毕业设计（论文）-基于PLC工业污水处理系统设计

毕业设计（论文）类型：□毕业设计说明书□毕业论文题目：基于PLC工业污水处理控制系统设计学生姓名：指导教师：专业：时间：目录摘要 Abstract 1绪论 绪论1.1课题研究的背景和现状分析工业企业的城市污水、生活污水、生产污水或部分处理的生产污水经常排入城市排水系统。因此，生活污水和生产污水的混合污水被称为城市污水。除了碳水化合物、蛋白质、氨基酸、动植物脂肪、尿素、氨、肥皂和合成清洁剂等物质外，这些流出物还含有细菌和病毒等导致人类疾病的微生物。污水处理后，有三种最终出路：水体排放；农田灌溉；再利用。水处理的目的不超过三种[2]：去除水中影响水质使用和污泥处置的杂质为主要成分；为了满足用水的要求，在水中加入新的成分以改变水的化学性质，如在食物水中加入氟以防止龋齿，并在循环冷却水中加入腐蚀抑制剂，以控制腐蚀和缩放；改变水的物理性质的处理，如冷却水、降低水的粘度等。1.2水处理工艺简述顺序批次活性污泥法，简称SBR法。早在1914年，这个处理系统被采用，但由于当时自动化程度低，操作困难，工作量大，特别是随着市政和工业废水处理规模的增大，这一缺点更加突出。间歇式活性污泥工艺逐渐被连续式活性污泥工艺所取代。近年来，随着计算机和自动控制技术的飞速发展，这一缺点得到了很好的解决。与连续活性污泥工艺相比，连续活性污泥工艺具有许多独特的优点，使间歇活性污泥工艺在国内外越来越重要。

从SBR反应池中去除有机物的机理与普通活性污泥加氧时的机理相同。其不同之处在于，它根据流入、反应、沉淀、放电和待机五个过程在同一个sbr反应池中运行。从废水流入开始到备用时间结束，所有过程都在一个具有曝气或搅拌装置的sbr反应池中进行，不需要单独的沉淀池和污泥回流泵。尽管间歇式活性污泥曝气在流动状态下是一种完全的混合物，但它是有机物质降解过程中的时间推动。

