基于PLC控制的污水处理装置设计

1、基于PLC控制的污水处理装置设计 毕业论文系 部： 电子工程系 学生姓名： XX 专业班级： 电子07C2 学 号： 072211217 指导教师： XX 2010年 3 月 20 日声 明本人所呈交的 基于PLC控制的污水处理装置设计 ，是我在指导教师的指导和查阅相关著作下独立进行分析研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含其他个人已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中作了明确说明并表示谢意。作者签名： 日期： 2010.3.20 【摘要】PLC即可编程序控制器，它是一种专门为工业控制设计的通用自动控制装置。它将计算机技术、自动控制技术

2、和通信技术融为一体，已成为现代工业自动化的支柱之一。本文设计内容包括四种，第一流是量控制：由流量计计量流量，并通过调整进水阀的开度调整流量的快慢。第二是中和处理：由PH计测量污水的酸碱值调节酸、碱阀的开闭进行中和反应，使水呈中性。第三是温度控制：由温度计计量，若水温过高则加水降温，使温度适中。第四是水位控制：由水位计计量，通过控制排水阀的开度控制水位。系统运行后，搅拌器一直搅拌。根据控制要求，选择所需的传感器及其他硬件，以实现该控制系统。PLC应用于污水处理系统中有很多优点，运行结果表明该系统设计具有可行性、可靠性等良好的性能。【关键词】：PLC；控制系统；工业污水处理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 录引言 01页一、PLC简介 01页二、基于PLC控制的污水处理装置的设计 02页（一）PLC选型 02页（二）控制系统的I/O点及地址分配 04页（三）污水处理系统控制电路 06页三、污水处理系统的软件设计 07页（一）程序流程图 07页（二）主程序 08页（三）初始化子程序

8、12页（四）PI控制中断程序 12页四、结束语 13页参考文献 15页致谢 15页引言随着中国经济的发展和人民生活水平的逐渐提高，必然对环境质量提出更高的要求。解决好水污染问题，对污水进行处理后再进行排放，是生态环境保护以及为人们营造舒适生活环境的重要条件。城市污水处理设施是现代化城市经济发展和水资源保护不可或缺的组成部分。城市污水处理厂在发达国家己有较成熟的经验。如英国、德国、芬兰、荷兰等欧洲国家均己投巨资对因工业革命和经济发展带来的城市水污染进行治理，日本、新加坡、美国、澳大利亚等国家也对城市污水处理给予了较大投资，特别是新加坡并没有走先污染后治理的道路，而是采取经济与环境协调发展的政策。

9、我国城市污水处理技术发展起晚，20世纪50年代前还停留在水体自净阶段；60年代进入农田利用阶段；70年代，许多城市开始注意城市污水处理问题并采取了一定的措施，但重点放在工业污染源的分散治理上，污水处理进入了分散治理阶段；进入80年代后，污水处理进展较快，进入了水污染的综合防治阶段。我国第一座大型城市污水处理厂 天津市纪庄子污水处理厂于1984年4月28日竣工投产运行，处理规模为216x105m3/d。在此成功经验的带动下，北京、上海、广东、广西、陕西、山西、河北、江苏、浙江、湖北、湖南等省市根据各自的具体情况分别建设了不同规模的污水处理厂几十座。到2000年底，全国己建设城市污水处理厂427座

10、，其中二级处理厂282座，这些污水处理设施对遏止水环境污染加剧的趋势起到了重要作用。但是，不容乐观的是，我国的城市污水处理率目前还不到20%。污水处理所采用的工艺技术是污水处理厂的核心部分。然而，利用常规技术处理废水耗电能多、费用高，如普遍采用和推广，不要说在第三世界国家难以实现，就是在经济发达国家也非易事。土地处理法和氧化塘法由于其低投资、低能耗以及与生态处理相结合具有深度处理的功能，而PLC可以通过工业以太网控制网络与其编程软件进行交互，技术人员可以在比较良好的环境下通过网络对程序进行修改，而不必到环境恶劣的现场去操作。为确保污水处理工艺和设备能够长期安全可靠地运行，故采用西门子S7-20

