海上平台污水处理系统

1、东北石油大学本科生毕业设计（论文摘 要本文以中海油天津分公司渤中28-2S CEP中心平台污水处理系统为背景，研究海上平台污水处理系统，在这里我们首先到勃中28-2S CEP中心平台进行实习，在实习过程中，初步认识污水处理系统的工艺流程，回到学校后，到图书馆查阅污水处理方面的文献，了解课题研究的背景及必要性，并且了解国内外污水处理系统的现状，然后认真学习渤中28-2S CEP平台污水处理系统的工艺流程，熟悉污水处理系统设备，以及设备参数控制方法，在学习了解的基础上，对工艺进行控制，在这里控制方法有很多，我们经过分析对比，最终选择PID控制，并用力控对系统进行上位机组态设计，下位机用西门子PLC

2、进行控制。关键字：污水处理；组态； PID；PLCAbstractThe Tianjin Branch of CNOOC Bozhong 28-2S CEP platform system for sewage treatment, sewage treatment system of offshore platform, here we first go to the 28-2S CEP platform. In practice, in the practice process, a preliminary understanding of process flow of sewage t

3、reatment system, back to school, to the library access to sewage treatment literature, understand the research background and necessity, and to understand the current status of domestic sewage treatment system, and then study the Bozhong 28-2S CEP platform process wastewater treatment system serious

4、ly, familiar with the sewage treatment system equipment, and equipment parameter control method, based on the understanding of learning, to control the process, here the control there are many methods, we after analysis and comparison, the final choice of PID control, and force control for PC config

5、uration design of the system, using Siemens PLC PLC control.Keywords: Sewage treatment; configuration; PID; PLC目 录第1章 概述11.1 课题研究的背景及必要性11.2 工业污水处理的国内外现状21.3 海上平台污水处理系统方案的提出2第2章 渤中28-2南CEP生产污水处理系统42.1 海上平台污水处理系统工艺流程42.2 海上平台污水处理系统设备介绍52.3 海上平台污水处理系统监控操作102.4 小结10第3章 污水处理系统控制算法123.1 污水处理系统控制算法的选择123.

6、2 污水处理系统PID控制算法123.3 污水处理系统PID控制算法编写133.4 小结14第4章 污水处理系统下位机PLC设计154.1 软件开发平台和开发语言的选择154.2 西门子S7-200 PLC组成及工作原理164.3 污水处理系统PLC开发设计184.4 小结20第5章 污水处理系统上位机组态设计215.1 污水处理系统上位机力控6.0简介215.2 污水处理系统组态人机界面设计原则225.3 污水处理系统组态开发235.4 小结33结论34参考文献35致 谢3652第一章 概述1.1 课题研究的背景及必要性随着航运业和海洋开发的空前发展，海洋环境的污染也越来越严重，人类对海洋环

7、境保护也日益重视。平台生产过程中产生的生产污水对海洋环境构成了较为严重的流动性污染源。船舶生产污水处理系统就是为了防止由船舶和海洋平台产生的生产污水对航行水域造成污染而在船上和平台上设置的特定处理装置。随着社会的发展，水资源已经成为影响工业发展的重要因素，现代工业中生产工艺和设备对水质要求越来越高。但是我国工业用水耗费高，重复利用水少，中水使用率不高，有关资料显示，我国的工业用水重复利用率平均为40%50%。目前全国城市污废水的处理率（达排放标准的）仅有10%左右，其余的污废水都直接排入河川、湖泊、海洋。耗水量高、重复利用率低、污染严重是我国工业系统水资源利用的突出问题。严重的环境污染使有限的

8、水资源日益减少、水质日益恶化，无疑是“雪上加霜”。据统计，由于水质污染，我国已有大约3亿人的饮水发生不安全现象，其中1.9亿人的饮水是超标水。气象学家预测，2100年全球变暖加剧，地表将有1/3的面积变为沙漠，那时，干旱将威胁全球一半的大陆人类的生存。这些现象都是水污染产生的严重后果，因此工业污水处理项目的实施已经刻不容缓。众多迹象表面，水资源的短缺无疑将成为制约经济持续协调发展的瓶颈，因此世界各国越来越重视水处理和水的再利用，通过各种技术进一步提高供水质量，提高经济效益。并且工业污水处理过程中，经过厌氧和好氧处理，污水中的热量、沼气等再生能源可以为工业生产提供二次能源，真正实现变废为宝、循环

9、经济的目的。随着环境保护的呼声越来越高，工业污水处理已经体现出其必要性和紧迫性，对于各种污水进行处理后排放成为各企业基本的要求。在工厂的工业污水处理过程中，污水来源的不稳定以及工厂中各种污水的成分的复杂性，对工业污水处理的工艺和控制方式提出了非常高的要求。未来10年，中国工业污水处理项目工程建设投资将超过2500亿元，其中工业污水处理设备投入约300亿元。采用先进、实用的技术改造传统工艺，在环保工程中广泛采用先进的自动控制技术，是推动环保产业升级，实现环保发展战略的重要环节。在这种形势下工业污水处理自动化控制系统无疑是一个具有巨大的社会效益、环境效益及经济效益的研究课题。对于环境保护问题，国务

