1、哈爾濱工業大學工學碩士學位論文哈爾濱工業大學（威海）本科畢業設計（論文）- PAGE II - PAGE III -摘 要本論文主要研究污水處理系統的PLC控制系統，隨著城市的快速發展，環境問題顯得日益重要。污水是破壞環境的一個重要因素，目前中國污水處理自控系統相對落后，污水處理成本居高不下，污水站排放的處理過的污水的水質不穩定，所以如何建立有效的自控系統，優化運行效果，具有重要的意義。文章首先介紹了PLC控制系統的硬件結構、工作原理以及設計PLC控制系統的基本原則和步驟。然后以SBR污水處理工藝為例，來說明PLC在污水處理過程中的應用。先根據污水處理要求設計了設備的電氣控制與自動控制線路，主

2、要包括設備的啟停、狀態信號等。最后按照工藝要求設計PLC控制系統，包括PLC的選型、系統資源配置以及按照污水處工藝編制PLC程序等。 建立高度自動化污水處理站，不僅可以加強整個系統的可靠性、準確性，還可以減少勞動強度，降低處理成本和節約能源。污水處理站自動控制系統的建設將降低生產和維護成本，減輕生產及維護工人的勞動強度，并為生產工藝進一步改進提供方便，具有很好的經濟效益和社會效益。關鍵詞：污水處理； PLC；硬件配置；軟件設計AbstractMy main research is the PLC control system of sewage treatment. With the rapi

3、d development of cities, the environment becomes more and more important. Wastewater is one of the major factor of pollute the environment. The automatic controlling system of wastewater treatment is not very advanced in China. The water qualities of the treated wastewater are unstable. So how to so

4、lve the problems is very meaningful to our country.This paper introduced the hardware structure, work principle of PLC control the system and design PLC control systems basic principle and step, then with the SBR wastewater treatment craft for example to illustrate the PLC in the application in the

5、wastewater treatment process. Designed the electricity control of equipments and automatically control circuit according to the sewage treatment requirements, mainly include the start and stop of equipments, the state of the signal and so on. Finally design PLC control system according to the techno

6、logical requirements, include the PLC type selection, the allocation of system resources and draw up PLC procedure according to the wastewater treatment craft.Establish a highly automated of sewage treatment plant, not only may strengthen the systems reliability but also may reduce the labor intensi

7、ty and reduce processing costs and save energy. The establishment of sewage treatment plants automatic control system will reduce the production and maintenance costs, also can reduce production and maintenance workers in the labor intensity.Key words: sewage treatment; PLC; Hardware disposition; So

8、ftware design目錄哈爾濱工業大學（威海）本科畢業設計（論文）PAGE II- - PAGE 92 - TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc265089941 摘 要 PAGEREF _Toc265089941 h I HYPERLINK l _Toc265089942 Abstract PAGEREF _Toc265089942 h II HYPERLINK l _Toc265089943 第1章 緒論 PAGEREF _Toc265089943 h 5 HYPERLINK l _Toc265089944 1.1 課題背景 PAGEREF _Toc265

9、089944 h 5 HYPERLINK l _Toc265089945 1.2 課題目的和意義 PAGEREF _Toc265089945 h 5 HYPERLINK l _Toc265089946 1.3 國內外發展現狀 PAGEREF _Toc265089946 h 6 HYPERLINK l _Toc265089947 1.4 本文研究的主要內容 PAGEREF _Toc265089947 h 7 HYPERLINK l _Toc265089948 第2章 污水處理系統工藝流程 PAGEREF _Toc265089948 h 8 HYPERLINK l _Toc265089949 2.

