1、三菱Q-PLC在污水處理系統中應用 三菱Q-PLC在污水處理系統中的應用秦娜娜,趙晨,陳麗,劉臏升(東北大學,信息科學與工程學院)摘要: 隨著經濟的快速增長,工業化程度的不斷提高,人類的生產生活對于水的需求也在不斷的加劇。在資源危機愈演愈烈的今天,如何能夠更有效地節約水資源、如何能夠更高效的回收利用水資源也就理所當然的成為了人們不斷探討的話題。而在這項世界范圍內的討論中,對于污水的回收處理和二次利用毋庸置疑的成為了公認的既簡單而又行之有效的方法之一。 本參賽工程正是基于污水的回收處理這一熱點話題,應用三菱Q系列PLC等設備,專門針對橡膠廠在生產過程中產生的堿性工業廢水進行凈化、中和以及生化氧化

2、等處理,使其最終到達“中水的排放標準。經過處理的污水完全可以被工廠再次使用,或是被平安的排放到河流中而不會造成污染。關鍵字:Q系列PLC,CC-Link;以太網卡;變頻器;污水處理;人機界面Abstract With the rapid economic growth and the constant improvement of the industrialization, the requirement of the water is becoming more intensified. In a resource crisis period, sewage recycling is th

3、e key to conserve water resources more effectively, and utilize water resources more efficiently. Based on this topic, the project aims at sewage recycling, using the Mitsubishi Q series of PLC, etc, especially for the alkaline industrial waste water produced by the rubber factory. By neutralization

4、 and biochemical oxidation processing, the system will purify the water, making it up to the emission standard. The processed sewage completely can be reused, and it can be discharged safely into rivers unpolluted.Key Words:Q series PLC,CC-Link,Ethernet card,invertor,sewage disposal,HMI一、前言 隨著科學開展觀的

5、提出,環境保護已經成為了我國開展經濟的同時需要重視的首要問題,而對于水資源的保護那么是環境保護的第一要務。因此,在水資源日益緊缺,水污染日益嚴重的今天,污水處理就成為了水資源保護工作成敗的關鍵。搞好污水處理既可節能減排、保護環境,又能夠促進經濟開展的良性循環、利國利民,是保證國民經濟可持續開展、關系國計民生的重要舉措。所以,開發適合我國國情的高效、低耗、滿足排放要求、基建和運行費用低的污水處理系統,具有十分重要的現實意義。 污水處理自工業革命以來,越來越受到人們的重視。污水處理率已成為一個地區文明與否的一個重要標志。近200年來,污水處理已從原始的自然處理、簡單的一級處理開展到利用各種先進技術

6、、深度處理污水,并且回收再利用。處理工藝也從傳統活性污泥法、氧化溝工藝開展到A/O、A2/O、AB、SBR(包括CCAS工藝)等多種工藝,以到達不同的出水要求。 我國污水處理相對于興旺國家而言起步較晚,目前城市污水處理率只有6.7%。在我們大力開展污水處理,不斷地引起國外先進技術、設備和經驗的同時,我們必須結合我國的實際情況,尤其是特定地區的工業開展和人民生活水平的情況,來探索適合我國國情的污水處理系統。 結合我國實際情況,參考國外先進技術和經驗,建設污水處理廠應符合以下幾個開展方向: (1)節約總投資。我國是一個開展中國家,經濟開展所需資金非常龐大,因此嚴格控制總投資對國民經濟開展大有益處。

7、 (2)運行費用低。運行費用是污水處理廠能否持續正常工作的重要因素,是評判工藝優劣的主要指標之一。 (3)占地面積少。我國人口眾多,人均土地資源極其緊缺。節約用地是我國許多城市開展和規劃所要遵循的一個重要原那么。 (4)脫氮除磷效果。隨著我國大面積水體環境的富營養化,污水的脫氮除磷已經成為一個迫切的問題。我國最新實施的國家?污水綜合排放標準?(GB8978-1996)非常嚴格地規定了適用于所有排污單位的磷酸鹽排放標準和氨氮排放標準。這就意味著今后絕大多數城市的污水處理廠都要重點考慮脫氮除磷的問題。 (5)現代先進技術與環境保護工程的有機結合。現代先進技術,尤其是計算機技術和自動控制系統的日臻完

8、善,為環境保護工程的開展提供了強有力的支持。目前,興旺國家的污水處理廠大都采用先進的計算機管理和自動控制系統,保證了污水處理廠的正常運行率和出水合格率,而我國在這方面還是比較落后。因此,計算機控制及管理也必將是我國城市污水處理廠的開展方向。 PLC以可靠性高,穩定性好,功能強的特點廣泛運用于企業的控制系統中,被譽為當今世界最先進的控制系統裝置。我們采用三菱Q系列PLC做控制器,通過軟件編程使啟停液位、報警液位、邏輯控制、出水流量、提升泵站液位差等環節滿足工藝要求;HMI (Humanity Machine Interface)人機界面方便實時監控及調試;SCADA(Supervisory Co

