基于PLC的污水处理控制系统设计【毕业论文】

原创 2020-08-26 12:49  阅读

  毕业设计 毕业设计 (20_ _届) (20_ _届) 基于 PLC 的污水处理控制系统设计 摘 要 随着城市的快速发展,环境问题显得日益重要。污水处理成为生活中的一个重要问题。本文以 SBR 污水处理工艺为例,来说明 PLC 在污水处理过程中的应用。先根据污水处理要求设计了设备的电气控制与自动控制线路,主要包括设备的启停、状态信号、故障信号和信号采集等。最后按照工艺要求设计 PLC 控制系统,其中包括 PLC 的选型、系统资源配置以及按照污水处理工艺编制 PLC 程序等。最后通过组态软件对污水处理系统的功能进行调试和模拟仿真,经过...

  毕业设计 毕业设计 (20_ _届) (20_ _届) 基于 PLC 的污水处理控制系统设计 摘 要 随着城市的快速发展,环境问题显得日益重要。污水处理成为生活中的一个重要问题。本文以 SBR 污水处理工艺为例,来说明 PLC 在污水处理过程中的应用。先根据污水处理要求设计了设备的电气控制与自动控制线路,主要包括设备的启停、状态信号、故障信号和信号采集等。最后按照工艺要求设计 PLC 控制系统,其中包括 PLC 的选型、系统资源配置以及按照污水处理工艺编制 PLC 程序等。最后通过组态软件对污水处理系统的功能进行调试和模拟仿真,经过实际仿真表明,污水处理系统工作正常,能够按照设计步骤运行,结果基本符合设计要求。 此控制系统提高了污水处理的效率和速率,同时节约了大量的人力,节省了污水处理的成本。 关键词:污水处理;SBR;PLC;控制系统;设计 Abstract With the rapid development of cities, environmental issues become increasingly important. Sewage treatment become an important issue in the life. The article introduces with the SBR wastewater treatment craft. For example, illustrate the sewage treatment process of PLC application. Designed the electricity control of equipments and automatically control circuit according to the sewage treatment request first. Mainly include the start and the stop of equipments, appearance signal, break down signal and signal to collect etc. Finally design PLC control system according to requirement of process. Including PLC selection, system resources an allocation and draw up PLC procedure according to the sewage treatment craft etc. Finally, function testing and simulation to the sewage treatment system by Configuration software. Through practical simulation results show that the normal Sewage treatment system, in accordance with the design steps. Results are consistent with design requirements. This control system has improved the efficiency and rate of sewage treatment while saving a lot of manpower and saving the cost of treatment. Key Words: Wastewater treatment;SBR; PLC;Control system;Design 目 录 目 录 1 引言 ............................................................ 1 2 设计方案的确定 ................................................. 2 2.1 基于单片机的设计方案 ........................................ 2 2.2 基于嵌入式的设计方案 ........................................ 4 2.3 设计方案的确定 .............................................. 5 3 系统实现设计 .................................................... 8 3.1 硬件部分设计 ................................................ 