基于plc的污水处理.doc

江苏建筑职业技术学院毕业设计

2011——2014学年
毕 业 论 文

课题名称：基于plc的污水处理系统
系 部：
班 级：
姓 名：
指导教师：
目录
摘要 3
1.1课题主要设计的内容 3
第二章 污水处理流程 3
2.1 污水处理的工艺流程 3
第三章PLC控制系统 4
3.1可编程控制器的分类 4
3.2 PLC的程序设计语言 5
第四章控制系统的设计 6
4.1课题设计要求 6
4.2主电路设置 6
4.3硬件分配表 7
4.4 主电路图 8
4.5 控制电路图 9
4.7程序流程图 9
第五章污水处理系统的PLC程序 11
5.1程序的构成 11
5.2数字量输入 11
5.3主程序 13
第六章监控系统设计 18
4.1 WinCC组态软件的简述 18
第七章 总结 23

24

摘要
近几年我国经济快速发展，但也随之带来了一些环境问题，特别是对水的污染问题。我国政府对水污染的重视程度年年正在逐步提高，从目前看来来我国对大中城市的污水问题采取了一定的治理措施，但是在乡下和乡镇中生活污水的处理情况很不乐观。为此，改善水环境，保护我国紧缺的水资源，成为一件刻不容缓的事情。由于学校内学生人口多，水污染问题也比较客观，所以水资源也是学校面临的一件重要的问题。SBR污水处理法，对校园生活污水进行处理，经过处理后的中水可以用来浇灌花木、绿地、冲洗厕所，从而达到节约用水的目的。
1.1课题主要设计的内容
这个课题主要设计污水处理的PLC自动控制和对应的WinCC的组态监控设计画面，主要设计如下
第一章本课题讨论了课题的研究背景、国内外的污水处理方法、本课题要研究的工作。
第二章着重介绍了序批示污水处理法，也介绍了污水处理的过程。
第三章介绍PLC控制系统。
第四章介绍整个控制系统的设计。
第五章污水处理的plc程序及主电路和控制电路图。
第六章介绍了组态软件和监控系统的设计及整个系统的运行结果
第七章介绍了文章的总结。

第二章 污水处理流程

2.1 污水处理的工艺流程
污水处理采用SBR污水生物处理工艺，是按“进水、反应（曝气等）、沉淀、排水”几个步骤周期性进行循环。从污水流入开始到排水结束算做一个周期。工艺流程图如下所示，基本操作运行程序如下。
（1）进水
进水电动阀门打开，污水通过粗格栅过滤，经过水泵，然后细格栅过滤到达SBR池。
（2）反应
进水到一定液位后，停止进水，排空气阀阀门打开，风机延时启动，开始曝气，同时潜水搅拌器和回流污泥泵运行。
（3）沉淀
当SBR池停止曝气以后，空气阀门关闭，罗茨风机也停止运行，开始进行静置和沉淀。
（4）排水
SBR池水位达到最高水位，并经过沉淀工艺以后，#1清水泵启动，上清夜（上面的清夜）缓慢排出池外。向清水池注水，当清水池到达高水位时#2清水泵启动#1清水泵停止，开始向中水箱注水，当水箱到达高水位时，#2自动停止运行。
控制过程包括：
①充水(打开进水泵)
②曝气(开启风机)
③沉淀（在污水池内）
④排水（到清水池）
第三章PLC控制系统
3.1可编程控制器的分类
PLC按 结构形状可以分为整体式和模块式两类。整体式的PLC是将电源、I/0接口、cpu等部件都装在一个机箱内部，具有结构紧凑、体积小、重量轻、低价格的特点，适合一般电气控制，一般小型的plc采用这种整体式。整体式的PLC也称为PLC的基本单元，在基本单元的基础上可以加装扩展模块扩大其适用范围。扩展区域只有I/O接口和电源，没有cpu。模块式plc是将plc的各个部分分开，分别叫做cpu模块、I/O模块、电源模块以及各个功能模块，这种模块的特点是配置灵活，便于扩展和维修，适合中、大型的plc。
PLC按输入/输出接口（I/O接口）的点数可以分为大型机、中型机、小型机。I/O点数小于128点的称作为小型机；I/O点数在129~512点的称作为中型机；I/O点数大于512点的称作为大型机。PLC的I/O接口数越多，其内部储存容量越大，价格会越贵，因此，在设计电气控制系统时我们应该尽量减少使用I/O接口的数目，目的是为了减少成本。
3.2 PLC的程序设计语言
用户的PLC程序可以根据下图的梯形图语言或指令表语言来编写。梯形图主要由触点、线圈等软元件组成，触点表示 逻辑的‘输入条件’，线圈表示 逻辑的‘输出结果’，程序的逻辑运算按照从上到下、从左到右的方向依次执行。触点和线圈等组成的独立电路称为网络，以网络为单位给梯形图加注释，通常程序按网络的编号依次进行执行。例如网络1、网络2……
程序的梯形图与继电器系统的电气原理图十分相似。梯形图程序的模仿电路中电流的流动，通过一系列的逻辑输入条件，来决定是否有逻辑输出。一个梯形图程序包括左侧提供‘电流’的母线，闭合的触点允许通过他们流向下一个元件，而打开的触点阻止电流的流动。例如下图中当触点I0.0闭合时，线圈Q0.0就会导通；当I0.1闭合时，线圈Q2.0就会通电。指令表的语言与计算机的汇编语言比较相似。用户既可以输入梯形图也可以输入指令表，梯形图和指令表之间可由编程软件来进行相互转换。
PLC的工作方式是循环扫描的工作方式：
（1） 读输入。将CPU每个端口的状态输入到映像寄存器。
（2） 执行程序。CPU逐条扫描程序，从上到下依次扫描。
（3） 处理通信请求。
（4） 执行CPU自诊断
（5） 写输出。将映像接触器之中的输出数据复制到输出寄存器中

