基于S7-200PLC污水处理控制系统设计.doc

III基于S7-200PLC污水处理控制系统设计摘 要序批式活性污泥法（Sequencing Batch Reactor），简称SBR。是一种中小型的污水处理方法。SBR工艺污水处理计算机监控系统的核心是可编程序控制器。可编程控制器即PLC是综和了计算机技术、自动控制技术和通信技术的一种新型的、通用的自动控制装置。现在可编程控制器已经成为最重要、最可靠、应用场合最广泛的工业控制微型计算机。它具有功能强、可靠性高、使用灵活方便、易于编程以及适应工业环境等一系列优点，而且代表了现代工业的发展方向。关键词：污水处理，序批式活性污泥法，硬件配，；软件设计 Wastewater treatment based on S7-200PIC Control System DesignABSTRACTSequencing Batch Reactor, which is called the SBR law , is a kind of center and small sewage treatment method .The core of SBR craft sewage treatment computer supervisory system is the programmable foreword controller. The programmable controller was PLC is the grand total computer technology, the automatic control technology and the communication one kind new, the general automatic control device. Now the programmable controller already became importantly, most reliable, the application situation most widespread industry control microcomputer.It has the function strong, the reliability high, the use nimble convenient, easy to program as well as the adaptation industry environment and so on a series of merits.In order to enhance the sewage treatment plant the movement management level，also it represents the modern industry developed direction.KEY WORDS Polluted water，processing，Hardware disposition; Software design.目 录摘 要IABSTRACTII1 绪论11.1 选题的目的和意义11.2 当今国内外污水处理自动控制系统发展状况11.2.1 国外污水处理自动控制状况11.2.2 国内污水处理自动控制状况22 污水处理方案的确定32.1 污水处理概述32.2 污水处理的基本方法32.3 常用污水处理工艺32.4 污水处理控制方案的确定62.4.1 污水处理工艺的选择62.4.2 SBR污水处理控制流程73 PLC的简介和设计步骤83.1 PLC介绍83.1.1 PLC的简介83.1.2 PLC的功能83.1.3 S7-200PLC的简介113.1.4 PLC控制系统设计原则及设计步骤114 SBR污水处理系统的硬件设计134.1 PLC的选择134.2 I/O分配表134.3 硬件设计总体说明144.4 SBR污水处理电气控制原理图设计144.4.1 主电路设计144.4.2 交流控制电路设计154.4.3 PLC接线图设计164.4.3 元器件目录表164.5 SBR污水处理系统设备174.5.1 进水泵174.5.2 罗茨风机174.5.3 回流泵184.5.4 滗水器185 SBR污水处理系统软件程序设计195.1 SBR污水处理控制流程图195.2 梯形图程序206 监控软件的设计256.1 组态王软件简介256.1.1 组态王的特点256.1.2 组态王的功能256.2监控系统的设计266.2.1 组态王的通信参数设置266.2.2 新建工程和组态变量276.2.3 新建组态画面286.2.4 变量和数据的定义296.2.5 监控系统软件31致 谢32参 考 文 献3333基于S7-200PLC污水处理控制系统设计1 绪论“水是生命之源，没有水就没有生命。”水资源是基础自然资源，是生态环境的控制因素之一，同时又是战略性经济资源。