基于PLC的生活污水处理的控制系统设计(1)报告.doc

江苏财经职业技术学院综合毕业实践说明书（论文）标题：基于PLC的生活污水处理的控制系统设计系 别： 机械电子与信息工程学院 专 业： 电气自动化 学 号： 姓 名： 指导教师：   年 月 日摘 要传统的污水处理厂泵的启停控制以手动控制为主，依靠的是操作工人的能力和经验，这种方式导致水的处理质量不稳定，劳动效率低，系统信息分散。PLC从其生产到现在，实现了接线逻辑到储存逻辑的飞跃；其功能从弱到强，实现了逻辑控制到数字控制的进步。本文主要是基于PLC技术，达到控制生活污水处理泵的启停控制，进而达到提高水处理质量，降低水处理成本的目的。关键词：生活污水处理；PLC；泵启停目 录摘 要1目 录21 引言32. 生活污水处理系统及可编程控制器的介绍32.1 生活污水处理概述32.1.1 污水组成32.1.2 污水出路42.2 生活污水处理系统的工艺流程42.3.1 PLC 的基本结构62.3.2 西门子 S7 系列可编程控制器介绍73. 控制系统设计93.1 控制要求103.2 程序设计113.2.1 程序流程图113.2.2程序部分功能说明12结束语13致 谢14参考文献15基于PLC控制的生活污水处理泵的启停控制设计1 引言污水是造成环境污染的重要因素之一，也是社会可持续发展必须解决的问题之一。随着工农业的发展和人口的增加，自然环境普遍性地恶化，水污染问题己经引起了各个国家的广泛关注，成为了人类共同的研究课题。 污水处理是一项紧迫性的任务，它可以避免环境恶化和更大的经济与资源损失。它既是防止水资源污染的重要手段，又可开发新的水源，有着事半功倍的效果，而且污水处理的持续发展是保证水资源长期不受污染和水资源持续再生的重要保证。因此，发展污水处理产业具有重要的社会意义。传统的污水处理厂泵的启停控制以手动控制为主，依靠的是操作工人的能力和经验，这种方式导致水的处理质量不稳定，劳动效率低，系统信息分散。PLC从其生产到现在，实现了接线逻辑到储存逻辑的飞跃；其功能从弱到强，实现了逻辑控制到数字控制的进步。基于PLC技术，达到控制生活污水处理泵的启停控制，进而达到提高水处理质量，降低水处理成本是未来重要的发展趋势。本文主要是基于PLC技术，达到控制生活污水处理泵的启停控制，进而达到提高水处理质量，降低水处理成本的目的。2. 生活污水处理系统及可编程控制器的介绍2.1 生活污水处理概述在人们的生产和生活活动中，每天都在使用和接触着水。在这一过程中，水受到人类活动的影响，其物理、化学性质发生变化，就变成了污染过的水，简称为污水。2.1.1 污水组成 (1)生活污水：它是人们在日常生活中使用过的，并被生活废料所污染过的水，包括厨房和卫生间用水。成分：含有泥沙、油脂、皂液、果核、纸屑、食物屑、病菌、粪尿和杂物等，其中无机物占 40%，有机物占 60%，与工业废水相比，污染物浓度较低。(2)工业废水：来自工厂车间和厂矿，是指在工矿企业生产活动中使用过的水。包括：生产污水：指在生产过程中形成，并已被废料（生产原料、半成品或成品等）污染过的水，需进行净化处理。 生产废水：它也是在生产过程中形成，但并未直接参与生产工艺，未被废料污染的水，因此不需净化处理。 与生活污水相比，工业废水污染物浓度高，毒性大。不同企业，工业废水的污染物浓度、种类不同，因此不能通过一种通用技术和工艺来治理，往往要求在排出工厂前，处理到符合排放标准才能排放。所以在工厂内需建污水处理站。 (3)被污染的雨水：主要指初期雨水，指雨水流经地表时受到的污染，也需净化处理。这三种污水在城市里最后都要汇集在一起，进行处理，我们称为城市污水。 本课题要研究的是其中生活污水处理系统。2.1.2 污水出路 污水经净化处理后，最终出路有： (1)排放水体：是污水的自然归宿。从河里取用的水，回到河里是很自然的，作为水体的补给水。但污水排入水体应以不破坏该水体的原有功能为前提。