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论文在线分享-基于PLC污水处理控制系统的设计

2021-05-29 14:47:54
作者:杭州千明

  随着工业的发展和人口的剧增,使得江河湖海中水质逐步恶化。水资源的缺乏及水环境污染的加剧已成为制约社会生产和人类生活的重要因素。城市污水处理系统自动化程度的提高势在必行。

  本课题以某污水处理厂的半自动化系统和现在世界上较为成熟的A2/O法(及活性污泥法)为基础,主要设计一套基于PLC的污水处理控制系统,包括硬件电路的设计和软件程序的编写。为了实现污水处理过程协调有序的进行,并能对处理过程中的总磷、总氮、pH实时监测,使之能够更加方便的做出调控,以减少人工的损耗,提升污水处理厂的整体运营效率。硬件方面,首先在了解污水处理系统工艺流程及控制要求的基础上进行了PLC、模拟量转换模块、各类检测传感器及相关器件的选型,然后进行了PLC与系统输入和输出设备之间的接口电路设计,最后在Altium designer中完成对于污水处理控制系统原理图的绘制。软件方面,根据污水处理工艺流程完成了主程序流程及PH值和氮磷含量检测子程序流程的设计。采用西门子编程软件STEP 7-Micro/WINSP9在PC机上完成了梯形图程序的编写并在s7-200仿真软件中仿真。

  我们所生活的地球上虽然具70%的水资源,但绝大多数都为非淡水资源,随着城市不断的工业化,人口的加剧增长,人均水资源在迅速减少,污水的排放量也在逐日提高,人们逐渐意识到,人的废水排放量已经大大超出水体自我净化的最大负荷。由于自然的自我净化已经无法将已经污染的水资源进行净化,所以必须加入人工干预,加快对于污水的净化,尽量让已经失衡的生态圈水循环重新恢复到平衡状态,而如何合理地进行人工干预,便是我们自己所需要面临的问题了,比如说:大力宣传节约用水节能减排,提高人们节约用水的道德自觉性,减少污水的排放量,但是这些只是节流,虽然在一定程度上可以解决一部分问题,但是没有从根本上减少水污染,生态圈水循环中还是存在着大量未经处理的废水,而这些未经处理的废水还会在水循环中污染更多净水,进一步加剧水循环中的污水含量。

  当今社会,虽然人们对于环境保护越来越重视,但是由于一些工厂的非法排放,导致了水循环中的污水含量在日益增加,所以我们必须从根本上解决水污染的问题,这就涉及到了我本次所作的毕业设计—污水处理控制系统,该系统以无数前人的心血结晶为基础,以各种成熟的污水处理设备为模块,以活性污泥法为框架,以全自动化为目标,以彻底净化污水搭为目的建出一个符合我国基本国情的全自动化污水处理系统。

  根据我国的基本国情,污水处理必须做到低成本,高效率,易维护,易建设等的特点,才能从我国多样化的处理系统中脱颖而出,为我国的环境保护建设添砖加瓦。

  我国是一个发展中国家,虽然人均GDP增长高,但是由于国家财政较为紧张,面对我国日益加剧的环境污染,国家投入大量人力物力财力来对水污染进行治理。而解决水污染的根本性措施是建设以生化处理与深度处理为主体,机械处理为辅助的污水处理厂,但是,建设大批的污水处理厂需要大量的起始投资和高额的人工费和其他日常维护费用,这对发展中国家的经济来说是一个沉重的负担。目前我国的污水处理厂建设工作,经常因为资金链断裂导致厂房建设不能顺利进行,又由于政府的拨款有时不能及时到位,部分已建成的污水处理厂又由于运行费用的昂贵或者没有系统的专业的管理人才等一系列的原因,因此时常不得已停止运行。

  因此,在我国建立城市污水处理厂必须从这几个方面来入手[18]:

  第一,污水处理系统必须具有高自动化、高可靠性、高稳定性等特点。由于电子计算机越来越普遍。而且应用计算机控制技术已经成熟,使污水处理厂很容易做到半自动控制、全自动监控。

  第二,污水处理必须满足“三低一高”条件:即低起始投资、低运行成本、低管理要求、高效率处理。建设污水处理厂是我国城市环境保护中的一个重要环节。

  第三,污水处理厂须做到,易于整合城市污水,靠近排放场所,占地面积不能过大,拥有完善的维修管理设备。

  第四,注重对于相关管理维修类人才的培。

  对于小城镇的污水处理,存在着以下问题:缺少启动资金;政府补贴不能及时到帐;缺少成熟的相关人才;设备老旧不能及时更新换代。

  因此,小城镇污水处理厂的建立必须符合以下要求:

