基于PLC的过滤流程控制系统.docx
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基于PLC的过滤流程控制系统
毕业设计论文论文题目：
基于PLC的过滤流程控制系统
学生姓名：
班级学号：
43
专业：
电气自动化技术
院（系）：
电气工程学院
指导教师：
职称副教授
二零年月日
摘要
随着我国经济的发展和人民生活水平的逐渐提高，对环境质量提出更高更好的要求。
因此，解决好水污染问题，有效地实现污水处理，是保护生态环境以及为人们营造舒适生活环境的重要条件。
本文在参阅大量技术参考文献的基础上，对污水过滤流程的实际工艺进行了详细的研究；根据污水过滤流程的工艺特点和要求，采用PLC实现其自动控制。
其次，依照控制系统设计的原则和步骤，分别进行了系统硬件设计和软件设计。
在选择欧姆龙系列的可编程控制器的基础上，对沉降罐排污、过滤器过滤和过滤器反冲洗三部分进行了控制系统设计。
设计好的过滤流程PLC控制系统有望实现污水过滤流程系统的有效控制控制，节省人力物力。
论文主要由过滤流程工艺、硬件选型和软件设计三大部分组成。
过滤流程工艺部分主要介绍了过滤流程的工作原理、工艺特点和控制要求；硬件选型部分详细说明了PLC功能模块的选型、输入输出点数的确定和输入输出地址的分配；软件设计部分主要论述了PLC内部地址的分配、程序流程图和梯形图等内容。
Abstract
Withthedevelopmentofournationaleconomyandthepeople’slivingstandardsimproved,peopleneedhigherqualityandbetterenvironmentalrequirements.Asaresult,solvingtheproblemofwaterpollutionandcompletingthesewagetreatmentaretheimportantconditionthatprotectstheecologicalenvironmentandcreatesthecomfortablelivingenvironment.
Afterreadingalotoftechnicalreference,researchestheactualsewagedisposalprocessinthefiltrationprocess,andsewagefilterachievestheautomaticcontrolbyPLCaccordingtothetechnologicalcharacteristicsoftheprocessandrequirements.Second,completesthesystemhardwareandsoftwaredesigninaccordancewiththeprinciplesandstepsofcontrolsystemdesign.Thecontrolsystemdesigncanisdividedintothesewagesettlingtank,filtersandfilterbackwashinthechoiceoftheOmronseriesPLC.DesignedPLCcontrolsystemisexpectedtoachievewaterfiltrationsystem,savinghumanandmaterialresources.
Thisdissertationhasthreemajorcomponentsbythefiltrationprocesstechnology,selectionofhardwareandsoftwaredesign.Filteringprocessintroducessomeofthemajorfilteringprocessflowworks,processcharacteristicsandcontrolrequirements.HardwareselectionsectiondetailstheselectionofPLCmodules,inputandoutputpointstodetermine,thedistributionofinputandoutputaddress.SoftwaredesigndiscussessomeofthemajorPLCinternaladdressallocation,programflowchartandLD.
Keywords:
Filtrationprocess;Subside;Backwash;PLC;LD
第一章绪论
1.1课题研究的背景及意义
