基于PLC的某电厂含煤废水处理控制系统软件部分设计.docx

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基于PLC的某电厂含煤废水处理控制系统软件部分设计

摘要

本设计的主要任务是对某电厂含煤废水处理系统的几个部分进行工艺流程分析，主要包括煤水提升部分、加药部分、带压式废水处理部分和清水提升部分，然后根据工艺流程写出输入输出点表。

根据点表进行PLC选型、PLC硬件配置，结合工艺流程及点表进行PLC编程，最后检查所编程序的正确性。

本设计使用梯形图编程，其具有直观易懂的优点，特别适用于开关量逻辑控制。

关键词：

工艺流程；点表；PLC选型；硬件配置；PLC编程

ABSTRACT

Themaintaskofthedesignofacoalpowerplantwastewatertreatmentsysteminseveralpartsoftheanalysisprocess,includingupgradingcoal-waterpartofDosingofpressure-typewastewatertreatmentupgradesomepartsandwater,andthenundertheprocesswriteinputandoutputpointstable.PLC-pointscalebasedonselection,PLChardwareconfiguration,combinedwithprocessandpointstableforPLCprogrammingforfinalinspectionbythecorrectnessoftheprocedure.Theuseofthedesignladderprogramming,itseasytounderstandtheadvantagesofintuitive,especiallyforlogiccontrolswitch.

Keywords:

Process；PointsTable；PLCSelection；Hardwareconfiguration；PLCProgramming

第1章引言

1.1水污染的现状

水，是人类生存、养息、发展的根本条件。

然而，人类社会在工业化的进程中大量消耗水资源的同时，排出污水，污染河湖，危害环境，造成严重后果。

英国及美国都曾在19世纪中发生因引用水资源遭生活污水污染而引起的霍乱大流行，二十世纪工业迅速发展和城市人口剧增更带来不少河流水质恶化、生物绝迹的恶果。

有资料表明目前第三世界国家每年因水污染而造成200万人口的死亡;全世界有100多个国家缺水，其中严重的有40多个，水资源的缺乏及水环境的污染己越来越成为制约发展的重要因素。

【1】

近年来，中国经济的迅猛发展，大大促进了世界经济的发展，但是中国的水污染问题也变得更加突出。

据统计，拉丁美洲2.79亿的城市人口仅有41%的下水道普及率，10%的污水处理率;东南亚国家近1.9亿人口集中在10个特大城市，下水道普及率不足10%。

因此水污染问题不仅是中国的问题而且是亚洲乃至世界的严重问题。

【1】

随着人类的发展，水资源越来越不能满足人类发展的需要，主要表现为可供水资源量不足和水质恶化导致环境污染这两方面。

我国改革开放二十年来，国民经济及城市建设得到高速的发展，城市规模与人口的增加，带来了城市的勃勃生机，也同样带来了水污染控制及水环境保护问题。

1997年，全国污水排放量约416亿吨，其中45%来源于城市生活污水，55%为工业废水。

我国七大水系，湖泊，水库，部分地区地下水受到不同程度的污染，七大水系的水质继续恶化。

水资源的严重匮乏己成为制约我国国民经济可持续发展的一个重要因素。

因此，合理开发利用水资源、保护环境己成为我国的基本国策。

虽然近20年城市污水处理事业有较大的发展，但是仍然难以满足城市发展的需要。

各级政府对此都给予高度重视。

由于我国污水处理事业起步较晚，落后于发达国家将近30～40年，这些差距还表现在工艺技术，设备制造，运行管理等各个方面。

此外，运行经费不足，设计经验不足，设备使用维护不当，完好率低，有经验的工艺及自控技术人员的缺乏，以上这些都制约了水处理的发展。

【1】随着国家经济的发展，政府部门越来越重视到环境在经济发展中的分量，要实现经济的可持续发展，就必须要解决在经济发展中造成的环境污染问题，而水环境的整治又是重中之重。

