畢業(yè)設(shè)計---基于plc的工業(yè)污水處理控制系統(tǒng)的設(shè)計

1、<p>　　基于PLC的工業(yè)污水處理控制系統(tǒng)的設(shè)計</p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　目前，我國大多數(shù)污水處理控制系統(tǒng)自動化水平不高、安全性低、管理不當(dāng)，效率普遍低于世界標(biāo)準(zhǔn)。污水處理系統(tǒng)中的曝氣過程控制、數(shù)據(jù)通訊和監(jiān)控管理是急需解決的主要問題。中國污水處理自控系統(tǒng)相對落后，污水處理成本居高不下，污水廠排放的處理過的污水的水質(zhì)不

2、穩(wěn)定，所以如何建立有效的自控系統(tǒng)，優(yōu)化運行效果，減少運行費用，具有重要意義。</p><p>　　本文介紹了工廠污水處理的基本工藝和流程，并通過研究設(shè)計一套基于PLC控制的污水處理系統(tǒng)。文章首先介紹了基于PLC污水處理控制系統(tǒng)的工藝及相關(guān)流程，控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)及設(shè)計、工作原理以及設(shè)計PLC控制系統(tǒng)的基本原則和步驟，來說明PLC在污水處理過程中的應(yīng)用。先根據(jù)污水處理要求設(shè)計了設(shè)備的電器控制與自動控制線路，主要包括設(shè)

3、備的啟停、狀態(tài)信號故障信號、和信號采集等，最后按照工藝要求設(shè)計PLC控制系統(tǒng)，其中包括PLC的選型、系統(tǒng)資源配置以及按照污水處理工藝編制PLC程序。</p><p>　　關(guān)鍵詞：污水處理，PLC，工藝流程 </p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　1 緒 論1</b></p>

4、<p>　　1.1工業(yè)污水處理的國內(nèi)外現(xiàn)狀1</p><p>　　1.2課題的背景2</p><p>　　1.3研究目的和意義3</p><p>　　1.4課題主要設(shè)計的內(nèi)容3</p><p>　　2 工業(yè)污水處理控制系統(tǒng)總體介紹4</p><p>　　2.1工業(yè)污水處理基本概念4</p

5、><p>　　2.2 常用的工業(yè)污水處理工藝4</p><p>　　2.3工業(yè)污水處理系統(tǒng)控制形式7</p><p>　　2.4 工業(yè)污水處理系統(tǒng)的功能要求8</p><p>　　3 硬件系統(tǒng)配置10</p><p>　　3.1主要組成部分10</p><p>　　3.2電氣控制系統(tǒng)11

6、</p><p>　　3.3工業(yè)污水處理系統(tǒng)的工作原理12</p><p>　　3.4 PLC選型14</p><p>　　3.5 PLC的I/O資源配置14</p><p>　　3.6其他資源配置17</p><p>　　4 軟件系統(tǒng)設(shè)計23</p><p>　　4.1總體流程設(shè)計

7、23</p><p>　　4.2曝氣過程控制的任務(wù)31</p><p>　　4.3氯氣投加環(huán)節(jié)32</p><p>　　4.4絮凝劑投加環(huán)33</p><p>　　4.5 PID控制33</p><p>　　4.6 PLC和變頻器通訊34</p><p>　　5 調(diào)試和運行結(jié)果35&

8、lt;/p><p>　　5.1硬件系統(tǒng)的調(diào)試35</p><p>　　5.2軟件系統(tǒng)的調(diào)試35</p><p>　　5.3運行結(jié)果36</p><p><b>　　結(jié) 論37</b></p><p><b>　　參考文獻38</b></p><p&g

9、t;<b>　　致 謝39</b></p><p><b>　　1 緒 論</b></p><p>　　水與人的生活息息相關(guān)，特別在現(xiàn)代社會生活及生產(chǎn)中人們對水的需求量與日俱增。然而，水資源是有限的。據(jù)報道我國人均擁有淡水量為2400噸，為世界平均值的1/4，在全球149個國家（參與統(tǒng)計國家中），我國人均淡水資源位居110位，屬于淡水資源貧乏的

10、國家。而且我國水資源時空分布極不均衡，全國500多個城市缺水，其中多個嚴(yán)重缺水，北方地區(qū)缺水現(xiàn)象尤其嚴(yán)重，人均擁有淡水量僅有240噸。令人擔(dān)憂的是淡水總量日益減少，用水成本不斷升高，淡水的浪費非常嚴(yán)重。我國北方地區(qū)水資源的超采，己形成漏斗地勢、水位下降、湖泊干涸、河水?dāng)嗔?、生態(tài)惡化。淡水資源的短缺己經(jīng)成為我國急需解決的問題。</p><p>　　我國淡水資源不斷減少，而且污染現(xiàn)象較為嚴(yán)重。隨著社會的發(fā)展，水資源已

11、經(jīng)成為影響工業(yè)發(fā)展的重要因素，現(xiàn)代工業(yè)中生產(chǎn)工藝和設(shè)備對水質(zhì)要求越來越高。但是我國工業(yè)用水耗費高，重復(fù)利用水少，中水使用率不高，有關(guān)資料顯示，我國的工業(yè)用水重復(fù)利用率平均為40%~50%。目前全國城市污廢水的處理率（達排放標(biāo)準(zhǔn)的）僅有10%左右，其余的污廢水都直接排入河川、湖泊、海洋。耗水量高、重復(fù)利用率低、污染嚴(yán)重是我國工業(yè)系統(tǒng)水資源利用的突出問題。嚴(yán)重的環(huán)境污染使有限的水資源日益減少、水質(zhì)日益惡化，無疑是“雪上加霜”。據(jù)統(tǒng)計，由于水

12、質(zhì)污染，我國已有大約3億人的飲水發(fā)生不安全現(xiàn)象，其中1.9億人的飲水是超標(biāo)水。氣象學(xué)家預(yù)測，2100年全球變暖加劇，地表將有1/3的面積變?yōu)樯衬?，那時，干旱將威脅全球一半的大陸人類的生存。這些現(xiàn)象都是水污染產(chǎn)生的嚴(yán)重后果，因此工業(yè)污水處理項目的實施已經(jīng)刻不容緩。眾多跡象表面，水資源的短缺無疑將成為制約經(jīng)濟持續(xù)協(xié)調(diào)發(fā)展的瓶頸，因此世界各國越來越重視水處理和水的再利用，通過各種技術(shù)進一步提高供水質(zhì)量，提高經(jīng)濟效益。并且工業(yè)污水處理過程中，經(jīng)

13、過厭氧和好氧處理，污水中的熱量、沼氣等再生能源可以為</p><p>　　1.1工業(yè)污水處理的國內(nèi)外現(xiàn)狀</p><p>　　我國工業(yè)污水處理技術(shù)從“七五”國家科技攻關(guān)開始逐步進行研究?！捌呶濉焙汀鞍宋濉惫リP(guān)項目在氧化塘、土地處理和復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)等自然處理技術(shù)方面的研究較多，以這些成果為設(shè)計依據(jù)，建立了一些氧化塘、土地處理等污水示范工程。在人工處理技術(shù)方面，“八五”對高負(fù)荷活性污泥、高負(fù)荷生

14、物膜、一體化氧化溝技術(shù)進行了深入研究。研究成果己被應(yīng)用于大批工業(yè)污水處理廠。污水廠污泥處置問題在“九五”科技攻關(guān)中受到重視，并配套開發(fā)成套的污泥處理。經(jīng)過“七五”、“八五”和“九五”期間的努力，我國在工業(yè)污水處理技術(shù)方面取得了較大的成就。目前在水污染治理技術(shù)上，我國已能提供下列工藝技術(shù)傳統(tǒng)活性污泥法技術(shù)、各種新型活性污泥工藝如：SBR法和氧化溝技術(shù)等、酸化水解好氧技術(shù)和多種類型的穩(wěn)定塘技術(shù)等，這些污水治理技術(shù)已經(jīng)在水體污染、改善水體環(huán)境

