2014屆課程設(shè)計PLC可編程控制課程設(shè)計《污水處理鼓風機房分控站》課程設(shè)計說明書學生姓名夏偉康李凱迪學號50112101215011210116所屬學院信息工程學院專業(yè)計算機科學與技術(shù)班級計算機14-1指導教師叢申教師職稱講師塔里木大學教務(wù)處制

目錄第一章緒論 21.1設(shè)計的背景與意義 21.2主要內(nèi)容和預期目標 3第二章設(shè)計方案 32.1鼓風機的功能以及會出現(xiàn)的問題預測和處理方法 32.1.1風機選型 32.1.2風量調(diào)節(jié) 42.1.3空氣過濾 42.1.4喘振及防止方法 52.1.5噪聲控制 62.1.6風機冷卻 72.2鼓風機房設(shè)計原理 72.2.1設(shè)計舉例 72.3我們的設(shè)計方案 82.4控制結(jié)構(gòu)的軟件設(shè)計 92.4.1plc程序設(shè)計 92.5WinCC6.0監(jiān)控界面的設(shè)計 11第三章總結(jié) 12參考文獻 13第一章緒論1.1設(shè)計的背景與意義我國是個缺水的國家，人均水資源占有量僅為世界人均占有量的1/4。而且我國的水資源在時空和地域分布上的分布不均勻，更加重了實際的缺水情況。因此近些年來我國城市水資源進一步緊張，許多城市嚴重缺水。與此同時，水資源污染卻日益嚴重，因此許多都城市規(guī)劃和建設(shè)了自己的污水處理廠，來改變目前水資源緊缺且污染的現(xiàn)狀。我國城市污水處理事業(yè)是在80年代初逐步發(fā)展起來的，經(jīng)過幾十年的發(fā)展已經(jīng)初具規(guī)模。但是，與國外同期的城市污水處理廠相比較，始終存在效率低、自動化程度低、能耗高且運行費用高等缺點。隨著全球能源供應緊張和對自動化程度要求的不斷增加，我國的污水處理廠必然向著高度自動化和無人職守的方向發(fā)展。目前，PLC在其穩(wěn)定性、高自動化程度的不斷加強，使得PLC成為城市污水處理自動化方面[1-3]的首選。如今，我國污水處理事業(yè)迎來了高速發(fā)展的階段，不僅大城市，很多中小城市、鐵道部各車站區(qū)，甚至發(fā)達地區(qū)的鄉(xiāng)鎮(zhèn)都開始修建污水處理廠。PLC控制器以其技術(shù)成熟、通用性好、可靠性高、安裝靈活、擴展方便、性能價格比高等一系列優(yōu)點，在工業(yè)控制中得到了越來越廣泛的應用，在污水處理中也得到一定程度的推廣。隨著現(xiàn)代控制技術(shù)和計算機技術(shù)的飛速發(fā)展，PLC控制技術(shù)在污水廠中得到了廣泛應用，使得整個污水處理過程實現(xiàn)了計算機監(jiān)測、控制和管理[4-6]，以實現(xiàn)高質(zhì)量、低成本、穩(wěn)定可靠的運營方式。針對我國水資源現(xiàn)狀呈不斷惡化的態(tài)勢，介紹現(xiàn)有的污水處理基本原理和技術(shù)，對新興的污水處理理論和技術(shù)、污水治理方法做出評價。水體污染是指排入水體的污染物使該物質(zhì)在水體中的含量超過了水體的本底含量和水體的自凈能力，這些污染物質(zhì)使水體的物理、化學性質(zhì)或生物群落組成發(fā)生變化，從而降低了水體的使用價值。治理污水的方法和技術(shù)的基本原理主要是分離、轉(zhuǎn)化。設(shè)計系統(tǒng)應用先進的工業(yè)控制計算機、可編程控制器、工業(yè)自動化組態(tài)軟件技術(shù)、電力電子控制技術(shù)藝等，介紹了PLC在污水處理廠自動控制系統(tǒng)中的應用，通過PLC控制系統(tǒng)的配置和控制方式，和用PLC控制站和上位機組成的控制系統(tǒng)，從而實現(xiàn)污水處理整個過程的實時監(jiān)測和自動控制。