小型SBR废水处理PLC电气控制系统.docx
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小型SBR废水处理PLC电气控制系统
绪论………………………………………………………………………………2
第1章PLC控制系统设计……………………………………………………3
1.1PLC控制系统设计的基本原则…………………………………………3
1.2PLC机型选择……………………………………………………………3
第2章小型SBR废水处理PLC电气控制系统………………………………7
2.1小型SBR废水处理电气控制系统设计任务书…………………………7
2.2SBR废水处理电气控制系统总体方案设计……………………………8
2.3SBR废水处理电气控制原理图设计……………………………………8
2.4PLC硬件控制电路设计…………………………………………………11
2.5PLC控制程序设计………………………………………………………14
2.6SBR废水处理系统电气工艺设计………………………………………20
2.7梯形图程序调试……………………………………………………………21
第3章课程设计总结…………………………………………………………22
参考文献………………………………………………………………………23
绪论
PLC可编程序控制器：
PLC英文全称ProgrammableLogicController,中文全称为可编程逻辑控制器，定义是:
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，计数与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生产过程.
PLC是基于电子计算机，且适用于工业现场工作的电控制器。
它源于继电控制装置，但它不像继电装置那样，通过电路的物理过程实现控制，而主要靠运行存储于PLC内存中的程序，进行入出信息变换实现控制。
PLC基于电子计算机，但并不等同于普通计算机。
普遍计算机进行入出信息变换，多只考虑信息本身，信息的入出，只要人机界面好就可以了。
而PLC则还要考虑信息入出的可靠性、实时性，以及信息的使用等问题。
特别要考虑怎么适应于工业环境，如便于安装，抗干扰等问题。
入出信息变换、可靠物理实现，可以说是PLC实现控制的两个基本要点。
入出信息变换靠运行存储于PLC内存中的程序实现。
PLC程序既有生产厂家的系统程序（不可更改），又有用户自行开发的应用（用户）程序。
系统程序提供运行平台，同时，还为PLC程序可靠运行及信号与信息转换进行必要的公共处理。
用户程序由用户按控制要求设计。
什么样的控制要求，就应有什么样的用户程序。
可靠物理实现主要靠输人（INPUT）及输出（OUTPUT）电路。
PLC的I/O电路，都是专门设计的。
输入电路要对输入信号进行滤波，以去掉高频干扰。
而且与内部计算机电路在电上是隔离的，靠光耦元件建立联系。
输出电路内外也是电隔离的，靠光耦元件或输出继电器建立联系。
输出电路还要进行功率放大，以足以带动一般的工业控制元器件，如电磁阀、接触器等等。
I/O电路是很多的，每一输入点或输出点都要有一个I或O电路。
PLC有多I/O用点，一般也就有多少个I/O用电路。
但由于它们都是由高度集成化的电路组成的，所以，所占体积并不大。
输入电路时刻监视着输入状况，并将其暂存于输入暂存器中。
每一输入点都有一个对应的存储其信息的暂存器。
输出电路要把输出锁存器的信息传送给输出点。
输出锁存器与输出点也是一一对应的
这里的输入暂存器及输出锁存器实际就是PLC处理器I/O口的寄存器。
它们与计算机内存交换信息通过计算机总线，并主要由运行系统程序实现。
把输人暂存器的信息读到PLC的内存中，称输入刷新。
PLC内存有专门开辟的存放输入信息的映射区。
这个区的每一对应位（bit）称之为输入继电器，或称软接点。
这些位置成1，表示接点通，置成0为接点断。
由于它的状态是由输入刷新得到的，所以，它反映的就是输入状态。
可编程逻辑控制器（ProgrammableLogicalController）简称PLC。
可编程控制器的特点：
1．可靠性高，抗干扰强
2．功能强大，性价比高
3．编程简易，现场可修改
4．配套齐全，使用方便
5．寿命长，体积小，能耗低
6．系统的设计、安装、调试、维修工作量少，维修方便
第1章PLC控制系统设计
1.1 PLC控制系统设计的基本原则
任何一种控制系统都是为了实现被控对象的工艺要求，以提高生产效率和产品质量。
因此，在设计PLC控制系统时，应遵循以下基本原则：
1.最大限度地满足被控对象的控制要求
充分发挥PLC的功能，最大限度地满足被控对象的控制要求，是设计PLC控制系统的首要前提，这也是设计中最重要的一条原则。
