基于PLC污水处理系统设计

江苏海事职业技术学院2012届专科生毕业设计

专科毕业设计（论文）

设计题目：基于PLC污水处理系统设计

系部：电气工程系

专业：电气自动化技术（工企电气）

班级：工企电气091301

姓名：顾秋泳学号： 093905130110 指导教师：熊渊琳职称：助教

2012年6月南京

摘要

随着现代生产工艺的飞速发展，现场对传动设备的快速性、连续性、系统性的要求越来越高。本系统主要介绍了污水处理工艺流程，PLC在城市污水处理中的具体应用以及计算机监控系统数据采集的方法。系统运用SIEMENS S7-400 PLC作为控制核心，各级监控系统通过工业以太网相互连接，通过此设计提高了污水处理厂的运行管理水平。本系统结合某污水处理厂自动化控制系统的实际运行情况，设计并改造了污水处理厂的设备组成、自动化控制方式和各工作站的功能、网络构成等。通过生产实践证明，该系统不仅具有较强的并行协调处理能力，而且具有高可靠性、灵活性和可扩展性，以及高速处理能力等优点。充分证明自动化控制系统对提高生产效率、无人值守或少人值守、提高安全性具有良好效果。

关键词污水处理自动化控制系统 PLC 软件设计

Abstract

With the rapid development of modern production technology, field of transmission equipment of the rapid, continuous, systematic request more and more high. This system mainly introduces the sewage treatment process, PLC in city sewage treatment in specific applications and computer monitoring system data collecting method. System using SIEMENS S7-400PLC as the control core, various monitoring system through industrial Ethernet connection, through this design to improve the level of operation and management of wastewater treatment plant. This system unifies some sewage treatment plant automation control system's actual operation, design and transformation of the sewage treatment plant equipment, automation control and each workstation function, network structure. Through the production practice has proved that, this system not only has the strong parallel processing ability, and has high reliability, flexibility and scalability, and high speed processing capability. The full proof of the automation control system to raise the production efficiency, unattended or fewer people on duty, improve safety with good results.

Keywords:Sewage treatment Automation control system PLC Software design

目录

1 引言 (1)

1.1 国外污水处理系统的发展状况 (1)

1.2 国内污水处理系统的发展现状 (1)

2 污水处理系统分析 (2)

2.1 污水处理主要内容 (2)

2.2 污水处理工艺流程 (2)

3 设计方案的确定 (3)

3.1 PLC控制系统的设计分析 (3)

3.2 污水处理PLC控制系统的设计与分析 (4)

4 PLC的程序设计 (6)

4.1 PLC的选择 (6)

4.2 硬件部分的设计 (7)

4.3 软件部分的设计 (8)

4.4 组态软件对现场监控的实现 (13)

结论 (15)

致谢 (16)

参考文献 (17)

1 引言

随着我国经济的不断发展，人们对于生态环境的要求也在日益提高，要求越来越的污水处理达标后排放，目前国内外正在修建及待建的污水厂也日益增多。

中国人均水资源占有量少，空间分布不均。随着中国城市化、工业化的加速，水资源的需求缺口也日益增大，由此背景下，污水处理行业已成为一种新兴产业。

虽然由于国家和各级政府对环境保护重视程度不断提高，中国污水处理行业正在快速增长，污水处理总量逐年增加，城镇污水处理率不断提高，但是中国目前的污水处理行业仍处于发展的初级阶段。

1.1 国外污水处理系统的发展状况

国外一些发达国家，随着经济的发展，并较早实现工业现代化。这些国家经济发展较早、较快，环境问题，特别是水资源污染严重，也较早反映，但也受到各国政府的重视，投入了大量的人力，物力，进行水处理的研究。这些国家在研究新的水处理理论和技术的同时，也注重研究污水处理自动控制系统。他们就投资高效，智能型密集，污水处理设备及自动化控制仪表。一些发达国家经过十年的努力，污水处理率达到80% ~90%，成功地解决了从城市和工业点源污染。

作为一个结果，控制技术，网络通信技术和现场总线技术的飞速发展，污水处理厂很快意识到网络控制在污水处理厂。同时国外早期监控技术引入给排水工程，取得了良好的经济效益和社会效益。国外重视水处理系统的发展，形成了一批有智能，稳定，控制单元，如抗体的基因序列，西门子系列，s7schneider多伦多量子系列，同时国外也十分重视在线仪表的开发，电子+ H股公司如德国，美国美国州哈希公司开发了溶解氧，化学氧需求分析仪。