8 3.1.1 电机的控制电路 .......................................... 8 3.1.2 阀门的控制电路 .......................................... 9 3.2 传感器的选择 ............................................... 10 3.2.1 超声波传感器 ........................................... 10 3.2.2 溶解氧传感器 ........................................... 11 3.3 元件具体控制要求 ........................................... 12 3.4 系统软件设计 ............................................... 13 3.5 程序流程图 ................................................. 14 3.6 上位机与下位机的设计 ....................................... 15 3.6.1 上位机设计 ............................................. 15 3.6.2 下位机设计 ............................................. 16 4 程序设计及仿真调试 ............................................ 17 4.1 主程序设计 ................................................. 17 4.2 PLC 控制实现的 MCGS 组态软件仿真调试 ........................ 26 4.3 调试结果说明和结论 ......................................... 29 5 总结 .......................................................... 30 6 致 谢 ......................................... 错误!未定义书签。 参考文献 ........................................................ 31 附录 I/O 分配表 ................................................. 32 1 引言 我国是一个水资源匮乏的国家,时空分布上极不均匀,许多地区和城市严重缺水。而且大部分城市和地区,本已极为有限的水资源还受到水质恶化和水生态系统破坏的威胁。据调查,我国 1/3 以上的河段受到污染,90%以上的城市水域严重污染,近 50%的重点城镇水源不符合饮用水标准,其原因是由于 80%以上的污水未经有效处理就直接投进水域。尤其伴随着城市化和工业化进程的加速需水量和污染物排放量迅速增长,水危机不仅会长期存在,而且有迅速加剧的趋势。水资源短缺和水环境污染造成的水危机已经成为我国社会经济发展的重要制约因素[1]、[2] 。国内外水环境恢复与再生的实践经验表明,污水深度处理与再利用是通向健康水循环的桥梁,推进污水深度处理和普及再生水利用是人类与自然兼容协调,创造良好水环境,促进人类可持续发展的重要举措。 PLC 是 Programmable logic Controller 英文的缩写,是指以计算机技术为基础的新型工业控制装置。它采用可以编制程序的存储器,用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令,并能通过数字式或模拟式的输入和输出,控制各种类型的机械或生产过程。PLC 是以嵌入式 CPU为核心,加上输入、输出等模块。PLC 的程序设计大多采用类似于继电器控制线路的梯形语言。所以我们可以很方便的根据所要实现的功能,来编写出程序语言。由于 PLC 以上的特性,基于 PLC 控制技术的污水处理系统,具有成本合适,耗能底,性能好和外围扩展能力强等特点,因此采用 PLC 控制核心的污水处理系统具有比采用其他控制核心更大的优势[3] 。 工业污水处理控制近年来一直是控制领域研究的热点之一。伴随着技术进步、工艺改进、系统完善的同时,对工业污水处理的控制也提出了更高的要求。本系统构建了基于PLC的污水处理控制网络,采用PC机和PLC组成网络控制现场设备运行,从而实现污水处理过程的自动控制功能。同时与中央监控系统进行通信,上传数据的同时接受中央监控系统的控制命令。整个控制系统最终达到无人或少人值守的目的。本系统大大提高了污水处理的自动化水平[4] 。 2 设计方案的确定 目前的污水处理控制系统一般是基于单片机以及 PLC 等控制系统。下面简要介绍一下基于这两种实现污水处理的控制方案,并在此基础上确定采用基于 PLC污水处理控制系统的设计方案。 2.1 基于单片机的设计方案 单片机是一种集成在电路芯片上构成的一个小而完善的计算机系统,它是通过程序运行的,并且这个程序可以修改,通过不同的程序可以实现不同的功能。所以通过编写的程序可以让单片机实现高智能,高效率,以及高可靠性。以P87LPC769 单片机为例,其系统硬件结构如图 2-1 所示。 