当前水资源短缺已经成为我国经济持续发展的限制因素特别是人为的水环境污染，严重威胁着人类自身的健康，因此，世界各国都越来越重视污水的处理和回用技术的发展水资源的短缺，水污染的加重是我国当前水问题的两大主要方面。实现水资源的可持续利用，遏制水污染加剧的趋势，乃至恢复良好的水环境，是我们急需解决的问题。 1.1 选题的目的和意义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，同时近年来江南水乡出现严重干旱，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。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。降低运营成本，提高污水处理率，一直是污水处理行业面临的最现实的问题。采用计算机技术、跟踪经常变化的水位情况，检测不同时间的水质指标数据，在计算机上动态显示，对这些数据进行分析处理，并记录下来，已被在需要时间查询。通过分析数据趋势走向，随时调整设备及工艺参数，使其达到优化控制状态，经济运行，节省能耗。采用计算机代替人工操作，减少事故，保证安全，降低劳动强度，节约人力，甚至可以完成许多人工难以完成的任务，提高运行的可靠性。，改善环境，保持我国经济高速发展具有重要意义1。 1.2 当今国内外污水处理自动控制系统发展状况 1.2.1 国外污水处理自动控制状况在20世纪60年代末，世界各国给排水工程建设的重点均放在城市供水，因此给排水设备的发展主要以大型的城市给水工程及分散式的小型工业废水处理为主，给排水设备以通用设备为主。由于对水质的要求也不是非常之高，仪器仪表也比较简单。进入70年代，为了适应工业化的发展和人民生活水平的提高工业发达国家的供水普及率达到85%95%，工业化的飞速发展，用水量的与日俱增，同时也带来了严重的水质污染问题,因此这些国家投入大量的人力物力对污水处理进行研究，同时其也对污水自动控制系统进行研究和开发。一些发达国家经过十几年的努力，污水处理率几经达到了80%90%，成功地解决了来自于城市和工业的点源污染问题。由于控制技术、网络通信技术以及现场总线技术的飞速发展，国外的污水厂很早便实现了污水厂的网络控制，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中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系列。国外污水处理自控系统主要存在以下几个特点：(1)采用集散控制系统DCS和现场总线控制系统FCS。按照厂区的自身情况和工艺段来划分若干个控制站，站与站之间可以平级关系也可以是上下级关系，站与站之间一般独立运行。设立中控室，中控室有操作员和工程师站，负责全厂的数据管理与记录、报表等工作。(2)采用在线监测的水质分析仪表，对全厂的水质实行实时监测，并由上位机记录下来，提高了测量精度。(3)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地调整相应的控制方式。(4)大量采用遥测、遥控设备，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。1.2.2 国内污水处理自动控制状况与国外相比，我国污水处理自动化控制起步较晚，七十年代开始采用热工仪表，实行集中巡检；八十年代应用分析仪表和DCS系统；至九十年代，随着一大批利用国际贷款的大型污水处理厂的建设投产，我国污水处理控制系统的自动化水平有了很大的提高。从国外引进污水厂的自动控制系统已经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，新设备大量出现并得到应用。可以看出我国的污水处理自控系统有以下特点：(1)对于新建的污水处理厂，引进了计算机分散控制系统，手动与自动并存的控制方式。大部分以前建设的污水厂自动化程度仍然很低，仍采用人工巡检的方式。(2)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，但是由于进口仪表价格昂贵，所以应用并不是很广泛。水质的检测主要是有实验室人员通过实验来测量。(3)各个控制站之间完全独立，没有信息的交换。并且各个控制单元由于其内部资源的限制，只是实现了简单的时间控制和逻辑控制。我国自主生产的设备在很大程度上是依托国外相关设备构造，再经过自我消化、研发和生产实践,逐步填补国内空白并在此基础上不断发展壮大。我国污水的自控系统与国外相比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。2 污水处理方案的确定2.1 污水处理概述污水处理即使污水达到排水某一水体或再次使用的水质要求，并对其进行净化的过程。污水处理被广泛应用于建筑、农业,交通、能源、石化、环保、城市景观、医疗、餐饮等各个领域，也越来越多地走进寻常百姓的日常生活。按污水来源分类，污水处理一般分为生产污水处理和生活污水处理。