基于PLC的中水处理控制系统

基于PLC的中水处理控制系统1工艺流程及控制要求2控制系统总体方案设计3电气控制系统设计4PLC系统设计5安装调试与工程验收返回总目录1．工艺流程简介中水处理系统的一般工艺流程框图如图5-1所示。利用机械过滤、生物接触氧化、化学絮凝方法使水中的COD〔化学需氧量〕、BOD5〔生化需氧量〕、SS〔悬浮物〕等污染物大幅度减少，再采用活性炭和碳纤维复合吸附过滤方式，使出水到达除饮用以外的其他生活使用要求。图5-1中水处理工艺流程框图1工艺流程及控制要求2．控制要求初探整个工艺流程有4个水池的水位需要检测，还有风机、水泵等12台设备及管路中的12个电磁阀需要根据工艺条件进行自动控制；整个系统要具有手动/自动运行及其切换功能；要有中文操作界面，显示正常、报警等各种运行状态，以及所有运行条件、时间周期等主要参数的便捷设定与切换。

2控制系统总体方案设计2.1深入研究工艺流程如图5-2所示，中水处理装置工艺流程主要由格栅池、调节池、生物滤池、中间水池、砂罐、碳罐、消毒池、中水储池、溢流井等设备组成。2.2确认测控技术指标在深入研究工艺流程与控制要求之后，可把测控指标具体落实在每个设备或对象上。①风机1、2交替使用，时间可控〔周期为1～2天〕。②调节池污泥泵1、2由本池水位上、下限控制〔上限启动，下限停止〕，两泵交替使用。③中间水池过滤泵1、2由本池水位上、下限控制〔上限启动，下限停止〕，两泵交替使用。④过滤泵1、2与CLO2发生器同时启停，由水位上、下限控制〔上限启动，下限停止〕，两泵交替使用。⑤中水储池的出水供给是本系统的重要环节，因而采用恒压变频控制水位，又因其关联因素多且较为复杂，需设置四限水位。⑥溢流井污泥泵1、2由本池水位上、下限控制〔上限启动，下限停止〕，两泵交替使用。⑦正常过滤与反冲洗交替进行，交替时间周期可控。反冲洗分为生物滤池、砂罐、碳罐三路。⑧泵或阀启动时相应按钮灯亮。⑨操作方式满足手控与自控的任意切换。图5-2中水处理装置工艺流程图2.3选择测控装置机型根据工艺流程和测控技术指标，可以清楚地描绘出所有的测控点数，归纳如下。1．数字量输出接点①负载12个：1对风机、4对潜水泵、1个反冲洗泵、1个CLO2发生器及其按钮指示灯；②电磁阀及其按钮指示灯12个；③变频器启动、运行接点各1个；④手动/自动切换按钮指示灯1个；⑤消音按钮指示灯1个；⑥备用按钮指示灯1个。数字量输出接点，即DO点共29个。2．数字量输入接点①按钮27个；②水位计4个接点10个。数字量输入接点，即DI点共37个。合计DO点29个，DI点37个〔含备用输入/输出各1个〕。对于这种纯数字量输入/输出信号的测控系统，显然选择可编程控制器PLC构成系统最为适宜。2.4选择现场测控设备主要是水位测量而且是两点或四点的位式测量，所以采用自行研制的多点电极式液位计；控制执行器是水泵、风机类电动机以及电磁阀。3

电气控制系统设计在完成了控制系统总体方案设计后，整个系统的框架轮廓已经成形。接下来就是为完成工程实施而进行的深度的、详尽的工程图纸设计，主要包括：工艺控制流程图、电气系统图、电气原理图、变频器接线图、PLCI/O接线图、电控柜布置图、电气管线敷设图、自控设备表等。3.1工艺控制流程图根据总体方案的设计，需要在工艺流程图的根底上，首先画出自动化系统工程的第一张图纸——带测控点的工艺流程图或简称工艺控制流程图，即用过程检测和控制系统的设计符号来描述生产过程的测控内容。图5-3所示为中水处理控制流程图，分别在调节池、中间水池、溢流井和中水储池这4个池中设置了水位测量仪。其中，前三个水池只配置了上、下限的两点水位测量，而最后一个中水储池为上上限、上限、下限与下下限的四点水位测量。