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1、分类号:T P 2 7 3 密级: 单位代码:1 0 4 2 2 学号:2 0 0 8 1 2 3 2 3 蔡办孚 硕士学位论文 S h c l n d o n g U n i v e r S i t y M 口s t e r ST h e s i S 论文题目:污水处理自动监控系统设计与研究 D e s i g na n dR e s e a r c ho f A u t o m a t i cM o n i t o r i n g a n dC o n t r o lS y s t e mf o rS e w a g e7 r r e a t m e n t 2 0 1 1 年0 5 月2
2、 9 日 作 专 导 r*;畸P,【 原创性声明 本人郑重声明:所呈交的学位论文,是本人在导师的指导下, 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外,本论 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本 文的研究作出重要贡献的个人和集体,均已在文中以明确方式标明。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名: 啤日期:逊咩 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定,同意 学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版,允 许论文被查阅和借阅;本人授权山东大学可以将本学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索,可以采用影印、
3、缩印或其他 复制手段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文储躲嘶导师躲 一:叫 山东大学硕士学位论文 目录 T A B L Eo FC O N T E N T S 摘要 目录 A B S T R A C T 符号说明 第1 章绪论 I 。I V I V 1 1 :背景1 1 2 污水处理现状2 1 3 污水处理自控系统现状一3 1 4 课题目的和意义4 1 5 研究内容一5 1 6 章节安排。6 第二章污水处理工艺流程 1 2 1 污水处理指标7 2 2 城市污水处理基本方法和原理9 2 3 本章小结1 0 第三章污水处理自控系统典型设计 1 1 3 1 设计原则
4、1 l 3 2 两种系统结构1 1 3 2 1 结构形式一1 l 3 2 2 结构形式二1 2 3 2 3 系统结构分析1 3 3 3 分布式P L C 站设置1 4 3 3 1P L C 选型1 4 3 3 2 4 + 1 + N ”设置模式15 3 4 通讯系统1 6 3 4 1 工业控制网络概述1 6 山东大学硕士学位论文 3 4 2 工业级光纤以太环网概述。1 7 3 4 3 污水处理自控系统网络结构1 8 3 4 4 污水处理自控系统三层网络通信2 0 3 5 仪表系统2 1 3 5 1 仪表选型原则2 1 3 5 2 系统主要仪表布局2 2 3 5 3 重要参数测量2 3 3 6
5、视频监视系统2 4 3 6 1 工程概况2 4 3 6 2 系统设计方案2 4 3 7 中央监控室2 8 3 8 本章小结2 8 第四章主要设备设施控制策略 I I 4 1 机械格栅控制策略2 9 4 2 进水泵房控制策略3l 4 2 1 提升泵控制原则。3l 4 2 2 配置变频调速器泵组自动控制方案。3l 4 2 3 没有配置变频调速器泵组自动控制方案。3 2 4 2 4 提升泵故障检测以及保护3 3 4 3 沉砂池控制策略3 4 4 4 初沉池排泥控制策略3 9 4 4 1 初沉池排泥系统控制策略4 0 4 4 2 初沉池排泥系统保护策略4 l 4 5 曝气控制策略4 2 4 5 1 曝
6、气控制系统分类:4 3 4 5 2 控制参数的确定4 4 4 5 3 曝气系统开环控制方案。4 5 4 5 4 经典P m 法控制方案4 5 4 5 5 模糊P I D 参数自整定控制方案4 7 山东大学硕士学位论文 4 5 6 模糊P I D 控制器的设计步骤4 8 4 5 7 模糊P I D 控制器设计4 9 4 5 8P I D 算法及模糊P I D 算法的M A T L A B 仿真比较5 4 4 6 二沉池排泥控制策略5 6 4 7 本章小结5 7 第五章郓城第二污水处理厂应用实例 5 1 系统工艺简介5 8 5 1 1 多级,o 工艺5 8 5 1 2 系统工艺流程5 9 5 2
7、系统结构图5 9 5 3 系统主要仪表6 0 5 4 分布式P L C 站设计。6 1 5 4 1P L Cl 站设计6 1 , 5 4 2P L Cl 远程子站设计6 2 5 4 3P L C 2 站设计6 3 5 4 4 其他P L C 站设计6 3 5 5 数据通讯系统6 4 5 6 中央监控室6 4 5 7 系统软件设计6 5 5 7 1P L C 监控程序编制6 5 5 7 2 上位机监控画面设计6 9 5 8 视频监视系统设计方案7 0 5 9 本章小结7 l 第六章总结和展望 6 1 总结7 2 6 2 展望7 3 参考文献 致谢。 攻读硕士学位期间完成工程项目 I I I 7
