基于PLC的污水处理控制系统设计毕业论文.doc

基于PLC的污水处理控制系统设计摘 要近年来,污水处理厂已成为各个城市最重要的基础设施之一。尤其是中小城市,新建或扩建污水处理厂已成为当地政府改善人民生活水平的头等大事。随着自动化技术、计算机技术的不断发展、完善,污水处理厂的自动化水平也相应提高。而PLC控制器以其技术成熟、通用性好、可靠性高、安装灵活、扩展方便、性能价格比高等一系列优点，在工业控制中得到了越来越广泛的应用。本文介绍了工厂污水处理的基本工艺和流程，并通过研究设计一套基于PLC控制的污水处理方法SBR法。SBR(Sequencing Batch Reactor Activated Sludge Process)是现在广泛应用的先进污水处理方法，此系统主要是采用SBR法对污水进行生物处理，按“进水，反应（曝气），沉淀，排水”步骤周期性进行生化反应。同时介绍了基于PLC污水处理控制系统的工艺及相关流程，控制系统硬件结构及设计、工作原理以及设计PLC控制系统的基本原则和步骤，来说明PLC在污水处理过程中的应用。关键词：污水处理；PLC；工艺流程 Sewage Treatment control system design based on the PLCAbstractIn recent years,the sewage treatment plant has become one of the most important infrastructure in the cityEspecially small and medium-sized city,new or expanded sewage treatment plant has been a priority for local government to improve peoples living standards With the development of automation technology,the development of computer technology,imporve the automation level of the sewage treatment plant is also a corresponding increase and with its mature technology of PLC controller,good versatility,high reliability,flexible installation,convenient extension,the ratio of performance to price a series of advantanges,has been more and more widely used in the industrial control.This paper introduces the basic process of sewage treatment plant and process,and through research and design a set of sewage treatment method-PLC control based on SBR method SBR (Sequencing Batch Reactor Activated Sludge Process) is a kind of advanced sewage treatment method which is used widely now, this system mainly uses SBR to carry on the biological treatment to the sewage, according to “enter water, respond(aeration), precipitation, draining water” the whole period carries on the biochemistry response at the same time introduced the process control system