基于PLC的小型污水处理系统设计.docx
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基于PLC的小型污水处理系统设计
JIANGSUUNIVERSITY
可编程控制器课程设计
小型污水处理控制系统
学院：
电气信息工程
班级：
农业电气1101
姓名学号：
马舒童
学号：
3110506015
指导教师：
刁晓燕
一、小型污水处理控制系统设计要求
1．技术要求·········································1
2．动力设备·········································2
3．设计要求·········································2
二、小型污水处理控制系统程序电路图
1.程序流程图·······································3
2.主电路设计·······································4
3.交流控制电路设计·································4
三、小型污水处理控制系统硬件软件设计
1.可编程控制器控制电路设计·························5
2.输入输出口分配···································6
3.可编程控制器控制程序设计·························8
4.梯形图···········································9
5.出现问题及改进方式·······························15
6.心得·············································15
四、参考文献
一、小型污水处理控制系统设计要求
1．技术要求
SBR废水处理技术是一种高效废水回用的处理技术，采用优势菌技术对校园生活污水进行处理，经过处理后的中水可以用来浇灌绿地、花木、冲洗厕所及车辆等，从而达到节约水资源的目的。
SBR废水处理系统方案要充分考虑现实生活中校园生活区较为狭小的特点，力求达到设备体积小，性能稳定，工程投资少的目的。
废水处理过程中环境温度对菌群代谢产生的作用直接影响废水处理效果，因此采用地埋式砖混结构处理池以降低温度对处理效果的影响。
同时，SBR废水处理技术工艺参数变化大，硬件设计选型与设备调试比较复杂，采用先进的PLC控制技术可以提高SBR废水处理的效率，方便操作和使用。
SBR废水处理系统分别由污水处理池、清水池、中水水箱、电控箱以及水泵、罗茨风机、电动阀门和电磁阀等部分组成，在污水处理池、清水池、中水水箱中分别设置液位开关，用以检测水池与水箱中的水位。
SBR废水处理系统示意图如图1所示。
图1SBR废水处理系统示意图
污水处理的第一阶段：
当污水池中的水位处于低水位或无水状态时，电动阀会自动开起纳入污水。
当污水池纳入的污水至正常高水位时，电动阀自动关闭，污水池中污水呈微氧和厌氧状态。
污水处理的第二阶段：
采用能降解大分子污染物的曝气法，可使污水脱色、除臭、平衡菌群的pH值并对污染物进行高效除污，即好氧处理过程。
整个好氧（曝气）时间一般需要6～8h。
在曝气管路上安装了排空电磁阀，当电动阀门自动关闭后，排空电磁阀开起，罗茨风机延时空载起动，然后排空电磁阀关闭，污水池开始曝气。
当曝气处理结束后，排空电磁阀再次开起，罗茨风机空载停机，然后排空电磁阀延时关闭。
曝气风机在无负荷条件下起动和停止，能起到保护电动机和风机的作用。
经过0.5h的水质沉淀，PLC下达起动1#清水泵指令，将沉淀后的水泵入到清水池。
当清水池中的水位升至正常高水位时，1#清水泵自动停止运行。
这时2#清水泵自动起动向中水箱泵水，当水箱内达到正常高水位时，2#清水泵自动停止运行，这时中水箱内的水全部完成处理过程。
如上所示，当中水箱内水位降至低水位时，2#清水泵又自动起动向中水箱泵水。
当污水池中的水位降至低水位时，电动阀门会自动打开继续向污水池纳入污水。
如此循环往复。
SBR废水处理技术针对污水水质不同选用生物菌群不同，工艺要求要求有所不同，电气控制系统应有参数可修正功能，以满足废水处理的要求。
2．动力设备
SBR废水处理系统中所使用的动力设备（水泵、罗茨风机、电动阀），均采用三相交流异步电动机，电动机和电磁阀（AC220V选配）选配防水防潮型。
1#清水泵：
立式离心泵LS50-10-A，扬程10m，流量29m3/h，1kW。
