基于PLC的制革廢水處理自控系統(tǒng)設(shè)計獲獎科研報告

基于PLC的制革廢水處理自控系統(tǒng)設(shè)計獲獎科研報告

【摘要】本文將在當前這樣的一種時代背景之下，以當前這樣的一種現(xiàn)實狀況，作為主要的切入點，以期能夠設(shè)計出一種高效，經(jīng)濟，節(jié)能的污水處理方案，進而解決當前我國的污水，在具體的排放過程中，面臨到的重大的現(xiàn)實困境。論文所述的污水處理系統(tǒng)的設(shè)計采用美國GE公司的上位機組態(tài)軟件iFIX（HMI/SCADA）和法國施耐德SchneiderElectric的下位機編程軟件Unitypro來完成。組態(tài)人機界面采用GE公司的iFIX來完成，iFIX提供的HMI/SCADA組態(tài)，其中SCADA功能主要是實現(xiàn)整個系統(tǒng)的實施和客觀的管理功能，HMI功能在整個生產(chǎn)設(shè)計的過程中，是能夠?qū)崿F(xiàn)可視化的管理的。設(shè)計的污水處理自控系統(tǒng)方案可以實現(xiàn)通過管理層的中央監(jiān)控系統(tǒng)和現(xiàn)場層的PLC控制站，進而實現(xiàn)整個污水管理和系統(tǒng)性的處理過程中的良好的調(diào)度和優(yōu)質(zhì)的管理;并在精確性、方便性、通用性這幾方面都能夠較好的按照相關(guān)的方案和系統(tǒng)性的計劃來予以高效的執(zhí)行。

【關(guān)鍵詞】PLC;污水處理;系統(tǒng)設(shè)計

1前言

我國淡水資源日漸減少，污染現(xiàn)象越來越嚴重，重工業(yè)廢水與城市生活廢水的直接排放，是水體遭受污染的主要因素。目前，我國城市污水處理相對滯后，而每年排出的廢水量逐漸上升，導(dǎo)致部分區(qū)域水資源短缺，人們?nèi)粘Ｉ畹挠盟繜o法得到保障，污水治理成為了當前首要解決問題。為了采取有效的水污染防治措施，國務(wù)院印發(fā)了《水污染防治行動計劃》，提出了十條防治意見。按照此計劃行動，預(yù)計2020年，我國的水環(huán)境問題將得到緩解，并取得階段性的改善。新型科學(xué)技術(shù)、污水處理工藝是構(gòu)建污水處理系統(tǒng)的核心，使其向全自動化時代邁進，滿足污水處理需求。本文基于PLC，依據(jù)系統(tǒng)開發(fā)功能需求，對污水處理廠中的PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計展開了研究。

2總體方案設(shè)計

本設(shè)計中污水處理工藝流程圖如圖2-1所示。

本設(shè)計中根據(jù)傳統(tǒng)活性污泥法的工作原理，主要采用了氧化還原處理工藝來完成對污水的雜質(zhì)處理，整個流程是按“進水，氧化（空氣氧化），出水”周期性的進行處理工藝。本設(shè)計工作原理與傳統(tǒng)活性污泥法相同，但是又在后者的基礎(chǔ)上對其系統(tǒng)的部分功能進行了相應(yīng)的改進，改進的部分主要是對污泥進行氧化處理這個步驟中，設(shè)計中在曝氣池處多增加了一個攪拌機和一個曝氣風(fēng)機，在曝氣池占地小的前提下達到對一定量污水進行相同的氧化效果;并且在氧化處理前多增加了粗細格柵機的初步處理工序，主要是完成對污水中的固體雜質(zhì)進行過濾[4]。

從系統(tǒng)的污水進入到處理后清水的排出作為整個污水處理工序的一個完整周期?；静僮鬟\行程序：進水泵開啟，污水進入，經(jīng)過除沙、氧化和沉淀的一系列處理工序，處理完的清水排出，沒處理完的污水經(jīng)過污泥回流到進水池進行二次處理。

此流程中，各個電機的自動控制下的運行都是按一定的系統(tǒng)要求來實現(xiàn)的，本文采用了PLC技術(shù)來完成對電機自動控制方面上的技術(shù)設(shè)計。

