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PLC电气控制设计污水处理系统

电气控制设计

——某污水处理控制系统设计

专业：

电气工程及其自动化

班级：

学号:

姓名：

指导教师：

完成日期：

绪论

1.1研究目的和意义

1号磁滤器的滤水工艺流程见图。

1号磁滤器的I／O分配表见图（以三菱系列PLC为例）。

2号和3号磁滤器的I／（）分配表与1号相同，只是将输入地址编号X0～X5改为X400～X405和X500～X505，将输出地址编号Y30～Y35改为Y430～Y435和Y530～Y535。

按下启动按钮AN1，使X0接通。

“电源信号”是输出端“电源通断”Y30的反馈信号，当PLC的Y30正常接通，则接入电源通路中的控制接点导通，使Xl接通，滤水工艺顺利运行下去。

同理，“进水阀信号”是输出端“进水阀通断”接通时的反馈信号。

这种控制方式提高系统的可靠性，若有某个输出信号不正常，就会立刻停止滤水工序。

本系统要求：

三台或二台滤水器应能各自按滤水工艺流程并行工作；反洗时，只能单台工作，其他需反洗者必须等待；在滤水时，只要出现“管压差高”的信号，则立即停止滤水工序，自动进入反洗工序。

1.2课题主要设计的内容

本课题主要设计的内容是工业污水处理工艺及工业污水处理系统的组成和PLC控制系统设计,主要由以下内容组成：

（1）介绍了工业污水处理的基本内容，包括工业污水处理的发展现状以及工业污水处理的工艺流程；

（2）介绍了PLC的基本结构和工作原理，并对工业污水处理控制系统进行设计分析；

（3）具体分析设计工业污水处理的硬件系统；

（4）具体分析设计工业污水处理的软件系

2.1信号输入

工业污水处理系统信号输入检测方面主要涉及四类信号的监测，主要包括：

按钮的输入检测、液位差的输入检测、液位高低的输入检测，以及曝气池中含氧量的输入检测。

（1）按钮输入检测。

大多数为人工方式控制的输入检测，主要有自动按钮、手动按钮、格栅机启动按钮、清污机启动按钮、潜水泵启动按钮、潜水搅拌机启动按钮、污泥回流泵按钮、曝气机工频、变频按钮，以及变频加速减速按钮等。

（2）液位差输入检测。

检测粗细格栅两侧液位差，用来控制清污机的启动与停止。

（3）液位高低输入检测。

检测进水泵房和污泥回流泵房中液位的高低，用来控制潜水泵或污泥回流泵的启动和停止，以及投入运行的潜水泵的数量。

（4）含氧量输入检测。

以上三种都为数字量输入，该输入为模拟量输入。

曝气过程是工业污水处理系统中最重要的环节，为了保证微生物所需要的氧气，必须检测污水中的含氧量，并通过曝气机增加或减少其含氧量。

通过将溶解氧仪设置在适当位置上，将检测值反馈到PLC中，通过运算输出控制曝气机的转速信号。

当溶解氧值偏低时，降低了微生物分解的效果，延长了处理时间，严重时甚至导致处理失效，因此需要增加曝气机转速以增加供氧量；当溶解氧值偏高时，导致微生物过氧化，降低了其活性，也不利于处理，因此减小曝气机转速以减少供氧量，最终使污水中的溶解氧保持在一定的范围内。

2.2控制输出信号

信号输出部分主要包括两个方面：

一个是数字量输出，即各类设备的接触器；另外一个是模拟量输出，用来控制曝气机变频器。

（1）数字量输出。

控制各类设备的启动和停止，包括：

格栅机启停、清污机启停、潜水泵启停、潜水搅拌器启停、污泥回流泵等设备。

（2）模拟量输出通过PLC中PID运算后的数据，通过其功能模块输出控制信号，该控制信号输入到变频器的控制端子上，改变变频器的输出频率，从而控制曝气机的转速，最后达到控制污水中含氧量的要求。

3硬件系统配置

3.1主要组成部分

工业污水处理系统的结构比较复杂，设备较多，在氧化沟中其控制过程及原理大致相同，都是通过控制曝气机的转速来调节污水中的含氧量，其基本组成如图3-1所示。

进水

系统

除砂

系统

氧化沟

系统

沉淀

系统

污泥脱水

系统

图3-1工业污水处理系统基本组成示意图

3.2电气控制系统

电气控制系统主要包括操作面板、显示面板、电气控制柜等单元。

由于在该系统中需要检测较多的数字输入量，并且还要检测模拟量的输入，根据设定的程序进行数据处理后，输出控制信号，因此系统的控制逻辑与时序就需要严格照检测信号的输入进行控制。