  运行管理相对容易;基础建设资金小;运行功耗低;处理效率高。由此我们对高效率、低投入、低成本、系统成熟的污水处理系统的研究是今后的一个重要的研究课题。

  2污水处理控制系统的总体方案设计

  2.1污水处理工艺流程

  图2.1为某污水处理厂污水处理工艺流程流程图。该工厂采用的是传统的A2/O工艺,也就是物理处理利用了粗细格栅、旋流沉砂池、纤维转盘滤池以及紫外线消毒渠,而在生化处理方面选用了稳定的活性污泥法(A2/O法),利用了多沟式氧化沟、二沉池、以及污泥处理车间。

  图2.1污水处理厂工艺流程图

  2.2污水处理控制系统总体方案设计

  控制系统要完成对粗细格栅液位阀,粗细格栅除污机,污水提升泵,漩流沉砂池中砂水分离器和沉砂池鼓风机,氧化沟中曝气、推进和搅动装置控制,纤维转盘区的驱动电机,清洗泵,反抽吸水泵及加药泵,紫外线灯的控制。控制系统的原理框图如图2.2所示。为保证系统能合理运行[21]:

  图2.2污水处理控制系统原理框图

  3污水处理控制系统的硬件设计

  3.1西门子S7-200的选择

  本污水处理控制系统是典型的过程控制系统,故选择西门子S7-200的PLC作为控制核心。S7-200系列PLC是德国西门子公司于20世纪90年代推出的整体式小型PLC,其功能强大、结构紧凑,具有很高的性能价格比,在中小规模控制系统中得到广泛应用。S-7-200 CPU系列产品有CPU221,CPU222,CPU224,CPU226模块。由于污水处理控制系统中存在较多的输入端口与输出端口,我们需要采用CPU226作为该控制系统的主机。

  西门子S7-200PLC,实物见图3.1

  图3.1 S7200 CPU模块实物图

  3.2液位传感器选型

  3.2.1 ZRN703超声波液位计

  本系列产品采用二线制技术,供电和信号输出共用一根两芯电缆,输出4~20mA电流信号。

  产品特点:

  量程可达30m;LCD大显示屏;智能信号处理技术;全塑料防腐外壳;专利的换能器结构;简单的按键设定参数;灵活的安装方式;探头可加长。

  3.2.2 ZHRL1液位继电器

  内置微处理器,灵敏度(可调)(5kΩ~100kΩ)、动作时间(可调),旋钮设定,LED灯显示工作状态,具有两极探头和三极探头两种工作模式可用于给排水系统,可螺钉安装和导轨安装。

  额定控制电源电压:AC110V,AC220V,A380CV。

  延时时间范围:0.1S-10S

  图3.2液位继电器工作模式

  3.3 PH值检测传感器及氨氮检测传感器选型

  选用pHG5202A中文在线pH计,它具有全智能、多功能、测量性能高、环境适应性强等特点,能精确测量溶液的pH值及温度。可以对pH值进行精准的连续监测[20]。

  测量范围:-2~16.00pH,-1999~+1999mV,0~99.9℃

  温补范围:自动/手动0~99.9℃,25℃折算

  25℃折算:纯水和加氨超纯水25℃折算

  分辨率:0.01pH,0.1mV,0.1℃

  精度:±0.02pH,±0.5mV,±0.3℃

  输入阻抗:>1012Ω

  电流隔离输出:软件设定0~10 mA(负载<1.5 kΩ)或4~20 mA(负载<750Ω);

  3.4 EM231模拟量输入扩展模块选型

  因为本设计要完成PH值,氮磷含量的检测,因此需要选用和s7200相匹配的扩展模块EM231模拟量输入模块。

  该扩展模块可以方便的与各种传感器连接,可以将外部的四通道模拟量转换为PLC内部所需要色12位数字量。EM231模块主要性能指标如表3,1所示。

  表3.1 EM231模块主要性能表

  项目电压输入电流输入备注

  输入点数4点

  输入要求单极性DC0-5(10V)DC0-20mA可通过开关选择

  双极性DC±5V或±2.5V

  转换精度12位

  EM231模拟量输入模块通过扩展电缆与PLC基本单元链接,通过内部总线传送数字量。模块外形如图3.3所示。

  接入模拟量的类型和范围由设定开关SW1,SW2,SW3的状态决定,当开SW1,SW2为ON,开关3为OFF时,可接单极性0-5V电压输入信号或0-20mA电流输入信号,也是本设计所选。

  图3.3 EM231的外形图

  图3.4 EM231温度扩展模块

  EM231通过如图3.5所示FPC牛头接口实现与PLC之间的连接通讯,将PH值检测传感器及氮磷含量检测传感器的输出信号以模拟量的型式传输给PLC的模拟量输入地址AIW寄存器。PLC读取模拟量输入地址信息经过数据字格式0~32000转换得到测量的实际温度。

