基于PLC的城市污水处理控制系统设计_毕业设计.doc

毕毕 业业 设设 计计 设计题目：设计题目：基于 plc 的城市污水处理控制系统设计 系系 别：别： 信息工程系 班班 级：级： 电子信息工程 基于基于 plcplc 的城市污水处理控制系统设计的城市污水处理控制系统设计 摘 要 随着城市现代化建设步伐的加快，城市污水处理控制系统也日益发展和完 善。城市污水处理控制系统是城市现代化建设的重要组成部分，对提高城市形 象，改善人民生活，保护环境具有重要的意义。 本文论述了 plc 控制系统在城市污水处理中的重要应用，详细介绍了 sbr 污水处理法自动控制系统的设计过程。本系统包括梯形图设计和监控组态设计 两个方面，实现了中小型城市的污水处理自动控制和远程监控。系统主要由 plc、液位传感器、进水泵、滗水器、进泥泵及抽泥泵组成，分为手动和自动 两种控制方式，使用梯形图语言完成系统对现场的控制；使用 mcgs 监控组态 软件设计监控界面，不仅可以模拟演示系统工作状况，而且还可以对现场工作 情况进行实时监控，并对系统进行远程控制，完成 sbr 污水处理法的自动运行。 当系统发生状况时，能够及时发现，并停止系统，进行检修，减少污水处理过 程中事故的发生。 关键词：关键词：plc 城市污水处理 mcgs 组态软件 sbr the design of urban sewage treatment controlled system based on plc abstract with the quickening pace of urban modernization, urban sewage treatment control system has increasingly been developed and improved. the urban sewage treatment control system is a very important part of the urban modernization. it has the vital significance to improve the image of cities ,to improve peoples life and to protect the environment. the paper discusses the important application of the plc control system in the urban sewage treatment system. and the process of the design named sbr sewage treatment automatic control system is introduced in detail in the paper. the system which consists of the design of ladder diagram and the design of configuration, has realized the automatic control and the remote monitoring of the small and medium cities. the system mainly includes the plc、the liquid level sensor、the water pump、the water decanter、the pump into the mud and the mud pump. the system has two control mode including the manual and the automatic ones to control the field on the ladder language. the system design the monitoring interface by the mcgs configuration, which can not only simulate the working condition of the demo system, but also monitor the working condition at a real-time. besides, the interface can control the system remotely and finish the automatic operation of the method named the sbr sewage treatment. problem can be found in time when the system goes wrong, and the system will stop working, then maintenance is needed to reduce the accidents in the process of the sewage treatment. keywords：plc; urban sewage treatment; mcgs configuration