基于PLC和组态软件的污水处理厂监控系统.doc

题 目：基于PLC和组态软件的污水处理厂监控系统 摘要 近年来，随着我国工业化程度不断提高和城市人口密度的不断增加，污水处理厂规模不断扩大，污水处理厂的管理和设备的控制面临严峻的考验。 本课题研究了基于PLC和组态王对污水处理厂的监控系统的实现。该水处理系统采用SBR (Sequencing Batch Reactor Activated Sludge Process)污水处理工艺。根据SBR污水处理工艺要求，本课题研究了如何实现集散控制系统对该厂污水处理系统各环节的自动控制，其中主要包括下位机如何实现对现场设备的控制，上位机如何对现场设备的运行状态的监控和上下位机如何通讯。 集散控制系统的下位机选用PLC作为现场控制设备。本课题根据SBR污水处理工艺要求对下位机PLC以及现场各种传感器进行了硬件选型。除此之外，还根据污水处理的工艺要求，编写了相应的PLC控制程序，重点介绍了预处理区的PLC自动控制程序。 集散控制系统的上位机选用PC机作为监控机实现对现场设备的运行状态的在线监控以及运行状态的调整。通过上位机监控，工人可以及时了解现场设备的工作状况并且保证对现场设备出现的故障得到有效的排除。本课题上位机监控界面设计以组态王6.55作为开发平台，其中监控界面主要包括登录界面、总体流程图界面，预处理参数界面和反应池参数等界面。 关键字： 集散控制系统; PLC; 组态王; 现场总线ABSTRACT These years, the scale of sewage treatment factory is becoming bigger than ever by the development of our industry and increase of population density. This topic based on PLC and kingview are studied for the implementation of sewage treatment plant monitoring system，The factory treats wasting water using the craft of SBR(Sequencing Batch Reactor Activated Sludge Process). This paper mainly introduces how to realize the client controls the field devices. Besides, it also designs how to realize the server monitors the devices and how to communicate between the client and the server. Using PLC as the client device,DCS realize to control the machines automatically. This paper not only introduces how to choose PLC and sensors but also demonstrate how to set the parameters of hardware, based on the requirement of SBR. Besides, this paper makes the PLC control program of the field devices,the important to including the preprocess area. The server device of DCS, which is PC, is used as a monitor as to supervise the condition of machines. Through the monitor, workers can easily locate the trouble and remove the fault. The interface of monitor is designed, using the kingview 6.55 as tools.The interface of monitor includes log interface, general flow interface,preprocess