生产污水包括工业污水、农业污水以及医疗污水等，而生活污水就是日常生活产生的污水,是指各种形式的无机物和有机物的复杂混合物，包括：漂浮和悬浮的大小固体颗粒,胶状和凝胶状扩散物,纯溶液。2.2 污水处理的基本方法 水处理方法技术，按原理可以分为三类。(1)物理处理方法 利用物理作用分离污水中呈悬浮状态的固体污染物质。主要方法有：筛滤法、沉淀法、上浮法、气浮法、过滤法和反渗透法等。(2)化学处理方法 利用化学反应的作用，分离回收污水中处于各种形态污染物质。主要方法有中和、混凝、电解、氧化还原、气提、萃取、吸附、离子交换和电渗析等。 (3)生物化学处理方法 利用微生物的代谢作用，使污水中呈溶解、胶体状态的有机污染物转化为无害的物质。主要分为两大类：好氧氧化法和厌氧氧化法。其中好氧氧化法分为活性污泥法和生物膜法。 水处理按处理程度不同可分为预处理、一级处理、二级处理、深度处理和污泥处理及处置。预处理：主要包括格栅和沉砂池。其主要作用是截留大块物质、砂石，以保证后续设备的正常运行。一级处理：主要是初次沉淀池。目的是将污水中悬浮状态的固体污染物质尽可育出或沉降去除，经过一级处理后的污水，可去除50%左右的悬浮物，污水五日需氧量一般只能去除30%左右，达不到排放标准。二级处理工艺：主要有曝气池和二沉池构成。它是城市污水处理厂的核心，一般采用生物处理方法中的活性污泥法，主要去除水中呈胶体和溶解状态的有机污染物。经二级处理后，有机污染物质的去除率可达90%以上，污水中污水五日需氧量值可降至20mg/L30mg/L，有机污染物达到排放标准。深度处理：通用的工艺有混凝沉淀和过滤。主要目的是为了满足高标准的受纳水体要求或用于工业等特殊用途，它是城市污水处理未来发展的方向。污泥处理和处置：主要包括浓缩、消化、脱水、堆肥或卫生填埋1。2.3 常用污水处理工艺不同的污水处理对象，不同的污水处理环境，将需要有不同的污水处理工艺来处理。因此，在选择污水处理工艺的时候必需要认真考虑当地污水的情况，以及实际的污水处理的环境。（1）传统活性污泥法。传统活性污泥处理法是一种最古老的污水处理工艺，其污水处理的关键组成部分为沼气池与沉淀池，主要处理部分关系框图如图2-1所示。曝气池（微生物吸附有机物氧化为无机物）沉淀池（活性泥下沉）回流活性泥原污水清水排出图2-1传统活性污泥法工艺流程图污水中的有机物在曝气池停留的过程中，曝气池中的微生物吸附污水中的大部分有机物，并且在曝气池中被氧化成无机物，然后在沉淀池中经过沉淀后的部分活性泥需要回流到曝气池中。该工艺的优点有：有机物去除率高，污泥负荷高，池的容积小，耗电省，运行成本低。该工艺的缺点有：普通曝气池占地多，建设投资大，满足国家标准相关指标范围小、易产生污泥膨胀现象，磷和氮的去除率低。污水中的有机物在曝气池停留的过程中，曝气池中的微生物吸附污水中的大部分有机物，并且在曝气池中被氧化成无机物，然后在沉淀池中经过沉淀后的部分活性泥需要回流到曝气池中。该工艺的优点有：有机物去除率高，污泥负荷高，池的容积小，耗电省，运行成本低。该工艺的缺点有：普通曝气池占地多，建设投资大，满足国家标准相关指标范围小、易产生污泥膨胀现象，磷和氮的去除率低。（2）A/O法。A/O法是在传统活性污泥法的基础上发展起来的一种工业污水处理工艺，其中A代表Anoxic（缺氧的），O代表Oxic（好氧的）。A/O法是一种缺氧-好氧生物工业污水处理工艺。该工艺通过增加好氧池与缺氧池所形成的硝化-反硝化反应系统，很好的处理了污水中的氮含量，具有明显的脱氮效果。但是此硝化-反硝化反应系统需要得到很好的控制，这样就对该工艺提出了更高的管理要求，这也成为了该工艺的一大缺点。其工艺流程图如下：图2-2 A/O法工艺流程图（3）A2/O法。A2/O法也是在传统活性污泥法的基础上发展起来的一种工业污水处理工艺，其中A2，即A-A，前一个A代表Anaerobic（厌氧的），后一个A代表Anoxic（缺氧的）；O代表（好氧的）。A2/O是一种厌氧缺氧好氧工业污水处理工艺。A2O法的除磷脱氮效果非常好，非常适合用于对除磷脱氮有要求的工业污水处理。因此，在对除磷脱氮有特别要求的城市工业污水处理厂，一般首选A2/O工艺。其工艺流程图如图2.3所示。图2-3 A2/O法工艺流程图（4）A/B法。A/B法是吸附生物降解法的简称，该工艺没有初沉淀，将曝气池分为高低负荷两段，并分别有独立的沉淀和污泥回流系统。高负荷段停留时间约为2040min，以生物絮凝吸附作用为主，同时发生不完全氧化反应，去除BOD达50%以上。B段与常规活性污泥法相识，负荷较低。AB法中A段效率很高，并有较强的缓冲能力。B段起到出水把关作用，处理稳定性较好。对于高浓度的工业污水处理，AB法具有很好的适用性，并有较高的节能效益。尤其在采用污泥消化和沼气利用工艺时，优势最为明显。但是，AB法污泥产量较大，A段污泥有机物含量极高，因此必须添加污泥后续稳定化处理，这样就将增加一定的投资和费用。另外，由于A段去除了较多的BOD，造成了碳源不足，难以实现脱氮工艺的要求。