基于PLC的净水控制系统设计.docx
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基于PLC的净水控制系统设计
基于PLC的净水控制系统设计
【摘要】目前，我国大多数污水处理控制系统自动化水平不高、安全性低、管理不当，效率普遍低于世界标准。
污水是破坏环境的一个最主要的因素，严重影响着我们的生活。
所以建立既有效又经济的自控系统才是解决污水处理问题的关键。
本设计采用西门子S7-200PLC控制旋转流管式微滤膜污水处理系统。
其具有成本低，操作简单，高技术可行性等优点。
本系统有两套净化处理装置,当一套处于净化状态时,二套处于备用状态。
而当一套发生堵塞时进行一套反冲，同时二套开始净化。
净化和反冲期间均有相应仪表对流量和压力进行检测和记录。
实现了系统运行可靠、故障率低的功能。
【关键词】PLC微滤膜污水处理
【Abstract】Atpresent,China'smostsewagetreatmentcontrolsystemautomationlevelisnothigh,safety,efficiency,lowimpropermanagementgenerallylowerthantheworldstandard.Waterdamagetotheenvironmentisamajorfactor,aseriousimpactonourlives.sotheestablishmentofeffectiveandeconomicalautomaticcontrolsystemisthekeytosolvingtheproblemofsewagetreatment.ThisdesignusestheSiemensS7-200PLCcontroltherotationflowtubularmembranewastewatertreatmentsystem.Ithasmanyadvantagessuchaslowcost,simpleoperation,hightechnicalfeasibility,etc.Thesystemhastwosetsofpurificationdevice,whensetinacleanstate,thetwosetsinastandbystate.Whenablockageoccurswhenakickatthesametimetwosetsofstartingclean.dringthepurificationandrecoilhavetheappropriateinstrumentationforflowandpressuresignalsweredetectedandrecorded.realizethesystemrunreliably,lowfailureratefunction.
【Keywords】PLCConfigurationmicrofiltrationsewagetreatment
1.绪论
1.1净水控制系统的国内外现状分析
目前,国产化污水处理设备具有品种不全,结构不合理,技术水平比较低,产品质量不稳定的特点。
我国自主生产的设备在很大程度上是依托国外相关设备的构造,再经过自我消化、研发和生产实践,逐步填补国内空白，并在此基础上不断发展壮大。
目前在水污染治理技术上，我国已能提供下列工艺技术：
传统活性污泥法技术、各种新型活性污泥工艺如：
SBR法和氧化沟技术等、酸化水解好氧技术和多种类型的稳定塘技术等，这些污水治理技术已经在水体污染、改善水体环境方面发挥了突出的作用，标志着我国工业污水处理事业发展到了一个崭新的阶段。
不过,我国污水处理设备会在相当长的时内落后于其他国家,还有许多空白,很多设备还停留在仿制的水平上,对于其理论研究尚显不足。
因而,国产化设备将会在未来相当长时间内在技术水平上处于劣势,特别是先进设备的技术保密与知识产权保护意识的加强,其竞争力将在未来市场中不断接受考验。
国外的一些发达国家，如美国、日本、西欧等国，由于这些国家经济发达，并较早的实现了工业现代化。
这些国家经济发展较早而且较快，环境问题特别是水资源污染的严重性也较早的体现出来，同时也得到了这些国家政府的重视，投入了大量的人力、物力进行水处理的研究。
这些国家在研究水处理新理论和工艺的同时，也重视污水处理自控系统的研究。
这些国家先后投资研究高效型、智能型、集约型污水处理设备和自动化控制仪表。