parameter interface, reacting pool parameter interface etc. Keywords DCS; PLC; kingview; Field busI目录第一章 绪论11.2课题研究的目的和意义11.3 国内外生活污水处理发展现状21.3.1 国内生活污水处理现状21.3.2 国外生活污水处理现状31.4 本课题研究的主要内容3第二章 污水处理厂的系统研究42.1 SBR法的介绍及主要的工艺参数指标52.1.1 SBR法的介绍52.1.2 主要的工艺参数指标52.2 SBR法的工艺流程图及主要设备52.2.1 SBR法的工艺流程图52.2.2 主要设备62.3 工艺流程过程及本课题的重点研究过程62.3.1 工艺流程过程62.3.2本课题的重点研究过程72.4 污水处理厂的监控系统的构成72.4.1 上位机人机界面系统72.4.2 PLC 控制系统72.4.3 控制台、柜及附件82.4.4 设备就地操作、保护装置及信号传感器8第三章 下位机控制系统的总体设计103.1总体功能设计103. 2硬件选型113.2.1系统用到的设备的硬件选型：113. 2. 3西门子PLC工作原理及特点133. 2. 4西门子PLC的选择153. 2. 5传感器的选择及连接173. 3 PLC程序设计183.3.1 PLC控制系统设计的基本步骤183. 4预处理区PLC控制程序193.4.1 粗格栅PLC控制程序213.4.2提升泵PLC控制程序223.4.3细格栅PLC控制程序233.5系统实例中的网络组态25第四章 监控系统的设计284.1组态软件简介284.2 监控系统的设计28第五章 结论32参考文献33附录1：PLC程序34附录2：电气连接原理图37致谢40装订 线 本科毕业论文第一章 绪论 1.1 课题的研究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。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。 1.2课题研究的目的和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。 1.3 国内外生活污水处理发展现状 1.3.1 国内生活污水处理现状我国现有城市污水处理厂，80%以上采用的是活性污泥法，其余采用一级处理、强化一级处理、稳定塘法及土地处理法等。随着我国对水环境质量要求的提高，特别是对出水氮、磷的要求提高，使得新建城市污水处理厂必须考虑氮磷的去处问题。由此开发了许多改进型活性污泥工艺技术，如氧化沟法、A2/0法等。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，都远远落后十发达国家。总的来说，临着重重困难，我国污水处理仍处于发展阶段，目前还存在很多制约因素，其发展过程面临着重重困难，主要表现在以下二方面：首先，受水污染治理行业本身发展水平的制约。如:企业小、生产规模小、生产产品生产趋同性明显，专业化分工不足;市场竞争力脆弱产品加工一般比较简陋，产品质量保障体系不健全，产品质量不高;目前不具备参与国际竞争的能力。其次，市场发育的不完善也是一个重要制约因素。目前，相关市场的秩序还比较混乱，市场管理不力，行政性的市场干预严重，市场销售中质量和技术难以成为购买的主要因素，行业组织尚未发挥应有作用。第三，污水处理工艺选择不结合本地区的实际情况，而是选组热门工艺。选择污水处理工艺时，出现单纯追求工艺新，追求时髦工艺，不考虑本地区的进水水质、处理水量以及出水用途的问题，以致造成设施设备闲置，增大了建设投资也提高了日常运转成本。此外污泥没有真正达到无害化，没有最终处置的途径，给环境带来再次污染的隐患。从总体上看，我国的污水处理能力还远远不能满足需要。污水处理厂绝大部分是一、二级污水处理，与实际需要相差甚远。污水设备存在着效率低、能耗高、维修率高、自动化程度低等缺点。而在欧美、日本等一些发达国家，已经普遍施行了城市污水的集中二级处理、二级强化处理，以及一定程度的二级处理。我国水处理的落后不仅体现在污水处理厂的数量上，更重要的是，我国的自动控制水平与发达国家相比还存在较大差距，控制技术不能满足许多复杂工艺的要求，导致污水处理率严重低下。污水处理控制系统存在着以下特点及不足:(1)各种类型及层次的控制系统并存，良荞不齐。大型污水处理厂一般是全套引进，控制系统技术先进、可靠性高，但投入和维护成本巨大，目前不利于消化。