software; sbr 目 录 1 绪 论1 1.1 设计背景1 1.2 研究目的和意义1 1.3 污水处理现状2 1.4 主要设计内容3 2 污水处理工艺流程4 2.1 常用的污水处理工艺4 2.2 sbr 法过程阐述7 3 硬件设计8 3.1 plc 的介绍8 3.1.1 plc 的结构 .8 3.1.2 plc 的工作原理 .9 3.1.3 plc i/o 口分配.11 3.2 sbr 法的总体设计12 3.2.1 方案设计.12 3.2.2 硬件电路设计.13 3.3 其他资源配置15 3.3.1 接触器选型.15 3.3.2 液位计选型.15 3.3.3 滗水器选型.15 4 软件设计17 4.1 plc 程序设计分析17 4.1.1 整体设计流程.17 4.1.2 手动设计流程.17 4.1.3 自动设计流程.18 4.2 上位机界面设计24 4.2.1 组态软件的介绍.24 4.2.2 设计要求及效果.25 4.2.3 定义数据对象.26 4.2.4 主界面的设计.26 4.2.5 实时报警.28 4.2.6 设备连接.29 4.2.7 脚本程序介绍.32 5 调试35 5.1 模拟调试35 5.2 硬件功能性调试40 5.3 系统总体调试40 6 结论42 谢辞43 参考文献44 附录一 plc 程序控制梯形图 .45 附录二 mcgs 脚本程序 .55 毕毕 业业 设设 计计 1 1 绪 论 1.1 设计背景 水是人类生活中必不可少的，尤其随着工业的发展无论是生活还是生产中 对水资源的需求量越来越大。但水资源属于不可再生资源，必须加以合理的开 发利用。我国淡水资源总量虽大但人占有量不足，仅为世界平均值的 1/4。在上 次淡水资源调查中，全球 149 个国家参加调查，我国人均淡水资源占有量位居 第 110 位，淡水资源贫乏。而且在全国 500 多个城市中，许多北方城市严重缺 水，加之水资源的空间分布极不缺水现象更为其严重，人均拥有淡水量仅有全 国人均的 1/10。更令人担忧的是淡水的浪费非常严重，随着淡水总量不断减 1 少，用水成本越来越高，如果不加以合理管理，必将形成恶性循环。我国北方 地区已出现众多环境问题，如水位下降、湖泊干涸、河水断流等，水资源的超 采，己形成漏斗地势。如何合理运用淡水资源己经成为我国正在研究的课题。 随着社会的发展，水资源已经成为影响人民生活的重要因素，加之目前我 国城市用水重复利用率小。如何建立合理有效的污水处理系统已成为我国亟待 解决的问题。目前全国城市污水达排放标准的有效率仅有 10%，大部分污水未 经处理就直接排入河流、湖泊和海洋。如何有效快速的对城市污水进行处理， 提高水资源利用率，已经刻不容缓。环境污染的加重，水资源日益减少、水质 日益恶化等一系列问题，都需要我们通过污水处理问题解决。据统计，由于水 资源污染，在我国约 3 亿的饮水不和谐现象中，饮用超标水的占 1.9 亿人。据 有关专家预测，未来 90 年全球气候变暖加剧，到 2100 年，地球表面将有 1/3 的面积沙漠化，干旱将成为全球人类生存的威胁2。为了防止这些现象产生的 严重后果，合理利用水资源，尤其是城市污水处理的自动化完善已经迫在眉睫。 世界各国为了突破由水资源短缺而造成经济发展停滞的障碍，越来越重视水处 理技术，希望通过各种水处理技术提高所供应的生活用水质量、工业用水质量， 从而提高经济效益。并在城市污水处理过程中，经过 sbr 污水处理法处理的污 水，可以直接排放到河道中，真正实现保护环境、合理利用水资源的目的。随 着环境保护者的呼吁，人们的环保意识越来越高，城市污水处理未经处理直接 排放是绝对不能容忍的，因此污水处理自动化系统的开发与利用已经体现出其 必要性和紧迫性。在城市污水处理过程中，污水主要来自城市居民生活污水， 污水成分多样，因此对城市污水处理的工艺和控制方式提出了较高的要求。 1.2 研究目的和意义 随着社会的不断进步，经济的不断发展，人民的生活水平也在不断地提高， 但环境问题却不容乐观。尤其是现在各城市发展飞速，城市污水的随意排放造 毕毕 业业 设设 计计 2 成了很严重的环境污染问题。这个污染源的出现引起了社会各界的广泛关注， 因为这不仅影响了城市形象，更与我们生活息息相关，近年来治理水污染环境 的课题已被列入世界环保组织的工作日程，其重要性可见一斑。虽然我国年平 均水资源总量为 28000 亿 m3，居世界第 4 位，但仍改变不了我国水资源短缺的 现实，因为虽然水资源总量很多，但人均水资源量不足，仅为 2220m3，居世界 第 110 位，是世界上 13 个缺水国家之一。在我国各城市中约有 300 个城市缺水， 其中 50 个城市严重缺水。据中国经济信息网分析统计，一般情况下全国年缺水 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，仅次 于洪涝灾害。水资沟的匮乏和水资源的污染，已经成为制约经济发展、影响人 民生活水平提高的一大阻碍3。因此建设符合我国国情的污水厂自动控制系统 对有效的改善环境、建立可持续发展和谐社会、构建“美丽中国”同时又保持 我国经济又快又好的发展具有重要意义。 