一些发达国家经过几十年的努力，污水处理率已经达到80%-90%，成功的解决了来自于城市和工业的水污染问题。
至70年代末，美国投入了数千亿美元兴建了18000余座城市工业污水处理厂，英国、法国、德国更耗费了巨额资金兴建了7000至8000座城市工业污水处理厂。
这些工业污水处理厂的投入对国家的水体污染改善起了关键的作用，也为人类治理水污染积累了丰富的经验。
现在，这些国家的工业污水处理水平又有了进一步提高，兴建了一批具有脱氮除磷功效的设施，对水体质量改善和水环境保护起了重大的作用。
1.2论文研究的意义
据监测，目前全国多数城市地下水受到一定程度的点状和面状污染，且有逐年加重的趋势。
日趋严重的水污泥不仅降低了水体的使用功能，进一步加剧了水资源短缺的矛盾，对我国正在实施的可持续发展战略带来了严重影响，而且还严重威胁到城市居民的饮水安全和人民群众的健康。
现在的污水处理一般都采用传统的污水处理工艺，采用絮凝沉淀、砂滤系统，设计投加氯化铁药剂于A2/O系统终沉池配水井中，强化生物除磷，降低终沉池出水中磷的浓度。
沉淀后出水经提升泵站至砂滤池，采用气水反冲洗滤池，过滤后水至清水池，加压后进入回用水管网。
传统的污水处理系统中，采用沉淀池进行污水凝沉淀，它不能形成颗粒凝聚的良好的条件，不能生成团粒型絮凝体，使得固液分离效率很低。
本系统采用效率较高，效果较好的膜微滤污水处理工艺。
微滤膜可以截留水中大部分悬浮物、胶体和细菌，其出水水质好，装置简单紧凑，处理水中不添加混凝剂，因此无化学污泥产生。
达到了无污染，无伤害，固液分离效率高的目的。
1.3课题主要设计的内容
本课题设计并完成了污水的净化目的。
采用西门子S7-200PLC控制技术，控制净水系统的净化过程和反冲过程，并记录了处理过程的流量和压力。
本文主要由以下内容组成：
（1）了解污水处理的工艺方法，主要介绍旋转流管式微滤膜污水处理的原理和工艺流程。
（2）介绍了PLC的基本结构和工作原理，并对净水控制系统进行设计分析。
（3）具体分析设计净水控制系统的硬件系统。
主要介绍PLC的I/O资源配置以及外围电路的设计。
（4）具体分析设计净水控制系统的软件系统。
对程序设计作了全面的分析以及调试。
（5）通过组态王对净水控制系统进行模拟仿真。
2.净水控制系统的原理概述
2.1微滤膜技术
2.1.1概念
微滤膜分离技术是以静压差为推动力,利用筛网状过滤介质膜的“筛分”作用进行分离的膜过程。
它主要用于从气相和液相悬浮液中截留微粒、细菌及其它污染物，以达到净化、分离和浓缩等目的。
实施微孔过滤的膜称为微滤膜。
微滤膜是均匀的多孔薄膜，孔隙率一般在70%-80%，所以过滤精度高，速率快。
微滤是所有膜过程中应用最普遍、销售额最大的一项技术。
工业上，微滤主要用于将大于0.1um的粒子与溶液分开的场合，它的最大市场是制药行业的除菌过滤和电子工业用高纯水的制备。
其最新的应用领域是生物技术和生物医学领域技术。
微滤膜可以截留水中大部分悬浮物、胶体和细菌，其优点包括：
①出水水质好且稳定；②处理装置紧凑；③可以去除细菌等微生物，出水可以不用再经消毒处理；④处理水中可以不添加混凝剂，因此无化学污泥产生；⑤系统中需要处理的污泥量大大降低,在某些情况下，可以省去建造二沉池；⑥处理规模较小的系统其成本比一般处理工艺低。
2.1.2微滤原理及操作工艺
膜分离的基本工艺原理是较为简单的。
在过滤过程中料液通过泵的加压，料液以一定流速沿着滤膜的表面流过，大于膜截留分子量的物质分子不透过膜流回料罐，小于膜截留分子量的物质或分子透过膜，形成透析液。
故膜系统都有两个出口，一是回流液（浓缩液）出口，另一是透析液出口。
其基本原理属于筛网状过滤，在静压差作用下，小于膜孔的粒子通过滤膜，大于膜孔的粒子则被截留到膜表面，使大小不同的组分得以分离，操作压力为0.7-7kPa。
除此以外，还有膜表面层的吸附截留和架桥截留，以及膜内部的网络中截留。
微滤有两种操作工艺：
一种死端过滤、一种错流过滤。
在死端过滤时，溶剂和小于膜孔的溶质在压力驱动下透过膜，截留大于膜孔的颗粒，通常堆积在膜表面上。
死端过滤只需克服膜阻力的能量，在许多场合下，实验室的真空泵或增压泵就可提供足够的能量使微滤的流速达到要求。
但随着操作时间的增加，在膜面上堆积的颗粒越来越多，过滤阻力越来越大，膜的渗透速率将下降。
所以死端过滤是间隙式的，必须周期性地停下来清洗膜表面的污染层或更换膜。