随着我国经济的发展和人民生活水平的逐渐提高，必然对环境质量提出更高更好的要求。
但是伴随着城市规模的不断扩大，被污染的淡水资源也在逐年增加。
水，作为一种必不可少的资源，长期以来一直被认为是取之不尽，用之不竭的。
在这种观念的驱使下，水环境的质量越来越恶劣，水资源短缺也越来越严重，由此造成的水危机将成为社会经济发展的重要制约因素。
解决好水污染问题，对污水处理后再排放，是保护生态环境以及为人们营造良好舒适生活环境的重要条件。
我国“十一五”规划纲要提出了“节能减排”的明确目标；2009年7月19日，国务院办公厅印发了《2009年节能减排工作安排的通知》；2009年12月18日，国务院总理温家宝出席了哥本哈根气候变化会议领导人会议，并发表了题为《凝聚共识加强合作推进应对气候变化历史进程》的重要讲话，全面阐述了我国政府应对气候变化问题的立场、主张和举措。
可见节能减排已是我国建设资源节约型、环境友好型社会的必然选择；是维护中华民族长远利益的必然要求。
过滤流程PLC控制系统是利用可编程控制器（PLC）将多套沉降装置和过滤装置联接起来对污水实现全自动控制的系统；是一套污水处理系统的重要组成部分；是降低水污染、改善水环境质量的重要技术手段。
它把回收的污水（又称原水）进行加药沉降，上层清液过滤后可以重新利用。
这样就能够避免直接把废水排放到自然环境所造成的环境污染问题，节能减排，既能缓解水环境质量不断恶化的趋势，又能改善水资源短缺的态势，促进经济社会快速稳定向前发展。
1.2国内外研究现状
1..1国内污水处理情况
目前我国的水污染较为严重，并且污水的排放量在逐年增加。
我国每年排放的污水量已超过400亿立方米且处理率低，大量的污水直接排入天然的水体中，造成了严重的水体污染。
据统计已超过80%的河流受到不同程度的污染，因此加快污水处理务。
我国污水处理水平低，不论是设备还是技术，或者是处理的深度和广度，都远远落后于欧美等发达国家。
我国平均每200多万人拥有一座污水处理厂，而且在污水处理的深度上也存在着很大的欠缺。
到2004年底，我国已建设的城市污水处理厂668座，其中二级处理厂282座。
这些污水处理厂的建设，极大地提高了污水处理水平，但是处理量的增加仍远远滞后于污水排放量的增加，两者之间的差距还在进一步拉大。
根据按98年的资料，我国城市污水的处理率仅为15.8%，而欧美等发达国家如美国早在1980年就已达到70%了。
我国现存的污水处理设备运行状况是1/3运行正常、1/3不正常、1/3处于停止状态，前景堪忧。
我国污水处理的普遍情况是污水处理能力增长缓慢、污水处理率低和自动化程度不高，且主要表现在以下几个方面：
⑴污水处理技术落后
长期以来，我国污水处理技术都是沿袭欧美国家的处理技术，在吸收、消化的同时形成自己的技术，但是我国现阶段采用的大部分技术都是上个世纪欧美国家的处理技术。
这些技术存在效率低、能耗高、维修率高、自动化水平低等缺点，并且严重制约了我国污水处理能力的提升，使得我们与同时期的欧美国家的污水处理技术存在很大的差距。
⑵污水处理能力不足
随着我国经济的快速发展，污水的排放量日益增加。
单独依靠以前中下型的污水处理系统很难满足污水处理的需要，研究和开发高效的、大型的污水处理系统已经迫在眉睫了。
⑶管理水平低
我国各种类型及层次的控制系统并存，良莠不齐。
这使得污水处理技术复杂，操作人员的技术素质和管理水平不能很好适应，这就制约了污水处理系统的正常运行。
1.2.2国外污水处理情况
在国际上，大规模的水污染治理最早是在二战后，由于上世纪50年代经济蓬勃发展带来的，60年代日益严重的环境污染而展开的，如英国的泰晤士河和欧洲的莱茵河等水系的污染和治理就是典型的例子。
至70年代末，美国投入了数千亿美元兴建了18000余所污水处理厂，英国、法国、德国、瑞士等各耗费巨资兴建了7000至8000座污水处理厂，这些污水处理厂的投入运行对这些国家的水体污染改观起到了关键的作用，也为人们治理水污染积累了丰富的经验。
经济发达的欧美国家除了非常重视污水处理的新理念和新技术之外，更重视污水处理的自动控制问题，先后研究开发了各种高效率，智能型和集约型的污水处理系统，并采用了计算机自动控制处理工艺，取得了非常理想的效果。
许多先进的污水处理厂基本实现用计算机进行数据记录和运行过程控制，实现了全自动无人值守控制模式。
如美国的爱阿华污水处理厂采用数字式计算机控制自动加钒，运转一年就降低钒消耗20%，并且提高了管理水平和稳定了水质。
此外，德国慕尼黑城市污水处理厂、日本东京朝霞污水处理厂等也先后采用计算机自动控制污水处理工艺，并取得很理想的效果。
