基于PLC控制的污水處理裝置設(shè)計(jì)

1、基于PLC控制的污水處理裝置設(shè)計(jì) 畢業(yè)論文系 部： 電子工程系 學(xué)生姓名： XX 專業(yè)班級： 電子07C2 學(xué) 號： 072211217 指導(dǎo)教師： XX 2010年 3 月 20 日聲 明本人所呈交的 基于PLC控制的污水處理裝置設(shè)計(jì) ，是我在指導(dǎo)教師的指導(dǎo)和查閱相關(guān)著作下獨(dú)立進(jìn)行分析研究所取得的成果。除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外，本論文不包含其他個(gè)人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果。對本文的研究做出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體，均已在文中作了明確說明并表示謝意。作者簽名： 日期： 2010.3.20 【摘要】PLC即可編程序控制器，它是一種專門為工業(yè)控制設(shè)計(jì)的通用自動(dòng)控制裝置。它將計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)

2、和通信技術(shù)融為一體，已成為現(xiàn)代工業(yè)自動(dòng)化的支柱之一。本文設(shè)計(jì)內(nèi)容包括四種，第一流是量控制：由流量計(jì)計(jì)量流量，并通過調(diào)整進(jìn)水閥的開度調(diào)整流量的快慢。第二是中和處理：由PH計(jì)測量污水的酸堿值調(diào)節(jié)酸、堿閥的開閉進(jìn)行中和反應(yīng)，使水呈中性。第三是溫度控制：由溫度計(jì)計(jì)量，若水溫過高則加水降溫，使溫度適中。第四是水位控制：由水位計(jì)計(jì)量，通過控制排水閥的開度控制水位。系統(tǒng)運(yùn)行后，攪拌器一直攪拌。根據(jù)控制要求，選擇所需的傳感器及其他硬件，以實(shí)現(xiàn)該控制系統(tǒng)。PLC應(yīng)用于污水處理系統(tǒng)中有很多優(yōu)點(diǎn)，運(yùn)行結(jié)果表明該系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有可行性、可靠性等良好的性能?！娟P(guān)鍵詞】：PLC；控制系統(tǒng)；工業(yè)污水處理ABSTRACTPLC

3、is programmable logical controller.It is common automatic control equipments designed for industry control specially. This profession includes computer technology、automation technology and communication theology,moreover. This control mode has a chife condition in modern industry automation aspect.T

4、his paper design content: The first is flow control. Measure flow with the flow meter, adjust entering-water valve. control the quantity of the water. The second is mix treatment with the PH-meter, PH-meter measure dirty waters PH, adjust valve on or off,make mixed reaction, Make sure dirty waters P

5、H for seven. The third is temperature control. Be calculated by thermometer, if the water temperature is high adds to the water in order to reduce the temperature. The forth is water level control: measure water level with the water-meter. Control water level by controlling water-out valve. After sy

6、stem starting to work, the mill will blend all the time.For the sake of control request, choose hardware, complete this system control; Through this paper, we know the principle, control mode etc, investigate this control system, we see design reasonable.PLC for the sewage treatment system has many

7、advantages, The results show the feasibility of system design, reliability and good performance. 【KEY WORD】: PLC；Control system；Industry dirty water treatment目 錄引言 01頁一、PLC簡介 01頁二、基于PLC控制的污水處理裝置的設(shè)計(jì) 02頁（一）PLC選型 02頁（二）控制系統(tǒng)的I/O點(diǎn)及地址分配 04頁（三）污水處理系統(tǒng)控制電路 06頁三、污水處理系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) 07頁（一）程序流程圖 07頁（二）主程序 08頁（三）初始化子程序