（1）操作面板。

操作面板主要包括手动、自动、各类设备的启动按钮等。

（2）显示面板。

显示面板由于要显示较多的数据，因此一般采用触摸屏或者人机界面。

（3）电气控制柜。

电气控制柜是电气控制的核心设备，主要包括变频器、各类传感器的输入信号、PLC及其扩展模块等。

3.3工业污水处理系统的工作原理

3.3.1控制系统总体框图

工业污水处理系统的电气控制系统总框图如图4-2所示，PLC为核心控制器，通过检测操作面板按钮的输入、各类传感器的输入，以及相关模拟量的输入，完成相关设备的运行、停止和调速控制。

操作面板

液位差传感器输入

液位高度传感器

输入

溶解氧仪反馈值

（模拟量）

可编程逻辑控制器

PLC

格栅机定时运行

各类泵运行

离心式脱水机

运行

变频器

转碟曝气机运行

显示面板

3-2电气控制系统总框图

3.3.2工作过程

在手动状态下，各类设备的控制是根据操作面板上的按钮输入来控制，无逻辑控制，即可不根据传感器的状态进行控制。

在自动方式下进行闭环控制，系统根据检测到外部传感器的状态对设备进行启停控制，其工作过程如下。

（1）接通电源，启动自动控制方式，启动潜水搅拌器和刮泥机。

（2）运行粗、细格栅机，进行间歇运行，即运行一段时间然后停止一段时间，循环进行。

（3）根据反馈回来的液位差状态控制清污机的运行与停止。

（4）进水泵房中的潜水泵根据液面高低进行运行、停止及运行数量的控制。

（5）转碟曝气机根据溶解氧仪反馈的模拟量经PLC运算后进行控制，同时控制分离机的运行与停止。

（6）污泥回流泵的运行与停止根据液面的高低进行控制。

（7）在污泥脱水系统中，离心式脱水机的启动采用顺序控制方式，依次启动其设备。

3.3.3工业污水处理系统主电路设计

图3-3为工业污水处理系统的主电路图的部分图。

三台电机分别为潜水泵电机（M1）、清污机电机（M2）、转碟曝气机电机（M3）。

接触器KM3、KM2、KM6分别控制M1、M2、M3的工频运行；接触器KM5、KM9分别控制M1、M3的变频运行；FR1、FR2、FR3分别为三台电机过载保护用的热继电器；QF1、主电路的空气开关；FU1为主电路的熔断器。

选用的MM430变频器是用来控制电机M1、M3变频运行的。

L13L23L33

09/B209/B2

500欧姆

FR1

FR2

FR3

U3V3W3

KM9

L34

L24

L14

1RST

2西门子变频器

3MM430

4UVW

03/D3

L16L26L36

KM3KM2KM6

L17L27L37L18L28L38

L15L25L35

KM5

L12

L22

L32

FU1

QF1L11L12

L21L22

L31L32

图3-3工业污水处理系统变频部分主电路图

3.4PLC选型

根据工业污水处理系统的电气控制系统的功能要求，以及其复杂程度，从经济性、可靠性等方面来考虑，选择西门子S7—200系列PLC作为工业污水处理系统的电气控制系统的控制主机。