9、ntrol And Data Acquisition)上位機監控可以將數據通過以太網上傳,便于數據的統計分析和故障的檢測排除 ;CC-LINK (Control Communication Link)現場總線通訊可靠性高,將其運用于污水處理廠的控制系統易于實現對于大面積分散廠區的網絡化控制和管理;應用軟件控制代替硬件控制,為自動化控制的順利實現創造了條件1。 本參賽工程針對橡膠廠的污水處理,橡膠廠產生的工業污水呈堿性,并且含有雜質。假設任其隨意排放掉,不但會造成浪費,更重要的是會嚴重地污染環境、破壞水質。本污水凈化處理系統就是為解決這一問題,它可將堿性污水進行過濾、沉淀、凈化、中和等處理,最終

10、到達“中水標準進行排放,并可以循環利用。二、工程功能簡介2.1 系統工藝流程簡介 本工程所設計的污水處理廠采用分級處理工藝,分為一級處理和二級處理。一級處理采用物理方法,通過格柵攔截、沉淀等手段去除廢水中大塊懸浮物和砂粒等物質。二級處理那么采用生化方法,通過微生物的生命運動等手段來去除廢水中的懸浮性,溶解性有機物以及氮、磷等營養鹽。 具體步驟如下: (1)工業廢水經過污泥管道進入格柵間,格柵可以除去大塊漂浮物,防止對后續污水處理設備的損害。經過機械格柵過濾后的污水將進入集水井,集水井能夠實現污水的提升處理。集水井內設PH計1,假設PH在設定范圍外,自動開啟提升泵2,將污水提升到事故池中,事故池

11、內設電動閥門1和電磁流量計2,通過設定排水流量來控制系統調節電動閥門1的開啟度,將污水重新排入集水井;假設PH在設定范圍內,自動開啟提升泵1,污水被提升到調節池中。 (2)調節池的主要作用是調節水質水量,池底設有吹氣管道,由鼓風機向池內吹氣。加藥泵1根據PH計1進行變頻加藥,風機1給調節池鼓風,通過加藥泵1、2、3的加藥,使污水由堿性轉化為中性,然后通過提升泵3將污水排放到沉淀池1中。 (3)沉淀池1內設電導率儀,電導率控制電動閥門2的開啟,將一小局部達標的清水排放掉;而其他大局部污水將被排放到生化池中。 (4)生化池的作用包括水解酸化和接觸氧化。水解酸化可以調節廢水的PH值,接觸氧化是利用好

12、氧微生物分解污水中的有機物,通過風機2不斷地把空氣打入水中,使空氣中的氧溶入水中,為好氧微生物提供分解環境。風機2通過變頻器與溶解氧測定儀連鎖控制,依據溶解氧測定儀的檢測反響,應用PID算法來調節鼓風量。反響后的水將會被排放到沉淀池2中,此時沉淀池2的上層水已經到達排放標準,可以直接排放。 (5)沉淀池1和沉淀池2底部的污泥被兩個污泥泵抽到污泥池,污泥池的作用是對于污泥的儲存,并進行污泥濃縮處理,污泥濃縮池主要進行污泥重力濃縮,通過手動控制電動閥門3來將污泥池中的清水排放掉。 (6)污泥池內的污泥將被螺桿泵抽出送至帶式污泥壓縮機,在加藥泵4的藥物作用下,污泥最終被壓縮成泥餅,作為固體肥料用于農

13、業生產。 通過上述過程,呈堿性的污水被凈化處理成為到達排放標準的“中水,污水中的雜質經過壓縮處理最終轉化成可作為肥料使用的泥餅。這樣既到達污水凈化處理的目的,又充分利用了資源。 系統的工藝流程如2.1圖所示。 圖2.1 系統工藝流程圖2.2 系統功能 1. 用戶可以通過HMI人機界面修改風機等設備的運行時間,從而適應不同的污水達標要求。 2. 兩種運行方式: 自動操作:根據集水井的液位高度,自動開啟或關閉污水閥。根據集水井內PH計的設定范圍,自動開啟調節池或事故池。根據調節池的液位高度,自動控制提升泵1的運行。根據事故池的PH值,自動控制電動閥門1的開啟,決定是否回流。加藥泵1通過PH計1可通

