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PLC技术在小区中水处理中的应用

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PLC技术在小区中水处理中的应用
摘要： 目前，国内水处理自动控制系统落后，运行费用居高不下，极大的阻碍了中小城市中水处理的发展,如何建立有效的自动控制系统，优化运行效果，减少运行费用，具有重要意义。通过对中水处理控制系统的研究，分析了中水处理控制系统存在的问题，提出了基于PLC控制系统的解决方案，重点研究了中水处理自动控制系统的设计和实现.文章从中水处理的工艺特点入手，根据中水处理对电气控制系统的要求，首先建立了一个基于PLC中水处理电气控制系统总体方案；接着设计了系统主电路、控制电路和系统软件；最后，描述了用亚控组态王实现的计算机监控系统;建立起了一套适合于小区中水处理的自动化控制系统.经过模拟调试，证明了所设计的中水处理PLC控制系统的可行性和正确性。
关键词 中水处理 自动控制 PLC 组态王
1 绪论
1.1 课题研究的背景
1。1.1 水资源现状
众所周知，水是地球上一切生命赖以生存、不可缺少的重要物质，又是不可替代的重要自然资源。60年代以来，世界上许多国家和地区相继出现“水资源危机”。据有关专家预测，本世纪末，尤其是下世纪初，水资源危机将位居世界各类资源危机之首。水资源的缺乏已成为世界关注的一个问题[1］。我国是一个贫水国家，淡水资源非常短缺,全国水资源总量居世界第6位，但人均占有量只有2500m3，约为世界人均水量的1/4,在世界排第110位。目前全国约有400多个城市供水不足,其中100多个城市水资源严重短缺，已经被联合国列为13个贫水国家之一。据预测，2010年全国总供水量为6200～6500亿m3，相应的总需水量将达到7300亿m3，供需缺口近1000亿m3，2030年全国总需水量将达10000亿m3，全国将缺水4000~4500亿m3，到2050年全国将缺水6000~7000亿m3[2]。水利部部长汪恕诚坦言，以水资源短缺、水污染严重和洪涝灾害为特征的水危机已经成为我国可持续发展的重要制约因素，成为实现新时期经济社会发展目标具有基础性、全局性和战略性的重大问题。
1。1。2 小区中水处理需要和意义
中水是指生活污水经过处理后达到规定的水质标准，可在一定的范围内重复使用的非饮用水，非饮用水又可分为人体接触和人体非接触两类，中水几乎可以回用于人体非接触的全部用途。
我国各大中城市都建立了许多大中型污水处理厂，每天都有数十万吨的污水和工业废水经处理后达标排放，这部分水资源没有得到有效利用，非常可惜。据测算，城镇的污水经收集处理后，其中 70%是可再次循环使用的,通过中水处理可以在现有供水量不变的情况下,使城镇的可用水量增加 50％以上,在经济支出方面的节约也是非常可观的。如果每年把全国污水的 1/2 处理成中水,其水量将达 200 亿吨，如果将这些中水替代自来水利用，将产生 200亿元的经济效益[12].
1.2 目前主要存在的问题
中水处理自动控制系统有别于其他控制系统，它需要对大量阀门、泵、曝气机和生化池内的搅拌器等机械设备进行控制，因此中水处理厂需要自动控制的开关量多，它们常常要根据一定时间或逻辑顺序定时开/停。需要抑制外部环境的变化（扰动）对处理过程的影响以确保处理过程的稳定性，需要使处理过程费用最低。
1。3 本论文所做的工作
a) 对小区中水处理电气控制系统总体方案进行设计；
b） 设计小区中水处理电气控制系统硬件结构；
c) 设计和开发小区中水处理 PLC系统控制软件；
d) 设计和开发小区中水处理计算机监控系统；
2 小区中水处理系统总体方案设计
2。1 工艺流程
本课题的研究对象是小区中水处理电气控制系统.。本中水处理系统的工艺流程框图如图2.1所示：
污水
调水池