中小型处理厂则不同程度存在着应变能力差、自动化程度低、故障率高等问题。(2)开始采用新技术、新工艺及智能元件。分布式控制系统开始大量应用，总线控制系统也发展迅速，并结合自身条件去探索新的工艺。(3)控制系统的监控及通讯功能存在着极大不足，控制系统之间协调性不够，一般不使用远程控制功能。(4)自动控制系统的相关配套产品的质量、技术、品种急需提高。1.3.2 国外生活污水处理现状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。这些国家在研究水处理新理论和工艺的同时，也重视污水处理自控系统的研究。这些国家先后投资研究高效型、智能型、集约型污水处理设备和自动化控制仪表。一些发达国家经过几十年的努力，污水处理率己经达到了80%-90%，成功的解决了来自于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，如以色列的污水回用率达到了90%。由于控制技术、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一I一H公司，美国的哈希公司相继研制了溶解氧DO (DissolvedOxygen)、化学需氧量COD (Chemical Oxygen Demand)分析仪。国外污水处理自控系统主要存在以下几个特点:(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是上下级关系，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，负责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。 1.4 本课题研究的主要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自动控制和上位机的组态监控画面设计，主要进行的工作如下:1、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，设计对应的实时监控系统。2、如何根据工艺要求，实现对现场控制设备PLC的选型以及各种传感器的选型。3、如何利用PROFIBUS网络实现污水处理厂的现场设备与PLC的通讯，以及PLC与上位PC机的通讯，提高集散控制系统的实时性和稳定性。4、如何利用组态软件进行监控界面的设计，改进系统的监控功能。第2章 污水处理厂的系统研究 2.1 SBR法的介绍及主要的工艺参数指标 2.1.1 SBR法的介绍SBR是序列间歇式活性污泥法（Sequencing Batch Reactor Activated Sludge Process）的简称，是一种按间歇曝气方式来运行的活性污泥污水处理技术，又称序批式活性污泥法。与传统污水处理工艺不同，SBR技术采用时间分割的操作方式替代空间分割的操作方式，非稳定生化反应替代稳态生化反应，静置理想沉淀替代传统的动态沉淀。它的主要特征是运行上的有序和间序操作，SBR技术的核心是SBR反应池，该池集均化、沉淀、生物降解、二沉等功能于一池，无污泥回流系统。 2.1.2 主要的工艺参数指标 污水处理主要工艺参数指标包括悬浮固体(SS)，总需氧量(TOD)。一般二级污水处理厂都严格控制悬浮固体(SS)和生化需氧量(BOD)两项指标，把它们作为出水水质的主要指标。指标悬浮固体(SS)指进水或出水中悬浮颗粒的浓度。SS为水中物质的存在形态(胶体物，溶解物)之一。生化需氧量(BOD)在有氧条件下，好氧微生物氧化分解单位体积水中有机物所消耗的游离氧的数量，表示单位为氧的毫克/升(O,mg/l)。出水工艺参数指标为:BOD20mg/L,SS5mg/L。 2.2 SBR法的工艺流程图及主要设备 2.2.1 SBR法的工艺流程图本课题的污水处理厂生活污水处理工艺采用SBR法即序列间歇式活性污泥法工艺。具体工艺流程图如2-1图。图2-1 工艺流程图2.2.2 主要设备主要工艺设备有粗格栅除污机、细格栅除污机、提升泵、沉淀池，两个反应池以及污泥处理池。粗格栅，细格栅用于过滤水中的杂质。沉淀池主要用于调节水质为反应池的反应准备。沉淀池、反应池和污泥处理池配套一些相关辅助设备以及传感器。 2.3 工艺流程过程及本课题的重点研究过程 2.3.1 工艺流程过程首先污水通过总管道进入污水处理系统。污水首先经过粗格栅过滤掉较大的杂质，由提升泵将污水输送至下个工序，然后污水经过细格栅过滤掉较小的杂质后，最后送到沉淀池。