小型SBR廢水處理PLC電氣控制系統(tǒng)設計

1、設計實例：小型SBR廢水處理PLC電氣控制系統(tǒng)課程設計一、小型SBR廢水處理電氣控制系統(tǒng)設計任務書1SBR廢水處理工藝的技術(shù)要求SBR廢水處理技術(shù)是一種高效廢水回用的處理技術(shù)，采用優(yōu)勢菌技術(shù)對校園生活污水進行處理，經(jīng)過處理后的中水可以用來澆灌綠地、花木、沖洗廁所及車輛等，從而達到節(jié)約水資源的目的。SBR廢水處理系統(tǒng)方案要充分考慮現(xiàn)實生活中校園生活區(qū)較為狹小的特點，力求達到設備體積小，性能穩(wěn)定，工程投資少的目的。廢水處理過程中環(huán)境溫度對菌群代謝產(chǎn)生的作用直接影響廢水處理效果，因此采用地埋式磚混結(jié)構(gòu)處理池以降低溫度對處理效果的影響。同時，SBR廢水處理技術(shù)工藝參數(shù)變化大，硬件設計選型與設備調(diào)試比較

2、復雜，采用先進的PLC控制技術(shù)可以提高SBR廢水處理的效率，方便操作和使用。SBR廢水處理系統(tǒng)分別由污水處理池、清水池、中水水箱、電控箱以及水泵、羅茨風機、電動閥門和電磁閥等部分組成，在污水處理池、清水池、中水水箱中分別設置液位開關(guān)，用以檢測水池與水箱中的水位。SBR廢水處理系統(tǒng)示意圖如圖1所示。圖1 SBR廢水處理系統(tǒng)示意圖污水處理的第一階段：當污水池中的水位處于低水位或無水狀態(tài)時，電動閥會自動開起納入污水。當污水池納入的污水至正常高水位時，電動閥自動關(guān)閉，污水池中污水呈微氧和厭氧狀態(tài)。污水處理的第二階段：采用能降解大分子污染物的曝氣法，可使污水脫色、除臭、平衡菌群的pH值并對污染物進行高效

3、除污，即好氧處理過程。整個好氧（曝氣）時間一般需要68h。在曝氣管路上安裝了排空電磁閥，當電動閥門自動關(guān)閉后，排空電磁閥開起，羅茨風機延時空載起動，然后排空電磁閥關(guān)閉，污水池開始曝氣。當曝氣處理結(jié)束后，排空電磁閥再次開起，羅茨風機空載停機，然后排空電磁閥延時關(guān)閉。曝氣風機在無負荷條件下起動和停止，能起到保護電動機和風機的作用。經(jīng)過0.5h的水質(zhì)沉淀，PLC下達起動1#清水泵指令，將沉淀后的水泵入到清水池。當清水池中的水位升至正常高水位時，1#清水泵自動停止運行。這時2#清水泵自動起動向中水箱泵水，當水箱內(nèi)達到正常高水位時，2#清水泵自動停止運行，這時中水箱內(nèi)的水全部完成處理過程。如上所示，當中

4、水箱內(nèi)水位降至低水位時，2#清水泵又自動起動向中水箱泵水。當污水池中的水位降至低水位時，電動閥門會自動打開繼續(xù)向污水池納入污水。如此循環(huán)往復。SBR廢水處理技術(shù)針對污水水質(zhì)不同選用生物菌群不同，工藝要求要求有所不同，電氣控制系統(tǒng)應有參數(shù)可修正功能，以滿足廢水處理的要求。2SBR廢水處理系統(tǒng)動力設備SBR廢水處理系統(tǒng)中所使用的動力設備（水泵、羅茨風機、電動閥），均采用三相交流異步電動機，電動機和電磁閥（AC220V選配）選配防水防潮型。1#清水泵：立式離心泵LS50-10-A，揚程10m，流量29m3/h，1kW。2#清水泵：立式離心泵LS40-32.1，揚程30m，流量16m3/h，3kW。曝

5、氣羅茨風機：TSA-40，0.7m3/min，1.1kW。電動閥：閥體D97A1X5-10ZB-125mm，電動裝置LQ20-1，AC380V，60W。3SBR廢水處理電氣控制系統(tǒng)設計要求1) 控制裝置選用PLC作為系統(tǒng)的控制核心，根據(jù)工藝要求合理選配PLC機型和I/O接口。2) 可執(zhí)行手動/自動兩種方式，應能按照工藝要求編輯程序并可實時整定參數(shù)。3) 電動閥上驅(qū)動電動機為正、反轉(zhuǎn)雙向運行，因此要在PLC控制回路加互鎖功能。4) PLC的接地應按手冊中的要求設計，并在圖中表示或說明。5) 為了設備安全運行，考慮必要的保護措施，入如電動機過熱保護、控制系統(tǒng)短路保護等。6) 繪制電氣原理圖：包括主