该系统主要硬件由 P87LPC769 单片机,PH 传感器,COD 传感器,变频器 1、2,显示电路,键盘输入电路等组成。P87LPC769 单片机是整个控制系统的核心,PH 传感器,COD 传感器输出信号经输入信号调理电路后分别加到 P87LPC769 单片机的两路 A/D 转换器输入通道,经单片机处理后的信号经片内 D/A 转换器输出,然后通过输出信号调理电路控制变频器。 PH 传感器 COD 传感器 输 入 信号 调 理电路 A/D D/A A/D D/A P87 LPC769 单片机 输 出 信号 调 理电路 变频器 变频器 图 2-1 系统硬件结构图 键盘显示 主程序流程图如图 2-2 所示。系统通电后,先进行初始化,将各个子程序进行激活。单片机检测是否有信号,有则程序开始工作并将工作状态显示出来。在程序工作时,各种传感器以及电压状态的监视都在工作,并进行各种控制算法的运算。当出现问题时。程序自动停下并返回到初始状态并待命。如果在运行过程中各个设备一切正常,则最后完成程序并复位。 系统初始化上位机有控制信号?通信子程序 数据采集 PH 值控制算法 COD 值控制算法 采样周期时间到?PH 值控制周期到?COD 值控制周期到?D/A 输出控制量Y Y Y Y N N N N 图 2-2 主程序流程图 基于 P87LPC769 单片机和个人 PC 机的二级分布污水监控与处理系统工作稳定、成本低、效率高。但是污水处理控制系统工作环境极其恶劣,就算在设计时加上种种保护,也难以避免故障的出现,造成日后维护费用过高。 2.2 基于嵌入式的设计方案 根据污水处理装置的性能要求,整个系统由各模拟量传感器(COD、压力、液位、流量等)、变送器、多路开关。A/D 转换器及 ARM 等组成。各模拟量传感器,将模拟信号送至信号变送器,使之放大变成标准信号,然后由多路开关逐一送至 A/D 转换器,将模拟信号转换成数字信号,再由单片机对数据进行采集、数据处理、显示、并输出相应的控制信号对执行机构进行控制。其硬件设计图如图2-3 所示。 图 2-3 硬件总体设计图 如上图 2-3 所示,选取 S3C44B0X 为微处理器,S3C44B0X 为 32 位 RISC 处理器。为了降低设计成本,S3C44B0X 提供了丰富的内置外设,包括:8KB cache,内部 SRAM,LCD 控制器,带自动握手的 2 通道 UART,4 通道 DMA 系统管理器,I/O端口,RTC,8 通道 10 位 ACD。 S3C44B0X 模 拟开 关 D/A转换 触摸屏 Flash SDRAM 流速 COD 电磁调节阀 变频器 开关量输入 开关量输出 A/D转换 图 2-4 系统主程序流程图 如图 2-4 所示,在控制系统运行中,各个任务之间都有数据要交换,采用消息机制实现任务间通信。各种数据采集任务发送的消息给投药任务和污水流速控制任务,经过各自适应算法,计算出合理的流量值以及投药量,发送消息给数字接口的任务,数字接口任务通过接受有 D/A 转换的模拟信号来调节投药泵以及电磁阀的开度,从而调节流速和投药量。排泥渣任务、粗粒化装置反冲洗任务、内循环过滤冲洗任务是定时来执行的,定时发送消息到各个任务,各个任务接收消息执行任务,任务结束后挂起,等待下一个消息。 嵌入式控制器内嵌实时操作系统,具有实时性,低成本、小型化、专用化和高可靠性,克服了传统控制系统功能不足,控制系统非实时性的缺点以及无法实现复杂的算法等不足。但是污水处理控制系统工作环境极其恶劣,就算在设计时加上种种保护,也难以避免故障的出现,造成日后维护费用过高。 2.3 设计方案的确定 根据上述两种方案,分析每一种方案的优缺点,操作过程,实现的步骤,每一块功能模块的设置等,结合学习中对PLC了解以及在对PLC应用实践中的所学,再根据基于单片机方案中的主要控制流程以及了嵌入式中的控制方式。明确毕业系统初始化 ARMInit0 创建各个任务后启动系统 UC/OS-II 系统调度 污 水 流 速 控 制 任 务内 循 环 过 滤 装 置 反冲 洗 数 据 采 集 任 务人 机 界 面报 警 任 务粗 粒 化 反 冲 洗 任 务排 泥 渣 任 务投 药 任 务 设计任务的要求下,确定了基于 PLC 来实现污水处理控制系统的设计。 根据工艺要求,本系统的电控系统采用以工控机为上位机,显示工艺流程控制、显示报警信号等,PLC 控制为下位机,控制仪表等设备为现场控制单元的三级分布式控制系统,下位机和上位机之间采用串口通讯,PLC 和控制仪表之间采用标准信号进行数据传送,如图 2-5 所示 上位机的主要功能是显示工艺流程、控制和监测各种元器件的运行状态、故障报警、显示故障发生的部位;显示温度、液位、水泵流量、pH 值等模拟量,并且能将上述数据生成报表,以供查阅及随时打印。驱动程序主要用来构造和生成上位机监控系统。软件采用组态软件,主要用来建立图形、监控画面和各种图形内部的管理。系统包括主画面和分画面,主画面包括所有设备及管线。画面中各参数的设定都是根据下位机 PLC 的改变而改变的。工作人员通过这些画面随时监控各个电动机的运行状态,主回路和控制回路的运行状况,而且可随时根据处理污水的状况而直接控制电动机的运行。 下位机采用三菱 FX 系列 PLC,并扩展 4 个机架,放置于中控室。主要用于实现逻辑控制及控制算法,并可直接控制电动机及电磁阀,同时采集现场数据通过 A/D 转换为输入信号。根据控制要求,PLC 将根据液位以及模拟量的状态来决定电动机的启停。当 PLC 得电自检无误后,根据外部传送信号来控制电动机的启停和报警。当电路发生短路、断路或过载时电动机将停止,同时发出报警,或有液位超出警戒线时也报警。 