based on PLC sewage and related processes,the basic principles and steps of control system hardware structure and design,working principle and the design of PLC control system,to illustrate the application of PLC in wastewater treatment process.Key words: Sewage disposal,PLC,process flow目录1 绪 论11.1工业污水处理的国内外现状21.2课题的背景21.3研究目的和意义31.4课题主要设计的内容32 工业污水处理控制系统总体介绍42.1工业污水处理基本概念42.2 常用的工业污水处理工艺42.3本设计系统工业污水处理工艺及描述62.4工业污水处理系统控制形式82.5 工业污水处理系统的功能要求83设备控制要求103.1 系统构成103.2设备控制原理103.3上位监控管理机103.4 模拟显示屏113.5 自动控制检测装置113.6电气控制系统114污水处理控制PLC的选型和资源配置124.2 可编程控制器的定义及特点124.3可编程序控制器(PLC)的选择154.4 S7-300 系列主要组成模块155污水处理控制系统PLC程序设计和调试185.1程序的构成185.2污水处理项目PLC软件编制185.2.1硬件组态185.2.2 软件编制185.3部分程序及其对应的I/O表215.4程序的下载，安装和调试26致 谢28参考文献29附录 程序30 1 绪 论水与人的生活息息相关，特别在现代社会生活及生产中人们对水的需求量与日俱增。然而，水资源是有限的。据报道我国人均拥有淡水量为2400吨，为世界平均值的1/4，在全球149个国家（参与统计国家中），我国人均淡水资源位居110位，属于淡水资源贫乏的国家。而且我国水资源时空分布极不均衡，全国500多个城市缺水，其中多个严重缺水，北方地区缺水现象尤其严重，人均拥有淡水量仅有240吨。目前全国600多座城市中，有300多家缺水，其中严重缺水的有108个，缺水量约为1000万吨/天左右1。令人担忧的是淡水总量日益减少，用水成本不断升高，淡水的浪费非常严重。我国北方地区水资源的超采，己形成漏斗地势、水位下降、湖泊干涸、河水断流、生态恶化。淡水资源的短缺己经成为我国急需解决的问题。我国淡水资源不断减少，而且污染现象较为严重。随着社会的发展，水资源已经成为影响工业发展的重要因素，现代工业中生产工艺和设备对水质要求越来越高。但是我国工业用水耗费高，重复利用水少，中水使用率不高，有关资料显示，我国的工业用水重复利用率平均为40%50%。目前全国城市污废水的处理率（达排放标准的）仅有10%左右，其余的污废水都直接排入河川、湖泊、海洋。耗水量高、重复利用率低、污染严重是我国工业系统水资源利用的突出问题。严重的环境污染使有限的水资源日益减少、水质日益恶化，无疑是“雪上加霜”。据统计，由于水质污染，我国已有大约3亿人的饮水发生不安全现象，其中1.9亿人的饮水是超标水。气象学家预测，2100年全球变暖加剧，地表将有1/3的面积变为沙漠，那时，干旱将威胁全球一半的大陆人类的生存。这些现象都是水污染产生的严重后果，因此工业污水处理项目的实施已经刻不容缓。众多迹象表面，水资源的短缺无疑将成为制约经济持续协调发展的瓶颈，因此世界各国越来越重视水处理和水的再利用，通过各种技术进一步提高供水质量，提高经济效益。并且工业污水处理过程中，经过厌氧和好氧处理，污水中的热量、沼气等再生能源可以为工业生产提供二次能源，真正实现变废为宝、循环经济的目的。随着环境保护的呼声越来越高，工业污水处理已经体现出其必要性和紧迫性，对于各种污水进行处理后排放成为各企业基本的要求。在工厂的工业污水处理过程中，污水来源的不稳定以及工厂中各种污水的成分的复杂性，对工业污水处理的工艺和控制方式提出了非常高的要求。1.1工业污水处理的国内外现状我国工业污水处理技术从“七五”国家科技攻关开始逐步进行研究。