SBR工艺是一种简单、快速、低消耗的废水生物处理工艺。主要有以下特点：工艺简单，成本低；及时具有理想的推流式反应器的特点；操作方式灵活，能去除氮、磷；抗冲击能力强；污泥沉降性能好；不容易产生污泥膨胀现象[3].1.3本次设计的内容及目的1.3.1本次设计的内容此次设计本次设计的基于PLC的工业污水处理控制系统硬件主要采用S7-200系列的可编程序逻辑控制器，通过模拟水污染处理的工艺步骤进行编写，并输入至可编程序逻辑控制器中，通过预设的逻辑关系命令，驱动相应的负载端进行动作。各章主要内容如下：第一章为绪论，对工业污水处理控制系统进行了现状分析，并介绍一种工业污水处理的工艺方法，同时简单介绍了论文各章的主要内容。以及对控制系统选择的确定，然后对PLC系统的特点组成及其发展趋势做了简要叙述。第二章是对系统硬件的设计。主要是对PLC的选型，变频器的选型方面做了详细分析。并绘制了硬件配置表。第三章是对软件的设计，主要通过对控制流程的分析，绘制流程图。根据PLC的选型以及流程图分配输入和输出点，最后绘制I/O表。通过S7-200编程软件对控制程序进行编写，并绘制梯形图。最后通过程序和I/O分配表，采用CAD软件绘制PLC外部接线图。第四章是工业污水处理控制系统控制程序的模拟调试，通过模拟仿真软件对PLC进行模拟仿真，对程序进行修改、完善。1.3.2本次设计的目的本次设计的目的主要是通过平时对PLC的学习认知，通过自己所学的知识，系统的对工业污水处理控制系统进行设计，更多的是对所学知识的一种检验与查漏补缺。结合工业污水处理工作原理以及逻辑顺序等，对工业污水处理控制系统进行全面设计，掌握复杂条件下对PLC控制指令的应用与学习。通过对工业污水处理控制系统控制系统硬件的选型与使用，掌握各种电器元件的原理以及使用方法，为以后的学习工作奠定基础。通过对程序的编写与程序的反复调试以及修改，更加熟悉程序的一般编写方法和对程序调试方法的熟悉和认知。进而提高自己的学习能力和知识储备，和发现问题、解决问题的一种方法，为以后的工作奠定更加坚实的基础。1.4系统控制的选择比较目前在控制领域较为常见的控制系统主要有：以单片机为主要控制方式的系统、以微小型计算机为控制手段的系统、以微处理可编程逻辑控制器（PLC）为主要控制手段的方式。以单片机的控制方式的工业污水处理控制系统控制系统虽然价格成本较为便宜，但是使用众多电子元器件，电子元器件越多带了的系统稳定性大大降低，损坏和故障率也大大提高，增加了系统的不稳定性，而且在后期维修维护管理方面，工作量较大，检查故障点较难。单片机采用C语言的编程方式，对维护维修人员具有更高的要求，其编程方式较为难理解，而且不直观简明的，对初学者很难理解。所以本次设计不予采用。以PC微小型电子计算机为控制手段时，其系统庞大，而且成本较为昂贵。在系统便捷和可操作性上较为繁琐，其系统往往需要和电脑终端连接，给使用者和操作者带来了不简洁性，不适合本次工业污水处理控制系统规模小、互换性高的要求。以PLC为控制方式的自动化控制系统在目前的自动化控制领域较为常见，因其采用集成的电子控制器，具有众多功能，比如集成了计时器、计数器、逻辑运算指令、可扩展温度湿度等模拟量的控制模块，不仅可以简单的完成多种功能操作，而且大大减少了电子元器件的使用率，使得系统更加简洁、方便。在编程方面采用梯形图的编程方式，简单明了适用于初学者或者传统的电力工作者管理或者维护，不仅编写程序直观明了而且后期检查维修方便，对程序进行上传下载即可，并且优越的可扩展性能对以后的升级改造具有很重要的意义。经过以上分析对比，本次对工业污水处理控制系统的设计采用可编程逻辑控制器（PLC）为主要控制器的控制方式。1.5PLC定义及简述可编程序逻辑控制器是在工控行业内较为常用的一种控制方式，其英文名称为：ProgrammableLogicController，简称PLC。因其优越的稳定性和可扩展性受到设计人员的青睐，成为工业控制行业不可或缺的控制单元。目前较为常见的PLC品牌有西门子、三菱、欧姆龙、台达等品牌，随着我国技术水平的不断提高一些国产的PLC品牌也层出不穷并得到设计师们的认可，比如信捷、上海永宏等品牌。PLC采用可编程序的逻辑控制存储区，在其内部储存并执行设计师编写的逻辑运行程序，比如常见的顺序逻辑控制、计数计时程序、逻辑运算等程序及其操作指令，并通过单一的数字式或者模拟量进行对输入信号的采集和输出信号的控制，可以控制自动化机械设备、给水量以及温度等各行业的生产过程性控制。它可以集成众多外围设备以及模块，与控制程序形成一个整体，从而形成整合控制系统。在控制执行机构单元方面可以和步进电机、伺服电机、气缸、液压缸、电机马达等等执行机构连接，实现对执行机构的有效控制，从而实现对产品或者工况需求的自动化控制，提供工业控制解决方案。1.6PLC的基本结构组成PLC的硬件组成单元主要包括：中央处理单元、存储器、计数器、计时器、电源等单元。中央处理单元作为可编程序逻辑控制器的控制中枢。主要的任务有：诊断程序的语法及编程错误、检查电源的正常状态、监视检测存储器及其警戒定时器的状态信息。当执行RUN时，以循环扫描的方式对各输入装置的状态和数据进行检索，存入I/O映像区，然后对用户编写的程序进行逐条读取，当所有程序读取完成后将I/O映像区的数据或者状态输出至相应输出单元，然后进行下一次循环，如此循环往复，直到程序运行结束。其内部扫描循环主要包括以下几个过程：，输入采样、用户程序执行、输出刷新三个过程。这三个过程作为一个扫描周期，在PLC的运行过程中处理器根据固有的频率通过以上三个过程对PLC内部进行循环扫描。其内部扫描循环方式主要如下图1-1所示：图1-2PLC内部循环方式过程图存储器主要包含三部分：（1）系统程序存储区、（2）用户编写的程序储存区、（3）系统RAM存储区。存储器的主要作用是存储程序、系统以及系统运行的周期扫描程序。计时器、计数器主要是PLC内部对时间以及次数的累计，在用户编写程序时可以调用，但每个品牌的plc都有其固定的存储单元，不可乱用。PLC主要硬件系统结构如图1-2所示:图1-3PLC系统硬件结构示意图