1.2 国内污水处理系统的发展现状

我国第一座大型污水处理厂，天津市纪庄子污水处理厂于1982年破土动工，1984年4月28日竣工投产运行，处理规模为26万立方米/天。纪庄子污水处理厂投产运行后多年来达到设计出水水质标准，使黑臭的污水变为清流，它的诞生填补了我国大型污水处理厂建设的空白。在此成功经验的带动下，北尔、上海、广东、广西、陕西、山西、河北、江苏、浙江、湖北、湖南等省市根据各自的具体情况分别建设了不同规模的污水处理厂。

与国外发达国家相比，中国的污水处理自动控制起步较晚，七十年代开始使用热工仪表，集中检验；八十年代应用分析仪器和DCS系统；到九十年代，随着大量使用国际贷款

的大型污水处理厂建设和运营污水处理在中国，自动化水平控制系统大大的增加。从国外引进的污水处理厂的自动控制系统已广泛应用于分布式微机监控系统，采用自动化程度更高的仪器，各种新技术，新设备的大量出现和应用。可以说，中国的污水处理自动化的现状是：手动和自动皆备，自制和引用并行。

2 污水处理系统分析

2.1 污水处理主要内容

城市污水、生活污水、生产污水或工业企业局部处理后的生产污水，往往都排入城市排水系统，故把生活污水和生产污水的混合污水叫做城市污水。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，最后流向有三种：排放水体；灌溉田地；重复使用。水处理的目的不外乎三种：

1.去除水中影响使用水质的杂质以及污泥的处置，这是最主要的内容。

2.为了满足用水的要求，在水中加入新的成分以改变水的化学性质，如食用水中加氟以防止龋齿病，循环冷却水中加缓蚀剂以控制腐蚀和结垢等。

3.改变水的物理性质的处理。

2.2 污水处理工艺流程

污水处理的总体工艺

活性污泥是微生物群体及其吸附的有机和无机化合物的统称，具有有机质的降解能力，表明生物活性。这种方法的污水处理过程可以分为：格栅治疗，水泵扬程，砂处理，沉淀池，曝气池处理，二次沉淀池处理，浆料制备，天然气利用。现代污水处理技术，按处理程度划分，可分为一级，二级和三级。

一级处理，主要去除污水中的悬浮固体是一个污染物质的物理治疗，大部分可以完成一级处理的要求。

二级处理，主要去除胶体和溶解的有机污染物，去除率可达90%以上，使有机污染物达到排放标准。

三级处理，进一步处理了难降解有机物，氮磷是会导致水体富营养化的可溶性无机化合物。主要的处理方法：生物脱氮除磷方法，混凝沉淀法，砂率，活性炭吸附，离子交换法二沉池污泥回流部分初级沉淀池或生物处理设备，一部分进入了污泥浓缩池，后进入污泥消化池，经过脱水和烘干设备，污泥是最后被利用的。

3 设计方案的确定

3.1 PLC控制系统的设计分析

3.1.1 PLC的基本结构

PLC实质是一种专用于工业控制的计算机，其硬件结构基本上与微型计算机相同。根据结构形式的不同，PLC的基本结构分为整体式和模块式结构两类。

1.整体式：整体式(又称箱体式)结构的PLC由中央处理器(CPU)、存储器、输入/输出(I/O)单元、电源电路和通信端口等组成，并将这些组装在同一机体内。这种结构的特点是结构简单、体积小、价格低、输入/输出点数固定、实现的功能和控制规模固定，但灵活性能较低。

2.模块式：是把PLC各基本组成做成独立模块。中型、大型PLC采用这种方式，便于维修。这种模式的主要特点是系统构成的灵活性高。可以构成不同控制规模和功能的PLC，但同时价格也比较高。