对于污水浓度低 的场合，B段也比较困难，也难以发挥优势。总体而言，AB法工艺较适合于污水浓度高，具有污泥消化等后续处理设施的大中规模的城市工业污水处理厂，且有明显的节能效果，而对于有脱氮要求的城市工业污水处理厂，一般不宜采用。 （5）SBR法。SBR法是歇式活性污泥法的简称，是一种按照一定的时间顺序间歇式操作的污水生物处理技术，也是一种按间歇曝气方式来运行的活性污泥工业污水处理技术，又称序批式活性污泥法。其反应机理及去除污染物的机理与传统的活性污泥法基本相同，只是运行操作方式不尽相同。SBR法与传统的水处理工艺的最大区别在于它是以时间顺序来分割流程各单元，以时间分割操作代替空间分割操作，非稳态生化反应代替生化反应，静置理想沉淀代替动态沉淀等。整个过程对于单个操作单元而言是间歇进行的，但是通过多个单元组合调度后又是连续的，在运行上实现了有序和间歇操作相结合。 2.4 污水处理控制方案的确定2.4.1 污水处理工艺的选择SBR污水处理技术是一种高效污水回用的处理技术，采用优势菌技术对生活污水进行处理，经过处理后的中水可以用来浇灌绿地、花木、冲洗厕所及车辆等，从而达到节约水资源的目的。SBR工艺这些特殊性使其具有以下优点： (1)理想的推流过程使生化反应推动力增大，效率提高，池内厌氧、好氧处于交替状态，净化效果好。(2)运行效果稳定，污水在理想的静止状态下沉淀，需要时间短、效率高，出水水质好。(3)耐冲击负荷，池内有滞留的处理水，对污水有稀释、缓冲作用，有效抵抗水量和有机污物的冲击。 (4)处理设备少，构造简单，便于操作和维护管理。 (5)SBR本身适于式构造方法，利于废水处理厂的扩建和改造。故本课题中的污水处理采用SBR污水生物处理工艺，这种工艺是按“进水、曝气、沉淀、排水”步骤周期性进行生化反应。从进水开始到排水结束算作一个周期，工艺流程图如图2-4所示。图2-4 SBR工艺流程基本工艺流程如下：(1) 进水进水阀门打开，污水通过粗格栅，经过水泵，然后细格栅过滤到达SBR池。(2) 反应反应工序是SBR工艺最主要的一道工序。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，同时潜水搅拌器和回流污泥泵运行，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，进行曝气和搅拌，并决定反应的时间长短，必要时可投加药剂。在进入沉淀工序前，应进行短时间的微量曝气，以吹脱污泥上黏附的气泡或氮，以保证排泥顺利进行。(3) 沉淀当SBR池停止曝气以后，空气阀门关闭，潜水搅拌器和回流污泥泵停止运行，开始重力沉淀和泥水分离。(4) 排水SBR池水位到达最高水位，并经过沉淀工艺以后，上清夜(上面的清夜)由滗水器缓慢排出池外。当池水位达到处理周期开始时的最低水位时，停止滗水。剩余污泥泵在滗水器停止运行后开始运行，排泥至储泥池2。2.4.2 SBR污水处理控制流程以SBR池循环周期为例加以说明：第一步：进水+曝气。SBR池开始进水设定时间为早8点，进水2h，通过进水泵进水，进水的同时风机开始曝气，污泥回流泵开启，开始回流。第二步：2h后，进水泵停止进水，回流泵停止回流；风机继续曝气。第三步：持续曝气6h后，风机停止曝气。第四步：静置期1h。SBR池静置1h后，此时，水面分层，污泥沉降置底，上清液用滗水器排出。第五步：排水1h。静置1h后，开始排水，池内滗水器启动，由上顶点缓慢向下移动，滗水器潜至下顶点滗水结束后，迅速自动升回至上顶点停住。至此，滗水1h结束。第六步：滗水1h结束后，至此，第一周期结束，开始下一循环周期进水，曝气，回流。以后各周期依次类推。3 PLC的简介和设计步骤3.1 PLC介绍3.1.1 PLC的简介可编程控制器简称PLC是以微处理器为基础，综合了计算机技术、自动控制技术和通讯技术发展而来的一种新型工业控制装置。它具有结构简单、编程方便、可靠性高等优点，已广泛用于工业过程和位置的自动控制中。据统计，可编程控制器是认为，可编工业自动化装置中应用最多的一种设备。专家程控制器将成为今后工业控制的主要手段和重要的基础设备之一，PLC、机器人、CAD/CAM将成为工业生产的三大支柱。PLC是在继电器控制逻辑基础上，与3C(Computer ,Control ,Communication)技术相结合，不断发展完善的。目前已从小规模单机顺序控制，发展到包括过程控制、位置控制等场合的所有控制领域。高可靠性是电气控制设备的关键性能。PLC由于采用现代大规模集成电路技术，采用严格的生产工艺制造，内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性。微型化、网络化、PC化和开放性是PLC未来发展的主要方向3。3.1.2 PLC的功能 PLC的外部设备中，最重要的就是编程器，它用来对用户程序进行写入，检查，修改和调试，也可以在线监视 PLC的运行，它经过编程器接口与CPU联系，完成人-机对话。