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水处理控制系统讲解

第1章绪论

1.1水处理控制系统的意义

我国是个缺水的国家，人均水资源占有量仅为世界人均占有量的1/4。

而且我国的水资源在时空和地域分布上的分布不均匀，更加重了实际的缺水情况。

因此近些年来我国城市水资源进一步紧张，许多城市严重缺水。

与此同时，水资源污染却日益严重，因此许多工厂都建立自己的自来水处理厂，来改变目前水资源紧缺且污染的现状。

我国城市污水处理事业是在80年代初逐步发展起来的，经过几十年的发展已经初具规模。

但是，与国外同期的工业污水处理厂相比较，始终存在效率低、自动化程度低、能耗高且运行费用高等缺点。

随着全球能源供应紧张和对自动化程度要求的不断增加，我国的自来水处理厂必然向着高度自动化和无人职守的方向发展。

环境保护问题日益成为影响和制约人类社会发展的因素之一。

随着工业的不断发展和城市人口的急剧增加，大量工业和生活污水未经处理流入江河湖海，使环境和饮用水被严重污染。

因此，建立高度自动化的自来水处理厂是解决供水问题的有效途径。

PLC作为一种新型的工业控制器,以其通用性好、可靠性高、安装灵活、扩展方便、性能价格比高等一系列优点,在工业控制中得到越来越广泛的应用,在自来水处理中也得到一定程度的推广，而且在其稳定性、高自动化程度的不断加强，使得其成为城市自来水处理自动化方面的首选。

1.2本人主要工作

在本次毕业设计中我采用的是用PLC控制水处理控制系统的完成,在这期间我利用三年来学习的专业知识综合PLC的控制系统知识对水处理控制系统的进行了全方面的设计,在我的设计中有以下亮点:

首先,用PLC替代了传统的继电器来控制系统,与传统的继电器相比

（1）控制逻辑:

继电器控制逻辑采用硬接线图逻辑,利用继电器机械点的串联或者并联及延时继电器的滞后动作等组合成控制逻辑,其连线多而且复杂,一旦系统构成后,想再改变或增加功能都很困难.而PLC才用存储逻辑,其控制逻辑以程序方式存储在内存中,要改变控制逻辑,只需要改变程序,故称为“软接线”，其连线少，体积小，加之PLC中没只继电器的触点数理论上无限制，因此灵活性扩展性很好。

（2）工作方式当电流接通时，继电器控制线路中各继电器都处于受约状态。

而PLC的控制逻辑中，各继电器都处于周期性循环扫描接通中，从宏观上看，每个继电器受制约接通的时间是短暂的。

（3）控制速度：

继电器控制逻辑依据触点的机械动作实现控制，工作频率低。

而PLC是由程序指令控制半导体电路来实现控制的，速度快，一般一条拥护指令的执行时间在微妙数量级。

（4）限时控制

（5）记数控制

（6）设计与施工

（7）可靠性和可维护性

PLC在性能上比继电器控制逻辑优异,可靠行高,设计施工周期短,调试修改方便,而且体积小,功耗低,维护方便等.

再次，使用程序控制系统又是一大亮点，程序是人们根据系统的要求，编写

一套有目的的语言文字。

既便于修改维护也便于工程人员的交流，而且随着计算

机软件的发展，采用机构化编程方式更使程序设计从单一向多人共同发展，大

大缩短了系统开发周期。

1.3总体方案设计步骤

1.深入了解和分析被空控对象的工艺条件和控制要求

（1）被控对象就是受控对象的工艺条件和控制要求

（2）控制要求主要是指控制的基本方式,应完成的动作，自动工作循环的组成,必要的保护和联锁等.对较复杂的控制系统,还可以将控制任务分成几个独立部分,这种可化繁为简,有利于编程和调试

2.确定I/O设备

根据被控对象对PLC控制系统的功能要求,确定系统所需的用户输入,输出设备.常用的输入设备有按纽,选择开关,行程开关,传感器等,常用的输入设备有继电器,接触器,指示灯等等.

