1、引言水與人的生活息息相關，特別在現代社會生活及生產中人們對水的需求量與日俱增。然而，水資源是有限的。據報道我國人均擁有淡水量為2400噸，為世界平均值的1/4，在全球149個國家（參與統計國家中），我國人均淡水資源位居110位，屬于淡水資源貧乏的國家。而且我國水資源時空分布極不均衡，全國500多個城市缺水，其中多個嚴重缺水，北方地區缺水現象尤其嚴重，人均擁有淡水量僅有240噸。令人擔憂的是淡水總量日益減少，用水成本不斷升高，淡水的浪費非常嚴重。我國北方地區水資源的超采，己形成漏斗地勢、水位下降、湖泊干涸、河水斷流、生態惡化。淡水資源的短缺己經成為我國急需解決的問題1。中國水資源人均占有量少，空

2、間分布不平衡。隨著中國城市化、工業化的加速，水資源的需求缺口也日益增大。在這樣的背景下，廢水處理行業成為新興產業，目前與來自水生產、供水、排水、中水回用行業處于同等重要的地位。本畢業設計課題為某電鍍廠廢水處理電氣控制系統設計，我選用的是SBR廢水處理系統和PLC相結合的方法2。由于SBR廢水處理系統的核心是SBR反應池，該池集均化、初沉、乘務降解、二沉等功能于一池，無污泥回流系統。正是SBR工藝這些特殊性使其具有一下優點：（1）理想的推流過程使生化反應推動力增大，效率提高，池內厭氧、好氧處于交替狀態，凈化效果好。（2）運行效果穩定，污水在理想的靜止狀態下沉淀，需要時間短、效率高，出水水質好。（

3、3）耐沖擊負荷，池內有滯留的處理水，對污水有稀釋、緩沖作用，有效抵抗水量和有機污物的沖擊。（4）工藝過程中的各工序可根據水質、水量進行調整，運行靈活。（5）處理設備少，構造簡單，便于操作和維護管理。（6）反應池內存在DO、B0D5濃度梯度，有效控制活性污泥膨脹。（7）SBR法系統本身也適合于組合式構造方法，利于廢水處理廠的擴建和改造。（8）工藝流程簡單、造價低。主體設備只有一個序批式間歇反應池，無二沉池、污泥回流系統、調節池、初沉池也可省略、布置緊湊、占地面積省。由于上述技術特點，SBR廢水處理系統進一步拓寬了活性污泥法的適用范圍。根據其技術條件和特點，SBR 廢水處理系統更適合以下情況： （

4、1）中小城鎮生活污水和廠礦企業的工業廢水，尤其是間歇排放和流量變化較大的地方。（2）需要較高出水水質的地方，如風景游覽區、湖泊和港灣等，不但要去除有機物，還要求出水中除磷脫氮，防止河湖富營養化。（3）水資源緊缺的地方。SBR 系統可在生物處理后進行物化處理，不需要增加設施，便于水的回收利用。（4）用地緊張的地方。SBR 污水處理系統占地面積小，有效地節省土地從而為用地緊張的地方的污水處理提供了有效地解決辦法。（5）非常適合處理小水量，間歇排放的工業廢水與分散點源污染的治理3。2.1 設計任務及要求2.1.1 設計要求 （1) 控制裝置選用PLC作為系統的控制核心，根據工藝要求合理選配PLC機型

5、和I/O接口。（2) 可執行手動/自動兩種方式，應能按照工藝要求編輯程序并可實時整定參數。（3) 電動閥上驅動電動機為正、反轉雙向運行，因此要在PLC控制回路加互鎖功能。（4) PLC的接地應按手冊中的要求設計，并在圖中表示或說明。（5) 為了設備安全運行，考慮必要的保護措施，如電動機過熱保護、控制系統短路保護等。（6) 繪制電氣原理圖：包括主電路、控制電路、PLC硬件電路，編制PLC的I/O接口功能表。（7) 選擇電器元件、編制元器件目錄表。（8) 繪制接線圖、電控柜布置圖和配線圖、控制面板布置圖和配線圖等。（9) 采用梯形圖或指令表編制PLC控制程序4。2.1.2 設計任務（1）分析SBR

