基于PLC控制的污水处理系统.doc

毕 业 论 文 题目：基于PLC控制的污水处理系统  姓 名：彭光雷 身份证号：   班 级 ： 09电器自动化（国） 所在学校： 指导老师： 时间：2011年10月17日基于PLC控制的污水处理系统摘 要污水处理对于人们的生产、生活有着重要的意义，它也是国家执行可持续发展目标的一个重要环节。在本课题设计中，首先概括性地分析了目前PLC的发展现状、主要类型及各自特点等。接着，对课题中将要用到的PLC的硬件结构与工作原理作了介绍，并着重介绍了S7-200系列PLC。然后，详细地阐述了一个较为简单的污水处理系统的PLC控制的设计实现步骤。将整个控制过程分为四个方面：污水处理总流程部分、仪表测水质以及根据水质加投药、投药后系统加热控制、紫外线杀菌器。由这四个方面的协调工作共同组成了整个污水处理的PLC控制系统。关键词: 污水处理 远程I/0 PH值控制 PLC目 录摘 要1引言3第一章技术介绍51.1PLC的基本构成51.2 PLC的工作原理6（2）扫描周期8（3）PLC的工作原理8第二章 基于PLC控制的污水处理系统102.1 PLC控制的污水处理系统102.1.1污水处理总流程部分112.1.2 仪表对水质的检测以及检测后加投药部分142.1.3 投药后系统加热控制182.1.4 紫外线杀菌系统222.2 PLC的抗干扰措施23结论24参考文献25致谢25引言1. PLC，即可编程序控制器，是以计算机技术为核心的自动控制装置，在各行业中得到广泛运用，在工业生产过程中，大量的开关量顺序控制，它按照逻辑条件进行顺序动作，并按照逻辑关系进行连锁保护动作的控制，及大量离散量的数据采集。传统上，这些功能是通过气动或电气控制系统来实现的。1968年美国GM（通用汽车）公司提出取代继电气控制装置的要求，第二年，美国数字公司研制出了基于集成电路和电子技术的控制装置，首次，采用程序化的手段应用于电气控制，这就是第一代可编程序控制器，称Programmable  Controller（PC）。个人计算机（简称PC）发展起来后，为了方便，也为了反映可编程控制器的功能特点，可编程序控制器定名为Programmable Logic Controller（PLC），现在，仍常常将PLC简称PC。可编程控制器对用户来说，是一种无触点设备，改变程序即可改变生产工艺。目前，可编程控制器已成为工厂自动化的强有力工具，得到了广泛的普及推广应用。其具有结构简单、性能优越、可靠性高、灵活通用、易于编程、使用方便等优点。近年来，在工业自动控制、机电一体化、改造传统产业等方面得到了广泛的应用。PLC的典型结构如下：图1 PLC的基本构成2. 中国是一个缺水的国家，人均水资源占有量仅为世界的1/4，而且中国的水资源在时空和地域分布也很不均匀，更加重了实际缺水的情况，因此今年来中国城市水资源进一步紧张，许多城市存在严重缺水，与此同时，水资源的污染也日益加重，所以，许多城市都规划和建设了一些自己的污水处理厂，来改变目前水资源缺乏的现状。中国污水处理事业是在80年代发展起来的，经过几十年的发展已初具规模，但是，与国外的污水处理系统相比，始终存在着效率低，自动化程度低，能耗高与费用高等缺点，随着全球能源供应紧张与自动化程度高发展的要求，中国污水处理系统必然朝着无人看守与高自动化的方向发展。目前，PLC以其高稳定性，高自动化程度的不断加强，使得PLC成为污水处理系统的首选。可编程控制器（PLC）是以微处理器为核心，综合了计算机技术、自动控制技术和通信技术而发展起来的一种新型、通用的自动控制装置。具有结构简单、性能优越、可靠性高、灵活通用、易于编程、使用方便等优点。近年来，在工业自动控制、机电一体化、改造传统产业等方面得到了广泛的应用。（1）可靠性高，抗干扰能力强（2）通用性强，使用方便（3）程序设计简单、易学、易懂（4）采用先进的模块化结构，系统组合灵活方便（5）系统设计周期短（6）安装简便，调试方便，维护工作量小（7）对生产工艺改变适应性强，可进行柔性生产综合以上特点可见，PLC的诸多特点正是迎合了广大用户的需求，弥补了其他控制器的不足。