【基于PLC的污水处理系统的应用与研究6100字（论文）】

第一章污水处理控制系统自动化结构设计1.1污水处理控制系统的需求分析在污水处理流程中，每个控制模块的功能不同，需求也不同，因此需要对污水处理过程中的各个需求进行分析，主要分为下列四点：(1)分布式控制系统。因为大多数的污水处理厂不仅处理的规模比较大，拥有大量处理设备，而且处理过程也比较复杂。在系统的设计方案中，系统的组成部分是分布式控制主站及其子站，其中主站有14个，子站有将近60个，光纤把这些众多的控制站连接起来，并形成类似网络拓扑的控制网。因为在污水处理过程中，每个控制子系统的处理方式都不一样，并且跟仪表和执行设备所离较远，所以每个控制站都分别控制距离较近的设备，这种就近原则可以使控制设备更加方便可操作，也便于发现设备故障等问题。(2)系统需要实现对现场和整体的全面监控。本课题研究的污水处理系统分为了多个控制站，主要包括预处理控制站、量度控制站、加药间控制站和厂外控制站等，这些控制站采用分布式的方法处理任务，为了对其进行控制，在站点内使用触控显示屏幕来监控和调整设备。不仅如此，为了避免源源不断的流水导致蓄水容量不够用的情况，需要使各个控制站点的监控数据统一集中到中央监控处，从而可以统一安排处理污水在各个环节产生的问题，实现集中管控，重点监测。把现场监控和集中监控结合起来，对各个环节进行实时把控，实现自动化污水处理管理系统，保证处理效率的有效提高。(3)设置备用系统保证污水处理过程的连续性。因为污水处理过程中的水源不会中断，因此处理过程也不能中断，一但处理过程由于某些问题发生了中断，将会产生难以预估的后果，例如大量污水积压导致系统崩溃。因此为了保证系统的持续运行，不仅要确保设备的性能，系统的控制器使用性能优秀的PLC，并使用优质的工业型交换机和持续供电的电源等优秀设备，还要准备一套备用系统，在系统主站发生故障时，可以把备用系统作为衔接，以免污水处理系统发生中断，导致诸多问题。(4)在各个控制器中增加报警设置来保证系统的安全性。为了防止系统出现重大故障，导致财产甚至人员的损失，需要在污水处理系统中的各个控制站增设紧急按钮和触控报警装置，遇到紧急故障时会有相应的警报提示，此时可以根据提示按下紧急按钮，系统可以紧急停止，以免造成损失。1.2污水处理控制系统的集成设计在对上述污水处理系统的需求进行了分析后，可以得出，系统是以以太网的IP层为基础，建立三层控制结构，包括设备层、监控层和控制层。下图1是本次设计的污水控制系统的结构图，其中，控制器使用的是分布式控制形式，并通过光纤对系统的网络结构进行了搭建，各个控制站使用的是基于PLC的控制器，除此之外，本系统还有工业以太网模块，监控层包括现场监控和集中整体监控，整体集中监控还包含服务器和数据库以及操作台。由此可以看出，整个系统分工明确，布局严谨，具有较强的自动化控制水平。图1污水处理控制系统结构图介绍了系统的整体结构后，下面的系统的三层结构分别做仔细介绍：（1）设备层。设备层主要指现场执行命令的设备和现场监测信息的仪器。污水处理过程主要是执行器执行控制器指令的过程，这些执行设备包括鼓风机、推流机、电阀以及高压水泵等。在污水处理阶段中，需要信息采集器采集多种工作过程中的信息，例如水位、浓度、酸碱度以及温度等。除了这两种设备之外，还有直接面向污水的系统设备。设备层由控制层直接控制，通常连接在控制站中控制器的I/O接口或者通信接口上，通过传输数字信号和模拟信号来进行设备的控制。有的设备直接通过总线连接在控制器上。（2）控制层。作为整个污水处理系统的核心部分，控制层不仅要控制污水处理流程，还要负责计算、分析并传输数据，使其被监控层接收。系统的控制模块使用性能优秀的PLC控制器对设备进行控制，其中分为分布式控制主站及其子站，主站和子站都能进行独立的控制工作，它们之间还会进行数据传输，主站通过网络架构传输信息给子站，从而对其进行控制。为了保证系统的持续运行，还设计了一套备用控制系统，在系统主站发生故障时，可以把备用系统作为衔接，以免污水处理系统发生中断。信息收集设备通过连接控制器，把污水量度、浓度以及酸碱度等信息数据传送给控制站，执行设备也把执行指令的状态发送给控制站，控制器对其这些信息进行计算、分析和相关处理，并把处理后的信息传送到监控层。控制器会根据执行设备的工作状况发出对应的指令。借助工业交换机的作用，每个控制站独立地连接在光纤网络中，因此分布式控制系统不会发生冲突，并且使信息通过光纤传输至监控层。（3）监控层。本系统的监控层把现场监控和集中监控结合起来，对各个环节进行实时把控，实现自动化污水处理管理系统。在站点内使用触控显示屏幕来监控和调整设备，使用中央监控来对整个系统进行检测并统筹安排。第二章基于PLC的控制系统的设计2.1PLC主站的选型依据污水处理厂处理规模大，设备多的状况，可以使用具有强大功能的AB

