城市污水处理PLC控制系统

1、摘摘 要要水资源问题已经成为现今人类最关注的世界热点问题之首。就目前中国的现状来看，水资源的危机已经威胁到了我们的正常生活。水资源既然是不可再生资源，我们就应该想办法将其充分利用。为了保证水资源的利用率，各个国家都建立了多个污水处理厂，通过采取一系列的措施，使污水经过多次过滤消毒后，为人们所利用。本次毕业设计是基于 PLC 和工业组态软件设计一个污水处理监控系统。系统采用分布式控制系统结构，由上位机、下位机和现场设备构成。系统上位机采用组态王 6.53 组态软件开发上位监控界面，能够完成远程实时监控和管理任务。分布于现场的西门子 S7-200PLC，作为该污水处理系统的下位机使用，完成实时数据

2、采集和自动控制的功能，利用 PLC 控制系统模拟了整个的污水处理过程。关键词：污水处理；组态王 6.53；西门子 S7-200PLCIAbstractThe water resources problems has been the first hot issue which is concerned by people.View of the current situation in China, water resources crisis threatens our normal life. Since it is non-renewable resources, water resou

3、rces, we should think of ways to use the full, so that it can be recycled. In order to ensure the utilization of water resources, all countries have established a number of sewage treatment plants, through a series of measures to disinfect the sewage, after repeated filtration can also be used.The g

4、raduation project is based on the PLC, and industrial wastewater treatment configuration software to design a monitoring system. System uses distributed control system architecture, the upper and lower and equipment. System 6.53 PC Kingview top monitor configuration software interface, to complete r

5、eal-time remote monitoring and management tasks. Distribution in the production site of Siemens S7-200PLC and motors, as the sewage treatment system to use the lower computer to complete real-time data acquisition and control functions. Using PLC control system to simulate the whole process of waste

6、water treatment.Key word：waste water treatment; Kingview 6.53;Siemens S7-200PLCII目目 录录1 先进的污水处理技术介绍11.1国内外城市污水处理厂发展概况11.2几种污水处理工艺的比较21.2.1连续循环曝气系统（CCAS）31.2.2SPR 高浊度污水处理技术41.2.3BIOLAK 污水处理技术41.3SBR 废水处理技术52可编程控制器 PLC 72.1PLC 的工作原理 72.2PLC 的结构 82.3PLC 的特点 92.4PLC 的发展 102.4.1PLC 的发展历史102.4.2PLC 的发展趋势1

7、13污水处理控制系统123.1污水处理系统控制过程123.1.1总体方案说明 133.1.2污水处理电气控制原理图 143.1.3主要电气元件的选择153.2污水处理系统的 PLC 控制 173.2.1污水处理系统控制流程图 173.2.2PLC 控制系统 I/O 分配表183.2.3PLC 控制电路设计193.2.4PLC 控制程序设计203.2.5程序调试 20III4组态监控系统214.1设备连接214.2参数设置224.3变量数据类型224.4组态窗口234.4.1启动窗口 234.4.2监控窗口 245毕设总结255.1经验总结255.2毕设心得25致 谢26参考文献27附录 主要电

8、气元件目录表28附录 II PLC 控制系统 I/O 接线图 29附录 III PLC 控制程序清单 3001 先进的污水处理技术介绍先进的污水处理技术介绍1.1国内外城市污水处理厂发展概况国内外城市污水处理厂发展概况水是经济发展和社会可持续发展的一个重要因素。随着城市规模的不断扩大和人口的增加，水环境污染成了一个大难题。城市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。“环境保护”是我国的基本国策，中国可持续发展的战略与对策制定的治理目标，要求城市污水集中处理率达20%。目前，我国正处于城市污水处理事业的大发展时期，尤其随着国家西部大开发战略的实施，中国中西部

9、环境与生态保护已被提上首要议事日程。城市生活污水处理自 200 年前工业革命以来，越来越受到人们的重视。城市污水处理率已成为一个地区文明与否的一个重要标志。近 200 年来，城市污水处理已从原始的自然处理、简单的一级处理发展利用各种先进技术、深度处理污水，并回用。处理工艺也从传统活性污泥法、氧化沟工艺发展到 A/O、A2/O、SBR、CCAS等多种工艺，以达到不同的出水要求。我国城市污水处理相对于国外发达国家起步较晚，目前城市污水处理率只有 6.7%。在我们大力引起国外先进技术、设备和经验的同时，必须结合我国发展，尤其是当地实际情况，探索适合我国实际的城市污水处理系统。国外污水处理厂建设发展大

10、多数集中在 20 世纪 70 年代以后。芬兰是世界城市和工业废水处理最发达的国家之一，早在 20 世纪初就在首都郝尔辛基建造了第一座城市污水处理厂，70 年代初期开始大规模兴建城市污水处理厂，到 1988 年，芬兰已经有大约 570 个城镇污水处理厂在运行。同样，污水处理在德国已有近百年的历史，但其较快发展是在近 20 年。截止到 1995 年，德国有大小污水处理厂 10390 座，污水处理厂的规模按当时人口数计算，人均 BOD 排放量为 60g/人，人均排水量为150L/人。德国的污水处理工艺主要分为自然净化和人工净化两大类。自然净化工艺是利用微生物在自然环境中的生命活动来净化污水，缺点是占