一级生化池
二级生化池
回用池

提升泵
加压泵
回用水
中水供水泵
曝气机
曝气机
曝气机
水位wewe位
图2.1 中水处理工艺流程框图

2.2 系统组成
a） 调水池曝气机
　 ＊ 2台(一用一备）380V/1.6KW 要有手/自动切换。
　 ＊ 手动方式：手动控制两台曝气机的切换及每台曝气机的起停。
　 * 自动方式：自动控制两台曝气机的切换.
　 b) 生化池曝气机
　 * 一级生化池 2台 380V/2。9KW（一用一备）。
　　 二级生化池 2台 380V/1.6KW ( 一用一备)。
　 * 手动方式：手动控制曝气机的起停。
　 ＊ 自动方式:自动控制两台曝气机的切换.
　c） 提升泵
　 * 2台(一用一备）380V/2.2KW 要有手/自动切换。
　 ＊ 手动方式：手动控制两台泵的切换及每台泵的起停。
　 * 自动方式：自动控制两台泵的切换。
　　d） 加压泵
　 * 2台 （一用一备）380V/1。6KW 要有手/自动切换。
　 * 手动方式：手动控制两台泵的切换及每台泵的起停.
　 * 自动方式：自动控制两台泵的切换。
　　 e） 中水供水泵
　 * 2台（一用一备）380V/3KW 要有手/自动切换。
　f) 反冲洗泵
　 * 1台 380V/5.5KW 手动控制.
g) 加药，消毒计量装置
　 ＊ 1台 计量泵 220V/0。5KW 与加压泵联动控制。
　 ＊ 1台 搅拌器 220V/0。35KW 手动控制。
h) 自来水补水电磁阀(一个)
　 回用水池超低液位时由PLC控制自动打开电磁阀进行补水。
i) 报警器（一个）
系统有水位超高报警及变频器故障报警功能.
2.3 系统总体方案设计
根据小区中水处理的工艺要求和电气控制系统的组成及要求，小区中水处理电气控制系统的总体方案设计如图2。1所示.
图2.1 中水处理系统总体方案框图

可

编

程

控

制

器

P

L

C

一级生化池曝气机（2台）

二级生化池曝气机（2台）

调水池曝气机（2台）

提升泵（2台）

加压泵（2台）

中水供水泵（2台）

变频器

报警器（1台）

远传压力表

上位机
操作面板
液位传感器
热继电器

根据该框图系统所需主要硬件有：
a) 可编程控制器PLC及扩展模块；
b) 上位计算机；
c) 液位传感器、远传压力表；
d) 热继电器;
e) 曝气机、各种泵；
f) 变频器；
g) 报警器等；
3 主控电路设计及主要设备选型
3。1 主电路设计
3。1.1 电气主回路
系统电气主回路实际上是曝气机、电磁阀、搅拌器和各种泵的工作回路。小区中水处理电气控制系统的电气主回路如图3。1所示.

图3.1 电气主回路
图中QS为三极隔离开关、QF为空气开关、FU为熔断器、KM为接触器、FR为热继电器、M为三相交流电动机。
a) 热继电器
根据中水处理驱动电机的型号及其电流电压的要求，选择JR16-20/3型热继电器，以满足系统控制需要。
b) 接触器
接触器在中水处理系统中最主要的用途是控制电动机的启动和停止，并且主要使用中小容量的笼型电机，大部分负载是一般任务。因此选择AC3类接触器。
c） 熔断器
为了在电路发生短路或过载故障时直接断开电源保护系统设备，因此在主电路设计上安装熔断器。，根据小区中水处理系统的组成及要求选用熔体为锌质的RM10系列熔断器.

