基于PLC的污水处理控制系统设计.doc
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毕业设计（论文）
基于PLC的污水处理控制系统设计
DESIGNOFSEWAGETREATMENTCONTROLSYSTEM
摘要
随着经济社会的发展，污水排放严重危害到了人们的生活环境质量，设计一种有效的污水处理控制系统具有重要意义。
本文通过比较国内外污水处理控制系统的基础上，设计了一种基于PLC技术的污水处理控制系统，具体内容如下：
（1）叙述了污水处理的基本原理，完成了系统的总体设计，并绘制了系统硬件主电路图、电源控制电路图和PLC控制电路原理图；
（2）应用PLC技术，完成了对总系统的手控和自控模式转换以及系统各部分启停在自控模式下运行的软件设计；
（3）应用组态软件实现了对系统流程的监控和操作。
仿真调试表明，本论文设计的污水处理控制系统具有生产效率高、可靠性高、工序流程易实现、操作简便等特点，可满足污水处理流程的自动控制需要。
关键词污水处理；PLC；软件设计；组态软件
Abstract
Withthedevelopmentofsocietyandeconomy,thedischargedsewageisseriouslyharmfultothequalityofpeople'slivingenvironment,thedesignofanefficientsewagetreatmentcontrolsystemhasimportantsignificance.Comparingwiththedomesticsewagetreatmentcontrolsystem,thethesisdesignedasewagetreatmentcontrolsystemthatwasbasedonthetechnologyofPLC,thespecificcontentsareasfollows:
（1）Describedthebasicprincipleofsewagetreatment,completedtheoveralldesignofthesystem,anddrawedthesystemhardwarethemaincircuit,powersupplycontrolcircuitandPLCcontrolcircuit;
（2）WiththetechnologyofPLC,completedthesoftwaredesignofatotalsystemfortheconversionbetweenhandcontrolandautomaticcontrolmode,andeachpartofthesystem'sstartingandstoppinginautomaticcontrolmode;
（3）Ithadfinishedmonitoringandoperatingthesystem'sprocesses,usingthesoftwareofconfiguration.
Simulationexperimentsshowedthat,thedesignofsewagetreatmentcontrolsystemhastheadvantagesofhighproductionefficiency,highreliability,easyrealizationofprocessflow,simpleoperation,andsoon.Itcanmeettheneedofautomaticcontrolofsewagetreatmentprocess.
KeywordssewagetreatmentPLCsoftwaredesignconfigurationsoftware
II
目录
1绪论 1
1.1研究背景 1
1.2研究意义 1
1.3污水处理的研究现状 1
1.4本文研究的主要内容与章节安排 2
2系统总体设计方案 3
2.1污水处理介绍 3
2.1.1污水处理总体概念 3
2.1.2常用污水处理基本原理 3
2.2系统的总体设计 3
2.2.1工艺总流程设计 3
2.2.2系统各部分功能分析 4
2.3本章小结 5
3基于PLC的电气控制部分设计 6
3.1PLC的简介 6
3.1.1PLC选型 6
3.2污水处理系统电气控制系统总体设计 6
3.2.1控制系统方案设计 6
3.2.2控制系统硬件主电路设计 7
