PLC污水处理自动化系统设计 (1).doc

PLC污水处理自动化系统设计摘要 目前，生活污水排量正在逐渐增长，排放污水主要包含生活污水、工业污水，需建设完善污水处理系统、设施，然而目前生活污水处理设施的建设，根本不能满足污水处理需求，使得污水处理形成“供不应求”的现象，从而导致生活污水乱排放，严重污染了水源。笔者根据自身多年的污水处理从业经验。，主要分析我国生活污水处理的重要性，分析我国生活污水处理厂建设及运行现状，提出一些针对性的改善措施。在工业控制领域，基于运行稳定性考虑，要对生产过程中的各种物理量进行详细的检测和控制。这在冶金、化工、建材、食品、机械、石油等工业中，具有举足轻重的作用。其中温度控制又以其较为复杂的工艺过程而备受人们关注。所以各种加热炉、热处理炉、反应炉等得到了广泛应用。这些都对温度控制系统的设计提出了更高的要求。本文研究了污水处理自动化在污水处理自动化中的应用。污水恒温控制装置主要完成对污水内液体的液位和温度检测，并调整温度参数。温度控制在系统中是一个非常重要的部分。温度由铂电阻式温度检测器测量，测量的温度传递给可编程逻辑控制器。PLC将收集的温度值与给定值进行比较。PID运行后，在设定的时间段内调整三端双向可控硅开关时间的比值，改变加热线电流和加热时间，完成温度控制要求。 PLC不仅具有传统继电控制系统的控制功能，而且可以扩展输入输出模块。特别是可以扩展一些智能控制模块，形成不同的控制系统，集成模拟量输入输出控制和现代控制方法，实现智能控制。闭环控制与多控制功能的集成控制。此外，随着工业自动化水平的快速提高，用户对控制系统的过程监控要求越来越高，人机界面的出现正好满足了用户的需求。人机界面可对控制系统进行全面监控，包括参数监控、信息处理、在线优化、报警提示、数据记录等功能，使控制系统变得简单易懂，操作方便，深受用户欢迎。人机界面在自动控制领域发挥着越来越重要的作用。人机界面（HMI）正成为指导工业制造成功的一个重要因素，因为这些系统越来越多地用于监控生产过程，使过程更加准确、简洁和快速。关键词：PLC；CPU224；EM235；双向晶闸管；PID控制目 录1 前言41.2 国内外研究现状61.2 .1国内研究现状61.2 .2国外研究现状71.2 .2.1污水处理的单因素评价及相关发展81.2 .2.3污水处理的综合评价92 污水处理自动化结构112.1 PLC的基本工作原理112.2 中央处理单元(CPU)112.3 存储器122.4 电源132.5 PLC的设计步骤133 污水处理自动化系统硬件的设计153.1 工作过程153.2 I/O地址分配153.3 选择硬件164系统程序设计254.1 顺序功能流程图254.2 程序设计265 未来中小型污水处理厂信息化建设的特征31结语33参考文献341 前言温度的测量和控制对人类日常生活、工业生产、气象预报、物资仓储等都起着极其重要的作用。在许多场合，及时准确获得目标的温度、湿度信息是十分重要的，近年来，温湿度测控领域发展迅速，并且随着数字技术的发展，温湿度的测控芯片也相应的登上历史的舞台，能够在工业、农业等各领域中广泛使用。在工业自动化领域，可编程序控制器（PLC）以其可靠性高、抗干扰能力强、编程简单、功能强大、性价比高、体积小、能耗低等优点被广泛应用于现代工业的自动控制。其中。在目前的工业控制中，PLC常用作现场控制装置，用于数据采集和处理、逻辑判断和输出控制。上位机采用人机界面软件完成工业控制状态、过程和参数的显示，实现监控。管理、分析和存储。现代PLC以其集成度高、功能强、抗干扰能力强、配置灵活、运行稳定等特点受到广泛欢迎。它在传统工业特别是温度控制的现代化中发挥着越来越重要的作用。该监控系统充分利用了PLC和计算机各自的特点，得到了广泛的应用。在此基础上，设计了温度控制系统。将基于PLC的下位机与完成人机界面功能的上位机相结合，构成分布式控制系统，实现温度自动控制。加热锅炉在世界上广泛应用于工业生产，其控制技术的先进水平决定了其使用水平。随着这一概念的发展，加热炉控制系统大多采用以微处理器为核心的计算机控制技术，既提高了设备的自动化程度，又提高了设备的控制精度。