国家职业资格全省统一鉴定维修电工技师PLC在污水处理方面的应用.docx

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国家职业资格全省统一鉴定维修电工技师PLC在污水处理方面的应用

国家职业资格全省统一鉴定

维修电工技师

（国家职业资格二级）

文章题目：

PLC在污水处理方面的应用

姓名:

身份证号:

所在省市:

江苏常州

所在单位:

江苏省常州技师学院

PLC在污水处理方面的应用

摘要:

现在,PLC技术已经成为自动化控制的主要方式,且在各方面的应用都很广泛。

例如,污水处理方面，为了更有效的治理污水,获得最大的收益,我们以西门子S7-200系列PLC作为控制核心,结合在现代污水处理方面较为流行的序列间歇式活性污泥法即SBR处理工艺，介绍PLC控制技术在污水处理方面的应用。

关键词:

PLC程序调试

一、污水处理系统介绍

用PLC来控制污水处理系统,一方面提高了整个工作流程的速度,使得控制更为方便,且操作程序简单,容易上手,更有利于做远程控制;另一方面使得工作更加的可靠,因为以往的污水处理基本上都是使用的接触器来进行人工操作的,使用起来费时费力,时间一长接触器的触头会发生氧化,导致一系列的事故发生.现在随着PLC技术的不断更新,应用范围也越来越广,我们这次就选用西门子PLC为例,结合SBR污水处理系统来进行一系列的改造设计。

1、污水处理系统主要组成部分如图1-1所示.

图1-1污水处理系统主要组成

（1）进水系统

进水系统主要有进水管道和进水泵房组成,进水管道主要有粗格栅机

和细格栅机组成,进水泵房主要有两台潜水泵组成。

进水管道的主要功能是将污水中的大块物体排除其中的粗格栅机是根据程序的设定时间来进行间歇工作的,清污机的运行和停止是根据粗格栅两边的液位差来决定的,当液位差超过某值时工作,小于某值时停止.潜水泵的动作是通过安装在泵房外的液位传感器来决定的,当液位较高时启动一台泵,当液位较高时启动两台泵,若液为持续升高则发出报警。

（2）曝气系统

曝气反应系统主要设备是曝气机,在反应池中装有溶解氧仪对污水中的含氧量进行检测,根据其反馈到PLC的值来控制曝气机的运行,改变污水中的搅拌状态,使它们充分混合接触。

污泥回流系统的污泥泵将不需要的泥进行处理,该设备的工作状态主要根据泵房外液位传感器的状态当液位低于某个值时停止运行,处于正常时污泥泵正常运行。

（3）沉淀系统

沉淀系统的主要设备为刮泥机,其功能是对经过曝气以后的进行物理沉淀,将污泥与清水分离,刮泥机在整个系统启动的时候就开始持续运行。

（4）脱水系统

脱水系统的主要设备为脱水机,其功能为对经过处理过的污泥进行脱水处理.脱水机主要有聚合物泵、污泥机和切割机构成,它们的启动顺序依次为:

聚合物泵、污泥机和切割机。

2、污水处理系统中电气部分介绍

在该系统中PLC为核心控制器,它通过检测面板上按钮的输入、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，同时还可以对整个系统的工作流程进行监控。

污水处理系统总体框图如图1-2所示。

图1-2电气控制系统总体框图

（1）西门子PLC

西门子S7-200系列PLC的特点

S7-200系列PLC是西门子公司于1995年推出的具有很高性价比的微型PLC。

在结构上，S7-200系列PLC具有体积小、重量轻、结构紧凑等特点，即可以用接线端子进行接线，同时在接线端子上还有面板保护，防止无意中触碰到接线头，而且在PLC的底部设计有DIN导轨安装机构和安装孔，可以满足水平或者垂直方向的安装要求。

在功能上，S7-200系列PLC的用户程序和全部数据都可以存放在EEPROM中，永不丢失，即使是存放在RAM中的临时数据，在突然意外断电时，也可以对其在停电那一时刻的数据状态进行保护，最长保持时间为100H。