15、方面發(fā)揮了突出的作用，標(biāo)志著我國工業(yè)污水處理事業(yè)發(fā)展到了一個嶄新的階段?，F(xiàn)階段，我國工業(yè)污水處理的工作重點已經(jīng)從工藝技術(shù)的研究轉(zhuǎn)移到具體項目的實施。</p><p>　　國際上，大規(guī)模的水污染治理是在第二次世界大戰(zhàn)后，隨著50年代經(jīng)濟的蓬勃發(fā)展帶來的60年代日益嚴(yán)重性的環(huán)境污染而展開的。工業(yè)污水處理設(shè)施中，城市排水管線和工業(yè)污水處理廠的興建和運行在水污染控制中發(fā)揮著骨干作用。至70年代末，美國投入了數(shù)千億美元興建

16、了18000余座城市工業(yè)污水處理廠，英國、法國、德國更耗費了巨額資金興建了7000至8000座城市工業(yè)污水處理廠。這些工業(yè)污水處理廠的投入對國家的水體污染改善起了關(guān)鍵的作用，也為人類治理水污染積累了豐富的經(jīng)驗。現(xiàn)在，這些國家的工業(yè)污水處理水平又有了進一步提高，興建了一批具有脫氮除磷功效的設(shè)施，對水體質(zhì)量改善和水環(huán)境保護起了重大的作用。</p><p><b>　　1.2課題的背景</b>&l

17、t;/p><p>　　未來10年，中國工業(yè)污水處理項目工程建設(shè)投資將超過2500億元，其中工業(yè)污水處理設(shè)備投入約300億元。采用先進、實用的技術(shù)改造傳統(tǒng)工藝，在環(huán)保工程中廣泛采用先進的自動控制技術(shù)，是推動環(huán)保產(chǎn)業(yè)升級，實現(xiàn)環(huán)保發(fā)展戰(zhàn)略的重要環(huán)節(jié)。在這種形勢下工業(yè)污水處理自動化控制系統(tǒng)無疑是一個具有巨大的社會效益、環(huán)境效益及經(jīng)濟效益的研究課題。</p><p>　　對于環(huán)境保護問題，國務(wù)院明確規(guī)

18、定所有工業(yè)污染源都必須達到排放標(biāo)。其中處理過的污水還可以循環(huán)再利用，由于我國是一個水資源匱乏的國家，而且時空分布上極不均勻，許多地區(qū)和城市嚴(yán)重缺水。所以水資源也是一種保護。因此，從環(huán)保、注水等多方面的因素考慮，對于工業(yè)污水處理非常有必要。因此，有效的結(jié)合目前最新的工藝狀況、計量自控檢測儀表使用、PLC 控制系統(tǒng)技術(shù)，將為當(dāng)前工業(yè)污水處理控制系統(tǒng)提供有效的自控方法。</p><p>　　1.3研究目的和意義<

19、/p><p>　　世界任何國家的經(jīng)濟發(fā)展，都會推進社會進步、促進工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)能力，使人民生活得到進一步改善，但是也隨之帶來不同程度的環(huán)境污染，污水也是造成環(huán)境污染的來源之一。這個污染源的出現(xiàn)引起了世界各國政府的關(guān)注，治理水污染環(huán)境的課題被列入世界環(huán)保組織的工作日程。我國是一個嚴(yán)重缺水的國家，雖然我國年平均水資源總最為28000 億m2，居世界第6 位，人均水資源量為2220m2，居世界第110 位，已經(jīng)被聯(lián)合國列為世界

20、上13個缺水國家之一。目前我國約300個城市缺水，其中嚴(yán)重缺水城市有5O個。據(jù)中國經(jīng)濟信息網(wǎng)分析統(tǒng)計，全國按目前正常需要，年缺水總里約為300 億～400 億立方米，因缺水造成的經(jīng)濟損失每年達2300 億。超過洪澇災(zāi)害。水資溝的匱乏和水資源的污染，己經(jīng)嚴(yán)重的影響了人民的日常生活，嚴(yán)重的影響了我國的經(jīng)濟建設(shè)和發(fā)展。因此建設(shè)符合我國國情的污水廠自動控制系統(tǒng)對降低工業(yè)污水處理成本、改善環(huán)境、建立可持續(xù)發(fā)展社會和和諧社會、保持我國經(jīng)濟高速發(fā)展具

21、有重要意義。</p><p>　　1.4課題主要設(shè)計的內(nèi)容</p><p>　　本課題主要設(shè)計的內(nèi)容是工業(yè)工業(yè)污水處理工藝及工業(yè)污水處理系統(tǒng)的組成和PLC控制系統(tǒng)設(shè)計,主要由以下內(nèi)容組成：</p><p>　?。?）介紹了工業(yè)污水處理的基本內(nèi)容，包括工業(yè)污水處理的發(fā)展現(xiàn)狀以及工業(yè)污水處理的工藝流程；</p><p>　?。?）介紹了PLC的基

22、本結(jié)構(gòu)和工作原理，并對工業(yè)污水處理控制系統(tǒng)進行設(shè)計分析；</p><p>　　（3）具體分析設(shè)計工業(yè)污水處理的硬件系統(tǒng)；</p><p>　?。?）具體分析設(shè)計工業(yè)污水處理的軟件系統(tǒng)；</p><p>　?。?）工業(yè)污水處理系統(tǒng)的調(diào)試與運行。</p><p>　　2 工業(yè)污水處理控制系統(tǒng)總體介紹</p><p>　　2

23、.1工業(yè)污水處理基本概念</p><p>　　城市污水、生活污水、生產(chǎn)污水或經(jīng)過工業(yè)企業(yè)局部處理后的生產(chǎn)污水，往往都排入排水系統(tǒng)。這些污水除含有碳水化合物、蛋白質(zhì)、氨基酸、動植物脂肪、尿素、氨、肥皂和合成洗滌劑等物質(zhì)外，還含有細菌、病毒等使人致病的微生物。經(jīng)處理后的污水，最后出路有三種：①排放水體；②灌溉田地；③重復(fù)使用。</p><p>　　污水污染物可根據(jù)化學(xué)性質(zhì)和物理形態(tài)進行不同的分

24、類。按化學(xué)性質(zhì)，污水中的污染物質(zhì)可分為無機性物質(zhì)和有機性物質(zhì)，其化學(xué)元素以炭、氮、磷為主。按物理形態(tài)，污水中的污染物質(zhì)可分為固體懸浮物即呈顆粒狀的污染物質(zhì)、膠體污染物質(zhì)和溶解性污染物質(zhì)。</p><p>　　好氧有機污染物的性質(zhì)穩(wěn)定，在微生物的作用下，借助微生物的新陳代謝功能而降解為無機物，如二氧化碳、水、硝酸根離子等穩(wěn)定的無機物。有機物的種類很多，其共性是在微生物的作用下被降解時，都要消耗水中的溶解氧，所以在工

25、程實際中，采用以下的幾個綜合污染指標(biāo)來表述：生物化學(xué)需氧量或生化需氧量（Bio-chemical Oxygen Demand, BOD）mg/L、化學(xué)需氧量(Chemical Oxygen Demand, COD) mg/L、總有機碳(Total Organic Carbon) mg/L、總需氧量(Total Oxygen Demand) mg/L。</p><p>　　雖然BOD20。能較精確地描述污水的生化需

26、氧量，但其測定的時間太長，需20天?？紤]到好氧分解速率一般在開始的幾天最快，在20℃溫度下，污水五日生化需氧量(BOD5)，約占BOD20的70%～80%，因此把BOD5作為衡量污染水的有機物濃度指標(biāo)?；瘜W(xué)需氧量(COD)的特點是能夠精確的表示污水中有機物的含量，并且測定時間短，但它不能像BOD那樣表示出微生物氧化的有機物量。</p><p>　　2.2 常用的工業(yè)污水處理工藝</p><p&

27、gt;　　不同的工業(yè)污水處理對象，不同的工業(yè)污水處理環(huán)境，將需要有不同的工業(yè)污水處理工藝來處理。因此，在選擇工業(yè)污水處理工藝的時候必需要認(rèn)真考慮當(dāng)?shù)匚鬯那闆r，以及實際的工業(yè)污水處理的環(huán)境。</p><p>　　工業(yè)污水處理的方法主要有物理、化學(xué)、物理化學(xué)，以及生物等幾種。這些方法根據(jù)實際情況，可以單一使用，也可以針對不同的污水混合使用。目前，工業(yè)污水處理的方法一般以生物處理法為主，輔以物理處理法和化學(xué)處理法。常

