基于PLC的小型污水处理系统设计.doc

J I A N G S U U N I V E R S I T Y

可编程控制器课程设计

小型污水处理控制系统

学 院： 电气信息工程
班 级： 农业电气1101
姓名学号： 马舒童
学 号： 15
指导教师： 刁晓燕

目 录
一、小型污水处理控制系统设计规定
1．技术规定·········································1
2．动力设备·········································2
3．设计规定·········································2
二、小型污水处理控制系统程序电路图
1. 程序流程图·······································3
2. 主电路设计·······································4
3. 交流控制电路设计·································4
三、小型污水处理控制系统硬件软件设计
1. 可编程控制器控制电路设计·························5
2. 输入输出口分派···································6
3. 可编程控制器控制程序设计·························8
4. 梯形图···········································9
5. 出现问题及改善方式·······························15
6. 心得·············································15
四、参照文献
一、小型污水处理控制系统设计规定
1．技术规定
SBR废水处理技术是一种高效废水回用处理技术，采用优势菌技术对校园生活污水进行处理，通过处理后中水可以用来浇灌绿地、花木、冲洗厕所及车辆等，从而到达节省水资源目。
SBR废水处理系统方案要充足考虑现实生活中校园生活区较为狭小特点，力争到达设备体积小，性能稳定，工程投资少目。废水处理过程中环境温度对菌群代谢产生作用直接影响废水处理效果，因此采用地埋式砖混构造处理池以减少温度对处理效果影响。同步，SBR废水处理技术工艺参数变化大，硬件设计选型与设备调试比较复杂，采用先进PLC控制技术可以提高SBR废水处理效率，以便操作和使用。
SBR废水处理系统分别由污水处理池、清水池、中水水箱、电控箱以及水泵、罗茨风机、电动阀门和电磁阀等部分构成，在污水处理池、清水池、中水水箱中分别设置液位开关，用以检测水池与水箱中水位。SBR废水处理系统示意图如图1所示。

图1 SBR废水处理系统示意图
污水处理第一阶段：当污水池中水位处在低水位或无水状态时，电动阀会自动开起纳入污水。当污水池纳入污水至正常高水位时，电动阀自动关闭，污水池中污水呈微氧和厌氧状态。
污水处理第二阶段：采用能降解大分子污染物曝气法，可使污水脱色、除臭、平衡菌群pH值并对污染物进行高效除污，即好氧处理过程。整个好氧（曝气）时间一般需要6～8h。在曝气管路上安装了排空电磁阀，当电动阀门自动关闭后，排空电磁阀开起，罗茨风机延时空载起动，然后排空电磁阀关闭，污水池开始曝气。当曝气处理结束后，排空电磁阀再次开起，罗茨风机空载停机，然后排空电磁阀延时关闭。曝气风机在无负荷条件下起动和停止，能起到保护电动机和风机作用。通过0.5h水质沉淀，PLC下达起动1#清水泵指令，将沉淀后水泵入到清水池。当清水池中水位升至正常高水位时，1#清水泵自动停止运行。这时2#清水泵自动起动向中水箱泵水，当水箱内到达正常高水位时，2#清水泵自动停止运行，这时中水箱内水所有完毕处理过程。
如上所示，当中水箱内水位降至低水位时，2#清水泵又自动起动向中水箱泵水。当污水池中水位降至低水位时，电动阀门会自动打开继续向污水池纳入污水。如此循环往复。
SBR废水处理技术针对污水水质不一样选用生物菌群不一样，工艺规定规定有所不一样，电气控制系统应有参数可修正功能，以满足废水处理规定。
2．动力设备
SBR废水处理系统中所使用动力设备（水泵、罗茨风机、电动阀），均采用三相交流异步电动机，电动机和电磁阀（AC220V选配）选配防水防潮型。
1#清水泵：立式离心泵LS50-10-A，扬程10m，流量29m3/h，1kW。
2#清水泵：立式离心泵LS40-32.1，扬程30m，流量16m3/h，3kW。
曝气罗茨风机：TSA-40，0.7m3/min，1.1kW。
电动阀：阀体D97A1X5-10ZB-125mm，电动装置LQ20-1，AC380V，60W。
3．设计规定
1) 控制装置选用PLC作为系统控制关键，根据工艺规定合理选配PLC机型和I/O接口。
2) 可执行手动/自动两种方式，应能按照工艺规定编辑程序并可实时整定参数。
3) 电动阀上驱动电动机为正、反转双向运行，因此要在PLC控制回路加互锁功能。
4) PLC接地应按手册中规定设计，并在图中表达或阐明。
5) 为了设备安全运行，考虑必要保护措施，入如电动机过热保护、控制系统短路保护等。
6) 绘制电气原理图：包括主电路、控制电路、PLC硬件电路，编制PLCI/O接口功能表。
7) 选择电器元件、编制元器件目录表。
8) 绘制接线图、电控柜布置图和配线图、控制面板布置图和配线图等。
9) 采用梯形图或指令表编制PLC控制程序。
二、 小型污水处理控制系统程序图
1. 程序流程图

