基于PLC的工业污水处理控制系统的设计.doc

泰 山 学 院本科毕业论文基于PLC的工业污水处理控制系统的设计所 在 学 院 机械与工程学院 专 业 名 称 机械设计制造及其自动化 申请学士学位所属学科 工 学 年 级 二一一级 （3+2） 学生姓名、学号 李倩 2011170237 指导教师姓名、职称 陈宏圣 副教授 完 成 日 期 二一三年五月 摘要摘 要水是一种宝贵且有限的资源，随着科技和经济的发展，水污染问题日趋严重，水资源的供需矛盾也日渐突显出来，导致目前可直接利用的水资源越来越少。因此，及时有效地进行污水处理迫在眉睫。工业污水作为水污染的重要源头，有效地处理工业污水是解决水污染问题的关键。现在，我们的污水处理系统自动化水平普遍较低，效率和安全性也不高。污水处理控制系统的数据通信、曝气过程的控制和管理是要解决的重要问题。我国的污水处理控制系统相对落后，这就导致了处理成本高，经污水厂处理过的污水出水水质不稳定。因此，建立高效的自动控制系统、减少运行费用、优化运行效果，具有重要意义。PLC控制器以其成熟的技术、可靠性、通用性、抗干扰能力强、易维护、高性价比等优势在工业控制中得到越来越多的应用。本文主要介绍了污水处理厂自动控制系统技术及相关流程，控制系统的硬件结构、资源配置、软件设计、工作原理和设计PLC控制系统的基本原理和步骤，来说明如何使用PLC实现自动控制。首先根据污水处理原理和要求设计设备的电器控制与自动控制线路，大致包括设备的启停、信号采集、状态信号和故障信号等，然后按照工艺要求设计PLC控制系统，包括PLC型号的选择、系统资源分配以及按照污水处理过程编制PLC程序等。关键词: 工业污水，PLC ，工艺流程 I AbstractABSTRACTWater is a precious and limited resources, with the development of science and technology and economic, water pollution is increasingly serious, the contradiction between supply and demand of water resources are also increasingly highlighted, led to the current water resources less and less can be directly used. Therefore, for sewage treatment in a timely and effective manner is imminent. Industrial wastewater as an important source of water pollution, effectively dealing with industrial wastewater is the key to solve the problem of water pollution. Now, our sewage treatment system automation level is generally low, the efficiency and safety is not high also. Sewage treatment control system of data communication, control and management of aeration process is important problem to solve. Sewage treatment control system in our country is relatively backward, resulting in the processing cost is high, and the sewage treatment plant sewage effluent water quality is not stable. Therefore, the establishments of