基于plc的城市污水处理自动控制系统设计说明书

基于plc的城市污水处理自动控制系统设计说明书内容摘要：

示意图 城市污水处理自动控制系统的结构比较复杂，设备较多，在氧化沟中其控兰州理工大学毕业设计说明书 8 制过程及原理大致相同，都是通过控制曝气机的转速来调节污水中的含氧量。 (1)进水系统 进水系统主要有进水管道和进水泵房组成，进水管道主要由粗格栅机和清污机组成，进水泵房主要有两台潜水泵组 成。 进水管道的主要功能是将污水中的大块物体排除，其中的粗格栅是根据程序设定的时间进行间歇工作，而清污机的运行和停止是根据粗格栅两侧的液位差来决定的，当液位差超过某个值时，启动清污机；当液位差小于某个值时停止清污机的运行。 进水泵房中的潜水泵运行及停止是通过安装在泵房内的液位传感器来决定的，当液位较低时只启动一台潜水泵，当液位较高时启动两台潜水泵，若液位持续升高时，则输出报警以示意有故障发生。 (2)除砂系统 除砂系统主要由细格栅系统和沉砂池组成，细格栅系统是由细格栅机和转鼓清污机组成，沉砂池的主要设备是分离机。 细格栅系统的主要功能是进一步净化污水中的颗粒物体，将污水中细小的沙粒滤除，其中的细格栅机是根据程序设定时间进行间歇工作，而转鼓清污机的运行和停止则根据细格栅两侧的液位差来决定，当液位差超过某个值时，启动清污机；当液位差小于某个值时停止清污机的运行，这和粗格栅系统的运行方式一致。 沉砂池中分离机的运行和后续处理中的转碟曝气机的运行同步，即启动转碟曝气机的时候同时启动分离机，对沉砂池中的沙粒进行排除。 (3)氧化沟系统 氧化沟系统由氧化沟和污泥回流系统构成，氧化沟是基于 PLC 的城市污水处理自动控制系统中最重要的 环节，因此控制量较多，控制过程叫复杂，包括转碟曝气机和潜水搅拌机，污水回流系统主要有污泥回流泵构成。 氧化沟的功能是对污水进行生化处理，分解污水中的有害物质，使其达到一定的水质标准，其中是转碟曝气机是关键设备，在氧化沟中设置有溶解氧仪对污水中的含氧量进行检测，根据其反馈到 P LC 的值来控制曝气机变频器的运行，改变污水中溶解氧的含量。 潜水搅拌机的作用是推进水流，同时使氧化沟的污水和活性污泥处于剧烈的搅拌状态，使他们充分混合接触。 使活性污泥的生化反应更加充分，这样才能最大程度地分解污水中的有害成分。 污水回流系统的污 泥回流泵将剩余的污泥及使用过的污泥进行处理，该设备的运行与停止主要根据泵房内液位传感器的状态，当液位低于某个值时停止回流泵的运行；当液位持续高于某个高位时，回流泵停止运行同时输出报警信号；液位处于正常状态时，回流泵正常运行。 (4)沉淀系统 沉淀系统主要设备为刮泥机，其功能是对进行氧化沟处理后的污水进行物兰州理工大学毕业设计说明书 9 理沉淀，将污泥和清水分离，刮泥机在整个系统启动后就开始持续运行。 在该系统中用到一定化学药剂主要包括混凝剂、絮凝剂、复合碱等，主要 来调节改善混凝条件及絮凝体结构，利用高分子助凝剂的强烈吸附架桥作用，使细小松 散的絮凝体变的粗大而紧密，容易发生沉降。 (5)污泥脱水环节 污泥脱水系统主要包括离心式脱水机，其主要功能是对氧化池中处理过污水的活性污泥进行脱水处理，由于对污水进行处理后，活性污泥中有新的微生物及其他杂质，因此需要先对活性污泥添加一定量的药物，便于污泥脱水。 离心式脱水机主要有聚合物泵、污泥机和切割机构成，以上设备按照顺序控制的方式启动，依次启动聚合物泵、污泥机和切割机，完成对污泥的脱水处理。 详细的工艺流程图如下： 图 25 污水处理 工 艺流程图 污水由进水系统通过粗格栅和清污机进行初步排除大块杂质物体 ，到达除砂池中。 在除砂池系统中细格栅和转鼓清污机进一步净化污水中的细小颗粒物体，将污水中的细小沙粒滤除后进入氧化沟反应池。 在该氧化沟系统中进行生化处理，分解污水中的有害物质，此环节用到一些化学药剂来加强处理效果，如复合碱、氯气、油絮凝剂等。 对污水进行除油、消毒、调整 PH 值。 同时在该系统中设置有溶解氧仪超声波检测器，通过它对污水中的含氧量进行检测，根据其反馈到 PLC 的值来控制曝气机变频器的运行，改变污水中溶解氧的含量。 潜水搅拌机的作用是推进水流，使氧化沟的污水和活性污泥处于剧烈搅拌充分混合接触，使生化反应更加 充分，以最大程度地分解污水中的有害成分。 