10、院明确规定所有工业污染源都必须达到排放标。其中处理过的污水还可以循环再利用，由于我国是一个水资源匮乏的国家，而且时空分布上极不均匀，许多地区和城市严重缺水。所以水资源也是一种保护。因此，从环保、注水等多方面的因素考虑，对于工业污水处理非常有必要。因此，有效的结合目前最新的工艺状况、计量自控检测仪表使用、PLC 控制系统技术，将为当前工业污水处理控制系统提供有效的自控方法。1.2 工业污水处理的国内外现状 我国工业污水处理技术从“七五”国家科技攻关开始逐步进行研究。“七五”和“八五”攻关项目在氧化塘、土地处理和复合生态系统等自然处理技术方面的研究较多，以这些成果为设计依据，建立了一些氧化塘、土地

11、处理等污水示范工程。在人工处理技术方面，“八五”对高负荷活性污泥、高负荷生物膜、一体化氧化沟技术进行了深入研究。研究成果己被应用于大批工业污水处理厂。污水厂污泥处置问题在“九五”科技攻关中受到重视，并配套开发成套的污泥处理。经过“七五”、“八五”和“九五”期间的努力，我国在工业污水处理技术方面取得了较大的成就。目前在水污染治理技术上，我国已能提供下列工艺技术传统活性污泥法技术、各种新型活性污泥工艺如：SBR法和氧化沟技术等、酸化水解好氧技术和多种类型的稳定塘技术等，这些污水治理技术已经在水体污染、改善水体环境方面发挥了突出的作用，标志着我国工业污水处理事业发展到了一个崭新的阶段。现阶段，我国工

12、业污水处理的工作重点已经从工艺技术的研究转移到具体项目的实施。国际上，大规模的水污染治理是在第二次世界大战后，随着50年代经济的蓬勃发展带来的60年代日益严重性的环境污染而展开的。工业污水处理设施中，城市排水管线和工业污水处理厂的兴建和运行在水污染控制中发挥着骨干作用。至70年代末，美国投入了数千亿美元兴建了18000余座城市工业污水处理厂，英国、法国、德国更耗费了巨额资金兴建了7000至8000座城市工业污水处理厂。这些工业污水处理厂的投入对国家的水体污染改善起了关键的作用，也为人类治理水污染积累了丰富的经验。现在，这些国家的工业污水处理水平又有了进一步提高，兴建了一批具有脱氮除磷功效的设施

13、，对水体质量改善和水环境保护起了重大的作用。1.3 海上平台污水处理系统方案的提出海上平台污水处理系统的工艺流程是一级分离器分离出来的生产污水经过斜板除油器进行初次处理，处理后的污水含油量在200400ppm，依靠重力流入加气浮选器进行处理，经过加气浮选器之后含油量达到3060ppm，再通过输送泵进入双介质滤器，在这里处理后的污水含油量15ppm后就达到处理要求，然后送入储水罐，在经过注水缓冲罐打入油井下以平衡井下压力，提高采油量。通过上述的工艺要求分析，我们在这里提出方案，由于在污水处理系统中许多罐体的液位需要控制，而且在液位控制中我们用的控制算法是离散式PID，算法在上位机组态中实现，下位

14、机中我们用的西门子S7-200系列的PLC，CPU型号为226,PLC梯形图的编写用的是STEP 7 MicroWIN SP6。第2章 渤中28-2南CEP生产污水处理系统2.1 海上平台污水处理系统工艺流程渤中28-2S CEP生产污水处理系统基本工艺流程为：一级分离器分离出来的生产污水斜板除油器加气浮选器双介质滤器供给泵双介质滤器污水罐注水缓冲罐。一级分离器生产污水斜板除油器污油罐加气浮选器双介质滤器污水罐注水缓冲罐图2-1 生产污水处理系统工艺流程一级分离器分离出来的生产污水经过斜板除油器进行初次处理，处理后的污水含油量在200400ppm，依靠重力流入加气浮选器进行处理，经过加气浮选器

15、之后含油量达到3060ppm，再通过输送泵进入双介质滤器，在这里处理后的污水含油量15ppm后就达到处理要求，然后送入储水罐，在经过注水缓冲罐打入油井下以平衡井下压力，提高采油量。2.2 海上平台污水处理系统设备介绍渤中28-2S CEP生产污水处理系统主要设备包括：斜板除油器、加气浮选器、气浮循环泵、双介质滤器、污水罐、污油罐、旋流除砂器、注水缓冲罐。1. 斜板除油器勃中28-2S CEP设置有一台斜板除油器，它用来处理从一级分离器、生产水输送泵、分离出来的生产污水，斜板除油器分离的污油依靠重力进入污油罐，生产污水经处理后含油200400ppm，依靠重力流入加气浮选器进行处理；斜板除油器顶部

16、设置有呼吸阀PVSV-3001来控制容器的压力，当压力低于设定值（-1KPaG）时，来自燃料气洗涤罐的天然气进行补压，当压力高于设定值（6KPaG）时，泄压排放至冷空系统。容器还设置了水封装置，水封高度为1000mm。图2-2 斜板除油器工作原理：在油井采出水中，油粒的分布方式主要分为三种：一是粒径100um的浮油，这种浮油约占总含油量的30%左右，在斜板除油器内通过沉降较易分离：第二种是粒径在30100um之间的分散油，通过短时间沉降不易分离，需要经过“粗粒化”，使油粒粒径变大到100um以上后，才能较快的从水中浮上来，这部分油约占含油量的50%左右；第三种油是粒径小于30um的细颗粒油，呈