11、地面积大、处理效率低、所需时间长；优点是能耗低，因此仅适用于小规模的污水处理。人工净化是利用人1工手段改善微生物的品种及生长环境或外加药剂，已达到对污染物高效降解和去除的目的，具有占地面积小、处理效率高、运行稳定等优点，但能耗大，运行费用高，管理复杂，一般使用于大、中型的污水处理。结合我国实际情况，参考国外先进技术和经验，建设城市污水处理厂应符合以下几个发展方向：(1)总投资省。我国是一个发展中国家，经济发展所需资金非常庞大，因此严格控制总投资对国民经济大有益处。(2)运行费用低。运行费用是污水处理厂能否正常运行的重要因素，是评判一套工艺优劣的主要指标之一。(3)占地省。我国人口众多，人均土地

12、资源极其紧缺。土地资源是我国许多城市发展和规划的一个重要因素。(4)脱氮除磷效果。随着我国大面积水体环境的富营养化，污水的脱氮除磷已经成为一个迫切的问题。我国最新实施的国家污水综合排放标准（GB8978-1996）也明确规定了适用于所有排污单位，非常严格地规定了磷酸盐排放标准和氨氮排放标准。这就意味着今后绝大多数城市污水处理厂都要考虑脱氮除磷的问题。(5)现代先进技术与环保工程的有机结合。现代先进技术，尤其是计算机技术和自动系统设备的出现和完善，为环保工程的发展提供了有力的支持。目前，国外发达国家的污水处理厂大都采用先进的计算机管理和自动系统，保证了污水处理厂的正常运行和稳定的合格出水，而我国

13、在这方面还比较落后。计算机控制和管理也必将是我国城市污水处理厂发展的方向。1.2几种污水处理工艺的比较几种污水处理工艺的比较为了选择出工艺上最可靠，投资上最经济，管理上最方便的城市污水处理系统，结合当地的实际情况，我们了解了国内外污水处理厂的成熟经验和发展趋势，并进行了比较。目前，国内外城市污水处理厂处理工艺大都采用一级处理和二级处理。一级处理是采用物理方法，主要通过格栅拦截、沉淀等手段去除污水中大块悬浮物和沙粒2等物质。这一处理工艺国内外都已成熟，差别不大。二级处理则是采用生化方法，主要通过微生物的生命运动等手段来去除污水中的悬浮性，溶解性有机物以及氮、磷等营养盐。目前，这一处理工艺有多种方

14、法，有代表性的工艺主要有CCAS、SPR、百乐卡、A/O 及 A2/O 工艺等。目前，这几种代表工艺在国内外都有实际应用。1.2.1 连续循环曝气系统（连续循环曝气系统（CCAS）CCAS 工艺，即连续循环曝气系统工艺（Continuous Cycle Aeration System），是一种连续进水式 SBR 曝气系统。这种工艺是在 SBR（Sequencing Batch Reactor，序批式处理法）的基础上改进而成。CCAS 工艺对污水预处理要求不高，只设间歇15mm 的机械格栅和沉砂池。生物处理核心是 CCAS 反应池，除磷、脱氮，降解有机物及悬浮物等功能均在该池内完成，出水可达标排

15、放。经预处理的污水连续不断地进入反应池前部的预反应池，在该区内污水中的大部分可溶性 BOD 被活性污泥微生物吸附，并一起从主、预反应区隔墙下部的孔眼以低流速（0.03-0.05m/min）进入反应区。在主反应区内依照“曝气（Aeration）、闲置（Idle）、沉淀（Settle）、排水（Decant）”程序周期运行，使污水在“好氧-缺氧”的反复中完成脱氮，和在“好氧-厌氧”的反复中完成除磷。各过程的历时和相应设备的运行均按事先编制，并可调整的程序，有计算机集中自控。CCAS 工艺的独特结构和运行模式使其在工艺上具有独特的优势：(1)曝气时，污水和污泥处于完全理想混合状态，保证了 BOD、CO

16、D 的去除率，去除率高达 95%。(2)“好氧-缺氧”及“好氧-厌氧”的反复运行模式强化了磷的吸收和硝化-反硝化作用，使氮、磷去除率达 80%以上，保证了出水指标合格。(3)沉淀时，整个 CCAS 反应池处于完全理想沉淀状态，使出水悬浮物（SS）极低，低的 SS 值也保证了磷的去除效果。3CCAS 工艺的缺点是各池子同时间歇运行，人工控制几乎不可能，全赖电脑控制，对处理厂的管理人员素质要求很高，对设计、培训、安装、调试等工作要求较严格。1.2.2 SPR 高浊度污水处理技术高浊度污水处理技术最新发明的“SPR 高浊度污水净化系统”（美国发明专利）将污水的“一级处理”和“三级处理”程序合并设计在