现场控制单元由控制仪表组成,用于控制系统中的模拟量,主要完成从现场工控机 打印机三菱FX系列可编程序控制器电动机、泵、阀门、控制器PH 值 控制器 液位控制器PH 值传感器 液位传感器图 2-5 系统硬件组成图 采集模拟信号,变送为标准信号,经 A/D 转换,送 PLC 进行运算后,控制各种执行机构的功能。 系统中的污水处理采用 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、反应(曝气等)、沉淀、排水”步骤周期性进行生化反应。从污水流入开始到排水结束算做一个周期。工艺流程图如图 2-6 所示 图 2-6 SBR 工艺流程 污水处理系统的基本工作过程主要有进水,反应,沉淀,排水四个步骤组成。其中:进水时,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。 进水结束后,开始反应,这也是 SBR 工艺最主要的一道。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。 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。 当 SBR 池水位达到最高水位,并经过沉淀工艺以后,上清液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。 污水池 水泵 SBR 池 储泥池 鼓风机 污水 处理后的污水 肥料 3 系统实现设计 结合污水处理控制系统的控制方案,系统的实现主要分为硬件部分和软件部分,其中硬件部分包括电机的控制电路,阀门的控制电路,还有传感器的选择等。软件部分包括 PLC 的选型,人机界面的设计,上位机和下位机的设计等。 3.1 硬件部分设计 这部分主要是关于污水处理控制系统的硬件部分的设计,主要包括电机的控制电路,阀门的控制电路,还有传感器的选择等。 3.1.1 电机的控制电路 电机控制分为本地控制和远程 PLC 自动控制。配电线KH 对电机进行供电[5]、[6] 。 图 3-1 电机电气原理控制图 由控制原理图 3-1 可以看出,当 L11 和 N 之间加上 220V 的电压时,红色电源指示灯 1HR 亮,作为控制的电源指示。控制分为控制箱就地控制和 PLC 远程控制,主要通过主令开关 SAK 来选择,当主令开关选择①②时(控制箱就地控制),按下起动按钮 1SF,电路导通,交流接触器 1KM 通电动作(吸合),1KM 的一个常L1 L2 L3 PE N 1 M 1 QF 1 KM L11 1FU 1HR ① ②③ ④1SS 1 KA 1SF 1 KM 1KM 1HR 1KH N 电源指示 手动控制 运行指示 自动控制 COMEOUT1 IN1 IN2 1KA 1KM 1KH +24V 电机运动控制 电机运行信号 电机故障 PLC 控 制 信 号控制原理图 SAK 主回路图 开触点闭合,电动机运行,同时电机运行指示灯 1HR 变亮。此时,松开 1SF,由于 1KM 的一个常开触点闭合将 1SF 短接,所以交流接触器 1KM 保持通电状态。停机时,按动停机按钮 1SS,下面的交流接触器便停止供电,自动断开,其常开触点也为断开状态,电机停止运行,运行指示灯 1HR 灭。如果电机运行在过载状态下,当达到一定时间时,热继电器 1KH 动作,交流接触器 1KM 停电断开,电机停止运行且无法自动起动。 当主令开关由①②转向③④时,此时,即使电机为运行状态,由于交流接触器的断路,也将自动停机。③④导通时,PLC 检测到相应的信号,即认为电机为远程控制。当 PLC 认为应该起动电机时,COME 和 OUT1 之间形成 24V 的直流电压,继电器 1KA 吸合,从而交流接触器 1KM 吸合,电机起动,运行信号经过 1KM 的一个常开触点反馈到 PLC 上。 3.1.2 阀门的控制电路 阀门的电气控制原理:阀门的电气控制电路如下图 2-4 所示。在阀门电机的主接线图中,通过两个接触器 1KM 与 2KM 来控制闸阀电机的正转与反转;控制电路中,1HR 作为电源指示,1SF 为阀门打开(电机正转)按钮,2SF 为阀门关闭(电机反转)按钮;手动自动选择由主令开关 SAK 来实现;为了防止打开关闭两种情况同时出现,造成短路的后果,用两个接触器实现互锁;阀门本身提供了机械式的限位开关,有常开与常闭触点,例如阀门打开时,开到限位开关常闭触点断开,自动断开控制电路,完成打开控制,同时常开触点向 PLC 提供阀门打开与关闭状态[7] 。 表 3-1 符号名称 符号 表示功能 1KM,2KM 手动控制接触器 1KA,2KA PLC 控制接触器 SAK 主令开关 1SF,2SF 阀门按钮 1SL,2SL 限位开关 图 3-2 阀门电气原理控制图 3.2 传感器的选择 3.2.1 超声波传感器 超声波传感器系统由发送器、接收器、控制部分以及电源部分构成。本系统中将超声波换能器置于被测液体上方,向下发射超声波,超声波穿过空气介质,在遇到水面时被反射回来,又被换能器所接收并转换为电信号,电子检测部分检测到这一信号后将其变成液位信号进行显示并输出。 超声波发射电路如图 3-3 所示。 图 3-3 超声波发射电路 1 M 1 QF 1 KM L1 L2 L3 2 KM L11 1FU 1HR 1 KA 1KM N 电源指示 手动打开控制 自动打开控制 手动关闭控制 1SF 2KM 1SL 1KM 2 KA 2KM 2SF 1KM 2KM 2SL 自动关闭控制 OUT1 1KA +24V 打开控制 COD 传感器打 开 状PLC 控 制OUT2 2KA DI1 DI2 1SL 2SL COM 关闭状态 SAK 图 3-3 中,接通电源,振荡器产生振荡波,其频率等于超声波换能器 MA40S2S的共振频率。