8、4 7 6 7 7 山东大学硕上学位论文 A B S T R A C T ( C h i n 船e ) A B S T R A C T ( E n g l i s h ) T A B L EO FC O N T E N T S L i s to f A b b r e v i a t i o n s C h a p t e r 1I n t r o d u c t i o n I V 1 1 1E l a c k 孕。o u n d l 1 21 kS t a t l l so fS e 、v a g eT r e a n n e n t 2 1 3T h eS t a t u S0 fS e
9、 w a g e1 r e a 衄e n tA u t o m a t i o nS y s t e m s 3 1 4T b p i cP u l p o 辩4 1 5C o n t e n to f t l l eP r e s e n tS t u d y 5 1 6O 唱撕z a t i o no f t l l eT l l e s i s 6 C h a p t e r2I n t r o d u c t i o no f1 e c h n o l o g yP r o c e s s 7 2 1I I l d i c a t o ro fS e w a g eT r e a _
10、t r I l e m 7 2 2B a S i cT e c l l I l o l o g ) ,M e t l l o d so fS e w a g eT r e a 舡I l e n t 9 2 3S 埘n 邺r 。lO C h a p t e r 3B p i c a lD 姻i g nf o rS e w a g e I r e a t m e n tA u t o m a t i o nS y s t e m s 。1 l 3 1P r i n c i p l e so fD e s i 印1l 3 2S y s t e mC o m p o n e n t s 1 l 3 2
11、 1S t I u c t I l r eF o n nO n e 1l 3 2 2s l r u c t u r eF o 咖1 、o 。1 2 3 2 3A n a l y s i so fS t r I l C t u r eF o 珊13 3 3P L CS t a t i o n 1 4 3 3 1P L CS e l e c t i o n 1 4 3 3 2P L CS t a t i o nS e t :1 5 3 4C o r m n l l i c a t i o nS y s t e m 1 6 3 4 1h l 仃o d u c t i o no f I r l d u
12、 s t r i 面C o n t r o lN 咖r k 。1 6 3 4 2 删u c t i o n0 f E 胁e m e t 鼬n gb a s e d0 nI n “s t r i a lF i b e r 。1 7 3 4 3N e 似r o r kS 咖c t u r eo fS 鲫V a g eT I e a n n e mA u t o m a t i o nS y s t e m s 18 3 4 4N 神w o r kc o m m u l l i c a t i o n o fS e w a g eT r e a :n n e n tA u t o m a t i o
13、 nS y s t e m s 。2 0 I V 山东大学硕士学位论文 3 51 1 1 s t n J l I 】e n tS y s t e m 21 3 5 1h l s 虮肌e n tS e l e c t i o nP r i n c i p l e 2 1 3 5 2M a i l lI I l s t 九l m e n t sL a y o u tf o rS e w a g eT r e a :t I n e n tA u t o m a t i o nS y s t e m s 2 2 3 5 3M e 嬲u r ef 0 “m p o n a I l tP 猢e t e r
14、 2 3 3 6 d e oS u r v e i l l 锄c eS y s t e m 2 4 3 6 1G e n e r a lS i 似i o no f d e oS u r v e i l l a I l c eS y s t e m 2 4 3 6 2D e s i 印P r o p o s a l 2 4 3 7C e I l t r a lC o n t r o lR o o m 2 8 3 8S u l I u n a r y 2 8 C h a p t e r 4C o n t m ls t 豫t e g i 懿f o rM a j o rF a c i H t i 销2
15、 9 4 1C o n 臼o lS n 纰e g i e s 五wM e c h a I l i c 对G r i l l e s 2 9 4 2C o I l n 0 lS 仃a t e g i e sf o rE l e V a t o rP u I n p s 3 0 4 2 1C o n t r o lP r i n c i p l ef - 0 rE l e v j l :t 0 rP 啪p s “3 0 4 2 2C o n t r o lS t r a t e g i e sf o rE l e V a t o rP u 】【n p s 、杭t hV V V F 3l 4 2 3
