基于PLC的过滤流程控制系统毕业设计.doc

成都工业学院专科毕业设计 论文 第 0 页 5 基于基于 PLCPLC 的过滤流程控制系统毕业设计的过滤流程控制系统毕业设计 目录 第一章第一章 绪论绪论 4 4 1 11 1 课题研究的背景及意义课题研究的背景及意义 4 4 1 21 2 国内外研究现状国内外研究现状 4 4 1 11 1 国内污水处理情况国内污水处理情况 4 4 1 2 21 2 2 国外污水处理情况国外污水处理情况 5 5 第二章第二章 过滤流程及过滤流程及 PLCPLC 概述概述 7 7 2 12 1 工艺流程及设备控制要求工艺流程及设备控制要求 7 7 2 1 12 1 1 沉降 过滤过程的原理沉降 过滤过程的原理 7 7 2 1 22 1 2 沉降 过滤过程的工艺流程沉降 过滤过程的工艺流程 7 7 2 1 2 12 1 2 1 沉降罐排污流程沉降罐排污流程 8 8 2 1 2 22 1 2 2 过滤器过滤流程过滤器过滤流程 8 8 2 1 32 1 3 工艺设备的控制要求工艺设备的控制要求 9 9 2 1 3 12 1 3 1 控制系统组成控制系统组成 9 9 2 1 3 22 1 3 2 设备控制原理设备控制原理 1010 2 22 2 可编程控制器可编程控制器 PLCPLC 概述概述 1111 2 2 12 2 1 PLCPLC 的基本概念的基本概念 1111 2 2 22 2 2 PLCPLC 的基本结构的基本结构 1111 2 2 32 2 3 PLCPLC 的工作原理的工作原理 1313 2 2 42 2 4 PLCPLC 的主要特点的主要特点 1414 成都工业学院专科毕业设计 论文 第 1 页 5 2 32 3 本章小结本章小结 1515 第三章第三章 系统的硬件设计方案系统的硬件设计方案 1616 3 13 1 PLCPLC 硬件选型硬件选型 1616 3 2PLC3 2PLC 的发展的发展 1717 3 33 3 PLCPLC 的分类的分类 1818 3 3 13 3 1 按按 I OI O 点数容量分类点数容量分类 1818 3 3 23 3 2 按结构形式分类按结构形式分类 1919 3 3 33 3 3 按功能分类按功能分类 2020 3 43 4 PLCPLC 的硬件基本组成的硬件基本组成 2020 3 53 5 PLCPLC 选型选型 2424 3 63 6 西门子西门子 S7 200S7 200 PLCPLC 的特点的特点 2424 3 73 7 西门子西门子 S7 200S7 200 PLCPLC CPUCPU 选型选型 2525 3 83 8 PLCPLC 控制输入控制输入 输出端子接线图输出端子接线图 2525 第四章第四章 系统的软件设计方案系统的软件设计方案 2727 4 14 1 PLCPLC 内部地址分配内部地址分配 2727 4 24 2 STEPSTEP 7 M7 MICROICRO WIN WIN 3232 软件介绍软件介绍 2828 4 2 14 2 1 STEPSTEP 7 Micro WIN7 Micro WIN 3232 的主要功能的主要功能 2929 4 2 24 2 2 STEPSTEP 7 Micro WIN7 Micro WIN 3232 的基本指令的基本指令 2929 4 34 3 系统户设计的原则系统户设计的原则 3131 4 44 4 系统的控制要求系统的控制要求 3131 4 5I O4 5I O 地址分配地址分配 3131 4 5 14 5 1 分配原则分配原则 3232 4 5 24 5 2 I OI O 地址常见分配方法地址常见分配方法 3232 4 5 34 5 3 沉降 过滤工艺流程图沉降 过滤工艺流程图 3232 成都工业学院专科毕业设计 论文 第 2 页 5 4 5 44 5 4 软件程序梯形图软件程序梯形图 见附录见附录 3434 4 5 54 5 5 程序的调试程序的调试 3434 结论结论 3535 第五章第五章 论文总结论文总结 3737 参考文献参考文献 3838 致致 谢谢 4040 成都工业学院专科毕业设计 论文 第 3 页 5 第一章 绪论 1 11 1 课题研究的背景及意义课题研究的背景及意义 随着我国经济的发展和人民生活水平的逐渐提高 必然对环境质量提出更高更 好的要求 但是伴随着城市规模的不断扩大 被污染的淡水资源也在逐年增加 水 作为一种必不可少的资源 长期以来一直被认为是取之不尽 用之不竭的 在这种 观念的驱使下 水环境的质量越来越恶劣 水资源短缺也越来越严重 由此造成的 水危机将成为社会经济发展的重要制约因素 解决好水污染问题 对污水处理后再 排放 是保护生态环境以及为人们营造良好舒适生活环境的重要条件 我国 十一五 规划纲要提出了 节能减排 的明确目标 2009 年 7 月 19 日 国务院办公厅印发了 2009 年节能减排工作安排的通知 2009 年 12 月 18 日 国 务院总理温家宝出席了哥本哈根气候变化会议领导人会议 并发表了题为 凝聚共 识 加强合作 推进应对气候变化历史进程 的重要讲话 全面阐述了我国政府应 对气候变化问题的立场 主张和举措 可见节能减排已是我国建设资源节约型 环 境友好型社会的必然选择 是维护中华民族长远利益的必然要求 过滤流程 PLC 控制系统是利用可编程控制器 PLC 将多套沉降装置和过滤装置 