11、0PLC可编程序控制器，本文将就如何在该系统中实现西门子PLC S7-200控制系统进行研究。一、PLC简介可编程控制器之所以被广泛的应用于现代的工业控制中，是因为它与其他工业控制装置相比，有其显著优点。可编程控制器与传统的继电器相比，它具有如下优点：由于采用大规模集成电路和计算机技术，因此可靠性高、逻辑功能强、体积小。在需要大量中间继电器及时间继电器和计数继电器的场合，PLC无需增加设备，利用微处理器及存储的功能，就可以很容易的完成这些逻辑组合和运算，大大降低了控制成本。PLC采用软件编制程序来完成控制，所以随着要求的变更对程序进行修改显得十分方便。而对于布线逻辑的继电器，逻辑控制则难以办到

12、。可编程序控制器与计算机相比，它具有如下优点：PLC采用了面向操作的逻辑语言，以继电器逻辑梯形图为表达式。一个熟练的电工2天就可以掌握它的使用方法和编程技巧。PLC是在恶劣的工业环境中运行的，因而它的设计着眼于可靠、高抗干扰、密封及坚固。它没有一般计算机必须的环境要求。PLC一般具有模块结构，可以针对不同的对象进行组合和扩展,以满足工业控制的需要，因而具有很好的性能/价格比。可编程序控制器与单片机相比，它具有如下优点：PLC各个功能部件采用模块化结构，若某一部件损坏，只要换一个模块即可，而单片机是一个芯片，这样PLC就经济许多。PLC具有逻辑控制、定时控制、步进控制、数据处理、监控通信联网、停

13、电记忆故障诊断等功能。而单片机用于测控系统、智能仪表、智能接口等。PLC一般对多被控对象来进行实时监控，且指令简单易学；而单片机一般对单一被控对象，且其指令相对复杂。PLC的优点很多，但是它与单片机、计算机相比，PLC速度较低。尽管如此，本设计仍然选用PLC。因为，工业污水处理并不要求有太快的速度，而且还由它的实地环境决定。因此本设计选用它做为中心控制装置，利用流量传感器、PH计、温度传感器和液位传感器的检测功能对污水进行处理，使其减少污染，达到标准，以便保护环境，节约用水的功能。根据环保部门要求处理后水的pH值应在68之间，当pH值小于6呈酸性时，需要加入碱性药水来中和；当pH值大于8呈碱性

14、时，需要加入酸性药水。通常某工厂的生产工艺稳定后，pH值要么呈现酸性，要么呈现碱性，不可能来回摆动，所以加入药水的性质也是一定的。由于水的pH值在7附近极易波动，如果加入的中和用药水过多或过少，都会使其pH发生偏差。采用人工控制的方式很难完成控制要求，故需要依靠自动控制系统，并配以PID算法来保证控制精度。在工厂中，通常有大量的强电设备，电源和电磁环境有时非常复杂，若采用单片机在自身性能上有局限性，所以无法满足控制要求。若采用以工控机为核心的控制系统，在性能方面虽没有问题，但成本相对较高。由于可编程逻辑控制器可靠性高、对环境要求低，有多种输入/输出开关量点数组合，开关量和模拟量有良好的可扩展性

15、，可独立组成成本较低的自动控制系统，所以在污水处理控制系统中被大量采用。二、基于PLC控制的污水处理装置的设计（一）PLC选型本设计采用德国西门子公司生产的S7-200系列PLC。S-200PLC是德国西门子公司生产的一种小型PLC，其许多功能已达到大、中型PLC的水平，而价格却和中小型PLC的一样。因此，它一经推出，即受到了广泛的关注。特别是S7-200CPU22*系列PLC，由于它具有多种功能模块和人机界面可供选择，所以系统的集成非常方便，并且可以很容易地组成PLC网络。同时它具有功能齐全的编程和工业控制组态软件，使得在完成控制系统的设计时更加简单，几乎可以完成任何功能的控制任务。S7-2