可以预见污水废水的处理将是我们一直面临的重要问题。

1.2水处理的方法

当前国际和国内在水处理的工艺上主要是有两种，即生物处理法和物理化学处理法。

其中水处理生物工艺有：

生物膜法处理工艺、好氧生物处理工艺、厌氧生物处理工艺、活性污泥法生物处理工艺、废水自然净化处理工艺；水处理物理化学工艺有：

吸附法处理工艺、物理控制法处理工艺、离子交换法处理工艺、化学控制法处理工艺、氧化还原与电解法处理工艺、膜分离法处理工艺等。

水污染是由很多种不同情况造成的，而且水处理要综合考虑投资、运行成本和处理效果等多种因素，根据要处理的废水水质不同可能选取一种或多种不同的处理工艺。

【2】

电厂工业废水主要来自锅炉排污水、汽机房排水、油库排水、输煤系统冲洗排水、煤厂排水、厂区办公和生活用水等。

由于工业废水来源复杂，其水质、水量的变化较大。

排水中的常规离子含量及PH值变化较小，接近于电厂的水源水质，有机物含量指标CODCr（化学需氧量）也不高，但有一定的变化，油和悬浮物的变化则较大。

在废水中高含油量出现的概率很小，且一般从源头上就可制止废油大量进入工业废水。

至于悬浮物，在交接班时段的大清扫和大冲洗后会出现高峰值，即水变混，水量也大。

只要循环排污水及化学中和池排水不进入工业排水系统，那么工业废水中的常规离子含量同水源水相近；超标的污染物指标主要是悬浮物，偶尔油和CODCr也会超标。

根据火电厂工业废水的特点，工业废水中只要去除悬浮物及降低部分CODCr和油就能满足作为循环水的补充水的要求。

目前电厂采用混凝～澄清～过滤工艺对工业废水进行处理，并回用冷却水。

【3】

1.3电厂废水处理控制系统的研制背景

火力发电厂是工业用水大户，每天的工业废水如果直接排放的话不仅水资源浪费严重而且要造成严重的污染。

随着国家环境保护政策与法规的不断健全，对环境保护要求也更加严格。

以往的废水处理系统采用人工手动控制，造成人员工作强度大，控制效率低，控制工艺落后。

电厂废水处理中采用全新的自动控制系统和监控技术可以克服以前人工控制精度低、运行操作繁琐、误操作可能性大等缺点，该系统的废水处理工艺流程具有一定的先进性，达到了电厂废水零排放，大大提高了水的利用率。

同时可以通过网络把监控数据融入整个电厂的自动化管理中，这样更加节省人力物力，便于集中管理。

通过本自动控制系统把处理过的废水再纳入整个电厂的水循环中，提高电厂用水的效率，节约成本，提高了整体的经济效益。

使电厂的自动化管理和自动化控制生产方面达到一个新的高度。

1.4本人的主要任务及论文的设计内容

为了实现电厂含煤废水的循环利用，这个项目所要完成的任务是:

◆控制系统工艺流程分析

◆控制系统的点表

◆PLC控制程序（梯形图）

通过PLC自动化控制要求达到下列控制要求：

含煤废水最大限度的循环利用，高操作性。

本设计是通过分析某电厂含煤废水处理系统的四个工艺流程，在此基础上设计了PLC控制系统的硬件配置，完成了整个电气控制系统的PLC软件设计部分。

论文所研究的内容分为5部分。

●引言

●电厂含煤废水处理工艺流程

●电厂含煤废水处理控制系统部分设计

●含煤废水处理控制系统中PLC控制系统的设计

●结束语

第2章电厂含煤废水处理工艺流程

2.1工艺流程图

电厂的废水处理系统整个结构如图2.1所示：

图中的圆角矩形代表提升泵，长方形代表集水池、加药系统，椭圆代表废水处理系统。

箭头的指向代表废水的流向，它是从左往右流的。

该电厂含煤废水处理系统中共包括：

煤泥提升系统；煤水提升系统；煤水加药系统（混凝剂加药系统、助凝剂加药系统）；带压式废水处理系统（A、B系统）；清水提升系统。

本设计主要考虑后四个系统，对其进行分析，从而设计出PLC控制系统及程序。

图2.1电厂含煤废水处理系统整体结构图

2.2对工艺流程的阐述

如下四个部分：

煤水提升系统；煤水加药系统（混凝剂加药系统、助凝剂加药系统）；带压式废水处理系统（A、B系统）；清水提升系统。

2.2.1煤水提升系统

系统内有三台煤水提升泵，三台煤水提升泵由调节池液位开关自动连锁启停，互为备用，工作泵故障时备用泵自动投入。

当调节池液位达到中液位时，启动一台煤水提升泵；调节池液位达到高液位时，启动两台煤水提升泵；低液位停止所有泵。

调节池设高、中、低液位开关。

如图2.2煤水提升系统流程图。

图2.2煤水提升系统流程图

2.2.2煤水加药系统

一体化含煤废水处理机、加药混合装置的启停与煤水提升泵的启停及台数连锁，加药混合装置自动投加混凝剂、助凝剂，根据含煤废水综合处理机进口流量自动控制加药量，加药计量泵和药箱液位以及煤水提升泵连锁，两台计量泵之间故障切换。

煤水加药系统包括

（1）混凝剂加药系统，

（2）助凝剂加药系统。

混凝剂加药系统E：

图2.3为混凝剂加药系统E流程图。

混凝剂加药系统包括溶药箱（带开关量节点信号输出的液位开关）、溶药箱搅拌机、计量泵（2台、一运一备，故障切换）。

液位开关设高、低两位，液位信号送至方程控系统监视，且低位报警的同时停计量泵及与之相对应的搅拌机。

计量泵的启停以及加药的速度与液位开关的高、低液位连锁，混凝加药装置配有一个电磁阀。

由电磁阀的开关来控制混凝装置加药量的多少，液位开关显示为高液位时，关闭电磁阀，显示为低液位时电磁阀打开，并且搅拌机停止运转。

图2.3混凝剂加药系统E流程图

助凝剂加药系统F：

图2.4为助凝剂加药系统F流程图。

助凝剂加药系统包括溶药箱（带开关量节点信号输出的液位开关）、溶药箱搅拌机、计量泵（2台、一运一备，故障切换）。

液位开关设高、低两位，液位信号送至需方程控系统监视，且低位报警的同时停计量泵及与之相对应的搅拌机。

计量泵的启停以及加药的速度与液位开关的高、低液位连锁，助凝加药装置配有一个电磁阀。

由电磁阀的开关来控制助凝装置加药量的多少，液位开关显示为高液位时，关闭电磁阀，显示为低液位时电磁阀打开，并且搅拌机停止运转。

图2.4助凝剂加药系统F流程图

2.2.3带压式废水处理系统

JYMS-Ⅱ-10带压式含煤废水处理设备是对含煤废水加入混凝剂和助凝剂混合均匀之后，对废水进行沉淀、过滤的一体化设备。

该设备本体为全封闭式，运行时带压运行（压力一般为1kg/cm2）。

该系统使用两套带压式含煤废水处理设备，分别为A和B，图2.5为A设备的处理流程图，B设备的处理流程图与A设备的一样，故论文中未画出。

每套均需要用到10个电动阀，正常情况下进水处1至4号电动阀均处于常开状态，5至8号反冲洗出水电动阀均处于常闭状态，9号为清水出水电动阀处于常开状态，10号为排泥阀处于常闭状态，反冲洗由电控阀门控制，利用工作单元出水集中反冲需冲洗的单元，当需要反冲洗时关闭1号进水电动阀，打开5号反冲洗出水电动阀，同时关闭清水出水电动阀，进行反冲洗，反冲洗持续1至5分钟，冲洗完了之后，打开1号进水电动阀关闭2号进水电动阀，关闭5号反冲洗出水电动阀打开6号反冲洗出水电动阀，进行反冲洗，此时9号清水排水阀仍处于关闭状态，以此类推，整个反冲洗过程大概需要4到20分钟，最后反冲洗完毕将1至4号电动阀均恢复至打开状态，5至8号反冲洗出水电动阀均恢复至关闭状态，9号清水排水阀恢复至打开状态，10号排泥阀8小时排泥一次，持续1至5分钟。