3.1.2 PLC的工作原理

PLC采用了“顺序扫描，不断循环”的工作方式。

1.每次扫描过程。集中对输入信号进行采样，集中对输出信号进行刷新。

2.输入刷新过程。当输入端口关闭时，程序在进行执行阶段时，输入端有新状态，新状态不能被读入，只有程序进行下一次扫描时，新状态才被读入。

3.一个扫描周期分为输入采样、程序执行、输出刷新。

4.元件映象寄存器的内容是随着程序的执行变化而变化的。

5.扫描周期的长短由三条决定。（1）CPU执行指令的速度（2）指令本身占有的时间（3）指令条数。

6.由于采用集中采样，集中输出的方式存在输入/输出滞后的现象，即输入/输出响应延迟。

3.1.3 PLC控制系统设计原则和设计步骤

1、设计原则

PLC控制系统的设计原则主要是为了实现被控对象的工艺要求，以提高生产效率和产品质量。

（1）PLC除了最大限度地满足控制要求外，同时要注意和现场工程管理和技术人员及操作人员紧密配合，共同解决重点问题和疑难问题。

（2）保证系统的安全可靠。

（3）力求简单、经济、使用与维修方便。

（4）适应发展的需要。

2、设计步骤

（1）深入了解和分析被控对象的工艺条件和控制要求这是整个系统设计的基础，以后的选型、编程、调试都是以此为目标的。

（2）确定 I/O 设备根据被控对象的功能要求，确定系统所需的输入、输出设备。

（3）选择合适的 PLC 类型根据已确定的用户 I/O 设备，统计所需的输入信号和输出信号的点数，选择合适的 PLC 类型，包括机型的选择、 I/O 模块的选择、特殊模块、电源模块的选择等。

（4）分配 I/O 点分配 PLC 的输入输出点，编制出输入 / 输出分配表或者画出输入 / 输出端子的接线图。

（5）编写梯形图程序

（6）进行软件测试

（7）应用系统整体调试

（8）编制技术文件系统技术文件包括说明书、电气原理图、电器布置图、电气元件明细表、PLC梯形图等。

3.2 污水处理PLC控制系统的设计与分析

3.2.1 污水处理的过程

本课题讲述了SBR污水生物处理工艺，即序批式间歇活性污泥法。这种工艺是按“进水、曝气、沉淀、排水”步骤周期性进行生化反应。从进水开始到排水结束算作一个周期。工艺流程图如图1所示。

图1 SBR 流程图

基本工艺流程如下： 1. 进水

进水阀门打开，污水通过粗格栅，经过水泵，然后细格栅过滤到达SBR 池。 2. 反应

反应过程是SBR 的主要工艺技术。当水位达到预定的注射量的水，停下来，打开空气阀。在鼓风机开始的同时，开始曝气，同时潜水搅拌器和回流污泥泵运行，可以开始反应操作，如驱动生化需氧量，硝化，反硝化和磷的吸收。根据反应需要达到的程度，曝气混合，并确定了反应时间，如果需要，添加药剂。在进入沉淀过程，应进行短时间的曝气，清除污泥上粘附的气泡或氮，为了确保顺利进行排泥。 3. 沉淀

当SBR 池停止曝气以后，空气阀门关闭，潜水搅拌器和回流污泥泵停止运行，开始重力沉淀和泥水分离。 4. 排水

SBR 池水位到达最高水位，并经过沉淀工艺以后，上清夜由滗水器缓慢排出池外。当池水位达到处理周期开始时的最低水位时，停止滗水。剩余污泥泵在滗水器停止运行后开始运行，排泥至储泥池。 5. 闲置

闲置期的作用是通过搅拌、曝气或静置使微生物恢复活性，并起到一定的反硝化作用而进行脱氮，为下一个运行周期创造良好的初始条件。通过闲置期后的活性污泥处于一种营养物的饥饿状态，单位重量的活性污泥具有很大的吸附表面积，因而一当进入下个运行周期的进水期时，活性污泥便可充分发挥其较强的吸附能力而有效地发挥其初始去除作