“七五”和“八五”攻关项目在氧化塘、土地处理和复合生态系统等自然处理技术方面的研究较多，以这些成果为设计依据，建立了一些氧化塘、土地处理等污水示范工程。在人工处理技术方面，“八五”对高负荷活性污泥、高负荷生物膜、一体化氧化沟技术进行了深入研究。研究成果己被应用于大批工业污水处理厂。污水厂污泥处置问题在“九五”科技攻关中受到重视，并配套开发成套的污泥处理。经过“七五”、“八五”和“九五”期间的努力，我国在工业污水处理技术方面取得了较大的成就。目前在水污染治理技术上，我国已能提供下列工艺技术传统活性污泥法技术、各种新型活性污泥工艺如：SBR法和氧化沟技术等、酸化水解好氧技术和多种类型的稳定塘技术等，这些污水治理技术已经在水体污染、改善水体环境方面发挥了突出的作用，标志着我国工业污水处理事业发展到了一个崭新的阶段。现阶段，我国工业污水处理的工作重点已经从工艺技术的研究转移到具体项目的实施。国际上，大规模的水污染治理是在第二次世界大战后，随着50年代经济的蓬勃发展带来的60年代日益严重性的环境污染而展开的。工业污水处理设施中，城市排水管线和工业污水处理厂的兴建和运行在水污染控制中发挥着骨干作用。至70年代末，美国投入了数千亿美元兴建了18000余座城市工业污水处理厂，英国、法国、德国更耗费了巨额资金兴建了7000至8000座城市工业污水处理厂。这些工业污水处理厂的投入对国家的水体污染改善起了关键的作用，也为人类治理水污染积累了丰富的经验。现在，这些国家的工业污水处理水平又有了进一步提高，兴建了一批具有脱氮除磷功效的设施，对水体质量改善和水环境保护起了重大的作用。1.2课题的背景未来10年，中国工业污水处理项目工程建设投资将超过2500亿元，其中工业污水处理设备投入约300亿元。采用先进、实用的技术改造传统工艺，在环保工程中广泛采用先进的自动控制技术，是推动环保产业升级，实现环保发展战略的重要环节。在这种形势下工业污水处理自动化控制系统无疑是一个具有巨大的社会效益、环境效益及经济效益的研究课题。对于环境保护问题，国务院明确规定所有工业污染源都必须达到排放标。其中处理过的污水还可以循环再利用，由于我国是一个水资源匮乏的国家，而且时空分布上极不均匀，许多地区和城市严重缺水。所以水资源也是一种保护。因此，从环保、注水等多方面的因素考虑，对于工业污水处理非常有必要。因此，有效的结合目前最新的工艺状况、计量自控检测仪表使用、PLC 控制系统技术，将为当前工业污水处理控制系统提供有效的自控方法。1.3研究目的和意义世界任何国家的经济发展，都会推进社会进步、促进工农业生产能力，使人民生活得到进一步改善，但是也随之带来不同程度的环境污染，污水也是造成环境污染的来源之一。这个污染源的出现引起了世界各国政府的关注，治理水污染环境的课题被列入世界环保组织的工作日程。我国是一个严重缺水的国家，虽然我国年平均水资源总最为28000 亿m2，居世界第6 位，人均水资源量为2220m2，居世界第110 位，已经被联合国列为世界上13个缺水国家之一。目前我国约300个城市缺水，其中严重缺水城市有5O个。据中国经济信息网分析统计，全国按目前正常需要，年缺水总里约为300 亿400 亿立方米，因缺水造成的经济损失每年达2300 亿。超过洪涝灾害。水资沟的匮乏和水资源的污染，己经严重的影响了人民的日常生活，严重的影响了我国的经济建设和发展。因此建设符合我国国情的污水厂自动控制系统对降低工业污水处理成本、改善环境、建立可持续发展社会和和谐社会、保持我国经济高速发展具有重要意义。1.4课题主要设计的内容本系统采用西门子S7-300型PLC作为中心控制单元，通过主程序，远程I/O程序，和模拟量输入程序的结合，除去水中的杂物，从而使污水得到净化，达到污水处理的目的。本系统由“进水，反应（曝气），沉淀，排水”步骤周期性进行生化反应。其中包括的设备有两台粗格栅除污机和两台细格栅除污机，1# 和2#两台水泵，潜水搅拌器和回流污泥泵，滗水器，1# 和2#两台鼓风机。通过进水，反应，沉淀，排水四个步骤使上清液（上面的清液）排除池外，污泥排至储泥池，从而达到污水分离的目的。 系统在中央控制室设有一台上位监控器，一个模拟显示屏。在值班室设有一个PLC控制箱，负责对所控设备状态监控及有关模拟量的采集工作。监控管理机与PLC通过通信电缆（屏蔽双绞线）连接。