我們把污水處理廠這個大工程分為了取水泵房分控站、加氯系統(tǒng)分控站、加藥系統(tǒng)分控站、預沉淀池系統(tǒng)分控站、沉淀池系統(tǒng)分控站、v型濾池系統(tǒng)分控站、鼓風機房分控站、交配電及送水泵房分控站。當然我們小組也只能為污水處理廠出一份薄力選擇的鼓風機房分控站。1.2主要內(nèi)容和預期目標（1）介紹了當前工藝技術(shù)，根據(jù)需要最終選擇鼓風機型號，明確控制要求。通過系統(tǒng)設(shè)計方案了解PLC控制系統(tǒng)的全部功能，控制規(guī)模，控制方式。（2）針對污水處理的工業(yè)對象，分析其工藝流程和控制特點，根據(jù)其控制要求，完成基于PLC的污水處理鼓風機房控制的方案論證和設(shè)計，即PLC控制系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計。硬件設(shè)計部分，完成了PLC的機型選擇，CPU的選擇，數(shù)字量的選擇和電源模塊的選擇。軟件部分，通過污水處理的工藝流程，完成了流程圖和梯形圖的設(shè)計。最后要利用WINCC6.0組態(tài)軟件設(shè)計進入系統(tǒng)的界面和鼓風機房設(shè)計流程圖。（3）由于我們要做鼓風機房分控站所以我們還應該先做好風機選型和風機可能出現(xiàn)的問題進行預測以及了解鼓風機可以實現(xiàn)的功能。并且在整個設(shè)計過程中還要了解鼓風機的性能。第二章設(shè)計方案2.1鼓風機的功能以及會出現(xiàn)的問題預測和處理方法2.1.1風機選型污水處理廠常用的鼓風機有羅茨鼓風機和離心鼓風機，它們有其各自的適用性。1、羅茨鼓風機是容積式氣體壓縮機，其特點是：強制流量，在設(shè)計壓力范圍內(nèi)，管網(wǎng)阻力變化時其流量變化很小；在流量要求穩(wěn)定而阻力變化幅度較大的工作場合，可予自動調(diào)節(jié)，故工作適應性較強。與離心風機相比價格低，而它的噪音大，存在潤滑油向氣缸滲漏的缺點，同時其風量調(diào)節(jié)只能采用變頻調(diào)速和出風管放氣，變頻調(diào)速設(shè)備本身的價格比鼓風機價格還要高，出風管放氣則造成能量浪費，因此只適用于小型污水處理廠。2、離心鼓風機是速度型，較容積式風機具有供氣連續(xù)、運行平衡，效率高、結(jié)構(gòu)簡單、噪聲低、外型尺寸及重量小、易損件少等優(yōu)點。離心鼓風機又分為多級低速和單級高速，單級高速以提高轉(zhuǎn)速來達到所需風壓，較多級風機流道短，減少了多級間的流道損失，特別是可采用節(jié)能效果好的進風導葉片調(diào)節(jié)風量方式，適宜在大中型污水處理廠中采用。通過我們小組認真的討論和分析最后決定選擇了離心式鼓風機。2.1.2風量調(diào)節(jié)曝氣池的需氣量是不斷變化的，氣溫也會引起氣量的改變，為了節(jié)省能量，需要不斷改變鼓風機的供氣量以適應新的工況，這就是風量調(diào)節(jié)。鼓風機的風量調(diào)節(jié)有出口節(jié)流調(diào)節(jié)、進氣節(jié)流調(diào)節(jié)、進口導葉片調(diào)節(jié)(過氣預旋調(diào)節(jié))和變速調(diào)節(jié)等方式，它們的主要特點是：1、出口節(jié)流調(diào)節(jié)是人為加大管網(wǎng)阻力的調(diào)節(jié)方法，會使整個裝置的效率大大下降。2、進氣節(jié)流調(diào)節(jié)是通過改變進氣閥門的開度來改變風機性能曲線達到調(diào)節(jié)目的。