3.2.3PLC的I/O资源配置 9
3.3本章小结 11
4污水处理系统软件设计 12
4.1污水处理系统软件设计总体概述 12
4.1.1手动控制模式 12
4.1.2自动控制模式 13
4.2污水处理各个部分软件的设计 14
4.2.1粗细格栅系统程序 14
4.2.2进水泵程序 15
4.2.3污泥回流泵程序 16
4.2.4模拟/数字量间的转换 18
4.3本章小结 20
5组态软件在本系统中的应用 21
5.1对上位机监控软件的要求 21
5.2上位机的设计 21
5.2.1定义数据对象 21
5.2.2主画面的设计 22
5.2.3联机调试 28
5.3本章小结 31
结论 32
致谢 33
参考文献 34
附录 35
41
1绪论
1.1研究背景
地球表面虽然被水覆盖的面积超过地球总面积的一半，但能被利用的水资源仅占其中很小很小的一部分。
我国的水资源分布不均，人口数目庞大，因此我国的人均淡水资源量远远低于世界淡水人均资源量。
世界上平均每天大约有200吨的垃圾被随意地倒入河流、湖泊和小溪，造成了本就短缺的淡水资源的污染，这对于很多正在面临着严重缺水的国家无非是个大危机。
国家和各地方的管理人员应该逐渐加强在保护环境这块的意识，增加在这一块发展上的投资和建设措施。
近年来，我国在污水处理这个行业上得到了快速的发展，每年处理的污水总量在不断地增加，处理的效率也在逐渐得到提高。
由此，我国应制定和完善一系列的法律法规来促进污水处理产业的发展，建立一套较为完整的监控体制来保证这个行业的平稳的发展和扩大，努力将污水处理这个行业发展的更加市场化和产业化。
污水处理行业在我国有着很可观的发展前景，未来我国在此行业上的道路令人憧憬[1]。
1.2研究意义
每个国家在经济得到快速的发展下，各种工业也得到相应的发展来适应人们日常生活中的各种需求，不管是人们日常还是工业生产都离不开水的供应，随之同时也产生了大量的污水。
如果这些污水在没有被净化的状况下排出，必然会给周遭的环境造成一定程度的污染。
我国处于缺失状态的城市就有几百个，这几百个城市中有部分是长期处于严重缺水状态的城市，根据有关的分析和统计，全国按照人们日常生活对水的正常需求，每年的缺水总量将达300亿立方米左右，其中因为缺水而导致的经济上的损失就有几千亿人民币之多。
水资源的缺乏已经对人民的日常生活造成了严重的负面影响，同时对国家在经济建设方面的也有很大的影响。
污水不能随意排放，应该用一定科学的程序净化之后再合理被利用。
因此，建设出符合我国发展情况的污水厂自动控制系统，对于降低污水处理成本、改善周围环境、建立可持续发展社会、保持我国经济高速发展都具有重大的意义。
1.3污水处理的研究现状
随着当今在自动控制技术、信息通讯技术和现场总线技术方面的迅速发展，国外的污水处理厂基本在很早之前就能实现工艺的自动控制生产，也取得了相应地较好的效益。
国外的污水处理工艺主要有以下几个特点：
在水质的分析方面采用仪表的在线分析，能够实时地监测到整个系统生产过程中的水质变化，上位机随时将监控到的数据进行记录，水质得到及时的分析和反馈；智能控制整个系统的生产过程，对应的控制方式可以根据水质的变化来进行相应的调整；采用了相应的遥控设备，其中充分利用到了一些相关的社会信息资源。
在国内，污水处理在控制方式方面采用手动和自动两种控制方式并用的方法，同时自制和引用共同发展。
国内污水处理方面在最初发展之际主要采用的检测工具是热工仪表，厂中大都采用集中巡检；在中期发展之际主要采用分析仪表和分布式控制系统这两种检测技术；在近些年发展之际，污水处理工艺主要发展方向是自动控制这个方面，并获得了较好的成绩。
国内污水处理工艺主要有以下几个特点：
一些新建起的污水处理厂因为引进了国外的新技术，一般都采用了手动和自动两种控制方式相结合的主要控制方法。
大部分早起建立的污水处理厂仍然达不到较高的自动化控制水平，并且由于国产的仪表在稳定性方面还没法达到生产的要求，因此国外的仪表被较多的使用着，价格过于贵的原因导致没有得到广泛的运用。
目前国内的水质的检测主要还是通过实验人员对水质进行实现的检测来得到结果；污水厂里的每个控制站间没有信息的交换，完全独立完成操作；监控过程中监控系统很少被使用到，没法对全厂的每个部分进行实时监控；报表统计的工作也是由厂里的工作人员到现场手工进行记录后再统计来完成[2]。
