PLC水处理控制系统 (毕业论文).doc

本科毕业设计（论文）PLC水处理控制系统设计燕 山 大 学2012年 06月本科毕业设计（论文）PLC水处理系统控制学 院： 专 业： 学生 姓名： 学 号： 指导 教师： 答辩 日期： 燕山大学毕业设计（论文）任务书学院： 系级教学单位：电子与通信工程系 学号学生姓名专 业班 级题目题目名称PLC水处理控制系统题目性质1.理工类：工程设计 （ ）；工程技术实验研究型（ ）；理论研究型（ ）；计算机软件型（ ）；综合型（ ）2.文管理类（ ）；3.外语类（ ）；4.艺术类（ ）题目类型1.毕业设计（ ） 2.论文（ ）题目来源科研课题（ ） 生产实际（ ）自选题目（ ） 主要内容1. 学习工厂电气控制知识和可编程序控制器原理及编程；2. 掌握水处理系统控制原理；3. 根据控制系统特点，选配PLC硬件；4. 设计电气控制电路和PLC控制程序。基本要求1.可编程序控制器选用西门子系列2.程序用梯形图和指令混合编写3.仿真实验参考资料1.可编程序控制器原理及应用；2.网上查询国内外相关资料。3.西门子中文网站周 次第14周第58 周第 912周第1316 周第1618周应完成的内容收集消化理解相关内容，确定设计方案，写出文献综述和开题报告设计控制电路图，PLC硬选型设计软件流程框图，设计软件，分布调试修改联调，记录并整理实验数据。总结设计体会，写毕业论文；答辩指导教师： 职称： 年 月 日系级教学单位审批： 年 月 日摘要摘要随着我国经济的高速发展，环境保护已经是一个突出的需要重视的问题。污水处理在环境保护中又是一个最重要的环节。生活污水处理过程是一个复杂的非线性、多变量的控制过程，传统的污水处理厂的控制多采用常规的仪表控制,以手动控制为主,依靠操作工人的知识和经验。这种方式水处理质量不稳定。为了提高水处理质量，降低水处理成本，必须应用先进的自动控制设备和技术，设计全自动控制的污水处理厂。本次设计主要用的是西门子公司生产的S7-300型号PLC,主要完成PLC控制开关通断达到污水净化处理的目的，同时还要对排除后“净水”进行投药处理，达到污水彻底净化的目的。本次设计需要利用画图软件Visio画出污水处理的整体流程图，每个反应池的子流程图。然后利用编程软件Step-7对污水处理的全过程进行编程。最后使用仿真软件S7-PLCSIM对编写的程序进行仿真检测。通过PLC在污水处理控制系统中的应用，可以看出其在工程利用中的应用价值是十分重要的，对于解决环境污染和日益严峻的能源危机具有重大的现实意义。关键词生活污水处理；控制系统；可编程逻辑控制器；I 燕山大学本科生毕业设计（论文）AbstractWith the high speed development of our countrys economy, the environmental protection is already an outstanding problem which needs more attention. The treatment of live wastewater is the most important link in the environmental protection. As the characters of live wastewater treatment process is nonlinear and multivariable, traditional control strategies in wastewater treatment plant have used traditional meters and manual control model. Moreover the whole control process has been dependent on peoples knowledge and experiences, which means unstable waters quality. Fully automatic control wastewater treatment plants are decisive in order to improve the quality of water treatment and reduce the cost of manufacturing. This can only be done by applying