这些核心技术主要体现在相对成熟的PLC领域。PLC的快速发展发生在20世纪80年代到90年代中期，在此期间，PLC大大提高和发展了处理模拟、数字计算、人机界面和网络能力。可编程逻辑控制器逐渐进入过程控制领域，取代了在某些应用中占过程控制领域主导地位的分布式控制系统。PLC具有通用性强、使用方便、适应性广、可靠性高、抗干扰能力强、编程简单等特点。加热锅炉是一种机电一体化产品，与上述技术配合良好。另外，它可以将电能直接转化为热能，效率高、体积小、无污染、运行安全可靠、供热稳定、自动化程度高。是一种理想的节能环保型采暖设备。此外，人们的环保意识不断增强，电锅炉越来越受到人们的重视，在工业生产和生活用水中越来越受到人们的欢迎。目前，电锅炉主要用于加热和提供生活用水。主要是控制水温，保证供水恒温。 随着人口规模的不断增加及现代工业的高速发展，致使世界范围内有效的水资源储量正遭受着严重的考验与冲击。为进一步推动水资源的合理规划与保护，提高公众的环保意识，第四十七届联合国大会将每年的 3 月 22 日定为“世界水日”。然而水资源短缺、水污染严重的问题依然存在，并严重影响着人们的生存环境和生态健康。为此，各国政府正加大力度通过建设城市污水处理厂来治理水环境污染的问题，同时也节约了水资源的浪费 。我国是一个发展中国家，同时也是一个水资源分布不均并严重短缺的国家。为更好地缓解我国在水资源领域方面的压力，国家适时调整政策，从“七五”到“十二五”规划，我国污水处理设施建设情况有了很大的进步。“在第五届中国城镇水务发展国家大会上，住房和城乡建设部副部长仇保兴指出，十一五期间，我国城镇污水厂以年均 8的速度增长，截止 2010 年底，已建成 2630座城市污水处理厂，同时还有 1849 座处于建设中”。然而，在我国已建污水处理厂中普遍存在着运行负荷率过低、规模盲目扩大、运行管理效率低等问题，造成了极大的资金浪费。 另外随着全国各中小型污水处理厂的不断建设，从表面上看我国污水治理情况有所改善，各地水污染情况基本得到一定的控制。然而事实上，各地污水厂的建设及运行过程中也会给周围环境带来一定的负面影响，如排放的臭气、设备发出的噪声及污泥排放等固体废弃物的影响据2013年环境公报显示新增城镇（含建制镇、工业园区）污水日处理能力1294万吨、城镇污水再生水日利用能力301万吨。而污水处理厂项目后评价的环境评价趋弱。在盲目进行建设城市污水处理厂的同时，这些负面因素也应考虑进去。也就是要求我们在追求污水治理效果这个问题上，不应该只从污水厂的数量及规模上来衡量环境治理的好坏，而是选取一个质量标准来综合的、明确的表征一个城市污水处理厂运行的优劣。生活污水的处理是生活进行的持续发展的要求，我国生活正处于不断发展、变化的时代条件下，随着我国乡镇不断发展，我国生活化正高速发展，乡镇人群生活水平也不断提高，不断增加的生活人口，也不断增加了生活排放量。以往已为中心但不重视环境保护的观念，极大影响了人们的生活理念，许多人无法融入正常环境，达到生活污水的排放。但生活污水处理设备、污水处理厂极为有限，有大多数生活缺乏相应的污水处理系统，将生活污水、工业污水直接排放至江河湖泊中，即污染了自身小生活的环境，也污染了自然的江河湖泊，对水污染的危害极为严重，导致本区域的水污染较为严重，区域水保护要求必须注重污水治理。污水处理根据不同地域，存在不同表现，针对大中生活可能较好，小生活还需大力改善污水处理。所以，说到生活是污水处理的下一步重要、关键区域，根据调查预测，我国未来将会有70%左右的污水来自生活，生活分布极为分散，给治理增加了难度。近年来，国内外对温度控制器进行了广泛深入的研究。特别是随着计算机技术的发展，温度控制器的研究取得了很大的进展，形成了一批商业化的温度调节器。如：功能PID、模糊控制、自适应控制等，其性能、控制效果良好，可广泛应用于温度控制系统及企业相关设备的技术改造服务。1.2 国内外研究现状1.2 .1国内研究现状国内外城市污水处理厂的评价分析的理论和应用研究是随着系统工程理论的发展而发展的。张松滨、李万海、王红 l5(l999)提出了利用二步层次分析法确定权系数，将模糊关系处理数据的多指标相关分析法应用于城市污水处理厂的综合性能评价的方法。