基于PLC的污水处理系统设计__开题报告

毕业设计（论文）开题报告

题 目：基于PLC的污水处理系统的设计

院 （系） 信息科学与工程学院 专 业 电气工程及其自动化 学 生 学 号 指导教师

开题报告日期 2010.04.07

哈尔滨工业大学教务处制

2010年4月

参考资料

哈尔滨工业大学（威海）毕业设计（论文）开题报告

基于PLC的污水处理系统的设计

开题报告

1. 课题来源及研究目的和意义

研究目的：

世界上任何国家的经济发展，都会推进社会进步、促进工农业生产能力，使人民的生活得到进一步改善，尤其在工业革命之后，各国经济飞速发展，全球大量的不可再生资源（例如石油）被利用。

如果这些污水无净化排出必定会给周围环境造成很大的污染，而且我国是一个严重缺水的国家，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达2300亿元，超过洪涝灾害。水资源的匮乏和水资源的污染已经严重的影响了人民的日常生活，严重的影响了全国的经济建设和发展。特别是我国北方城市，如北京、天津、沈阳等城市水资源更为短缺。在这种情况下，油田的污水更加不能随便外排，而是要净化之后合理利用。

我国污水处理的电耗为0.365kWh/m3、日本为0.304 kWh/m3、美国为0.243kWh/m3，因此建设符合我国具体情况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、保持我国经济高速发展具有重要意义。

2．国内外在该方向的研究现状及分析

国外发展情况：

国外一些发达国家，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。环境问题特别是水资源污染的严重性也较早的体现出来，对污水的处理更先进一些，同时也得到了这些国家政府的重视，投入了大量的人力、物力进行油田污水处理的研究。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。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80%~90%，成功地解决了来自于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

- 1 -

哈尔滨工业大学（威海）毕业设计（论文）开题报告

水厂很早就实现了网络控制，如DCS、FCS系统。同时国外较早的SCADA技术引入到了给排水工程当中，并取得了良好的经济效益与社会效益。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（Chemical Oxygen Demand）分析仪。国外污水处理自控系统主要存在以下特点：

（1）采用集散控制系统DCS和现场控制系统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是上下级关系，站与站之间一般独立运行。设立中控室，中控室友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进行实时监测，并有上位机记录下来，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。 国内发展情况：

随着工业的发展，各项先进、成熟的污水处理技术逐渐引进、应用于现场生产。主要污水处理设备及配套没备基本实现了国产化，并逐步形成了系列化、规模化，如用于不同条件下的过滤设备、气浮选、压力除油、液—液旋流除油等除油处理设备、药剂投加设备等。水处理的自动化程度有了提高。过滤处理、污泥脱水、气浮装置、加药装置等实现了PLC集成面板自动控制；流量、液位、以及悬浮周体含量等水质指标也实现了实时在线监测。水处理更加重视工艺和化学的有机结合。水处理剂的品种增多、效能提高。水化学的研究手段增强、水平提高。特别是针对污水达标外排处理的要求。开展了水微生物学的研究，发展应用了生化处理技术，特别是开展生化处理以后，水微生物学的研究从无到有逐步发展，开始建立用于污水、污泥处理的菌种库，适应了达标外排处理的需要。

尽管我们在水处理方面取得了一些成果，但新的矛盾不断出现，新的难题需要解决，油田水系统面临着严峻的形势，受到前所未有的挑战，存在的主要问题是：

（1）各污水厂都面临着水处理设施老化，装备落后，效率较低，技术改造工作量较大，特别需要用先进的技术、先进的装备对系统进行升级换代的彻底改造，以提高水处理系统的水平。