efficient automatic control system reduce operation cost, optimal operation effect, which is of great significance. PLC controller with its mature technology, reliability, versatility, strong anti-interference ability, easy maintenance, high cost performance advantages of get more and more in industrial control applications. This paper mainly introduces the sewage treatment plant automatic control system technology and related processes, control system hardware structure, resource allocation, software design, working principle and the basic principle and steps of design of PLC control system, to illustrate how to use PLC to realize automatic control. First design the equipments according to the principle of sewage treatment and requirement of electric control and automatic control circuit, generally including equipment start-stop, signal acquisition, status signals and the fault signal, etc., according to requirement of process design and PLC control system, including PLC type selection, system resource allocation and the PLC program compiled according to the sewage treatment process, etc. Keywords: industrial wastewater, PLC, process flow 47目录目 录1 引言11.1设计的背景11.2工业污水处理的国内外研究现状21.3 课题研究的主要内容32 系统总体介绍42.1工业污水处理的基本概念42.2 工业污水处理工艺42.3本设计系统的流程及工作原理82.4工业污水处理控制系统的主要形式93系统总体方案设计103.1主要组成部分103.2电气控制系统113.3工业污水处理控制系统的工作原理123.3.1控制系统总体框图123.3.2污水处理系统的工作过程134系统硬件设计154.1 PLC的选型154.1.1 PLC的型号选择154.1.2 S7-200 PLC概述154.2 PLC的I/O资源配置164.2.1数字量输入部分164.2.2数字量输出部分184.2.3模拟量输入部分184.2.4 模拟量输出部分185系统软件设计205.1 系统控制信号205.1.1输入信号205.1.2控制输出信号215.2系统总体控制215.3系统手动控制215.4系统自动控制225.4.1粗格栅系统235.4.2潜水泵系统245.4.3细格栅系统255.4.4曝气系统265.4.5污泥回流系统275.4.6污泥脱水系统285.5氯气投加环节295.6絮凝剂投加环节305.7软元件的定义305.8 PLC梯形图程序326 结束语34参考文献35致 谢36附录 程序部分37泰山学院本科毕业论文1 引言1.1设计的背景水是我们生存和发展不可替代的自然资源，是经济社会实现可持续发展的基础，而现在我国却面临着严重的水资源短缺问题。