28、用的工業(yè)污水處理工藝有以下幾種。</p><p>　?。?）傳統(tǒng)活性污泥法。傳統(tǒng)活性污泥處理法是一種最古老的工業(yè)污水處理工藝，其工業(yè)污水處理的關(guān)鍵組成部分為沼氣池與沉淀池，主要處理部分關(guān)系框圖如圖2-1所示。</p><p>　　圖2-1傳統(tǒng)活性污泥法工藝流程圖</p><p>　　污水中的有機物在曝氣池停留的過程中，曝氣池中的微生物吸附污水中的大部分有機物，并且在

29、曝氣池中被氧化成無機物，然后在沉淀池中經(jīng)過沉淀后的部分活性泥需要回流到曝氣池中。該工藝的優(yōu)點有：有機物去除率高，污泥負(fù)荷高，池的容積小，耗電省，運行成本低。該工藝的缺點有：普通曝氣池占地多，建設(shè)投資大，滿足國家標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)指標(biāo)范圍小、易產(chǎn)生污泥膨脹現(xiàn)象，磷和氮的去除率低。</p><p>　?。?）A/O法。A/O法是在傳統(tǒng)活性污泥法的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種工業(yè)污水處理工藝，其中A代表Anoxic（缺氧的），O代表Ox

30、ic（好氧的）。A/O法是一種缺氧----好氧生物工業(yè)污水處理工藝。該工藝通過增加好氧池與缺氧池所形成的硝化----反硝化反應(yīng)系統(tǒng)，很好的處理了污水中的氮含量，具有明顯的脫氮效果。但是此硝化----反硝化反應(yīng)系統(tǒng)需要得到很好的控制，這樣就對該工藝提出了更高的管理要求，這也成為了該工藝的一大缺點。其工藝流程圖如下：</p><p>　　圖2-2 A/O法工藝流程圖</p><p>　?。?）

31、A2/O法。A2/O法也是在傳統(tǒng)活性污泥法的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種工業(yè)污水處理工藝，其中A2，即A-A，前一個A代表Anaerobic（厭氧的），后一個A代表Anoxic（缺氧的）；O代表（好氧的）。A2/O是一種厭氧—缺氧—好氧工業(yè)污水處理工藝。A2O法的除磷脫氮效果非常好，非常適合用于對除磷脫氮有要求的工業(yè)污水處理。因此，在對除磷脫氮有特別要求的城市工業(yè)污水處理廠，一般首選A2/O工藝。其工藝流程圖如圖2.3所示。</p>

32、<p>　　圖2-3 A2/O法工藝流程圖</p><p>　　（4）A/B法。A/B法是吸附生物降解法的簡稱，該工藝沒有初沉淀，將曝氣池分為高低負(fù)荷兩段，并分別有獨立的沉淀和污泥回流系統(tǒng)。高負(fù)荷段停留時間約為20~40min，以生物絮凝吸附作用為主，同時發(fā)生不完全氧化反應(yīng)，去除BOD達50%以上。B段與常規(guī)活性污泥法相識，負(fù)荷較低。AB法中A段效率很高，并有較強的緩沖能力。B段起到出水把關(guān)作用，

33、處理穩(wěn)定性較好。對于高濃度的工業(yè)污水處理，AB法具有很好的適用性，并有較高的節(jié)能效益。尤其在采用污泥消化和沼氣利用工藝時，優(yōu)勢最為明顯。但是，AB法污泥產(chǎn)量較大，A段污泥有機物含量極高，因此必須添加污泥后續(xù)穩(wěn)定化處理，這樣就將增加一定的投資和費用。另外，由于A段去除了較多的BOD，造成了碳源不足，難以實現(xiàn)脫氮工藝的要求。對于污水濃度低 的場合，B段也比較困難，也難以發(fā)揮優(yōu)勢。</p><p>　　總體而言，AB法

34、工藝較適合于污水濃度高，具有污泥消化等后續(xù)處理設(shè)施的大中規(guī)模的城市工業(yè)污水處理廠，且有明顯的節(jié)能效果，而對于有脫氮要求的城市工業(yè)污水處理廠，一般不宜采用。</p><p>　?。?）SBR法。SBR法是歇式活性污泥法的簡稱，是一種按照一定的時間順序間歇式操作的污水生物處理技術(shù)，也是一種按間歇曝氣方式來運行的活性污泥工業(yè)污水處理技術(shù)，又稱序批式活性污泥法。其反應(yīng)機理及去除污染物的機理與傳統(tǒng)的活性污泥法基本相同，只是

35、運行操作方式不盡相同。SBR法與傳統(tǒng)的水處理工藝的最大區(qū)別在于它是以時間順序來分割流程各單元，以時間分割操作代替空間分割操作，非穩(wěn)態(tài)生化反應(yīng)代替生化反應(yīng)，靜置理想沉淀代替動態(tài)沉淀等。整個過程對于單個操作單元而言是間歇進行的，但是通過多個單元組合調(diào)度后又是連續(xù)的，在運行上實現(xiàn)了有序和間歇操作相結(jié)合。</p><p>　　2.3本設(shè)計系統(tǒng)工業(yè)污水處理工藝及描述：</p><p>　　本工業(yè)污水

36、處理工藝流程圖如下圖2-4所示：</p><p>　　圖2-4 工藝流程圖</p><p>　　污水由進水系統(tǒng)通過粗格柵和清污機進行初步排除大塊雜質(zhì)物體，到達除砂池中。在除砂池系統(tǒng)中細格柵和轉(zhuǎn)鼓清污機進一步凈化污水中的細小顆粒物體，將污水中的細小沙粒濾除后進入氧化溝反應(yīng)池。在該氧化溝系統(tǒng)中進行生化處理，分解污水中的有害物質(zhì)，此環(huán)節(jié)用到一些化學(xué)藥劑來加強處理效果，如復(fù)合堿、氯氣、油絮凝劑等。

37、對污水進行除油、消毒、調(diào)整PH值。同時在該系統(tǒng)中設(shè)置有溶解氧儀超聲波檢測器，通過它對污水中的含氧量進行檢測，根據(jù)其反饋到PLC的值來控制曝氣機變頻器的運行，改變污水中溶解氧的含量。潛水?dāng)嚢铏C的作用是推進水流，使氧化溝的污水和活性污泥處于劇烈攪拌充分混合接觸，使生化反應(yīng)更加充分，以最大程度地分解污水中的有害成分。經(jīng)處理的污水進入沉淀池中，在刮泥機的作用下進行物理沉淀，為了加強沉淀效果，同時加入混凝劑和絮凝劑利用高分子助凝劑的強烈吸附架橋作

38、用更加容易沉降。污水經(jīng)沉淀池處理最后到達脫水環(huán)節(jié)，離心式脫水機作用下進行脫水處理后排出清水。</p><p>　　2.3工業(yè)污水處理系統(tǒng)控制形式</p><p>　　早期的控制系統(tǒng)多采用繼電器——接觸器控制系統(tǒng)，但隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展，控制要求的不斷提高，該類控制方法已不能滿足現(xiàn)代工業(yè)污水處理系統(tǒng)的控制要求，因此已逐漸被淘汰，取而代之的是DCS、現(xiàn)場總線控制、PLC等控制方。</p

39、><p>　?。?）DCS系統(tǒng)。DCS是集散控制系統(tǒng)的簡稱，又稱為分布式計算機控制系統(tǒng)，是由計算機技術(shù)、信號處理技術(shù)、測量控制技術(shù)、通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等相互滲透形成的。由計算機和現(xiàn)場終端組成，通過網(wǎng)絡(luò)將現(xiàn)場控制站、檢測站和操作站、控制站等連接起來，完成分散控制和集中操作、管理的功能，主要是用于各類生產(chǎn)過程，可提高生產(chǎn)自動化水平和管理水平，其主要特點如下：采用分級分布式控制，減少了系統(tǒng)的信息傳輸量，使系統(tǒng)應(yīng)用程序比較簡單。實

