【专家解说】：业设计（论文） 1 绪 论 应用PLC 技术处理污水的背景 我国是个缺水的国家，人均水资源占有量只为世界人均水资源占有量的1/4。 而且我国的水资源在时空和地域上分布不均匀，更加重了缺水的实际情况。因此 近些年来，我国的城市水资源情况进一步紧张，许多城市严重缺水。与此同时， 水资源的污染日益严重，也因此许多城市都规划和建设了污水处理厂，来改变目 前水资源紧缺且污染的现状。 我国城市污水处理事业是在80 年代初逐步发展起来的，经过几十年的发展已 经初具规模，但是，与国外同期的城市污水处理厂相比，我国的污水处理事业则 呈现出效率低、自动化程度低、能耗高且运行费用高等缺点。 随着全球水资源供应的紧张和对自动化要求的增加，我国的污水处理厂无疑 向着高度自动化和无人职守的方向发展。目前由于PLC 在稳定性和高度自动化程 度不断加强，使PLC 成为在城市自动化污水处理方面的首选。 应用PLC 技术处理污水的意义 污水处理是能源密集(energy intensity)型的综合技术。一段时期以来,由于能 耗大、运行费用高等一系列的不便，在一定程度上阻碍了我国城市污水处理厂的 建设,建成的一些处理厂也因能耗原因处于停产和半停产状态。在今后相当长的一 段时期内,能耗问题将成为城市污水处理的瓶颈。能否解决污水厂的能耗问题，合 理进行能源分配，已成为决定污水处理厂运行效益好坏的关键因素。能耗是否较 低，也是未来新的污水处理厂可行性分析的决定性因素，开发能效较高的污水处 理技术，合理设计及运行污水处理厂，必将是未来污水处理厂设计和运行的必由 之路。 毕业设计（论文） 2 污水处理工艺流程 工艺流程图 由于城市污水是工业企业和居民生活所排放的，所以污水中含有大量的有机 物，这种污水成为生化污水。生化污水处理工艺是利用微生物的吸附、氧化和分 解作用来降解污水中有机物的含量，使其成为可以沉淀的污泥，从而使净化的水 质达到规定的标准（见图2.1）。 图2.1 工艺流程图 对工艺流程的阐述 城市污水依次经过粗格栅、进水泵房、沉砂池、初沉池、曝气池和二沉池来 实现污水的处理。其中各部分的功能如下： 供生产生活用 泥饼外运 出水排入江河 沉砂外运 污水 粗格栅 除砂机 分配井 初沉池 进 水 泵 房 细格栅 沉砂池 浓 缩 泵 房 氧化沟 二沉池 回流污泥泵 房 初 沉 泵 房 浓缩池 消化池 脱 水 泵 房 沼气罐 外部热能 毕业设计（论文） 3 1. 进水泵房用于将污水提升，粗格栅用于除掉污水中大块杂物和污物，进而 保护进水泵。 2. 沉砂池的细格栅用于除去污水中的小块杂物，吸砂桥除砂和漂浮油脂，还 有砂处理和浮砂油脂处理设备。 3. 初沉池初步除掉水中污泥，用刮泥机收集污泥至初沉池泥泵房。 4. 曝气池（氧化沟）为生化处理区，通过投放回流活性污泥搅拌和曝气供氧， 培养微生物大量繁殖，形成更多活性污泥。 5. 二沉池彻底清污水，使泥水分离。 污水中含有的污泥主要经过二沉池、回流污泥泵房、初沉池、初沉泵房、浓 缩池、消化池和脱水机房的处理。二沉池沉淀污水形成大量污泥，满足回流污泥 需要后，剩余污泥进入浓缩池，经浓缩处理的污泥经过浓缩泵房去消化池。消化 池为生化活性污泥处理区，经中温消化处理，使污泥中有机氧化分解，得到无二 次污染的稳定污泥并产生大量沼气。稳定污泥在脱水机房加高分子聚合物絮泥剂， 脱水压成泥饼。 主要设备的组成及控制方式 污水处理厂的设备均采用三级控制方式，即现场控制方式、MCC 控制方式和 微机控制方式。 