  图3.5 EM231接线图

  3.5硬件电路设计

  3.5.1相关电机主电路设计

  图3.6粗细格栅和旋流沉砂池开启装置相关电机主电路设计

  图3.6旋流沉砂池除沙装置和提升泵房相关电机主电路设计

  图3.7氧化沟部分常用设备电路设计

  图3.8氧化沟部分常用设备电路设计

  图3.9备用推进器电路设计

  图3.10氧化沟备用转碟,二沉池,纤维滤池启动电路设计

  图3.11纤维滤池清洗与加药装置,消毒渠电路设计

  主电路就是电动机电路,本系统有两相、三相交流电机,设计电路时进行了简单分类如图3.11所示。电路中用三相空气开关QF0和两相空气开关QF1、QF2作为电源隔离开关和保护开关,每个电机分别由热继电器进行过载保护,另外还加了熔断器进行短路保护,由PLC控制的接触器的主触点接相应电动机的电源电路中,实现通过PLC对这些电机的自动控制。以以粗格栅电机的控制为例,开机前,首先合上空气开关QF,系统上电后,当液位传感器有信号时,对应输出继电器Q0.1接通,和它相连的接触器KM1线圈得电,KM1主触电闭合,三相交流电源引入粗格栅除污机三相定子绕组,电机启动,进行除污。当液位传感器没有信号时对应输出继电器Q0.1掉电,和它相连的接触器KM1线圈掉电,KM1常开主触电复位,电源切断,电机启动,停止除污。

  3.5.2输入开关量信号与PLC接线图

  图3.12开关量信号PLC接线图

  以上所用的液位计都是开关量传感器,可直接接PLC的输入端子。所有液位继电器的供电电源均为24V,所以接线时可把PLC输入端1M、2M接24V电源,所有开关量一端接对应输入端子,另外一端接24V的地。具体为:开始按钮和停止按钮分别接PLC的输入端子I0.1和I0.2,当按钮按下时对应输入继电器线圈得电,常开触点闭合,常闭触点断开,实现对整个系统的启停控制;提升泵房的三个液位计分别接PLC的输入端子I0.2、I0.3和I0.4,当液位到达检测位置时,对应输入继电器会接通,PLC通过软件程序实现对泵房中两个水泵的启动与停止;沉砂池的三个液位计分别接PLC的输入端子I0.5、I0.6和I0.7,当液位到达检测位置时,对应输入继电器会接通,控制着沉砂池除沙装置的起停,二沉池的三个液位计分别接PLC的输入端子I1.0、I1.1和I1.2,同样控制着二沉池中两个泵的起停,纤维转盘滤池中的液位计控制着滤池中的清洗装置,氧化沟的液位计接I1.3,当液位到达检测位置时,输入继电器I1.3得电,实现对氧化沟所有常用机器的控制。

  3.5.3输入模拟量信号和PLC接线设计

  图3.13模拟量信号PLC接线图

  由于系统需要测量二沉池PH值、粗细格栅前后液位差、氧化沟流速,氧化沟出水口氮磷含量,本设计选用的测量传感器输出均为模拟量,这些信号必须借助模拟量转换器才能和PLC连接,本设计选择EM231模块来将这七个模拟量转化为数字量后与PLC连接。7路模拟量与EM231连接电路如图3.7所示。其中EM231与PLC之间用FPC牛头接口相连,N,L之间接24V DC电源。

  EM231传感器输出0-20mA电流信号,经EM231转换为0-4096之间数字量,EM231-1中A通道所接的PH值检测传感器的采样值存放在地址AIW0中,B通道的对应采样值存放在地址AIW2中,C通道的采样值存放在地址AIW4中,D通道的采样值存放在地址AIW6中;EM231-1中A通道的采样值存放在地址AIW8中,B通道的采样值存放在地址AIW10中,C通道的采样值存放在地址AIW12中,D通道的采样值存放在地址AIW14中。

  3.5.4输出控制电路

  PLC要完成对现场的各类电动机及电磁阀的控制,因为PLC无法直接和电动机连接,必须通过PLC控制接触器线圈,实现对电机间接控制。具体控制电路如下:

  1、PLC输出端Q0口的电路设计

  图3.14输出Q0.0-Q0.7控制电路

  如图3.8所示,输出端子Q0.0与控制粗细格栅机的电磁阀YV相连,Q0.1与控制粗格栅除污机的接触器KM1线圈相连,Q0.1,Q0.2与控制粗格栅除污机和细转鼓除污机的接触器KM1、KM2线圈相连,Q0.3与控制旋流沉砂池的接触器KM3线圈相连,Q0.4与接触器KM4线圈相连实现对沙水分离器几沉沙池鼓风机的自动控制,接触器KM5、KM6线圈与Q0.5和Q0.6相连实现对提升泵1和2的自动控,KM7线圈与输出端子Q0.7相连,实现对推进器转碟及搅拌器的K制。因为电磁阀YV1和KM1-KM7的线圈工作电压均为220V,因此只需把所有线圈另外一端全部接在一起然后和1L之间接AC220V电压即可。当这些电机和电磁阀满足启动条件时,PLC程序使得与它们相连的PLC的输出继电器接通,则电磁阀和接触器线圈通电,对应触电动作,满足停止条件时,对应PLC输出继电器失电,和它们所接的接触器线圈掉电,从而实现对各类电机的自动控制。