接下来在沉淀池中进行水质的调节，为下一步的反应池的处理进行准备。污水由提升泵打到反应池中进行除磷脱氮处理。反应完成后上层的清夜取出供用户使用。池底的污泥一部分通过剩余污泥泵返回到反应池，另一部分输送到污泥处理车间进行泥饼的制作。根据本课题SBR工艺的具体工艺流程的控制要求，污水处理系统主要分为三个区，即预处理区、反应池区，污泥处理区，其中预处理区主要实现机械处理阶段，过滤较大的杂质，同时调节水质。反应池区主要是生化处理阶段。污泥处理区主要针对水处理产生的污泥进行处理，由于工艺是独立的，所以单独划分为一个区。其中对预处理区控制主要包括粗格栅、细格栅、提升泵、沉淀池四个主要工艺设备的自动控制。反应池区主要包括两个SBR反应池。污泥处理区主要包括对输送机、浓缩脱水一体机以及一些进出水阀门。 2.3.2本课题的重点研究过程本课题中我主要研究和设计预处理区，实现对机械处理阶段的控制。通过对粗格栅、细格栅、提升泵、沉淀池四个主要工艺设备的自动控制。 2.4 污水处理厂的监控系统的构成污水处理厂的监控系统常由四部分组成：第一，上位机人机界面系统，包括上位计算机、人机界面操作软件、污水处理厂的监控系统管理件；第二，PLC 控制系统，包括 PLC 主机及数据采集模块、PLC 控制软件、PLC 各分站之间的通讯网络及通讯协议、PLC 与上位机人机界面系统的通讯网络及通讯协议；第三，控制台、柜及附件，包括安放上位机的控制操作台、安放 PLC 的控制柜、安放信号隔离继电器的控制柜、控制电源分配柜等；第四，设备就地操作、保护装置及信号传感器，包括设备的一次和二次控制执行元件、信号检测装置等；2.4.1 上位机人机界面系统上位机人机界面系统，是污水处理厂监控和管理终端，是污水处理厂的监控系统的人机互动部分，是人为操作指令的输入部分，也是现场控制信息和计算信息的存储场地。在绝大多数煤传输系统中，都配置两套上位机人机界面系统，一套作为系统运行的操作员站，另一套作为系统维护的工程师站（该站兼有备用操作员站的功能）。 2.4.2 PLC 控制系统PLC 程序控制系统是污水处理厂监控系统的控制核心，主要用来采集现场设备的保护和状态信号，然后经过 CPU 进行逻辑和数学计算后，发出相应的控制指令，从而对污水处理厂监控系统的所有设备进行合理的控制。一般污水处理厂的监控系统使用的 PLC 系统都是比较流行的知名品牌，如德国 SIEMENS 品牌S7-400S7-300 系列产品、美国 AB 品牌 CONTROLLOGIX5500 系列产品等。在污水处理厂的监控系统中，PLC 控制系统大都配置有一个本地站（即含有工作主机 CPU 的数据采集机站）和若干个 I/O 远程分站（不含 CPU，仅含用于采集数据的输入、输出 PLC 模块），本地站与 I/O 分站之间根据不同的 PLC 品牌采用不同配置的数据总线进行连接和通讯；常用的包括SIEMENS 品牌的 PROFIBUS-DP 总线（通讯介质为屏蔽双绞线，传输速率根据传输距离在 187.5K 到 12M 之间可调）、AB 品牌的 CONTROLNET 总线（通讯介质为同轴电缆，传输速率可达到 5M）等。目前，PLC 控制系统的数据采集模块一般都选用DC24V 供电模式，数字量的输入、输出模块常选用 32 通道模块，模拟量输入模块选用8或16 通道模块，模拟量输出模块选用 4 或 8 通道模块。PLC 系统与上位人机界面系统的通讯网络，是操作员控制指令和受控设备工作状态的传输通道，如果此网络通讯不正常，就无法保证控制系统的真正受控。目前的污水处理厂的监控系统中，PLC 系统与上位机之间通常采用工业以太网进行通讯，通讯协议为 TCP/IP，通讯介质为普通网线或光纤，通讯速率采10/100M 自适应方式。该通讯方式组网方便，技术成熟，工作稳定，上位机通讯硬件采用普通以太网卡，采购方便、成本低廉。2.4.3 控制台、柜及附件污水处理厂监控系统的控制台、柜是系统正常使用的辅助设施，给上位机及 PLC 元件提供了安装位置和必要的保护，包括操作台、电源柜、PLC 控制柜、信号隔离控制柜等。操作台通常设置在污水处理厂室内，根据功能和安放空间进行设计、制作，属于非标产品。一般采用前、后开门方式，在台上安置污水处理厂的监控系统上位机显示器，台体内放置污水处理厂的监控系统上位主机，台面上布置系统紧急停机按钮和电话、广播呼叫装置。操作台内都设有电源插座和通风冷却风扇。电源柜内设置程控系统所需的成套控制电源，随 PLC 本地站和 I/O 远程分站分别配置，一般系统有几个 PLC 站就有几套电源柜。