朱羽中、范先雄6(1999)对九江炼油厂污水处理厂现有的运行模式进行了综合评价。该污水处理厂采用两级生化法和生物膜法相结合处理炼油废水和生活污水。评价的目的在于提高COD、NH3一去除的稳定性，提出了改进运行模式。刘开第、李思敏、庞彦军171(2000)认为:污水处理厂运行管理效果涉及到污水处理水量、水质和消耗等方面诸多项指标，是多指标综合评价问题。由此建立了未确知测度识别评价模型。李如忠 8(2000)运用多层次模糊综合评判模型对城市污水处理厂工艺方案进行了分析、评价，选出了相对较理想的处理工艺。范祖悦、邹蔚l9(2002)采用模糊综合评判方法，对一项多目标多层次的污水处理扩建工程的技术改造方案，进行了模糊决策的综合评价选优，使方案决策结果更趋于全面、客观、合理。王国平、王洪光O(2002)应用集对分析方法，建立了综合评价污水处理厂的定量模型，考虑了与污水处理厂有关的技术、经济、管理及环境效益等方面的诸多因素。陈郁、郑洪波、杨凤林、张树深 (2003)依据环境因素、经济和技术因素，研究了一套适用于城市污水处理厂的生命周期评价体系。在评价中将污水处理过程看做产品的生产过程，在影响评价中运用层次分析法对总考核指标(即综合效益)及各单项指标(即环境影响、经济效益和技术性能)的优劣性进行比较与分析，评价出不同污水处理工艺的优劣性。狄军贞、刘书贤(2004)将模糊综合评价具体应用到污水处理厂治理设施综合评价的研究中，通过建立污水处理设施的模糊综合评价模型，实现对污水处理工艺综合评价与排序。李凡修、梅平、陈武!s(2004)建立了利用多元联系数集对分析方法对城市污水处理厂规划改造决策的综合评价新模型，并对n座污水处理厂进行改造决策综合评价。郭劲松、杨渊、方芳2005)对西部小城镇污水处理技术选择各种影响因素进行了分析，建立了西部城镇污水处理技术评价指标体系，从而为西部小城镇污水处理技术综合评价研究提供了依据。龚宏伟 (2005)利用模糊数学的方法综合评价了污水处理厂的运行效果，提出了污水处理厂运行效果的基本评价方法和综合评价数学模型。何雪梅、吴义锋 (2006)运用进、出水时间序列的统计学模型对南京城北污水处理厂试运行状况和稳定性进行综合评价，并对实时监控数据进行了分析和验证。王佰伟，曹升乐 (2007)探讨了逼近于理想解的模糊物元法、Blin法、密切值法和模糊优选法等四种多目标优选评价方法。并通过不同评价方法的集结建立了工业废水治理效果评价模型，对城市污水处理厂运行效果的评价具有借鉴作用。总之国内研究者主要在项目前综合经济评价，而对于项目后的环境分析较少。1.2 .2国外研究现状鉴于水资源的可再生性，经过适当处理后既降低了水环境的污染同时也节约了水资源的利用，世界各国都将城市污水处理厂作为一项改善民生的重要基础设施建设工程。一些发达国家如美国、英国、德国等更是投入了大量的资金以支持污水治理工作的进行，并取得一定的成果。 美国的污水处理起源于 20 世纪 20 年代，随后在几十年间迅速地且大规模地全面展开及应用。据统计，美国是目前为止拥有污水处理厂数目最多的国家，平均每 1 万人便拥有一座污水处理厂，而且污水处理效率较高19 世纪中期，英国开始意识到污水治理的重要性。随后英国环境署根据每个排放点制定了相应的水质排放标准，而生活污水由水业集团负责处理。如英国泰晤士水业集团，作为英国 12 大水业集团之首，下属三座污水处理厂，可承担 1300 万人的污水处理任务 德国作为欧盟主要国家中污水处理费最高的国家，在污水治理与水环境改善方面取得了一定的成效。政府及各级组织投入大量资金来建设及改造污水处理设施，同时公众的环保意识也非常高。据统计，目前德国每年用于污水处理的资金超过了60亿欧元 由此看出，国外一些发达国家的污水处理现状良好，也基本实现了污水再利用的资源化处理。 随着国外污水处理厂建设规模的不断扩大，数目的不断增加，污水处理的问题已不单单局限于政府管理的范围，越来越多的企业及公众参与到这项整治环境污染的活动中来。