6、廢水處理工作原理與過程，制定控制方案（2）繪制工作流程圖或順序功能圖（3）繪制PLC的硬件接線圖及電氣原理圖（4）相關元器件的計算與選型，制定原件明細表與I/O分配表（5） 控制系統硬件設計（6）控制系統下位機軟件設計（7）控制系統上位機軟件設計（8）控制系統聯機統調2.2 設計方案SBR廢水處理系統由污水處理池、清水池、中水水箱、電控箱以及水泵、羅茨風機、電動閥門和電磁閥等部分組成，在污水處理池、清水池、中水水箱中分別設置液位開關組成。SBR污水處理系統工藝流程圖如圖2-1所示5。圖2-1所示SBR污水處理系統工藝流程圖當污水處理池處于低水位時，電動閥打開，納入污水直到污水處理池處于高水位。

7、電動閥關閉，排空電磁閥開啟，羅茨風機延時空載啟動，排空電磁閥關閉，污水處理池開始曝氣。經過6個小時的曝氣后，排空電磁閥開啟，羅茨風機空載關閉，排空電磁閥延時關閉。沉淀后，1#清水泵啟動，向清水池注水，直到清水池到達高水位。1#清水泵關閉，當中水箱處于低水位時，2#清水泵開啟，上水電磁閥開啟，向中水箱中注水，直到中水箱處于高水位，2#清水泵關閉，上水電磁閥關閉。當中水箱處于高水位時，下水電磁閥開啟，排除清水6。3. SBR廢水處理控制系統的硬件部分控制系統硬件部分主要指PLC控制部分所用到的元器件及其接線，它在整個系統中起到了連接測試系統和控制系統的作用，是電磁閥耐久性檢測臺的重要組成部分和控制

8、部分發揮作用的基礎。本章通過對系統I/O點的分析，選擇出了符合設計要求的元器件，并在此基礎上設計出了其接線圖，完成了整個系統的硬件設計7。3.1 元器件的選擇根據設計方案選擇的電器元件，編制原理圖的元器件目錄表，如表3-1所示。序列號名稱文字符號1立式離心泵M12立式離心泵M23羅茨風機M34電動閥M45熱繼電器FR1FR46熔斷器FU1FU67斷路器FQ8隔離變壓器TC9啟動按鈕SB110停止按鈕SB211自動按鈕SB312手動按鈕SB413可編程控制器PLC14指示燈LD1LD1215中間繼電器KA16交流接觸器KM1KM7表3-1 SBR廢水處理系統元器件目錄主要元器件的選擇： PLC的

9、選型實時性。由于控制器產品設計和開發是基于控制為前提，信號處理時間短，速度快。基于信號處理和程序運行的速度，PLC 經常用于處理工業控制裝置的安全聯鎖保護。更能滿足各個領域大、中、小型工業控制項目8。高可靠性。所有的I/O 輸入輸出信號均采用光電隔離，使工業現場的外電路與控制器內部電路之間電氣上隔離。各輸入端均采用R-C 濾波器。各模塊均采用屏蔽措施，以防止噪聲干擾。采用性能優良的開關電源。良好的自診斷功能，一旦電源或其他軟，硬件發生異常情況，CPU 立即采取有效措施，以防止故障擴大9。安裝簡單，維修方便。可以在各種工業環境下直接運行。使用時只需將現場的各種設備與PLC 相應的I/O 端相連接

10、，即可投入運行。各種模塊上均有運行和故障指示裝置，便于用戶了解運行情況和查找故障。由于采用模塊化結構，因此一旦某模塊發生故障，用戶可以通過更換模塊的方法，使系統迅速恢復運行10。質優價廉，性價比高.基于PLC 控制系統的以上優勢以及廢水處理系統所處的復雜環境，所以本系統采用PLC 進行控制。 斷路器QF脫口電流斷路器為供電系統電源開關，其主回路控制對象為電感性負載交流電動機，斷路器過電流脫扣值按電動機起動電流的1.7倍整定。SBR廢水處理系統有3kWkW以下，起動電流較小，而且工藝要求4臺電動機單獨起動運行，因此可根據3kW電動機選擇自動開關QF脫扣電流IQF：IQFIN6AA10A，選用IQ