电源柜内的供电装置输入电源一般为 AC220V，输出电源一般为 AC220V 和 DC24V，为了保证电源系统的连续供电，电源柜的输入端常采用双路同时供电，一路是工作电源、一路是备用电源，在工作电源出现故障时，备用电源立即投入工作。PLC 控制柜主要用来安装 PLC 系统，分布在 PLC 本地站和 I/O 远程分站内。本地站的 PLC 控制柜内，一般包括主机架、电源模块、远程 I/O接口模块、CPU 控制器、与上位机通讯的以太网模块；另外，还装有本地站监控数据采集的 I/O 模块、模块安装机架、与 PLC 主机系统通讯的 I/O 适配装置等。在各 I/O 分站的 PLC 控制柜内，主要安装了远程监控数据采集的 I/O 模块、模块安装机架、与 PLC 主机系统通讯的 I/O 适配装置等。信号隔离控制柜，是信号隔离装置的安置空间。2.4.4 设备就地操作、保护装置及信号传感器设备控制的就地执行元器件、保护装置及传感器系统，是污水处理厂监控系统的重要组成部分，该部分元件如果选择不当或工作不正常，就要造成整个控制系统处于大脑发达四肢不灵的状态。设备控制的执行元器件通常选用优质的通用元器件，如空气开关、接触器、热继电器（电流综合保护器）、电流互感器、按钮、选择开关、信号继电器、就地指示灯及显示仪表等。污水处理厂监控系统的保护装置及信号传感器，总结起来包括以下几类装置：（1）、粗格栅污水液位差高于预设值的信号检测装置。（2）、提升泵没有按预期时间进行替换的信号检测装置。（3）、提升泵超过超高液位的信号检测装置。(4)、细格栅污水液位差高于预设值的信号检测装置。第三章 下位机控制系统的总体设计下位机主要实现对现场设备的控制以及进行数据采集功能。它充当集散控制系统中的现场控制站角色，集散控制系统的主要功能由下位机来实现。同时系统的稳定性以及可靠性也是由下位机来保证的。因此对它的设计生产以及安装都有很高要求。一般都采用专门的工业级计算机系统。本课题的下位机设计主要是在满足工艺的要求下，系统的稳定性的前提下尽可能降低控制系统的成本。3.1总体功能设计本课题集散控制系统上位机采用PC机作为操作员站，主要实现监控功能和对现场设备运行状态调整的功能。下位机采用PLC作为现场控制站，主要实现对现场设备的控制、数据采集和反馈控制功能。上位机采用普通的PC机加CP5613通讯卡，通过插在PC工插槽的CP5613通讯卡实现与下位机PLC的通讯。由于监控室没有强的干扰源，因此采用普通的PC机可以保证与下位机的通讯的稳定性。同时由于数据传输量不是很大可以满足通讯处理要求。由于PC机配置比较高，可以及时处理控制过程中产生的数据，可以满足工艺的要求。根据本课题SBR工艺的具体工艺流程的控制要求，污水处理系统主要分为三个区，即预处理区、反应池区，污泥处理区，其中预处理区主要实现机械处理阶段，过滤较大的杂质，同时调节水质。反应池区主要是生化处理阶段。污泥处理区主要针对水处理产生的污泥进行处理，由于工艺是独立的所以单独划分为一个区。因此采用三台PLC作为下位机，实现对现场设备的控制。同时PLC可以适应严酷的工作环境，同时还能保证工作的稳定性。其中对预处理区控制主要包括粗格栅、细格栅、提升泵、沉淀池四个主要工艺设备的自动控制。反应池区主要包括两个SBR反应池。污泥处理区主要包括对输送机、浓缩脱水一体机以及一些进出水阀门。上位机采用组态王软件进行监控画面的设计。其中上位机采用两台PC机互为备份，一台作为主监控机，另一台作为从监控机。当主操作员站出现问题可以立即切换到另一台作为主操作员站。当主操作员站修复好了就可以切换回到主操作员站，这样提高了系统的稳定性。总体结构图如3-1图所示。图3-1 总体结构图 3.2硬件选型 3.2.1系统用到的设备的硬件选型：表3-1 系统元器件选型序号元器件名称元器件代号型号数量1刀开关QSHR1-60132按钮开关SBLA19-11B/D63转换开关SASZLW5-1634拉绳开关SLRN5-II145热继电器FRJR16-20126熔断器FUNGT0036表3-2 