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污水处理厂的PLC控制

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污水处理厂的PLC控制
摘要：本设计主要介绍了污水处理厂自控系统的组成、功能及如何利用PLC实现全厂自动控制，并介绍了在系统实施中遇到的若干问题及其解决措施。通过污水处理厂自控系统的运行,节约了污水处理成本，提高污水处理效率.采用了以PLC为核心的分布式I/O控制系统，自动控制系统设置了3个现场PLC监控站和1个主站。下位机系统采用西门子公司S7-300，上位机采用PC。考虑到污水处理控制对系统安全性、可靠性、可维护性和灵敏性的要求，本系统硬件组成为：现场控制站选择西门子公司S7—300系列的模块结构PLC，上位机选择PC，下位机编程采用STEP—7V5。3软件包进行PLC软件设计。另外由于污水处理厂多为大功率设备，实现现场控制站设计时采用了变频器、软启动器等设备，来节约能源、保障设备安全。
关键词：污水处理；S7-300；变频器；软起动器;
Abstract:This design mainly introduces the automatic control system of sewage factory. It introduces the composition, function and how to use PLC to realize the automatic control in the whole factory. Moreover， this design introduces some problems and solutions which would occur in the implementation of the system. The run of the automatic system of the sewage factory could save the cost of sewage and improve the efficiency of sewage。Through using the distributed I/O system， which set PLC as the core， the automatic control system set three monitoring station at the spot and one main station。 The upper computer system uses Siemens S7—300 while the lower computer uses PC. Taking the safety， reliability and maintainability and sensitivity into account， which sewage control system required， the hardware components of the system includes: the monitoring station at the spot choosing PLC, the module structure S7—300 of Siemens; the upper computer system choosing PC; the programming of lower computer using STEP-7V5.3 package to design PLC software。 Furthermore， most of the equipments in the sewage factory are high-power. In order to achieve the control station at the spot, when designing， the designer uses converter， soft starter to save the energy and protect the safety of the equipment 。本文为互联网收集，请勿用作商业用途个人收集整理，勿做商业用途
Key words: Sewage treatment; S7—300; converter； soft starter;
正文：
1．引言
1.1研究背景
水，是人类生存、养息、发展的根本条件。然而，随着人类的发展,水资源越来越不能满足人类发展的需要,主要表现为可供水资源量不足和环境污染导致水质恶化这两方面.二十世纪随着工业的迅速发展和城市人口的剧增，更带来不少河流水质恶化、生物绝迹的恶果。水资源的缺乏及水环境的污染已越来越成为制约人类发展的重要因素。
近20年来，城市污水处理事业也的确有较大的发展,但是仍然难以满足城市发展的需要。运行经费不足，设计经验不足，设备使用维护不当,完好率低,有经验的工艺及自控技术人员的缺乏.以上这些因素都制约了污水处理的发展［3］。
1.2污水处理方法
污水处理的任务是采用各种技术措施将水中所含有的各种形态的污染物分离出来或将其分解、转化为无害和稳定的物质，使废水得到净化.现代污水处理技术，按其作用原理和去除的对象可分为物理法、化学法和生物法。
1。3国内外各种污水处理技术的使用状况
