基于PLC控制的城市污水处理系统的设计改
基于PLC控制的城市污水处理系统的设计
摘要
随着城市的快速发展，环境问题显得日益重要。废水是破坏环境的一个主要的因素，目前中国污水处理自控系统相对落后，污水处理成本居高不下，污水厂排放的处理过的污水的水质不稳定，所以如何建立有效的自控系统，优化运行效果，减少运行费用，具有重要意义。
本文介绍了城市污水处理的基本工艺和流程，并通过研究设计一套基于PLC控制的污水处理系统。
文章首先介绍了PLC控制系统的硬件结构、工作原理以及设计PLC控制系统的基本原则和步骤，然后以SBR污水处理工艺为例，来说明PLC在污水处理过程中的应用。先根据污水处理要求设计了设备的电气控制与自动控制线路，主要包括设备的启停、状态信号、故障信号和信号采集等。最后按照工艺要求设计PLC控制系统，其中包括PLC的选型、系统资源配置以及按照污水处理工艺编制PLC程序等。建立高度自动化污水处理厂，不仅可以加强整个系统的可靠性、准确性，还可以减少劳动强度，降低处理成本和节约能源。污水处理厂自动控制系统的建设将降低生产和维护成本，减轻生产及维护工人的劳动强度，并为生产工艺的进一步改进提供方便，具有很好的经济效益和社会效益。
关键词：污水处理，SBR，PLC
Abstract
With the rapid development of cities,theenvironmentbecomesmore and more important.Wastewater is one of the major factors that pollute the environment.The automatic controlling system of wastewater treatment in China is not very advanced.The cost of wastewater is high.The water qualities of the treated wastewater areunstable.So how to solve the problems is very significative to ourcountry.
The establishment of high level automation on sewage treatment plant, not only may strengthen the system’s reliability, accuracy, but also may reduce the labor intensity,
第1章绪论
我国是一个水资源匮乏的国家，而且时空分布上极不均匀，许多地区和城市严重缺水。与此同时，在我国大部分城市和地区，本已极为有限的水资源还受到水质恶化和水生态系统破坏的严重威胁。由于80%以上的污水未经有效处理就直接投进水域，已造成我国1/3以上的河段受到污染，90%以上的城市水域严重污染，近50%的重点城镇水源不符合饮用水标准。尤其伴随着城市化和工业化进程的加速需水量和污染物排放量迅速增长，水危机不仅会长期存在，而且有迅速加剧的趋势。水资源短缺和水环境污染造成的水危机已经成为我国社会经济发展的重要制约因素。国内外水环境恢复与再生的实践经验表明，污水深度处理与再利用是通向健康水循环的桥梁，推进污水深度处理和普及再生水利用是人类与自然兼容协调，创造良好水环境，促进人类可持续发展的重要举措。
1.1选题的目的和意义
水，是人类生存、养息、发展的根本条件。然而，随着人类的发展，水资源越来越不能满足人类发展的需要，主要表现为可供水资源量不足和环境污染导致水质恶化这两方面。淡水资源的缺乏不是个别国家所独有的问题，而是全球发展中面临的共同问题。世界银行1995 年的调查报告指出：占世界人口40%的80 个国家正面临着水危机，发展中国家约有10亿人喝不到清洁的水，17亿人没有良好的卫生设施，每年约有2500 万人死于饮用不清洁的水。联合国预计，到2025 年，世界将近一半的人口会生活在缺水的地区。水危机已经严重制约了人类的可持续发展。1992 年里约热内卢联合国环境与发展大会通过的《21 世纪议程》中指出：水