图2 小型污水处理控制系统程序流程图

2. 主电路设计

图3 SBR废水处理电气控制系统主电路
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、反转完毕开起阀门和关闭阀门功能。
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，既可完毕主电路短路保护，又起到分断三相交流电源作用，使用和维修以便。
4) 熔断器FU1、FU2、FU3、FU4分别实现各负载回路短路保护。FU5、FU6分别完毕交流控制回路和PLC控制回路短路保护。
3. 交流控制电路设计
1) 控制电路有电源指示HL。PLC供电回路采用隔离变压器TC，以防止电源干扰。
2) 隔离变压器TC选用根据PLC耗电量配置，可以配置原则型、变比1：1、容量100VA隔离变压器。
3) 1#清水泵M1、2#清水泵M2、曝气风机M3分别有运行指示灯HL1、HL2、HL3，由KM1、KM2、KM3接触器常开辅助触点控制。
4) 4台电动机M1、M2、M3、M4过载保护，分别由4个热继电器FR1、FR2、FR3、FR4实现，将其常闭触点并联后与中间继电器KA1连接构成过载保护信号，KA1还起到电压转换作用，将220V交流信号转换成直流24V信号送入PLC完毕过载保护控制功能。
5) 上水电磁阀YA1和指示灯HL1、排空电磁阀YA2，分别由中间继电器KA2和KA3触点控制。

图4 SBR废水处理系统交流控制电路

三、小型污水处理控制系统硬件软件设计
1. 可编程控制器控制电路设计
1) 硬件构造设计。理解各个控制对象驱动规定，如：驱动电压等级、负载性质等；分析对象控制规定，确定输入/输出接口（I/O）数量；确定所控制参数精度及类型，如：对开关量、模拟量控制、顾客程序存储器存储容量等，选择适合PLC机型及外设，完毕PLC硬件构造配置。
2) 根据上述硬件选型及工艺规定，绘制PLC控制电路原理图，绘制PLC控制电路，编制I/O接口功能表。图11-4为SBR废水处理系统PLC控制电路原理图，L6作为PLC输出回路电源，分别向输出回路负载供电，输出回路所有COM端短接后接入电源N端。
3) KM4和KM5接触器线圈支路，设计了互锁电路，以防止误操作故障。
4) PLC输入回路中，信号电源由PLC自身24V直流电源提供，所有输入COM端短接后接入PLC电源DC24V（＋）端。输入口假如有有源信号装置，需要考虑信号装置电源等级和容量，最佳不要使用PLC自身24V直流电源，以防止电源过载损坏或影响其他输入口信号质量。
5) PLC采用继电器输出，每个输出点额定控制容量为AC250V，2A。

2. 输入输出口分派
表1-1 废水处理系统PLC输入接口功能表

工位名称
文字符号
输入口
1
污水池高水位开关信号
H1
I0.0
2
污水池低水位开关信号
L1
I0.1
3
清水池高水位开关信号
H2
I0.2
4
清水池低水位开关信号
L2
I0.3
5
中水箱高水位开关信号
H3
I0.4
6
中水箱低水位开关信号
L3
I0.5
7
起动按钮
SB1
I0.6
8
停止按钮
SB2
I0.7
9
旋钮开关（自动）
SB3-1
I1.0
10
旋钮开关（手动）
SB3-2
I1.1
11
手动开电动阀旋钮开关
SB4
I1.2
12
手动关电动阀旋钮开关
SB5
I2.1
13
1#清水泵手动旋钮开关
SB6
I1.3
14
2#清水泵手动旋钮开关
SB7
I1.4
15
电动阀门开起限位开关
SQ1
I1.5
16
电动阀门关闭限位开关
SQ2
I1.6
17
电动阀电动机故障报警
FR0
I2.2
18
电动机热保护器报警
KA1
I2.0
19
曝气风机手动旋钮开关
SB8
I1.7