由水位测量的数字量DI信号，送入控制装置PLC中，经逻辑运算输出数字量DO信号控制水泵〔以及相应的电磁阀〕，从而构成了4个回路的单回路控制系统。其中，圆圈外带方框的图例表示操作人员可以监控的计算机控制装置。图5-3中水处理控制流程图3.2电气系统图电气系统图表示系统的根本组成，是设备的驱动电路，即从电源到电动机的大电流通过的路径，一般可称为主电路图。如图5-4所示，由电流表、电压表、总开关、分支开关、交流接触器主触点等电器构成主回路。1．主要电气元件〔1〕主空开QF〔2〕电压表V、电流表A〔3〕分空开QF〔4〕接触器KM〔5〕热继电器FR2．工作过程如图5-4〔a〕所示，以第一支路风机1为例。当主空开QF合上，分空开1QF也合上时，只要交流接触器1KM的线圈得电，其主触点闭合，即第一支路通电，负载风机1即启动运转；反之，接触器1KM的线圈失电，其主触点断开，即第一支路断电，负载风机1即停转。图5-4电气系统图〔a〕如图5-4〔b〕所示，在中水泵1和中水泵2的支路中，设计了一台变频器V/F，其前后共有三个交流接触器。它的启、停和运行要求比较复杂，详见节。图5-4电气系统图〔b〕3.3电气原理图电气原理图是由接触器和继电器线圈、各种电器的常开和常闭触点组成的逻辑电路，用以实现所要求的控制功能，一般也称为控制电路图。图5-5〔a〕所示电气原理图描述了风机、水泵与对应指示灯控制电路的工作原理，由分支空开、中间继电器常开触点、交流接触器线圈、按钮指示灯和电铃等电器构成控制电路。图5-5电气原理图〔a〕风机水泵与指示灯图5-5〔b〕所示电气原理图描述了电磁阀控制电路的工作原理，由分支空开K15、中间继电器常开触点等构成控制电路。图5-5电气原理图〔b〕电磁阀而对应的指示灯控制电路的电气原理图如图5-5〔c〕所示。图5-5电气原理图〔c〕指示灯3.4变频器接线图变频调速器是对交流电动机实现变频调速的一种装置。其工作原理是：在外来直流电压或直流电流等控制信号作用下，将电网提供的工频交流电变换为与控制信号一一对应的变压变频的交流电，以实现对交流电动机的无级调速。如图5-6所示，远传压力表送出与水压成比例的0～10V电压信号，变频器根据设定的水压恒定值，改变驱动水泵的交流电频率以调节水压〔流量〕，从而实现恒压供水。图5-6变频器接线图3.5PLCI/O接线图根据上述工程图的设计，可以清楚地计算出本控制系统总计有输出接点29个、输入接点37个，据此选用西门子S7-200系列PLC作为核心控制装置。图5-7PLC输入/输出接线图3.6水位计原理及配线图1．原理框图利用一般水〔非纯洁水〕具有一定电阻的特性，构成桥式电阻输入电路，使用比较电路来判断水位是否到达设定电极，从而低本钱准确地测出同一池中4点的水位状态，并通过继电器开关点位输出到PLC中。图5-8给出电极式水位计的原理框图，由桥式输入、比较器、功率放大、继电器、开关输出、直流稳压电源、输出显示几局部组成。

图5-6变频器接线图2．电路原理图现以4点水位计为例进行介绍，如图5-9所示。检测电极与公共电极之间的电阻值或者无穷大或者是10～20k的电阻值〔与水的浑浊程度有关〕，它取决于水位是否到达某个电极，而这个电阻又是比较器前桥路的一个桥臂电阻。因此，当水位到达某个电极时，就会触发比较器翻转输出一个高电平，从而导通三极管使继电器得电，输出一个水位到限的接点信号到PLC中，同时点亮发光二极管。相应的输出接点为2、4、6、8，C为公共端。图5-9水位计电路原理图3．水位计配线图电极式水位计包括探头与仪表盒两局部。仪表盒固定在墙体上，盒下部有3个穿线孔，自左向右分别穿过探头导线、电源与信号电缆，全部用PVC套管保护。探头采用白钢棍，一端接引入导线，另一端直接入水，电源与信号电缆来自于控制柜。水位计配线图如图5-10所示。图5-10水位计配线图3.7电控柜布置图1．