基于SPLC的SBR污水處理控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、1緒論1.1選題的目的從總的方面來(lái)說(shuō)，中國(guó)的淡水資源總量與其他國(guó)家相比是不少，但就全國(guó)的分布上來(lái)說(shuō)不是很平衡，因此相對(duì)的平均資源就少了。而且在全國(guó)城市化大潮的推動(dòng)下，在各個(gè)地方都有對(duì)環(huán)境或多或少的破壞，造成了不同程度上的污染。但是，由于人口的迅速增加和工業(yè)上的生產(chǎn)需求，對(duì)于水資源的需求量，也是日益增多1。就在這種嚴(yán)峻的形勢(shì)下，污水處理工藝也就應(yīng)運(yùn)而生。由于生產(chǎn)力水品的迅速提高，PLC技術(shù)也得到了充分發(fā)展的機(jī)會(huì)，使得污水處理控制系統(tǒng)變得更加合理化、智能化，同時(shí)也更加的省時(shí)省力，大大的節(jié)約了社會(huì)資源與勞動(dòng)力，符合可持續(xù)發(fā)展原則。以前的傳統(tǒng)活性污泥法，現(xiàn)在早就跟不上社會(huì)的需求。但現(xiàn)在依然有部分的企業(yè)

2、采用傳統(tǒng)活性污泥法來(lái)處理工業(yè)污水，這樣雖然運(yùn)行的成本低了，但是建設(shè)投資與占地范圍都比較大，而且相對(duì)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)而言也是不符合相關(guān)要求的，容易造成對(duì)土地的再次污染。如果一次性處理的污水太多，就無(wú)法及時(shí)進(jìn)行反應(yīng)處理，于是出現(xiàn)了更加高效、節(jié)能的污水處理控制工藝來(lái)滿足人們與企業(yè)的日常需求。1.2選題的意義隨著社會(huì)的高速發(fā)展，傳統(tǒng)意義上的污水處理控制系統(tǒng)已經(jīng)無(wú)法跟上發(fā)展的步伐，其缺點(diǎn)也是越發(fā)明顯，已經(jīng)逐步被社會(huì)所淘汰。但是隨著PLC技術(shù)的迅速發(fā)展，出現(xiàn)了一個(gè)新的基于可編程控制器的自動(dòng)化程度比較高的污水處理控制系統(tǒng)。本課題是基于S7-200PLC的SBR污水處理控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，這個(gè)系統(tǒng)可以達(dá)到對(duì)污水池液位的實(shí)

3、時(shí)監(jiān)控、進(jìn)水泵與風(fēng)機(jī)相關(guān)I/O設(shè)備的故障檢測(cè)及報(bào)警的目的，及時(shí)避免了不必要的浪費(fèi)與危險(xiǎn)。本設(shè)計(jì)不僅僅完成了該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案、工藝流程、程序編寫(xiě)，同時(shí)還完成了該課題在軟硬件方面的設(shè)計(jì)以及組態(tài)監(jiān)控畫(huà)面。1.3污水處理的發(fā)展現(xiàn)狀在國(guó)外，許多的污水處理廠早就想到了要將污水處理與網(wǎng)絡(luò)連接到一起,這就是一些早期的與污水處理相關(guān)的自動(dòng)控制系統(tǒng)的起源。而且國(guó)外的人早些時(shí)候就把SCADA技術(shù)應(yīng)用到供、排水系統(tǒng)中，并且也取得了一些不錯(cuò)的社會(huì)與經(jīng)濟(jì)效益。當(dāng)國(guó)外的許多廠家為了方便監(jiān)控與檢測(cè)，已經(jīng)可以在污水處理方面采用智能控制系統(tǒng)來(lái)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的人工控制的時(shí)候，國(guó)內(nèi)的污水處理技術(shù)才開(kāi)始起步。國(guó)內(nèi)在污水處理方面的自動(dòng)化2控制

4、技術(shù)起步比較晚，90年代之前一直沒(méi)有什么比較明顯的發(fā)展。但從90年代開(kāi)始，隨著國(guó)內(nèi)許多大型污水處理廠的建成，我國(guó)的自動(dòng)控制技術(shù)也有了比較大的進(jìn)步，才開(kāi)始漸漸地采用智能化系統(tǒng)來(lái)代替?zhèn)鹘y(tǒng)工藝。后又從國(guó)外引進(jìn)計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，使得各種新的工藝跟設(shè)備層出不窮，并且都得到了最合理的利用。我國(guó)目前還處在手動(dòng)與自動(dòng)結(jié)合的階段，自動(dòng)化程度并不是很高，而且也沒(méi)有信息的交換，不能對(duì)整個(gè)廠房的設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控?？偟膩?lái)說(shuō)，雖然我國(guó)和國(guó)外的自動(dòng)化技術(shù)相比還有不小的差距，但是對(duì)于我國(guó)這樣一個(gè)環(huán)境污染嚴(yán)重的國(guó)家來(lái)說(shuō)，污水處理迫在眉睫，所以，在中國(guó)污水處理自動(dòng)控制系統(tǒng)的前景還是可觀的。2設(shè)計(jì)方案的確定2.1常用的污水處理工藝到

5、現(xiàn)在，隨著各種生產(chǎn)生活廢水的肆意排放，相對(duì)應(yīng)的污水處理方案也是層出不窮，每個(gè)地方的情況都不盡相同，所以要因地制宜選用處理方案。(1) 比較傳統(tǒng)的污水處理工藝1，主要部分是由沼氣池與沉淀池組合而成，該方案中污水中的有機(jī)物在經(jīng)過(guò)曝氣池的時(shí)候，會(huì)被池中的微生物吸附掉大部分，同時(shí)還有部分也會(huì)被氧化掉，但是沉淀下來(lái)的一些污泥依舊會(huì)回到曝氣池里繼續(xù)前面的步驟。這種方法對(duì)于有機(jī)物的利用率比較高，不需要太大容量的池子，節(jié)約能源。但是，前期投資成本高，氮磷的利用不夠充分，污泥容易堆積。(2) 缺氧-好氧法(即A/O法)，該方法為生物法，就是在原有的傳統(tǒng)工藝上發(fā)展出來(lái)的污水處理方法。通過(guò)增設(shè)的好(厭)氧池進(jìn)行相關(guān)