1.3 污水处理现状 国外的污水处理厂很早就实现了污水处理自动化，如 dcs/fcs 系统，之所 以会有这样的效果是因为国外控制技术、网络通讯技术以及现场总线技术发展 比较快，并成功将 scada 技术引入到了污水处理工程中，效果非常好。一些 智能、稳定、小巧的控制单元 plc 的开发，更推进了污水处理的自动化控制的 进程，许多价格合理、功能全面的 plc 相继研制出了，如 ab 公司的 slc 系列、 siemens 的 s7 系列、schneider 的 tsx quantum do、化学需氧量 cod 分析仪。 国外污水处理自控系统主要有以下特点：通过高精度的水质分析仪表对处理过 程进行在线监控，根据需要记录下来处理过程中产生的数据和输出报表；生产 过程中根据水质和水源的变化采用智能控制，按需要对污水处理过程进行不同 程度上自动的调整；充分利用电话网络、移动电话网络、国际互联网、气象信 息等社会信息资源，基本实现远程遥控操作，而非人工手动操作，自动化程度 高。 在污水处理自动化控制方面，我国与国外相比起步较晚。70 年代开始采用 热工仪表，在污水处理控制方面基本实现了集中巡检；80 年代，dcs 系统及分 析仪表广泛应用于污水处理控制中；90 年代，众多大型污水处理厂投资建成， 使我国污水处理控制系统的自动化水平，提升很快。目前，我国城市污水处理 控制水平基本可以分为三个模式： 手动模式：操作员对分散仪表采集到的数据（液位、流量、温度、浊度、 ph 值等）进行现场控制，也就是说，在这种工作状态下，系统完全由人工操 作。所以由于人为处理的延迟性与滞后性，难免对系统的准确性造成影响，不 但出水质量难以保证，而且人工操作繁琐，容易发生错误，造成设备和装置不 毕毕 业业 设设 计计 3 能完全利用。但是这种控制方式也有自己的有点，比如投资少、易实现，所以 主要在一些小型城市污水处理厂应用。 半自动控制模式：顾名思义，半自动模式只通过上位机界面按钮远程遥控 部分设备的启停，有一部分设备还是需要现场工作人员进行手动处理的。在此 种模式下传感器将数据传到控制室，通过上位机界面显示的流体的液位、流量、 ph 值等，根据显示的信息下达操作指令，自动完成一些对实时性要求不高的操 作，二需要实时记录参数的操作，需要人工手动完成。可见此种模式下，过多 的加入了人为操作，处理流程不能自动连贯进行，加之人为操作误差或时间上 的滞后，所以此种模式出水品质并不稳定，但其以资金投入量小，一直深受国 内中、小型污水处理厂的青睐。 全自动控制模式：通过电脑技术与多层次的网络控制系统的协调配合，从 而实现污水处理的自动控制。在生产过程中下位机采集的数据送到上位机，数 据通过相应运算处理，通信网送入下位机的 plc 控制单元，实现通过上位机 界面远程实时控制现场设备的要求。上位机的工控计算机采用标准的通信协议， 以太网为媒介实现信息的集成管理，上位机与下位机之间通过网络传送采集到 的数据和远程控制操作指令。基于此种模式灵活便捷，反应迅速，可靠性高， 是目前污水处理控制系统发展的趋势4。 1.4 主要设计内容 本设计面向中、小型城市污水处理厂，采用 plc 作为控制系统实现污水处 理自动/手动控制，完成对现场设备的过程监控功能，并利用组态软件设计监控 界面，完成现场设备状态监视、数据记录、工业参数设置、报警显示等功能。 主要任务： 1研究常用的污水处理方法，设计可行性解决方案，并根据方案对过程仪 表进行选型； 2编写 plc 控制程序（顺序梯形图） ，采用手动控制和自动运行两种控制 模式完成对现场设备的过程监控功能； 3采用组态软件设计友好的人机监控界面，完成现场设备状态监视、数据 记录、工业参数设置、报警显示等功能； 4在实验室进行联机测试，完成系统功能。 毕毕 业业 设设 计计 4 2 污水处理工艺流程 2.1 常用的污水处理工艺 污水处理对象不同，环境不同，需要的污水处理工艺不同。因此，在选择 污水处理工艺时必需要认真考虑当地污水的具体情况，根据实际情况应用不同 的污水处理方法。 污水处理工艺主要有物理工艺、化学工艺、物理化学工艺以及生物工艺等 几种。这些方法根据实际情况，可以单一使用，也可以混合使用。目前，城市 污水处理方法中以活性污泥处理法为主，以物理处理法和化学处理法为辅。常 用的污水处理工艺主要有以下几种。 1传统活性污泥法。传统活性污泥处理法是一种古老的工业污水处理工艺， 其核心组成部分为曝气池与沉淀池，其处理流程如图 2-1 所示。 图 2-1 传统活性污泥法工艺流程图 污水中停留在曝气池中，污水中的大部分有机物被曝气池中的微生物吸附， 并且在曝气池中被氧化成无机物，然后在经过沉淀池沉淀，清水排除，沉淀后 的一部分活性泥回流到曝气池中。该工艺的优点有：去除有机物效率高，沉淀 池的容积小，耗电省，成本低。但该工艺也有缺点，如普通曝气池占地多，资 金投入大，满足国家标准相关指标范围较小，污泥膨胀现象严重，磷、氮去除 率比较低。 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 毕毕 业业 设设 计计 5 2 a/o 法。a/o 法是传统活性污泥法的升级版，其中 a 表示 anoxic（缺 氧的），o 表示 oxic（好氧的）。a/o 法作为一种缺氧/好氧生物污水处理工艺， 其反应机理是通过增加好氧池与缺氧池所形成的硝化/反硝化反应系统，脱氮效 果很明显。