正是在这种背景下，越来越多的学者开始关注污水处理厂的长期运行效果，从多角度来衡量污水处理厂的运行管理，先后有人从经济、环境、污泥等方面进行了相关的研究11,12，从而进一步从宏观和微观上更好地把握污水处理厂的情况。总体来说，主要包括对污水处理工艺的评价、经济成本的分析、环境释放的影响、剩余污泥的处理等方面。1.2 .2.1污水处理的单因素评价及相关发展 早期的研究主要集中于对污水处理在某一方面的研究与评价，如费用评价、环境影响、生态毒性等。 J. J. Casares等13应用随机优化对污水处理厂模型进行了分析，其中目标函数的设计参数加入了总建设投资，并得出污泥的循环利用对于降低污水厂的建设投资有很重要的作用。 Ozer Cinar等14借助人工神经网络对佩勒姆某污水处理厂的BOD、TSS及粪大肠杆菌进行了数据分类，得出在反应器中较低的pH值及较高的SRT是导致这些参数排放浓度过高的原因。 Athanasios Katsoyiannis等15对希腊某污水处理厂的生态毒性进行分析，将BOD5，COD，DOC，SS 和POPs作为指标进行分析研究，为今后污水处理厂污染物排放毒性的评价提供了方向。 随后，一些学者及业内人士意识到这种集中式污水处理在资源利用及能源回收方面的限制，继而转向分散式污水处理技术及应用的研究16，主要应用远离城市下水管网的乡村及高档住宅区等，如郝晓地等17以美国为例，主要介绍了分散式在美国污水处理中的发展情况，现阶段的主要技术手段，应用前景。由此可以看出，人们开始关注在污水处理过程中的资源与能源耗及回收问题，进一步为全球范围内的可持续发展奠定了基础实现处理后污水的再利用无疑是实现可持续发展最直接的体现，一方面水资源短缺的难题，另一方面解决了水环境污染的问题。以约旦河西岸污水处理厂为研究对象，基于标准的重要性排序（IOC）探讨了优化污水再利用系统的重要性及其评价结构框架的可行性。1.2 .2.3污水处理的综合评价 为了更全面的评价污水处理厂的可持续发展性，许多学者开始从多角度来评价、全方位来综合考虑污水处理厂评价指标的构建。 Annelies J. Balkema等19在现有四种评价方法（熵分析、经济分析、生命周期评价、系统分析）的基础上，从经济、环境、社会文化三方面提出适应可持续性发展的指标，另外也对当前研究中的一些决定性指标进行了统计归类。 Ulrika Palme等20选取污泥处理的四种方式来进行评价，借助多目标决策从生命周期评价、经济评价、风险及不确定性分析、磷的研究四方面来进行可持续发展指标（SDIs）的确定及探讨。 Xavier Flores-Alsina等 21针对污水处理厂的评价目标大多比较单一的缺点，开始从经济、技术、可行性等方面对污水处理厂进行了较为全面的分析评价，确定了 12 个评价指标。 而生命周期评价作为一项用来评价可持续发展的工具，在污水处理系统的评价中越来越受到相关研究人员的重视，在污水处理工艺的选取、相关污染物的探讨研究中发挥了不容忽视的作用。 M. Ortiz等22对两种污水处理工艺（CAS和CAS-TF）进行了比较，以此来选取对环境影响负荷最小的工艺，这对于企业管理者来说对其工艺的选取提供一定的参考依据。 Ivan Mu?oz等23将生命周期影响评价用于城市污水处理中的优先污染物和潜在污染物的评价当中，主要针对生态毒性和人类毒性两方面进行了探讨 Seong-Rin Lim等24将污水处理厂从分散式处理到最终处理阶段的数学优化模型作为一个废水处理网络系统，通过生命周期评价和生命周期成本方法，经济与环境的可行性两方面来与传统的污水处理厂进行比较分析。 Flores-Alsina 等25在活性污泥模型的基础上，提出以环境影响、经济影响、技术性能、可行性四方面为基准的评价标准，应考虑运行过程中的不确定性对最终评价结果的影响。 Jeffrey Foley等26对资源的消耗和污染物的释放进行了生命周期清单分析，同时指出氮磷的排放值将直接影响设备资源和化合物的消耗量，故而需要在提高当地受纳水体质量和减轻负面的环境影响之间进行权衡分析。 2 污水处理自动化结构2.1 PLC的基本工作原理（1）PLC采用“顺序扫描，不断循环”的工作方式1）每次扫描过程。集中对输入信号进行采样。集中对输出信号进行刷新。