advanced automatic control equipment and technology. This design mainly uses S7-300 which is Siemens produces model PLC,mainly completes the PLC control magnetism filter as well as the swith connection or the closure,when dirt current of water after magnetism filter carries on sewage purification processing to give a dose of medicine processing with Canada,achieve the sewage thorough purification the goal. This design requires the use of software Visio to draw the whole process of sewage treatment ，Each of the reaction pool sub-flowsheet 。Then using the programming software Step-7for sewage treatment in the whole process of programming 。Finally, using simulation software S7-PLCSIM to program simulation testing Through PLC in the sewage treatment control system application,may see it in the project use application value is extremely important.has great realistic significance for solving environment pollution and energy crisis.Keywords Sewage treatment; Control system; PLCIII 目 录摘要IAbstractII第1章 绪论11.1 课题背景11.2 国内外生活污水处理情况11.2.1 国外生活污水处理情况11.2.2 国内生活污水处理发展现况21.3 课题研究的目的意义41.4 课题的主要研究内容4第2章 污水处理系统及PLC介绍62.1 污水处理概述62.1.1 污水的组成62.1.2 污水的生物性质及指标62.1.3 污水的出路62.2 可编程逻辑控制器PLC介绍72.3 PLC在电器控制中的应用82.4软件STEP 7简介92.5 本章小结9第3章 控制系统设计113.1 污水处理系统总体工艺流程及框图设计113.1.1 污水处理主要设备介绍113.1.2生活污水处理系统的总体设计框图113.2 控制回路主回路电路123.2.1 正反转控制原理图123.2.2 直接启动控制原理图133.2.3 主回路143.3 污水处理系统的总体流程图153.4 硬件组态153.5 本章小结18第4章 污水处理子模块设计194.1 格栅机控制194.2 沉淀池控制214.3 投药池控制234.4 本章小结25第5章 污水处理系统编程及仿真265.1 SETP-7编译环境265.1.1 梯形图特点265.1.2 Step-7编译环境265.2 部分程序285.3 仿真结果305.4 本章小结33结论34参考文献35致谢37III第1章 绪论 第1章 绪论1.1 课题背景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300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吨淡水资源的短缺己经成为我国急需解决的问题1。我国淡水资源不断减少，而且污染现象较为严重。随着城市规模的不断扩大和人口的增加，水环境污染成了一大难题。城市生活污水是目前江河湖泊水域污染的重要原因，是制约许多城市可持续发展的主要原因之一。目前全国城市废水的处理率(达排放标准的)仅有10%左右，其余90%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、污染严重是我国生活用水系统水资源利用的突出问题。