污水处理的PL的C控制系统设计.docx
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污水处理的PL的C控制系统设计
第1章绪论
1.1课题研究目的和意义
1.1.1课题研究目的
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废水处理系统方案应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，因此采用地理式砖混结构处理池，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。
1.1.2课题研究意义
我国是一个严重缺水的国家，因此建设符合我国具体情况的污水自动控制系统对降低污水处理成本、改善环境、建立可持续发展社会、保持我国经济高速发展具有重要意义。
1.2污水处理的自动化控制系统发展现状
目前，污水处理的自动控制可以采用PLC可编程逻辑控制器，也可以采用PAC可编程自动化控制器。
国内外目前常采用PLC方式，随着社会经济的发展及公共管理科技水平的提高，今后可能会采用PAC控制方式。
PLC（programmablecontroller）：
可编程逻辑控制器，PLC主要是指数字运算操作电子系统的可编程逻辑控制器。
PAC（programmable automation controller）：
可编程自动化控制器，概念定义为集中控制，涵盖PLC的多种需求以及制造业对信息的需求。
PAC包括PLC的主要功能和扩大的控制能力，以及PC-based控制中基于对象的、开放数据格式和网络连接等功能。
PAC与PLC的区别在于PAC的形式与传统PLC很相似，但性能却全面得多。
PAC是一种多功能控制器平台，它包含多种用户可按照自己意愿组合、搭配和实施的技术和产品。
与其相反，PLC是一种基于专有架构的产品，仅仅具备了制造商认为必要的性能。
PAC与PLC最根本的不同在于它们的基础不同。
PLC性能依赖于专用硬件，应用程序的执行是依靠专用硬件芯片实现，因硬件的非通用性会导致系统的功能前景和开放性受到限制，由于是专用操作系统，其实时可靠性与功能都无法与通用实时操作系统相比，这样导致了PLC整体性能的专用性和封闭性。
在SBR污水处理中PLC是这一模式中的关键设备，PLC中事先已输入工艺运行的程序，PLC可以根据工艺参数按运行模式自动监控、运行设备。
计算机在这一模式中起三个作用：
①实时显示运行工况。
②实时向PLC传送调整设备运行状态的指令。
③建立数据库，储存记录运行中各参数、指标等资料。
人可以通过计算机随时改变工艺运行的模式。
PLC根据工艺运行的模式自动调整设备的运行，并对工况运行的数据库加以整理保存。
前国际上普遍采用的自动化管理系统一般都采用这一模式：
人←→计算机←→PLC←→现场设备。
1.3课题研究主要内容
1.分析SBR污水处理系统的特点、性能要求、工艺过程。
2.选择电器元件、编制元器件目录表
3.根据技术要求确定总体方案。
4.PLC控制系统的硬件设计。
5.PLC控制系统的软件设计。
、
第2章SBR污水处理电气控制系统介绍及流程图
2.1SBR污水处理工艺
SBR污水处理技术是一种高效污水回用的处理技术，采用优势菌技术对生活污水进行处理，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污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。
污水处理过程中环境温度对菌群代谢产生的作用直接影响污水处理效果，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污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污水处理的效率，方便操作和使用。
SBR污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污水处理系统工艺流程图如图2.1所示。
图2.1SBR污水处理系统工艺流程图
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1.5h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污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，以满足污水处理的要求。
2.2SBR污水处理系统动力设备
SBR污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。
2.3本章小结
本章根据污水处理系统的工艺流程图，详细介绍了污水处理中两个阶段的工作过程，以及PLC控制系统的总体方案。
从工艺流程图中得知在系统工作过程中各组成部分的位置和作用。
第3章SBR污水处理系统的硬件设计
3.1硬件设计总体说明
（1）SBR污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，其内部设有超载保护开关，为常闭触点，作为电动阀超载保护信号，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超载保护，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超载保护。
（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）PLC选用继电器输出型。
3.2SBR污水处理电气控制原理图设计
3.2.1主电路设计
SBR污水处理系统主电路如图3.1所示。