设备名称
数量
型号
热继电器
15
JR16-20/3型
接触器
18
AC3类
熔断器
17
RM10系列
3。1。2 变频器接线
变频器端子接线图如图3。2所示。
图3。2 变频器端子接线图
PLC的 I4.2、I4.3接变频器的端子 19、21, L+接端子20、22，以便把变频器高频率信号和低频率信号送到 PLC中。高频率一般设置为 49～49。5Hz。低频率为防止水泵转速较低，形成“空转”，一般设置为25~30Hz。PLC的3L接变频器的9，Q1.4、Q1.5并联接变频器的5端,以实现用PLC控制变频器的运行和停止。
a) 压力检测部分
由一只量程为0至0.6Mpa，输出特性为4至20mA，1.5级精度的远传压力表组成。其所检测到的压力信号(经变换后为4至20mA电流信号） 直接送给变频器进行PID调节并控制水泵进行调速运行，以保证管路能维持一恒定的供水压力.
b） PID调节部分
该供水系统的用水量变化较大，要求系统具有快速反应能力及良好的稳定性.因此在确定 PID 参数时要兼顾系统的稳固性和灵敏度,P 参数尽可能大，以保证系统有良好的稳定性，在集中供水时保证系统压力在设计要求的恒压范围内；I、D 参数的选取应保证系统具有良好的灵敏度和抗干扰性。参考各种资料初步选取各参数的值,P:60～80；I：10～15；D:1～3.待以后根据实际应用再作修改.
c） 供水压力的设定
由于频率设定方式选用“操作面板方式”因此，恒压供水压力的设定可转换成对频率设定而由变频器操作面板的键盘直接进行数字设定。设定方法为：根据理论与现场实验修正。
d) 工作过程
本系统整个工作过程采用“先开先停，先停先开"的循环工作过程，使各水泵轮流休息及启动.具体过程如下:一开始时一号供水泵在PLC控制下先投入调速运行,其运行速度由变频器调节，当供水压力小于设定值时变频器输出频率升高,水泵速度上升,反之下降.当变频器的输出频率达到上限频率时，如果此时供水压力仍未达到设定要求则在PLC的逻辑控制下一号供水泵切换到工频运行状态， 二号供水泵投入调速运行。当供水压力大于设定值时,变频器输出频率降低,水泵速度下降，当变频器输出频率低于设定的下限频率时，先启动运行的水泵先停机休息［17]。
3。2 控制电路设计
3。2。1 PLC系统配置
本系统采用软件编程的方法,框图如下

操作面板

可编程控制器

曝气机

变送器

曝气机

现场传感器
曝气机
提升泵

加压泵

图3.3 中水处理系统结构框图
中水供水泵

本文采用较低成本的 S7—200 PLC 作为系统的主控制器,在满足系统性能要求的基础上，比采用 S7—300 系列 PLC 的同类系统大大降低了成本，提高了系统的性价比。
3.2。2 PLC输入输出接点
PLC输入输出接线如图3.4所示。
图3。4 PLC输入输出接线
18个输入按钮、12个热继电器信号、8个水位信号、2个变频器频率极限信号和1个变频器故障信号分别对应于PLC I0.0至I5.0,总计41个开关量输入点；6台曝气机、2台提升泵、2台加压泵、2台供水泵、1个补水电磁阀、1台反冲洗泵、1台搅拌器和总报警分别对应PLC输出点Q0.0至Q2。1，总计18个开关量输出点。另外1台变频器的运行由变频供水输出点并接驱动.
3.2.3 控制方式及功能
为了更灵活地进行控制，本系统采用三种控制模式即手动控制、PLC全自动控制、上位机控制PLC远程手自动控制三种方式。其中手动控制电路如图3.5所示。

图3.5 手动控制电路
a) 调水池和生化池曝气机
根据工艺要求，每池设有2台曝气机用于向池中供氧, 当运行曝气机出现热保护时自动转换为备用机。曝气供氧量由PLC根据时间调节。调水池曝气间歇方式为：曝气半小时,间歇15分钟,以保证生物菌存活；生化池曝气间歇方式为:曝气机白天12小时连续运行，夜间进入休眠状态，每隔一小时曝气10分钟。这样既实现了曝气供氧量的适当，又实现了曝气机开启时间的调节；既避免了不必要的能源损失，又优化了运行工艺,同时对曝气池工艺调节提供了一定的参考模式。
b) 提升泵和加压泵
当运行泵出现过热保护时自动转换为备用机.由PLC根据液位自动控制泵的起停(高起低停)，提升泵的起停与调节池，生化池液位联动，防止溢水；加压泵的起停与提升泵，供水泵，回用池液位联动，防止溢水。
c) 中水供水泵
变频恒压供水方式：系统管网压力高于设定时水泵减速运转；低于设定加速运转，一台泵无法满足流量值时另一台泵自动投入运转保证系统压力达到设计要求。由PLC根据液位自动控制泵的起停(高起低停）同时与其它泵联动。系统有超高液位报警及变频器故障自动切换到工频的功能.
4 系统控制软件设计
4.1 程序流程设计
根据中水处理工艺要求，设计以下控制程序流程图。
a） 调水池曝气机
调水池曝气机程序流程图如图3。6和3.7所示。
图3. 6 调水池曝气机控制逻辑
开始