国内与国外的污水处理在自动控制方面的发展存在着很大的差距，但是国内的自动控制这方面的前景应用非常广泛，也有很大的发展前景。
1.4本文研究的主要内容与章节安排
本文论述了污水处理系统的基本方式及其流程的组成部分、PLC技术在整个系统中的合理运用，主要由以下内容组成：
1、根据常用污水处理的基本原理，设计了一套污水处理的总体方案。
2、介绍了PLC技术在污水处理工艺上的应用，设计了相关的电气控制图和主电路图。
3、对系统各部分的功能在软件上的设计，及相对应的系统在组态模拟运作上的设计。
本课题以实际课题为背景展开工作，主要完成了污水处理的PLC自动控制和上位机的组态监控画面设计，主要的章节安排如下:
第1章介绍了选择研究本课题的背景和意义，并对此行业在国内外的发展进行了比较。
第2章根据常用的污水处理的基本工作原理，介绍了本文中污水处理工艺的设计，并对流程中各部分的组成进行了详细的功能解说。
第3章介绍了本设计中的PLC选型，描述了本设计中的电气控制系统的设计、主电路图和PLC的I/O资源配置。
第4章介绍了污水处理系统的软件设计部分，总体流程软件方面的设计介绍与各不同部分的软件方面的设计解说。
第5章介绍了组态监控软件在系统开发过程中的应用，概述了组态画面的设计和动画的连接操作。
2系统总体设计方案
2.1污水处理介绍
污水处理是我国水污染和环境污染的主要原因，这就要求国家将节水和水资源的保护当做环境保护的重要策略，努力完善当前在这个污水处理这个方面上的基本设施的建设。
2.1.1污水处理总体概念
水资源被使用产生的污水绝大多数情况下都是被直接排放到可利用的水体中，严重污染了环境，同时这些没被处理过的污水中含有很多有害物质，有些甚至会使人生病。
被处理过的污水一般有三个排放途径：
1、排放至水体；2、灌溉田地；3、重复使用。
未被处理过的污水中好氧的有机物的性质状态稳定，微生物利用自己的新陈代谢的功能将有害的有机物降解为二氧化碳、水、硝酸根离子等稳定状态的无机物。
污水中的有机物在处理过程主要是靠微生物的分解作用，因此在此环节中会消耗掉水中大量的溶解氧
2.1.2常用污水处理基本原理
一般在选择合适的污水处理工艺时要根据处理对象和处理环境的不同这两个方面进行考虑。
因此，要根据实际的的污水处理情况和周围环境，来认真考虑决定采用何种处理工艺完成污水的净化处理工作。
污水处理的一般方法主要有物理、化学、生物或几种混合使用的方法。
根据污水处理的实际情况，这些处理方法可以独立地被使用，也可以几种一起使用。
常用的处理方法主要是生物处理方法占主要部分，化学和物理则是辅助其更充分地完成处理工作[3]。
常用的污水处理中使用的生物处理方法，主要是利用污水中活性污泥所含有的微生物的氧化分解作用达到净化水质的效果。
污水中的有机有害物比较不稳定，微生物吸附在有机物的上，消耗水中的溶解氧进行氧化作用，将有机物分解为稳定的无机物，再经过污水的沉淀，水中分解得到的无机物就被清除，起到了净化污水的作用。
2.2系统的总体设计
2.2.1工艺总流程设计
本设计中污水处理工艺流程图如图2-1所示。
污泥回流泵
曝气风机
出水
进水池
（进水泵）
进水
粗格栅
细格栅
曝气池
沉淀池
搅拌机
图2-1本设计污水处理工艺流程图
本设计中根据传统活性污泥法的工作原理，主要采用了氧化还原处理工艺来完成对污水的杂质处理，整个流程是按“进水，氧化（空气氧化），出水”周期性的进行处理工艺。
本设计工作原理与传统活性污泥法相同，但是又在后者的基础上对其系统的部分功能进行了相应的改进，改进的部分主要是对污泥进行氧化处理这个步骤中，设计中在曝气池处多增加了一个搅拌机和一个曝气风机，在曝气池占地小的前提下达到对一定量污水进行相同的氧化效果；并且在氧化处理前多增加了粗细格栅机的初步处理工序，主要是完成对污水中的固体杂质进行过滤[4]。
从系统的污水进入到处理后清水的排出作为整个污水处理工序的一个完整周期。
基本操作运行程序：
进水泵开启，污水进入，经过除沙、氧化和沉淀的一系列处理工序，处理完的清水排出，没处理完的污水经过污泥回流到进水池进行二次处理。
此流程中，各个电机的自动控制下的运行都是按一定的系统要求来实现的，本文采用了PLC技术来完成对电机自动控制方面上的技术设计。
2.2.2系统各部分功能分析
根据上面所述的污水处理工艺流程可以将整个处理流程全过程分为进水系统、除砂系统、氧化系统、沉淀系统和污泥回流系统这五个主要的系统[5]。
1、进水系统：