污水池

水泵

污水

处理后的污水

肥料

泥池

风机

SBR 池

用。闲置期的设置是保证SBR工艺处理水水质的重要内容，闲置期所需的时间也取决于所处理的污水种类、处理负荷和所要达到的处理效果。

3.2.2 设备控制流程

第一步：进水+曝气。1号SBR池开始进水设定时间为早8点，进水2h，通过1号电动蝶阀控制，进水的同时1号风机开始曝气，污泥回流到泵1号开启，开始回流。

第二步：2h后，1号电动蝶阀停止进水，1号回流泵停止回流；1号风机继续曝气。

第三步：持续曝气6h后，1号风机停止曝气。

第四步：静置期1h。1号SBR池静置1h后，此时，水面分层，污泥沉降置底，上清液用滗水器排出。

第五步：排水1h。静置1h后，开始排水，1号池内1号滗水器启动，由上顶点缓慢向下移动；滗水器潜至下顶点滗水结束后，迅速自动升回至上顶点停住。至此，滗水1h 结束。

第六步：滗水1h结束后，第一周期结束，开始下一循环周期进水，曝气，回流。以后各周期如上所述。

2号SBR池与1号SBR池间隔2个小时，开始进水，各步骤与1号SBR池相同，只是在时间上相互顺延。3号SBR池与2号SBR池相间隔2个小时，4号与3号SBR池相间隔2个小时，后续程序同1号设定。

3.2.3 上位监控管理机

PLC通过通信电缆将采集参数传送给上位监控管理机，通过上位监控管理机可实时监测有关参数变化，并保留一段时间的数据，形成变化曲线。同时可以实时监测所控设备工作状态，具有设备故障报警、参数打印等功能。

4 PLC的程序设计

4.1 PLC的选择

污水处理自动控制系统中对PLC的性能提出了更高的要求，作为污水处理自动控制系统的核心控制器，它必须有以下特点：第一，必须是稳定可靠的，并有一个预定的数据处理和浓度的数据传输能力，具有较高的故障保护能力；其次，局部控制控制器可以独立承担控制分区基本控制的任务，即使监测站和监控中心因故障停止运行，相邻的控制器可以交换数据信息；然后，当一个控制站的控制量发生变化，能按照预定的计划和程序采取相应的算法，对于区域控制对象如泵和加药系统做出相应的调整。因此，它必须至少有一下

几个功能模块，数据采集功能、存储处理功能、通信功能、自动诊断功能和本地操作功能。

必须综合考虑整个监控系统的性能要求和自然条件以及运营周期对设备的要求进行选择，尤其在极端气候和恶劣环境状况条件下或较大规模的污水处理厂，需要选择性能更好的双机热备冗余的PLC。

PLC是可编程控制器的简称，在本系统中PLC代替了原先的硬接线的控制逻辑电路，实现了生产的自动化控制。

PLC较原先的继电器控制有下列优点:

1. 控制程序可改变

在污水厂生产工艺或流程改变的情况下，不必改变PLC的硬件设备，只要改变相应的程序就可满足用户的要求。

2. 适用于工业环境，具有高可靠性

PLC产品的平均无故障时间达5年以上，因而它是一种高可靠的产品，大大地提高了生产设备的工作效率，降低了生产的成本。

3. PLC功能齐全

一般PLC具有开关量及模拟量输人/输出、定时、计数、逻辑和算术运算，顺序控制，PID调节，通信等功能。除了应用于开关量控制系统外，也可用于连续的流程控制系统，从而使污水处理设备的控制水平大大提高。

4. 易掌握，便于维护

使用人员只需掌握工程上通用的梯形图语言就可进行用户程序的编程和调试。因此，即使不懂计算机的人，也能掌握PLC。又由于PLC具有自诊断功能，因而较容易进行维护，查找出故障原因。由于PLC自身的高可靠性，也使其故障率几乎降至于零。正是PLC具有这么多的优点，才使越来越多的PLC应用到污水处理厂中。

由于设计的污水处理控制系统是应用在小型规模的污水处理厂，本系统选用西门子小型PLC S7-200系列，主机型号为CPU 224 XP，具有14个数字输入点和10个数字输出点，2个模拟输入点和1个模拟输出点。可以用于代替继电器的简单控制场合，也可以用于复杂的自动化控制系统。

4.2 硬件部分的设计

4.2.1 I/O分配表

根据控制要求与设计方案，列出I/O分配表，如表1所示。

表1 I/O分配表

输入信号I0.0 复位

I0.1 自动状态

I0.2 滗水器下潜限位I0.3 滗水器上升限位I0.4 风机故障

I0.5 进水泵故障I0.6 滗水器故障I0.7 回流泵故障I1.0 手动自动切换I1.1 下潜滗水器手动I1.2 上升滗水器手动I1.3 回流泵手动I1.4 风机手动