不仅为维持地球一切生命所必需，而且对一切经济问题都有生死攸关的重要意义。可见，全球性的水危机已引起人们的警觉，现在已经到了必须认真考虑水问题的时候了。同时，人类社会在工业化的进程中大量消耗水资源的同时，排出大量污水，污染江河湖泊，危害生态环境，造成严重后果。英国及美国都曾在19世纪中发生因饮用水资源遭生活污水污染而引发的霍乱大流行，二十世纪随着工业的迅速发展和城市人口的剧增，更带来不少河流水质恶化、生物绝迹的恶果。水资源的缺乏及水环境的污染己越来越成为制约人类发展的重要因素。
我国是一个严重缺水的国家，虽然我国年平均水资源总量为28000亿m 2，居世界第6位，人均水资源量为2220m 2，居世界第110位，已经被联合国列为世界上13个缺水国家之一。目前我国约300个城市缺水，其中严重缺水城市有50个。据中国经济信息网分析统计，全国按目前正常需要，年缺水总量约为300亿～400亿立方米，因缺水造成的经济损失每年达2300亿元，超过洪涝灾害。水资源的匾乏和水资源的污染，已经严重的影响了人民的日常生活，严重的影响了我国的经济建设和发展。根据国家十五发展纲要，十五期间各县市都要建立污水处理厂，如何保证处理过程的正常运行，减少运行成本成为环保部门、城建部门所关注的问题。目前国家治理污染的重点是“33211”工程，即“三河”（淮河、海河、辽河流域）、“三湖”（太湖、巢湖、滇池）、“两区”（酸雨控制区、二氧化硫控制区）“一市’，（北京）、“一海’，（渤海海域）[1]。我国城市污水处理的电耗为0.365k Wh/m3、日本为0.304k Wh/m3、美国为0.243k Wh/m3，并且我们的工作人员还要比这些国家多，但是我国城市污水处理深度却远不如这些国家。造成这种结果的原因主要是：污水处理厂管理
水平低、自动控制手段差。
因此建设符合我国国情的污水厂自动控制系统对降低污水处理成本、改善环境、建立可持续发展社会和和谐社会、保持我国经济高速发展具有重要意义[2]。
1.2当今国内外污水处理自控系统发展状况
1.2.1国外污水处理自控系统发展状况
国外的一些发达国家，如美国、日本、西欧等国，由于这些国家经济发达，并较早的实现了工业现代化。这些国家经济发展较早而且较快，环境问题特别是水资源污染的严重性也较早的体现出来，同时也得到了这些国家政府的重视，投入了大量的人力、物力进行水处理的研究。这些国家在研究水处理新理论和工艺的同时，也重视污水处理自控系统的研究。这些国家先后投资研究高效型、智能型、集约型污水处理设备和自动化控制仪表。一些发达国家经过几十年的努力，污水处理率已经达到了80%～90%，成功的解决了来自于城市和工业的点源污染问题。同时一些国家开始重视污水的回用，如以色列的污水回用率达到了90%。
由于控制技术、网络通信技术以及现场总线技术的飞速发展，国外的污水厂很早便实现了污水厂的网络控制，如DCS、FCS系统。同时国外较早的将SCADA技术引入到了给水排水工程中，并取得了良好的经济效益与社会效益[3]。国外同时注重水处理中PLC的开发，相继研制出了一些智能、稳定、小巧的控制单元，如AB公司的SLC系列、Siemens的S7系列、Schneider的TSX Quantum系列；同时国外也很重视在线仪表的研制，如德国E+H公司，美国的哈希公司相继研制了溶解氧DO（Dissolved
Oxygen）、化学需氧量COD（ChemicalOxygen Demand）分析仪。国外污水处理自控系统主要存在以下一个特点：
（1）采用集散控制系统DCS和现场总线控制系统FCS。按照厂区的自身情况和工艺段来划分若干个控制站，站与站之间可以平级关系也可以使上下级关系，站与站之间一般独立运行。设立中控室，中控室有操作员站和工程师站，负责全厂的数据管理与记录、报表等工作。
（2）大量采用在线监测的水质分析仪表，对全厂的水质实行实时监测，并由上位机记录下来，提高了测量精度。
（3）生产过程中不同程度上采用了智能控制，可以根据水质和水源的变化自动的调整相应的控制方式。
（4）大量采用遥测、遥控设备；并开始有效地利用社会信息资源，如电话网络、移动电话网络、国际互联网、气象信息等。
1.2.2国内污水处理自控系统发展状况
