PLC技术在小区中水处理中的应用Word文件下载.docx

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据测算，城镇的污水经收集处理后，其中　7０%是可再次循环使用的,通过中水处理可以在现有供水量不变的情况下，使城镇的可用水量增加50%以上,在经济支出方面的节约也是非常可观的。

如果每年把全国污水的　1/２处理成中水,其水量将达20０亿吨，如果将这些中水替代自来水利用，将产生　200亿元的经济效益［1２]。

1．2　目前主要存在的问题

中水处理自动控制系统有别于其他控制系统，它需要对大量阀门、泵、曝气机和生化池内的搅拌器等机械设备进行控制,因此中水处理厂需要自动控制的开关量多，它们常常要根据一定时间或逻辑顺序定时开／停。

需要抑制外部环境的变化（扰动）对处理过程的影响以确保处理过程的稳定性，需要使处理过程费用最低。

1.３本论文所做的工作

a）　对小区中水处理电气控制系统总体方案进行设计;

ﻩ

b）　设计小区中水处理电气控制系统硬件结构;

c）　设计和开发小区中水处理PLC系统控制软件；

d）设计和开发小区中水处理计算机监控系统;

２　小区中水处理系统总体方案设计

2.1　工艺流程

本课题的研究对象是小区中水处理电气控制系统。

。

本中水处理系统的工艺流程框图如图2．1所示：

２．2系统组成

a）调水池曝气机

　*2台（一用一备）3８0V/1.6KW　要有手/自动切换。

　*手动方式：

手动控制两台曝气机的切换及每台曝气机的起停。

　*　自动方式:

自动控制两台曝气机的切换。

　　b）生化池曝气机

　*一级生化池２台　380V／2.９KW（一用一备）。

　二级生化池２台380Ｖ／１.6KW（一用一备）。

*手动方式:

手动控制曝气机的起停。

*自动方式：

ｃ）提升泵

　　＊　２台（一用一备）38０V／２.２ＫＷ　要有手/自动切换。

　＊手动方式：

手动控制两台泵的切换及每台泵的起停。

*自动方式:

自动控制两台泵的切换。

　　ｄ）加压泵

*２台（一用一备）３8０V/1.6KW　要有手/自动切换。

　　　ｅ）中水供水泵

　＊2台（一用一备）380V/3KW要有手/自动切换。

　f）　反冲洗泵

*1台380V/5.5ＫW手动控制。

g）　加药，消毒计量装置

　　*1台　计量泵2２0V/0．５KW与加压泵联动控制。

*１台搅拌器2２0Ｖ／0.3５KW　手动控制。

h）　自来水补水电磁阀（一个）

　回用水池超低液位时由PLC控制自动打开电磁阀进行补水。

ｉ）报警器（一个）

系统有水位超高报警及变频器故障报警功能。

2.3　系统总体方案设计

根据小区中水处理的工艺要求和电气控制系统的组成及要求，小区中水处理电气控制系统的总体方案设计如图2.1所示。

根据该框图系统所需主要硬件有:

a）可编程控制器PＬC及扩展模块;

b）上位计算机;

c）液位传感器、远传压力表；

d）热继电器;

e）曝气机、各种泵;

f）变频器；

g）报警器等;

