机电传动课程设计.docx
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机电传动课程设计
机电传动课程设计
题目:
污水净化处理系统的PLC控制
姓名 刘念
专 业机械设计制造及其自动化
班级 机自081
学号 200800314105
指导教师靳继勇
完成日期2011-12-23
目录
第一章引言…………………………………………………………………………1
1.1课题背景………………………………………………………………………1
1.2设计目的…………………………………………………………………………1
1.3设计任务及分析…………………………………………………………………1
1.3.1任务及要求…………………………………………………………………1
1.3.2任务分析……………………………………………………………………1
第二章污水净化处理系统设计方案选择……………………………………………3
2.1物理法处理技术方案选择………………………………………………………3
2.2各污水处理方案的分析和比较…………………………………………………4
2.3方案的确定………………………………………………………………………4
2.4方案三的具体实施………………………………………………………………5
2.4.1系统的组成介绍……………………………………………………………5
2.4.2工艺流程……………………………………………………………………5
2.4.3系统布局……………………………………………………………………6
第三章I/O分配表……………………………………………………………………7
3.1硬件的设计………………………………………………………………………7
3.1.1确定PLC的CPU型号和扩展模块型号……………………………………7
3.1.2压差检测仪表的选择………………………………………………………7
3.1.3其它的输入和输出元件的选择……………………………………………7
3.2软件的设计………………………………………………………………………8
3.2.1主程序的设计………………………………………………………………8
3.2.2输出故障检测和报警………………………………………………………8
3.2.3软件设计的可行性…………………………………………………………9
第四章PLC硬件接线图………………………………………………………………10
第五章系统控制流程图………………………………………………………………11
第六章编程过程说明…………………………………………………………………12
第七章调试说明………………………………………………………………………13
7.1系统调试…………………………………………………………………………14
7.2系统可行性阐述…………………………………………………………………15
结束语…………………………………………………………………………………16
参考文献…………………………………………………………………………………17
附录………………………………………………………………………………………18
附录1：
系统主程序…………………………………………………………………18
附录2：
故障诊断子程序……………………………………………………………24
第一章引言
1.1课题背景
可编程控制器即PLC是综合了计算机技术、自动控制技术和通信技术的一种新型的、通用的自动控制装置。
现在可编程控制器已经成为最重要、最可靠、应用场合最广泛的工业控制微型计算机。
它具有功能强、可靠性高、使用灵活方便、易于编程以及适应工业环境等一系列优点。