2#清水泵：
立式离心泵LS40-32.1，扬程30m，流量16m3/h，3kW。
曝气罗茨风机：
TSA-40，0.7m3/min，1.1kW。
电动阀：
阀体D97A1X5-10ZB-125mm，电动装置LQ20-1，AC380V，60W。
3．设计要求
1）控制装置选用PLC作为系统的控制核心，根据工艺要求合理选配PLC机型和I/O接口。
2）可执行手动/自动两种方式，应能按照工艺要求编辑程序并可实时整定参数。
3）电动阀上驱动电动机为正、反转双向运行，因此要在PLC控制回路加互锁功能。
4）PLC的接地应按手册中的要求设计，并在图中表示或说明。
5）为了设备安全运行，考虑必要的保护措施，入如电动机过热保护、控制系统短路保护等。
6）绘制电气原理图：
包括主电路、控制电路、PLC硬件电路，编制PLC的I/O接口功能表。
7）选择电器元件、编制元器件目录表。
8）绘制接线图、电控柜布置图和配线图、控制面板布置图和配线图等。
9）采用梯形图或指令表编制PLC控制程序。
2、小型污水处理控制系统程序图
1.程序流程图
图2小型污水处理控制系统程序流程图
2.主电路设计
图3SBR废水处理电气控制系统主电路
1）主回路中交流接触器KM1、KM2、KM3分别控制1#清水泵M1、2#清水泵M2、曝气风机M3；交流接触器KM4、KM5控制电动阀电动机M4，通过正、反转完成开起阀门和关闭阀门的功能。
2）电动机M1、M2、M3、M4由热继电器FR1、FR2、FR3、FR4实现过载保护。
电动阀电动机M4控制器内还装有常闭热保护开关，对阀门电动机M4实现双重保护。
3）QF为电源总开关，既可完成主电路的短路保护，又起到分断三相交流电源的作用，使用和维修方便。
4）熔断器FU1、FU2、FU3、FU4分别实现各负载回路的短路保护。
FU5、FU6分别完成交流控制回路和PLC控制回路的短路保护。
3.交流控制电路设计
1）控制电路有电源指示HL。
PLC供电回路采用隔离变压器TC，以防止电源干扰。
2）隔离变压器TC的选用根据PLC耗电量配置，可以配置标准型、变比1：
1、容量100VA隔离变压器。
3）1#清水泵M1、2#清水泵M2、曝气风机M3分别有运行指示灯HL1、HL2、HL3，由KM1、KM2、KM3接触器常开辅助触点控制。
4）4台电动机M1、M2、M3、M4的过载保护，分别由4个热继电器FR1、FR2、FR3、FR4实现，将其常闭触点并联后与中间继电器KA1连接构成过载保护信号，KA1还起到电压转换的作用，将220V交流信号转换成直流24V信号送入PLC完成过载保护控制功能。
5）上水电磁阀YA1和指示灯HL1、排空电磁阀YA2，分别由中间继电器KA2和KA3触点控制。
图4SBR废水处理系统交流控制电路
三、小型污水处理控制系统硬件软件设计
1.可编程控制器控制电路设计
1）硬件结构设计。
了解各个控制对象的驱动要求，如：
驱动电压的等级、负载的性质等；分析对象的控制要求，确定输入/输出接口（I/O）数量；确定所控制参数的精度及类型，如：
对开关量、模拟量的控制、用户程序存储器的存储容量等，选择适合的PLC机型及外设，完成PLC硬件结构配置。
2）根据上述硬件选型及工艺要求，绘制PLC控制电路原理图，绘制PLC控制电路，编制I/O接口功能表。
图11-4为SBR废水处理系统PLC控制电路原理图，L6作为PLC输出回路的电源，分别向输出回路的负载供电，输出回路所有COM端短接后接入电源N端。
3）KM4和KM5接触器线圈支路，设计了互锁电路，以防止误操作故障。
4）PLC输入回路中，信号电源由PLC本身的24V直流电源提供，所有输入COM端短接后接入PLC电源DC24V的（＋）端。
输入口如果有有源信号装置，需要考虑信号装置的电源等级和容量，最好不要使用PLC自身的24V直流电源，以防止电源过载损坏或影响其他输入口的信号质量。
5）PLC采用继电器输出，每个输出点额定控制容量为AC250V，2A。
2.输入输出口分配
表1-1废水处理系统PLC输入接口功能表
工位名称
文字符号
输入口
1
污水池高水位开关信号
H1
I0.0
2
污水池低水位开关信号
L1
I0.1
3
清水池高水位开关信号
H2
I0.2
4
清水池低水位开关信号
L2
I0.3
5
中水箱高水位开关信号
H3
I0.4
6
中水箱低水位开关信号
L3
I0.5
7
起动按钮
SB1
I0.6
8
停止按钮
SB2
I0.7
9
旋钮开关（自动）
SB3-1
I1.0
10
旋钮开关（手动）
SB3-2