系统的进水主要由水泵组成，水泵的停止与运行是通过安装在进水池中的液位传感器对实际液位的检测来决定的。
当检测到进水池中的实际液位低于系统设定要求的最低液面时，进水泵便开始工作；当检测到进水池中的实际液位高于系统设定要求的最高液位时，进水泵就停止工作。
2、除砂系统：
除砂系统主要是由粗格栅和细格栅两个部分组成，主要功能是粗格栅除去污水中大块固体状的物体，细格栅更进一步地净化污水中较小颗粒状的物体，将污水中没有被粗格栅去除的更细小的沙粒状杂质滤除。
其中两者均是根据程序设定时间进行间歇工作，即根据系统中设定的时间进行停止和工作两个状态进行交替地工作。
3、氧化系统：
氧化系统是工业污水处理中最重要的环节，主要由曝气风机和搅拌机组成，主要功能是对污水进行生化处理，分解污水中含有的有害的有机物质，使其能够达到一定的要求水质标准。
其中曝气池中装有搅拌机，搅拌机的作用是使污水和活性污泥处于剧烈的搅拌状态，让它们充分混合接触，与此同时曝气风机在整个系统上电运作的全过程中一直持续工作，这样将使得污水中的活性污泥的更加充分地对不稳定的有机物进行氧化分解为稳定的无机物，能够最大限度地除去污水中含有的有害物质。
4、沉淀系统：
沉淀系统主要由沉淀池组成，主要功能是对氧化过的污水进行物理沉淀，将污泥和清水分离。
5、污泥回流系统：
此系统主要由污泥回流泵组成，主要目的是将没达标的污水输送到流程最开始环节，对污水进行二次处理。
污泥回流泵的停止与运行通过安装在沉淀池中的液位传感器对实际液位的检测来决定的。
当检测到沉淀池中的实际液位低于系统设定要求的最低液面时，污泥回流泵就停止工作；当检测到沉淀池中实际液位高于系统设定要求的最高液面时，污泥回流泵便开始工作。
系统在自动控制运行模式下，氧化系统中的曝气风机和搅拌机在PLC程序的控制下是持续进行运行；进水系统中的进水泵和污泥回流系统中的污泥回流泵是根据PLC将接收到的传感器反馈频率与程序要求的液位频率进行比较后，向水泵发送运行或停止的信号；除砂系统中的粗细格栅机是根据PLC程序设计中的停止和运行的设定时间值，完成对粗细格栅机间歇运行的控制。
2.3本章小结
本章叙述了常用的污水处理工艺的基本原理，介绍了系统的总体设计，并对系统各组成部分的功能进行了详细的解说分析。
3基于PLC的电气控制部分设计
3.1PLC的简介
PLC（ProgrammableLogicController）全称为可编程控制器，是一款专为工业生产中用到的数字运算操作的电子式的装置。
PLC主要是用能够编写程序的存储器来实现一系列的可操作运算，包含逻辑、数字和算术运算等，输入和输出由数字化和模拟化两种方式实现，能够控制生产过程和生产中的各类机械[6]。
3.1.1PLC选型
根据污水处理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、可靠性等各个方面的考虑，最终本设计用到的电气控制系统的开发技术选择的是由西门子公司开发的S7—200系列的产品[7]。
由于污水处理的电气控制系统中涉及到较多的输入和输出端口，控制过程的实现方面相对较为复杂，因此采用了CPU226的PLC机作为该控制系统涉及开发技术的主机。
CPU226在污水处理系统使用到的数字量的输入点和输出点都比较多，因此除了主机自带的那些一定量的I/O口的数量外，还需要更多些能够扩展的的I/O模块。
其中的输入点和输出点正好能够充分满足本设计的系统在控制这一方面对I/O口的需求量。
在本系统中，由于使用到了对模拟量方面的采集和控制这两个功能的需求，因此还需要一个能够再次扩展的模拟量的输入和输出模块。
西门子的S7—200系列配置了专门能后适应系统中模拟量的输入和输出模块即为EM235，该模块在分辨率方面较高和在输出方面有较强的驱动能力，可满足控制系统的功能要求。
3.2污水处理系统电气控制系统总体设计
3.2.1控制系统方案设计
操作面板
P
L
C
液位高度传感器
显示面板
各类泵运行
格栅机定时运行
图3-1电气控制系统框图
工作过程：
在手动状态下，各类设备的控制根据对操作面板上的按钮操作来控制，无逻辑控制，不根据液位高度传感器的状态和设定的时间进行控制。
在自动方式下进行闭环控制，系统根据检测的液位高度状态和设定的时间来对设备进行启停控制，其工作过程如下。
1、系统上电电源接通后，按下自动控制按钮，自动控制方式被启动，系统中的搅拌机和曝气风机随即也被启动。
