基于PLC的城市污水處理系統設計

第23謄第2期湖南文理學(xué)院學(xué)報(自然科學(xué)版)VoL 23 No.22011年6月Journal of Hunan University of Arts and ScienceQNatural Science Edition)Jun. 2011doi: 10.3969/jissn.1672- -6146.2011.02.020基于PLC的城市污水處理系統設計敖章洪.(湖南文理學(xué)院電氣與信息工程學(xué)院,湖南常德, 415000)摘要: 為了解決城市生活污水處理問(wèn)題,實(shí)現生態(tài)環(huán)境的良性循環(huán),以三菱可編程控制器為核心，結合先進(jìn)的SBR(間歇式活性污泥法)工藝設計了一-個(gè)由廢水處理池、清水池、中水水箱、電氣控制箱以及水泵、羅茨風(fēng)機、電動(dòng)閥門(mén)和電磁閥等部分組成的生活污水處理控制系統.利用GT Simulator 軟件進(jìn)行了系統的調試和仿真分析.調試結果表明，系統能按照設定的工藝流程可靠運行,達到了預期目標.關(guān)鍵詞:污水處理;可編程控制器; SBR工藝中圈分類(lèi)號: TP273*.5文聿編號: 1672- -6146(2011)02- 0069 -05Design of city sewage treatment system based on PLCAO Zhang hong(College of Communication and Electric Engineering, Hunan University of Arts and Science, Changde 415000, China)Abstract: To solve the problem of the city life sewage treatment and realize positive cycle of ecological environment,this paper used the Mitsubishi PLC as the control core, combined with the advanced SBR (Sequencing Batch ReactorActivated Sludge Process) process, designed the life sewage treatment control system which is composed of a wastewatertreatment pond, clean water tank, water tank, electrical control box, as well as pump, Roots blower, electric valves andsolenoid valves and so on. The paper used GT Simulator carry out a system simuation analysis. The debugging resultsshowed that the system can run in accordance with a reliable operation as the set technical process and achieveanticipated target.Key words: sewage treatment; programmable controllers; SBR process的過(guò)程是按時(shí)序來(lái)運行的,一個(gè)操作過(guò)程分5個(gè)階1 SBR 工藝簡(jiǎn)介段:進(jìn)水、反應、沉淀、清水、閑置. SBR在運行過(guò)SBR(Sequencing Batch Reactor, 間歇式活性污程中，各階段的運行時(shí)間、反應器內混合液體積的泥法)是最早(1893年)的活性污泥法，,但由于存在對變化以及運行狀態(tài)等都可以根據污水的性質(zhì)、出水水質(zhì)變化的適應能力不強、所供的氧不能充分利用水質(zhì)與運行功能要求靈活變化[4-5].等問(wèn)題，運行管理極不方便I-21. 