现在美国大中型污水处理厂均采用一套集散型的自动控制系统进行控制，他们在厂区范围内设有若干台现场计算机，对整个污水处理过程实现多环路控制，其中包括沉降、过滤、反冲洗、臭氧杀菌、化学药剂投放、泵房等，然后使用无线通信技术将数据信号传送到控制室中进行记录、分析和整合。
与此同时，欧美国家的污水处理工艺也日趋多样化，如鼓曝法、氧化沟法、SBR法、生物膜法等。
多样化的污水处理工艺和先进的自动控制系统使得欧美国家的污水处理产业在整个国民经济中占有较为重要的地位，并使得他们的污水处理规模、工艺、自动化程度都处在世界领先的地位。
目前欧美国家的污水处理自动控制系统一般具有以下的特点：
（1）采用分布式计算机控制；
（2）工艺的自动调整；
（3）工艺过程趋于复杂；
（4）冗余化设计；
（5）大量采用智能仪表；
（6）无线通信技术。
第二章过滤流程及PLC概述
2.1工艺流程及设备控制要求
2.1.1沉降、过滤过程的原理
图2.1是一个污水处理的流程原理图。
图2.1完整的污水处理流程图
它是将原水（污水，废水）经过加药、消毒，然后在沉降罐中沉降，最后通过过滤器过滤成可以正常利用的水。
原水过滤包括污水处理和污泥处理两个子系统，他们之间相辅相成，共同构成一个完整的污水处理系统。
今天我的论文不是来讨论这整个系统，而是探讨其中的一小部分——沉降和过滤。
众所周知，过滤流程是将原水经过加药处理过后，在水中产生化学反应形成许多的絮凝物，再经过一段时间的静置，最终将原水中的大分子物质沉降到罐的底部，上层的清液由沉降罐的顶部流出。
经过加压泵直接进入过滤器中，液体通过过滤器过滤就可以达到所要求的技术指标。
沉降罐底部的淤泥需要定时排出。
沉降和过滤过程是通过沉降罐和过滤器实现的。
沉降罐是用来沉降液体中的絮凝物，一般采用3～5个沉降罐并联工作。
该过滤流程工艺采用了4个沉降罐，并且每个沉降罐底部周围都有4个排污阀，在设定的循环周期中，4个排污阀依次打开（4个排污阀中只有1个打开），将罐底的淤泥排出。
过滤器是内部填充有多层滤料的承压罐，一般采用6～10个过滤器并联工作，该过滤流程工艺使用了8个过滤器。
每个过滤器过滤一段时间之后要进行反冲洗操作，这样可以清除滤料上的污渍，以保证整个流程连续不断的运行。
过滤器从开始进水过滤到反冲洗完毕算作一个周期。
2.1.2沉降、过滤过程的工艺流程
污水处理系统的过滤流程的工艺流程图如图2.2所示。
图2.2带设备的过滤工艺流程图
2.1.2.1沉降罐排污流程
①沉降
原水在经过加药混合后，沿着管道分别送入M1、M2、M3、M4等四个沉降罐中。
静置一段时间，等到将大部分杂质沉淀在沉降罐底部时，再将上层清液由顶部的出水口流出，最后通过加压泵加压进入过滤器中。
②排污
沉降一段时间后，每个沉降罐底部都会产生大量的淤泥，这时就需要依次将沉降罐底部的4个排污阀门打开，并且每次只能有一个阀门打开，最终将底部的淤泥全部排出。
2.1.2.2过滤器过滤流程
①过滤
把经过沉降的上层清液分别送入N1～N8等8个过滤器中。
将每个过滤器的进水阀和出水阀都打开，上层清液由进水阀流入，经过过滤器的多层过滤后，由出水阀流出，最后送入清水池存储起来。
②反冲洗
每个过滤器过滤一段时间后都要进行反冲洗。
首先将过滤器的进水阀和出水阀关闭，再打开排水阀和排气阀，将过滤器中的水和气体排出。
待水和气体排出后，再将排水阀和排气阀关闭。
最后启动反冲洗泵，打开反冲洗进水阀和出水阀，开始反冲洗操作。
2.1.3工艺设备的控制要求
该过滤工艺采用的设备都具有手动/自动功能。
当设备处于自动工作状态时，所有的设备将按PLC程序中设定的时间间隔工作。
当设备处于手动工作状态时，操作工可以使用控制盘上面的按钮来控制设备的运行22。
2.1.3.1控制系统组成
在控制室有一面控制盘。
控制盘上有用于控制操作的开关、按钮和定时器，以及用于显示工作状态的指示灯等控制设备。
控制盘内安装有一台OMRON的CQM1系列的PLC。
PLC输出节点通过电缆线和现场的设备相连。
控制阀均采用气动蝶阀，控制电磁阀采用两位五通单电控电磁阀。
控制系统组成如图2.3所示。
图2.3控制系统组成图
2.1.3.2设备控制原理
①沉降罐的控制
沉降罐的控制分为手动和自动两种控制方式。
这两种控制方式都是由PLC按程序设定好的操作顺序依次控制沉降罐阀门的开启和关闭，不需要操作工到现场手动启闭控制阀门。
ⅰ.手动状态
当沉降罐选择手动方式开启时，该沉降罐不会按照沉降罐定时器所设定好的时间间隔定时自动操作，而是通过操作工启动仪表盘上的按钮来启动该沉降罐，使其完成排污过程。
ⅱ.自动状态
当沉降罐选择自动方式开启时，该沉降罐将按照沉降罐定时器所设定好的时间间隔定时自动操作，不需要操作工的干预。
在任何时候，均可以中断沉降罐的排污过程。