6、電路、控制電路、PLC硬件電路，編制PLC的I/O接口功能表。7) 選擇電器元件、編制元器件目錄表。8) 繪制接線圖、電控柜布置圖和配線圖、控制面板布置圖和配線圖等。9) 采用梯形圖或指令表編制PLC控制程序。二、SBR廢水處理電氣控制系統(tǒng)總體設計過程1總體方案說明1) SBR廢水處理系統(tǒng)控制對象電動機均由交流接觸器完成起、?？刂?，電動閥電動機要采用正、反轉(zhuǎn)控制。2) 污水池、清水池、中水水箱水位檢測開關(guān)，在選型時考慮抗干擾性能，選用電極考慮耐腐蝕性。3) 電動閥上驅(qū)動電動機，其內(nèi)部設有過載保護開關(guān)，為常閉觸點，作為電動閥過載保護信號，PLC控制電路考慮該信號邏輯關(guān)系。4) 1#清水泵、2#清

7、水泵、羅茨風機電動機、電動閥電動機分別采用熱繼電器實現(xiàn)過載保護，其熱繼電器的常開觸點通過中間繼電器轉(zhuǎn)換后，作為PLC的輸入信號，用以完成各個電動機系統(tǒng)的過載保護。5) 羅茨風機的控制要求在無負載條件下起動或停機，需要在曝氣管路上設置排空電磁閥。6) 主電路用斷路器，各負載回路和控制回路以及PLC控制回路采用熔斷器，實現(xiàn)短路保護。7) 電控箱設置在控制室內(nèi)?？刂泼姘迮c電控箱內(nèi)的電器板用BVR型銅導線連接，電控箱與執(zhí)行裝置之間采用端子板連接。8) PLC選用繼電器輸出型。9) PLC自身配有24V直流電源，外接負載時考慮其供電容量。PLC接地端采用第三種接地方式，提高抗干擾能力。2SBR廢水處理電

8、氣控制原理圖設計(1) 主電路設計 SBR廢水處理電氣控制系統(tǒng)主電路如圖2所示。圖2 SBR廢水處理電氣控制系統(tǒng)主電路1) 主回路中交流接觸器KM1、KM2、KM3分別控制1#清水泵M1、2#清水泵M2、曝氣風機M3；交流接觸器KM4、KM5控制電動閥電動機M4，通過正、反轉(zhuǎn)完成開起閥門和關(guān)閉閥門的功能。2) 電動機M1、M2、M3、M4由熱繼電器FR1、FR2、FR3、FR4實現(xiàn)過載保護。電動閥電動機M4控制器內(nèi)還裝有常閉熱保護開關(guān)，對閥門電動機M4實現(xiàn)雙重保護。3) QF為電源總開關(guān)，既可完成主電路的短路保護，又起到分斷三相交流電源的作用，使用和維修方便。4) 熔斷器FU1、FU2、FU3

9、、FU4分別實現(xiàn)各負載回路的短路保護。FU5、FU6分別完成交流控制回路和PLC控制回路的短路保護。(2) 交流控制電路設計 SBR廢水處理系統(tǒng)交流控制電路如圖3所示。圖3 SBR廢水處理系統(tǒng)交流控制電路1) 控制電路有電源指示HL。PLC供電回路采用隔離變壓器TC，以防止電源干擾。2) 隔離變壓器TC的選用根據(jù)PLC耗電量配置，可以配置標準型、變比1：1、容量100VA隔離變壓器。3) 1#清水泵M1、2#清水泵M2、曝氣風機M3分別有運行指示燈HL1、HL2、HL3，由KM1、KM2、KM3接觸器常開輔助觸點控制。4) 4臺電動機M1、M2、M3、M4的過載保護，分別由4個熱繼電器FR1、

10、FR2、FR3、FR4實現(xiàn)，將其常閉觸點并聯(lián)后與中間繼電器KA1連接構(gòu)成過載保護信號，KA1還起到電壓轉(zhuǎn)換的作用，將220V交流信號轉(zhuǎn)換成直流24V信號送入PLC完成過載保護控制功能。5) 上水電磁閥YA1和指示燈HL1、排空電磁閥YA2，分別由中間繼電器KA2和KA3觸點控制。(3) 主要參數(shù)計算1) 斷路器QF脫扣電流。斷路器為供電系統(tǒng)電源開關(guān)，其主回路控制對象為電感性負載交流電動機，斷路器過電流脫扣值按電動機起動電流的1.7倍整定。SBR廢水處理系統(tǒng)有3kW負載電動機一臺，起動電流較大，其余三臺為1.1kW以下，起動電流較小，而且工藝要求4臺電動機單獨起動運行，因此可根據(jù)3kW電動機選擇