兰州理工大学毕业设计说明书 10 经处理的污水进入沉淀池中，在刮泥机的作用下进行物理沉淀，为了加强沉淀效果，同时加入混凝剂和絮凝剂利用高分子助凝剂的强烈吸附架桥作用更加容易沉降。 污水经沉淀池处理最后到达脱水环节，离心式脱水机作用下进行脱水处理后排出清水。 城市污水处理自动控制系统控制形式 早期的控制系统多采用继电器 —— 接触器控制系统，但随着电子技术的飞速发展，控制要求的不断提高，该类控制方法已不能满足现代基于 PLC 的城市污水处理自动控制系统的控制要求，因此已逐渐被淘汰，取而代之的是 DCS、现场总 线控制、 PLC 等控制方 法。 (1)DCS 系统 DCS 是集散控制系统的简称，又称为分布式计算机控制系统，是由计算机技术、信号处理技术、测量控制技术、通信网络技术等相互渗透形成的。 由计算机和现场终端组成，通过网络将现场控制站、检测站和操作站、控制站等连接起来，完成分散控制和集中操作、管理的功能，主要是用于各类生产过程，可提高生产自动化水平和管理水平，其主要特点如下：采用分级分布式控制，减少了系统的信息传输量，使系统应用程序比较简单。 实现了真正的分散控制，使系统的危险性分散，可靠性提高。 扩展能力较强。 软硬件资源丰 富，可适应各种要求。 实时性好，响应快。 (2)现场总线控制系统 现场总线控制系统是由 DCS 和 PLC 发展而来的，是基于现场总线的自动控制系统。 该系统按照公开、规范的通信协议在智能设备之间，以及智能设备与计算机之间进行数据传输和交换，从而实现控制与管理一体化的自动控制系统，其优点：可以用计算机丰富的软件、硬件资源。 响应快，实时性好。 通信协议公开，不同产品可互连。 (3)PLC 系统 PLC 是可编程逻辑控制器的简称，用它作为处理系统的控制器，实现控制系统的功能要求，也可利用计算机作为其上位机，通过网络连接 PLC，对 生产过程进行实时监控，其特点如下：编程方便，开发周期短，维护容易。 通用性强，使用方便。 控制功能强。 模块化结构，扩展能力强。 PLC 基本结构和工作原理 PLC 就是 可编程逻辑控制器 （ Programmable Logic Controller）的缩写 ， 它是 一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。 它采用一类兰州理工大学毕业设计说明书 11 可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算，顺序控制，定时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入 /输出控制各种类型的机械或生产过程。 是工业控制的核心部分。 PLC 的硬件结构 可编程控制器主要由中央处理单元 (CPU)、存储器 (RAM、 ROM)、输入输出单元 (I/O)、电源和编程器等几组成。 PLC 硬件结构如图 26 所示： 中央控制处理单元 (CPU) 可编程控制器中常用的 CPU 主要采用通用微处理器、单片机和双极型位片式微处理器三种类型。 通用微处理器有 8080、 808 8028 80386 等；单片机有 803 8096 等；位片式微处理器的 AM2900、 AM2903 等。 FX2 可编程控制器使用的微处理器是 16 位的 8096 单片机。 存储器 可编程控制器配 有两种存储器：系统存储器和用户存储器。 系统存储器：存放系统管理程序。 用户存储器：存放用户编制的控制程序。 输入接口电路 PLC 通过输入单元可实现将不同输入电路的电平进行转换，转换成 PLC 所需的标准电平供 PLC 进行处理。 接到 P LC 输入接口的输入器件是：各种开关、按钮、传感器等。 各种 PLC图 26 PLC 硬件结构 兰州理工大学毕业设计说明书 12 的输入电路大都相同， PLC 输入电路中有光耦合器隔离，并设有 RC 滤波器，用以消除输入触点的抖动和外部噪声干扰。 PLC 输入电路通常有三种类型：直流 (12∽ 24)V 输入、交流 (100∽ 120)V 输入与交流 (200∽ 240)V 输 入和交直流 (12∽ 24)V 输入。 输出端子有两种接法： 一种是输出各自独立，无公共点：各输出端子各自形成独立回路。 一种为每 4∽ 8 个输出点构成一组，共有一个公共点：在输出共用一个公共端子时，必须用同一电压类型和同一电压等级，但不同的公共点组可使用不同电压类型和等级的负载，且各输出公共点之间是相互隔离的。 