基于PLC的中小城镇污水处理控制系统设计.pdf

第 1 期 总第 1 7 6期 2 0 1 3年 2月 机 械 工 程 与自 动 化 MECHANI CAL ENGI NE ERI NGAUTOMATI ON No． 1 F e b ． 文章编号 1 6 7 2 6 4 1 3 2 0 1 3 0 l 一 0 1 5 9 0 2 基于 P I C的中小城镇污水处理控制系统设计 梁海龙 ，白峭峰 ，梅 小龙 中北 大学 机械工程 与 自动化学院， 山西 太 原0 3 0 0 5 1 摘要 研 究分析 了污水处理工 艺，设计 了适用于 中小城镇污水处理 的氧化 沟污水处理工艺流程。采用西门子 S 7 3 0 0系列 的 P L C搭 建污水处理控制硬件系统．建立 了包 括上位 机计算机 、P L C 以及现场 控制设备 在 内 的总体控制 系统 ，运用 S I MA T I C S T E P 7 V5 ． 4和组 态王工控软件 实现 控制 系统 的软件设 计，完成 了中小城 镇污水处理控制 系统 的设计 。 关键词 污水处理 ；P L C；组态王 ； 自动控制 中图分类号 T P 2 7 3 文献标识码 A 1污 水处 理 工艺 中小城 镇 污水 主要 为居 民生 活 污水 ， 包 含 少 量 工 业废水 。污水中含有 固体悬浮物、 微生物、 氮、 磷 、 难降 解有机物、 重金属等 。 且水质和水量不稳定。与大城市 对 比， 中小城镇污水处理厂存在资金来源缺乏和管理 技术水平低等缺陷。因此 ， 本文采用鼓风曝气氧化沟 污水处 理工 艺进 行污 水处 理 。污水 处理 工艺过 程 主要 包括预处理单元 、 二级处理单元 、 污泥处理单元。具体 处 理工 艺 如 图 1所示 。 I 进水 ■ I t b m自 士 n 提升泵房l L1一 细 格栅 t 曝气 沉砂池 鼓风 机房 I 污泥储 池 l 厌 氧 选择 池卜 卜 ]r_ ．_ L _ 二 I l 污 泥 l 氧 化 沟l l I 浓 缩 池 i T 滗水器 I 出水 I- ---- ---- ------ ----- --_ J 1． ．-．- ．．．． ．．．． ．-． -- ．．-- ．_ J 图 l污 水 处 理 工 艺 污水通过地下管道进入 中小城镇污水处理厂 ， 在 粗格栅功能块中去除较大的悬浮、 漂浮物 ， 然后在提升 泵房中将污水提升到一定高度 ， 以满足污水处理流程 的总体势能要求。接着污水进入细格栅功能块 中， 过 滤掉较小 的悬浮 、 漂浮物 ， 经过前面 的物理处理后 ， 送 入厌氧 池 中进 行化 学处 理 ， 调节 水 质 ， 最后 送入氧 化沟 反应池 中进行 污水 的彻底 处理 。 污水在厌氧池中能充分除磷， 其特殊的工艺结构 适于聚磷菌生活 ， 且具有足够 的空间和时间使聚磷菌 充分释放磷 ， 达到污水处理的除磷效果； 厌氧池中的潜 水搅拌器能使池内的污泥保持悬浮状态而不沉积 ， 极 大地提 高 了系统 的稳定性 。 污水通过厌氧池除磷处理后 ， 经过进水阀门进入 鼓风曝气氧化沟的缺氧段 ， 在缺氧段内与循环液充分 混合 ， 利用推进器和曝气器提供的驱动动力在氧化沟 沟道内循环运动 ， 且在氧化沟内间隔布置的推进器的 推动下 ， 使沟内循环液流动状态 良好 ， 溶解氧能够呈分 区变化 ， 在远离曝气器 的沟道内出现缺氧区。该工艺 结构使氧化沟沟道 内的有机物、 溶解 氧等 的浓度呈梯 度分布 ， 为活性污泥的生物絮凝和生物脱氮提供 了良 好 的环 境 。在 好氧 段 内 ， 污水 中的 氮通 过 硝化 菌 转 化 为硝态氮， 同时有机物氧化分解 ； 而在缺氧段 内， 硝态 氮在反硝化菌的作用下被转化成氮气 ， 排放到大气中， 达到除氮、 除有机物的目的。 反应完成后 ， 有些沉降性较差的细小絮状体甚至是 解絮后的游离细菌可随出水外漂， 在终沉池中， 处于上 层的清液经过滗水器后供用户使用； 下层的污泥分为两 部分处理， 一部分输送到污泥储存池中， 制作成泥饼 ， 另 一 部分在剩余污泥泵的作用下返回厌氧池重新处理。 2 污水处 理控 制 系统 硬件 设计 本文将污水处理的 3大环节细分为如下的状态 预处理单元分为粗格栅 、 提升泵房 、 细格栅、 沉砂池； 二 级处理单元分为厌 氧池、 氧化沟、 终沉池； 污泥处理单 元完成污泥的分类处理和污泥的运输等。系统总体控 制结构框图如图 2所示 。 收稿 日期 2 0 1 2 0 8 0 3 ；修 固日期 2 0 1 2 0 9 1 1 作者简介 梁海龙 1 9 8 7 一 ．男 ，山西忻州人 ，在读硕 ￡ 研究生 ，从事 自动控制 、 工 业领域余热 回收 、温度控 制方面的研究。