【《基于PLC控制的污水处理控制系统的硬件系统配置案例分析》11000字】

基于PLC控制的污水处理控制系统的硬件系统配置案例分析目录TOC\o"1-3"\h\u28993基于PLC控制的污水处理控制系统的硬件系统配置案例分析 1233321.1主要组成部分 1136671.2电气控制系统 3304951.3污水处理系统的工作原理 4143241.1.1控制系统总体框图 4156231.1.2工作过程 425741.1.3污水处理系统主电路设计 5136731.4PLC选型 6180391.5PLC的I/O资源配置 6150051.5.1数字量输入部分 615831.5.2数字量输出部分 745081.5.3模拟量输入部分 7128881.5.4模拟量输出部分 878851.6其他资源配置 9262101.6.1接触器选型 9158631.6.2变频器简介 10278161.6.3变频与变压(VVVF)原理 10161171.6.4变频调速的基本原理 11288951.6.5变频器选型 12217311.6.6变频器参数设置 1379361.6.7电动机的选型 13296601.6.8液位差计 14231981.6.9溶解氧仪 15氧化沟是工业污水处理系统中的重要环节，其结构的不同形成了不同的氧化方法，对于不同的结构，其配套的设备也有较大的不同，所以其结构比较复杂，不同的结构对应不同的控制系统，因此需要根据不同的结构特点设计相应的控制系统。1.1主要组成部分工业污水处理系统的结构比较复杂，设备较多，在氧化沟中其控制过程及原理大致相同，都是通过控制曝气机的转速来调节污水中的含氧量，其基本组成如图3-1所示。图4-1工业污水处理系统基本组成示意图(1）进水系统。进水系统主要有进水管道和进水泵房组成，进水管道主要由粗格栅机和清污机组成，进水泵房主要有两台潜水泵组成。进水管道的主要功能是将污水中的大块物体排除，其中的粗格栅是根据程序设定的时间进行间歇工作，而清污机的运行和停止是根据粗格栅两侧的液位差来决定的，当液位差超过某个值时，启动清污机；当液位差小于某个值时停止清污机的运行。进水泵房中的潜水泵运行及停止是通过安装在泵房内的液位传感器来决定的，当液位较低时只启动一台潜水泵，当液位较高时启动两台潜水泵，若液位持续升高时，则输出报警以示意有故障发生。

(2）除砂系统。除砂系统主要由细格栅系统和沉砂池组成，细格栅系统是由细格栅机和转鼓清污机组成，沉砂池的主要设备是分离机。细格栅系统的主要功能是进一步净化污水中的颗粒物体，将污水中细小的沙粒滤除，其中的细格栅机是根据程序设定时间进行间歇工作，而转鼓清污机的运行和停止则根据细格栅两侧的液位差来决定，当液位差超过某个值时，启动清污机；当液位差小于某个值时停止清污机的运行，这和粗格栅系统的运行方式一致。沉砂池中分离机的运行和后续处理中的转碟曝气机的运行同步，即启动转碟曝气机的时候同时启动分离机，对沉砂池中的沙粒进行排除。(3）氧化沟系统。氧化沟系统由氧化沟和污泥回流系统构成，氧化沟是工业污水处理系统中最重要的环节，因此控制量较多，控制过程叫复杂，包括转碟曝气机和潜水搅拌机，污水回流系统主要有污泥回流泵构成。氧化沟的功能是对污水进行生化处理，分解污水中的有害物质，使其达到一定的水质标准，其中是转碟曝气机是关键设备，在氧化沟中设置有溶解氧仪对污水中的含氧量进行检测，根据其反馈到PLC的值来控制曝气机变频器的运行，改变污水中溶解氧的含量。潜水搅拌机的作用是推进水流，同时使氧化沟的污水和活性污泥处于剧烈的搅拌状态，使他们充分混合接触。使活性污泥的生化反应更加充分，这样才能最大程度地分解污水中的有害成分。污水回流系统的污泥回流泵将剩余的污泥及使用过的污泥进行处理，该设备的运行与停止主要根据泵房内液位传感器的状态，当液位低于某个值时停止回流泵的运行；当液位持续高于某个高位时，回流泵停止运行同时输出报警信号；液位处于正常状态时，回流泵正常运行。