位操作时间已缩短到0.37us，使CPU的响应是速度有较大的提高，同时在CPU上集成了高速计数器，可计数速率为30KHZ；也集成了高速脉冲输出功能，既能以脉冲宽度可调（PWM）方式输出，又能以高速脉冲串（PTO）方式输出，输出速率可达20KHZ。

PLC的工作原理

在PLC启动运行后，其工作过程一般分为输入采样阶段、用户程序执行阶段、输出刷新三个阶段。

完成上述三个阶段即为一个扫描周期。

（1输入采样阶段

PLC在输入采样阶段，先扫描所有输入端子，并将各输入端子状态存入各自对应的输入元件映像寄存器，此时，输入元件映像寄存器被刷新，接着进入程序执行阶段，在程序执行阶段或输出刷新阶段，输入元件映像寄存器与外界隔离，无论输入端子信号如何变化，输入元件映像寄存器中的内容保持不变，直到下一个扫描周期的输入采样阶段才将输入端的新状态写入到寄存器中。

（2用户程序执行阶段

根据PLC梯形图程序扫描规则，PLC按照先左后右，先上后下的顺序执行程序。

当指令中涉及输入/输出状态时，PLC从输入映像寄存器中“读入”对应输入端子的状态，从输出映像寄存器“读入”对应输出映像寄存器的当前状态。

然后，进行相应的运算，运算结果再存入元件映像寄存器中，对元件映像寄存器来说，每一个元件（输出软继电器）的状态会随程序的执行过程而变化。

（3输出刷新阶段

在所有指令执行完毕后，输出映像寄存器中所有输出继电器的状态在输出刷新阶段转存到输出锁存寄存器中，通过一定法式输出驱动外部负载。

对于小型PLC，I/O点数较少，用户程序较短，用集中采样集中输出的工作方式虽然在一定程度降低了系统的响应速度，但从根本上提高了系统的抗干扰能力，增强了系统的可靠性。

大中型PLC因I/O点数多，控制能力强，用户程序长，为提高响应速度可以采用定周期输入采样，输出刷新，也可采用直接输入采样，直接输出刷新，中断输入/输出和智能化I/O接口等法式。

（2）接触器

在污水处理系统中,所有的设备都是根据控制面板上的按钮情况或者传感器的反馈值进动作的,因此需要PLC根据当前的情况以及按钮的情况来控制所有设备的启停,主要的接触器有:

格栅机接触器、清污机接触器、潜水机接触器、曝气机接触器、潜水搅拌机接触器、污泥回流泵接触器.