为了提高污水处理厂的运行管理水平，PLC也成为了该系统的重要组成单元之一，在该系统中各单元按一定拓扑结构互相连接构成污水处理厂的控制系统。
1.2设计目的
在冶金企业中，有大量的工业用水用于冷却，为此每天消耗大量的水资源，由于用过的冷却水含有氧化铁杂质，不宜多次循环使用。
为保护环境、节约用水，需要对含有氧化铁杂质的污水进行净化处理。
1.3设计任务及分析
1.3.1任务及要求
（1）两台机组的滤水工序可单独进行，也可同时进行。
而反洗工序只允许单台机组进行工作，一台机组反洗时，另一台必须等待。
两台机组同时要求反洗时，1号机组优先。
（2）为保证滤水工艺的正常进行，在每台机组的管道上均安装了压差检测仪表，只要出现了“管压差高”信号，则应立即停止滤水工序，自动进入反洗工序。
（3）为增强系统的可靠性，将每台机组的磁滤器及各个电磁阀线圈的接通信号反馈到PLC输入端，一旦某一输出信号不正常，要立即停止系统工作，这样可避免发生事故。
（4）接触器输出故障检测报警。
1.3.2任务分析
（1）两台机组的滤水工序可单独进行，要求有独立的启动/停止按钮。
（2）“管压差高”检测和反洗铃在每台机组上均单独配置。
压力传感器监测到的压力值直接关系到整个控制系统的可行性，在选择差压变送器的精度要他到±3％RH的以上的精度，使得差压传感器在工作的时候能够准确的接收和发送出准确的信号。
用一个PLC模拟量输入模块和一个输出模块。
让差压传感器接收的信号传送到PLC的模拟量的输入模块使模拟量转换成数字量，为了使防止在输入触点抖动或外部干扰脉冲引起错误的输入信号，在输入电路中设置RC滤波电路，可以增加可靠性。
CPU模块的内部的工作电压一般是DC5V，输出信号电压一般较高，一般是DC24V和AC220V。
采用DC0～10V，模拟量输出模块用于控制电动出水阀、进水阀、水泵等执行器。
（3）所谓将每台机组的磁滤器及各个电磁阀线圈的接通信号反馈到PLC的输入端，如图1-1所示。
考虑到由接触器控制这些线圈，当接触器线圈通电时，其动合触点应当闭合，动断触点应当断开；反之亦然，如果接触线圈通电时，其动合触点不能闭合或者动断触点不能闭合，或动断触点不能断开，可能发生事故。
图1-1输出反馈信号接线图
第二章污水净化处理系统设计方案选择
污水处理的基本原理是利用物理法、化学法和生物法三大类。
而在冶金业中污水的处理方案，就有它的独特的处理方案。
对冶金业中所产生的污水中含有大量的固体渣滓污染物，对于固体渣滓污染物的处理方法一般采用物理法，物理法的基本原理是利用物理作用是悬浮状态的污染物质与水分离，在处理过程中污染物质的性质不发生变化，而在物理法的处理方法中又有以下多种处理方法。
2.1物理法处理技术方案选择
方案一:
截留法
通常都以格栅或筛网作为污水处理厂的第一个处理工序，其主要作用是去除废水中粗大的悬浮物质，以保护后续的处理设备如污水泵，并防止管道堵塞。
格栅由一组平行的金属栅条构成，其截留悬浮物质的效率决定于栅条间隙的宽度。
当格栅设在污水泵站前时，缝隙宽常大于50mm，当设在沉沙池前时，一般采用15～40mm。
通过格栅的水流速度应保持在0.6～1.0m/s之间。
当通过格栅的水头损失超过10cm时，应清除格栅前的污物，以免涌水现象。
大型处理厂应采用机械清除格栅。
格栅截留的污物被清除后，应妥善处理，方法有填埋、焚烧、堆肥或与其它污泥混合后进行消化处理，也可以将污染物粉碎后送进污水厂进口。
方案二:
膜分离的电渗析法
利用过滤性膜选择透过性对水中杂质进行浓缩、分离的方法，统称为膜分离。
根据膜孔隙的大小及过滤是的动力，膜分离可分为微过滤、超过滤、纳米过滤、电渗析反渗透等。
对于冶金工业废水的处理一般采用电渗析处理方法。
电渗析：
电渗析是在电场作用下使溶液中离子通过膜进行传递的过程，所应用的膜为离子交换膜。
阳离子交换膜只允许阳离子透过，阴离子交换膜则只允许阴离子通过。