17、一个 SPR 污水净化器罐体内，在 30 分钟流程里快速完成。它容许直接吸入悬浮物（浊度）高达 500mg/L 至 5000mg/L 的高浊度污水，处理后出水的悬浮物（浊度）低于 3mg/L（度）；它容许直接吸入 CODcr 为200mg/L 至 800mg/L 的高浓度有机污水，处理后出水 CODcr 可降为 40mg/L 以下。只需用相当于常规的一、二级污水处理厂的工程投资和低于常规二级处理的运行费用，就能够获得三级处理水平的效果，实现城市污水的再生和回用。SPR 污水处理系统首先采用化学方法使溶解状态的污染物从真溶液状态下析出，形成具有固相界面的胶粒或微小悬浮颗粒；选用高效而又经济的吸附

18、剂将有机污染物、色度等从污水中分离出来；然后采用微观物理吸附法将污水中各种胶粒和悬浮颗粒凝聚成大块密实的絮体；再依靠旋流和过滤水力学等流体力学原理，在自行设计的 SPR 高浊度污水净化器内使絮体与水快速分离；清水经过罐体内自我形成的致密的悬浮泥层过滤之后，达到三级处理的水准，出水实现回用；污泥则在浓缩室内高度浓缩，定期靠压力排出，由于污泥含水率低，且脱水性能良好，可以直接送入机械脱水装置，经脱水之后的污泥饼亦可以用来制造人行道地转，免除了二次污染。最新发明的 SPR 污水净化技术以其流程简单可靠、投资和运行费用低、占地少、净化效果好的众多优势将为当今世界的城市污水的再利用开创一条新路。城市污水

19、实现再利用之后，为城市提供了第二淡水水源，为城市的可持续发展提供了必不可少的条件，其经济效益和社会效益是不可估量的。41.2.3 BIOLAK 污水处理技术污水处理技术百乐卡工艺是一种具有除磷脱氮功能的多级活性污泥污水处理系统。它是由最初采用天然土池作反应池而发展起来的污水处理系统。自 1972 年以来，经过多年研究形成了采用土池结构、利用浮在水面的移动式曝气链、底部挂有微孔曝气头的一种具有一定特色的活性污泥处理系统。百乐卡曝气系统的结构是，曝气头悬挂在浮链上，停留在水深 4-5m 处，气泡在其表面溢出时，直径约为 50m。如此微小的气饱意味着氧气接触面积的增大和氧气传送效率的提高。同时，因为

20、气泡向上运动的过程中，不断受到水流流动，浮链摆动等扰动，因此气泡并不是垂直向上的运动，而是斜向运动，这样延长了再水中的停留时间，同时也提高了氧气传递效率。百乐卡曝气链悬挂在浮动链上，浮动链被松弛地固定在曝气池两侧，每条浮链可在池中的一定区域蛇形运动。在曝气链的运动过程中，自身的自然摆动就可以达到很好的混合效果，节省了混合所需要的能耗。采用百乐卡系统的曝气池中混合作用所需的能耗仅为 15W/m3，而一般的传统曝气法中混合作用的能耗为 10-15W/m3。由于百乐卡曝气头特殊的结构，即使在很复杂的环境里曝气头也不至于阻塞，这意味着曝气装置可运行几年不维修，所需维护费用很少。为了保证负荷变化时用水质

21、量，百乐卡工艺利用一个相对独立的池来进行二次曝气，以保证出水清洁，保证水中有足够的溶解氧。曝气池中产生的污泥在二沉池中被分离，并重新回到曝气池参与污水净化。有的百乐卡工艺的二沉池二曝气池合并到一起，进一步节省了土建费用和占地面积。二沉池沉淀污泥由漂浮式刮泥机、吸泥机排入污泥槽回流。由于采用土池而大大减少了建设投资，采用曝气链曝气系统进一步强化了氧的转移效率，并减少运行费用，大大提高了处理效果。工艺设计简洁，不需复杂的管理，在适宜的条件下具有较大的经济和社会效益。51.3SBR 废水处理技术废水处理技术本次毕业设计采用的就是 SBR 污水处理技术的设计理念。SBR 是序列间歇式活性污泥法（Seq

22、uencing 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传统的动态沉淀。它的主要特征是在运行上的有序和间歇操作，SBR 技术的核心是 SBR 反应池，该池集均化、初沉、生物降解、二沉等功能于一池，无污泥回流系统。正是 SBR 工艺这些特殊性使其具有以下优点：(1)理想的推流过程使生化推动力增大，效率提高，池内厌氧、好氧处于交替状态，净化效果好。(2)运行效果稳定。污水在理想的静止状态下沉淀，需要时间短、效率高，出水水

23、质好。(3)耐冲击负荷。池内有滞留的处理水，对污水有稀释、缓冲作用，有效抵抗水量和有机污物的冲击。(4)工艺过程中的各工序可根据水质、水量进行调整，运行灵活。(5)处理设备少，构造简单，便于操作和维护管理。(6)反应池内存在 D0、B0D5 浓度梯度，有效控制活性污泥膨胀。(7)SBR 法系统本身也适合于组合式构造方法，利于废水处理厂的扩建和改造。(8)适当控制运行方式，实现好氧、缺氧、厌氧状态交替，具有良好的脱氮除磷效果。(9)工艺流程简单、造价低。主题设备只有一个序批式间歇反应器，无二沉池、污泥回流系统，调节池、初沉池也可省略，布置紧凑、占地面积省。由于上述技术特点，SBR 系统进一步拓宽

