【《基于PLC的污水控制系统的硬件和软件设计案例》6600字】

基于PLC的污水控制系统的硬件和软件设计案例目录TOC\o"1-3"\h\u253711硬件设计 1310681.1PLC简介 1119841.2PLCI/O配置情况 21271.3触摸屏选择 3259211.4传感器选择 3229751.5本章小结 4172532.软件组态设计和仿真 5252802.1系统流程 568382.2程序I/O分配表 10286592.3程序设计 11315702.4触摸屏组态设计 13288332.5画面显示 16246692.6本章小结 1682853.运行和调试 171硬件设计1.1PLC简介PLC是以CPU为主体，结合计算机应用科学、网络通信科学技术所开发的各类产业都能使用的智能化自动控制处理装置，是现代化工业生产中控制的三大支柱(PLC、机器人、CAD\CAM)。到目前为止，世界上能够生产PLC的厂家只有65家，日本、美国、德国等。日本的几家制造商是三菱、富士、日立、东芝、横河、三石、光洋和夏普等。美国的制造商主要有德克萨斯食品公司、通用电气公司、歌德公司、数码机器公司等。德国的西蒙，荷兰的飞利浦，香港的老鹰等也被人所熟知。PLC是为工业生产和应用而设计的数字化操作型的电子设备。逻辑动作序列、动作等，根据模拟的输入输出，输出并控制相关的机械指令和制造工程的程序内存可能采用了。为了便于功能扩展原则的设计，PLC及其外围设备必须容易与工业控制系统集成。取代了大量的中介和每一个时间继电器继电器、PLC软件关联留下为数不多的输入和输出设备,并可减少布线1/10-1/100警报继电器控制系统，从而大大降低了故障引起的接触。可靠稳定性是电控设备的一个重要特点。伴随着现代科技的进步，大规模集成电路技术、严格规范的生产工艺和抗干扰性较为优异的内部电路。在理论实验上，PLC是具有很高的可靠稳定性。某些拥有冗余CPU的PLC的平均运行时间甚至比理论时间更长。基于PLC的外部电路和利用PLC控制系统、电器开关和联络点已减少了数百，甚至数千,与同等规模的继电器、接触器相比，系统故障出现的频率越来越低。此外，PLC可以自检设备故障，在发生故障时发出报警信号。在应用软件中，用户还可以对外围的设备故障出现的自诊断程序进行编码操作，从而达到保护PLC以外的系统电路和设备不受故障的影响的效果。因此，整个系统非常可靠也就不足为奇了。PLC迄今已演变成拥有各类大、中型和小型系列产品，标准化、系列化、模块化，可以根据用户自身需要，设计师合理设计一条灵活的系统和人性化的系统配置。另外PLC布线也很容易，布线端口通常与外部的布线连接在一起。除此以外，PLC还可以承受较高的负载，可直接驱动通用的电磁阀和交流接触器，几乎可以用在全部的工业生产中。不但逻辑处理功能是现代PLC所特有的功能，而且具有精确的数据处理能力也是现代PLC所特有的功能，在数字控制领域也可以崭露头角。近年来，PLC功能单元出现在市场中，该种功能单元的出现使PLC进入了位置、温度、数字等方面的控制领域。因为时代在进步PLC的技术也在革新，设计师可以很容易利用PLC形成各种各样的满足用户需求的控制系统。本篇论文运用信捷PLC来实现污水处理工艺，无锡信捷电气(XINJE)是国产PLC品牌的龙头企业之一，国际市场占有率达到5%以上。信捷的PLC目前有XC系列(有6个子系列及其扩展模块)、XD系列(有5个子系列及其扩展模块)、XE系列(有XE3系列及其扩展模块)、XL3系列(薄型)和XG1系列(平均)。跟传统PLC相比信捷PLC有更快的反应能力，可同时支持5路脉冲输出、5路AB相的精准快速计算，最基本的联动控制目标也是在一定范围内允许的，经过一些升级还可以做到许多的功能比如两轴同步、补充、随动、坐标转换等等，作为PLC的基础来说，普通PLC的绝大部分功能也是支持的，其中包括高速脉冲、高速计数、中断、PID控制，支持扩展和BD板的连接等特点。