10、1 SBR的結構及工作原理 PAGEREF _Toc265089949 h 8 HYPERLINK l _Toc265089950 2.2 PLC控制系統設計原則與步驟 PAGEREF _Toc265089950 h 9 HYPERLINK l _Toc265089951 2.3 污水處理工藝過程闡述 PAGEREF _Toc265089951 h 10 HYPERLINK l _Toc265089952 2.4 PLC與MCGS組態軟件的通信 PAGEREF _Toc265089952 h 11 HYPERLINK l _Toc265089953 2.5 本章小結 PAGEREF _Toc2

11、65089953 h 13 HYPERLINK l _Toc265089954 第3章 電氣控制系統方案的選擇及硬件設計 PAGEREF _Toc265089954 h 14 HYPERLINK l _Toc265089955 3.1 PLC的工作原理 PAGEREF _Toc265089955 h 14 HYPERLINK l _Toc265089956 3.1.1 循環掃描技術 PAGEREF _Toc265089956 h 14 HYPERLINK l _Toc265089957 3.1.2 PLC的輸入/輸出響應時間 PAGEREF _Toc265089957 h 15 HYPERLI

12、NK l _Toc265089958 3.2 SBR污水處理電氣控制系統設計要求 PAGEREF _Toc265089958 h 15 HYPERLINK l _Toc265089959 3.3 SBR污水處理電氣控制系統的總體設計 PAGEREF _Toc265089959 h 16 HYPERLINK l _Toc265089960 3.3.1 設計過程 PAGEREF _Toc265089960 h 16 HYPERLINK l _Toc265089961 3.3.2 控制系統方案設計 PAGEREF _Toc265089961 h 17 HYPERLINK l _Toc26508996

13、2 3.3.3 SBR污水處理電氣控制系統硬件電路設計 PAGEREF _Toc265089962 h 17 HYPERLINK l _Toc265089963 3.4 本章小結25 HYPERLINK l _Toc265089964 第4章 污水處理系統的軟件設計26 HYPERLINK l _Toc265089965 4.1 污水處理系統軟件設計的總體概述26 HYPERLINK l _Toc265089966 4.2 污水處理各個子程序的設計26 HYPERLINK l _Toc265089967 4.2.1 粗、細格柵除污機控制子程序的設計26 HYPERLINK l _Toc2650

14、89968 4.2.2 進水閥門控制子程序的設計28 HYPERLINK l _Toc265089969 4.2.3 空氣閥門、潛水攪拌機、回流污泥泵控制子程序的設計29 HYPERLINK l _Toc265089970 4.2.4 潷水器控制子程序的設計30 HYPERLINK l _Toc265089971 4.3 本章小結31 HYPERLINK l _Toc265089972 第5章 MCGS組態軟件在本系統中的應用32 HYPERLINK l _Toc265089973 5.1 對上位機監控軟件的要求32 HYPERLINK l _Toc265089974 5.2 上位機設計32

15、HYPERLINK l _Toc265089975 5.2.1 定義數據對象33 HYPERLINK l _Toc265089976 5.2.2 主畫面的設計35 HYPERLINK l _Toc265089977 5.2.3 實時報警38 HYPERLINK l _Toc265089978 5.2.4 設備與變量連接39 HYPERLINK l _Toc265089979 5.3 程序調試運行及安全機制40 HYPERLINK l _Toc265089980 5.4 本章小結41 HYPERLINK l _Toc265089981 結 論42 HYPERLINK l _Toc26508998

16、2 致 謝43 HYPERLINK l _Toc265089983 參考文獻44哈爾濱工業大學（威海）本科畢業設計（論文）緒論 課題背景地球雖然有70.8的面積為水所覆蓋，但淡水資源卻極其有限，人類真正能夠利用的是江河湖泊以及地下水中的一部分，僅占地球總水量的0.26，而且分布不均。全世界每天約有200噸垃圾倒進河流、湖泊和小溪，每升廢水會污染8升淡水。世界上許多國家正面臨水資源危機： 12億人用水短缺，30億人缺乏用水衛生設施1。中國污水處理行業概況:(1) 中國水資源人均占有量少，空間分布不平衡。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，污水處理行業成為新興