6、的化學(xué)反應(yīng)(硝化-反硝化)，這樣能大大提高氮的利用率。(3) 生物降解法，該方法分為A和B兩段，初期的時(shí)候沒(méi)有沉淀的，曝氣也分為高低負(fù)荷兩個(gè)段。在高負(fù)荷的時(shí)間段，以生物的吸附為主要手段，不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，緩沖比較好。B段為低負(fù)荷段，和一般的活性污泥法差不多，穩(wěn)定性比較優(yōu)良。但是該方法的污泥產(chǎn)量比較大，后期的費(fèi)用會(huì)增加很多，氮的利用率也不是很高。2.2SBR法的原理及特點(diǎn)本課題比較合適選用SBR法。SBR使用分時(shí)運(yùn)行代替用傳統(tǒng)方式進(jìn)行的空間分割，能擁有在污水處理高峰期的持續(xù)工作能力。SBR工藝法的基本組成3是粗網(wǎng)格的去污池、蓄水池、污泥儲(chǔ)存池、水泵和風(fēng)機(jī)等主要設(shè)備，可以在各個(gè)反應(yīng)池的相應(yīng)位置都安置

7、好相應(yīng)的液位傳感器，用來(lái)測(cè)量各個(gè)水池中的液位。SBR法跟傳統(tǒng)人工的污水處理工藝具有很明顯的幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)1：(1) 通俗易懂，操作靈活，資金成本不高。(2) 處理效果好，出水可靠。(3) 除磷脫氧的效果也很好。(4) 污泥沉降的性能也比較好。(5) 對(duì)于各種污水也有比較強(qiáng)的適應(yīng)能力。但是SBR也有其局限：(1) 對(duì)反應(yīng)池容量的利用率不是太充足。(2) 水頭的損失很大。(3) 高峰處理期間的時(shí)候需氧量很大。(4) 沒(méi)有將相關(guān)設(shè)備做到最合理的利用。(5) 只適合中小型卻不適合大型的污水處理廠。2.3工藝流程基本工藝流程3如下所示：(1) 進(jìn)水進(jìn)水閥門(mén)打開(kāi)，同時(shí)回流泵與風(fēng)機(jī)都開(kāi)始正常運(yùn)行。污水一般要經(jīng)由兩

8、次過(guò)濾，才能通過(guò)進(jìn)水泵送入蓄水池，按照系統(tǒng)控制需求，把蓄水池里面的水按照一定順序分別送到各大反應(yīng)池，直至液位到達(dá)池中設(shè)定的上限位。(2) 反應(yīng)反應(yīng)這一步是SBR工藝最核心的步驟。當(dāng)污水注入達(dá)到池中液位上限位的時(shí)候，進(jìn)水的電磁閥關(guān)閉，無(wú)水進(jìn)入，但是回流泵與風(fēng)機(jī)一直工作著，攪拌機(jī)也開(kāi)始運(yùn)行，反應(yīng)開(kāi)始，主要就是對(duì)氮磷無(wú)機(jī)物之類(lèi)的吸收7。以控制要求所需要實(shí)現(xiàn)的目的為依據(jù)，來(lái)確定和調(diào)整曝氣方式、程度，以及反應(yīng)時(shí)間的長(zhǎng)短。風(fēng)機(jī)與攪拌機(jī)同時(shí)運(yùn)作，這樣加大了充氧量，可以讓反應(yīng)進(jìn)行的更充分，有效防止沉淀，提高了利用率，節(jié)約資源。(3) 沉淀反應(yīng)一定時(shí)間之后，反應(yīng)池里面的風(fēng)機(jī)停止工作，風(fēng)機(jī)開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，與此同時(shí)攪拌機(jī)

9、跟回流泵都停止工作。靜置一段時(shí)間將上層液體與下層污泥沉淀物慢慢地分開(kāi)。(4) 排水SBR池中水位到達(dá)上限位，并且沉淀過(guò)一段時(shí)間，上清液與污泥分層隔開(kāi)之后，潷水器會(huì)下潛將上清液慢慢排到反應(yīng)池外面。當(dāng)液位到達(dá)池中下限位之后，潷水器立刻就停止工作。與此同時(shí)，沉淀下來(lái)的污泥將被排放到儲(chǔ)泥池，工藝流程如圖2.1所示。圖2.1 SBR工藝流程圖3硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)3.1PLC的特點(diǎn)及發(fā)展PLC是為了把原來(lái)傳統(tǒng)繼電器控制所具備的操作簡(jiǎn)單、成本低等優(yōu)勢(shì)與電腦所具備的性能優(yōu)良、兼容性好等特點(diǎn)完美地糅合在一起，同時(shí)也是將硬件上面的問(wèn)題轉(zhuǎn)化成軟件上面的編程。在20世紀(jì)60年代末期的時(shí)候，美國(guó)就已經(jīng)研發(fā)出了PLC歷史上意義