40、現(xiàn)了真正的分散控制，使系統(tǒng)的危險性分散，可靠性提高。擴展能力較強。軟硬件資源豐富，可適應(yīng)各種要求。實時性好，響應(yīng)快。</p><p>　?。?）現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)?，F(xiàn)場總線控制系統(tǒng)是由DCS和PLC發(fā)展而來的，是基于現(xiàn)場總線的自動控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)按照公開、規(guī)范的通信協(xié)議在智能設(shè)備之間，以及智能設(shè)備與計算機之間進行數(shù)據(jù)傳輸和交換，從而實現(xiàn)控制與管理一體化的自動控制系統(tǒng)，其優(yōu)點：可以用計算機豐富的軟件、硬件資源。響應(yīng)快

41、，實時性好。通信協(xié)議公開，不同產(chǎn)品可互連。</p><p>　?。?）PLC系統(tǒng)。PLC是可編程邏輯控制器的簡稱，用它作為處理系統(tǒng)的控制器，實現(xiàn)控制系統(tǒng)的功能要求，也可利用計算機作為其上位機，通過網(wǎng)絡(luò)連接PLC，對生產(chǎn)過程進行實時監(jiān)控，其特點如下：編程方便，開發(fā)周期短，維護容易。通用性強，使用方便?？刂乒δ軓?。模塊化結(jié)構(gòu)，擴展能力強。</p><p>　　2.4 工業(yè)污水處理系統(tǒng)的功能要求

42、</p><p>　　工業(yè)污水處理系統(tǒng)的主要功能是完成對城市污水的凈化的作用，將城市中排除的污水通過該系統(tǒng)處理后，輸出符合國家標(biāo)準(zhǔn)的水質(zhì)。長期以來，工業(yè)污水處理技術(shù)雖然經(jīng)過了迅速發(fā)展，但仍滯后于城市發(fā)展的需要，工業(yè)污水處理率低、設(shè)備運轉(zhuǎn)率低等極大地影響了城市發(fā)展。為實現(xiàn)工業(yè)污水處理技術(shù)的簡易、高效、低能耗的功能， 并且實現(xiàn)自動化的控制過程，采用PLC作為核心控制器是個較好的方案。</p><p

43、>　　PLC作為工業(yè)污水處理系統(tǒng)的控制系統(tǒng)使得設(shè)計過程變得更加簡單，可實現(xiàn)的功能變得更多。與各類人機界面的通信可完成PLC控制系統(tǒng)的監(jiān)視，同時使用戶可通過操作界面功能控制PLC系統(tǒng)。由于PLC的CPU強大的網(wǎng)絡(luò)通信能力，使得工業(yè)污水處理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸與通信變得可能，并且也可實現(xiàn)其遠程監(jiān)控。</p><p>　　利用PLC作為控制器的工業(yè)污水處理系統(tǒng)主要涉及兩個方面：一是信號輸入；二是控制輸出信號。</

44、p><p><b>　　2.4.1信號輸入</b></p><p>　　工業(yè)污水處理系統(tǒng)信號輸入檢測方面主要涉及四類信號的監(jiān)測，主要包括：按鈕的輸入檢測、液位差的輸入檢測、液位高低的輸入檢測，以及曝氣池中含氧量的輸入檢測。</p><p>　　（1）按鈕輸入檢測。大多數(shù)為人工方式控制的輸入檢測，主要有自動按鈕、手動按鈕、格柵機啟動按鈕、清污機啟動按

45、鈕、潛水泵啟動按鈕、潛水?dāng)嚢铏C啟動按鈕、污泥回流泵按鈕、曝氣機工頻、變頻按鈕，以及變頻加速減速按鈕等。</p><p>　?。?）液位差輸入檢測。檢測粗細格柵兩側(cè)液位差，用來控制清污機的啟動與停止。</p><p>　?。?）液位高低輸入檢測。檢測進水泵房和污泥回流泵房中液位的高低，用來控制潛水泵或污泥回流泵的啟動和停止，以及投入運行的潛水泵的數(shù)量。</p><p>

46、;　?。?）含氧量輸入檢測。以上三種都為數(shù)字量輸入，該輸入為模擬量輸入。曝氣過程是工業(yè)污水處理系統(tǒng)中最重要的環(huán)節(jié)，為了保證微生物所需要的氧氣，必須檢測污水中的含氧量，并通過曝氣機增加或減少其含氧量。通過將溶解氧儀設(shè)置在適當(dāng)位置上，將檢測值反饋到PLC中，通過運算輸出控制曝氣機的轉(zhuǎn)速信號。當(dāng)溶解氧值偏低時，降低了微生物分解的效果，延長了處理時間，嚴(yán)重時甚至導(dǎo)致處理失效，因此需要增加曝氣機轉(zhuǎn)速以增加供氧量；當(dāng)溶解氧值偏高時，導(dǎo)致微生物過氧化

47、，降低了其活性，也不利于處理，因此減小曝氣機轉(zhuǎn)速以減少供氧量，最終使污水中的溶解氧保持在一定的范圍內(nèi)。</p><p>　　2.4.2控制輸出信號</p><p>　　信號輸出部分主要包括兩個方面：一個是數(shù)字量輸出，即各類設(shè)備的接觸器；另外一個是模擬量輸出，用來控制曝氣機變頻器。</p><p>　?。?）數(shù)字量輸出。控制各類設(shè)備的啟動和停止，包括：格柵機啟停、清污

48、機啟停、潛水泵啟停、潛水?dāng)嚢杵鲉⑼！⑽勰嗷亓鞅玫仍O(shè)備。</p><p>　?。?）模擬量輸出通過PLC中PID運算后的數(shù)據(jù)，通過其功能模塊輸出控制信號，該控制信號輸入到變頻器的控制端子上，改變變頻器的輸出頻率，從而控制曝氣機的轉(zhuǎn)速，最后達到控制污水中含氧量的要求。</p><p><b>　　3 硬件系統(tǒng)配置</b></p><p>　　氧化溝

49、是工業(yè)污水處理系統(tǒng)中的重要環(huán)節(jié)，其結(jié)構(gòu)的不同形成了不同的氧化方法例如，奧貝爾、卡魯賽爾和一體化氧化溝法，對于不同的結(jié)構(gòu)，其配套的設(shè)備也有較大的不同，所以其結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，不同的結(jié)構(gòu)對應(yīng)不同的控制系統(tǒng)，因此需要根據(jù)不同的結(jié)構(gòu)特點設(shè)計相應(yīng)的控制系統(tǒng)。</p><p><b>　　3.1主要組成部分</b></p><p>　　工業(yè)污水處理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，設(shè)備較多，在氧化

50、溝中其控制過程及原理大致相同，都是通過控制曝氣機的轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)污水中的含氧量，其基本組成如圖3-1所示。</p><p>　　圖4-1工業(yè)污水處理系統(tǒng)基本組成示意圖</p><p>　　(1）進水系統(tǒng)。進水系統(tǒng)主要有進水管道和進水泵房組成，進水管道主要由粗格柵機和清污機組成，進水泵房主要有兩臺潛水泵組成。進水管道的主要功能是將污水中的大塊物體排除，其中的粗格柵是根據(jù)程序設(shè)定的時間進行間歇工作

51、，而清污機的運行和停止是根據(jù)粗格柵兩側(cè)的液位差來決定的，當(dāng)液位差超過某個值時，啟動清污機；當(dāng)液位差小于某個值時停止清污機的運行。進水泵房中的潛水泵運行及停止是通過安裝在泵房內(nèi)的液位傳感器來決定的，當(dāng)液位較低時只啟動一臺潛水泵，當(dāng)液位較高時啟動兩臺潛水泵，若液位持續(xù)升高時，則輸出報警以示意有故障發(fā)生。 (2）除砂系統(tǒng)。除砂系統(tǒng)主要由細格柵系統(tǒng)和沉砂池組成，細格柵系統(tǒng)是由細格柵機和轉(zhuǎn)鼓清污機組成，沉砂池的主要設(shè)備是分離機。細格柵系統(tǒng)

52、的主要功能是進一步凈化污水中的顆粒物體，將污水中細小的沙粒濾除，其中的細格柵機是根據(jù)程序設(shè)定時間進行間歇工作，而轉(zhuǎn)鼓清污機的運行和停止則根據(jù)細格柵兩側(cè)的液位差來決定，當(dāng)液位差超過某個值時，啟動清污機；當(dāng)液位差小于某個值時停止清污機的運行，這和粗格柵系統(tǒng)的運行方式一致。沉砂池中分離機的運行和后續(xù)處理中的轉(zhuǎn)碟曝氣機的運行同步，即啟動轉(zhuǎn)碟曝氣機的時候同時啟</p><p>　　(3）氧化溝系統(tǒng)。氧化溝系統(tǒng)由氧化溝和污泥