24、了活性污泥法的使用范围。就近期的技术条件，SBR 系统更适合以下情况：(1)中小城镇生活污水和厂矿企业的工业废水，尤其是间接排放和流量变化较大的地方。6(2)需要较高出水水质的地方，如风景浏览区、湖泊和港湾等，不但要去除有机物，还要求出水中除磷脱氮，防止河湖富营养化。(3)水资源紧缺的地方。SBR 系统可在生物处理后进行物化处理，不需要增加设施，便于水的回收利用。(4)用地紧张的地方。(5)对已建连续流污水处理厂的改造等。(6)非常适合处理小水量，间歇排放的工业废水与分散点源污染的治理。72可编程控制器可编程控制器 PLC可编程控制器（Programmable Controller，简称 PC

25、） 。为了与个人计算机的 PC相区别，用 PLC 表示。PLC 是在传统的顺序控制器的基础上引用了微电子技术、计算机技术、自动控制技术和通讯技术而形成的一代新型工业控制装置，目的是用来取代继电器，执行逻辑、计时、计数等顺序控制功能，建立人性的程控系统。国际电工委员会（IEC）颁布了对 PLC 的规定：可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用可编程序的存储器，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，并通过数字的、模拟的输入和输出控制各种类型的机械或生产过程。可编程序控制器及其有关设备，都应该按易于与工业控制系统形成一个整体，易

26、于扩充其功能的原则设计。PLC 程序既有生产厂家的系统程序，又有用户自己开发的应用程序。系统程序提供运行平台，同时，还为 PLC 程序可靠运行及信息与信息转换进行必要的公共处理。可以预料，在工业控制领域中，PLC 控制技术的应用必将成为世界潮流。2.1PLC 的工作原理的工作原理PLC 是采用“顺序扫描，不断循环”的方式进行工作的。即在 PLC 运行时，CPU 根据用户按控制要求编制好并存于用户存储器中的程序，按指令步序号（或地址号）作周期性循环扫描，如无跳转指令，则从第一条指令开始逐条顺序执行用户程序，直至程序结束。然后重新返回第一条指令，开始下一轮新的扫描。在每次扫描过程中，还要完成对输入

27、信号的采样和对输出状态的刷新等工作。PLC 的扫描一个周期必经输入采样、程序执行和输出刷新三个阶段。PLC 在输入采样阶段：首先以扫描方式按顺序将所有暂存在输入锁存器中的输入端子的通断状态或输入数据读入，并将其写入各对应的输入状态寄存器中，即刷新输入。随即关闭输入端口，进入程序执行阶段。8PLC 在程序执行阶段：按用户程序指令存放的先后顺序扫描执行每条指令，执行的结果再写入输出状态寄存器中，输出状态寄存器中所有的内容随着程序的执行而改变。输出刷新阶段：当所有指令执行完毕，输出状态寄存器的通断状态在输出刷新阶段送至输出锁存器中，并通过一定的方式（继电器、晶体管或晶闸管）输出，驱动相应输出设备工作

28、。2.2PLC 的结构的结构PLC 的类型繁多，功能和指令系统也不尽相同，但结构与工作原理则大同小异，通常由主机、输入/输出接口、电源、编程器扩展器接口和外部设备接口等几个主要部分组成。(1)主机主机部分包括中央处理器（CPU） 、系统程序存储器和用户程序及数据存储器。CPU 是 PLC 的核心，它用以运行用户程序、监控输入/输出接口状态、作出逻辑判断和进行数据处理，即读取输入变量、完成用户指令规定的各种操作，将结果送到输出端，并响应外部设备（如编程器、电脑、打印机等）的请求以及进行各种内部判断等。PLC 的内部存储器有两类，一类是系统程序存储器，主要存放系统管理和监控程序及对用户程序作编译处

29、理的程序，系统程序已由厂家固定，用户不能更改；另一类是用户程序及数据存储器，主要存放用户编制的应用程序及各种暂存数据和中间结果。(2)输入/输出（I/O）接口I/O 接口是 PLC 与输入/输出设备连接的部件。输入接口接受输入设备（如按钮、传感器、触点、行程开关等）的控制信号。输出接口是将主机经处理后的结果通过功放电路去驱动输出设备（如接触器、电磁阀、指示灯等） 。I/O 接口一般采用光电耦合电路，以减少电磁干扰，从而提高了可靠性。I/O 点数即输入/输出端子数是PLC 的一项主要技术指标，通常小型机有几十个点，中型机有几百个点，大型机将超过千点。9(3)电源电源是指为 CPU、存储器、I/O

30、 接口等内部电子电路工作所配置的直流开关稳压电源，通常也为输入设备提供直流电源。(4)编程器编程器是 PLC 的一种主要的外部设备，用于手持编程，用户可用以输入、检查、修改、调试程序或监视 PLC 的工作情况。除手持编程器外，还可通过适配器和专用电缆线将 PLC 与电脑连接，并利用专用的工具软件进行电脑编程和监控。(5)输入/输出扩展单元I/O 扩展接口用于连接扩充外部输入/输出端子数的扩展单元与基本单元（即主机） 。(6)外部设备接口此接口可将编程器、打印机、条码扫描仪等外部设备与主机相联，以完成相应的操作。2.3PLC 的特点的特点(1)可靠性高抗干扰性强PLC 由于采用现代大规模集成电路

