PLC电气控制设计污水处理系统 24页

电气控制设计——某污水处理控制系统设计专业：电气工程及其自动化班级：学号:姓名：指导教师：完成日期：\n目录1.1研究目的和意义....................................................................................31.2课题主要设计的容................................................................................42.1信号输入...............................................................................................42.2控制输出信号.......................................................................................53.1主要组成部分.........................................................................................63.2电气控制系统.........................................................................................63.3工业污水处理系统的工作原理.............................................................63.3.1控制系统总体框图........................................................................................63.3.2工作过程........................................................................................................73.3.3工业污水处理系统主电路设计....................................................................83.4PLC选型...............................................................................................103.5PLC的I/O资源配置...........................................................................103.5.1数字量输入部分..........................................................................................103.5.2数字量输出部分..........................................................................................113.5.3模拟量输入部分..........................................................................................123.5.4模拟量输出部分.......................................................................................124.1总体流程设计.......................................................................................134.1.1手动模式......................................................................................................144.1.2自动模式......................................................................................................14参考文献......................................................................................................20附录Ⅰ控制程序........................................................................................21附录Ⅱ部分主电路图................................................................................23附录Ⅲ硬件接线图....................................................................................24\n绪论1.1研究目的和意义1号磁滤器的滤水工艺流程见图。