（1格栅机接触器格栅机接触器包括两个：

一个是置于粗格栅处，控制粗格栅处的格栅机；一个是置于细格栅处，控制细格栅处的格栅机。

根据程序的执行或者操作面板上的按键的情况，控制两个格栅机的启动和停止。

（2清污机接触器清污机接触器包括两个：

一个是置于粗格栅处，控制粗格栅处的清污机；一个是置于细格栅处，控制细格栅处的转鼓清污机。

根据格栅两侧的液位差或者控制面板上按键的情况,控制联合个清污机的运行和停止。

（3潜水机接触器潜水机接触器有两个,分别控制两台潜水泵,通过潜水泵房的液面高度或者控制面板上按键的情况,控制两台潜水泵的运行和停止。

（4曝气机接触器曝气机接触器有四个接触器,每个曝气机都有两个接触器,其中一个接到工频电网,另一个是连接到变频器。

根据污水中的溶氧量或者操作面板上的按键情况,控制两台曝气机的运行和停止,以及在运行时是处于变频运行还是工频运行。

（5潜水搅拌机接触器潜水搅拌机接触器是连接潜水搅拌机和工频电网的接触器，通过程序的执行或者面板上按键的情况，控制潜水搅拌机的运行与停止。

（6污泥回流泵接触器污泥回流泵接触器是连接污泥回流泵和工频电网的接触器，通过污泥回流泵房中液位的高低或者操作面板上的状态，控制污泥回流泵的运行和停止。

（3）变频器

我们所使用的是西门子系列MM430变频器，它是一种风机负载专用变频器，能适用于各种变速驱动系统，尤其使用于工业部门的水泵和风机。

具有能源利用率高的特点，优化了部分结构和功能，便于工作人员进行操作。

我们在系统中所使用的参数设置如下表2-1所示。

图2-1变频器参数设置表

（4）各类按钮

在这个控制系统的自动操作中，采用三种机械按钮，控制污水处理系统的启动和停止，自动按钮使用旋钮；自动启动按钮采用触点触发式按钮；急停按钮使用旋转复位按钮，按下后系统停止，旋转后自动弹起复位。

（5）传感器

对格栅处的清污机进行控制，需要监测格栅两侧的液面差,在该系统中选用液位传感器,当污水的液位达到传感器的位置时,使传感器接通,同时将该信号传送给PLC控制器,进行分析计算,从而控制清污机的状态。

二、程序设计

由于污水处理系统中所使用的接触器比较多,所以我们在选择PLC的时候选用点数比较多的型号,CPU的型号用226.该类型的PLC具有24个输入点和16个输出点,共40个I/O点.2个模拟量电位器,最多可以扩展35个AI/AO点.同时又6路高速计数器,2路高速脉冲输出,2个RS-485通信/编程口,与其它类型的PLC相比有较多的通信口，通信能较强。

1、污水处理系统的工作原理图，见附录图3-1。

2、污水处理系统PLC输入地址表，如图3-2所示。

图3-2输入地址表

3、污水处理系统PLC输出地址表，如图3-3所示

图3-3出地址表

4、污水处理系统的工作过程

在自动方式下,进行闭环控制,系统根据检测到的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）启动粗细格栅机,进行间歇运行。

（3）根据反馈回来的液位差状态控制清污机的运行和停止。

（4）进水房中的潜水泵根据液面的高低进行运行、停止以及运行数量的控制。

（5）曝气机根据溶解氧仪的反馈的模拟量经PLC的运算后进行控制,同时控制分离机的动作。

（6）污泥回流泵的启动和停止根据液面的高低进行控制。

（7）在污泥脱水系统中,脱水机的启动采用顺序控制方式,依次启动其设备。

5、总的工作流程

自动方式下，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方面：

（1系统上电后，按下自动启动确认按钮，启动潜水搅拌机和刮泥机。

（2启动粗格栅系统。

（3启动潜水泵。

（4启动细格栅系统。

（5启动曝气反应系统。

（6启动污泥回流系统。

（7启动污泥脱水系统。

（注：

以上工作过程并不是顺序控制方式，而是按照PLC检测到的传感器的状态进行启动的）

6、污水处理分系统流程

在自动控制流程图中，调用了各个系统的程序，主要包括粗格栅系统程序、潜水泵程序、细格栅系统程序、曝气程序系统、污泥回流泵系统、以及脱水系统程序。

粗格栅系统程序主要控制粗格栅机和清污机的运行，其工作过程如下：

（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.

（32h后,运行粗格栅机20min,循环进行.

（4同时检测液面差,若超过设定值则启动清污机.

（5液面差低于设定值则停止清污机.

系统工作流程如下3-4所示.

图3-4粗格栅流程图

潜水泵程序主要控制2台潜水泵的运行和停止,其工作过程包括以下几方面:

（1自动过程开始启动1#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,若仍然低于最低位传感器时,则停止1#运行,否则1#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,液面仍处于中位和高位传感器之间,则启动2#泵.

若液面持续高于到位传感器,则输出报警.

其工作流程图如3-5所示.

图3-5潜水泵流程图

细格栅系统程序与粗格栅系统相似,主要控制细格栅机和清污机的运行,其工作过程如下:

（1自动过程开始启动细格栅机,定时20min。

（2定时到，停止运行粗格栅机2h.

（32h后,运行粗格栅机20min,循环进行.

（4同时检测液面差,若超过设定值则启动清污机.

（5液面差低于设定值则停止清污机.

细格栅工作系统如图3-6所示.