联接起来对污水实现全自动控制的系统 是一套污水处理系统的重要组成部分 是 降低水污染 改善水环境质量的重要技术手段 它把回收的污水 又称原水 进行 加药沉降 上层清液过滤后可以重新利用 这样就能够避免直接把废水排放到自然 环境所造成的环境污染问题 节能减排 既能缓解水环境质量不断恶化的趋势 又 能改善水资源短缺的态势 促进经济社会快速稳定向前发展 1 21 2 国内外研究现状国内外研究现状 1 11 1 国内污水处理情况国内污水处理情况 目前我国的水污染较为严重 并且污水的排放量在逐年增加 我国每年排放的 污水量已超过 400 亿立方米且处理率低 大量的污水直接排入天然的水体中 造成 了严重的水体污染 据统计已超过 80 的河流受到不同程度的污染 因此加快污水 成都工业学院专科毕业设计 论文 第 4 页 5 处理务 我国污水处理水平低 不论是设备还是技术 或者是处理的深度和广度 都远 远落后于欧美等发达国家 我国平均每 200 多万人拥有一座污水处理厂 而且在污 水处理的深度上也存在着很大的欠缺 到 2004 年底 我国已建设的城市污水处理厂 668 座 其中二级处理厂 282 座 这些污水处理厂的建设 极大地提高了污水处理 水平 但是处理量的增加仍远远滞后于污水排放量的增加 两者之间的差距还在进 一步拉大 根据按 98 年的资料 我国城市污水的处理率仅为 15 8 而欧美等发达 国家如美国早在 1980 年就已达到 70 了 我国现存的污水处理设备运行状况是 1 3 运行正常 1 3 不正常 1 3 处于停止状态 前景堪忧 我国污水处理的普遍情况是污水处理能力增长缓慢 污水处理率低和自动化程 度不高 且主要表现在以下几个方面 污水处理技术落后污水处理技术落后 长期以来 我国污水处理技术都是沿袭欧美国家的处理技术 在吸收 消化的 同时形成自己的技术 但是我国现阶段采用的大部分技术都是上个世纪欧美国家的 处理技术 这些技术存在效率低 能耗高 维修率高 自动化水平低等缺点 并且 严重制约了我国污水处理能力的提升 使得我们与同时期的欧美国家的污水处理技 术存在很大的差距 污水处理能力不足污水处理能力不足 随着我国经济的快速发展 污水的排放量日益增加 单独依靠以前中下型的污 水处理系统很难满足污水处理的需要 研究和开发高效的 大型的污水处理系统已 经迫在眉睫了 管理水平低管理水平低 我国各种类型及层次的控制系统并存 良莠不齐 这使得污水处理技术复杂 操作人员的技术素质和管理水平不能很好适应 这就制约了污水处理系统的正常运 行 1 2 21 2 2 国外污水处理情况国外污水处理情况 在国际上 大规模的水污染治理最早是在二战后 由于上世纪 50 年代经济蓬勃 成都工业学院专科毕业设计 论文 第 5 页 5 发展带来的 60 年代日益严重的环境污染而展开的 如英国的泰晤士河和欧洲的莱 茵河等水系的污染和治理就是典型的例子 至 70 年代末 美国投入了数千亿美元兴 建了 18000 余所污水处理厂 英国 法国 德国 瑞士等各耗费巨资兴建了 7000 至 8000 座污水处理厂 这些污水处理厂的投入运行对这些国家的水体污染改观起到 了关键的作用 也为人们治理水污染积累了丰富的经验 经济发达的欧美国家除了 非常重视污水处理的新理念和新技术之外 更重视污水处理的自动控制问题 先后 研究开发了各种高效率 智能型和集约型的污水处理系统 并采用了计算机自动控 制处理工艺 取得了非常理想的效果 许多先进的污水处理厂基本实现用计算机进 行数据记录和运行过程控制 实现了全自动无人值守控制模式 如美国的爱阿华污 水处理厂采用数字式计算机控制自动加钒 运转一年就降低钒消耗 20 并且提高 了管理水平和稳定了水质 此外 德国慕尼黑城市污水处理厂 日本东京朝霞污水 处理厂等也先后采用计算机自动控制污水处理工艺 并取得很理想的效果 现在美 国大中型污水处理厂均采用一套集散型的自动控制系统进行控制 他们在厂区范围 内设有若干台现场计算机 对整个污水处理过程实现多环路控制 其中包括沉降 过滤 反冲洗 臭氧杀菌 化学药剂投放 泵房等 然后使用无线通信技术将数据 信号传送到控制室中进行记录 分析和整合 与此同时 欧美国家的污水处理工艺 也日趋多样化 如鼓曝法 氧化沟法 SBR 法 生物膜法等 多样化的污水处理工艺和先进的自动控制系统使得欧美国家的污水处理产业在 整个国民经济中占有较为重要的地位 并使得他们的污水处理规模 工艺 自动化 程度都处在世界领先的地位 目前欧美国家的污水处理自动控制系统一般具有以下的特点 1 采用分布式计算机控制 2 工艺的自动调整 3 工艺过程趋于复杂 4 冗余化设计 5 大量采用智能仪表 6 无线通信技术 成都工业学院专科毕业设计 论文 第 6 页 5 第二章 过滤流程及 PLC 概述 2 12 1 工艺流程及设备控制要求工艺流程及设备控制要求 2 1 12 1 1 沉降 过滤过程的沉降 过滤过程的原理原理 图 2 1 是一个污水处理的流程原理图 原原水水混混合合加加药药反反应应沉沉降降过过滤滤送送水水 图 2 1 完整的污水处理流程图 它是将原水 污水 废水 经过加药 消毒 然后在沉降罐中沉降 最后通过 过滤器过滤成可以正常利用的水 原水过滤包括污水处理和污泥处理两个子系统 他们之间相辅相成 共同构成一个完整的污水处理系统 今天我的论文不是来讨论 这整个系统 而是探讨其中的一小部分 