PLC废水处理控制系统

1引言

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。令人担忧的是淡水总量日益减少，用水成本不断升高，淡水的浪费非常严重。我国北方地区水资源的超采，己形成漏斗地势、水位下降、湖泊干涸、河水断流、生态恶化。淡水资源的短缺己经成为我国急需解决的问题[1]。

中国水资源人均占有量少，空间分布不平衡。随着中国城市化、工业化的加速，水资源的需求缺口也日益增大。在这样的背景下，废水处理行业成为新兴产业，目前与来自水生产、供水、排水、中水回用行业处于同等重要的地位。本毕业设计课题为《某电镀厂废水处理电气控制系统设计》，我选用的是SBR废水处理系统和PLC相结合的方法[2]。

由于SBR废水处理系统的核心是SBR反应池，该池集均化、初沉、乘务降解、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一下优点：（1）理想的推流过程使生化反应推动力增大，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DO、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）工艺流程简单、造价低。主体设备只有一个序批式间歇反应池，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废水处理系统进一步拓宽了活性污泥法的适用范围。根据其技

术条件和特点，SBR 废水处理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，尤其是间歇排放和流量变化较大的地方。

（2）需要较高出水水质的地方，如风景游览区、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。SBR 污水处理系统占地面积小，有效地节省土地从而为用地紧张的地方的污水处理提供了有效地解决办法。

（5）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[3]。

2.SBR废水处理控制系统的工艺要求及分析

2.1 设计任务及要求

2.1.1 设计要求

（1) 控制装置选用PLC作为系统的控制核心，根据工艺要求合理选配PLC机型和I/O 接口。

（2) 可执行手动/自动两种方式，应能按照工艺要求编辑程序并可实时整定参数。（3) 电动阀上驱动电动机为正、反转双向运行，因此要在PLC控制回路加互锁功能。（4) PLC的接地应按手册中的要求设计，并在图中表示或说明。

（5) 为了设备安全运行，考虑必要的保护措施，如电动机过热保护、控制系统短路保护等。

（6) 绘制电气原理图：包括主电路、控制电路、PLC硬件电路，编制PLC的I/O接口功能表。

（7) 选择电器元件、编制元器件目录表。

（8) 绘制接线图、电控柜布置图和配线图、控制面板布置图和配线图等。

（9) 采用梯形图或指令表编制PLC控制程序[4]。

2.1.2 设计任务

（1）分析SBR废水处理工作原理与过程，制定控制方案

（2）绘制工作流程图或顺序功能图

（3）绘制PLC的硬件接线图及电气原理图

（4）相关元器件的计算与选型，制定原件明细表与I/O分配表

（5）控制系统硬件设计

（6）控制系统下位机软件设计

（7）控制系统上位机软件设计

（8）控制系统联机统调

2.2 设计方案

SBR废水处理系统由污水处理池、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组成。SBR污水处理系统工艺流程图如图2-1所示[5]。

生物菌泥

图2-1所示SBR污水处理系统工艺流程图

当污水处理池处于低水位时，电动阀打开，纳入污水直到污水处理池处于高水位。

↓

电动阀关闭，排空电磁阀开启，罗茨风机延时空载启动，排空电磁阀关闭，污水处理池开始曝气。经过6个小时的曝气后，排空电磁阀开启，罗茨风机空载关闭，排空电磁阀延时关闭。

↓

沉淀后，1#清水泵启动，向清水池注水，直到清水池到达高水位。

↓

1#清水泵关闭，当中水箱处于低水位时，2#清水泵开启，上水电磁阀开启，向中水箱中注水，直到中水箱处于高水位，2#清水泵关闭，上水电磁阀关闭。

↓

当中水箱处于高水位时，下水电磁阀开启，排除清水[6]。

3. SBR废水处理控制系统的硬件部分

控制系统硬件部分主要指PLC控制部分所用到的元器件及其接线，它在整个系统中起到了连接测试系统和控制系统的作用，是电磁阀耐久性检测台的重要组成部分和控制部分发挥作用的基础。本章通过对系统I/O点的分析，选择出了符合设计要求的元器件，并在此基础上设计出了其接线图，完成了整个系统的硬件设计[7]。

3.1 元器件的选择

根据设计方案选择的电器元件，编制原理图的元器件目录表，如表3-1所示。

主要元器件的选择：

⑴ PLC的选型

①实时性。由于控制器产品设计和开发是基于控制为前提，信号处理时间

短，速度快。基于信号处理和程序运行的速度，PLC 经常用于处理工业控制装置的安全联锁保护。更能满足各个领域大、中、小型工业控制项目[8]。

②高可靠性。所有的I/O 输入输出信号均采用光电隔离，使工业现场的外

电路与控制器内部电路之间电气上隔离。各输入端均采用R-C 滤波器。各模块均采用屏蔽措施，以防止噪声干扰。采用性能优良的开关电源。良好的自诊断功能，一旦电源或其他软，硬件发生异常情况，CPU 立即采取有效措施，以防止故障扩大[9]。

③安装简单，维修方便。可以在各种工业环境下直接运行。使用时只需将

现场的各种设备与PLC 相应的I/O 端相连接，即可投入运行。各种模块上均有运行和故障指示装置，便于用户了解运行情况和查找故障。由于采用模块化结构，

因此一旦某模块发生故障，用户可以通过更换模块的方法，使系统迅速恢复运行[10]。

④质优价廉，性价比高.