31、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。一些使用冗余 CPU 的 PLC 的平均无故障工作时间则更长。从 PLC 的机外电路来说，使用 PLC 构成控制系统，和同等规模的继电器接触器系统相比，电气接线及开关接点已减少到数百甚至数千分之一，故障也就大大降低。此外，PLC 带有硬件故障自我检测功能，出现故障时可发出警报信息。在应用软件中，应用者还可以编入外围器件的故障自诊断程序，使系统中除 PLC 以外的电路及设备也获得故障自诊断保护。这样，整个系统具有极高的可靠性也就不奇怪了。(2)配套齐全功能完善PLC 发展到今天，已经形成了大、中、小各种规模的系列化产

32、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10算能力，可用于各种数字控制领域。近年来 PLC 的功能单元大量涌现，使 PLC 渗透到了位置控制、温度控制、CNC 等各种工业控制中。加上 PLC 通信能力的增强及人机界面技术的发展，使用 PLC 组成各种控制系统变得非常容易。(3)易学易懂维护方便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，编程语言易于被工程技术人员接受。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。为不熟悉电子电路、不懂计算

33、机原理和汇编语言的人使用计算机从事工业控制打开了方便之门。系统的设计、建造工作量小，维护方便，容易改造 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。更重要的是使同一设备经过改变程序改变生产过程成为可能。这很适合多品种、小批量的生产场合。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。由于体积小很容易装入机械内部，是实现机电一体化的理想控制设备。2.4PLC 的发展的发展2.4.1 PLC 的发展历史的发展历史虽然 PLC 问世时间不上，但是随着微

34、处理器的出现，大规模，超大规模集成电路技术的迅速发展和数据通讯技术的不断进步，PLC 也迅速发展，其发展过程大致可分为三个阶段：(1)早期的 PLC（60 年代末-70 年代中期）早期的 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替代物的含义，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。他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控制现场的要求。装置中的器件主要采用分立元件和中小规模集成电路，存储器采用磁芯存储器。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11大电气工程技术人员所熟悉的继电器控制线路的方

35、式梯形图。因此，早期的 PLC的性能要优于继电器控制装置，其优点包括简单易懂、便于安装、体积小、能耗低、有故障指示、能重复使用等。(2)中期的 PLC（70 年代中期-80 年代中、后期）在 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、计数等功能以外，还增加了算术运算、数据处理和传送、通讯、自诊断等功能。在硬件方面，除了保持其原有的开关模块以外，还增加了模拟量模块、远程 I/O 模块、各种特殊功能模块，并扩大了存储器的容

36、量，使各种逻辑线圈的数量增加，还提供了一定数量的数据寄存器，使 PLC 的应用范围得以扩大。(3)近期的 PLC（80 年代中、后期至今）进入 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了专用逻辑处理芯片。这样使得 PLC 软、硬件功能发生了巨大变化。2.4.2PLC 的发展趋势的发展趋势21 世纪，PLC 会有更大的发展。从技术上看，计算机技术的新成果会更多地应用于可编程控制器的设计和制造上，会有运算速度更快、存储容量更大、智能

37、更强的品种出现；从产品规模上看，会进一步向超小型及超大型方向发展；从产品的配套性上看，产品的品种会更丰富、规格更齐全，完美的人机界面、完备的通信设备会更好地适应各种工业控制场合的需求；从市场上看，各国各自生产多品种产品的情况会随着国际竞争的加剧而打破，会出现少数几个品牌垄断国际市场的局面，会出现国际通用的编程语言；从网络的发展情况来看，可编程控制器和其他工业控制计算机组网构成大型的控制系统是可编程控制器技术的发展方向。目前的计算机集散控制系统 DCS（Distributed Control System）中已有大量的可编程控制器应用。伴随着计算机网络的发展，可编程控制器作为自动化控制网络和国际

38、通用网络的重要12组成部分，将在工业及工业以外的众多领域发挥越来越大的作用。3污水处理控制系统污水处理控制系统污水处理技术是一种高效污水回用的处理技术，采用优势菌技术对生活污水进行处理，经过处理后的中水可以用来浇灌绿地、花木、冲洗厕所及车辆等，从而达到节约水资源的目的。污水处理系统方案要充分考虑现实生活中生活区较为狭小的特点，力求达到设备体积小、性能稳定、工程投资少的目的。污水处理过程中环境温度对菌群代谢产生的作用直接影响污水处理效果，因此采用地埋式砖混结构处理池以降低温度对处理效果的影响。同时，污水处理技术工艺参数变化，硬件设计选型与设备调试比较复杂，采用先进的 PLC 控制技术可以提高污水

39、处理的效率，方便操作和使用。3.1污水处理系统控制过程污水处理系统控制过程污水处理系统分别有污水处理池、清水池、中水水箱、电控箱以及水泵、罗茨风机、电动阀门和电磁阀等部分组成，在污水处理池、清水池、中水水箱中分别设置液位开关，用以检测水池与水箱中的水位。污水处理系统示意图如图 3.1 所示。 电动阀污水处理池清水池1#污水泵2#清水泵水位电极水位电极排空电磁阀空气风机生物淤泥纳入污水上水电磁阀水位电极中水箱中水图 3.1 污水处理系统示意图污水处理的第一阶段：当污水池中的水位处于低水位或无水状态时，电动阀会自动开启纳入污水。当污水池纳入的污水至正常高水位时，电动阀自动关闭，污水13池中污水呈微