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、进水泵根据进水池中反馈得到的实际液位与系统控制要求的液位进行比较后再决定其运行或停止。
4、污泥回流泵根据沉淀池中反馈得到的实际液位与系统控制要求的液位进行比较后再决定其运行或停止。
3.2.2控制系统硬件主电路设计
1、电气控制主电路图[8]
本设计的污水处理系统的主电路如图3-2所示。
图3-2污水处理系统主电路图
主回路中交流接触器KM1、KM2、KM3、KM4、KM5、KM6分别控制进水泵、粗格栅机、细格栅机、曝气风机、搅拌机、污泥回流泵这六个电机的启动与停止。
这六个电机分别由六个相对应的热继电器FR1、FR2、FR3、FR4、FR5、FR6分别实现对各自所在的电路中确保其安全的过载保护功能。
QF0为整个电路中的电源总开关，其功能是既可实现对主电路的短路保护作用，又起到了对三相交流电源进行电源分流的作用，在使用和维修方面也很方便。
电路中安装的断路器QF1、QF2、QF3、QF4、QF5、QF6分别能够实现各自所在的与之相对应的分电路中所连接设备的安全方面的过载和短路保护作用的功能。
控制电源路上的熔断器FU在电流过大时熔断自身切断电路起到保护作用。
其中主电路中的控制电源部分的电路图如图3-3所示。
图3-3污水处理电源控制电路图
电路图的上方部分连接的器件是中间继电器KA，此继电器在电路中是具有一定的带负荷能力，上图中所示的电路中的中间继电器KA主要是为了替代小型接触器来实现其后者的功能。
当接触器KM的线圈在不通电的情况下，与之相对应的KM接触点也一直保持着电路断开不导通的状态；KM线圈在通电的情况下，相对应的KM触点也就被接通，从而实现了由控制电路中的送电和断电来控制主电路中的各个电动机的启动与停止。
电路中的热继电器FR在此电路中依旧是保护电路安全起到过载保护的功能。
2、PLC电路控制设计
根据上文中对整个工艺流程的介绍，对PLC的型号的选择，绘制的系统原理主电路图和控制电路中的电路连接图[9]，来绘制本系统的PLC控制连接电路的原理图，同时完成系统控制中的I/O口的分配工作，将其对应的功能用表格的方式绘制下来。
图3-4为污水处理系统PLC控制电路原理图。
图中的PE为接地，输入端连接的接触器起到电路的送电和断电的作用，接触器下方接入的热继电器FR则起到保护电路的作用，输出端串联的中间继电器KA在电路中起到了消除干扰，保证了输出信号的稳定性。
图3-4污水处理系统PLC控制电路原理图
3.2.3PLC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[10]，具体分配见表3-1、表3-2。
1、数字量输入部分：
表3-1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
进水泵接触器
I0.3
曝气风机接触器
I0.1
粗格栅机接触器
I0.4
搅拌机接触器
I0.2
细格栅机接触器
I0.5
污泥回流泵接触器
2、数字量输出部分：
表3-2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
进水泵启动
Q0.3
曝气机启动
Q0.1
粗格栅机启动
Q0.4
搅拌机启动
Q0.2
细格栅机启动
Q0.5
污泥回流泵启动
3、软元件设置
在设计程序过程中，会用到许多中间继电器、寄存器、定时器等软元件，为了便于编程及修改，将用到的软元件列出，如表3-3所示。
表3-3软元件设置
元件
意义
内容
备注
M0.0
自动启动标志
On有效
M1.0
进水泵手动启动标志
On有效
M1.1
粗格栅机手动启动标志
On有效
M1.2
细格栅机手动启动标志
On有效
M1.3
曝气风机手动启动标志
On有效
M1.4
搅拌机手动启动标志
On有效
M1.5
污泥回流泵手动启动标志
On有效
M2.0
进水泵自动启动标志
On有效
M2.1
污泥回流泵自动启动标志
On有效
T37
粗格栅机停止时间
600
1min
T38
粗格栅机运行时间
600
1min
T39
细格栅机停止时间
600
1min
T40
细格栅机运行时间
600
1min
C0
粗格栅机停止中间计数器
VW100
C1
粗格栅机运行中间计数器
VW102
C2
细格栅机停止中间计数器
VW104
C3
细格栅机运行中间计数器
VW106
V
升级会员 