调水池曝气机运行
曝气时间到
Y
N
调水池曝气机停止
停止时间到
N
Y
开始

一号调水池曝气机
一号过热
Y
N
二号调水池曝气机
二号过热
N
Y
图3. 7 调水池曝气机运行

说明：图3.7是图3。6的调水池曝气机运行部分，当运行曝气机出现热保护时自动转换为备用机。曝气为间歇方式，曝气半小时，间歇15分钟。
b) 提升泵
提升泵程序流程图如图3。8和3.9所示。
图3.8 提升泵控制逻辑
开始

一号提升泵
一号过热
Y
N
二号提升泵
二号过热
N
Y
图3.9 提升泵运行
开始

提升泵运行
提升泵停止
调水池水位低低
二级生化池水位高
回用池水位高
Y
Y
Y
N
N
N
调水池水位高低
二级生化池水位低
Y
Y
N
N

c) 一二级生化池曝气机
一二级生化池曝气机程序流程图如图3。10和3.11所示。
图3.10 生化池曝气机控制逻辑
图3.11 生化池曝气机运行行
开始

一号生化池曝气机
一号过热
Y
N
二号生化池曝气机
二号过热
N
Y
开始

生化池曝气机运行
早于早7点
Y
N
生化池曝气机停止
晚于晚7点
N
Y
曝气时间到
Y
停止时间到
N
Y
N

d) 加压泵
加压泵程序流程图如图3.12和3。13所示。
图3。12 加压泵控制逻辑
开始

一号加压泵
一号过热
Y
N
二号加压泵
二号过热
N
Y
图3.13 加压泵运行
开始

加压泵运行
加压泵停止
回用池水位高低
供水泵变频运行
提升泵运行
Y
N
Y
N
Y
Y
二级生化池水位低
Y
供水泵变频运行
提升泵运行
Y
N
N
Y
回用池水位低低
二级生化池水位高
Y
Y
N
N
N

e) 报警
报警程序流程图如图3。13所示。
开始

图3.13 报警逻辑
变频器故障
N
调水池高水位
计时器计时
N
一级生化池高水位
N
二级生化池高水位
N
回用池高水位
N
计时时间到
Y
报警
N
Y
Y
Y
Y
Y

f) 供水泵
供水泵程序流程图如图3.14和3.15所示。
开始

一号供水泵
一号过热
Y
N
二号供水泵
二号过热
N
Y
图3.15 供水泵工频运行
开始

一号泵变频运行
一号工频泵停止
二号变频运行
上限频率到
Y
Y
Y
下限频率到
下限频率到
Y
N
Y
N
一号泵变频转工频
二号泵变频运行

Y
上限频率到
二泵变频转工频
一泵变频运行

Y
N
N
图3.14 供水泵正常运行控制逻辑

5 上位机组态软件设计

5.1中水处理流程图
本画面的流程图是以第二章介绍的中水处理工艺流程框图为蓝本绘制而成的，将从生活污水集中开始的各水处理流程段形象地展现出来，画面中管道中水的流动、设备的运行状况都与实时数据库相连接，能及时准确地反应工艺现场的实际状况。画面如图5。1所示。

图5。1 小区中水处理监控系统
5。2操作面板画面
此画面根据各流程段所安装的设备设置相对应的开关,同时设置了搅拌器和反冲洗泵等只有手动控制的设备的开关,便于远程手动控制.此外画面中还设定了一个实时报警，对各个水池水位超高或变频器故障做出及时响应.画面如图5。2所示。

图5.2 小区中水处理系统操作面板

结 论
本文针对目前小区中水处理电气控制系统存在的问题，根据中水处理的工艺要求，设计了小区中水处理自动化控制系统系统硬件，开发了 PLC 控制软件，实现了中水处理的手动和 PLC 自动控制,并且组建了组态王上位机监控系统.
本论文比较突出之处在于：
a） 设计出小区中水处理PLC控制系统硬件电路，实现了小区中水处理的自动控制；同时保留了传统的手动系统，使之能相互切换，从而使中水处理自动化系统变得更加实用、可靠、先进和高效。
b) 设计了基于PLC的变频器恒压供水系统,将变频器与PLC结合起来，由变频器控制水泵转速，PLC控制水泵增减，实现了将处理后的中水恒压供给用户。
总之，本文所设计的中水处理 PLC 控制系统不仅能够满足中水处理现场控制和远程监控的要求，而且为以后工程的建立了参考.对于其它类似结构的水处理系统，只要对有关控制参数加以改动，也可以满足其所要求工艺要求.因此,该 PLC 控制系统具有广阔的应用前景.
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