8、12頁（四）PI控制中斷程序 12頁四、結(jié)束語 13頁參考文獻(xiàn) 15頁致謝 15頁引言隨著中國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人民生活水平的逐漸提高，必然對環(huán)境質(zhì)量提出更高的要求。解決好水污染問題，對污水進(jìn)行處理后再進(jìn)行排放，是生態(tài)環(huán)境保護(hù)以及為人們營造舒適生活環(huán)境的重要條件。城市污水處理設(shè)施是現(xiàn)代化城市經(jīng)濟(jì)發(fā)展和水資源保護(hù)不可或缺的組成部分。城市污水處理廠在發(fā)達(dá)國家己有較成熟的經(jīng)驗(yàn)。如英國、德國、芬蘭、荷蘭等歐洲國家均己投巨資對因工業(yè)革命和經(jīng)濟(jì)發(fā)展帶來的城市水污染進(jìn)行治理，日本、新加坡、美國、澳大利亞等國家也對城市污水處理給予了較大投資，特別是新加坡并沒有走先污染后治理的道路，而是采取經(jīng)濟(jì)與環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展的政策。

9、我國城市污水處理技術(shù)發(fā)展起晚，20世紀(jì)50年代前還停留在水體自凈階段；60年代進(jìn)入農(nóng)田利用階段；70年代，許多城市開始注意城市污水處理問題并采取了一定的措施，但重點(diǎn)放在工業(yè)污染源的分散治理上，污水處理進(jìn)入了分散治理階段；進(jìn)入80年代后，污水處理進(jìn)展較快，進(jìn)入了水污染的綜合防治階段。我國第一座大型城市污水處理廠 天津市紀(jì)莊子污水處理廠于1984年4月28日竣工投產(chǎn)運(yùn)行，處理規(guī)模為216x105m3/d。在此成功經(jīng)驗(yàn)的帶動(dòng)下，北京、上海、廣東、廣西、陜西、山西、河北、江蘇、浙江、湖北、湖南等省市根據(jù)各自的具體情況分別建設(shè)了不同規(guī)模的污水處理廠幾十座。到2000年底，全國己建設(shè)城市污水處理廠427座

10、，其中二級處理廠282座，這些污水處理設(shè)施對遏止水環(huán)境污染加劇的趨勢起到了重要作用。但是，不容樂觀的是，我國的城市污水處理率目前還不到20%。污水處理所采用的工藝技術(shù)是污水處理廠的核心部分。然而，利用常規(guī)技術(shù)處理廢水耗電能多、費(fèi)用高，如普遍采用和推廣，不要說在第三世界國家難以實(shí)現(xiàn)，就是在經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)國家也非易事。土地處理法和氧化塘法由于其低投資、低能耗以及與生態(tài)處理相結(jié)合具有深度處理的功能，而PLC可以通過工業(yè)以太網(wǎng)控制網(wǎng)絡(luò)與其編程軟件進(jìn)行交互，技術(shù)人員可以在比較良好的環(huán)境下通過網(wǎng)絡(luò)對程序進(jìn)行修改，而不必到環(huán)境惡劣的現(xiàn)場去操作。為確保污水處理工藝和設(shè)備能夠長期安全可靠地運(yùn)行，故采用西門子S7-20

11、0PLC可編程序控制器，本文將就如何在該系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)西門子PLC S7-200控制系統(tǒng)進(jìn)行研究。一、PLC簡介可編程控制器之所以被廣泛的應(yīng)用于現(xiàn)代的工業(yè)控制中，是因?yàn)樗c其他工業(yè)控制裝置相比，有其顯著優(yōu)點(diǎn)?？删幊炭刂破髋c傳統(tǒng)的繼電器相比，它具有如下優(yōu)點(diǎn)：由于采用大規(guī)模集成電路和計(jì)算機(jī)技術(shù)，因此可靠性高、邏輯功能強(qiáng)、體積小。在需要大量中間繼電器及時(shí)間繼電器和計(jì)數(shù)繼電器的場合，PLC無需增加設(shè)備，利用微處理器及存儲的功能，就可以很容易的完成這些邏輯組合和運(yùn)算，大大降低了控制成本。PLC采用軟件編制程序來完成控制，所以隨著要求的變更對程序進(jìn)行修改顯得十分方便。而對于布線邏輯的繼電器，邏輯控制則難以辦到

