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SBR法污水处理实验装置PLC控制系统设计

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电气工程设计报告
SBR法污水处理实验装置PLC控制系统设计

班级：电气优创0801
姓名：李良友 郝齐心
学号：08140107 08140103

目录
一、任务说明 1
1.1工艺简介 1
1.2设计内容： 2
二、设计方案 2
2.1硬件选择 3
2.1.1工艺分析 3
2.1.2 CPU与扩展模块的选择 3
2.2的I/O端口分配 3
2.3 电机主电路 4
2.3.1电机接线图 4
2.3.2 PLC接线图 5
2.4 下位机编程 6
2.4.1下位机编程（手动部分 6
2.4.2下位机编程（自动部分） 7
2.4.3模拟量输入 10
2.5 上位机编程 12
2.5.1主画面 12
2.5.2参数设定 12
三、自我评定 13
参考资料 13

沈阳化工大学 电气工程设计

一、任务说明
1.1工艺简介
SBR是序列间歇式活性污泥法（Sequencing Batch Reactor Activated Sludge Process）的简称，是一种按间歇曝气方式来运行的活性污泥污水处理技术，又称序批式活性污泥法。SBR法污水处理实验装置如下图所示，1、5、12均为水箱，2为水泵，3、11为电磁阀，4为水流量计（用于检测注水流量情况，产生模拟量电流信号），6为搅拌电机，7为曝气头（有三个），8为充气泵，9为气体流量计（用于检测充气流量情况，产生模拟量电流信号），10为排水斗。

主要工艺过程简介如下：
1、注水。此时3打开，2工作，将1内的污水泵入5（内有活性污泥），4可以检测水流量，其余装置均处于不工作状态，注水过程持续一定时间（预先设定好或由人实时控制）后结束，3闭合，2停止工作。下面进入曝气阶段。
2、曝气。此时8工作，通过7将空气泵入5， 9可以检测空气流量，其余装置均处于不工作状态，曝气过程持续一定时间（预先设定好或由人实时控制）后结束，8停止工作。下面进入搅拌阶段。
3、搅拌。此时6工作对5中物质进行搅拌，其余装置均处于不工作状态，搅拌过程持续一定时间（预先设定好或由人实时控制）后结束，6停止工作。下面进入沉淀阶段。
4、沉淀。此时所有装置均处于不工作状态，让5水中的杂质沉淀，沉淀过程持续一定时间（预先设定好或由人实时控制）后结束。下面进入排水阶段。
5、排水。此时11打开， 5上部的清水可由10排入12，然后再排向别处，其余装置均处于不工作状态，排水过程持续一定时间（预先设定好或由人实时控制）后结束，11闭合。下面又进入注水阶段，开始新的循环。
1.2设计内容：
1、使用可编程控制器（选用西门子S7-300）作下位控制站/下位机，使用微计算机（PC）作上位控制站/上位机，组成控制系统，实现对SBR法污水处理实验装置运行的控制。
2、使用step7编程软件对下位机编程，使下位机能够根据对外界输入信息及来自上位机的指令的处理结果（本设计中主要是通过上位机的指令）来对实验装置进行控制；使用wincc组态软件对上位机编程，编制监控画面实现对下位机及实验装置的监控。
3、下位机PLC输入信号及输出信号：输入信号有水流量计的4~20mA模拟量电流信号和气体流量计的4~20mA模拟量电流信号（其余控制信号均由上位机给出，不需通过PLC输入端子输入）；输出信号有:电磁阀3控制信号、电磁阀11控制信号（均为数字量信号，经PLC输出端子输出控制相应装置）；泵2控制信号搅拌电动机6控制信号、泵8控制信号（既有数字量信号又有模拟量信号，均经PLC输出端子输入变频器，数字量信号控制起停，模拟量信号控制变频器输出，进而控制相应装置电机转速）。
4、控制要求：要实现自动控制与手动控制两种控制方式。
a、自动控制方式下，在上位机监控界面上按下起动按钮后（预先在上位机设定好时间参数），实验装置即按上述工艺流程自动循环，无须人为干预，但在上位机监控界面上能对其进行监测（比如可随时改变每一不活动工艺阶段的时间设置），并可随时按下停止按钮停止实验装置的运行。
b、手动控制方式下，在上位机监控界面上监测实验装置工艺流程，并可人为实时的控制工艺流程各个阶段的运行与停止（即可以任意控制实验装置中泵、电动机、电磁阀的工作状态,但要有必要的联锁）。
c、手动控制方式与自动控制方式之间须存在互锁关系，即在一种控制方式处于工作状态下时，另一种控制方式被屏蔽。
d、对水流量计与气体流量计发出模拟量电流信号的处理：由下位机采集（此时硬件须加入模拟量输入模块），在下位机内通过程序将其转换为实际的物理量值，并在上位机监控画面中显示出来。
e、变频器输出频率的控制信号（即电机的转速控制信号）在上位机上输入（预先设定好或由人实时输入），下位机据此通过模拟量模块输出模拟量信号（使用电压或电流模拟量信号均可）控制变频器输出频率。