目前，有很多PLC都可以利用 微型计算机作为编程工具，这时应配上相应的编程软件及接口，由于微机的强大功能，使PLC的编程和调试更为方便。另外，PLC的外部设备中还包括打印机：在用户程序编制阶段用来打印带注解的梯形图或指令语句表程序，以利于维修和系统的改造 ；外存储器：存储部分程序或改变生产工艺流程时需要调用的程序，它所存的程序也可重新装入内存，有利于PLC的内存程序的恢复；EPROM写入器：用语将用户程序写入到EPROM中去，它提供了一个非易失性的用户程序保存方法。PLC是一种微机控制系统，工作原理也与微机相同，但它在应用时一般将其等效成输入，输出和内部控制电路三部分。输入部分用于接受被控设备的信息或操作命令等外部信息或操作命令等外部输入信息。输入接线端是PLC与外部的开关，按钮，传感器转换信号等连接的端口，每个端子可等效为一个内部继电器线圈，线圈号即输入接点号，这个由接到输入端的外部信号来驱动，其驱动电源可由PLC的电源部件提供，也可由独立的交流电源供给，每个输入继电器可以有无数多个内部触电（动合，动断的形式均可），供用户设计PLC的内部控制电路时使用。内部控制电路是是用户根据控制要求编制的程序，作用是运算和处理由输入部分得到的信息并判断应产生哪些输出。PLC的程序一般用梯形图表示，而梯形图是以继电器控制的电气原理图演变而来的，PLC中的动合、动断触点、线圈等概念与继电器控制电路相同，在PLC内部还有定时器、技术器、移位器、内部辅助继电器等。继电器控制系统中没有器件，他们的线圈自动合，动断触点只能在PLC内部控制电路中使用，如要与外部电路相连，则必须通过输出部分。输出部分作用是驱动外部负载，在PLC内部，有若干能与外部设备直接相连的输出继电器（有继电器形、双向硅形，晶体管形等三种形式），它也有无限多个软件实现的动合，动断触点，可在PLC内部控制电路中使用，但对应每个输出只有一个硬件的动合触点与之相连，用以驱动需要操作的外部负载，外部复杂的驱动电源接在输出公共端（COM）上。总之，在使用PLC时，可以把输入端为一个继电器线圈，其相应的继电器结点可以在内部控制电路中使用，而输出端又可以等效为内部输出继电器的一个动合触点，驱动外部设备。PLC一般采用循环扫描方式工作，在PLC加电后，先进行初始化处理、开始运行之后，串行的执行器存储器中的程序。PLC的内部工作过程用图表示为如本章末之图：用PLC 设计一个控制系统时，必须知道有一个输入信号后PLC要经过多长时间才能有一个对应的输出信号，这样才能精确的解决系统各个不见之间配合问题。从PLC受到一个输入信号到PLC向输出端输出一个控制信号所需的PLC I/O响应时间，一般在设计系统时都要对此进行一定的考虑。顺序控制是PLC最基本、应用最广泛的领域。由于它具有编程设计灵活、速度快、可靠性高、成本低、便于维护等优点，所以在实现单机控制、多机群控制、生产流程控制中可以完全取代传统的继电器接触器控制系统。如：有色冶金行业的冶炼厂和选矿厂的物料输送及配料、井下采矿皮带输送系统、冶炼厂转炉本体加料系统等，其它行业如汽车生产线、印刷机械、加工机床、包装机以及日常生活的电梯控制等。 用于顺序控制的PLC编程语言既不同于高级语言，也不同于汇编语言，它是面向现场、面向问题、面向用户的简单直观的程序控制语言。它可分为逻辑型和动作型两大类。前者可由传统的继电器电路变换而来，如梯形图；后者由机械设备动作变换而来，如流程图。梯型图同继电器电路相似，易于掌握，便于维修。在顺序控制中应用的较为广泛。即使不经过特殊的培训，一般工程技术人员也能很快掌握。对于过程控制的模拟量均采用硬件电路构成的PID模拟调节器来实现开、闭环控制。而现在完全可以采用PLC控制系统，选用模拟量控制模块，其功能由软件完成，系统的精度由位数决定，不受元件影响，因而可靠性更高，容易实现复杂的控制和先进的控制方法，可以同时控制多个控制回路和多个控制参数。例如生产过程中的温度、流量、压力、速度等4。 功能说明：(1)逻辑控制功能逻辑控制功能实际上就是位处理功能，是PLC的最基本功能之一。PLC设置有“与”（AND）、“或”（OR）、“非”（NOT）等逻辑指令，根据外部现场（开关、按钮或其它传感器）的状态，根据指定的逻辑进行运算处理后，将结果输出到现场的被控对象（电磁阀、电机等）。因此，PLC可代替继电器进行开关控制，完成接点的串联、并联、串并联、并串联等各种连接。另外，在PLC中一个逻辑位的状态可以无限次的使用，逻辑关系的修改和变更也十分方便。(2)定时控制功能定时控制功能是PLC的最基本功能之一。PLC中有许多可供用户使用的定时器，其功能类似于继电器线路中的时间继电器。定时器的设定值（定时时间）可以在编程时设定，也可以在运行过程中根据需要进行修改，使用方便灵活。程序执行时，PLC将根据用户用定时器指令指定的定时器对某个操作进行限时或延时控制，以满足生产工艺的要求。 （3）计数控制功能计数控制功能是PLC的基本功能之一。