正面布置图最上方装配了一块电压表、一块电流表，特别配置了一块可以中文显示系统运行状态及操作控制参数的TD200液晶显示器。控制柜面共设有27个带灯按钮1AN～27AN，每个按钮含1个常开接点和1个指示灯。①1AN～12AN：12个被控负荷的启停按钮及指示灯〔绿色〕。②13AN～24AN：12个电磁阀的启停按钮及指示灯〔绿色〕。③25AN：备用按钮〔绿色〕。④26AN：手动/自动切换按钮〔绿色或黄色〕。⑤27AN：消除报警信号按钮及指示灯〔红色〕。图5-11电控柜布置图2．内部布置图3．侧视图3.8电气管线敷设图如图5-12所示，在土建平面图与工艺设备布置图的根底上，标注出主要设备的位置，画出与测控有关的仪表、控制设备及其位号以及控制柜的位置，标出电缆走向及其敷设方式等。

表5-2PLC的I/O点分配〔数字量输出〕

3.9自控设备表图5-12电气管线敷设图4PLC系统设计4.1西门子PLC概述PLC即可编程控制器，是计算机技术与继电逻辑控制概念相结合的产物，其低端为常规继电逻辑控制的替代装置，而高端为一种高性能的工业控制计算机。它主要由CPU、存储器、输入组件、输出组件、电源及编程器等组成。S7-200PLC的主要模块如下。1.CPU模块S7-200有5种CPU模块。CPU221无扩展功能，适于用做小点数的微型控制器。CPU222有扩展功能，CPU224是具有较强控制功能的控制器，CPU226和CPU226XM适用于复杂的中小型控制系统。S7-200CPU的指令功能强，有传送、比较、移位、循环移位、产生补码、调用子程序、脉冲宽度调制、脉冲序列输出、跳转、数制转换、算术运算、字逻辑运算、浮点数运算、开平方、三角函数和PID控制指令等。S7-200CPU的指令功能强，有传送、比较、移位、循环移位、产生补码、调用子程序、脉冲宽度调制、脉冲序列输出、跳转、数制转换、算术运算、字逻辑运算、浮点数运算、开平方、三角函数和PID控制指令等。数字量输入中有4个用做硬件中断，6个用于高速功能。32位高速加/减计数器的最高计数频率为30kHz，可对增量式编码器的两个互差90°的脉冲序列计数，在计数值等于设定值或计数方向改变时产生中断，在中断程序中可及时地对输出进行操作。RS-485串行通信口的外部信号与逻辑电路之间不隔离，支持PPI、MPI、自由通信口协议和PROFIBUS点对点协议〔使用NETR/NETW指令〕。2.数字量扩展模块用户选用具有不同I/O点数的数字量扩展模块，可以满足不同的控制需要，节约投资费用。用户可选用8点、16点或32点的数字量输入/输出模块。3.模拟量扩展模块模拟量I/O模块的主要任务就是实现A/D转换和D/A转换。在工业控制中，某些输入量〔如压力、温度、流量、转速等〕是模拟量，某些执行机构〔如晶闸管调速装置、电动调节阀和变频器等〕要求PLC输出模拟信号，而PLC的CPU只能处理数字量。被控变量首先被传感器或变送器转换为标准的电流或电压信号，如4～20mA、1～5V、0～10V，PLC再用A/D转换器将它们转换成数字量。这些数字量可能是二进制数的形式，也可能是十进制数的形式，带正负号的电流或电压在A/D转换后用二进制补码表示。D/A转换器将PLC的数字输出量转换为模拟电压或电流，再去控制执行器。这一控制过程同其他计算机控制系统如出一辙。4.热电偶、热电阻扩展模块EM231热电偶、热电阻模块具有冷端补偿电路，如果环境温度迅速变化，那么会产生额外的误差，建议将热电偶和热电阻模块安装在环境温度稳定的地方。EM231热电偶模块可用于J、K、E、N、S、T和R型热电偶，用户可用模块下方的DIP开关来选择热电偶的类型。热电阻的接线方式有2线、3线和4线三种。5.