输入输出端子处理的过程如下： 电源 PLC 的供电电源一般是市电，也有用直流 24V 电源供电的。 编程器 利用编程器可将用户程序输入 PLC 的存储器，还可以用编程器检查程序、修改程序；利用编程器还可以监视 PLC 的 工作状态。 编程器一般分简易型 和智能型。 PLC 的软件结构 在可编程控制器中， PLC 的软件分为两大部分： 系统监控程序：用于控制可编程控制器本身的运行。 主要由管理程序、用户指令解释程序和标准程序模块，系统调用。 用户程序：它是由可编程控制器的使用者编制的，用于控制被控装置的运行。 的工作原理 PLC 的工作方式：采用循环扫描方式。 在 P LC 处于运行状态时，从内部处理、通信操作、程序输入、程序执行、 程序输出，一直循环扫描工作。 由于 PLC是扫描工作过程，在程序执行阶段即使输入发生了变化，输入状 态映象寄存器的内容也不会变化，要等到下一周期的输入处理阶段才能改变。 循环扫描过程如下： 工作过程：主要分为内部处理、通信操作、输入处理、程序执行、输出处理几个阶段。 内部处理阶段： 在此阶段， PLC 检查 CPU 模块的硬件是否正常，复位监视定时器，以及完成一些其它内部工作。 通信服务阶段 兰州理工大学毕业设计说明书 13 在此阶段， PLC 与一些智能模块通信、响应编程器键入的命令，更新编程器的显示内容等，当 PLC 处于停状态时，只进行内容处理和通信操作等内容。 输入处理 输入处理也叫输入采样。 在此阶段顺序读入所有输入端子的通断状态，并将读入的信息存 入内存中所对应的映象寄存器。 输入映象寄存器被刷新后，接着进入程序的执行阶段。 程序执行 根据 P LC 梯形图程序扫描原则，按先左后右，先上后下的步序，逐句扫描，执行程序。 但遇到程序跳转指令，则根据跳转条件是否满足来决定程序的跳转地址。 若用户程序涉及到输入输出状态时， PLC 从输入映象寄存器中读出上一阶段采入的对应输入端子状态，从输出映象寄存器读出对应映象寄存器的当前状态。 根据用户程序进行逻辑运算，运算结果再存入有关器件寄存器中。 输出处理 程序执行完毕后，将输出映象寄存器，即元件映象寄存器中的寄存器的状态，在输出 处理阶段转存到输出锁存器，通过隔离电路，驱动功率放大电路，使输出端子向外界输出控制信号，驱动外部负载。 的运行方式： 运行工作模式 当处于运行工作模式时， PLC 要进行从内部处理、通信服务、输入处理、程序处理、输出处理，然后按上述过程循环扫描工作。 在运行模式下， 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。 停止模式 当处于停止工作模式时， PLC 只进行内 部处理和通信服务等内容。 的编程语言 梯形图 梯形图编程语言习惯上叫梯形图。 梯形图沿袭了继电器控制电路的形式，也可以说，梯形图编程语言是在电气控制系统中常用的继电器、接触器逻辑控制基础上简化了符号演变而来的，具有形象、直观、实用，电气技术人员容易接受，是目前用得最多的一种 PLC 编程语言。 指令表 这种编程语言是一种与计算机汇编语言相类似的助记符编程方式，用一系列操作指令组成的语句表将控制流程热核出来，并通过编程器送到 PLC 中去。 顺序功能图 兰州理工大学毕业设计说明书 14 采用 IEC 标准的 SFC(Sequential Function Chart)语言，用于编制复杂的顺控程序。 利用这种先进的编程方法，初学者也很容易编出复杂的顺控程序，大大提高了工作效率，也为调试、试运行带来许多言传的方便。 状态转移图 类似于顺序功能图，可使复杂的顺控系统编程得到进一步简化。 逻辑功能图 它基本上沿用了数字电路中的逻辑门和逻辑框图来表达。 一般用一个运算框图表示一种功能。 控制逻辑常用“与”、“或”、“非”三种功能来完成。 目前国际电工协会 (IEC)正在实施发展这种编程标准。 高级语言 近几年推出的 P LC，尤其是大型 PLC，已开始使用高级语言进行编程采用高级语言编程后，用户可以象使用 PC 机一样操作 PLC。 在功能上除可完成逻 辑运算功能外，还可以进行 PID 调节、数据采集和处理、上位机通信等。 兰州理工大学毕业设计说明书 15 三、 硬件 设计 电气控制系统 电气控制系统主要包括操作面板、显示面板、电气控制柜等单元。