(4）沉淀系统。沉淀系统主要设备为刮泥机，其功能是对进行氧化沟处理后的污水进行物理沉淀，将污泥和清水分离，刮泥机在整个系统启动后就开始持续运行。在该系统中用到一定化学药剂主要包括混凝剂、絮凝剂、复合碱等，主要用来调节改善混凝条件及絮凝体结构，利用高分子助凝剂的强烈吸附架桥作用，使细小松散的絮凝体变的粗大而紧密，容易发生沉降。(5）污泥脱水环节。污泥脱水系统主要包括离心式脱水机，其主要功能是对氧化池中处理过污水的活性污泥进行脱水处理，由于对污水进行处理后，活性污泥中有新的微生物及其他杂质，因此需要先对活性污泥添加一定量的药物，便于污泥脱水。离心式脱水机主要有聚合物泵、污泥机和切割机构成，以上设备按照顺序控制的方式启动，依次启动聚合物泵、污泥机和切割机，完成对污泥的脱水处理。1.2电气控制系统电气控制系统主要包括操作面板、显示面板、电气控制柜等单元。由于在该系统中需要检测较多的数字输入量，并且还要检测模拟量的输入，根据设定的程序进行数据处理后，输出控制信号，因此系统的控制逻辑与时序就需要严格照检测信号的输入进行控制。(1）操作面板。操作面板主要包括手动、自动、各类设备的启动按钮等。(2）显示面板。显示面板由于要显示较多的数据，因此一般采用触摸屏或者人机界面。(3）电气控制柜。电气控制柜是电气控制的核心设备，主要包括变频器、各类传感器的输入信号、PLC及其扩展模块等。1.3污水处理系统的工作原理1.1.1控制系统总体框图工业污水处理系统的电气控制系统总框图如图3-2所示，PLC为核心控制器，通过检测操作面板按钮的输入、各类传感器的输入，以及相关模拟量的输入，完成相关设备的运行、停止和调速控制。3-2电气控制系统框图1.1.2工作过程在手动状态下，各类设备的控制是根据操作面板上的按钮输入来控制，无逻辑控制，即可不根据传感器的状态进行控制。在自动方式下进行闭环控制，系统根据检测到外部传感器的状态对设备进行启停控制，其工作过程如下。(1）接通电源，启动自动控制方式，启动潜水搅拌器和刮泥机。(2）运行粗、细格栅机，进行间歇运行，即运行一段时间然后停止一段时间，循环进行。(3）根据反馈回来的液位差状态控制清污机的运行与停止。(4）进水泵房中的潜水泵根据液面高低进行运行、停止及运行数量的控制。(5）转碟曝气机根据溶解氧仪反馈的模拟量经PLC运算后进行控制，同时控制分离机的运行与停止。(6）污泥回流泵的运行与停止根据液面的高低进行控制。(7）在污泥脱水系统中，离心式脱水机的启动采用顺序控制方式，依次启动其设备。1.1.3污水处理系统主电路设计图3-3为污水处理系统的主电路图的部分图。三台电机分别为潜水泵电机（M1）、清污机电机（M2）、转碟曝气机电机（M3）。接触器KM3、KM2、KM6分别控制M1、M2、M3的工频运行；接触器KM5、KM9分别控制M1、M3的变频运行；FR1、FR2、FR3分别为三台电机过载保护用的热继电器；QF1、主电路的空气开关；FU1为主电路的熔断器。选用的MM430变频器是用来控制电机M1、M3变频运行的。图3-3工业污水处理系统部分主电路图1.4PLC选型根据污水处理系统的电气控制系统的功能要求，选择西门子S7—200系列PLC作为工业污水处理系统的电气控制系统的控制主机。由于工业污水处理电气控制系统涉及较多的输入输出端口，其控制过程相对复杂，因此采用CPU226作为该控制系统的主机。CPU226在工业污水处理系统中使用的数字量输入点和输出点都比较多，因此除了PLC主机自带的I/O外，还需要扩展一定数量的I/O扩展模块。在此采用EM223输入/输出混合扩展模块。8点DC输入8点输出型。正好可以满足控制系统的I/O需求。在该系统中，还需要采集模拟量并利用模拟量控制的功能要求，因此需要在扩展一个模拟量输入输出扩展模块。西门子公司专门为S7—200系列PLC配置了模拟量输入输出模块EM235，该模块具有较高的分辨率和较强的输出驱动能力，可满足控制系统的功能要求。