这就要求设计人员在设计前就要深入现场进行调查研究，收集控制现场的资料，收集相关先进的国内、国外资料。
同时要注意和现场的工程管理人员、工程技术人员、现场操作人员紧密配合，拟定控制方案，共同解决设计中的重点问题和疑难问题。
2.保证PLC控制系统安全可靠
保证PLC控制系统能够长期安全、可靠、稳定运行，是设计控制系统的重要原则。
这就要求设计者在系统设计、元器件选择、软件编程上要全面考虑，以确保控制系统安全可靠。
例如：
应该保证PLC程序不仅在正常条件下运行，而且在非正常情况下（如突然掉电再上电、按钮按错等），也能正常工作。
3.力求简单、经济、使用及维修方便
一个新的控制工程固然能提高产品的质量和数量，带来巨大的经济效益和社会效益，但新工程的投入、技术的培训、设备的维护也将导致运行资金的增加。
因此，在满足控制要求的前提下，一方面要注意不断地扩大工程的效益，另一方面也要注意不断地降低工程的成本。
这就要求设计者不仅应该使控制系统简单、经济，而且要使控制系统的使用和维护方便、成本低，不宜盲目追求自动化和高指标。
4.适应发展的需要
由于技术的不断发展，控制系统的要求也将会不断地提高，设计时要适当考虑到今后控制系统发展和完善的需要。
这就要求在选择PLC、输入/输出模块、I/O点数和内存容量时，要适当留有裕量，以满足今后生产的发展和工艺的改进。
1.2 PLC机型选择
随着PLC的推广普及，PLC产品的种类和型号越来越多，功能日趋完善。
从美国，日本、德国等国家引进的PLC产品及国内厂商组装或自行开发的PLC产品已有几十个系列。
上百种型号。
其结构形式、性能、容量、指令系统，编程方法、价格等各有不同，适用的场合也各有侧重。
因此，合理选择PLC产品，对于提高PLC控制系统的技术经济指标起着重要作用。
一般来说，各个厂家生产的产品在可靠性上都是过关的，机型的选择主要是指在功能上如何满足自己需要，而不浪费机器容量。
PLC的选择主要包括机型选择，容量选择，输入输出模块选择、电源模块选择等几个方面。
1、可编程控制器控制系统I/O点数估算
I/O点数是衡量可编程控制器规模大小的重要指标。
根据被控对象的输入信号与输出信号的总点数，选择相应规模的可编程控制器并留有10%～15%的I/O裕量。
估算出被控对象上I/O点数后，就可选择点数相当的可编程控制器。
如果是为了单机自动化或机电一体化产品，可选用小型机，如果控制系统较大，输入输出点数较多，被控制设备分散，就可选用大、中型可编程控制器。
2、内存估计
用户程序所需内存容量要受到下面几个因素的影响：
内存利用率；开关量输入输出点数；模拟量输入输出点数。
（1）内存利用率 用户编的程序通过编程器键入主机内，最后是以机器语言的形式存放在内存中，同样的程序，不同厂家的产品，在把程序变成机器语言存放时所需要的内存数不同，我们把一个程序段中的接点数与存放该程序段所代表的机器语言所需的内存字数的比值称为内存利用率。
高的利用率给用户带来好处。
同样的程序可以减少内存量，从而降低内存投资。
另外同样程序可缩短扫描周期时间，从而提高系统的响应。
（2）开关量输入输出的点数 可编程控制器开关量输入输出总点数是计算所需内存储器容量的重要根据。
一般系统中，开关量输入和开关量输出的比为6：
4。
这方面的经验公式是根据开关量输入、开关量输出的总点数给出的。
所需内存字数=开关量（输入+输出）总点数*10
（3）模拟量输入输出总点数 具有模拟量控制的系统就要用到数字传送和运算的功能指令，这些功能指令内存利用率较低，因此所占内存数要增加。
在只有模拟量输入的系统中，一般要对模拟量进行读入、数字滤波、传送和比较运算。
在模拟量输入输出同时存在的情况下，就要进行较复杂的运算，一般是闭环控制，内存要比只有模拟量输入的情况需要量大。
在模拟量处理中。
常常把模拟量读入、滤波及模拟量输出编成子程序使用，这使所占内存大大减少，特别是在模拟量路数比较多时。
每一路模拟量所需的内存数会明显减少。
下面给出一般情况下的经验公式：
只有模拟量输入时：
内存字数=模拟量点数*l00
模拟量输入输出同时存在时：
内存字数＝模拟量点数*200
这些经验公式的算法是在10点模拟量左右，当点数小于10时，内存字数要适当加大，点数多时，可适当减小。
综上所述，推荐下面的经验计算公式：
总存储器字数＝（开关量输人点数+开关量输出点数）*l0+模拟量点数*150。
然后按计算存储器字数的25%考虑裕量。
3、响应时间
对过程控制，扫描周期和响应时间必须认真考虑。
可编程控制器顺序扫描的工作方式使它不能可靠地接收持续时间小于扫描周期的输入信号。
例如某产品有效检测宽度为5cm，产品传送速度每分钟50m，为了确保不会漏检经过的产品，要求可编程控制器的扫描周期不能大于产品通过检测点的时间间隔60ms（T＝5cm／50m／60s）。
系统响应时间是指输入信号产生时刻与由此而使输出信号状态发生变化时刻的时间间隔。
系统响应时间＝输入滤波时间+输出滤波时间+扫描周期.