（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实现超载保护。
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。
图3.1SBR污水处理系统主电路图
3.2.2交流控制电路设计
SBR污水处理系统交流控制电路如图3.2所示。
（1）控制电路有电源指示HL1。
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HL2、HL3、HL4，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的超载保护，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连接构成超载保护信号，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完成超载保护控制功能。
（5）上水电磁阀YA1和指示灯HL5、排空电磁阀YA2，分别由中间继电器KA2和KA3触点控制。
图3.2SBR污水处理系统交流控制电路
3.2.3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污水处理系统有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。
3.2.4PLC控制电路设计
包括PLC硬件结构配置及PLC控制原理电路设计。
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/输出界面（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。
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界面功能表。
图3.3为SBR污水处理系统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。
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。
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，以防止电源超载损坏或影响其他输入口的信号质量。
PLC采用继电器输出，每个输出点额定控制容量为AC250V，2A。
图3.3SBR污水处理系统PLC控制电路原理图
3.2.5PLC输入、输出界面功能表
表3,4和表3.5分别为SBR污水处理系统PLC输入和输出界面功能表。
表3.4SBR污水处理系统PLC输入界面功能表
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3.5SBR污水处理系统PLC输出界面功能表
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（曝气风机）接触器
KM3
Y015
15
排空电磁阀继电器
KA3
Y016
16
上水电磁阀继电器
KA2
Y017
17
输出口备用
Y020～Y027
3.2.6元器件目录表
根据设计方案选择的电气元件，编制原理图的元器件目录表，如表3.6所示。
表3.6SBR污水处理系统元器件目录表
序号
文字符号
名称
数量
规格型号
备注
1
M1～M4
电动机
4
Y系列
三相交流异步电动机
2
FR1～FR4
热继电器
4
JR16B-20/3
参照电动机整定电流
3
FU1～FU4
熔断器
12
RL1-15
熔体2～10A
4
FU5、FU6
熔断器
2
RT16-32X
熔体2A
5
QF
断路器
1
C45AD
脱扣电流10A
6
TC
隔离变压器
1
BK-100
变比1：
1，AC220V
7
SB1
起动按钮
1
LAY37
绿色
8
SB2
停止按钮
1
LAY37
红色
9
SB3
转换开关
1
LAY37-D2
手动/自动转换
10
SB4～SB8
手动开关
5
LAY37-D2
黑色
11
KM1～KM4
交流接触器
4
DJX-9
线圈电压：
AC220V
12
KA1～KA3
中间继电器
3
HH52P
线圈电压：
AC220V
13
HL1～HL15
指示灯
15
AD16-22
LED显示，AC220V
14
YA1
电磁阀
1
ZCT-50A
线圈电压：
AC220V
15
YA2
电磁阀
1
ZCT-15A
线圈电压：
AC220V
16
YA3
电动阀门装置
1
LQA20-1
AC380，60W
17
PLC
可编程式控制器
1
FX2N-48MR
继电器输出
3.3本章小结
本章通过绘制了PCL控制电路原理图，来实现对SBR污水处理系统的控制要求，需要将污水处理控制系统中所有硬件进行选型和搭接，每一步都需要查阅大量的资料。
要了解PLC的主要性能技术参数，系统所需硬件的技术参数，在连接时要想实现控制，就要有一些参数相互匹配，比如相连的硬件的电流值、电压值。
在选择元器件的时候，我是在相应的公司的官方网站看到产品介绍和选择，然后根据系统的要求进行选择。
第4章SBR污水处理系统软件程序设计
4.1程序设计
根据控制要求，建立SBR污水处理系统控制流程图，如图4.1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。
4.2系统静态仿真调试
空载静态仿真调试时，针对运行的程序检查硬件界面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。
4.3系统动态仿真调试及仿真运行
在动态带负载状态下仿真调试，密切观察系统的仿真运行状态，采用先模拟手动再模拟自动的调试方法，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。