3.选择适合的PLC类型

根据已确定的拥护I/O设备,统计所需的输入信号和输出信号的点数,选择合适的PLC类型,包括机型选择,容量选择,I/O模块的选择,电源模块的选择等等.

4.分配I/O点

分配PLC的输入输出点,编制出输入/出分配表或者画出输入/输出端子接线图.接着就可以进行PLC程序设计,同时可进行控制柜或操作台设计和现场施工.

5.设计应用系统梯形图程序

根据工作功能图表或状态流程图等设计出梯形图即编程.这一步是整个应用系统设计的核心工作,也是比较困难的一步,要设计好梯形图,首先要十分熟悉控制要求,同时还要有一定的电气设计的实践经验.

6.将程序输入PLC

当使用简易编程器将程序输入PLC时,需要先将梯形图转换成指令助记符,以便输入.当使用可编程控制器的辅助编程软件在计算机上编程时,可通过上下位机的连接电缆将程序下载到PLC中去.

7.进行软件测试

程序输入PLC后,应先进行测试工作.因为在程序设计过程中,难免会有疏漏的地方,因此在将PLC连接到现场设备上去之前,必须进行软件测试,以排除程序中的错误,同时也为整体调试打好基础,缩短整体调试的周期.

8.应用系统整体调试

在PLC软硬件设计和控制柜及现场施工完成后,就可以进行整个系统的联机调试,如果控制系统是由几个部分组成,则应先作局部调试,然后再进行整体调试;如果控制系统的步序较多,则可先进行分段调试,然后再连接起来总调.调试中发现的问题,要逐一排除,直至调试成功.

9.编制技术文件

系统技术文件包括说明书,电气原理图,电器布置图,电气元件明细表。

第2章水处理控制系统控制方案

2.1水处理控制系统的工作原理

水处理是提供工业或民业用水的常用办法,处理过程是通过滤池过滤,滤池工作一定时间就要进行反冲洗,反冲洗过程要求按一定的时序控制风机的启停及各类的开与关,阀门动作顺序要求严格.某水源工程一期设计8个滤池,每个滤池有6个控制阀,而滤池的反冲洗过程要求同一时间不能有两个滤池同时冲洗,采用手动控制时工人的劳动强度大,难免出现误动作,对此特定的过程选用三菱公司的可编程控制器进行控制,经实践检验系统运行可靠,效果良好.

在系统投运时,首先根据江水的浑浊度设置每个滤池冲洗时间间隔,即设置计数器和计时器的计数和计时值.时间间隔过长易出现滤池大高液位现象,过短造成滤池冲洗过于频繁,风机启动频繁减少设备的使用寿命.投运时根据当时江水的状况设置时间间隔为12h,运行效果良好.因在软件设计时全面考虑了边界条件,可一次性将8个滤池的手动开关打到PLC自动状态.因每个滤池的冲洗周期均为12h,同时切换为PLC自动,会出现两个或两个以上的滤池同时冲洗,程序中设置了自动优选功能,做到每次只有一个滤池冲洗,保证运行安全可靠.