12、?？删幊绦蚩刂破髋c計(jì)算機(jī)相比，它具有如下優(yōu)點(diǎn)：PLC采用了面向操作的邏輯語言，以繼電器邏輯梯形圖為表達(dá)式。一個(gè)熟練的電工2天就可以掌握它的使用方法和編程技巧。PLC是在惡劣的工業(yè)環(huán)境中運(yùn)行的，因而它的設(shè)計(jì)著眼于可靠、高抗干擾、密封及堅(jiān)固。它沒有一般計(jì)算機(jī)必須的環(huán)境要求。PLC一般具有模塊結(jié)構(gòu)，可以針對不同的對象進(jìn)行組合和擴(kuò)展,以滿足工業(yè)控制的需要，因而具有很好的性能/價(jià)格比?？删幊绦蚩刂破髋c單片機(jī)相比，它具有如下優(yōu)點(diǎn)：PLC各個(gè)功能部件采用模塊化結(jié)構(gòu)，若某一部件損壞，只要換一個(gè)模塊即可，而單片機(jī)是一個(gè)芯片，這樣PLC就經(jīng)濟(jì)許多。PLC具有邏輯控制、定時(shí)控制、步進(jìn)控制、數(shù)據(jù)處理、監(jiān)控通信聯(lián)網(wǎng)、停

13、電記憶故障診斷等功能。而單片機(jī)用于測控系統(tǒng)、智能儀表、智能接口等。PLC一般對多被控對象來進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，且指令簡單易學(xué)；而單片機(jī)一般對單一被控對象，且其指令相對復(fù)雜。PLC的優(yōu)點(diǎn)很多，但是它與單片機(jī)、計(jì)算機(jī)相比，PLC速度較低。盡管如此，本設(shè)計(jì)仍然選用PLC。因?yàn)?，工業(yè)污水處理并不要求有太快的速度，而且還由它的實(shí)地環(huán)境決定。因此本設(shè)計(jì)選用它做為中心控制裝置，利用流量傳感器、PH計(jì)、溫度傳感器和液位傳感器的檢測功能對污水進(jìn)行處理，使其減少污染，達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，以便保護(hù)環(huán)境，節(jié)約用水的功能。根據(jù)環(huán)保部門要求處理后水的pH值應(yīng)在68之間，當(dāng)pH值小于6呈酸性時(shí)，需要加入堿性藥水來中和；當(dāng)pH值大于8呈堿性

14、時(shí)，需要加入酸性藥水。通常某工廠的生產(chǎn)工藝穩(wěn)定后，pH值要么呈現(xiàn)酸性，要么呈現(xiàn)堿性，不可能來回?cái)[動(dòng)，所以加入藥水的性質(zhì)也是一定的。由于水的pH值在7附近極易波動(dòng)，如果加入的中和用藥水過多或過少，都會(huì)使其pH發(fā)生偏差。采用人工控制的方式很難完成控制要求，故需要依靠自動(dòng)控制系統(tǒng)，并配以PID算法來保證控制精度。在工廠中，通常有大量的強(qiáng)電設(shè)備，電源和電磁環(huán)境有時(shí)非常復(fù)雜，若采用單片機(jī)在自身性能上有局限性，所以無法滿足控制要求。若采用以工控機(jī)為核心的控制系統(tǒng)，在性能方面雖沒有問題，但成本相對較高。由于可編程邏輯控制器可靠性高、對環(huán)境要求低，有多種輸入/輸出開關(guān)量點(diǎn)數(shù)組合，開關(guān)量和模擬量有良好的可擴(kuò)展性