1号磁滤器的I／O分配表见图(以三菱系列PLC为例)。2号和3号磁滤器的I／()分配表与1号相同，只是将输入地址编号X0～X5改为X400～X405和X500～X505，将输出地址编号Y30～Y35改为Y430～Y435和Y530～Y535。按下启动按钮AN1，使X0接通。“电源信号”是输出端“电源通断”Y30的反馈信号，当PLC的Y30正常接通，则接入电源通路中的控制接点导通，使Xl接通，滤水工艺顺利运行下去。同理，“进水阀信号”是输出端“进水阀通断”接通时的反馈信号。这种控制方式提高系统的可靠性，若有某个输出信号不正常，就会立刻停止滤水工序。本系统要求：三台或二台滤水器应能各自按\n滤水工艺流程并行工作；反洗时，只能单台工作，其他需反洗者必须等待；在滤水时，只要出现“管压差高”的信号，则立即停止滤水工序，自动进入反洗工序。1.2课题主要设计的容本课题主要设计的容是工业污水处理工艺及工业污水处理系统的组成和PLC控制系统设计,主要由以下容组成：（1）介绍了工业污水处理的基本容，包括工业污水处理的发展现状以及工业污水处理的工艺流程；（2）介绍了PLC的基本结构和工作原理，并对工业污水处理控制系统进行设计分析；（3）具体分析设计工业污水处理的硬件系统；（4）具体分析设计工业污水处理的软件系2.1信号输入工业污水处理系统信号输入检测方面主要涉及四类信号的监测，主要包括：按钮的输入检测、液位差的输入检测、液位高低的输入检测，以及曝气池中含氧量的输入检测。（1）按钮输入检测。大多数为人工方式控制的输入检测，主要有自动按钮、手动按钮、格栅机启动按钮、清污机启动按钮、潜水泵启动按钮、潜水搅拌机启动按钮、污泥回流泵按钮、曝气机工频、变频按钮，以及变频加速减速按钮等。（2）液位差输入检测。检测粗细格栅两侧液位差，用来控制清污机的启动与停止。（3）液位高低输入检测。检测进水泵房和污泥回流泵房中液位的高低，用来控制潜水泵或污泥回流泵的启动和停止，以及投入运行的潜水泵的数量。（4）含氧量输入检测。以上三种都为数字量输入，该输入为模拟量输入。曝气过程是工业污水处理系统中最重要的环节，为了保证微生物所需要的氧气，必须检测污水中的含氧量，并通过曝气机增加或减少其含氧量。通过将溶解氧仪设置在适当位置上，将检测值反馈到PLC中，通过运算输出控制曝气机的转速信号。当溶解氧值偏低时，降低了微生物分解的\n效果，延长了处理时间，严重时甚至导致处理失效，因此需要增加曝气机转速以增加供氧量；当溶解氧值偏高时，导致微生物过氧化，降低了其活性，也不利于处理，因此减小曝气机转速以减少供氧量，最终使污水中的溶解氧保持在一定的围。2.2控制输出信号信号输出部分主要包括两个方面：一个是数字量输出，即各类设备的接触器；另外一个是模拟量输出，用来控制曝气机变频器。（1）数字量输出。控制各类设备的启动和停止，包括：格栅机启停、清污机启停、潜水泵启停、潜水搅拌器启停、污泥回流泵等设备。（2）模拟量输出通过PLC中PID运算后的数据，通过其功能模块输出控制信号，该控制信号输入到变频器的控制端子上，改变变频器的输出频率，从而控制曝气机的转速，最后达到控制污水中含氧量的要求。\n3硬件系统配置3.1主要组成部分工业污水处理系统的结构比较复杂，设备较多，在氧化沟中其控制过程及原理大致相同，都是通过控制曝气机的转速来调节污水中的含氧量，其基本组成如图3-1所示。进水除砂氧化沟沉淀污泥脱水系统系统系统系统系统图3-1工业污水处理系统基本组成示意图3.2电气控制系统电气控制系统主要包括操作面板、显示面板、电气控制柜等单元。由于在该系统中需要检测较多的数字输入量，并且还要检测模拟量的输入，根据设定的程序进行数据处理后，输出控制信号，因此系统的控制逻辑与时序就需要严格照检测信号的输入进行控制。(1）操作面板。操作面板主要包括手动、自动、各类设备的启动按钮等。(2）显示面板。显示面板由于要显示较多的数据，因此一般采用触摸屏或者人机界面。(3）电气控制柜。电气控制柜是电气控制的核心设备，主要包括变频器、各类传感器的输入信号、PLC及其扩展模块等。3.3工业污水处理系统的工作原理3.3.1控制系统总体框图工业污水处理系统的电气控制系统总框图如图4-2所示，PLC为核心控制器，通过检测操作面板按钮的输入、各类传感器的输入，以及相关模拟量的输入，完成相关设备的运行、停止和调速控制。