1.5PLC的I/O资源配置根据系统的功能要求，对PLC的I/O进行配置，具体分配如3-4表。1.5.1数字量输入部分表3-4数字输入量地址分配1.5.2数字量输出部分表3-5数字输出量地址分配输出地址输出设备输出地址输出设备Q0.0粗格栅机接触器Q0.7潜水搅拌机接触器Q0.1清污机接触器Q1.0刮泥机接触器Q0.2潜水泵接触器Q1.1污泥回流泵接触器Q0.3细格栅机接触器Q1.2离心式脱水机接触器Q0.4分离机接触器Q1.3潜水泵报警Q0.5转碟曝气机工频接触器Q1.4污泥回流泵报警Q0.6转碟曝气机变频接触器1.5.3模拟量输入部分由于需要采集一个溶氧仪所反馈的数据，因此扩展了一个模拟量输入输出模块，具体I/O分配，如下表3-6所示。表3-6模拟量输入地址分配输入地址输入设备AIW0溶解氧仪1.5.4模拟量输出部分在此控制系统中需要将采集回来的模拟量进行数据处理，然后，通过模拟输出口对变频器进行控制，进行控制其他设备的运行，如下表3-7所示。表3-7模拟量输出地址分配输出地址输出设备AQW0经PID运算输出根据控制系统的功能要求，设计出工业污水处理控制系统的硬件连线图如图3-8所示，此控制面板上的手动控制部分主要在调试系统时使用，调试完成后基本处于闲置状态。图3-8工业污水处理系统PLC硬件接线图1.6其他资源配置要完成系统的控制功能除了需要PLC主机及其扩展模块之外，还需要各种传感器、接触器和变频器等仪器设备。1.6.1接触器选型在控制系统中，所有设备是根据控制面板上的按钮情况或者根据传感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启停，在此用到了大量接触器，为此该系统选用施耐德LC1-D0901M5C交流接触，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。也可以很方便地组合成可逆接触器、星-三角起动器。1.6.2变频器简介变频器的功能是将频率固定交流电变换成频率连续可调的三相交流电源。变频器主要分为间接变频和直接变频两大类，而间接变频又分为电压型和电流型。电流型交-直-交变频器与电压型变频器的差别仅在于中间直流环节中的储能元件用的是电感而不是电容。由于中间直流环节是高阻抗输出相当于电流源，故称电流型。1.6.3变频与变压(VVVF)原理当在实际利用变频器调节电机转速的过程中，当频率f下降时，定子绕组的反电动势E有所下降，定子电流增大，但是转子侧的负载并未增加，故转子段电流不变，根据电流平衡方程可知，励磁电流比增大，因而磁通φm增大。φm增加将导致铁芯的饱和，进而引起励磁电流波形的畸变，这是不希望的结果，因此希望φm可以保持基本不变。要实现这个目标，只要在变频过程中使变频器输出电压Ul/f=const，则磁通φm可保持基本不变。因此变频的同时也要变压，常用VVVF表示。VVVF实施的基本方法包括：脉幅调制(PAM)和脉宽调制(PWM)。（1）脉幅调制(PAM)实现方法就是调节频率的同时，也改变直流电压的振幅值。PAM需要同时调节两个部分：整流部分和逆变部分，两者之间还必须满足一定的关系，故控制电路比较复杂，因此比较少用。（2）脉宽调制(PWM)实现方法就是在每半个周期内，把输出电压的波形分割成若干个脉冲波，每个脉冲的宽度为t1，每个脉冲间的间隔宽度为t2，则脉冲的占空比Υ=tl/(t2+tl)。这时电压的平均值和占空比成正比，所以在调节频率时，不改变直流电压的幅值，而是改变输出电压脉冲的占空比，同样可以实现变频也变压的效果。PWM只需控制逆变电路便可实现，与PAM相比电路简化了许多，因此在变频调速中比较常用。1.6.4变频调速的基本原理（1）异步电动机的等效变换图3-9异步电动机的等效变换异步电动机的电磁转矩公式：（4.1）（4.1）其中：P为旋转磁场的磁极对数，S为转差率。