PLC为用户提供了许多计数器，计数器记到某一个数时，产生一个状态信号，利用该状态信号实现对某个操作的计数控制。计数器的设定值可以在编程时设定，也可以在运行过程中进行修改。程序执行时，PLC将根据用户用计数器指令指定的计数器对某个控制信号的状态改变次数进行计数，以完成对某个计数过程的计数控制。（4）步进控制功能PLC为用户提供了若干个移位寄存器，可以实现由时间、计数或其他指定逻辑信号为转步条件的步进控制。即在一道工序完成以后，在转步条件控制下，自动进行下一道工序。有些PLC还专门设置了用于步进控制的步进指令和鼓形控制器操作指令，编程和使用都极为方便。（5）数据处理功能PLC大部分都具有数据处理功能，可以实现算术运算、数据比较、数据传送数据移位、数制转换、译码编码等操作。中、大型PLC数据处理功能更加齐全，可完成开方、PID运算、浮点运算等操作，还可以和CRT、打印机相联、实现程序、数据的显示的打印。（6）回路控制功能有些PLC具有A/D、D/A转换功能，可以方便的完成对模拟量的控制和调节。 （7）通讯联网功能有些PLC采用通讯技术，实现远程I/O控制、多台PLC之间的同位链接、PLC与计算机之间的通讯等。（8）监控功能PLC设置了较强的监控功能，利用编程器或监视器，操作人员对PLC有关部分的运行状态进行监视。利用编程器可以调整定时器、计数器的设定值和当前值，并可以根据需要改变PLC内部逻辑信号的状态及数据区的数据内容，为调试和维护提供了极大的方便。（9）停电记忆功能PLC内部的部分存储器所使用的RAM设置了停电保持器件（如备用电池等），以保证存储器中信息能够长期保存。利用某些记忆指令，可以对工作状态进行记忆，以保持PLC断电后的数据内容不变。PLC电源恢复后，可以在原工作基础上继续工作。（10）故障诊断功能 PLC可以对系统构成、某些硬件状态、指令的合法性等进行自诊断，发现异常情况，发出报警并显示错误类型，如属严重错误则自动终止运行。PLC的故障自诊断功能大大提高了PLC控制系统的安全性和可维护性。3.1.3 S7-200PLC的简介S7-200PLC由基本单元（S7-200CPU模块）、个人计算机（PC）或编程器、STEP7编程软件以及通信电缆等构成。S7-200CPU模块也称为主机，有中央处理单元（CPU）、电源以及数字量的输入、输出单元组成。输入端子和输出端子是PLC与外部输入信号和外部负载联系的窗口。主机的型号规格种类较多，以适应不同控制场合的需求。如S7-200CPU22X系列产品CPU221模块、CPU222模块、CPU224模块、CPU226模块及CPU226XM模块。CPU22X系列产品指令丰富、速度快、具有将强的通信能力。CPU负责执行程序和存储数据以便对工业自动控制任务或过程进行控制。（1） 输入和输出是系统的控制点:输入信号来自现场的各种传感器及检测开关(模拟量及开关量)，输出部分则控制泵、电机、以及工业过程中的其他设备。（2） 电源向CPU及其所连接的任何模块提供电力。（3） 通讯端口允许将S7-200CPU同编程器或其他一些设备连接起来。（4） 状态信号灯显示了CPU的工作模式，本机Io/的当前状态，以及检查出的系统错误。（5）通过扩展模块可增加CPU的1/O点数。通过扩展模块可提供其通讯性能。一些CPU具有内置的实时时钟，其他CPU则需要实时时钟卡EEPROM卡可以存储CPU程序，也可以将一个CPU中的程序传送到另一个CPU中。（6）通过可选的插入式电池盒可延长RAM中的数据存储时间。S7-200PLC的接口模块有数字量模块、模拟量模块、智能模块等3.1.4 PLC控制系统设计原则及设计步骤(1) 设计原则(a)充分发挥PLC功能，最大限度地满足被控对象的控制要求。(b)在满足控制要求的前提下，力求使控制系统简单、经济、使用及维修方便。(c)保证控制系统安全可靠。(d)应考虑生产的发展和工艺的改进，在选择PLC的型号、IO点数和存储器容量等内容时，应留有适当的余量，以利于系统的调整和扩充。(2) 设计步骤(a)熟悉被控对象，制定控制方案 分析被控对象的工艺过程及工作特点，了解被控对象机、电、液之间的配合，确定被控对象对 PLC控制系统的控制要求。(b)确定IO设备 根据系统的控制要求，确定用户所需的输入(如按钮、行程开关、选择开关等)和输出设备(如接触器、电磁阀、信号指示灯等)由此确定PLC的IO点数。(c)选择PLC 选择时主要包括PLC机型、容量、IO模块、电源的选择。(d)分配PLC的IO地址 根据生产设备现场需要，确定控制按钮，选择开关、接触器、电磁阀、信号指示灯等各种输入输出设备的型号、规格、数量；根据所选的PLC的型号列出输入输出设备与PLC输入输出端子的对照表，以便绘制PLC外部IO接线图和编制程序。(e)设计软件及硬件进行PLC程序设计，进行控制柜（台）等硬件的设计及现场施工。由于程序与硬件设计可同时进行，因此，PLC控制系统的设计周期可大大缩短，而对于继电器系统必须先设计出全部的电气控制线路后才能进行施工设计。(f)联机调试 联机调试是指将模拟调试通过的程序进行在线统调。