  2、Q1口的电路设计

  图3.15输出Q1.0-Q1.7控制电路

  如图3.9所示,控制2#4#8#9#推进器、3#转碟、氧化沟液位阀、污泥泵、上清液泵、转盘电机、反抽吸水泵及1#加药泵的接触器KM8-KM15的线圈分别接输出端子Q1.0-Q1.7。因为KM8-KM15的线圈工作电压均为220V,因此只需把所有线圈另外一端全部接在一起然后和2L之间接AC220V电压即可。以纤维滤池转盘电机的控制为例,当纤维转盘滤池液位传感器有信号时,输入继电器I1.3接通,对应输出继电器Q1.5接通,和它相连的接触器KM13线圈得电,主触电闭合,实现对电机的控制。

  3、PLC输出端Q2口的电路设计

  图3.16输出Q2.0-Q2.4控制电路

  如图3.10所示,Q2口由I/O扩展模块EM222(8点输出)提供,控制1#、2#加药泵及液体泵的接触器KM16、KM17和KM18线圈分别接PLC的输出端子Q2.0,Q2.1和Q2.3,紫外线灯管接Q2.2,蜂鸣器接Q2.4;因为KM16-KM17的线圈及紫外线灯蜂鸣器工作电压均为220V,因此只需把所有器件另外一端全部接在一起然后和3L之间接AC220V电压即可。当消毒液渠液位达到设定高度时输入继电器I1.6接通,程序控制Q2.3接通,紫外线灯工作,进行消毒。当系统检测到故障时故障时,系统所有设备复位,同时输出继电器Q2.4接通,蜂鸣器发报警信号,通知工作人员进行处理,当工作人员得知有故障时,按下蜂鸣器复位按钮,输出继电器Q2.4失电,蜂鸣器停止报警。

  3.6总体电路原理图

  附录1污水处理电气控制系统PLC原理图

  附录2污水处理电气控制系统主电路原理图

  4污水处理控制系统的软件设计

  系统软件设计包括了确定了所需要的编程软件,系统软件程序的主要步骤和程序设计流程及等部分。

  4.1 PLC编程软件简介

  本次设计使用了西门子S7-200专用编程软件STEP 7-MicroWIN,使用的PLC编程语言为梯形图。该软件支持在微软操作系统Windows7上执行,使用范围较广。这款编程软件对使用者来说十分方便,简单易上手。西门子自身使用的指令简单,容易上手。使用者可以根据多元化需求自行定义任何变量的名称,并且可以通过这个自行定义的名称直接调用所编写的程序块。具有特殊功能的寄存器可以根据将要实现的功能,再被主要程序调用后自行进行命名,这对于使用者来说是十分方便的。

  图4.1 STEP 7-Micro WIN SMART开始页面

  STEP 7-Micro WIN SMART这款软件还可以根据使用者自身的需求,随意添加使用者想要添加的注释。这些注释可以帮助使用者和使用者之外的人更方便快速的读懂程序,了解控制系统。这款软件中被植入了大量西门子专用指令,当使用者编写程序时,可以很方便的调用。因此这款软件对于使用者来说,十分方便有效。

  打开软件页面如图4.1所示,在CPU选择图标处双击选择合适PLC的CPU确定。工具栏处有多个功能块(程序块,符号表,状态表,数据块,系统块,交叉引用,通信,设置端口),选取不同功能块,满足不同创建编程工作空间。指令条中有很多不同功能的图标,在程序编写过程中可以拖动到梯形图需要满足其功能要求的程序段中。程序块中还包括主程序,子程序。主程序:是整个应用程序中最主要的部分,主程序里包含了众多的应用指令,PLC在每个扫描周期中会根据功能要求对这些应用指令的执行顺序是一定的。主程序在PLC的程序设计中只允许出现一个。

  子程序:存放在单独的程序块中,当主程序或是中断程序调用时才会执行,当一个程序中需要循环反复执行某些程序时,可以应用子程序,这样不但可以减少程序长度,而且可以有效缩短程序的扫描周期。用户还可以自主定义子程序,调用时直接打开调用子程序,选取到自主定义的子程序块拖动到梯形图中就可以完成其调用。指令的选取不用具体知道是什么,只要知道在那个大的指令包中就可以找到并且鼠标放在上面就能知道其功能。方便操作人员更快捷有效的编写梯形图。