因而在冶金、能源、化工、交通、电力等领域得到了越来越广泛的应用。在现代自动化的污水处理厂更是不可缺少。污水处理厂的过程控制都有一个共同的特点，就是开关量多，模拟量少。以逻辑顺序控制为主，闭环回路控制为辅，因此，以次见长的可变成逻辑控制器在污水处理中得到了广泛的应用。第一章技术介绍1.1 PLC的基本构成从结构上分，PLC分为固定式和组合式（模块式）两种。整体式又叫做单元式或箱体式，CPU模块、I/O模块和电源装在一个箱状机壳内，结构非常紧凑。它的体积小、价格低，小型PLC一般采用整体式结构。整体式PLC提供多种不同I/O点数的基本单元和扩展单元供用户选用，基本单元内有CPU模块、I/O模块和电源，扩展单元内只有I/O模块和电源，基本单元和扩展单元之间用扁平电缆连接。各单元的输入点与输出点的比例一般是固定的，有的PLC有全输入型和全输出型的扩展单元。选择不同的基本单元和扩展单元，可以满足用户的不同要求。整体式PLC一般配备有许多专用的特殊功能单元，如模拟量I/O单元、位置控制单元和通信单元等，使PLC的功能得到扩展。模块式PLC：大、中型PLC(如西门子的S7300和S7400系列)般采用模块式结构。模块式PLC用搭积木的方式组成系统，它由机架和模块组成。模块插在模块插座上，后者焊在机架的总线连接板上，有的厂家将机架称为基板。PLC厂家备有不同槽数的机架供用户选用，如果一个机架容纳不下所选用的模块，可以增设一个或数个扩展机架，各机架之间用I/O扩展电缆相连，有的PLC需要通过接口模块来连接备机架。用户可以选用不同档次的CPU模块、品种繁多的I/O模块和特殊功能模块，对硬件配置的选择余地较大，维修时更换模块也很方便。有的模块式PLC(如西门子的S7300系列PLC)没有机架，各模块安装在铝质导轨上，相邻的模块之间用模块下面的U形总线连接器连接。固定式PLC包括CPU板、I/O板、显示面板、内存块、电源等，这些元素组合成一个不可拆卸的整体。模块式PLC包括CPU模块、I/O模块、内存、电源模块、底板或机架，这些模块可以按照一定规则组合配置。图2 PLC的基本组成1.2 PLC的工作原理最初研制生产的PLC主要用于代替传统的由继电器接触器构成的控制装置，但这两者的运行方式是不相同的：（1）继电器控制装置采用硬逻辑并行运行的方式，即如果这个继电器的线圈通电或断电，该继电器所有的触点（包括其常开或常闭触点）在继电器控制线路的哪个位置上都会立即同时动作。（2）PLC的CPU则采用顺序逻辑扫描用户程序的运行方式，即如果一个输出线圈或逻辑线圈被接通或断开，该线圈的所有触点(包括其常开或常闭触点)不会立即动作，必须等扫描到该触点时才会动作。为了消除二者之间由于运行方式不同而造成的差异，考虑到继电器控制装置各类触点的动作时间一般在100毫秒以上，而PLC扫描用户程序的时间一般均小于100毫秒，因此，PLC采用了一种不同于一般微型计算机的运行方式-扫描技术。这样在对于I/O响应要求不高的场合，PLC与继电器控制装置的处理结果上就没有什么区别了。输入输出滞后时间又称系统响应时间，是指PLC的外部输入信号发生变化的时刻至它控制的有关外部输出信号发生变化的时刻之间的时间间隔，它由输入电路滤波时间、输出电路的滞后时间和因扫描工作方式产生的滞后时间这三部分组成。输入模块的RC滤波电路用来滤除由输入端引入的干扰噪声，消除因外接输入触点动作时产生的抖动引起的不良影响，滤波电路的时间常数决定了输入滤波时间的长短，其典型值为10毫秒左右。输出模块的滞后时间与模块的类型有关，继电器型输出电路的滞后时间一般在10毫秒左右：双向晶间管型输出电路在负载通电时的滞后时间约为1毫秒，负载由通电到断电时的最大滞后时间为I0毫秒;晶体管型输出电路的滞后时间一般在1毫秒以下。由扫描工作方式引起的滞后时间最长可达两个多扫描周期。PLC总的响应延迟时间一般只有几十毫秒，对于一般的系统是无关紧要的。