通信模块EM277PROFIBUS-DP通信扩展从站模块用来将S7-200连接至PROFIBUS-DP网络，EM277模块通过串行I/O总线连接到S7-200CPU模块，PROFIBUS-DP网络经过DP通信端口连接到EM277模块，这个端口可按9600bps～12Mbps之间的PROFIBUS波特率运行。作为从站，EM277模块接收从主站来的I/O配置，向主站发送数据和接收来自主站的数据。EM277可以读写S7-200CPU中定义的变量存储区中的数据块，使用户能与主站交换各种类型的数据。类似地，从主站传来的数据存储到PLC的变量存储区中后，可以传送到其他数据区中。6.通信处理器SIMATICNETCP243-2通信处理器是S7-200的AS-i主站，它最多可以连接31个AS-i从站。S7-200可以同时处理两个CP243-2，每个CP243-2的AS-i网络上最多能有124点开关量输入〔DI〕和124点开关量输出〔DO〕，通过AS-i网络可以增加S7-200的数字量输入、输出的点数。在S7-200的映像区中，模块占用一个数字量输入字节〔状态字节〕、一个数字量输出字节〔控制字节〕、8个模拟量输入字和8个模拟量输出字。7.中文显示屏与西门子PLC主机配套的显示器种类很多，从TD、OP到TP、MP触摸屏系列。其中TD200中文文本显示器是所有S7-200系列中最简洁、价格最低的操作界面。TD200文本显示器为液晶显示覆膜键盘结构。显示器内置汉字库，可显示最多80条信息，可在线修改正程参数，可编程的8个功能键可作为测试时的设置和诊断按钮，也可作为运行时的控制按钮〔可以节省8个输入点〕，可设定实时时钟，提供强制I/O点诊断功能，提供密码保护功能，可选择通信速率，可选择显示信息刷新时间。8.编程软件STEP7-Micro/WIN是专门为S7-200设计的，在个人计算机Windows操作系统下运行的编程软件，它的功能强大，使用方便，简单易学。CPU主机通过PC/PPI电缆或插在计算机中的CP5511、CP5611通信卡与计算机通信。通过PC/PPI电缆，可以在Windows下实现多主站通信方式。4.2PLC配置及接线1.PLC配置根据本工程只有数字量输入接点37个/输出接点29个，总计66个点的设计，我们选用CPU224〔含有DI14/DO10〕、扩展数字量模块EM223-PL〔含有DI16/DO16〕及EM223-PH〔DI8/DO8〕，总计DI38/DO34点，完全满足需要。另外，使用性价比高的中文显示屏TD200。2.I/O点分配〔1〕输出接点29个负载12个，包括1对风机、4对潜水泵、1个反冲洗泵、1个CLO2发生器及其按钮信号灯，电磁阀12个〔及其按钮信号灯〕，手动/自动切换按钮信号灯1个，消音按钮信号灯1个，变频器启动、运行接点各1个，备用按钮信号灯1个。PLC的I/O点分配〔数字量输出〕如表5-2所示。表5-2PLC的I/O点分配〔数字量输出〕〔2〕输入接点37个按钮27个，水位计4个接点10个。PLC的I/O点分配〔数字量输入〕如表5-3所示。根据此表绘制的PLC输入/输出接线图如图5-7所示。表5-3PLC的I/O点分配〔数字量输入〕4.3PLC软件编程在编制程序时，除了确定PLC外部的I/O点以外，还要确定内部变量存储器中的变量，归纳如下：VW10001，2号风机交替时间 VW10081，2号溢流泵交替时间VW20001，2号风机交替时间的2倍 VW20211，2号溢流泵交替的2倍VW10021，2号调节泵交替时间时间 VW1010中水池超上限时间VW20021，2号调节泵交替时间的2倍 VW1014两次反冲洗生物滤池相隔时间VW10041，2号过滤泵交替时间 VW1020两次反冲洗砂罐碳罐相隔时间VW20041，2号过滤泵交替时间的2倍 VW1026反冲洗砂罐时间VW10061，2号中水泵交替时间 VW1028反冲洗生物滤池时间VW20061，2号中水泵交替时间的2倍 VW1022定时器构造时基时间整个程序分为主程序及手动控制、自动控制、实际输出、反冲洗砂罐、反冲洗碳罐、保存现场、恢复现场、显示等子程序模块。