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 6 0 机 械 工 程 与自 动 化 2 0 1 3年 第 l期 选用 S 7 ～3 0 0 P L C搭建整个控制系统 。建立包括 上位机计算机 、 S 7 3 0 0 P L C以及远程控制模块和现 场控制设备、 传感器等设备的控制系统。由于设备布 局分散 ， 因此采 用 S 7 3 0 0 P I C的 远 程模 块 E T M2 0 0 完成现场控制设备 、 传感器等与 P L C的链接。选用 P R OF I B US DP网络实现现场 I ／ O站与各单元级站 点 的 通 讯 。本 文 设 计 的 控 制 结 构 数 据 通 讯 量 小 ， P R OF I B US --D P网络完全能保证数 据传输 的要 求， 且系统稳定， 数据传输实时可靠 。 组态 软件监 P L C -级 处理单元 l I P L C 预 处理 单元 I I P L C 污 泥处理 单元 I点氩l 匦趣 I选 择 地 I 导 厂r _ 1 ]]_ r ] 潜进报液 进潜鼓 加温报 水水警位 水水风计药度警 搅阀器计 阀推机机传器 拌 门 门进 感 器 器 器 污滗液进污输加回剩王 泥水 位水 泥送 药流余 计 投 器计 阀浓机 机污污 加 门缩 泥泥 泵 脱 泵泵 水 机 升泵房 1 l 曝气 沉砂池 图 2 系 统 总体 控 制 结 构 框 图 P L C与现场控制设备 和传感器之间的通讯通过 P R OF I B US D P网络实现 ， 上位机计算 机与 P L C的 通讯通过 MP I 网络实现。MP I 网络对数据传输速率 要求低且便宜， 能实现多点数据并行传输 ， 且 MP I 通 讯 口在每个计算机 C P U上都有 ， 因此经济性好 ， 节约 成本。通过 E TM2 0 0的使用 ， 可以大大减少现场的线 路布置数， 同时能避免因数据传输线路 的多而产生的 信号的衰减和干扰， P L C与 E TM2 0 0通过电缆连接。 选 用 西 门 子 的 7 ML 5 2 1 1 1 DAI 1 液 位 传 感 器 、 P H2 1 0 0 一P A 的 P H 传 感 器 、 K 型 热 电 偶 ， 通 过 温 度 补偿导线连接变送器实现将温度信号转换为电信号输 入 P I C远程模 块 。 3系统软件 设计 3 ． 1 S 7 3 0 0 PI C 设 计 选用西 门子 S T E P 7进行 软 件 编 程 ， 设 计 P L C程 序 块 由 1 个 OB组织 块和 2个功 能 F C块 组成 。其 中 ． 0B块是 主程 序块 ， 在 运行过 程 中调用 其他 2个 F C块 来 完成控制 功能 。F C 1块 为预 处 理 单元 块 ， F C 2块 为 二级 处理和 污泥处理 单元块 。根据 污水 处理 总体结构 框图， 确定输入、 输出控制点数， 分配内存单元 ， 变量地 址。整体结构分为手动控制和 自动控制 ， 鼓风曝气氧 化沟为最重要的结构， 其工艺流程图如图 3 所示。 在氧化沟内， 污水与内部的混合液充分混合稀释后． 在沟道内循环流动 。采用手动 和 自动同时存在的控制工 作方式， 出于安全角度考虑， 优先采用手动控制。具体控 制功能为 在潜水推进器的作用下， 污水顺着氧化沟的沟 道前进 ； 根据 P H 的变化 ， 控制加药机的工作与否； 根据温 度 的变化调节水流， 以使沟道 内反应温度合适 。 在编制 流程 图的 基 础上 ， 给 S 7 ⋯ 3 0 0 P I C分 配 地 址 、 定义符 号表 、 分 功 能 ， 采 用 梯 形 图在 各 块 内进 行 编 程， 实现软件控制 ， 最后离线模拟 ， 检验程序的逻辑功 能 ， 最后 编译 、 下 载人 P I C中。 开始 动控 自动控制二 ～ ／ 打开1 、2 进水阀门l 打开潜水推进器 I 打开鼓风机 I 亟 夏 匠 亘 垂二 ] l弄 芏 温度在要求范围内 工 关 闭1 进 水阀 门 N I 报警、关闭1 、2 进水阀门 N 动 控 ＼于 训 U I 笙壅 I 图 3氧化沟工艺流程图 3 ． 2 上 位机设计 上位 机界面 的设计采 用组态王 工控 软件 。监控 画 面包括 预处理单元 、 二级处 理 及 污泥 处 理单 元 和 实 时 趋势 图 。预处理单 元 监控 画 面如 图 4所 示 ， 二级 处 理 及污 泥处理单元 画面 如图 5所示 。 