17、乳化状态，难以用一般的方法分离出来，至少经过二级处理-使油粒粗粒化，粒径增加到60um以上时，才能沉降分离出来。根据上述油水二相中有利的特性分析，斜板除油器设计原理如下：（1）粗粒化原理：粗粒化就是利用有机高强材料或经改性处理的不锈钢材料对水中油粒的亲和粘浮能力。使含油污水或非互溶的液液两相中的碳氢化合物或油，被吸附在这些特种亲油材料的表面，形成油膜，当油膜逐渐增厚，并在水力推动的条件下，油膜就会变为粒径100um的油粒，并立即上浮到液面成为浮油，在用收集浮油的方法将油从水中分离出来，这个过程就是粗粒化过程。（2）浅迟原理：从工艺实用的角度来看，处理含油污水的油水分离技术主要是利用水和油的密度

18、差来分离。根据Stocks定律：出油效率水的密度油的密度油的粒径浮生面积水的黏度处理量从公式可以看出，油滴的脱出效率只与水、油的粒径及表面负荷有关，与浮升高度无关，这就是所谓的“浅迟原理”。因此强化重力沉降从污水中除油，主要从两方面着手：一是采取多层板结构，增大浮生面积，降低表面负荷，多层板距越小，在相同处理量情况下，就可以脱出粒径更小的油滴;二是使细小的油滴聚集成大油滴，从而提高油的浮生分离效率。斜板除油器的设计就是依据上述的两个原理，使进入除油器的含油污水先进行斜板除油器，同时能除沙，再进入平流式波纹管聚结组合装置，除分散油和乳化油，所分离出的油上浮，并定时自动流入收油槽后排到污油罐中去回

19、收，脱油后的生产污水从集油槽下面的通道流过，再从溢流堰板流至集水槽排出。2. 加气浮选器图2-3 加气浮选器勃中28-2S CEP设置有两台加气浮选器，它们并行安装。从斜板除油器出来的生产污水靠重力流入加气浮选器，回流水与气体在文丘里高效汽水混合器中产生强烈的碰撞、混合，将气体大分子切割成细小的气体小分子，使气体以微细粒状态均匀的溶于液体中，形成被气体饱和，均相溶液溶气水，溶气水通过加气浮选器内的喷嘴释放，在水中产生均匀细微的气泡，这些气泡可以捕捉粒径在微米级的油粒并将其裹挟一起上浮，通过顶部的刮油器将污油收集至污油罐，加气浮选器分离的污油进入污油罐，处理后的生产污水（含油量3060ppm）通

20、过输送泵进入双介质滤器。工作原理：通过假期浮选器的文丘里高效汽水混合器和溶气释放器能产生大量的粒径小于10um的微小气泡，大量的小气泡与油滴粘浮，形成气泡油滴聚合体，在浮力的作用下上升到液面，从而实现油水的分离，高效率脱油的条件除了适宜的操作，还必须有适宜的药剂，浮选所用的药剂一般有下面几个作用：1、捕集；2、破乳及絮凝；3、起泡；4、协同。一般情况下，无药剂或药剂不当，脱油效率只有70%80%，而使用合适的药剂可达到90%95%。3. 双介质滤器图2-4 双介质滤器勃中28-2S CEP设置有两台双介质滤器，从加气浮选器出来的生产污水经过双介质滤器喂给泵增压至400KpaG后进入双介质滤器，

21、双介质滤器主要作用是去除水中的污油和悬浮物颗粒，使污水满足回注要求，处理后的污水含油量15ppm，90%95%的大于3um的固体颗粒将被去除，处理合格后的生产污水进入注水系统，正常操作条件下，两台双介质滤器是同时工作的。工作原理：过滤就是通过滤料床的物理和化学作用来去除污水中的微小悬浮物和油珠等，过滤法是一种用于含油污水深度处理的方法，过滤的一方面是通过滤料的机械筛选作用，把悬浮固体、油珠及细菌藻类截留在滤料表面，或转到先前被截留在滤料内的絮凝体表面：另一方面，通过滤料的电化学特性把悬浮物等吸附在滤料表面。4. 污水罐勃中28-2S CEP污水系统设置有一个污水罐，主要是接收双介质滤器及二级分

22、离器分离出来的生产污水，通过污水泵将生产污水输送到斜板除油器进行处理。5污油罐勃中28-2S CEP污水系统设置有一个污油罐，主要是接收斜板除油器和加气浮选器以及双介质滤器输送的生产污油，通过污油泵将污油输送到原油处理系统进行处理。如下图：图2-5 污油罐5.注水缓冲罐勃中28-2S CEP污水系统设置有一个注水缓冲罐，用它来接收处理合格的生产污水，在注入地下油井中来保持地下压力平衡，增加原油产量。图2-6注水缓冲罐6.旋流除砂器图2-7 旋流除砂器旋流除砂器由筒体和椎体二部分组成，壳体上部，即筒体部分分开有切线形进水口，筒体内有旋流组合件，椎体底部开有排砂口，通体顶部开有排水口。地层水进入除