1.7PLC的发展趋势分析（1）产品规模越来越大，功能越来越全面，在大型PLC的发展方向上，逐步向大型、功能自由扩展、高速度运算等方向发展。（2）在小型PLC领域逐步向体积小、应用便捷、可操作性强等方面发展。（3）编程语言逐步统一化，适合各大品牌的PLC之间相互传输信息，相互控制。（4）开始实现私人定制，以实现不同行业PLC的不同需求。（5）网络化，实现目前大数据下快速分享与控制的目的。（6）越来越强的容错技术，使系统更加稳定。（7）硬件及综合性服务解决方案更加完善，实现控制的多样性。2控制系统硬件的设计2.1工业污水处理控制系统控制的要求本课题中的污水处理采用SBR污水生物处理工艺，即序批式间歇活性污泥法。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[8]。工艺流程图如图2-1所示。污水池污水池水泵污水处理后的污水肥料泥池风机SBR池图2-1污水处理工艺流程图步骤1：进气+曝气。1#sbr水池从早上8点开始，进水量为2小时。它是由一个1#电动蝶阀控制的。同时，1#风扇开始曝气，污泥回流泵1#打开并开始返回。

步骤2：2小时后，1#电蝶阀停止入水，1#回流泵停止回流；1#风扇继续曝气。

步骤3：连续曝气6小时后，1#风扇停止曝气。

步骤4：结算期1小时。在1#sbr池放置在1h的安静位置后，此时水面分层，污泥沉降处为底，上层液体用滤壶排出。

步骤5：排水1小时。休息1h后，开始排水，1#中的1#池开始，从顶部顶点缓慢向下移动，（可设定为：下潜一段短距离，停一段时间，继续下潜。在短时间内，再停一次，然后再浇水，再下潜）；在卸料者潜到底部顶点后，它会很快自动上升到顶部顶点停止。在这一点上，结束1小时的水。

步骤6：在水结束1小时后，在这一点上，第一个周期结束，下一个周期开始进入水，曝气和回流。后续的周期是模拟的。

2#sbr池与1#sbr池相隔2小时，开始进入水中。每一步都和1#sbr池一样，但是它会被及时推迟。3#sbr池与2#sbr池分离2小时，4#与3#sbr池分离2小时，后续程序设置和1#sbr池步骤相同。2.2工业污水处理控制的系统组成工业污水处理控制系统控制系统的主要系统组件有：起主要控制做用的可编程序逻辑控制器（PLC），起信号采集和输入功能的水位检测器、按钮开关；起执行作用的风机、水泵、滗水器等主要控制组件。其系统组成结构简图如下2-2所示。图2-2工业污水处理控制系统的结构简图2.3硬件选型2.3.1PLC选型常用的PLC品牌主要有三菱和西门子，在此次控制系统中，主要采用运动控制向导逻辑块和传送等指令的编程方式对程序进行编写，在西门子的编程方式中主要运用模块的方式对逻辑程序进行编程，较三菱进行运动控制程序简洁，所以本次对工业污水处理系统控制采用西门子plc，选择S7-200的小型plc系列完全满足控制条件，其型号主要有221、222、224、226等CPU型号，本次选择具有24路输入16路输出的226型号作为控制器，其中兼容2个RS485通讯接口，可以兼容多种外围设备，支持多种通信协议，比如PPI、MPI等自由通讯方式。表2-1S7-200PLC参数表特性CPU221CPU222CPU224CPU224XPCPU226本机I/O