16、C o l l 仃o lS 仃a t e g i e sf o rE l e V a t o rP 啪p s 、访m o u tW v F 3 2 4 2 4F a n l l tP “) t e c t i o nf 0 rE l e V a t o rP u m p 。3 3 4 3 C o 曲r o l 跏眦e 西e s 矗阿G r i tC h a m b e r s 3 3 4 4C o n 仃0 lS 锨l t e g i e sf o rP r i I n a D ,S e 砌i n gT a n K s 一3 8 4 4 1C o n n D lS n a t e g i e
17、sf o rM u d D r a i l l i n gS y s t e m 3 9 4 4 2P r o t e c t i n gS n a t e 西e sf o rM u dD m i n i I l gS y S t e m 4 0 4 5C o n 们lS 蚴e 西e sf o rA e r a t i o nS y s t e m s 4l 4 5 1A e r a t i o nS y s t e mT y p e 。4 2 4 5 2C o n 矗彻aC o n 仃川1 e d 、,撕a b l e 4 3 4 5 3L 0 0 pC o n 仃o lf o rA e r
18、 a t i o nS y S t e m s 。4 4 4 5 4P I DC o l l 们lf o rA e r a t i o nS y S t e m s 4 4 4 5 5P I DP a 豫m e t e rF I l 2 冱秒m 】i n gC o n n 0 lf o rA e r a t i o nS y S t e m s 4 6 4 5 6D e s i g nS t e p so fP I DP a 瑚加酏e rF u z z yT 吼i n gC o n 旬r o l 。4 7 4 5 7D e s i g naP I DP 卸陷m e t e rF u z z y
19、1 、l I l i n gC o n n o n e r 4 8 4 5 8C o m p a r i s o no fN 螂L A BS i m u l a t i o nb e t w e e nP I D 锄dF u z 2 秒P I D 5 3 4 6C o n 仃0 lS t m t e g i e sf o rS e c o n dS e t t l i n gT 锄K s 5 5 V 一一一 些查盔兰堕主兰垡丝壅 4 7S u n l I n a n ,5 6 C h a p t e r5D e s i g nf o rt h eS e c o n dW a s t e w a
20、 t e r 7 I 心a t m e n tP l a n ti nY u n C h e n g ”5 7 5 1I I l 仃o d u c t i o no f T e c l l l l o l o g yP r o c e s s 5 7 5 1 1M u l t i S t a g e OP r o c e s s 5 7 5 1 2T 色c 1 1 1 1 0 l o g yP r o c e s so ft l l eP r e s e n tS y s t e m ”5 8 5 2C o n t r o lS v s t e ms t r u c t u r e 5 8 5
21、 3M o s tI n s 饥衄e n t SL a y o u t 一5 9 5 4P L CS t a t i o nD e s i 弘6 0 5 4 1P L ClS t a t i o nD e s i 印”6 0 5 4 2P L C lI u O i o nD e s i 萨6 l 5 4 3P L C 2S t a t i o nD e s i g I l ”6 2 5 4 4O m e rP L CS t a t i o nD e s i 口6 2 5 5C 0 m m l m j c a t i o nN 加r kD e s i g n 6 3 5 6C e n n 锄C
22、o I l n - 0 lR o o mD e s i g n 6 3 5 7S o 孙a r eD e s i 萨6 4 5 7 1M o d u l 甜D e s i 印o f P L CC o n 加lP r o c e d u r e 6 4 5 7 2C o n n o l l i n gP r o c e d u r eo f U p p e rC o m p u t e rD e s i g n 6 8 5 8D e s i 印D r o p o s a lf o rV i d e oS u r v e i l l 锄c eS y S t e m 6 9 5 9 & 】m m a