17、產業，目前與自來水生產、供水、排水、中水回用行業處于同等重要地位。(2) 雖然由于國家和各級政府對環境保護重視程度的不斷提高，中國污水處理行業正在快速增長，污水處理總量逐年增加，城鎮污水處理率不斷提高。但目前中國污水處理行業仍處于發展的初級階段。(3) 一方面，中國目前的污水處理能力尚跟不上用水規模的迅速擴張，管網、污泥處理等配套設施建設嚴重滯后。另一方面，中國的污水處理率與發達國家相比，還存在著明顯的差距，且處理設施的負荷率低。(4) 因此中國應完善污水處理的政策法規，建立監管體制，創建合理的污水處理收費體系，扶植國內環保產業發展，推進污水處理行業的產業化和市場化。污水處理行業是一個朝陽產業

18、，發展前景十分廣闊。中國污水處理行業由此迎來高速發展期2。課題目的和意義世界上任何國家的經濟發展，都會推進社會進步、促進工農業生產能力，使人民的生活得到進一步改善，尤其在工業革命之后，各國經濟飛速發展，全球大量的不可再生資源（例如石油）被利用。如果這些污水無凈化排出必定會給周圍環境造成很大的污染，而且我國是一個嚴重缺水的國家，已經被聯合國列為世界上13個缺水國家之一。目前我國約300個城市缺水，其中嚴重缺水城市有50個，據中國經濟信息網分析統計，全國按目前正常需要，年缺水總量約為300億400億立方米，因缺水造成的經濟損失達2300億元，超過洪澇災害。水資源的匱乏和水資源的污染已經嚴重的影響了

19、人民的日常生活，嚴重的影響了全國的經濟建設和發展。特別是我國北方城市，如北京、天津、沈陽等城市水資源更為短缺。在這種情況下，污水更加不能隨便外排，而是要凈化之后合理利用。我國污水處理的電耗為0.365kWh/m3、日本為0.304 kWh/m3、美國為0.243kWh/m3，因此建設符合我國具體情況的污水廠自動控制系統對降低污水處理成本、改善環境、建立可持續發展社會、保持我國經濟高速發展具有重要意義3。國內外發展現狀由于控制技術、網絡通訊技術以及現場總線技術的飛速發展，國外的污水處理廠很早就實現了污水處理廠的網絡控制，如DCS/FCS系統，同時國外較早的將SCADA技術引入到了給水排水工程中，

20、并取得了良好的經濟效益和社會效益。國外同時注重水處理PLC的開發，相繼研制出了一些智能、穩定、小巧的控制單元，如AB公司的SLC系列、Siemens的s7系列、Schneider的TSX Quantum DO、化學需氧量COD分析儀。國外污水處理自控系統主要有以下特點：大量采用在線監控的水質分析儀表，對全廠的水質實行實時的監測，并有上位機記錄下來，提高了測量精度;生產過程中不同程度上采用了智能控制，可以根據水質和水源的變化自動的調整相應的控制方式;大量采用遙控、遙測設備；并開始有效地利用社會信息資源，如電話網絡、移動電話網絡、國際互聯網、氣象信息等。與國外相比，我國污水處理自動化控制起步較晚，

21、70年代開始采用熱工儀表，實行集中巡檢；80年代應用分析儀表和DCS系統；到90年代，隨著一大批利用國際貸款的大型污水處理廠的建成投產，我國污水處理控制系統的自動化水平有了很大提升。從外國引進污水廠的自動控制系統已廣泛采用集散式計算機監控系統，應用了自動化程度較高的檢測儀表，各種新工藝、新設備的大量出現并得到應用。可以說我國污水處理自動化的現狀是：手動和自動兼備，自制和引用并舉。可以看出我國污水處理自控系統有以下特點：對于新建的污水處理廠，引進了計算機分散控制系統，手動和自動并存的控制方式。大部分以前建設的污水處理廠自動化程度仍然很低;國產在線儀表的穩定性還沒有達到要求，所以大部分采用進口的在