MA40S2S 是反馈耦合元件,对于电路来说又是输出换能器。MA40S2S两端的振荡波形近似于方波,调节滑动电阻可以改变振荡波的强度,电压振幅接近电源电压。 超声波接收电路如图 3-4 所示。 图 3-4 中,超声波换能器 MA40S2R 谐振频率为 40kHZ,经 MA40S2R 选频后,将 40kHZ 以外的干扰信号衰减,只有谐振于 40kHZ 的有用信号(发射机信号)送入 VT1 和 VT2 组成的高通放大器放大输出。 图 3-5 超声波工作原理图 3.2.2 溶解氧传感器 当前用来测量水中溶解氧浓度最常用的仪器就是电化学传感器(例如 Clark传感器)。它是根据电池原理而设计的。 用传统的化学法(如碘量滴定法)测定水溶液中的溶解氧(DO)是很费时的,且成本高,不能连续测量[8] ,而用滴汞电极(DME)的极谱分析最为简单。但是,DME 的一些特性又影响了它在现场工作中的应用。金与铂电极能克服 DMEh1 h2 液位h 传感器 h1=1/2ct h2=h-h1=h-1/2ct 其中 c=340m/s t 为时间 图 3-4 超声波接收电路 遇到的某些困难,但在一些生物介质中就失效[9] 。为了消除上述困难,膜覆盖氧电极诞生了,它最初是由 Clark 在 1956 年提出的,故而得名 Clark 氧电极[10] 。这种电极利用膜可渗透氧但不能渗透水和有机及无机溶质的原理,保护电极不与这类还原物质紧密接触,从而使传感器的灵敏度不受影响。 表 3-2 OXI3310 溶解氧传感器技术参数 仪表 Oxi 3310 溶氧 浓度* 0.00-19.99 mg/l 0.5 %测试数值 0 - 90 mg/L 0.5 %测试数值 饱和度* 0.0-199.9 % 0.5 %测试数值 0- 600 % 0.5 %测试数值 分压* 0 - 199.9 hPa, 0 - 1250 hPa 0.5 % 温度 5.0 - 105.0 C 0.1 C 自动读数 自动/手动选择 校正 CellOx/DurOx 根据外部标准的 OxiCal 校正试管 校正存储 可查达 5 个校正数值 内置空气压力传感器,补偿功能 是 显示屏 LCD 图表显示屏,背光式 数据存储 手动 200 组,自动 5000 组 数据记录 手动/计时器控引导 接口 USB 接口(PC) 电源 4 x 1.5 V AA 或 4 x 1.2 V NiMH 电池可充电 连续工作 连续工作 1000 小时(显示屏亮时 150 小时) 3.3 元件具体控制要求 (1)两台粗格栅除污机,由时间间隔来控制开或停。一般开 10min,停 1h。 (2)三台水泵,由浮球控制。当集水池处于低水位时,关闭所有泵;当水位较高时,开一台水泵;当水位高时,开两台或三台水泵;当水位很高时,发报警信号。 (3)两台细格栅除污机,由时间间隔来控制其开停。一般开 10min,停 1h。 (4)SBR 池内进水阀门依次开启,当 1#池水位升到一定值后关阀门,然后开 2#进水阀门,2#池水位升到一定值后关阀门,然后开 3#进水阀门,依次类推。 (5)进水阀门关闭后,空气阀门开启,回流污泥泵同时开启。曝气 3h 后关闭空气阀门,回流污泥泵也随之关闭。 (6)空气阀门关闭 1h 后,滗水器开始运行。当 SBR 池液位下降到一定液位后停止运行。 (7)剩余污泥泵在滗水器停止运行后开始运行,排泥至储泥池。储泥池液位达到高液位或 1h 后停止运行。 (8)当开启 1 个空气阀门时,开启一台鼓风机,当开启 2 个或 3 个空气阀门时,开两台鼓风机。 (9)脱水机按水处理工艺要求工作,单体为自动化组。 设备与其在工艺中代号的对应关系表如表 1A 和表 1B 所示。(见附录) 3.4 系统软件设计 一个完整的 PLC 应用系统包括两方面的内容:人机界面和 PLC 控制系统。人机界面是人与控制系统进行信息及数据交流的一个窗口;PLC 控制系统对控制现场进行参数采集并完成控制功能。 基于PLC的污水处理控制系统的设计分为PLC控制系统的设计和人机界面的设计。其中 PLC 的控制系统由 PLC,I/O 设备及 PLC 软件组成。PLC 控制系统是实现控制的基础[11] 。 人机界面指的是介于人与 PLC 控制系统之间的一个界面。在污水处理过程中操作人员可以通过人机界面与 PLC 控制系统进行信息数据的处理和交流,通过人机界面向 PLC 控制系统输入数据、信息和控制命令并进行信息交换;而 PLC 控制系统又可以通过人机界面回送温度,PH 值,溶解氧浓度等有关信息给用户。由此可知,人机界面充分地体现了 PLC 控制系统的 I/O 功能及用户对系统工作情况进行操作的控制功能。 图 3-6 人机界面设计 启动 停止 手动 自动 手动指示灯 自动指示灯 报警指示灯 复位 3.5 程序流程图 图 3-7 SBR 池一个周期的流程图 开始 集水池水位 进水 反应(曝气等)沉淀 排水 SBR 池水位 曝气 3 小时 沉淀 1 小时 结束 低 高 低 高 时间未到时间到 时间未到时间到 3.6 上位机与下位机的设计 在系统的运行程序中设置上位机控制方式和下位机控制方式两种。当切换到上位机控制方式时,下位机接收上位机发出的指令,可以通过上位机直接遥控现场设备的运行。当切换到下位机方式时,可以在终端设备上监控设备的运行情况和手动操作现场设备,由下位机按固定的程序完成逻辑操作。 