11、F10A的斷路器11。 熔斷器FU熔體額定電流IFU以曝氣風機為例，IFU2IN2A5A，選用5A的熔體。其余熔體額定電流的選擇，按上述方法選配。控制回路熔體額定電流選用2A。 熱繼電器的選擇請參考有關技術手冊，自行計算參數12。3.2 SBR廢水處理控制系統的I/O分配如下表3-2、3-3為SBR廢水處理控制系統PLC輸入輸出分配表。序列號名稱輸入口文字符號1自動開始按鈕SB12手動開始按鈕SB23開始按鈕SB34停止按鈕SB45污水池低水位L16污水池高水位H17排空電磁閥開啟SB58排空電磁閥關閉SB69清水池低水位L210清水池高水位H211中水箱低水位L312中水箱高水位H313電動

12、閥控制按鈕SB614羅茨風機控制按鈕SB7151#清水泵控制按鈕SB8162#清水泵控制按鈕SB917上水閥控制按鈕SB1018下水閥控制按鈕SB11表3-2 廢水處理控制系統PLC輸入分配表序列號名稱輸出口文字符號1自動控制信號LD122電動閥門接觸器開啟KM53電動閥門接觸器關閉KM64羅茨風機接觸器開啟KM3-15羅茨風機接觸器關閉KM3-261#清水泵接觸器開啟KM1-171#清水泵接觸器關閉KM1-282#清水泵接觸器開啟KM2-192#清水泵接觸器關閉KM2-210上水電磁閥接觸器開啟KM4-111上水電磁閥接觸器關閉KM4-212下水電磁閥接觸器開啟KM7-113下水電磁閥接觸器

13、關閉KM7-214污水池高水位信號LD915清水池高水位信號LD1016中水箱高水位信號LD11表3-3 SBR廢水處理控制系統PLC輸出接口功能表3.3 SBR廢水處理控制系統的電氣控制設計3.3.1 主電路設計SBR廢水處理控制系統主電路圖如圖3-1所示圖3-1 SBR廢水處理控制系統主電路圖主電路說明： （1）主回路中交流接觸器KM1、KM2、KM3分別控制1#清水泵M1、2#清水泵M2、曝氣風機M3；交流接觸器KM4、KM5控制電動閥電動機M4，通過正、反轉完成開起閥門和關閉閥門的功能。 （2）電動機M1、M2、M3、M4由熱繼電器FR1、FR2、FR3、FR4實現過載保護。電動閥電動

14、機M4控制器內還裝有常閉熱保護開關，對閥門電動機M4實現雙重保證。（3） QF為電源總開關，既可完成主電路的短路保護，又起到分斷三相交流電源的作用，使用和維修方便。 （4） 熔斷器FU1、FU2、FU3、FU4分別實現各負載回路的短路保護。FU5、FU6分別完成交流控制回路和PLC控制回路的短路保護13。3.3.2 控制電路設計SBR廢水處理系統控制電路圖如圖3-2所示圖3-2 SBR廢水處理控制系統控制電路控制電路說明：（1）控制電路中由電源提示燈LD1對電源情況進行提示，PLC控制電路的供電回路采用隔離變壓器進行調整，以防止電源的干擾保證控制系統安全穩定的工作14。（2）1#清水泵、2#清

15、水泵、羅茨風機、電動閥開啟、電動閥關閉、上水電磁閥、下水電磁閥分別由運行提示燈LD2LD8進行提示，并由KM1KM7接觸器的敞開輔助觸點進行控制15。（3）4個電動機的過載保護分別由熱繼電器FR1、FR2、FR3、FR4來實現。將他們的常開觸點并聯與中間繼電器KA連接構成過載保護信號，同時中間繼電器還起到了電壓轉換的作用，將220V交流電壓轉換成直流24V電壓信號傳送入PLC中實現過載保護控制功能16。（4）1#清水泵、2#清水泵、羅茨風機、上水電磁閥、電動閥開啟、電動閥關閉、下水電磁閥的開關機電器KM1、KM2、KM3、KM4、KM5、KM6、KM7分別由繼電器開關M1、M2、M3、M4、M

