PLC在污水处理厂中控制系统设计方案.docx

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PLC在污水处理厂中控制系统设计方案

PLC在污水处理厂中控制系统设计

————双恒压供水系统的程序设计

文摘本文主要介绍了PLC在城市污水处理中的具体应用实例，系统介绍了城市污水处理工艺流程以及基于SIEMENS的S7—400系列PLC的污水处理实施方案，介绍城市污水处理厂监控系统数据采集的方法。

可编程控制器即PLC是综和了计算机技术、自动控制技术和通信技术的一种新型的、通用的自动控制装置。

现在可编程控制器已经成为最重要、最可靠、应用场合最广泛的工业控制微型计算机。

它具有功能强、可靠性高、使用灵活方便、易于编程以及适应工业环境等一系列优点。

为了提高污水处理厂的运行管理水平，PLC也成为了该系统的重要组成单元之一，在该系统中各单元按一定拓扑结构互相连接构成污水处理厂的控制系统。

关键词污水处理；自动化控制系统；PLC；硬件配置；软件设计。

DigestthisarticlemainlyintroducedPLCinthecitysewagetreatmentconcreteapplicationexample,thesystemintroducedthecitysewagetreatmenttechnicalprocessaswellasbasedonSIEMENSS7-400theseriesPLCsewagetreatmentimplementationplan,introducesthecitysewagetreatmentplantsupervisorysystemdataacquisitionthemethod.TheprogrammablecontrollerwasPLCisthegrandtotalcomputertechnology,theautomaticcontroltechnologyandthecommunicationonekindnew,thegeneralautomaticcontroldevice.Nowtheprogrammablecontrolleralreadybecameimportantly,mostreliable,theapplicationsituationmostwidespreadindustrycontrolmicrocomputer.Ithasthefunctionstrong,thereliabilityhigh,theusenimbleconvenient,easytoprogramaswellastheadaptationindustryenvironmentandsoonaseriesofmerits.Inordertoenhancethesewagetreatmentplantthemovementmanagementlevel,PLChasalsobecomeoneofthissystemimportantcompositionunits,inthissystemvariousunitsaccordingtocertaintopologyinterconnectionconstitutionsewagetreatmentplantcontrolsystem.

Keywordsewagetreatment。

Automationcontrolsystem。

PLC。

Hardwaredisposition。

Softwaredesign.

1.污水处理工艺流程

1.1工艺流程图

由于城市污水是工业企业和居民生活所排放的，所以污水中含有大量的有机物，这种污水成为生化污水。

生化污水处理工艺是利用微生物的吸附、氧化和分解作用来降解污水中有机物的含量，成为可以沉淀的污泥，从而使净化水质达到规定的排放标准（见图1）。

图1工艺流程图

1.2对工艺流程的阐述

城市污水依次经过粗格栅、进水泵房、沉砂池、初沉池、曝气池和二沉池来实现污水的处理。

其中各部分的功能如下：

（1）进水泵房用于将污水提升，粗格栅用于除掉污水中大块杂物和污物，进而保护进水泵。

（2）沉砂池的细格栅用于除去污水中的小块杂物，吸砂桥除砂和漂浮油脂，还有砂处理和浮砂油脂处理设备。

（3）初沉池初步除掉水中污泥，用刮泥机收集污泥至初沉池泥泵房。

（4）曝气池（氧化沟）为生化处理区，通过投放回流活性污泥搅拌和曝气供氧，培养微生物大量繁殖，形成更多活性污泥。

（5）二沉池彻底清污水，使泥水分离。

1.3主要设备的组成及控制方式

表1设备参量

污水处理厂的设备均采用三级控制方式，即现场控制方式、MCC控制方式和微机控制方式。

目前，以MCC控制为基础，PLC控制为主导的控制方式始终处于工业自动化控制领域的主战场，为各种各样的自动化控制设备提供了非常可靠的控制应用。

其主要原因，在于它能够为自动化控制应用提供安全可靠和比较完善的解决方案，适合于当前污水处理厂对自动化的需要。

1.4粗格栅、细格栅、提升泵房的设备控制

粗格栅、细格栅的控制分为现场控制和远程控制两种模式。

远程控制模式由PLC和上位机实现，它包括微机手动和微机自动，而微机自动控制方式为：

（1）水位差控制方式，通过格栅机运行液位差计的测量值用来反映格栅阻塞程度，并传输到PLC控制器，进行分析计算。

当液位差超过预设的数值，控制格栅运行；

（2）时间设置控制方式，在上位机的INTERACT组态软件中设置格栅机运行时间和停机时间，经PLC控制器的程序运算指挥MCC对格栅机进行控制。

1.5沉砂池、生化池、沉淀池、污泥回流泵房和鼓风机房的设备控制

砂搅拌器的自动运行通过进水电磁流量计控制，而抽砂泵的运行状态是由微机对其开、停时间的设置控制的。

生化池厌氧区的搅拌器、沉淀池的吸刮泥机、污泥回流泵房的阀门和回流泵都是由微机触发指令通过PLC控制。

1.6脱水机房

脱水机房的设备主要担负由污泥提升泵将回流泵井的剩余污泥与污泥絮凝剂按比例混合进行脱水处理的任务。

污泥与溶解成一定浓度的絮凝剂混合后，污泥中的固体颗粒被凝聚成絮团，并分离出自由水，然后被输送到带式污泥脱水机上，经顶脱水区、重力脱水区、楔形脱水区、压滤脱水区后形成滤饼排出。