11、自動開關(guān)QF脫扣電流IQF：IQF1.7IN=1.76A10.2A10A，選用IQF10A的斷路器。2) 熔斷器FU熔體額定電流IFU。以曝氣風機為例，IFU2IN22.5A5A，選用5A的熔體。其余熔體額定電流的選擇，按上述方法選配?？刂苹芈啡垠w額定電流選用2A。3) 熱繼電器的選擇請參考有關(guān)技術(shù)手冊，自行計算參數(shù)。(4) PLC控制電路設計 包括PLC硬件結(jié)構(gòu)配置及PLC控制原理電路設計。1) 硬件結(jié)構(gòu)設計。了解各個控制對象的驅(qū)動要求，如：驅(qū)動電壓的等級、負載的性質(zhì)等；分析對象的控制要求，確定輸入/輸出接口（I/O）數(shù)量；確定所控制參數(shù)的精度及類型，如：對開關(guān)量、模擬量的控制、用戶程序存儲

12、器的存儲容量等，選擇適合的PLC機型及外設，完成PLC硬件結(jié)構(gòu)配置。2) 根據(jù)上述硬件選型及工藝要求，繪制PLC控制電路原理圖，繪制PLC控制電路，編制I/O接口功能表。圖11-4為SBR廢水處理系統(tǒng)PLC控制電路原理圖，L6作為PLC輸出回路的電源，分別向輸出回路的負載供電，輸出回路所有COM端短接后接入電源N端。圖4 SBR廢水處理系統(tǒng)PLC控制電路原理圖3) KM4和KM5接觸器線圈支路，設計了互鎖電路，以防止誤操作故障。4) PLC輸入回路中，信號電源由PLC本身的24V直流電源提供，所有輸入COM端短接后接入PLC電源DC24V的（）端。輸入口如果有有源信號裝置，需要考慮信號裝置的電

13、源等級和容量，最好不要使用PLC自身的24V直流電源，以防止電源過載損壞或影響其他輸入口的信號質(zhì)量。5) PLC采用繼電器輸出，每個輸出點額定控制容量為AC250V，2A。表1和表2分別為SBR廢水處理系統(tǒng)PLC輸入和輸出接口功能表。表1 SBR廢水處理系統(tǒng)PLC輸入接口功能表序號工位名稱文字符號輸入口1污水池高水位開關(guān)信號H1X0002污水池低水位開關(guān)信號L1X0013清水池高水位開關(guān)信號H2X0024清水池低水位開關(guān)信號L2X0035中水箱高水位開關(guān)信號H3X0046中水箱低水位開關(guān)信號L3X0057起動按鈕（綠色）SB1X0068停止按鈕（紅色）SB2X0079旋鈕開關(guān)（自動）SB3-1

14、X01010旋鈕開關(guān)（手動）SB3-2X01111手動開電動閥旋鈕開關(guān)SB4X01212手動關(guān)電動閥旋鈕開關(guān)SB5X013131#清水泵手動旋鈕開關(guān)SB6X014142#清水泵手動旋鈕開關(guān)SB7X01515電動閥門開起限位開關(guān)SQ1X01616電動閥門關(guān)閉限位開關(guān)SQ2X01717電動閥電動機故障報警FR0X02018電動機熱保護器報警KA1X02119曝氣風機手動旋鈕開關(guān)SB8X02220輸入點備用X023X027表2 SBR廢水處理系統(tǒng)PLC輸出接口功能表序號工位名稱文字符號輸入口11#清水泵接觸器KM1Y00022#清水泵接觸器KM2Y0013污水池高水位紅色指示燈HL7Y0024污水池

15、低水位綠色指示燈HL8Y0035清水池高水位紅色指示燈HL9Y0046清水池低水位綠色指示燈HL10Y0057中水箱高水位紅色指示燈HL11Y0068中水箱低水位綠色指示燈HL12Y007 （續(xù)）序號工位名稱文字符號輸入口9電動閥門開起綠色指示燈HL13Y01010電動閥門關(guān)閉黃色指示燈HL14Y01111開電動閥門接觸器KM4Y01212關(guān)電動閥門接觸器KM5Y01313電動機熱保護器報警紅色指示燈HL6Y01414羅茨風機（曝氣風機）接觸器KM3Y01515排空電磁閥繼電器KA3Y01616上水電磁閥繼電器KA2Y01717輸出口備用Y020Y0276) 根據(jù)上述設計，對照主回路檢查交流控