16、5、M6、M7進行控制。并且將KM5、KM6進行互鎖保證電動閥開啟或關閉間的相互隔離。而KM3的常閉觸點串聯在KM1繼電器中是為了保證1#清水泵在羅茨風機停止工作時工作，從而使得1#清水泵泵入的水源的使用安全17。3.3.3 PLC外部接線圖設計由以上所選元器件，結合本設計的原理，可作出PLC的外圍電路接線圖。如圖3-3所示。圖3-3 PLC外部接線圖4 SBR廢水處理控制系統的下位機程序設計本節將對PLC編程軟件及順序功能圖編程語言進行簡單介紹，并重點對控制程序中的典型環節進行重點介紹。針對西門子 S7-200 PLC,我們選擇STEP7-Micro/WIN32編程軟件作為開發工具。STEP

17、7-Micro/WIN32編程軟件是基于Windows的應用軟件，功能強大，主要用于開發程序，也可用于適時監控用戶程序的執行狀態。加上漢化后的程序，可在全漢化的界面下進行操作。按照設計要求編寫程序，能使PLC 完成對現場設備的良好控制18。4.1 SBR廢水處理控制系統的順序功能圖根據控制要求，建立SBR廢水處理控制流程圖如圖4-1所示，表示出各控制對象的動作關系順序，相互間的控制關系。圖4-1 SBR廢水處理順序流程圖4.2 PLC的順序功能圖數字量控制系統梯形圖程序設計方法有很多種：梯形圖經驗設計法、根據繼電器電路圖設計梯形圖方法和順序控制設計法。根據對本系統的控制系統分析決定選用順序控制

18、設計法為本次設計方法。如圖4-2為PLC的順序功能圖。 圖4-2 SBR廢水處理控制系統PLC順序功能圖4.3 下位機程序設計硬件設計確定之后，系統的控制功能主要通過軟件實現。關鍵環節設計如下：圖4-3 自動控制開啟如圖4-3所示：按下自動控制按鈕I1.2，按下啟動按鈕I0.0，Q控制起動信號，并自鎖，I0.1為停止按鈕。圖4-4 向污水池注水過程如圖4-4所示：當污水池中的水位是低水位狀態時I0.2，電動閥門開啟Q0.1,向污水池注水，直至污水池中的水位是高水位狀態時I0.3，電動閥門關閉Q0.2。圖4-5 曝氣過程如圖4-5所示：開啟排空電磁閥I0.4，Q0.3羅茨風機轉動，羅茨風機轉動后

19、，排空電磁閥關閉I0.5，曝氣一段時間，當曝氣結束后，排空電磁閥再次開啟I0.4,羅茨風機停止轉動Q0.4。圖4-6 清水池注水過程如圖4-6所示：當羅茨風機停轉后，排空電磁閥關閉I0.5,然后開始沉淀，T38開始作用，沉淀結束后，當清水池中的水位處于低水位的狀態時I0.6,1#清水泵開始轉動，直至清水池中的水位處于高水位的狀態時I0.7,1#清水泵停止轉動Q0.6。圖4-7 中水箱注水過程并排出清水如圖4-7所示：當中水箱中的水位處于低水位的狀態時I1.0,2#清水泵、上水電磁閥開始轉動，直至中水箱的水位處于高水位的狀態時I1.1，2#清水泵、上水電磁閥停止轉動。然后下水電磁閥開啟，向外部排

20、出清水，直至中水箱中的水位處于低水位的狀態，下水電磁閥關閉。 以上就是SBR廢水處理自動控制程序的全部過程。當污水處理池中的水位處于低水位的狀態時，電動閥門會自動打開繼續向污水處理池納入污水。如此循環往復。手動控制則是先按下手動按鈕啟動按鈕開啟電動閥控制按鈕關閉電動閥控制按鈕開啟排空電磁閥開啟羅茨風機控制按鈕關閉排空電磁閥控制按鈕此時曝氣開始，過一段時間，曝氣結束，排空排空電磁閥開啟關閉羅茨風機關閉排空電磁閥沉淀一段時間后開啟1#清水泵控制按鈕關閉1#清水泵控制按鈕開啟2#清水泵控制按鈕，上水電磁閥控制按鈕關閉2#清水泵控制按鈕，上水電磁閥控制按鈕，開啟下水電磁閥控制按鈕關閉下水電磁閥控制按鈕

