污水處理實(shí)驗(yàn)裝置PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)1

1、題目：SBR法污水處理實(shí)驗(yàn)裝置PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)一、工藝簡介：SBR是序列間歇式活性污泥法（Sequencing Batch Reactor Activated Sludge Process）的簡稱，是一種按間歇曝氣方式來運(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。主要工藝過程簡介如下：1、注水。此時(shí)3打開，2工作，將1內(nèi)的污

2、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）

3、后結(jié)束。下面進(jìn)入排水階段。5、排水。此時(shí)11打開， 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，開始新的循環(huán)。2、 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

4、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：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

5、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)中需要將采集回來的模擬量進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，然后，通過模擬輸入口對(duì)變頻其進(jìn)行控制，進(jìn)而控制其他設(shè)備

6、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、 其他硬件資源配置：<1>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。<2>變頻器 本次設(shè)計(jì)采用的MM430系列變頻器

7、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。<3>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，松開復(fù)位。圖1-13、 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，控制過程可分為手動(dòng)控制功能和自動(dòng)運(yùn)行功能。在手動(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

8、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，可以通過通過變頻器來改變其速度，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)開始工作，其工作過程包括以下幾個(gè)方面。<1>系統(tǒng)上電后，啟動(dòng)進(jìn)水電磁閥和水泵。<2>啟動(dòng)氣泵，開始曝氣過程<3>啟動(dòng)攪拌機(jī)<4>啟動(dòng)排水電磁閥排水 以上工作過程調(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，

9、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20sT38曝氣氣泵運(yùn)行時(shí)間20sT39攪拌機(jī)運(yùn)行時(shí)間20sT40沉淀過程時(shí)間15sT41排水過程運(yùn)行時(shí)間20s5、 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)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)

10、單獨(dú)的過程狀態(tài)都是互斥的，因此在軟件中采取軟件互鎖方式，也就是說同一時(shí)刻，只能有一個(gè)過程在系統(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)行過程中出現(xiàn)問題，也可以采用手動(dòng)方式檢查，便于維修。而在生產(chǎn)過程中，主要是采用自動(dòng)方式進(jìn)行控制，下面就來介紹自動(dòng)控制過程。6、 自動(dòng)控制程序在生產(chǎn)中，大多數(shù)采用自動(dòng)過程進(jìn)行控制，系統(tǒng)通過傳感器的反饋信號(hào)來控制設(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、流量傳感器模擬量轉(zhuǎn)換根據(jù)比例關(guān)系有：(x-0)/(N-6400)=(10

11、0-0)/(32000-6400)x=(N-6400)/256所對(duì)應(yīng)梯形圖程序：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)過程的實(shí)時(shí)變化過程可以通過上位機(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)外界輸入信息及來自上位機(jī)的指令的處理結(jié)果來對(duì)實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行控制；使用

12、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： MCGS組態(tài)畫面4、 實(shí)現(xiàn)控制過程 按下手動(dòng)控制按鈕，系統(tǒng)進(jìn)入手動(dòng)控制過程。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1、

13、 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)，無須認(rèn)為干涉，但在上位機(jī)監(jiān)控頁面上對(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)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。2、 方案評(píng)定 通過上下位機(jī)的控制和執(zhí)行實(shí)現(xiàn)了SBR污水處理法的全過

14、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)踐中遇到的問題怎樣用理論去解決。通過這次實(shí)訓(xùn)鍛煉了實(shí)際操作的能力，掌握了簡單的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，也為將來的更好的實(shí)踐應(yīng)用打下了基礎(chǔ)。設(shè)計(jì)過程中，總會(huì)遇到這樣那樣的問題，發(fā)現(xiàn)問題后通過自己找資料，和老師交流，直到最后解決問題，為以后的工作積累了經(jīng)