我国是干旱缺水严重的国家，淡水资源总量约为28000亿立方米，占全球水资源的6%，仅次于俄罗斯、巴西和加拿大，位居世界第四，但人均占有量却远远低于世界的平均水平，依然是全球人均水资源最缺乏的13个国家之一。有监测显示，现在我国大部分城市地下水已经受到一定程度的点、面状污染，而且污染趋势逐年加重。愈演愈烈的水污染不仅加剧了水资源短缺的矛盾，使水的质量进一步降低，居民的饮水安全和人们的健康都受到严重的威胁，重要的是对我国实现可持续发展战略产生了严重影响。尤其是近年来，随着科技和经济的迅速发展，环境污染问题愈演愈烈，严重的环境污染使有限的水资源日益减少、水质日益恶化，这无疑是雪上加霜。据有关数据统计，全国城镇每天均有不少于一亿吨的污水未经处理直接排出。全国各大水系的不同河段均受到了一定程度的污染。另外，河道、湖泊的富营养化水平逐渐上升，水质变臭，使水生生物的生活环境逐渐恶化，最终造成大量水生物数量和种类锐减。以鱼类为主的水生物对毒物的积累以食物链的形式直接危害人类的健康。目前，全国实际可利用水资源量已经接近合理利用水量上限，水资源的开发难度极大。水污染的恶化，使生态系统遭到破坏，加剧了水资源贫乏的矛盾。随着我国人口资源的不断增加，科技的进步以及城市化步伐的加快，水资源短缺的形势将更加严峻，水环境恶化的趋势急需得到遏制。此外，据气象学家预测，2100年全球变暖加剧，地表将有1/3的面积将变为沙漠，到那时，干旱将威胁全球一半的人类的生存。这些现象都是水污染带来的严重后果。综合环保、用水等多方面的因素考虑，对工业污水进行高效的处理是非常有必要的。因此，有效的结合目前最新的工艺状况、计量自控检测仪表的使用、PLC 控制系统技术，建设符合我国国情的、有效的污水处理自动控制系统对降低工业污水处理成本、改善环境、建立可持续发展的和谐社会、保持我国经济高速发展具有及其重要的意义。在未来的10年中，中国工业污水处理项目工程投资将超过2500亿元，其中工业污水处理设备将投入约300亿元。采用先进、实用的自动控制技术改造传统工艺，推动环保产业升级，实现环保发展战略的重要环节。在这种形势下工业污水处理自动化控制系统必然是一个具有巨大的社会效益、环境效益以及经济效益的研究课题。1.2工业污水处理的国内外研究现状在我国，污水处理设备从20世纪70年代中后期开始生产，当时设备的各项水平都不高，技术还不够成熟。到了90年代以后，有关部门开始对污水处理设备制造单位进行技术改造，使污水处理设备及与之配套的设备的制造水平都得到了一定提高。“2012第三届高难度工业污水处理及污泥处置技术高峰论坛”本着“发掘先进实用技术，提高工业污水及污泥治理水平”的宗旨，以高难度工业污水的预处理和污泥处理为讨论重点，为企业用户提供高效实用的解决方案，为环保公司提供新技术、新产品发布的平台，从而进一步提高我国工业污水和污泥的治理和处置水平。去年年底国家环境保护“十二五”规划正式出台，明确指出把污泥处理处置和工业水污染防治纳入“十二五”环境保护重点工程。于是在政府的关注和政策的推动下，工业污水处理和污泥处置市场在“十二五”期间将大幅度扩容，经估算，“十二五”期间工业废水污染治理投资总需求约为1250亿元。目前，我国新建的污水处理厂也采用了计算机分散控制系统，但是各种国产仪表的精度还不够，所以目前仍大部分采用进口产品。此外，每个控制环节之间完全独立，没有信息交换，并且由于内部资源的限制，各个控制单元只能实现简单的时间控制和逻辑控制。总的来说，我国的污水处理还处于发展阶段，而且存在着许多的制约因素，面临重重障碍。 在国外，像美国、日本、西欧等国家，由于经济发达，而且较早实现了工业化。由于这些国家经济发展较快，所以环境问题尤其是水资源污染的问题也较早的显露出来，并且及时得到了国家政府的重视，投入了大量的财力、人力，进行污水处理的研究。这些国家在研究污水处理原理和工艺时，也注重污水处理的自动化。他们研究了高效型、智能型、集约型污水处理设备和自动化控制仪表。采用集散控制系统和现场总线控制系统，根据不同的工艺段划分不同的工作站，各站独立工作。