\n格栅机定时运行操作面板液位差传感器输入各类泵运行可编程逻辑控制器液位高度传感器离心式脱水机PLC输入运行变频器溶解氧仪反馈值（模拟量）转碟曝气机运行显示面板3-2电气控制系统总框图3.3.2工作过程在手动状态下，各类设备的控制是根据操作面板上的按钮输入来控制，无逻辑控制，即可不根据传感器的状态进行控制。在自动方式下进行闭环控制，系统根据检测到外部传感器的状态对设备进行启停控制，其工作过程如下。（1）接通电源，启动自动控制方式，启动潜水搅拌器和刮泥机。（2）运行粗、细格栅机，进行间歇运行，即运行一段时间然后停止一段时间，循环进行。（3）根据反馈回来的液位差状态控制清污机的运行与停止。（4）进水泵房中的潜水泵根据液面高低进行运行、停止及运行数量的控制。（5）转碟曝气机根据溶解氧仪反馈的模拟量经PLC运算后进行控制，同时控制分离机的运行与停止。（6）污泥回流泵的运行与停止根据液面的高低进行控制。（7）在污泥脱水系统中，离心式脱水机的启动采用顺序控制方式，依次启动其设备。\n3.3.3工业污水处理系统主电路设计图3-3为工业污水处理系统的主电路图的部分图。三台电机分别为潜水泵电机（M1）、清污机电机（M2）、转碟曝气机电机（M3）。接触器KM3、KM2、KM6分别控制M1、M2、M3的工频运行；接触器KM5、KM9分别控制M1、M3的变频运行；FR1、FR2、FR3分别为三台电机过载保护用的热继电器；QF1、主电路的空气开关；FU1为主电路的熔断器。选用的MM430变频器是用来控制电机M1、M3变频运行的。\nFU1L12L1QF1L11L12L22L2L21L22L32L3L31L32NKM3KM2KM609/B209/B203/D3431RST10R12西门子变频器500欧姆3MM4304UVWL13L23L33L15L25L35KM9KM5L34L24L14FR1FR2FR3U3V3W3PEM1M2M333图3-3工业污水处理系统变频部分主电路图\n3.4PLC选型根据工业污水处理系统的电气控制系统的功能要求，以及其复杂程度，从经济性、可靠性等方面来考虑，选择西门子S7—200系列PLC作为工业污水处理系统的电气控制系统的控制主机。由于工业污水处理电气控制系统涉及较多的输入输出端口，其控制过程相对复杂，因此采用CPU226作为该控制系统的主机。CPU226在工业污水处理系统中使用的数字量输入点和输出点都比较多，因此除了PLC主机自带的I/O外，还需要扩展一定数量的I/O扩展模块。在此采用EM223输入/输出混合扩展模块。8点DC输入8点输出型。正好可以满足控制系统的I/O需求。在该系统中，还需要采集模拟量并利用模拟量控制的功能要求，因此需要在扩展一个模拟量输入输出扩展模块。西门子公司专门为S7—200系列PLC配置了模拟量输入输出模块EM235，该模块具有较高的分辨率和较强的输出驱动能力，可满足控制系统的功能要求。3.5PLC的I/O资源配置根据系统的功能要求，对PLC的I/O进行估算配置，具体分配如下。3.5.1数字量输入部分首先需要一个紧急制动按钮,运行方式有两种自动和手动，所以有自动运行方式，自动方式启动确认，手动方式。手动方式针对各个部件，粗细格栅机有手动粗格栅机启动，手动细格栅机启动。手动清污机、潜水泵、分离机、碟曝气机工频、转碟曝气机变频、潜水搅拌机、刮泥机、污泥回流泵、分离式脱水机、污泥泵、转碟曝气机加速、转碟曝气机减少、粗格栅液位差计、细格栅液位差计、进水泵房液面高位传感器、进水泵房液面低位传感器、污泥回流泵液面高位传感器、污泥回流泵液面低位传感,总共24个数字输入量.\n表3-4数字输入量地址分配输入地址输入设备输入地址输入设备I0.0急停I1.4手动刮泥机启动I0.1手动方式I1.5手动污泥回流泵启动I0.2自动方式I1.6手动分离式脱水机启动I0.3自动启动确认I1.7手动污泥泵启动I0.4手动粗格栅机启动I2.0手动转碟曝气机加速I0.5手动清污机启动I2.1手动转碟曝气机减少I0.6手动潜水泵启动I2.2粗格栅液位差计I0.7手动细格栅机启动I2.3细格栅液位差计I1.0手动分离机启动I2.4进水泵房液面高位传感器I1.1手动转碟曝气机工频启动I2.5进水泵房液面低位传感器I1.2手动转碟曝气机变频启动I2.6污泥回流泵液面高位传感器I1.3手动潜水搅拌机启动I2.7污泥回流泵液面低位传感器3.5.2数字量输出部分数字量输出主要是对接触器的启动提供信号,共13个表3-5数字输出量地址分配输出地址输出设备输出地址输出设备Q0.0粗格栅机接触器Q0.7潜水搅拌机接触器Q0.1清污机接触器Q1.0刮泥机接触器Q0.2潜水泵接触器Q1.1污泥回流泵接触器Q0.3细格栅机接触器Q1.2离心式脱水机接触器Q0.4分离机接触器Q1.3潜水泵报警Q0.5转碟曝气机工频接触器Q1.4污泥回流泵报警Q0.6转碟曝气机变频接触器\n3.5.3模拟量输入部分由于需要采集一个溶氧仪所反馈的数据，因此扩展了一个模拟量输入输出模块，具体I/O分配，如下表3-6所示。