图3-6细格栅工作系统流程图

污泥回流系统程序主要控制污泥回流泵的运行和停止,其工作过程如下:

（1自动过程开始首先检测液面高低,若低于最低位传感器,启动定时.

（2定时到,若液面仍处于最低位传感器则停止回流泵运行.

（3若液面处于最高位和最低位之间,启动污泥回流泵.

（4检测液面处于中位和高位传感器之间,则开始定时防止误判.

（5若液面高于最高位传感器时,启动定时.

（6定时到,若液面仍高于最高位传感器时,输出报警信号.

污泥回流泵系统工作流程如图3-7所示.

图3-7污泥回流泵流程图

污泥脱水系统主要控制脱水机等设备的运行和停止,其工作过程如下:

（1自动过程开始首先启动脱水机,启动定时。

（2定时到,启动聚合物泵,启动定时。

（3定时到,启动污泥泵和切割机。

污泥脱水系统的工作流程图如3-8所示。

图3-8脱水机流程图

7、污水处理分系统程序

（1启动程序

（2粗格栅程序

（3细格栅程序

（4回流污泥系统程序

（5脱水系统程序

（6曝气系统程序

（7主程序

8、调试与监控

（1）调试

整个污水系统的调试主要是软件方面的调试，在程序编写完毕后，我们利用S7-200系列的仿真软件在电脑上对程序进行试运行，主要检查是否存在各种编程错误或者是一些逻辑性的错误。

调试时可以分块进行，根据不同功能的模块进行针对性的调试，这样可以避免调试时出现混乱的状态，造成运行设备的损坏，然后在进行整体的调试。

而在整个的调试过程中，我们要根据外界输入的状态来不断地调整清污机、潜水泵、污泥回流泵的启停，因此需要按照液位传感器和液位差计反馈回来的状态信息进行判断处理，然后再进行输出控制。

（2）监控

该监控系统是由MCGS来完成的.MCGS在现代的工业生产中占有很大的市场,应用也很广泛,这是由于它具有操作简单,控制程序容易掌握,且画面简洁明了,不需额外的加装监控设备,只需与PC相连即可.

在整个设备投入运行的时候我们对该系统进行实时监控，并且对相应时间段进行采样检测，保证每个工作流程都能正常运作。

同时在出现问题时能够及时地发现与处理。

三、附录

答谢词

本次论文经过一个多月的前期准备和后期忙碌，现在已接近尾声，作为一篇技师毕业论文设计，由于经验的匮乏，难免有许多考虑不周全的地方，如果没有导师的督促指导，以及身边同学们的帮助与支持，想要完成这个设计一定会存在着很大的难度。

在这里首先要感谢我们的论文指导老师。

老师们每日工作繁多，但在我们做毕业设计的每个阶段，从一开始的论文课题的选择确立到后来的资料收集，再到后来的初稿的完成和修改，最后整篇论文成功装订结束，在整个过程中都给予了我们悉心的指导。

是他们严谨治学的态度和对科学的不断探索的精神激励我们迈出了成功的第一步，在此衷心地感谢我们的老师，是他们用辛勤的汗水无私灌溉了我们，才使得我们有茁壮的机会，是他们为我们奠定了成功的契机。

其次要感谢和一起参加毕业设计的同学们，是他们的无私帮助我克服一个一个地难关，从而能完成此次的论文设计。

非常感谢他们给予的帮助，千言万语汇成一句话友谊长存。

然后还要感谢这六年来所有的老师，是他们为我们打下专业知识的基础，正是因为有了你们的支持和鼓励，此次的毕业论文设计才会顺利完成。

最后感谢我的母校—江苏省常州技师学院六年来对我的大力栽培。

参考文献

1《PLC应用开发技术与工程实际》求是技术编著人民邮电出版社出版

2《西门子S7-200工程应用实例分析》程玉华编著电子工业出版社出版

3《PLC操作技能》（西门子系列）劳动与社会保障部教材办公室组织编写中国劳动社会保障出版社出版

图3-1污水处理系统PLC原理图