此法比出口節(jié)流的經(jīng)濟性好，而且節(jié)流后喘振流量向小流量方向移動，使風機可能在更大的流量范圍工作，是一種簡便常用的調(diào)節(jié)方法。3、進口導葉片調(diào)節(jié)是使氣流產(chǎn)生預旋的調(diào)節(jié)方法，其效率較高，調(diào)節(jié)范圍大，在避免鼓風機喘振、提高風機效率、實現(xiàn)自動控制等方面有明顯優(yōu)越性。但此裝置結(jié)構(gòu)復雜，特別是對多級風機來說，如每一級前都采用導葉片，則整個裝置太復雜，如只對第一級采用導葉片，效果就不明顯，所以此法有一定的局限性，只有在單級高速離心風機中使用效果最佳。4、變速調(diào)節(jié)是最節(jié)能的調(diào)節(jié)方法，但此法會使設(shè)備復雜化，而且造價高，適用于蒸汽輪機、燃氣輪機拖動的鼓風機，也可用于小型風機。目前常用的風量調(diào)節(jié)方法是進口節(jié)流、進口導葉片調(diào)節(jié)和變速調(diào)節(jié)。東郊污水廠和紀莊子污水廠均采用進口導葉片調(diào)節(jié)，無縫鋼管廠污水處理工程則采用變速調(diào)節(jié)。通過調(diào)節(jié)鼓風機風量，可以節(jié)省大量電能,降低運行費用。2.1.3空氣過濾為節(jié)省能耗、提高氧的利用率，目前污水處理廠曝氣池大多采用微孔曝氣器。這種曝氣頭的布氣孔徑為160μm左右，所以進氣必須經(jīng)過過濾，以免堵塞微孔，一般要求通過的灰塵粒徑小于2μm，除塵效率95%以上。目前污水處理廠空氣過濾設(shè)備的主要型式有靜電除塵器和過濾式除塵器。1、靜電除塵器利用電場產(chǎn)生的靜電力使塵粒從氣流中分離。靜電除塵器內(nèi)設(shè)置高壓電場，在電場作用下，空氣中的自由離子向兩極移動，當電壓升高到一定數(shù)值后，會出現(xiàn)空氣電離，塵粒向集塵極移動并沉積下來。靜電除塵器對粒徑1～2μm的塵粒除塵效率可達98～99%，與其它高效過濾器相比，靜電除塵器的阻力比較低，但其結(jié)構(gòu)復雜，設(shè)備龐大，一次性投資大。2、過濾式除塵器通過濾料(纖維、織物)使塵、氣分離?；覊m在過濾器中的分離是依靠篩濾、慣性碰撞、接觸阻留、擴散、靜電等機理的綜合作用，它具有除塵效率高、結(jié)構(gòu)簡單、投資省、運行穩(wěn)定可靠等優(yōu)點。2.1.4喘振及防止方法1.喘振在風機運轉(zhuǎn)過程中,當流量不斷減少到值時,進入葉柵的氣流發(fā)生分離,在分離區(qū)沿著葉輪旋轉(zhuǎn)方向并以比葉輪旋轉(zhuǎn)角速度小的速度移動,這就是旋轉(zhuǎn)脫離。當旋轉(zhuǎn)脫離擴散到整個通道,會使風機出口壓力突然大幅度下降,而管網(wǎng)中壓力并不馬上減低,于是管網(wǎng)中的氣體壓力就大于風機出口處的壓力,管網(wǎng)中的氣體倒流向風機,直到管網(wǎng)中的壓力下降至低于鼓風機出口壓力才停止。接著,鼓風機又開始向管網(wǎng)供氣,將倒流的氣體壓出去,這又使機內(nèi)流量減少,壓力再次突然下降,管網(wǎng)中的氣體重新倒流至風機內(nèi),如此周而復始,在整個系統(tǒng)中產(chǎn)生周期性的低頻高振幅的壓力脈動及氣流振蕩現(xiàn)象,并發(fā)出很大的聲響,機器產(chǎn)生劇烈振動,以至無法工作,這就是喘振。從理論上還不能正確計算出喘振工況點,只能在性能測試時根據(jù)經(jīng)驗來判斷是否進入喘振工況。①聽測風機出氣管道的氣流噪音。接近喘振工況時,出氣管道中氣流發(fā)出的噪音時高時低,產(chǎn)生周期性變化。當進入喘振工況時,噪音立即劇增,甚至有爆音出現(xiàn)。②觀測風機出口壓力和進口流量變化。正常工作時其出口壓力和進口流量變化不大,當進入喘振區(qū)時,二者的變化都很大。