另外采用在线监测水质的分析仪表，对要处理的水质进行实时监测，并通过上位机记录下来，测量精度较高。在生产过程中还采用了自动控制系统，通过水源和水质的变化来自动选择控制方式。目前，这些国家的工业污水处理水平又有了进一步的提高，兴建了一批具有脱氮除磷功效的设施，对水质的改善和水环境的保护起了重要的作用。1.3 课题研究的主要内容本课题研究的内容是工业污水处理工艺及工业污水处理系统的组成和PLC控制系统设计,具体由以下内容组成：（1）概述工业污水处理的基本内容以及各种工业污水处理工艺；（2）分析工业污水处理工艺流程及工作原理；（3）工业污水处理控制系统工作原理；（4）工业污水处理的硬件系统；（5）工业污水处理的软件系统；（6）利用AutoCAD软件，绘制出污水处理系统各环节的流程图；（7）根据各环节控制流程图，编写各控制环节的PLC梯形图程序。2 系统总体介绍2.1工业污水处理的基本概念工业污水是指工业生产过程中产生的污水和废液，其中含有随水流失的工业生产用料、中间产物和产品以及生产过程中产生的污染物。工业污水排放与处理具有排放量大，污染范围广，排放方式复杂；污染物种类繁多，浓度波动幅度大；污染物质毒性强，危害大，污染物排放后迁移变化规律差异大；恢复比较困难等特点。近年来随着我国经济的飞速发展，工业化水平的提高，导致工业污水对环境的污染日益加剧。环境污染事故的发生也多为工业污水事故。为了有效地改善水质，中国每年用于水资源保护项目的资金近千亿元。工业污水的水量取决于用水情况。冶金、造纸、石油工业、电力等工业用水量大，污水量也大，如有的炼钢厂炼1吨钢出污水200250吨。但各工厂的实际外排污水量还同水的循环使用率有关。例如循环率高的钢铁厂，炼1吨钢外排污水量只有2吨左右。工业污水分类通常有以下三种：第一种是按工业污水中所含主要污染物的化学性质分类，含无机污染物为主的为无机污水，含有机污染物为主的为有机污水。例如电镀污水和矿物加工过程的污水，是无机污水；食品或石油加工过程的污水，是有机污水。第二种是按工业企业的产品和加工对象分类，如冶金污水、造纸污水、炼焦煤气污水、金属酸洗污水、化学肥料污水、纺织印染污水、染料污水、制革污水、农药污水、电站污水等。 第三种是按污水中所含污染物的主要成分分类，如酸性污水、碱性污水、含氰污水、含铬污水、含镉污水、含汞污水、含酚污水、含醛污水、含油污水、含硫污水、含有机磷污水和放射性污水等。工业污水水质复杂，不能用单一流程处理，一般采用多种方法的组合工艺。工业污水处理途径一般有三种情况：一是工业污水单独处理后排放，二是工业污水排入城市污水处理厂一同处理，三是工业污水预处理后进入城市污水处理厂。2.2 工业污水处理工艺水体中污染物种类可分为化学污染物和生物性污染物。化学污染物包括有机污染物、无机污染物、富营养物质、重金属污染物，另外还有悬浮固体物、热污染、放射性污染物等。根据不同污水其水质、水量、处理程度以及处理后是否有回用目的等条件所采用的处理方法是不同的。现代污水处理技术按原理及有效处理原则等大致可分为物理处理法、化学处理法、物理化学法，以及生物处理法等几种。物理法：利用物理或机械作用来分离或回收废水中不能溶解的悬浮物和乳浊液。其处理过程不改变污染物的化学性质。常见的有格栅、筛滤、离心、澄清、过滤、隔油等方法。化学法：利用化学反应的作用来除去污水中的溶解物质或胶体物质。常见的有化学沉淀法、氧化还原、光催化氧化、催化氧化、电解絮凝、微电解、焚烧等。物理化学法：利用物理化学作用来去除水中的溶解物质或胶体物质。常见的有吸附法、离子交换法、萃取法等。为了降低运行和投资成本以及综合占地面积、出水水质、后期管理等方面的系统考虑。现代工业污水处理以生物处理方案为主，辅以物理、化学法等。生物处理法：利用微生物的代谢作用，使废水中的有机污染物、无机微生物、富营养物转化为稳定、无害的物质。常见的主要有活性污泥法、厌氧生物消化法、生物脱氮除磷工艺、SBR工艺等。具体工艺方法如下：(1)传统活性污泥法：活性污泥法 (Activated Sludge Process) 首先于20世初在英国出现, 到现在已有近百年历史，它是一种最古老的工业污水处理工艺也是当前应用比较广泛的污水处理方法之一。