下面列举主程序、手动控制、自动控制、实际输出等几个梯形图程序。4.4TD200文本显示器编程因为在S7-200系列的CPU中保存了一个专用区域用于与TD200交换数据，所以要使TD200显示的各种信息与系统运行的实际状态保持吻合、同步，只要把反映实际状态的相关变量信息与数据块的位置相对应即可。这包括14字节参数块的起始字节地址、使能标志字节的起始地址和信息存储区起始字节地址等。现以“报警，中水池水位已达上上限〞为例，说明TD200的编程过程。在STEP7-Micro/WIN32环境下，在左侧“工具〞区中选择“文本显示向导〞，出现如图5-18所示的文本显示向导。然后单击“下一步〞按钮，直到出现分配存储区界面时，选择此TD配置将使用的存储区块，一般默认选择起始字节地址、使能标志字节起始地址、信息存储区起始字节地址。之后进入信息区，可依次输入对应地址的相关信息。例如，信息使能位V15.6中的信息内容设置为“报警，中水池水位已达上上限〞，如图5-19所示。表5-3PLC的I/O点分配〔数字量输入〕表5-3PLC的I/O点分配〔数字量输入〕这条信息显示的时机是信息使能位V15.6=1，参见前述的图5-14所示主程序模块中的Network13，如图5-20所示，在TD200上的8个按键无一按下，即VB14=0，触点闭合和中水池上上限水位接点接通，即I4.4=1触点闭合。因此，当中水池水位到达上上限时，TD200即显示相应的状态信息“报警，中水池水位已达上上限〞。图5-20报警程序4.5TP170B触摸屏编程4.6控制系统操作说明现仍以TD200文本显示器组成的PLC控制系统〔参见～节〕为例，说明上述工程设计所形成的操作步骤。1.控制柜操作说明〔1〕手动控制状态〔2〕自动控制状态〔3〕反冲洗状态2.TD200显示屏操作说明具体功能键操作说明如下。①按F1键设定1，2号风机交替工作切换时间的时基数。②按F2键设定1，2号调节泵交替工作切换时间的时基数。③按F3键设定1，2号过滤泵交替工作切换时间的时基数。④按F4键设定1，2号中水泵交替工作切换时间的时基数。⑤按F5键〔Shift+F1键〕设定1，2号溢流泵交替工作切换时间的时基数。⑥按F6键〔Shift+F2键〕设定中间水池水位上限超过多少秒后停止调节泵。⑦按F7键〔Shift+F3键〕设定系统注册标识码和时基大小。⑧按F8键〔Shift+F4键〕设定小过滤周期的时基数〔即反冲洗砂罐、碳罐前的过滤时间〕和大过滤周期的时间〔即多少次小过滤周期后进行反冲洗生物滤池〕。⑨用户在设定参数过程中随时可以按Esc键取消当前的操作。⑩假设TD200显示屏的左上角或右下角出现闪烁的箭头，那么表示存在上翻页或下翻页的系统提示信息。用户可以按▲或▼键查看上一屏/下一屏信息。5安装调试与工程验收5.1调试步骤类似于本工程的小系统，一般都需要经过实验室PLC单机模拟调试、实验室控制柜空载调试和现场安装调试三步。1．PLC模拟调试在实验室中，把PLC输入端接上模拟现场信号的按钮开关，输出端那么接上用于观测PLC输出的指示灯，并在输入、输出端均贴上名称标签，以方便调试。把编制的程序下载到PLC中，然后运行PLC，拨动模拟按钮，观测输出状态。如果控制输出有问题，可以进入程序状态监控界面，边调试、边修改，直至调试成功。2．控制柜调试接着对整个控制柜进行不带负载的调试。先不带电检查：主回路、控制回路的端子连接是否正确、牢固。然后进行带电检查：主回路、控制回路均合上电源，用短路线模拟现场开关点的通断，运行