系统电机选型电机代码电机名称电机型号电机参数（功率）M1粗格栅1#格栅除污机电动机Y132S2-27.5kwM2粗格栅2#格栅除污机电动机Y132S2-27.5kwM3粗格栅栅渣运输机电动机Y16M1-211kwM4粗格栅压榨机电动机Y16M1-211kwM51#提升泵25FZB-20L2.2KWM62#提升泵25FZB-20L2.2KWM73#提升泵25FZB-20L2.2KWM84#提升泵25FZB-20L2.2KWM9细格栅1#格栅除污机电动机Y132S2-27.5kwM10细格栅2#格栅除污机电动机Y132S2-27.5kwM11细格栅栅渣运输机电动机Y16M1-211kwM12细格栅压榨机电动机Y16M1-211kwM131#搅拌机电动机TQJ-615-4805.5KWM142#搅拌机电动机TQJ-615-4805.5KWM151#排泥泵WQ-80-65-257.5KWM162#排泥泵WQ-80-65-257.5KWM17沉淀池输送机电动机Y16M1-211kwM18沉淀池1#回流泵QHB-W5.5-6005.5kwM19沉淀池2#回流泵QHB-W5.5-6005.5kw 3.2.2 系统主电路分析及设计：1、主电路图见附录22、系统主电路分析：本设计的污水处理厂的预处理区主要对粗格栅、细格栅、提升泵、沉淀池四个主要工艺设备的自动控制，本设计采用以PLC为控制核心控制整个过程的运行，4个电机（M1-M4）完成了污水经过粗格栅过滤掉较大的杂质工序，4个提升泵（M5-M8）完成了对水位的提升并输送至下一工序，然后4个电机（M9-M12）完成了污水经过细格栅过滤掉较小的杂质工序，最后由2个排泥泵（M15-M16）、2个回流泵（M18-M19）和1个输送机（M17）完成沉淀池这一工序。 3.2.3 西门子PLC工作原理及特点PLC的基本概念可编程控制器(Programmable Controller)是计算机家族中的一员，是为工业控制应用而设计制造的。早期的可编程控制器称作可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller)，简称PLC，它主要用来代替继电器实现逻辑控制。随着技术的发展，这种装置的功能已经大大超过了逻辑控制的范围，因此，今天这种装置称作可编程控制器，简称PC。但是为了避免与个人计算机(Personal Computer)的简称混淆，所以将可编程控制器简称PLC 。二、PLC的基本结构 PLC实质是一种专用于工业控制的计算机，其硬件结构基本上与微型计算机相同：a. 中央处理单元(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映象区，然后从用户程序存储器中逐条读取用户程序，经过命令解释后按指令的规定执行逻辑或算数运算的结果送入I/O映象区或数据寄存器内。等所有的用户程序执行完毕之后，最后将I/O映象区的各输出状态或输出寄存器内的数据传送到相应的输出装置，如此循环运行，直到停止运行。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。b、存储器存放系统软件的存储器称为系统程序存储器。存放应用软件的存储器称为用户程序存储器。C、电源 PLC的电源在整个系统中起着十分重要得作用。如果没有一个良好的、可靠得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。三、PLC的工作原理PLC工作过程分为3个阶段:上电处理、PLC扫描过程和出错处理1、 上电处理PLC上电后对PLC系统进行一次初始化工作，包括硬件初始化、I/0模块配置运行方式检查、停电保持范围设定及其它初始化处理等.这些是PLC内部处理阶段，这些程序是厂家在PLC出厂时就已经固化好了的，与用户的控制程序无关，一般比较固定，其运行时间与用户的程序运行时间相比，要短的多。2、PLC扫描过程当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，PLC的CPU以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。(一) 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映象区中的相应得单元内。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映象区中的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。(二) 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地扫描用户程序(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映象区中对应位的状态；或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。