在具体操作时，应以排放标准来控制。这是最常用的一种污水出路，同时也是造成水体污染的原因之一。 (2)灌溉田地：但必须符合灌溉的有关规定。如化肥厂水含、高，在厂内处理后，达到一定标准可进行灌溉。 (3)重复使用（回用）：城市生活用水如冲洗厕所等和市政用水如城市绿地灌溉、洒浇道路、消防用水、建筑用水和城市景观用水等。 2.2 生活污水处理系统的工艺流程污水处理整个过程主要分别有格栅间、隔油沉淀池、调节池、事故池、A/O 池、鼓风机房、二次沉淀池、混凝反应池、混凝沉淀池、综合工房、综合泵房这几个环节组成，其工艺流程图1所示。图2.1 污水处理工艺流程图（1）格栅间包括格栅机、自吸泵、轴流风机、手动葫芦、超声波液位计、电磁流量计。格栅机用于滤出污水中较大的废弃物，例如木棒、大塑料袋等。自吸泵和超声波液位计一起来监视调节格栅间的液位情况。电磁流量计用于上位显示自吸泵总管出水口流量。（2）隔油沉淀池包括转子泵、电磁流量计（上位显示隔油沉淀池旁入口污水流量），主要作用在于滤除污水中的油污。 （3）调节池、事故池包括加药混合反应装置、气浮装置、调节池自吸泵、事故池自吸泵、2 个超声波液位计、电磁流量计、温度计。加药混合反应装置又包括 FeSO4搅拌机、FeSO4计量泵、Na2CO3搅拌机、Na2CO3计量泵、K2HPO4搅拌机、K2HPO4计量泵、PAC 搅拌机、PAC 计量泵。其主要作用是向水里加入适量的药剂从而改善水质。气浮装置包括气浮机、搅拌机、刮渣机、螺旋输送机，用于进一步去除水底部的固体垃圾。两台泵和液位计则控制池中水位的高低，电磁流量计反应自吸泵出水口的出水量。 （4）A/O 池包括潜水搅拌机、平浆式搅拌机、混合液回流泵、超声波液位计、电磁流量计 3 个、水表、PH 温度计 2 个、ORP 测定仪 2 个、溶氧仪 2 个。该池子用于加药后污水和药剂的化学反应。搅拌机使反应更加充分，液位计和电磁流量计用于监控池中液位和泵出水口流量情况。 （5）鼓风机房的罗茨鼓风机给气浮机提供气压，从而使气浮泵吹起池底的杂物进行滤除。 （6）二次沉淀池用于沉淀污水中的细小颗粒，并用刮吸泥机清除池底的沉积物。 （7）混凝反应池包括混合池搅拌机和反应池搅拌机，加药污水化学反应后在混凝沉淀池中沉淀出反应物，并通过刮吸泥机清除反应物。 （8）综合工房包括立式回用水泵、立式回流污泥泵、剩余污泥泵、化学污泥泵、移动式污泥泵、超声波液位计 3 个和电磁流量计。 （9）综合泵房包括 PAM 搅拌机、PAM 计量泵、M180A 搅拌机、M180A 计量泵、换气扇、输泥螺杆泵、空压机、反冲洗泵、带压机、无轴螺旋输送机。化验设备和电磁流量计。 2.3 可编程控制器的介绍在生活污水处理系统中，由于运行大部分是单向运行，采用开关量和模拟量控制，而可编程控制器（PLC），针对不同的现场信号，如交流或直流、开关量或模拟量、电压或电流等，有相应的 I/O 模块与现场设备，如按钮、行程开关、传感器和控制阀等直接连接。2.3.1 PLC 的基本结构 可编程序控制器是专为工业现场而设计的，其基本结构与典型的计算机结构相同，主要由电源、中央处理器单元（CPU）模块、I/O 模块、编程器等部分组成。 1）CPU 模块的功能 CPU 模块是 PLC 的核心，由中央处理器单元（CPU）和存储器组成，2） CPU 模块中的存储器 存储器用来存储数据和程序，可分为随机存取存储器（RAM）和只读存储器（ROM）。RAM 是易失性存储器，电源掉电后，其中存储的信息将丢失，工作时，用户可以写入，也可以读出其中的数据。ROM 是非易失性存储器，它的电源掉电后，其中存储的信息仍将保留，但其内容只能读出，不能写入，因此称为只读存储器。 PLC 的程序可分为系统程序和用户程序，系统程序相当于 PC 中的操作系统，包括监视程序、管理程序、命令解释程序、功能子程序、系统诊断程序等。用户程序即由用户设计，使 PLC 完成用户特定的要求的程序。