3.6.1 上位机设计 污水处理监控系统用于对污水处理的运行状态进行集中监控,用于监控的工业控制计算机通过工业以太网与现场的 PLC 主站相连,上位机操作系统采用Windows XP,监控画面图形使用 MCGS 制作。上位机的主要功能是监控设备的运行及控制状态,数据采集和对自动控制系统的控制参数进行设置,绘制重要参数的变化曲线。 上位机软件设计。上位机为通用的工控计算机。为了更好地反映各设备的运行情况,又分别制作了中和池系统、厌氧池系统、组合池系统、沉淀池系统等分画面。画面中各参数值都是根据现场 PLC 的改变而改变的。工作人员通过这些画面可以随时对系统的设备状态、运行参数、各种报警信号,进行实时监测、处理、记录和显示。下图为上位机的控制系统结构图。 图 3-8 控制系统结构图 中心控制 室上位机 工业以太网 分控 站 1 分控 站 2 分控 站 3 分控 站 4 3.6.2 下位机设计 下位机采用三菱 FX 系列 PLC,可以和现场的传感器、变送器、自动化仪表相连,进行数据通信、数据处理和数据管理。通过 PLC 进行数据处理,PLC 可根据液位信号决定设备的启停和阀门开关,以出水水质为依据采用前馈反馈控制方法,使系统在各种工况下都能够实时地、稳定地控制水质。液位、PH 值等模拟量也采用闭环控制,形成多个控制回路。 整个软件设计为便于调试采用模块化编程,其主要包括信号获取处理、信号控制、故障模块的设计,与上位机通信的设计。控制每个设备的功能模块都编制好后,将功能模块都放在组织块中,PLC 执行程序时,按顺序执行组织块中的所有功能模块,就可以实现对所有设备的自动或手动控制[12] 。 图 3-9 为下位机的系统结构示意图。 图 3-9 下位机系统结构示意图 如图3-8所示为控制系统结构示意图,根据控制量点数系统采用FX2N,并扩展了一块FX2N-80MR,系统输入信号部分包括传感器,液位计,DO传感器,流量计,按钮,空气开关和接触器。反馈输出信号部分包括信号灯,报警器,接触器,泵和电机等部分。 现场接线盒 传 感 器按 钮指 示 灯报 警 器信 号 灯接 触 器液 位 计电 机风 机FX2N FX2N-80MR 4 程序设计及仿真调试 污水处理系统的工作流程,大致可以分为三个流程,一个进水,第二是污水处理,最后是出水[13] 。首先污水经过粗格栅除污机,细格栅除污机将污水中的污泥去除,污泥运输到储泥池,污水则由水泵送至 SBR 池进行处理,在处理过程中由鼓风机鼓入空气加速其反应并且空气阀门调节空气流量的大小、潜水搅拌器不断搅拌污水,回流污泥泵使反应池中的污水再次回流入 SBR 池进行再一次处理,直到水样检测合格,反应结束。污水处理结束后将处理后的水送入蓄水池,污泥则送至储泥池。这样,一个处理周期就结束了。根据上述的污水处理的流程,就可以将程序分为粗格栅除污机,进水阀门,水泵,细格栅除污机,空气阀,鼓风机,滗洗器,剩余污泥泵,报警器等部分。 4.1 主程序设计 根据污水处理控制系统的工艺流程及设备要求,编写控制程序如下: 1) 粗格栅除污机 在自动工作方式下,由时间间隔来控制两台粗格栅除污机开或者停,一般开 10min,停 1h。它的程序为: LD I0 OR I2 OUT M0 ANI T1 TMR T0 K6000 LD M0 AND T0 LDI T0 ATMR T1 K36000 LD M0 ANI T0 OUT Q0 OUT Q1 所对应的梯形图如图 4-1 所示。 图 4-1 粗格栅除污机梯形图 2) 进水阀门 (1)辅助继电器 在这段程序中,辅助继电器 M1 在集水池水位很高时为“ON”。当 2#、3#、4#进水阀门有一个打开,M2 为“ON” ;当 1#、2#、3#进水阀门有一个打开,M5 为“ON”。它的程序为: LD I15 OR I16 OR I17 ANI I14 OUT M1 LD Q16 OR Q20 OR Q22 OUT M2 LD Q14 OR Q20 OR Q22 OUT M3 LD Q14 OR Q16 OR Q20 OUT M5 所对应的梯形图如图 4-2 所示。 图 4-2 辅助继电器梯形图 (2)进水阀门 在自动工作方式下,当集水池的水位很高,1#SBR 池水位低,且其他 3 个进水阀门都关闭时,打开 1#进水阀门,等水位上升到高水位后关闭 1#进水阀门;然后开 2#进水阀门,2#SBR 池水位升到一定液位后关 2#阀门,然后开 3#进水阀门,依次类推。进水阀门的程序为: LD I34 AND M1 AND R2004 K500 AND R2004 K4000 ANI M2 OUT Q14 TMR T3 K50 LD I34 ANI Q14 ANI I36 AND= R2004 K4000 OUT Q15 所对应的梯形图如图 4-3 所示。 图 4-3 1#进水阀门梯形图 3)水泵 根据控制要求,只有当至少有一个进水阀门打开后才能开启水泵,所以需要一个辅助继电器 M6 来判断 4 个进水阀门是否至少有一个为“ON”。 在自动工作方式下,两台水泵由集水池浮球和进水阀门控制。当集水池处于低水位时,关闭所有泵;当水位较高且至少有一个进水阀门打开时,开一台水泵;当水位高且至少有一个进水阀门开打时,开两台水泵;当水位很高且至少有一个进水阀门打开时,开两台水泵并发报警信号。 LD T3 OR T4 OR T5 OR T6 OUT M6 LD I15 OR I16 OR I17 ANI I14 AND I6 AND M6 OUT Q2 LD I16 OR I17 ANI I14 AND I7 AND M6 OUT Q3 所对应的梯形图如图 4-4 所示。 