2 工业污水处理控制系统总体介绍2.1工业污水处理基本概念城市污水、生活污水、生产污水或经过工业企业局部处理后的生产污水，往往都排入排水系统。这些污水除含有碳水化合物、蛋白质、氨基酸、动植物脂肪、尿素、氨、肥皂和合成洗涤剂等物质外，还含有细菌、病毒等使人致病的微生物。经处理后的污水，最后出路有三种：排放水体；灌溉田地；重复使用。污水污染物可根据化学性质和物理形态进行不同的分类。按化学性质，污水中的污染物质可分为无机性物质和有机性物质，其化学元素以炭、氮、磷为主。按物理形态，污水中的污染物质可分为固体悬浮物即呈颗粒状的污染物质、胶体污染物质和溶解性污染物质。好氧有机污染物的性质稳定，在微生物的作用下，借助微生物的新陈代谢功能而降解为无机物，如二氧化碳、水、硝酸根离子等稳定的无机物。有机物的种类很多，其共性是在微生物的作用下被降解时，都要消耗水中的溶解氧，所以在工程实际中，采用以下的几个综合污染指标来表述：生物化学需氧量或生化需氧量（Bio-chemical Oxygen Demand, BOD）mg/L、化学需氧量(Chemical Oxygen Demand, COD) mg/L、总有机碳(Total Organic Carbon) mg/L、总需氧量(Total Oxygen Demand) mg/L。虽然BOD20能较精确地描述污水的生化需氧量，但其测定的时间太长，需20天。考虑到好氧分解速率一般在开始的几天最快，在20温度下，污水五日生化需氧量(BOD5)，约占BOD20的70%80%，因此把BOD5作为衡量污染水的有机物浓度指标。化学需氧量(COD)的特点是能够精确的表示污水中有机物的含量，并且测定时间短，但它不能像BOD那样表示出微生物氧化的有机物量。2.2 常用的工业污水处理工艺不同的工业污水处理对象，不同的工业污水处理环境，将需要有不同的工业污水处理工艺来处理。因此，在选择工业污水处理工艺的时候必需要认真考虑当地污水的情况，以及实际的工业污水处理的环境。工业污水处理的方法主要有物理、化学、物理化学，以及生物等几种。这些方法根据实际情况，可以单一使用，也可以针对不同的污水混合使用。目前，工业污水处理的方法一般以生物处理法为主，辅以物理处理法和化学处理法。常用的工业污水处理工艺有以下几种。（1）传统活性污泥法。传统活性污泥处理法是一种最古老的工业污水处理工艺，其工业污水处理的关键组成部分为沼气池与沉淀池，主要处理部分关系框图如图2.1所示。曝气池（微生物吸附有机物氧化为无机物）沉淀池（活性泥下沉）回流活性泥原污水清水排出图2.1传统活性污泥法工艺流程图污水中的有机物在曝气池停留的过程中，曝气池中的微生物吸附污水中的大部分有机物，并且在曝气池中被氧化成无机物，然后在沉淀池中经过沉淀后的部分活性泥需要回流到曝气池中。该工艺的优点有：有机物去除率高，污泥负荷高，池的容积小，耗电省，运行成本低。该工艺的缺点有：普通曝气池占地多，建设投资大，满足国家标准相关指标范围小、易产生污泥膨胀现象，磷和氮的去除率低。（2）A/O法。A/O法是在传统活性污泥法的基础上发展起来的一种工业污水处理工艺，其中A代表Anoxic（缺氧的），O代表Oxic（好氧的）。A/O法是一种缺氧-好氧生物工业污水处理工艺。该工艺通过增加好氧池与缺氧池所形成的硝化-反硝化反应系统，很好的处理了污水中的氮含量，具有明显的脱氮效果。但是此硝化-反硝化反应系统需要得到很好的控制，这样就对该工艺提出了更高的管理要求，这也成为了该工艺的一大缺点。其工艺流程图2.2所示。图2.2 A/O法工艺流程图（3）A2/O法。A2/O法也是在传统活性污泥法的基础上发展起来的一种工业污水处理工艺，其中A2，即A-A，前一个A代表Anaerobic（厌氧的），后一个A代表Anoxic（缺氧的）；O代表（好氧的）。A2/O是一种厌氧缺氧好氧工业污水处理工艺。A2O法的除磷脱氮效果非常好，非常适合用于对除磷脱氮有要求的工业污水处理。因此，在对除磷脱氮有特别要求的城市工业污水处理厂，一般首选A2/O工艺。其工艺流程图如图2.3所示。图2.3 A2/O法工艺流程图（4）A/B法。A/B法是吸附生物降解法的简称，该工艺没有初沉淀，将曝气池分为高低负荷两段，并分别有独立的沉淀和污泥回流系统。