2）输入刷新过程。当输入端口关闭时，程序在进行执行阶段时，输入端有新状态，新状态不能被读入。只有程序进行下一次扫描时，新状态才被读入。3）一个扫描周期分为输入采样，程序执行，输出刷新。4）元件映象寄存器的内容是随着程序的执行变化而变化的。5）扫描周期的长短由三条决定：CPU执行指令的速度；指令本身占有的时间；指令条数。6）由于采用集中采样。集中输出的方式。存在输入/输出滞后的现象，即输入/输出响应延迟。（2）PLC与继电器控制系统、微机区别1）PLC与继电器控制系统区别前者工作方式是“串行”，后者工作方式是“并行”。前者用“软件”，后者用“硬件”。2）PLC与微机区别前者工作方式是“循环扫描”。后者工作方式是“待命或中断”。2.2 中央处理单元(CPU)中央处理器（CPU）是PLC的控制中心。它接收并存储来自编程器的用户程序和输入数据，根据PLC系统程序分配的功能检查电源、存储器I/O和看门狗的状态。它还可以诊断用户程序中的语法错误。PLC投入运行时，首先扫描接收现场各输入设备的状态和数据，分别存储在I/O图像区，然后从用户程序存储器中逐个读取用户程序。指令解释后，按指令规定进行逻辑或算术运算，运算结果发送到I/O映射区或数据寄存器。在所有用户程序执行完毕后，I/O图像区的输出状态或输出寄存器中的数据最终传输到相应的输出设备，并循环操作直到操作停止。 污水处理 (sewage treatment,wastewater treatment)：为使污水达到排水某一水体或再次使用的水质要求对其进行净化的过程。污水处理被广泛应用于建筑、农业，交通、能源、石化、环保、生活景观、医疗、餐饮等各个领域，也越来越多地走进寻常百姓的日常生活。污水处理是指为改变污水性质，使其对环境水域不产生危害而采取的措施。生活污水处理一般分为三级：一级处理，系应用物理处理法去除污水中不溶解的污染物和寄生虫卵;二级处理，系应用生物处理法将污水中各种复杂的有机物氧化降解为简单的物质;三级处理，系应用化学沉淀法、生物化学法、物理化学法等，去除污水中的磷、氮、难降解的有机物、无机盐等。至于采取哪级处理比较合理，应视对最终排出物的处理要求而定。为了进一步提高可编程逻辑控制器的可靠性，近年来，大型可编程逻辑控制器还采用了双CPU构成冗余系统或三CPU表决系统，即使一个CPU发生故障，整个系统仍能正常工作。2.3 存储器存放系统软件的存储器称为系统程序存储器；存放应用软件的存储器称为用户程序存储器。(1)PLC常用的存储器类型RAM(Random Assess Memory)，这是一种读/写存储器(随机存储器)，其存取速度最快，由锂电池支持。EPROM(Erasable Programmable Read Only Memory)，这是一种可擦除的只读存储器，在断电情况下存储器内的所有内容保持不变(在紫外线连续照射下可擦除存储器内容)。EEPROM(Electrical Erasable Programmable Read Only Memory)，这是一种电可擦除的只读存储器，使用编程器就能很容易地对其所存储的内容进行修改。（2）PLC存储空间的分配虽然各PLC CPU的最大寻址空间不同，但根据PLC的工作原理，其存储空间一般包括以下三个方面：系统程序存储区；系统RAM存储区（包括I/O图像区和系统）软设备等；用户程序存储区。1系统程序存储区相当于计算机操作系统的系统程序存储在系统程序存储区，包括监控程序、管理程序、命令解释器、功能子程序、系统诊断子程序等，这些程序由制造商固化在EPROM中，用户不能直接访问，这些程序加在一起是硬件决定了PLC的性能。2系统RAM存储区系统RAM存储器区域包括I/O映射区域和各种类型的软设备，例如逻辑线圈、数据寄存器、定时器、计数器、索引寄存器、累加器等。2.4 电源PLC的功率在整个系统中起着重要的作用。如果一个可靠的供电系统不能正常工作，PLC制造商也非常重视电源的设计和制造。交流电压波动一般在+10%（+15%）以内。不能采取其他措施。并将PLC直接连接到交流电网。2.5 PLC的设计步骤（1）确定计划：空对象环境恶劣，系统流程复杂，考虑了PLC控制系统。