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1 題目 題目 SBRSBR 法污水處理實(shí)驗(yàn)裝置法污水處理實(shí)驗(yàn)裝置 PLCPLC 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 一 工藝簡(jiǎn)介 一 工藝簡(jiǎn)介 SBR 是序列間歇式活性污泥法 Sequencing Batch Reactor Activated Sludge Process 的簡(jiǎn)稱 是一種按間歇曝氣方式來(lái)運(yùn)行的活性污泥污水處理 技術(shù) 又稱序批式活性污泥法 SBR 法污水處理實(shí)驗(yàn)裝置如下圖所示 1 5 12 均為水箱 2 為水泵 3 11 為電磁閥 4 為水流量計(jì) 用于檢測(cè)注水 流量情況 產(chǎn)生模擬量電流信號(hào) 6 為攪拌電機(jī) 7 為曝氣頭 有三個(gè) 8 為 充氣泵 9 為氣體流量計(jì) 用于檢測(cè)充氣流量情況 產(chǎn)生模擬量電流信號(hào) 10 為排水斗 主要工藝過(guò)程簡(jiǎn)介如下 1 注水 此時(shí) 3 打開(kāi) 2 工作 將 1 內(nèi)的污水泵入 5 內(nèi)有活性污泥 4 可以 檢測(cè)水流量 其余裝置均處于不工作狀態(tài) 注水過(guò)程持續(xù)一定時(shí)間 預(yù)先設(shè)定 好或由人實(shí)時(shí)控制 后結(jié)束 3 閉合 2 停止工作 下面進(jìn)入曝氣階段 2 曝氣 此時(shí) 8 工作 通過(guò) 7 將空氣泵入 5 9 可以檢測(cè)空氣流量 其余裝置 均處于不工作狀態(tài) 曝氣過(guò)程持續(xù)一定時(shí)間 預(yù)先設(shè)定好或由人實(shí)時(shí)控制 后 結(jié)束 8 停止工作 下面進(jìn)入攪拌階段 3 攪拌 此時(shí) 6 工作對(duì) 5 中物質(zhì)進(jìn)行攪拌 其余裝置均處于不工作狀態(tài) 攪拌 過(guò)程持續(xù)一定時(shí)間 預(yù)先設(shè)定好或由人實(shí)時(shí)控制 后結(jié)束 6 停止工作 下面 進(jìn)入沉淀階段 4 沉淀 此時(shí)所有裝置均處于不工作狀態(tài) 讓 5 水中的雜質(zhì)沉淀 沉淀過(guò)程持 續(xù)一定時(shí)間 預(yù)先設(shè)定好或由人實(shí)時(shí)控制 后結(jié)束 下面進(jìn)入排水階段 5 排水 此時(shí) 11 打開(kāi) 5 上部的清水可由 10 排入 12 然后再排向別處 其 余裝置均處于不工作狀態(tài) 排水過(guò)程持續(xù)一定時(shí)間 預(yù)先設(shè)定好或由人實(shí)時(shí)控 制 后結(jié)束 11 閉合 下面又進(jìn)入注水階段 開(kāi)始新的循環(huán) 2 2 硬件系統(tǒng)配置 硬件系統(tǒng)配置 根據(jù)污水處理系統(tǒng)的電氣控制系統(tǒng)的功能要求 以及其復(fù)雜程度 從經(jīng)濟(jì)性 可靠性等方面來(lái)考慮 選擇西門子 S7 200 系列作為污水處理系統(tǒng)的電氣控制系 統(tǒng)的控制主機(jī) 由于污水處理電氣控制系統(tǒng)涉及較多的輸入 輸出端口 其控制 過(guò)程相對(duì)復(fù)雜 因此采用 CPU226 作為該控制系統(tǒng)的主機(jī) 在污水處理系統(tǒng)中使用的數(shù)字量輸入點(diǎn)和輸出點(diǎn)都比較多 因此除了 PLC 自帶的 I O 外 還需擴(kuò)展一定數(shù)量的 I O 擴(kuò)展模塊 在此 采用 EM223 輸入 輸 出混合擴(kuò)展模塊 8 點(diǎn) DC 輸入 8 點(diǎn) DC 輸出型 正好可以滿足控制系統(tǒng)的 I O 需求 在該控制系統(tǒng)中 還需要采集模擬量并利用模擬量控制功能的要求 因此需 要再擴(kuò)展一個(gè)模擬量輸入 輸出擴(kuò)展模塊 西門子公司專門為 S7 200 系列 PLC 配置了模擬量輸入 輸出 模塊 EM235 該模塊具有較高的分辨率和較強(qiáng)的輸出驅(qū)動(dòng)能力 可滿足控制系 統(tǒng)的功能要求 1 數(shù)字量輸入配置 