在电渗析设备中，阳离子交换膜和阴离子交换膜交替排列于正负两个电极之间，并用特别的隔板将其隔开，形成脱盐水和浓缩水两个系统。
在直流电场作用下，阳离子向阴极迁移，阴离子向阳极迁移，由于离子交换膜的选择透过性，淡室中的盐水逐渐淡化，浓室中的盐水被浓缩，以此实现脱盐的目的。
电渗析用于重金属工业的废水处理。
方案三:
磁力分离法
磁力分离是利用磁场力截留和分离废水中污染物质的方法。
主要应用于去除废水中磁性及非磁性悬浮物和重金属离子，对废水中有机物和营养物的去除也有帮助。
当废水通过磁场时，水中磁性粒子同时受磁场吸引力、外力和重力、粒子互相作用等的作用，如磁力大于外力磁性粒子既能被磁场捕获，从水中分离出来。
磁场吸引力还可以起到促进絮凝的作用。
使用较多的磁过滤器的主要部分为电磁铁和铁磁性过滤介质金属球、钢毛等。
其次为磁吸离器，它由不锈钢圆盘制成，上面粘结了极性交错排列的数百块永久磁铁，并用铝板覆盖。
运转时圆盘转动，浸没部分吸引水中磁性物质，转离水面后，将表面泥渣即被挂走。
磁性铁粉可以在用分离心法从泥渣中回收。
该分离机以其特有的快速分离的特点在生产中得到了实际应用。
2.2各污水处理方案的分析和比较
方案一
优点：
设备简单，所耗费的资金少，处理过程简单容易控制。
缺点：
是一种传统对废水中的粗糙较大的固体污染物进行处理方案，在对废水处理的设计中可能占地面积过大，耗费的人力较多，在反洗过程中需要人工的反清洗，还可能耗费大量的时间而耽误污水的净化效率。
最关键的是不能完全的达到自动化目的。
方案二
优点：
处理精度较高，目的性明确有较高的可靠性。
缺点：
在阴阳离子的分离和替换控制过程中的难度较复杂，设备结构复杂，不容易清洗。
虽然它可用于重金属工业的废水处理中，但对于这种方案不是常用的方案，因为不能直接把废水中的金属杂质直接的处理掉。
方案三
优点：
操作方便，结构简单，设备简单，清洗时断掉电源，关闭进水阀和出水阀，让压缩空气强行把水箱中的水打入磁滤器中，冲洗磁铁，去掉附着的氧化铁杂质使冲洗后的污水流入污水池，进行二次处理，处理后的固体杂质还可以回收再利用。
对废水中有机物和营养物的去除也有帮助。
缺点：
对于其他无磁性的固体杂质不能及时的处理。
2.3方案的确定
对于以上的污水处理方案的分析之后，方案三是选择中最适合用于冶金业的污水处理中，还可以简单的加入PLC控制，来实现达到自动化的目的。
从而在处理过程中实现经济化、可靠性、安全性超过了方案一、二。
在方案三中的污水处理后，污水不仅得到了净化还可以回收再利用，净化后得到的氧化铁杂质也可以回收再利用。
所以方案三是污水处理系统方案的最佳选择方案。
2.4方案三的具体实施
2.4.1系统的组成介绍
从简单经济可靠性出发，本系统由2台磁滤器，10只电磁阀和连接管道组成。
系统组成示意图2-1所示。
图2-1系统组成示意图
2.4.2工艺流程
污水净化处理可分为两道工序，以1号机组为例，其工艺流程图如图2-3所示。
（1）滤水工序：
打开进水阀和出水阀，污水流经磁滤器时，如果磁滤器的线圈一直通电，则污水中的氧化铁杂质会附在磁滤器的磁铁上，使水箱中流出的是净化水。
（2）反洗工序：
滤水一段时间后，必须清洗附在磁铁上的氧化铁杂质。
这时只要切断磁滤器线圈的电源，关闭进水阀和出水阀，让压缩空气强行把水箱中的水打入磁滤器中，冲洗磁铁，去掉附着的氧化铁杂质使冲洗后的污水流入污水池，进行二次处理。
图2-2工艺流程
2.4.3系统的布局
图2-3系统拓扑
第三章I/O分配表
3.1硬件设计
3.1.1确定PLC的CPU型号和扩展模块型号
下表为净水器的1号机组的输进和输出地址分配表
1号机组的I/O地址分配表
编程元件
I\O端子
电路元件
作用
输
入
继
电
器
I0.0
SB1
