基于PLC的污水处理系统设计--毕业论文.doc

X X X X 学 院 本科生毕业设计（论文） 学 院：XXXXXXXXXX 学院 专 业： 自动化 学 生： X X 指导教师： X X 完成日期 XXXX 年 XX 月 XXXX 学院本科生毕业设计（论文） 基于 PLC 的污水处理系统设计 Design of the Sewage Treatment Controlling System Based on PLC 总 计： 23 页 表 格： 1 个 插 图： 26 幅 X X X X 学学 院院 本本 科科 毕毕 业业 设设 计（论文）计（论文） 基于 PLC 的污水处理系统设计 Design of the Sewage Treatment Controlling System Based on PLC 学 院： XXXXXXXXXX 学院 专 业: 自动化 学 生 姓 名： XXXXX 学 号： XXXXXX 指 导 教 师（职称）： XXXXXX（讲师） 评 阅 教 师： 完 成 日 期： XXXX 学院 XXXXX XXXX of Technology 基于 PLC 的污水处理系统设计 I 基于 PLC 的污水处理系统设计 自动化专业 XXXX 摘 要本次论文采用 S7-300 设计了 SBR 污水处理控制系统。详细介绍了 SBR 污水处理工艺，工艺主要包括进水、反应、沉淀和排水。并在此基础上设计了系统的 控制方案；设计了 SBR 污水处理控制系统的硬件、软件以及人机界面，硬件主要包括 PLC 型号的选择和 PLC 外部 I/O 设备的选型，软件主要包括程序流程图、程序设计和 程序仿真，人机界面主要包括人机画面设计和组态监控仿真。仿真结果表明该控制系 统能有效地对 SBR 污水处理过程进行监控。 关键词PLC；污水处理；SBR 工艺；控制系统 Design of the Sewage Treatment Controlling System Based on PLC Automation Specialty Major PAN Jia-jun Abstract：In the current study, SBR control system of sewage treatment was designed with S7-300. A detailed description was made on the process of wastewater treatment, which included water supply, reaction, precipitation, and drainage. On the basis of the process above, the system control scheme was established. The hardware and software of SBR system were devised as well as the man-machine interface. The aspects of hardware mainly included type selection of PLC and PLC I/O device. For the software, it mainly included the program flow chart, program design and simulation. Furthermore, man-machine design and configuration monitoring and simulation were comprised in human-machine interface.The results of simulation test showed that the designed SBR system could effectively monitor the sewage treatment process. Keywords：Programmable logic controller;sewage treatment;sequencing batch reactor activated sludge process;control system 基于 PLC 的污水处理系统设计 II 目 录 1 引 言.1 1.1 课题背景1 1.2 国内外发展现状1 1.3 