•数字量

•模拟量6入/4出-8入/6出-14入/10出-14入/10出2入/1出24入/16出-最大扩展模块数量

0个模块2个模块7个模块7个模块7个模块数据存储区2048字节2048字节8192字节10240字节10240字节掉电保持时间50小时50小时100小时100小时100小时程序存储器：

•可在运行模式下编辑

•不可在运行模式下编辑4096字节4096字节4096字节4096字节8192字节12288字节12288字节16384字节16384字节24576字节高速计数器•单相•双相4路30KHz2路20KHz4路30KHz2路20KHz6路30KHz4路20KHz4路30KHz

2路200KHz3路20KHz1路100KHz6路30KHz

4路20KHz脉冲输出（DC）2路20KHz2路20KHz2路20KHz2路100KHz2路20KHz模拟电位器11222实时时钟配时钟卡配时钟卡内置内置内置通讯口1×RS-4851×RS-4851×RS-4852×RS-4852×RS-485浮点数运算有有有有有I/O映象区256128入/128出256128入/128出256128入/128出256128入/128出256128入/128出布尔指令执行速度0.22μs/指令0.22μs/指令0.22μs/指令0.22μs/指令0.22μs/指令外形尺寸（）90×80×6290×80×62120.5×80×62140×80×62190×80×622.3.2罗茨风机罗茨风机主要用于污水处理系统中的曝气。主要用途为废水处理和燃烧后灰处理；除尘装置；火焰脱硫、环境调节设备；排气、干燥、空运；燃气和粉末运输、水产养殖；利用气压运输、液体搅拌。主要特点是废气不含油。风量稳定，压力变化对风量影响不大。特殊叶轮设计，节能高效。结构简单、坚固，没有缺点。采用第一齿轮磨削，精度高，寿命长，噪声低。叶轮采用龙门刨床最新的四轴加工方法，一次性完成，使其具有较高的精度。系统使用Rotz风扇：grb-100，风量：10.61M<unk>/min，风压：7000毫米aq，旋转编号1750r/min，功率：22kw。2.3.3水位检测传感器的选型本次设计的水位检测传感器主要的功能又两个，一是用来当作高水位检测；二是当作注水水位低水位检测，只有达到相应水位线后才能，进行后续程序的执行。其主要参数如下：产品名称：微型水位探测器产品型号：ZZ-JYD-2X输入电压：12-36V工作温度：-20-150摄氏度响应时间：小于0.1ms防护等级：IP68其外观图如下图2-3所示图2-3水位传感器外观图2.3.4滗水器选型滗水器是一种专门用于用分批活性污泥处理污水的排水设备。在工艺排水阶段，通过控制电动推杆的膨胀，sbr反应池进入下一个循环，在排放池中及时、定量地清洗。主要特点是口宽，水层薄，口下部水体不受干扰，保证不带出活性污泥，水下部分采用不锈钢制成，具有较强的耐蚀性。根据工艺要求，可在一定范围内任意调整灌水水量和灌水深度；项目投资少，运行成本低，可实现自动化运行。该系统采用滗水器型号为：bsq200悬臂式，水量：200M<unk>/h，功率：1.1千瓦。2.4本次系统设计的主要硬件清单表2-2主要电气设备清单名称型号规格PLCS7-200224滗水器bsq200悬臂式水位检测传感器ZZ-JYD-2X罗茨风机grb-100按钮开关mht15-n23173工业污水处理控制系统PLC程序的编写3.1工业污水处理的控制简述进气+曝气。1#sbr水池从早上8点开始，进水量为2小时。它是由一个1#电动蝶阀控制的。同时，1#风扇开始曝气，污泥回流泵1#打开并开始返回。2小时后，1#电蝶阀停止入水，1#回流泵停止回流；1#风扇继续曝气。