该系统主要由曝气池、沉淀池和污泥回流管线及设备三部分组成。其处理部分工艺流程图如图1所示：图1传统活性污泥法工艺流程图首次沉淀后的废水与沉淀池回流的活性污泥混合后进入曝气池，大约曝气六小时，进入的污水与回流污泥通过扩散曝气或者机械曝气作用进行混合。混合过程中，有机物经过吸附、絮凝、氧化等作用转变为无机物。一般从曝气池流出的混合液在二沉池沉淀后，沉淀池内的活性污泥以进水量的2550返回曝气池，也就是污泥回流比为2550。这种方法常用于低浓度污水处理，有机物去除率高，污泥负荷高，耗电省，运行成本低。但其曝气池占地面积大，建设投资大，满足国家标准相关指标范围小、易产生污泥膨胀现象，磷和氮的去除率低。(2）生物脱氮除磷工艺1）A-O工艺：A/O法是缺氧-好氧生物工业污水处理工艺的简称。它是基于传统活性污泥法进行改进了的一种污水处理工艺。该工艺通过增加好氧池与缺氧池之间的硝化-反硝化系统的反应，有效地减少了污水中氮的含量，达到了明显的脱氮效果。但硝化-反硝化反应系统需要严格的控制，这就对此工艺提出了更高的要求，这也是该工艺的缺陷之一。其工艺流程图如图2所示： 图2 A-O法工艺流程图该工艺的反硝化反应以原废水中有机物为碳源，通过增加厌氧池和好氧池的所形成的硝化反硝化反应系统，很好的处理了无水中的氮含量。另外，该工艺还具有流程短，运行成本低等优点。但是该系统的脱氮率一般在85左右，而且处理水中含有一定浓度的硝酸氮，如果沉淀池运行不当，不能及时排出污泥，将会产生反硝化反应，使污泥上浮，排出的水质恶化。此外，这种工艺不能去除降磷。2）A-A-O工艺：它是厌氧-缺氧-好氧工艺的简称，它是在A-O工艺的基础上开发出来的一种工艺，是硝化-反硝化、传统活性污泥法工艺和除磷工艺的综合。其工艺流程图如图3所示：图3 A-A-O工艺流程图由于这种工艺可以达到脱氮除磷的效果，所以目前已经得到广泛应用。但是该工艺控制系统复杂、运行成本高，其本身也存在一些很难克服的矛盾，如基质竞争和污泥龄矛盾，使得脱氮和除磷关系无法均衡，处理效率也很难提高。(3）SBR法：SBR是对序列间歇式活性污泥法的简称,它是按间歇曝气的运行方式来工作的活性污水处理技术。和传统的污水处理方式的不同之处在于SBR工艺的操作方式采用时间分割代替空间分割，非稳态生化反应代替稳态生化反应，理想的静置沉淀代替原来的动态沉淀。其主要特征在于运行上的间歇与有序操作，SBR反应池是SBR技术的核心，该池将均化、初沉、生物降解、沉淀等功能集中于一池，没有污泥回流系统。其工艺流程图如图4所示：图4 SBR工艺流程图该工艺运行稳定，自动化程度高，污水能在较短的时间内进行理想的沉淀，而且工作效率高，出水水质好。而且采用适当的控制运行方式，能实现缺氧、好氧、厌氧状态交替，具有有效的脱氮除磷的功能。但是由于该工艺对间歇曝气、排水的自动化程度要求较高，所以该工艺适用于小水量和分散污染的处理。2.3本设计系统的流程及工作原理本设计的工业污水处理工艺流程图如下图5所示：图5 污水处理工艺流程图污水首先从进水系统通过清污机和粗格栅初步排除大块杂物，然后到达除砂池中。在除砂池系统中由转鼓清污机和细格栅进一步净化清理污水中的细小颗粒物体，将污水中的细小颗粒滤除后进入氧化沟反应池。在氧化沟系统中进行生化反应处理，分解污水中的有害物质，此环节需要用一些化学药剂来加强处理效果，如氯气、复合碱、油絮凝剂等对污水进行除油、消毒、调整PH值。同时在该系统中设有溶解氧仪超声波检测器，通过它对污水中的含氧量进行检测，并及时反馈到PLC,根据其反馈到PLC的值来控制曝气机变频器的运行，从而改变污水中溶解氧的含量。潜水搅拌机是用来推进水流的，它可以使氧化沟的污水和活性污泥剧烈搅拌并充分接触，使生化反应更加充分，从而达到高效分解污水中的有害成分的效果。经过处理的污水再进入沉淀池中，在刮泥机的作用下进行物理沉淀，为了加强沉淀效果，可同时加入混凝剂和絮凝剂等，利用高分子助凝剂的强烈吸附架桥作用使沉淀物更容易沉降。处理后的污泥经过污泥回流泵和排泥管道和新注入的污水一起进行新一轮的处理，处理后的污水经沉淀池处理最后到达脱水环节，在离心式脱水机作用下进行污泥脱水处理后排出清水。