14、過變頻器控制加藥量。根據電導率測定值,自動控制電動閥門2的開啟。變頻器與溶解氧測定儀連鎖控制風機2的鼓風量,溶解氧測定儀顯示溶解氧含量,當溶解氧低于某值時自動報警。根據污泥池的液位高度,自動控制螺桿泵的啟動。帶式污泥脫水機自帶報警顯示。 手動操作:手動操作也就是單步運行操作,既可以手動操作整個系統運行,也可對于系統進行檢修,對部件進行逐個調試。調試可以用控制柜中的開關對其進行控制,或是通過HMI人機界面對其進行單步控制,也可以使用上位機的監視畫面對其進行操作。3、污水處理自動控制系統硬件設計 對于污水處理廠而言,其在線儀表信號大多為模擬信號、其處理設備大多為直接電氣控制,同時污水處理的水池體積

15、都較為龐大,導致數據采集點相對分散,距離遠。因此,本系統采用三菱PLC+CC-Link+以太網組成兩層網絡的遠程控制系統。 PLC是一種數字運算操作的電子系統,專為在工業環境下應用設計,它采用一類可編程序的存儲器,用于其內部存儲程序,執行邏輯運算、順序控制、定時、計數和算術操作等面向用戶的指令,并通過數字式或模擬式輸入輸出,控制各種類型的機械或生產過程2。三菱Q系列PLC的特點是:可靠性高;控制能力強;編程方便,易于使用;適用惡劣工業環境,抗干擾能力強;具備各種接口,與外部設備連接方便;采用積木式或模塊式結構,具有較大的靈活性和可擴展性;維修方便,可在線修改程序等。 CC-Link是通過專用電

16、纜將分散的I/O模塊組態,搭建現場總線網絡通過PLC的CPU控制。它具有如下特點:將每個模塊分散到類似傳送生產線和機械設備中去,節省配線。使用處理類似I/O或數字的ON/OFF數據的模塊,實現高速的通信。可以與其他商家的不同設備進行連接,使系統更加具有靈活性。 CC-Link具有豐富的功能:簡單的系統組態功能,自動刷新功能,豐富的RAS(Reliability Availability Serviceability)功能,預約站功能,備用主站功能,子站脫離功能,自動上線功能,監控功能。 用于工業實時控制的標準TCP/IP以太網,能夠幫助用戶獲得更加開放集成的工業自動化和信息化的整體解決方案3。

17、滿足現代化企業管理要求整個生產和管理過程都運用信息技術和自動控制技術,將現場信息和管理信息結合,建立綜合自動化的信息平臺。EtherNet/IP既滿足從高精度時間同步、分布式伺服控制、離散控制、過程控制到平安系統等所有工業應用要求,又支持現場和遠程監視、診斷和組態。本工程采用CC-Link實現現場控制,以太網實現廠區內的分級控制。生產過程中的各種信號通過相應的變送送入下位機,下位機采用可靠的PLC作為控制單元,運行先進的控制算法,實現現場設備的實時控制。作為上位機的工控計算機采用標準的通信協議和數據庫,通過以太網實現信息的集成管理和遠程控制4。上、下位機之間通過網絡傳送采集參數和遠程控制參數。

18、 硬件結構如3.1圖所示: 圖 3.1 污水處理自動控制系統硬件結構圖4、污水處理自動控制系統軟件設計4.1 PID控制算法設計4.1.1 控制方案 污水處理是一個非線性、時變、滯后的動態過程。其中的生物氧化環節是整個處理過程中極其重要的一局部,決定其處理效果的關鍵因素是生化池內嗜氧細菌的活潑程度,而決定嗜氧細菌的活潑程度的一個關鍵因素就是溶解氧DO濃度。因此,可以說溶解氧濃度是污水處理效果的主要影響因素。在系統中,溶解氧濃度是通過控制曝氣裝置的運行來加以調節的。但是,如果曝氣時間過長,浪費能源且易發生污泥膨脹;曝氣時間過短,生化反響不充分,出水水質下降,難以到達排放標準。 因此,整個反響過程

19、生化池中的溶解氧必須維持在適當的濃度。為了到達溶解氧濃度的要求,我們應用了PID算法來控制風機的鼓風量。 在系統設計時,我們提出了以下兩套方案來完成控制要求: 方案一:通過調節曝氣時間,即鼓風機的運行時間來調節總進氣量,從而調整生化池的溶解氧濃度。 方案二:通過調節鼓風機的轉速,即鼓風機送入生化池的風量大小來調節單位時間內的進氣量,從而調整生化池的溶解氧濃度。 方案一中,由于進水出水的擾動,為了到達控制要求,鼓風機需要經常的啟制動,這樣頻繁的滿負荷啟停會加速電機的損耗,對于設備極為不利。綜合分析以上兩種方案,我們最終采用第二套方案。 生化池風機鼓風量的控制系統結構框圖如圖4.1所示。 圖4.1