10、重大的PDP-144，產(chǎn)生了比較深遠(yuǎn)的影響，它的問(wèn)世代表了真正意義上跨入了PLC的研究領(lǐng)域。自從PLC誕生以來(lái)，發(fā)展速度極為驚人。日本與歐洲各國(guó)都已經(jīng)競(jìng)相將其投入生產(chǎn)，但我國(guó)是從70年代中期才剛剛研發(fā)。到目前為止PLC已經(jīng)被許多國(guó)家當(dāng)作比較成熟的技術(shù)產(chǎn)品投入到生產(chǎn)中，幾乎一枝獨(dú)秀般霸占了電氣控制行業(yè)市場(chǎng)的大量份額。迄今為止，PLC已經(jīng)發(fā)生了三次比較大的改革5：PLC對(duì)于廣大用戶來(lái)說(shuō)，是一種比較簡(jiǎn)單的設(shè)備，只要改變其中一段程序就能改變整個(gè)工作的流程。迄今為止，到了自動(dòng)化程度越來(lái)越高的現(xiàn)在，可編程控制器對(duì)于許多廠家來(lái)說(shuō)是十分重要的渠道，因此它被普遍的推廣4：(1) 第一代1969年-1972年，1

11、位微處理器，主要用來(lái)邏輯運(yùn)算、定時(shí)、記數(shù)。(2) 第二代1973年-1975年，8位微處理器及存儲(chǔ)器，主要用于數(shù)據(jù)的傳送和比較、模擬量的運(yùn)算，其他產(chǎn)品的相關(guān)生產(chǎn)。(3) 第三代1976年-1983年，8位高性能微處理器及存儲(chǔ)器，其處理速度大大提高，并且向著多功能及聯(lián)網(wǎng)通信功能發(fā)展。(4) 第四代1984年-現(xiàn)在，16位、32位微處理器及存儲(chǔ)器，它已經(jīng)具備了邏輯、運(yùn)算、數(shù)據(jù)處理、聯(lián)網(wǎng)等諸多復(fù)雜的功能。PLC在工業(yè)控制領(lǐng)域的應(yīng)用十分普遍，這幾乎都是得益于其自身所具有的功能特點(diǎn)，其功能如下5：(1) 邏輯控制功能。(2) 定時(shí)控制功能。(3) 計(jì)數(shù)控制功能。(4) 步進(jìn)控制功能。(5) 數(shù)據(jù)處理功能

12、。(6) 回路控制功能。(7) 通訊聯(lián)網(wǎng)功能。(8) 監(jiān)控功能。(9) 停電記憶功能。(10) 故障診斷功能。PLC是對(duì)比較專(zhuān)業(yè)的硬件設(shè)備開(kāi)放，相比其他設(shè)備有十分明顯的優(yōu)點(diǎn)5：(1) 穩(wěn)定性好，不容易被影響。(2) 編程直觀、簡(jiǎn)單。(3) 適應(yīng)性好。(4) 功能完善，接口功能強(qiáng)。S7-200PLC是由基本單元8(S7-200CPU模塊)、個(gè)人計(jì)算機(jī)(PC)或者編程器、相關(guān)編程軟件與通信電纜等組成。PLC在工控領(lǐng)域的適用范圍十分廣，其核心相當(dāng)于微處理器，因此其組成的基本框架為：中央處理單元(CPU)、PLC與外部設(shè)備的接口、擴(kuò)展接口與擴(kuò)展模塊等常見(jiàn)的組成。一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的常用PLC的組成結(jié)構(gòu)如圖3.1

13、所示。圖3.1 PLC的基本組成結(jié)構(gòu)3.2PLC的主機(jī)選型根據(jù)本課題所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的相關(guān)控制要求，本設(shè)計(jì)適合選擇型號(hào)為CPU 224 XP的機(jī)子作為主機(jī)，其擁有14個(gè)數(shù)字輸入端口，10個(gè)數(shù)字輸出端口，2個(gè)模擬輸入端口，1個(gè)模擬輸出端口。一般情況下，在一些大型的系統(tǒng)里面同樣能用這個(gè)型號(hào)的機(jī)子來(lái)進(jìn)行處理控制。由于其強(qiáng)大的通信功能10，因此在那些大型的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中它一樣能夠充分正常發(fā)揮其該有作用，實(shí)物圖如3.2所示。圖3.2 S7-200 CPU 224 XP3.3SBR污水處理系統(tǒng)設(shè)備SBR污水處理控制系統(tǒng)6中主要使用的是潷水器、羅茨風(fēng)機(jī)、回流泵、進(jìn)水泵這四個(gè)動(dòng)力設(shè)備，還有液位傳感器等感應(yīng)設(shè)備。進(jìn)水

14、泵綜合考慮，進(jìn)水泵還是選擇單級(jí)離心泵效果較好，它適用于許多場(chǎng)合，例如澆灌、近遠(yuǎn)距離的輸送水、生產(chǎn)生活廢水的排放等，而且比較貼合本課題。本系統(tǒng)中采用的單級(jí)離心泵參數(shù)9如右：LS50-10-A。揚(yáng)程10m，流量29m3/h，1kw。羅茨風(fēng)機(jī)在生產(chǎn)生活中用到羅茨風(fēng)機(jī)的地方非常多，但在系統(tǒng)主要用于污水處理曝氣，主要由于其在工作的時(shí)候產(chǎn)生壓力與風(fēng)量比較大。其他方面的應(yīng)用，比如冶金、礦產(chǎn)、紡織、食品等領(lǐng)域，主要是用來(lái)輸送空氣、排出粉塵；排煙脫硫、改善環(huán)境6；灰燼處理、液體攪拌；食品真空包裝。羅茨風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的風(fēng)量大小與其運(yùn)轉(zhuǎn)速度有關(guān)，但總是有小的差距保持在它們的葉輪端面與風(fēng)扇罩和風(fēng)扇葉輪之間，以便于風(fēng)的流通。