ControlLogix

1756系列的PLC控制器。这个系列的控制器适合大规模工业使用，不仅具有优秀的性能和强大的功能，兼容性也比较好。可以根据自身需要对控制器的功能进行扩展或者裁减，并且可以添加冗余功能。此系列的PLC可以通过RSLogix5000平台进行编程，控制主站的PLC控制器选择的模块如下所示：1)电源模块：选择型号的电源，保持220V的输入电压和2A的电流，输出电压的范围为2-24V。2)PLC的CPU：选择型号的CPU，需要带有2M的内存和1G的内存卡，此型号的CPU具有编程、停止和远程三种状态。3)以太网通信模块：型号为，通过交换机连接保证控制器传输数据。其中和不同，具有2个以太网接口，可以使控制器之间形成网状结构。4)DI/DO模块：选择型号为输入输出接口模块，使用工作电压为，电流为2mA，断开时电流为，各个传输点的电流为O.5A，模块最大电流为，输入信号和输出信号都是无源触点信号。5)AUAO模块：选择型号为的模拟信号输入输出接口模块，电压最大为10.25V，电流最大为20mA，最小为4mA，具有16位分辨率。6)通讯模块：选择和型号的模块

，由公司生产，作用是连接和其他设备之间的通讯模块。7)：选择型号为的冗余模块，想要实现控制器冗余，只需要在两个相同的控制器的同一位置添加RM模块，在冗余模块的帮助下，系统出现故障时可以直接进行切换，减少系统的中断可能。2.2ECU站的PLC选型PLC是此污水处理控制系统的主站，其子站是ECU，因为ECU不需要太多的功能，只需控制少量设备，因此不需要很多外界口。依据污水处理的实际状况，本系统使用的是型号的额PLC控制器，并且也可以进行自主编程。下面是ECU子站的模块选择情况：1)DI：型号为，是32位的数字信号输入模块，工作电压为24V，工作温度不能超过600摄氏度，电流为170mA。2)DO：型号为，是8位的数字信号输入模块，工作电压为24V，工作电流为145mA。3)DIO：选择的型号，是数字信号输入和输出模块，工作电压类别为24V，工作电流为105mA。4)AI：选择型号的模拟信号输入模块，有两种输入方式，工作电压是10V，电流最大为20mA，最小为4mA，具有14位分辨率。5)AIO：选择型号的模拟信号输入输出模块，输出方式只有一种，但是输入方式有两种，工作电压是10V，电流最大为20mA，最小为4mA，具有13位输出分辨率，和高一位的输入分辨率，最大电流为220mA。6)CPU：选择型号的CPU，带有1MB内存，和2个以太网接口以及1个USB接口，通讯方式可以选择以太网或者。7)PS：选择型号的电源模块，电压分为120V和220V交流电两种，工作电压的范围是85-265VAC。第三章污水泵房控制站的设计3.1污水泵房工艺分析在污水处理的过程开展之前，需要把污水集中到污水泵房控制站中，此控制站是独立于系统之外的子控制站。此污水处理泵房是由多条污水处理线公用的，污水泵房控制站的主要结构是检修室、污水提升部分和栅间。栅间具有网格结构，可以过滤掉污水中的大体积杂物和漂浮物等，防止其堵住水泵，从而导致水泵无法正常工作。经过简单过滤之后，污水提升泵使用高压把污水提升到二十米以上的高度，因此污水就会由于重力影响根据水管方向流向对应的污水处理厂。由于水流量较大以及使用非常频繁，因此还需使用检修室对水泵进行定期检修，下图2展示的是污水泵房的结构图，污水泵房的规模一般都很大且非常坚固。图2场外污水泵站结构图污水泵房处理污水的流程是：首先污水进入泵房之前先经过栅间，可以过滤掉污水中的大体积杂物和漂浮物等，防止其堵住水泵，从而导致水泵无法正常工作，虽然这一步非常简单，却是后面工作的基础，然后打开栅间和水泵之间的电闸门，污水迅速流入到吸水井中，吸水井中有大量高压水泵，并设有检测水流量的超声波测量仪，通过水流量的高低选择合适的高压水泵，在高压水泵的作用下，污水会迅速升高到20米以上，因此，此时的污水就会由于重力影响根据水管方向流向对应的污水处理厂。下图3展示的是污水泵房控制站的处理过程图。图3污水泵房控制站的处理过程3.2污水控制台硬件配置在污水控制台中，其硬件配置需要有11个电闸门，14个污水处理泵，5台超声波处理器，2套照明设备。根据本系统的污水处理标准，可得到各硬件中所必需的配置要求。比如说，在污水控制台中，输出模块能够对电闸门的关闭与开放进行自由控制，同时，要将电闸门的各种反应信号来作为污水控制站的输入信号。在本系统中，根据分析，可根据控制台的输出输出总结出表1。表1污水系统配置在表1中，可看出系统中的配置是相对稳定的，虽然在本系统中，控制系统与PLC机是独立的，但是并不影响二者配合工作，而且PLC机只是通过内部进行对控制系统的实时监测。经过上文的分析与总结，并根据本文系统的实际情况，考虑到可能会遇到的问题，对PLC的模块配置进行如下选择：在本系统中，最基本的就是电源型号的选择，为了能够保证系统能够运行更长的时间，所以电源的型号选择1756-PA2，在本系统中，需要使用到网络连接，在相应的开发工具中进行系统的配置选择与实验仿真，所以也需要网络模块，根据网络的需求速度选择、，同时，在对这些配置进行仿真中，也需要一块相对强大的处理器，保证系统的运转速度，故选择作为本系统的CPU。在本系统中，还需要输入模块、输出模块，可根据可控选择模块进行配套选择，根据本系统的需求，选择模块，最后，根据本文的模块配置选择一个合适的框架。图4PLC硬件构成图图5PLC示意图在本系统中，为了使得系统在运行中能够更加稳定，故在PLC中加入了冗余系统，冗余系统能够有效地提高系统性能，保证系统的稳定性。冗余系统可由图5示意，在本系统中，选择了相同类型的控制器，作为本系统的输入模块控制器与输出模块控制器。在PLC机中，在每一个接口中都配置了继电器，主要作用如下：(1)继电器能够有效保护PLC机和与PLC机相连接的模块，保证了在短路时，二者皆不发生损坏。(2)保证了PLC机和与PLC机相连接的模块的电压平衡，使得系统稳定性增强。(3)使整个系统的负荷能力得到提高。在其他方便，比如说PLC机的落地、屏蔽，冗余系统也能够起到辅助作用，保证系统的安全。3.3污水控制台的实现对于污水控制台的控制程序，可以在开发工具上完成，其步骤如下所示：