20世紀80年代前后,2系統設計由于自動(dòng)化、計算機等高新技術(shù)的迅速發(fā)展以及在污水處理領(lǐng)域的普及與應用(電動(dòng)閥、氣動(dòng)閥、溶解2.1 主電路設計氧傳感器、水位傳感器等),使得間歇活性污泥法的本系統采用三相交流電供電,三相空氣開(kāi)關(guān)運行管理也逐漸實(shí)現了自動(dòng)化,開(kāi)發(fā)出了一系列新QF控制整個(gè)系統的電源通斷,既可完成主電路的型的SBR工藝,較有代表性的包括: ICEAS、CASS、短路保護又可方便日常的維護(6-81. FU1至FU7熔斷CAST、UNIT-ANK. DAT- _IAT等工藝3)] SBR工藝器起過(guò)流中國煤化工發(fā)生短路現象;YHCNMHG收稿日期: 2010-10-27作者簡(jiǎn)介:敖章洪(1977-),男,講師，碩士研究生,研究方向為電力電子與電力傳動(dòng). E-mail: 86638262@qq.com70湖南文理學(xué)院學(xué)報(自然科學(xué)版)2011年FR1至FR5熱繼電器對負載電機M1至M5起過(guò)載起/停.通過(guò)電動(dòng)閥門(mén)拖動(dòng)電機的正反轉完成電動(dòng)保護作用,消除了主要的安全隱患.3個(gè)接觸器.閥門(mén)的開(kāi)啟和關(guān)閉,具體電路設計如圖1所示.KM1/ KM2/KM3控制2個(gè)水泵和羅茨風(fēng)機的獨立、Q中中FU1中中中Fu2中中中FU3中中中FU5中中中FU4中中中FU6FU7KM1KM2KM3KM6KM4」」.KM5.L1| L2FR1FR2FR3FR5FR42ζ|2引2222ζζζ1#泵(污水)2#泵(清水)羅茨風(fēng)機 排泥電機電動(dòng)閥門(mén)拖動(dòng)電機圈1污水處理系統主電路圖2.2交流控制電路 設計水電磁閥、排空電磁閥、排泥電機工作指示燈.5臺交流控制回路電路如圖2所示，控制回路使電機分別由FRI、FR2、FR3、FR4、FR5五個(gè)熱繼用220 V交流電進(jìn)行供電.圖2中HL1為回路工作電器進(jìn)行過(guò)載保護，將其常開(kāi)觸點(diǎn)并聯(lián)后與中間繼電源指示燈. HL2、HL3、 HL4分別為1#泵、2#泵、電器KA1的線(xiàn)圈串聯(lián),其觸點(diǎn)輸出24 V直流過(guò)載羅茨風(fēng)機工作指示燈，由交流接觸器KM1、KM2、報警信號至控制器.TC選用1: 1隔離變壓器,將KM3的觸點(diǎn)進(jìn)行控制. YA1、YA2 分別為排水電磁220 V電源經(jīng)TC隔離,使控制系統回路與供電回路閥和排空電磁閥的控制線(xiàn)圈,中間繼電器KA2、之間進(jìn)行電氣隔離后,再為控制器提供電源，提高KA3觸點(diǎn)控制其通斷電, HL5、HL6、HL7分別為排電源質(zhì)量,防止電網(wǎng)干擾控制系統可靠工作.LI一220VN- AC電源工作指示-&HL1KM1V> HL2污水泵工作指示KM2-1。.&HL3.清水泵工作指示KM3-1。g HL4tC: 1隔離變壓器風(fēng)機工作指示排水電磁閥KA2-1。-o- YA1排空電磁閥KA2-2& HLS|N田|排水電磁閥工作指示KA3-1。o YA2開(kāi)關(guān)電源排空電磁閥工作指示KA3-2。& HL6排泥電機工作指示KA6-1 a心HL7|COMFR1工。24VDCFR2王。FR3亞。-oKA1FR4嚴。中國煤化工FRS。JYHCNMHG圈2控制系統交流控制回路電路圖第2期敖章洪基于PLC的城市污水處理系統設計712.3控制系統設計0 INPUToutpuT為完成控制系統所需工藝流程,需要控制器能有較強的浮點(diǎn)運算能力和掉電保持的能力，根據開(kāi)DC 24VN220V AC關(guān)和其他設備的需要并考慮10%~15%的裕量, 本L系統采用三菱FXzN- 48MR可編程控制器. I/O分配COM如表1所示，硬件電路圖見(jiàn)圖3._HIXY0KMIKM2表1 /0口分配表Y1端口信號注釋Y2HL8X0H1污水池水位高Y3X1L1污水池水位低13 HY4HL10RX2H2清水池水位高L3 FY5HLIIX3L2清水池水位低。jSBIx6Y6HL12X4H3中水池水位高xFX2NY7HL130- -X5L3中水池水位低X6SB1啟動(dòng)按扭X1048MRY10HL14B-SB2停止按鈕X11Y11HLI58-<3 HK1電動(dòng)閥門(mén)閘刀開(kāi)關(guān)X12Y12KM4K2風(fēng)機閘刀開(kāi)關(guān)K4 h13Y13t KM4tKM5K3排泥電機閘刀開(kāi)關(guān)<5 IX14Y14HL16.8- -X13K41#清水泵閘刀開(kāi)關(guān)SQIKM3X15Y1514K52#清水泵閘刀開(kāi)關(guān)SQ2X16Y16KA3SQ1電動(dòng)閥門(mén)開(kāi)門(mén)限位sQ2電動(dòng)閥門(mén)關(guān)門(mén)限位、FR4X17Y17KAX17 