解放初期由于工农业生产刚刚起步，当时的污水污染程度很低，且提倡利用污水进行农业灌溉，特别是北方缺水地区将污水灌溉利用作为经验进行推广，如著名的沈抚灌渠等，所以全国仅有几个城市建设了近十座污水处理厂（还包括1921～1926年间外国人兴建3座污水处理厂），在处理工艺有的还是一级处理，处理的规模也很小，每天只有几千立方米，最大的也只有每天5万立方米左右，致使污水处理技术和管理水平处于较落后的状态。
与国外相比，我国污水处理自动化控制起步较晚，七十年代开始采用热工仪表，实行集中巡检；八十年代应用分析仪表和DCS系统；至九十年代，随着一大批利用国际贷款的大型污水处理厂的建成投产，我国
污水处理控制系统的自动化水平有了很大提高。从国外引进污水厂的自动控制系统已广泛采用集散式计算机监控系统，应用了自动化程度较高的检测仪表，各种新工艺、新设备大量出现并得到应用。可以说我国污水处理自动化的现状是：手动与自动皆备，自制和引用并举[4]。可以看出我国的污水处理自控系统有以下特点：
（1）对于新建的污水处理厂，引进了计算机分散控制系统，手动与自动并存的控制方式。大部分以前建设的污水厂自动化程度仍然很低，仍采用人工巡检的方式。
（2）国产在线仪表的稳定性还没有达到要求，所以大部分采用进口的在线仪表，但是由于进口仪表价格昂贵，所以应用并不是很广泛。水质的检测主要是有实验室人员通过实验来测量。
（3）各个控制站之间完全独立，没有信息的交换。并且各个控制单元由于其内部资源的限制，只是实现了简单的时间控制和逻辑控制。
（4）上位机监控软件很少使用，几乎没有中控室，不能对全厂的设备实行实时监控。而一些报表的工作也主要是由厂里的工作人员手工完成。
通过对比，不难看出整：体上和国外相比我国污水的自控系统仍然存在很大的差距，但是我国的应用前景却非常广泛、潜力很大。
1.3课题的主要研究内容
本课题论述了污水处理工艺及污水处理系统的组成和PLC控制系统设计,主要由以下内容组成：
（1）介绍了污水处理的基本内容，包括污水处理的发展，现状以及
污水处理的工艺流程；
（2）介绍了PLC的基本结构和工作原理，并对污水处理控制系统进行设计分析；
（3）具体分析设计污水处理的部分硬件系统；
（4）具体分析设计污水处理的部分软件系统。
第2章污水处理概述
2.1污水处理概述
城市污水、生活污水、生产污水或经过工业企业局部处理的后的生产污水，往往都排入城市排水系统，故把生活污水和生产污水的混合污水叫做城市污水。这些污水除含有碳水化合物、蛋白质、氨基酸、动植物脂肪、尿素、氨、肥皂和合成洗涤剂等物质外，还含有细菌、病毒等使人致病的微生物。经处理后的污水，最后出路有三种：(1)排放水体；(2)灌溉田地；(3)重复使用。水处理的目的不外乎三种[5]{6}：
(1)去除水中的影响使用水质的杂质以及污泥的处置，这是最主要的内容；
(2)为了满足用水的要求，在水中加入新的成分以改变水的的化学性质，如食用水中加氟以防止龋齿病，循环冷却水中加缓浊剂以控制腐蚀和结垢等；
(3)改变水的物理性质的处理，如水的冷却，降低水的粘滞度等。
2.2 污水处理工艺技术的现状及发展
我国现有城市污水处理厂80%以上采用的是活性污泥法，其余采用一级处理、强化一级处理、稳定塘法及土地处理法等。
“七五”、“八五”、“九五”国家科技攻关课题的建立与完成，使我国在污水处理新技术、污水再生利用新技术、污泥处理新技术等方面都取得了可喜的科研成果，某些研究成果达到国际先进水平同时，借助于国内城市污水处理工程项目的建设，国外许多新技术、新工艺、新设备被引进到我国，AB法、氧化沟法、A/O工艺、A/A/O工艺、SBR法在我
国城市污水处理厂中均得到应用。污水处理工艺技术由过去只注重去除有机物发展为具有除磷脱氮功能。国外一些先进、高效的污水处理专用设备也进人了我国污水处理行业市场，如格栅机、潜水泵、除砂装置、刮泥机、曝气器、鼓风机、污泥泵、脱水机、沼气发电机、沼气锅炉、污泥消化搅拌系统等大型设备与装置。
目前氧化沟工艺是我国采用较多的污水处理工艺技术之一。应用较多的有奥贝尔氧化沟工艺，由我国自行设计、全套设备国产化，已有成功实例。DE型氧化沟和三沟式氧化沟在中高浓度的中小型城市污水处理中也有应用。采用卡罗塞尔氧化沟工艺的城市污水处理厂大部分为外贷项目。
多种类型的SBR工艺在我国均有应用，如属第二代SBR工艺的ICEAS工艺，属第三代的CAST工艺、UNI-TANK工艺等。