课题目的和意义2 2 SBR 污水处理工艺和控制方案2 2.1 污水处理工艺2 2.2 控制方案4 3 系统硬件设计.5 3.1 PLC 型号的选择5 3.2 PLC 外部 I/O 设备的选型 5 3.2.1 水泵选择.5 3.2.2 固态继电器的选择.6 3.2.3 水位开关的选择.6 3.2.4 电磁阀的选择.6 3.2.5 风机的选择.7 4 污水处理系统软件设计 7 4.1 污水处理系统程序流程图8 4.2 污水处理系统程序设计10 4.3 污水处理系统程序仿真13 5 污水处理系统组态设计 15 5.1 人机画面设计15 5.2 构建数据库16 5.3 画面连接17 5.4 组态监控仿真17 结束语 21 参考文献22 致 谢23 基于 PLC 的污水处理系统设计 1 1 引 言 1.1 课题背景 地球虽然有 70.8的面积为水所覆盖，但淡水资源却极其有限，人类真正能够利 用的是江河湖泊以及地下水中的一部分，仅占地球总水量的 0.26，而且分布不均。 全世界每天约有 200 吨垃圾倒进河流、湖泊和小溪，每升废水会污染 8 升淡水。 世界上许多国家正面临水资源危机：12 亿人用水短缺，30 亿人缺乏用水卫生设施。 中国污水处理行业概况: (1) 中国水资源人均占有量少，空间分布不平衡。随着中国城市化、工业化的加 速，水资源的需求缺口也日益增大。在这样的背景下，污水处理行业成为新兴产业， 目前与自来水生产、供水、排水、中水回用行业处于同等重要地位。 (2) 虽然由于国家和各级政府对环境保护重视程度的不断提高，中国污水处理行 业正在快速增长，污水处理总量逐年增加，城镇污水处理率不断提高。但目前中国污 水处理行业仍处于发展的初级阶段。 (3) 一方面，中国目前的污水处理能力尚跟不上用水规模的迅速扩张，管网、污 泥处理等配套设施建设严重滞后。另一方面，中国的污水处理率与发达国家相比，还 存在着明显的差距，且处理设施的负荷率低。 (4) 因此中国应完善污水处理的政策法规，建立监管体制，创建合理的污水处理 收费体系，扶植国内环保产业发展，推进污水处理行业的产业化和市场化。污水处理 行业是一个朝阳产业，发展前景十分广阔。中国污水处理行业由此迎来高速发展期。 1.2 国内外发展现状 由于控制技术、网络通讯技术以及现场总线技术的飞速发展，国外的污水处理厂 很早就实现了污水处理厂的网络控制，如 DCS/FCS 系统，同时国外较早的将 SCADA 技术引入到了给水排水工程中，并取得了良好的经济效益和社会效益。国外同时注重 水处理 PLC 的开发，相继研制出了一些智能、稳定、小巧的控制单元，如 AB 公司的 SLC 系列、Siemens 的 s7 系列、Schneider 的 TSX Quantum DO、化学需氧量 COD 分析 仪1。国外污水处理自控系统主要有以下特点：大量采用在线监控的水质分析仪表，对 全厂的水质实行实时的监测，并有上位机记录下来，提高了测量精度;生产过程中不同 程度上采用了智能控制，可以根据水质和水源的变化自动的调整相应的控制方式;大量 采用遥控、遥测设备；并开始有效地利用社会信息资源，如电话网络、移动电话网络、 国际互联网、气象信息等。 与国外相比，我国污水处理自动化控制起步较晚，70 年代开始采用热工仪表，实 行集中巡检；80 年代应用分析仪表和 DCS 系统；到 90 年代，随着一大批利用国际贷 基于 PLC 的污水处理系统设计 2 款的大型污水处理厂的建成投产，我国污水处理控制系统的自动化水平有了很大提升。 从外国引进污水厂的自动控制系统已广泛采用集散式计算机监控系统，应用了自动化 程度较高的检测仪表，各种新工艺、新设备的大量出现并得到应用。可以说我国污水 处理自动化的现状是：手动和自动兼备，自制和引用并举。可以看出我国污水处理自 控系统有以下特点：对于新建的污水处理厂，引进了计算机分散控制系统，手动和自 动并存的控制方式。大部分以前建设的污水处理厂自动化程度仍然很低;国产在线仪表 的稳定性还没有达到要求，所以大部分采用进口的在线仪表，但由于进口仪表价格昂 贵，所以应用并不广泛。水质的检测主要是有实验人员通过实验来测量;各个控制站之 间完全独立，无信息交换。并且各个控制单元由于内部资源的限制，只是实现了简单 的时间控制和逻辑控制;上位机监控软件很少使用，几乎没有中控室，不能对全厂的设 备实行实时监控，而一些报表的工作也主要是有厂里的工作人员手工完成。 通过对比，不难看出整体上和国外相比我国污水处理的自控系统仍然存在很大的 差距，但是我国的应用前景却非常广泛、潜力很大。 