21、。此時SBR廢水處理手動程序完成。4.4 調試程序為了保證系統能夠順利運行，我用仿真軟件對PLC程序進行了調試。強制給PLC輸入量，得到了預想的輸出。見圖4-8經調試后，證明PLC程序無錯誤，都達到了預期效果，符合工藝要求。如圖4-8為仿真調試的效果圖。圖4-8 仿真調試的效果圖5 SBR廢水處理控制系統的上位機程序設計可編程邏輯控制器在現場進行數據采集、處理和控制，要和上位機進行通訊，以交換系統運行產生的數據。在上位機中，監控軟件的首要任務是實現與主控人員之間良好的人機接口，以文字和圖形實時地反映了整個系統的運行現狀。此外要及時地向下級PLC傳遞系統的設定和操作命令。本系統上位機采用MCGS

22、組態軟件來實現相應功能19。5.1 MCGS組態軟件MCGS(Monitor and Control Generated System)是一套基于Windows平臺的,用于快速構造和生成上位機監控系統的組態軟件系統,可運行于Microsoft Windows 95/98/Me/NT/2000等操作系統。 MCGS為用戶提供了解決實際工程問題的完整方案和開發平臺,能夠完成現場數據采集、實時和歷史數據處理、報警和安全機制、流程控制、動畫顯示、趨勢曲線和報表輸出以及企業監控網絡等功能。 MCGS軟件系統包括組態環境和運行環境兩個部分。組態環境相當于一套完整的工具軟件,幫助用戶設計和構造自己的應用系統

23、。運行環境則按照組態環境中構造的組態工程,以用戶指定的方式運行,并進行各種處理,完成用戶組態設計的目標和功能20。 MCGS組態軟件（以下簡稱MCGS）,由“MCGS組態環境”和“MCGS運行環境”兩個系統組成。兩部分互相獨立,又緊密相關。 MCGS組態環境是生成用戶應用系統的工作環境,由可執行程序,其存放于MCGS目錄的Program子目錄中。用戶在MCGS組態環境中完成動畫設計、設備連接、編寫控制流程、編制工程打印報表等全部組態工作后,生成擴展名為.mcg的工程文件,又稱為組態結果數據庫,其與MCGS 運行環境一起,構成了用戶應用系統,統稱為“工程” 。 MCGS運行環境是用戶應用系統的運

24、行環境,由可執行程序,其存放于MCGS目錄的Program子目錄中。在運行環境中完成對工程的控制工作。 MCGS組態軟件所建立的工程由主控窗口、設備窗口、用戶窗口、實時數據庫和運行策略五部分構成,每一部分分別進行組態操作,完成不同的工作,具有不同的特性。主控窗口:是工程的主窗口或主框架。在主控窗口中可以放置一個設備窗口和多個用戶窗口,負責調度和管理這些窗口的打開或關閉。主要的組態操作包括:定義工程的名稱,編制工程菜單,設計封面圖形,確定自動啟動的窗口,設定動畫刷新周期,指定數據庫存盤文件名稱及存盤時間等。 設備窗口:是連接和驅動外部設備的工作環境。在本窗口內配置數據采集與控制輸出設備,注冊設備

25、驅動程序定義連接與驅動設備用的數據變量。用戶窗口:本窗口主要用于設置工程中的人機交互界面實時數據庫：是工程各個部分的數據交換與處理中心，它將MCGS工程的各個部分連接成有機的整體。在本窗口內定義不同類型和名稱的變量，作為數據采集、處理、輸出控制、動畫連接及設備驅動的對象。 運行策略：本窗口主要完成工程運行流程的控制。包括編寫控制程序，選用各種功能構件，如數據提取、定時器、配方操作、多媒體輸出等21。5.2 MCGS組態畫面設計當在用戶窗口區創建完新窗口并命名為“廢水處理主程序”，雙擊進入并開始設計上位機圖形畫面。如圖5-1為工具箱。圖5-1 工具箱雙擊圖庫內的元器件，則此元器件出現在組態界面的