高负荷段停留时间约为2040min，以生物絮凝吸附作用为主，同时发生不完全氧化反应，去除BOD达50%以上。B段与常规活性污泥法相识，负荷较低。AB法中A段效率很高，并有较强的缓冲能力。B段起到出水把关作用，处理稳定性较好。对于高浓度的工业污水处理，AB法具有很好的适用性，并有较高的节能效益。尤其在采用污泥消化和沼气利用工艺时，优势最为明显。但是，AB法污泥产量较大，A段污泥有机物含量极高，因此必须添加污泥后续稳定化处理，这样就将增加一定的投资和费用。另外，由于A段去除了较多的BOD，造成了碳源不足，难以实现脱氮工艺的要求。对于污水浓度低 的场合，B段也比较困难，也难以发挥优势。总体而言，AB法工艺较适合于污水浓度高，具有污泥消化等后续处理设施的大中规模的城市工业污水处理厂，且有明显的节能效果，而对于有脱氮要求的城市工业污水处理厂，一般不宜采用。2.3本设计系统工业污水处理工艺及描述：污水本设计污水处理工艺流程如图2.4所示。集水池水泵SBR池SBR池鼓风机储泥池处理后的污水肥料图2.4 工艺流程图 污水处理采用SBR污水生物处理工艺，是按“进水、反应（曝气等）、沉淀、排水”步骤周期性进行生化反应。从污水流入开始到排水结束算做一个周期4。进水进水阀们打开，污水连续不断地进入集水池，污水通过粗格栅过滤，经过水泵，然后细格栅过滤到达SBR池。反应 进水到一定液位后，停止进水，空气阀门打开，鼓风机启动，开始曝气，同时潜水搅拌器和回流污泥泵运行。 沉淀 当SBR池停止曝气以后，空气阀门关闭，潜水搅拌器和回流污泥泵停止运行，开始重力沉淀和泥水分离。 SBR 的沉淀是在理想静沉条件下进行的，没有进出水流的干扰，可以避免短流和异重流的出现，是一种理想的静态沉淀，因此固液分离效果好，容易获得澄清的出水。剩余污泥含水率低，浓缩污泥含固率可达到2.5%3%，这为后续污泥的处置提供了良好的条件。 排水SBR池水位达到最高水位，并经过沉淀工艺以后，上清液（上面的清液）由滗水器缓慢排出池外。当池水位达到处理周期开始时的最低水位时，停止滗水。剩余污泥泵在滗水器停止运行后开始运行，排泥至储泥池。2.4工业污水处理系统控制形式早期的控制系统多采用继电器接触器控制系统，但随着电子技术的飞速发展，控制要求的不断提高，该类控制方法已不能满足现代工业污水处理系统的控制要求，因此已逐渐被淘汰，取而代之的是DCS、现场总线控制、PLC等控制方。（1）DCS系统。DCS是集散控制系统的简称，又称为分布式计算机控制系统，是由计算机技术、信号处理技术、测量控制技术、通信网络技术等相互渗透形成的。由计算机和现场终端组成，通过网络将现场控制站、检测站和操作站、控制站等连接起来，完成分散控制和集中操作、管理的功能，主要是用于各类生产过程，可提高生产自动化水平和管理水平，其主要特点如下：采用分级分布式控制，减少了系统的信息传输量，使系统应用程序比较简单。实现了真正的分散控制，使系统的危险性分散，可靠性提高。扩展能力较强。软硬件资源丰富，可适应各种要求。实时性好，响应快。（2）现场总线控制系统。现场总线控制系统是由DCS和PLC发展而来的，是基于现场总线的自动控制系统。该系统按照公开、规范的通信协议在智能设备之间，以及智能设备与计算机之间进行数据传输和交换，从而实现控制与管理一体化的自动控制系统，其优点：可以用计算机丰富的软件、硬件资源。响应快，实时性好。通信协议公开，不同产品可互连。（3）PLC系统。PLC是可编程逻辑控制器的简称，用它作为处理系统的控制器，实现控制系统的功能要求，也可利用计算机作为其上位机，通过网络连接PLC，对生产过程进行实时监控，其特点如下：编程方便，开发周期短，维护容易。通用性强，使用方便。控制功能强。模块化结构，扩展能力强。本系统采用西门子S7-300型PLC作为中心控制单元，通过主程序，远程I/O程序，和模拟量输入程序的结合，除去水中的杂物，从而使污水得到净化，达到污水处理的目的。2.5 工业污水处理系统的功能要求工业污水处理系统的主要功能是完成对城市污水的净化的作用，将城市中排除的污水通过该系统处理后，输出符合国家标准的水质。长期以来，工业污水处理技术虽然经过了迅速发展，但仍滞后于城市发展的需要，工业污水处理率低、设备运转率低等极大地影响了城市发展。