沉降和过滤 众所周知 过滤流程是将原水经过加药处理过后 在水中产生化学反应形成许 多的絮凝物 再经过一段时间的静置 最终将原水中的大分子物质沉降到罐的底部 上层的清液由沉降罐的顶部流出 经过加压泵直接进入过滤器中 液体通过过滤器 过滤就可以达到所要求的技术指标 沉降罐底部的淤泥需要定时排出 沉降和过滤过程是通过沉降罐和过滤器实现的 沉降罐是用来沉降液体中的絮 凝物 一般采用 3 5 个沉降罐并联工作 该过滤流程工艺采用了 4 个沉降罐 并且 每个沉降罐底部周围都有 4 个排污阀 在设定的循环周期中 4 个排污阀依次打开 4 个排污阀中只有 1 个打开 将罐底的淤泥排出 过滤器是内部填充有多层滤料 的承压罐 一般采用 6 10 个过滤器并联工作 该过滤流程工艺使用了 8 个过滤器 每个过滤器过滤一段时间之后要进行反冲洗操作 这样可以清除滤料上的污渍 以 保证整个流程连续不断的运行 过滤器从开始进水过滤到反冲洗完毕算作一个周期 成都工业学院专科毕业设计 论文 第 7 页 5 2 1 22 1 2 沉降 过滤过程的工艺流程沉降 过滤过程的工艺流程 污水处理系统的过滤流程的工艺流程图如图 2 2 所示 图 2 2 带设备的过滤工艺流程图 2 1 2 12 1 2 1 沉降罐排污流程沉降罐排污流程 沉降沉降 原水在经过加药混合后 沿着管道分别送入 M1 M2 M3 M4 等四个沉降罐 中 静置一段时间 等到将大部分杂质沉淀在沉降罐底部时 再将上层清液由顶部 的出水口流出 最后通过加压泵加压进入过滤器中 排污排污 沉降一段时间后 每个沉降罐底部都会产生大量的淤泥 这时就需要依次将沉 降罐底部的 4 个排污阀门打开 并且每次只能有一个阀门打开 最终将底部的淤泥 全部排出 2 1 2 22 1 2 2 过滤器过滤流程过滤器过滤流程 过滤过滤 成都工业学院专科毕业设计 论文 第 8 页 5 把经过沉降的上层清液分别送入 N1 N8 等 8 个过滤器中 将每个过滤器的进水 阀和出水阀都打开 上层清液由进水阀流入 经过过滤器的多层过滤后 由出水阀 流出 最后送入清水池存储起来 反冲洗反冲洗 每个过滤器过滤一段时间后都要进行反冲洗 首先将过滤器的进水阀和出水阀 关闭 再打开排水阀和排气阀 将过滤器中的水和气体排出 待水和气体排出后 再将排水阀和排气阀关闭 最后启动反冲洗泵 打开反冲洗进水阀和出水阀 开始 反冲洗操作 2 1 32 1 3 工艺设备的控制要求工艺设备的控制要求 该过滤工艺采用的设备都具有手动 自动功能 当设备处于自动工作状态时 所 有的设备将按 PLC 程序中设定的时间间隔工作 当设备处于手动工作状态时 操作 工可以使用控制盘上面的按钮来控制设备的运行 22 2 1 3 12 1 3 1 控制系统组成控制系统组成 在控制室有一面控制盘 控制盘上有用于控制操作的开关 按钮和定时器 以 及用于显示工作状态的指示灯等控制设备 控制盘内安装有一台 OMRON 的 CQM1 系列 的 PLC PLC 输出节点通过电缆线和现场的设备相连 控制阀均采用气动蝶阀 控制 电磁阀采用两位五通单电控电磁阀 控制系统组成如图 2 3 所示 成都工业学院专科毕业设计 论文 第 9 页 5 PLC盘盘面面设设备备 沉沉 降降 罐罐 排排 污污 阀阀 过过 滤滤 罐罐 阀阀 门门 反反 冲冲 洗洗 泵泵 控控制制盘盘 现现场场设设备备 图 2 3 控制系统组成图 2 1 3 22 1 3 2 设备控制原理设备控制原理 沉降罐的控制沉降罐的控制 沉降罐的控制分为手动和自动两种控制方式 这两种控制方式都是由 PLC 按程序设定好的操作顺序依次控制沉降罐阀门的开启和关闭 不需要操作工到现场 手动启闭控制阀门 手动状态 当沉降罐选择手动方式开启时 该沉降罐不会按照沉降罐定时器所设定好的时 间间隔定时自动操作 而是通过操作工启动仪表盘上的按钮来启动该沉降罐 使其 完成排污过程 自动状态 当沉降罐选择自动方式开启时 该沉降罐将按照沉降罐定时器所设定好的时间 间隔定时自动操作 不需要操作工的干预 在任何时候 均可以中断沉降罐的排污过程 过滤器的控制过滤器的控制 过滤器的控制分为手动 自动和差压三种控制方式 这三种控制方式都是 PLC 按程序设定好的操作顺序依次控制过滤器阀门的开启和关闭 不需要操作工到 现场手动启闭阀门 手动状态 成都工业学院专科毕业设计 论文 第 10 页 5 当过滤器选择手动方式开启时 该过滤器不会按照过滤器定时器所设定好的时 间间隔定时自动操作 而是通过操作人员来启动仪表盘上的按钮来启动该过滤器 使其完成反冲洗过程 自动状态 当过滤器选择自动方式开启时 该过滤器将按照过滤器定时器所设定好的时间 间隔定时自动操作 不需要操作工的干预 差压控制状态 无论过滤器选择何种方式工作时 只要该过滤器的差压开关动作后 仪表盘上 的差压报警指示灯点亮 都将自动开始过滤器的反冲洗过程 当过滤器正在反冲洗时 以上的控制都不起作用 只有等到反冲洗操作停止之 后才能起作用 在任何时候 均可中断过滤器的反冲洗过程 2 22 2 可编程控制器可编程控制器 PLCPLC 概述概述 2 2 12 2 1 PLCPLC 的基本概念的基本概念 PLC Programmable Logic Controller 可编程逻辑控制器 是一种数字运算 操作的电子系统 专为在工业环境应用而设计的 它采用一类可编程的存储器 用 于其内部存储程序 