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，因此污水处理项目的实施已经刻不容缓。众多迹象表明，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2。1.2 国内外生活污水处理情况1.2.1 国外生活污水处理情况 国外的一些发达国家，如美国、日本、西欧等国，由于这些国家经济发达，并较早的实现了工业现代化。这些国家经济发展较早而且较快，环境问题特别是水资源污染的严重性也较早的体现出来，同时也得到了这些国家政府的重视，投入了大量的人力、物力进行水处理的研究。这些国家先后投资研究高效型、智能型污水处理设备和自动化控制仪表。一些国家经过几十年的努力，污水处理率已经达到了80%90%，成功的解决了来自城市和工业的点源污染问题。同时一些国家开始重视污水的回用，如以色列的污水会用率达到了90%。用于控制技术、网络通信技术以及现场总线技术的飞速发展，国外的污水厂很早便实现了污水厂的网络控制，如DCS、FCS系统。同时国外较早的将SCADA技术引入到了给水排水工程中，并取得了良好的经济效益与社会效益。国外同时注重水处理中PLC的开发，相继研制出了一些智能、稳定、小巧的控制单元，如AB公司的SLC系列、Siemens的S7系列、Schneider的TSX Quantum系列；同时国外也很重视在线仪表的研制，如德国E+H公司，美国的哈希公司相继研制了溶解氧DO、化学需COD分析仪3。国外污水处理自控系统主要存在以下一个特点：(1)采用集散控制系统DCS和现场总线控制系统FCS。按照厂区的自身情况和工艺段来划分若干个控制站，站与站之间可以平级关系也可以使上下级关系，站与站之间一般独立运行。设立中控室，中控室有操作员站和工程师站，负贲全厂的数据管理与记录、报表等工作。(2)大量采用在线监测的水质分析仪表，对全厂的水质实行实时监测，并由上位机记录下来，提高了测量精度。(3)生产过程中不同程度上采用了智能控制可以根据水质和水源的变化自动的调整相应的控制方式。(4)大量采用遥测、遥控设备；并开始有效地利用社会信息资源，如电话网络、移动电话网络、国际互联网、气象信息等。1.2.2 国内生活污水处理发展现况解放初期由于工农业生产刚刚起步，当时的污水污染程度很低，且提倡利用污水进行农业灌溉，特别是北方缺水地区将污水灌溉利用作为经验进行推广，如著名的沈轨灌渠等，全国仅有几个城市建设了近十座污水处理厂(还包括19211926年间外国人兴建3座污水处理厂)，在处理工艺有的还是一级处理，处理的规模也很小，每天只有几千立方米，最大的也只有每天5万立方米左右，致使污水处理技术和管理水平处于较落后的状态。我国第一座大型城市污水处理厂一一天津市纪庄子污水处理厂于1982年破土动工，1984年4月28日竣工投产运行，处理规模为26月立方米/天。纪庄子污水处理厂投产运行后多年来达到设计出水水质标准，使黑臭的污水变为清流，它的诞生填补了我国大型污水处理厂建设的空白。在此成功经验的带动下，北京、上海、广东、广硒、陕西、山西、河北、江苏、浙江、湖北、湖南等省市根据各自的具体情况分别建设了不同规模的污水处理厂。与国外相比，我国污水处理自动化控制起步较晚，七十年代开始采用热工仪表，实行集中巡检；八十年代应用分析仪表和DCS系统；至九十年代，随着一大批利用国际贷款的大型污水处理厂的建成投产，我国污水处理控制系统的自动化水平有了很大提高。从国外引进污水厂的自动控制系统已广泛采用集散式计算机监控系统，应用了自动化程度较高的检测仪表，各种新工艺、新设备大量出现并得到应用。可以说我国污水处理自动化的现状是：“手动与自动皆各，自制和引用并举”可以看出我国的污水处理厂自控系统有以下特点：(1)对于新建的污水处理厂，引进了计算机分散控制系统，手动与自动并存的控制方式。大部分以前建设的污水厂自动化程度仍然很低，仍采用人工巡检的方式。(2)国产在线仪表的稳定性还没有达到要求，所以大部分采用进口的在线仪表，但是由于进口仪表价格昂贵，所以应用并不是很广泛。水质的检测主要是有实验室人员通过实验来测量。(3)各个控制站之间完全独立，无没有信息的交换。并且各个控制单元由于其内部资源的限制，只是实现了简单的时间控制和逻辑控制。(4)上位机监控软件很少使用，几乎没有中控室，不能对全厂的设备实行实时监控。而一些报表的工作也主要是由厂里的工作人员手工完成。