图 4-4 水泵梯形图 4)细格栅除污机 在自动工作方式下,由时间间隔来控制两台细格栅除污机开或者停,一般开10min,停 1h。它的程序为: LD Q2 OR Q3 OUT M7 LD I20 OR I22 OUT M10 LD M7 AND M10 ANI T10 TMR T7 K6000 LD M7 AND M10 AND T7 LDI T7 ATMR T10 K36000 LD M7 AND M10 ANI T7 OUT Q5 OUT Q6 TMR T12 K100 所对应的梯形图如图 4-5 所示。 图 4-5 细格栅除污机梯形图 5)空气阀门、潜水搅拌器和回流污泥泵 在自动工作方式下,进水阀门关闭后,相应的空气阀门开启,潜水搅拌器和回流污泥泵同时开启,持续运行 3h 后关闭空气阀门,潜水搅拌器和回流污泥泵随之停止运行。 1#空气阀门、潜水搅拌器和回流污泥泵的程序为: LD I130 AND= R2004 K4000 ANI T13 OUT Q52 LD I131 OR I50 ANI T13 OUT Q24 OUT Q40 LD Q52 LD R2004 K1000 ATMR T13 K108000 LD I130 AND T13 OUT Q53 所对应的梯形图为: 图 4-6 1#空气阀门、潜水搅拌器和回流污泥泵梯形图 6)总空气阀 在自动工作方式下,如果至少有一个空气阀门是打开的,那么总空气阀门打开;如果所有空气阀门都是关闭的,那么总空气阀也要关闭。它的程序为: LD I131 OR I134 OR I137 OR I142 AND I124 OUT Q50 LD I132 AND I135 AND I140 AND I143 AND I124 OUT Q51 所对应的梯形图如图 4-7 所示。 图 4-7 总空气阀门梯形图 7)鼓风机 在自动工作方式下,当开启 1 个空气阀门时,开启一台鼓风机,当开启 2个或 3 个空气阀门时,开两台鼓风机。它的程序为: LD I131 OR I134 OR I137 OR I142 AND I116 OUT Q44 LD I131 AND I134 LD I131 AND I137 OLB LD I131 AND I142 OLB LD I134 AND I137 OLB LD I134 AND I142 OLB LD I137 AND I142 OLB AND I117 OUT Q45 所对应的梯形图如图 4-8 所示。 图 4-8 鼓风机梯形图 8)滗水器 在自动工作方式下,空气阀门关闭 1h 后,相应的滗水器开始运行;当 SBR池液位达到低液位后停止运行。1#SBR 池滗水器的程序为: LD T24 OR I55 OR I60 LD I54 OR I150 ALB AND= R2004 K400 ANI I155 ANI I157 OUT Q30 OUT Q32 LD R2004 K500 ANI I154 AND I54 ANI Q30 ANI I156 OUT Q31 OUT Q33 TMR T34 K50 所对应的梯形图如图 4-9 所示。 图 4-9 1#滗水器梯形图 9)剩余污泥泵 在自动工作方式下,滗水器停止运行后,剩余污泥泵开始运行,排泥至储泥池;储泥池液位达到高液位或运行 1h 后停止运行。1#剩余污泥泵的程序为: LD T34 OR I73 AND I72 ANI I104 ANI T40 OUT Q34 LD Q34 LDI I73 ATMR T40 K36000 所对应的梯形图如图 4-10 所示。 图 4-10 1#剩余污泥泵梯形图 10)集水池液位超高报警 当集水池液位超高时,发出液位超高报警信号。 LD I17 OUT Q62 所对应的梯形图如图 4-11 所示。 图 4-11 集水池梯形图 4.2 PLC 控制实现的 MCGS 组态软件仿真调试 对于污水处理系统控制过程的 PLC 控制实现,这里采用组态软件来对设计的PLC 程序和整体控制设计过程来进行仿真。 组态软件,又称组态监控软件系统软件,它是指一些数据采集与过程控制的专用软件。在基于 PLC 设计的污水处理系统中采用 MCGS 组态软件进行仿真,它具有功能完善、操作简便、可视性好、可维护性强的突出特点。它通过与其他相关的硬件设备结合,可以快速、方便的开发各种用于现场采集、数据处理和控制的设备。MCGS 软件可以设计和构造自己的应用系统,运行环境则按照组态环境中构造的组态工程,以程序指定的方式运行,并进行各种处理,完成组态设计的 目标和功能,进而调试出预期所设计的完整功能进行仿线] 。 在系统仿真调式中,首先是建立数据库,以便将它们之间都互相组合起来,其次是对所做的设计进行调式仿线.数据库的创建 数据的定义依据工作需要主要可以分为以下几个部分:鼓风机开关,污水排泥阀,格栅网,污水泵,报警开关,限位开关,污水转移泵,污水过滤泵,水位计开关,流量开关等。如图 4-12 所示[15] 。 图 4-12 MCGS 组态软件中设定的数据 2.污水处理系统统运行及结果说明 数据库创建后,对所需要用到的部件进行画图和安放,这里从污水处理工作进行组态说明,以进一步可以直观的体现出详细的污水处理流程,更好更详细的明白污水处理步骤的进行。 (1)运行第一步 当启动按钮按下的时候,此时系统开始运行。这时污水泵开始工作,污水经过格栅网后由污水泵进入反应池,不合格的污水回流入事故水池,鼓风机开始工作,将空气鼓入反应池加速其反应。