2.2水处理控制系统控制方案要求

自来水厂对江水处理过程通常是通过滤池过滤。

滤池工作一定时间就要进行反冲洗，反冲洗过程要求按一定的时间控制风机的启停及各类阀门的开与关，且阀门动作顺序要求按时间严格控制。

此设计过程中，设计了8个滤池，每个滤池有6个控制阀门，而滤池的反冲洗过程要求同一时间不能有2个滤池同时冲洗。

根据上述要求和系统运行的条件，可以把8个滤池按串联的方式工作，且通过时间这一要素来控制8个滤池按先后顺序依次工作。

由于8个滤池的具体工作过程相同，只是时序上的不同而已。

因此，我们可以拿某一个滤池为代表来分析和设计程序（如1号滤池）。

根据1号滤池工艺过程及冲洗时间的过程：

过滤阶段要求反冲洗阀V1-3、排水阀V1-4、气路阀V1-5关闭，进水阀V1-1出水阀V1-2打开，江水进经V1-1进入滤池，经过滤后由V1-2引出净化水。

当滤池工作一定时间后就要进行反冲洗，以保证滤池的正常工作。

要进行反冲洗时。

首先关V1-1，9分钟后启动鼓风机D，当风机出口压力P≥0.15MPa时，打开电动蝶阀K，反冲洗过程开始。

当冲洗过程结束时，打开V1-1和V1-2，同时打开V1-6排气，1分钟后关闭。

滤池反冲洗时间程序见表1.1。

滤池反冲洗控制系统原理如图1.2所示。

表2-1滤池反冲洗时间程序

阀门

状态

时间/m

进水阀

V1-1

出水阀

V1-2

反冲阀

V1-3

排水阀

V1-4

气路阀

V1-5

排气阀

V1-6

说明

0以前

开

关

过滤阶段

关

—

反冲洗阶段

0~10

—

重力阶段

—

关

—

开

—

气冲洗开始

10~14

—

气冲洗过程

—

开

关

—

水冲洗开始

14~18

—

水冲洗过程

开

—

关

—

开

排气开始

18~19

—

开

关

—

排气过程

19以后

—

关

过滤过程

图2-1滤池冲洗过程PLC控制系统

第3章水处理控制系统硬件设计

3.1水处理控制系统的I/O点统计

根据自来水厂水处理的开展要求：

由于该系统的控制输入量多，控制过程也很复杂，因此采用手动控制方式工人的劳动强大很大，且难免会出现误操作，所以在此采用自动控制的方式。

根据自动控制方式与手动控制方式相结合的方法设计水处理控制系统的要求:

输入量共12个分别为:

第1个输入信号是液位传感器第2个输入信号是压力传感器

第3个输入信号是启动按钮第4个输入信号是停止按钮

第5个输入信号是进水阀开关第6个输入信号是出水阀开关

第7个输入信号是反冲阀开关第8个输入信号是排水阀开关

第9个输入信号是气路阀开关第10个输入信号是排气阀开关

第11个输入信号是启动鼓风机开关第12个输入信号是启动电动蝶阀

输出量共有50个分别为:

第1个输出信号是1#滤池的进水阀第2个输出信号是1#滤池的出水阀

第3个输出信号是1#滤池的反冲阀第4个输出信号是1#滤池的排水阀

第5个输出信号是1#滤池的气路阀第6个输出信号是1#滤池的排气阀

第7个输出信号是鼓风机第8个输出信号是电动蝶阀

第9个输出信号是1#滤池的进水阀第10个输出信号是1#滤池的出水阀

第11个输出信号是2#滤池的反冲阀第12个输出信号是1#滤池的排水阀

第13个输出信号是1#滤池的气路阀第14个输出信号是1#滤池的排气阀

第15个输出信号是3#滤池的进水阀第16个输出信号是3#滤池的出水阀

第17个输出信号是3#滤池的反冲阀第18个输出信号是3#滤池的排水阀

第19个输出信号是3#滤池的气路阀第20个输出信号是3#滤池的排气阀

第21个输出信号是4#滤池的进水阀第22个输出信号是4#滤池的出水阀

第23个输出信号是4#滤池的反冲阀第24个输出信号是4#滤池的排水阀

第25个输出信号是4#滤池的气路阀第26个输出信号是4#滤池的排气阀

第27个输出信号是5#滤池的进水阀第28个输出信号是5#滤池的出水阀

第29个输出信号是5#滤池的反冲阀第30个输出信号是5#滤池的排水阀

第31个输出信号是5#滤池的气路阀第32个输出信号是5#滤池的排气阀

第33个输出信号是6#滤池的进水阀第34个输出信号是6#滤池的出水阀

第35个输出信号是6#滤池的反冲阀第36个输出信号是6#滤池的排水阀

第37个输出信号是6#滤池的气路阀第38个输出信号是6#滤池的排气阀

第39个输出信号是7#滤池的进水阀第40个输出信号是7#滤池的出水阀

第41个输出信号是7#滤池的反冲阀第42个输出信号是7#滤池的排水阀

第43个输出信号是7#滤池的气路阀第44个输出信号是7#滤池的排气阀

第45个输出信号是8#滤池的进水阀第46个输出信号是8#滤池的出水阀

第47个输出信号是8#滤池的反冲阀第48个输出信号是8#滤池的排水阀

第49个输出信号是8#滤池的气路阀第50个输出信号是8#滤池的排气阀

其主机I/O点数64点/64点具有丰富的功能指令，且不仅满足该应用系统目前的要求，还给以后自来水厂改进该系统留有一定的余地。

在该系统中应用到了液体和压力连续来年量的控制，还应选用带有A/D转换的模拟输入模块配接相应的液体传感器LT和压力传感器PT。

3.2PLC选型及介绍

3.2.1PLC型号选择的方法

在控制系统逻辑关系较复杂（需要大量中间继电器,时间继电器,计数器等）,工艺流程和产品改型较频繁,需要进行数据处理和信息管理（有数据运算,模拟量的控制,PID调节等）,系统要求有较高的可靠性,准备实现工厂自动化联网等情况下,使用PLC控制是很必要的.

目前,国内外众多的生产厂家提供了多中系列功能各异的PLC产品,一般选择机型要以满足系统功能需要为宗旨,不要盲目贪大求全,以免造成投资和设备资源的浪费.机型的选择可从以下几个方面来考虑.

1.对输入/输出的选择

要先弄清楚控制系统的I/O总点数,再按实际所需总点数的15~20％留出备

量（为系统的改造等留有余地）后确定所需PLC的点数.

另外要注意,一些高密度输入点的模块对同时接通的输入点数有限制,一般同时接通的输入点不得超过总输入点的60％;PLC每个处处点的驱动能力也是有限的,有的PLC其每点处处电流的大小还随所加负载电压的不同而异;一般PLC的允许处处电流随环境温度的升高而有所降低等.

PLC的输出点可分为共点式,分组式和隔离式几种接法.隔离式的各组输出点之间可以采用不同的电压种类和电压等级,但这种PLC平均每点的价格较高.如果输出信号之间不需要隔离,则应选择前两种输出方式的PLC.

2.对存储量的选择

对存储容量只能作粗略的估算,在仅对开关量进行控制的系统中,可以用入总点数乘10字/点+输出总点数乘5字/点来估算;计数器/定时器按（3~5）字/个估算;有运算处理按（5~10）字/量估算;在有模拟量输入/输出的系统中,可以按每输入/一路模拟量约需（80~100）字左右的存储容量来估算;有通信处理时按每个接口200字以上的数量粗略估算.最后,一般按估算容量的50~100％留有裕量.对缺乏经验的设计者,选择容量时留有大量的裕量要大些.

3.对I/O响应时间的选择

PLC的I/O响应时间包括输入电路延迟,输出电路延迟和扫描工作方式引起的时间延迟（一般在2~3个扫描周期）等.对开关量控制系统,PLC和I/O响应时间一般都能满足实际工程的要求,可不必考虑I/O响应问题.但对模拟量控制的系统,特别是闭环系统就要考虑这个问题.

4.根据输出负载的特点选型

不同的负载对PLC的输出方式有相应的要求.例如,频繁通断的感性负载,应选择晶体管或者晶闸管输出型的,而不应选用继电器输出型的.但是继电器输出型的PLC有许多优点,如导通压降低,有隔离作用,价格相对较便宜,承受瞬时过电压和过电流的能力较强,其负载电压灵活（可交流,可直流）且电压等级范围大等.所以动作不频繁的交,直流负载可以选择继电器输出型的PLC.