15、風(fēng)機(jī)內(nèi)壁光滑、耐磨，并且它的使用壽命相對(duì)較長(zhǎng)7。本系統(tǒng)中選擇的羅茨風(fēng)機(jī)具體相關(guān)的參數(shù)如右：GRB-100，風(fēng)量10.61m3/min，風(fēng)壓：7000mmAq，轉(zhuǎn)速1750r/min，功率：22kw?；亓鞅没亓鞅迷诒鞠到y(tǒng)中的作用是對(duì)內(nèi)部污泥進(jìn)行循環(huán)。污泥回流泵的作用是要反應(yīng)池中的污泥始終都處于比較活躍的狀態(tài)，這樣既有利于對(duì)污水的反應(yīng)處理，使其反應(yīng)的更加充分，同時(shí)也有利于曝氣，所以曝氣的時(shí)候保證一定濃度的泥漿是十分必要的。污泥回流泵有相當(dāng)廣泛的用途，可以作為一個(gè)污水處理廠除氨的特殊設(shè)備，也可將其作為灌溉設(shè)備，可用于地面排水時(shí)，泵水凈化。該污泥回流泵的用途就是為了防止在循環(huán)處理的過(guò)程中發(fā)生污泥凝固的

16、情況，讓其始終保持著活躍的狀態(tài)8。本系統(tǒng)里面選擇的回流泵具體主要參數(shù)如右：CP5(T)3.7-80，流量：45m3/h，揚(yáng)程：15m，功率：3.7kw。潷水器潷水器是SBR法經(jīng)常用來(lái)凈水的設(shè)備，它可以在保證池底沉淀物不會(huì)被影響到的情況下，將處理過(guò)的清水緩慢排出反應(yīng)池。因?yàn)镾BR工藝法采用間歇反應(yīng)的工作方式，將各個(gè)步驟放到同一個(gè)池子里面完成，沒(méi)有必要多次沉淀，所以該方法具有占地面積小、成本低、周期短等許多優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)反應(yīng)池內(nèi)的液位到達(dá)上限位，潷水器就會(huì)開(kāi)始下潛排水，下潛一段距離就停下排水，如此循環(huán)，直至水位降至下頂點(diǎn)；水排完之后，潷水器又會(huì)迅速上升到液位上限位，待到水位漲到上限位時(shí)，潷水器又開(kāi)始下潛

17、排水，如此反復(fù)。當(dāng)潷水器完成一次排水與上升階段，就是一個(gè)工作的循環(huán)周期。本課題選取的潷水器具體參數(shù)如右：BSQ200懸臂式，潷水量：200m3/h，功率：1.1kw。液位傳感器液位傳感器在本系統(tǒng)中的作用就是檢測(cè)與報(bào)警。液位傳感器是通過(guò)測(cè)量反應(yīng)容器中的液位壓力，將其壓力轉(zhuǎn)化成電信號(hào)9，然后再利用其他方式的校正，才能將其轉(zhuǎn)變?yōu)槟軌蜃R(shí)別的電信號(hào)。壓力的大小跟水位是相關(guān)的，一般來(lái)說(shuō)都是正比關(guān)系。當(dāng)反應(yīng)池中的液位沒(méi)有到達(dá)所設(shè)置的液位傳感器的位置時(shí)，進(jìn)水泵仍然正常進(jìn)水，一直到池內(nèi)水位達(dá)到所設(shè)的上限位。到達(dá)上限位的時(shí)候，進(jìn)水泵停止，上限位的液位傳感器閃爍，上限位報(bào)警燈也開(kāi)始報(bào)警。這個(gè)時(shí)候潷水器開(kāi)始下潛排水，

18、直到池內(nèi)液位下降至下限位水位，潷水器停止運(yùn)行，上限位的液位傳感器閃爍，同時(shí)下限位報(bào)警燈報(bào)警。3.4硬件電路接線圖根據(jù)PLC的相關(guān)結(jié)構(gòu)組成10，再通過(guò)控制要求以及I/O分配表，設(shè)計(jì)出I/O設(shè)備接線如圖3.3所示。圖3.3 I/O接線圖根據(jù)控制要求設(shè)計(jì)出SBR污水處理主電路10如圖3.4所示。圖3.4 SBR污水處理主電路根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的設(shè)備的狀況，以及已設(shè)計(jì)好的I/O分配表、I/O接線圖、主電路接線圖，就能對(duì)PLC的相關(guān)模塊與本設(shè)計(jì)中用到的設(shè)備進(jìn)行連接，并且跟電腦相連接，實(shí)現(xiàn)控制要求11。根據(jù)本課題的控制要求設(shè)計(jì)系統(tǒng)硬件模擬連線如圖3.5所示。圖3.5 硬件模擬接線圖4軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)4.1I/O分配表根

19、據(jù)系統(tǒng)相關(guān)的控制要求，設(shè)計(jì)出I/O設(shè)備地址分配如表4.1所示。圖4.1 I/O分配表輸入信號(hào)輸出信號(hào)I0.0復(fù)位Q0.0下潛潷水器I0.1自動(dòng)狀態(tài)Q0.1上升潷水器I0.2潷水器下潛限位Q0.2起停回流泵I0.3潷水器上升限位Q0.3起停風(fēng)機(jī)I0.4風(fēng)機(jī)故障Q0.4起停進(jìn)水泵I0.5進(jìn)水泵故障I0.6潷水器故障I0.7回流泵故障I1.0手動(dòng)自動(dòng)切換I1.1下潛潷水器手動(dòng)I1.2上升潷水器手動(dòng)I1.3回流泵手動(dòng)I1.4風(fēng)機(jī)手動(dòng)I1.5進(jìn)水泵手動(dòng)4.2程序流程圖及控制要求本系統(tǒng)以一個(gè)SBR池的單周期為例加以說(shuō)明：第一步：進(jìn)水+曝氣+回流。從進(jìn)水泵開(kāi)始向SBR池進(jìn)水時(shí)算起，用電動(dòng)閥門(mén)來(lái)控制進(jìn)水，一直