（2）变频调速的原理异步电动机的电磁转矩是由定子主磁通和转子电流相互作用产生。异步电动机的定子主磁通是以一定的转速旋转，旋转磁场实际是三个交变磁场合成的结果。旋转磁场的转速n0=60f/p，其中f是电流频率，P是旋转磁场的磁极对数。产生转子电流的必要条件是转子绕组切割定子磁场的磁力线。因此转子的转速n1必须低于定子磁场的转速n0(即所谓的“异步”)。两者之间的差异可由转差率表示，转差率s=(n0-n1)/n0根据n0=60f/p可知，当频率f连续可调时，电动机的同步转速n0也连续可调，而异步电机的转子转速n1，总是比同步转速略低一点，所以当n1连续可调时，n1也是连续可调。设变频后的频率为fx，电压为Ux，电动机的额定相电压和频率为UN和fN，则有：＝（4.2）＝（4.3）其中kf为频率可调比，ku为电压可调比。将上述两个公式代入异步电动机的电磁转矩公式可得变频后的转矩公式：（4.4））]（4.4））]其中：sx为频率为fx时的转差率。在变频器正常工作情况下，即kf＝km<1时的机械特性如图3-10所示。图3-10kf＝km<1时的机械特性由图3-2可知随着f的下降，临界转矩Tkx逐渐减少，电动机的带负载能力也随之下降。这无疑给变频调速带来了瑕点。而针对这种想象一般要采取电压补偿法。新系列的变频器一般都提供了设置自动转矩补偿功能。变频器可以根据电流的大小自动地决定补偿的程度。1.6.5变频器选型该系统选用的变频器是西门子MM430变频器，具有多个继电器输出，具有多个模拟量输出（0~20mA），2个模拟输入：AIN1：0~10V，0~20mA和–10至+10V；AIN2：0~10V，0~20mA，6个带隔离的数字输入，并可切换为NPN/PNP接线。它是一种风机水泵负载专用变频器，能适用于各种变速驱动系统，尤其是适用于工业部门的水泵和风机。该型变频器，具有能源利用率高的特点，优化了部分结构与功能，便于工作人员进行操作，实现功能强。它们具有很高的运行可靠性和功能的多样性。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。全面而完善的保护功能为变频器和电动机提供了良好的保护。1.6.6变频器参数设置该工业污水处理系统中的MM430变频器是一种风机水泵负载专用变频器，能适用于各种变速驱动系统，尤其适合用于工业部门的水泵和风机。该变频器，具有能源利用率高的特点，优化了部分结构与功能，便于工作人员进行操作，实现其控制功能。在此控制系统中，需要对变频器进行通信控制，因此需先对变频器的参数进行设置，主要对一下几个参数进行调整，如表3-11所示。表3-11变频器参数设置表参数号参数值说明P000521显示实际频率P07002由端子排输入P10002模拟输入P13002可用于可变转矩负载P201069600baudP20111USS地址P0300根据具体电动机设置电动机类型P0304根据具体电动机设置电动机额定电压P0305根据具体电动机设置电动机额定电流P0310根据具体电动机设置电动机额定频率P0311根据具体电动机设置电动机额定转速1.6.7电动机的选型在该工业污水处理系统中需要用到许多电机，Y2系列三相异步电机是专为欧洲市场设计的三相异步电动机、电机出线盒置于电机机壳顶部、整机结构紧凑、外形美观大方，安装尺寸符合IEC标准，具有高效、节能、起动转矩大，使用维护方便等特点。主要性能有：绝缘等级：F；防护等级：IP54或IP55；电压：380V或415V；频率：50Hz或60Hz；冷却方式：IC411。Y2系列电动机有两种设计，一种是适用于一般机械配套和出口需要，在轻载时有较高效率，在实际运行中有较佳节能效果，且具有较高堵转转矩，此设计称为Y2-Y系列。中心高63～355mm，功率从0.12~315kW。电动机符合JB/T8680.1-1998Y2系列(1P54)三相异步电动机（机座号63～355）技术条件。