表2.1 设备参量表 序列号 设备名称及参数 1 EasyView 触摸屏 2 CPU FX2N-64MR 3 FXON-3A 扩展模块 4 施耐德低压元件 5 监控操作台 6 电磁阀控制柜 目前，以 MCC 控制为基础，PLC 控制为主导的控制方式始终处于工业自动 化控制领域的主战场，为各种各样的自动化控制设备提供了非常可靠的控制应用。 其主要原因，在于它能够为自动化控制应用提供安全可靠和比较完善的解决方案， 适合于当前污水处理厂对自动化的需要。 毕业设计（论文） 4 粗格栅、细格栅、提升泵房的设备控制 粗格栅、细格栅的控制分为现场控制和远程控制两种模式。远程控制模式由 PLC 和上位机实现，它包括微机手动和微机自动，而微机自动控制方式为： （1）水位差控制方式，通过格栅机运行液位差计的测量值用来反映格栅阻塞 程度，并传输到PLC 控制器，进行分析计算。当液位差超过预设的数值，控制格 栅运行； （2）时间设置控制方式，在上位机的INTERACT 组态软件中设置格栅机运 行时间和停机时间，经PLC 控制器的程序运算指挥MCC 对格栅机进行控制。 提升泵运行控制以远程控制为主。污水处理厂有两个提升泵站，每个泵站设 有一个PLC 工作站与厂内主站联络（如图2.2）。 图2.2 主站与子站的联络图 它们距污水处理厂约4～5 公里。为实现进水提升泵的远程自动控制的安全、 可靠，水位测量和提升泵的流量测量和数据分析、传输、控制等设备是不可缺少 的，所以在进水泵房处安装了液位计，测量泵井的水位；每台提升泵的提升管安 装电磁流量计，测量每台提升泵工作的瞬时流量；两个PLC 工作站分别担负各泵 站的设备控制、设备保护、数据采样、远程数据传输等作用。根据测量值对应控 制程序，自动控制提升泵的运行组合。这样可以根据厂外来水量准确及时地调整 泵运行数量，减少设备疲劳；同时可以取消传统泵站三班倒的人力资源耗费。 1# 泵站 PLC 工作站 2# 泵站 PLC 工作站 厂 内 P L C 主 站 毕业设计（论文） 5 沉砂池、生化池、沉淀池、污泥回流泵房和鼓风机房的设备 控 制 砂搅拌器的自动运行通过进水电磁流量计控制，而抽砂泵的运行状态是由微 机对其开、停时间的设置控制的。 生化池厌氧区的搅拌器、沉淀池的吸刮泥机、污泥回流泵房的阀门和回流泵 都是由微机触发指令通过PLC 控制。 生化池好氧区的DO 计、MLSS 计、ORP 计、空气调节阀和HV-TURBO 鼓风 机是污水处理的重要设备。曝气池溶解氧的控制、厌氧段与好氧段的控制、污泥 浓度的控制是污水处理厂工艺的核心。该系统控制思路：PLC 通过对DO 的检测， 自动调节空气阀的开度；当检测到空气阀的调节不能满足DO 的需要时，再着行 调整鼓风机的出风导叶片的开度（目前各污水厂在该系统的应用都不理想，主要 问题是溶解氧的测量值滞后、不稳定及空气阀门的选型）；PLC 检测DO 计、MLSS 计、ORP 计的值传送上位机进行数据分析，实时掌握厌氧段与好氧段、污泥浓度 等状况，及时调整工艺控制。 脱水机房 脱水机房的设备主要担负由污泥提升泵将回流泵井的剩余污泥与污泥絮凝剂 按比例混合进行脱水处理的任务。污泥与溶解成一定浓度的絮凝剂混合后，污泥 中的固体颗粒被凝聚成絮团，并分离出自由水，然后被输送到带式污泥脱水机上， 经顶脱水区、重力脱水区、楔形脱水区、压滤脱水区后形成滤饼排出。设备的控 制思路是以时序的逻辑控制为主导，污泥和絮凝剂混合的比例通过污泥电磁流量 计、清水流量计和投药泵投药量实现。该系统流程控制原理图（如附录图二所示）。 脱水机系统的联动控制时序： 条件：各设备准备就绪，无故障；空压机、自动配药池工作正常。 启动：皮带输送机运转 带式脱水机运转 投药泵运转 污泥泵运转。 停机：控制顺序与启动顺序相反。 