要求输入输出信号之间的滞后时间尽量短的系统，可以选用扫描速度快的PLC或采取其他措施。反之将断电。如果读入输入映像寄存器XOX2的均为二进制数0，在程序执行阶段，经过上述逻辑运算过程之后，运算结果仍为Y0=0，所以KM的线圈处于断电状态。按下起动按钮SBl，现变为1状态，经逻辑运算后Y0变为1状态，在输出处理阶段，将Y0对应的输出映像寄存器中的1送到输出模块，PLC内Y0对应的物理继电器的常开触点接通，接触器KM的线圈通电。存器，外部触点接通时存入寄存器的是二进制数1，反之存入0。执行第1条指令时，从XO对应的输入映像寄存器中取出二进制数并保存起来。执行第2条指令时，取出Y0对应的输出映像寄存器中的二进制数，与XO对应的二进制数相“或”(电路的并联对应“或”运算)。执行第3条或第4条指令时，分别取出X1或X2对应的输入映保寄存器中的二进制数，因为是常闭触点，取反后与前面的运算结果相“与”(电路的串联对应“与”运算)，然后存入运算结果寄存器。执行第5条指令时，将运算结果寄存器中的二进制数送入Y0对应的输出映像寄存器。在输出处理阶段，CPU将各输出映像寄存器中的二进制数传送给输出模块并钡存起来，如果Y0对应的输出映像寄存器存放的是二进常开触点的状态读入相应的输入映像（1）扫描工作方式PLC有两种基本的工作模式，即运行(RUN)模式与停止(STOP)模式。在运行模式，PLC通过反复执行反映控制要求的用户程序来实现控制功能。为了使PLC的输出及时地响应随时可能变化的输入信号，用户程序不是只执行一次，而是不断地重复执行，直至PLC停机或切换到STOP工作模式。除了执行用户程序之外，在每次循环过程中，PLC还要完成内部处理、通信处理等工作，一次循环可分为5个阶段(见图25)。PLC的这种周而复始的循环工作方式称为扫描工作方式。由于计算机执行指令的速度极高，从外部输入输出关系来看，处理过程似乎是同时完成的。内部处理通信服务输入处理程序执行输出处理内部处理通信服务RUNSTOP图3 扫描过程在内部处理阶段，PLC检查CPU模块内部的硬件是否正常，将监控定时器复位，以及完成一些其它内部工作。在通信服务阶段，PLC与其它的带微处理器的智能装置通信，响应编程器键入的命令更新编程器的显示内容。当PLC处于停止(STOP)模式时，只执行以上的操作。PLC处于运行(RUN)模式时还要完成另外三个阶段的操作。在PLC的存储器中，设置了一片区域用来存放输入信号和输出信号的状态，它们分别称为输入映像寄存器和输出映像寄存器。H龙梯形图中的其他编程元件也有对应的映保存储区，它们统称为元件映像寄存器。在输入处理阶段，PLC把所有外部输入电路的接砌断开状态读入输入映像寄存器。外部输入电路接通时，对应的输入映像寄存器为1状态，梯形图中对应的输入继电器的常开触点接通，常闭触点断开。外部输入触点电路断开时，对应的输入映像寄存器。状态，梯形图中对应的输入继电器的常开触点断开，常闭触点接通。某一编程元件对应的映像寄存器为1状态时，称该编程元件为ON，映像寄存器为0状态时，称该编程元件为OFF。在程序执行阶段，即使外部输入信号的状态发生了变化，输入映像寄存器的状态也不会随之而变，输入信号变化了的状态只能在下一个扫描周期的输入处理阶段被读入。PLC的用户程序由若干条指令组成，指令在存储器中按步序号顺序排列。在没有跳转指令时，CPU从第一条指令开始，逐条顺序地执行用户程序，直到用户程序结束之处。在执行指令时，从输入映像寄存器或别的元件映像寄存器中持有关编程元件的01状态读出来，并根据指令的要求执行相应的逻辑运算，运算的结果写入到对应的元件映像寄存器中，因此，各编程元件的映像寄存器(输入映像寄存器除外)的内容随着程序的执行而变化。在输出处理阶段，CPU将输出映像寄存器的01状态传送到输出锁存器。梯形图中某一输出继电器的线圈“通电”时，对应的输出映像寄存器为1状态。信号经输出模块隔离和功率放大后，继电器型输出模块中对应的硬件继电器的线圈通电，其常开触点闭合，使外部负载通电工作。