40、氧和厌氧状态。污水处理的第二阶段：采用能降解大分子污染物的曝气法，可使污水脱色、除臭、平衡菌群的 pH 值并对污染物进行高效除污，即好氧处理过程。整个好氧（曝气）时间一般需要 68h。在曝气管路上安装了排空电磁阀，当电动阀自动关闭后，排空电磁阀开启，罗茨风机延时空载起动，然后排空电磁阀关闭，污水池开始曝气。当曝气处理结束后，排空电磁阀再次开启，罗茨风机空载停机，然后排空电磁阀延时关闭。曝气风机在无负荷条件下起动和停止，能起到保护电动机和风机的作用。经过 0.5h 的水质沉淀，PLC 下达起动 1#污水泵指令，将沉淀后的水泵纳入到清水池。当清水池中的水位升至正常高水位时，1#污水泵自动停止运行。

41、这是 2#清水泵自动起动向中水箱纳水，当水箱内达到正常高水位时，2#清水泵自动停止运行，这时中水箱内的水全部完成处理过程。当中水箱内水位降低至低水位时，2#清水泵又自动起动向中水箱纳水。当污水池中的水位降低至低水位时，电动阀门会自动打开继续向污水池纳入污水，如此循环往复。3.1.1 总体方案说明总体方案说明(1)污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，电动阀电动机要采用正、反转控制。(2)污水池、清水池、中水水箱水位监测开关，在选型时考虑抗干扰性能，选用电极考虑耐腐蚀性。(3)电动阀上驱动电动机，其内部设有过载保护开关，为常闭触点，作为电动阀过载保护信号，PLC 控制电路考虑该

42、信号逻辑关系。(4)1#污水泵、2#清水泵、罗茨风机电动机、电动阀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。(5)罗茨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排空电磁阀。(6)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14现短路保护。3.1.2污水处理电气控制原理图污水处理电气控制原理图污水处理电气控制系统主电路如图 3.2 所示。M2M1M3M4RSTNFU5FU6FU1FU2FU3FU4KM1KM2KM3KM4FR1FR2FR3FR4KM51#泵

43、（污水）2#泵（清水）风机阀门电动机NL5L6QF图 3.2 污水处理电气控制系统主电路图(1)主回路中交流接触器 KM1、KM2、KM3 分别控制 1#污水泵 M1、2#清水泵M2、曝气风机 M3；交流接触器 KM4、KM5 控制电动阀电动机 M4，通过正、反转完成开启阀门和关闭阀门的功能。(2)电动机 M1、M2、M3、M4 由热继电器 FR1、FR2、FR3、FR4 实现过载保护。电动阀电动机 M4 控制器内还装有常闭热保护开关，对阀门电动机 M4 实现双重保护。(3)QF 为电源总开关，既可完成主电路的短路保护，又起到分断三相交流电源的作用，使用和维修方便。(4)熔断器 FU1、FU2

44、、FU3、FU4 分别实现各负载回路的短路保护。FU5、FU6分别完成交流控制回路和 PLC 控制回路的短路保护。153.1.3主要电气元件的选择主要电气元件的选择 (1)电动机的选择在控制系统运行中，电动机的选择主要是容量的选择，如果电动机的容量选小了，一方面不能充分发挥机械设备的能力，使生产效率降低；另一方面电动机经常在过载下运行，会使它过早损坏，同时还出现启动困难、经受不起冲击负载等故障。如果电动机的容量选大了，则不仅使设备投资费用增加，而且由于电动机经常在轻载下运行，运行效率和功率因数都会下降。选择电动机的容量应根据以下三项原则进行：发热：电动机在运行时，必须保证电动机的实际最高温度等

45、于或稍微小max于电动机绝缘的允许最高工作温度，即。amaxa过载能力：电动机在运行时，必须具有一定的过载能力。特别是在短期工作时，由于电动机的热惯性很大，电动机在短期内承受高于额定功率的负载功率时仍可保证，故此时，决定电动机容量的主要因素不是发热而是电动机的过载maxa能力，即所选电动机的最大转矩必须大于运行过程中可能出现的最大负载转矩,maxLT即 (一般为 0.8 ) 式(3.1)maxmaxLmNTTTmmax/NTT启动能力：由于鼠笼式异步电动机的启动转矩一般较小，为使电动机可靠启动，必须保证 () 式(3.2)LstNTT/ststNTT(2)接触器接触器是工业电气中用按钮或其他方

46、式来控制其通断的自动开关。交流接触器由电磁线圈、静衔铁、动衔铁、静触点、动触点、灭弧装置和固定支架等部分组成。在工业电气中，交流接触器的型号很多，电流在 5A-1000A 不等，常用交流接触器的型号有 CJ20、CJX1、CJ1 和 CJ10 等系列。在这次控制系统硬件的设计中，采用16了 CJ10 系列的交流接触器，其额定电流应在控制电流的 1.11.3 倍之间。(3)中间继电器中间继电器是最常用的继电器之一，它的结构和接触器的基本相同，只是电磁系统小些，触点多一些。常用的继电器型号有 JZ7、JZ14 等。(4)熔断器熔断器在电路中主要起短路保护作用，用于保护线路。熔断器的熔体串接于被保护