通过对比，不难看出：整体上和国外相比我国污水厂的自控系统仍然存在很大的差距，但是我国的应用前景却非常广泛、潜力很大4。1.3 课题研究的目的意义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。未来几年，我国污水处理项目工程建设投资将超过2500亿元，提出了至2015年要求设置污水处理率不低于60%目标。因此，为了可持续发展，未来一段时间内我国污水处理事业将是一项重点关注课题。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，利用PLC 及组态软件对生活污水处理系统进行控制，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。1.4 课题的主要研究内容本课题以实际课题为背景展开工作，主要完成了生活污水处理的PLC自动控制设计，主要进行的工作如下：第1章讨论了本课题的研究背景、国内外在这方面的发展状况、指明了本课题所要做的工作：设计生活污水处理控制系统。第2章分为三个部分：第一部分分析了处理对象生活污水的成分，生物性质及指标以及污水处理后最终的去向。第二部分介绍了主要研究对象可编程控制器PLC内部的构成及工作原理。最后从版本、功能两个部分介绍了编程软件STEP 7。第3章先对污水净化的实现方法的整体过程做了介绍，说明了污水净化主要的设备格栅间、沉淀池、投药池。然后叙述了控制回路的实现，并做出详细的说明。最后根据本次设计的要求进行了硬件组态 。 第4章主要对生活污水处理子模块的设计做了详细的介绍，分别介绍了格栅间、沉淀池、投药池。每个子模块都详细说明了其构成原理、工作过程、设计思想、画出工作流程图，统计了输入/输出口分配。 第5章讲述了污水处理系统的编程仿真，从本次设计主要使用到的软件Step-7编程环境开始介绍，然后介绍了污水系统中主要的程序，最后说明了主要的仿真结果。5 第2章 污水处理系统及PLC介绍2.1 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 污水的组成生活污水的组成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。2.1.2 污水的生物性质及指标污水中的有机物是微生物的食物，污水中的微生物以细菌与病菌为主。污水生物性质的检测指标有大肠菌群数(或称大肠菌群值)、大肠菌群指数、病毒及细菌总数。(1)大肠菌群数(大肠菌群值)与大肠菌群指数 大肠菌群数(大肠菌群值)是每升水样中所含有的大肠菌群的数目，以个/L 计;大肠菌与病原菌都存在于人类肠道系统中，水中存在大肠菌，就表明受到了粪便的污染，并可能存在病原菌。(2)病毒 污水中已检查出的病毒有100多种。检出大肠菌群，可以表明肠道病原菌的存在，但不能表明是否存在病毒及其他病原菌(如炭疽杆菌)。细菌总数是大肠菌群数、病原菌、病毒及其他细菌的总和，以每毫升水样中的细菌菌落总数表示5。2.1.3 污水的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17 第2章 污水处理系统及PLC介绍 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 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6。2.2 可编程逻辑控制器PLC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。为了提高操作性能，PLC还有多种人机对话的接口模块。因此下面对PLC 进行一个介绍。PLC的基本结构 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，主要完成以下功能：接收并存储用户程序和数据；用扫描方式接收现场输入设备的状态和数据，并进行存储；诊断电源及PLC内部电路工作状态和编程过程中的语法错误；执行用户程序；根据程序运行结果更新有关标志位的状态和输出映像寄存器的内容，实现输出控制、制表打印或数据通信等功能。(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。在PLC中通常使用RAM存储用户程序,RAM工作速度快,价格便宜，同时在PLC中配有锂电池,当外部电源断电时,可用于保存RAM中的信息。