图2.5.1A设备的处理流程图

图2.5.2A设备的处理流程图

2.2.4清水提升系统

图2.6为清水提升系统的流程图。

清水池在高、低液位时报警。

三台清水泵通过出水管上的流量计自动连锁启停，互为备用，工作泵故障时备用泵自动投入。

当出水流量小于等于一台泵的流量时开一台清水泵做变频运行，当出水流量大于一台清水泵的流量时,第一台清水泵由变频运行转为公频运行，第二台清水泵启动做变频运行。

当清水池水位到低液位时停所有清水泵。

图2.6清水提升系统的流程图

第3章电厂含煤废水处理控制系统部分设计

3.1可编程序控制器介绍

可编程序控制器（ProgrammableLogicController）简称PLC或PC，国际电工委员会（IEC）对可编程控制器是：

可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。

它采用可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算数运算等操作的命令，并通过数字式、模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械和生产过程。

可编程控制器及其有关设备，都应按易于与工业控制系统联成一体，易于扩充功能的原则设计。

PLC在现代工业控制中占有重要地位，是公认的现代工业自动化三大技术支柱（PLC、CAD/DAM、机器人）之一。

【4】

PLC具有以下特点：

（1）.可靠性高，抗干扰能力强；

（2）.编程简单，使用方便；（3）.设计安装容易，维护工作量少；（4）.功能完善，通用性强；（5）.体积小，能耗低；（6）.性能价格比高。

【5】

随着技术的发展和市场的增加，PLC的结构和功能也不断改进。

现代PLC的发展有两个主要趋势：

其一是向体积更小，速度更快，功能更强，价格更低的微小型PLC方面发展；其二是向大型网络化，高可靠性，好的兼容性，多功能方面发展。

【6】

（1）、大型网络化：

主要是朝DCS方向发展，使其具有DCS系统的一些功能。

网络化和强化通信能力是PLC发展的一个主要方面，向下将多个PLC，多个I/0框架相连；向上与工业计算机、以太网、MAP网等相连构成整个工厂的自动化控制系统，现场总线技术在工业控制中将会得到越来越广泛的应用。

图2.7为西门子S7-300PLC的可视图。

S7-300PLC可以通过多点接口MPI（Multi-PointInterface）直接与计算机、编程器、操作员面板及其它PLC相连，也可通过通信处理器连成更大的、范围更广的SINECH1以太网络或通过现场总线构成灵活实用的分布式SINECL2网络。

图3.1西门子S7-300PLC的可视图

（2）、多功能：

为了适应各种特殊功能的需要，各个公司陆续推出了多种智能模块，智能模块是以微处理器为基础的功能部件，它们的CPU与PLC的CPU并行工作。

占用主机CPU的时间很少，有利于提高PLC完成特殊的控制要求。

智能模块主要由模拟量I/0、PID回路控制、通信控制、机械运动控制、高速计数、中断输入等。

由于智能I/0的应用，使过程控制的功能和实时型大为增强，某些PLC的过程控制还具有自适应，参数自整定功能，使设计、调试时间减少，控制精度提高。

如S7-300的模拟量输入模块可以直接输入电流、电压、热电偶、热电阻等多达18种不同类型不同范围的信号，适应性很强。

（3）、高可靠性：

由于控制系统的可靠性日益受到人们的重视，一些公司已将自诊断技术、冗余技术、容错技术广泛的应用到现有产品中，推出了高可靠性的冗余系统，并采用热备用或并行工作，多种表决的工作方式。

S7-400PLC即使在恶劣、不稳定的工作环境下，坚固、全部密封的模板依然可正常工作，在操作运行过程中模板还可热拔插。

（4）、好的兼容性：

现代PLC已不再是单个的、独立的控制装置，而是整个控制系统中的一部分或一个环节。

好的兼容性是PLC深层次应用的重要保证。

SIMATICM7-300PLC采用与SIMATICS7-300相同的构造，能用SIMATICS7模块，其显著特点是与通用微型机算机兼容，可运行MS-DOS/Windows程序，适合于处理数据量大、实时性强的工作任务。