相应地，PLC 中的存储器分为系统程序存储器和用户程序存储器。 3） I/O 模块 I/O 模块是外部设备与 CPU 连接的桥梁，I/O 模块通常可以实现电平转换、输出驱动、A/D 转换、D/A 转换、串/并行转换、数据传递等功能。 （1） 输入模块 其内部通常设有 RC滤波电路和光耦合器。RC 滤波电路可以滤掉外部干扰脉冲防抖动，光耦合器可以防止强电干扰，起到隔离作用。 图2.3 输入接口电路典型结构图（2） 输出模块 将主机输出的信号转换成驱动外部设备工作的信号。输出接口电路也采用电气隔离技术。图2.4 输出接口电路典型结构图4） 电源 PLC 一般使用 220V 的交流电源或 24V 的直流电源。内部的开关电源为 PLC 各模块提供 5V 及 24V 的直流电源。 5） 编程器 PLC 的编程器有两种：一种是手持编程器，它由键盘、显示器和工作方式选择开关等部分组成，主要用于调试简单程序、现场修改参数及监视 PLC 自身的工作情况；另一种是利用上位计算机中的专业编程软件，它主要用于编写较大型的程序，并能灵活地修改、下载安装程序及在线调试和监控程序，它的应用较前者更为广泛。2.3.2 西门子 S7 系列可编程控制器介绍 S7-300 是模块化小型 PLC 系统，能满足中等性能要求的应用。其模块化结构设计使得各种单独的模块之间可进行广泛组合以用于扩展。1）系统组成 中央处理单元(CPU)：各种 CPU 有不同的性能，例如，有的 CPU 上集成有 PROFIBUSDP 通讯接口等。 信号模块(SM)：用于数字量和模拟量输入输出。 通讯处理器(CP)：用于连接网络和点对点连接。 功能模块(FM)：用于高速计数，定位操作(开环或闭环定位)和闭环控制。 负载电源模块(PS)：用于将 SIMATICS7300 连接到 120230V 交流电源，或 244860110V 直流电源。 接口模块(1M)：用于多机架配置时连接主机架(CR)和扩展机架(ER)。S7300 通过分布式的主机架(CR)和 3 个扩展机架(ER)，可以操作多达 32 个模块。运行时无需风扇。 SIMATICS7300 适用于通用领域：高电磁兼容性和强抗振动，冲击性，使其具有最高的工业环境适应性。 2）功能 SIMATICS7300 的大量功能能够支持和帮助用户进行编程、启动和维护，其主要功能如下： （1）高速的指令处理：0106us 的指令处理时间在中等到较低的性能要求范围内开辟了全新的应用领域。 （2）浮点数运算：用此功能可以有效地实现更为复杂的算术运算。 （3）方便用户的参数赋值：一个带标准用户接口的软件工具给所有模块进行参数赋值。 （4）人机界面(HMI)：方便的人机界面服务已经集成在 S7300 操作系统内、因此人机对话的编程要求大大减少。SIMATIC 人机界面(HMI)从 S7300 中取得数据，S7-300 按用户指定的刷新速度传送这些数据。S7-300 操作系统自动地处理数据的传送。 (5)诊断功能：CPU 的智能化的诊断系统连续监控系统的功能是否正常、记录错误和特殊系统事件(例如：超时、模块更换等)。 (6)口令保护：多级口令保护可以使用户高度、有效地保护其技术机密，防止未经允许的复制和修改，操作方式选择开关：操作方式选择开关像钥匙一样可以拔出，当钥匙拔出时，就不能改变操作方式。这样就防止非法删除或改写用户程序。 3） 通讯 这是一个经济而有效的解决方案；方便用户的 STEP7 的用户界面提供了通讯组态功能，这使得组态非常容易、简单。 SIMATICS7300 具有多种不同的通讯接口：多种通讯处理器用来连接 ASI 接口和工业以太网总线系统；串行通讯处理器用来连接点到点的通讯系统；多点接口(MPl)集成在 CPU 中，用于同时连接编程器、PC 机、人机界面系统及其他 SIMATICS7/M7C7 等自动化控制系统。