由于工业污水处理电气控制系统涉及较多的输入输出端口，其控制过程相对复杂，因此采用CPU226作为该控制系统的主机。

CPU226在工业污水处理系统中使用的数字量输入点和输出点都比较多，因此除了PLC主机自带的I/O外，还需要扩展一定数量的I/O扩展模块。

在此采用EM223输入/输出混合扩展模块。

8点DC输入8点输出型。

正好可以满足控制系统的I/O需求。

在该系统中，还需要采集模拟量并利用模拟量控制的功能要求，因此需要在扩展一个模拟量输入输出扩展模块。

西门子公司专门为S7—200系列PLC配置了模拟量输入输出模块EM235，该模块具有较高的分辨率和较强的输出驱动能力，可满足控制系统的功能要求。

3.5PLC的I/O资源配置

根据系统的功能要求，对PLC的I/O进行估算配置，具体分配如下。

3.5.1数字量输入部分

首先需要一个紧急制动按钮,运行方式有两种自动和手动，所以有自动运行方式，自动方式启动确认，手动方式。

手动方式针对各个部件，粗细格栅机有手动粗格栅机启动，手动细格栅机启动。

手动清污机、潜水泵、分离机、碟曝气机工频、转碟曝气机变频、潜水搅拌机、刮泥机、污泥回流泵、分离式脱水机、污泥泵、转碟曝气机加速、转碟曝气机减少、粗格栅液位差计、细格栅液位差计、进水泵房液面高位传感器、进水泵房液面低位传感器、污泥回流泵液面高位传感器、污泥回流泵液面低位传感,总共24个数字输入量.

表3-4数字输入量地址分配

输入地址

输入设备

输入地址

输入设备

I0.0

急停

I1.4

手动刮泥机启动

I0.1

手动方式

I1.5

手动污泥回流泵启动

I0.2

自动方式

I1.6

手动分离式脱水机启动

I0.3

自动启动确认

I1.7

手动污泥泵启动

I0.4

手动粗格栅机启动

I2.0

手动转碟曝气机加速

I0.5

手动清污机启动

I2.1

手动转碟曝气机减少

I0.6

手动潜水泵启动

I2.2

粗格栅液位差计

I0.7

手动细格栅机启动

I2.3

细格栅液位差计

I1.0

手动分离机启动

I2.4

进水泵房液面高位传感器

I1.1

手动转碟曝气机工频启动

I2.5

进水泵房液面低位传感器

I1.2

手动转碟曝气机变频启动

I2.6

污泥回流泵液面高位传感器

I1.3

手动潜水搅拌机启动

I2.7

污泥回流泵液面低位传感器

3.5.2数字量输出部分

数字量输出主要是对接触器的启动提供信号,共13个

表3-5数字输出量地址分配

输出地址

输出设备

输出地址

输出设备

Q0.0

粗格栅机接触器

Q0.7

潜水搅拌机接触器

Q0.1

清污机接触器

Q1.0

刮泥机接触器

Q0.2

潜水泵接触器

Q1.1

污泥回流泵接触器

Q0.3

细格栅机接触器

Q1.2

离心式脱水机接触器

Q0.4

分离机接触器

Q1.3

潜水泵报警

Q0.5

转碟曝气机工频接触器

Q1.4

污泥回流泵报警

Q0.6

转碟曝气机变频接触器

3.5.3模拟量输入部分

由于需要采集一个溶氧仪所反馈的数据，因此扩展了一个模拟量输入输出模块，具体I/O分配，如下表3-6所示。

表3-6模拟量输入地址分配

输入地址

输入设备

AIW0

溶解氧仪

3.5.4模拟量输出部分

在此控制系统中需要将采集回来的模拟量进行数据处理，然后，通过模拟输出口对变频器进行控制，进行控制其他设备的运行，如下表3-7所示。

表3-7模拟量输出地址分配

输出地址

输出设备

AQW0

经PID运算输出

根据控制系统的功能要求，设计出工业污水处理控制系统的硬件连线图如图3-8所示，此控制面板上的手动控制部分主要在调试系统时使用，调试完成后基本处于闲置状态。

4软件系统设计

采用西门子公司为S7—200系列PLC开发的STEP7—Micro/WIN32作为编程软件，上面介绍了工业污水处理控制系统的结构、工作原理和电气控制部分的结构，硬件结构的总体设计基本完成后，就要开始软件部分的设计，根据控制系统的控制要求和硬件部分的设计情况及PLC控制系统I/O的分配情况，进行软件编程设计。

在软件的设计中，首先按照需要实现的功能要求做出流程框图，其次按照不同功能编写不同功能模块，这样写出的程序条例清晰，既方便编写，也便于调试。

4.1总体流程设计

根据系统的控制要求，控制过程可以分为手动控制功能和自动运行功能。

在手动控制模式下，每个设备可以单独运行，以测试设备的性能，如图4-1所示。

图4-1模式选择流程图

开始

自动控制

手动控制

自动？

4.1.1手动模式

在手动模式下，可单独调试每个设备的运行，如图5-2所示。

在此模式下，可以通过按钮对格栅机、清污机、转碟曝气机、刮泥机，以及各类泵进行控制，对于转碟曝气机的控制，可以通过按钮增大或减小变频器的频率来改变其速度，以检测调试性能。