执行逻辑运算 顺序控制 定时 计数和算术操作等面向用户 的指令 并通过数字或模拟式输入 输出控制各种类型的机械或者生产过程 是工业 控制的核心部分 早期的可编程控制器称作可编程逻辑控制器 它主要用来代替继 电器实现逻辑控制 随着技术的发展 这种采用微型计算机技术的工业控制装置的 功能已经大大超过出逻辑控制的范围 因此 今天这种装置被称作可编程控制器 简称 PC 但是为了避免与个人计算机 Personal Computer 的简称相混淆 所以 将可编程序控制器简称 PLC 2 2 22 2 2 PLCPLC 的基本结构的基本结构 PLC 虽然是一种专用于工业控制的计算机 但是其硬件结构基本上与微型计算机 相同 基本结构如图 2 4 所示 成都工业学院专科毕业设计 论文 第 11 页 5 CPU 存储器 输 出 模 块 输 入 模 块 指示灯 电磁阀 报警器 等 输出元件 编程器 电源周边装置 输入元件 按钮开关 近接开关 极限开关 等 图 2 4 PLC 的基本结构 电源电源 PLC 的电源在整个系统中起着十分重要的作用 如果没有一个良好的 可靠的 电源系统是无法正常工作的 因此 PLC 的制造商对电源的设计和制造也十分重视 一般交流电压波动在 10 15 范围内 可以不采取其它措施而将 PLC 直接连接到 交流电网上去 中央处理单元中央处理单元 CPU CPU 中央处理单元 CPU 是 PLC 的控制中枢 它按照 PLC 系统程序赋予的功能接收并 存储从编程器键入的用户程序和数据 检查电源 存储器 I O 以及警戒定时器的 状态 并能诊断用户程序中的语法错误 当 PLC 投入运行时 首先它以扫描的方式 接收现场各输入装置的状态和数据 并分别存入 I O 映像区 然后从用户程序存储 器中逐条读取用户程序 经过命令解释后执行逻辑或算术运算的结果 并送入 I O 映像区或数据寄存器中 等所有的用户程序执行完毕之后 将 I O 映像区内的输出 状态或数据寄存器内的数据传送到相应的输出装置上 如此循环运行 直到停止工 作 为了进一步提高 PLC 的可靠性 近年来对大型 PLC 还采用双 CPU 构成冗余 系统 或采用三 CPU 的表决式系统 这样 即使某个 CPU 出现故障 整个系统仍能 正常运行 成都工业学院专科毕业设计 论文 第 12 页 5 存储器存储器 存储器 Memory 是计算机系统中的记忆设备 用来存放程序和数据 计算机 中全部信息 包括输入的原始数据 计算机程序 中间运行结果和最终运行结果都 保存在存储器中 它根据控制器指定的位置存入和取出信息 有了存储器 计算机 才有记忆功能 才能保证正常工作 按用途存储器可分为主存储器 内存 和辅助 存储器 外存 也有分为外部存储器和内部存储器的分类方法 外存通常是磁性介 质或光盘等 能长期保存信息 内存指主板上的存储部件 用来存放当前正在执行 的数据和程序 但仅用于暂时存放程序和数据 关闭电源或断电 数据会丢失 输入输出接口电路输入输出接口电路 1 现场输入接口电路由光耦合电路和微机的输入接口电路 作用是 PLC 与现场控制 的接口界面的输入通道 2 现场输出接口电路由输出数据寄存器 选通电路和中断请求电路集成 作用 是 PLC 通过现场输出接口电路向现场的执行部件输出相应的控制信号 功能模块功能模块 随着 PLC 应用范围的扩大 各 PLC 制造厂家在提高 PLC 主机性能的同时 还开发 了专门用途的功能模块 以满足各种工业控制的特定需要 这些模块包括 高速计 数器模块 定位控制模块 A D 和 D A 模块 PID 模块 PLC 模块 PLC 网络模块 PLC 与计算机通信模块 中断控制模块 温度传感器输入模块 BASIC 模块 语音输 出模块等 通信模块通信模块 备或主计算机之间的通信 如以太网 RS485 Profibus DP 通讯模块等 远程 I O 系统也必须配备相应的通信接口模块 2 2 32 2 3 PLCPLC 的工作原理的工作原理 当 PLC 投入运行后 其工作过程一般分为三个阶段 即输入采样 用户程序执 行和输出刷新三个阶段 完成上述三个阶段称作一个扫描周期 在整个运行期间 成都工业学院专科毕业设计 论文 第 13 页 5 PLC 的 CPU 以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段 输入采样阶段输入采样阶段 在输入采样阶段 PLC 以扫描方式依次地读入所有输入状态和数据 并将它们 存入 I O 映像区中相应的单元内 输入采样结束后 转入用户程序执行和输出刷新 阶段 在这两个阶段中 即使输入状态和数据发生变化 I O 映像区中相应单元的 状态和数据也不会改变 因此 如果输入是脉冲信号 则该脉冲信号的宽度必须大 于一个扫描周期 才能保证在任何情况下 该输入均能被读入 用户程序执行阶段用户程序执行阶段 在用户程序执行阶段 PLC 总是按由上而下的顺序依次扫描用户程序 梯形图 在扫描每一条梯形图时 又总是先扫描梯形图左边的由各触点构成的控制线路 并 按先左后右 先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运算 然后根据逻 辑运算的结果 刷新该逻辑线圈在系统 RAM 存储区中对应位的状态 或者刷新该输 出线圈在 I O 映像区中对应位的状态 