1.3 课题目的和意义 世界上任何国家的经济发展，都会推进社会进步、促进工农业生产能力，使人民 的生活得到进一步改善，尤其在工业革命之后，各国经济飞速发展，全球大量的不可 再生资源（例如石油）被利用。 如果这些污水无净化排出必定会给周围环境造成很大的污染，而且我国是一个严 重缺水的国家，已经被联合国列为世界上 13 个缺水国家之一。目前我国约 300 个城市 缺水，其中严重缺水城市有 50 个，据中国经济信息网分析统计，全国按目前正常需要， 年缺水总量约为 300 亿-400 亿立方米，因缺水造成的经济损失达 2300 亿元，超过洪涝 灾害。水资源的匮乏和水资源的污染已经严重的影响了人民的日常生活，严重的影响 了全国的经济建设和发展。特别是我国北方城市，如北京、天津、沈阳等城市水资源 更为短缺。在这种情况下，污水更加不能随便外排，而是要净化之后合理利用。 我国污水处理的电耗为 0.365kWh/m3、日本为 0.304 kWh/m3、美国为 0.243kWh/m3，因此建设符合我国具体情况的污水厂自动控制系统对降低污水处理成本、 改善环境、建立可持续发展社会、保持我国经济高速发展具有重要意义。 2 SBR 污水处理工艺和控制方案 2.1 污水处理工艺 本论文中的污水处理采用 SBR 污水处理工艺，即序批式间歇活性污泥法。SBR 采 用时间分割的操作方式替代传统的空间分割方式，可以适应工业生产连续产生大量污 水的特点2。SBR 废水处理系统分别由 SBR 反应池、水泵、鼓风机和电动阀门等部分 基于 PLC 的污水处理系统设计 3 组成，在 SBR 反应池、清水池、中水池中分别设置液位开关，用以检测水池与水箱中 的液位。 本论文设计采用 PLC 技术，以实现污水处理过程的实时检测和控制，保障生产过 程的连续性，降低劳动强度。SBR 处理周期包括进水、生化反应（曝气） 、沉淀、排放 等工序，污水在 SBR 中按序列间歇地进入每个反应工序。曝气有好氧、缺氧和厌氧状 态交替进行，最终达到脱碳、脱氨和脱氮的目的。此外还要保证 SBR 的用风量。 在充氧阶段，SBR 反应池去除有机物的机理与普通活性污泥法相同。不同点是， 运行时，进水、反应、沉淀、排水 4 个工序在同一 SBR 反应池中周期性运行。当污水 进入反应池后，与池内空载期的污泥混合，污水中的有机物被菌胶团吸附，并开始生 物降解。反应结束后经过沉淀期，上部的水逐渐变清，利用 1#清水泵将其泵入到清水 池，然后在将其泵入到中水池中。污水处理流程如图 1 所示。 图 1 污水处理流程 污水处理的第一阶段：当污水池中的水位处于低水位或无水状态时，电动阀会自 动开起纳入污水。当污水池纳入的污水至正常高水位时，电动阀自动关闭，污水池中 污水呈微氧和厌氧状态。 污水处理的第二阶段：采用能降解大分子污染物的曝气法，可使污水脱色、除臭、 平衡菌群的 pH 值并对污染物进行高效除污，即好氧处理过程。整个好氧（曝气）时间 一般需要 68h。当电动阀门自动关闭后，鼓风机起动，污水池开始曝气。当曝气处理 结束后，鼓风机停机。鼓风机在无负荷条件下起动和停止，能起到保护电动机和风机 的作用。经过 0.5h 的水质沉淀，PLC 下达起动 1#清水泵指令，将沉淀后的水泵入到清 水池。当清水池中的水位升至正常高水位时，1#清水泵自动停止运行。这时 2#清水泵 自动起动向中水池泵水，当中水池内达到正常高水位时，2#清水泵自动停止运行，这 基于 PLC 的污水处理系统设计 4 时中水池内的水全部完成处理过程。污水处理工艺过程阐述如下： (1) 进水 进水阀门打开，污水通过粗格栅，然后再经过细格栅过滤，污水到达集水池，再 根据控制要求，将集水池中的污水注入到 SBR 反应池。 (2) 反应 反应工序是 SBR 工艺最重要的一道工序。当污水注入达到预定容积后，停止进水， 空气阀门打开，鼓风机启动，开始曝气，可开始反应操作，如驱除 BOD、硝化、磷的 吸收以及反硝化等。根据反应需要达到的程度，进行曝气并决定反应时间的长短。 (3) 沉淀 当 SBR 池停止曝气以后，空气阀门关闭，开始重力沉淀和泥水分离。 (4) 排水 SBR 池达到高水位，并经过沉淀工艺以后，上清液由 1#清水泵缓慢排除池外。当 池水位达到设定的最低水位时，1#清水泵停止运行，污水处理完成。 2.2 控制方案 (1) 污水处理系统有手动和自动的两种方式。自动控制可以实现控制室控制，手 动控制可以实现现场控制。