随着我国对水环境质量要求的提高，使得新建城市污水处理厂必须考虑氮磷的去除问题。由此开发了改良A/A/O工艺和回流污泥反硝化生物除磷工艺，并已开始在实际工程中应用。
目前我国新建及在建的污水处理厂所采用的工艺中，各种类型的活性污泥法仍为主流，占90%以上，其余则为一级处理、强化一级处理、生物膜法及与其他处理工艺相结合的自然生态净化法等污水处理工艺技术[7]。
从国情出发，我国城市污水处理发展趋势：
(1)氮、磷营养物质的去除仍为重点也是难点；
(2)工业废水治理开始转向全过程控制；
(3)单独分散处理转为城市污水集中处理；
(4)水质控制指标越来越严；
(5)由单纯工艺技术研究转向工艺、设备、工程的综合集成与产业化及经济、政策、标准的综合性研究；
(6)污水再生利用提上日程；
(7)中小城镇污水污染与治理问题开始受到重视。
2.3污水处理工艺流程
污水处理就是采用各种技术与手段，将污水中所含的污染物质分离去除、回收利用，或将其转化为无害物质，使水得到净化。现代污水处理技术，按原理可分为物理处理法、化学处理法和生物化学处理法三类[8]。
生物化学处理是利用微生物处理污水中的有机污染物的一种工艺。该工艺运行费用较低，得到了广泛的应用，目前已成为城市污水处理的主体工艺。该法有活性污泥法和生物膜法两种，前者多用于城市污水，后者多用于处理高浓度有机污水与污水处理过程中生产的污泥。
城市污水处理按处理程度不同可分为预处理、一级处理、二级处理、深度处理和污泥处理及处置。
预处理：主要包括格栅和沉砂池。其主要作用是截留大块物质、砂石，以保证后续设备的正常运行。
一级处理：主要是初次沉淀池。目的是将污水中悬浮状态的固体污染物质尽可育出也沉降去除，经过一级处理后的污水，可去除50%左右的悬浮物，污水五日需氧量一般只能去除30%左右，达不到排放标准。
二级处理工艺：主要由曝气池和二沉池构成。它是城市污水处理厂的核心，一般采用生物处理方法中的活性污泥法，主要去除水中呈胶体
和溶解状态的有机污染物。经二级处理后，有机污染物质的去除率可达90%以上，污水中污水五日需氧量值可降至20～30mg/L，有机污染物达到排放标准。
深度处理：通用的工艺有混凝沉淀和过滤。主要目的是为了满足高标准的受纳水体要求或会用于工业等特殊用途，它是城市污水处理未来发展的方向。
污泥处理和处置：主要包括浓缩、消化、脱水、堆肥或卫生填埋[9]。
2.4 SBR污水处理工艺概述
式活性污泥法，简称SBR 。早在1914年，这种处理系统就被采用，但由于当时的自动化水平较低，操作困难且工作量大，特别是后来随着城市和工业废水处理规模的日趋扩大，这个缺点更加突出，间歇式活性污泥法逐渐被连续式活性污泥法取代。近年来，随着计算机和自动控制技术的飞速发展，这一弊端得到很好的解决。同连续式活性污泥法相比，SBR具有许多独特的优点，使得间歇式活性污泥法日益受到国内外的重视。
SBR反应池去除有机物的机理在充氧时与普通活性污泥法相同，不同之处是运行按流入、反应、沉淀、排放、待机五个工序，依次在同一SBR反应池中周期性运行。从废水流入开始到待机时间结束为一个周期，一切过程都在一个设有曝气或搅拌装置的SBR反应池内进行，不必另设沉淀池和污泥回流泵等装置。间歇式活性污泥曝气法在流态上虽然属完全混合式，但在有机物降解方而，则是时间上的推流。
SBR工艺是一种简易、快速且低耗的废水生物处理工艺。它主要有
以下几个方而的特点：1.工艺简单、造价低；2.时间上具有理想的推流式反应器的特性；3.运行方式灵活，可脱氮除磷；4.具有较强的耐冲击负荷的能力；5.良好的污泥沉降性能，不易产生污泥膨胀现象[10]。
第3章设计方案的确定
3.1 PLC控制系统的设计分析
3.1.1 PLC的结构
PLC实质是一种专用于工业控制的计算机，其硬件结构基本上与微型计算机相同。根据结构形式的不同，PLC的基本结构分为整体式和模块式结构两类。
1.整体式结构的PLC
整体式（又称箱体式）结构的PLC由中央处理器（CPU）、存储器、输入/输出（I/O）单元、电源电路和通信端口等组成，并将这些组装在同一机体内。这种结构的特点是结构简单、体积小、价格低、输入/输出点数固定、实现的功能和控制规模固定，但灵活性较低。基本结构框图如图3-1所示。
图3-1 整体式结构