16、00的CPU模块包括一个中央处理单元、电源及数字I/O点，这些都被集成在一个紧凑、独立的设备中。CPU负责执行程序，输入部分从现场设备中采集信号，输出部分则输出控制信号，驱动外部负载。西门子S7-200系列是西门子公司前几年刚刚投入市场的小型可编程序控制器。它价格低廉，结构小巧，可靠性高，运行速度快，有极丰富的指令集，具有强大的多种集成功能和实时特性，可以单机运行，也可以进行输入/输出和功能模块的扩展。CPU单元共有五种配置，具体结构如表1所示：表1 S7-200PLC配置型号存储器容量最大扩展电流输入点输出 点可扩展模块数可扩展模拟块数CPU2213K064无无CPU2223K340mA86

17、21CPU2246K660mA141074CPU224XP6K1000mA241674CPU22613K1000mA241674当CPU的I/O点数不够用或需要进行特殊功能的控制时，就要进行I/O扩展。I/O扩展包括I/O点数的扩展和功能模块的扩展。不同的CPU有不同的扩展规范。它主要受CPU的功能限制。S7-200系列CPU提供一定数量的主机数字量I/O点，但在主机I/O点不够的情况下，就必须使用扩展模块的I/O点。典型的数字量输入/输出扩展模块有：输入扩展模块EM221有两种：8点DC输入、8点DC输出。输出扩展模块EM222有三种：8点DC晶体管输出、8点AC输出、8点继电器输出。输入/

18、输出混合扩展模块EM223有六种：分别为4点（8点、16点）DC输入/4点（8点、16点）DC输出、4点（8点、16点）DC输入/4点（8点、16点）继电器输出。当需要完成某些特殊功能的控制时，CPU主机可以扩展特殊功能模块。典型的特殊功能模块有：1. 模拟量输入/输出扩展模块模拟量输入扩展模块EM231有3种：4路模拟量输入、2路热电阻输入和4路热电偶输入。模拟量输出扩展模块EM232具有2路模拟量输出。模拟量输入/输出扩展模块EM235具有4路模拟量输入/1路模拟量输出。2. 特殊功能模块功能模块有EM253位置控制模块、EM277 PROFIBUS-DP模块、EM241调制解调器模块、C

19、P243-1以太网模块、CP243-2 AS-i接口模块等。粗略估计本设计共需要数字量输入12个，数字量输出32个，模拟量输入4个。由于CPU221无法扩展模块，CPU222只能扩展2个模块，二者均无法达到I/O设计要求。因此本设计采用CPU226，24点输入，16点输出，并外加扩展模块EM222一个，EM231一个，如图1所示。即可达设计要求，并留有一定余量。图1PLC系统组成（二）控制系统的I/O点及地址分配CPU是PLC的核心，起神经中枢的作用，每套PLC至少有一个CPU，它按PLC的系统程序赋予的功能接收并存贮用户程序和数据，用扫描的方式采集由现场输入装置送来的状态或数据，并存入规定的

20、寄存器中，同时，诊断电源和PLC内部电路的工作状态和编程过程中的语法错误等。进入运行后，从用户程序存贮器中逐条读取指令，经分析后再按指令规定的任务产生相应的控制信号，去指挥有关的控制电路。本设计根据系统的总体方案，控制系统的输入/输出信号的名称、代码及地址编号如表2所示。表2输入/输出点代码和地址编号地址名称符号I0.0液位传感器手动按钮1SB1 I0.1液位传感器停止按钮1SB2 I0.2流量传感器手动按钮1SB5 I0.3流量传感器停止按钮1SB6 I0.4温度传感器手动按钮1SB9 I0.5温度传感器停止按钮1SB10 I0.6酸碱度传感器手动按钮1SB13 I0.7酸碱度传感器停止按钮