即在用户程序执行过程中，只有输入点在I/O映象区内的状态和数据不会发生变化，而其他输出点和软设备在I/O映象区或系统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。(三) 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映象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设。这时，才是PLC的真正输出。 出错处理在PLC每个扫描周期都要执行一次自诊断检查，以确定PLC自身的动作是否正常，如CPU、电池电压、程序存储器、I/o、通信等是否异常或出错。若检查出异常，CPU面板上的LED及异常继电器会接通，在特殊寄存器中存入出错代码。当出现致命错误时，CPU被强制为STOP模式，所有的扫描停止。目前，随着生产自动化程度的日益提高，PLC 系统经常作为控制系统的核心进行使用，总结起来其主要有以下几个特点：（1）可靠性高，抗干扰能力强。PLC 由于采用现代大规模集成电路技术，采用严格的生产工艺制造，内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性。（2）配套齐全，功能完善，适用性强。PLC 发展到今天，已经形成了大、中、小各种规模的系列化产品。可以用于各种规模的工业控制场合。除了逻辑处理功能以外，现代 PLC大多具有完善的数据运算能力，可用于各种数字控制领域。（3）易学易用，深受工程技术人员欢迎。PLC 作为通用工业控制计算机，是面向工矿企业的工控设备。它接口容易，编程语言易于为工程技术人员接受。梯形图语言的图形符号与表达方式和继电器电路图相当接近，只用 PLC 的少量开关量逻辑控制指令就可以方便地实现继电器电路的功能。（4）系统的设计、建造工作量小，维护方便。PLC 用存储逻辑代替接线逻辑，大大减少了控制设备外部的接线，使控制系统设计及建造的周期大为缩短，同时维护也变得容易起来。（5）体积小，重量轻，能耗低。以超小型PLC为例，新近出产的品种底部尺寸小于100mm，重量小于 150g，功耗仅数瓦。3. 2. 4西门子PLC的选择任何一种电气控制系统都是为了实现被控对象(生产设备或生产过程)的工艺要求，以提高生产效率和产品质量。因此在设计PLC控制系统时，应遵循以下基本原则:(1)最大限度地满足被控对象和用户的控制要求。设计前应该深入现场进行调查研究，收集资料，并与相关部分的设计人员和实际操作人员密切配合，共同拟订控制方案，协同解决设计中出现的各种问题。(2)在满足控制要求的前提下，力求使控制简单、经济，使用及维修方便。（3)保证控制系统的安全、可靠。(4)考虑到生产的发展和工艺的改进，在选择PLC容量时，应适当的留有余量。其中PLC的选择包括机型的选择、CPU的选择、I/O模块的选择、电源模块选择等。下面具体介绍本课题的PLC选择:机型选择:本课题主要选用西门子PLC S7-300系列。主要根据如下:(1)选用该机型可以满足SBR水处理工艺控制要求。(2)西门子PLC目前应用比较成熟，技术上有保证，目前有丰富的成功经验可以鉴戒，缩短系统开发的周期，降低成本。(4)西门子S7-200通讯功能比较弱，不利于上下位机的通讯，同时功能比较简单，不能满足控制要求。S7-400主要用于大型的集散控制系统中。由于选用S7-300就可以满足工艺控制要求，避免大马拉小车的现象。因此没有必要选择S7-400,增加成本。S7-300PLC的CPU模块选型。西门子PLC S7-300是模块式结构。其中CPU模块分为紧凑型、标准型，革新型、户外型和故障安全型。其中紧凑型的CPU用于要求响应快速并具有许多特殊功能的装备。户外型和故障安全型的主要用于特殊场合。革新型是标准型的改进产品价格比标准型高。因此选用标准型CPU。其中标准型CPU又分为模块具有现场总线扩展功能和不带现场总线扩展功能两种类型。由于本控制系统要与上位进行通讯，同时与现场设备进行通讯因此必须选用带现场总线扩展功能的。综合性价比与控制要求选用CPU315-2DP。这种CPU带有两个PROFIBUS-DP接口，可以建立一个DP网络，实现PLC与现场设备的通讯。预处理区、反应池区、污泥处理区都选用该类型的CPU。S7-300PLC的输入输出模块的选择。本课题中输入量主要以模拟量为主，输出量以数字量为主。