4、输入输出模块的选择
可编程控制器输入模块是检测并转换来自现场设备（按钮、限位开关；接近开关等）的高电平信号为机器内部电平信号，模块类型分直流5、12、24、48、60V几种；交流115V和220V两种。
由现场设备与模块之间的远近程度选择电压的大小。
一般5、12、24V属低电平，传输距离不宜太远，例如5V的输入模块最远不能超过10m，也就是说，距离较远的设备选用较高电压的模块比较可靠。
另外高密度的输入模块如32点、64点，同时接通点数取决于输入电压和环境温度。
一般讲，同时接通点数不得超过60%。
为了提高系统的稳定性，必须考虑门槛（接通电平与关断电平之差）电平的大小。
门槛电平值越大，抗干扰能力越强，传输距离也就越远。
输出模块的任务是将机器内部信号电平转换为外部过程的控制信号。
对于开关频繁、电感性、低功率因数的负载，推荐使用晶闸管输出模块，缺点是模块价格高；过载能力稍差。
继电器输出模块优点是适用电压范围宽，导通压降损失小，价格便宜，缺点是寿命短，响应速度慢。
输出模块同时接通点数的电流累计值必须小于公共端所允许通过的电流值。
输出模块的电流值必须大于负载电流的额定值。
6、结构型式的考虑
PLC的结构分为整体式和模块式两种。
整体式结构把PLC的I/O和CPU放在一块大印刷电路板上，节省了插接环节，结构紧凑，体积小，每一I/O点的平均价格也比模块式的便宜，所以小型PLC控制系统多采用整体式结构。
模块式PLC的功能扩展，I/O点数的增减，输入与输出点数的比例，都比整体式方便灵活。
维修时更换模块，判断与处理故障快速方便。
因此，对于较复杂的要求较高的系统，一般选用模块式结构。
7、是否需要通讯联网的功能
大部分小型PLC都是以单机自动化为目的，一般没有和上位计算机通讯的接口。
如果用户要求将PLC纳入工厂自动化控制网络，就应选用带有通讯接口的PLC。
一般大、中型PLC都具有通讯功能。
近年来，一些高性能的小型机（如FX、C40H、S5-100U等）也带有通讯接口，通过RS-232串行接口，与上位计算机或另一台PLC相连，也可以连接打印机、CRT等外部设备。
以上简要地介绍了PLC选型的依据和应考虑的几个问题，用户应根据生产实际的需要，综合考虑各种因素，选择性能价格比合适的产品，使被控对象的控制要求得到完全满足，也使PLC的功能得到充分发挥。
第2章小型SBR废水处理PLC电气控制系统
2.1小型SBR废水处理电气控制系统设计任务书
2.1.1SBR废水处理工艺的技术要求
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2-1所示。
图2-1SBR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。
2.1.2SBR废水处理系统动力设备
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。
2.1.3SBR废水处理电气控制系统设计要求
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。
2.2SBR废水处理电气控制系统总体方案设计
1）SBR废水处理系统控制对象电动机均由交流接触器完成起、停控制，电动阀电动机要采用正、反转控制。
2）污水池、清水池、中水水箱水位检测开关，在选型时考虑抗干扰性能，选用电极考虑耐腐蚀性。
3）电动阀上驱动电动机，其内部设有过载保护开关，为常闭触点，作为电动阀过载保护信号，PLC控制电路考虑该信号逻辑关系。
4）1#清水泵、2#清水泵、罗茨风机电动机、电动阀电动机分别采用热继电器实现过载保护，其热继电器的常开触点通过中间继电器转换后，作为PLC的输入信号，用以完成各个电动机系统的过载保护。
5）罗茨风机的控制要求在无负载条件下起动或停机，需要在曝气管路上设置排空电磁阀。
6）主电路用断路器，各负载回路和控制回路以及PLC控制回路采用熔断器，实现短路保护。
7）电控箱设置在控制室内。
控制面板与电控箱内的电器板用BVR型铜导线连接，电控箱与执行装置之间采用端子板连接。
8）PLC选用继电器输出型。