时间：根据实际的运行状况，可在PLC 中设置各设备联动间隔时间。 PLC 控制系统 污水处理厂自控系统遵循“集中管理，分散控制，数据共享”的原则，设计 选型先进，安全可靠，经济合理，并能保证系统长期稳定高效地运行。PLC 控制 毕业设计（论文） 6 系统满足污水处理厂运行管理和安全处理的要求，即生产过程自动控制和报警、 自动保护、自动操作、自动调节、提高运行效率，降低运行成本，减轻劳动强度， 对污水处理厂内各系统工艺流程中的重要参数、设备工作情况等进行计算机在线 集中实时监测，重要设备进行计算机在线集散控制，确保污水风机房（3 个站）； 脱水机房。0＃工作站～5＃工作站之间采用A1SJ71AR21 模块通过同轴电缆通讯。 1#工作站和 2#工作站与厂内主工作站的距离 4～5 公里，且无人值班，故租用电 信公司无源电话专线通过调制解调器和A1SJ71UC24 通信模块进行泵房设备控制 和数据传输。 CPU 是PLC 的核心，起神经中枢的作用，每套PLC 至少有一个CPU，它按 PLC 的系统程序赋予的功能接收并存贮用户程序和数据，用扫描的方式采集由现 场输入装置送来的状态或数据，并存入规定的寄存器中，同时，诊断电源和PLC 内部电路的工作状态和编程过程中的语法错误等。进入运行后，从用户程序存贮 器中逐条读取指令，经分析后再按指令规定的任务产生相应的控制信号，去指挥 有关的控制电路。 CPU 主要由运算器、控制器、寄存器及实现它们之间联系的数据、控制及状 态总线构成，CPU 单元还包括外围芯片、总线接口及有关电路。内存主要用于存 储程序及数据，是PLC 不可缺少的组成单元。 在使用者看来，不必要详细分析CPU 的内部电路，但对各部分的工作机制还 是应有足够的理解。CPU 的控制器控制CPU 工作，由它读取指令、解释指令及执 行指令。但工作节奏由震荡信号控制。运算器用于进行数字或逻辑运算，在控制 器指挥下工作。寄存器参与运算，并存储运算的中间结果，它也是在控制器指挥 下工作。 CPU 速度和内存容量是PLC 的重要参数，它们决定着PLC 的工作速度，IO 数量及软件容量等，因此限制着控制规模。 毕业设计（论文） 7 图2.3 全厂联络图 网络结构与上位机组态功能 某污水处理厂的自控系统由环形拓扑形式（ring topology）和星形拓扑形式 (star topology)两种总线网络形式构成。 控制操作：在中控室里采用2 台IBM90 和INTERACT 组态软件开发的工控 程序能对全厂和2 个污水提升泵站的被控设备进行控制、对各现场控制站PLC 的 参数进行设定和修改，具有良好的人机交互界面，可方便地进行图形间的切换和 各种功能的调用。设立不同的安全操作等级，针对不同的操作者，设置相应的加 密等级，记录操作员及其操作信息。 显示功能：用设计方法生成图形，实时地、集中地显示被测参数所处的变化过 程。对全厂工艺过程、工艺参数、设备状态等通过颜色的变化直观地、动态地显 示。 利用在线数据由“现场/遥控”转换控制状态， “现场”设点动按钮，用于调整和检修。 各开关柜(包括:10kV 进线柜、0.4kV 进线柜等)，由“自动/停止/手动提供了在 主LC 设计综述 设计包括厂界内预处理、生物滤池、污泥处理及附属设施需要检测和控制应 提供的仪表和有关的辅助装置等。 使用性：PLC 系统其目的在于满足污水厂生产控制和管理要求，在保证先进 的条件下，设备和系统应符合实际要求。 可靠性：污水处理厂的生产过程要求PLC 控制系统具有连续可靠性。 经济性：PLC 系统的技术含量高，设备复杂，因此，在设计时应进行技术经 济比较。 