22、線儀表，但由于進口儀表價格昂貴，所以應用并不廣泛。水質的檢測主要是有實驗人員通過實驗來測量;各個控制站之間完全獨立，無信息交換。并且各個控制單元由于內部資源的限制，只是實現了簡單的時間控制和邏輯控制;上位機監控軟件很少使用，幾乎沒有中控室，不能對全廠的設備實行實時監控，而一些報表的工作也主要是有廠里的工作人員手工完成。通過對比，不難看出整體上和國外相比我國污水處理的自控系統仍然存在很大的差距，但是我國的應用前景卻非常廣泛、潛力很大4。本文研究的主要內容本文論述了污水處理工藝及污水處理系統的組成和PLC控制系統的設計， 主要由以下內容組成：(1) 介紹了污水處理的基本內容，包括污水處理的發展及污

23、水處理的工藝流程。(2) 介紹了PLC的基本結構和工作原理，并對污水處理控制系統進行設計分析。(3) 具體設計污水處理的硬件系統及軟件系統。污水處理系統工藝流程SBR的結構及工作原理本論文中的污水處理采用SBR污水處理工藝，即序批式間歇活性污泥法。SBR采用時間分割的操作方式替代傳統的空間分割方式，可以適應工業生產連續產生大量污水的特點。SBR廢水處理系統分別由粗細格柵除污池、集水池、SBR反應池、儲泥池、水泵、鼓風機和電動閥門等部分組成，在粗細格柵除污池、集水池、SBR反應池、儲泥池中分別設置液位開關，用以檢測水池與水箱中的液位。本文采用4個SBR池循環處理的工藝，并結合PLC技術，以期實現

24、污水處理過程的實時檢測和控制，保障生產過程的連續性，降低勞動強度。此工藝由4個池組成，每個SBR處理周期包括進水、生化反應（曝氣）、沉淀、排放等工序，污水在SBR中按序列間歇地進入每個反應工序。曝氣使好氧、缺氧和厭氧狀態交替進行，最終達到脫碳、脫氨和脫氮的目的。此外還有保證SBR的用風量。SBR的布置圖如圖2-1所示。圖2-1 SBR池的布置圖在充氧階段，SBR反應池去除有機物的機理與普通活性污泥法相同。不同點是，運行時，進水、反應、沉淀、排水、空載排泥5個工序在同一SBR反應池中周期性運行。當污水進入反應池后，與池內空載期的污泥混合，污水中的有機物被菌膠團吸附，并開始生物降解。反應結束后經過

25、沉淀期，上部的水逐漸變清，利用潷水器將水排出，最后排出污泥5。PLC控制系統設計原則與步驟PLC控制系統是為工藝流程服務的，所以它首先要很好的實現工藝提出的控制要求。PLC控制系統的設計應遵循以下原則：(1) 最大限度地滿足被控對象的控制要求。(2) 保證PLC控制系統安全可靠。(3) 力求簡單、經濟、適用及維修方便。(4) 適應發展的需要6。PLC控制系統的設計與調試應遵循一定的步驟。整體的設計步驟如圖2-2所示。圖2-2 設計步驟示意圖(1) 控制要求分析在設計PLC控制系統之前，必須對工藝過程進行細致的分析，詳細了解控制對象和控制要求，這樣才能真正明白自己所要完成的任務，設計出令人滿意的

26、控制系統。(2) 確定輸入/輸出設備根據控制要求選擇合適的輸入設備和輸出設備。并根據所選用的輸入/輸出設備的類型和數量，確定PLC的I/O點數。(3) 選擇合適的PLC因為實驗室只有一種三菱的FX系列PLC，而且用此PLC可以滿足控制要求，因此本課題的PLC選擇三菱的FX1N。(4) I/O點數分配點數分配就是規定PLC的I/O端子和輸入/輸出設備的對應關系。(5) PLC程序設計本階段就是根據控制對象和控制要求對PLC進行編程。首先把工藝流程分為若干階段，確定每一階段的輸入信號和輸出要控制的設備，還有不同階段之間的聯系，然后畫出程序流程圖，最后再進行程序編制。(6) 組態設計根據控制要求，模