但此硝化/反硝化反应系统需要得到较好的控制，因此该工艺管理要 求较高，也成为此工艺的一大缺点。其工艺流程如图 2-2 所示： 图 2-2 a/o 法工艺流程图 3a/a/o 法。a/a/o 法也是基于传统活性污泥法发展起来的一种污水处理 工艺，a/a，前一个 a 表示 anaerobic（厌氧的），后一个表示 anoxic（缺氧的） ，o 代表（好氧的）。a/a/o 是一种厌氧缺氧好氧污水处理工艺。a/a/o 法对除磷脱氮有一定效果，尤为适合对除磷脱氮有要求的污水处理厂应用。因 此，在对除磷脱氮有要求的中/小型污水处理厂，一般首选 a/a/o 工艺。其工艺 流程图如图 2-3 所示。 图 2-3 a/a/o 法工艺流程图 混合液回流 剩余污泥 格 栅 沉 砂 池 初 沉 池 厌 氧 池 好 氧 池 二 沉 池 回流污泥 清 水 排 出原污水 好氧池 （o） 活性泥回流 厌氧池 （a） 缺氧池 （a） 二沉池 原污水 混合液回流 清水 排除 毕毕 业业 设设 计计 6 4a/b 法。吸附生物降解法简称 a/b 法，该工艺将曝气池分为高、低负荷 两个阶段，并各自拥有独立的污泥回流及沉淀系统，没有初沉池。a 段负荷较 高，停留时间大约为 20 到 40 分钟，主要是生物絮凝吸附发挥作用，与此同时 发生不完全的氧化反应，对 bod 的去除效率大于 50%。b 段负荷较低，与常 规的活性污泥法基本相同。ab 法中 a 段缓冲能力较强，效率高；b 段稳定性 较好，严格控制出水品质。对高浓度的城市污水的处理，ab 法节能效益高， 适应性强。若采用污泥硝化和沼气利用等工艺，优势更加明显。但是，ab 法 也有缺点， a 段污泥中有机物含量高，且处理后污泥量大，因此必须添加污泥 后处理工艺，以稳定污泥量，这样无形中就增加了投资和费用。另外，难此法 以实现脱氮工艺的要求，其原因在于 a 段去除了较多的 bod，碳源不充足。而 且对污水浓度也有要求，若浓度较低，b 段很难发挥优势。 总体而言，ab 法对于浓度高的污水处理比较好，具有污泥硝化等后续处 理设施且对于有脱氮要求不高的大中规模的城市工业污水处理厂。 5sbr 法。歇式活性污泥法简称 sbr 法，是一种按照一定的时间顺序间 歇式操作的活性污泥污水处理技术，也是一种通过曝气来运行的活性污泥污水 处理技术，因此又叫序批式活性污泥处理法。早在 1914 年，这种处理系统就被 采用，但由于当时自动化水平较低，操作困难且工作量大，尤其是后来随着城 市和工业污水处理规模的日趋规模化，这一缺点更加凸显，所以曾经连续式活 性污泥法一度取代了间歇式活性污泥法。近年来，随着计算机和自动控制技术 的飞速发展，sbr 法的以上弊端得到较好的解决。sbr 以其独特的优点，越来 越受到国内外污水处理部门的重视。其滤除污染物的机理与传统的活性污泥法 除操作方式外基本相通。sbr 法与传统的污水处理工艺相比，其主要以时间分 割代替空间分割操作，非稳态生化反应代替稳态生化反应，理想静置沉淀代替 动态沉淀等。单个操作单元间歇进行，但通过多个单元组合调度后整个操作过 程又是连续的，从而实现有序而间歇的运行。sbr 反应池去除有机物的机理与 普通活性污泥法相比，在曝气阶段基本相同，不同之处在于 sbr 反应池集进水、 反应、沉淀、排水、待机五个工序于一身。从废水流入开始到待机时间结束为 一个操作周期，污水处理过程在一个设有鼓风机的 sbr 反应池内进行，不需要 另设沉淀池和污泥回流系统5。 sbr 污水处理工艺主要特点如下： (1) 工艺简单，造价低，运行方式灵活，脱氮除磷效果好； (2) 时间上间歇排水，具有理想的推流式反应器的特性； (3) 耐冲击负荷能力较强，污泥沉降性能好，不易产生污泥膨胀现象； 毕毕 业业 设设 计计 7 本设计是针对中小型城市的污水处理，无论是从工艺效率，还是从经济方 面考虑，sbr 污水处理法都非常适合。所以本设计通过 plc 程序控制 sbr 污 水处理法，对城市污水进行处理。 2.2 sbr 法过程阐述 1进水 进水阀门打开，进水泵运作，原污水通过粗/细格栅滤除块状污染物，经过 抽水泵到达集水池，到达高水位时，进水泵、粗/细格栅、集水池抽水泵停止， sbr 反应池抽水泵运作，将集水池中的污水注入两个 sbr 反应池。 2反应 反应工序是 sbr 工艺最重要的一道工序。当污水注入达到 sbr 反应池预 定水位时，停止进水，高水位指示灯亮，空气阀门打开，鼓风机启动，开始曝 气，在此同时污泥泵往 sbr 反应池中打入活性污泥，开始反应，如驱除 bod、硝化、磷的吸收以及反硝化等。设定好曝气时间，时间到达鼓风机与污 泥泵停止。 3沉淀 当 sbr 池停止曝气以后，空气阀门与污泥阀门关闭，鼓风机与污泥泵停止。 开始重力沉淀和泥水分离。 4排水 sbr 池静置一段时间后，污泥完全沉淀至 sbr 下层，上层清液由滗水器缓 慢抽出，排入河道。当池水位达到设定的最低水位时，滗水器停止运行。同时， 剩余污泥泵在滗水器停止运行后开始运行，排泥至储泥池6。其流程如图 2-4 所示： 粗/细 格栅 机 集 水 池 sbr 池 鼓 风 机 进 泥 泵 原污水清水排入河道 图 2-4 sbr 法流程图 毕毕 业业 设设 计计 8 3 硬件设计 3.1 plc 的介绍 3.1.1 plc 的结构 plc 的硬件结构基本上与微型计算机基本相同，是一种专用于工业控制的 计算机。