控制很简单，可以考虑使用继电器控制系统。通过PLC控制，首先要了解系统的工作过程和所有功能要求，以便分析被控制对象的控制过程，输入/输出量是开关量还是模拟量，明确控制要求，绘制系统流程图。（2）选择PLC型号：PLC的可靠性没有问题。模型的选择主要是考虑满足系统需求的功能需求。模型的选择基于：控制对象的输入量、输出电压、输出电压、输出功率、系统对系统的响应速度、控制室与现场的距离。（3）选择I/O设备并列出I/O地址分配表：输入装置：控制按钮、行程开关、接近开关等。输出装置：接触器、电磁阀、信号灯等。确定输入/输出装置的型号和数量。编写输入输出装置与PLC的I/O端口地址对照表，绘制接线图，编写程序。分配I/O地址时应注意以下几点：集中配置所有按钮、行程开关等，并按顺序分配I/O地址；每个I/O设备占用一个地址；相同类型的I/O点应尽可能布置在相同的区域。相互关联的输出设备，如电机的正、负旋转，应连续分配其输出地址。1）在PLC外绘制电机主电路及其它控制电路图。2）绘制PLC的I/O接线图。注：连接到PLC输入端的电气元件总是常开触点，例如停止按钮。3）绘制PLC和I/O设备的电源图。输入电路一般由PLC供电，输出电路根据负载的额定电压外接电源。（4）设计电路图：（5）程序设计与调试编程可以使用经验设计或功能表设计，或者两者的组合来完成。（6）组装调试：连接硬件电路，将程序输入PLC，在线调试。程序设计与调试分析生产过程，明确设计要求电器电路设计试运行绘制系统原理图选择PLC的型号总装调试2.1 PLC的设计流程3 污水处理自动化系统硬件的设计3.1 工作过程（1）打开SV1充冷水，当水到达上限位，使上限位传感器输出有信号时，停止供冷水，关闭SV1。（2）当水到达下限位时，启动加热器H，让其加热水，同时让搅拌电动机M开始运行，使水的温度均匀上升。（3）设定给定温度值为60。（4）当实际温度高于60时，开通SV1和SV2，并运行搅拌电机M；当实际温度低于60时，开通加热器H并运行搅拌电机M。以此进行循环。（5）当水低于下限位传感器时，报警灯亮。人工按下停止按钮，重新开始启动。图3.1 实验污水温度控制系统符号描述3.2 I/O地址分配在日常经济生活中，大中小型污水处理厂的一起“共生”现象是一个客观的经济规律，这是正常的企业生态规律。中小型污水处理厂大多为中小型化工企业自行投资建设，而这些企业的规模与污水厂的规模又有相辅相成的关系，中小型化工企业须符合以下条件：职工总人数2000人以下，或年销售总额在3亿元以下，或企业资产总额为4亿元以下。其中，中型企业又须同时满足职工总人数在300人及以上，年销售总额在3000万元及以上，企业资产总额在4000万元及以上，其余皆为小型企业。这些企业由于本身规模及条件的限制，建设中小型污水处理厂对企业本身而言已经足够，但管理及经营模式又与企业本身有区别，另外从本质而言又需要其独立经营。通过对图3.1及以上工作过程的分析，统计控制系统输入输出信号的名称、编码和地址编号见表3.1。水位上下限分别为I0.2和I0.3，洪水时为1，暴露时为0。表3.1 I/O分配名称符号地址编号输入信号启动按钮QS2I0.0停止按钮QS1I0.1水池水位上限信号SLHI0.2水池水位下限信号SLLI0.3热继电器信号QSI0.4铂电阻信号AI4AIW0输出信号控冷水电磁阀SV1Q0.0控热水电磁阀SV2Q0.1搅拌电机MQ0.2报警指示灯HLQ0.3加热器HAQPID输出模拟信号A00AQW03.3 选择硬件从以上分析可知，系统有5个开关量输入点、4个开关量输出点、1个模拟量输入点和1个模拟量输出点。参照西门子S7-200产品目录和实际市场价格，主机为CPU 224（14英寸/10继电器输出），然后扩展模拟模块EM235（4AI/1AO）。这种配置是最经济的。整个PLC系统的配置如图所示。主机单元CPU224AC/DC/继电器模拟量单元EM2354AI/1AO图3.2 恒温污水的PLC系统的配置3.3.1 CPU224CPU 224集成了14个输入/输出，共24个数字I/O点。可连接7个扩展模块，最多168个数字I/O点或35个模拟I/O点。