53、回流系統(tǒng)構(gòu)成，氧化溝是工業(yè)污水處理系統(tǒng)中最重要的環(huán)節(jié)，因此控制量較多，控制過程叫復(fù)雜，包括轉(zhuǎn)碟曝氣機和潛水?dāng)嚢铏C，污水回流系統(tǒng)主要有污泥回流泵構(gòu)成。氧化溝的功能是對污水進行生化處理，分解污水中的有害物質(zhì)，使其達到一定的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，其中是轉(zhuǎn)碟曝氣機是關(guān)鍵設(shè)備，在氧化溝中設(shè)置有溶解氧儀對污水中的含氧量進行檢測，根據(jù)其反饋到PLC的值來控制曝氣機變頻器的運行，改變污水中溶解氧的含量。潛水?dāng)嚢铏C的作用是推進水流，同時使氧化溝的污水和活性污泥處于劇

54、烈的攪拌狀態(tài)，使他們充分混合接觸。使活性污泥的生化反應(yīng)更加充分，這樣才能最大程度地分解污水中的有害成分。污水回流系統(tǒng)的污泥回流泵將剩余的污泥及使用過的污泥進行處理，該設(shè)備的運行與停止主要根據(jù)泵房內(nèi)液位傳感器的狀態(tài)，當(dāng)液位低于某個值時停止回流泵的運行；當(dāng)液位持續(xù)高于某個高位時，回流泵停止運行同時輸出報警信號；液位處于正常狀態(tài)時，回流泵正常運行。</p><p>　　(4）沉淀系統(tǒng)。沉淀系統(tǒng)主要設(shè)備為刮泥機，其功能是

55、對進行氧化溝處理后的污水進行物理沉淀，將污泥和清水分離，刮泥機在整個系統(tǒng)啟動后就開始持續(xù)運行。在該系統(tǒng)中用到一定化學(xué)藥劑主要包括混凝劑、絮凝劑、復(fù)合堿等，主要用來調(diào)節(jié)改善混凝條件及絮凝體結(jié)構(gòu)，利用高分子助凝劑的強烈吸附架橋作用，使細小松散的絮凝體變的粗大而緊密，容易發(fā)生沉降。</p><p>　　(5）污泥脫水環(huán)節(jié)。污泥脫水系統(tǒng)主要包括離心式脫水機，其主要功能是對氧化池中處理過污水的活性污泥進行脫水處理，由于對污

56、水進行處理后，活性污泥中有新的微生物及其他雜質(zhì)，因此需要先對活性污泥添加一定量的藥物，便于污泥脫水。離心式脫水機主要有聚合物泵、污泥機和切割機構(gòu)成，以上設(shè)備按照順序控制的方式啟動，依次啟動聚合物泵、污泥機和切割機，完成對污泥的脫水處理。</p><p><b>　　3.2電氣控制系統(tǒng)</b></p><p>　　電氣控制系統(tǒng)主要包括操作面板、顯示面板、電氣控制柜等單元

57、。由于在該系統(tǒng)中需要檢測較多的數(shù)字輸入量，并且還要檢測模擬量的輸入，根據(jù)設(shè)定的程序進行數(shù)據(jù)處理后，輸出控制信號，因此系統(tǒng)的控制邏輯與時序就需要嚴(yán)格照檢測信號的輸入進行控制。</p><p>　　(1）操作面板。操作面板主要包括手動、自動、各類設(shè)備的啟動按鈕等。</p><p>　　(2）顯示面板。顯示面板由于要顯示較多的數(shù)據(jù)，因此一般采用觸摸屏或者人機界面。</p><

58、p>　　(3）電氣控制柜。電氣控制柜是電氣控制的核心設(shè)備，主要包括變頻器、各類傳感器的輸入信號、PLC及其擴展模塊等。</p><p>　　3.3工業(yè)污水處理系統(tǒng)的工作原理</p><p>　　3.3.1控制系統(tǒng)總體框圖</p><p>　　工業(yè)污水處理系統(tǒng)的電氣控制系統(tǒng)總框圖如圖4-2所示，PLC為核心控制器，通過檢測操作面板按鈕的輸入、各類傳感器的輸入，以

59、及相關(guān)模擬量的輸入，完成相關(guān)設(shè)備的運行、停止和調(diào)速控制。</p><p>　　3-2電氣控制系統(tǒng)框圖</p><p><b>　　3.3.2工作過程</b></p><p>　　在手動狀態(tài)下，各類設(shè)備的控制是根據(jù)操作面板上的按鈕輸入來控制，無邏輯控制，即可不根據(jù)傳感器的狀態(tài)進行控制。在自動方式下進行閉環(huán)控制，系統(tǒng)根據(jù)檢測到外部傳感器的狀態(tài)對設(shè)備

60、進行啟?？刂疲涔ぷ鬟^程如下。</p><p>　　(1）接通電源，啟動自動控制方式，啟動潛水?dāng)嚢杵骱凸文鄼C。</p><p>　　(2）運行粗、細格柵機，進行間歇運行，即運行一段時間然后停止一段時間，循環(huán)進行。</p><p>　　(3）根據(jù)反饋回來的液位差狀態(tài)控制清污機的運行與停止。</p><p>　　(4）進水泵房中的潛水泵根據(jù)液面高

61、低進行運行、停止及運行數(shù)量的控制。 </p><p>　　(5）轉(zhuǎn)碟曝氣機根據(jù)溶解氧儀反饋的模擬量經(jīng)PLC運算后進行控制，同時控制分離機的運行與停止。</p><p>　　(6）污泥回流泵的運行與停止根據(jù)液面的高低進行控制。</p><p>　　(7）在污泥脫水系統(tǒng)中，離心式脫水機的啟動采用順序控制方式，依次啟動其設(shè)備。</p><p>　　

62、3.3.3工業(yè)污水處理系統(tǒng)主電路設(shè)計</p><p>　　圖3-3為工業(yè)污水處理系統(tǒng)的主電路圖的部分圖。三臺電機分別為潛水泵電機（M1）、清污機電機（M2）、轉(zhuǎn)碟曝氣機電機（M3）。接觸器KM3、KM2、KM6分別控制M1、M2、M3的工頻運行；接觸器KM5、KM9分別控制M1、M3的變頻運行；FR1、FR2、FR3分別為三臺電機過載保護用的熱繼電器；QF1、主電路的空氣開關(guān)；FU1為主電路的熔斷器。選用的MM4

63、30變頻器是用來控制電機M1、M3變頻運行的。</p><p>　　圖3-3工業(yè)污水處理系統(tǒng)部分主電路圖</p><p><b>　　3.4 PLC選型</b></p><p>　　根據(jù)工業(yè)污水處理系統(tǒng)的電氣控制系統(tǒng)的功能要求，以及其復(fù)雜程度，從經(jīng)濟性、可靠性等方面來考慮，選擇西門子S7—200系列PLC作為工業(yè)污水處理系統(tǒng)的電氣控制系統(tǒng)的控制

64、主機。由于工業(yè)污水處理電氣控制系統(tǒng)涉及較多的輸入輸出端口，其控制過程相對復(fù)雜，因此采用CPU226作為該控制系統(tǒng)的主機。</p><p>　　CPU226在工業(yè)污水處理系統(tǒng)中使用的數(shù)字量輸入點和輸出點都比較多，因此除了PLC主機自帶的I/O外，還需要擴展一定數(shù)量的I/O擴展模塊。在此采用EM223輸入/輸出混合擴展模塊。8點DC輸入8點輸出型。正好可以滿足控制系統(tǒng)的I/O需求。</p><p&

65、gt;　　在該系統(tǒng)中，還需要采集模擬量并利用模擬量控制的功能要求，因此需要在擴展一個模擬量輸入輸出擴展模塊。西門子公司專門為S7—200系列PLC配置了模擬量輸入輸出模塊EM235，該模塊具有較高的分辨率和較強的輸出驅(qū)動能力，可滿足控制系統(tǒng)的功能要求。</p><p>　　3.5 PLC的I/O資源配置</p><p>　　根據(jù)系統(tǒng)的功能要求，對PLC的I/O進行配置，具體分配如下表。&l