②过滤器的控制
过滤器的控制分为手动、自动和差压三种控制方式。
这三种控制方式都是PLC按程序设定好的操作顺序依次控制过滤器阀门的开启和关闭，不需要操作工到现场手动启闭阀门。
ⅰ.手动状态
当过滤器选择手动方式开启时，该过滤器不会按照过滤器定时器所设定好的时间间隔定时自动操作，而是通过操作人员来启动仪表盘上的按钮来启动该过滤器，使其完成反冲洗过程。
ⅱ.自动状态
当过滤器选择自动方式开启时，该过滤器将按照过滤器定时器所设定好的时间间隔定时自动操作，不需要操作工的干预。
ⅲ.差压控制状态
无论过滤器选择何种方式工作时，只要该过滤器的差压开关动作后，仪表盘上的差压报警指示灯点亮，都将自动开始过滤器的反冲洗过程。
当过滤器正在反冲洗时，以上的控制都不起作用，只有等到反冲洗操作停止之后才能起作用。
在任何时候，均可中断过滤器的反冲洗过程。
2.2可编程控制器PLC概述
2.2.1PLC的基本概念
PLC（ProgrammableLogicController）可编程逻辑控制器，是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。
它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算，顺序控制、定时、计数和算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或者生产过程，是工业控制的核心部分。
早期的可编程控制器称作可编程逻辑控制器，它主要用来代替继电器实现逻辑控制。
随着技术的发展，这种采用微型计算机技术的工业控制装置的功能已经大大超过出逻辑控制的范围。
因此，今天这种装置被称作可编程控制器，简称PC。
但是为了避免与个人计算机（PersonalComputer）的简称相混淆，所以将可编程序控制器简称PLC。
2.2.2PLC的基本结构
PLC虽然是一种专用于工业控制的计算机，但是其硬件结构基本上与微型计算机相同，基本结构如图2.4所示：
图2.4PLC的基本结构
⑴电源
PLC的电源在整个系统中起着十分重要的作用。
如果没有一个良好的、可靠的电源系统是无法正常工作的，因此PLC的制造商对电源的设计和制造也十分重视。
一般交流电压波动在+10%（+15%）范围内，可以不采取其它措施而将PLC直接连接到交流电网上去。
⑵中央处理单元（CPU）
中央处理单元（CPU）是PLC的控制中枢。
它按照PLC系统程序赋予的功能接收并存储从编程器键入的用户程序和数据；检查电源、存储器、I/O以及警戒定时器的状态，并能诊断用户程序中的语法错误。
当PLC投入运行时，首先它以扫描的方式接收现场各输入装置的状态和数据，并分别存入I/O映像区，然后从用户程序存储器中逐条读取用户程序，经过命令解释后执行逻辑或算术运算的结果，并送入I/O映像区或数据寄存器中。
等所有的用户程序执行完毕之后，将I/O映像区内的输出状态或数据寄存器内的数据传送到相应的输出装置上，如此循环运行，直到停止工作。
为了进一步提高PLC的可靠性，近年来对大型PLC还采用双CPU构成冗余系统，或采用三CPU的表决式系统。
这样，即使某个CPU出现故障，整个系统仍能正常运行。
⑶存储器
存储器（Memory）是计算机系统中的记忆设备，用来存放程序和数据。
计算机中全部信息，包括输入的原始数据、计算机程序、中间运行结果和最终运行结果都保存在存储器中。
它根据控制器指定的位置存入和取出信息。
有了存储器，计算机才有记忆功能，才能保证正常工作。
按用途存储器可分为主存储器（内存）和辅助存储器（外存）,也有分为外部存储器和内部存储器的分类方法。
外存通常是磁性介质或光盘等，能长期保存信息。
内存指主板上的存储部件，用来存放当前正在执行的数据和程序，但仅用于暂时存放程序和数据，关闭电源或断电，数据会丢失。
⑷输入输出接口电路
1、现场输入接口电路由光耦合电路和微机的输入接口电路，作用是PLC与现场控制的接口界面的输入通道。
2、现场输出接口电路由输出数据寄存器、选通电路和中断请求电路集成，作用是PLC通过现场输出接口电路向现场的执行部件输出相应的控制信号。
⑸功能模块
随着PLC应用范围的扩大，各PLC制造厂家在提高PLC主机性能的同时，还开发了专门用途的功能模块，以满足各种工业控制的特定需要。
这些模块包括：
高速计数器模块、定位控制模块、A/D和D/A模块、PID模块、PLC模块、PLC网络模块、PLC与计算机通信模块、中断控制模块、温度传感器输入模块、BASIC模块、语音输出模块等。
⑹通信模块
备或主计算机之间的通信，如以太网、RS485、Profibus-DP通讯模块等。