现代污水处理厂采用计算机控制日益普遍，欧美国家一些城市污水处理厂已经用计算机进行数据记录和运行过程控制，甚至实现全自动化无人值守控制模式.国内污水处理厂虽还较落后,但有些城市污水处理厂全部或局部计算机控制,取得了一定的经验。目前，国内污水处理厂的控制水平基本分为三个大的档次［4]。
2.污水处理厂自动控制系统设计
2。1系统设计步骤
PLC控制系统的设计可以按照图2。1所示进行。设计可分为系统规划、硬件设计、软件设计等几个阶段。
（1）系统规划
系统规划为设计的第一步,内容包括确定控制系统方案与总体设计两部分。确定控制系统方案时，应首先明确控制对象所需要实现的动作与功能、生产工艺要求与设备的现场布置情况;在此基础上确定系统的技术实现手段，选择系统的总体结构形式与组成部件。
系统规划的具体内容包括：明确控制要求，确定系统类型,确定硬件配置要求；选择PLC的型号、规格,确定I/O模块的数量与规格，选择人机界面、伺服驱动器、变频器、调速装置等。
（2）硬件设计
硬件设计是在系统规划与总体设计完成后的技术设计。一般来说，PLC系统硬件设计应包括如下内容；
①控制系统主回路的设计、控制回路的设计、安全电路、PLC输入/输出回路等方面的设计；
②控制柜、操纵台的机械结构设计;
③控制柜、操纵台的电器元件安装设计；
④电气连接设计等。
(3）软件设计
PLC控制系统的软件设计主要是编制PLC用户程序、特殊功能模块控制软件、确定PLC以及功能模块的设定参数等 [9]。
2。2达旗污水处理厂概况
达旗是一个工农结合的小城，在2007年开始建设污水处理厂，主要处理生活污水和部分企业的废水，位于鄂尔多斯市北部，黄河以南,污水通过下水管道输送到污水处理厂集中处理。处理水用来灌溉农田、城市的绿化用水，剩余水排入黄河。项目采用当前流行的现场总线自动控制技术进行设计和建设，对新建成的污水处理厂在合理利用资金的基础上本着高起点、现代化的指导思想进行建设。
2。3污水处理厂工艺流程
污水处理工艺可分为三类，即物理处理、生物处理、化学处理。物理处理主要是除去废水中悬浮固体和漂浮物质,同时通过中和或均衡等预处理对废水进行调节，主要采用格栅机、筛网等设备构件。物理处理后，一般废水中主要水质指标BOD（生化需氧量）去除30％左右，达不到排放标准，生物处理主要去除废水中呈胶体和溶解状态的有机污染物质，主要采用好氧生化法（活性污泥、生物膜法）和厌氧生化法。生物处理后，废水中BOD去除率可达90%，处理水标排放
污水处理的生产工艺比较复杂,一个大、中型污水处理中包括多个处理单元,如格栅、泵房、尘沙池、曝气以及回流污泥泵房等,各单元之间存在着密切的系，必须使它们相互协调运行才能保证良好的处理水质。
2。3.1传统活性污泥工艺原理
向生活污水中不断地注入空气，维持水中有足够的溶解氧，经过一段时间后，污水即生成一种絮凝体。这种絮凝体是由大量繁殖的微生物构成的，易于沉淀分离,使污水得到澄清，这就是“活性污泥”.活性污泥就是以悬浮生长在水中的活性污泥为主体，在微生物生长有利的环境条件下和污水充分接触，使污水净化的一种方法。它的主要构筑物是曝气池和二次沉淀池。
2。3。2活性污泥工艺流程
达旗污水处理厂，处理工艺采用活性污泥法，其流程如图2。2所示：

图2.2活性污泥流程图
废水经过预处理后，进入曝气池，曝气池有A（厌氧区）/O（好氧区)/E(兼氧区）三个区组成，它是污水处理的核心单元,污水首先进入厌氧区进行厌氧处理,使厌氧池中的污泥吸收污水中的一些有害物质,污水进入好氧区，由鼓风机提供微生物所需消耗的氧气，与池内活性污泥混合成混合液，然后需要在曝气池中经过连续、充分的曝气，一方面是活性污泥处于悬浮状态，废水与活性污泥充分接触；另一方面，通过曝气，向活性污泥供氧，保持好氧条件,使微生物正常生长和繁殖.通过微生物的新陈代谢使有机物无机化，有毒物质无害化
2.4．污水处理厂的电气控制
2。4.1低压电器的选择计算
（1） 1#-3＃潜水泵
① 热继电器 FR I熔N=(0。95~1.05）I电N （3-1）
I电N=PN/UN=553/0。85=98.3（A) （3—2)
I电N-泵的额定电流，PN—泵的额定功率，UN—泵的额定电压
=0.85，I熔N—热继电器额定电流
I熔N=（0.95～1。05)I电N =（0。95～1.05) 98。3=93.4（A)～103。2（A)
所以查书选用JRS2—180/F，整定电流范围55(A)～180（A）配套用接触器选择为CJX1—/380（85(A) ~205（A）。
① 电流互感器
选择与检验的原则：电流互感器额定电压不小于装设点线路额定电压;
根据一次负荷计算电路IC选择电流互感器变比根据二次回路要求选择电流互感器的准确度并检验准确度。
I电N=PN/UN=553/0.85=98.3(A)
I流 I电n，所以选用BH—0。66型变比为100/5的母线式电流互感器.
② 断路器QF
长延时动作电流按下式计算：IDZ1KZ1。Ied （3-3)
瞬时过电流按下式计算：Idz3 kz3。Iqd （3—4）
IDZ1、 Idz3-低压断路器长延时。瞬时过电流脱口器整定电流
KZ1 、kz3-可靠系数（KZ1取1.1）（kz3取2）
Ied-电动机额定电流
Iqd-起动电流最大一台电动机，起动电流峰值
IDZ1KZ1。Ie 1.1 98.3=108。13(A）所以选择整定电流为200（A）型号为CDMI1-255L/3300断路器.