基于PLC 控制系统的以上优势以及废水处理系统所处的复杂环境，所以本系统采用PLC 进行控制。

⑵断路器QF脱口电流

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。SBR废水处理系统有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台电动机单独起动运行，因此可根据3kW电动机选择自动开关QF脱扣电流I

QF

：

I QF ＝1.7I

N

=1.7×6A＝10.2A≈10A，选用I

QF

＝10A的断路器[11]。

⑶熔断器FU

熔体额定电流I

FU 以曝气风机为例，I

FU

≥2I

N

＝2×2.5A＝5A，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。

⑷热继电器的选择请参考有关技术手册，自行计算参数[12]。

3.2 SBR废水处理控制系统的I/O分配

如下表3-2、3-3为SBR废水处理控制系统PLC输入输出分配表。

表3-2 废水处理控制系统PLC输入分配表

表3-3 SBR废水处理控制系统PLC输出接口功能表3.3 SBR废水处理控制系统的电气控制设计

3.3.1 主电路设计

SBR废水处理控制系统主电路图如图3-1所示

图3-1 SBR废水处理控制系统主电路图

主电路说明：

（1）主回路中交流接触器KM1、KM2、KM3分别控制1#清水泵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、反转完成开起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实现双重保证。

（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、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[13]。

3.3.2 控制电路设计

SBR废水处理系统控制电路图如图3-2所示

图3-2 SBR废水处理控制系统控制电路

控制电路说明：

（1）控制电路中由电源提示灯LD1对电源情况进行提示，PLC控制电路的供电回路采用隔离变压器进行调整，以防止电源的干扰保证控制系统安全稳定的工作[14]。

（2）1#清水泵、2#清水泵、罗茨风机、电动阀开启、电动阀关闭、上水电磁阀、下水电磁阀分别由运行提示灯LD2～LD8进行提示，并由KM1～KM7接触器的敞开辅助触点进行控制[15]。

（3）4个电动机的过载保护分别由热继电器FR1、FR2、FR3、FR4来实现。将他们的常开触点并联与中间继电器KA连接构成过载保护信号，同时中间继电器还起到了电压转换的作用，将220V交流电压转换成直流24V电压信号传送入PLC中实现过载保护控制功能[16]。

（4）1#清水泵、2#清水泵、罗茨风机、上水电磁阀、电动阀开启、电动阀关闭、下水电磁阀的开关机电器KM1、KM2、KM3、KM4、KM5、KM6、KM7分别由继电器开关M1、M2、M3、M4、M5、M6、M7进行控制。并且将KM5、KM6进行互锁保证电动阀开启或关闭间的相互隔离。而KM3的常闭触点串联在KM1继电器中是为了保证1#清水泵在罗茨风机停止工作时工作，从而使得1#清水泵泵入的水源的使用安全[17]。

3.3.3 PLC外部接线图设计

由以上所选元器件，结合本设计的原理，可作出PLC的外围电路接线图。如图3-3所示。

图3-3 PLC外部接线图

4 SBR废水处理控制系统的下位机程序设计

本节将对PLC编程软件及顺序功能图编程语言进行简单介绍，并重点对控制程序中的典型环节进行重点介绍。

针对西门子 S7-200 PLC,我们选择STEP7-Micro/WIN32编程软件作为开发工具。STEP7-Micro/WIN32编程软件是基于Windows的应用软件，功能强大，主要用于开发程序，也可用于适时监控用户程序的执行状态。加上汉化后的程序，可在全汉化的界面下进行操作。按照设计要求编写程序，能使PLC 完成对现场设备的良好控制[18]。

4.1 SBR废水处理控制系统的顺序功能图

根据控制要求，建立SBR废水处理控制流程图如图4-1所示，表示出各控制对象的动作关系顺序，相互间的控制关系。

图4-1 SBR废水处理顺序流程图

4.2 PLC的顺序功能图

数字量控制系统梯形图程序设计方法有很多种：梯形图经验设计法、根据继电器电路图设计梯形图方法和顺序控制设计法。根据对本系统的控制系统分析决定选用顺序控制设计法为本次设计方法。如图4-2为PLC的顺序功能图。