13K字节的程序和数据存储空间。6个独立的30kHz高速计数器，2个独立的20kHz高速脉冲输出，带PID控制器。1个带有PPI通信协议、MPI通信协议和自由模式通信能力的RS485通信/编程端口。I/O接线板可以很容易地整体拆卸。是一种控制能力强的控制器。图3.3 CPU224的接线图3.3.2 双向晶闸管双向晶闸管的工作原理：双向晶闸管具有双向开关的特点。三端双向可控硅基本上是两个反并联单向晶闸管，是一种由四个PN结和三个电极组成的由NNPPN五层半导体构成的半导体器件。图3.4 双向可控晶闸管液体温度电加热一般采用移相触发晶闸管调节方式。也就是说，PLC根据PID公式计算出控制电压值，并通过D/A将其转换成模拟量输出给晶闸管，以控制晶闸管的导通角。为了避免电源畸变引起的干扰，本文采用双向晶闸管定周期控制方法。其工作原理是：所选控制脉冲周期tc=1s，100电源半周期为10ms，根据PID计算结果，微机发出不同宽度的电脉冲，在1秒的固定周期内控制三端双向可控硅的栅极，并改变其开启时间，以控制AVE。加热器的RAGE输出功率。3.3.3 热电阻原理构造热阻是中低温区最常用的温度探测器。其主要特点是测量精度高，性能稳定。其中，铂热电阻的测量精度最高，在工业温度测量中得到了广泛的应用，并已成为标准参考仪器。从热电阻的温度测量原理可知，被测温度的变化直接由热电阻的电阻变化来测量。因此，热电阻本体的引线等各种导线的电阻变化可能会影响温度测量。为了消除引线电阻的影响，一般采用三线制或四线制。热电阻温度测量系统一般由热电阻、连接线和显示仪表组成。必须注意以下两点：1.显示仪表的热阻和指标号必须相同。2为了消除连接线电阻变化的影响，必须采用三线连接法。PID控制器是一种线性控制器,一种它根据给定值rin(t)与实际输出值yout(t)构成控制偏差：Error(t)=rin(t)-yout(t) 其中，kp比例系数；Ti积分时间常数；T d微分时间常数。简单说来，PID控制器各校正环节的作用如下：比例环节：成比例地反映控制系统的偏差信号error(t),偏差一旦产生，控制器立即产生控制作用，以减小偏差。比例控制：Gc(s)=Kp积分环节：主要用于消除静差，提高系统的无差度。积分作用的强尽弱取决于积分时间常数Ti，Ti越大，积分作用越弱，反之则越强。积分控制：Gc(s)=Kp/T is微分环节：反偏差信号的变化趋势（变化速率），并能在偏差信号变得太大之前，在系统中引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统的动作速度，减少调节时间。微分控制：Gc(s)=KpT ds基本PID控制器的理想算式为： 式中u(t)控制器(也称调节器)的输出；e(t)控制器的输入（常常是设定值与被控量之差，即e(t)=r(t)-c(t)）；Kp控制器的比例放大系数；Ti 控制器的积分时间；Td控制器的微分时间。设u(k)为第k次采样时刻控制器的输出值，可得离散的PID算式 式中 由于计算机的输出u(k)直接控制执行机构（如阀门），u(k)的值与执行机构的位置（如阀门开度）一一对应，所以通常称式(4.3)为位置式PID控制算法。位置式PID控制算法的缺点：当前采样时刻的输出与过去的各个状态有关，计算时要对e(k)进行累加，运算量大；而且控制器的输出u(k)对应的是执行机构的实际位置，如果计算机出现故障，u(k)的大幅度变化会引起执行机构位置的大幅度变化。PID控制器的参数整定是控制系统设计的核心内容。根据被控过程的特点，确定了PID控制器的比例因子、积分时间和微分时间。PID控制器参数整定方法很多。本设计采用实验方法。（1）确定控制器参数根据连续时间PID参数整定方法，对数字PID控制器的控制参数进行选择。在选择数字PID参数之前，首先要确定控制器的结构。对于允许静态（或稳态）误差的系统，可适当选择P或PD控制器，使稳态误差保持在允许范围内。对于必须消除稳态误差的系统，选择包含积分控制的PI或PID控制器。一般来说，pi、pid和p控制器使用得更多。对于滞后的对象，常添加微分控制。