27、擬控制現場，在組態軟件上進行組態設計。(7) 模擬調試程序編好后，可以用按鈕和開關模擬數字量，與組態軟件相連接，進行模擬調試，使控制程序基本滿足控制要求。(8) 撰寫論文以上步驟都完成后，整理有關的文檔、程序，進行論文的撰寫7。污水處理工藝過程闡述(1) 進水進水閥門打開，污水通過粗格柵，經過水泵，然后再經過細格柵過濾，污水到達集水池，再根據控制要求，將集水池中的污水分步驟逐次地注入各個SBR反應池。(2) 反應反應工序是SBR工藝最重要的一道工序。當污水注入達到預定容積后，停止進水，空氣閥門打開，鼓風機啟動，開始曝氣，同時潛水攪拌機和回流污泥泵運行，可開始反應操作，如驅除BOD、硝化、磷的吸

28、收以及反硝化等7。根據反應需要達到的程度，進行曝氣和攪拌，并決定反應時間的長短。潛水攪拌機與曝氣系統混合使用，使能耗大幅度降低，充氧量明顯提高，創建水流，加強攪拌功能，防止污泥沉淀，有效防止沉淀。(3) 沉淀當SBR池停止曝氣以后，空氣閥門關閉，同時潛水攪拌機、回流污泥泵也停止運行。開始重力沉淀和泥水分離。(4) 排水SBR池達到高水位，并經過沉淀工藝以后，上清液由潷水器緩慢排除池外。當池水位達到設定的最低水位時，潷水器停止運行。同時，剩余污泥泵在潷水器停止運行后開始運行，排泥至儲泥池。系統有4臺潷水器，分別位于4個SBR反應池內。潷水器通過PLC可編程控制器實現自動控制。當SBR反應池的靜置

29、時間結束，且液位滿足要求時，潷水器開始運行8。PLC與MCGS組態軟件的通信從總體上講，組態軟件是由系統開發環境和系統運行環境兩個部分組成的。系統開發環境是自動化工程設計工程師為實施其控制方案，在組態軟件的支持下進行應用程序的系統生成工作所必須依賴的工作環境。通過建立一系列用戶數據文件，生成最終的圖形目標應用系統，供系統運行環境運行時使用。系統開發環境由若干個組態程序組成，如圖形界面組態程序、實時數據庫組態程序等。系統運行環境是在系統運行環境下，目標應用程序被裝入計算機內存并投入實時運行。系統運行環境由若干個運行程序組成，如圖形界面運行程序、實時數據庫運行程序等9。MCGS系統結構圖如圖2-3

30、所示。圖2-3 MCGS軟件系統結構圖運用MCGS 6.2建立運行程序的一般過程：(1) 啟動MCGS組態環境，建立工程項目。(2) 進行設備配置。設備配置的目的是實現上下位機通訊，即實現計算機與智能儀表之間的連接。通過設備窗口配置數據采集與控制輸出設備，注冊設備驅動程序，定義連接與驅動設備用的數據變量。(3) 構造數據庫。在實時數據庫窗口建立新的數據庫文件。要求與設備要求的數據庫一致。該窗口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。(4) 制作圖形畫面，在用戶窗口實現。主要用于設置工程中人機交互的界面，例如：生成水位變化的動畫顯示畫面、報警輸出、數據與

31、曲線圖表等。(5) 在主控窗口建立新工程。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。(6) 鏈接。動畫鏈接是將動畫與數據庫變量建立聯系，當數據庫變量發生改變時動畫就可以表現出來。即當水箱中水位發生變化時，動畫可以適時顯示。(7) 調試。當以上步驟完成以后，先進行組態檢查通過后就可以進入運行環境調試10。本章小結 本章主要介紹了SBR污水處理的整個工藝流程，PLC控制系統的控制原則以及設計步驟，應用組態軟件的一般過程。