  4.2软件设计基本原则

  1.软件设计争取逻辑清晰,语句简洁,可读性强。除此之外,程序应当尽可能的采用模块式结构,以方便系统改良和程序移植。

  2.应该设置必要的事故报警机制和连锁保护机制;对于不可能同时工作的生产设备应该设置互锁,以防止错误操作,从而可以确保控制系统的安全,以及可靠的运行。

  3.在保证控制功能的前提下,应该尽量缩短程序的长度,以方便减少程序的运行时间。

  4.3软件流程

  4.3.1 PLC输入/输出分配

  PLC的输出端口需要21个输入端口,具体分配如下:2个端口接3个电磁阀,分别是粗格栅电磁阀;细格栅电磁阀(粗细格栅用一个输出端口)和氧化沟液位电磁阀。5个端口接5三相交流电动机,分别是粗格栅除污电动机;细转鼓除污电动机;旋流沉砂池电动机;沉砂池鼓风机和纤维滤池转盘电动机。5个端口分别接入17个单相电动机,分别是1#2#3#4#5#6#7#8#9#推进器;1#2#3#转碟和1#2#3#4#5#搅拌器。4个端口接入加药泵,分别是氧化沟(AlCl3)n加药机(该设备与其他设备共用一个输出);纤维滤池1#加药机(NaClO3);纤维滤池2#加药机(NaClO3);纤维滤池3#加药机(Na2CO3)。6个端口接入6个液体泵,分别是提升泵房1#提升泵;提升泵房2#提升泵;二沉池上清液泵;纤维滤池反抽吸水泵(该设备与其他设备共用一个输出);纤维滤池清洗装置和消毒渠液体泵。2个端口接入2个流体泵,分别是沉砂池砂水分离器(该设备与其他设备共用一个输出端口)和二沉池污泥泵。1个紫外线灯管和1个蜂鸣报警器。

  硬件电路设计由输入开关信号和输出信号组成,输入部分:有液继电器的开关量,启动停止的开关量,设备复位故障报警开关量等;输出部分:有由接触器控制的电机驱动,灯管的明灭和蜂鸣器的报警。

  根据上述所选的S7-200 PLC和输入/输出信号的分析,编写如下输入/输出分配表。

  表3.1 I/O地址分配表

  输入端I端输出端Q端

  I0.0启动Q0.0粗格栅机(电磁阀)

  I0.1停止细格栅机(电磁阀)

  I0.2提升泵房低液位检测仪Q0.1粗格栅除污机(电动机)

  I0.3提升泵房中液位检测仪Q0.2细转鼓除污机(电动机)

  I0.4提升泵房高液位检测仪Q0.3旋流沉砂池(电动机)

  I0.5旋流沉沙池低液位检测仪Q0.4砂水分离器(固体泵)

  I0.6旋流沉沙器中液位检测仪沉砂池鼓风机(电动机)

  I0.7旋流沉沙池高液位检测仪Q0.5提升泵房1#提升泵(液体泵)

  I1.0二沉池低液位检测仪Q0.6提升泵房2#提升泵(液体泵)

  I1.1二沉池中液位检测仪Q0.7 1#3#5#6#7#推进器(单相电动机)

  I1.2二沉池高液位检测仪1#2#转碟(单相电动机)

  I1.3纤维滤池液位检测仪1#2#3#4#5#搅拌器(单相电动机)

  I1.4蜂鸣器复位按钮加药机(AlCl3)n(加药泵)

  I1.5氧化沟起始点液位检测仪Q1.0 2#4#8#9#推进器(单相电动机)

  I1.6消毒渠液位计Q1.1 3#转碟(单相电动机)

  I1.7 Q1.2氧化沟液位阀(电磁阀)

  I2.0 Q1.3污泥泵(流体泵)

  I2.1 Q1.4上清液泵(液体泵)

  I2.2 Q1.5纤维滤池转盘电动机(电动机)

  AIW0二沉池出水口pH值监测仪纤维滤池反抽吸水泵(液体泵)

  AIW2细格栅栅前液位计Q1.6纤维滤池清洗装置(液体泵)

  AIW4细格栅栅后液位计Q1.7 1#加药机(NaClO3)(加药泵)

  AIW6粗格栅栅前液位计Q2.0 2#加药机(NaClO3)(加药泵)

  AIW8粗格栅栅后液位计Q2.1 3#加药机(Na2CO3)(加药泵)

  AIW10氧化沟流速监测仪Q2.2紫外线灯管

  AIW12氧化沟出水口氨氮监测仪Q2.3液体泵(液体泵)

  Q2.4报警(蜂鸣器)

  4.3.2粗格栅的过程控制

  污水处理厂设置粗格栅除污机,格栅栅道前后均设置超声波液位探测器,当栅前栅后液位差超过设定值时,开启格栅除污机,定时15min,时间到后,关闭格栅除污机。

  自动过程开始,启动粗格栅机,同时检测液面差,若超过设定值60cm时,启动清污机,同时开启定时器,定时15min,定时间到时自动关闭格栅除污机。流程图如图4.2所示。

  图4.2粗格栅控制

  4.3.3细格栅的过程控制

  细格栅系统程序与粗格栅系统程序相似,其工作过程为:自动过程开始,启动细格栅机,同时检测液面差,若超过设定值60cm时,启动转鼓除污机,同时开启定时器,定时15min,定时间到后自动关闭转鼓除污机。流程图如图4.3所示。