本次论文主要介绍自动控制方式。 (2) SBR 污水处理系统分别由污水处理池，清水池，中水池，电磁阀，风机，水 泵和浮球液位开关等组成，在各个水池中分别设置浮球液位开关，可以用来检测各个 水池中的液位。当污水处理池处于低水位时，浮球液位开关此时为 OFF 状态，同时给 PLC 一个信号然后通过 PLC 输出信号打开污水进水阀开始纳入污水。当污水达到或超 过污水处理池低水位时低水位浮球液位开关状态为 ON 污水池低水位指示灯亮，当污 水池的水位达到高水位时，液位开关状态为 ON 同时给 PLC 一个信号，然后通过 PLC 输出信号关闭污水进水阀，同时开启风机开始曝气，通过定时器设定实现曝气 7.5H。 定时器定时结束后 PLC 给出一个关闭风机信号，关闭空气阀门，同时用定时器设定 0.5H 让污水实现水质沉淀，定时结束后 PLC 下达起动 1#清水泵指令，将沉淀后的水 泵入到清水池。当清水池中的水位升至高水位时浮球液位开关时状态为 ON 同时给 PLC 一个信号，由 PLC 输出使 1#清水泵自动停止运行。同时 PLC 还通过输出控制使 2#清水泵自动起动向中水箱泵水，当水箱内达到正常高水位时，中水箱浮球液位开关 给 PLC 传输一个指令，然后通过 PLC 输出实现 2#清水泵停止运行，这时中水箱内的 水全部完成处理过程。 (3) SBR 废水处理系统控制对象电动机均由交流接触器完成起、停控制。 (4) 各个水泵、鼓风机、电动机分别采用热继电器实现过载保护，用以完成各个 电动机系统的过载保护。 基于 PLC 的污水处理系统设计 5 (5) 鼓风机的控制要求在无负载条件下起动或停机。 (6) 主电路用断路器，各负载回路和控制回路以及 PLC 控制回路采用熔断器，实 现短路保护。 3 系统硬件设计 控制系统硬件选型包括 PLC 及其组件的选型以及 PLC 外部用户 I/O 设备的选型。 3.1 PLC 型号的选择 这是一个单体控制小系统，没有特殊的控制要求，它有 5 个开关量，开关量输出 触点数有 4 个，输入、输出触点数共有 9 个，只需选用一般中小型控制器即可。根据 控制系统的要求及 I/O 点的需要选择 CPU315-DP 系列3，数字量输入模块选择 DI16 DC24V，数字量输出模块选择 DO16 DC24V/0.5A 可以满足要求,PLC 硬件配置 如图 2、图 3 所示。 背 板 总 线 接 口 M M 24V I0.2 I0.3 I0.4 I0.5 污水池低水位开关 污水池高水位开关 清水池低水位开关 清水池高水位开关 中水池高水位开关 I0.6 图 2 数字量输入接线图 背 板 总 线 接 口 M DC24V 1L+ 负载 1M Q0.1 Q0.2 Q0.3 Q0.4 电磁阀 风机 1#清水泵 2#清水泵 图 3 数字量输出接线图 3.2 PLC 外部 I/O 设备的选型 3.2.1 水泵选择 水泵是一种面大量广的通用型机械设备，广泛应用于石油、化工、电力冶金、矿 山、农业等各部门，在国民经济中占有重要的地位。 合理选泵，就是要综合考虑泵机组和泵站的投资与运行费用等综合性能的技术经 基于 PLC 的污水处理系统设计 6 济指标，使之符合经济、安全、使用的原则，具体来说，有以下几个方面4。 (1) 必须满足使用流量和扬程的要求，既要求泵的运行工次点（装置特性曲线与 泵的性能曲线的交点）经常保持在高效区间，这样既省动力又不易损坏机件。 (2) 所选择的水泵既要体积小、重量轻、造价便宜，又要具有良好的特性和较高 的效率。 (3) 具有良好的抗气蚀性能，这样既能见减小泵房的开挖深度，又不会是水泵发 生气蚀，运行平稳、寿命长。 本次设计污水处理池，清水池，中水池容积都为 1000m，要求 30 分钟把水池排 干。根据水泵功率计算公式，其中=1000Kg/m、g=9.8N/Kg /gQHP 、Q=0.56m/s、H=2m、为泵的效率取 0.7,经计算应选择功率为 16KW 的泵，水泵接 线如图 4 所示。 图 4 水泵接线图 3.2.2 固态继电器的选择 固态继电器（Solid State Relay,缩写 SSR） ，是由微电子电路，分立电子器件，电力 电子功率器件组成的无触点开关。用隔离器件实现了控制端与负载端的隔离。固态继 电器的输入端用微小的控制信号，达到直接驱动大电流负载。 根据 PLC 硬件系统选择 DC24V 电压驱动的固态继电器，固态继电器控制交流电 动机时其额定电流必须大于等于电动机额定电流的 6 倍，所以要选择额定电流为 300A 的固态继电器。 