先进性：网络技术、信息技术、PLC 控制技术发展迅速。 依据某污水处理厂的设计规模和BAF 生物滤池工艺的特点，本着技术先进， 性价比高，适用可靠的原则进行设计。依据集中监测为主，分散控制为辅的基本 原则，设计采用以 PLC（可编程控制器）为基础的监测控制和数据采集系统 （SCADA）,在中央控制室利用 PC（工业级 PC）对厂内各工况进行实时监控， 并有信号报警和联锁等设施以保证生产正常运行，生产的工艺过程PLC 采用就地 独立控制。从安全生产的角度和操作人员技术掌握程度上考虑，设立三级控制层： 设备就地手动、PLC 子站现场监控和中控室远程监控。 在综合楼设立中央控制室，下设1#预处理PLC 子站，2#BAF 生物滤池PLC 子站和 3#污泥处理 PLC 子站等共 7 个现场处理子站。在中央控制室可对主要设 备实施开、停控制。同时，设备运转状态也通过通讯总线送入上位计算机，在计 算机上对全厂设备运转情况进行监控。 中央控制室还设置了以太网交换器，与厂级管理 PLC 层以太信息网络相连 接，并设置厂长办公终端、生产管理终端、化验室终端。 PLC 在污水处理中的部分运用 中央控制室 在办公楼设立中央控制室，中央控制室内设有两台21”纯平高分辨率计算机 操作站、一台数据库服务器、三台打印机、一台网络设备。两台计算机操作站互 毕业设计（论文） 10 为备用，并可安装PLC 编程软件，程序可方便地通过控制网络分别下载到指定的 现场控制站，以便在调试过程中随时修改程序。中央控制室可对整个分控式控制 系统进行系统组态管理、系统监测、实时监测、显示、处理、控制各PLC 子站的 状态、通信、数据和信息，完成报警和报表打印。在厂级管理层可以通过Internet 将结果、效益分析等发往主管局等政府机关。 主要功能： 生产工艺过程以工艺流程图方式显示，图形可以取出每幅图的局部进行放大， 便于分幅，分组组展示，流程上有相关的实时生产过程的动态参数值显示。当动 态显示值显示改变时，随之改变图形的数值。 控制网络系统 通讯控制网络系统采用可与信息系统无缝连接、可进行三阶层通信、高速可 靠通信的系统。PLC 控制系统中央控制室与现场PLC 子站之间采用最先进的控制 网络，该控制网是一种最现代化的开放网络，已成为工业PLC 领域的标准网络。 它具有灵活的结构，安装方便，支持PLC 之间及PLC 和上位机之间的自动数据链 接，也可使用信息服务进行可编程的数据传送，可得到大容量、柔性数据链接及 大容量的数据传送，对应低成本的通信系统。其通讯介质选屏蔽双绞线。通讯速 率可达2Mbps，保证数据高速确定地传输。 主要特性： 通讯方法为N:N 令牌环。 在网络两端内藏必要的终端电阻，只需作开关设定。 最大传送距离：1KM（线缆）20KM（光缆）。 最大传输率：2Mbps。 传送媒体方式：屏蔽双绞线或光缆。 最大节点数：32 或62PLC。 通过网关或PLC 可与其他控制网络、现场总线相连。 中央控制室与厂级管理层之间采用100Mdps 的以太通讯网，该网带有E-mail 功能，能向mail server 发送用户自定义信息，故障信息，状态信息等，通过网关 （以太网交换器）或PLC 可与其他控制网络、现场总线相连。 主要特性： 支持TCP/IP,UDP/IP 标准协议。 传输率：10/100Mbps。 传输协议：TCP/IP、UDP/IP、FTP。 传输距离：40KM。 毕业设计（论文） 11 传送媒体方式：单模光纤。 通过网关或PLC 可与其他控制网络、现场总线相连。 为保证在供电发生意外时，系统能有足够的反应时间进行应急处理，设计上 中央控制室和各子站均设有在线式不间断电源。 