  图4.3细格栅控制

  4.3.4污水提升泵过程控制

  水泵的开停根据提升泵水池中的液位信号来进行自动控制,当液位高于低液位时开启常用水泵;当液位低于低液位时停泵;当液位高于中液位时开启备用水泵。当液位高于高液位进行报警。流程图如图4.4所示,:

  (1)测量液面高度,高于低液位继电器时,开启1#提升泵,反之,则不开启1#提升泵。

  (2)测液面高度,高于中液位继电器时,开启2#提升泵,1#提升泵运行状态不变。

  (3)若液面持续高于高液位继电器,停止系统并输出报警信号。

  图4.4提升泵房控制流程图

  4.3.5漩流沉砂池除砂系统的过程控制

  当旋流沉砂池中检测到液体位置达到中液位计时,开启旋流沉砂池,当沙子到达低液位时,启动砂水分离器与沉砂池鼓风机,将沉砂池中的沉沙转移,同样的,在液位高于高液位继电器时报警。沉砂池的过程控制工作流程图如图4.5所示,

  图4.5旋流沉砂池控制

  4.3.6氧化沟过程控制

  氧化沟为环型连续曝气池。该单元建筑呈封闭沟渠,属于污水处理活性污泥法中不可或缺的单元。氧化沟中具有独特的曝气装置和搅动装置,根据曝气装置的布置特点,使得氧化沟中呈现出“厌氧-缺氧-好氧”的分区变化,其工艺主要以利用活性污泥来去除污水中的磷与氨氮,由于是处于内循环状态,所以氧化沟中必须存在着推进器以使之流动,所以需要在氧化沟的厌氧与缺氧分区底部增加推进器,采用一用一备,而在好氧区采用五组推进器,采用三用两备,而且需要在该分区增加转碟以增加好氧区的曝气率,一般采用五组转碟,采用三用两备,另外在环形回流的好氧区末尾会增加一个液位阀门当二沉池中液位高于高液位会关闭阀门以减少污水的流量,在好氧区末尾设置加药加入Al/Cl3用来去除磷离子。氧化沟中曝气转碟设备的控制方式是溶解氧浓度控制和时间控制相结合的控制方式。曝气时间如公式(3-1)所示:

  (3-1)

  TA----1个周期的曝气时间,h;

  1/m----排出比。

  该运行流程包含下面6个方面:

  (1)自动过程开始,从旋流沉砂池过来的污水开始进入氧化沟,当氧化沟液位达到设定值时,开启氧化沟中推进器1#3#5#6#7#、搅拌器1#2#3#4#5#以及好氧区的转碟1#2#,当氧化沟中的流体速度低于0.3m/s时,启用备用推进器2#4#8#9#;当氧化沟中的流体速度高于0.7m/s时,关闭备用推进器。

  (2)当出口的氨氮的检测仪检测到氨氮含量超过0.9mg/L时,开启备用转碟以增加曝气率,当氨氮含量降至0.4mg/L时停用备用转碟3#;

  (3)当二沉池液位过高时,关闭氧化沟出水口液位阀门以减少进入二沉池的液体体积。氧化沟的控制工作流程图如图4.6所示(流程图图中所有数字单位:mg/L)。

  4.3.7二沉池过程控制

  二沉池是A2/O系统的重要组成部分,其作用主要是:使混合液分离,将污泥沉淀,沥出上清液。二沉池的工作效果能够影响到整个系统的出水水质,流程图如图4.7所示。该运行流程包含下面几个方面:

  (1)将从氧化沟泵出的污水进入二沉池后,开始进行自动沉降,在液位超过高液位时,对氧化沟液位阀进行反馈以关闭电磁阀减少污水的流入;

  (2)在二沉池液位高于中液位时,开启上清液泵,将上清液导入纤维滤池;

  (3)当污泥液位高于低液位时,开启污泥泵将污泥泵入储泥池,进行下一步处理;

  图4.6氧化沟控制流程图

  图4.7二沉池控制流程图

  4.3.8纤维转盘区控制

  设备的核心装置就是中间的过滤转盘,转盘的旋转由上方电机驱动;滤盘中间是中空的集水筒,它连接着反抽吸水泵;反抽吸水泵反抽洗强度为333L/m.s,当处理水漫过中液位后时开启清洗装置,当水中的pH值超出6-8.5时,需要对水中加药进行中和,以防止酸碱度过高在排到外界对外界环境产生较大的影响。流程图如图4.8所示