或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊 功能指令 在用户程序执行过程中 只有输入点在 I O 映像区内的状态和数据不会发生变 化 而其他输出点在 I O 映像区或系统 RAM 存储区内的状态和数据都有可能发生变 化 而且排在上面的梯形图 其程序执行结果会对排在下面的凡是用到这些线圈或 数据的梯形图起作用 相反 排在下面的梯形图 其被刷新的逻辑线圈的状态或数 据只能到下一个扫描周期才能对排在其上面的程序起作用 输出刷新阶段输出刷新阶段 当扫描用户程序结束后 PLC 就进入输出刷新阶段 在此期间 CPU 按照 I O 映 像区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路 再经输出电路驱动相应的外部 设备 2 2 42 2 4 PLCPLC 的主要特点的主要特点 PLC 是传统的继电器技术和计算机技术相结合的产物 所以在工业控制方面 它具有继电器控制或通用计算机所无法比拟的特点 成都工业学院专科毕业设计 论文 第 14 页 5 可靠性高 抗干扰能力强可靠性高 抗干扰能力强 PLC 的平均故障间隔时间可达几十万小时 硬件方面抗干扰措施有隔离 绿宝 软件方面设置故障检测与诊断程序 状态信息保护功能 编程软件简单易学编程软件简单易学 PLC 的编程大多采用类似于继电器控制线路的梯形图形式 很容易被一般工程 技术人员所理解和掌握 适应性好 具有柔性适应性好 具有柔性 由于可编程控制器产品均成系列化生产 品种齐全 多数采用模块式的硬件结 构 组合和扩展方便 可单机控制 也可联网操作 功能完善 接口多样功能完善 接口多样 具有逻辑运算 定时 计数 顺序控制 A D D A 转换 数值运算 数据处理 通信联网等功能 易于操作 维护方便易于操作 维护方便 安装方便 具有 DIN 标准导轨安装卡扣 用螺丝刀可以完成与不同设备的连接 有完善的自诊断功能和运行故障指示装置 目前 PLC 在国内外已广泛应用于汽车装配 数控机床 机械制造 电力石化 冶金钢铁 交通运输 轻工纺织 污水处理等各行业中 2 32 3 本章小结本章小结 本章主要介绍了污水处理中沉降 过滤过程的工艺流程和工艺设备的控制 要求 并简单介绍了可编程控制器 PLC 的基本概念 基本结构 工作原理和主要特 点 为下一章进行过滤流程的硬件设计奠定好基础 成都工业学院专科毕业设计 论文 第 15 页 5 第三章第三章 系统的硬件设计方案系统的硬件设计方案 3 13 1 PLCPLC 硬件选型硬件选型 接触器 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定时器的 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 有设备的起停 在此会用到了接触器 反冲洗泵接触器 为此该系统选用施耐德 LCI D0901M5C 交流接触器 其额定电压 220V 额定电流 9A 其特点有 高标准 符合 IEC60947 4 1 和 GB14048 4 标准 长寿命 机械寿命高达 2000 万次 电寿命 高达 200 万次 强适应性 TH 防护处理 可以在湿热的环境中使用 宽电压 线 圈控制电压在 70 120 Uc 之间波动 不影响产品正常工作 强通用性 具有 50Hz 60Hz 通用线圈 可以全世界通用 模块化 产品本体上可以附加辅助触头 通电 断电延时触头 机械闭锁等模块 也可以很方便的组合可逆接触器 星 三角启动器 电磁阀 电磁阀是通过线圈驱动来控制流体的自动化基础元件 属于执行器 并不限于 液压 气动 工作原理 通电时 电磁线圈产生电磁力把关闭件从阀座上提起 阀 门打开 断电时 电磁力消失 弹簧把关闭件压在阀座上 阀门关闭 控制阀门采 用气动蝶阀 控制电磁阀采用两位五通单控电磁阀 加压泵 一般的泵产品 就驱动方式而言 可分为交流泵和直流泵 如果要改变管道流 量的话 通过改变电磁阀开度或者改变蹦的转速 都可以实现 蹦是输送液体或者 使液体增压的机械 它将原动机的机械能或者其他外部能量传送给液体 使液体能 量增加 泵主要用来输送液体包括水 油 酸碱液 乳化液 悬浊液和液态金属等 也可输送液体 气体混合物以及含悬浮固体物的液体 在过滤过程中使用普通型的 增压泵即可满足控制要求 根据上述分析 选择 18WG 18 即可满足要求 成都工业学院专科毕业设计 论文 第 16 页 5 I O 接口的统计 由于本检测点的是数字量 所以只用到数字量输入 输出 输入 输出点统 计见表 3 1 表 3 1 系统 I O 接口对应图表 3 2PLC3 2PLC 的发展的发展 早期的的 PLC 一般称为可编程逻辑控制器 这时的 PLC 多少有点继电器控 制装置的代替物的含义 其主要功能只是执行原先由继电器完成的顺序控制 定时 等 它在硬件上以准计算机的形式出现 在 I O 接口电路上做了改进以适应工业现 场的要求 装置中的期间主要采用分立元件和中小规模集成电路 储存器采用磁心 储存器 另外 还采取了一些措施 以提高其抗干扰的能力 在软件编程上 采用 广大电气工程技术人员所熟悉的继电器控制线路的方式 梯形图 因此 早期的 PLC 性能要优于继电器控制装置 其优点是简单易懂 便于安装 体积小 体积小 能耗低 有故障显示 能重复使用等 其中 PLC 特有的编程语言 