在此控制系統(tǒng)中 所需要的輸入量基本都屬于數(shù)字量 主要包括各種按鈕控 制 旋鈕控制及數(shù)字輸入 如下圖 2 數(shù)字量輸出 在這個(gè)控制系統(tǒng)中 主要輸出控制的設(shè)備有各種接觸器 閥門等 其具體分 配 如圖 輸出地址輸出設(shè)備 Q0 1進(jìn)水電磁閥線圈 Q0 2水泵接觸器 輸入地址輸入設(shè)備 I0 1自動(dòng)控制按鈕 I0 2停止按鈕 I0 3手動(dòng)控制按鈕 I0 4手動(dòng)控制注水按鈕 I0 5手動(dòng)控制曝氣按鈕 I0 6手動(dòng)控制攪拌按鈕 I0 7手動(dòng)控制排水按鈕 3 Q0 3氣泵接觸器 Q0 4攪拌電動(dòng)機(jī)接觸器 Q0 5機(jī)器電磁閥線圈 3 模擬量輸入部分 由于要采集兩個(gè)傳感器所反饋的數(shù)據(jù) 因此擴(kuò)展一個(gè)模擬量輸入 輸出模塊 具體 I O 分配表 如圖 輸入地址輸出設(shè)備 AIW0水流計(jì)量傳感器 AIW1氣流計(jì)量傳感器 4 模擬量輸出部分 在此控制系統(tǒng)中需要將采集回來(lái)的模擬量進(jìn)行數(shù)據(jù)處理 然后 通過(guò)模擬輸 入口對(duì)變頻其進(jìn)行控制 進(jìn)而控制其他設(shè)備的運(yùn)行 如表 輸出地址輸出設(shè)備 AQW0經(jīng) PID 運(yùn)算輸出 AQW1經(jīng) PID 運(yùn)算輸出 根據(jù)控制的系統(tǒng)功能要求 根據(jù)上述表的 I O 分配情況 設(shè)計(jì)出污水處理 控制系統(tǒng)的硬件連接圖 如下圖 1 1 此面板上的手動(dòng)控制部分主要在調(diào)試系統(tǒng) 時(shí)使用 調(diào)試完成后基本處于閑置狀態(tài) 5 外部主接線圖 4 6 其他硬件資源配置 接觸器 在此污水處理系統(tǒng)中 所有的設(shè)備是根據(jù)控制面板上的按鈕情況或者根據(jù)傳 感器上的反饋值進(jìn)行動(dòng)作的 因此需要 PLC 根據(jù)當(dāng)前的工作情況 以及按鈕的 情況來(lái)控制所有的設(shè)備的啟停狀態(tài) 需要 進(jìn)氣 進(jìn)水電磁閥接觸器 水泵接 觸器 氣泵接觸器 攪拌機(jī)接觸器 變頻器 本次設(shè)計(jì)采用的 MM430 系列變頻器是一種風(fēng)機(jī)水泵專用變頻器 能適用于 各種變速驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 尤其適合用于工業(yè)部門的水泵和風(fēng)機(jī) 該型變頻器 具有 能源利用率高的特點(diǎn) 優(yōu)化了部分結(jié)構(gòu)與功能 便于工作人員進(jìn)行操作 實(shí)現(xiàn) 其控制功能 各類按鈕 在這個(gè)控制系統(tǒng)的自動(dòng)操作中 采用三種機(jī)械按鈕 控制污水處理系統(tǒng)的自 動(dòng)啟動(dòng) 手動(dòng)啟動(dòng) 急停的按鈕 在手動(dòng)控制的狀態(tài)下 對(duì)于每個(gè)設(shè)備都對(duì)應(yīng)設(shè)置一組按鈕 采用觸電觸發(fā)式 按鈕 即按下接通 松開(kāi)復(fù)位 圖 1 1 3 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì) 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì) 1 總體流程設(shè)計(jì) 根據(jù)系統(tǒng)的控制要求 控制過(guò)程可分為手動(dòng)控制功能和自動(dòng)運(yùn)行功能 在手 5 動(dòng)控制模式下 每個(gè)設(shè)備可單獨(dú)運(yùn)行 以測(cè)試設(shè)備的性能 2 手動(dòng)模式 在手動(dòng)模式下 可單獨(dú)調(diào)用每個(gè)設(shè)備的運(yùn)行 在此模式下 可以通過(guò)按鈕對(duì)水泵 氣泵 電磁閥 攪拌機(jī)進(jìn)行控制 對(duì)于 水泵和氣流的控制 可以通過(guò)通過(guò)變頻器來(lái)改變其速度 以檢測(cè)調(diào)速性能 3 自動(dòng)控制 處于自動(dòng)控制時(shí) 