  4.3.9紫外线消毒渠控制

  利用紫外线的消毒杀菌功能对水体里的细菌与病毒进行灭活,主要为控制液体的流量将紫外线灯管完全浸入水中。

  图4.8纤维转盘滤池控制流程图

  4.4主程序设计

  4.4.1系统初始化

  图4.9系统初始化

  当程序开始时,特殊功能继电器SM0.1得电,接通一个扫描周期,SM0.1的常开接点闭合,可完成对输出继电器Q0.0-Q0.7、Q1.0-Q1.7、Q2.0-Q2.8、中间继电器M0.0-M0.7的复位,同时实数移位指令MOV_R对粗细格栅液位差赋初值。

  4.4.2控制系统的启动与停止

  图4.10控制系统的启动与停止

  启动按钮I0.0按下后,I0.0自锁,输出继电器Q0.0和中间继电器M0.0线圈接通并自锁,同时调用数据采集子程序开始数据采集,当停止按钮I0.1按下或系统发生故障Q2.4接通时,对应常闭接点断开,则整个系统停止。

  4.4.3计算粗细格栅栅前后液位差

  图4.11计算格栅前后液位差

  系统启动后中间继电器M0.0线圈得电并自锁,并实时采样,细格栅栅前栅后液位采样值存入VD212和VD220中,粗格栅栅前栅后液位采样值存入VD232和VD240中,当M0.0常开接点闭合时可通过实数减法SUB_R指令对粗细格栅前后的液位差进行计算,结果为:

  4.4.4控制除污机的启停

  如图4.12,中间继电器M0.0得电,常开接点闭合,执行实数比较指令进行粗格栅除污机及细转鼓除污机的控制,将VD300、VD304中的数与已经设定好的粗细格栅液差设定值VD504、VD507进行比较,当VD300中的值大于等于VD504中的值时输出继电器Q0.1得电,启动粗格栅除污机,否则Q0.1复位,粗格栅除污机不工作;当VD304中的值大于等于VD508中的值时输出继电器Q0.2得电,启动转鼓除污机除污机,否则Q0.2复位,转鼓除污机除污机不工作。

  图4.12除污机的启停控制

  4.4.5提升泵房控制

  图4.13提升泵房控制

  如图4.13,中间继电器M0.0得电,常开接点闭合,提升泵房中液位到达低位时,输入继电器I0.2得电,对应常开接点闭合,输出继电器Q0.5线圈得电,1#提升泵开始工作,当液位低于低液位时,1#提升泵不工作;提升泵房中液位到达中位时,输入继电器I0.3得电,对应常开接点闭合,输出继电器Q0.6线圈得电,1#提升泵开始工作,当液位低于中液位时,2#提升泵不工作.

  4.4.6报警模块控制

  图4.14报警模块程序

  如图4.14所示,当提升泵房液或旋流沉砂池中液位大于等于高液位,输入继电器计I0.4和I0.7得电,常开接点闭合,输出继电器Q2.4线圈接通并自锁,蜂鸣器发出刺耳的叫声,通知工作人员及时进行排障处理,当工作人员发现有故障,按下蜂鸣器复位常按钮,输入继电器I1.4得电,常闭接点断开,输出继电器Q2.4复位,蜂鸣器停止鸣叫,排除故障后,即可恢复正常工作。

  4.4.7旋流沉砂池控制

  图4.15沉砂池模块程序

  如图4.15所示,当系统工作时,在旋流沉沙池中,当沙子达到低液位时,输入继电器I0.5得电,常开接点闭合,输出继电器Q0.4得电,自动开启砂水分离器与沉砂池鼓风机,同时定时器T37开始定,,由于定时器T37时标为100ms,所以定时15分钟应对PT端设定数值为9000;定时时间到后,定时器T37常闭触点断开,Q0.4断开,定时器T37复位,停止砂水分离器与沉砂池鼓风机。当旋流沉砂池中液位液位超过中液位后,输入继电器I0.6得电,输出驱动器Q0.3线圈得电,旋流沉砂池电动机自启动。

  4.4.8氧化沟控制

  图4.16氧化沟控制

  如图4.16当氧化沟液位达到测量液位时,输入继电器I1.5得电,常开接点闭合,中间继电器M0.0常开接点闭合,输出继电器Q0.7线圈得电,开启氧化沟中的搅拌器,推进器和转碟曝气机,当液位低于设定值时,I1.5常开接点断开,输出继电器Q0.7断开,关闭以上设备。

  4.4.9氧化沟备用设备的启停

  图4.17备用设备的控制

  如图4.17所示,在氧化沟中,总氮含量采样数值存放在VD260中,流速采样数值存放在VD252中,运用小于等于比较指令对VD260中值和0.4mg/L进行比较,当VD260大于等于1.0mg/L时,中间继电器M0.2线圈得电;运用大于等于比较指令对VD252中值和0.7m/s进行比较,当VD252小于等于0.4m/s时,中间继电器M0.3线圈得电。