66、t;/p><p>　　3.5.1數(shù)字量輸入部分</p><p>　　表3-4 數(shù)字輸入量地址分配</p><p>　　3.5.2數(shù)字量輸出部分</p><p>　　表3-5數(shù)字輸出量地址分配</p><p>　　3.5.3模擬量輸入部分</p><p>　　由于需要采集一個溶氧儀所反饋的數(shù)據(jù)，因此

67、擴展了一個模擬量輸入輸出模塊，具體I/O分配，如下表3-6所示。</p><p>　　表3-6 模擬量輸入地址分配</p><p>　　3.5.4 模擬量輸出部分</p><p>　　在此控制系統(tǒng)中需要將采集回來的模擬量進行數(shù)據(jù)處理，然后，通過模擬輸出口對變頻器進行控制，進行控制其他設(shè)備的運行，如下表3-7所示。</p><p>　　表3-

68、7模擬量輸出地址分配</p><p>　　根據(jù)控制系統(tǒng)的功能要求，設(shè)計出工業(yè)污水處理控制系統(tǒng)的硬件連線圖如圖3-8所示，此控制面板上的手動控制部分主要在調(diào)試系統(tǒng)時使用，調(diào)試完成后基本處于閑置狀態(tài)。</p><p>　　圖3-8工業(yè)污水處理系統(tǒng)PLC硬件接線圖</p><p><b>　　3.6其他資源配置</b></p><

69、p>　　要完成系統(tǒng)的控制功能除了需要PLC主機及其擴展模塊之外，還需要各種傳感器、接觸器和變頻器等儀器設(shè)備。</p><p>　　3.6.1接觸器選型</p><p>　　在控制系統(tǒng)中，所有設(shè)備是根據(jù)控制面板上的按鈕情況或者根據(jù)傳感器的反饋值進行動作的，因此需要PLC根據(jù)當(dāng)前的工作情況，以及按鈕的情況來控制所有設(shè)備的啟停，在此用到了大量接觸器：如格柵機接觸器、清污機接觸器、潛水泵接觸

70、器、分離機接觸器、轉(zhuǎn)碟曝氣機接觸器、潛水?dāng)嚢铏C接觸器、刮泥機接觸器等。為此該系統(tǒng)選用施耐德LC1-D0901M5C交流接觸，其額定電壓220V,額定電流9A。其特點有：高標(biāo)準(zhǔn)：符合IEC60947-4-1和GB14048.4標(biāo)準(zhǔn)。長壽命：機械壽命高達2000萬次；電壽命高達200萬次。強適應(yīng)性：“TH”防護處理，可以在濕熱的環(huán)境中使用。寬電壓：線圈控制電壓在70%-120%Uc之間波動，不影響產(chǎn)品正常工作。強通用性：具有50Hz-60H

71、z通用線圈，可以全世界通用。模塊化：產(chǎn)品本體上可以附加輔助觸頭，通電/斷電延時觸頭，機械閉鎖等模塊。也可以很方便地組合成可逆接觸器、星-三角起動器。</p><p>　　3.6.2變頻器簡介</p><p>　　變頻器的功能是將頻率固定的(通常為50Hz)的交流電變換成頻率連續(xù)可調(diào)的三相交流電源。變頻器的輸入端接至頻率固定的三相交流電，輸出端輸出的是頻率在一定范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)的三相交流電。&

72、lt;/p><p>　　變頻器主要分為間接變頻和直接變頻兩大類，而間接變頻又根據(jù)中間直流環(huán)節(jié)的主要儲能元件的不同可分為電壓型和電流型。電壓型變頻器主回路由相控整流器，中間直流環(huán)節(jié)和逆變器三個部分組成。</p><p>　　相控整流器將交流電壓整流為可控的直流電壓，經(jīng)濾波由電容Cd輸出直流電壓Vd，逆變器將直流Ud變換成頻率可調(diào)的交流電源供給電機進行變頻調(diào)速。由于中間直流環(huán)節(jié)是Cd低阻抗輸出相當(dāng)

73、于是恒壓源，故稱電壓型。</p><p>　　電流型交-直-交變頻器與電壓型變頻器的差別僅在于中間直流環(huán)節(jié)中的儲能元件用的是電感而不是電容。由于中間直流環(huán)節(jié)是高阻抗輸出相當(dāng)于電流源，故稱電流型。</p><p>　　3.6.3變頻與變壓(VVVF)原理</p><p>　　當(dāng)在實際利用變頻器調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速的過程中，當(dāng)頻率f下降時，定子繞組的反電動勢E有所下降，定子電流

74、增大，但是轉(zhuǎn)子側(cè)的負(fù)載并未增加，故轉(zhuǎn)子段電流不變，根據(jù)電流平衡方程可知，勵磁電流比增大，因而磁通φm增大。φm增加將導(dǎo)致鐵芯的飽和，進而引起勵磁電流波形的畸變，這是不希望的結(jié)果，因此希望φm可以保持基本不變。要實現(xiàn)這個目標(biāo)，只要在變頻過程中使變頻器輸出電壓Ul/f=const，則磁通φm可保持基本不變。因此變頻的同時也要變壓，常用VVVF表示。</p><p>　　VVVF實施的基本方法包括：脈幅調(diào)制(PAM)和

75、脈寬調(diào)制(PWM)。</p><p>　　（1）脈幅調(diào)制(PAM)</p><p>　　實現(xiàn)方法就是調(diào)節(jié)頻率的同時，也改變直流電壓的振幅值。PAM需要同時調(diào)節(jié)兩個部分：整流部分和逆變部分，兩者之間還必須滿足一定的關(guān)系，故控制電路比較復(fù)雜，因此比較少用。</p><p>　?。?）脈寬調(diào)制(PWM)</p><p>　　實現(xiàn)方法就是在每半個周期

76、內(nèi)，把輸出電壓的波形分割成若干個脈沖波，每個脈沖的寬度為t1，每個脈沖間的間隔寬度為t2，則脈沖的占空比Υ=tl/(t2+tl)。這時電壓的平均值和占空比成正比，所以在調(diào)節(jié)頻率時，不改變直流電壓的幅值，而是改變輸出電壓脈沖的占空比，同樣可以實現(xiàn)變頻也變壓的效果。PWM只需控制逆變電路便可實現(xiàn)，與PAM相比電路簡化了許多，因此在變頻調(diào)速中比較常用。</p><p>　　3.6.4變頻調(diào)速的基本原理</p>

77、;<p>　?。?）異步電動機的等效變換</p><p>　　圖3-9 異步電動機的等效變換</p><p>　　異步電動機的電磁轉(zhuǎn)矩公式：</p><p>　　其中：P為旋轉(zhuǎn)磁場的磁極對數(shù)，S為轉(zhuǎn)差率。</p><p>　?。?）變頻調(diào)速的原理</p><p>　　異步電動機的電磁轉(zhuǎn)矩是由定子主磁通和轉(zhuǎn)

78、子電流相互作用產(chǎn)生。異步電動機的定子主磁通是以一定的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)磁場實際是三個交變磁場合成的結(jié)果。旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速n0=60f/p，其中f是電流頻率，P是旋轉(zhuǎn)磁場的磁極對數(shù)。產(chǎn)生轉(zhuǎn)子電流的必要條件是轉(zhuǎn)子繞組切割定子磁場的磁力線。因此轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速n1必須低于定子磁場的轉(zhuǎn)速n0 (即所謂的“異步”)。兩者之間的差異可由轉(zhuǎn)差率表示，轉(zhuǎn)差率s=( n0- n1)/n0根據(jù)n0=60f/p可知，當(dāng)頻率f連續(xù)可調(diào)時，電動機的同步轉(zhuǎn)速n0也連續(xù)可調(diào)，而

79、異步電機的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n1，總是比同步轉(zhuǎn)速略低一點，所以當(dāng)n1連續(xù)可調(diào)時，n1也是連續(xù)可調(diào)。</p><p>　　設(shè)變頻后的頻率為fx，電壓為Ux，電動機的額定相電壓和頻率為UN和fN，則有：</p><p>　　＝ （4.2）</p><p>　?。?