梯形图一直沿用 输入输出 自动模式 I0 0 自动运行灯 Q0 0 手动模式 I0 1 手动运行灯 Q0 1 手动排污阀开关 1 I0 2 排污阀 1 Q0 2 手动排污阀开关 2 I0 3 排污阀 2 Q0 3 手动排污阀开关 3 I0 4 排污阀 3 Q0 4 手动排污阀开关 4 I0 5 排污阀 4 Q0 5 手动过滤进水阀开关 I0 6 过滤进水阀 Q0 6 手动出水阀开关 I0 7 出水阀 Q0 7 手动加压泵开关 I1 0 加压泵 Q1 0 手动排水阀开关 I1 1 排水阀 Q1 1 手动排气阀开关 I1 2 排气阀 Q1 2 手动反冲洗泵开关 I1 3 反冲洗泵 Q1 3 手动反冲洗进水阀开关 I1 4 反冲洗进水阀 Q1 4 成都工业学院专科毕业设计 论文 第 17 页 5 至今 20 世纪 70 年代 微处理器的出现使 PLC 发生了巨大的变化 美国 日本 德 国等一些厂家先后开始采用微处理器作为 PLC 的中央处理单元 CPU 这样使 PLC 的 功能大大增强 在软件方面 除了保持其原有的逻辑运算 计时 计数等功能以及 还增加了算数 数据处理和传送 通信 自诊断等功能 在硬件方面 除了保持原 有的开关模拟以为 还增加模拟量模块 远程 I O 模块 各种特殊功能模块并扩大 了储存器的容量 使各种逻辑线圈的数量增加 除此以外 还提供了一定数量的数 据储存器 进入 20 世纪 80 年代中 后期 由于超大规模集成电路技术的迅速发展 微处 理器的市场价格大幅度下跌 使得各种类型的 PLC 所采用的微处理器的档次普遍提 高 而且 为了进一步提高 PLC 的处理速度 各制造厂商还纷纷研制开发出专用逻 辑处理芯片 这样使得 PLC 软 硬件功能发生了巨大变化 3 33 3 PLCPLC 的分类的分类 PLC 发展到今天 已经有了多种形式 而且功能也不尽相同 分类时 一般按 以下原则来考虑 3 3 13 3 1 按按 I OI O 点数容量分类点数容量分类 一般而言 处理 I O 点数越多 控制关系就越复杂 用户要求的程序存储器容 量越大 要求 PLC 指令及其他功能比较多 指令执行的过程也比较快 按 PLC 的输 入 输出点数的多少可将 PLC 分为以下三类 小型机 小型机 PLC 的功能一般以开关量控制为主 小型 PLC 输入 输出点数一般在 256 点以下 用户程序存储器容量在 4K 左右 现在的高性能小型 PLC 还具有一定的 通讯能力和少量的模拟量处理能力 这类的 PLC 的特点是价格低廉 体积小巧 适 合于控制单台设备和开发机电一体化产品 典型的小型机有 SIEMENS 公司的 S7 200 系列 OMRON 公司的 CPM2A 系列 成都工业学院专科毕业设计 论文 第 18 页 5 MITUBISH 公司的 FX 系列和 AB 公司的 SLC500 系列等整体式 PLC 产品 中型机 中型 PLC 的输入 输出总点数在 256 到 2048 点之间 用户程序存储器容量达到 8K 字左右 中型 PLC 不仅具有开关量和模拟量的控制功能 还具有更强的 数字计算能力 它的通信功能和模拟量处理功能更强大 中型机比小型机更丰 富 中型机适用于更复杂的逻辑控制系统以及连续生产线的过程控制系统场合 典型的中型机有 SIEMENS 公司的 S7 300 系列 OMRON 公司的 C200H 系列 AB 公 司的 SLC500 系列等模块式 PLC 产品 大型机 大型机总点数在 2048 点以上 用户程序储存器容量达到 16K 以上 大型 PLC 的 性能已经与大型 PLC 的输入 输出工业控制计算机相当 它具有计算 控制和调节 的能力 还具有强大的网络结构和通信联网能力 有些 PLC 还具有冗余能力 它的 监视系统采用 CRT 显示 能够表示过程的动态流程 记录各种曲线 PID 调节参数 等 它配备多种智能板 构成一台多功能系统 这种系统还可以和其他型号的控制 器互联 和上位机相联 组成一个集中分散的生产过程和产品质量控制系统 大型 机适用于设备自动化控制 过程自动化控制和过程监控系统 典型的大型 PLC 有 SIEMENS 公司的 S7 400 OMRON 公司的 CVM1 和 CS1 系列 AB 公司的 SLC5 05 等系列 3 3 23 3 2 按结构形式分类按结构形式分类 根据 PLC 结构形式的不同 PLC 主要可分为整体式和模块式两类 整体式结构 整体式结构的特点是将 PLC 的基本部件 如 CPU 板 输入板 输出板 电源板 等紧凑的安装在一个标准的机壳内 构成一个整体 组成 PLC 的一个基本单元 主 机 或扩展单元 基本单元上设有扩展端口 通过扩展电缆与扩展单元相连 配有 许多专用的特殊功能的模块 如模拟量输入 输出模块 热电偶 热电阻模块 通信 成都工业学院专科毕业设计 论文 第 19 页 5 模块等 以构成 PLC 不同的配置 整体式结构的 PLC 体积小 成本底 安装方便 微型和小型 PLC 一般为整体式结构 如西门子的 S7 200 模块式结构 模块式结构的 PLC 是由一些模块单元构成 这些标准模块如 CPU 模块 输入 模块 输出模块 电源模块和各种功能模块等 将这些模块插在框架上和基板上即 可 各个模块功能是独立的 外型尺寸是统一的 可根据需要灵活配置 目前大 中型 PLC 都采用这种方式 如西门子的 S7 300 和 S7 