第四章控制系统的设计

4.1课题设计要求
1）控制装置选用PLC为系统的控制核心，根据工艺要求合理选配PLC机型和I/O接口。
2）可执行自动的方式，应能按照工艺要求编辑程序。
3）电动阀上电动机为正、反转双向运行，因此要在PLC控制回路加互锁功能。
4）为了设备安全运行，考虑必要的保护措施，如电动机过热保护、控制系统短路保护等。
6）选择电器件、编制元器件目录表。的I/O接口功能表。
7）绘制电气原理图：包括主电路、控制电路、PLC硬件电路、编制PLC
8）采用梯形图或指令表编制PLC控制程序。
9）利用WinCC软件设计出交互式组态控制系统

4.2主电路设置
1、主电路中交流接触器km1、km2、km3分别控制#1清水泵M1，#2清水泵M2，曝气风机M3，交流接触器km4、km5控制电动阀电动机M4。
2、电动机M1，M2,M3,M4由热继电器FR实现过载保护。 QF为电源总开关，可以完成对整个主电路的保护，又起到断开三相交流电源的作用，使电路更加方便使用和维修
3、 熔断器FU1、FU2、FU3、FU4实现各个回路的短路保护。FU5、FU6完成对控制回路以及PLC回路的短路保护。
4、 电动阀闸门需要采用两个交流接触器，来实现电动阀门的正反转。

4.3硬件分配表
序号
文字符号
名称
数量
备注
1
2
3
4
5
7
8
9
10
11
12
13
M1/M2/M3/M4
FB1/FB2/FB3/FB4
FU1/FU2/FU3/FU4
FU5/FU6
QF
SB1
SB2
KM1/KM2/KM3/KM4/KM5
HL1/HL2/HL3/HL4
YA1
YA2
PLC
电动机
热继电器
熔断器
熔断器
断路器
启动按钮
停止按钮
交流接触器
指示灯
排空电磁阀
电动阀
可编程控制器（西门子s7-200）
4
4
12
2
1
1
1
5
4
1
1
1
三相交流异步电动机
按照电动机的整定电流
熔体10A
熔体2A
脱口电流10A
绿色按钮
红色按钮
线圈电压：220v
线圈电压：220v
线圈电压：220v
线圈电压：220v
继电器输出

4.4 主电路图

4.5 控制电路图
4.7程序流程图
前面已介绍了整个污水处理的控制要求，为了使编写的程序很好的达到预期效果，按照工艺过程画出了系统的流程图。根据visio软件画出了整个系统的流程图如图所示，图中具体说明了各个部分打开/g关闭的条件，通过流程图能更清楚的明白整个污水处理系统。