CPU 支持下列通讯类型： 过程通讯：通过总线(ASI 或 Pronbus)对 IO 模块周期寻址(过程映象交换)。数据通讯：在自动控制系统之间、人机界面(HMl)和几个自动化功能块间相互调用。 3. 控制系统设计生活污水处理泵启停控制系统设计框图如下图3.1 生活污水处理泵启停控制系统设计框图由 PLC 与工业控制计算机来实现污水处理控制系统的自动控制。PLC 具有很高的稳定性与可靠性且抗干扰能力较强，很适合现场控制，但没有一个很好的人机交互界面；而采用工业控制计算机控制具有很高的灵活性和方便性，但是抗干扰能力较差。这里结合 PLC 控制和工控机控制的优点，采用了 PLCIPC 的控制方法，将 PLC 和 IPC控制有机的结合在一起。该系统采用上、下位机的主从式结构，各部分功能如下： 主控 PLC 作为下位机连接污水处理设备，通过 PLC1 站和 PLC2 站来完成现场数据的实时采集和分站控制、状态判别、本地报警控制。 上位机采用工业控制计算机，以组态软件为核心设计实时监控界面，实现状态显示、系统设置、模式选择、参数设置、故障记录、负荷记录、时间日期、实时数据显示与报表统计等功能，操作界面直观。另外它与打印机、UPS 等其它输入输出设备相连。 在工控机与PLC的集成控制系统中，如何实现工控机与PLC的数据交换非常重要。一般有两种方法：利用串口通信或通过 I/O 卡实现。考虑到数据的实时性和可靠性，本系统采用的是串口通信方式。通信接口均为 PLC 与工业控制计算机的 RS232 接口。3.1 控制要求 按照污水处理工艺流程，该系统每个环节的控制要求如下。 1格栅间 自吸泵。集水池为低液位时停泵，正常液位一台泵工作，高液位报警（蜂鸣器报警加上位显示报警信息）并启动另一条泵。两台泵互为备用，每天轮换一次。如果其中一台泵故障（蜂鸣器报警加上位显示报警信息），则备用的泵自动顶替故障泵运行，此后无论到达中液位或高液位均是备用泵运行，直到故障泵修复。手动/自动转换，上位机可以点动并显示运行状态。 2隔油沉淀池 转子泵。现场设启停按钮。 3调节池、事故池 （1）调节池自吸泵。两台泵一用一备，中液位启动一台泵，低液位停泵，高液位报警（蜂鸣器报警加上位显示报警信息），但仍启动一台泵。每天轮换一次（禁止同时运行两台泵）。如果其中一台泵故障（蜂鸣器报警加上位显示报警信息），则备用的泵自动顶替故障泵运行，此后无论到达中液位或高液位均是备用泵运行，直到故障泵修复。手动/自动转换，上位机可以点动并显示运行状态。 （2）事故池自吸泵。手动控制，低液位保护，只监不控。设备如果出现故障则蜂鸣器报警加上位显示报警信息。 4综合工房 （1）立式回用水泵。低液位停泵，正常液位一台泵工作，高液位报警（蜂鸣器报警加上位显示报警信息），但仍启一台泵。两台泵互为备用，每天轮换一次。如果其中一台泵故障，则备用的泵自动顶替故障泵运行，此后无论到达中液位或高液位均是备用泵运行，直到故障泵修复。手动/自动转换，上位机可以点动并显示运行状态。（2）立式回流污泥泵。两台泵一用一备，中液位启一台泵，低液位停泵，高液位报警（蜂鸣器报警加上位显示报警信息），但仍启一台泵。每天轮换一次。如果其中一台泵故障，则备用的泵自动顶替故障泵运行，此后无论到达中液位或高液位均是备用泵运行，直到故障泵修复。手动/自动转换，上位机可以点动并显示运行状态。 （3）剩余污泥泵。现场及控制柜可手动控制泵的启停，但必须满足低液位停泵。中控室显示运行状态，只监不控。如果出现设备故障，则蜂鸣器报警加上位显示报警信息。 （4）化学污泥泵。现场及控制柜可手动控制泵的启停，但必须满足低液位停泵。中控室显示运行状态，只监不控。如果出现设备故障，则蜂鸣器报警加上位显示报警信息。 （5）移动式污水泵。现场及控制柜可手动控制泵的启停，但必须满足低液位停泵。中控室显示运行状态。 5综合泵房 输泥螺杆泵。设备旁及脱水机旁的控制柜可手动控制泵的启停，中控室显示运行状态。只监不控，如果出现设备故障，则蜂鸣器报警加上位显示报警信息。 