PLC的系统程序通常存放在ROM中,另外,PLC中的存储器还有可擦写可编程只读存储器(EPROM)和电可擦除可编程只读存储器(EPROM),这两种只读存储器兼有ROM的非易失性和RAM的可读可写的优点,可以用编程装置对其编程，如果不再需要存储器中的内容，可将其擦除，重新写入新的程序，在PLC中通常使用它们来存储用户程序和需要长期保存的重要数据7。2.3 PLC在电器控制中的应用PLC是先进工业化国家通用的标准工业控制设备，在现代工业自动化控制中是最值得重视的先进控制技术，现在已经成为现代工业控制三大技术支柱(PLC,CAD/CAM,ROBOT)之一。目前PLC在国内已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保以及文化娱乐等各个领域，使用情况大致有：开关量的逻辑控制、模拟量的控制、运动控制、过程控制、数据处理以及通信和联网等。可编程逻辑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电子系统。它采用了可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字量、模拟量的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。PLC是微机技术与传统的继电接触控制技术相结合的产物，它克服了继电接触控制系统中的机械触点的接线复杂、可靠性低、功耗高、通用性和灵活性差的缺点，充分利用了微处理器的优点。PLC控用制改造其继电器控制电路, 可靠性高、逻辑功能强、体积小，降低了设备故障率, 提高了设备使用效率, 运行效果良好。随着我国电力体制改革的深化，电力市场竞争将更加激烈，降低资源损耗和提高管理效益成为各发电企业的迫切需求。为此，对火电厂辅助车间自动控制水平提出了更高的要求。经过科技人员的不断引进、开发、研究, 我国大型火电站的辅助系统(输煤、化水、除灰、除渣、燃油泵房、循环水泵房等)已由继电器控制过渡到完全由PLC监控。PLC是一种专为工业生产自动化控制设计的，一般而言，无须任何保护措施就可以直接在工业环境中使用。然而，当生产环境过于恶劣，电磁干扰特别强烈，或安装使用不当，就可能造成程序错误或运算错误，从而产生误输入并引起误输出，这将造成设备的失控和误动作，从而不能保证PLC的正常运行。要提高PLC控制系统可靠性，一方面生产厂家要提高 PLC 的抗干扰能力；另一方面，要在设计、安装和使用维护中引起高度重视，多方配合，减少及消除干扰对 PLC 的影响。在新的时代，PLC 会有更大的发展，产品的品种会更丰富、规格更齐全，通过完美的人机界面、完备的通信设备、成熟的现场总线通信能力会更好地适应各种工业控制场合的需 ，PLC作为自动化控制网络和国际通用网络的重要组成部分，将在我国发电厂的电气自动化建设中发挥越来越大的作用8。2.4软件STEP 7简介STEP7是一种用于对SIMATIC可编程逻辑控制器进行组态和编程的标准软件包。它用于西门子系列工控产品包括SIMATIC S7、M7、C7和基于PC的WinAC，是供它们编程、监控和参数设置的标准工具，是SIMATIC工业软件的重要组成部分。STEP 7标准软件包有下列各种版本：STEP7 Micro/DOS和STEP7 Micro/Win，用于SIMATIC S7200上的简化版单机应用程序。STEP7，应用在S1MATIC S7300/S7400、SIMATIC M700/M700以及SIMATIC C7上，STEP7 V5 4 SP4是当前STEP7编程软件的晟高版本9。STEP7具有以下功能：硬件配置和参数设置、通讯组态、编程、测试、启动和维护、文件建档、运行和诊断功能等。在STEP7中，用项11来管理一个自动化系统的硬件和软件。STEP7用SIMATIC管理器对项目进行集中管理，它可以方便地浏览SIMATIC S7、M7、c7和WinAC的数据。实现STEP7各种功能所需的S1MATIC软件工具都集成在STEP7中。2.5 本章小结本章的开篇介绍了处理对象生活污水，具体讲述了生活污水的组成，测试主要的指标，以及最终的出路。然后介绍了实现本次设计的核心器件PLC(可编程逻辑控制器)，粗略的介绍了它的组成，现在PLC应用情况。最后从版本、功能两个部分介绍了编程软件STEP 7。