二、设计方案
本次设计是以SBR法污水处理实验装置的自动控制为基础，设计控制程序和上位机程序。设计方案的得出依照以下步骤进行：1、硬件选择情况；2、I/O分配；3、电动机主电路；4、下位机编程； 5、上位机编程。
2.1硬件选择
2.1.1工艺分析
本次设计要求实现三台电机和两个电磁阀的基本顺序控制，并能采集两个流量计的流量信号。对于电机的启停信号可以使五路数字量输出信号；
对于流量信号则为两路模拟量输入信号。
控制参量列表如下：
类型
数量
备注
DO
5
启动输出
AI
2
采样流量信号
2.1.2 CPU与扩展模块的选择
考虑到本次设计点数很少及选材的方便。本次设计采用CPU 226模块本机集成24输入/16输出共24个数字量I/O点。可连接7个扩展模块，最大扩展至168路数字量I/O点或35路模拟量I/O 点。13K字节程序和数据存储空间。6个独立的30kHz高速计数器，2路独立的20kHz高速脉冲输出，具有PID控制器。1个RS485通讯/编程口，具有PPI通讯协议、MPI通讯协议和自由方式通讯能力。I/O端子排可很容易地整体拆卸。是具有较强控制能力的控制器
电源模块:PS307
PLC机型选择：西门子S7—200系列PLC
下位机编程软件：V4.0 STEP7-Micro/WIN
硬件组态：组态王
但由于CPU自身不含有模拟量处理模块，需另外选择扩展模块，两路AI考虑到冗余，
选用一块EM235模块；
两个EM232模块。

2.2的I/O端口分配
类型
名称
类型
名称
类型
名称
M1.0
电磁阀3的开关
M1.7
充气泵
Q0.0
水泵
M1.1
电磁阀11的开关
M2.0
沉淀开关
Q0.1
搅拌电机
M1.2
启动
M2.1
排水阀开关
Q0.2
充气泵
M1.3
停止
M1.6
搅拌电机开关
Q0.3
电磁阀3
M1.4
自动
M1.5
手动
Q0.4
电磁阀11

2.3 电机主电路
2.3.1电机接线图

1) 主回路中交流接触器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，通过正、反转完成开起阀门和关闭阀门的功能。
2) 电动机M1、M2、M3、M4由热继电器FR1、FR2、FR3、FR4实现过载保护。电动阀电动机M4控制器内还装有常闭热保护开关，对阀门电动机M4实现双重保护。
3) QF为电源总开关，既可完成主电路的短路保护，又起到分断三相交流电源的作用，使用和维修方便。
4) 熔断器FU1、FU2、FU3、FU4分别实现各负载回路的短路保护。FU5、FU6分别完成交流控制回路和PLC控制回路的短路保护。
2.3.2 PLC接线图

2.4 下位机编程
2.4.1下位机编程（手动部分）

2.4.2下位机编程（自动部分）

2.4.3模拟量输入

2.5 上位机编程
2.5.1主画面

2.5.2参数设定

三、自我评定
课程设计是培养学生综合运用所学知识,发现,提出,分析和解决实际问题,锻炼实践能力的重要环节,是对学生实际工作能力的具体训练和考察过程。因此作为二十一世纪的大学来说掌握计算机开发技术是十分重要的。
在本次课程设计中，我们的感想如下：
首先，感谢徐老师在设计过程中给与的帮助，他给了我这样的一个将四年来所学的知识汇总的机会，让我认识到了自身的不足，将来努力的方向；老师严谨的治学作风、实事求是的工作态度和平易近人的处事风格，都给我留下了深刻的印象，让我受益匪浅、终身难忘
论文设计过程中，参阅了大量文献、资料，在此对原作者一并致谢。
在本次的课程设计中，锻炼了我查阅资料和分析选取有用资料的能力，让我从对调速一窍不通到心中已有清晰的控制系统的结构框图；从立足茫茫书海而无从下手到目标明确，思路缜密的分析问题、解决问题；从只会发问到先思考、再分析、最后再讨论。可以说，这是一个成长的过程。经过这一个多月的努力，最终的成果让我欣喜，更加坚定了我要继续走电气自动化专业发展方向的决心！
本文对电机的工业控制作了初步设计，主要在系统的软件设计方面作了大量的工作，并取得了一定的成果。
1) 通过对系统各个模块的研究、设计，基本上掌握了以S7-200为核心的控制方法。
2) 了解了异步电动机控制系统的工作原理。
3) 熟悉了组态软件的基本使用方法。
4) 提高了网上查找资料的能力。
参考资料
[1] 王淑英.s7200西门子PLC基础教程. 北京：机械工业出版社，1999
[2] 姚立波.工业控制技术及应用. 北京：机械工业出版社，1999
[3] 昊作明.工控组态软件PLC应用技术 .北京：北京航天大学出版社，2007
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