15、，可獨(dú)立組成成本較低的自動(dòng)控制系統(tǒng)，所以在污水處理控制系統(tǒng)中被大量采用。二、基于PLC控制的污水處理裝置的設(shè)計(jì)（一）PLC選型本設(shè)計(jì)采用德國西門子公司生產(chǎn)的S7-200系列PLC。S-200PLC是德國西門子公司生產(chǎn)的一種小型PLC，其許多功能已達(dá)到大、中型PLC的水平，而價(jià)格卻和中小型PLC的一樣。因此，它一經(jīng)推出，即受到了廣泛的關(guān)注。特別是S7-200CPU22*系列PLC，由于它具有多種功能模塊和人機(jī)界面可供選擇，所以系統(tǒng)的集成非常方便，并且可以很容易地組成PLC網(wǎng)絡(luò)。同時(shí)它具有功能齊全的編程和工業(yè)控制組態(tài)軟件，使得在完成控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)時(shí)更加簡單，幾乎可以完成任何功能的控制任務(wù)。S7-2

16、00的CPU模塊包括一個(gè)中央處理單元、電源及數(shù)字I/O點(diǎn)，這些都被集成在一個(gè)緊湊、獨(dú)立的設(shè)備中。CPU負(fù)責(zé)執(zhí)行程序，輸入部分從現(xiàn)場設(shè)備中采集信號，輸出部分則輸出控制信號，驅(qū)動(dòng)外部負(fù)載。西門子S7-200系列是西門子公司前幾年剛剛投入市場的小型可編程序控制器。它價(jià)格低廉，結(jié)構(gòu)小巧，可靠性高，運(yùn)行速度快，有極豐富的指令集，具有強(qiáng)大的多種集成功能和實(shí)時(shí)特性，可以單機(jī)運(yùn)行，也可以進(jìn)行輸入/輸出和功能模塊的擴(kuò)展。CPU單元共有五種配置，具體結(jié)構(gòu)如表1所示：表1 S7-200PLC配置型號存儲器容量最大擴(kuò)展電流輸入點(diǎn)輸出 點(diǎn)可擴(kuò)展模塊數(shù)可擴(kuò)展模擬塊數(shù)CPU2213K064無無CPU2223K340mA86

17、21CPU2246K660mA141074CPU224XP6K1000mA241674CPU22613K1000mA241674當(dāng)CPU的I/O點(diǎn)數(shù)不夠用或需要進(jìn)行特殊功能的控制時(shí)，就要進(jìn)行I/O擴(kuò)展。I/O擴(kuò)展包括I/O點(diǎn)數(shù)的擴(kuò)展和功能模塊的擴(kuò)展。不同的CPU有不同的擴(kuò)展規(guī)范。它主要受CPU的功能限制。S7-200系列CPU提供一定數(shù)量的主機(jī)數(shù)字量I/O點(diǎn)，但在主機(jī)I/O點(diǎn)不夠的情況下，就必須使用擴(kuò)展模塊的I/O點(diǎn)。典型的數(shù)字量輸入/輸出擴(kuò)展模塊有：輸入擴(kuò)展模塊EM221有兩種：8點(diǎn)DC輸入、8點(diǎn)DC輸出。輸出擴(kuò)展模塊EM222有三種：8點(diǎn)DC晶體管輸出、8點(diǎn)AC輸出、8點(diǎn)繼電器輸出。輸入/

18、輸出混合擴(kuò)展模塊EM223有六種：分別為4點(diǎn)（8點(diǎn)、16點(diǎn)）DC輸入/4點(diǎn)（8點(diǎn)、16點(diǎn)）DC輸出、4點(diǎn)（8點(diǎn)、16點(diǎn)）DC輸入/4點(diǎn)（8點(diǎn)、16點(diǎn)）繼電器輸出。當(dāng)需要完成某些特殊功能的控制時(shí)，CPU主機(jī)可以擴(kuò)展特殊功能模塊。典型的特殊功能模塊有：1. 模擬量輸入/輸出擴(kuò)展模塊模擬量輸入擴(kuò)展模塊EM231有3種：4路模擬量輸入、2路熱電阻輸入和4路熱電偶輸入。模擬量輸出擴(kuò)展模塊EM232具有2路模擬量輸出。模擬量輸入/輸出擴(kuò)展模塊EM235具有4路模擬量輸入/1路模擬量輸出。2. 特殊功能模塊功能模塊有EM253位置控制模塊、EM277 PROFIBUS-DP模塊、EM241調(diào)制解調(diào)器模塊、C