表1-2 废水处理系统PLC输出接口功能表

工位名称
文字符号
输入口
1
1#清水泵接触器
KM4
Q0.0
2
2#清水泵接触器
KM5
Q0.1
3
开电动阀门接触器
KM1
Q0.2
4
关电动阀门接触器
KM2
Q0.3
5
罗茨风机(曝气风机)接触器
KM3
Q0.4
6
排空电磁阀继电器
KA2
Q0.5
7
上水电磁阀继电器
KA3
Q0.6
8
电动机热保护器报警指示灯
HL1
Q0.7
9
污水池高水位红色指示灯
HL2
Q1.0
10
污水池低水位绿色指示灯
HL3
Q1.1
11
清水池高水位红色指示灯
HL4
Q1.2
12
清水池低水位绿色指示灯
HL5
Q1.3
13
中水箱高水位红色指示灯
HL6
Q1.4
14
中水箱低水位绿色指示灯
HL7
Q1.5
15
电动阀门启动绿色指示灯
HL8
Q1.6
16
电动阀门关闭黄色指示灯
HL9
Q1.7

图5 PLC硬件接线图
根据上述设计，对照主回路检查交流控制回路、PLC控制回路、多种保护联锁电路、PLC控制程序等，所有符合设计规定后，绘制出最终电气原理图。

3. 可编程控制器控制程序设计
1) 程序设计。根据控制规定，建立SBR废水处理系统控制流程图，如图5所示，体现出各控制对象动作次序，互相间制约关系。在明确PLC寄存器空间分派，确定专用寄存器基础上，进行控制系统程序设计，包括主程序编制、各功能子程序编制、其他辅助程序编制等。
2) 系统静态调试。空载静态调试时，针对运行程序检查硬件接口电路中多种逻辑关系与否对，然后先调试子程序或功能模块程序，然后调试初始化程序，最终调试主程序。调试过程中尽量靠近实际系统，并考虑到多种也许发生状况，作反复调试，出现问题及时分析、调整程序或参数。
3) 系统动态调试及运行。在动态带负载状态下调试，亲密观测系统运行状态，采用先手动再自动调试措施，逐渐进行。碰到问题及时停机，分析产生问题原因，提出处理问题措施，同步做好详尽记录，以备分析和改善。
4. 梯形图

5. 出现问题及改善方式
1) 调试时在排空电磁阀和风机轮番启动关闭中把握不准导致死循环，两者使用没有按照规定，最终是加了几种中间继电器约束输出端实现了器件重启动关闭使规定实现。
2) 调整中水高信号开关作为了中间信号输入而不是手动输入，使得中高信号可以与中水低信号互锁，保证2者联络，减少了手动关闭信号不便。
3) 由于输入水位信号只能手动输入（现实中由传感器自行判断启动关闭）因此设计会用到信号开关互锁，使系统调试复杂。
6. 心得
我们设计是废水处理电气控制系统，该系统在PLC控制下，可以实现污水处理功能。其中污水处理包括纳入污水、曝气处理、污水吸入清水池、沉淀处理、最终吸入中水箱。不仅能自动进行，并且还能手动进行。
由于缺乏这方面理解，刚开始确实不懂得从何下手做，通过各方面查阅资料、找老师指导等学习，我们基本学会了PLC设计环节和措施。
通过这次设计，我学会了PLC 基本编程措施，对PLC工作原理和使用措施也有了更深理解，在对理论运用中，提高了我工程素质，同步学会了PLC编程软件和仿真软件运用。此前对某些知识细节不注意，导致了我本次设计走了好多弯路，花费了许多本不必要时间和精力；同步在编程和仿真时碰到了某些问题，通过认真分析，不停总结，最终处理了一种个难题，在这过程中培养了我分析问题、处理问题能力。

参照文献
[1] 徐文尚，陈 霞，武 超。电气控制技术与PLC。北京：机械工业出版社。
[2] 张 扬，蔡春伟，孙明健。S7-200 PLC原理与应用系统设计。北京：机械工业出版社.。
[3] 吴晓君，同志学。电气控制课程设计指导。
[4] 易泓可。电气控制系统设计基础与范例。北京：机械工业出版社.。
[5] 戴一平．可编程序控制器技术 [M]．北京：机械工业出版社.
[6] 廖常初．PLC编程措施与工程应用 [M]．重庆：重庆大学出版社.