3污水處理系統(tǒng)的硬件設(shè)計

3.1PLC介紹

PLC的核心控制元件是CPU，集網(wǎng)絡(luò)通信、自動控制、計算機技術(shù)為一體的可編程控制器。從其本質(zhì)性質(zhì)上來看的話，我看不難發(fā)現(xiàn)，其核心的控制系統(tǒng)是工業(yè)機算機的作用之下，予以高效的實施和系統(tǒng)的完成的，整個系統(tǒng)，不管是從可靠性能上，還是從自身的穩(wěn)定性能上，都是一種較好的狀態(tài)。在本方案中采用施耐德公司的TSXP573634自動化平臺（如圖3-1所示），TSXP573634帶有4或5個LED的顯示面板。用于請求取出PCMCIA卡和存儲SRAM文件的按鈕。終端口（TER連接器-8針mini-DIN）用于連接FTX類型或PC兼容的終端。

3.2PLC組態(tài)硬件

整個控制系統(tǒng)采用施耐德（Schneider）公司的UnityPremiumPLC硬件平臺和iFIX監(jiān)控軟件平臺（如圖3-2所示）。整個控制系統(tǒng)由現(xiàn)場PLC控制站和中央監(jiān)控系統(tǒng)二級構(gòu)成。

3.3PLC模擬量輸入模塊

TSXAEY810模塊是一種高電平8路隔離輸入工業(yè)測量設(shè)備。該設(shè)備與傳感器或發(fā)射器相關(guān)聯(lián)，能夠有效的完成系統(tǒng)性的檢測和有效的實施控制等諸多的相關(guān)功能的完善和執(zhí)行。

3.4PLC通訊模塊

通訊模塊TSXETYI10在實際的通信過程中，是通過以太網(wǎng)的模式，實現(xiàn)彼此之間的信息交流和信息互通的。它包含一個通訊通道，該通道提供兩種連接類型：

1、與ETHWAY網(wǎng)絡(luò)的連接，該網(wǎng)絡(luò)支持使用ETHWAY配置文件傳輸公共字和運行X-Way，UNI_TE消息處理服務(wù)。

2、與TCP_IP網(wǎng)絡(luò)的連接，該網(wǎng)絡(luò)支持X-Way，UNI_TE消息處理服務(wù)。（如圖3-3所示）此通訊模塊還確保TCP_IP網(wǎng)絡(luò)和X-Way網(wǎng)絡(luò)之間X-Way、UNI_TE消息的透明路由。該模塊提供兩個標準接口來與網(wǎng)絡(luò)連接：

4污水處理系統(tǒng)軟件設(shè)計

在本設(shè)計中主要用到的是S7-200系列的CPU226來完成系統(tǒng)軟件方面的設(shè)計，上面主要介紹了污水處理控制系統(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，下面就要介紹的是系統(tǒng)的軟件設(shè)計部分，根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計中對整個流程中每個部分控制要求和已完成的全流程的控制電路上的設(shè)計，來進行系統(tǒng)的軟件編程設(shè)計。在軟件的設(shè)計中，所有部分的軟件設(shè)計過程均是先按照系統(tǒng)實現(xiàn)的功能要求畫出相對應(yīng)的流程框圖，再根據(jù)每個不同的部分所要實現(xiàn)的不同的功能要求來對其進行軟件編程方面的設(shè)計，這樣就提高了程序編寫工作的效率[11]。

4.1污水處理系統(tǒng)軟件設(shè)計總體概述

根據(jù)上文中所設(shè)計系統(tǒng)的控制要求，整個系統(tǒng)的控制方式主要可以分為兩種控制模式：手動控制方式下的控制模式、自動控制方式下的控制模式。在手動控制方式的控制模式下，整個系統(tǒng)所涉及到的每個部分的電機都可以獨立被操作，單獨實現(xiàn)其運行和停止;在自動控制方式的控制模式下，系統(tǒng)中所涉及到的每個部分的電機均按照系統(tǒng)中所要求的一定的順序來實現(xiàn)其運行和停止。