根据硬件结构的不同，plc 可分为整体式和模块式。 1整体式 plc 整体式又称单元式或箱体式结构的 plc，其主要由中央处理器（cpu） 、存 储器、输入/输出（i/o）单元、电源和通信端口等组成在同一机体内。这种结 构的特点是结构简单、体积小、价格低、输入/输出点数固定、实现的功能和控 制规模固定，但灵活性较低。基本结构框图如图 3-1 所示。 存储器 输入/输出 单元 中央处理 器 （cpu） 编程器 系 统 总 线 电源 图 3-1 整体式 plc 结构 2模块式 plc 模块式（又称组合式）结构的 plc，其中央处理器（cpu） 、存储器、输入 /输出（i/o）单元、电源电路和通信端口等均做成模块，各模块间通信通过机 架上的总线互相联系，应用时根据控制要求将这些模块插在机架上。其中 plc 的 cpu 和存储器设计在一个模块上，有时把电源也放在这一模块上，该模块在 总线上的安装位置一般是固定的。模块式的 plc 安装完成后，需进行登记，以 便 plc 对安装在总线上的各模块进行地址确认。模块式的特点是系统构成的灵 活性高。可以构成不同控制规模和功能的 plc，但同时价格也比较高。基本结 构如图 3-2 所示。 毕毕 业业 设设 计计 9 基 架 电 源 模 块 cpu 模 块 通信 模 块 输入 模 块 输 出 模 块 特 殊 功 能 模 块 现场设备 其 它 设 备编程器 图 3-2 结构式模块 3.1.2 plc 的工作原理 plc 与继电器构成的控制装置的工作方式不同，继电器控制器采用并行运 行方式，即线圈的触点动作与该点通断电同步。而 plc 则采用循环扫描技术， 每次只能执行一条指令，只有当程序扫描到该线圈，并且该线圈通电时，该线 圈触点才会动作，所以 plc 的工作方式是“串行”方式，这种工作方式可以避 免继电器控制的触点出现竞争或时序失配等问题。也就是说，继电器控制装置 根据输入和逻辑控制结构就可以得到输出，而 plc 控制器不行，需要输入、执 行程序指令、输出 3 个阶段才能完成整个控制过程7。 1循环扫描技术 循环扫描技术可以分为输入阶段（将外部输入信号的状态传送到 plc） 、执 行程序阶段和输出阶段（将输出信号传送到外部设备）3 个阶段。 （1）输入阶段 进入此阶段，plc 先进行自我诊断，然后与编程器或计算机通信，同时中 央处理器扫描各个输入端并读取输入信号状态，采集数据，并将其存入相应的 输入存储单元。 （2）执行程序阶段 进入此阶段，plc 由上而下按次序一步一步执行程序指令。从相应的输入 存储单元读入输入信号的状态和采集到的数据，然后根据程序内部设定的继电 器、定时器、计数器等数据寄存器的状态和数据进行逻辑运算，得到运算结果， 存入相应的输出存储器单元。执行完成后，进入输出阶段。在这个程序执行中， 输入信号的状态和数据保持不变。 （3）输出阶段 进入此阶段，plc 将相应的输出存储单元的运算结果传送到对应的输出模 毕毕 业业 设设 计计 10 块上，并通过输出模块向外部设备传送输出信号和指令，控制外部设备动作， 既而实现通过 plc 程序控制外部设备。 2plc 的 i/o 响应时间 i/o 响应时间是指从某一输入信号变化开始到系统相关输出端信号的改变结 束，这段时间就是 i/o 反应时间。因为 plc 采用循环扫描工作方式，所以收到 输入信号的时刻不同，输出端信号改变时刻也不对应相同，响应时间的长短也 就不同。下面就介绍最短响应时间和最长响应时间。 最短响应时间：上一个扫描周期刚结束就收到输入信号，也就是说收到输 入信号与下一个扫描周期同时开始，这时响应时间最短。考虑到输入电路和输 出电路的延时，所以最短响应时间应大于一个扫描周期。 最长响应时间：在一个扫描刚完成输入读取后才接到输入信号，这样这个 输入信号在该扫描周期将不会发生变化，要等到下个扫描周期才能得到响应， 这时的响应时间最长8。 毕毕 业业 设设 计计 11 表3-1 i/o口分配 3.1.3 plc i/o 口分配 在此控制系统中，共用到14个输入和22个输出。其具体的输入输出如表3- 1。 端口地址元件说明 自动开关i0.0sb0 集水池高水位信号i0.1sb1 sbr1 池高水位信号i0.2sb2 sbr1 池低水位信号i0.3sb3 sbr2 池高水位信号i0.4sb4 sbr2 池低水位信号i0.5sb5 sbr 池手动进水开关i0.6sb6 集水池低水位信号i0.7sb7 紧急停车i1.0sb8 启动鼓风机i1.1sb9 启动进泥泵i1.2sb10 手动/自动开关i1.3sb11 启动滗水器i1.4sb12 启动排泥泵i1.5sb13 关闭排泥泵i1.6sb14 手动开关i2.0sb15 进水泵q0.0q0 粗/细格栅机q0.1q1 排污传送带q0.2q2 集水池进水泵q0.3q3 sbr 池进水泵q0.4q4 sbr1 池进水阀q0.5q5 sbr2 池进水阀q0.6q6 滗水器q0.7q7 sbr1 池鼓风机q1.0q10 sbr2 池鼓风机q1.1q11 sbr2 池出水阀q1.2q12 sbr1 池出水阀q1.3q13 进泥泵q1.4q14 毕毕 业业 设设 计计 12 表 3-1 续 i/o 口分配 端口地址元件说明 sbr1 池进泥阀q1.5q15 sbr2 池进泥阀q1.6q16 排泥泵q1.7q17 集水池高水位q2.0q20 集水池低水位q2.1q21 sbr1 高水位q2.2q22 sbr1 低水位q2.3q23 sbr2 高水位q2.4q24 sbr2 低水位q2.5q25 根据系统功能要求，合理分配 plc 各 i/o 口。 