FR4電動(dòng)閥電動(dòng)機故障報警、KAIX20Y20 .KM6KA1電機熱保護器報警Y21KM7M11#清水泵接觸器線(xiàn)圈0擴展端gO |YKM2 2#清水泵接觸器線(xiàn)圈污水池水位高指示燈(紅)團3 PLC 摟線(xiàn)圖HL9污水池水位低指示燈(綠)HL10清水池水位高指示燈(紅)2.4軟件設計HL1I清水池水位低指示燈(綠)污水處理流程包括進(jìn)水、反應、沉淀、清水、.HL12中水箱水位高指示燈(紅)閑置5個(gè)階段.HL13中水箱水位低指示燈(綠)起動(dòng)按鈕按下，當污水池中無(wú)水或低水位(污HL14電動(dòng)閥門(mén)開(kāi)啟指示燈(綠)水池水位低信號無(wú)效)且電動(dòng)閥門(mén)閘刀開(kāi)關(guān)閉合HLIS電動(dòng)閥門(mén)關(guān)閉指示燈(黃)(X10有效)時(shí)，系統自動(dòng)閉合KM4和KM7,起動(dòng)進(jìn)KM4開(kāi)電動(dòng)閥門(mén)接觸器線(xiàn)圈水閘門(mén)直至開(kāi)門(mén)限位，同時(shí)加入給定量的藥品.當KM5關(guān)電動(dòng)閥門(mén)接觸器線(xiàn)圈污水池高水位信號有效時(shí)自動(dòng)斷開(kāi)KM4,同時(shí)閉合HLl5電機熱保護報警指示燈KMS使水閥門(mén)拖動(dòng)電機反轉進(jìn)行閥門(mén)關(guān)閉，進(jìn)入下KM3羅茨風(fēng)機接觸器線(xiàn)圈-環(huán)節開(kāi)始曝氣反應.排空電磁閥繼電器線(xiàn)圈在反應凹艾口如什污水中鼓氣,通.KA2排水電磁閥繼電器線(xiàn)圈過(guò)生化反應中國煤化工濃度,以達到CNMHGY20KM6排泥泵接觸器線(xiàn)圈處理工藝的要小八兩的網(wǎng)田傳感器檢測的KM7加藥繼 電器線(xiàn)圈有機物濃度決定,在曝氣過(guò)程中的每個(gè)掃描周期，72湖南文理學(xué)院學(xué)報(自然科學(xué)版)201A/D轉換程序會(huì )適時(shí)更新曝氣時(shí)間形成閉環(huán)控制,開(kāi)達到最優(yōu)控制的目的.反應時(shí)間到后系統自動(dòng)關(guān)閉風(fēng)機，停止曝氣,N啟動(dòng)1#沉淀30min,沉淀過(guò)程將處理過(guò)的污水進(jìn)行分離,啟動(dòng)按鈕泵排水分成上清液和低層污泥.沉淀時(shí)間由PLC特殊寄存按下?史YY清水池器M8014(1min周期振蕩)配合計數器C1進(jìn)行控制.系統初始化水位高2沉淀過(guò)后進(jìn)入清水期.↓Y當C1計數值滿(mǎn)后，置位計數值滿(mǎn)標志寄存器,開(kāi)電磁關(guān)閉1 #泵開(kāi)排同時(shí)也作為清水期的啟動(dòng)信號.系統自動(dòng)啟動(dòng)1#清閘門(mén).污電機和2 #泵污水水水泵和排泥電機進(jìn)行工作,清水泵將上層清液從上位低?層排出至清水池中，清水池水位高信號有效時(shí)自動(dòng)Y↓啟動(dòng)排污泥泵M5,其運行時(shí)間由定時(shí)器進(jìn)行控制，關(guān)電磁閘門(mén)|水位高?中水時(shí)間到后自動(dòng)關(guān)閉排泥電機.當污水池水位低信號無(wú)效或清水池高水位信啟動(dòng)給藥排污時(shí)號有效時(shí),污水處理進(jìn)入最后階段排水期(閑置期).電磁閥間到? ,系統自動(dòng)關(guān)閉1#清水泵的同時(shí)開(kāi)啟2#清水泵,仍然|開(kāi)啟風(fēng)機由上層開(kāi)始將上--階段處理完成的清水進(jìn)行再次曝氣關(guān)2 #泵關(guān)排污i分層排出進(jìn)入中水箱閑置,當排水開(kāi)關(guān)閉合時(shí),KA2閉合打開(kāi)排水電磁閥進(jìn)行排水，具體流程如圖啟動(dòng)A/D轉換計算排中水?4、圖5所示.曝氣時(shí)間↓y準備開(kāi)排污電磁閥曝氣時(shí)|計算曝氣時(shí)間間到?選取AD修改曝氣時(shí)間y↓中水箱N(xiāo)|轉換通道復位計數器」計算結果與開(kāi)排空電磁有水?啟動(dòng)AD次是否相同閥關(guān)風(fēng)機轉換.