控方法。
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1.3 研究目的和意义
建设符合我国国情的污水厂自动控制系统对降低工业污水处理成本、改善环境、建立可持续发展社会和和谐社会、保持我国经济高速发展具有重要意义。
1.4 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；
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2 工业污水处理控制系统总体介绍
2.1工业污水处理基本概念
城市污水、生活污水、生产污水或经过工业企业处理后的生产污水，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：①排放水体；②灌溉田地；③重复使用。
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（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 常用的工业污水处理工艺
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。
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（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。
污水 曝气池微生物 吸附有机物氧化 沉淀池 回流活性泥 活性泥下沉 处理后的污水
图2-1传统活性污泥法工艺流程图
活性污泥：含有净化废水所用的微生物群体及其所吸附的有机物质和无机物质的总体。
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。其工艺流程图如图2-2：
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污水 沉隔栅 砂池 初沉池 混合液回流 厌 氧 池 好 二级氧 沉池 池 剩余污泥 回流污泥
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。
厌氧池(A) 进水 缺氧池(A) 好氧池(O) 二沉池 出水 混合液回流 活性污泥回流
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20-40min，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。但是，AB法污泥产量较大，A段污
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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。
本工业污水处理工艺流程图如下图2-4所示：
排泥灌 污泥回流泵 细格栅 潜水搅拌机 进水 进水泵 粗格栅 除砂池 氧化沟反应池 转碟曝气机 清水排出 污泥脱水 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，
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将污水中的细小沙粒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。同时在该系统中设置有溶解氧仪超声波检测器
2.3工业污水处理系统控制形式
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，可提高生产自动化水平和管理水平，其主要特点如下：采用分级分布式控制，减少了系统的信息传输量，使系统应用程序比较简单。实现了真正的分散控制，使系统的危险性分散，可靠性提高。扩展能力较强。软硬件资源丰富，可适应各种要求。实时性好，响应快。
（2）现场总线控制系统。现场总线控制系统是由DCS和PLC发展而来的，是基于现场总线的自动控制系统。该系统按照公开、规范的通信协议在智能设备之间，以及智能设备与计算机之间进行数据传输和交换，从而实现控制与管理一体化的自动控制系统，其优点：可以用计算机丰富的软件、硬件资源。响应快，实时性好。通信协议公开，不同产品可互连。
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（3）PLC系统。PLC是可编程逻辑控制器的简称，用它作为处理系统的控制器，实现控制系统的功能要求，也可利用计算机作为其上位机，通过网络连接PLC，对生产过程进行实时监控，其特点如下：编程方便，开发周期短，维护容易。通用性强，使用方便。控制功能强。模块化结构，扩展能力强。
2.4 工业污水处理系统的功能要求
工业污水处理系统的主要功能是完成对城市污水的净化的作用，将城市中排除的污水通过该系统处理后，输出符合国家标准的水质。长期以来，工业污水处理技术虽然经过了迅速发展，但仍滞后于城市发展的需要，工业污水处理率低、设备运转率低等极大地影响了城市发展。为实现工业污水处理技术的简易、高效、低能耗的功能， 并且实现自动化的控制过程，采用PLC作为核心控制器是个较好的方案。
PLC作为工业污水处理系统的控制系统使得设计过程变得更加简单，可实现的功能变得更多。与各类人机界面的通信可完成PLC控制系统的监视，同时使用户可通过操作界面功能控制PLC系统。由于PLC的CPU强大的网络通信能力，使得工业污水处理系统的数据传输与通信变得可能，并且也可实现其远程监控。 2.4.1信号输入
工业污水处理系统信号输入检测方面主要涉及四类信号的监测，主要包括：按钮的输入检测、液位差的输入检测、液位高低的输入检测，以及曝气池中含氧量的输入检测。
（1）按钮输入检测。大多数为人工方式控制的输入检测，主要有自动按钮、手动按钮、格栅机启动按钮、清污机启动按钮、潜水泵启动按钮、潜水搅拌机启动按钮、污泥回流泵按钮、曝气机工频、变频按钮，以及变频加速减速按钮等。
（2）液位差输入检测。检测粗细格栅两侧液位差，用来控制清污机的启动与停止。
（3）液位高低输入检测。检测进水泵房和污泥回流泵房中液位的高低，用来控制潜水泵或污泥回流泵的启动和停止，以及投入运行的潜水泵的数量。
（4）含氧量输入检测。以上三种都为数字量输入，该输入为模拟量输入。曝气过程是工业污水处理系统中最重要的环节，为了保证微生物所需要的氧气，必须检测污水中的含氧量，并通过曝气机增加或减少其含氧量。通过将溶解氧仪设
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基于plc的工业污水处理控制系统设计大学本科毕业论文