23、砂器旋流管室后，迅速切向进入各旋流管切向进水口，地下水依靠自身的压力，在旋流管内做高速圆周运动，由于离心力的作用，水中沙砾迅速离开圆心，逐渐沉降到管壁，并最终沉降到排砂口，脱离的地下水沿着旋流管的中心不断的上升，并通过出水口排出，从而源源不断的完成地下水的除沙、净化的作用，在除砂器的下部设有锥形斗，该部件的作用是将各旋流产生的泥沙汇集起来，并通过锥形斗端部的砂水排出管阀将泥沙排出。2.3 海上平台污水处理系统监控操作在系统正常投入工作后，每天都要对系统进行监控操作，对主要设备的液位、阀门、流量的进行控制，对处理后的水质进行抽样检查，看看是否合格，如果不合格尽快通知相关人员对系统进行检查。在监控

24、操作的过程中，主要分两部分，一部分是通过中控室进行远程监控，一部分是通过现场的查点进行监控，两个是有机的结合起来的，并能通过无线设备进行相互的通信。为了更好的对系统进行控制，对监控人员列出了一下要求：（1） 生产污水处理系统主要设备的液位、温度、压力、流量和各类调节阀、PCV 阀、SDV阀等的动态变化和运行状态。（2）生产污水处理系统各个泵的运行状态和相关的压力、流量、振动、电流、电压等参数的变化。（3）化验人员定期对水相出口取样化验，并及时将化验结果报告生产监督。（4）生产污水处理系统各种报警信号的确认和处理。（5）现场操作人员通过听、看、闻、摸分析设备的运转状态，确保其运转正常，发现问题及

25、时处理、反映。（6）现场操作人员在日常巡检过程中，对生产污水处理系统相关的设备进行油气泄漏检查，严防跑、冒、滴、漏现象的发生。（7）现场操作人员定期对生产污水处理系统现场仪表进行排液，防止由于管线集液冷凝、冻结导致仪表控制失灵，造成恶性生产事故。（8）现场操作人员定期对生产污水处理系统的电伴热系统进行检查（冬季），发现问题及时反馈。（9）现场操作人员根据录取的生产污水处理系统动态参数，进行相应的流程动态分析，发现问题早处理、早反馈，防止不必要的生产事故。（10）现场操作人员巡检时目测各取样点污水水质，根据具体情况调整流程。2.4 小结在本章中我们研究了海上平台污水处理系统的工艺流程，学习了系统

26、所用的设备，并且怎么去控制这些设备去工作，怎么去判断是否出现故障，怎么对设备进行维护，以及正常的运行工作，了解完这些后，让我对系统有了清晰明了的想法，在接下来的章节中，对系统的设计更加游刃有余，为接下来系统的开发做好基础。在接下来组态的开发中，我们主要围绕着系统的设备进行控制，让各个设备协调的工作，在下位机PLC中，我们主要是围绕着对现场数据的采集，以及对现场阀门的控制量进行控制，以保证各个设备的实际值达到设定值。第3章 污水处理系统控制算法3.1 污水处理系统控制算法的选择在污水处理系统中，我们要控制各个罐体的液位，在这里我们要在上位机中编写控制算法程序来控制液位，控制算法有很多，比如PID

27、控制、模糊控制、神经网络控制等。在这里我们最为熟悉的就是PID控制算法，也跟专业相匹配，并且它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的其它技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用PID控制技术最为方便。即当我们不完全了解一个系统和被控对象，或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时，最适合用PID控制技术，所以在这里我们用PID控制算法。3.2 污水处理系统PID控制算法在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称PID控制，又称P

28、ID调节。PID控制器问世至今已有近70年历史，它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的其它技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用PID控制技术最为方便。即当我们不完全了解一个系统和被控对象，或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时，最适合用PID控制技术。PID控制，实际中也有PI和PD控制。PID控制器就是根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的。比例（P）控制：比例控制是一种最简单的控制方式。其控制器的输出与输入误差信号成比例关

29、系。当仅有比例控制时系 统输出存在稳态误差（Steady-state error）。 积分（I）控制：在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。对一个自动控制系统，如果在进入稳 态后存在稳态误差，则称这个控制系统是有稳态误差的或简称有差系统（System with Steady-state Error）。为了消除稳态误差，在控制器中必须引入“积分项”。积分项对误差取决于时间的积分，随着 时间的增加，积分项会增大。这样，即便误差很小，积分项也会随着时间的增加而加大，它推动控制器的 输出增大使稳态误差进一步减小，直到等于零。因此，比例+积分(PI)控制器，可以使系统在进入稳态后 无

30、稳态误差。 微分（D）控制：在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分（即误差的变化率）成正比关系。 自动控制系统 在克服误差的调节过程中可能会 出现振荡甚至失稳。其原因是由于存在有较大惯性组件（环节）或有 滞后(delay)组件，具有抑制误差的作用，其变化总是落后于误差的变化。解决的办法是使抑制误差的作 用的变化“超前”，即在误差接近零时，抑制误差的作用就应该是零。这就是说，在控制器中仅引入“比 例”项往往是不够的，比例项的作用仅是放大误差的幅值，而目前需要增加的是“微分项”，它能预测误 差变化的趋势，这样，具有比例+微分的控制器，就能够提前使抑制误差的控制作用等于零，甚至为负值 ，从而