3.2.3 水位开关的选择 水位开关分为电子式水位开关、电极式水位开关、光电式水位开关、音叉式水位 开关、浮球式水位开关等。 本次设计用的是浮球式水位开关，其工作原理是根据液体的浮力而配套制作的。 当液位上涨时，浮球系统也相应上涨；同理当液面下降时也相应下降。当上涨或下降 基于 PLC 的污水处理系统设计 7 到设定位置时，浮球系统就会碰到在设定位置的开关，从而是开关发出电信号，而电 控设备在接到电信号时会马上动作，切断或接通电源，形成自动控制系统。价格便宜， 但是容易受到外界环境的影响5。 3.2.4 电磁阀的选择 ZCS 水用电磁阀适用于水或液体为工作介质，可自动控制或远程控制水、油液体 等工作介质管路的通断。主阀采用橡胶密封，具有启闭迅速、可靠性高等优点。 ZCS 水用电磁阀为二次开阀的先导式电磁阀，其结构主要由导阀和主阀组成，主 阀采用橡胶密封结构。常位时，活动铁芯封住导阀口，阀腔内压力平衡，主阀口封闭。 当线圈通电时，产生电磁力将活动铁芯吸上，主阀腔内的介质自导阀口外泄，以产生 压力差，膜片或阀被迅速托起，主阀口开启，阀便成通路了。当线圈断电时，磁场消 失，活动铁芯复位，封闭导阀口，导阀和主腔内压力平衡，阀又呈关闭常位6。 3.2.5 风机的选择 罗茨风机为容积式风机，输送的风量与转数成比例，三叶型叶轮每转动一次由 2 个叶轮进行 3 次吸、排气。与两页型叶轮相比，三叶型叶轮气体脉动性小，震动也小， 噪声低。风机 2 根轴上的叶轮与椭圆形壳体内孔面、叶轮端面和风机前后端盖之间及 风机叶轮之间始终保持微小的间隙，在同步齿轮的带动下风从风机进风口沿壳体内壁 输送到排空的一侧。风机内腔不需要润滑油，结构简单，运转平稳，性能稳定，适应 多种用途，应用领域广泛7。 罗茨风机的特点：高效节能，精度高，噪声低，寿命长，结构紧凑，体积小，重 量轻，使用方便，产品用途广泛，遍布石化、建材、电力、冶炼、化肥、矿山、港口、 轻纺、食品、造纸、水产养殖、和污水处理、环保产业等诸多领域，大多用于输送空 气，也可以用来输送煤气、氢气、乙炔、二氧化碳等易燃、易爆及腐蚀性气体，风机 接线图如图 5 所示。 图 5 风机接线图 基于 PLC 的污水处理系统设计 8 4 污水处理系统软件设计 整个系统有 7 个数字量输入量，分别对应污水处理系统的启动开关、停止开关、 污水池高低水位限位开关、清水池高低水位限位开关、中水池高水位限位开关；9 个数 字输出量，分别对应电磁阀、继电器、污水池高低水位限位指示灯、清水池高低水位 限位指示灯、中水池高水位限位指示灯，I/O 分配表如表 1 所示。由于需要用软变量所 以要先在 DB 模块中定义，定义好变量，初始值都设置位 0，如图 6 所示。 表 1 I/O 分配表 输入信号输入变量名输出信号输出变量名 DB1.0.0启动开关Q0.1电池阀 DB1.0.1停止开关Q0.2（继电器）风机 I0.2污水池低水位限位开关Q0.3（继电器）1#清水泵 I0.3污水池高水位限位开关Q0.4（继电器）2#清水泵 I0.4清水池低水位限位开关DB1.0.2污水池低水位限位指示灯 I0.5清水池高水位限位开关DB1.0.3污水池高水位限位指示灯 I0.6中水池高水位限位开关DB1.0.4清水池低水位限位指示灯 DB1.0.5清水池高水位限位指示灯 DB1.0.6中水池高水位限位指示灯 图 6 DB 变量 4.1 污水处理系统程序流程图 污水处理第一阶段污：水处理系统在初始状态时污水池处理池、清水池和中水池 都处于无水状态，电动机、电磁阀、清水泵、风机和 5 个液位指示灯全部处于静止状 态。当执行程序时，扫描到污水处理池液位低于污水池高水位限限制开关时，电磁阀 基于 PLC 的污水处理系统设计 9 阀打开，开始往水池里进水；当扫描到污水池高水位限位开关位于高水位处，则直接 跳过开启电磁阀步骤，直接进入下一个环节，污水曝气处理阶段。与此同时污水处理 池的两个液位指示灯均亮。在曝气阶段由 PLC 定时器给曝气定时，曝气时间为 6-8 个 小时，当定时时间未到时则曝气处于保持状态，当定时时间达到设定时则关闭风机停 止曝气反应。同时开始下一阶段定时即沉淀定时，定时时间未到时则沉淀处于保持状 态。 