20、持續(xù)進(jìn)水2h，進(jìn)水的時(shí)候，風(fēng)機(jī)和回流泵都同時(shí)一起運(yùn)行，由于時(shí)間的限制，將此步驟中的2h改為10s。第二步：在2h之后，控制進(jìn)水的電動(dòng)閥門(mén)關(guān)閉，進(jìn)水停止，與此同時(shí)回流泵也停止運(yùn)行，只剩風(fēng)機(jī)在持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)。由于時(shí)間的限制，將此步驟中的2h改為10s。第三步：從進(jìn)水的時(shí)候開(kāi)始算起，風(fēng)機(jī)一直連續(xù)曝氣到3h的時(shí)候，風(fēng)機(jī)才停止運(yùn)行。由于時(shí)間的限制，將此步驟中的3h改為30s。第四步：靜置期是1h。SBR反應(yīng)池靜置1h之后，上層液體與沉淀污泥分層，然后再用潷水器將上層液體排出。將此步驟中的1h改為10s第五步：排水時(shí)間為1h。靜置1h之后，反應(yīng)池內(nèi)的潷水器從水位上限位開(kāi)始緩慢向下移動(dòng)，(可以設(shè)定：下潛一定距離后

21、停住，潷水一定時(shí)間，如此重復(fù))，開(kāi)始排水；潷水器下潛到下限位，潷水結(jié)束后，迅速升回到上限位停止。到這里，潷水1h結(jié)束。第六步：潷水1h完成后，到這，第一個(gè)周期就結(jié)束了，可以開(kāi)始循環(huán)下一個(gè)周期進(jìn)水、曝氣、回流等步驟。以后各周期依次類(lèi)推。根據(jù)控制要求及步驟，設(shè)計(jì)單周期的SBR污水處理控制流程如圖4.2所示。圖4.2 SBR池單周期的流程圖4.3梯形圖程序根據(jù)本系統(tǒng)的I/O分配表及流程圖，設(shè)計(jì)得到梯形圖程序。按下啟動(dòng)按鈕I0.0與自動(dòng)按鈕I0.1，回流泵、風(fēng)機(jī)、進(jìn)水泵同時(shí)開(kāi)始運(yùn)行工作，開(kāi)始計(jì)時(shí)，在0-10s內(nèi)，回流泵、風(fēng)機(jī)、進(jìn)水泵都是處于置位狀態(tài)的。在10-30s內(nèi)，進(jìn)水泵與回流泵都復(fù)位停止了，就風(fēng)

22、機(jī)在持續(xù)工作，30-40s內(nèi)，風(fēng)機(jī)也復(fù)位停止工作。在40-50s內(nèi)，進(jìn)水泵、風(fēng)機(jī)、回流泵都是復(fù)位狀態(tài)，下潛潷水器置位開(kāi)始工作，下潛2s后，停2s排水，如此反復(fù)。在50s-60s之間時(shí)，潷水器下潛復(fù)位停止，進(jìn)水泵、風(fēng)機(jī)、回流泵也都復(fù)位狀態(tài)，按下下限位按鈕I0.2，潷水器開(kāi)始上升，直到大于等于60s或者按下上限位按鈕的時(shí)候，潷水器上升才會(huì)停止。當(dāng)超過(guò)60s的時(shí)候，系統(tǒng)開(kāi)始循環(huán)，也可以在未到60s的時(shí)候按下上限位按鈕開(kāi)始循環(huán)。當(dāng)按下復(fù)位按鈕I0.0就使得系統(tǒng)全部復(fù)位。當(dāng)按下進(jìn)水泵故障、風(fēng)機(jī)故障、回流泵故障、潷水器故障中任意一個(gè)，都會(huì)報(bào)警，相應(yīng)的設(shè)備也會(huì)停止工作。按下I1.0手動(dòng)按鈕和啟動(dòng)按鈕I0.0

23、，在相應(yīng)的按下上(下)升(潛)潷水器、回流泵、進(jìn)水泵、風(fēng)機(jī)的手動(dòng)按鈕，可手動(dòng)控制其停止運(yùn)行。5組態(tài)軟件對(duì)現(xiàn)場(chǎng)狀態(tài)監(jiān)控的實(shí)現(xiàn)5.1組態(tài)王的特點(diǎn)及應(yīng)用組態(tài)王是一款功能比較齊全的仿真軟件，可十分普遍地應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域的生產(chǎn)研發(fā)和管理控制。組態(tài)王為大量的系統(tǒng)工程師提供了簡(jiǎn)單實(shí)用的開(kāi)發(fā)環(huán)境，并且能比較快地進(jìn)行相關(guān)的自動(dòng)化元件檢測(cè)與布置，使得反饋信息的傳遞變得更加及時(shí)，讓用戶能夠?qū)崟r(shí)的監(jiān)控生產(chǎn)流程，減少不必要的損失12。組態(tài)王的簡(jiǎn)單易用這個(gè)特點(diǎn)是十分明顯的，它不僅有便于識(shí)別的人機(jī)界面，可以方便學(xué)習(xí)使用，而且還擁有海量的圖素和圖庫(kù)精靈，這樣更是方便了組態(tài)的繪制，為用戶省下了不少的時(shí)間。組態(tài)王的適用性與靈活

