基于PLC的污水处理电气控制系统设计.docx
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基于PLC的污水处理电气控制系统设计
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基于PLC的污水处理电气控制系统设计
摘要:
本设计首先介绍了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，以SBR污水处理流程为例来说明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、状态信号等。
最后按照工艺要求设计PLC控制系统，包括PLC的选型、系统资源配置以及按照污水处工艺编制PLC程序等。
污水处理站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；PLC；硬件配置；软件设计
DesignofSewageTreatmentElectricalControlSystemBasedonPLC
Abstract:
ThehardwarestructureandtheworkprincipleofPLCcontrolsystemandthebasicprincipleandstepofPLCcontrolsystemareintroducedinthepaper,PLCappliedtothewastewatertreatmentprocessisillustratedbytheexampleofSBRwastewatertreatmentprocess.Theelectricitycontrolofequipmentsandautomaticallycontrolcircuitaredesignedaccordingtothesewagetreatmentrequirements,mainlyincludethestartandstopofequipments,thestateofthesignalandsoon.FinallyPLCcontrolsystemisdesignedaccordingtothetechnologicalrequirements,includetheselectionofPLCtype,theallocationofsystemresources.
Theestablishmentofsewagetreatmentplantusedautomaticcontrolsystemwillreducetheproductionandmaintenancecosts,alsocangeteconomicandsocietybenefit.
Keywords:
sewagetreatment;PLC;Hardwaredisposition;Softwaredesign
1前言
1.1污水处理的研究背景
地球虽然有70.8％的面积为水所覆盖，但淡水资源却极其有限，人类真正能够利用的是江河湖泊以及地下水中的一部分，仅占地球总水量的0.26％，而且分布不均。
全世界每天约有200吨垃圾倒进河流、湖泊和小溪，每升废水会污染8升淡水。
世界上许多国家正面临水资源危机：
12亿人用水短缺，30亿人缺乏用水卫生设施[1]。
中国污水处理行业概况:
1）中国水资源人均占有量少，空间分布不平衡。
随着中国城市化、工业化的加速，水资源的需求缺口也日益增大。
在这样的背景下，污水处理行业成为新兴产业，目前与自来水生产、供水、排水、中水回用行业处于同等重要地位。
2）虽然由于国家和各级政府对环境保护重视程度的不断提高，中国污水处理行业正在快速增长，污水处理总量逐年增加，城镇污水处理率不断提高。
但目前中国污水处理行业仍处于发展的初级阶段。
3）一方面，中国目前的污水处理能力尚跟不上用水规模的迅速扩张，管网、污泥处理等配套设施建设严重滞后。
另一方面，中国的污水处理率与发达国家相比，还存在着明显的差距，且处理设施的负荷率低。
4）因此中国应完善污水处理的政策法规，建立监管体制，创建合理的污水处理收费体系，扶植国内环保产业发展，推进污水处理行业的产业化和市场化。
污水处理行业是一个朝阳产业，发展前景十分广阔。
中国污水处理行业由此迎来高速发展期[2]。
1.2研究的目的与意义