47、的电路中，熔断器以自身产生的热量使熔体熔断，从而自动切断电路，实现短路保护及过载保护。熔断器 FU 熔体额定电流 IFU。以曝气风机为例， 式(3.3)22 2.55FUsIIAA选用 5A 的熔体。其余熔体额定电流的选择，按上述方法选配。控制回路熔体额定电流选用 2A。(5)热继电器星形联结的电动机可选二相或三相结构的热继电器，三角形接法的电动机应选带断相保护装置的三相结构的热继电器。对于不频繁启动的电动机，若电动机启动电流为其额定电流 6 倍以及启动时间不超过 6s 时，热继电器的热元件额定电流原则上可以按电动机的额定电流选取。但对过载能力较差的电动机，若启动条件允许，可按其额定电流的 6

48、0%80%选取。对于重复短时工作制的电动机，首先要确定热继电器的允许操作频率，然后再根据电动机的启动时间、启动电流和通电持续率来选择。(6)断路器断路器为供电系统电源开关，其主回路控制对象为电感性负载交流电动机，断路器过电流脱扣值按电动机起动电流的 1.7 倍整定。污水处理系统有 3kW 负载电动机一台，起动电流较大，其余三台为 1.1kW 以下，起动电流较小，而且工艺要求 4台电动机单独启动运行，因此可根据 3kW 电动机选择自动开关 QF 脱扣电流 IQF： 式(3.4)1.7610.210QFsIIAAA17根据设计方案及选择的电气元件，编制原理图的元器件目录表，见附录 I。3.2污水处

49、理系统的污水处理系统的 PLC 控制控制3.2.1 污水处理系统控制流程图污水处理系统控制流程图根据控制要求，建立污水处理系统控制流程图，如图 3.3 所示。开始选择操作方式自动？自动操作污水池水位低？打开电动阀沉淀计时关闭电动阀停止纳水曝气处理开1#泵清水池纳水清水池水位高？停1#泵开2#泵中水箱纳水中水箱水位高？停2#泵自动运行结束自动结束？结束手动控制运行手动操作手动操作结束污水池纳入污水NNNNYYYYNYNY18图 3.3 污水处理系统控制流程图3.2.2 PLC 控制系统控制系统 I/O 分配表分配表根据 PLC I/O 端子的分配画出了污水处理控制系统 I/O 分配表见表 3.1

50、。表 3.1 I/O 分配表输入输出图纸标号PLC 地址备注图纸标号PLC 地址备注H01I0.0污水池高水位信号KM01Q0.01#泵L01I0.1污水池低水位信号KM02Q0.12#泵H02I0.2清水池高水位信号KM03Q0.2风机L02I0.3清水池低水位信号KM04AQ0.3电动阀门开H03I0.4中水箱高水位信号KM04BQ0.4电动阀门关L03I0.5中水箱低水位信号KA01Q0.5排空电磁阀SQ01I0.6电动阀开到位KA02Q0.6上水电磁阀SQ02I0.7电动阀关到位SB01I1.0系统启动SB02I1.1系统停止SB03I1.2手动电动阀门开SB04I1.3手动电动阀门关

51、SA01I1.4自动/手动扩展单元SA02I2.01#泵手动HL01Q2.0污水池高水位指示SA03I2.12#泵手动HL02Q2.1污水池低水位指示SA04I2.2风机手动HL03Q2.2清水池高水位指示EM01I2.3阀门电动机故障HL04Q2.3清水池低水位指示EM02I2.4风机故障HL06Q2.4中水箱高水位指示EM03I2.51#泵故障HL06Q2.5中水箱低水位指示EM04I2.62#泵故障193.2.3PLC 控制电路设计控制电路设计(1)了解各个控制对象的驱动要求，分析对象的控制要求，确定所控制参数的精度及类型，在用 PLC 控制电机时，要通过变频器达到电机的正反转过程，所以

52、选择适合的 PLC 机型及外设，完成 PLC 硬件结构配置。(2)根据上述硬件选型及工艺要求，绘制 PLC 控制系统 I/O 接线图，见附录 II。(3)变频器变频调速技术的基本原理是根据电机转速与工作电源输入频率成正比的关系： 式(3.5)60 (1)/nfsp式中，n 表示电机转速；f 表示电源频率；s 表示电机转差率；p 表示电机磁极对数。本文选用西门子 MICROMASTER420 型变频器。MICROMASTER420 变频器是用于控制三相交流电动机速度的变频系列，特别适合用于水泵和风机的驱动。本变频器由微处理器控制，并采用现代先进技术水平的绝缘栅双极晶体管(IGBT)作为功率输出器

53、件，因此，它们具有很高的运行可靠性和功能多样性。其脉冲宽度调制的开关频率是可选的，因而降低了电动机运行的噪声。(3)KM4 和 KM5 接触器线圈支路，设计了互锁电路，以防止误操作故障。(4)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。 (5)根据上述设计，对照主回路检查交流控制回路、PLC 控制回路、各种保护联锁电路、PLC 控制程序等。203.2