为实现工业污水处理技术的简易、高效、低能耗的功能， 并且实现自动化的控制过程，采用PLC作为核心控制器是个较好的方案。3 PLC作为工业污水处理系统的控制系统使得设计过程变得更加简单，可实现的功能变得更多。与各类人机界面的通信可完成PLC控制系统的监视，同时使用户可通过操作界面功能控制PLC系统。由于PLC的CPU强大的网络通信能力，使得工业污水处理系统的数据传输与通信变得可能，并且也可实现其远程监控。 SBR 作为一种新型的废水处理技术，在运行方式和反应过程上有别于传统的活性污泥法，它集进水、厌氧、好氧、沉淀于一池，可以灵活地变换运行方式以适应不同类型废水的处理要求。SBR 工艺采用间歇运行方式2,污水间歇进入处理系统，间歇排出，一般来说，它的一个运行周期包括5 个阶段。第1 阶段，进水期(Fill)污水在该时段内连续进入处理池，直到达到最高运行液位，并且借助于池底泵的搅动，使废水和池中活性污泥充分混合。此时活性污泥中菌胶团(由细菌、藻类、原生动物、后生动物等组成) 将对废水中的有机物产生吸附作用。第2 阶段，反应期(React)，进水达到设定的液位后,开始曝气，采用推流曝气或完全混合曝气方式，使废水中的有机物与池中的微生物充分吸收氧气，水中的溶解氧(DO) 达到最大值。第3 阶段，静置期(Settle)，既不曝气也不搅拌，反应池处于静沉状态，进行高效的泥水分离，随着水中的溶解氧不断降低，厌氧反应也在进行。第4 阶段，排水期(Decant)，上清液由滗水器排出。第5 阶段，闲置期(Idle)，活性污泥中微生物充分休息恢复活性，为了保证污泥的活性防止出现污泥老化现象，还须定期排出剩余污泥，为新鲜污泥提供足够的空间生长繁殖。2.5.1 SBR工艺污水处理适用性 实践证明SBR法是一种处理高浓度有机污水及工业污水行之有效且能耗低的生物处理工艺。它具有工艺系统组成简单，一池多用，无须设污泥回流设备，建设费用与运行费用都较低等特点。在运行时，对冲击负荷适应能力强，一般不产生污泥膨胀现象管理较简单；并且具有运行方式灵活多变，通过对运行方式的调节，在曝气池内能进行脱氮和除磷反应，处理水质优于传统活性污泥法。在实际工作中，当处理规模大时，需多套SBR池并联运行，使控制系统及维护管理趋于复杂，故SBR法特别适合于一般中、小型规模，有机浓度较高、可生化性好的工业废水处理，具有较大的推广应用价值53设备控制要求3.1 系统构成 系统在中央控制室设有一台上位监控器，一个模拟显示屏。在值班室设有一个PLC控制箱，负责对所控设备状态监控及有关模拟量的采集工作。监控管理机与PLC通过通信电缆（屏蔽双绞线）连接。3.2设备控制原理1）两台粗格栅除污机，由时间间隔来控制其开或者停。一般开10min，停30min。2）两台水泵，由浮球控制。当集水池处于低水位时，关闭所有泵；当水位较高时，开一台水泵；当水位高时开两台水泵；当水位很高时发出警报。3）两台细格栅除污机由时间间隔来控制其开或者停。一般开10min，停30min。4）当有一台细格栅除污机工作时，皮带运输机滞后10s开机。5）SBR池内进水阀门依次开启，当1#池水位升到一定液位后关闭阀门，然后开2#进水阀门，2#水位升到一定液位后关阀门，然后开3#阀门，以此类推。6）进水阀门关闭后，空气阀门开启，潜水搅拌器和回流污泥泵同时开启，曝气1h后关闭空气阀门，潜水搅拌器和回流污泥泵也随之关闭。7）空气阀门关闭30min后，滗水器开始运行。当SBR池液位达到一定液位后停止运行。8）剩余污泥泵在滗水器停止运行后开始运行，排泥至污泥池。储水池液位达到高液位或30min后停止运行。9）当开启1个空气阀门时，开启一台鼓风机，开启2个或3个空气阀门时，开两台鼓风机。3.3上位监控管理机 PLC将采集SBR池内液位，总水量，空气流量，DO（控制参数确定曝气机的开启时间）仪等参数作为控制用外，还通过通信电缆将参数传给上位机监控管理机，通过上位监控管理机可实时监测有关参数变化，并保留一段时间数据，形成变化曲线。同时可以实时监测所控设备工作状态，具有设备故障报警，参数打印等功能。3.4 模拟显示屏 可以直观的了解格栅除污机，水泵，空气阀门，滗水器，剩余污泥泵，脱水机等主要设备的工作状态。3.5 自动控制检测装置自动控制检测装置利用自动检测仪表（输出均为模拟信号）对电能、进水流量、PH值、溶解氧、氧化还原、回流污泥流量、剩余污泥流量、及水位、水温等数值的检测。