远程I/O系统也必须配备相应的通信接口模块。
2.2.3PLC的工作原理
当PLC投入运行后，其工作过程一般分为三个阶段，即输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段。
完成上述三个阶段称作一个扫描周期。
在整个运行期间，PLC的CPU以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。
⑴输入采样阶段
在输入采样阶段，PLC以扫描方式依次地读入所有输入状态和数据，并将它们存入I/O映像区中相应的单元内。
输入采样结束后，转入用户程序执行和输出刷新阶段。
在这两个阶段中，即使输入状态和数据发生变化，I/O映像区中相应单元的状态和数据也不会改变。
因此，如果输入是脉冲信号，则该脉冲信号的宽度必须大于一个扫描周期，才能保证在任何情况下，该输入均能被读入。
⑵用户程序执行阶段
在用户程序执行阶段，PLC总是按由上而下的顺序依次扫描用户程序（梯形图）。
在扫描每一条梯形图时，又总是先扫描梯形图左边的由各触点构成的控制线路，并按先左后右、先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运算，然后根据逻辑运算的结果，刷新该逻辑线圈在系统RAM存储区中对应位的状态；或者刷新该输出线圈在I/O映像区中对应位的状态；或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。
在用户程序执行过程中，只有输入点在I/O映像区内的状态和数据不会发生变化，而其他输出点在I/O映像区或系统RAM存储区内的状态和数据都有可能发生变化，而且排在上面的梯形图，其程序执行结果会对排在下面的凡是用到这些线圈或数据的梯形图起作用；相反，排在下面的梯形图，其被刷新的逻辑线圈的状态或数据只能到下一个扫描周期才能对排在其上面的程序起作用。
⑶输出刷新阶段
当扫描用户程序结束后，PLC就进入输出刷新阶段。
在此期间，CPU按照I/O映像区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路，再经输出电路驱动相应的外部设备。
2.2.4PLC的主要特点
PLC是传统的继电器技术和计算机技术相结合的产物，所以在工业控制方面，它具有继电器控制或通用计算机所无法比拟的特点。
⑴可靠性高，抗干扰能力强
PLC的平均故障间隔时间可达几十万小时。
硬件方面抗干扰措施有隔离、绿宝，软件方面设置故障检测与诊断程序、状态信息保护功能。
⑵编程软件简单易学
PLC的编程大多采用类似于继电器控制线路的梯形图形式，很容易被一般工程技术人员所理解和掌握。
⑶适应性好，具有柔性
由于可编程控制器产品均成系列化生产，品种齐全，多数采用模块式的硬件结构，组合和扩展方便。
可单机控制，也可联网操作。
⑷功能完善，接口多样
具有逻辑运算、定时、计数、顺序控制、A/D、D/A转换、数值运算、数据处理、通信联网等功能。
⑸易于操作，维护方便
安装方便，具有DIN标准导轨安装卡扣，用螺丝刀可以完成与不同设备的连接，有完善的自诊断功能和运行故障指示装置。
目前，PLC在国内外已广泛应用于汽车装配、数控机床、机械制造、电力石化、冶金钢铁、交通运输、轻工纺织、污水处理等各行业中。
2.3本章小结
本章主要介绍了污水处理中沉降、过滤过程的工艺流程和工艺设备的控制要求，并简单介绍了可编程控制器PLC的基本概念、基本结构、工作原理和主要特点。
为下一章进行过滤流程的硬件设计奠定好基础。
第三章系统的硬件设计方案
3.1PLC硬件选型
接触器）
在控制系统中，所有设备是根据控制面板上的按钮情况或者根据定时器的反馈值进行动作的，因此需要PLC根据当前的工作情况，以及按钮的情况来控制所有设备的起停。
在此会用到了接触器、反冲洗泵接触器，为此该系统选用施耐德LCI-D0901M5C交流接触器，其额定电压220V，额定电流9A。
其特点有：
高标准：
符合IEC60947-4-1和GB14048.4标准。
长寿命：
机械寿命高达2000万次；电寿命高达200万次.强适应性：
“TH”防护处理，可以在湿热的环境中使用。
宽电压：
线圈控制电压在70%-120%Uc之间波动，不影响产品正常工作，强通用性：
具有50Hz-60Hz通用线圈，可以全世界通用。
模块化：
产品本体上可以附加辅助触头，通电/断电延时触头，机械闭锁等模块。
也可以很方便的组合可逆接触器、星-三角启动器。
电磁阀）
电磁阀是通过线圈驱动来控制流体的自动化基础元件
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