5.对在线和离线编程的选择

离线编程是指主机和编程器共用一个CPU,通过编程器的方式选择开关来选择PLC的编程,监控和运行工作状态.编程状态时,CPU只为编程服务,而不对现场进行控制.专用编程器属于这种情况.在线编程是指主机和编程器各有一个CPU,主机的CPU完成对现场的控制,在每个扫描周期末尾与编程器通信编程器把修改的程序发给主机,在下一个扫描周期主机将按新的程序对现场进行控制.计算机辅助编程既能实现离线编程,也能实现在线编程.在线编程需购置计算机,并配置编程软件.采用哪种编程方式应根据需要决定.

6.根据是否联网通信选型

若PLC控制的系统需要联入工厂自动化网络,则PLC需要有通信联网功能,即要求PLC应具有连接其他PLC,上位计算机及CRT等的接口.大,中型机都有通信功能,目前大部分小型机也具有通信功能.

7.对PLC结构形式的选择

在相同功能和相同I/O点数据的情况下,整体式比模块式价格低.但模块式具有功能扩展灵活,维修方便,容易判断故障等优点,要按实际需要选择PLC结构形式.

3.2.2水处理控制系统PLC型号的选择

基于本次系统要求和以上对系统的需求分析得：

输出点数必须大于11，输入点数必须大于26，必须给传感器提供24v电压，给计数器提供+5v直流电压，根据其价格比和系统的稳定性，在本设计中选用三菱公司生产的FX2N-128MT系列为可编程序控制器作为主控单元，下面为FX2N-128MT的各项技术指标：