第3章 控制系统设计 第3章 控制系统设计3.1 污水处理系统总体工艺流程及框图设计 3.1.1 污水处理主要设备介绍生活污水处理整个过程主要分别有格栅间、沉淀池、液体混合池。(1)格栅除污机用于滤出污水中较大的废弃物，例如木棒、大塑料袋等。主要由传动装置、除污耙、滑板、卸渣装置、翻转机构等组成。工作时，由减速机带动卷筒正反向转动，从而使钢丝绳带动除污耙上升和下降。当除污耙下降到下限位时，翻转机构将除污耙闭合，使耙齿紧贴滑板把污水中较大的污物捞起，然后齿耙提渣上升。(2)沉砂池的功能是去除比重较大的无机颗粒(如泥砂，煤渣等，他们的相对密度约为2.65。沉砂池一般设于泵站、倒虹管前，以减轻无机颗粒对水泵、管道的磨损；也可设于初次沉淀池前，以减轻沉淀池负荷及改善污泥处理构筑物的处理条件。其处理效果将直接影响污水处理设施的运行寿命和维修费用。(3)液体混合机，液体的混合主要靠机械搅拌器，使待混物料受到搅动以达到均匀混合。搅动引起部分液体流动，流动液体又推动其周围的液体,结果在溶器内形成循环液流，由此产生的液体之间的扩散称为主体对流扩散。当搅动引起的液体流动速度很高时，在高速液流与周围低速液流之间的界面上出现剪切作用，从而产生大量的局部性漩涡。3.1.2生活污水处理系统的总体设计框图污水处理控制系统总体设计框图如图 3-1。 图3-1 污水处理总体设计框图由PLC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，很适合现场控制同时作为下位机连接污水处理设备完成现场数据的实时采集和控制。3.2 控制回路主回路电路一般电气线路中最常用的电器主要有：熔断器、各种开关、断路器、交直流接触器、各种按钮、指示灯、各种继电器，这些电器的特点就是用触电去接通和断开电气线路，从而控制电机或电器的工作的状态。并根据设备的负载来选择元件的容量。3.2.1 正反转控制原理图污水处理的第一个阶段是污水进入格栅间进行处理，打碎大的杂物。格栅间除污耙的上升、下降，是由对电机的控制实现的。上升、下降需要电机正传、反转。 图3-2 电机正反转控制回路闸阀设计要求：电源指示；手动打开与关闭；自动打开与关闭。在闸阀电机的主结线图中，通过两个接触器lKM与2KM来控制闸阀电机的正转与反转；控制电路原理图：见图 3-2。控制电路中，1HR做为电源指示，1SF为闸阀门打开(电机正转)按钮，2SF为闸阀门关闭(电机反转)按钮；手动自动选择由具有两个常开触点与两个常闭触点的主令开关SAK来实现；为了防止打开关闭两种情况同时出现，造成短路的后果，用两个接触器的常闭触点来互相限制两个接触器，形成任何时候，只允许一个接触器处于吸合状态；闸门与阀门本身提供了机械式到位限制开关，具有常开与常闭触点，例如到阀门开到位时，开到位限制开关常闭触点断开，自动断开控制电路，完成打开控制，同时常开触点向PLC提供闸阀门打开与关闭状态。3.2.2 直接启动控制原理图液体混合装置中为了使药液与污水充分反应需要用搅拌机搅拌，搅拌机的电机控制不需要电机正反转，使用直接控制回路。设计要求：电机电源指示；电机自动控制与手动控制两种方式；电机运行状态指示；电机过载、故障自动停机。控制回路图见图3-3 3-3 直接启动控制回路控制回路：主令开关SAK 主令开关主要用于本地控制与PLC远程控制之间的切换。主令开关实现本地控制和远程PLC控制间的转换。由控制原理图可以看出，当L和N之间加上220V的电压时，红色电源指示灯1HR亮，作为控制的电源指示。控制分为电控柜就地控制和PLC远程控制，主要通过主令开关SAK来选择，当主令开关选择时(电控柜就地控制)按动起动按钮1SF，由于停机按钮lSS和热继电器1KH为常闭状态，电路导通，交流接触器1KM通电动作(吸合)，1KM的一个常开触点也动作(变为导通状态，即电机的运行状态)，同时电机运行指示灯1HG变亮。此时，松开起动按钮1SF，由于1KM的一个常开触点闭合将1SF短接，所以交流接触器1KM保持通电状态，其的主触头导通，电机起动。停机时，按动停机按钮1SS，由于1SS为一常闭按钮，所以按动时变为断开状态，下面的交流接触器便停止供电，自动断开，其常开触点也为断开状态，电机停止运行，运行指示灯1HG灭。带有短路保护、过载保护等，短路保护由FU熔断器来实现保护功能。如果电机运行在过载状态下，当达到一定时间时，热继电器1KH动作，交流接触器1KM由于断开电源断开，电机停止，并且无法自动起动。3.2.3 主回路断路器lQF：断路器(曾称自动开关)在电路中主要起到短路和过载保护作用，还可有欠电压保护和远距离分断电源等功能，也可以直接操作不频繁起动电动机和电路转换作用。 