③觀測機體的振動情況。進入喘振區(qū)時,機體和軸承都會發(fā)生強烈的振動。2.防止方法采用出風管放氣。在出風管上設(shè)一旁通管,一旦風量降低至Man,旁通管上的閥門自動打開放氣,此時進口的流量增加,工作點可由喘振區(qū)移至穩(wěn)定工作區(qū),從而消除了進氣流量小、沖角過大引起失速和發(fā)生喘振的可能性。在采用進口導葉片調(diào)節(jié)風量時,隨著工況變化,導葉旋轉(zhuǎn)改變通道面積適應新工況的要求,從而避免氣流失速,可有效防止風機喘振。2.1.5噪聲控制鼓風機的噪聲對污水處理廠的環(huán)境影響非常嚴重,噪聲的輻射主要通過風機本體,進、出風管和連接風道。據(jù)有關(guān)資料介紹,國外有的鼓風機房為減小噪音將鼓風機設(shè)在地下,而地上式鼓風機房室內(nèi)設(shè)有吸音板,門、窗全部是密封的,其造價很可觀。結(jié)合我國實際情況,針對風機組產(chǎn)生的各種噪聲源,通常采取的措施有:消聲、隔聲、隔振和包覆。①消聲裝設(shè)消聲器是控制風機噪聲的主要途徑,消聲器是一種阻止聲音傳播而允許氣流通過的裝置,可以大大減弱進、出風口輻射出來的噪聲。東郊污水廠在進風廊道內(nèi)兩側(cè)整個截面設(shè)有若干2m多長的吸音板塊,空氣從板塊間通過,降低了噪聲。而紀莊子污水廠則在進、出風管道上加設(shè)消音器。②隔聲和吸聲風機進、出風管加設(shè)消音器后,其風機殼體的輻射噪聲仍對周圍環(huán)境有較大干擾。在條件允許的情況下,可采取隔音措施,設(shè)置隔聲室,在室內(nèi)壁及天棚襯貼多孔性吸聲材料,以消除機組產(chǎn)生的噪聲。③隔振振動是噪聲的主要起源,風機組的振動會產(chǎn)生低頻噪聲,故減輕機器振動是控制噪聲的治本辦法。為此,風機的外殼材料宜選用鑄鐵,以增加設(shè)備自重與外殼厚度,減小自振。在風機進、出口處設(shè)置柔性波紋管減振接頭,降低風機振動傳遞到風道上產(chǎn)生的輻射噪聲,對于小型鼓風機可在機組的基礎(chǔ)下加設(shè)減振器。④包覆室外出風管道目前大多數(shù)設(shè)在地面上,實際運行中噪聲很大,可將出風管全部設(shè)在地面以下,利用土層吸音或用隔音材料包覆管道。通過綜合控制會使整個鼓風系統(tǒng)噪聲減弱,達到規(guī)范的要求。2.1.6風機冷卻為改善鼓風機房運行管理環(huán)境,在選擇鼓風機時需考慮鼓風機的冷卻形式。目前常采用的冷卻方式有水冷(如紀莊子污水廠)和風冷(如東郊污水廠)。通過運行發(fā)現(xiàn),水冷雖然增加了冷卻水系統(tǒng),但運行環(huán)境良好;而風冷的鼓風機,熱量直接排至室內(nèi),夏季室溫高達40℃2.2鼓風機房設(shè)計原理2.2.1設(shè)計舉例東郊污水處理廠：規(guī)模400000m3/d，鼓風機房總風量110000m3/d，單機風量39000m3/d，4臺風機3用1備。工藝流程：空氣從百葉窗進入,經(jīng)空氣過濾器、消聲器進入鼓風機，升壓后供曝氣池。設(shè)計特點:1、百葉窗、過濾器、消聲器均設(shè)置在進風廊道內(nèi)，廠房與空氣廊道設(shè)計為一體(如圖)，這種布置形式結(jié)構(gòu)緊湊，占地面積小,工藝管線短，有利于消聲和減小阻力。2、為保證檢修鼓風機及更換濾袋時不間斷供氣，在進風廊道中間部位設(shè)有一密封門，將風道分成兩部分，正常運行時，中間密封門打開，檢修時密封門關(guān)閉單側(cè)工作。3、為保證風道結(jié)構(gòu)安全和風機運行曲線正常，在風道兩測設(shè)減壓門，以保證風道內(nèi)壓降小于150mm水柱，因風機進口負壓過大，風機運行工況將偏離設(shè)計值，高于此值時，減壓門自動打開，空氣進入降低壓差。