20、 DO控制系統框圖4.1.2 PID調節原理 PID調節器的設計如下: PID調節器的離散化微分方程為: ukuk-1+Kp*ek-ek-1+Ki*ek 其中,比例系數Kp會影響系統的反響速度,調節系統向減少偏差的方向變化, Kp參數設置過小,系統響應過慢,調節時間過長;Kp參數設置過大,將導致系統的超調增加,穩定性變壞,甚至使系統產生震蕩。積分系數Ki的作用是消除系統靜差, Ki參數設置過大,不利于減少超調,減小震蕩,使系統不穩定,系統響應速度反而減慢。 PID算法程序流程圖 圖4.2 PI控制算法流程圖 4.1.3 變頻器參數設置 因為我們選用的F740變頻器自帶PID調節器,所以可直接設

21、置PID參數實現PID功能。變頻器參數設置如表4.1:表4.1 變頻器參數設置表序 號參 數 名 稱參 數 號 碼參 數 值1PID動作選擇P128202PID上限P131503PID下限P13204RT端子功能選擇P183145模擬量輸入選擇P7346端子4輸入選擇P26727AM端子功能選擇P15818SU端子功能選擇P191479IPF端子功能選擇P1921610OL端子功能選擇P1931411FU端子功能選擇P1941512PID比例帶P1291/Kp13PID積分時間P130Ti 4.1.4 波形分析 調節比例系數和積分時間,當給定一個溶解氧目標值時,由于實際的溶解氧值與設定目標值存

22、在偏差,由于PID的調節作用,風機開始運轉,然后全速運轉,隨著溶解氧的實際值與目標值的差值的縮小,風機的轉速逐步下降,最終使系統到達穩定狀態。其中,P12920;P1301, Kp1,Ti4,波形如以下圖所示:圖4.3 鼓風機轉速調節圖 結果說明以溶解氧為控制參數的PID控制器應用在活性污泥處理系統中時,能夠使生化池中的溶解氧很好的跟蹤設定值,到達系統對溶解氧的設定要求。 4.2 PLC程序設計 在污水處理系統中,采用三菱Q系列PLC進行編程,程序流程圖如圖4.4。圖4.4 程序流程圖 5、監控 本工程的監控系統主要包括現場監控和上位機監控兩局部。1 現場監控: 觸摸屏選用步科電氣公司生產的M

23、T4300C型觸摸屏人機界面。人機界面主要用于顯示設備和系統狀態的實時信息,屏幕中的組態畫面可顯示相應的系統工作狀態信息,輸入數值或字符可與PLC進行數據交換,從而產生相應的動作,進而控制系統設備,觸摸屏作為人機界面,實現了對風機運行的監控,并且可以對存放器的局部參數進行設定。在具體設計上,以實用作為根本的出發點,在界面上表達出根本的輸入按鍵與輸出狀態顯示,同時以生動的圖形來模仿表示污水處理系統的根本工作流程,最后做到清晰簡約的界面。 污水處理系統污水處理系統流程示意圖如圖5.1,點擊流程工藝區域即可進入監視該環節的監視畫面。 圖5.1 污水處理系統流程示意圖 曲線監視畫面如圖5.2所示。點擊

24、環節名稱即可進入曲線監視畫面,觀測液位,PH值,溶解氧濃度,電解率等歷史曲線。便于預測趨勢,在出現故障時便于分析故障原因。 圖5.2 污水處理系統曲線監視選擇面板手動設置參數面板,可以根據實際需要更改風機運行時間間隔,污泥泵啟動時間間隔等等。如圖5.3所示。 圖5.3 污水處理系統手動設置面板(2)上位機監控 為了方便管理人員監視分析系統工作情況,我們借助三菱以太網模塊QJ71E71及MOVICON組態軟件搭建了一個SCADA(Supervisory Control And Data Acquisition )系統平臺。將系統的橫向信息(同一層不同節點的通信)和縱向通信(上、下層之間的通信)加以結合,能夠進行現場控制、故障診斷、過程優化、信息傳送等綜合處理,實現混合智能優化控制。使控制系統靈活、可操作、方便擴大控制規模。上位機監視示意圖如圖5.4所示。圖5.4 上位機監視畫面6、設計總結 本工程針對污水處理廠的自動化控制應用做了整體的設計,此次工程的設計開發,使我們對污水處理工藝及三菱Q系列PLC有了較深入的了解,既增強了環保意識,又深入學習了三菱電機產品的應用。 由于本工程是實際應用工程工程,故而程序龐大且復雜。開始動手準備時,面對一整套系統,我們也曾感到無從