31、避免了被控量的严重超调。所以对有较大惯性或滞后的被控对象，比例+微分(PD)控制器能改善系 统在调节过程中的动态特性。3.3 污水处理系统PID控制算法编写在上位机中我们在控制各个液位中用的是PID控制算法，在计算机编程中我们用的位置式PID算法，当执行机构需要的是控制量的绝对值，而不是控制量的增量时，需要用PID的位置式算法。连续式PID式子如下：将模拟PID控制规律变换成差分方程，可做如下近似： 则连续的PID就被离散化了得到如下式子：式中u(k) 为执行机构的位置，如阀门开度，因此称为位置型控制算式。在组态中我们就是用的离散式位置型PID式子，把式子用C语言写到组态的程序控制脚本中，来控

32、制液位 ，程序如下：/*斜板除油器液位PID控制起始*/ a1=0.1; a2=0.2; a3=0.125; e_xie1=e_xie2; e_xie2=e_xie3; e_xie3=xie_level.PV-sp_xie; sum_xie1=sum_xie1+e_xie3;u_xie=KP_xie*e_xie3*a1+KI_xie*sum_xie1*a2+KD_xie*a3*(e_xie3-e_xie2); xie_waterout.PV=u_xie; /*水液位PID控制结束*/其控制曲线如下图所示：图3-1 PID控制曲线3.4 小结在这里我们通过对污水处理系统的分析，选择了PID控制算

33、法，并且了解了PID控制算法，在PID控制算法中我们用的是离散式位置型PID，算法，并且在组态的控制脚本中把控制程序用C语言编程，来控制罐体的液位。第4章 污水处理系统下位机PLC设计4.1 软件开发平台和开发语言的选择西门子系列PLC软件系统由系统程序和用户程序两部分组成。系统程序包括监控程序、编译程序、诊断程序，主要用于管理全机、将程序语言翻译成机器语言，诊断机器故障。系统软件由PLC厂家提供并已固化在EPROM中，不能直接存取和干预。用户程序是用户根据现场控制要求，用PLC的程序语言编制的应用程序用于实现各种控制。1. 软件开发平台在硬件设计中已经确定选择德国西门子公司生产的S7-200

34、PLC。其软件开发平台为STEP7 Micro/WIN32编程软件。这是一种基于Windows平台的应用软件，是西门子公司专为SIMATIC系统S7-200 PLC研制开发的编程软件，它可以使用通用的个人计算机作为图片编辑器，用于在线或离线开发用户程序，用于在线对PLC进行各种操作，并且可以在线监控用户程序的执行状态。STEP7 Micro/WIN32编程软件要求个人计算机操作系统为Windows95 以上版本，硬件配置：IBM486以上兼容机，内存8MB以上，VGA显示器，至少50MB以上硬盘空间，光驱，鼠标，PC/PPI电缆。2 编程语言的选择PLC最常用的三种编程语言，一是梯形图，二是语

35、句表STL，三是功能块图FBD。采用梯形图编程，因为它直观易懂，但需要一台个人计算机及相应的编程软件：采用语言表STL形式便于实验，因为它只需要一台简易编程器，而不必用昂贵的图形编程器或计算机来编程。STEP7 Micro/WIN32 编程软件提供了三种编程语言，即梯形图LAD，语言表STL及功能块图FBD，每种语言都有自己的特点。梯形图是通过连接PLC指令的梯形图符号连接在一起的连通图，用以表达所使用的PLC指令及其前后顺序，它与电气原理图很相似。它的连接有两种：以为母线，另一为内部横竖线。内部横竖线把一个个梯形图符号指令连成一个指令组，这个指令组一般是从装载指令开始，必要时再续以若干个输入

36、指令，以建立逻辑条件。最后为输出类指令，实现输出控制，或为数据控制、流程控制、通讯控制、通讯处理、监控工作等指令，以进行相应的工作。编程人员几乎不必具有计算机的基础知识，不需考虑PLC内部的结构原理，只要有继电接触器控制的基础，就能在很短时间内掌握梯形图LAD的使用和编程方法，因此这种编程语言应用最广。梯形图的一个关键概念是“能流”(Power Flow)。如果有“能流”从左至右流向线圈，则线圈被激励。如没有，则线圈未被激励。“能流”以通过被激励(ON)的常开接点和未被激励(OFF)的常闭接点自左向右流。“能流”在任何时候都不会通过接点自右向左流。语言表STL类似于计算机的汇编语言，是PLC最