9）PLC自身配有24V直流电源，外接负载时考虑其供电容量。
PLC接地端采用第三种接地方式，提高抗干扰能力。
2.3SBR废水处理电气控制原理图设计
（1）主电路设计SBR废水处理电气控制系统主电路如图2-2所示。
图2-2SBR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。
（2）交流控制电路设计SBR废水处理系统交流控制电路如图2-3所示。
图2-3SBR废水处理系统交流控制电路
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。
（3）主要参数计算
1）断路器QF脱扣电流。
断路器为供电系统电源开关，其主回路控制对象为电感性负载交流电动机，断路器过电流脱扣值按电动机起动电流的1.7倍整定。
SBR废水处理系统有3kW负载电动机一台，起动电流较大，其余三台为1.1kW以下，起动电流较小，而且工艺要求4台电动机单独起动运行，因此可根据3kW电动机选择自动开关QF脱扣电流IQF：
IQF＝1.7IN=1.7×6A＝10.2A≈10A，选用IQF＝10A的断路器。
2）熔断器FU熔体额定电流IFU。
以曝气风机为例，IFU≥2IN＝2×2.5A＝5A，选用5A的熔体。
其余熔体额定电流的选择，按上述方法选配。
控制回路熔体额定电流选用2A。
3）热继电器的选择参考有关技术手册选择，此处不再详述。
2.4PLC硬件控制电路设计
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控制电路接线图，编制I/O接口功能表。
图2-4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。
图2-4SBR废水处理系统PLC控制电路接线图
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。
表2-1和表2-2分别为SBR废水处理系统PLC输入和输出接口功能表。
表2-1SBR废水处理系统PLC输入接口功能表
序号
工位名称
文字符号
输入口
1
污水池高水位开关信号
H1
X000
2
污水池低水位开关信号
L1
X001
3
清水池高水位开关信号
H2
X002
4
清水池低水位开关信号
L2
X003
5
中水箱高水位开关信号
H3
X004
6
中水箱低水位开关信号
L3
X005
7
起动按钮（绿色）
SB1
X006
8
停止按钮（红色）
SB2
X007
9
旋钮开关（自动）
SB3-1
X010
10
旋钮开关（手动）
SB3-2
X011
11
手动开电动阀旋钮开关
SB4
X012
12
手动关电动阀旋钮开关
SB5
X013
13
1#清水泵手动旋钮开关
SB6
X014
14
2#清水泵手动旋钮开关
SB7
X015
15
电动阀门开起限位开关
SQ1
X016
16
电动阀门关闭限位开关
SQ2
X017
17
电动阀电动机故障报警
FR0
X020
18
电动机热保护器报警
KA1
X021
19
曝气风机手动旋钮开关
SB8
X022
20
输入点备用
X023～X027
表2-2SBR废水处理系统PLC输出接口功能表
序号
工位名称
文字符号
输入口
1
1#清水泵接触器
KM1
Y000
2
2#清水泵接触器
KM2
Y001
3
污水池高水位红色指示灯
HL7
Y002
4
污水池低水位绿色指示灯
HL8
Y003
5
清水池高水位红色指示灯
HL9
Y004
6
清水池低水位绿色指示灯
HL10
Y005
7
中水箱高水位红色指示灯
HL11
Y006
8
中水箱低水位绿色指示灯
HL12
Y007
9
电动阀门开起绿色指示灯
HL13
Y010
10
电动阀门关闭黄色指示灯
HL14
Y011
11
开电动阀门接触器
KM4
Y012
12
关电动阀门接触器
KM5
Y013
13
电动机热保护器报警红色指示灯
HL6
Y014
14
罗茨风机（曝
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