污水池处理的第二阶段：当定时时间到达后则开启 1#清水泵，这时开始向清水池 泵入已经处理过的污水，同样为了实现污水控制，在清水池中也设置两个液位开关， 当液位未达到清水池高限位开关时 1#清水泵继续泵水，当达到清水池高限位开关时关 闭 1#清水泵，为了保护不使污水池的水被抽至低水位则污水池低水位限位开关关闭 1# 清水泵，在 1#清水泵关闭的同时打开 2#清水泵开始给中水池泵水，而此时清水池两个 液位指示灯均亮，在中水池水箱中设定一个中水池高水位限为开关，在泵水的过程中 同样要经过中水池高水位开关的判断，如果未达到中水池的高水位限位开关，这泵水 保持，当达到中水池高水位限位开关时则关闭 2#清水泵，为了防止 2#清水泵空载，在 清水池中低水位限位开关同样可以控制 2#清水泵的停止，当停止 2#清水泵后，程序需 要一个判断，是否结束自动控制，如果结束自动控制则整个流程完成一个周期的污水 处理过程，如果不结束污水处理自动控制，这污水处理过程重新开始循环，如此则实 现了污水处理过程连续控制。程序流程图如图 7 所示。 基于 PLC 的污水处理系统设计 10 开始 开动电阀纳入 污水 关闭电阀停止进水 开风机曝气 计时 7.5h？ 开1#泵清水池进水 清水位 高？ 停1#泵 开2#泵中水池进水 中水箱水 位高？ 停2#泵 自动结 束？ 完 否 是 否 是 污水位高？ 计时 0.5h？ 关风机停止曝气 否 是 否 是 否 是 否 是 图 7 程序流程图 基于 PLC 的污水处理系统设计 11 4.2 污水处理系统程序设计 PLC 程序设计有逻辑设计法、经验设计法、时序图法和顺序控制法等，本章采用 经验设计法进行设计8。 (1) 系统的启动和停止都用点动按钮，所以引入一个位存储器（“系统启停状态”） 锁定开始按钮和停止按钮的状态，以便后续程序引用。在这里用位存储 M0.0， “系统启 停状态”为“1”表示启动按钮按下过，为“0”表示已经按过停止按钮，程序如图 8 所示。 图 8 系统启动停止程序 (2) 系统启动后就要开始检测污水池高水位情况。当污水池水位低于污水池高水 位限位开关时 I0.3 的状态为 OFF 则电磁阀 Q0.1 会接通，开始给污水池纳入污水。当 污水池高于或等于污水池高水位限制开关时，则直接打开风机曝气开关 Q0.2 开始给污 水池曝气，在曝气的同时定时器 T0 开始计时，曝气时间为 2.5 小时。污水池高水位限 制开关 I0.3 在开启电磁阀和和开启风机曝气起互锁作用，M0.1 为 PLC 内部引用的另 一个存储器，在 M0.1 中存储的为“置位状态”“1”表示置位状态， “0”表示无动作，程序 如图 9 所示。 图 9 定时曝气控制程序 (3) 系统曝气结束以后污水池则进入了反应沉淀阶段，通过定时器 T1 给污水沉淀 基于 PLC 的污水处理系统设计 12 定时 30 分钟，M0.1 为 PLC 内部存储的中间继电器，在上一阶段曝气结束后置位，开 启定时器 T1。在定时沉淀期间系统处于静止状态，定时结束后分别对 M0.1 线圈和 M0.2 线圈复位和置位。M0.2 为 PLC 内部存储器，在 M0.2 中存储的为“置位状态”， “1”表示 置位状态， “0”表示无动作，程序如图 10 所示。 图 10 定时沉淀控制程序 (4) 系统在沉淀结束后，则进入下一个状态，将处理过的污水用 1#清水泵泵入到 清水池，以便系统顺序执行，在污水沉淀结束时对中间继电器 M0.2 置位打开 1#清水 泵 Q0.3，开始将污水池沉淀后的上层清水泵入到清水池，若污水池内的水位在高水位 和低水位限制开关之间，经过判断清水池高水位限制开关 I0.5 和污水池低水位限位开 关 I0.2 决定是否停止泵水，如果水位到达污水池的低水位限制开关 I0.2 或者水位到达 清水池高水位限制开关 I0.5 时对中间继电器 M0.2 复位用来关闭 1#清水泵停止泵水， 程序如图 11 所示。 图 11 1#清水泵控开启关闭制程序 (5) 系统在给清水池泵水结束后，则通过清水池高水位开关给中间继电器 M0.3 置 位，M0.3 为 PLC 内部引用的存储器。通过中间继电器 M0.3 打开 2#清水泵 Q0.4 开始 将清水池的水泵入到中水池中，若清水池的水位在高水位和低水位限制开关之间，经 基于 PLC 的污水处理系统设计 13 过判断清水池低水位限位开关 I0.4 或者中水池高水位限位开关 I0.6 决定是否停止泵水， 如果水位达到清水池低水位限位开关 I0.4 或者中水池高水位限位开关 I0.6 时对中间继 电器 M0.3 复位用来关闭 2#清水泵停止泵水，程序如图 12 所示。 图 12 2#清水泵开启关闭控制程序 (6) 为了能清楚的知道污水处理系统整当前液位的情况，设计了 5 个水位指示灯。 