因此输入模块选择模拟量输入模块为主，同时利用CPU上面自带的数字量输入点可以满足输入设备的要求；输出模块主要选择是数字量输出模块，同时利用CPU自带的模拟量输入点可以满足输出设备的控制要求。其中预处理区选择型号为数字量输出模块SM323 DI16/D016X 24V/0.5A，模拟量输入模块选择型号为SM335 AI4/A04 x 14/12Bit。其他模块的选择。主要包括机架，以及接口模块的选择。接口模块主要实现主机架与扩展机架的连接。由于主机架上面安装的模块有限，当安装的模块大于主机架所能允许的模块的数量时或者设备比较分散不能装在同一个地方就必须用扩展机架。接口模块主要用来连接主机架和扩展机架，实现主机架与扩展机架的通讯。这里机架选择型号为PS307 5A。接口模块使用IM153-2。由于现场设备比较分散，因此不可能全部装在主机架上，因此现场设备主要采用ETM200远程模块与主机架实现通讯，通过把相应的输入输出模块插在远程通讯模块ET200M上。其中预处理区需要四个远程模块，分别为粗格栅，细格栅，提升泵，沉淀池四个设备输入输出模块提供接口实现与主机架上的CPU通讯。表3-3 模块选型表序号设备部件名称型号数量主要技术参数生产厂家1S7-300CPU模块CPU315-2DP22最多处理中央区模拟通量256通道，数字量1024通道，模块继集成多个高速输入计数通道和输出脉冲通道。德国SIEMENS2S7-300模拟量输入模块SM335116通道，24VDC信号德国SIEMENS3S7-300数字量输出模块SM323116通道，24VDC信号德国SIEMENS4S7-300PROFIBUS模块CP342-51支持PROFIBUS从站协议德国SIEMENS5分布式I/O站接口模块IM153-21支持PROFIBUS从站协议德国SIEMENS6机架PS 30715A德国SIEMENS7远程通讯模块ET200M1德国SIEMENS 3.2.5传感器的选择及连接传感器在集散控制系统中扮演着相当于人的眼睛作用。它为集散控制系统提供系统运行的信息。PLC通过传感器采集到的信息来采取相应的动作，实现对系统的调节。当传感器发生故障时候，系统也就失去了信息的输入源，系统就会出现盲目运转。因此传感器在集散控制系统中起着及其重要的作用，是集散控制系统不可缺少的组成部分。一、液位传感器以及液位差传感器的选择超声波液位计是一种非接触式液体液位测量仪。可用于测量各种容器或管道内液体的液位高低和流量大小，也可以用于水渠、水库、江河、湖和海水水位的测量中，尤其适用于污水、有腐蚀性的场合，如城市排水泵站拦污栅前后水位的测量。超声波液位计的工作原理是由超声波换能器发出高频脉冲声波，高频脉冲声波遇到被测物位(物料)表面被反射折回，反射回波被换能器接收转换成电信号。声波的传播时间与声波的发出到物体表面的距离成正比。声波传输距离S与声速C和I声传输时间T的关系可用公式表示:S=C X T/2。由于声波脉冲发射过程中机械惰性占用了传输时间使靠近超声波换能器的一小段区域内声波不能被接收，这个区域称为自区。其中自区大小与超声波的量程有关，因此必须选择合适的量程。本课题选择西门子7ML5211-1DA11液位传感器(量程是0-5m)，作为沉淀池的液位高度测量仪器。一方面原因是产品系列化，连接比较方便，有利用使用。另一方面这个量程可以避免由于盲区导致的测量误差，同时也可以满足工艺的要求。二、超声波液位差计是由微处理器控制的数字物位仪表。在测量中脉冲超声波由不同换能器发出，声波经物体表面反射回来被发射的换能器接收并转换成电信号，然后经过内部微处理器根据换能器接收到反射信号时间差进行相关运算，计算出液位的高度差。本课题中选择北京华德世纪科技发展有限公司生产的HD4000超声波液位差计。该公司生产的液位差计可以满足本工艺的要求，并且可以方便实现与西门子PLC的连接，同时具有价格比较合理。 三、模拟量输入部分：超声波液位差计传感器和超声波液位计传感器，如3-1图所示。图3-1 SM335连接示意图 3.3 PLC程序设计STEP7是西门子进行编程任务的平台。它包含了自动化项目从启动、实施到测试及维护的每一个阶段所需的全部功能。STEP7主要包括SIMATIC Manager,程序编辑器，符号编辑器，硬件配置，硬件诊断组件。SIMATIC Manager用于管理所有的工具以及自动化项目数据。符号编辑器用于编辑符号和配置通信以及消息。硬件配置用于配置和参数化硬件。硬件诊断用于诊断自动化系统的状态。STEP7中集成三种编程语言:梯