2.4工业污水处理控制系统的主要形式早期的控制系统多数采用继电器接触器控制系统，随着科技电子技术和计算机技术的迅速发展，以及控制要求的不断提高，过去的那些控制方法已经不能满足现代工业污水处理系统的控制要求，因此过去的那些控制方法已逐渐被DCS、现场总线控制、PLC等现代控制方法所取代。（1）DCS系统。DCS系统是集散控制系统的简称，它是以微处理器为基础的对生产过程进行集中监视、操作、管理和分散控制的控制系统。DCS系统是计算机技术、多媒体技术、网络通讯技术和现代控制技术相结合的综合控制系统。它是工业生产自动化水平和控制要求提高的产物，具有友好的人机界面和强大的通信功能，是有效完成过程控制和管理的现代化设备。使企业设备实现集中控制、自动控制以及实时监控设备的运行情况，减少企业人员配备，降低工人劳动强度。集散控制系统一般由现场控制级、过程控制级、过程管理级、经营管理级四部分组成，整套设备延续了普通仪表分散控制及计算机集中控制等优点，弥补了普通仪表功能单一、人机关系差等缺陷。从而在现代化生产过程中起着重要的控制作用。（2）现场总线控制系统。现场总线控制系统（Field bus Control System，FCS）是一种由各种现场仪表通过互连与控制室内人机界面所组成的系统，它是一个全分散、全数字化、全开放和可互操作的生产过程自动控制系统。它的优点是具有很高的精确性、组装简单、设计安装方便、易于维护和扩展、可以节约软硬件投资。它使过程控制领域的自动化装置由DCS向FCS过渡，DDC（直接数字控制）功能将彻底分散到现场，使先进的现场设备管理功能得以实现。（3）PLC系统。PLC是可编程逻辑控制器的简称，它是一种数字式的电子装置，使用了可编程序的存储器以存储指令，能完成逻辑、顺序、计时、计数和算术运算等功能，并通过数字或类似的输入输出模块，以控制各种机械或生产过程。它可作为处理系统的控制器，实现控制系统的功能要求，也可利用计算机作为其上位机，通过网络连接PLC，对生产过程进行实时监控。它的特点是可靠、方便、通用、价廉。另外它的抗干扰能力强，因此主要用于工业控制。3 系统总体方案设计 3.1主要组成部分工业污水处理系统的结构比较复杂，设备较多，在氧化沟中其控制过程及原理大致相同，都是通过控制曝气机的转速来调节污水中的含氧量，其基本组成如图6所示：图6工业污水处理系统基本组成示意图（1）进水系统：进水系统主要组成部分是进水泵房和进水管道，进水泵房主要是两台潜水泵，进水管道主要组成部分是粗格栅机和清污机。进水管道的主要任务是去除污水中的大块物体，其组成部分中的粗格栅根据程序的设定时间进行间歇的运行，清污机的工作与停止则是由粗格栅两侧的液位差来决定，当液位差超过某个值时，启动清污机；当液位差小于某个值时清污机停止工作。进水泵房中潜水泵的工作和停止是由位于泵房内的液位传感器来控制，当液位较低时只启动一台潜水泵，当液位较高时两台潜水泵均被启动，若液位持续升高时，则输出报警以示意有故障发生。 （2）除砂系统：除砂系统的主要组成部分是细格栅系统和沉砂池，细格栅系统包括细格栅机以及转鼓清污机，沉砂池主要工作部件是分离机。细格栅系统的作用是深一层次净化污水中的悬浮颗粒，把细小的沙粒滤除干净，之中的细格栅机需要设定时间进行间歇性运转工作，转鼓清污机的运行和停止却是根据液位差来决定是否运转，当液位差多过设定值时，清污机迅速反应运转；当液位差小于设定值时清污机则马上停止运行，这一点是和粗格栅系统运行方式是有完全的一致性。（3）氧化沟系统：氧化沟系统的组成部分是氧化沟和污泥回流部分，这一部分是工业污水处理系统中的最重要步骤，因此控制量较多、过程较复杂。氧化沟的主要功能是对污水进行生化处理，对污水中的有害、有毒物质进行分解，以便使污水达到一定的安全标准，在氧化沟中用溶解氧仪对污水中的含氧量进行检测，并将结果反馈到PLC，进而控制曝气机变频器的运转，以便控制污水中氧的含量。潜水搅拌机主要用来加速水的流动，同时保证氧化沟的污水和活性污泥搅拌激烈，使他们充分混合接触。该设备的运行状态主要根据液位来控制：当液位低时回流泵停止；液位正常时，回流泵正常运行；当液位高于某个值时，回流泵停止运行，同时输出报警信号。