24、性也比較強(qiáng)，基本可以滿足用戶對(duì)于開(kāi)發(fā)環(huán)境的要求，也可以通過(guò)瀏覽器查看內(nèi)容。組態(tài)王還擁有較好的可擴(kuò)展性，它能兼容多種標(biāo)準(zhǔn)，有著能與諸多智能設(shè)備連接的功能，能提供絕大多數(shù)的設(shè)備與相關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)相通的渠道與策略。組態(tài)王6.53具有以下優(yōu)點(diǎn)13：(1) 快速便捷的應(yīng)用設(shè)計(jì)。(2) 豐富的可擴(kuò)充的圖形庫(kù)。(3) 對(duì)于多媒體的支持。(4) 靈活簡(jiǎn)便的變量定義和管理。(5) 強(qiáng)大的控制語(yǔ)言。(6) 便于采集和顯示歷史數(shù)據(jù)。(7) 具有十分優(yōu)良的步進(jìn)控制功能。(8) 配方管理方便。(9) 具有強(qiáng)有力的回路控制功能。(10) 強(qiáng)大的通訊能力。(11) 先進(jìn)的報(bào)警和事件處理。(12) 廣泛的數(shù)據(jù)獲取和處理。(13)

25、強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)和冗余功能。組態(tài)王6.53便于學(xué)習(xí)和掌握，適合制作上位機(jī)監(jiān)控動(dòng)畫(huà)。5.2S7-200系列PLC的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議S7-200的通信協(xié)議按通信類(lèi)型大多都可以歸為通用協(xié)議和公司專(zhuān)用協(xié)議，再仔細(xì)分一下，它可以分為普通的PPI協(xié)議，MPI協(xié)議，現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議，自由口協(xié)議14。在本設(shè)計(jì)的SBR污水處理控制系統(tǒng)中，選擇PPI協(xié)議更符合現(xiàn)狀，也是能讓S7-200PLC與組態(tài)王軟件進(jìn)行更好信息交換。西門(mén)子為了能讓PLC更好的應(yīng)用，所以才開(kāi)發(fā)出了PPI這個(gè)協(xié)議，用來(lái)方便與S7-200相關(guān)設(shè)備的信息流通交換。它也可以與相配套的電纜或者網(wǎng)線進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)，并且支持比較常見(jiàn)的三種波特率。此協(xié)議為主從協(xié)議，只有在主站發(fā)出

26、相關(guān)信息時(shí)15，從站(即S7-200)才能有所動(dòng)作，其他情況下，從站是不會(huì)主動(dòng)地發(fā)出信號(hào)或者整理信息的。在已經(jīng)完成的程序中，早就把與系統(tǒng)相關(guān)的數(shù)據(jù)存放到儲(chǔ)存區(qū)里，然后再讓組態(tài)里的I/O變量收集刷新原始區(qū)域里面的數(shù)據(jù)，如此就是完成了下位機(jī)PLC與上位機(jī)組態(tài)之間的信息交流，為污水處理控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控打下了基礎(chǔ)。5.3組態(tài)軟件與PLC的通信設(shè)置(1) 創(chuàng)建工程路徑第一步先進(jìn)行新建，先雙擊打開(kāi)“組態(tài)王6.53”，點(diǎn)擊“新建”，也可以在“文件”菜單里找到“新建工程”的選項(xiàng)，跳出“新建工程向?qū)е弧钡奶崾?，如圖5.1所示。圖5.1 新建工程向?qū)е贿@一步可以直接根據(jù)向?qū)У奶崾局苯狱c(diǎn)“下一步”，跳出“新建

27、工程向?qū)е钡奶崾?，如圖5.2所示。圖5.2 新建工程向?qū)е凑障驅(qū)У奶崾?，想要更換存儲(chǔ)地址就左擊“瀏覽”選項(xiàng)，找到想要存放文件的文件夾或者直接新建一個(gè)文件夾，如果不選擇就是默認(rèn)保存在桌面。比如說(shuō)保存路徑“E:”，左擊“下一步”，出現(xiàn)的提示，如圖5.3所示。圖5.3 新建工程向?qū)е鶕?jù)向?qū)У奶崾?，?xiě)出本系統(tǒng)的名稱(chēng)(名字要與下面的組態(tài)畫(huà)面一致)“污水處理控制系統(tǒng)”，其他的選項(xiàng)都能夠默認(rèn)或者不填，左擊“完成”跳出“新建工程”的提示，左擊“是”，就可以完成了新建。(2) 硬件設(shè)備的定義與選型組態(tài)王軟件可以設(shè)計(jì)上位機(jī)的監(jiān)控組態(tài)，但是想要直接與下位機(jī)進(jìn)行相關(guān)的信息交換是不可能的，這時(shí)候就需要對(duì)外部

28、的硬件設(shè)備來(lái)進(jìn)行相關(guān)的定義。雙擊進(jìn)入“工程瀏覽器”，在左側(cè)的大綱欄找到“設(shè)備”，如圖5.4所示。圖5.4 選擇接口雙擊“設(shè)備”中的“COM1”，緊接著就會(huì)跳出來(lái)對(duì)生產(chǎn)廠家、設(shè)備名稱(chēng)、通訊方式之類(lèi)的選擇，如圖5.5所示。圖5.5 選擇通信協(xié)議根據(jù)向?qū)У奶崾?，一步步操作，直到跳出串口選擇的提示，出現(xiàn)“設(shè)備配置向?qū)А钡奶崾荆鐖D5.6所示。圖5.6 選擇串口號(hào)選中“COM1”，不勾虛擬串口，左擊“下一步”，根據(jù)向?qū)У奶崾?，將設(shè)備地址中的“0”改成“2”。其余按照以提示默認(rèn)的條件，一步步確認(rèn)直到，最后點(diǎn)擊“完成”，硬件方面的定義到此為止。除此之外，還應(yīng)該注意設(shè)置一下波特率，將波特率改成“19200”就