该系统的基本控制思想是：功能和危险分散，监督和管理集中。3.6电气控制系统电气控制系统主要包括操作面板、显示面板、电气控制柜等单元。由于在该系统中需要检测较多的数字输入量,根据设定的程序进行数据处理后，输出控制信号，因此系统的控制逻辑与时序就需要严格照检测信号的输入进行控制。时序图如图3.1所示。图3.1工程的时序图4污水处理控制PLC的选型和资源配置4.1监控系统图打印机上位监控机主控PLC模拟显示屏远程I/O水 泵鼓风机液位计DO仪图4.1污水处理监控系统图4.2 可编程控制器的定义及特点可编程控制器最初用于逻辑控制，称作可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller）简称PLC。随着计算机技术的发展及微处理器的应用，可编程控制器的功能不断扩展和完善，早已远远超出逻辑控制、顺序控制的范围，具备了模拟量控制、过程控制以及远程通信等强大功能。由于可编程控制器在不断发展，对它下一个确切定义比较困难。目前公认的是1980年美国电气制造商协会NEMA对它下的定义：可编程控制器是一种数字式的电子装置。它使用可编程序的存储器来存储指令，并实现逻辑运算，顺序运算、计数、计时和算术运算等功能，用来对各种机械或生产过程进行控制。将其正式命名为可编程控制器（Programmable Controller），简称PC。但为了与个人计算机（Personal Computer）的专称PC相区别，常常把可编程控制器仍简称为PLC6。可编程控制器是建立在计算机技术和常规继电器技术基础上的新型工业控制装置。它的组成与微机系统基本相同，但具有比一般计算机更强的与工业过程相连的接口，具有更适用于控制要求的编程语言。它采用的不同于计算机中断运行方式的扫描技术，在输入输出信号的顺序处理方式上与继电器控制系统相似，而可编程控制器软件的优势是继电器无法比拟的。可编程控制器硬件系统是由PLC主机、功能I/O单元和外部设备组成，其中PLC主机由CPU存储器、基本I/O模块I/O、扩展接口、外设接口和电源组成。功能I/O单元是可编程控制器系统为扩展I/O点数和增加功能而设置的扩展部件，与PLC主机的I/O扩展接口相连。可编程控制器的外部通用设备主要有编程器、计算机、打印机等。可编程控制器的软件系统分为系统程序和用户程序两大部分。系统程序包括管理程序、用户指令解释程序和供系统调用的标准程序模块等。用户程序是用户根据实际控制要求，使用可编程控制器生产厂家提供的专门编程语言而自行编制的应用程序。可编程控制器在不断地发展，对它的定义也不是一成不变的。国际电工委员会IEC 1987年对可编程控制器定义如下：“可编程控制器是专为在工业环境下应用而设计的一种数字运算操作的电子装置,是带有存储器、可以编制程序的控制器。它能够存储和执行指令，进行逻辑运算、顺序控制、定时计数和算术运算等操作，并通过数字式和模拟式的输入输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程控制器及其有关的外围设备，都应按易与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则设计。”事实上，可编程控制器是一种以微处理器为基础，带有指令存储器和输入输出接口，综合了微电子技术、计算机技术、自动控制技术、通信技术的新一代工业控制装置。7可编程控制器专为在工业环境下应用及满足用户需要而设计，因此具有以下的显著特点：1）可靠性高设备的高可靠性指的是平均无故障工作时间（MTBF）长和故障平均修复时间（MTTR）短。可编程控制器在恶劣工作环境中应用的高可靠性，由以下设计得到保证：硬件接线元件少，且采用精选、冗余、集成化、模块化等措施，使元件寿命长、故障少、故障易于查找；采用多层次的抗干扰措施，如对CPU模块的电磁屏蔽，在电源电路和I/O模块中设置滤波电路和在输入输出电路中采用信号光电耦合，使PLC可与强电设备在同一环境下可靠工作；因编程简单、操作方便而使失误减少；设置了掉电保护、监控、报警、故障检测等电路和程序，能够及时发现和排除故障。