400 系列 整体式 PLC 每一个 I O 点的平均价格比模块式的便宜 在小型控制系统中一般 采用整体式结构 但是模块式 PLC 的硬件组态方便灵活 I O 点数的多少 输入点 数与输出点数的比例 I O 模块的使用等方面的选择余地都比整体式 PLC 大的多 维修时更换模块 判断故障范围也很方便 因此较复杂的 要求较高的系统一般选 用模块式 PLC 3 3 33 3 3 按功能分类按功能分类 根据 PLC 所具有的功能不同 可将 PLC 分为低档 中档 高档三类 低档 PLC 具有逻辑运算 定时 计数 移位以及自诊断 监控等基本功能 还可有少量模拟 量输入 输出 算术运算 数据传送和比较 通信等功能 主要用于逻辑控制 顺 序控制或少量模拟量控制的单机控制系统 中档 PLC 除具有低档 PLC 的功能外 还具有较强的模拟量输入 输出 算术运算 数据传送和比较 数制转换 远程 I O 子程序 通信联网等功能 有些还可增设 中断控制 PID 控制等功能 适用于复杂控制系统 高档 PLC 除具有中档机的功能外 还增加了带符号算术运算 矩阵运算 位逻 辑运算 平方根运算及其它特殊功能函数的运算 制表及表格传送功能等 高档 PLC 机具有更强的通信联网功能 可用于大规模过程控制或构成分布式网络控制系 统 实现工厂自动化 成都工业学院专科毕业设计 论文 第 20 页 5 3 43 4 PLCPLC 的硬件基本组成的硬件基本组成 可编程控制器的构成框图和计算机是一样的 都由中央处理器 CPU 存贮器 和输入 输出接口等构成 因此 从硬件结构来说 可编程控制器实际上就是计算机 图 4 2 是其硬件系统的简化框图 从图中可以看出 PLC 内部主要部件 有 1 1 CPUCPU CentralCentral ProcessProcess UnitUnit CPU 是 PLC 的核心组成部分 与通用微机的 CPU 一样 它在 PLC 系统中的作用 类似于人体的神经中枢 故称为 电脑 其功能是 a 按 PLC 中系统程序赋予的功能 接收并存储从编程器输入的用户程序和数 据 b 用扫描方式接收现场输入装置的状态式数据 并存入映象寄存器或数据寄存 器中 c 诊断电源 PLC 内部电路的工作状态和编程过程中的语法错误 d 在 PLC 进入运行状态后 从存储器中逐条读取用户程序 经过命令解释后按 指令规定的任务 产生相应的信号 去启闭有关控制门电路 分时分渠道地去执行 数据的存取 传送 组合 比较和变换等操作 完成用户程序中规定的逻辑式算术 运算等任务 根据运算结果 更新有关标志位的状态和输出映象寄存器的内容 再 由输出映象寄存器的位状态式数据寄存器的有关内容 实现输出控制 制表 打印 式数据通讯等 PLC 常用的 CPU 主要采用通用微处理器 单片机或双极型位片式微处理器 通 用的微处理器常用的是 8 位机和 16 位机 如 Z80A 8085 8086 6502 M6800 M6809 M68000 等 单片机常用的有 8039 8049 8031 8051 等 双极型位片式微处理器常用的有 AMD2900 AMD2903 等 用通用微处理器作 CPU 在低档 PLC 中 用 Z80A 做 CPU 较为普遍 Z80A 用于 PLC 有如下长处 成都工业学院专科毕业设计 论文 第 21 页 5 Z80 或 Z80A CPU 及其配套的芯片廉价 普及 通用 用这套芯片制成的 PC 给 维修及推广普及带来方便 Z80 有独立的输入 输出指令 而且指令格式较短 执行 时间也较短 这样有利于扫描周期的缩短 Z80 输入 输出指令格式较短 相应的输 入 输出设备编码也较短 所以相应的译码硬件器较简单 由于 Z80 的信息是采用输 入 输出映射方式 因而设计流程序时 对输入 输出与存储器寻址容易区别 用单片机作 CPU 自从 1974 年出现单片机以来 已有不少产品采用单片机做可编程序控制器 日本三菱 F 系列 PLC 就采用美国 INTEL 公司 MES 48 系列的单片机 8049 和 8039 做 处理器 8039 单片机在一块片子上集成了 8 位的 CPU 128 8 的数据存储器 27 条输入 输出线 T0 T1 INT 测试线及 8 位定时器 计数器 时钟振荡电路等 自 80 年代以来 出现了集成度更高 功能更强 并带有 布尔机 而又便于作 数据通信的 MCS 51 系列单片机以及功能更高的 16 位单片机 大有取代 MCS 48 系 列之势 日本三菱的 F2 系列 PLC 即采用 CPU8031 MCS 51 系列单片机是美国 INTEL 公司在 MCS 48 单片机基础上 于 80 年代初推出的产品 具有高集成度 高 可靠性 高功能 高速度 低价格等特点 它有三个代表产品 8051 8751 和 8031 它们分别有不同的应用特性 8051 是以 4K 字节 EPR0M 代替 4K 字节的 R0M 的 8051 8031 是内部无 R0M8051 必须外接 EPR0M INTEL 公司的 96 系列的单片机 字长为 16 运算速度比 51 系列更高 这必将为高档次的 PLC 开发和应用带来美好 的远景 用单片机制成的 PLC 有以下显著特点 为机电设备一体化创造了条件 因 为由单片机制成 PLC 体积更小 同时 PLC 逻辑功能很强 并且具有数值运算和通 信接口 用位片式微处理器作 CPU 