一旦确定了控制器结构，就可以开始选择参数。参数的选择取决于被控对象的具体特性和控制系统的性能要求。在工程上，一般要求整个闭环系统稳定，对给定的变化量响应迅速、平稳，超调量小；在不同的扰动下，可以保证控制量在给定值；当整个系统稳定时，环境参数发生变化，则可以保证控制量在给定值。等等。这些要求与控制系统本身的性能有些矛盾。我们必须满足主要方面的要求，兼顾其他方面，并适当妥协。实验测试方法的调整步骤为“比例、重积分、最终微分”。1设置比例控制比例控制函数由小变大，每一个响应都被观察到，直到得到一个响应速度快、超调量小的响应曲线。2设置整体连杆如果稳态误差不能满足比例控制的要求，应增加积分控制。首先将步骤1中选择的比例因子减小到原始比例因子的5080%，然后将积分时间设置为较大的值，观察响应曲线。然后减少积分时间，增加积分效果，相应地调整比例系数，反复尝试得到满意的响应，确定比例和积分的参数。3调谐差速连杆如果在第2步之后，PI控制只能消除稳态误差，而动态过程不令人满意，则应增加微分控制以形成PID控制。预微分时间td=0，逐渐增大td，并相应地改变比例系数和积分时间，再次尝试获得满意的控制效果和PID控制参数。PLC在执行PID调节指令时，须对算法中的9个参数进行运算，为此S7-200的PID指令使用一个存储回路参数的回路表，PID回路表的格式及含义如表4.2所示。表4.1 PID回路表偏移地址（VB）变量名数据格式输入输出类型取值范围T+0反馈量（PVn）双字实数输入应在0.01.0之间T+4给定值(SPn)双字实数输入应在0.01.0之间T+8输出值(Mn)双字实数输入输出应在0.01.0之间T+12增益(KC)双字实数输入比例常数,可正可负T+16采样时间(TS)双字实数输入单位为s,必须为正数T+20积分时间(TI)双字实数输入单位为min,必须为正数T+24微分时间(TD)双字实数输入单位为min,必须为正数T+28积分和(YQ)或积分项前值(MX)双字实数输入输出应在0.01.0之间T+32反馈量前值(PVn-1)双字实数输入输出最后一次执行PID指令的过程变量值本次设计中在主程序、子程序、中断程序中均涉及到了PID控制。在主程序中调用初始化子程序图（4.2）；子程序用来建立PID回路初始化参数表和设置中断（图4.3），采用定时中断来定时采样，设置定时时间和采样时间为100ms,并写入SMB34；中断程序用于执行PID运算（图4.4）。标准化时采用用单极性（取值范围为032000）。图4.2 主程序中的调用PID初始化指令图4.3 PID子程序 4系统程序设计4.1 顺序功能流程图对于较为复杂的控制系统，通常采用顺序控制法进行程序设计。顺序控制法的基本思想是将一个复杂的控制过程分成一系列“状态”或称为“步”，编程时可针对一个个的状态进行，每一个状态程序都含有本状态做什么，满足什么条件时进行状态转移及转到哪一个状态去这样一些问题。最后利用状态间的联系完成整体控制程序。对于污水温度控制系统的顺序功能流程图如图5.1所示。SM0.1S0.0S0.1S0.3S0.4PID.S0.6S0.5S0.2Q0.2AQQ0.2AQQ0.0Q0.0Q0.0Q0.1ATCHQ0.2ATCHAQQ0.2I0.0启动按钮I0.3下限位I0.2上限位ATCH中断判断VD250>R温度高VD250<R温度低ATCH·I0.3I0.1S0.7Q0.3I0.3 水位过低图5.1 功能功能流程图4.2 程序设计(1)程序中使用的PLC元件及其功能如表5.1所示。表5.1 程序中使用的PLC元件地址及其功能器件地址功能VB100过程变量标准化值PVnVD100过程变量标准化值VD104温度给定值VD108PI计算值VD112比例系数VD116采样时间VD120积分时间VD124微分时间(2)程序中所用到的部分指令及功能说明如表5.2所示。表5.2 部分所用指令梯形图程序语句表程序说明CALL SBR0子程序调用指令：子程序的编号从0开始，随着子程序个数的增加自动生成，可以063MOVB IN，OUTMOVW IN，OUTMOVR IN，OUT数据传送指令：实现字节、字和实数的数据传送。