开始时，先不带上输出设备（接触器线圈、信号指示灯等负载）进行调试。利用编程器的监控功能，采分段调试的方法进行。各部分都调试正常后，再带上实际负载运行。如不符合要求，则对硬件和程序作调整。通常只需修改部分程序即可，全部调试完毕后，交付试运行。经过一段时间运行，如果工作正常、程序不需要修改则应将程序固化到EPROM中，以防程序丢失。(g)整理技术文件 包括设计说明书、电气安装图、电气元件明细表及使用说明书等5。4 SBR污水处理系统的硬件设计4.1 PLC的选择由于设计的污水处理控制系统是应用在小型规模的污水处理厂，本系统选用西门子小型PLC S7-200系列，主机型号为CPU 224, 具有14个数字输入点和10个数字输出点，2个模拟量的输入和1个输出。可以用于代替继电器的简单控制场合，也可以用于复杂的自动化控制系统。由于它有极强的通信功能，在大型网络控制系统中也能充分的发挥其作用6。4.2 I/O分配表根据控制要求与设计方案，列出I/O分配表，如表4-1所示。表4-1 I/O分配表4.3 硬件设计总体说明(1)SBR污水处理系统控制对象电动机均由交流接触器完成起、停控制滗水器电动机要采用正、反转控制。(2)进水泵、回流泵、罗茨风机、滗水器电动机分别采用热继电器实现过载保护。(3)罗茨风机的控制要求在无负载条件下起动或停机。(4)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。(5)PLC选用继电器输出型。(6)PLC自身配有24V直流电源，外界负载时考虑其供电容量。PLC接地端采用第三种接地方式，提高抗干扰能力。(7)控制系统的要求具有自动和手动方式。4.4 SBR污水处理电气控制原理图设计4.4.1 主电路设计 SBR污水处理系统主电路如图4-1所示图4-1 SBR污水处理电气控制系统主电路(1) 主回路中交流接触器KM1、KM2、KM3分别控制回流泵M1、风机M2、进水泵M3；交流接触器KM4、KM5控制滗水器电动机M4，通过正、反转完成滗水器的启动和停止，从而使滗水器下潜与上升。(2) 电动机M1、M2、M3、M4由热继电器FR1、FR2、FR3、FR4实现过载保护。滗水器电动机M4控制器内还装有常闭热保护开关，对滗水器电动机M4实现双重保护。(3) QF为电源总开关，既可完成主电路的短路保护，又起到分断三相交流电源的作用，使用方便。(4) 熔断器FU1、FU2、FU3、FU4分别实现各负载回路的短路保护。FU5、FU6分别完成交流控制回路和PLC控制回路的短路保护。4.4.2 交流控制电路设计SBR污水处理系统交流控制电路如图4-2所示。图4-2 SBR污水处理系统交流控制电路(1) PLC供电回路采用隔离变压器TC，以防止电源干扰。(2) 隔离变压器TC的选用根据PLC耗电量配置，可以配置标准型、变比1：1、容量100VA隔离变压器。(3) 回流泵M1、罗茨风机M2、进水泵M3分别有故障指示灯HL6、HL5、HL4，由KM1、KM2、KM3接触器常开辅助触点控制。4.4.3 PLC接线图设计 结合系统控制电路图4-2和PLC的I/O端口分配表4-1，画出PLC外围接线图，如图4-3所示：图4-3 PLC外部接线图SBR污水处理系统有.个14个输入量5个输出量，Q0.0和Q0.1分别代表了下潜滗水器和上升滗水器，Q0.2、Q0.3、Q0.4分别代表了起停回流泵、起停风机、起停进水泵图4-3 只是简单的表明PLC外围接线情况，并不是严格意义上的外围接线情况。它忽略了以下因素：(1) 直流电源的容量；(2) 电源方面的抗措施；(3) 输出方面的保护措施；(4) 系统的保护措施等7。4.4.3 元器件目录表表4-2 SBR污水处理系统元器件目录表序号文字符 号名 称数 量规格型号备 注1M1-M4电动机4Y系列三相异步交流电动机2FR1-FR4热继电器4JR16B-20/3参照电动机整定电流3FU1-FU4熔断器12RL1-15熔体2-10A4FU5,FU6熔断器2RT16-32X熔体2A5QF断路器1C45AD脱扣电流10A6TC隔离变压器1BK-100变比1:1AC220V7SB1复位1LAY378SB2自动状态1LAY379SQ1，sQ2限位开关2LAY37-D210SB7-SB12手动开关5LAY37-D211KM1-KM4交流接触器4DJX-9线圈电压：AC220V12KA2-KA3中间继电器2HH52P线圈电压：AC220V13HL1-HL6指示灯6AD16-22LED显示：AC220V14PLC可编程序控制器1S7200-CPU224继电器输出4.5 SBR污水处理系统设备SBR污水处理系统中所使用的动力设备(进水泵、罗茨风机、回流泵、滗水器电动阀)，均采用三相交流异步电动4.5.1 进水泵 进水泵选择单级离心泵，单级离心泵适用于供暖及空调系列冷热水循环、水厂供水、消防喷淋、管道增压、泳池供水、喷泉供水、农田灌溉和工业用液体的输送等。系统选用单级离心泵：LS50-10-A。