80、 （4.3）</p><p>　　其中kf為頻率可調(diào)比，ku為電壓可調(diào)比。將上述兩個公式代入異步電動機的電磁轉(zhuǎn)矩公式可得變頻后的轉(zhuǎn)矩公式：</p><p>　　其中：sx為頻率為fx時的轉(zhuǎn)差率。</p><p>　　在變頻器正常工作情況下，即kf＝km<1時的機械特性如圖3-10所示。</p><p>　　圖3-10kf＝km<1

81、時的機械特性</p><p>　　由圖4-2可知隨著f的下降，臨界轉(zhuǎn)矩Tkx逐漸減少，電動機的帶負(fù)載能力也隨之下降。這無疑給變頻調(diào)速帶來了瑕點。而針對這種想象一般要采取電壓補償法。新系列的變頻器一般都提供了設(shè)置自動轉(zhuǎn)矩補償功能。變頻器可以根據(jù)電流的大小自動地決定補償?shù)某潭取?lt;/p><p>　　3.6.5變頻器選型</p><p>　　該系統(tǒng)選用的變頻器是西門子MM

82、430變頻器，具有多個繼電器輸出，具有多個模擬量輸出（0~20 mA），2 個模擬輸入：AIN1：0~10 V， 0~20 mA 和–10 至+10 V； AIN2：0~10 V， 0~20 mA，6 個帶隔離的數(shù)字輸入，并可切換為NPN/PNP 接線。它是一種風(fēng)機水泵負(fù)載專用變頻器，能適用于各種變速驅(qū)動系統(tǒng)，尤其是適用于工業(yè)部門的水泵和風(fēng)機。該型變頻器，具有能源利用率高的特點，優(yōu)化了部分結(jié)構(gòu)與功能，便于工作人員進行操作，實現(xiàn)功能強。它

83、們具有很高的運行可靠性和功能的多樣性。其脈沖寬度調(diào)制的開關(guān)頻率是可選的，因而降低了電動機運行的噪聲。全面而完善的保護功能為變頻器和電動機提供了良好的保護。</p><p>　　3.6.6變頻器參數(shù)設(shè)置</p><p>　　該工業(yè)污水處理系統(tǒng)中的MM430變頻器是一種風(fēng)機水泵負(fù)載專用變頻器，能適用于各種變速驅(qū)動系統(tǒng)，尤其適合用于工業(yè)部門的水泵和風(fēng)機。該變頻器，具有能源利用率高的特點，優(yōu)化了部

84、分結(jié)構(gòu)與功能，便于工作人員進行操作，實現(xiàn)其控制功能。在此控制系統(tǒng)中，需要對變頻器進行通信控制，因此需先對變頻器的參數(shù)進行設(shè)置，主要對一下幾個參數(shù)進行調(diào)整，如表3-11所示。</p><p>　　表3-11 變頻器參數(shù)設(shè)置表</p><p>　　3.6.7電動機的選型</p><p>　　在該工業(yè)污水處理系統(tǒng)中需要用到許多電機，Y2系列三相異步電機是專為歐洲市場設(shè)計的

85、三相異步電動機、電機出線盒置于電機機殼頂部、整機結(jié)構(gòu)緊湊、外形美觀大方，安裝尺寸符合IEC標(biāo)準(zhǔn)，具有高效、節(jié)能、起動轉(zhuǎn)矩大，使用維護方便等特點。主要性能有：絕緣等級：F；防護等級：IP54或IP55；電壓：380V或415V；頻率：50Hz或60Hz；冷卻方式：IC411。</p><p>　　Y2系列電動機有兩種設(shè)計，一種是適用于一般機械配套和出口需要，在輕載時有較高效率，在實際運行中有較佳節(jié)能效果，且具有較高

86、堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩，此設(shè)計稱為Y2-Y系列。中心高63～355mm，功率從0.12~315kW。電動機符合JB/T8680.1-1998 Y2系列(1P54)三相異步電動機（機座號63～355）技術(shù)條件。 型號含義：如Y2-200L1-2Y：“Y2”表示異步電動機第二次改型設(shè)計，“200”表示中心高，“L”表示機座長短號，“1”表示鐵心長度序號，“2”表示極數(shù)，“Y”表示第一種設(shè)計（可省略）。 第2種設(shè)計是滿載時有較高效率，更適用于長期運行和負(fù)載

87、率較高的使用場合，如水泵、風(fēng)機配套，此設(shè)計稱為Y2-E系列，中心高80～280mm，功率從0.55～90kW。電動機符合JB/T8680.2-1998 Y2系列(1P54)三相異步電動機（機座號80～280）技術(shù)條件。 型號含義：如Y2-200L2-6E：“Y2”表示異步電動機第二次改型設(shè)計，“200”表示中心高，“L”表示機座長短號，“2”表示鐵心長度序號，“6”表示極數(shù)，“E”表示第二種設(shè)計。</p><p>

88、;　　根據(jù)上述分析，選擇Y2-200L2-6E即可滿足要求。</p><p><b>　　3.6.8液位差計</b></p><p>　　對格柵機的清污機進行控制，需要監(jiān)測格柵機兩側(cè)的液面差，在該系統(tǒng)中利用液位差計，該系統(tǒng)選用的超聲波液位差計型號：XL60-YI4000。粗格柵、細格柵各安裝了一臺超聲波液位差計，通過格柵機前后的液位差來反映格柵機阻塞程度，并傳輸?shù)絇L

89、C控制器，進行分析計算。當(dāng)液位差超過預(yù)設(shè)值后，系統(tǒng)控制清污機運行，清除大顆粒的污染物質(zhì)，保障污水流動暢通；在液位差未超過設(shè)定值時，清污機處于停止?fàn)顟B(tài)，這樣就可以大大減少設(shè)備損耗。</p><p>　　超聲波液位差計精度較高，且有多種量程可供選擇，其輸出信號有一下三種：可編程繼電器輸出、高精度4～20mA模擬信號輸出、RS-485通信口輸出，可根據(jù)需要的信號選擇輸出，作為PLC的輸入信號。該系統(tǒng)選用的超聲波液位差計

90、型號：XL60-YI4000。工作溫度： -20~60℃ ，工作電壓：AC220V或 DC24V，工作壓力：常壓，差值精度：±3mm或0.3％FS（取其較大者），重復(fù)精度：1‰，分辨率：1mm ，方 向 角：4°/ 6°（全角），工作頻率：13KHz~40KHz（因型號規(guī)格而不同），信號輸出：RS-485、Modbus、標(biāo)準(zhǔn)的4-20mA電流信號和多路開關(guān)量輸出。采用先進的嵌入式微處理技術(shù)，使其測控儀器達到

91、了高度的數(shù)字化和智能化。它集超聲波傳感器、溫度補償電路、運算主機為一體的非接觸式液位差測量儀器。超聲波液位差計具有精度高，壽命長，穩(wěn)定可靠，安裝維護方便等特點。</p><p><b>　　3.6.9溶解氧儀</b></p><p>　　溶解氧（DO）是指溶解在水中的氧氣，它在河流、湖泊、海洋中都大量的存在，是檢測水質(zhì)和環(huán)境污染程度的主要指標(biāo)。用傳統(tǒng)的化學(xué)方法（如碘量

92、滴定法）測定溶解液中的溶解氧是很費時的，且成本很高，不能連續(xù)測量，而用滴汞電極（DME）的極譜分析最為簡單。但是DME的一些特殊性又影響了它在現(xiàn)場工作中的應(yīng)用。金與鉑電極能克服DME遇到的某些困難，但在一些生物介質(zhì)中就失效。為了消除上述困難，膜覆蓋氧電極誕生了，它最初是由Clark在1956年提出的，故而得名Clark氧電極。這種電極利用膜可滲透氧但不能滲透水和有機及無機溶質(zhì)的原理，保護電極不與這類還原物質(zhì)緊密接觸，從而使傳感器的靈敏度

93、不受影響。當(dāng)前用來測量水中溶解氧濃度最常用的儀器就是電化學(xué)傳感器（例如Clark傳感器）。它是根據(jù)電池原理而設(shè)計的，本身就是個電池，不需要外加電壓，可通過測量電解電流來測量溶解氧濃度。測量時將其放入待測溶液，水質(zhì)溶解氧透過透氧膜，溶解于膜與電極之間的電解液薄層中，當(dāng)兩輸出端接上負(fù)載電路時，氧在陰極表面上發(fā)生還原反應(yīng)。對結(jié)構(gòu)和透氧膜確定的傳感器而言，在一定溫度下，氧傳感器的電流只與試樣中的氧分壓成正比。因此，測定電流即可知氧濃</p