③ 熔断器FU
多台电机长期共用一个熔断器:
IR (1。5～2.5）INMAX+N （3—5）
INMAX—容量最大的一台电动机的额定电流,A;
N-除容量最大的电动机之外，其余电动机额定电流之和，A；
频繁启动电机:
IR （3~3.5)IN (3—6）
（3～3。5） 98。3=294。9(A)
熔断器额定电流熔体的额定电流,所以选用RW7—400熔断器，
其它选型同以上泵的选型［6］。
2.4.2高压电器的选择计算
（1） 变压器
P总=717。5KW
S=P/=717.5103/0。85=487.4（KV.A）
所以选择容量为500KV.A变比为10/0。4KV型号为SCB10—500/10Yyn0型变压器。
（2） 断路器
副边:按工作电压选择：UN≥U (3-7）
UN-设备额定电压KV,U—回路工作电压KV
按工作电流选择：IN≥I (3-8)
IN-设备额定电流A,I-回路工作电流
I副边= P总/U=717.5/0.40。85=1218。4（A)
I副≥I=1218。4，所以选用型号为CDM1-1250/3300额定电流为1250A的断路器[7]。
原边：同副边，I原边= I副边N2/N1=1218。4 0。4/10=48。7(A）
所以选择型号为SN10-10I/630-16断路器。
（3） 隔离开关
按工作电压选择：Un≥U
按工作电流选择：In≥I
I原边= I副边N2/N1=1218.4 0。4/10=48。7（A）
所以选用GN6—10T开关
（4） 母线
材料选用铝母线，截面形状为矩形母线，布置方式为三相水平布置（竖放）
按经济电流密度选择母线截面。母线最大持续电流为
IMAX=1.05PN/UN （3—9）
=1.05717。5/100。8=54。4(A）
Tmax=6000h时，j=0.68A/mm2
Sj=Imax/j=54。4/0.68=80（mm2) （3-10）
差表[8］所以选用LMY3 (254）母线。
K=(AL—/AL-25）1/2 （3—11)
当 00C 400C， K=1+（40—)0.005=1.075
—实际环境温度,AL—裸导体正常最高允许温度，一般为700C
当OC时允许电流为
Ial=KIN=1.057（70- ）1/2IN （3—12）
=1.075（70-20）1/2308=3063.75A>54.4A
满足长期允许发热条件。
所以选用LMY3(254）母线.
2.4。3变频器的选择
变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换成另一频率电源的电能控制装置。变频器是现代最先进的一种异步电动机调速装置，能实现软起动、软停车、无级调速以及特殊要求的增、减速特性等，具有显著的节电效果.所以选择FRN55G11S-4变频器。
2。4.4软起动器的选择
软启动器是一种集电机软起动、软停车、轻载节能和多种保护功能于一体的新颖电机控制装置，它的主要构成是串接于电源与被控电机之间的三相反并联晶闸管及其电子控制电路。运用不同的方法，控制三相反并联晶闸管的导通角，使被控电机的输入电压按不同的要求而变化,就可以实现不同的功能。运用串接于电源与被控电机之间的软启动器,控制其内部晶闸管的导通角，使电机输入电压从零以预设函数关系逐渐上升，直至起动结束，赋予电机全电压,即为软启动.所以选择德力西CDJ155S系列数字式软起动器。
2。4.5传感器的选择、
选择型号为WS1151电容式差压(压力)传感器，它的原理是传感器把压力或差压信号通过一系列转换变成差动电容信号，再由电子电路把差动电容信号转换成4-20mA标准信号输出。
3。PLC控制系统硬件设计
3。1PLC的硬件组成
从本质上说，可编程序控制器（PLC)是一种具有通信功能与可扩展输入/输出接口的工业计算机控制装置，因此，它与其他计算机控制系统一样,其基本组成不外乎硬件与软件两大方面，只不过再具体的设计上有其自身的特点而已。PLC主要由中央处理器(CPU）、存储器、输入接口电路、输出接口电路、通信接口、内部电源等部分组成
3.2PLC的选型
（1）CPU选择：依据I/O汇总表，所以主站选择S7—300系列标准型CPU315-2DP（6ES7315-2AG10—0AB0）带有PROFIBUS-DP附加接口。CPU315—2DP具有大中规模的程序容量，对二进制和浮点数有较高的处理性能,有两个PROFIBUS-DP主站/从站接口，可以用于建立分布式I/O结构和大规模的I/O配置,CPU的RAM不能扩展，运行时需要MMC卡.CPU最多监视30个变量，强制14个I/O变量，包括为存储器、DB、定时器和计数器。有状态块和单步功能，可以设置两个断点。CPU模块的第一个通信接口是内置的RS485接口,没有隔离，有MPI的PG/PO通信和全局数据同通信功能。CPU315—2DP可以作为路由器,有点对点通信功能。