一般技术指标：

◎环境温度使用时：

0~55℃，储存时：

-20~+70℃

◎环境湿度35%~89%RH（不结露）使用时

◎抗震JISC0911标准10~55Hz0.5mm（最大2G）3轴方向各2h（但用DIN导轨安装时0.5G）

◎抗冲击JISC0912标准10G3轴方向各3次

◎抗噪声干扰用噪声仿真器产生电压为1000VP-P，噪声脉冲宽度为1μs，周期为30~100Hz的噪声，在此噪声干扰下PLC工作正常

◎耐压AC1500V1min

◎接地第三种接地，不能接地时，亦可浮空

◎使用环境无腐蚀性气体，无尘埃

◎电源电压AC100~240V50/60Hz

◎允许瞬间断电时间对于10ms以下的瞬间断电，控制动作不受影响

◎传感器电源DC4V460mA以下（无扩展部件）

DC5V基本单元290mA扩展单元690mA（有扩展单元）

表3-1输入技术指标：

输入电压

24VDC

隔离

光点耦合

输入电流

7mA

响应时间

10ms

表3-2输出技术指标：

项目

晶体管输出

外部电源

5~30VDC

最大负载

电阻负载

0.5A/1点，0.8A/4点

感性负载

12W/24VDC

灯负载

1.5W/24VDC

开路漏电流

0.1mA/30VDC

最小负载

——

响应时间

OFF→ON

0.2ms以下

ON→OFF

0.2ms以下

隔离方式

光耦合器隔离

表3-3功能技术指标

项目

性能指标

注释

操作控制方式

反复扫描程序

有逻辑控制器LSI执行

I/O刷新方式

批处理方式（在END指令执行是成批刷新）

有直接I/O指令及输入滤波器时间常数调整指令

操作处理时间

基本指令∶0.48us/步

功能指令∶几百us/步

编程语言

继电器符号语言（梯形图）+步进指令

可用SFC方式编程

程序容量/存储器类型

2K步RAM（标准配置）

4K步EEPROM卡盒（选配）

8K步RAM，EEPROM，EPROM卡盒（选配）

项目

性能指标

注释

指令数

基本指令20条，步进指令2条，应用指令87条

输入继电器

DC输入

24VDC，7mA，光电隔离

X0~X37（8进制）

I/O点数~共64点

输出继电器

继电器

250VAC，30VDC，2A（电阻负载）

Y0~Y37（8进制）

晶体管

30VDC，0.5A/点，0.8A/4点

辅助继电器

通用型

M0~M499（500点）

范围可通过参数设置来改变

锁寸型

电池后备

M500~M1023（524点）

特殊型

M8000~M8255（256点）

状态

初始化用

用于初始状态

S0~S9（10点）

通用

S10~S499（400点）

可通过参数设置改变其范围

锁存

电池后备

S500~S899（100点）

报警

电池后备

S900~S999（100点）

定时器

100ms

0.1~3276.7s

T0~T199（共200点）

0.01~327.67s

T200~T245（共46点）

1ms（积算）

0.001~32.767s

电池后备（保持）

T246~T249（4点）

100ms（积算）

0.1~3276.7s

T250~T255（6点）

计数器

加计数器

16bit

1~32767

通用型

C0~C99（100点）

范围可通过参数设置

电池后备

C100~C199（100点）

3.2.3PLC触点保护措施

PLC本身具有很高的可靠性,具有完整的自诊断程序,出现故障时可借助自诊断程序找到故障部位。

但对PLC输入、输出触点应进行必要的保护。

本系统中PLC的触点采用熔断方式进行过流保护。

输出触点可根据感性负载和容性负载进行保护。

感性负载通过增加阻容吸收电路进行保护,容性负载通过二极管泄流进行保护,具体见图3-1、图3-2所示。

图3-1感性负载的触点保护图3-2容性负载的触点保护研究

故障及故障分析：

（1）电机不正常运行时报警并停机；逻辑错误检测程序：

将系统中各部件逻辑关系编人程序，当上下、前后、左右互为条件关系同时出现时，PLC停机；（3）信号比就检测程序：

各信号及逻辑元件应严格按照时序脉冲的先后进行逻辑组合,通过信号灯自动组合显示程序,建立故障扫描时钟,使自动线在运行过程中能自动检测出故障单元,从而消除故障。

3.3I/O端口的分配

将2个模拟输入信号11个开关信号输入和50个输出信号按各自的功能类型分配好，并与PLC的I/O端口一一对应，编排好地址。

为了叙述简便，将一号滤池简约1#，其余的依次类推。

列出外端I/O信号端地址编号对照表见表3-1,表3.2。

表3-1输入信号端地址编号对照

编号

功能

液位传感器

压力传感器

启动按钮

停止按钮

进水阀开关

出水阀开关

反冲阀开关

排水阀开关

气路阀开关

排气阀开关

X10

启动鼓风机开关

X11

启动电动蝶阀

表3-2输出信号端地址编号对照

编号

功能

编号

功能

1#进水阀

Y32

4#排气阀

1#出水阀

Y33

5#进水阀

1#反冲阀

Y34

5#出水阀

1#排水阀

Y35

5#反冲阀

1#气路阀

Y36

5#排水阀

1#排气阀

Y37

5#气路阀

鼓风机D

Y40

5#排气阀

Y10

电动蝶阀K

Y41

6#进水阀

Y11

2#进水阀

Y42

6#出水阀

Y12

2#出水阀

Y43

6#反冲阀

Y13

2#反冲阀

Y44

6#排水阀

Y14

2#排水阀

Y45

6#气路阀

Y15

2#气路阀

Y46

6#排气阀

Y16

2#排气阀

Y47

7#进水阀

Y17

3#进水阀

Y50

7#出水阀

Y20

3#出水阀

Y51

7#反冲阀

Y21

3#反冲阀

Y52

7#排水阀

Y22

3#排水阀

Y53

7#气路阀

Y23

3#气路阀

Y54

7#排气阀

Y24

3#排气阀

Y55

8#进水阀

Y25

4#进水阀

Y56

8#出水阀

Y26

4#出水阀

Y57

8#反冲阀

Y27

4#反冲阀

Y60

8#排水阀

Y30

4#排水阀

Y61

8#气路阀

Y31

4#气路阀

Y62

8#排气阀

3.4水处理控制系统硬件接线图

本次水处理控制系统的设计采用的是自动与手动相结合的方法,通过上一章节的的分析外部输入有2个模拟信号和10个开关信号组成,而外部输出中有50个输出量,水处理控制系统的PLC外接

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