54、.4 PLC 控制程序设计控制程序设计根据污水处理系统控制流程图表达出的各个控制对象的动作顺序，相互间的制约关系。在明确 PLC 寄存器空间分配，确定专用寄存器的基础上，进行控制系统的程序设计，包括主程序编制、各功能子程序编制、其他辅助程序的编制等。PLC 控制程序清单见附录 III。3.2.5 程序调试程序调试(1)系统静态调试。空载静态调试时，针对运行的程序检查硬件接口电路中各种逻辑关系是否正确，然后先调试子程序或功能模块程序，然后调试初始化程序，最后调试主程序。调试过程中尽量接近实际系统，并考虑到各种可能发生的情况，做反复调试，出现问题及时分析、调整程序或参数。(2)系统动态调试及运行。

55、在动态带负载状态下调试，密切观察系统的运行状态，采用先手动再自动的调试方法，逐步进行。遇到问题及时停机，分析产生问题的原因，提出解决问题的方法，同时做好详尽记录，以备分析和改进。214组态监控系统组态监控系统随着自动化技术迅猛发展，控制系统功能越来越强大，控制过程也变得越来越复杂，系统操作透明化已经成为一种需要。人机界面（HMI Human Machine Interface）以其过程可视化、操作员对操作过程可方便的控制等显著特点，很好的满足了这种需求而得到广泛的应用。组态王开发监控系统软件是新型的工业自动控制系统正以标准的工业计算机软、硬件平台构成的集成系统取代传统的封闭式系统，它具有适应性

56、强、开放性好、易于扩展、经济、开发周期短等优点。4.1设备连接设备连接设备的连接是组态调用下位机数的硬件接口属性，在开发界面中的设备栏中点击新建设计，选择 PLC 类设备，并设置好通讯参数如图 4.1 所示。图 4.1 通讯参数224.2参数设置参数设置该参数是与 PLC 的通讯参数对应，波特率：9600、偶校验、数据位 8、停止位1、通信超时 3000 毫秒、通信方式：RS232。图 4.2 参数设置4.3 变量数据类型变量数据类型组态王中变量的数据类型与一般程序设计语言中的变量比较类似，主要有以下几种：(1)实型变量。类似一般程序设计语言中的浮点型变量，用于表示浮点（float）型数据，取

57、值范围 10E-3810E+38，有效值 7 位。(2)离散变量。类似一般程序设计语言的布尔（BOOL）变量，只有 0,1 两种取值，用于表示一些开关量。(3)字符串型变量。类似一般程序设计语言中的字符串变量，可用于记录一些有特定含义的字符串，如名称、密码等，该类型变量可以进行比较运算和赋值运算。字符串长度最大值为 128 个字符。(4)整数变量。类似一般程序设计语言中的有符号长整数型变量，用于表示带符23号的整形数据，取值范围-21474836482147483647。(5)结构变量。当组态王工程中定义了结构变量时在变量类型的下拉列表框中会自动列出已定义的结构变量，一个结构变量作为一种变量类

58、型，结构变量下可包含多个成员，每一个成员就是一个基本变量，成员类型可以为：内存离散、内存整型、内存实型、内存字符串、IO 离散、IO 整型、IO 实型、IO 字符串。4.4 组态窗口组态窗口进入组态王开发系统后，就可以为每个工程建立数目不限的画面，在每个画面上生成互相关联的静态或动态图形对象。系统为用户提供了矩形（圆角矩形）、直线、椭圆（圆）、扇形（圆弧）、点位图、多边形（多边线）、文本等基本图形对象，及按钮、趋势曲线窗口、报警窗口、报表等复杂的图形对象。提供了对图形对象在窗口内任意移动、缩放、改变形状、复制、删除、对齐等编辑操作，全面支持键盘、鼠标绘图，并可提供图形对象的颜色、线型、填充属性

59、进行改变的操作工具。4.4.1启动窗口启动窗口启动窗口以显示课题信息，学生基本资料为主，如图 4.3 所示。该窗口中只需定义一个数据既可，该数据窗口的切换，变量为：ShowPicture(“window2”)。24图 4.3 组态监控系统的启动窗口4.4.2 监控窗口监控窗口监控窗口时该课题上位机监控系统的核心部分，界面模拟了真实的场地操作，如图 4.4 所示。图 4.4 组态监控系统的监控窗口255毕设总结毕设总结5.1经验总结经验总结通过 3 个月的学习与实践，对西门子公司生产的 S7-200 系列 PLC 有了更深刻的了解。不仅了解了 PLC 的发展历程，还对 PLC 的特点和功能有了更好的认识与掌握。总结整个过程，有如下经验可以分享：(1)要考虑全面。在设计初期，由于输入输出量较多，变量之间的控制关系较复杂，所以控制顺序和关系要考虑全面。尤其是需要相互牵制的变量、不能同时运行的变量、定时启动的变量都需要分析透彻，条理清晰。(2)PLC 中的模拟量转换到实际量数值的过程中，尽量使用数据指针寻址进行编程。(3)组态王中的内存变量的定义尽量考虑到复用。5.2毕设心得毕设心得通过这次毕业设计，我学会了 PLC 的更复杂的编程方法，对 PLC