（2） 负载电源模块（PS）：负载电源模块用于将AC220V电源转换为DC24V电源，供CPU和I/O模块使用.，额定输出电流有2A，5A，和10A 3种，过载时模块上的LED闪烁。S7—300 PLC的CPU模块的电源为DC24V,一般可选用PLC配套的标准电源模块(PS305、PS307等）。所以标准型CPU为CPU315—2DP的电源模块选择为PS307—交流输入型。
（3）信号模块（SM）：信号模块是数字量输入/输出模块和模拟量输入/输出模块的总称，它们使不同的过程信号电压或电流与PLC内部的信号电平匹配。信号模块主要有数字量输入模块SM321和数字量输出模块SM322，模拟量输入模块SM331和模拟量输出模块SM332。模拟量输入模块可以输入热电阻、热电偶、DC4~20mA和DC0～10V等多种不同类型和不同量程的模拟信号。
3。3I/O接口的设计
在PLC控制系统中，大多数输入/输出都属于开关量信号的范畴，PLC与这些开关量信号的连接可以选择多种方式，它决定于I/O模块的具体型号.因此，在确定系统I/O模块时，不仅考虑到I/O点的数量必须能够满足系统的要求,而且需要确定I/O模块的具体连接方式.
3.3。1开关量输入连接
在PLC控制系统中，大多数输入都属于开关量输入信号的范畴，如各种按钮、行程开关、接触器/继电器接点、传感器的检测输入等.这些信号一般都可以直接与PLC的输入接口进行连接，经过PLC内部输入接口电路的信号转变成PLC的输入信号.PLC的输入连接通常采用接线端子的形式与外部开关、传感器进行连接。
3。3。2开关量输出连接
在PLC控制系统输出中，开关量输出信号占的比重最大,如各种接触器/继电器、电磁阀/电磁铁的线圈输出、指示灯输出等。当负载较小时，一般都可以用PLC的输出直接驱动，但对大电流负载，需要经中间继电器进行转换，用中间继电器的触点进行驱动.
3.3主回路与控制回路的设计
（1）电机主回路
在PLC控制系统中，习惯上将高电压、大电流的回路称为主回路，通常包括如下部分：
电机主回路，包括用于电机通断控制的接触器、保护断路器等;各种动力驱动装置的电源回路与动力回路，如驱动器电源输入回路及其通断控制的接触器、保护断路器、伺服电机的电枢回路、直流电机的励磁回路等；各种控制变压器的原边输入回路,包括通断控制的接触器、保护断路器等;用于供给控制系统各部分主电源的电源输入与控制回路，包括用于电源变压器、整流器件、稳压器件以及用于电源回路控制的接触器、保护断路器等、
三台泵工作方式如下:
一台为主泵，通过变频器来控制，两台为备用通过软起动器控制起停，当变频器的运行频率达到设定值时，为保持液位恒定,通过PLC给软起动器一个启动信号来启动电机使液位保持一定高度。当变频器频率运行到设定值以下运行时,需要停止二号泵或三号泵，来维持液位恒定。
(2）控制回路
PLC控制系统中的控制回路，是指由继电器、接触器等低压电器构成的强电控制回路。在常见的控制系统中，控制回路一般有AC220V与DV24V两种，其组成与作用如下.
① AC220V控制回路
用于电气控制系统的AC220V安全电路，如紧急分断电路。安全门控制电路.电气控制装置、电机、设备的启动/停止控制线路。
② DC24V控制回路
PLC控制系统中的DC24V控制回路包括DC24V负载继电器/接触器接点控制回路;用于电气控制系统的DC24V紧急分断电路与安全电路;DC24V电磁阀、电磁离合器等执行元件的驱动、控制线路.
4。软件系统设计
4.1STEP7软件概述
（1）软件功能简介
STEP7编程软件是用于SIMATIC S7-300/400 PLC、M7系列工业控制系统、C7系列集成式PLC系统的标准工具软件.
（2）符号编辑起（Symbol Editor)
通过符号编辑,可在“符号表”窗口内将程序的绝对地址用具有含义的符号地址代替,对进程进行符号编辑，从而使得程序更容易阅读与理解.STEP7符号编辑器的主要功能有:
① 建立程序中所使用的信号、逻辑块的符号名、数据类型与注释；
②对使用符号地址的信号进行自动分类；
③进行其他WINDOWS程序的输入/输出与转换.