29、行了，其他選項(xiàng)默認(rèn)，左擊“確定”，串口的設(shè)置就完成了，如圖5.7所示。圖5.7 設(shè)置串口(2) 設(shè)計(jì)監(jiān)控組態(tài)畫(huà)面這一步開(kāi)始就已經(jīng)進(jìn)入了開(kāi)發(fā)系統(tǒng)界面了，在創(chuàng)建好新畫(huà)面之后，就能用豐富的圖素來(lái)設(shè)計(jì)本課題的上位機(jī)監(jiān)控組態(tài)畫(huà)面。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，可以利用軟件本來(lái)就有的大量的成品圖素，如果軟件里面沒(méi)有現(xiàn)成的，也可以按照系統(tǒng)的控制要求設(shè)計(jì)出符合要求的圖素。(a) 在開(kāi)始定義新畫(huà)面的時(shí)候，先在左邊的大綱欄找到“畫(huà)面”單擊，再雙擊“新建”圖標(biāo)，跳出“新畫(huà)面”的提示，如圖5.8所示。圖5.8 新建畫(huà)面(b) 在跳出來(lái)的界面名稱(chēng)那一欄輸入“污水處理”，其他的選項(xiàng)基本與默認(rèn)條件相同，除非系統(tǒng)有特殊的要求。然后左擊“確定

30、”進(jìn)入組態(tài)王開(kāi)發(fā)系統(tǒng)，如圖5.9所示。圖5.9 組態(tài)王開(kāi)發(fā)系統(tǒng)(c) 在開(kāi)發(fā)系統(tǒng)之后，先將本課題中涉及到的一些設(shè)備元器件都畫(huà)出來(lái)，如果圖庫(kù)里有的就直接拿出來(lái)用，若是沒(méi)有，那就利用工具箱按照系統(tǒng)控制要求設(shè)計(jì)出來(lái)。組態(tài)畫(huà)面設(shè)計(jì)完成之后，必須在退出開(kāi)發(fā)系統(tǒng)之前，將現(xiàn)有的畫(huà)面全部保存，否則會(huì)丟失。(4) 構(gòu)造數(shù)據(jù)庫(kù)在構(gòu)造數(shù)據(jù)庫(kù)之前，要了解數(shù)據(jù)庫(kù)以及變量所代表的意義。數(shù)據(jù)庫(kù)就是作為上位機(jī)組態(tài)與下位機(jī)PLC交流信息的媒介，沒(méi)有數(shù)據(jù)庫(kù)上位機(jī)組態(tài)與下位機(jī)PLC就無(wú)法正常的進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。更直接地說(shuō)，數(shù)據(jù)庫(kù)就是所有變量的集合體，每一個(gè)變量在數(shù)據(jù)庫(kù)中都有定義。從左邊的“數(shù)據(jù)庫(kù)”中找出“數(shù)據(jù)詞典”并左擊，然后再雙擊“

31、新建”圖標(biāo)，立馬跳出“定義變量”的提示，如圖5.10所示。圖5.10 創(chuàng)建內(nèi)存變量?jī)?nèi)存型變量一般都是只有兩個(gè)選項(xiàng)可以填寫(xiě)，就是變量名跟變量類(lèi)型，而且不用連接設(shè)備，I/O型變量不僅要對(duì)相關(guān)的設(shè)備PLC模塊進(jìn)行連接，而且還要進(jìn)行其他方面選擇。同時(shí)為了方便下面動(dòng)畫(huà)的流暢，一般把頻率定為1毫秒。(5) 建立動(dòng)畫(huà)連接定義動(dòng)畫(huà)連接是將變量的數(shù)值變動(dòng)，變成了更加直觀形象的動(dòng)畫(huà)，這樣便于確認(rèn)數(shù)據(jù)的變動(dòng)。組態(tài)王軟件里面有幾十種不同的動(dòng)畫(huà)連接方法，可以滿足絕大多數(shù)的控制要求，具體方式如圖5.11所示。圖5.11 動(dòng)畫(huà)連接根據(jù)提示連續(xù)點(diǎn)擊兩次“確定”就能夠跳到開(kāi)發(fā)系統(tǒng)的界面。偶爾也能利用命令語(yǔ)言(類(lèi)似C語(yǔ)言的編寫(xiě))

32、來(lái)控制變量，右擊畫(huà)面，選擇“畫(huà)面屬性”，左擊“命令語(yǔ)言.”，根據(jù)跳出的相關(guān)提示，在提示的文本編輯框里面設(shè)計(jì)出相對(duì)應(yīng)的命令語(yǔ)言，在一般情況下可以用來(lái)控制內(nèi)存變量。本系統(tǒng)演示時(shí)候的命令語(yǔ)言如下：if(本站點(diǎn)進(jìn)水泵=1)本站點(diǎn)液位=本站點(diǎn)液位+0.5;if(本站點(diǎn)下潛潷水器=1)本站點(diǎn)液位=本站點(diǎn)液位-1.1;if(本站點(diǎn)下潛潷水器=1)本站點(diǎn)流動(dòng)=本站點(diǎn)流動(dòng)+1.4;if(本站點(diǎn)上升潷水器=1)本站點(diǎn)流動(dòng)=本站點(diǎn)流動(dòng)-1.5;if(本站點(diǎn)復(fù)位按鈕=0)本站點(diǎn)液位=0;本站點(diǎn)上升潷水器=1;在退出開(kāi)發(fā)系統(tǒng)界面前，要確保將已有的命令語(yǔ)言跟畫(huà)面都全部保存。(6) 運(yùn)行和調(diào)試在依次完成了上面所有的步驟之后