4、溶解氧與進風導葉片的自動控制在曝氣池設(shè)置溶解氧探頭，測得的溶解氧值輸入PLC，經(jīng)過邏輯運算后，調(diào)整進風導葉片的位置，達到節(jié)省能耗的目的。其工作程序是：計算機首先確定DO值→逐一調(diào)整曝氣池的進風閥。使各池的氣量協(xié)調(diào)→算出曝氣池的總氣量與鼓風機供氣量的差值→調(diào)節(jié)鼓風機的導葉片。鼓風機供氣量的調(diào)節(jié)范圍是30%～10O%，如幾臺鼓風機的導葉片均調(diào)至3O%后，供氣量仍大于需氣量，則關(guān)閉一臺鼓風機。5、設(shè)計所選擇的鼓風機帶有兩套油泵，一由主軸帶動,一為輔助油泵。風機起動時，先開輔助油泵，當主軸轉(zhuǎn)動正常后，輔助油泵停機由主油泵洪油，只要主軸轉(zhuǎn)動則供油不停。這種供油方式可避免由于突然停電而造成軸瓦燒壞，保證高速風機安全運行。2.3我們的設(shè)計方案首先我們要了解鼓風機房分控站負責采集CASS池水質(zhì)數(shù)據(jù)，以及攪拌系統(tǒng)、潷水系統(tǒng)、曝氣系統(tǒng)設(shè)備狀態(tài)的采集和設(shè)備的控制。除此之外還要控制好風量風速的大小因此我們提出了以下的初步設(shè)計思路和方案。首先畫出了鼓風機房分站的流程圖如下所示鼓風機房分控站流程圖我們根據(jù)流程圖設(shè)想在鼓風機房配置3臺離心式鼓風機，鼓風機的主要功能是對氧化溝進行曝氣增加氧化溝的溶解氧濃度，其運行狀態(tài)可以在中央控制室監(jiān)視?？墒謩涌刂?，由現(xiàn)場操作箱來實現(xiàn)各泵的啟停；也根據(jù)DO儀表的的測量值送入PLC經(jīng)過進一步處理運算后通過以太網(wǎng)傳輸?shù)街锌厥疫M行自動控制。并且根據(jù)流程圖我們制作出了初步的原理圖如下所示鼓風機房控制原理圖2.4控制結(jié)構(gòu)的軟件設(shè)計2.4.1plc程序設(shè)計本系統(tǒng)采用STEP7編寫程序。網(wǎng)絡(luò)通訊南工業(yè)以太網(wǎng)組成，故采用TCP／IP通訊協(xié)議。在污水處理中最重要的是如何控制生化池溶解氧DO的含量，根據(jù)經(jīng)驗，曝氣生物池中溶解氧濃度維持在2．0mg／L時濾池中的生物活性最大，處理效果最佳。這就需要現(xiàn)場采集DO值并反饋給PLC，從而控制鼓風量大小，所以要控制放空閥，硬件配置如圖所示鼓風機房分控站的硬件組態(tài)第2步組態(tài)完硬件模塊后，分別下載到PLC。然后進行網(wǎng)絡(luò)組態(tài)，組態(tài)好的網(wǎng)絡(luò)如圖所示。網(wǎng)絡(luò)組態(tài)圖第3步組態(tài)全部完成后就可以進行程序編程了，建立一個子功能塊進行編寫第一個子程序放空閥的控制然后再用主程序塊調(diào)用子程序，程序梯形圖如下所示子程序塊主程序塊第四步是對程序進行調(diào)試和運行看有沒有出現(xiàn)錯誤如果出現(xiàn)錯誤再進行修改和調(diào)試，修改和調(diào)試的運行圖如下所示調(diào)試運行圖2.5WinCC6.0監(jiān)控界面的設(shè)計利用wincc6.0真實地反映了現(xiàn)場設(shè)備的狀態(tài)，能夠方便地通過對組態(tài)畫面上的可控設(shè)備進行操作。監(jiān)控系統(tǒng)部分畫面如圖第三章總結(jié)如今，我國污水處理事業(yè)迎來了高速發(fā)展的階段。PLC控制器以其技術(shù)成熟、通用性好、可靠性高、安裝靈活、擴展方便、性能價格比高等一系列優(yōu)點，在工業(yè)控制中得到了越來越廣泛的應