1号净水器的启动按钮
I0.1
SB2
1号净水器的停止按钮
I0.2
YJ1
1号净水器差压检测仪，差压过高开关信号
I0.3
SB3
系统急停按钮
I0.4
YA1
1号磁滤器辅助触点，用于YA1的故障诊断
I0.5
YA2
1号出水阀辅助触点，用于YA2的故障诊断
I0.6
YA3
1号进水阀辅助触点，用于YA3的故障诊断
I0.7
YA4
1号排污阀辅助触点，用于YA4的故障诊断
I1.0
YA5
1号压缩空气阀的辅助触点，用于YA5故障诊断
输
出
继
电
器
Q0.0
YA1
1号磁滤器的线圈
Q0.1
YA2
1号出水阀线圈
Q0.2
YA3
1号进水阀线圈
Q0.3
YA4
1号排污阀线圈
Q0.4
YA5
1号压缩空气阀线圈
Q0.5
HA
反洗铃
Q0.6
HL1
故障指示灯
Q0.7
HA1
故障报警器
由于1号机组和2号机组的工作原理相同，故净水系统总的输进点数为18点，总的输出点数为16点。
为此选择西门子公司的S7-200系列的CPU224可编程控制器和S7-200的数字量扩展模块EM223，它们可以提供22点输进和18点输出。
3.1.2压差检测仪表的选择
压差检测仪表的作用是检测磁滤器的进口和出口的压差，假如压差过高，表示磁滤器的有堵塞故障，需要进行反洗工序。
压差检测仪表应该具有设定压差、显示压差、压差信号输出功能。
综上所述选择美国德威尔（dwyer）的3000IMR系列的Photohelic压力表/开关。
3.1.3其它的输入和输出元件的选择
从略
3.2软件设计
3.2.1主程序的设计
选用STEP7-Micro/WIN是建立在STEP7-Micro/WINV4.0版编程软件和2004出版推出的S7-200新产品的基础上的。
较老的编程软件与V4.0版的功能和界面有一些的区别，老型号的PLC不能使用新产品的某些功能。
程序的设计，由于1号机组和2号机组工作状态是一样的，所以只做的1号机组的程序编写。
输入电路使用CPU模块提供的DC24V电源，开启动按钮1号机组开始工作，1号进水阀打开，污水进入1号磁滤器开始过滤。
出1号水阀打开，40分钟后滤水结束关闭1号进水阀，1秒后关闭1号出水阀，5秒后关闭1号磁滤器，2秒后进入反洗工序，接通1号排污阀，1秒后接通1号压缩空气阀。
接通1号反洗铃，1分钟反洗时间。
反洗结束关闭1号压缩空气阀1秒后关闭1号排污阀，再延时5秒后，又进行滤水工序。
3.2.2输出故障检测和报警
（1）故障诊断子程序的作用
相对于PLC而言，外部输入器件如电磁阀、磁滤器容易出现故障。
如果电磁阀和磁滤器出现故障不能及时的处理，容易造成系统工作不正常，甚至损坏系统。
处理方法是；如果外部输出器件出现故障时，必须停止并报警提示，提醒工作人员进行维修。
（2）故障子程序的设计
本控制系统共有8个故障诊断子程序，它们的故障诊断方法都类似，具体的诊断法是：
如果某个线圈通电，对应的常开的辅助触点应该闭合。
如果没有闭合就证明该元件以损坏。
如果某个线圈断电，对应的常闭触点因该闭合；如果没有闭合，判断该元器件损坏。
下面我们以故障子程序1为例，谈谈故障诊断子程序的实现。
图3-1故障诊断子程序
3.2.3软件设计的可行性
故障诊断子程序梯形图4-1，他有顺序功能逻辑语言解释下：
在M1.1步即滤水工序如果磁滤器或者出水阀或者进水阀没有打开或者是排污阀或者空气压缩阀打开了，则报警或者是停机的状态。
软件解决了1号机组和2号机组的反洗竞争问题，采用了延时和互锁的方法，为了保证了系统的可靠性工作，设计了输出诊断程序，能判断执行器是否正常工作。
保证了系统的稳定和可靠性。
磁滤器的差压保护：
如果磁滤器的入口和出口的差压大于设定值，则滤水工作停止，或者是立即进入反洗程序中。
这样一来增加了系统的安全可靠性。
第四章PLC硬件接线图