它们分别是污水低水位指示灯、污水高水位指示灯、清水池低水位指示灯、清水池高 水位指示灯和中水池高水位指示灯。当水位到达各自的水位开关位置时，对应的水位 指示灯就会点亮，相关程序如图 13 所示。 基于 PLC 的污水处理系统设计 14 图 13 各水位开关指示灯控制程序 4.3 污水处理系统程序仿真 (1) 运行 STEP7 系统，启动 PLCSIM。在 DB1 中将“启动”的初值设为 1 如图 14 所示，初始状态电磁阀动作向水池中注水,如图 14 所示。 图 14 启动开始注水画面 (2) 污水纳入使水位达到污水处理池水位时，低水位指示灯和高水位指示灯亮表 示污水池注满污水，此时污水高水位限位开关控制纳入污水电磁阀关闭，同时启动风 机开始曝气反应曝气 7.5 小时后，当曝气定时结束后，将曝气风机关闭，相应的指示灯 会根据不同水位限位开关开启或关闭，系统开始进入沉淀状态，如 15 所示。 基于 PLC 的污水处理系统设计 15 图 15 风机曝气仿真画面 (3) 系统在曝气沉淀状态结束后，由 PLC 内部定时控制使 1#清水泵开启开始向清 水池泵水，当污水池水位位于低水位和高水位限制开关之间且清水池的水位没有到达 高水位限位开关 1#清水泵持续工作，相应的指示灯会根据不同水位限位开关开启或关 闭，系统进入处理过的污水排水阶段，组态如图 16 所示。 基于 PLC 的污水处理系统设计 16 图 16 1#清水泵泵水仿真画面 (4) 系统在污水排水处理阶段当污水池低水位低于污水低水位限位开关或者是清 水池水位高于高水位限制开关时，1#清水泵关闭停止向清水池泵水，同时清水池高水 位限位开关启动 2#清水泵开始向中水池泵水，当清水池水位位于低水位和高水位限制 开关且中水池的水位没有到达高水位限位开关 2#清水泵持续工作，相应的指示灯会根 据不同水位限位开关开启或关闭，系统进入蓄水状态，组态如图 17 所示。 基于 PLC 的污水处理系统设计 17 图 17 2#清水泵泵水仿真画面 5 污水处理系统组态设计 打开组态王软件建立新工程，由于要用到组态王和 S7-PLCSIM 之间的通信。所以 在设备配置向导是要选择 S7300/400(MPI)9。 5.1 人机画面设计 打开“组态王工程管理器”，在“组态王工程管理器”， 打开已经建立的“污水处理系 统”工程。建立画面后，接下来就是对画面进行编辑，利用工具箱中的各种控件设计出 画面，如图 18 所示。 图 18 Kingview 组态画面 基于 PLC 的污水处理系统设计 18 5.2 构建数据库 数据库是“组态王 6.5”软件的核心部分，工业现场的生产状况要以动画的形式反映 在屏幕上，操作者在计算机前发布的指令也要迅速送达生产现场，所有这一切都是以 实时数据库为中介环节，所以说数据库是联系上位机和下位机的桥梁10。 构造数据库具体步骤如下：继续上面的工程。选择工程浏览器左侧大纲项“数据库 数据词典”，在工程浏览器右侧用鼠标左键双击“新建”图标，弹出“变量属性”对话框。 此对话框可以对数据变量完成定义、修改等操作，以及数据库的管理工作，如图 19 所 示。在“变量名”处输入变量名，如：电磁阀；在“变量类型”处选择变量类型如：I/O 实 数或内存离散，由于本次设计控制的是外部变量，所以选择 I/O 实数；在“连接设备”中 选择先前定义好的 I/O 设备：PLC；在“寄存器”根据外部控制的实际寄存器地址选择如： Q0.1；在“数据类型”中定义为：Bit 类型。其它属性目前不用更改，单击“确定”即可。 同样的方式可定义其它所需的变量，如图 20 是定义好的数据库。 图 19 定义变量设置画面 图 20 定义变量画面 基于 PLC 的污水处理系统设计 19 5.3 画面连接 工程人员在组态王开发系统中制作的画面都是静态的，那么它们如何才能反映工 业现场的状况呢？这就需要通过实时数据库，因为只有数据库中的变量才是与现场状 况同步变化的。数据库变量的变化又如何导致画面的动画效果呢？通过“动画连接” 所谓“动画连接”就是建立画面的图素与数据库变量的对应关系。这样，工业现场的 数据，比如温度、液面高度等，当它们发生变化时，通过 I/O 接口，将引起实时数据 库中变量的变化，如果实现灯的启动停止则可以如下：定义灯的数据连接的具体步骤 如下：以灯为例，继续上面的工程。双击图形灯对象，可弹出“指示灯向导”对话框。 如单击变量名后面的“？”