XL3系列是信捷公司推出的一款新型超薄PLC，其特点是：(1)外形超薄，紧凑实用，适用于各种工业环境；(2)兼容性；(3)特殊情况下可以支持10个扩展模块；(4)性价比；(5)节省较多安装空间。1.2PLCI/O配置情况PLC的容量包括I/O点数和用户存储容量两个方面。（1）I/O点数通常I/O点数是根据被控对象的输入、输出信号程度的需要，再加上储备10%-15%的备用量来确定。（2）用户存储容量用户存储容量是PLC用来存储用户程序的存储容量。用户所需的存储量由用户程序的长度决定。一般来说，只能估计以下公式，然后根据实际需要选择适当的差额(20%-30%)。大多数PLC都能满足上述公式的要求。需要注意的是，当控制系统更复杂、数据处理能力更强时，可能会出现存储容量不足的问题，需要进行特殊处理。1.3触摸屏选择本次设计采用了信捷TouchWin编辑工具作为组态软件。选用TGM系列网络款触摸屏，多种下载功能(以太网卡、USB接口、USB内存介绍)、通槽功能，配有信快/XD/XL/XG系列PLC可下载程序、1677彩色、下载、移动、执行、超高速响应等3种功能，C语言脚本支持功能，操作协议文章，如免费、BMP、JPEG格式的图形。ARM9CPU，400MHz，128MB的存储容量。2.3-15.6英寸，1677万色，TFTLCD，LED背光2COM接口，独立通信。通讯方式支持RS-232/RS-422/RS-485，通过多屏来实现1个标准时钟USB-B接口实现数据传输。以下表3-1是触摸屏的详细参数表3-1.触摸屏配置参数1：系统名称TGW系统网络型触摸屏2：显示尺寸465：2.3英寸765：7英寸865：8英寸A63：10.1英寸C65：15.6英寸3：产品类型S：超薄款，黑色面膜4：接口类型ET：配备USB-B下载口、USB-AU盘口、以太网口、两个串口MT：配备USB-B下载口、USB-AU盘口、两个串口MT2：配备两个串口、USB-B下载口、USB-A1.4传感器选择本次设计主要有以下几类传感器基本污水处理过程中被应用：1.PH值监测PH值，又称氢离子活度指数，是溶液中氢离子活度的另一种表达方式，通常是对溶液中酸碱度的衡量。PH值越趋于0，表示溶液的酸性越大。相反，PH值越趋于14，说明溶液的碱性越强。在室温下，PH值为7的溶液是中性溶液。通常我们会选用S200C这种传感器，该传感器是一个低成本PH传感器，该传感器可以带NTC或者PT100/PT1000进行温度补偿。2.溶解氧监测溶于水的氧气叫溶解氧。水体内需要生物和氧气的微生物生存的氧气是溶解氧。不同的微生物对山溶解的要求不同，需要氧气的微生物需要足够的氧气。一般来说，酸用解脱不应低于3毫克/L，最低不低于2毫克/L。兼性微生物需要0.2~2.0毫克/L的氧气。厌氧微生物的溶解范围低于0.2毫克/L。GlobalWater公司的高精度浊度传感器WQ730B，用于水质检测和管理、河流监测、流量测量、水库水质检测、地下水检测、水和废水处理、废水和工业控制。针对于高温高压环境，以及一些CIP清洗条件下。也有相应的不锈钢外壳的溶解氧传感器——德国Knick光学氧传感器SE740。1.电导率传感器所有测量原理：二电极，四电极，电感式。适用于所有测量范围，从超纯水到浓酸和浓碱溶液，适合在线式、直通式和浸入式安装。电导率会根据其测量范围来选择K值。污水处理一般选用耐用的316不锈钢体电导率和电阻率传感器，特别设计了用于卫生安装的三向夹紧法兰。这些传感器能够承受CIP清洗和蒸汽消毒过程。特点：（1）K值应该选择：0.01，0.1，1（2）材料选用：316不锈钢，Teflon,EPD（3）最高温度：121℃（4）最大压力：100psig（5）温度补偿：PT1000/PT100。1.5本章小结本章从污水处理的设计原则开始，详细的阐述了PLC的作用和现在常用的几种PLC例如西门子、三菱，以及本篇论文使用的信捷PLC。PLC可以使用软件来代替大量的中间继电器以及时间继电器让各大工厂可以高效快速的完成污水处理。PLC还有自我修复的功能，遇到问题及时发出信号，使工厂安全系数大大升高。