（4）沉淀系统：沉淀系统主要设备为刮泥机，其功能是对进行氧化沟处理后的污水进行物理沉淀，将污泥和清水分离，刮泥机在整个系统启动后就开始持续运行。（5）污泥脱水系统：污泥脱水系统的主要设备是离心式脱水机，主要作用是对处理过污水的活性污泥进行脱水。因为对污水进行处理后，活性污泥中产生新的微生物甚至其他杂质，所以需要在运行前对活性污泥添加一定量的处理药物，以便于污泥脱水。离心式脱水机主要组成部分是聚合物泵、污泥机和切割机，上述设备按照顺序控制运行，顺序启动聚合物泵、污泥机以及切割机，最终成功对污泥脱水。3.2电气控制系统工业污水处理控制系统的电气控制系统主要包括控制面板、显示面板、电气控制柜等单元。由于在该系统中需要检测较多的数字输入量和检测模拟量的输入，据设定的程序进行数据处理后，输出控制信号，因此系统的控制逻辑与时序就需要严格按照检测信号的输入进行控制。污水处理系统的电气控制系统总框图如图7所示： 图7 电气控制系统框图（1）控制面板：控制面板主要包括手动、自动、各类设备的启停按钮等。（2）显示面板：显示面板由于要显示较多的数据，因此一般采用触摸屏或者人机界面。（3）电气控制柜：电气控制柜是电气控制的核心设备，主要包括变频器、各类传感器的输入信号、PLC及其扩展模块等。3.3工业污水处理控制系统的工作原理3.3.1控制系统总体框图PLC作为核心控制器，通过检测操作面板按钮的输入、各类传感器的输入，以及相关模拟量的输入，完成相关设备的运行、停止和调速控制。总体系统工作示意图如图8所示:图8污水处理系统工作示意图3.3.2污水处理系统的工作过程各类设备在手动控制下的控制是根据运行操作面板上的按钮输入来完成的，可不根据传感器的状态进行选择性控制。在自动运行方式下，进行闭环控制。系统根据传感器的状态对设备进行启停控制，具体工作过程如下安排:（1）启动自动控制方案，同时启动潜水搅拌器以及刮泥机；（2）接通电源运行粗格栅机、细格栅机，运行一段时间然后停止一段时间，循环进行多次；（3）系统根据反馈的液位差进行控制清污机的运转与停车；（4）根据液面高低控制泵房中潜水泵的运行、停止及运行； （5）根据溶解氧仪反馈的模拟量经PLC运算后进行控制转碟曝气机的运行状态，同时控制分离机运行与停止；（6）根据液面的高低状态进行控制污泥回流泵的运行与停止；（7）离心式脱水机的启动与停止采用顺序控制方式，依次启动设备。4 系统硬件设计根据其工作原理和控制系统的功能要求，接下来要进行污水处理系统的机械结构设计及其相关设备的选择。下面主要介绍如何设计污水处理系统的控制系统和所需的各种硬件设备，在此控制系统中的核心处理器是PLC，其主要输入和输出量主要为数字量，只有一组模拟量的输入和输出。4.1 PLC的选型4.1.1 PLC的型号选择根据工业污水处理系统的电气控制系统的功能要求，以及其复杂程度，从经济性、可靠性等各方面来考虑，选择西门子S7200系列PLC作为工业污水处理系统的电气控制系统的控制主机。由于工业污水处理电气控制系统涉及较多的输入输出端口，其控制过程相对复杂，因此采用CPU226作为该控制系统的主机。CPU226在工业污水处理系统中使用的数字量输入点和输出点都比较多，因此除了PLC主机自带的I/O外，还需要扩展一定数量的I/O扩展模块。在此采用EM223输入/输出混合扩展模块，8点DC输入8点输出型。正好可以满足控制系统的I/O需求。在该系统中，还需要采集模拟量并利用模拟量控制的功能要求，因此需要再扩展一个模拟量输入输出扩展模块。西门子公司专门为S7200系列PLC配置了模拟量输入输出模块EM235，该模块具有较高的分辨率和较强的输出驱动能力，可满足控制系统的功能要求。4.1.2 S7-200 PLC概述S7系列PLC分为S7-200小型机、 S7-300中型机、S7-400大型机。S7-200系列PLC是西门子公司20世纪90年代推出的整体式小型机，其结构紧凑、功能强，具有很高的性能价格比，在中小规模控制系统中应用广泛。（1） S7-200的工作过程 S7-200在扫描循环中完成一系列任务。任务循环执行一次称为一个扫描周期。在一个扫描周期中，S7-200主要执行下列五个部分的操作：1）读输入：S7-200从输入单元读取输入状态，并存入输入映像寄存器中。