图4-2 SBR废水处理控制系统PLC顺序功能图

4.3 下位机程序设计

硬件设计确定之后，系统的控制功能主要通过软件实现。关键环节设计如下：

图4-3 自动控制开启

如图4-3所示：按下自动控制按钮I1.2，按下启动按钮I0.0，Q0.0为自动

控制起动信号，并自锁，I0.1为停止按钮。

图4-4 向污水池注水过程

如图4-4所示：当污水池中的水位是低水位状态时I0.2，电动阀门开启Q0.1,向污水池注水，直至污水池中的水位是高水位状态时I0.3，电动阀门关闭Q0.2。

图4-5 曝气过程

如图4-5所示：开启排空电磁阀I0.4，Q0.3罗茨风机转动，罗茨风机转动后，排空电磁阀关闭I0.5，曝气一段时间，当曝气结束后，排空电磁阀再次开启I0.4,罗茨风机停止转动Q0.4。

图4-6 清水池注水过程

如图4-6所示：当罗茨风机停转后，排空电磁阀关闭I0.5,然后开始沉淀，T38开始作用，沉淀结束后，当清水池中的水位处于低水位的状态时I0.6,1#清水泵开始转动，直至清水池中的水位处于高水位的状态时I0.7,1#清水泵停止转动Q0.6。

图4-7 中水箱注水过程并排出清水

如图4-7所示：当中水箱中的水位处于低水位的状态时I1.0,2#清水泵、上水电磁阀开始转动，直至中水箱的水位处于高水位的状态时I1.1，2#清水泵、上水电磁阀停止转动。然后下水电磁阀开启，向外部排出清水，直至中水箱中的水位处于低水位的状态，下水电磁阀关闭。

以上就是SBR废水处理自动控制程序的全部过程。当污水处理池中的水位处于低水位的状态时，电动阀门会自动打开继续向污水处理池纳入污水。如此循环往复。

手动控制则是先按下手动按钮→启动按钮→开启电动阀控制按钮→关闭电动阀控制按钮→开启排空电磁阀→开启罗茨风机控制按钮→关闭排空电磁阀控制按钮→此时曝气开始，过一段时间，曝气结束，排空排空电磁阀开启→关闭罗茨风机

→关闭排空电磁阀→沉淀一段时间后开启1#清水泵控制按钮→关闭1#清水泵控制按钮→开启2#清水泵控制按钮，上水电磁阀控制按钮→关闭2#清水泵控制按钮，上水电磁阀控制按钮，开启下水电磁阀控制按钮→关闭下水电磁阀控制按钮。此时SBR废水处理手动程序完成。

4.4 调试程序

为了保证系统能够顺利运行，我用仿真软件对PLC程序进行了调试。强制给PLC输入量，得到了预想的输出。见图4-8经调试后，证明PLC程序无错误，都达到了预期效果，符合工艺要求。如图4-8为仿真调试的效果图。

图4-8 仿真调试的效果图

5 SBR废水处理控制系统的上位机程序设计

可编程逻辑控制器在现场进行数据采集、处理和控制，要和上位机进行通讯，以交换系统运行产生的数据。在上位机中，监控软件的首要任务是实现与主控人员之间良好的人机接口，以文字和图形实时地反映了整个系统的运行现状。此外要及时地向下级PLC传递系统的设定和操作命令。本系统上位机采用MCGS组态软件来实现相应功能[19]。

5.1 MCGS组态软件

MCGS(Monitor and Control Generated System)是一套基于Windows平台的,用于快速构造和生成上位机监控系统的组态软件系统,可运行于Microsoft Windows 95/98/Me/NT/2000等操作系统。

MCGS为用户提供了解决实际工程问题的完整方案和开发平台,能够完成现场数据采集、实时和历史数据处理、报警和安全机制、流程控制、动画显示、趋势曲线和报表输出以及企业监控网络等功能。 MCGS软件系统包括组态环境和运行环境两个部分。组态环境相当于一套完整的工具软件,帮助用户设计和构造自己的应用系统。运行环境则按照组态环境中构造的组态工程,以用户指定的方式运行,并进行各种处理,完成用户组态设计的目标和功能[20]。

MCGS组态软件（以下简称MCGS）,由“MCGS组态环境”和“MCGS运行环境”两个系统组成。两部分互相独立,又紧密相关。 MCGS组态环境是生成用户应用系统的工作环境,由可执行程序McgsSet.exe支持,其存放于MCGS目录的Program子目录中。用户在MCGS组态环境中完成动画设计、设备连接、编写控制流程、编制工程打印报表等全部组态工作后,生成扩展名为.mcg的工程文件,又称为组态结果数据库,其与MCGS 运行环境一起,构成了用户应用系统,统称为“工程”。 MCGS 运行环境是用户应用系统的运行环境,由可执行程序McgsRun.exe支持,其存放于MCGS目录的Program子目录中。在运行环境中完成对工程的控制工作。 MCGS组态软件所建立的工程由主控窗口、设备窗口、用户窗口、实时数据库和运行策略五部分构成,每一部分分别进行组态操作,完成不同的工作,具有不同的特性。

主控窗口:是工程的主窗口或主框架。在主控窗口中可以放置一个设备窗口和多个用户窗口,负责调度和管理这些窗口的打开或关闭。