(1)在中，创建一个新工程，打开软件中，可在file选项中创建一个新工程，在新建的工程中，可完成相关的模块选择，在此过程中，可根据实际需求进行配置的选择。(2)完成本工程所需要的输入模块与输出模块。在中，可完成输入模块、输出模块的功能配置，在主界面中，单击右键，可选择新建Module，在弹出的窗口中选择需要的模块，并且根据模块来填写相关的信息与配置，这一步操作如图3.7。对输入模块、输出模块进行配置的时候，PLC结构中的模块顺序必须和所编程的模块顺序保持一致，只有保持了相同的顺序才能保证系统的正常运行。在PLC结构中，除了可以配置输入模块和输出模块，还可以进行其他类似的操作。(3)框架的搭建。当本工程的输入模块、输出模块完成后，紧接着就是需要对本工程的总框架进行搭建。在

的结构中，组成部分是任务目标、工程与Routine，在每一道程序中，最多可囊括32个任务目标，而在任务目标中，可囊括多个项目，在项目中，可囊括多个Routine。一个完整的结构图如下图所示。图6PLC结构程序图(4)Routine的构建。在图6的结构图界面，可以新建Routine文件，在Routine文件的创建中，Routine包含着多种形式：柱形图、流程图、功能模块、文本，在这四种形式中，可根据需要进行选择。在本文设计的系统中，对于Routine的编程内容选择的是柱形图编程，在PLC1中，功能模块使用文本编程来实现，在其他部分中，更多的是选用模块编程，PLC1的结构图如下图所示。图7PLCDI模块结构文本编程(5)代码实现，在PLC的控制台中，可以看到污水处理泵总计14台，为了能够使这些污水处理泵能够完成相应的工作而不重复，需要对每一台污水处理泵都设置一个标签参数，即HighVoltagePump，结构图如图8所示。在污水处理泵的使用中，只需要根据相应的HighVoltagePump参数，编程实现相应的程序，即可让污水处理泵完成对应工作。图8HighVoltagePump逻辑部分的编辑对上一部分的元件完成了逻辑编辑之后，即可得到系统所需要的的功能结构图，在结构图中，如果需要对其的功能进行修改，只需要在的结构图中，将对应的标签进行修改，即可完成相应的操作。比如说，在图3.12中，将的标签的名称修改成了PU111，在相应的结构图中，其功能也相应的改变了，同时在示意图中，标签的名称也自动进行了修改。在结构图中，对逻辑部分点击，即可进入逻辑数据显示部分，在这个界面中，可以观察到逻辑在不断地更新运动，也就是可以看到相应的污水处理的运行过程，在此过程中，可打开系统节点部分，能够更好地对系统进行调试。图9HighVoltagePump示意图第四章结论通过本文的分析与总结，并经过实验测试，得出了以下结论:使用基于。。的工艺，对污水的处理起到了明显的作用，能够较好的打到污水处理的目标。在分布式控制站中，将污水分为几个部分独立的进行处理，更好地处理了污水中可能会相互影响处理结果的成分，使得污水处理结果更佳。在这种模式中，也可以单独的测试每一个控制站的处理效果，测试结