（5）、小型化、低成本、简单易用：

随着应用范围的扩大和用户投资规模的不同，小型化、低成本、简单易用的PLC将广泛应用于各行各业。

小型PLC有整体结构向小型模块化结构发展，增加了配置的灵活性。

（6）、编程语言向高层次发展：

PLC的编程语言在原有梯形图语言、顺序功能块语言和指令表语言基础上，不断丰富和向高层次发展。

西门子SIMATICS7-300PLC的编程语言STEP7，可运行在个人计算机Windows环境下，界面极为友好，提供了强劲的梯形图和语句表两种形式的编程、调试和诊断等功能。

并备有丰富的随机帮助信息，可支持位、字节、日期、数组、结构等数据类型，SIMATICM7则使用C/C++等高级语言进行编程，体现了面向未来的种种特征。

3.2电厂含煤废水处理系统控制柜的设计

PLC控制系统是由很多模块组成的，每个模块都需要供电，进行保护。

整个系统如果裸露在外，不但零乱的接线有损美观，无按钮及显示屏也使得工人操作起来极其不方便，而且整个系统裸露会受到工业现场恶劣环境的影响，从而使得控制系统损伤或出现使用寿命下降等情况；同时一个大系统中除了控制系统外还有电气系统等，这就要求它们之间进行有效的连接。

所有这些使得设计一个系统控制柜变的非常重要。

控制柜设计的优劣也直接影响的整个控制系统的运行效能。

一个控制柜往往具有如下方面的作用:

●隔离系统运行的噪音，改善操作人员的工作环境

●强电回路与弱电回路的隔离，采集及控制信号的隔离

●防止灰尘、静电、电磁辐射等以保护PLC的正常运行

●提供统一的走线，使得将来的检修非常方便

●提供和其它控制柜的接口，方便组成更大的系统及将来的扩展

●给控制系统提供各种电源，并且进行过流、过压的保护

●提供UPS对系统进行断电保护，最大限度地减少损失

●提供系统的开关按钮及报警指示灯，让现场人员最大程度的了解状况

综上所述，设计了电厂含煤废水处理系统的工业控制柜，以期最大限度地保护控制电路、方便操作、便于和其它系统的扩展。

控制柜采用220V电压供电。

在前面板上设计了电压表和电流表以显示当前的电压电流，为操作员监视系统是否过压和过流。

柜子上两盏电灯直接连接在220V线上，由控制柜门的开关来控制电灯，当门打开时灯自动亮，以给现场人员的检修提供照明，门合上时灯自动关闭以节约用电。

风扇也是直接连接在220V电压上，它任何时候都在为控制系统进行冷却。

系统提供一个隔离变压器，用于对工业现场取电和PLC供电的隔离，使得PLC的运行不受工业用电电压的波动。

一个UPS接在220V线上，用于断电时对现场进行供电，其控制是从PLC的输出节点上引出一个常闭继电器，当系统运行正常时PLC给个输出量继电器断开，当断电的时PLC无输出则常闭继电器打开，把UPS接入回路来供电，其功率为2500W，适合现场的容量。