弹出选择变量名画面，可以选择灯在数据词典里已经定义的 污水高水位指示灯，后面的所有定义数据连接按照这个方法就可以定义画面，如图 21 所示。 图 21 定义灯连接画面 5.4 组态监控仿真 运行 STEP7 主程序，打开 PLCSIM 仿真。进入组态王主画面，打开已经建好的画 面。然后在“文件”菜单中找到“切换到 View”选项这时系统要我们选择要运行的画面， 选择所要运行的画面，然后点击“确定”就进入运行画面中。按下“启动”按钮整个系统就 开始工作，刚开始在初始状态下，配合与 PLCSIM 模拟各种情况。 (1) 系统在初始状态时，污水处理系统在初始状态时污水池处理池、清水池和中 水池都处于无水状态，电动机、电磁阀、清水泵、风机和 5 个液位指示灯全部处于静 止状态。启动系统检测水位低于污水池高水位指示灯电磁阀开启，开始向污水池注入 污水，系统反应进入污水处理阶段，组态如图 22 所示。 基于 PLC 的污水处理系统设计 20 图 22 系统启动画面 (2) 污水纳入使水位达到污水处理池水位时，低水位指示灯和高水位指示灯亮表 示污水池注满污水，此时污水高水位限位开关控制纳入污水电磁阀关闭，同时启动风 机开始曝气反应曝气 7.5 小时后，当曝气定时结束后，将曝气风机关闭，相应的指示灯 会根据不同水位限位开关开启或关闭，系统开始进入沉淀状态，如图 23 所示。 图 23 曝气沉淀画面 (3) 系统在沉淀状态结束后，由 PLC 内部定时控制使 1#清水泵开启开始向清水池 泵水，当污水池水位位于低水位和高水位限制开关之间且清水池的水位没有到达高水 位限位开关 1#清水泵持续工作，相应的指示灯会根据不同水位限位开关开启或关闭， 系统进入处理过的污水排水阶段，组态如图 24 所示。 基于 PLC 的污水处理系统设计 21 图 24 1#清水泵泵水画面 (4) 系统在污水排水处理阶段当污水池低水位低于污水低水位限位开关或者是清 水池水位高于高水位限制开关时，1#清水泵关闭停止向清水池泵水，同时清水池高水 位限位开关启动 2#清水泵开始向中水池泵水，当清水池水位位于低水位和高水位限制 开关且中水池的水位没有到达高水位限位开关 2#清水泵持续工作，相应的指示灯会根 据不同水位限位开关开启或关闭，系统进入蓄水状态，组态如图 25 所示。 图 25 2#清水泵泵水画面 (5) 当系统进入蓄水阶段时，当清水池水位低于清水低水位限位开关或者是中水 池水位高于高水位限制开关时，2#清水泵关闭停止向清水池泵水，相应的指示灯会根 据不同水位限位开关开启或关闭，系统完成一个周期污水处理过程，组态如图 26 所示。 基于 PLC 的污水处理系统设计 22 图 26 2#清水泵停止画面 基于 PLC 的污水处理系统设计 23 结束语 本设计在充分了解国内外污水处理自动控制系统现状及发展趋势的基础上，深入 查阅污水处理工艺的方法和特点, 结合系统功能的要求进行总体方案设计。 污水处理控制系统是一个比较复杂的综合系统，它包括与之相关的生产工艺流程， 相关生产设备，现场计量自控检测仪表的选用，控制流程的模型建立，对 PLC 系统软 硬件应用研究等。本文详细阐述了污水处理工艺流程、控制系统总体方案以及具体的 软硬件实现。 (1) 硬件方面。污水处理系统中，主要的硬件问题包括硬件选型和 PLC 的外围电 路设计和接线。在 PLC 的外围硬件连线方面，由于输出都是何接触器等元件连接，接 触器的突然断开和闭合会形成突波对 PLC 的输出端子造成损坏，因此需要加装一些保 护装置，以增加触点的寿命。 (2) 软件方面。主要问题在于程序编写完毕后，需要首先在电脑上对程序进行软 件仿真，主要检查是否存在各种错误，可利用西门子公司配套的仿真软件。然后通过 模拟硬件的方式检查程序，主要检查程序是否存在逻辑上的错误。调试时，可根据功 能模块分类分别调试，最后进行总体调试。在该控制程序中，需要根据外界输入的状 态来控制潜水泵，以及风机的启停，因此需要按照液位传感器反馈来的信息进行判断 处理，然后再进行输出控制。 基于 PLC 的污水处理系统设计 24 参考文献 1 罗萍, 罗志勇, 岂兴明等. 西门子 S7-300/400PLC 工程实例详解M,北京：人民邮电出版社, 2012.1:19-28 2 向晓汉, 陆彬. 西门子 PLC 高级应用实例精解M. 北京：机械工业出版社, 2010.7:21-25 3 韦尚潮, 曹声. 西门子 PLC 入门经典问答M. 北京：电子工业出版社, 2011.5:15-26 4 马丁.西门子