污泥则由污泥泵送入污泥池。其运行仿线 污水处理运行第一步仿线)运行第二步 当反应池中水位到达一定高度时,格栅网关闭,停止进水,污泥泵将反应池中的污水送入 SBR 池进行进一步的反应,并将处理好后的水送入水箱。将沉淀的污泥送入污泥池。其运行仿线 污水处理运行第二步仿线)运行第三步。 当污水处理过程中发生污水泵过载,则指示灯变红,并停止运行,且当整个过程中发生故障,按下停止按钮,系统就停止运行。其运行仿线 污水处理运行第二步仿线 调试结果说明和结论 通过组态软件对系统进行仿真,组态软件提供了多种控制器件库、图形控制和功能组件,可组态各种显示与控制功能,创建画面和信息并将其与 PLC 程序链接,提供友好的人机界面来操作被监控的设备或系统,对 PLC 系统中的实时数据进行显示、记录、存储、处理,能直观的反应污水处理的工作流程。 根据上面组态软件调试的结果和任务书中的要求,基于PLC设计的污水处理系统,给出了优化的程序梯形图和工作流程。然后根据各种功能的实现分步骤编写程序实现各功能,最终通过程序整合实现整体功能。满足各种监控要求,整体初步达到预想的目标。 5 总结 通过本次基于 PLC 设计的污水处理控制系统的研究,利用 PLC 编程实现对污水处理的自助式操作,极大的提高了人工效率。在对几种基于不同技术构造的污水处理控制系统的比较后,采用 PLC 的控制系统具有性价比高,扩展性强,稳定性好等优点。在 PLC 应用领域中,其运用还有着更显著的效果。上面所演示和介绍的运用 PLC 技术所实现的污水处理控制系统的功能,只是运用 PLC 技术运用的一小部分。 当然,本设计还存在很多不足之处没有考虑到;另外在编程中缺少统一的编程思想,没有充分的考虑到,输入、输出点前后重复的情况,致使编程结束后,做了大范围的统一调整,浪费了时间,而且使得程序的输入、输出赋值方面变得非常混乱,影响了编程效果。此外,由于实际条件的限制,本设计不能进行调试运行,这也是不足之处,故考虑运用 MCGS 组态软件进行仿真,其真实的仿真效果,具有较强的直观性。在本次设计中,设计的内容的完成情况与任务书中所要求的基本一致,但设计中肯定还有其它不足和纰漏,诚挚希望得到各位老师批评指正。 通过对这次课题的研究,使我对 PLC 具有了更加深入的认识,也让我的编程能力得到了很大的提高。并且也提高了我的工程实践能力。将自己所学的专业知识充分的运用到了实践中。且通过这次课题研究,使我的相关理论知识更加扎实。并且充分学习了 MCGS 组态软件,让我在研究过程中充分得到了锻炼。当然,在研究中也曾遇到了很多困难,查阅相关资料,逐步摸索方法,克服困难,解决了很多难题。这些经历是在以前学习中所未经历过的,相信在日后的工作中对我会有很大的帮助。 参考文献 [1] 冯裕钊.缺氧变速生物滤池污水处理系统混合智能控制研究[D].重庆大学博士学位论文,2005:13. 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[15] 刘志峰,张军,王建华.工控组态软件实例教程[M].北京:电子工业出版社.2008,02. 附录 I/O 分配表 表 1A 控制设备与其在工艺中代号的对应关系 代号 对应的设备 M010a 1#粗格栅除污机 M020a 1#水泵 M020c 3#水泵 M030b 2#细格栅除污机 M070b 2#SBR 池进水阀门 M070d 4#SBR 池进水阀门 M090b 2#SBR 池空气阀门 M090d 4#SBR 池进水阀门 M1002a、M1002b 2#SBR 池两个滗水器 M1004a、M1004b 4#SBR 池两个滗水器 M110b 2#SBR 池剩余污泥泵 M110d 4#SBR 池剩余污泥泵 M120b 2#SBR 池回流污泥泵 M120d 4#SBR 池回流污泥泵 M130b 2#鼓风机 M14 总的空气电动阀 LT20b 2#SBR 池超声波液位计 LT20d 4#SBR 池超声波液位计 FT2 气体流量计 AT10b 2#SBR 池 DO 仪 AT10d 4#SBR 池 DO 仪 表 1B 控制设备与其在工艺中代号的对应关系表 代号 对应的设备 M010b 2#粗格栅除污机 M020b 2#水泵 M030a 1#细格栅除污机 M4 皮带运输机 M050b 2#沉砂池 M070a 1#SBR 池进水阀门 M070c 3#SBR 池进水阀门 M080a 1#池潜水搅拌机 M080c 3#池潜水搅拌机 M090a 1#SBR 池空气阀门 M090c 3#SBR 池空气阀门 M1001a、M1001b 1#SBR 池两个滗水器 M1003a、M1003b 3#SBR 池两个滗水器 表 1B 控制设备与其在工艺中代号的对应关系表(续) M110a 1#SBR 池剩余污泥泵 M110c 3#SBR 池剩余污泥泵 M120a 1#SBR 池回流污泥泵 M120c 3#SBR 池回流污泥泵 M130a 1#鼓风机 M130c 3#鼓风机 LT10a 集水池 1#浮球开关 LT10c 集水池 3#浮球开关 LT30a 储泥池 1#浮球开关 LT20a 1#SBR 池超声波液位计 LT20c 3#SBR 池超声波液位计 FT1 气体流量计 AT10a 1#SBR 池 DO 仪 AT10c 3#SBR 池 DO 仪 M15 脱水机 表 2 数字量输入模块 1 输入地址分配表 输入地址...

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