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[3]。
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，污水更加不能随便外排，而是要净化之后合理利用。
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[4]。
1.3本设计主要研究内容
本设计论述了污水处理工艺及污水处理系统的组成和PLC控制系统的设计，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）具体设计污水处理的硬件系统及软件系统。
2污水处理系统流程
2.1SBR废水处理
SBR废水处理技术是一种高效废水回用的处理技术，采用优势菌技术对校园生活污水进行处理，经过处理后的中水可以用来浇灌绿地、花木、冲洗厕所及车辆等，从而达到节约水资源的目的[5]。
SBR废水处理系统示意图如图1所示。
图1SBR废水处理系统示意图
Fig.1SBRwastewatertreatmentsystemdiagram
SBR废水处理系统方案要充分考虑现实生活中校园生活区较为狭小的特点，力求达到设备体积小，性能稳定，工程投资少的目的。
废水处理过程中环境温度对菌群代谢产生的作用直接影响废水处理效果，因此采用地埋式砖混结构处理池以降低温度对处理效果的影响。
同时，SBR废水处理技术工艺参数变化大，硬件设计选型与设备调试比较复杂，采用先进的PLC控制技术可以提高SBR废水处理的效率，方便操作和使用。
SBR废水处理系统分别由污水处理池、清水池、中水水箱、电控箱以及水泵、罗茨风机、电动阀门和电磁阀等部分组成，在污水处理池、清水池、中水水箱中分别设置液位开关，用以检测水池与水箱中的水位。
典型的生活污水处理完整工艺如下图2所示：
图2典型污水处理流程
Fig.2Typicalwastewatertreatmentprocess
本文所研究的污水处理流程如图3所示
图3污水处理流程图
Fig3Sewagetreatmentprocesschart
污水处理的第一阶段：
当污水池中的水位处于低水位或无水状态时，电动阀会自动开起纳入污水。
当污水池纳入的污水至正常高水位时，电动阀自动关闭，污水池中污水呈微氧和厌氧状态。
污水处理的第二阶段：
采用能降解大分子污染物的曝气法，可使污水脱色、除臭、平衡菌群的pH值并对污染物进行高效除污，即好氧处理过程。
整个好氧（曝气）时间一般需要6～8h。
在曝气管路上安装了排空电磁阀，当电动阀门自动关闭后，排空电磁阀开起，罗茨风机延时空载起动，然后排空电磁阀关闭，污水池开始曝气。
当曝气处理结束后，排空电磁阀再次开起，罗茨风机空载停机，然后排空电磁阀延时关闭。
曝气风机在无负荷条件下起动和停止，能起到保护电动机和风机的作用。
经过0.5h的水质沉淀，PLC下达起动1#清水泵指令，将沉淀后的水泵入到清水池。
当清水池中的水位升至正常高水位时，1#清水泵自动停止运行。
这时2#清水泵自动起动向中水箱泵水，当水箱内达到正常高水位时，2#清水泵自动停止运行，这时中水箱内的水全部完成处理过程。
如上所示，当中水箱内水位降至低水位时，2#清水泵又自动起动向中水箱泵水。
当污水池中的水位降至低水位时，电动阀门会自动打开继续向污水池纳入污水。
如此循环往复。
SBR废水处理技术针对污水水质不同选用生物菌群不同，工艺要求要求有所不同，电气控制系统应有参数可修正功能，以满足废水处理的要求。
2.2PLC控制系统设计步骤与原则
PLC控制系统的设计与调试应遵循一定的步骤。
整体的设计步骤如图4所示。
图4设计步骤示意图
Fig.4Stepsofdesignsketch
1）控制要求分析
在设计PLC控制系统之前，必须对工艺过程进行细致的分析，详细了解控制对象和控制要求，这样才能真正明白自己所要完成的任务，设计出令人满意的控制系统。
2）确定输入/输出设备
根据控制要求选择合适的输入设备和输出设备。
并根据所选用的输入/输出设备的类型和数量，确定PLC的I/O点数。
3）选择合适的PLC
因为实验室只有一种三菱的FX系列PLC，而且用此PLC可以满足控制要求，因此本课题的PLC选择三菱的FX2N[6]。
4）I/O点数分配
点数分配就是规定PLC的I/O端子和输入/输出设备的对应关系。
5）PLC程序设计