：连续曝气6小时后，1#风扇停止曝气。结算期1小时。在1#sbr池放置在1h的安静位置后，此时水面分层，污泥沉降处为底，上层液体用滤壶排出。排水1小时。休息1h后，开始排水，1#中的1#池开始，从顶部顶点缓慢向下移动，（可设定为：下潜一段短距离，停一段时间，继续下潜。在短时间内，再停一次，然后再浇水，再下潜）；在卸料者潜到底部顶点后，它会很快自动上升到顶部顶点停止。在这一点上，结束1小时的水。在水结束1小时后，在这一点上，第一个周期结束，下一个周期开始进入水，曝气和回流。后续的周期是模拟的。2#sbr池与1#sbr池相隔2小时，开始进入水中。每一步都和1#sbr池一样，但是它会被及时推迟。3#sbr池与2#sbr池分离2小时，4#与3#sbr池分离2小时，后续程序设置和1#sbr池步骤相同。3.2绘制控制流程图在程序的软件设计中，流程图的绘制十分重要，它能简明扼要的表示出程序控制的主要步骤以及顺序，可以使程序编写时更加调理有效，所以绘制控制流程图十分有必要，本设计的控制流程图如下所示。图3-1控制流程图3.3配置I/O表在对工业污水处理控制系统进行思考后，计算输入输出点的数量并分配选择，对其输入输出点留有一定的设计余量，为了以后对程序进行升级或者功能改进。对此我们对I、O点进行分配，并绘制表格如下：表3-1I/O分配表输入信号I0.0复位I0.1自动状态I0.2滗水器下潜限位I0.3滗水器上升限位I0.4风机故障I0.5进水泵故障I0.6滗水器故障I0.7回流泵故障I1.0手动自动切换I1.1下潜滗水器手动I1.2上升滗水器手动I1.3回流泵手动I1.4风机手动I1.5进水泵手动输出信号Q0.0下潜滗水器Q0.1上升滗水器Q0.2起停回流泵Q0.3起停风机Q0.4起停进水泵3.4接线图本次设计中主要的接线为PLC外部接线图，在外部接线图的绘制过程当中，使用的软件和方法不一，具有多种方法，本次设计外部接线原理图采用CAD软件绘制，其作图方式相对较为简单，原理清晰，适用范围较广。图3-2PLC外部接线图3.5程序编写3.5.1梯形图绘制图3-3梯形图3.5.2语句表LDSM0.0MOVBIB0,MB0LDNT101ANI1.0AI0.0TONT101,10LDI0.0ANM2.1AI0.1AT101+D1,VD100LDD>VD100,0AD<=VD100,7200SQ0.2,3LDD>VD100,7200AD<=VD100,21600SQ0.2,1SQ0.3,1SQ0.4,1LDD>VD100,21600AD<=VD100,25200SQ0.2,3LDD>VD100,25200AD<=VD100,28800SQ0.2,1SQ0.0,1LDD>VD100,25200AD<=VD100,28800AT101+D1,VD200LDD>VD100,25200AD<=VD200,28802AD<VD200,900LDD>VD100,25200AD<=VD200,1200AD<VD200,2100OLDLDD>VD100,25200AD<=VD200,2400AD<VD200,3600OLDSQ0.0,1LDD>VD100,25200AD<=VD200,900AD<VD200,1200LDD>VD100,25200AD<=VD200,2100AD<VD200,2400OLDLDD>VD100,25200AD<=VD200,3600OLDRQ0.0,1LDD>VD100,28800LPSAI0.2ANI0.3SQ0.1,1LRDRQ0.0,1LPPRQ0.2,3LDD>VD100,28800AI0.3RQ0.1,1LDD>VD100,32400LDI0.0ANI0.1OLDLDD>VD100,28