I1.1
11
手动开电动阀旋钮开关
SB4
I1.2
12
手动关电动阀旋钮开关
SB5
I2.1
13
1#清水泵手动旋钮开关
SB6
I1.3
14
2#清水泵手动旋钮开关
SB7
I1.4
15
电动阀门开起限位开关
SQ1
I1.5
16
电动阀门关闭限位开关
SQ2
I1.6
17
电动阀电动机故障报警
FR0
I2.2
18
电动机热保护器报警
KA1
I2.0
19
曝气风机手动旋钮开关
SB8
I1.7
表1-2废水处理系统PLC输出接口功能表
工位名称
文字符号
输入口
1
1#清水泵接触器
KM4
Q0.0
2
2#清水泵接触器
KM5
Q0.1
3
开电动阀门接触器
KM1
Q0.2
4
关电动阀门接触器
KM2
Q0.3
5
罗茨风机（曝气风机）接触器
KM3
Q0.4
6
排空电磁阀继电器
KA2
Q0.5
7
上水电磁阀继电器
KA3
Q0.6
8
电动机热保护器报警指示灯
HL1
Q0.7
9
污水池高水位红色指示灯
HL2
Q1.0
10
污水池低水位绿色指示灯
HL3
Q1.1
11
清水池高水位红色指示灯
HL4
Q1.2
12
清水池低水位绿色指示灯
HL5
Q1.3
13
中水箱高水位红色指示灯
HL6
Q1.4
14
中水箱低水位绿色指示灯
HL7
Q1.5
15
电动阀门开启绿色指示灯
HL8
Q1.6
16
电动阀门关闭黄色指示灯
HL9
Q1.7
图5PLC硬件接线图
根据上述设计，对照主回路检查交流控制回路、PLC控制回路、各种保护联锁电路、PLC控制程序等，全部符合设计要求后，绘制出最终的电气原理图。
3.可编程控制器控制程序设计
1）程序设计。
根据控制要求，建立SBR废水处理系统控制流程图，如图5所示，表达出各控制对象的动作顺序，相互间的制约关系。
在明确PLC寄存器空间分配，确定专用寄存器的基础上，进行控制系统的程序设计，包括主程序编制、各功能子程序编制、其他辅助程序的编制等。
2）系统静态调试。
空载静态调试时，针对运行的程序检查硬件接口电路中各种逻辑关系是否正确，然后先调试子程序或功能模块程序，然后调试初始化程序，最后调试主程序。
调试过程中尽量接近实际系统，并考虑到各种可能发生的情况，作反复调试，出现问题及时分析、调整程序或参数。
3）系统动态调试及运行。
在动态带负载状态下调试，密切观察系统的运行状态，采用先手动再自动的调试方法，逐步进行。
遇到问题及时停机，分析产生问题的原因，提出解决问题的方法，同时做好详尽记录，以备分析和改进。
4.梯形图
5.出现问题及改进方式
1）调试时在排空电磁阀和风机轮流启动关闭中把握不准造成死循环，两者使用没有按照要求，最后是加了几个中间继电器约束输出端实现了器件重启动关闭使要求实现。
2）调整中水高信号开关作为了中间信号输入而不是手动输入，使得中高信号可以与中水低信号互锁，保证2者联系，减少了手动关闭信号的不便。
3）由于输入水位信号只能手动输入（现实中由传感器自行判断开启关闭）所以设计会用到信号开关互锁，使系统调试复杂。
6.心得
我们设计的是废水处理电气控制系统，该系统在PLC的控制下，可以实现污水处理功能。
其中污水处理包括纳入污水、曝气处理、污水吸入清水池、沉淀处理、最后吸入中水箱。
不仅能自动进行，而且还能手动进行。
由于缺乏这方面的了解，刚开始确实不知道从何下手做，通过各方面查阅资料、找老师指导等的学习，我们基本学会了PLC设计的步骤和方法。
通过这次设计，我学会了PLC的基本编程方法，对PLC的工作原理和使用方法也有了更深的了解，在对理论的运用中，提高了我的工程素质，同时学会了PLC编程软件和仿真软件的运用。
以前对一些知识的细节不注意，导致了我此次设计走了好多弯路，花费了许多本不必要的时间和精力；同时在编程和仿真时遇到了一些问题，通过认真分析，不断总结，最终解决了一个个难题，在这过程中培养了我分析问题、解决问题的能力。
参考文献
[1]徐文尚，陈霞，武超。
电气控制技术与PLC。
北京：
机械工业出版社。
[2]张扬，蔡春伟，孙明健。
S7-200PLC原理与应用系统设计。
北京：
机械工业出版社.2007。
[3]吴晓君，同志学。
电气控制课程设计指导。
[4]易泓可。
电气控制系统设计基础与范例。
北京：
机械工业出版社.2005。
[5]戴一平．可编程序控制器技术[M]．北京：
机械工业出版社.2005
[6]廖常初．PLC的编程方法与工程应用[M]．重庆：
重庆大学出版社.2001
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