扬程10m，流量29m3/h，1kW。4.5.2 罗茨风机罗茨风机在污水处理系统中主要用于曝气。主要用途有废水处理、燃烧后灰烬处理；集尘装置；排烟脱硫、环境调节设备；排气、干燥、空气输送；气体及粉粒体输送、水产养殖；利用空压输送、液体搅拌。主要特点有排出气体不含油污。风量稳定，压力变化对风量影响小。特殊叶轮设计，高效率省能源。构造简单坚固、无故障。使用一级研磨齿轮，精度高、寿命长、低噪音。叶轮采用最新之龙门刨床四轴加工法，一次加工完成，使其具有更高之精密度。系统选用罗茨风机：GRB-100，风量：10.61m/min，风压：7000mmAq，转数1750r/min，功率：22kw。4.5.3 回流泵回流泵在系统中主要用于污泥回流。污泥回流泵是在潜水搅拌机生产技术基础上开发的新型产品，该泵为二级污水处理厂混合液回流、反硝化脱氮的专用设备，亦可以用于地面排水时抽净化水；灌溉和控制水道系统；废水处理过程中再循环或泥浆抽吸回路中需要微扬程、大流量场所。系统选用回流泵：CP5(T)3.7-80，流量：45m/h，扬程：15m，功率：3.7kw。4.5.4 滗水器悬臂式电动推杆滗水器是序批式活性污泥法处理污水的专用排水设备。在工艺排水阶段，通过控制电动推杆的伸缩，滗水器按时、按量的排放池内上清液，从而使SBR反应池进入下周期循环。主要特点采用宽堰口，薄层滗水，堰口下部的水体不受扰动，确保活性污泥不被带出；水下部分均采用不锈钢材质，耐腐蚀性强；根据工艺要求，对滗水量及滗水深度可在一定范围内任意调整；工程投资少，运行成本低，可实现自动化运行。系统选用滗水器：BSQ200悬臂式，滗水量：200m/h，功率：1.1kw8。5 SBR污水处理系统软件程序设计5.1 SBR污水处理控制流程图根据控制要求，建立SBR污水处理系统控制流程图，程序主要依据SBR法污水处理工艺(进水、反应、沉淀、排水)，根据各环节设备的运行状况进行编制表达出各控制对象的时间顺序，相互间的制约关系。在明确PLC寄存器空间分配，确定专用寄存器的基础上，进行控制系统的程序设计。具体一个SBR池、一个周期的流程图如图5-1所示9。图5-1 一个SBR池一个周期的流程图5.2 梯形图程序根据控制要求、I/O分配表，设计PLC梯形图，如图5-2所示。图5-2 梯形图程序6 监控软件的设计6.1 组态王软件简介组态王软件是一种通用的工业监控软件，他融过程控制设计、现场操作以及工厂资源管理于一体，将一个企业内部的各种生产系统和应用以及信息交流汇集在一起，实现最优化管理。他基于Microsoft Windows XP/NT/2000 操作系统，用户可以在企业网络的所有层次的各个位置上都可以及时获得系统的实时信息。采用组态王软件开发工业监控工程，可以极大地增强用户生产控制能力、提高工厂的生产力和效率、提高产品的质量、减少成本及原材料的消耗。他适用于从单一设备的生产运营管理和故障诊断，到网络结构分布式大型集中监控管理系统的开发6.1.1 组态王的特点组态王软件作为一个开放型的通用工业监控软件，支持与国内外常见的 PLC、智能模块、智能仪表、变频器、数据采集板卡等（如：西门子 PLC、莫迪康 PLC、欧姆龙 PLC、三菱 PLC、研华模块等等）通过常规通信接口（如串口方式、USB 接口方式、以太网、总线、GPRS等）进行数据通信。 组态王软件与 IO设备进行通信一般是通过调用*.dll 动态库来实现的，不同的设备、协议对应不同的动态库。工程开发人员无须关心复杂的动态库代码及设备通信协议，只须使用组态王提供的设备定义向导， 即可定义工程中使用的 I/O设备， 并通过变量的定义实现与 I/O设备的关联，对用户来说既简单又方便。主要功能特性：（1）可视化操作界面，真彩显示图形、支持渐进色、丰富的图库、动画连接。 （2）无与伦比的动力和灵活性，拥有全面的脚本与图形动画功能。 （3）可以对画面中的一部分进行保存，以便以后进行分析或打印。 （4）变量导入导出功能，变量可以导出到Excel表格中，方便的对变量名称等属性进行修改，然后再导入新工程中，实现了变量的二次利用，节省了开发时间。 （5）强大的分布式报警、事件处理，支持实时、历史数据的分布式保存。 （6）强大的脚本语言处理，能够帮助你实现复杂的逻辑操作和与决策处理。（7）全新的WebServer架构，全面支持画面发布、实时数据发布、历史数据发布以及数据库数据的发布。 （8）方便的配方处理功能。 （9）丰富的设备支持库，支持常见的PLC设备、智能仪表、智能模块10。6.1.2 组态王的功能组态软件具有监控和数据采集系统，好处之一就是能大大缩短开发时间，并能保证系统的质量。能快速便捷地进行图形维护和数据采集。组态王提供了丰富的快速应用设计的工具。（1）快速便捷的应用设计；（2）丰富的可扩充的图形库；（3）对多媒体的支持；（4）灵活简便的变量定义和管理；（5）强大的控制语言；（6）采集和显示历史数据；（7）全新的灵活多样、操作简单的内嵌式报表；（8）配方管理；（