800AI0.3OLDMOVD0,VD100AENOMOVD0,VD200LDNI0.0RQ0.0,5LDNI0.4ANI0.5ANI0.6ANI0.7NOT=M2.1LDI0.4RQ0.3,1LDI0.5RQ0.4,1LDI0.6RQ0.0,1LDI0.7RQ0.2,1LDI1.1AI1.0AI0.0SQ0.0,1LDI1.2AI1.0AI0.0SQ0.1,1LDI1.3AI1.0AI0.0SQ0.2,1LDI1.4AI1.0AI0.0SQ0.3,1LDI1.5AI1.0AI0.0SQ0.4,14程序仿真4.1环境要求由于PLC是专为工业生产环境设计的控制装置，因此通常不需要采取任何特殊措施，并且可以直接在工业环境中使用。但是，如果环境过于苛刻，电磁干扰特别严重，或者安装和使用不当，PLC将无法保证正常，安全，可靠的运行。因此，讨论PLC设计和调试非常重要。1.PLC控制安装和接线1.输入接线（1）输入接线不应超过30m。但是，如果环境干扰小并且电压降不大，则输入布线可以更长。（2）输入和输出线不能使用相同的电缆，输入和输出线应分开。2.电源接线电源是PLC引入干扰的主要方式之一。PLC应尽可能使用电压波动小，波形失真小的电源，这对提高PLC的可靠性非常有帮助。3.接地正确选择接地点和完善接地系统接地通常有两个目的，一个用于安全，另一个用于抑制干扰。完善的接地系统是PLC控制系统抗电磁干扰的重要措施之一。系统接地方式有：浮动模式，直接接地模式和电容器接地。对于PLC控制系统，它是一个高速低电平控制装置，应直接接地。良好的接地是确保PLC可靠运行的重要条件，可避免意外的电压冲击危险。4.2程序调式在程序调试过程中出现了一系列的问题，但最终都一一解决了。在使用指令编程时，刚开始由于对指令掌握的不是很好，所以犯了不少错误，加上设计本身存在的一些问题，所以在调试程序时，输出型号动作不符合控制要求。经过不断查阅资料，研究、改进，最终程序调试成功。程序运行良好，动作正确、符合控制要求。如图4-1程序载入，PLC打开RUN模式启动程序。图4-1程序调试画面首先对参数进行设定，通过不断的对程序的调试与修改，使系统的状态更加稳定，有序的执行梯形图指令，使程序的调节更加稳定、准确。程序调试是一个查漏补缺的过程，在期间多次对程序进行修改，以及完善，再此不再一一列举。致谢通过毕业设计，是对我大学学习专业课程知识的检验，通过对基S7-200PLC的工业污水处理控制系统的设计，查阅相关资料，了解PLC可编程序逻辑控制器的用途以及未来发展的趋势有了更细致的认识。从而提高了运用所学知识的能力，全面锻炼了我驾御知识的能力,使我对大学以来所学的理论知识进行了系统化、条理化、全面化的回顾,让我明白了如何运用自己所学的知识，同时又学到了其他获取知识的方法；从而使我获得了一次大规模检索相关资料的机会，提高了运用网络和对专业计算机软件辅助的能力。而这些知识都将化作宝贵的财富,为我以后所要从事的工作打下坚实的基础。毕业设计的完成，即使这个毕业设计并不完美，我也懂得了学习是一个长期积累的过程，我不仅收获了知识而且也锻炼了品质，通过这次认真而又细致的毕业设计，我对待事情的态度更加严谨更加有耐心，并且我更希望把所做的事情做好做完美，我想这将是一种很重要的财富。时光飞逝大学的学习生活到了这个季节将要画上一个圆满的句号（更多的是对老师同学的不舍与感谢），而对于我的人生来说这还只是一个逗号，同时也是我以后人生的一个开端。在此我要特别感谢我的指导老师的热情关怀和悉心教导，在我编写论文之际给与了很大的帮助以至于我不会在设计的过程中迷失方向，失去前进动力。在论文的编写、选题方面得到了老师无私的帮助，不厌其烦的帮助进行论文的修改和改进，直到毕业设