图4.1SBR污水处理系统控制流程图
4.4SBR污水处理系统PLC梯形图程序
自动状态下，M32置位6.5h后C0动作输出，如图4.2所示。
图4.2
曝气6.5h后，C0输出动作或手动状态下计数器C0复位，如图4.3所示。
图4.3
自动状态下M33置位1.5h后，C2输出动作，如图4.4所示。
图4.4
曝气结束1.5h后（沉淀完成）或手动状态下或按下启动按钮，计数器C2复位，如图4.5所示。
图4.5
控制状态选择。
自动状态下污水池处于低水位状态且电动阀门开启限位未闭合时，M36置位（作用：
开启电动阀门），如图4.6所示。
图4.6
电动阀门故障报警时或者手动状态下或者自动状态，电动阀门开启先未闭合或者停止按钮按下式，M36复位（作用：
电动阀门停止），如图4.7所示。
图4.7
手动状态下，电动阀门开起限位闭合时或者自动状态下电动阀门开起先未闭合是（M52置位），电动阀门开启绿色指示灯亮，如图4.8所示。
图4.8
电动阀门关闭限位闭合时，或者手动控制状态下或者按下停止按钮时，M52复位，如图4.9所示。
图4.9
电动阀门电动机故障报警时，或者手动状态下或者自动状态下，电动阀门关闭限位闭合时（M53置位）或者按下停止按钮时，M37复位（电动阀门停止），如图4.10所示。
图4.10
手动状态下，闭合手动关电动阀门开关且电动阀门关闭限位未闭合时，或者自动状态下，污水池高水位时且电动阀门关闭限位未闭合时（M37置位）或者污水池清水池中水箱都是高水位时，关电动阀门接触器闭合，如图4.11所示。
图4.11
手动状态下，电动阀门关闭限位闭合时，或者自动状态下，电动阀门关闭限位闭合时，电动阀门关闭黄色指示灯亮，如图4.12所示。
图4.12
电动阀门关闭指示灯熄灭，如图4.13.所示。
图4.13
当污水池处于低水信号时，M10置位，如图4.14所示。
图4.14
污水池高水位信号到来时或者停止按钮按下时，M10复位，如图4.15所示。
图4.15
M69置位T0T1开始计时，自动状态下，污水池高水位信号时，M69置位，如图4.16所示。
图4.16
自动状态下污水池高水位信号到来20S后或者停止时或者手动状态下M69复位。
如图4.17
自动状态下污水池高水位是M36置位受T1延时闭合20S，手动状态下开启风机手动开关时M41置位受T9延时闭合15S，自动状态下曝气结束后M65置位受T7延时闭合20S，手动状态下关闭风机手动开关时M48置位受T21延时闭合20S，排空电磁阀继电器闭合，如图4.18所示。
图4.18
手动状态下，关闭风机手动开关时，M48置位（排空电磁阀开起），如图4.19所示。
图4.19
手动状态下，关闭风机手动开关20S后或者电动机热保护器报警时，M48复位（排空电磁阀关闭），如图4.20所示。
图4.20
自动状态下，曝气6.5h后，M65置位（排空电磁阀开起），如图4.21所示。
图4.21
自动状态下，曝气结束20S后，或者手动状态时，M65复位，如图4.22所示。
图4.22
1#清水泵未开启且中水箱低水位，污水池高水位信号到来10S后，M32置位（风机开启，曝气计时开始），如图4.23所示。
图4.23
曝气结束，排空电磁阀开启10S后或者1#清水泵开启时，M32复位（风机停止，曝气结束），如图4.24所示。
图4.24
自动状态下，M32置位时，或者手动状态下开启风机开关，排空电磁阀开起10S后M64置位，风机开启（曝气开始），如图4.25所示。
图4.25
保期结束后，M33置位（C2计数开始），如图4.26所示。
图4.26
曝气结束1.5h后M34置位或者按下停止按钮时M33复位，如图4.27所示。
图4.27
自动状态下，曝气结束1.5h后，清水池低水位信号时，或者手动状态下，开启1#清水泵手动开关后，1#清水泵开启，如图4.28所示。
图4.28
M12置位，（清水池低水位指示灯亮），如图4.29所示。
图4.29
清水池高水位信号到来时或者停止按钮按下时，M12复位，清水池高水位信号时M13置位（清水池高水位信号指示灯亮），如图4.30所示。
图4.30
手动状态下，开启2#清水泵手动开关后M54置位，清水池高水位信号，中水箱低水位信号时M177置位，且M15未闭合时，2#清水泵开启，如图4.31所示。
图4.31
自动状态下，中水箱高水位信号到来5S后或者手动控制状态或者停止状态，M177复位（2#清水泵停止），如图4.32所示。
图4.32
自动状态下，中水箱高水位信号到来5S后（T55计时时间到），或者停止按钮按下时或者处于自动控制状态下，M178复位，如图4.33所示。
图4.33
手动状态下，关闭2#清水泵开关后M55置位，T17延时5S后闭合，或者停止按钮按下或者处于自动控制状态下时，M54复位，如图4.34所示。
图4.34
开启2#清水泵手动开关后M54置位，T16延时5S后闭合或者清水池高水位信号中水箱低水位信号时M177置位，T5延时5S闭合，上水电磁阀继电器动作，如图4.35所示。
图4.35
手动状态下关闭2#清水泵手动开关后M55置位，T17延时5S闭合，或者处于自动控制状态下或者停止按钮按下时M55复位，如图4.36所示。
图4.36
中水箱低水位信号时，M14置位（中水箱低水位信号指示灯亮），中水箱高水位信号到来时，或者停止按钮按下时，M14复位（中水箱低水位信号指示灯灭），如图4.37所示。
图4.37
中水箱低水位信号时M14置位，中水箱高水位信号时M15置位（中水箱高水位信号指示灯亮），如图4.38所示。
中水箱低水位信号到来时或者停滞状态下，M15复位（中水箱高水位信号指示灯灭）。
图4.38
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