3.2 sbr 法的总体设计 3.2.1 方案设计 1sbr 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。 2粗/细格栅除污池、集水池、sbr 反应池、储泥池等的液位传感器，在 选型时考虑抗干扰性能，选用电极考虑耐腐蚀性。 3粗/细格栅除污机、各个水泵、鼓风机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。 4鼓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 空气阀。 5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。 6plc 选用继电器输出型。自身配有 24v 直流电源，外接负载时考虑其 供电容量9。 毕毕 业业 设设 计计 13 3.2.2 硬件电路设计 1主电路设计 sbr 污水处理电气控制系统主电路如图 3-3 所示。 m 3 fr fu m 3 fr fu m 3 fr fu m 3 fr fu m 3 fr fu m 3 fr fu m 3 fr fu m 3 fr fu m 3 fr fu m 3 fr fu qf 0 0 1 1 1 20 2 23 3 3 4 4 4 7 7 7 10 10 10 11 11 11 14 14 1417 17 17 进水泵 粗/细格栅机排污传送机集水池进水泵sbr池进水泵 滗水器sbr1池鼓风机sbr2池鼓风机 进泥泵排泥泵 图 3-3 sbr 污水处理电气控制系统主电路 主回路中交流接触器 km0、km1、km2、km3、km4、km7、km10、km11、km14、km17分别控制 进水泵 m0、粗/细格栅机 m1、排污传送机 m2、集水池进水泵 m3、sbr 池进水 泵 m4、滗水器 m7、sbr1 鼓风机 m10、sbr2 鼓风机 m11、污泥泵 m14和排泥 泵 m17。 泵体电机分别通过热继电器 fr0、fr1、fr2、fr3、fr4、fr7、fr10、fr11、fr14、fr17实现过载保护。qf 为电源总开关，熔断器 fu0、fu1、fu2、fu3、fu4、fu7、fu10、fu11、fu14、fu17分别实现各负载 回路的短路保护。 2plc 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/输出接口（i/o）数量；确定所 控制参数的精度及类型，如：对开关量的控制、用户程序存储器的存储容量等； 毕毕 业业 设设 计计 14 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 接口功能表。图 3-4 为 sbr 污水处理系统 plc 控制外部接线 图。 图 3-4 sbr 污水处理系统 plc 控制外部接线图 km0 km1 km2 km3 km4 km7 km13 km14 km5 km10 km11 km12 km6 km15 km16 km17 i0.0 i0.2 i0.4 i0.5 i0.6 i0.3 i0.7 i1.0 i0.1 i1.1 i1.2 i1.3 i1.4 i1.5 i1.6 q0.0 q0.1 q0.2 q0.3 q0.4 q0.5 q0.6 q0.7 q1.0 q1.1 q1.2 q1.3 q1.4 q1.5 q1.6 q1.71m 2m m l+ n l1 2l 2l i2.0 3l plc226 自动运行开关 集水池高水位信号 sbr1池高水位信号 sbr1池低水位信号 sbr2池高水位信号 sbr2池低水位信号 sbr手动进水开关 集水池低水位信号 紧急停车 启动鼓风机 启动进泥泵 手动/自动开关 启动滗水器 启动进泥泵 排泥开关 手动运行开关 进水泵 粗/细格栅机 排污传送带 集水池进水泵 sbr进水泵 sbr1进水阀 sbr2进水阀 滗水器 sbr1池鼓风机 sbr2池鼓风机 sbr2出水阀 sbr1出水阀 进泥泵 sbr1进泥阀 sbr2进泥阀 排泥泵 l+q2.0 q2.1 q2.2 q2.3 q2.4 q2.5 m em222 集水池高水位指示灯 集水池低水位指示灯 sbr1池高水位指示灯 sbr1池低水位指示灯 sbr2池高水位指示灯 sbr2池低水位指示灯 ac220v dc24v 毕毕 业业 设设 计计 15 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 10。 3.3 其他资源配置 要完成系统的控制功能除了需要 plc 主机及其扩展模块之外，还需要各种 传感器、接触器和变频器等仪器设备。 