21、1SB14 I1.0PLC手动按钮SA1I1.1PLC停止按钮SA2I1.2液位传感器手动按钮2SB3I1.3液位传感器停止按钮2SB4I1.4流量传感器手动按钮2SB7I1.5流量传感器停止按钮2SB8I1.6温度传感器手动按钮2SB11I1.7温度传感器停止按钮2SB12I2.0酸碱度传感器手动按钮2SB15I2.1酸碱度传感器停止按钮2SB16AIW0液位传感器信号SLAIW2温度传感器信号STAIW4流量传感器信号SDAIW6酸碱度传感器信号SPQ0.01#LED搅拌机1工作HL1Q0.12#LED搅拌机2工作HL2Q0.23#LED PLC工作状态HL3Q0.34#LED流量正常HL

22、4Q0.45#LED流量故障HL5Q0.56#LED温度正常HL6Q0.67#LED温度故障HL7Q0.78#LED液位正常HL8Q1.09#LED液位故障HL9Q1.110#LED酸碱度正常HL10Q1.211#LED酸碱度故障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排水阀开大SD1Q2.0排水阀关闭SD2Q2.1排水阀开大SD3Q2.2排水阀关闭SD4Q2.3排水阀开大SD5Q2.4排水阀关闭SD6Q2.5排水阀开大KM10Q2.6排水阀关闭KM5Q2.7加水阀开

23、大KM9Q3.0加水阀关闭KM8Q3.1加酸阀们开KM6Q3.2加碱阀们开KM7Q3.3加酸阀门关KM3Q3.4加碱阀们关KM4Q3.5搅拌机1工作KM1Q3.6搅拌机2工作KM2Q3.7备用备用（三）污水处理系统控制电路图2 电控系统控制电路电控系统控制电路如图2所示。图中SA为手动/自动转换开关，SA打在上面是自动控制状态，打在下面是手动控制状态。手动运行时，可用SB1-SB16控制各个传感器阀门的开/关以及搅拌机的启/停，从左到右依次是流量控制、液位控制、酸碱中和控制和温度控制。当按下启动按钮SB1时，整条线路得电，此时搅拌机1（KM1）开始工作，此时KM1得电自锁，搅拌机1持续工作。同

24、时HL8指示灯点亮。按下停止按钮SB2，线路断开，搅拌机停转，同时HL8灯灭。若流量过快，则通过流量传感器检测的信号，按下SB3，此时KM5得电工作，同时由于互锁，KM1断开连接停止工作。同理可知，若液位测量值在上限与下限之间时，搅拌机正常工作，若液位过高或过低，则通过对应的进水与出水阀门来调节，此时HL5点亮。图中为了保险每个按钮之间均有互锁，为防止误动作的操作。自动运行时，系统在PLC程序控制下运行，SA2为PLC运行停止按钮。图中HL1-HL15分别为各个状态的指示灯，可以根据灯的亮灭来更方便操作人员的观察各个状态。三、污水处理系统的软件设计（一）程序流程图图3 系统流程图系统流程图如图

25、3所示。根据流程图将本程序分为三部分：主程序、中断程序和初始化程序。逻辑运算等放在主程序中。系统初始化的一些工作放在初始化子程序中完成，这样可以节省扫描时间。利用定时器中断功能实现PID控制的定时采样及输出控制。在本系统中，只是用比例（P）和积分（I）控制，其回路增益和时间常数可通过工程计算初步确定，但还需要进一步调整以达到最优控制效果。初步确定的增益和时间常数为：增益；采样时间；积分时间min。（二）主程序液位控制手动部分梯形图设计流量控制手动部分梯形图程序设计温度控制手动部分梯形图程序设计酸碱中和控制手动部分梯形图设计上电初始化，调初始化子程序给定各水泵液位限定值符合放水条件时，水泵号加1液位上限时，开阀放水液位下限时减泵符合减泵条件时，水泵号减1倒泵时，置位M2.