32、接下來的設計應按照這個原則和步驟進行設計，有條理的逐步完成本次畢業設計及論文的撰寫。電氣控制系統方案的選擇及硬件設計PLC的工作原理PLC與繼電器構成的控制裝置的重要區別之一就是工作方式不同，繼電器控制是并行運行方式，即如果輸出線圈通電或斷電，該線圈的觸點立即動作，只要形成電流通路，就有可能有幾個電器同時動作。而PLC則不同，它采用循環掃描技術，只有該線圈通電或斷電，并且必須當程序掃描到該線圈時，該線圈觸點才動作，而且每次只能執行一條指令，這也就是說明PLC是以“串行”方式工作的，這種工作方式可以避免繼電器控制的控制的觸點競爭和時序失配等問題。也可以說，繼電器控制裝置根據輸入和邏輯控制結構就可

33、以直接得到輸出，而PLC控制則需要輸入傳送、執行程序指令、輸出3個階段才能完成控制過程。循環掃描技術PLC循環掃描可分為3個階段：輸入階段（將外部輸入信號的狀態傳送到PLC）、執行程序階段和輸出階段（將輸出信號傳送到外部設備）。(1) 輸入階段在這個階段中，PLC先進行自我診斷，然后與編程器或計算機進行通信，同時中央處理器掃描各個輸入端并讀取輸入信號的狀態和數據，并把它們存入相應的輸入存儲單元。(2) 執行程序階段在這個階段中，PLC按照由上到下的次序逐步執行程序指令。從相應的輸入存儲單元讀入輸入信號的狀態和數據，然后根據程序內部繼電器、定時器、計數器、數據寄存器的狀態和數據進行邏輯運算，得到

34、運算結果，并將這些結果存入相應的輸出存儲器單元。這一階段執行完后，進入輸出階段。在這個程序執行中，輸入信號的狀態和數據保持不變。(3) 輸出階段在這個階段中，PLC將相應的輸出存儲單元的運算結果傳送到輸出模塊上，并通過輸出模塊向外部設備傳送輸出信號，開始控制外部設備。 PLC的輸入/輸出響應時間I/O響應時間是指某一輸入信號從變化開始到系統相關輸出端信號的改變所需要的時間。因為PLC的循環掃描工作方式，所以收到輸入信號的時刻不同，響應時間的長短也就不同。下面就給出最短和最長響應時間。最短響應時間：一個掃描周期剛結束就收到輸入信號，即收到這個輸入信號與開始下一個掃描周期同時，這樣的響應時間最短。

35、考慮到輸入電路和輸出電路的延時，所以最短響應時間應大于一個掃描周期。最長響應時間：一個掃描剛完成輸入讀取后才接到輸入信號，這樣這個輸入信號在該掃描周期將不會發生變化，要等到下一個掃描周期才能得到響應，這時的響應時間最長11。SBR污水處理電氣控制系統設計要求(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機型和I/O接口。(2) 執行自動工作方式，應能按照工藝要求編輯程序并可實時整定參數。(3) 驅動攪拌機為正、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

36、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。(7) 選擇電器元件、編制元器件目錄表。(8) 繪制接線圖、電控箱布置圖和配線圖、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12。SBR污水處理電氣控制系統的總體設計 設計過程(1) 系統由一臺粗格柵除污機，由時間間隔控制其開或者停。為了調試方便，設置開5S，關5S。粗格柵池有兩個浮球開關，分別標示著池中污水的液位上限值和下限值。如果液位達到上限值，前面的水泵1關閉，如果液位達到下限值，后面的水泵2關閉。(2) 兩臺水泵，水泵2和水泵3，由時間和浮球開關同時控制，當粗細格