37、基础的编程语言。他特别适合于熟悉计算机原理和熟悉PLC的结构原理和工作过程的程序员，用它可以编写梯形图LAD或功能块图FBD无法实现的程序，程序执行速度最快。功能块图FBD类似于数字电子电路，它是将具有各种与、或、非、异或等逻辑关系的功能块图按照一定的控制逻辑组合起来。这种编程语言适合于那些熟悉数字电子电路的人员。PLC的编程语言与一般计算机语言相似，具有明显的特点，它既不同于高级语言，也不同与一般的汇编语言，它既要满足易于编写，又要满足易于调试的要求。本文编程确定选用梯形图LAD编程语言，以便形象、直观地反映所实现的逻辑关系。PLC的这些及其它特性使之成为任何一个控制系统的有益部分。一旦安装

38、后，其作用立即显现，其收益也马上实现，向其他智能设备一样，PLC的潜在优点还取决于应用时的创造性。4.2 西门子S7-200 PLC组成及工作原理1.S7-200PLC组成 (1) 主机主机部分包括中央处理器（CPU）、系统程序存储器和用户程序及数据存储器。CPU是PLC的核心，它用以运行用户程序、监控输入/输出接口状态、作出逻辑判断和进行数据处理，即读取输入变量、完成用户指令规定的各种操作，将结果送到输出端，并响应外部设备（如电脑、打印机等）的请求以及进行各种内部判断等。PLC的内部存储器有两类，一类是系统程序存储器，主要存放系统管理和监控程序及对用户程序作编译处理的程序，系统程序已由厂家固

39、定，用户不能更改；另一类是用户程序及数据存储器，主要存放用户编制的应用程序及各种暂存数据和中间结果。(2) 输入/输出（I/O）接口I/O接口是PLC与输入/输出设备连接的部件。输入接口接受输入设备（如按钮、传感器、触点、行程开关等）的控制信号。输出接口是将主机经处理后的结果通过功放电路去驱动输出设备（如接触器、电磁阀、指示灯等）。I/O接口一般采用光电耦合电路，以减少电磁干扰，从而提高了可靠性。I/O点数即输入/输出端子数是PLC的一项主要技术指标，通常小型机有几十个点，中型机有几百个点，大型机将超过千点。(3) 电源电源是指为CPU、存储器、I/O接口等内部电子电路工作所配置的直流开关稳压

40、电源，通常也为输入设备提供直流电源。(4) 编程编程是PLC利用外部设备，用户用来输入、检查、修改、调试程序或监示PLC的工作情况。通过专用的PC/PPI电缆线将PLC与电脑联接，并利用专用的软件进行电脑编程和监控。(5) 输入/输出扩展单元I/O扩展接口用于将扩充外部输入/输出端子数的扩展单元与基本单元（即主机）连接在一起。(6) 外部设备接口此接口可将打印机、条码扫描仪,变频器等外部设备与主机相联，以完成相应的操作。2.PLC的工作原理PLC的一个扫描周期必经输入采样、程序执行和输出刷新三个阶段。PLC在输入采样阶段：首先以扫描方式按顺序将所有暂存在输入锁存器中的输入端子的通断状态或输入数

41、据读入，并将其写入各对应的输入状态寄存器中，即刷新输入。随即关闭输入端口，进入程序执行阶段。PLC在程序执行阶段：按用户程序指令存放的先后顺序扫描执行每条指令，经相应的运算和处理后，其结果再写入输出状态寄存器中，输出状态寄存器中所有的内容随着程序的执行而改变。输出刷新阶段：当所有指令执行完毕，输出状态寄存器的通断状态在输出刷新阶段送至输出锁存器中，并通过一定的方式（继电器、晶体管或晶闸管）输出，驱动相应输出设备工作。PLC是采用软件编制程序来实现控制要求的。编程时要使用到各种编程元件，它们可提供无数个动合和动断触点。编程元件是指输入寄存器、输出寄存器、位存储器、定时器、计数器、通用寄存器、数据

42、寄存器及特殊功能存储器等。CPU226系列具有多种功能模块和人机界面可供选择，具有功能齐全的编程软胶囊，控制系统硬件电路需要6输入/5输出共计10个数字量I/O点，所以选择CPU226作为主机单元，它具有24点开关量输入16点开关量输出PLC内部这些存储器的作用和继电接触控制系统中使用的继电器十分相似，也有“线圈”与“触点”，但它们不是“硬”继电器，而是PLC存储器的存储单元。当写入该单元的逻辑状态为“1”时，则表示相应继电器线圈得电，其动合触点闭合，动断触点断开。所以，内部的这些继电器称之为“软”继电器。4.3 污水处理系统PLC开发设计1.I/O分配：图4-1 PLC226接线图I/O输入

43、分配：I0.0：启动SB1 I0.1：停止SB2I0.2：斜板除油器手动开始SB3 I0.3：斜板除油器手动停止SB4I0.4：气浮A手动开始SB5 I0.5：气浮A手动停止SB6I0.6：气浮B手动开始SB7 I0.7：气浮B手动停止SB8I1.0：双滤器A手动开始SB9 I1.1：双滤器A手动停止SB10I1.2：双滤器B手动开始SB11 I1.3：双滤器B手动停止SB12I1.4：污水罐手动开始SB13 I1.5：污水罐手动停止SB14I1.6：污油罐手动开始SB15 I1.7：污油罐手动停止SB16I2.0：旋流除砂器手动开始SB17 I2.1：旋流除砂器手动停止SB18I2.2：注水