4.2污水處理各個部分軟件的設(shè)計

在以上繪制的自動控制模式流程圖中，主要調(diào)用了長個系統(tǒng)中各個被控制部分系統(tǒng)的程序，其中包含五個部分的系統(tǒng)程序：粗格柵系統(tǒng)程序、進水泵程序、細格柵系統(tǒng)程序、曝氣氧化系統(tǒng)程序、污泥回流泵程序。由于自動控制模式下，在整個系統(tǒng)運行過程中，曝氣氧化系統(tǒng)中的曝氣風(fēng)機和攪拌機持續(xù)運行，因此下面的程序軟件設(shè)計中主要介紹對于粗細格柵系統(tǒng)、進水泵和污泥回流泵這三個部分的運行程序的工作過程進行詳細設(shè)計解說。

4.2.1粗細格柵系統(tǒng)程序

本設(shè)計中粗細格柵系統(tǒng)的工作過程一樣，因此下面只介紹粗格柵系統(tǒng)工作過程。工作過程主要有以下幾個方面：

（1）系統(tǒng)的自動控制模式開啟之后，粗格柵機停止不運行，停止狀態(tài)定時時間為4min。

（2）停止的定時時間4min結(jié)束后，粗格柵機開始運行，運行狀態(tài)的設(shè)定時間為1min。

（3）運行的定時時間1min結(jié)束后，粗格柵機停止運行4min后，再運行1min，整個操作過程如此循環(huán)運行。

4.2.2進水泵程序

進水泵主要的功能根據(jù)進水池中的液位檢測傳感器反饋的實際液位對進入系統(tǒng)的污水量的控制，其工作過程包括以下幾個方面：

（1）自動控制開啟后，進水泵開始運行，并檢測液面的高低。

（2）若實際液面低于最低要求液面，進水泵持續(xù)運行。

（3）若實際液面高于最高要求液面，進水泵停止運行，否則啟動進水泵，如此循環(huán)運行。

4.2.3污泥回流泵程序

污泥回流泵主要功能是將未能處理的污泥回流到處理系統(tǒng)的起始處進行再次處理。其工作過程包括以下幾個方面：

（1）自動控制開啟后，污泥回流泵泵開始運行，并檢測液面的高低。

（2）若實際液面高于最高要求液面，污泥回流泵持續(xù)運行。

（3）若實際液面低于最低要求液面，污泥回流泵停止運行，否則啟動污泥回流泵，如此循環(huán)運行。

4.2.4模擬/數(shù)字量間的轉(zhuǎn)換

在本設(shè)計中，進水泵和污泥回流泵的在自動控制下的啟停由進水池和沉淀池中的液位檢測器反饋的實際液位值來確定。液位檢測器反饋的是模擬量，控制兩個泵運行需要數(shù)字量，這就涉及到系統(tǒng)中的模擬量和數(shù)字間的轉(zhuǎn)換問題。模擬量的輸入和輸出通用的換算方法主要是A/D的轉(zhuǎn)換和運算[12]。

模擬量的輸入/輸出都可以用下列的通用換算公式換算見式：Ov=[（Osh-Osl）*（Iv-Isl）/（Ish-Isl）]+Osl

結(jié)語

目前，環(huán)境問題已經(jīng)成為了世界各國的想要解決的首要問題。隨著我國的各個省區(qū)不斷的外擴不斷的城市化，生活污水的處理已經(jīng)成為了省政府最為頭疼的問題。近幾年各個省政府投入了大量資金在各個城鎮(zhèn)建設(shè)污水處理系統(tǒng)，用于居民生活污水的處理與凈化。眾所周知，我國的水資源嚴重的匱乏，世界上13個缺水的國家中，中國就在其中。如何將生活污水進行處理與凈化再循環(huán)利用已成為當今社會的一大重要問題。世界中的發(fā)達國家已經(jīng)很有效的完成了生活污水的處理，例如美國平均每1萬人就擁有一座生活污水處理廠，而中國平均每150萬人才擁有一座生活污水處理廠。因此，我國想要改善環(huán)境質(zhì)量與人民的生活環(huán)境就必須加大我國生活污水處理的效率與力度。而PLC以其適用范圍廣、安裝便捷、性價比高、方便可靠等許多優(yōu)點，在當今的工業(yè)中已經(jīng)得到了越來越多的應(yīng)用。成為了許多工廠的