污泥回流机

启停

手动控制

离心式脱水机

启停

格栅机

启停

清污机

启停

转碟曝气机启停及速度调节

潜水泵

启停

刮泥机

启停

潜水搅拌机启停

图4-2手动操作模式流程图

4.1.2自动模式

处于自动方式时，系统上电后，按下自动启动确认后系统运行，系统开始工作，其工作过程包括以下几个方面。

（1）系统上电后，按下自动启动确认按钮，启动潜水搅拌器和刮泥机。

（2）启动粗格栅系统。

（3）启动潜水泵。

（4）启动细格栅系统。

（5）启动曝气沉砂系统。

（6）启动污泥回流系统。

（7）启动污泥脱水系统。

以上工作过程并不是顺序控制方式，而是按照PLC检测到传感器状态进行启动如图4-3所示。

启动潜水泵

启动粗格栅系统

启动细格栅系统

启动曝气沉砂系统

启动污泥回流系统

自动控制

启动污泥脱水系统

启动潜水搅拌和刮泥机

图4-3自动操作模式流程图

在自动控制模式流程图中，调用了各个控制系统的程序，主要包括粗格栅系统程序、潜水泵程序、细格栅系统程序、曝气沉砂系统程序、污泥回流泵系统程序。

以及污泥脱水系统程序，以下将分别介绍各个子程序的工作过程。

粗格栅系统程序主要控制粗格栅机和清污机的运行，其工作过程包括以下几个方面。

（1）自动过程开始启动粗格栅机，定时20min。

（2）定时到，停止运行粗格栅机2h。

（3）2h定时到，运行粗格栅机20min，循环进行。

（4）同时检查液面差，若超过设定值则启动清污机。

（5）液面差值低于设定值，停止清污机运行。

潜水泵程序主要控制潜水泵的运行和停止，其工作过程包括以下几个方面：

（1）自动过程开始启动潜水泵。

（2）检测液面高度，低于最低位传感器时，开始定时防止误判。

（3）定时到后，若仍低于最低位传感器，则停止潜水泵运行，否则潜水泵继续运行。

（4）检测液面处于中位和高位传感器之间时，开始定时防止误判。

（5）定时到后，若液面仍持续处于高位传感器，则输出报警信号。

表4-10软元件设置

元件

意义

内容

备注

M0.0

系统停止标志

On有效

M0.1

手动方式标志

On有效

M0.2

自动方式标志

On有效

M0.3

自动方式启动标志

On有效

M1.1

清污机运行标志

On有效

M2.3

聚合物泵运行标志

On有效

M2.4

污泥泵运行标志

On有效

M2.5

切割机运行标志

On有效

M2.6

粗格栅机停止标志

On有效

M2.7

粗格栅机定时脉冲计数

On有效

M3.0

进水泵房液面低于最低位

On有效

M3.2

细格栅机停止标志

On有效

M3.3

细格栅机定时脉冲计数

On有效

M3.4

转碟曝气机变频转工频运行标志

On有效

M3.7

转碟曝气机变频运行标志

On有效

M4.0

回流泵房液面低于最低位标志

On有效

M4.1

回流泵房液面高于最高位标志

On有效

粗格栅机2h定时中间计数器

细格栅机2h定时中间计数器

T33

时钟脉冲

50ms

T37

粗格栅机运行时间

12000

20min

T38

粗格栅机停止时间定时

7200

12min

T39

进水泵房液面低于最低位定时

T40

进水泵房液面高于最高位定时

T41

细格栅机运行时间

12000

20min

T42

细格栅机停止时间定时

7200

12min

T43

污泥回流泵房液面低于最低位定时

T44

污泥回流泵高于低位且低于高位定时

T45

污泥回流泵房液面高于最高位定时

T46

离心式脱水机与聚合物泵启动间隔

T47

聚合物泵与污泥泵和切割机启动间隔

VD10

变频器速度寄存器

VD20

含氧量反馈值寄存器

VD30

变频器速度寄存器

VD100

含氧量标准值寄存器

VD102

变频器速度标准值寄存器

100.0

VD104

USS-INIT指令执行结果

VD106

USS-RPM-R错误状态字节

实训小结

变频器

潜水泵电机

转碟曝气机电机

AC220v

3MM430

UVW

RS485

S7-200

CPU226

EM223

L+

L+EM235

RAA+A-

手动操

作面板

溶解氧仪

图3-8工业污水处理系统PLC

硬件接线图

此图同3-2电气控制系统总框图

急停I0.0

手动方式I0.1

自动方式I0.2

自动启动I0.3

确认

I0.4

操作面板

I2.1

粗格栅液位计I2.2

细格栅液位计I2.3

进水泵高位I2.4

进水泵低位I2.5

回流泵高位I2.6

回流泵低位I2.7