过电压保护装置能抑制出现在电力网络中的暂态浪涌电压和吸收暂态浪涌电 压能量，在保障供电连续的条件下，保障计算机、PLC 控制子站及其他主要设备 免受过电压的干扰和侵害，使用电设备安全正常运行。 现场生产过程PLC 控制系统 1. 预处理PLC 控制及检测部分 厂内1#预处理PLC 子站位于污泥脱水间控制室内。 对工艺专业要求检测的各种工艺参数，水泵、闸门、粗格栅、细格栅、排砂 装置等设备的运行状态、故障状态进行监测和控制。通过网络把信号送中央控制 室计算机操作站完成指示、记录、报表和报警打印等监控管理功能。 其主要设备有： 粗格栅、闸板，细格栅、螺旋输送机 该子站模拟量输入、输出，数字量输入、输出点数 AI:11 AO:19 DI:30 DO:22 粗格栅开、停控制 根据超声波液位差计测得的粗格栅前后水位差值自动控制回转式粗格栅的运 行，即水位差达到设定值时，自动启动格栅。当回转式粗格栅停止运行的时间超 出设定值时，系统转为时间控制，此时限为可调式设计，并设置上限报警。 PLC系统将根据软件程序自动控制螺旋输送机、回转式粗格栅机的顺序启停、 运行、停车以及安全连锁保护，格栅机停机后延时停螺旋输送机。 细格栅开、停控制 细格栅 24 小时运行，并设置上限报警。PLC 系统将根据软件程序自动控制 螺旋输送机、回转式细格栅机的顺序启停、运行、停车以及安全连锁保护，格栅 机停机后延时停螺旋输送机. 污水闸门控制 两台闸门根据液位手动或电动，其运行信号送入中控室监控，不参加控制。 2. BAF 生物滤池PLC 控制及检测部分 厂内2#BAF 生物滤池PLC 子站位于变电所低压配电室控制室内。 对工艺专业要求检测的各种工艺参数，水泵、风机反冲洗泵等设备的运行状 态、故障状态进行监测和控制。并可在中控室计算机操作站完成指示、记录、报 毕业设计（论文） 12 表和报警打印等监控管理功能。 其主要设备有： 排砂阀，排泥阀，启闭机，砂水分离器，电动进水阀，电动排水阀，电动进 气阀，电动气冲阀电动反冲洗阀，回用潜水泵，离心鼓风机。 该子站模拟量输入、输出，数字量输入、输出点数 AI:14 AO:3 DI:124 DO:134 沉砂池和沉淀池 沉砂池和沉淀池定时开/停排砂、排泥阀，砂水分离器设备控制由设备厂商自 带可设定控制系统，砂水分离器应与排砂阀联锁。 BAF 生物滤 工艺过程简述： 污水经强化预处理后进入第一级生物过滤（C/N）池，污水通过滤池进水管 进入滤池底部，填料上的微生物利用进水中的溶解氧降解BOD，同时，SS 也通过 一系列复杂的物化过程被填料及其上面的生物膜吸附截留在滤床内。流出填料层 的废水进入第二级生物过滤池的污水流程同第一级，但在第二级生物过滤池中可 根据运行情况不曝气并减少回流比以节能。经二级生物过滤处理后的污水即直接 进入接触池消毒。 第一级生物滤池按时间及水位差控制滤池的反冲洗。在该级滤池有超声波液 位计，DO 测定仪等国外仪表。第二级生物滤池按吸附与过滤方式运行。按时间 及水位差控制滤池的反冲洗。在该级滤池装有超声波液位计，SS 测定仪，DO 测 定仪等国外仪表。检测信号均送生物滤池处理PLC 子站进行监控。根据生物滤池 水位差的反锁信号控制反冲洗机组开停，根据DO 测量仪所测反锁信号控制调节 曝气风机的风量。 BAF 生物滤池按所设计时间进行周期性反冲洗，其中，第一级按每个周期16 小时，第二级按每个周期36 小时进行反冲洗。或者在一个周期内，如果水头损失 达到所设反冲设定值时，优先进入反冲洗程序反冲洗周期设定值根据水质情况在 反冲洗程序中为可调值。BAF 生物滤池根据其优先顺序逐台启动滤池的反冲洗。 