23、 r y ”7 0 C h a p t e r6S u m m a 叮a n dS u g g e s t i o n sf o r F u t I I 他S n I d y 6 1S 眦吼a r y 一7 1 6 2S u g g e s t i o l l sf o rF u n 鹏S t I l d y 7 2 R e f e r e n c e s 。7 3 A c l m o w l e d g e m e n 缸一一一7 5 P u b U c a t i o n s 。:。7 7 山东大学硕十学位论文 摘要 随着人民生活水平的提高和可持续发展战略的需要,污水处理越来越受到社 会的
24、重视。污水处理既可以起到环保作用,又可以实现水的重复利用,节约水资 源。为了提高污水处理的质量和效率,同时节省人力、物力,研究并设计出一批 满足排放要求、处理效果较好、运行费用较低、国产化程度较高且自动化水平较 高的污水处理自动控制系统是十分有必要的。 本文介绍了污水处理的典型工艺流程,并根据工艺流程简要说明城市污水处 理的基本方法和原理;分析了国内污水处理自动监控系统构成,并对工厂一体化 和管控一体化两种形式的污水处理自控系统进行了比较;分析了作为自动监控系 统核心的P L C 控制器的选型,并总结出了由预处理系统P L C 站、生物处理系统 P L C 站、污水消毒系统P L C 站、污泥
25、脱水P L C 站和鼓风曝气系统P L C 站以及污 水回用相关P L C 站组成的“4 + 1 + N 的分布式控制站设置模式;分析了污水处 理自控系统网络结构及其通讯协议配置和通信;根据污水处理工艺和控制要求, 给出了污水处理厂常用检测仪表的典型布局;总结污水处理厂视频监控系统设计 方案,并给出典型的视频监视系统方案。 污水处理各工艺段控制方案的选用直接决定着污水处理的效果。本文对主 要污水处理设备设施的控制方案进行了分析和总结,包括机械格栅采用的“时间 周期控制”和“液位差控制”相结合的方式、进水井提升泵“液位分程控制”的方 式、沉砂池“时间周期控制”的方式、多个初沉池“时间周期”协同间
26、歇排泥的控 制方式、曝气控制经典P I D 法和模糊P I D 参数自整定策略、二沉池“泥位分程 控制”等。 同时以郓城第二污水处理厂为例,具体说明污水处理自动监控系统的设计 与应用。给出了各P L C 控制站、仪表系统、通信网络、视频监视系统和中控室 的硬件设备选型;并介绍了P L C 程序模块化设计以及上位监控界面的开发。 关键词:污水处理;污水监控;以太环网;模糊P I D 控制 山东大学硕士学位论文 A B S T R A C T W 油此i m p r o V e m e n t0 fl i V i n gs t a I l d 矾s 觚d 恤n e e d so fs u s t
27、a i n a b l e d e V e l o p m e m ,s e 、a g e 臼e a n n e n th 弱a r o u s e dm u c ha n e m i o no ft l l es o c i e t ) r nc 锄 p l a yar o l ei I le n V i r o l l l l l e n t a lp r o t e c t i o 玛锄dc a nd e a l 诵mw a t e rr e u s et oc o n s e n ,e w a t e rr e S o u r c e s I no r d e rt oi m p r
28、o V et h eq u a l i t ) ,a n de f j f i c i e n c yo fs e 、v a g e 雠釉e n t , 觚ds a v em 锄p o w e r 锄dr a wm a t e r i a l s ,i ti sv e 巧n e c e s s a 巧t 0r e s e a r c h 强dd e s i 印a b a t c ho fa u t o m a t i cc o n 们ls y S t e m so fs e w a g e 订e a t I I l e 咄w m c hc 觚m e e tt l l e 陀q u i r e
29、m e n to fe m i s s i o ns t 眦d a r d 砸l d 咖e f n c i e n t l y 锄de c o n o m i c a l l y ,a n di sw i t l l t l i g hd e 笋e ed o m e S t i c 强dh i g h 跏t o m a t i cl e V e l T t l i sp a p e ri n t r o d u c e dt l l et y p i c a Jp r o c e s so fs e w a g et r e 釉e n t ,锄de x p l a i n e d t l l
30、eb a L s i cm e t h o d s 锄dp r i n c i p l e so ft 1 1 eu r b a I ls e w a g e 仃e a n n e m c o r d i n gt 0m e p r o c e s sn o w sb r i e n y ;锄a l y z e dm ec o m p o s i t i o no fa u t o m a t i cc o n t r o ls y S t e m sf o r d o m e s t i cs e w a g e 仃e a t m e n td o m e s t i c a l l y ,