Q0.0KM1粗格栅机启动

Q0.1KM2清污机启动

Q0.2KM3潜水泵启动

Q0.3KM4细格栅机启动

Q0.4KM5分离机启动

Q0.5KM6曝气机工频启动

Q0.6KM7曝气机变频启动

Q0.7KM8潜水搅拌机启动

Q1.0KM9刮泥机启动

Q1.1KM10污泥回流泵启动

Q1.2KM11离心式脱水机启动

Q1.3潜水泵报警

显示面板

Q1.4污泥回流泵报警

参考文献

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机械工业出版社，2004.1.

[2]孙振强，王晖，孙玉峰.可编程控制原理及应用教程[M].：

清华大学出版社，2005.2.

[3]唐宇毅.电厂含油工业污水处理的PLC控制系统设计[D].：

广东工业大学出版社，2005.

[4]廖常初.PLC编程及应用[M].：

机械工业出版社，2005.2.

[5]张培山，钟昆.基于PLC的工业污水处理厂自控系统的实现[J].控制系统,2006,5

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82-83.

[6]李英辉，赵豫龙，戴青云.基于PLC的中水处理系统[J].石家庄职业技术学院报,2008,6（4）76-78.

[7]何献忠.工业工业污水处理的PLC控制应用[J].湖南冶金职业技术学院学报，2004，43（4）：

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[8]张燕宾.SPWM变频调速应用技术（第3版）[M].：

机械工业出版社，2006.153.

[9]程玉华.西门子S7-200工程应用实例分析[M].：

电子工业出版社，2008.1.

[10]陶权，吴尚庆.变频器应用技术[M].：

华南理工大学出版社.2009.1.

附录Ⅰ.控制程序

采样子程序：

L#DB_No

TLW0

OPNDB[LW0]//打开数据块

L#PIW_Addr

SLD3//形成输入地指针址

TLD4

L#DBW_Addr

SLD3//形成数据块地指针址

TLD8

L#CH_LEN//以要读入的通道数为循环次数

TLW0

LLD4

LAR1

LPIW[AR1,P#0.0]//采集模拟量装入累加器1

TLW2

LLD8

LAR1

LLW2

TDBW[AR1,P#0.0]//将累加器1的内容存入数据块中

LLD4

+L#16//调整输入地址指针，指向下一通道

TLD4

LLD8

+L#16//调整数据块地址指针，指向下一存储地址

TLD8

LLW0//将循环次数计数器LW0的值装入累加器1

LOOPNEXT//若累加器1的值不为0，将累加器减1继续循环，若为0，则结束

联锁子程序：

Network1

AM363.0//判断标志位

RQ0.0//进行输出动作

AM363.1

rQ8.4

rQ9.2

Network2//同网络1动作

AM372.0

RQ0.1

AM372.1

RQ6.4

RQ9.3

Network3//同网络1动作

AM381.0

RQ0.2

AM381.1

RQ9.6

RQ9.7

Network4

AM768.2//207Low_bit

RQ8.4//2-35

RQ9.2

AM778.2//208

RQ6.4//2-37

RQ9.3

AM788.2//209

RQ9.7//2-39

RQ9.6

AM768.1//207High_bit

RQ0.0

AM778.1//208High_bit

RQ0.1

AM788.1//209High_bit

RQ0.2

附录Ⅱ部分接线图

09/B209/B2

500欧姆

FR1

FR2

FR3

U3V3W3

KM9

L34

L24

L14

1RST

2西门子变频器

3MM430

4UVW

03/D3

L16L26L36

KM3KM2KM6

L17L27L37L18L28L38

L15L25L35

KM5

L12

L22

L32

FU1

QF1L11L12

L21L22

L31L32

变频器

潜水泵电机

转碟曝气机电机

AC220v

3MM430

UVW

RS485

S7-200

CPU226

EM223

L+

L+EM235

RAA+A-

手动操

作面板

溶解氧仪

图3-8工业污水处理系统PLC

硬件接线图

此图同3-2电气控制系统总框图

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