3-4 直接启动主回路图 3-5 电机正反转控制回路一般情况下，断路器闭合，只有当电机发生短路或者过载时，短路其动作，断开线路，停止电机，起到保护作用。交流接触器1KM：接触器主要控制对象为电动机，也可用来控制其他电力负载。交流接触器的触头有主触头和辅助触头，触头有分为常开触头和常闭触头，当交流接触器线圈动作时，常开触头闭合、常闭触头断开。对电机的控制主要通过对交流接触器线圈的控制来实现。热继电器FR：电机过载时，电流变大，热继电器1KH动作，切断电路，实现过载保护作用。1FU熔断器: 带有短路保护、过载保护等，短路保护由FU熔断器来实现保护功能。主回路图见3-4，3-5。3.3 污水处理系统的总体流程图每个反应池在工作前可以手动/自动，如选择手动退出PLC控制系统由工作人员自行操作，选择自动则启动PLC控制系统开始工作， 首先打开格栅间进水电磁阀，使污水流入格栅间反应池，并等待污水液位上升至规定液位，触发液位传感器，产生信号关闭电磁阀A。污水在格栅间反应结束后打开B阀，污水流向沉淀池。格栅间水位低至最低水位，触发液位传感器关闭电磁阀B。沉淀池开始工作，工作结束后打开水阀C，污水流向液体混合装置工作。沉淀池水位低于最低液位触发液位传感器产生信号，水阀C关闭，液体混合装置运行到结束。污水处理总体流程图见图3-6。3.4 硬件组态(1)PLC的选择 由于PLC是直接用于工业控制的工业控制器，生产厂家都把它设计成能在恶劣环境下可靠的工作。(2) I/O模块的选择 PLC容量包括两个方面，一是I/O的点数；二是用户存储器的容量。PLC容量的选择除满足控制要求外，还应留有适当的余量，以作备用。本次设计选用西门子S7-300系列PLC，CPU314有24KB的工作内存，0.3ms/1000条指适合本次设计工作量。不自带输入、输出，需要使用外接输入、输出口。图3-6 污水处理整体流程图PLC是一种工业控制系统，它的控制对象是工业生产设备或工业生产过程，它的工作环境是工业生产现场。它与工业生产过程的联系是通过 通过I/O接口模块可以检测被控生产过程的各种参数，并以这些现场数据作为控制器对被控制对象进行控制的依据。同时控制器又通过I/O接口模块将控制器的处理结果送给工业生产过程中的被控设备，驱动各种执行机构来实现控制。外部设备或生产过程中的信号电平各种各样，各种机构所需的信息电平也是各种各样的，而PLC的CPU所处理的信息只能是标准电平，所以I/O接口模块还需实现这种转换。PLC从现场收集的信息及输出给外部设备的控制信号都需经过一定距离。为了确保这些信息的正确无误，PLC的I/O接口模块都具有较好的抗干扰能力。根据实际需要，PLC相应有许多种I/O接口模块，包括开关量输入模块、开关量输出模块、模拟量输入模块及模拟量输出模块，可以根据实际需要进行选择使用。PLC输入模块用来接收，生产过程的各个参数。(启动 停止 用输入)；送出可编程控制器运算后得到的信息，并通过机外的执行机构完成工业现场的各类控制。(执行结果用输出)。本次设计一共有19个输入量，13个输出量，为了使输入、输出模块有冗余，选择32口输入，2个8口输出。输入选用直流，24V工作电压SM 321型外接输入口。输出选用外围供电，工作电压型号SM 322外接输出口。输入、输出的具体分配情况见第三章。(3)电源模块的选择 电源模块的选择一般只需考虑输出电流。电源模块的额定输出电流必须大于处理器模块、I/O模块、专用模块等消耗电流的总和。硬件组态图见3-7。3-7 硬件组态3.5 本章小结本章主要分三个部分，第一部分介绍生活污水处理的大体过程：先利用格栅机将杂物打碎，在通过沉淀池去除固体杂物，最后利用投药池是污水彻底净化。并且画出工艺流程图、整体流程图。第二部分对控制回路、主回路做了详细的说明。最后通过本次设计的要求对使用的器件进行了硬件组态。第4章 污水处理子模块设计 第4章 污水处理子模块设计4.1 格栅机控制(1) 格栅除污机的基本构成 格栅机是一种可连续清除流体中杂物的固液分离设备，是城市污水处理、自来水厂、电厂进水口、纺织等生产工艺中不可缺少的专用设备，是目前国内普遍采用的固液筛分设备。设备有自动化程度高，分离效率高。耐高温，耐腐蚀性能好，可按需要配置各种栅隙等优点(2)格栅除污机的设计思想 格栅除污机主要由传动装置、除污耙、滑板、卸渣装置、翻转机构等组成。工作时，由减速机带动卷筒正反向转动，从而使钢丝绳带动除污耙上升和下降。