触摸屏选用的是信捷TouchWin作为组态软件，具有支持BMP、JPEG格式图片等功能，拥有丰富的立体3D图库，还可以使画面更加生动。甚至有灵活的部件以便选择，也可以自定义动画来设定轨迹。通过信捷TouchWin来实现上机位人机界面，使PLC程序可以更好更清晰的展现在我们面前。另外在污水处理中传感器的选择也特别重要，传感器需要监测污水的PH值，过酸或者过碱时需要经过不同的污水池，还需要溶解氧监测传感器，溶解氧监测传感器可以检测水中生物与好氧微生物。可以检测出来水中是否还有杂质。最后还需要电导率传感器，电导率传感器电导率会根据其测量范围来选择K值。来确保污水处理是否处理的干净。所以传感器是至关重要的。2.软件组态设计和仿真本次设计由采用信捷PLC的编辑软件制成，信捷PLC编程软件为XD系列可编程控制器和TouchWin组态仿真程序，仿真可以操控两种编程语言、命令表、T型图。第一种编程语言很容易兼容，为用户提供满足基本功能的完整基本指令，如基本编程控制、数据传输、比较、四种操作和逻辑控制、数据周期和位置移动。2.1系统流程仿真PLC支持以下两种编程语言。（1）命令语指令表编程是以LD、AND、OUT等顺控指令输入的方式。命令语句编程方式是按照顺序来控程序的基本输入方式，可读性比较差是它的缺点。例图2.1所示：图2.1命令语图（2）梯形图程序是利用梯形图中的信号和柔性元件的编号，在控制屏幕上生成轨迹控制电路的图。该方法使用接触符号和线圈符号来表示路径控制回路，由此可以方便我们理解程序内容。此外，可编程控制器的动作可以用回路状态来控制。例图2.2所示：图2.2梯形图本设计使用梯形图方式编程，设计程序的控制方式为手动控制和自动控制。（1）手动控制手动控制为一个输入对应一个输出，当打开对应的控制开关时，对应的电机便会启动，当关闭开关时，对应的电机关闭。如图2.3所示图2.3手动控制关系图（2）自动控制自动控制时，当按下按钮时，系统自动完成循环。流程为：自动控制开关启动，进水阀启动若污水池水位超过最低水位时，粗格栅启动。当格栅池水位超过最低水位时，细格栅启动；当氧化反应池达到指定水位时，放入净水剂，搅拌机启动，当检测水质合格时，出水阀和回流泵启动。系统流程如图2.4所示图2.4自动控制关系图一、进水阀自动系统进水阀系统流程图如图2.5所示当按钮按下时，进水阀电机开始持续动作，污水池持续进水，同时传感器10ms一次检测水位，当水位到达格栅机最低工作水位时，粗格栅机开始工作，当污水池水位到达最高水位时，进水阀停止工作。图2.5进水阀流程图二、粗格栅自动系统当粗格栅系统启动时，进行定时工作1h，从污水池通过粗格栅机向格栅池送水，到达定时后，休眠30min，休眠结束时先对污水池水位进行检测，当达到污水池最低水位时停止运行，同时当格栅池水位达到最高水位时，格栅机也会停止运行。而当格栅池的水位达到细格栅机的最低工作水位时，细格栅机开始工作，向沉砂池送水。流程图如图2.6所示图2.6粗格栅流程图三、细格栅自动系统细格栅的系统流程与粗格栅系统相似，当细格栅系统启动时，进行定时工作1h，从格栅池通过细格栅机向沉砂池送水，到达定时后，休眠30min，休眠结束时先对格栅池水位进行检测，当达到格栅池最低水位时停止运行，同时当沉砂池水位达到最高水位时，格栅机也会停止运行。因为沉砂池是靠水流自然运动，池子通道为均为手动控制的管道阀门，没有电机控制，所以不需要电机和控制程序，因此在本设计中不作考虑。流程图如图2.7所示图2.7细格栅流程图四、生物反应池自动系统生物池由沉砂池送水到达水位线后，电机开始启动，放入净水剂并开始搅拌，持续工作1h后，休眠1h进行静置反应，休眠结束后检测仪监测水质合格，停止搅拌，通过出水阀将水送入沉淀池，同时沉淀池刮泥机开始工作，排除污泥回污水，同时使进水阀进水，完成循环。