33、，就能逐步開(kāi)始設(shè)置調(diào)試。應(yīng)該先要將編寫(xiě)好的程序下載下來(lái)，這時(shí)候就要雙擊打開(kāi)STEP7軟件，左擊“通信”選項(xiàng)，對(duì)其中的“通信端口”進(jìn)行設(shè)計(jì)改動(dòng)，將波特率設(shè)置成跟串口設(shè)置的一致，其余都是默認(rèn)條件保持不變，點(diǎn)擊“確定”就是完成了對(duì)“通信端口”的設(shè)置，然后就是對(duì)“通信”進(jìn)行設(shè)置。設(shè)置完成后，打開(kāi)組態(tài)，打開(kāi)工具欄，左擊“運(yùn)行”，如圖5.12所示。將特殊一欄里面的兩個(gè)文本框內(nèi)頻率都改成55毫秒，剩下的條件保持不變。進(jìn)入到“開(kāi)發(fā)系統(tǒng)”界面，將其全部保存之后，切換到“view”運(yùn)行系統(tǒng)界面，開(kāi)始調(diào)試運(yùn)行。圖5.12 運(yùn)行系統(tǒng)設(shè)置5.4變量定義變量定義如圖5.13所示。圖5.13 變量定義5.5系統(tǒng)監(jiān)控程序在進(jìn)

34、入運(yùn)行系統(tǒng)后的監(jiān)控組態(tài)界面如圖5.14所示。圖5.14 SBR污水處理監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行畫(huà)面當(dāng)把系統(tǒng)切換到“view”之后，按下啟動(dòng)按鈕與自動(dòng)按鈕，啟動(dòng)按鈕開(kāi)始閃爍，電磁閥(也就是進(jìn)水泵)、風(fēng)機(jī)、回流泵三者同時(shí)開(kāi)始運(yùn)行，待到液位漲到潷水器的處理位置，電磁閥與回流泵同時(shí)停止運(yùn)行，只有風(fēng)機(jī)依然運(yùn)轉(zhuǎn)。隨后潷水器下潛開(kāi)始排水，排到潷水器下限位停止，同時(shí)下限位的液位傳感器閃爍(下限位報(bào)警燈也開(kāi)始報(bào)警)，之后就可以按下潷水器上升按鈕或者等到循環(huán)時(shí)間，潷水器上升，一直到上限位停止，同時(shí)上限位的液位傳感器閃爍(上限位報(bào)警燈開(kāi)始報(bào)警)，系統(tǒng)開(kāi)始循環(huán)。當(dāng)按下手動(dòng)按鈕時(shí)，可以手動(dòng)控制電磁閥、風(fēng)機(jī)、回流泵與潷水器的相關(guān)停止

35、與運(yùn)行，當(dāng)按下對(duì)應(yīng)故障按鈕的時(shí)候，相應(yīng)的故障報(bào)警燈也會(huì)亮。想要退出系統(tǒng)時(shí)，只要按下右上角的“退出”按鈕，就可以直接退出運(yùn)行系統(tǒng)。結(jié)束語(yǔ)如今科技的發(fā)展愈加迅速，軟硬件更新?lián)Q代周期越來(lái)越短，自動(dòng)化技術(shù)也是蓬勃發(fā)展。在某些領(lǐng)域不方便人工操作，只能依靠自動(dòng)控制技術(shù)，這就使得對(duì)其的要求就越來(lái)越高，PLC技術(shù)也因此得以迅速發(fā)展。由于其簡(jiǎn)單易懂的操作、便于集中管理、信息交換及時(shí)等優(yōu)點(diǎn)，占領(lǐng)了自動(dòng)控制市場(chǎng)很大的份額。本課題是基于S7-200PLC的污水處理控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，先根據(jù)本系統(tǒng)的控制要求設(shè)計(jì)出下位機(jī)PLC的程序流程圖和梯形圖程序，再將進(jìn)水泵、回流泵、風(fēng)機(jī)、潷水器和諸多開(kāi)關(guān)元件等I/O設(shè)備進(jìn)行地址分配。然

36、后，再利用組態(tài)王軟件進(jìn)行上位機(jī)組態(tài)的設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)出監(jiān)控組態(tài)的畫(huà)面，再將組態(tài)里的變量與PLC程序里的I/O地址進(jìn)行對(duì)應(yīng)，使得上位機(jī)與下位機(jī)之間確保可以進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。這樣就可以實(shí)現(xiàn)上位機(jī)組態(tài)對(duì)下位機(jī)PLC的實(shí)時(shí)監(jiān)控與管理，這樣使污水處理控制系統(tǒng)也能更加的省時(shí)省力，使得系統(tǒng)運(yùn)行更加穩(wěn)定可靠，提高了系統(tǒng)的處理效率。與其他工藝相比較而言，SBR法對(duì)于污水的處理效率是比較高的，但是現(xiàn)在在控制進(jìn)水時(shí)間、回流時(shí)間和反應(yīng)時(shí)間上把握得不是很好，對(duì)于如何確定更加適合系統(tǒng)的曝氣方式和時(shí)間的長(zhǎng)短，在如何處理好實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的好(厭)氧間替交換等諸多問(wèn)題上，目前仍然靠累計(jì)的經(jīng)驗(yàn)做出相應(yīng)的判斷，還需要做大量的相關(guān)研究。但是隨著對(duì)SBR法的深入研究，這些問(wèn)題都會(huì)慢慢得到有效地解決，使得SBR法更加的高效合理。致 謝不知不覺(jué)就這樣迎來(lái)了大四的結(jié)局，從著手準(zhǔn)備畢設(shè)到現(xiàn)在差不多4個(gè)月，一路過(guò)來(lái)，我收獲了很多很多，我同樣要感謝那些幫我一路走來(lái)的人。如果沒(méi)有那些人的指導(dǎo)與幫助，我也沒(méi)有這么容易就完成這次畢設(shè)。首先，我想要由衷的感謝老師，正是在老師盡心盡力地指導(dǎo)與糾正下，我才能順利地完成了本次畢業(yè)設(shè)計(jì)。老師一絲不茍的教學(xué)和豐富的學(xué)識(shí)，在這期間給我留下了難以磨滅的印象，在這段期間內(nèi)十