16、制回路、PLC控制回路、各種保護聯(lián)鎖電路、PLC控制程序等，全部符合設計要求后，繪制出最終的電氣原理圖。7) 根據(jù)設計方案選擇的電氣元件，編制原理圖的元器件目錄表，如表3所示。表3 SBR廢水處理系統(tǒng)元器件目錄表序號文字符號名 稱數(shù)量規(guī)格型號備 注1M1M4電動機4Y系列三相交流異步電動機2FR1FR4熱繼電器4JR16B-20/3參照電動機整定電流3FU1FU4熔斷器12RL1-15熔體210A4FU5、FU6熔斷器2RT16-32X熔體2A5QF斷路器1C45AD脫扣電流10A6TC隔離變壓器1BK-100變比1：1，AC220V7SB1起動按鈕1LAY37綠色8SB2停止按鈕1LAY37

17、紅色9SB3轉(zhuǎn)換開關(guān)1LAY37-D2手動/自動轉(zhuǎn)換10SB4SB8手動開關(guān)5LAY37-D2黑色11KM1KM4交流接觸器4DJX-9線圈電壓：AC220V12KA1KA3中間繼電器3HH52P線圈電壓：AC220V13HL1HL15指示燈15AD16-22LED顯示，AC220V14YA1電磁閥1ZCT-50A線圈電壓：AC220V15YA2電磁閥1ZCT-15A線圈電壓：AC220V16YA3電動閥門裝置1LQA20-1AC380，60W17PLC可編程序控制器1FX2N-48MR繼電器輸出(5) PLC控制程序設計1) 程序設計。根據(jù)控制要求，建立SBR廢水處理系統(tǒng)控制流程圖，如圖5所

18、示，表達出各控制對象的動作順序，相互間的制約關(guān)系。在明確PLC寄存器空間分配，確定專用寄存器的基礎(chǔ)上，進行控制系統(tǒng)的程序設計，包括主程序編制、各功能子程序編制、其他輔助程序的編制等。2) 系統(tǒng)靜態(tài)調(diào)試?？蛰d靜態(tài)調(diào)試時，針對運行的程序檢查硬件接口電路中各種邏輯關(guān)系是否正確，然后先調(diào)試子程序或功能模塊程序，然后調(diào)試初始化程序，最后調(diào)試主程序。調(diào)試過程中盡量接近實際系統(tǒng)，并考慮到各種可能發(fā)生的情況，作反復調(diào)試，出現(xiàn)問題及時分析、調(diào)整程序或參數(shù)。3) 系統(tǒng)動態(tài)調(diào)試及運行。在動態(tài)帶負載狀態(tài)下調(diào)試，密切觀察系統(tǒng)的運行狀態(tài)，采用先手動再自動的調(diào)試方法，逐步進行。遇到問題及時停機，分析產(chǎn)生問題的原因，提出解決

19、問題的方法，同時做好詳盡記錄，以備分析和改進。圖5 SBR廢水處理系統(tǒng)控制流程圖SBR廢水處理系統(tǒng)PLC控制程序如圖6所示。圖6 SBR廢水處理系統(tǒng)PLC控制梯形圖程序圖6 SBR廢水處理系統(tǒng)PLC控制梯形圖程序（續(xù)1）圖6 SBR廢水處理系統(tǒng)PLC控制梯形圖程序（續(xù)2）圖6 SBR廢水處理系統(tǒng)PLC控制梯形圖程序（續(xù)3）圖6 SBR廢水處理系統(tǒng)PLC控制梯形圖程序（續(xù)4）圖6 SBR廢水處理系統(tǒng)PLC控制梯形圖程序（續(xù)5）3SBR廢水處理系統(tǒng)電氣工藝設計按設計要求設計繪制電氣裝置總體配置圖、電器板電器元器件平面圖、控制面板電器平面圖及相關(guān)電氣接線圖。1) 先根據(jù)控制系統(tǒng)要求和電氣設備的結(jié)構(gòu)，確定電器元器件的總體布局以及電控箱內(nèi)裝配板與控制面板上應安裝的電器元件。本系統(tǒng)除電控箱外，在污水處理設備現(xiàn)場設計安裝的電器元件和動力設備有：電磁閥、水位開關(guān)、電動機、電動閥（含閥位控制器）等。電控箱內(nèi)電器板上安裝的電器元件有：斷路器、熔斷器、隔離變壓器、PLC、接觸器、中間繼電器、熱繼電器和端子板等。在控制