3　主控电路设计及主要设备选型

3.１　主电路设计

３.1．1电气主回路

系统电气主回路实际上是曝气机、电磁阀、搅拌器和各种泵的工作回路。

小区中水处理电气控制系统的电气主回路如图3.1所示。

图3.１　电气主回路

图中ＱS为三极隔离开关、QＦ为空气开关、FU为熔断器、KM为接触器、ＦR为热继电器、Ｍ为三相交流电动机。

a）热继电器

根据中水处理驱动电机的型号及其电流电压的要求,选择JＲ１6-２０/３型热继电器，以满足系统控制需要。

b）接触器

接触器在中水处理系统中最主要的用途是控制电动机的启动和停止，并且主要使用中小容量的笼型电机,大部分负载是一般任务。

因此选择ＡC３类接触器。

c）　熔断器

为了在电路发生短路或过载故障时直接断开电源保护系统设备,因此在主电路设计上安装熔断器。

根据小区中水处理系统的组成及要求选用熔体为锌质的ＲM１0系列熔断器。

　设备名称

数量

型号

热继电器

15

JＲ16-20/3型

接触器

1８

AＣ3类

熔断器

17

RＭ１0系列

３.1．2　变频器接线

变频器端子接线图如图３.2所示。

图3.2变频器端子接线图

PＬＣ的　I４.2、Ｉ4．3接变频器的端子１９、2１，L+接端子20、２2,以便把变频器高频率信号和低频率信号送到ＰＬC中。

高频率一般设置为49～４９．５Ｈz。

低频率为防止水泵转速较低,形成“空转”，一般设置为2５～30Hｚ。

PLC的3Ｌ接变频器的9,Ｑ1.4、Q1．5并联接变频器的5端,以实现用PＬC控制变频器的运行和停止。

a）压力检测部分

由一只量程为0至0.6Ｍｐa，输出特性为4至２０mA，1.5级精度的远传压力表组成。

其所检测到的压力信号（经变换后为4至20mA电流信号）　直接送给变频器进行PID调节并控制水泵进行调速运行，以保证管路能维持一恒定的供水压力。

b）　PID调节部分

该供水系统的用水量变化较大，要求系统具有快速反应能力及良好的稳定性。

因此在确定ＰＩD参数时要兼顾系统的稳固性和灵敏度，P参数尽可能大，以保证系统有良好的稳定性，在集中供水时保证系统压力在设计要求的恒压范围内；

I、Ｄ参数的选取应保证系统具有良好的灵敏度和抗干扰性。

参考各种资料初步选取各参数的值，P:

6０~80;

I：

10~15;

Ｄ:

1~3。

待以后根据实际应用再作修改。

c）　供水压力的设定

由于频率设定方式选用“操作面板方式”因此，恒压供水压力的设定可转换成对频率设定而由变频器操作面板的键盘直接进行数字设定。

设定方法为:

根据理论与现场实验修正。

ｄ）工作过程

本系统整个工作过程采用“先开先停,先停先开”的循环工作过程，使各水泵轮流休息及启动。

具体过程如下:

一开始时一号供水泵在PＬC控制下先投入调速运行,其运行速度由变频器调节，当供水压力小于设定值时变频器输出频率升高，水泵速度上升，反之下降。

当变频器的输出频率达到上限频率时，如果此时供水压力仍未达到设定要求则在PLC的逻辑控制下一号供水泵切换到工频运行状态,二号供水泵投入调速运行。

当供水压力大于设定值时,变频器输出频率降低，水泵速度下降,当变频器输出频率低于设定的下限频率时，先启动运行的水泵先停机休息[17]。

3.２控制电路设计

3.２．1　PLC系统配置

本系统采用软件编程的方法，框图如下

本文采用较低成本的　S7－200PＬC作为系统的主控制器,在满足系统性能要求的基础上,比采用S７-３００系列ＰLC的同类系统大大降低了成本,提高了系统的性价比。

3.２.２　PLＣ输入输出接点

ＰＬC输入输出接线如图3.4所示。

图3.４　PＬC输入输出接线

18个输入按钮、12个热继电器信号、8个水位信号、2个变频器频率极限信号和１个变频器故障信号分别对应于PＬCI0.0至I5.０,总计41个开关量输入点；

6台曝气机、2台提升泵、2台加压泵、2台供水泵、1个补水电磁阀、１台反冲洗泵、1台搅拌器和总报警分别对应ＰLＣ输出点Q0.0至Ｑ2.1，总计1８个开关量输出点。

另外１台变频器的运行由变频供水输出点并接驱动。

3.2.3　控制方式及功能

为了更灵活地进行控制，本系统采用三种控制模式即手动控制、PLC全自动控制、上位机控制PLC远程手自动控制三种方式。

其中手动控制电路如图3.５所示。

图3.５　手动控制电路

ａ）调水池和生化池曝气机

根据工艺要求,每池设有2台曝气机用于向池中供氧,当运行曝气机出现热保护时自动转换为备用机。

曝气供氧量由ＰＬＣ根据时间调节。

调水池曝气间歇方式为:

曝气半小时，间歇１5分钟，以保证生物菌存活;

生化池曝气间歇方式为:

曝气机白天１2小时连续运行，夜间进入休眠状态,每隔一小时曝气１0分钟。

这样既实现了曝气供氧量的适当，又实现了曝气机开启时间的调节;

既避免了不必要的能源损失,又优化了运行工艺,同时对曝气池工艺调节提供了一定的参考模式。

b）提升泵和加压泵

当运行泵出现过热保护时自动转换为备用机。

由PLＣ根据液位自动控制泵的起停（高起低停），提升泵的起停与调节池,生化池液位联动，防止溢水;

加压泵的起停与提升泵,供水泵，回用池液位联动,防止溢水。

c）　中水供水泵

变频恒压供水方式：

系统管网压力高于设定时水泵减速运转;

低于设定加速运转,一台泵无法满足流量值时另一台泵自动投入运转保证系统压力达到设计要求。

由PLC根据液位自动控制泵的起停（高起低停）同时与其它泵联动。

系统有超高液位报警及变频器故障自动切换到工频的功能。

4　系统控制软件设计

4．1　程序流程设计

根据中水处理工艺要求,设计以下控制程序流程图。

a）　调水池曝气机

调水池曝气机程序流程图如图３.6和3.7所示。

说明:

图3.７是图3．6的调水池曝气机运行部分，当运行曝气机出现热保护时自动转换为备用机。

曝气为间歇方式,曝气半小时，间歇15分钟。

b）提升泵

提升泵程序流程图如图３.８和3．9所示。

c）　一二级生化池曝气机

一二级生化池曝气机程序流程图如图３．１0和3.11所示。

d）　加压泵

加压泵程序流程图如图3.１2和3.13所示。

图3.12加压泵控制逻辑

e）　报警

报警程序流程图如图3.1３所示。

开始

f）供水泵

供水泵程序流程图如图3.14和3.15所示。

5上位机组态软件设计

5.1中水处理流程图

本画面的流程图是以第二章介绍的中水处理工艺流程框图为蓝本绘制而成的,将从生活污水集中开始的各水处理流程段形象地展现出来，画面中管道中水的流动、设备的运行状况都与实时数据库相连接,能及时准确地反应工艺现场的实际状况。

画面如图5.1所示。

图5．1　小区中水处理监控系统

5.2操作面板画面

此画面根据各流程段所安装的设备设置相对应的开关,同时设置了搅拌器和反冲洗泵等只有手动控制的设备的开关,便于远程手动控制。

此外画面中还设定了一个实时报警，对各个水池水位超高或变频器故障做出及时响应。

画面如图5.２所示。

图5.2小区中水处理系统操作面板

结论

本文针对目前小区中水处理电气控制系统存在的问题,根据中水处理的工艺要求,设计了小区中水处理自动化控制系统系统硬件,开发了　ＰLC　控制软件,实现了中水处理的手动和PLC　自动控制,并且组建了组态王上位机监控系统。

本论文比较突出之处在于：

ａ）　设计出小区中水处理PLC控制系统硬件电路,实现了小区中水处理的自动控制；

同时保留了传统的手动系统，使之能相互切换,从而使中水处理自动化系统变得更加实用、可靠、先进和高效。

b）设计了基于PLC的变频器恒压供水系统，将变频器与ＰLＣ结合起来,由变频器控制水泵转速，PLＣ控制水泵增减,实现了将处理后的中水恒压供给用户。

总之，本文所设计的中水处理PLＣ控制系统不仅能够满足中水处理现场控制和远程监控的要求,而且为以后工程的建立了参考。

对于其它类似结构的水处理系统，只要对有关控制参数加以改动,也可以满足其所要求工艺要求。

因此,该PＬC控制系统具有广阔的应用前景。

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