3.3.1 接触器选型 在控制系统中，所有设备是根据控制面板上的按钮情况或者根据传感器的 反馈值进行动作的，因此需要 plc 根据当前的工作情况，以及按钮的情况来控 制所有设备的启停，在此用到了大量接触器：如格栅机接触器、鼓风机接触器、 各种泵接触器、电磁阀接触器等。在选择接触器方面，要选选择使用寿命长， 适应性强，通用性强的，从而能够适用于较恶劣的污水处理环境11。 3.3.2 液位计选型 液位计分为两类：一类为接触式液位计，如单法兰静压/双法兰差压液位计， 浮球式液位计，磁性液位计，投入式液位计，电动内浮球液位计等。第二类为 非接触式液位计，主要分为超声波液位计，雷达液位计等。 投入式液位计应用十分广泛，在石油化工、冶金、电力、制药、供排水、 环保等行业中都有应用。再加之其结构精巧，调校简单和安装方式灵活，用户 能够轻松地使用。其有 3 种标准信号输出方式分别为 420ma、 05v、 010ma，用户可根据需要任意选则。图 3-5 所示为一种投入式液位计。 图 3-5 投入式液位计 投入式液位计利用流体静力学原理测量液位，其中间带有通气导管电缆及 专门的密封技术，既保证了传感器的水密性，又使得参考压力腔与环境压力相 通，从而保证了测量的高精度和高稳定性。因此，本设计选用投入式液位传感 毕毕 业业 设设 计计 16 器12。 3.3.3 滗水器选型 sbr 法由于是周期排水，排水时池内水位是变化的，进水时水位由最低升 至最高，出水时水位由最高降至最低，故 sbr 反应池出水管位置必须设在最低 水位以下。间歇式出水要求集中大流量排放，能在较短的时间内完成出水任务， 如果出水管形状与方向不当，会扰动池中污泥层，出水时会带走大量活性污泥。 因而，滗水器是 sbr 工艺排水的最好选择，它只撇出活性污泥沉淀后的上清水， 在水位下降过程中保持水面平稳，不扰动下面的污泥层。 大体上分以下几种滗水器，控制要求不同，可以选择不同的滗水器进行排 水处理。 1固定式滗水器 优点是成本低，运行可靠，缺点是操作繁琐，管路内易吸收表面浮泥和底 部沉泥。 2虹吸式滗水器 优点是成本低，可靠性高，不易故障；缺点是滗水器下端应置于池水要求 最低水位处与排水口齐平，为了泥水彻底分离，其沉淀时间比较长。 3旋转式滗水器 优点是运行可靠、负荷大，适用于大型装置，应用最为广泛。缺点是对机 械、电动装置要求较高。 4套筒式滗水器 多为不锈钢制，造价偏高，且密封件为橡胶制品，寿命有一定限制13。 根据设计要求，本设计主要针对中小型城市污水处理厂，所以在滗水器性 能合适的同时，降低成本很重要。虹吸式滗水器性能可靠，价格便宜，是本设 计的第一选择。 毕毕 业业 设设 计计 17 4 软件设计 4.1 plc 程序设计分析 4.1.1 整体设计流程 根据系统的控制要求，控制过程可以分为手动控制功能和自动运行功能。 在手动控制模式下，每个设备可以单独运行，以测试设备的性能，如图 4-1 所 示。 开始 自动? 自动控制手动控制 结束 n y 图 4-1 plc 整体设计流图 4.1.2 手动设计流程 在手动模式下，可单独调试每个设备的运行，如图 4-2 所示。在此模式下， 可以通过按钮对粗/细格栅机、鼓风机，滗水器，以及各类泵进行控制。 毕毕 业业 设设 计计 18 手动控制 粗/细 格栅 机启 动 鼓风 机启 动 滗水 器启 动 集水 池进 水泵 启 动 sbr 池进 水泵 启 动 进泥 泵启 动 排泥 泵启 动 图 4-2 手动操作模式流程图 4.1.3 自动设计流程 原污水 图 4-3 自动操作模式流程图 粗/细 格 栅 机 集 水 池 sbr 池 滗水器 皮带运输机 鼓 风 机 污 泥 池 清 水 排 出 根据污水处理的工艺流程图编写 plc 程序，在污水进入集水池之前，通过 粗/细格栅及皮带运输机子程序，使污水依次经过粗/细格栅，滤除大块垃圾和漂 浮物；然后污水进入集水池，到达高水位时，停止泵水，高水位指示灯亮，污 水流入 sbr 处理池，当集水池中水位下降到低水位时，停止排水，低水位指示 灯亮 2s，再次泵入污水；当 sbr 池中污水到达高水位时，停止泵入污水，延 时程序启动，鼓风机吹风，一定时间后，鼓风机停止运作，上层清水由滗水器 排出，当水位下降到低水位时低水位指示灯亮并处理污泥。sbr 池及进水、反 应、沉淀、排水一体，由两个 sbr 池构成一组，轮流运转，一池一池地间歇运 行。本设计由两个 sbr 反应池组成。 毕毕 业业 设设 计计 19 1粗/细格栅流程设计 粗/细格栅系统由粗/细格栅除污机各一台，由时间间隔控制其开或者停。为 了调试方便，设置开 10s，关 10s。粗格栅/细格栅除污机在进水泵开始工作 30s 后开启，然后开启 10s，关闭 10s。设计流程图如下： 开始 自动运行？ 粗/细格栅机运 行 运行时间 到达？ 粗/细格栅停止，排污 口打开，传送带运行 运行时间 到达？ 结束 手动模式 y n y n y n 集水池高水位 毕毕 业业 设设 计计 20 图 4-4 粗/细格栅设计流图 根据粗/细格栅设计流图编写梯形图程序如下： 图 4-5 粗/细格栅梯形图 毕毕 业业 设设 计计 21 粗细格栅机(q0.1)运行 10s 停止，排污传送带(q0.2)运行 10s 停止，循环运 行。 