19、P243-1以太網(wǎng)模塊、CP243-2 AS-i接口模塊等。粗略估計(jì)本設(shè)計(jì)共需要數(shù)字量輸入12個(gè)，數(shù)字量輸出32個(gè)，模擬量輸入4個(gè)。由于CPU221無法擴(kuò)展模塊，CPU222只能擴(kuò)展2個(gè)模塊，二者均無法達(dá)到I/O設(shè)計(jì)要求。因此本設(shè)計(jì)采用CPU226，24點(diǎn)輸入，16點(diǎn)輸出，并外加擴(kuò)展模塊EM222一個(gè)，EM231一個(gè)，如圖1所示。即可達(dá)設(shè)計(jì)要求，并留有一定余量。圖1PLC系統(tǒng)組成（二）控制系統(tǒng)的I/O點(diǎn)及地址分配CPU是PLC的核心，起神經(jīng)中樞的作用，每套PLC至少有一個(gè)CPU，它按PLC的系統(tǒng)程序賦予的功能接收并存貯用戶程序和數(shù)據(jù)，用掃描的方式采集由現(xiàn)場輸入裝置送來的狀態(tài)或數(shù)據(jù)，并存入規(guī)定的

20、寄存器中，同時(shí)，診斷電源和PLC內(nèi)部電路的工作狀態(tài)和編程過程中的語法錯(cuò)誤等。進(jìn)入運(yùn)行后，從用戶程序存貯器中逐條讀取指令，經(jīng)分析后再按指令規(guī)定的任務(wù)產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號，去指揮有關(guān)的控制電路。本設(shè)計(jì)根據(jù)系統(tǒng)的總體方案，控制系統(tǒng)的輸入/輸出信號的名稱、代碼及地址編號如表2所示。表2輸入/輸出點(diǎn)代碼和地址編號地址名稱符號I0.0液位傳感器手動(dòng)按鈕1SB1 I0.1液位傳感器停止按鈕1SB2 I0.2流量傳感器手動(dòng)按鈕1SB5 I0.3流量傳感器停止按鈕1SB6 I0.4溫度傳感器手動(dòng)按鈕1SB9 I0.5溫度傳感器停止按鈕1SB10 I0.6酸堿度傳感器手動(dòng)按鈕1SB13 I0.7酸堿度傳感器停止按鈕

21、1SB14 I1.0PLC手動(dòng)按鈕SA1I1.1PLC停止按鈕SA2I1.2液位傳感器手動(dòng)按鈕2SB3I1.3液位傳感器停止按鈕2SB4I1.4流量傳感器手動(dòng)按鈕2SB7I1.5流量傳感器停止按鈕2SB8I1.6溫度傳感器手動(dòng)按鈕2SB11I1.7溫度傳感器停止按鈕2SB12I2.0酸堿度傳感器手動(dòng)按鈕2SB15I2.1酸堿度傳感器停止按鈕2SB16AIW0液位傳感器信號SLAIW2溫度傳感器信號STAIW4流量傳感器信號SDAIW6酸堿度傳感器信號SPQ0.01#LED攪拌機(jī)1工作HL1Q0.12#LED攪拌機(jī)2工作HL2Q0.23#LED PLC工作狀態(tài)HL3Q0.34#LED流量正常HL

22、4Q0.45#LED流量故障HL5Q0.56#LED溫度正常HL6Q0.67#LED溫度故障HL7Q0.78#LED液位正常HL8Q1.09#LED液位故障HL9Q1.110#LED酸堿度正常HL10Q1.211#LED酸堿度故障HL11Q1.312#LED水泵1工作HL12Q1.413#LED水泵2工作HL13Q1.514#LED水泵3工作HL14Q1.615#LED水泵4工作HL15Q1.7排水閥開大SD1Q2.0排水閥關(guān)閉SD2Q2.1排水閥開大SD3Q2.2排水閥關(guān)閉SD4Q2.3排水閥開大SD5Q2.4排水閥關(guān)閉SD6Q2.5排水閥開大KM10Q2.6排水閥關(guān)閉KM5Q2.7加水閥開