PLC控制系统是为工艺流程服务的，所以它首先要很好的实现工艺提出的控制要求。
PLC控制系统的设计应遵循以下原则：
1）最大限度地满足被控对象的控制要求。
2）保证PLC控制系统安全可靠。
3）力求简单、经济、适用及维修方便。
4）适应发展的需要[7]。
本阶段就是根据控制对象和控制要求对PLC进行编程。
首先把工艺流程分为若干阶段，确定每一阶段的输入信号和输出要控制的设备，还有不同阶段之间的联系，然后画出程序流程图，最后再进行程序编制。
3电气控制系统方案的选择及硬件设计
3.1PLC的工作原理
PLC与继电器构成的控制装置的重要区别之一就是工作方式不同，继电器控制是并行运行方式，即如果输出线圈通电或断电，该线圈的触点立即动作，只要形成电流通路，就有可能有几个电器同时动作。
而PLC则不同，它采用循环扫描技术，只有该线圈通电或断电，并且必须当程序扫描到该线圈时，该线圈触点才动作，而且每次只能执行一条指令，这也就是说明PLC是以“串行”方式工作的，这种工作方式可以避免继电器控制的控制的触点竞争和时序失配等问题。
也可以说，继电器控制装置根据输入和逻辑控制结构就可以直接得到输出，而PLC控制则需要输入传送、执行程序指令、输出3个阶段才能完成控制过程[8]。
3.1.1循环扫描技术
PLC循环扫描可分为3个阶段：
输入阶段（将外部输入信号的状态传送到PLC）、执行程序阶段和输出阶段（将输出信号传送到外部设备）。
1）输入阶段
在这个阶段中，PLC先进行自我诊断，然后与编程器或计算机进行通信，同时中央处理器扫描各个输入端并读取输入信号的状态和数据，并把它们存入相应的输入存储单元。
2）执行程序阶段
在这个阶段中，PLC按照由上到下的次序逐步执行程序指令。
从相应的输入存储单元读入输入信号的状态和数据，然后根据程序内部继电器、定时器、计数器、数据寄存器的状态和数据进行逻辑运算，得到运算结果，并将这些结果存入相应的输出存储器单元。
这一阶段执行完后，进入输出阶段。
在这个程序执行中，输入信号的状态和数据保持不变[9]。
3）输出阶段
在这个阶段中，PLC将相应的输出存储单元的运算结果传送到输出模块上，并通过输出模块向外部设备传送输出信号，开始控制外部设备。
3.1.2PLC的输入/输出响应时间
I/O响应时间是指某一输入信号从变化开始到系统相关输出端信号的改变所需要的时间。
因为PLC的循环扫描工作方式，所以收到输入信号的时刻不同，响应时间的长短也就不同。
下面就给出最短和最长响应时间。
最短响应时间：
一个扫描周期刚结束就收到输入信号，即收到这个输入信号与开始下一个扫描周期同时，这样的响应时间最短。
考虑到输入电路和输出电路的延时，所以最短响应时间应大于一个扫描周期。
最长响应时间：
一个扫描刚完成输入读取后才接到输入信号，这样这个输入信号在该扫描周期将不会发生变化，要等到下一个扫描周期才能得到响应，这时的响应时间最长。
3.2SBR污水处理电气控制系统设计要求
1）控制装置选用PLC作为系统的控制核心，根据工艺要求合理选配PLC机型和I/O接口。
2）执行自动工作方式，应能按照工艺要求编辑程序并可实时整定参数。
3）驱动搅拌机为正、反转双向运行，因此要在PLC控制回路加互锁功能。
4）PLC的接地应按手册中的要求设计，并在图中表示或说明。
5）为了设备安全运行，考虑必要的保护措施，如电动机过热保护、控制系统短路保护等。
6）绘制电气原理图：
包括主电路、控制电路、PLC硬件电路。
7）选择电器元件、编制元器件目录表。
8）绘制接线图、电控箱布置图和配线图、控制面板布置图和配线图等。
9）采用梯形图或指令表编制PLC控制程序[10]。
3.3SBR污水处理电气控制系统的总体设计
3.3.1控制系统方案设计
1）SBR废水处理系统控制对象电动机均由交流接触器完成起、停控制，电动阀电动机要采用正、反转控制。
2）污水池、清水池、中水水箱水位检测开关，在选型时考虑抗干扰性能，选用电极考虑耐腐蚀性。
3）电动阀上驱动电动机，其内部设有过载保护开关，为常闭触点，作为电动阀过载保护信号，PLC控制电路考虑该信号逻辑关系。
4）1#清水泵、2#清水泵、罗茨风机电动机、电动阀电动机分别采用热继电器实现过载保护，其热继电器的常开触点通过中间继电器转换后，作为PLC的输入信号，用以完成各个电动机系统的过载保护。
5）罗茨风机的控制要求在无负载条件下起动或停机，需要在曝气管路上设置排空电磁阀。