第二种操作工艺是错流工艺，在泵的推动下料液平行于膜面运动，与死端过滤不同的是料液流经膜面时产生的剪切力把膜面上滞留的颗粒带走，从而使污染层保持在一个较薄的水平。
2.2微滤膜净水控制系统的工作原理
2.2.1微滤膜净水控制系统的基本内容
旋转流管式膜微滤装置在城市污水处理厂中被广泛应用，而且应用的效果很明显，处理的污水净化程度比其他装置净化程度高，该装置在运行压力为0.12～0.15MPa,反冲洗间隔为18min时,吨水能耗仅为0.45kWh。
此时对COD、浊度有较高的去除率,分别为75.71%和94.49%,对氨氮也有一定的去除效果,去除率为40.26%；处理后出水COD、氨氮、浊度均很明显优于其他装置。
该装置的优点是成本低、操作简单,用于污水处理回用具有较高技术经济可行性。
2.2.2微滤膜净水控制系统的工作过程
本设计的污水处理采用旋转流管式微滤膜的污水处理工艺。
旋转流管式微滤膜污水处理系统的工艺流程如图2-1所示。
被控系统有两套污水净化装置，这两套污水净化装置不允许同时工作，当一套处于净化状态时，另一套处于反冲状态或备用状态。
净化时，进水加压泵M1工作（变频器控制）；反冲时，反冲加压泵M2工作。
不管是在净化状态还是在反冲状态，都有相应的仪表对流量跟压力信号进行检测和记录。
图2-1旋转流管式膜微滤污水处理系统工艺流程
其工作过程如下：
a.启动I套净化启动按钮，由接触器KM1控制的进水加压泵M1（由变频器控制）开始工作，同时电磁阀YV1、YV2、YV3、YV4打开，进行I套净化工作。
b.为保证净水工序的正常进行，在其管道上装了压力表PIT1、PIT2，流量计FIT1、FIT2、FIT5，对其管道中的压力与流量进行检测。
只要流量计FIT5所检测到的流量值小于某一给定的流量值，说明I套的净化装置中发生了堵塞，此时I套净化停止，加压泵M1停止工作，电磁阀YV1、YV2、YV3、YV4关闭，进行I套反冲。
由KM2控制的反冲泵M2工作，电磁阀YV5、YV6、YV7打开，反冲一段时间后自动停止；同时启动II套净化装置进行净化。
c.II套装置净化时，由由接触器KM1控制的进水加压泵M1（由变频器控制）开始工作，同时打开电磁阀YV1、YV8、YV9、YV10，通过压力表PIT3、PIT4，流量计FIT3、FIT4、FIT5对管道中的压力和流量进行监控。
当流量计FIT5所检测到的流量值小于某一给定的流量值时，说明II套的净化装置中发生堵塞，此时II套净化装置停止，进水加压泵M1停止工作，电磁阀YV1、YV8、YV9、YV10关闭，进行II套反冲。
由KM2控制的反冲泵M2开始工作，电磁阀YV5、YV11、YV12打开，反冲一段时间后自动停止；同时，启动I套净化装置进行净化，如此反复循环。
d.进水加压泵采用变频器进行变频调节。
e.当接触器KM1、KM2过载，或变频器故障时，会进行报警，以提示操作人员进行处理。
f.系统停止工作时，先停止水泵再关闭阀门。
g.I套和II套装置在工作过程中可通过停止按钮随时停止工作，I套和II套装置也可以单独进行反冲。
3.净水控制系统的方案设计与论证
3.1净水控制系统的控制要求
净水控制系统有以下要求：
（1）由接触器控制进水加压泵和反冲泵的开启与停止。
（2）进水加压泵的运行速度由变频器控制。
（3）净水过程中通过压力表和流量计对管道中的压力和流量进行检测。
（4）变频器故障时提供相应的控制信号
（5）系统完全实现自动化操作。
3.2控制系统方案的确定
方案一：
继电器——接触器控制系统。
继电接触器控制采用的是固定接线方式，一旦生产过程有所变动，就得重新设计线路连接安装，过程很繁琐。
随着电子技术的飞速发展，控制要求的不断提高，该类控制方法已不能满足现代污水处理系统的控制要求，因此已逐渐被淘汰。
方案二：
单片机控制系统。
单片机是指把组成微型计算机的各种功能部件,包括CPU、随机存取存储器RAM、只读存储器ROM、基本输入/输出接口电路、定时器/计数器等部件都制作在一块集成芯片上,构成一个完整的微型计算机。
单片机控制系统是基于芯片级的系统，主要应用于小型电器的控制，作为工业生产中的控制方式，电路比较复杂，调试比较麻烦；若需要追加或者修改功能时，要对电路进行修改，不灵活也不方便；电路的可靠性和抗干扰性能不好。
方案三：
PLC系统。
PLC专为工业现场应用而设计，采用了典型的计算机结构，它主要由CPU、电源、存储器和专门设计的输入/输出接口电路等组成。