94、><p><b>　　4 軟件系統(tǒng)設(shè)計</b></p><p>　　采用西門子公司為S7—200系列PLC開發(fā)的STEP7—Micro/WIN32作為編程軟件，上面介紹了工業(yè)污水處理控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、工作原理和電氣控制部分的結(jié)構(gòu)，硬件結(jié)構(gòu)的總體設(shè)計基本完成后，就要開始軟件部分的設(shè)計，根據(jù)控制系統(tǒng)的控制要求和硬件部分的設(shè)計情況及PLC控制系統(tǒng)I/O的分配情況，進行軟件編程設(shè)計

95、。在軟件的設(shè)計中，首先按照需要實現(xiàn)的功能要求做出流程框圖，其次按照不同功能編寫不同功能模塊，這樣寫出的程序條例清晰，既方便編寫，也便于調(diào)試。</p><p><b>　　4.1總體流程設(shè)計</b></p><p>　　根據(jù)系統(tǒng)的控制要求，控制過程可以分為手動控制功能和自動運行功能。在手動控制模式下，每個設(shè)備可以單獨運行，以測試設(shè)備的性能，如圖4-1所示。</p&

96、gt;<p>　　圖4-1模式選擇流程圖</p><p><b>　　4.1.1手動模式</b></p><p>　　在手動模式下，可單獨調(diào)試每個設(shè)備的運行，如圖5-2所示。在此模式下，可以通過按鈕對格柵機、清污機、轉(zhuǎn)碟曝氣機、刮泥機，以及各類泵進行控制，對于轉(zhuǎn)碟曝氣機的控制，可以通過按鈕增大或減小變頻器的頻率來改變其速度，以檢測調(diào)試性能。</p&

97、gt;<p>　　圖4-2手動操作模式流程圖</p><p><b>　　4.1.2自動模式</b></p><p>　　處于自動方式時，系統(tǒng)上電后，按下自動啟動確認(rèn)后系統(tǒng)運行，系統(tǒng)開始工作，其工作過程包括以下幾個方面。</p><p>　?。?）系統(tǒng)上電后，按下自動啟動確認(rèn)按鈕，啟動潛水?dāng)嚢杵骱凸文鄼C。</p>&

98、lt;p>　?。?）啟動粗格柵系統(tǒng)。</p><p><b>　　（3）啟動潛水泵。</b></p><p>　?。?）啟動細格柵系統(tǒng)。</p><p>　?。?）啟動曝氣沉砂系統(tǒng)。</p><p>　?。?）啟動污泥回流系統(tǒng)。</p><p>　?。?）啟動污泥脫水系統(tǒng)。</p>

99、;<p>　　以上工作過程并不是順序控制方式，而是按照PLC檢測到傳感器狀態(tài)進行啟動如圖4-3所示。</p><p>　　圖4-3 自動操作模式流程圖</p><p>　　在自動控制模式流程圖中，調(diào)用了各個控制系統(tǒng)的程序，主要包括粗格柵系統(tǒng)程序、潛水泵程序、細格柵系統(tǒng)程序、曝氣沉砂系統(tǒng)程序、污泥回流泵系統(tǒng)程序。以及污泥脫水系統(tǒng)程序，以下將分別介紹各個子程序的工作過程。&l

100、t;/p><p>　　粗格柵系統(tǒng)程序主要控制粗格柵機和清污機的運行，其工作過程包括以下幾個方面。</p><p>　?。?）自動過程開始啟動粗格柵機，定時20min。</p><p>　?。?）定時到，停止運行粗格柵機2h。</p><p>　　（3）2h定時到，運行粗格柵機20min，循環(huán)進行。</p><p>　?。?

101、）同時檢查液面差，若超過設(shè)定值則啟動清污機。</p><p>　?。?）液面差值低于設(shè)定值，停止清污機運行。</p><p>　　粗格柵系統(tǒng)工作流程圖如圖4-4所示。</p><p>　　圖4-4粗格柵系統(tǒng)工作流程圖</p><p>　　潛水泵程序主要控制潛水泵的運行和停止，其工作過程包括以下幾個方面：</p><p>

102、;　?。?）自動過程開始啟動潛水泵。</p><p>　?。?）檢測液面高度，低于最低位傳感器時，開始定時防止誤判。</p><p>　?。?）定時到后，若仍低于最低位傳感器，則停止?jié)撍眠\行，否則潛水泵繼續(xù)運行。</p><p>　?。?）檢測液面處于中位和高位傳感器之間時，開始定時防止誤判。</p><p>　　（5）定時到后，若液面仍持

103、續(xù)處于高位傳感器，則輸出報警信號。</p><p>　　潛水泵工作流程圖如圖4-5所示。</p><p>　　圖4-5潛水泵工作流程圖</p><p>　　細格柵系統(tǒng)程序與粗格柵系統(tǒng)程序相似，主要控制細格柵機和轉(zhuǎn)鼓清污機的運行，其工作過程包括以下幾個方面：</p><p>　　（1）自動過程開始，啟動細格柵機，定時20min。</p&g

104、t;<p>　?。?）定時到，停止運行細格柵機2h。</p><p>　　（3）2h定時到，運行細格柵機20min，循環(huán)進行。</p><p>　?。?）同時檢測液面差，若超過設(shè)定值則啟動轉(zhuǎn)鼓清污機。</p><p>　?。?）液面差低于設(shè)定值，停止轉(zhuǎn)鼓清污機運行。</p><p>　　圖4-6細格柵系統(tǒng)工作流程圖</p&

105、gt;<p>　　曝氣沉砂系統(tǒng)工作流程圖如圖4-7所示。</p><p>　　4-7曝氣沉砂系統(tǒng)工作流程圖</p><p>　　污泥回流系統(tǒng)程序主要控制污泥回流泵的運行和停止，其工作過程包括以下幾個方面。</p><p>　?。?）自動過程開始首先檢測液面高低，若低于最低位傳感器，啟動定時。</p><p>　　（2）定時到，若

106、液面仍低于最低位傳感器則停止回流泵運行。</p><p>　?。?）若液面處于最高位和最低位之間，啟動污泥回流泵。</p><p>　?。?）若液面高于最高位傳感器時，啟動定時。</p><p>　　（5）定時到，若液面仍處于最高位傳感器時，輸出報警信號。</p><p>　　污泥回流系統(tǒng)工作流程圖如圖4-8所示。</p>&l

107、t;p>　　圖4-8污泥回流系統(tǒng)工作流程圖</p><p>　　污泥脫水系統(tǒng)程序主要控制離心式脫水機，啟動定時。</p><p>　?。?）自動過程開始首先啟動離心式脫水機，啟動定時。</p><p>　?。?）定時到，啟動聚合物泵，啟動定時。</p><p>　?。?）定時到，啟動污泥泵和切割機。</p><p&g

108、t;　　污泥脫水系統(tǒng)工作流程圖如圖4-9所示。</p><p>　　圖4-9污泥脫水系統(tǒng)工作流程圖</p><p>　　在設(shè)計程序過程中，會用到許多中間繼電器、寄存器、定時器等軟元件，為了便于編程及修改，在程序編寫前應(yīng)先列出可能用到的軟元件，如表4-10所示。</p><p>　　表4-10軟元件設(shè)置</p><p>　　4.2曝氣過程控制的

109、任務(wù)</p><p>　　工業(yè)污水處理后的水質(zhì)是否達到排放標(biāo)準(zhǔn)，其中生化需氧量（BOD）和化學(xué)需氧量（COD）是重要的水質(zhì)指標(biāo)。BOD是指在有氧條件下，降解有機物所需的氧量。COD是指在酸性條件下，用強氧化劑將有機物氧化成CO2、H2O所消耗的氧量。BOD的測定需費時5天，且測定結(jié)果易受多種因素影響，誤差較大。COD的檢測比較精確，但方法繁瑣，耗時約2小時。雖然有COD濃度在線檢測儀可以在線檢測，但仍存在滯后（3