按下自動(dòng)啟動(dòng)按鈕后系統(tǒng)運(yùn)行 系統(tǒng)開(kāi)始工作 其工作過(guò) 程包括以下幾個(gè)方面 系統(tǒng)上電后 啟動(dòng)進(jìn)水電磁閥和水泵 啟動(dòng)氣泵 開(kāi)始曝氣過(guò)程 啟動(dòng)攪拌機(jī) 啟動(dòng)排水電磁閥排水 以上工作過(guò)程調(diào)用了各個(gè)控制系統(tǒng)的程序 主要包括進(jìn)水系統(tǒng)程序 曝氣系 統(tǒng)程序 攪拌系統(tǒng)程序 排水系統(tǒng)程序 4 梯形圖設(shè)計(jì) 在設(shè)計(jì)過(guò)程中 會(huì)使用到很多中間繼電器 寄存器 定時(shí)器等軟元件 為了 便于編程和修改 在程序編寫前應(yīng)先列出可能用到的軟元件 如下表 元件意義內(nèi)容備注 M0 1手動(dòng)方式標(biāo)志on 有效 M0 2自動(dòng)方式標(biāo)志on 有效 M1 0注水啟動(dòng)標(biāo)志on 有效 M1 1曝氣啟動(dòng)標(biāo)志on 有效 M1 2攪拌機(jī)啟動(dòng)標(biāo)志on 有效 M1 3排水啟動(dòng)標(biāo)志on 有效 T37注水水泵運(yùn)行時(shí)間20s T38曝氣氣泵運(yùn)行時(shí)間20s T39攪拌機(jī)運(yùn)行時(shí)間20s T40沉淀過(guò)程時(shí)間15s T41排水過(guò)程運(yùn)行時(shí)間20s 5 手動(dòng)控制程序 在系統(tǒng)上電后 控制方式選擇為手動(dòng)方式時(shí) 可以通過(guò)面板上的按鈕控制每 個(gè)設(shè)備的運(yùn)行 手動(dòng)控制系統(tǒng)主要是便于在生產(chǎn)線初裝時(shí)進(jìn)行調(diào)試 檢測(cè)各個(gè) 6 設(shè)備是否能正常運(yùn)行 手動(dòng)控制梯形圖程序如圖 在本系統(tǒng)中 幾個(gè)單獨(dú)的過(guò)程狀態(tài)都是互斥的 因此在軟件中采取軟件互 鎖方式 也就是說(shuō)同一時(shí)刻 只能有一個(gè)過(guò)程在系統(tǒng)中進(jìn)行 不能同時(shí)進(jìn)行兩 個(gè)不同的進(jìn)程 手動(dòng)模式的設(shè)置主要是為了方便系統(tǒng)的調(diào)試和維修工作 在調(diào)試時(shí) 可以 對(duì)不同的設(shè)備進(jìn)行調(diào)試 最后整個(gè)系統(tǒng)一起調(diào)試 在維修方面 如果系統(tǒng)在運(yùn) 行過(guò)程中出現(xiàn)問(wèn)題 也可以采用手動(dòng)方式檢查 便于維修 而在生產(chǎn)過(guò)程中 主要是采用自動(dòng)方式進(jìn)行控制 下面就來(lái)介紹自動(dòng)控制過(guò)程 6 自動(dòng)控制程序 在生產(chǎn)中 大多數(shù)采用自動(dòng)過(guò)程進(jìn)行控制 系統(tǒng)通過(guò)傳感器的反饋信號(hào)來(lái) 控制設(shè)備的啟動(dòng)和停止 以及調(diào)速控制 自動(dòng)控制梯行圖如下圖 7 8 7 流量傳感器模擬量轉(zhuǎn)換 根據(jù)比例關(guān)系有 x 0 N 6400 100 0 32000 6400 x N 6400 256 所對(duì)應(yīng)梯形圖程序 9 傳感器輸入信號(hào)為 AIW0 經(jīng) CPU 數(shù)字處理及 EM235 運(yùn)算后有 AIW0 輸出 氣 體傳感器和水流傳感器原理相同 有 AIW1 及 AQW1 輸入 輸出 這里不再贅 述 4 上位機(jī)組態(tài)設(shè)置上位機(jī)組態(tài)設(shè)置 1 使用可編程控制器作下位控制站 下位機(jī) 使用微計(jì)算機(jī)上位控制站 上位機(jī) 組成控制系統(tǒng) 實(shí)現(xiàn)對(duì) SBR 法污水處理實(shí)驗(yàn)裝置運(yùn)行的控制 使實(shí)際工作中各環(huán)節(jié)過(guò)程的實(shí)時(shí)變化過(guò)程可以通過(guò)上位機(jī)控制機(jī)顯示在主機(jī) 電腦界面上 