型号含义：如Y2-200L1-2Y：“Y2”表示异步电动机第二次改型设计，“200”表示中心高，“L”表示机座长短号，“1”表示铁心长度序号，“2”表示极数，“Y”表示第一种设计（可省略）。第2种设计是满载时有较高效率，更适用于长期运行和负载率较高的使用场合，如水泵、风机配套，此设计称为Y2-E系列，中心高80～280mm，功率从0.55～90kW。电动机符合JB/T8680.2-1998Y2系列(1P54)三相异步电动机（机座号80～280）技术条件。型号含义：如Y2-200L2-6E：“Y2”表示异步电动机第二次改型设计，“200”表示中心高，“L”表示机座长短号，“2”表示铁心长度序号，“6”表示极数，“E”表示第二种设计。根据上述分析，选择Y2-200L2-6E即可满足要求。根据上述分析，选择Y2-200L2-6E即可满足要求。1.6.8液位差计对格栅机的清污机进行控制，需要监测格栅机两侧的液面差，在该系统中利用液位差计，该系统选用的超声波液位差计型号：XL60-YI4000。粗格栅、细格栅各安装了一台超声波液位差计，通过格栅机前后的液位差来反映格栅机阻塞程度，并传输到PLC控制器，进行分析计算。当液位差超过预设值后，系统控制清污机运行，清除大颗粒的污染物质，保障污水流动畅通；在液位差未超过设定值时，清污机处于停止状态，这样就可以大大减少设备损耗。超声波液位差计精度较高，且有多种量程可供选择，其输出信号有一下三种：可编程继电器输出、高精度4～20mA模拟信号输出、RS-485通信口输出，可根据需要的信号选择输出，作为PLC的输入信号。该系统选用的超声波液位差计型号：XL60-YI4000。工作温度：-20~60℃，工作电压：AC220V或DC24V，工作压力：常压，差值精度：±3mm或0.3％FS（取其较大者），重复精度：1‰，分辨率：1mm，方向角：4°/6°（全角），工作频率：13KHz~40KHz（因型号规格而不同），信号输出：RS-485、Modbus、标准的4-20mA电流信号和多路开关量输出。采用先进的嵌入式微处理技术，使其测控仪器达到了高度的数字化和智能化。它集超声波传感器、温度补偿电路、运算主机为一体的非接触式液位差测量仪器。超声波液位差计具有精度高，寿命长，稳定可靠，安装维护方便等特点。1.6.9溶解氧仪溶解氧（DO）是指溶解在水中的氧气，它在河流、湖泊、海洋中都大量的存在，是检测水质和环境污染程度的主要指标。用传统的化学方法（如碘量滴定法）测定溶解液中的溶解氧是很费时的，且成本很高，不能连续测量，而用滴汞电极（DME）的极谱分析最为简单。但是DME的一些特殊性又影响了它在现场工作中的应用。金与铂电极能克服DME遇到的某些困难，但在一些生物介质中就失效。为了消除上述困难，膜覆盖氧电极诞生了，它最初是由Clark在1956年提出的，故而得名Clark氧电极。这种电极利用膜可渗透氧但不能渗透水和有机及无机溶质的原理，保护电极不与这类还原物质紧密接触，从而使传感器的灵敏度不受影响。当前用来测量水中溶解氧浓度最常用的仪器就是电化学传感器（例如Clark传感器）。它是根据电池原理而设计的，本身就是个电池，不需要外加电压，可通过测量电解电流来测量溶解氧浓度。测量时将其放入待测溶液，水质溶解氧透过透氧膜，溶解于膜与电极之间的电解液薄层中，当两输出端接上负载电路时，氧在阴极表面上发生还原反应。对结构和透氧膜确定的传感器而言，在一定温度下，氧传感器的电流只与试样中的氧分压成正比。因此，测定电流即可知氧浓度。选用PH/溶解氧测量仪型号:SA29-MP525。测量范围：pH：（-1.999~19.999）pHmV：±1999.9mV，溶解氧：（0~40.00）mg/L(ppm)；（0~200.0）%温度：（-10~110）℃精确度：pH：±0.002pHmV：±0.03%FS溶解氧：±