流程图中能够清楚的看出电动阀开启的条件，关闭条件。#1清水泵和#2清水泵的开启和关闭条件。

第五章污水处理系统的PLC程序
5.1程序的构成
整个PLC程序由以下几个程序模块组成的。
（1）主程序
对整个污水处理系统工艺流程的控制。
（2）I/O程序
对远程I/O的编程,使其按照PLC程序进行工作。
（3）模拟量输入程序
完成对模拟量的采集和存储。
5.2数字量输入

输入地址
对应设备
I0.0
启动按钮
I0.1
停止按钮
I0.2
热继电器（过载保护）
I0.4
电机故障
I0.5
电动阀门开
I0.6
电动阀门关
I1.0
污水水位高
I1.1
污水水位低
I1.2
清水水位高
I1.3
清水水位低
I1.4
水箱水位高
I1.5
水箱水位低

输出端口分配表

输出地址
对应设备
Q0.0
#1清水泵
Q0.2
#2清水泵
Q0.3
污水水位高红灯
Q0.4
污水水位低绿灯亮
Q0.5
清水水位高红灯亮
Q0.6
清水池水位低绿灯亮
Q1.0
水箱水位高（红灯亮）
Q1.1
水箱水位低（绿灯亮）
Q1.2
绿灯亮（电动阀开）
Q1.3
绿灯亮（电动阀关）
Q1.4
电动阀开
Q1.5
电动阀关
Q1.6
故障报警
Q2.0
罗茨风机
Q2.1
排空电磁阀
Q2.2
上水电磁阀

5.3主程序
根据污水处理控制系统的工艺流程，编写的控制程序如下。

1、

首先，按下启动按钮I0.0，若污水水位在低水位时，整个线路导通，电动阀打开，开始向污水处理池纳入污水；若在高水位，线路不导通，电动阀不打开。Q1.2表示当电动阀打开时亮绿灯。
由于要实现正反转，在网路3编写了电动阀的关闭程序，来实现正反转。
在网络中有很多保护功能，例如过载保护I0.2，短路保护，电机故障保护。

Q1.3为电动阀关闭时亮红灯；Q1.6电机故障灯；若向污水池纳污水时污水水位在低水位时显示绿灯，高水位时显示红灯。
若污水水位达到高水位时电动阀关闭，在污水池内要进行曝气，排空电磁阀开启，采用时间继电器对风机进行延时空载启动

Q2.0为罗茨风机；通过时间继电器对罗茨风机进行延时启动，曝气过程采用；SM0.5是在每个周期内只导通半个周期。由于曝气时间较长采用计数器进行时间延时。
因为排空电磁阀两次开启，两次关闭所有采用位存储器来实现。

1、曝气结束，排空阀会再次打开，罗茨风机通过延时继电器空载停机，然后排空电磁阀也通过延时继电器延时关闭。
风机保护：风机的启动和停止，能起到保护电动机和风机的作用。

污水池内的水经过40分钟的沉淀之后，若清水池水位在低水位时，PLC下达指令，#1清水泵开启向清水池纳入清水。若达到清水池的高水位，就会红灯亮起。清水池中的水位低至低水位时就会有绿灯亮起

当清水池的水位达到高水位时，为#2清水泵开启作条件。

在中水箱绿灯亮起时表示中水水位低，#2清水泵启动纳入清水；亮红灯表示水位高，#2清水泵停止纳入清水。
第六章监控系统设计
上位机实现的是监控功能，在控制系统中充当操作站的角色。通过网络连接实现对下位机及所连设备的监控。本课题上位机采用西门子组态软件WinCC来实现监控界面。

4.1 WinCC组态软件的简述
WinCC是西门子和微软公司联合开发的监控软件，WinCC是常用的数字采集与监控控制系统软件，具有良好的开放性和灵活性。下面就是本设计的WinCC界面。

该图就是按下开始按钮时电动阀开启的状态

第七章 总结
本文对PLC控制的污水处理控制系统进行了设计，采用PLC为控制器实现了污水处理过程的自动化操作；同时，采用WinCC软件进行监控，融合整个控制系统和设备，实现最优化的管理。通过测试，基本达到了预期要求。
本文主要完成了基于生活污水的处理工艺流程，本系统只适合小系统的工程。在设计过程中又对PLC熟悉了一遍，采用s7-200对风机、水泵、等一些开关量输入/输出点，从而实现污水处理的自动控制。