  4.4.10二沉池控制

  图4.18二沉池控制

  如图4.18所示,在二沉池中,污泥达到低液位时输入继电器I1.0得电,常开接点闭合,定时器T38开始定时,定时15min,输出继电器Q1.3线圈得电,开启污泥泵,定时时间到后定时器T38常闭触点断开,输出继电器Q1.3断开,停止污泥泵的运行。当污水达到中液位时,二沉池输入继电器I1.1闭合,输出继电器Q1.4线圈得电,开启上清液泵;液面低于中液位时,输入继电器I1.1线圈得电,断开接触器Q1.4,关闭上清液泵;液面高于高液位时,开关I1.2得电闭合,常开接点闭合,输出继电器Q1.2线圈得电,关闭常开的氧化沟液位阀。

  4.4.11纤维滤池控制

  图4.19纤维滤池控制

  当二沉池达到中液位时,中间继电器M0.0得电,开关I1.1闭合,接触器Q1.5和Q1.7闭合,开启纤维转盘电动机、反抽吸水泵和1#加药机,当二沉池低于中液位时,开关I1.1断开,接触器Q1.5和Q1.7断开,关闭以上设备。

  4.4.12纤维滤池加药机控制

  当pH值<6时;接触器Q2.0闭合,开启2#加药机,当pH值>8.5时,接触器Q2.1闭合,开启3#加药机;当pH值<8.5时,接触器Q2.1断开,开启3#加药机当pH值>6时,中间继电器M0.1得电,M0.1的常闭触点得电,使M0.1断开,使接触器Q2.0断开,停止2#加药机。

  图4.20加药机控制

  4.4.13消毒渠控制

  图4.21消毒渠控制

  如图4.21,当消毒渠液位达到设定液位时,输入继电器I1.6得电,常开接点闭合,输出继电器Q2.2 Q2.3和线圈得电,开启紫外线灯管和液体泵,低于液位时,输入继电器I1.6断开,常开接点复位,输出继电器Q2.2和Q2.3断开关闭设备。

  4.5采样子程序设计

  4.5.1 pH值采样

  图4.22采样pH值

  因为PH值传感器接EM231-1的A通道,采样数据存放在AIW0中,如图4.22首先将AIW0中的采样数据通过I_DI指令转换为双整形送到VD204中,然后再经过DI_R指令将VD204中的整形转换为实数存入VD200,接着经过DIV_R除法指令,将VD200中采样值除以4096送入VD200,最后用乘法指令MUL_R给VD200中的数乘以3000就可以得到精确地PH值,方便在主程序中调用。

  4.5.2粗细格栅液位差采样

  如图4.23首先将AIW6中的采样数据通过I_DI指令转换为双整形送到VD236中,然后再经过DI_R指令将VD236中的整形转换为实数存入VD232,接着经过DIV_R除法指令,将VD232中采样值除以4096送入VD232,最后用乘法指令MUL_R给VD232中的数乘以3000就可以得到精确地液位值,方便在主程序中调用。

  图4.23粗格栅栅前液位采样

  4.5.3氧化沟流速采样

  图4.24氧化沟流速采样

  氧化沟流速传感器接EM231-2的B通道,采样数据存放在AIW10中,如图4.24首先将AIW10中的采样数据通过I_DI指令转换为双整形送到VD256中,然后再经过DI_R指令将VD256中的整形转换为实数存入VD252,接着经过DIV_R除法指令,将VD252中采样值除以4096送入VD252,最后用乘法指令MUL_R给VD200中的数乘以30就可以得到精确地流速值了。

  4.5.4总氮检测

  图4.25总氮检测程序

  总氮检测传感器接EM231-2的C通道,采样数据存放在AIW12中,如图4.25首先将AIW12中的采样数据通过I_DI指令转换为双整形送到VD264中,然后再经过DI_R指令将VD264中的整形转换为实数存入VD260,接着经过DIV_R除法指令,将VD260中采样值除以4096送入VD260,最后用乘法指令MUL_R给VD260中的数乘以25就可以得到精确地氮含量值了。

  4.6仿真与调试

  由于程序较为复杂,法在实际设备上进行具体操作,所以只能运用模拟软件S7-200Smart PLC仿真软件来做简单的系统控制程序的仿真运行,所以我们只进行数字量的输入输出仿真。

  根据输入功能共有3个功能按键和13个传感器,控制整个程序的运行,由于控制运行过于繁琐,所以我们只对于提升泵房区进行简单的介绍,在提升泵房中,有三个液位继电器分别设置在提升泵房的三个液位上,低液位I0.2、中液位I0.3、高液位I0.4,当启动按钮I0.0按下后,程序开始运行,在提升泵房分区,当液位达到低液位时,低液位继电器I0.2得电闭合,1#提升泵继电器Q0.5得电闭合,开启1#提升泵;当液位达到中液位时,中液位继电器I0.3得电闭合,2#提升泵继电器Q0.6得电闭合,开启2#提升泵;当液位达到高液位时,高液位继电器I0.4得电闭合,1#提升泵继电器Q0.5失电断开,2#提升泵继电器Q0.6失电断开,停止1#提升泵和2#提升泵。