實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制 2 使用 STEP7 編程軟件對(duì)下位機(jī)編程 使下位機(jī)能夠根據(jù)外界輸入信息及來(lái) 自上位機(jī)的指令的處理結(jié)果來(lái)對(duì)實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行控制 使用 WINCC 組態(tài)軟件對(duì) 上位機(jī)編程 編程控制畫面實(shí)現(xiàn)對(duì)下位機(jī)及實(shí)驗(yàn)裝置的監(jiān)控 3 使用 MCGS 編輯顯示界面 如下圖 10 MCGS 組態(tài)畫面組態(tài)畫面 4 實(shí)現(xiàn)控制過(guò)程 按下手動(dòng)控制按鈕 系統(tǒng)進(jìn)入手動(dòng)控制過(guò)程 分別按下水泵 氣泵 攪拌機(jī) 排水的控制按鈕 分別實(shí)現(xiàn)各個(gè)功能 各功能過(guò)程實(shí)現(xiàn)互鎖 按下自動(dòng)控制按鈕 系統(tǒng)進(jìn)入自動(dòng)循環(huán)過(guò)程 此時(shí)系統(tǒng)會(huì)自定進(jìn)入工作狀態(tài) 分別進(jìn)行注水 曝氣 攪拌 沉淀 排水的功能 并自動(dòng)循環(huán) 直到按下停止 按鈕結(jié)束 同時(shí) 這兩個(gè)控制狀態(tài)都可以隨時(shí)按下停止按鈕結(jié)束任意過(guò)程 兩個(gè)計(jì)量顯示表可以實(shí)時(shí)顯示出水流量計(jì)和氣體流量計(jì)的測(cè)得數(shù)據(jù) 個(gè)部分 功能都可以在上位機(jī)顯示設(shè)備上被體現(xiàn) 5 自我評(píng)定自我評(píng)定 1 仿真效果評(píng)定 自動(dòng)控制方式下 在實(shí)現(xiàn)上位機(jī)監(jiān)控界面上 按下啟動(dòng)按鈕后 實(shí)驗(yàn)設(shè) 置即按上述工藝流程自動(dòng)循環(huán) 無(wú)須認(rèn)為干涉 但在上位機(jī)監(jiān)控頁(yè)面上對(duì)其進(jìn) 行檢測(cè) 并可隨時(shí)按下停止按鈕停止實(shí)驗(yàn)裝置的運(yùn)行 手動(dòng)控制方式下 在上位機(jī)監(jiān)控界面上監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)裝置工藝流程 并可認(rèn)為實(shí) 11 時(shí)的控制工藝流程各個(gè)階段的運(yùn)行與停止 手動(dòng)控制方式與自動(dòng)控制方式之間 須存在互鎖關(guān)系 即在控制方式處于工作狀態(tài)下時(shí) 另一種控制方式被屏蔽 對(duì)誰(shuí)流量計(jì)與氣體流量計(jì)發(fā)出模擬電流信號(hào)的處理 由下位機(jī)采集 在下位機(jī) 內(nèi)通過(guò)程序?qū)⑵滢D(zhuǎn)換為實(shí)際的物理量值 并在上位機(jī)監(jiān)控畫面中顯示出來(lái) 2 方案評(píng)定 通過(guò)上下位機(jī)的控制和執(zhí)行實(shí)現(xiàn)了 SBR 污水處理法的全過(guò)程 3 設(shè)計(jì)心得 能夠進(jìn)行基本的上位機(jī)編程 熟練掌握西門子 S7 200 系列 PLC MCGS 組 態(tài)軟件等 在自己的努力和老師的悉心指導(dǎo)下成功實(shí)現(xiàn)自動(dòng)手動(dòng)控制切換 通過(guò)本次 PLC 系統(tǒng)實(shí)訓(xùn)課程設(shè)計(jì) 是一次很好的鍛煉機(jī)會(huì) 鍛煉了理論聯(lián) 系實(shí)際 與具體項(xiàng)目 課題相結(jié)合開(kāi)發(fā) 設(shè)計(jì)的能力 又讓我們懂得了在實(shí)踐 中遇到的問(wèn)題怎樣用理論去解決 通過(guò)這次實(shí)訓(xùn)鍛煉了實(shí)際操作的能力 掌握 了簡(jiǎn)單的 PLC 系統(tǒng)編程及組態(tài)監(jiān)控軟件的使用 對(duì)課堂上所學(xué)習(xí)的可編程控制 器的相關(guān)知識(shí)加深了了解 也為將來(lái)的更好的實(shí)踐應(yīng)用打下