（3）SIMATIC管理器(SIMATIC Manager）
通过SIMATIC管理器对项目所进行的集中管理，可以将用于S7-300/400、M7、C7等不同控制器的所有数据以“项目”方式打开与编辑,项目所需的全部SIMATIC工具都集成在对应的STEP7应用页面中。
(4）硬件配置
STEP7的硬件配置功能用于建立系统中的各I/O模块、接口模块、功能模块等硬件的实际安装与软件中使用的地址、管理数据等方面的对应关系。通过STEP7的硬件配置功能，可以进行如下设置：
① 指定主机所选择的模块再机架上的具体安装位置与分配模块的I/O地址；
② 指定PLC系统中其他单元的I/O安装与分配模块的地址；
③ 根据系统中硬件模块的安装，设置CPU模块的参数；
根据系统中硬件模块的安装，设置I/O模块与功能模块的参数。
4。2预处理段的PLC软件系统
预处理段的工艺及控制要求
本设计研究的预处理段中，有二台格栅机斜置在进水泵房集水井的进口处，去除可能阻塞水泵机组及管道阀门的较粗大的悬浮物。删条间隙25mm，平均过删流速为0。3m/s,采用可逆运行电机3台，电机功率11KW。当格栅机前后水井液位差为10～15cm时,就需要启动格栅机，使栅条上升,然后进行清渣工作.二台格栅机一般采用轮换工作方式，当水位差长时间偏高时，需要关闭进水阀门，并给出报警提示。
集水井中的废水通过离心泵提升水位，使水有足够动力进入下一工艺环节。该污水泵站有离心泵三相异步电动机3台，水泵要求有手动/自动两种控制方式。3台水泵的运行时间需要均匀，水泵设置成轮流启动方式,达到既有备用，又无长期搁置不用设备。
① PLC控制实现
采用STEP—7V5.3软件包进行PLC软件设计。下面分别介绍各功能块及程序实现方法。
（1） FB：可逆运行三相异步电动机控制功能块，用于格栅电机控制调用。接受调用时传送的电机正转、反转、停止信号，执行FB中相应功能程序段。包括电机上升启动、下降启动、停止、互锁程序段，生成FB1后,生成DB1、DB2两个数据块,并指定为参考FB1的背景数据块，分别存放与二个格栅机相关的背景数据。
（2） FB2：三相异步电动机控制功能块，用于水泵电机控制调用。模块输入参数有电机启动、停止、定时器、维护复位，输出参数有电机主触点、电机故障指示。根据输入参数，判断设备操作的逻辑条件，执行相应程序段。
（3） OB1：用于循环程序处理的组织块。在生成FB1、FB2后，才能生成OB1。在OB1中是一个按照工艺进行的顺序控制过程。先执行内部初始化，然后对电网电压、电流、运行机组的电流、功率、及水位实施巡回检测。PLC将所测参量逐一与设定标准值进行比较。
4.3生物处理段的PLC软件系统
生物处理段的工艺及控制要求
废水生化处理是废水处理系统中最重要的过程之一,目前已广泛用作生活污水及工业有机废水的二级处理。废水生化处理是利用生物的新陈代谢作用，对废水中的污染物质进行转化和稳定，使之无害化的处理方法。对污染物进行转化和稳定的主体是微生物。
废水生化处理方法主要分为好氧处理和厌氧处理两大类型。好氧生化法有活性污泥法和生物膜法。
② PLC控制实现
生物处理段的PLC，根据预估的输入输出点数,配备1个模拟量输入模块，1个开关量输入模块，1个开关量输出模块，电源模块采用PS307 5A。
4.4污泥处理站的PLC
污泥处理PLC管理和控制重力浓缩、气浮浓缩、消化系统、脱水机.重力浓缩池刮泥机、气浮浓缩池刮泥机、消化系统投配泵,几乎24小时运转,污泥处理PLC只检测其运行状态和指令其停止。污泥处理PLC通过储泥池液位来控制脱水机的启停，通过药罐内的液位计来控制电磁阀以达到控制絮凝剂的投加比例的目的。
结束语:
PLC是一种以微处理器为基础的新一代通用型工业控制装置,它在工业中的应用，简化了控制系统的设计过程和硬件结构。
基于PLC与计算机构建控制系统具有系统配置合理，可靠性高，控制精度高和系统成本低等优点
虽然本设计经过短暂的几个月，但我在这几个月的设计当中学到了很多专业知识及其以外的东西,当然因时间和个人能力有限，在设计当中难免有不足之处，恳请原谅。
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