31、a r l dc o m p a r e df 砬t 0 巧i n t e 伊a t i o nm o d eo f s y s t e m s 谢t ha u t o m a t i o n 觚dm a I l a g e m e n ti n t e g r a t i o nm o d e ;锄甜) r z e dt 1 1 eS e l e c t i o n o fP L C ( P r 0 伊a n l I I l a b l eL o g i cC o 曲的l l e r ) ,柚c hi st l l em o s ti I n p o r t a n tp a no f a
32、u t o m a t i cc o m r o ls y s t e m s ,强dc o n c l u d e dm e “4 + 1 + N ”S e l e c t i o ns e tm o d eo fP L C 蚴i o 玛w l l i c hi sc o m p o s e do f4b a S i cP L C 蚴i o n ss u c h 弱p r e 仃e a t m e n ts y S t e mP L C S t a t i o I l b i o l o g i c a ln 。e a t m e n ts y s t e mP L Cs t a t i o
33、 n ,s e w a g ed i s i n f e c t i o ns y s t e mP L C s | 眦i o I l s l u d g ed e w a t e r i n gs y s t e mP L Cs t a t i o I l ,a I l d1P L Cs 嘶o nf o r 鲫眦i o ns y S t e m , 锄do t l l e rP L Cs t a t i o n sf o rs e w a g er e c y c l e ;卸a l y z e dt l l en 嘶o r ks t r I l c t u r eo ft l l e c
34、o m m u I l i c a t i o ns y s t e m si I lt l l ea u t o m a t i o nc o n t r 0 1s y S t e m 孤l di t sc o m m l m i c a t i o n p r o t o c o lc o n f i g u r 纰i o n ;g i V c nm ec o m m o m yu dt ) ,p i c a ll a y o u t o fi n s p e c t i o n i I l s t n J n l e n t si I lt l l e 、a g e 仃e a 衄e mp
35、 l 觚t sa c c o r d i n gt 0s e w a g e 仃e a 恤e n tp r o c e s s 锄dc o n t r o lr e q u i r e m e n t s ;c o n c l u d e dat ) ,p i c a Jp r o c e d u r ef o rV i d e om o I l i t o r i n g s y S t e m si n w a g e 仃e a 恤e n tp l 雒t C o m r o lS c h e m e s南re a c h p r o c e s sc t i o no f w a g e仃
36、e 锄e md i r e c t l y d e t e r m i n e l ee f f e c to fs e w a g e 臼e 咖e n t T h i sp 印e ra n a J ) ,z e d 觚ds u I I m l 撕z e dm o s t c o n 仃0 lS c h e m e sf o rm 萄o rf a c i l i t i e s ,i n C l u d i n gp 甜o dc o n 缸D l 锄dl e V e ld i 虢r e n c e C o I l 仃o l 矗”m e c l l a I l i c a l 鲥l l e s
37、,S p l i t 舳g ec o n 血0 lb yl i q u i dl e V e lf o rl i np u m p s , n 山东大学硕十学位论文 p e r i o dc o n n 0 lf o r 鲥tc h 锄b e r s ,p e r i o dc o n n 0 lf o rp r i m a 巧d i m e n t a t i o n 伽 1 l ( s ,P I D ( P r o p o r t i o 玛I n t e 黟a t i o n ,a I l dD i d e r e n t i a t i o n ) c o n t r o lo rP I Dp 踟e t e rm z z yt I l n i n g c o n t r o If o ra e r a t i o ns y s t e J = I l s ,S p l i tr a n g ec o n n - 0 lb ys l u d g el e v e l 如rs e c o n d a
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