一、 二级曝气生物滤池控制过程： 反冲洗阶段 根据时间设定为周期性反冲洗。 根据超声波液位计所测水位值确定反冲洗过程。 当水位下降到所设定值时，停止进水阀，开启反洗水出水阀。 待滤池液位再次下降到设定反洗液位值时，先开启反洗鼓风机，后开启反洗 风阀进行气冲洗。气洗数分钟后，关闭反洗气阀，关闭反洗鼓风机，气冲洗结束。 毕业设计（论文） 13 气冲洗结束，进入水冲洗阶段。先开启反冲洗水泵，后开启反洗管路阀门洗数分 钟后，水冲洗结束。当水冲洗结束后，继续开启反冲洗鼓风机，再开启反冲洗风 阀，进入气、水混合冲洗阶段。气、水混合反洗数分钟后，关闭反洗风阀，关闭 反洗鼓风机；关闭反洗水阀，关闭反洗水泵。至此，反冲洗过程全部结束。 当反冲洗阶段结束后，先开启进水阀，后开启曝气鼓风机，再开启曝气风阀， 最后关闭反冲洗水出水阀。进入正常曝气阶段。 强制反洗 若反洗效果不佳，说明滤路可能出现堵塞，此时，关闭进水阀，开启反冲洗 出水阀，开启强制反冲洗泵和强制反冲洗阀门，进行强制反冲洗，其过程按反冲 过程运行如下图3.1 所示。 图3.1 反冲图 3. 污泥脱水PLC 控制及检测部分 厂内3#污泥PLC 子站位于污泥脱水间控制室内。 对于工艺专业要求检测的各种工艺参数，水泵、加药设备、离心脱水机等设 备的运行状态、故障状态进行监测和控制。通过网络把信号送中央控制室计算机 操作站完成指示、记录、报表和报警打印等监控管理功能。 其主要设备有： 离心脱水机，污泥进料泵，冲洗水泵，皮带输送机，无轴螺旋输送机，隔膜 计量泵，搅拌机。 该子站模拟量输入、输出，数字量输入、输出点数 AI:4 AO:3 DI:30 DO:24 污泥脱水系统 污泥脱水系统为成套设备（包括污泥进料泵、加药泵、离心脱水机），自带 污泥脱水机房 污泥池 出水 鼓风机 泵 格 栅 集 水 井 1#反应池 2#反应池 3#反应池 毕业设计（论文） 14 现场控制柜。该系统运行、故障信号送入PLC 显示，根据储泥池液位，PLC 给出 设备的开、停命令，运行中设备根据自带的控制程序动作，给料机组机开/停与离 心脱水机。 脱水后污泥螺旋输送机和皮带输送机与离心脱水机联锁，先开启螺旋输送机 和皮带输送机，再开启离心脱水机，最后开启污泥泵，停运时，先停污泥泵，再 停离心脱水机，最后停螺旋输送机和皮带输送机。 厂级管理PLC 系统 为了及时地对来自污水处理现场的生产信息进行收集、储存、分析和加工处 理，以便工厂查领导层对生产管理的准确决策，设计中考虑了厂级管理终端。 该系统主要功能： 生产过程的全面查询，包括各种进、出厂水流量，各中能耗等。 生产过程分析报告、报表和图形。 设备资料数据库和设备运行管理数据库。 化验所需要的参数。 建立与外部 Internet 向连接，便于发布信息和从外部获取信息，建立现代企 业形象。 附录图3 为PLC 设计简图。 PLC 设备及仪表选型 为了保证监控管理控制系统的正常运行，PLC 监控系统选用SIEMENS 的S7 —400 系列产品。现场PLC 控制子站是直接监视和控制若干工艺生产过程所的单 元，其主要设备是： SIEMENS 的S7—400 系列PLC 可编程控制器。 PLC 性能特点： CPU 指示 高速RISC 的CPU I/O 点数为5120 点以上 数据内存容量：64K 字 电源电压范围：85～132VAC 或170～264VAC 基本指令处理速度：≤0.04ms/k 特殊指令处理速度：≤0.12ms/k I/O 模块指令
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