44、缓冲罐手动开始SB19 I2.3：注水缓冲罐手动停止SB20I2.4：油井A注水开始SB21 I2.5：油井A注水结束SB22I2.6：油井B注水结束SB23 I2.7：油井B注水结束SB24I3.0：油井C注水结束SB25 I3.1：油井C注水结束SB26I/O输出分配：Q0.0：启动线圈 Q0.1：斜板除油器手动线圈Q0.2：气浮A手动线圈 Q0.3：气浮B手动线圈Q0.4：双滤器A手动线圈 Q0.5：双滤器B手动线圈Q0.6：污水罐手动线圈 Q0.7：污油罐手动线圈Q1.0：旋流除砂器手动线圈 Q1.1：注水缓冲罐手动线圈Q1.2：油井A线圈 Q1.3：油井B线圈Q1.4：油井C线圈 Q

45、1.5：启动PID线圈2.梯形图：（1）梯形图见附录2（2）子程序：由于调用的子程序都是PID模块，这里只列出部分程序,配置图和子程序：4.4 小结在这里我们通过对污水处理系统硬件的分析，选择了西门子公司生产的S7-200PLC，并且对S7-200PLC进行学习了解，然后根据系统的工艺要求进行I/O分配，然后进行梯形图的程序编写。第5章 污水处理系统上位机组态设计5.1 污水处理系统上位机力控6.0简介力控6.0监控组态软件是北京三维力控科技根据当前的自动化技术的发展趋势，总结多年的开发、实践经验和大量的用户需求而设计开发的高端产品，是三维力控全体研发工程师集体智慧的结晶，该产品主要定位于国内

46、高端自动化市场及应用，是企业信息化的有力数据处理平台。力控6.0在秉承力控5.0成熟技术的基础上，对历史数据库、人机界面、I/O驱动调度等主要核心部分进行了大幅提升与改进，重新设计了其中的核心构件，力控6.0面向. NET开发技术，开发过程采用了先进软件工程方法：“测试驱动开发”，产品品质将得到充分保证。与力控早期产品相比，力控6.0产品在数据处理性能、容错能力、界面容器、报表等方面产生了巨大飞跃。力控6.0组态软件有以下优点：力控组态软件具有适应性强、开放性好、易于扩展、经济、开发周期短等优点。通常可以把这样的系统划分为控制层、监控层、管理层三个层次结构。其中监控层对下连接控制层，对上连接管

47、理层，它不但实现对现场的实时监测与控制，且在自动控制系统中完成上传下达、组态开发的重要作用。尤其考虑三方面问题：画面、数据、动画。通过对监控系统要求及实现功能的分析，采用力控对监控系统进行设计。组态软件也为试验者提供了可视化监控画面，有利于试验者实时现场监控。而且，它能充分利用Windows的图形编辑功能，方便地构成监控画面，并以动画方式显示控制设备的状态，具有报警窗口、实时趋势曲线等，可便利的生成各种报表。它还具有丰富的设备驱动程序和灵活的组态方式、数据链接功能。1.使用力控6.0实现控制系统实验仿真的基本方法： (1)图形界面的设计。 (2)构造数据库。 (3)建立动画连接。 (4)运行和

48、调试。 2.使用力控6.0软件开发具有以下几个特点: (1)实验全部用软件来实现,只需利用现有的计算机就可完成自动控制系统课程的实验,从而大大减少购置仪器的经费。 (2)该系统是中文界面,具有人机界面友好、结果可视化的优点。对用户而言,操作简单易学且编程简单,参数输入与修改灵活,具有多次或重复仿真运行的控制能力,可以实时地显示参数变化前后系统的特性曲线,这些很强的交互能力使其在自动控制系统的实验中可以发挥理想的效果。 3.在采用力控6.0开发系统编制应用程序过程中要考虑以下三个方面: (1)图形,是用抽象的图形画面来模拟实际的工业现场和相应的工控设备。 (2)数据,就是创建一个具体的数据库,并

49、用此数据库中的变量描述工控对象的各种属性,比如水位、流量等。 (3)连接,就是画面上的图素以怎样的动画来模拟现场设备的运行,以及怎样让操作者输入控制设备的指令。5.2 污水处理系统组态人机界面设计原则人机界面是人与计算机之间传递、交换信息的媒介和对话接口，是计算机系统的重要组成部分。是指人和机器在信息交换和功能上接触或互相影响的领域或互相影响指人和机器的硬接触和软接触，此结合面不仅包括点线面的直接接触，还包括远距离的信息传递与控制的作用空间。人机结合面是人机系统中的中心一环节，主要由安全工程学的分支学科，安全人机工程学去研究和提出解决的依据，并通过安全工程设备工程学，安全管理工程学以及安全系统

50、工程学去研究具体的解决方法手段措施安全人机学。它实现信息的内部形式与人类可以接受形式之间的转换。凡参与人机信息交流的领域都存在着人机界面。现在大量运用在工业与商业上，简单的区分为“输入”与“输出”两种，输入指的是由人来进行机械或设备的操作，如污水处理系统中的液位设定值，对阀门的控制量，对状态灯的显示等，而输出指的是由机械或设备发出来的通知，如故障、警告、操作说明提示等，好的人机接口会帮助使用者更简单、更正确、更迅速的操作机械，也能使机械发挥最大的效能并延长使用寿命。1.人机界面设计原则：(1)以用户为中心的基本设计原则 在系统的设计过程中，设计人员要抓住用户的特征，发现用户的需求。在系统整个开