2.2程序I/O分配表本设计一共使用9个开关（自动、手动切换开关，自动启动按钮，进水阀开关，粗格栅开关，细格栅开关，搅拌机开关，出水阀开关，污泥回流泵开关）、9个传感器（污水池低水位传感器，污水池高水位传感器，格栅池低水位传感器，格栅池高水位传感器，沉砂池高水位传感器，生物池高水位传感器，沉砂池低水位传感器，生物池低水位传感器，沉淀池低水位传感器）、6个电机（进水阀电机，粗格栅电机，细格栅电机，搅拌机电机，出水阀电机，污泥回流泵电机）和辅助继电器若干。PLC的I/O分配如下表表2.1PLC的I/O分配表自动/手动切换开关 X0 进水阀电机 M100自动启动按钮 X1 粗格栅电机 M101进水阀开关 X2 细格栅电机 M103粗格栅开关 X3 搅拌机电机 M105细格栅开关 X4 出水阀电机 M107搅拌机开关 X5 污泥回流泵电机 M108出水阀开关 X6 格栅池低水位传感器 M3污泥回流泵开关 X7 沉砂池高水位传感器 M4急停开关 X10 生物池高水位传感器 M5污水池低水位传感器 M0 水质检测仪 M6污水池高水位传感器M1 生物池低水位传感器 M7格栅池高水位传感器 M2 沉淀池低水位传感器 M82.3程序设计1.进水阀图2.8进水阀梯形图如图2.8，自动模式时（X0开），按下启动按钮（X1），进水阀电机（M100）持续运转，当水位过高时（M1开），停止运转。手动模式时（X0闭），打开进水阀手动开关（X2），进水阀电机持续工作，关闭进水阀手动开关，进水阀电机停止工作。2.粗格栅系统图2.9粗格栅梯形图如图2.9，自动模式时（X0开），当污水池水位达到粗格栅工作最低工作水位时，粗格栅电机（M101）持续运转1h（仿真为10s）后，休眠30min（仿真为5s），休眠结束后，当格栅池水位过高时（M2开），停止运转。手动模式时（X0闭），打开粗格栅手动开关（X3），粗格栅电机持续工作，关闭粗格栅手动开关，粗格栅电机停止工作。1.细格栅系统图2.10细格栅梯形图如图2.10，自动模式时（X0开），当格栅池水位达到细格栅工作最低工作水位时，细格栅电机（M103）持续运转1h（仿真为10s）后，休眠30min（仿真为5s），休眠结束后，当沉砂池水位过高时（M4开），停止运转。手动模式时（X0闭），打开细格栅手动开关（X4），细格栅电机持续工作，关闭细格栅手动开关，细格栅电机停止工作。2.生物反应池系统图2.11搅拌机和出水阀梯形图如图2.11，自动模式时（X0开），当生物池水位达到搅拌机工作水位时，搅拌机电机（M105）持续运转1h（仿真为10s）后，休眠1h（仿真为10s），休眠结束后，当监测水质合格时（M6开），搅拌机停止运转，出水阀（M107）送水，当生物池水位低（M7开）时，停止送水。手动模式时（X0闭），打开搅拌机手动开关（X5），搅拌机电机持续工作，关闭搅拌机手动开关，搅拌机电机停止工作；出水阀同理。5沉淀池系统图2.12回流泵梯形图如图2.12，自动模式时（X0开），当生物池水质合格时，回流泵电机（M108）持续工作，当沉淀池水位过低时（M8开），停止运转。手动模式时（X0闭），打开回流泵手动开关（X7），回流泵电机持续工作，关闭回流泵手动开关，回流泵电机停止工作。2.4触摸屏组态设计1.手/自动切换开关设计图2.13切换开关图如图所示，切换开关路径为X0图2.14切换开关路径图操作方式为取反图2.15切换开关操作图2.开关设计开关分为按钮和定子开关，其中X1为按钮，其余开关为定子开关，区别在于操作方式不同。按钮图2.16按钮图操作方式为瞬时ON图2.17按钮操作图（2）定子开关图2.18定子开关图操作方式为取反图2.19定子开关操作图1.传感器设计图2.20传感器图传感器只有外观不同，操作方式同开关2.电机设计图2.21电机图电机用灯泡代替仿真，红色时电机不工作，当灯泡变绿时，表示电机正在工作。2.5画面显示最后操作画面如图2.22所示分为手动模式和自动模式两种模式。图2.22组态画面图图中包括手动自动转换开关，启动按钮，进水阀按钮，粗格栅池，细格栅池，搅拌机，出水阀，回流泵，还有生物反应池，沉淀池。其中生物反应池中里面有检测仪，检测仪的作用是看杂质有没有