当除污耙下降到下限位时，翻转机构将除污耙闭合，使耙齿紧贴滑板把污水中较大的污物捞起，然后齿耙提渣上升。在上升过程中，在适当位置给予暂停(延时)，以提供充足的沥水时间。除污耙上升到上限位后，“翻转机构把除污耙开启”，卸渣装置将除污耙所捞污物放下。即除污机的工作为：渣耙下降一渣耙闭合一渣耙上升(适当位置暂停)一排渣一渣耙开启。具体工作时，首先启动升降电机拖动除污耙下降到下极限位然后启动翻转电机使除污耙闭合；闭合到位后给0.1秒延迟，升降电机拖动除污耙上升；耙上升到距离底部15米处时，使除污耙暂停l5秒；沥干污水后，除污耙继续上升到上限位排渣；渣耙下降到初始位置，一个循环结束。(3) 格栅间流程图 按自动启动按钮SB1，粗格栅除污机通过可编程控制器自动运行。KM1吸合渣耙下降；当渣耙下降到下限位(污水池底部)时，渣耙下降极限限位传感器检测到信号，渣耙下降停止；格栅除污机PLC控制原理图时后延时0.1s，KM4吸合，渣耙闭合；渣耙闭合使渣耙闭合限位传感器检测到信号，KM4失电，渣耙闭合结束。KM2吸合，渣耙上升至渣耙上升限位，渣耙上限位传感器检测到信号，KM2失电，渣耙上升结束；延时0.1s后KM3吸合渣耙开启，直到开启限位传感器检测信号，KM3失电，渣耙开启结束。延时0.1s后KM1重新吸合，渣耙运行结束。特别说明的是格栅除污机PLC控制仅是污水处理厂智能化的一个组成部分。图4-1 格栅机流程图PLC控制柜具有手动、自动两档转换开关，自动方式时PLC自动控制格栅除污机。手动方式时，PLC不再控制设备，主要用于设备检修时。格栅间的流程图见图4-1(4)格栅间输入/输出设备分析 在准备好硬件后，对PLC与输入/输出设备之间的连接信号的进行设置，I/O口的分配情况见表4-1。表4-1 格栅机I/O口分配序号设备/信号类型设备名称信号地址1输入启动按钮SB1I0.02停止按钮SB2I0.13高液位传感器I0.24低液位传感器I0.35渣耙下限位定位传感器I0.46渣耙上限位定位传感器I0.57闭合极限传感器I0.68张开极限传感器I0.71输出渣耙下降接触器KM1Q0.02渣耙上升接触器KM2Q0.13渣耙张开电磁阀KM3Q0.24渣耙闭合电磁阀KM4Q0.35电磁阀AQ0.46电磁阀BQ0.54.2 沉淀池控制(1)沉淀池的基本构成与原理 沉淀池一般是在生化前或生化后泥水分离的构筑物，多为分离颗粒较细的污泥。在生化之前的称为初沉池，沉淀的污泥无机称为较多，污泥含水率相对于二沉池污泥低些。位于生化之后的沉淀池一般称为二沉池，多为有机污泥，污泥含水率较高。为避免短流，一是在设计中尽量采取一些措施(如采用沉淀池加盖或设置隔墙，以降低池水受风力和光照升温的影响)；二是加强运行管理，在沉淀池投产前应严格检查出水堰是否平直，发现问题，要及时修理。在运行中，浮渣可能堵塞部分拍泥口，致使拍泥不顺畅，操作人员应及时清理拍泥口上的浮渣以保证出流均匀，减少短流。 (2)沉淀池的设计思想 工作时先打开进水阀B(格栅机出水阀),等到水位到达规定液位时，液位传感器检测到信号，关闭水阀B停止进水。水池静至30min等待杂物沉淀至池底后打开出水阀D排水，排水至中液位传感器检测信号，D阀停止排水。开启拍泥阀C，导出泥水。(3)沉淀池的流程图 沉淀池流程图见图4-2图4-2 沉淀池流程图21 第4章 污水处理子模块设计 (4)沉淀池输入/输出设备分析 在准备好硬件后，对PLC与输入/输出设备之间的连接信号的进行设置，I/O口的分配情况见表4-2表4-2 沉淀池I/O口分配序号设备/信号类型设备名称信号地址1输入启动按钮SB3I1.02启动按钮SB4I1.13高液位传感器I1.24中液位传感器I1.35低液位传感器I1.41输出电磁阀BQ0.52排泥阀CQ1.03电磁阀DQ1.14.3 投药池控制(1)液体混合装置工作过程 投药池主要是由液体混合装置完成。液体混合装置是一种将需要药物按一定比例投入污水再通过传感器控制液体的混合比例最后对混合液体进行搅拌，使药物污水充分反应达到净化污水的效果。表4-3 液体混合装置输入口分配序号设备/信号类型设备名称信号地址1输入启动按钮SB5I2.02停止按钮SB6I2.13高液位传感器I2.24中液位传感器I2.35低液位传感器I2.41输出进水电磁阀DQ1.12药液阀EQ2.03出水电磁阀FQ2.14搅动电动机接触器Q2.2(2)设计思想 按下启动按钮SB5，液体装置开始按以下顺序工作：进液阀D打开，待处理的污水流