3.3PLC的外部接线

电厂含煤废水处理PLC的控制系统和其他类型的废水控制系统一样主要由输入信号控制系统和泵运行控制系统组成。

图3.2为含煤废水处理PLC控制系统的基本结构图，主要硬件包括PLC主机及扩展、液位开关、变频器、各个泵等。

图3.2电厂含煤废水处理PLC控制系统的基本结构图

3.4PLC控制系统的设计

不管在机器制造领域还是过程工程领域，要想经济并且柔性地实现工厂自动化，对于任何一种应用都必须有一个最适宜的方案。

现今的市场变化越来越快，生产的周期也越来越短。

对于工程承包商或机器制造商，不论机器的尺寸或型号，对增加产量，满足安全要求，优化诊断以及维护，用户界面友好等要求在不断提高。

面临竞争对手巨大的压力，就必须减少开发和生产的成本以及开发和运输的时间。

SIMATIC控制器提供了面向未来的投资，可以做到主动、柔性、经济地响应新挑战，能给用户带来如下好处【7】：

●高速CPU和强大的工艺功能可以带来更高的生产率

●强大的CPU和超大的内存容量可以集成新的功能

●控制器尺寸减小，大量的集成功能和无机柜操作可以减小机器体积

●高效的工程软件，全集成自动化带来的集成性和应用程序的可重用性可以带来更低的市场响应时间

●分布式自动化可以减少安装和调试时的时间和费用

●对于标准和故障安全要求的应用可以共用一套系统

●强大的诊断功能可以提高机器和工厂的可靠性

●全球190个国家和全面的SIMATIC支持可以增加机器和工程的出口机会

SIMATICS7-300是一种通用型的PLC，能适合自动化工程中的各种应用场合，其模块化、无风扇结构，易于实现分布式的配置以及易于掌握等特性，使得S7-300在实施各种控制任务时，成为一种即经济又切合实际的解决方案。

它的主要特点有:

（1）速度快：

极其快速的指令处理大大缩短循环周期。

（2）存储器容量大。

（3）功能强：

极强的计算性能；强劲的内部集成功能；全面的故障诊断功能；用户程序的多级口令保护；采用不同性能级别的CPU，适用于任意一应用场合。

（4）良好的扩展性能：

一个系统除一个主机架外，根据需要最多可扩展至3个扩展机架，最多可安装32个模块，每个机架可以插入8个模块；主机架与扩展机架之间通过接口模块连接：

每个机架可以远距离独立安装，两个机架间最长距离可达10米；（5）极强的网络通讯能力：

可以通过通讯处理器连接AS-I接口、Profibus和工业以太网总线系统和点到点的通讯系统，或通过集成在CPU中的多点接口（MPI）连接编程器、PC机、人机界面系统及其它SIMATICS7/M7/C7等自动化控制系统，S7-300可以支持过程通讯和数据通讯两种通讯形式。

（6）采用无槽位限制的模块化结构，便利的连接系统，易于安装维护。

SIMATICS7-300组成的自动化控制系统由如下模块构成：

●中央处理单元（CPU）

各种CPU有各种不同的性能，例如，有的CPU上集成有输入/输出点，有的CPU上集成有Profibus-DP通讯口。

●信号模块（SM）

数字量和模拟量输入/输出，用于使不同级的过程信号电平和S7-300的内

部信号电平相匹配。

●通讯处理器（CP）

用于连接网络和点对点的连接，降低CPU的处理任务，使CPU能够更快的

处理其它重要事务。

●功能模块（FM）

用于时间要求苛刻、存储器容量要求较大的过程信号处理任务，例如高速计数、定位操作和闭环控制。

●负载电源模块（PS）

将民用交流电（120/230VAC）转换为24V直流，用于向S7-300和直流24V负载电路提供负载电源。

●接口模块（IM）

用于多机架配置时连接主机架（CR）和扩一展机架（ER）。

●带STEP7软件包的编程器或个人计算机

用于S7-300组态、初始化、编程和测试。

3.5系统中变频器控制的设计

数据采集只是完成了输入的功能，在一个控制系统中有输入也要有输出，只有输出了才能完成所要达到的目标。

要来完成控制目标，就要用到执行器。

一般的执行器有阀门、电机、变频器。

一般来说PLC的模拟量输出不直接控制电机，而是通过电压的输出来给变频器输入。

通过不同的电压变化来使得变频器的不同频率输出，控制电机的不同转速。

在含煤废水处理控制系统中使用施耐德公司的ATV31和ATV38变频器，整个项目中共用到了5台变频器控制4个计量泵和2个提升泵，其中ATV31有4台和ATV38有1台。

ATV31主要用于加药系统中，1号混凝计量泵，2号混凝计量泵，1助凝计量泵，2助凝计量泵各用1台。

而清水提升系统部分，只用了1台ATV38控制1号清水提升泵，2号清水提升泵。

ATV31的控制端子的技术参数如表3.1所示。

【8】

表3.1ATV31控制端子的技术参数

端子

功能

电气特性

R1A

R1B

R1C

可编程继电器R1的公共点C/O触点（R1C）

·最小开关能力：

5V直流为10mA

·阻性负载的最大开关能力（cosφ=1，L/R=0ms）:

对于250V交流和30V直流为5A

·感性负载的最大开关能力（cosφ=0.4，L/R=