图 4 预 处理 单 元 监 控 画面 图 5 二级处理及污泥处理单元画面 下转第 l 6 2页 液位差 计 液位计 进水阀 门 压榨机 栅渣输 送机 报警 器 格栅除 污机 报警 器 液位计 进水阀 门 输送机 砂水分 离器 搅拌 器 鼓 风机 报警器 提升泵 液位计 报警 器 液 位差 计 进 水阀门 液 位计 压榨机 格栅输 送机 格栅除 污机 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m l 6 2 机 械 工 程 与 自 动 化 2 0 l 3牟 第 1期 控制 ； 具备工作压力超压报警和急停等保护功能。 控 制系统 结构示 意图 如图 2 所 示 。 图 2控制系统结构示 意图 称重传 感器5 t ] 焉 』_ 组态， 触摸屏画面具备显示顶压重量、 清零 、 去皮、 设置 极限点等功能， 触摸屏与 C P U通过通讯方式连接 ， 数 据采集 快速 、 可靠 。 视频监 视 系统 采 用 防爆 电动 云 台带 动 防爆 摄 像 头 ， 对 油缸 活塞杆顶 升时快 、 慢速度 转换 和脱模 工房现 场情况进行监视。 3 结束语 通过调试， 此脱模系统已在使用方正常使用， 不仅 自动化程度高 ， 而且实现了发动机脱模过程的远程隔离 操作 ， 最大程度地减小 了安全隐患 ， 改善了作业环境 。 参考文献 [ 1 ] 向晓汉． 西 门子 P I C S 7 2 O 0 ／ 3 o 0 ／ 4 0 0 l 2 【 应用案例精 控 制 系 统 采 用 T P 1 7 7 mi c r o作 为 操 作 界 而一 讲[ M] 京 学工业出版社， 2 0 1 1 ． n 1 曼 、 篓 寸 S池 T 害N 号 示 坌 Vo 4 j 釜 大 学 t出1 版-7 社s 7 - 。2 0 0 ． 率 兰 亭 ’ ． 3 1 0 2。 4 0． 素 ， 颜 色 为 屏 ， 4 灰 度 [ 3 ] ； L C⋯ ‘ ’某 ] ． 北 示 ，背光平 均亮度寿命为 5 0 0 0 0 h ， 是西门子 s 7 一 京 人民邮电出版社 ．2 0l o ． 一 Th e 4 2 n d I n s t i t u t e o f Th e Fo u r t h Ac a d e my o f CAS e，Xi a n g y a n g 4 4 1 0 0 3．Ch i n a Ab s t r a c t To p r e v e n t t h e d a ma g e O f t h e e x p l o s i o n i n t h e mo l d e j e c t i o n p r o c e s s o f s o l i d p r o p e l l a n t mo t o r s ，we d e s i g n e d a mo l d e j e c t i o n s y s t e ms b a s e d o n P I C．Re mo t e i s o l a t i o n o f t h e mo t o r d e mo u l d i n g p r o c e s s wa s r e a l i z e d，wh i c h r e d u c e d t h e p o t e n t i a ]s a f e t y h a z a r d s ， a n d e f f e c t i v e l y i mp r o v e d t h e o p e r a t i n g e n v i r o n me n t s ． Ke y wo r d s mo t o r ；mo l d r e l e a s e s y s t e m ；PI C 上接 第 l 6 0页 上位 机 实现监控 功 能 ， 包括 现 场 各 功能 模 块 运行 情 况 、 数 据采 集 、 报 警 、 过 程监 控 等 。组 态 王是 在 基 于 语言 的脚本 程序命令 中编辑 脚本 ， 实 现动 画的 。 4结 束语 本文采用的污水处理系统 ， 工艺流程简单 ， 构筑物 少， 运行管理方便， 处理效果稳定 ， 工人劳动强度低 ， 完 全能满足中小城镇污水处理的要求 。 参考文献 [ 1 ] 韩魁 声 ， 齐杰 ． 白春学． 污 水生 物处 理工 艺技 术 [ M] ． 大 连 大 连 理 工 大学 出 版社 ， 2 0 0 4 ． [ 2 3 牟全君． 我 国 l O万吨／ d以下城市污水处理工艺[ J ] ． 环境 污染治理技术 与设备 ， 2 0 0 6 3 9 6 9 1 1 ． E 3 3 冯瑞琴． 基于 P L C和模糊控制技术 的污水处理控制 系统 设计与实现[ J ] ． 安徽农业科学 。 2 0 1 l 3 9 1 1 - 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