23、大KM9Q3.0加水閥關(guān)閉KM8Q3.1加酸閥們開KM6Q3.2加堿閥們開KM7Q3.3加酸閥門關(guān)KM3Q3.4加堿閥們關(guān)KM4Q3.5攪拌機(jī)1工作KM1Q3.6攪拌機(jī)2工作KM2Q3.7備用備用（三）污水處理系統(tǒng)控制電路圖2 電控系統(tǒng)控制電路電控系統(tǒng)控制電路如圖2所示。圖中SA為手動(dòng)/自動(dòng)轉(zhuǎn)換開關(guān)，SA打在上面是自動(dòng)控制狀態(tài)，打在下面是手動(dòng)控制狀態(tài)。手動(dòng)運(yùn)行時(shí)，可用SB1-SB16控制各個(gè)傳感器閥門的開/關(guān)以及攪拌機(jī)的啟/停，從左到右依次是流量控制、液位控制、酸堿中和控制和溫度控制。當(dāng)按下啟動(dòng)按鈕SB1時(shí)，整條線路得電，此時(shí)攪拌機(jī)1（KM1）開始工作，此時(shí)KM1得電自鎖，攪拌機(jī)1持續(xù)工作。同

24、時(shí)HL8指示燈點(diǎn)亮。按下停止按鈕SB2，線路斷開，攪拌機(jī)停轉(zhuǎn)，同時(shí)HL8燈滅。若流量過快，則通過流量傳感器檢測的信號，按下SB3，此時(shí)KM5得電工作，同時(shí)由于互鎖，KM1斷開連接停止工作。同理可知，若液位測量值在上限與下限之間時(shí)，攪拌機(jī)正常工作，若液位過高或過低，則通過對應(yīng)的進(jìn)水與出水閥門來調(diào)節(jié)，此時(shí)HL5點(diǎn)亮。圖中為了保險(xiǎn)每個(gè)按鈕之間均有互鎖，為防止誤動(dòng)作的操作。自動(dòng)運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)在PLC程序控制下運(yùn)行，SA2為PLC運(yùn)行停止按鈕。圖中HL1-HL15分別為各個(gè)狀態(tài)的指示燈，可以根據(jù)燈的亮滅來更方便操作人員的觀察各個(gè)狀態(tài)。三、污水處理系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)（一）程序流程圖圖3 系統(tǒng)流程圖系統(tǒng)流程圖如圖

25、3所示。根據(jù)流程圖將本程序分為三部分：主程序、中斷程序和初始化程序。邏輯運(yùn)算等放在主程序中。系統(tǒng)初始化的一些工作放在初始化子程序中完成，這樣可以節(jié)省掃描時(shí)間。利用定時(shí)器中斷功能實(shí)現(xiàn)PID控制的定時(shí)采樣及輸出控制。在本系統(tǒng)中，只是用比例（P）和積分（I）控制，其回路增益和時(shí)間常數(shù)可通過工程計(jì)算初步確定，但還需要進(jìn)一步調(diào)整以達(dá)到最優(yōu)控制效果。初步確定的增益和時(shí)間常數(shù)為：增益；采樣時(shí)間；積分時(shí)間min。（二）主程序液位控制手動(dòng)部分梯形圖設(shè)計(jì)流量控制手動(dòng)部分梯形圖程序設(shè)計(jì)溫度控制手動(dòng)部分梯形圖程序設(shè)計(jì)酸堿中和控制手動(dòng)部分梯形圖設(shè)計(jì)上電初始化，調(diào)初始化子程序給定各水泵液位限定值符合放水條件時(shí)，水泵號加1液位上限時(shí)，開閥放水液位下限時(shí)減泵符合減泵條件時(shí)，水泵號減1倒泵時(shí)，置位M2.