關(guān)排污電磁閥↓沉淀靜水30 min讀取轉換結果返回圈4曝氣時(shí)間控制計算流程圖圈5系統總體流程3系統仿真246245本設計使用了三菱公司開(kāi)發(fā)的程序設計軟件和觸摸屏編程軟件GX- -Developer和GT- Simulator進(jìn)行了聯(lián)調仿真!9].3.1 仿真界面編輯在系統仿真中，使用了位開(kāi)關(guān)、位指示燈、數值輸入和數值顯示4種元件分別替代實(shí)物的輸入開(kāi)關(guān)量、輸出開(kāi)關(guān)量、A/D采樣模塊、數據顯示器進(jìn)行模擬實(shí)驗.其中位開(kāi)關(guān)又使用了兩種不同的參數,中國煤化工起動(dòng)/停止信號使用的是點(diǎn)動(dòng)式位開(kāi)關(guān),其余的輸fHCNMHG入信號均使用交替式位開(kāi)關(guān)進(jìn)行模擬.編輯完成之后未運行之前畫(huà)面如圖6所示.圈6編輯完成后觸摸屏界面第2期敖章洪基于 PLC的城市污水處理系統設計733.2系統仿真操作過(guò)程止運行，閥門(mén)開(kāi)門(mén)指示燈亮.點(diǎn)擊污水池水位低按在仿真調試過(guò)程中的每一步操作都會(huì )直接影鈕，模擬該水位進(jìn)水到位，隨著(zhù)進(jìn)水過(guò)程的繼續污響到編程軟件梯形圖中各軟元件的工作狀態(tài)，同樣水池高水位信號有效,污水池水位指示亮紅燈，同更改編程軟件中軟元件的值也會(huì )在仿真界面上得時(shí)M4反轉運行.再次點(diǎn)擊開(kāi)門(mén)限位開(kāi)關(guān)后代表開(kāi)到響應.以A/D采樣過(guò)程為例，這種相互之間的影門(mén)限位無(wú)效,電機拖動(dòng)閥門(mén)離開(kāi)開(kāi)門(mén)限位，一段時(shí)響如圖7和圖8.從圖7.上可以看出，當AD采樣值為間后點(diǎn)擊關(guān)門(mén)限位開(kāi)關(guān)，電動(dòng)閥門(mén)開(kāi)門(mén)指示燈滅關(guān)15時(shí),剩余曝氣時(shí)間為15 min,而曝氣時(shí)間的計算門(mén)指示燈亮,同時(shí)排空電磁閥打開(kāi).單擊A/D采樣是在GX-Develpor中通過(guò)曝氣時(shí)間算法計算獲得值,從彈出的小鍵盤(pán)中輸入一個(gè)0- 255的十進(jìn)制數的后,系統即可根據傳感器數據計算出曝氣時(shí)間, 10s，后風(fēng)機空載起動(dòng)，同時(shí)關(guān)閉排空電磁閥進(jìn)入曝氣過(guò)程.曝氣剩余時(shí)間為0 min后排空電磁閥起動(dòng)，10 s后風(fēng)機空載停機同時(shí)關(guān)閉排空電磁閥,曝氣過(guò)程結束進(jìn)入沉淀期,沉淀時(shí)間為30 min.沉淀時(shí)間到后-0(進(jìn)入清水期，1#清水泵自動(dòng)啟動(dòng),先后單擊清水池水位低、污水池水位高、清水池水位高或污水池水推衛電聰門(mén)位低信號后1#泵自動(dòng)啟動(dòng),清水池指示亮紅燈，污水池水位亮綠燈并啟動(dòng)排泥電機及2#泵開(kāi)始從清水池排水.排泥電機定時(shí)時(shí)間到后自動(dòng)關(guān)閉,同時(shí)電動(dòng)閥門(mén)再次自動(dòng)開(kāi)啟進(jìn)入下一-輪進(jìn)水,而2#泵接著(zhù)完成前一周期未完成的排水,重復污水池中排水圖7當AD采樣值為15時(shí)觸摸屏軟件上的顯示圈過(guò)程.4結語(yǔ)SBR工藝是近20多年來(lái)發(fā)展速度最快、工程應用最廣的污水處理工藝.本系統采用PLC對城市污-pamn 0D0 r300水進(jìn)行SBR工藝處理,設計了PLC硬件電路圖和相應軟件流程圖，并進(jìn)行了仿真分析。仿真結果表明整個(gè)系統能按照設定工藝流程可靠運行.當然，設計也存在不足之處，如曝氣時(shí)間的控制僅采取了懸浮固體濃度控制，沒(méi)有考慮溫度等因素的影響，系統還有待進(jìn)一步完善。圈8當AD 采樣值為15時(shí)曝氣時(shí)間計算梯形圈參考文獻:使用GX -Developer將梯形圖程序編輯好,再利[1] 宋業(yè)林,宋襄翎.水處理設備實(shí)用手冊[M].北京:中國用GT-Designer編好觸摸屏模擬程序,編譯也無(wú)錯石化出版社, 2004: 102 -125.誤之后即可開(kāi)始系統仿真.點(diǎn)擊GX- _Developer中國i[2] 郭永君. 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