若梯形图中输出继电器的线圈“断电”，对应的输出映像寄存器为0状态，在输出处理阶段之后，继电器型输出模块中对应的硬件继电器的线圈断电，其常开触点断开，外部负载断电，停止工作。（2）扫描周期PLC在RUN工作模式时，执行一次扫描操作所需的时间称为扫描周期，其典型值约为l100毫秒。扫描周期与用户程序的长短、指令的种类和CPU执行指令的速度有很大的关系。当用户程序较长时，指令执行时间在扫描周期中占相当大的比例。有的编程软件或编程器可以提供扫描周期的当前值，有的还可以提供扫描周期的最大值和最小值。（3）PLC的工作原理下面用一个简单的例子来进一步说明PLC的扫描工作过程。图26给出了PLC的外部接线图和梯形图，起动按钮SBl、停止按钮SB2和热继电器取的常开触点分别接在编号为X0X2的PLC的输入端，交流接触器栅的线圈接在编号为YO的PLC的输出端。图26b是这4个输入助出变量对应的IO映保寄存器，图26c是PLC的梯形图，图中的XO等是梯形图中的编程元件，X0X2是输入继电器，Y0是输出继电器。梯形图中的编程元件X0与接在输入端子XO的SB1的常开触点和输入映保寄存器XO相对应，编程元件Y0与输出映象寄存器Y0和接在输出端子Y0的PLC内部的输出电路相对应71113。图4 PLC外部接线图与梯形图梯形图以指令的形式储存在PLC的用户程序存储器中，图27中的梯形图与下面的5条指令相对应，“；”之后是该指令的注释。LD XO ；接在左侧母线上的XO的常开触点OR Y0 ；与XO的常开触点并联的Y0的常开触点ANI X1 ；与并联电路串联的Xl的常闭触点ANI X2 ：串联的X2的常闭触点0UT YO ；Y0的线圈图2-9中的梯形图完成的逻辑运算为第二章 基于PLC控制的污水处理系统这次设计的课题是PLC控制的污水处理系统，中国是一个缺水的国家，人均水资源占有量仅为世界的1/4，而且中国的水资源在时空和地域分布也很不均匀，更加重了实际缺水的情况，因此今年来中国城市水资源进一步紧张，许多城市存在严重缺水，与此同时，水资源的污染也日益加重，所以，许多城市都规划和建设了一些自己的污水处理厂，来改变目前水资源缺乏的现状。根据污染对环境污染所造成危害的不同，可把污染物划分为以下几类:体污染物、有机污染物、油类污染物、有毒污染物、生物污染物、酸碱污染物、营养物质污染物、感官污染物、热污染。本文所选用的PLC是SIMATIC S7-200 PLC西门子公司的SIMATIC S7-200系列PLC属于小型可编程序控制器，可用于代替继电器的简单控制场合，也可以用于复杂的自动化控制系统。由于它有极强的通信功能，在大型网络控制系统中也能充分发挥其作用。2.1 PLC控制的污水处理系统主要是通过循环水泵将水置换出来监测水质，然后通过化学和物理的方法来调整水质，然后达到一定水质标准的“净水”回灌进水池，一般检测的项目有浊度、过氧化物、菌群总数、余氯值、ph值等。以ph值为例，当ph值过高时，超过控制值时，则通过精确计量泵来将絮凝剂（需搅拌），其可将水中的悬浮物凝结成块，通过过滤缸“浊水”被过滤成“净水”回到水池，这个过程是物理过程。在水处理过程中除了水质调整之外，在环境温度以及水温较低的是后，还需要对水进行加热，加热是通过PID控制伺服蒸汽调节阀，定量的给汽水管道混合器通以蒸汽，使池水要求保持恒温，整个水处理工艺流程图如图5：图5 污水处理工艺流程图3.1 水循环、过滤部分及其流程设计2.1.1污水处理总流程部分污水处理总流程部分如图6所示。循环水泵的自动过程由两台泵互为备用，8h自动切换和非正常停泵自动启动备用泵（如热继电器动作等）。循环水泵的手动过程，只是配合自动过程的辅助手段，手动状态除操作两台泵的起/停以外，还担当过滤缸反冲洗过程的操作。因手动程序直接简单，这里不再阐述。根据水循环主程序流程图，写出控制梯形图程序（自动程序段），如图7 所示。