采取以上措施后，一般可编程控制器的抗干扰能力可达1000V 1s的窄脉冲的冲击，平均无故障工作时间可高达510万小时。可见PLC具有极高的可靠性，这也是PLC得到用户认可的首要因素。2）柔性好设备的柔性是指其在使用过程中的适应性和灵活性。可编程控制器的柔性表现为：由于采用程序控制方式，所以在因产品改型而改变工艺流程或更换生产设备时，只需通过程序的编制和更改即可适应生产要求，而不必改变控制装置。这一柔性特点使PLC成为柔性制造系统FMS中必不可少的控制装备。模块式结构具有扩展的灵活性，用户可根据实际控制要求选用和组合模块，方便地进行系统设计、修改和安装。3）功能强大可编程控制器不但具有开关量控制、模拟量控制、数据通信、中断控制等完善的功能，还能根据需要实现容量和功能的扩展，形成各种专门的智能控制功能。这是PLC得到各行各业广泛应用的重要原因。4）使用方便可编程控制器的使用方便表现在以下两方面：编程方便。PLC提供了多种面向用户的编程语言：梯形图、指令语句表、功能图等，其中梯形图语言的表达方式与继电器控制系统的电气线路图类似，极易被工厂电气技术人员接受和掌握。这样，即使不懂计算机原理和语言的用户，也能使用PLC。操作方便。对PLC的操作是指程序的输入和程序的更改，通常采用手持式编程器和个人计算机进行。编程器直接或由电缆插入PLC的相应插座，程序由键盘输入并有液晶显示，可工作在编程、运行和监控的不同状态下，用于现场调试和在线修改是非常方便的。通过PLC厂商提供的编程软件及通信接口，用户还可以使用个人计算机对PLC编程，并对系统进行仿真、测试、监视和控制。5）体积小、功耗低集成电路模块使可编程控制器达到小型化或超小型化，使其易于装入机械电子设备内部，这是产品实现机电一体化的关键。PLC的特点：灵活通用、安全可靠、环境适应性好、使用方便、维护简单、价格较高。4.3可编程序控制器(PLC)的选择S7-300是模块化中小型 PLC系统，它能满足中等性能要求的应用。大范围的各种功能模块可以非常好地满足和适应自动控制任务, 模块化，无排风扇结构，易于实现分布，易于用户掌握等特点使得S7-300成为各种从小规模到中等性能要求控制任务的方便又经济的解决方案。多种的性能递增的CPU和丰富的且带有许多方便功能的I/O扩展模块，使用户可以完全根据实际应用选择合适的模块。当任务规模扩大并且愈加复杂时，可随时使用附加模块对PLC进行扩展。S7-300 具有以下显著特点： 针对低性能要求的模块化中小控制系统；多种档次的CPU 可以选择；不同类型的扩展模可以选择，可扩展多达32个模块；模块内集成背板总线；有MPI 多点接口、PROFIBUS、工业以太网丰富的网络连接模式；可以通过编程器PG或是直连PC访问所有的模块；无插槽限制；易于组态和设置参数。4.4 S7-300 系列主要组成模块主要模块有电源、CPU、输入输出块、功能块和总线通讯模块，如图4.2 所示: 图4.2 S7-300主要组成模块1）CPU 中央处理器S7-300总共有8种不同的CPU型号。CPU313、312集成的数字输入、输出的紧凑型CPU，多用于小型设备；314用于中等规模的程序以及中等指令执行速度的程序的系统中；315318用于中型规模的程序和PROFIBUS-DP进行分布式配置的设备。2）IM 接口模块使用IM360、IM361接口模块最多可以扩展3个机架，使一个传统的PLC系统最多处理32个信号模块。IM360 插入到CPU 所在的中央机架CR上；IM361插入到扩展机架ER上。3）开关量输入DI 模块 （1）SM321 16 点输入，24V DC；1330V 为信号1；-305V为信号0； （2）SM321 16 点输入，120V/230V AC；79264V 为信号1；040V为信号0。4）开关量输出DO 模块 （1）SM322 16 点输出，24V DC；信号1 时输出L+-0.8V；每通道的最大输出电流0.5A；阻性负载的最高输出频率100HZ，感性为0.5HZ，带短路电子保护； （2）SM322 8 点输出，继电器接点；信号1 时输出接点闭合；信号0 时输出接点断开；接点容量8A（230V AC）或5A（24V DC）。5） 模拟量输入AI 模块SM331 8 点模拟量输入；用于电阻测量时，为4 点；输入信号类型： （1）电压：+-