2）执行程序：CPU根据这些输入信号控制相应逻辑，当程序执行时刷新相关数据。程序执行后，S7-200将程序逻辑结果写到输出映像寄存器中。3）处理通讯请求：S7-200执行通讯处理。4）执行CPU自诊断：S7-200检查固件、程序存储器和扩展模块是否工作正常。5）写输出：在程序结束时，S7-200将数据从输出映像寄存器中写入输出锁存器，最后复制到物理输出点，驱动外部负载。（2）S7-200 CPU工作模式具有如下特点：1）在停止模式下，S7-200不执行程序，但同时您可以下载程序和CPU组态。2）在运行模式下，S7-200运行程序。3）S7-200提供一个方式开关来改变操作模式。4）可以用方式开关手动选择操作模式：当方式开关拨在停止模式，停止程序执行；当方式开关拨在运行模式，启动程序的执行。5）如果方式开关打在STOP或者TERM模式，且电源状态发生变化，则当电源恢复时，CPU会自动进入STOP模式。4.2 PLC的I/O资源配置根据系统的功能要求，对PLC的I/O进行配置，具体分配如下表：4.2.1数字量输入部分在此控制系统中，所需要的输入量基本上都是数字量，主要包括各种启动、控制按钮、旋钮、传感器输入及过载保护输入，共24个数字输入量。表1 数字输入量地址分配输入地址输入设备输入地址输入设备I0.0急停I1.4手动刮泥机启动I0.1手动方式I1.5手动污泥回流泵启动I0.2自动方式I1.6手动分离式脱水机启动I0.3自动启动确认I1.7手动污泥泵启动I0.4手动粗格栅机启动I2.0手动转碟曝气机加速I0.5手动清污机启动I2.1手动转碟曝气机减少I0.6手动潜水泵启动I2.2粗格栅液位差计I0.7手动细格栅机启动I2.3细格栅液位差计I1.0手动分离机启动I2.4进水泵房液面高位传感器I1.1手动转碟曝气机工频启动I2.5进水泵房液面低位传感器I1.2手动转碟曝气机变频启动I2.6污泥回流泵液面高位传感器I1.3手动潜水搅拌机启动I2.7污泥回流泵液面低位传感器4.2.2数字量输出部分数字量输出部分是对接触器的启动提供信号，共有13个。表2数字输出量地址分配输出地址输出设备输出地址输出设备Q0.0粗格栅机接触器Q0.7潜水搅拌机接触器Q0.1清污机接触器Q1.0刮泥机接触器Q0.2潜水泵接触器Q1.1污泥回流泵接触器Q0.3细格栅机接触器Q1.2离心式脱水机接触器Q0.4分离机接触器Q1.3潜水泵报警Q0.5转碟曝气机工频接触器Q1.4污泥回流泵报警Q0.6转碟曝气机变频接触器4.2.3模拟量输入部分由于需要采集一个溶氧仪所反馈的数据，因此扩展了一个模拟量输入输出模块，具体I/O分配，如下表3所示：表3 模拟量输入地址分配输入地址输入设备AIW0溶解氧仪4.2.4 模拟量输出部分在此控制系统中需要将采集回来的模拟量进行数据处理，然后，通过模拟输出口对变频器进行控制，进行控制其他设备的运行，如下表4所示：表4模拟量输出地址分配输出地址输出设备AQW0经PID运算输出根据控制系统的功能要求，设计出工业污水处理控制系统的硬件接线图如图9所示，控制面板上的手动控制部分主要用于调试，调试完成后基本处于闲置状态。图9 硬件接线图5 系统软件设计采用西门子公司为S7200系列PLC开发的V4.0 STEP 7Micro/WIN SP4作为编程软件，上面介绍了污水处理控制系统的组成、工作原理以及电气部分控制系统的结构，基本完成硬件结构的总体分析设计后，就要开始软件部分的设计，按照控制系统的各部分控制要求以及PLC控制系统I/O的分配情况，进行软件的设计。在设计软件时，首先把需要实现功能要求的部分做出流程图，然后根据功能的不同编写不同的模块，这样写出的程序条例清晰，既方便编写，也便于调试。5.1 系统控制信号一直以来，工业污水处理技术虽然经过了迅速发展，但技术仍相对落后，不能满足现代工业污水处理的需要。从而大大影响社会的发展和进步。所以实现工业污水处理技术的简单、高效、低耗、运行自动化的功能是非常有必要的。而PLC以其操作容易、程序简单、成本低等优点，将其作为工业污水处理系统的控制系统可使得设计过程变得更加简单，可实现的功能更多。综上，使用