6）主电路用断路器，各负载回路和控制回路以及PLC控制回路采用熔断器，实现短路保护。
7）电控箱设置在控制室内。
控制面板与电控箱内的电器板用BVR型铜导线连接，电控箱与执行装置之间采用端子板连接。
8）PLC选用继电器输出型。
9）PLC自身配有24V直流电源，外接负载时考虑其供电容量。
PLC接地端采用第三种接地方式，提高抗干扰能力[11]。
3.3.2SBR污水处理电气控制系统硬件电路设计
1.主电路设计
1）主回路中交流接触器KM1、KM2、KM3分别控制1#清水泵（M1）、2#清水泵（M2）、曝气风机（M3）；交流接触器KM4、KM5控制电动阀电动机M4，通过正、反转完成开起阀门和关闭阀门的功能。
SBR废水处理电气控制系统主电路如图5所示。
图5SBR废水处理电气控制系统主电路
Fig5SBRwastewatertreatmentelectricalcontrolsystemofmaincircuit
2）电动机M1、M2、M3、M4由热继电器FR1、FR2、FR3、FR4实现过载保护。
电动阀电动机M4控制器内还装有常闭热保护开关，对阀门电动机M4实现双重保护。
3）QF为电源总开关，既可完成主电路的短路保护，又起到分断三相交流电源的作用，使用和维修方便。
4）熔断器FU1、FU2、FU3、FU4分别实现各负载回路的短路保护。
FU5、FU6分别完成交流控制回路和PLC控制回路的短路保护。
2.交流控制电路设计
1）控制电路有电源指示HL。
PLC供电回路采用隔离变压器TC，以防止电源干扰。
2）隔离变压器TC的选用根据PLC耗电量配置，可以配置标准型、变比1：
1、容量100VA隔离变压器。
3）1#清水泵M1、2#清水泵M2、曝气风机M3分别有运行指示灯HL1、HL2、HL3，由KM1、KM2、KM3接触器常开辅助触点控制。
4）4台电动机M1、M2、M3、M4的过载保护，分别由4个热继电器FR1、FR2、FR3、FR4实现，将其常闭触点并联后与中间继电器KA1连接构成过载保护信号，KA1还起到电压转换的作用，将220V交流信号转换成直流24V信号送入PLC完成过载保护控制功能。
5）上水电磁阀YA1和指示灯HL1、排空电磁阀YA2，分别由中间继电器KA2和KA3触点控制[12]。
SBR废水处理系统交流运行显示电路如图6所示。
图6SBR废水处理系统运行控制电路
Fig.6SBRwastewatertreatmentsystemcontrolcircuit
3.主要参数计算
1）断路器QF脱扣电流。
断路器为供电系统电源开关，其主回路控制对象为电感性负载交流电动机，断路器过电流脱扣值按电动机起动电流的1.7倍整定。
SBR废水处理系统有3kW负载电动机一台，起动电流较大，其余三台为1.1kW以下，起动电流较小，而且工艺要求4台电动机单独起动运行，因此可根据3kW电动机选择自动开关QF脱扣电流IQF：
IQF＝1.7IN=1.7×6A＝10.2A≈10A，选用IQF＝10A的断路器。
2）熔断器FU熔体额定电流IFU。
以曝气风机为例，IFU≥2IN＝2×2.5A＝5A，选用5A的熔体。
其余熔体额定电流的选择，按上述方法选配。
控制回路熔体额定电流选用2A。
4.SBR废水处理系统动力设备
SBR废水处理系统中所使用的动力设备（水泵、罗茨风机、电动阀），均采用三相交流异步电动机，电动机和电磁阀（AC220V选配）选配防水防潮型。
1#清水泵：
立式离心泵LS50-10-A，扬程10m，流量29m3/h，AC380V，1.1kW。
2#清水泵：
立式离心泵LS40-32.1，扬程30m，流量16m3/h，AC380V，3kW。
曝气罗茨风机：
TSA-40，0.7m3/min，AC380V，1.1kW。
电动阀：
阀体D97A1X5-10ZB-125mm，电动装置LQ20-1，AC380V，0.75kW。
5.PLC控制电路设计
包括PLC硬件结构配置及PLC控制原理电路设计。
1）硬件结构设计。
了解各个控制对象的驱动要求，如：
驱动电压的等级、负载的性质等；分析对象的控制要求，确定输入/输出接口（I/O）数量；选择适合的PLC机型及外设，完成PLC硬件结构配置。
2）根据上述硬件选型及工艺要求，绘制PL
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