PLC外部接线
由于1号机组和2号机组工作状态是一样的，所以只做的1号机组的PLC外部接线图。
接线图原理是打开启动按钮1号机组开始工作，1号进水阀打开，污水进入1号磁滤器开始过滤。
出1号水阀打开，40分钟后滤水结束关闭1号进水阀，1秒后关闭1号出水阀，5秒后关闭1号磁滤器，2秒后进入反洗工序，接通1号排污阀，1秒后接通1号压缩空气阀。
接通1号反洗铃，1分钟反洗时间。
反洗结束关闭1号压缩空气阀1秒后关闭1号排污阀，再延时5秒后，又进行滤水工序如图3-4所示。
图4-1PLC的外部接线图
第五章系统控制流程图
图5-1净水机组的控制系统顺序功能图
第六章编程过程说明
具体程序见附录
第七章调试说明
7.1系统调试
（1）滤水工序1号机组开始工作
系统启动按钮I0.0进入滤水工序，接通1号磁滤器Q0.0，再接通出水阀Q0.1,后接通进水阀Q0.3开始滤水40分钟如图7-1所示。
图7-1滤水调试
（2）反洗工序1号机组进入反洗
40分钟后磁滤器进入反洗工序，接通排污阀Q0.3,再2接通空气压缩阀Q0.4，后接通反洗铃Q0.5。
反洗1分钟，1分钟后再进入滤水工序如图7-2所示。
图7-2反洗调试
注释：
系统程序1号机组和2号机组工作状态是一样，所以以上的调试图只是1号机组的调试图。
7.2系统可行性阐述
利用PLC实现了污水净化处理系统的自动化控制，详细介绍了污水净化处理系统的软件和硬件的设计方案，软件设计给出了控制系统的梯形图，并采用了结构法程序设计方案。
硬件采用差压仪表，保证滤水工序的性能指标并有防止滤水器堵塞的功能，采用PLC控制，系统结构比传统系统结构简单、可靠，系统很少出现故障；由于控制系统是由控制系统软件来实现。
软件解决了1号机组和2号机组的反洗竞争问题，采用了延时和互锁的方法，为了保证了系统的可靠性工作，设计了输出诊断程序，能判断执行器是否正常工作。
保证了系统的稳定和可靠性。
在进行PROFIBUS组态安全操作监控过程，并组态污水处理系统的显示压力范围、控制键、报警显示等以达到现场恒定压力在控制室里实时监控，使工作人员可以远程控制，从而工作室和现场隔离开，达到安全的工作生产。
第八章结束语
通过对对该污水净化处理系统控制的PLC控制，使我认识到了PLC在工业环境运用的重要性，对PLC的使用场景及简单系统的设计有了更进一步的了解。
利用PLC实现了污水净化处理系统的自动控制,本说明详细介绍了污水净化处理控制系统的硬件设计和软件设计方法。
软件设计给出了控制系统的顺序功能图,并且采用结构化程序设计方法。
硬件设计采用了压差检测仪表,保证滤水工序的性能指标并且有防止滤水器堵塞的功能。
由于采用PLC作为控制器,系统结构比传统控制系统结构简单,可靠性高,系统很少出故障;由于控制系统的控制算法由软件实现,易于系统升级,易于联网。
为了解决1号机组和2号机组在反洗工序竞争的问题,采用了延时和互锁的算法。
为了保证系统可靠地工作,设计了外部输出器件自诊断程序,能够判断外部执行器是否工作正常并且自动进入故障处理步骤。
使系统有一定的自诊断智能,保证系统工作稳定、可靠。
本设计不仅解决了水污染问题，保护了自然环境同时也保证了人类的生活环境。
从而使得有限的淡水资源得到了有效的利用。
通过实际工程问题对PLC的硬件及软件编程又有了更深的认识，希望在以后的学习过程中能够学有所有，为以后的工作打下了坚实的基础。
参考文献
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高等教育出版社.林肇信等主编.1999年第二次（修订版）.
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中国建筑工业出版社.许泽美,唐建国,周丹等主编.2002年第一版.