I1.5 进水泵手动

输出信号Q0.0 下潜滗水器Q0.1 上升滗水器Q0.2 起停回流泵Q0.3 起停风机Q0.4 起停进水泵

4.2.2 硬件电路接线图

根据实际PLC模块，I/O分配表和I/O接线图，连接PLC各模块，并通过PC机联机，实现程序控制要求。

4.3 软件部分的设计

4.2.1 程序的流程图

程序主要依据SBR法污水处理工艺具体一个SBR池，一个周期的流程图如图2所示

图2 一个SBR池一个周期的流程图4.3.2 梯形图程序

根据控制要求、I/O分配表，设计PLC梯形图，如图3所示

图3 梯形图程序4.4 组态软件对现场监控的实现

4.4.1 组态王6.53的特点

组态王6.53是运行在Windows98/NT/2000上的一种组态软件，主要用来接受来自PLC 的数据，使用组态王，用户可以方便地构造适应自己需要的“监控与数据采集系统”，并可以实现：

1. 使用清晰准确的画面描述工业控制现场。

2. 使用图形化的控制按钮实现单任务和多任务。

3. 设计复杂的动画显示现场的操作状态和数据。

4. 显示生产过程的文字信息和图形信息。

5. 为任何现场画面指定键盘命令。

6. 监控和记录所有报警信息。

7. 显示实时趋势曲线和历史趋势曲线。

8. 使用多样而灵活的方式查询历史数据。

9. 时间驱动和事件驱动的报表的打印。

10. 设计多级安全控制和访问权限。

组态王6.53全面支持了OPC标准，支持网络结构、分布式历史数据库和分布式报警系统，还提供了完整的安全系统和冗余系统，使系统运行时变得更加安全、可靠、稳定。

4.4.2 S7-200系列PLC的网络通信协议

S7-200系列PLC支持多种通信协议，如点对点接口(PPI)、多点接口(MPI)和PROFIBUS。在污水处理控制系统中，控制器将利用点对点PPI(Point-to-Point)协议与安装在上位计算机中的工业控制组态软件进行通信。网络上的S7-200 CPU224 PLC作为从站，组态软件组态王6.53作为主站。在PLC控制程序中，将污水处理控制系统运行现场的各项参数放入用户数据存储区的指定区域中，通过组态王6.53中的I/O变量采集或刷新这些存放在PLC用户数据存储区中的数据。这样，PLC就可以与上位计算机利用通信进行数据的交换，为实现上位计算机对污水处理控制系统现场数据的监控创造了条件。

结论

本文成功的运用了一系列设计方法，设计了人机监控污水处理的控制系统，更好地实现了对污水处理的顺序逻辑控制。本课题采用PLC作为污水处理控制系统的控制器，是充分利用了PLC硬件柔性化、抗干扰能力强、控制能力强、构成控制系统简单、设计周期短以及可维护性好等特点，使得污水处理控制系统功能强、可靠性高，和硬件结合即可应用于工业现场。

采用了PLC 自动控制技术之后，大大降低了操作人员的工作量和操作强度，更加有效而合理的使用了能源和设备，解决了设备分散复杂，难于控制的难题，实现了节约能源降低能耗，排水达到了国家的排污指标，对改善国家自然环境起到了很大作用。

致谢

我首先要感谢我的毕业设计指导老师熊渊琳老师，本论文是在熊老师的精心指导下完成的。在这期间熊老师渊博的学识、高尚的品格、严谨的治学态度以及兢兢业业的敬业精神，始终激励鼓舞我不断前进。他孜孜不倦的教诲和悉心全面的教导在毕业设计期间给予了我莫大的帮助和照顾，同时为我的毕业设计指出了方法，提出了宝贵的建议。

我将牢记老师的教诲，同学的帮助，以科学严谨的思维态度和坚韧不屈的精神来面对每一次挑战，以热情开朗的态度来面对身边的每一个人，以积极乐观的态度来面对生活的每一天。衷心的感谢每位师生，谢谢你们给我的帮助与关怀，谢谢你们给了我一个美好的大学生活，你们是我最珍贵的财富，并向审阅本文的老师表示诚挚的谢意。