3.2 程序设计3.2.1 程序流程图前面已经介绍了整个污水处理的控制要求，并按照工艺过程对其进行了整理。为了使编写的程序很好的达到预期的控制目标，首先按控制要求画出了系统的流程图。整个系统的总流程如图3.2所示，分流程则具体说明了各个泵运行时 PLC 需要实现的各项功能。图3.2 生活污水处理系统泵启停总图3.2.2程序部分功能说明根据前面已经画出的主流程图和各个部分的分流程图，我们将程序分块和各输入输出点的功能列表如下。表3.1 程序分块功能列表程序块功能说明0B1主程序FC1格栅间自吸泵运行程序FC2调节池自吸泵运行程序FC3立式回水泵运行程序FC4立式回水泵运行程序FC5报警程序表3.2 各输入输出点的功能列表计数器功能说明备注C0格栅间自吸泵A实际运行时间C0每1小时计数器加1，到24后复位清零C1格栅间自吸泵B实际运行时间C1每1小时计数器加1，到24后复位清零C2调节池自吸泵A运行时间计数器C2每1小时计数器加1，到24后复位清零C3调节池自吸泵B运行时间计数器C3每1小时计数器加1，到24后复位清零C4立式回水泵A运行时间计数器C4每1小时计数器加1，到24后复位清零C5立式回水泵B运行时间计数器C5每1小时计数器加1，到24后复位清零C6立式回流泥泵A运行时间计算器C6每1小时计数器加1，到24后复位清零C7立式回流泥泵B运行时间计算器C7每1小时计数器加1，到24后复位清零C100记录格栅间自吸泵A、B启动次数C101记录调节池自吸泵A、B启动次数C102记录立式回用水泵A、B启动次数C103记录立式回流泥泵A、B启动次数结束语本文对 PLC 控制的生活污水处理控制系统进行了设计。以 PLC 为主控制器实现了生活污水处理过程的自动化操作；同时，采用WinCC软件设计实时监控系统，融过程控制设计、现场操作以及资源管理于一体，实现最优化管理。通过严格的测试，基本达到了预期要求。 总之，由PLC与工业控制计算机组成生活污水处理实时监控系统操作简单、易于维护，有着很好的应用前景。致 谢在这里，我特别要感谢我最尊敬的导师 张蓉蓉 老师，一路的成长都离不开我导师的指导和关心，我不想说一些大话空话来赞扬他如何敬业和爱护学生，我只知道，我身边认识导师的同学，没有一个人不认为我导师不是一个让人值得尊敬的人。我想，若干年后，当我再回忆起我的研究生学习生活时，我第一个想起的一定会是我的导师，因为他的言传身教、他的爱岗敬业，他端正的为人。 另外，我还要感谢我父母，家人，是你们在我彷徨、消沉的时候给我鼓励和安慰，谢谢你们无私的奉献和对我的宽容和爱护。 我还要感谢和我同窗三年的同学，感谢一路走来有你们陪伴，那些欢声笑语，那些伤心流泪，都在我的记忆里刻下了重重的痕迹。 祝福你们，我最亲爱的老师、家人、同学、朋友，也祝福自己，拥有灿烂美好的未来！ 参考文献1 孙晓宇.污水处理中智能控制的应用研究D.长春理工大学，2010.2 柳春平.城市污水处理自动控制系统的研究D.西安建筑科技大学，2009.3 张文亮.污水处理厂自动控制系统设计D.湖南大学，2007.4 商敏儿，杜树新，吴铁军.活性污泥法污水处理过程自动控制的研究现状J. 环镜污染治理技术与设备，2008,3(1)：1821.5 吉顺平，孙承志，路明,等.西门子PLC与工业网络技术M.北京：机械工业出版社，2008.6 廖常初，等.S7-300/400PLc应用技术M.北京:机械工业出版社，2005.7 王曙光，等.S7-300/400PLc入门与开发实例M.北京:人民邮电出版社，2009.8 柴瑞娟，陈海霞. PLC编程技术及工程应用M.北京:机械工业出版社，2006.9 西门子公司.SIMATIC S7200可编程序控制器系统手册，2009.10 胡学林.可编程控制器教程M.北京：电子工业出版社，2005.11 季建功.基于Wincc污水处理集散控制系统的设计D.北京工业大学，2008.14