1.7PLC控制系统

1.7.1PLC控制系统的基本构成及功能

污水处理厂PLC控制系统由两台计算机、8个现场控制站、工艺仪表、电量变送器构成.脱水机房。

0＃工作站～5＃工作站之间采用A1SJ71AR21模块通过同轴电缆通讯。

1#工作站和2#工作站与厂内主工作站的距离4～5公里，且无人值班，故租用电信公司无源电话专线通过调制解调器和A1SJ71UC24通信模块进行泵房设备控制和数据传输。

网络控制分布图（如图下图所示）

1.7.2网络结构

某污水处理厂的自控系统由环形拓扑形式（ringtopology）和星形拓扑形式（startopology）两种总线网络形式构成。

1.7.3上位机组态功能

（1）控制操作：

在中控室里采用2台IBM90和INTERACT组态软件开发的工控程序能对全厂和2个污水提升泵站的被控设备进行控制、对各现场控制站PLC的参数进行设定和修改.

（2）显示功能：

用设计方法生成图形，实时地、集中地显示被测参数所处的变化过程。

对全厂工艺过程、工艺参数、设备状态等通过颜色的变化直观地、动态地显示。

（3）报表功能：

分成年度、月度、日班报表及运行参数报表。

如：

污水处理量、加药量、耗电量等。

（4）打印功能：

各种报表的打印，各种事件及报警实时打印。

1.8 系统构成及其布局

根据工艺特点和控制要求，本系统采用分布式集散监控系统，按流程设两个PLC分站，分别监控水区和泥区的设备运行和控制，设一个总站集中分站信息并控制分站工作。

具体控制分为:

（1）各开关柜（包括:

10kV进线柜、0.4kV进线柜等），由“自动/停止/手动”转换控制状态，“手动”设启/停按钮，用于手动操作。

（2）分站控制，用可编程控制器和工业控制计算机系统等自控设备，自动监控所属范围运行。

（3）总站主机控制，多为计算机监控管理系统，集中分站信息，进行各种处理，并通过分站统一控制全厂运行，满足工艺测控要求，使全厂运行处于最佳状态，是监控管理的中心。

2污水处理中的PLC

2.1.1设计范围

设计包括厂界内预处理、生物滤池、污泥处理及附属设施需要检测和控制应提供的仪表和有关的辅助装置等。

2.1.2PLC设计综述

设立三级控制层：

设备就地手动、PLC子站现场监控和中控室远程监控（如图下图所示）。

2.2PLC在污水处理中的部分运用

2.2.1中央控制室

中央控制室可对整个分控式控制系统进行系统组态管理、系统监测、实时监测、显示、处理、控制各PLC子站的状态、通信、数据和信息，完成报警和报表打印。

在厂级管理层可以通过Internet将结果、效益分析等发往主管局等政府机关（如图下图所示）。

2.2.2控制网络系统

PLC控制系统中央控制室与现场PLC子站之间采用最先进的控制网络.

中央控制室与厂级管理层之间采用100Mdps的以太通讯网，该网带有E-mail功能，能向mailserver发送用户自定义信息，故障信息，状态信息等，通过网关（以太网交换器）或PLC可与其他控制网络、现场总线相连。

为保证在供电发生意外时，系统能有足够的反应时间进行应急处理，设计上中央控制室和各子站均设有在线式不间断电源。

过电压保护装置能抑制出现在电力网络中的暂态浪涌电压和吸收暂态浪涌电压能量，在保障供电连续的条件下，保障计算机、PLC控制子站及其他主要设备免受过电压的干扰和侵害，使用电设备安全正常运行。

2.2.3现场生产过程PLC控制系统

预处理PLC控制及检测部分

厂内1#预处理PLC子站位于污泥脱水间控制室内。

对工艺专业要求检测的各种工艺参数，水泵、闸门、粗格栅、细格栅、排砂装置等设备的运行状态、故障状态进行监测和控制。

通过网络把信号送中央控制室计算机操作站完成指示、记录、报表和报警打印等监控管理功能。

其主要设备有：

粗格栅、闸板，细格栅、螺旋输送机

该子站模拟量输入、输出，数字量输入、输出点数

AI:

11DI:

30DO:

22

粗格栅开、停控制

根据超声波液位差计测得的粗格栅前后水位差值自动控制回转式粗格栅的运行，即水位差达到设定值时，自动启动格栅。

当回转式粗格栅停止运行的时间超出设定值时，系统转为时间控制，此时限为可调式设计，并设置上限报警。

PLC系统将根据软件程序自动控制螺旋输送机、回转式粗格栅机的顺序启停、运行、停车以及安全连锁保护，格栅机停机后延时停螺旋输送机。

细格栅开、停控制

细格栅24小时运行，并设置上限报警。

PLC系统将根据软件程序自动控制螺旋输送机、回转式细格栅机的顺序启停、运行、停车以及安全连锁保护，格栅机停机后延时停螺旋输送机.

污水闸门控制

两台闸门根据液位手动或电动，其运行信号送入中控室监控，不参加控制。

BAF生物滤池PLC控制及检测部分

厂内2#BAF生物滤池PLC子站位于变电所低压配电室控制室内。

对工艺专业要求检测的各种工艺参数，水泵、风机反冲洗泵等设备的运行状态、故障状态进行监测和控制。

并可在中控室计算机操作站完成指示、记录、报表和报警打印等监控管理功能。

该子站模拟量输入、输出，数字量输入、输出点数

AI:

14AO:

3DI:

124DO:

134

沉砂池和沉淀池

沉砂池和沉淀池定时开/停排砂、排泥阀，砂水分离器设备控制由设备厂商自带可设定控制系统，砂水分离器应与排砂阀联锁。

2.2.4厂级管理PLC系统

该系统主要功能：

生产过程的全面查询，包括各种进、出厂水流量，各中能耗等。

生产过程分析报告、报表和图形。

设备资料数据库和设备运行管理数据库。

化验所需要的参数。

建立与外部Interner的双向连接，便于发布信息和从外部获取信息，建立现代企业形象。

附录三为PLC设计简图。

2.3PLC设备及仪表

为了保证监控管理控制系统的正常运行，PLC监控系统选用SIEMENS的S7—400系列产品。

现场PLC控制子站是直接监视和控制若干工艺生产过程所单元，其主要设备是：

SIEMENS的S7—400系列PLC可编程控制器。

连接方式：

采用可拆卸式端子排以提高可靠性，易于连接和维修

各模块具有光电隔离功能，每个输出点都具有状态指示

模拟量输入模块（AI）：

输入点：

8路

输入范围：

0～5V,1～5V,0～10V,-10～+10V,4～20mA

分辨率：

≥12位

隔离方式：

光电隔离

转换速度：

1ms/点

精度（25℃）：

电压±0.2%电流±0.4%

其他功能：

断线检测,峰值保持、平均值功能、定标功能等

触摸开关分辨率：

32*24个

显示分辨率：

640*480点

通讯接口：

RS-422A/RS-485口RS-232C口

电源电压范围：

DC20.4V～DC26.4V

运行时间：

≥25000小时

2.4主要PLC设备表及其说明

表2主要电气设备

1、编程设备：

编程器是PLC开发应用、监测运行、检查维护不可缺少的器件，用于编程、对系统作一些设定、监控PLC及PLC所控制的系统的工作状况，但它不直接参与现场控制运行。

小编程器PLC一般有手持型编程器，目前一般由计算机（运行编程软件）充当编程器。

　　　　2、人机界面：

最简单的人机界面是指示灯和按钮，目前液晶屏（或触摸屏）式的一体式操作员终端应用越来越广泛，由计算机（运行组态软件）充当人机界面非常普及。

　　　　3、输入输出设备：

用于永久性地存储用户数据，如EPROM、EEPROM写入器、条码阅读器，输入模拟量的电位器，打印机等。

（如表2所示）

　　　　PLC的通信，还未实现互操作性，IEC规定了多种现场总线标准，PLC各厂家均有采用。

　　　　对于一个自动化工程（特别是中大规模控制系统）来讲，选择网络非常重要的。

（如下页表3所示）

3PLC设计

3.1PLC简介

利用可编程序控制器（PLC）组成远程自动监测系统时，首先遇到的是PLC的选型问题。

在选用PLC时，除把可靠性、环境适应性放在首位外，还要根据具体应用场合尽量选用合适的可编程序控制器。

3.2系统的设计步骤（如图下图所示）：

图9系统的设计步骤图

3.3软件部分

3.3.1监控系统的软件部分

计算机操作系统采用MicrosoftWindows2000Professional中文版操作系统。

历史数据库采用MicrosoftSQLServer2000中文版软件。

上位机监控软件采用当前流行的美国GE公司的iFIX3.5组态软件来实现。

3.3.2软件配置

　　我们在课题研究中下位机PLC采用梯形图来编制程序。

　　下位PLC软件用来实现数据采集、脉冲计数转换、限值逻辑判断及声光报警输出、通信数据格式的转换。

　　数据通讯与分离模块完成PLC与微机间数据和命令的双向传送，并将得到的数据按系统要求的格式分离成系统变量。

　　显示模块将实时数据显示在屏幕上，以图形或表格形式分屏循环显示。

在手动方式下可固定监视画面并可显示历史趋势图等。

　　定时存贮模块按每十分钟将实时数据存贮到相应的数据库中，每天整理一次历史数据。

　　系统维护模块可用来修改定值参数、口令及限值等。

　　报警模块不论软件工作在何种方式下，一旦出现超值，系统确认后并发出报警，屏幕上显示报警内容和地点，以便采取措施。

3.4对污水处理系统中一个PLC子站的控制程序进行设计

此程序分为三部分：

主程序、子程序和中断程序。

（见附录四）

逻辑运算及报警处理等放在主程序。

系统初始化的一些工作放在初始化子程序中完成，这样可节省扫描时间。

利用定时器中断功能实现PID控制的定时采样及输出控制。

生活供水时系统设定值为满量程的70%，消防供水时系统设定值为满量程的90%。

在污水处理系统中，只是用比例（P）和积分（I）控制，其回路增益和时间常数可通过工程计算初步确定，但还需要进一步调整以达到最优控制效果。

（程序设计见附录四）

程序中使用的PLC元器件及功能如下表：

表4程序中使用的元器件及功能

器件地址

功能

器件地址

功能

VD100

过程变量标准化值

T33

工频/变频转换逻辑控制

VD104

压力给定值

T34

工频/变频转换逻辑控制

VD108

PI计算值

T37

工频泵增泵滤波时间控制

VD112

比例系数

T38

工频泵减增泵滤波时间控制

VD116

采样时间

T39

工频/变频转换逻辑控制

VD120

积分时间

M0.0

故障结束脉冲信号

VD124

微分时间

M0.1

泵变频启动脉冲

VD204

变频器运行频率下限值

M0.3

倒泵变频启动脉冲

VD208

生活供水变频器运行频率上限值

M0.4

复位当前变频运行泵脉冲

VD212

消防供水变频器运行频率上限值

M0.5

当前泵工频运行启动脉冲

VD250

PI调节结果存储单元

M0.6

新泵变频启动脉冲

VB300

变频工作泵的泵号

M2.0

泵工频/变频转换逻辑控制

（接上页表4）

4结束语

本系统与传统污水工艺PLC控制相比，具有功能齐全、高度智能化、运行可靠、投资省、见效快等优点。

系统自2004年10月投入运行至今，对该城市的生态环境、水资源、城市环境及旅游业等，都起到极大的推动作用。

本文所述的系统具有以下特点：

可靠性高。

PLC是由Transputer并行处理系统构成，每个处理机模块都享有自己的存储器，数据共享只是通过Link的互连实现，保证了各单元之间的独立性，从而提供了整个系统的可靠性。

灵活性和可扩展性强。

系统中的PLC的数量及之间的拓扑结构可根据需要选择和重构，构成实现不同功能的系统功能单元。

互连性强，易于光互连网络接口。

Transputer提供了四路标准的INMOS全双工高速串行通讯链路（Link），所以，以利用INMOSLink互连成的Transputer并行处理机系统为核心的控制系统具有很强的互连性，很容易实现与光互连网络接口，构成分布式并行计算机网络，实现污水处理厂各工艺单元之间的有机并行协调处理。

具有高速处理能力IMST800Transputer属于32位精简指令处理机（RISC），具有64位的浮点运算单元，因此该系统具有高速处理能力。

参考文献

1　宋建成·可编程序控制器原理与应用·北京:

科学出版社,1998

2　崔巍，张修文·一种基于PLC的模糊控制方法，2001

3　汪晓光,孙晓英,王艳丹·可编程序控制器原理及应用·机械工业出版社

4攀枝花市污水处理仁和分厂工程初步设计，2001

致谢

本设计从选题到最后完成，都得到了指导老师谢庆华老师的悉心指导。

谢老师渊博的知识、严谨的治学态度和诲人不倦的精神永远是我学习的榜样，他富于开拓与创新的精神以及丰富的社会知识都给我留下了深刻的印象，使我在设计中受益匪浅，在此谨向谢老师致以深切的谢意！

在论文的写作中，还得到了谢老师的悉心指点，在此表示衷心的感谢！

在此还要感谢机电一体化专业的全体老师，感谢他们对我的培养，使我在湖南生物机电学院的3年学习生活中受益匪浅。

感谢家人的关心与支持！

感谢评阅和阅读本文的老师为此付出的辛勤劳动！

附录

附图附程序如后页所示

附录三

附录四程序图