26、左上角。單擊邊線修改其大小并單擊拖動到需要設計的相應位置，據此可作出本設計的組態畫面設計見圖5-2。圖5-2 組態畫面5.3 建立實時數據庫和動畫連接實時數據庫是整個系統的核心，構件分布式應用系統的基礎。選擇實時數據庫選項卡，點擊新增對象。數據對象分為：開關型數據對象、數值型數據對象、字符型數據對象、事件型數據對象、組對象和內部數據對象。按設計需要對數據對象的屬性進行設置。如圖5-3為實時數據界面。圖5-3 實時數據界面建立完實時數據庫，回到組態畫面設計界面，雙擊元器件進行元器件和實時數據庫的鏈接，在動畫連接選項卡中進行動畫連接設置，讓畫面“動起來”，使圖形在畫面上隨PLC數據的變化而活動起來

27、。5.4 組態設備窗口設計5.4.1 MCGS與PLC設備的連接在MCGS系統中，由設備窗口負責建立系統與外部硬件設備的連接，使得MCGS能從外部設備讀取數據并控制外部設備的工作狀態，實現對應工業過程的實時監控。因此，MCGS與PLC設備的連接是通過設備窗口完成的，具體操作如下： 當我們打開MCGS組態環境，新建了一個MCGS工程后，在用戶編輯窗口中將會出現一個工作臺窗口。 雙擊工作臺窗口中的設備窗口，然后再單擊工具欄上的工具箱按鈕，將彈出如圖4-3所示的設備工具箱窗口，需要說明的是，在MCGS中PLC設備是作為子設備掛在串口父設備下的，因此在向設備組態窗口中添加PLC設備前，必須先添加一個串

28、口父設備，當直接用串口進行本地通訊時，我們添加“串口通訊父設備”，因此雙擊其中的串口通訊父設備，在設備組態窗口中添加一個串口通訊設備。圖5-4 設備工具箱窗口現在就可以向設備組態窗口中添加所需的PLC設備了，如果所需設備沒有出現在設備工具箱中，按下“設備管理”按鈕，在彈出的設備管理對話框中選定所需的設備，然后雙擊就可以將它添加到設備工具箱中，如下圖4-4所示。圖5-5 設備管理對話框5.4.2 對PLC的數據進行讀寫在組態工作臺界面中，進入設備組態窗口，在此窗口中通過設備工具箱添加通用串口父設備和西門子S7_200PPI兩個設備，然后把定義的變量與PLC具體的I/O分配連接，完成設備連接，見圖

29、5-4。根據設備通訊要求和連接情況，完成對話框中相關的參數設置。同時完成通道連接和設備調試設置。S7_200PLC在梯形圖中的輸入用I符號表示，但是因為MCGS中I寄存器只能設置為只讀，所以要把梯形圖中的輸入I全部換成M的形式。防止上下位機不能實現通信22。 圖5-6 設備窗口設置 6 SBR廢水廢水處理控制系統的聯機調試首先打開西門子PLC編程軟件，再確認程序無誤后，下載到PLC，并使PLC進入RUN狀態。然后打開MCGS組態軟件，確認設備地址與PLC的下位機地址一致后，進入運行環境，經調試運行正常，能監控SBR廢水處理的運行情況，達到控制要求。運行環境見圖6-1。圖6-1 SBR廢水處理運

30、行狀況附錄SBR廢水處理控制系統主電路圖SBR廢水處理控制系統控制電路圖PLC的外部接線圖SBR廢水處理順序流程圖SBR廢水處理控制系統PLC順序功能圖參考文獻2 李金城.PLC在城市污水處理中的應用J 自動化與控制 2005（1）:1543 劉昌明,曹英杰.我國水污染狀況及其對人類健康的影響與主要對策 .科學對社會的影響2009(2):254 西門子S7-200PLC工程應用設計，北京：機械工業出版社 20115 AUTOCAD2010電氣設計基礎教程，清華大學出版社 20106 廖常初，PLC編程及應用M，北京：機械工業出版社，2005（6）7 廖常初，可編程控制器的編程方法與工程應用M，

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