用它作为处理系统的控制器，实现控制系统的功能要求，也可利用计算机作为其上位机，通过网络连接PLC，对生产过程进行实时监控。
其控制功能时通过存放在存储器内的程序来实现的，若要对控制功能作必要的修改，只需改变软件指令即可，使硬件软件化。
可编程控制器的优点从软件来讲，它的程序可编，也不难编，从硬件上讲，它的配置可变，也易变。
其特点如下：
编程方便，开发周期短，维护容易。
通用性强，使用方便。
控制功能强。
模块化结构，扩展能力强。
根据净水控制系统的控制要求，为实现污水处理技术的简易、高效、低能耗的功能，并且实现自动化的控制过程，采用PLC作为核心控制器是个较好的方案。
因此选择方案三。
4.系统总体硬件设计
4.1微滤膜净水控制系统的总体框图
微滤膜净水控制系统的电气控制系统总框图如图4-1所示，PLC为核心控制器，通过检测操作面板按钮的输入、热继电器的输入，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。
图4-1电气系统控制框图
4.2PLC控制系统的设计
4.2.1PLC及模块的选择
PLC种类很多，有西门子的、ABB、三菱等。
西门子的有s7-200系列和s7-300系列等。
s7-200属于小型PLC模块，而s7-300属于中型PLC模块。
s7-200适用于小型PLC系统，且适用的控制对象一般在256点以下。
而s7-300适用了大中型PLC系统，适用的控制对象在256以上，1024点以下。
根据净水控制系统的电气控制系统的功能要求，以及其复杂程度，从经济性、可靠性等方面来考虑，选择西门子S7
—200系列PLC作为净水控制系统的电气控制系统的控制主机。
S7-200的CPU有CPU224、CPU224XP、CPU226等。
CUP224集成14输入/10输出共24个数字量I/O点。
可连接7个扩展模块，最大扩展至168路数字量I/O点或35路模拟量I/O点。
综合考虑净水控制系统电气控制系统功能要求，采用CPU224作为该控制系统的主机。
本系统中的开关量I/O点共有28点，其中10点输入，18点输出。
模拟量I/O点共有10点，其中9点输入，1点输出。
根据系统中的I/O点数并考虑一定的余量，还要增加两个数字量输出扩展模块EM222,三个模拟量混合扩展模块EM235。
设计系统的硬件配置图如图4-2所示。
图4-2旋转流管式微滤膜PLC控制系统的硬件组成
主机CPU224模块。
CPU224选择型号CPU224AC/DC/继电器。
其本机集成了14点输入，10点输出，共有24点数字量I/O。
它可以连接7个扩展模块，最大扩展至168点数字量I/O或35路模拟量I/O。
CPU224配有1个RS-485通信/编程口，具有PPI通信、MPI通信和自由方式通信能力，是具有较强控制能力的小型控制器。
EM222数字量输出模块。
EM222数字量输出模块有两种类型。
一种是8点24V直流输出型，另一种是8点继电器输出型。
两种类型均有隔离，本系统选用8点继电器输出型。
EM235模拟量混合模块。
EM235具有4路模拟量输入和1路模拟量输出。
它的输入信号可以是不同量程的电压或电流。
其电压、电流的量程由开关SW1-SW6设定。
EM235具有1路模拟量输出，其输出可以是电压，也可以是电流。
4.2.2PLC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，具体分配如下表。
（1）在此控制系统中，共有10个数字量输入，主要包括各种控制按钮、过载保护输入。
如表4-1所示。
表4-1数字输入量地址分配
输入地址
输入设备
输入地址
输入设备
I0.0
一套净化启动
I0.5
热继电器FR1
I0.1
一套反冲启动
I0.6
热继电器FR2
I0.2
二套净化启动
I0.7
热继电器FR3
I0.3
二套反冲启动
I1.0
一套停止
I0.4
报警解除按钮
I1.1
二套停止
（2）在这个控制系统中，主要输出控制的设备有电磁阀、接触器、报警和指示灯，共有18个输出点，其具体分配，如表4-2所示。
表4-2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
电磁阀YV1
Q2.1
电磁阀YV10
Q0.1
电磁阀YV2
Q2.2
电磁阀YV11
Q0.2
电磁阀YV3
Q2.4
电磁阀YV12
Q0.3
电磁阀YV4
Q3.0
接触器KM1