表3-6模拟量输入地址分配输入地址输入设备AIW0溶解氧仪3.5.4模拟量输出部分在此控制系统中需要将采集回来的模拟量进行数据处理，然后，通过模拟输出口对变频器进行控制，进行控制其他设备的运行，如下表3-7所示。表3-7模拟量输出地址分配输出地址输出设备AQW0经PID运算输出根据控制系统的功能要求，设计出工业污水处理控制系统的硬件连线图如图3-8所示，此控制面板上的手动控制部分主要在调试系统时使用，调试完成后基本处于闲置状态。\n4软件系统设计采用西门子公司为S7—200系列PLC开发的STEP7—Micro/WIN32作为编程软件，上面介绍了工业污水处理控制系统的结构、工作原理和电气控制部分的结构，硬件结构的总体设计基本完成后，就要开始软件部分的设计，根据控制系统的控制要求和硬件部分的设计情况及PLC控制系统I/O的分配情况，进行软件编程设计。在软件的设计中，首先按照需要实现的功能要求做出流程框图，其次按照不同功能编写不同功能模块，这样写出的程序条例清晰，既方便编写，也便于调试。4.1总体流程设计根据系统的控制要求，控制过程可以分为手动控制功能和自动运行功能。在手动控制模式下，每个设备可以单独运行，以测试设备的性能，如图4-1所示。开始N自动？Y自动控制手动控制图4-1模式选择流程图\n4.1.1手动模式在手动模式下，可单独调试每个设备的运行，如图5-2所示。在此模式下，可以通过按钮对格栅机、清污机、转碟曝气机、刮泥机，以及各类泵进行控制，对于转碟曝气机的控制，可以通过按钮增大或减小变频器的频率来改变其速度，以检测调试性能。离心式脱水机污泥回流机手动控制启停启停转碟曝气格栅机清污机潜水泵潜水搅拌刮泥机机启停及启停启停速度调节启停机启停启停图4-2手动操作模式流程图4.1.2自动模式处于自动方式时，系统上电后，按下自动启动确认后系统运行，系统开始工作，其工作过程包括以下几个方面。（1）系统上电后，按下自动启动确认按钮，启动潜水搅拌器和刮泥机。（2）启动粗格栅系统。（3）启动潜水泵。（4）启动细格栅系统。（5）启动曝气沉砂系统。（6）启动污泥回流系统。（7）启动污泥脱水系统。以上工作过程并不是顺序控制方式，而是按照PLC检测到传感器状态进行启动如图4-3所示。\n启动曝气沉砂系统启动潜水泵启动污泥回流系统启动粗格栅系统自动控制启动污泥脱水系统启动细格栅系统启动潜水搅拌和刮泥机图4-3自动操作模式流程图在自动控制模式流程图中，调用了各个控制系统的程序，主要包括粗格栅系统程序、潜水泵程序、细格栅系统程序、曝气沉砂系统程序、污泥回流泵系统程序。以及污泥脱水系统程序，以下将分别介绍各个子程序的工作过程。粗格栅系统程序主要控制粗格栅机和清污机的运行，其工作过程包括以下几个方面。（1）自动过程开始启动粗格栅机，定时20min。（2）定时到，停止运行粗格栅机2h。（3）2h定时到，运行粗格栅机20min，循环进行。（4）同时检查液面差，若超过设定值则启动清污机。（5）液面差值低于设定值，停止清污机运行。潜水泵程序主要控制潜水泵的运行和停止，其工作过程包括以下几个方面：（1）自动过程开始启动潜水泵。（2）检测液面高度，低于最低位传感器时，开始定时防止误判。（3）定时到后，若仍低于最低位传感器，则停止潜水泵运行，否则潜水泵继续运行。（4）检测液面处于中位和高位传感器之间时，开始定时防止误判。（5）定时到后，若液面仍持续处于高位传感器，则输出报警信号。\n表4-10软元件设置元件意义容备注M0.0系统停止标志On有效M0.1手动方式标志On有效M0.2自动方式标志On有效M0.3自动方式启动标志On有效M1.1清污机运行标志On有效M2.3聚合物泵运行标志On有效M2.4污泥泵运行标志On有效M2.5切割机运行标志On有效M2.6粗格栅机停止标志On有效M2.7粗格栅机定时脉冲计数On有效M3.0进水泵房液面低于最低位On有效M3.2细格栅机停止标志On有效M3.3细格栅机定时脉冲计数On有效M3.4转碟曝气机变频转工频运行标志On有效M3.7转碟曝气机变频运行标志On有效M4.0回流泵房液面低于最低位标志On有效M4.1回流泵房液面高于最高位标志On有效C1粗格栅机2h定时中间计数器10C2细格栅机2h定时中间计数器10T33时钟脉冲550msT37粗格栅机运行时间1200020minT38粗格栅机停止时间定时720012minT39进水泵房液面低于最低位定时202sT40进水泵房液面高于最高位定时202sT41细格栅机运行时间1200020minT42细格栅机停止时间定时720012min\nT43污泥回流泵房液面低于最低位定时202sT44污泥回流泵高于低位且低于高位定时202sT45污泥回流泵房液面高于最高位定时202sT46离心式脱水机与聚合物泵启动间隔505sT47聚合物泵与污泥泵和切割机启动间隔505sVD10变频器速度寄存器VD20含氧量反馈值寄存器VD30变频器速度寄存器VD100含氧量标准值寄存器VD102变频器速度标准值寄存器100.0VD104USS-INIT指令执行结果VD106USS-RPM-R错误状态字节\n实训小结\nN1L急停I0.0Q0.0KM1粗格栅机启动手动方式I0.1Q0.1KM2清污机启动自动方式I0.2Q0.2KM3潜水泵启动自动启动I0.3确认Q0.3KM4细格栅机启动I0.4手动操Q0.4KM5分离机启动操作面板作面板Q0.5KM6曝气机工频启动I2.1Q0.6KM7曝气机变频启动S7-200粗格栅液位计I2.2CPU226Q0.7KM8潜水搅拌机启动细格栅液位计I2.3+Q1.0KM9刮泥机启动进水泵高位I2.4EM223Q1.1KM10污泥回流泵启动进水泵低位I2.52L回流泵高位I2.6Q1.2KM11离心式脱水机启动回流泵低位I2.7Q1.3潜水泵报警显示面板PQ1.4污泥回流泵报警L+LN变频器RS4852M3MM4301M4MUVWNAC220vLML+EM235M1M3RAA+A-潜水泵电机溶解氧仪转碟曝气机电机图3-8工业污水处理系统PLC硬件接线图此图同3-2电气控制系统总框图\n参考文献[1]常晓玲.电气控制系统与可编程控制器[M].：机械工业，2004.1.[2]振强，王晖，玉峰.可编程控制原理及应用教程[M].：清华大学，2005.2.[3]唐宇毅.电厂含油工业污水处理的PLC控制系统设计[D].：工业大学，2005.[4]廖常初.PLC编程及应用[M].：机械工业，2005.2.[5]培山，钟昆.基于PLC的工业污水处理厂自控系统的实现[J].控制系统,2006,5（1）：82-83.[6]英辉，豫龙，戴青云.基于PLC的中水处理系统[J].职业技术学院报,2008,6（4）76-78.[7]何献忠.工业工业污水处理的PLC控制应用[J].冶金职业技术学院学报，2004，43（4）：86-87.[8]燕宾.SPWM变频调速应用技术（第3版）[M].：机械工业，2006.153.[9]程玉华.西门子S7-200工程应用实例分析[M].：电子工业，2008.1.[10]权，吴尚庆.变频器应用技术[M].：华南理工大学.2009.1.\n附录Ⅰ.控制程序采样子程序：L#DB_NoTLW0OPNDB[LW0]//打开数据块L#PIW_AddrSLD3//形成输入地指针址TLD4L#DBW_AddrSLD3//形成数据块地指针址TLD8L#CH_LEN//以要读入的通道数为循环次数NEXT:TLW0LLD4LAR1LPIW[AR1,P#0.0]//采集模拟量装入累加器1TLW2LLD8LAR1LLW2TDBW[AR1,P#0.0]//将累加器1的容存入数据块中LLD4+L#16//调整输入地址指针，指向下一通道TLD4LLD8+L#16//调整数据块地址指针，指向下一存储地址TLD8LLW0//将循环次数计数器LW0的值装入累加器1LOOPNEXT//若累加器1的值不为0，将累加器减1继续循环，若为0，则结束联锁子程序：Network1AM363.0//判断标志位RQ0.0//进行输出动作AM363.1rQ8.4rQ9.2Network2//同网络1动作AM372.0RQ0.1AM372.1\nRQ6.4RQ9.3Network3//同网络1动作AM381.0RQ0.2AM381.1RQ9.6RQ9.7Network4AM768.2//207Low_bitRQ8.4//2-35RQ9.2AM778.2//208RQ6.4//2-37RQ9.3AM788.2//209RQ9.7//2-39RQ9.6AM768.1//207High_bitRQ0.0AM778.1//208High_bitRQ0.1AM788.1//209High_bitRQ0.2\n附录Ⅱ部分接线图FU1L12L1QF1L11L12L22L2L21L22L32L3L31L32NKM3KM2KM609/B209/B203/D3431RST10R12西门子变频器500欧姆3MM4304UVWL15L25L35KM9KM5L34L24L14FR1FR2FR3U3V3W3PEM1M2M333\n附录Ⅲ硬件电路图N1L急停I0.0Q0.0KM1粗格栅机启动手动方式I0.1Q0.1KM2清污机启动自动方式I0.2Q0.2KM3潜水泵启动自动启动I0.3确认Q0.3KM4细格栅机启动I0.4手动操Q0.4KM5分离机启动操作面板作面板Q0.5KM6曝气机工频启动I2.1Q0.6KM7曝气机变频启动S7-200粗格栅液位计I2.2CPU226Q0.7KM8潜水搅拌机启动细格栅液位计I2.3+Q1.0KM9刮泥机启动进水泵高位I2.4EM223Q1.1KM10污泥回流泵启动进水泵低位I2.52L回流泵高位I2.6Q1.2KM11离心式脱水机启动回流泵低位I2.7Q1.3潜水泵报警显示面板PQ1.4污泥回流泵报警L+LN变频器RS4852M3MM4301M4MUVWNAC220vLML+EM235M1M3RAA+A-潜水泵电机溶解氧仪转碟曝气机电机图3-8工业污水处理系统PLC硬件接线图此图同3-2电气控制系统总框图