2 集水池设计 污水经过粗/细格栅除污机后进入集水池，当集水池处于低水位时，关闭集 水池后面与其相连的所有阀门。集水池中应用 2 个液位传感器，实时监测集水 池中水位的变化，当水位到达高/低水位时，高/低水位指示灯亮。其流程图如下： 毕毕 业业 设设 计计 22 开始 自动运 行？ 手动运行 计时 30s 集水池进水泵启动 集水池是否到达 高液位？ 结束 集水池高水位指示灯亮 2s y n n y 图 4-6 集水池设计流图 根据集水池计流程图编写梯设形图如下： 毕毕 业业 设设 计计 23 图 4-7 集水池梯形图 按下启动开关(i0.0)，30s 后集水池进水泵(q0.3)运作，高水位时指示灯 (q2.0)亮 2s，当集水池水降到低水位时，(i0.6)闭合，集水池进水泵(q0.3)再次 运行泵入污水。 3 sbr 反应池设计 本设计由 2 个 sbr 池，每个池中都有 2 个液位传感器监测池水的水位。 sbr 池内进水阀门同时开启，当 1#sbr 池与 2#sbr 池水位升到一定液位后集 水池阀门，进水泵与粗/细格栅除污机全部停止。 进水阀门关闭后，空气阀门开启，污泥泵同时开启。空气阀门关闭 10s 后， 滗水器开始运行，将池内的上清液排入河道，当 sbr 池液位下降到一定高度后 滗水器停止运行，低水位指示灯亮。 剩余污泥泵在滗水器停止运行后开始运行， 毕毕 业业 设设 计计 24 排泥至储泥池。低水位指示灯灭，sbr 池再次进入污水。 n 开始 集水池高 水位？ sbr 池进水泵运 作 进水泵停止，鼓风 机运作 到达设定时 间？ 鼓风机停止，进行 静置 到达设定时间 滗水器运作 sbr 池低水 位？ 鼓风机停止 集水池低 水位？ sbr 反应池 高水位？ y 结束 y n n y n y n y 自动运行 y 集水池进水 n 图 4-8 sbr 反应池设计流图 根据 sbr 反应池设计流图编写梯形图程序参见附录一 network13- 毕毕 业业 设设 计计 25 network34。 集水池高水位指示灯(q2.0)亮 2s 后，sbr1 池进水阀（q0.5）打开，进水 泵（q0.4）运作，sbr1 池到达高水位时，指示灯（q2.2）亮，鼓风机(q1.0)运 作，进泥阀(q1.5)打开，进泥泵(q1.4)运作，计时 1 分钟开始，计时到达，鼓风 机、进泥泵停止，静置 30s 后滗水器(q0.6)运作，到达低水位，低水位指示灯 (q2.1)亮 2s 后重新进水。sbr1 池到达高水位同时 i0.2 动作，sbr2 池开始进水， sbr2 池到达高水位时，指示灯（q2.4）亮，鼓风机(q1.1)运作，进泥阀(q1.6) 打开，计时 1 分钟开始，计时到达，鼓风机、进泥泵停止，静置 30s 后滗水器 (q0.6)运作，到达低水位，低水位指示灯(q2.5)亮 2s 后重新进水。 4.2 上位机界面设计 4.2.1 组态软件的介绍 组态软件由组态环境和模拟运行环境两个部分组成。组态环境是工程师根 据需要设计自动化工程实施方案必须依赖的工作环境。首先画出控制界面，然 后建立一系列用户数据文件，最终将图形与用户数据对应起来，进行编译运行 就可以在模拟运行环境中看到运行效果。模拟运行环境是将目标应用程序被装 入计算机内存并投入实时运行所依赖的环境。模拟运行环境由图形界面运行程 序、实时数据库运行程序等若干个运行程序组成。mcgs 系统结构图如图 4-9 所示。 图 4-9 mcgs 软件系统结构图 运用 mcgs 6.8 制作所需运行界面的一般过程： 毕毕 业业 设设 计计 26 1启动 mcgs 组态环境，建立新工程。 2进行设备配置。首先定义连接与驱动设备用的数据变量，其目的是实现 上下位机通讯，即通过设备窗口配置数据采集与控制输出设备实现计算机与智 能仪表之间的连接。 3定义数据库。首先在实时数据库窗口建立新的数据库文件，然后按要求 定义不同类型和名称的变量，必须与设备要求的数据库完全一致，最后将设备 与数据对应起来，从而实现画面的连续动作。 4制作图形画面。此过程在用户窗口实现，主要用于完成工程中人机交互 的界面，如：水池水位变化的动态显示、高低水位报警输出、水位历史数据与 曲线图表等。 5建立主控窗口新工程。主控窗口可以调度和管理一个设备窗口和多个用 户窗口的打开或关闭。其主要的组态操作包括：定义工程的名称，设计封面图 形，确定自动启动的窗口，设定动画刷新周期，指定数据存盘文件和存盘时间 等。 6链接。动画链接是将图符与数据库变量建立联系，当数据库变量发生变 动时图符就表现出来。即水位发生变化时，图符会以动画的形式适时显示出来。 7调试。当以上步骤完成以后，先进行组态检查通过后就可以进入运行环 境进行调试14。 4.2.2 设计要求及效果 1界面设计要求 (1) 污水处理远程计算机控制系统。它采用 mcgs 组态软件来控制和管理， 是一套由组态软件构造和生成计算机监控系统，通过对现场数据进行采集显示、 报警处理和报表输出等多种方式，以最直观的方式表现出监控对象状态与参数， 从而实现流程控制，当系统出现问题时，向用户提供解决实际问题的方案。 (2) 要达到预期的监控目标，需要综合考虑系统的整体构成、工艺流程以 及被监控对象的具体特征。 (3) 要拟定工程的总体规划和设想，要考虑许多问题如系统需要实现哪些 功能，控制流程采用何种方式