Q0.4
电磁阀YV5
Q3.1
接触器KM2
Q0.5
电磁阀YV6
Q3.4
报警指示灯HL1
Q0.6
电磁阀YV7
Q3.5
报警指示灯HL2
Q0.7
电磁阀YV8
Q3.6
报警指示灯HL3
Q1.0
电磁阀YV9
Q3.7
声音报警
（3）由于需要采集流量计和压力表所反馈的数据，因此扩展了三个模拟量输入输出模块，具体I/O分配，如下表4-3所示。
每个模拟量扩展模块，按扩展模块的先后顺序进行排序，其中，模拟量根据输入、输出不同分别排序。
模拟量的数据格式为一个字长，所以地址必须从偶数字节开始。
例如：
AIW0，AIW2，AIW4……、AQW0，AQW2……。
每个模拟量扩展模块至少占两个通道，即使第一个模块只有一个输出AQW0,第二个模块模拟量输出地址也应从AQW4开始寻址，以此类推。
表4-3模拟量输入地址分配
输入地址
输入设备
输入地址
输入设备
AIW0
压力表PIT1
AIW12
流量计FIT2
AIW2
压力表PIT2
AIW16
流量计FIT3
AIW4
压力表PIT3
AIW18
流量计FIT4
AIW8
压力表PIT4
AIW20
流量计FIT5
AIW10
流量计FIT1
（4）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4-4所示。
表4-4模拟量输出地址分配
输出地址
输出设备
AQW0
变频器
4.3变频器的选择
变频器（Variable-frequencyDrive，VFD）是应用变频技术与微电子技术，通过改变电机工作电源频率方式来控制交流电动机的电力控制设备。
变频器主要由整流（交流变直流）、滤波、逆变（直流变交流）、制动单元、驱动单元、检测单元微处理单元等组成。
变频器靠内部IGBT的开断来调整输出电源的电压和频率，根据电机的实际需要来提供其所需要的电源电压，进而达到节能、调速的目的，另外，变频器还有很多的保护功能，如过流、过压、过载保护等等。
由于进水加压泵采用变频调速，本系统选用的变频器是西门子MM430系列的6SE6430-2UD33-0DA0西门子MM420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，主要对以下几个参数进行调整，如表4-5所示。
表4-5变频器参数设置表
参数号
参数值
说明
P0005
21
显示实际频率
P0700
2
由端子排输入
P1000
2
模拟输入
P1300
2
可用于可变转矩负载
P2010
6
9600baud
P2011
1
USS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
一般情况下，选择变频器的功率和电机的功率一样，在有些特殊情况下（如重载设备），也会选择变频器的功率大于电机的额定功率，以保证变频器带动电机能够正常运行。
合理的容量选择本身就是一种节能降耗措施。
变频器容量选定过程,实际上是一个变频器与电机的最佳匹配过程,最常见、也较安全的是使变频器的容量大于或等于电机的额定功率,但实际匹配中要考虑电机的实际功率与额定功率相差多少,通常都是设备所选能力偏大,而实际需要的能力小,因此按电机的实际功率选择变频器是合理的,避免选用的变频器过大,使投资增大。
对于轻负载类,变频器电流一般应按1.1In（In为电动机额定电流）来选择,或按厂家在产品中标明的与变频器的输出功率额定值相配套的最大电机功率来选择。
本系统设计过程中应用了2台污水泵，一台是进水加压泵，一台是反冲加压泵，选用的电机参数如下：
额定功率为22KW，额定电流43A，额定电压380V，额定转速1470r/min。
变频器参数如下：
输入电压380V，输入电流59.3A，输出电流62A，输入频率47-63HZ，输出频率0—650HZ。
调试功率30KW，可变转矩功率30KW。
额定功率22KW。
4.4接触器选型
在此控制系统中，进水加压泵和反冲泵是根据控制面板上的按钮情况或者根据流量计和压力表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进水加压泵和反冲泵的启停，在此用到了两个接触器。
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
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