图6 水处理主程序流程图图7 水循环控制梯形图2.1.2 仪表对水质的检测以及检测后加投药部分水质检测仪器将送来的模拟量检测信息送到扩展模块0或模块1进行处理，处理后根据预先的设定值，分别控制各药剂精确计量加投泵，加投水处理药剂。各模拟量输入的处理及控制都基本相同，这里仅以浊度絮凝剂为例说明模拟量输入及控制的基本方法。浊度-絮凝剂流程图如图3-4 所示。浊度絮凝剂部分主程序及子程序梯形图如图8 所示。图8 浊度-絮凝剂流程图图9 水质检测及加投药控制梯形图图10 (续)图11 浊度控制曲线图12 浊度刻度值换算比例图图11 所示为浊度控制曲线。从图3-6 所示的浊度控制曲线可看出，要求浊度控制值在24NTU，5NTU为浊度报警值，即当大于等于4NTU时开计量泵加投絮凝剂，当小于等于2NTU时关计量泵，大于等于5NTU报警。如果在编程时将控制值转换为程序刻度值，由于浊度仪输出范围是420mA,因此需分两步换算，如图37a、b所示，第一步，将2和4NTU对应的电流值求出来，第二步，由电流值计算出对应的转换值，即：， ， 其中：浊度仪量程010NTU；浊度仪输出420mA；程序刻度值032000（但EM235分辨率为12位）。在配置有人机界面的控制系统中，所有设定值都应由人机界面现场写入。2.1.3 投药后系统加热控制（1）流程图该流程图为自动部分，如图13 所示，其中子程序0、1、2中的有关内容在前面已经有介绍，这里不再赘述，该部分主要介绍池水（冬天）恒温PID调节，温度值向大厅显示屏传送的有关内容。（2）恒温及加热系统主程序、子程序及中断部分梯形图恒温及加热系统主程序、子程序及中断部分梯形图如图14 所示。图13 恒温及加热系统流程图图13（续）图14 恒温及加热系统控制梯形图图14 （续）图14 （续）2.1.4 紫外线杀菌系统性能特点：（）不会造成PH值波动的水体杀菌方式（）波长253.7nm ，有效杀灭细菌、病毒、酵母、霉菌及藻类生物（）洁净、无噪音、成本低、杀菌迅速，标准流速下，杀菌率99.9（）无金属离子污染，流程全密闭，不改变水的物理、化学性质（）无臭氧型高强度紫外线灯管，确保使用人及动植物安全紫外线杀菌器如图15示。杀菌棒图15 紫外线杀菌器 2.2 PLC的抗干扰措施PLC专为在工业环境下应用而设计，其显著特点之一是可靠性，为了提高PLC的可靠性，PLC本身在软，硬件上均采取了一系列抗干扰的措施，在一般工厂内完全可靠的工作，一般平均无故障时间达到几万小时，但这并不代表着对PLC的环境条件及安装可以随意处理。在过于恶劣的条件下，如强电磁干扰，超高温，超低温，过欠压等情况，或者安装不当等，都可能导致PLC内部存储器损坏，为了提高PLC控制系统运行的可靠性，必须选择合理的抗干扰措施，使系统正常可靠的工作。结论污水处理对于人们的生产、生活有着重要的意义。本文详细地阐述了一个较为简单的污水处理系统的PLC控制的设计实现步骤。将整个控制过程分为四个方面：污水处理总流程部分、仪表测水质以及根据水质加投药、投药后系统加热控制、紫外线杀菌器。由这四个方面的协调工作共同组成了整个污水处理的PLC控制系统。经过初步验证，效果良好。参考文献1 廖常初编著.可编程序控制器应用技术M.重庆大学出版社，1998：26-372 廖常初.PLC梯形图的顺序控制设计法与顺序功能图J.电工技术杂志，2001（10）：18-193 廖常初.PLC梯形图的顺序控制设计法J.电工技术杂志，2001（11）2001（12）：24-284.汪晓光.孙晓瑛.可编程序控制器原理及应用（第2版）M.机械工业出版社，2001：16-185 徐世许.可编程序控制器原理、应用、网络M.中国科学技术大学出版社，2000：20-266 夏辛明.可编程序控制器技术及应用M.北京理工大学出版社，1999：22-277 王常力.工业控制计算机的现状与发展M.自动化博览，2001：85-958 罗安.DCS的过去、现在和未来M.自动化博览，1998：140-1469 江秀汉等.计算机控制原理及应用M.西安电子科技大学出版社。1999：50-60