[3]廖常初.PLC编程及应用.北京：
机械工业出版社.廖常初主编.2007年9月第二版第八次印刷.
[4]廖常初.S7-300/S7-400PLC应用技术.北京：
机械工业出版社.廖常初主编.2007年9月第一版第六次印刷.
[5]路林吉，王坚，江龙康.可变控制器原理及应用.北京：
清华大学出版社.2003年2月第二次印刷.
[6]苏昆哲.深入浅出西门子WinCCV6.苏昆哲.北京：
北京航空航天大学出版社.2006年12月第九次印刷.
[7]杨卫华.现场总线网络.北京：
高等教育出版社.2004年7月第一版.
[8]中国工控网..
[9]毕业论文参考网.
附录
附录1：
系统主程序
SM0.1系统急停按钮，M0.0总停止状态，M0.0置位，其余的相关编程元件全部复位。
M0.11号机组初始状态，M0.1置位，1号机组相关元件的编程元件全部复位。
I0.01号机组启动，M1.1进行滤水工序，接通1号机组磁滤器（Q0.0），2秒后接通出水阀（I0.4）,进水阀滤水40分钟（C0），后在进行故障诊断。
M1.2滤水工序结束，关闭进水阀（Q0.2）1秒后关闭出水阀（Q0.1）5秒后关闭磁滤器（Q0.0）再定时2秒（T38）。
M0.3进入反洗工序，接通排污阀（Q0.3）1秒后接通压缩空气发（Q0.4），接通反洗铃，反洗1分钟（T39）。
M1.4反洗结束，关闭压缩空气阀（Q0.4）,1秒后接通排污阀关闭反洗铃，再延时5秒（T40）。
M2.0置位2号机组相关编程元件全部复位。
I1.1启动2号机组，M2.1滤水工序，接通2号机组磁滤器，2秒后接通出水阀，1秒后接通进水阀，滤水40分钟（C1）。
当T38大于或等于10时QO.1复1位，当T38大于或等于50时，Q0.0复1位。
M2.2滤水工序结束，关闭进水阀（Q1.2）1秒后关闭进水阀（Q1.1）5秒后关闭磁滤器Q1.0，再定时2秒（T42）。
M2.3保证1号机组优先，延时0.1秒（T43）。
M2.4反洗工序，接通排污阀，1秒后接通压缩空气阀，再接通反洗铃，反洗1分钟（T44）。
M2.5结束反洗工序，关闭压缩空气阀，1秒后关闭排污阀，关闭反洗铃，再延时5秒（T45）。
M0.0闭合时M1.0、M2.0、Q0.0分别复位。
当M1.2接通时Q0.2复位到Q0.1，T38开始计时。
当M1.1接通时Q0.0置位1，T37开始计时。
当M1.1接通时T37大于或等于20时Q0.1置位1。
当M1.1接通时T37大于或等于30，1置位1。
M1.3接通时Q0.3置位1，T39计时。
T37接通时C0到40，M1.2复位。
M1.4接通时Q0.4复位1，T40计时。
当T40大于或等于10，Q0.3复位3。
M2.0接通时M2.1和Q1.0分别复位。
M2.1接通时Q1.0置位1，T41计时。
T41大于或等于20时，Q1.1置位1。
T41大于或等于30,Q1.1置位1.
T41接通C1计数到40时M2.2复位。
M2.2接通时Q1.2复位1，T42计时。
当T42大于或等于10时，Q1.1复位1。
当T42大于或等于50时，Q1.0复位1。
M2.4接通时Q1.3置位2，T44计时。
M2.3接通时，T43计时。
当T44大于10时,Q1.4置位2。
M2.5接通时，Q1.4复位2。
T45计时。
T40大于10，Q1.3复位3。
附录2：
故障诊断子程序
M1.1接通时故障子序对M1.1的相关元件进行故障判断。
M1.2接通时故障子程序对M1.2的相关元件进行故障判断。
M1.3接通时子程序对M1.3的相关元件进行故障判断。
M1.4接通时对M1.4的相关元件进行故障判断
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