位片式微处理器的主要特点是 速度快 灵活性强 效率高等特点 可以进行 级联 易于 流水线 操作 2 2 系统程序存储器 系统程序存储器 它用以存放系统工作程序 监控程序 模块化应用功能子程序 命令解释功能 子程序的调用管理程序 以及对应定义 I 0 内部继电器 计时器 计数器 移 成都工业学院专科毕业设计 论文 第 22 页 5 位寄存器等存储系统 参数等功能 3 3 用户存储器 用户存储器 用以存放用户程序即存放通过编程器输入的用户程序 PLC 的用户存储器通常 以字 16 位 字 为单位来表示存储容量 同时 由于前面所说的系统程序直 接关系到 PLC 的性能 不能由用户直接存取 因而通常 PLC 产品资料中所指的存 储器型式或存储方式及容量 是对用户程序存储器而言 常用的用户存储方式及容量型式或存储方式有 CM0SRAM EPR0M 和 EEPR0M 信 息储存常用盒式磁带和磁盘 M0SRAM 存储器是一种中高密度 低功能 价格便宜的半导体存储器 可用锂电 池作为备用电源 一旦交流电源停电 用锂电池来维持供电 可保存 RAM 内停电前 的数据 锂电池寿命一般为 1 5 年左右 EPR0M 存储器是一种常的只读存储器 定入时加高电平 擦除时用紫外线照射 PLC 通过写入器可将 RAM 区的用户程序固化到 R0M 盒中的 EPR0M 中去 在 PLC 机中 插入 R0M 盒 PLC 则执行 R0M 盒中用户程序 反之 不插上 R0M 盒 PLC 则执行 RAM 区用户程序 EEPR0M 存储器是一种可用电改写的只读存储器 4 4 输入输出组件 输入输出组件 I 0I 0 模块 模块 I 0 模块是 CPU 与现场 I 0 装置或其它外部设备之间的连接部件 PLC 提供了 各种操作电平与驱动能力的 I 0 模块和各种用途的 I 0 组件供用户选用 如输入 输 出电平转换 电气隔离 串 并行转换数据 误码较验 A D 或 D A 转换以及其它 功能模块等 I 0 模块将外界输入信号变成 CPU 能接受的信号 或将 CPU 的输出信 号变成需要的控制信号去驱动控制对象 包括开关量和模拟量 以确保整个系统正 常工作 输入的开关量信号接在 IN 端和 0V 端之间 PLC 内部提供 24V 电源 输 入信号通过光电隔离 通过 R C 滤波进入 CPU 控制板 CPU 发出输出信号至输出端 PLC 输出有三种型式 继电器方式 晶体管方式和晶闸管方式 5 5 编程器 编程器 编程器是用于用户程序的编制 编辑 调试检查和监视等 还可以通过其键盘 成都工业学院专科毕业设计 论文 第 23 页 5 去调用和显示 PLC 的一些内部状态和系统参数 它通过通讯端口与 CPU 联系 完成 人机对话连接 编程器上有供编程用的各种功能键和显示灯以及编程 监控转换开 关 编程器的键盘采用梯形图语言键符式命令语言助记符 也可以采用软 件指定的功能键符 通过屏幕对话方式进行编程 编程器分为简易型和智能型两类 前者只能连机编程 而后者既可连机编程又 可脱机编程 同时前者输入梯形图的语言键符 后者可以直接输入梯形图 根据不 同档次的 PLC 产品选配相应的编程器 6 6 外部设备 外部设备 一般 PLC 都配有盒式录音机 打印机 EPR0M 写入器 高分辨率屏幕彩色图形 监控系统等外部设备 7 7 电源 电源 根据 PLC 的设计特点 它对电源并无特别要求 可使用一般工业电源 3 53 5 PLCPLC 选型选型 由于设计的污水处理控制系统是应用在小规模的污水处理 PLC 可以用于代替 几点起的简单控制场合 也可以用用于复杂的自动化控制系统 由于他有极强的通 信功能 在大型网络控制系统中也能充分发挥起作用 PLC 在下列领域中已经得到 了广泛的应用 机床控制 食品工业 化学工业 陶瓷工业 电力自动化 设备 实验室设备 电梯 中央空调 真空装置 恒压供水和化工系统各种泵和电 磁阀的控制等 西门子 S7 200 PLC 在污水处理控制系统中的应用 属于在该系列 PLC 的典型应用 含油污水过滤控制系统的核心是 PLC 哪些信号需要输入至 PLC PLC 需要哪些 负载 以及采用何种编程方式 都是需要认真考虑的问题 都会影响到其内部 I O 点数的分配 因此 I O 点数的确定是设计含油污水过滤自动控制首先需 要解决的问题 决定着系统硬件部分的设计 也是系统软件编写的前提 由于工 艺流程比较固定 环境条件比较好 所以选用西门子 S7 200 PLC 成都工业学院专科毕业设计 论文 第 24 页 5 3 63 6 西门子西门子 S7 200S7 200 PLCPLC 的特点的特点 S7 200S 是西门子自动化与驱动集团开发 生产的整体式小型 PLC S7 200 PLC 除了能够惊醒传统的继电逻辑控制 计数与计数控制 还能进行复杂的数学 运算 处理模拟量信号 并可支持多种协议和形式与其他智能设备进行数据通信 S7 200 的核心部件是 CPU 即中央处理器 实际的工艺计算就在 CPU 中进行 开发人员必须根据实际的工艺要求 在软件开发环境中选择合适的指令 把它们编 辑 组合成能够完成上述功能的程序并下载到 CPU 中执行 S7 200 的指令丰富 结构紧凑 指令功能强大 易于掌握 操作方便 同时它 的扩展性良好 内置有高速计数器 高速输出 PID 控制器 RS 485 通信 编程接口 PPI 通信协议 MPI