（2）运行成本高，特别是药剂用量大，药剂费用居高不下，与降本增效矛盾较大，影响到处理水质和系统保护。急需开发高效、多效、低成本的水处理剂。

（3）腐蚀和结垢问题仍然是困扰水系统正常生产的严重问题。不少设

- 2 -

哈尔滨工业大学（威海）毕业设计（论文）开题报告

备腐蚀问题没有得到根本解决，腐蚀十分严重，不仅影响生产，而且维修量大，维修费用高。

（4）水系统发展和提高的技术还待解决，如污泥的无害化处理及综合利用、高含盐采出水的处理利用、处理设备的高效化、加强油田水化学研究等。

解决水系统存在的问题除大力推广新技术、新工艺、新设备，加大对水系统改造的投入外，关键的是依靠科技进步，加强科技攻关，针对污水厂急

需解决的难题开展研究，开发一批适用新技术，满足油田开发的需求。

3．主要研究内容

3.1.1 PLC控制系统的设计步骤

开始3.1 系统方案的确定

控制要求分析结束 确定输入输出设备撰写论文选择合适的PLC模拟调试I/O点数分配PLC程序设计组态设计

图1 设计步骤示意图 3.1.2 污水处理过程

- 3 -

哈尔滨工业大学（威海）毕业设计（论文）开题报告

图2 系统工艺流程图

3.2 主控电路的设计

电机控制分为本地控制和远程PLC自动控制。设计主电路的过程应该考虑设计过载保护和过电流控制措施，设计短路保护及其他的电气保护。根据主电路的要求设计控制回路，设置必要的联锁。根据指示、报警等要求设计辅助电路。

图3 SBR污水处理电气控制系统主电路

3.3 PLC的选型和I/O点的分配

PLC得选择包括对PLC机型、容量等得选择。

控制系统I/O点及地址的分配。

3.4 外围电路的设计

阀门的控制电路：

整个过程初步需要用到5个阀门，信号的来源分别如下：

阀门（1）：

在污水进入储水罐之前要安装阀门（1）和流量传感器，控制阀门（1）的信号来至液位传感器，当液位传感器检测到储水罐中的污水到达最高警戒

- 4 -

哈尔滨工业大学（威海）毕业设计（论文）开题报告

水位时，液位传感器发出信号给阀门（1），阀门（1）立刻自动关闭，当储水池中另一液位传感器检测到储水罐中的污水到达最低警戒水位时，液位传感器发出信号给阀门（1），阀门（1）立刻自动打开。

阀门（2）：

用搅拌器把在储水罐中的污水搅拌均匀，用PH值检测电路检测污水的PH值，PH值检测电路的信号传给加药部分的阀门（2），控制加药量，确保污水的PH值基本呈中性。

阀门（3）：

储水罐中的污水在液位传感器的监测下进入SBR池。

当液位传感器（3）检测到SBR池中的污水到达警戒水位时，液位传感器发出信号给阀门（3），控制进入三相分离器中水的流量。

阀门（4）：

如果SBR池中的液位太低，低于要求的最低位置，液位传感器（4）检测到的信号传给阀门（4），减少流出的水。

阀门（5）：

如果SBR池中的液位太低，低于要求的最低位置，液位传感器检测到的信号传给阀门（5），减少流出的水。

液位传感器：

整个过程初步需要用到4个液位传感器。

当液位传感器（1）检测到储水罐中的污水到达最高警戒水位时，液位传感器（1）发出信号给阀门（1），阀门立刻自动关闭。当储水池中另一液位传感器（2）检测到储水罐中的污水到达最低警戒水位时，液位传感器（2）发出信号给阀门（1），阀门立刻自动打开。当液位传感器（3）检测到SBR池中的污水到达最高警戒水位时，液位传感器发出信号给阀门（3），控制进入SBR池中水的流量。当液位传感器（4）检测到SBR池中的污水到达最低警戒水位时，液位传感器发出信号给阀门（3），控制水的流量。