51、发过程中要不断征求用户的意见，向用户咨询。系统的设计决策要结合用户的工作和应用环境，必须理解用户对系统的要求。最好的方法就是让真实的用户参与开发，这样开发人员就能正确地了解 用户的需求和目标，系统就会更加成功。 (2)顺序原则 即按照处理事件顺序、访问查看顺序（如由整体到单项，由大到小，由上层到下层等）与污水控制系统的控制工艺流程等设计监控管理和人机对话主界面及其二级界面。 (3)功能原则 即按照对象应用环境及场合具体使用功能要求，各种子系统控制类型、不同管理对象的同一界面并行处理要求和多项对话交互的同时性要求等，设计功能区分多级菜单、分层提示信息和多项对话栏并举的窗口等的人机交互界面，从而使

52、用户易于分辨和掌握交互界面的使用规律和特点，提高其友好性和易操作性。 (4)一致性原则 包括色彩的一致，操作区域一致，文字的一致。即一方面界面颜色、形状、字体与行业通用标准相一致。另一方面界面颜色、形状、字体自成一体，不同设备及其相同设计状态的颜色应保持一致。界面细节美工设计的一致性使运行人员看界面时感到舒适，从而不分散他的注意力。对于新运行人员，或紧急情况下处理问题的运行人员来说，一致性还能减少他们的操作失误。 (5)频率原则 即按照管理对象的对话交互频率高低设计人机界面的层次顺序和对话窗口菜单的显示位置等，提高监控和访问对话频率。 (6)重要性原则 即按照管理对象在控制系统中的重要性和全局

53、性水平，设计人机界面的主次菜单和对话窗口的位置和突显性，从而有助于管理人员把握好控制系统的主次，实施好控制决策的顺序，实现最优调度和管理。 人机交互界面，无论是面向现场控制器还是面向上位监控管理，两者是有密切内在联系的，他们监控和管理的现场各对象是相同的，许多现场设备参数在他们之间是共享和相互传递的。人机界面的标准化设计应是未来的发展方向，因为它确实体现了易憧、简单、实用的基本原则，充分表达了以人为本的设计理念。各种工控组态软件和编程工具为制作精美的人机交互界面提供了强大的支持手段，系统越大越复杂越能体现其优越性。5.3 污水处理系统组态开发1.配置I/O设备：首先在工程项目中打开变量中的IO

54、设备组态，在IOManager中选择力控SIMULATOR(仿真)如下图所示：图5-1 IO设备选择在污水系统开发中我们用的是力控中Simulator（仿真），所以设备连接是虚拟连接，地址就是一个自己给定的地址，没有配置通道,点击完成。如下图：图5-2 IO设备配置这时在IoManager中就会出现我们配置的IO设备，如下图所示：图5-3 IO设备配置完成2.界面设计：在污水处理系统中，由于用到了多个罐体，并且各个罐体需要PID控制，所以主要的界面设计分为主界面、斜板除油器、加气浮选器、双介质滤器、污水罐、污油罐、旋流除砂器、注水缓冲罐、数据库，一共9个画面，如下图所示：图5-4 主界面图5-

55、5 斜板除油器图5-6 加气浮选器图5-7 双介质滤器图5-8污水罐图5-9污油罐图5-10旋流除砂器图5-11注水缓冲罐图5-12数据库3.组态变量：在组态中变量一共有3种，数据库变量、中间变量、间接变量。（1）数据库变量有两种，一种是模拟量，一种是数字量，根据我们的需要进行选择,数据库变量是和现成的设备（PLC）相连接的，如下图所示：图5-13数据库变量部分展示（2）中间变量和间接变量是我们在计算机里控制算法或一些中间数值转换用到的变量，这些数据只参与运算，不参与控制，因此称为中间变量和间接变量，在此项工程中由于应用了PID控制，而且是离散PID控制多个罐体的液位，不免要用到大量的中间变量

56、和间接变量，中间变量和间接变量可以是实型、整型、离散型、字符型，添加时无需和PLC地址连接,部分中间变量和间接变量如下图所示：图5-14中间变量部分展示图5-15间接变量部分展示4.动画的连接：由于画面太多，动画连接也很多，在这里就做一个罐体的液位连接，其他的都是一样的，就不再赘述：（1）首先我们在画面的罐体上双击,出现如下显示框：图5-16动画连接（2）我们点击百分比填充，出现下图：图5-17百分比填充（3）我们点击变量选择，选择要连接的液位变量，整个数据连接就完成，变量选择如下图：图5-18百分比填充4.控制程序的编写：控制程序分为应用程序动作、数据改变动作、按键动作、条件动作。在污水处理系统开发中我们用到的最多的是应用程序动作，因为它每一秒钟刷新一次数据，能很好进行PID控制，应用程序动作编辑窗口如下图所示：图5-19应用程序动作编辑窗口程序见附录1。5.4 小结 以上就是整个污水处理系统的组态开发，在本章中我们学习了怎样