- 5 -

哈尔滨工业大学（威海）毕业设计（论文）开题报告

图4 液位传感器 搅拌机电路：

控制污水中的杂质均匀，利于检测处理。

图5 “正—停—反”控制线路

3.5 系统软件的设计

程序设计

根据系统的控制要求，以满足控制要求为主线，编写各控制功能的程序，完善系统的指定功能。

1、初始化程序。在PLC上电后，要做一些初始化操作，为启动做准备，避免系统发生误动作。主要内容是对某些数据区、计数器等进行清零，对某些继电器进行置为或复位等等。

2、保护和连锁程序。保护和连锁是程序中不可缺少的部分，可以避免由于非法操作引起的控制混乱。

3、程序模拟调试。模拟产生现场实际状态，为程序运行提供条件。

4．研究方案及进度安排，预期达到的目标

研究方案：

1）研究污水处理的发展与现状，分析污水处理的工艺流程

2）研究PLC控制系统的硬件结构、运行原理以及PLC控制系统的设计

原则和步骤

3）具体分析污水处理流程，确定被控对象 4）对PLC进行选型I/O点数分配 5）硬件电路分析

6）对污水处理工艺各环节进行具体的软件编程 方案的可行性分析：

- 6 -

哈尔滨工业大学（威海）毕业设计（论文）开题报告

PLC集顺序控制和过程控制于一体，具有可靠性高，使用方便灵活，组网简单的特点，是实现中小规模工业自动化的有力工具。在污水处理中，基于PLC的控制系统在实时性、可靠性、精确性等方面满足了设计要求。 进度安排：

11.08—12.02 查阅资料，收集资料，查找数据进行学习 12.03—12.23 整理资料，写开题报告 12.24—4.07 开题报告的整理与答辩

4.08—4.28 系统方案的设计与选型、制定论文计划 4.29—5.19 进行系统的方案设计 5.20—6.10 主电路的设计

6.11—6.25 PLC控制电路设计

6.26—6.30 设计总结，完成毕业设计论文

5．为完成课题已具备和所需的条件和经费

基本的实验室条件，查询文献资料的条件已经具备，就目前的进度来说，没有再需要的条件。

6．预计研究过程中可能遇到的困难和问题，以及解决的措施

由于网上有很多关于污水厂的污水处理说明，想要了解污水处理的具体方法和过程并不困难。但是在学过PLC控制之后，并没有太多具体的实践编程经验，只是做过一次不算太难的课程设计，所以此次毕业设计算是第一次实践，在PLC编程过程中遇到困难在所难免。由于时间充裕，在确定设计题目后，一直在看相关的书，所以对在此过程中可能遇到的困难有充足的准备。

7．主要参考文献

1 张卫娜.基于PLC的污水处理研究.沈阳航空工业学院学

报.2007,15(3):67-68

2 Tellez,Gilbert T. Performance evaluation of an activated sludge

system for removing petroleum hydrocarbons from oilfield produced water. Advances in Environmental Research .2002(6):15-17

3 Campos J C.Borges, R.M.H.Oliveira A.M Filho. Oilfield wastewater

treatment by combined mjcrofiltration and biological processes. Water Research. 2002(36):75-78

4 Hyeon Bae, Sungshin Kim.Man Hyung Lee, Yejin Kim Chang Won Kim.

Knowledge-based unmanned automation and control systems for the SBR wastewater treatment process. Artif Life Robotics.2003,7(1):107-111

5 陈东升,韩东宁,王洪臣.小城镇污水处理采用SBR工艺的控制系统.中国

给水排水.2006,14(4):76-77

6 何献忠.工业污水处理的PLC控制应用.机电产品开发与创

新.2004,17(1):77-78

- 7 -

哈尔滨工业大学（威海）毕业设计（论文）开题报告

7 吴凛云,叶献方.基于PLC的SBR法污水处理控制仪.石油仪器.2002,16(5):13-14

8 商敏儿,杜树新.活性污泥法处理过程自动化控制的研究现状.环境污染

治理技术与设备.2002,3(1):83-87

9 仝卫卫,王少辉,郝建新.SBR工艺控制问题的PLC程序编制方法. 郑州轻

工业学院学报.2008,23(5):111-114

- 8 -