37、柵除污機工作時，水泵不工作，當粗格柵除污機不工作時兩臺水泵工作。細格柵池水位高時，關閉水泵3。(3) 細格柵除污機，由時間控制其開或者停。為方便調試，設置開5S，關5S。細格柵池有兩個浮球開關，分別標示著池中污水的液位上限值和下限值。如果液位達到上限值，前面的水泵3關閉，如果液位達到下限值，后面的調節閥2關閉，以維持系統的正常運行。(4) 皮帶運輸機在粗格柵除污機工作一定時間后開始工作，設置粗格柵除污機工作2S后，皮帶運輸機開始工作。粗細格柵除污機同用一臺皮帶運輸機。(5) 污水經過細格柵除污機后進入集水池，當集水池處于低水位時，關閉集水池后面與其相連的所有閥門。集水池中應用4個浮球開關，實時

38、監測集水池中水位的變化，當水位非常高時，發報警信號。(6) 4個SBR池，每個池中都有2個浮球開關監測池水的水位。SBR池內進水閥門依次開啟，當1#SBR池水位升到一定液位后關閥門，然后開2#SBR池進水閥門，2#SBR池水位升到一定液位后關閥門，然后開3#進水閥門，依次類推。(7) 進水閥門關閉后，空氣閥門開啟，潛水攪拌器和回流污泥泵同時開啟。S B R池的水位有限制，水位太高會溢出池外，水位太低則不能滿足曝氣的要求， 因此設置水位保護。在進水階段，如達到高水位則停止進水，如水位太低則不曝氣重新進水。一定時間后關閉空氣閥門，潛水攪拌器和回流污泥泵也隨之關閉。(8) 空氣閥門關閉5S后，潷水器

39、開始運行，將池內的上清液排出，當SBR池液位下降到一定高度后停止運行。(9) 剩余污泥泵在潷水器停止運行后開始運行，排泥至儲泥池。儲泥池液位達到高液位后停止運行。(10) 當開啟一個空氣閥門時開啟一臺鼓風機，開啟兩個或三個空氣閥門時開啟兩臺鼓風機。(11) 脫水機按水處理工藝要求工作，單體為自動化組。 控制系統方案設計(1) SBR廢水處理系統控制對象電動機均由交流接觸器完成起、停控制，攪拌機要采用正、反轉控制。(2) 粗細格柵除污池、集水池、SBR反應池、儲泥池等的液位檢測開關，在選型時考慮抗干擾性能，選用電極考慮耐腐蝕性。(3) 粗細格柵除污機、各個水泵、鼓風機電動機、攪拌機分別采用熱繼電

40、器實現過載保護，其熱繼電器的常開觸點通過中間繼電器轉換后，作為PLC的輸入信號，用以完成各個電動機系統的過載保護。(4) 鼓風機的控制要求在無負載條件下起動或停機，需要在曝氣管路上設置空氣閥。(5) 主電路用斷路器，各負載回路和控制回路以及PLC控制回路采用熔斷器，實現短路保護。(6) 電控箱設置在控制室內。控制面板與電控箱內的電器板用BVR型銅導線連接，電控箱與執行裝置之間采用端子板連接。(7) PLC選用繼電器輸出型。(8) PLC自身配有24V直流電源，外接負載時考慮其供電容量。PLC接地端采用第三種接地方式，提高抗干擾能力。3.3.3 SBR污水處理電氣控制系統硬件電路設計1. 主電路

41、設計 SBR污水處理電氣控制系統主電路如圖3-1所示。圖3-1 SBR污水處理電氣控制系統主電路主回路中交流接觸器KM1、KM2、KM3、KM4、KM5分別控制格柵除污機M1、潷水器M2、鼓風機M3、剩余污泥泵M4、回流污泥泵M5；交流接觸器KM6、KM7控制潛水攪拌機M6，KM8、KM9控制集水池攪拌機，兩個攪拌機通過正、反轉完成對污水的攪拌功能。電動機M1、M2、M3、M4、M5、M6、M7由熱繼電器FR1、FR2、FR3、FR4、FR5、FR6、FR7實現過載保護。 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。熔斷器Fu1、Fu2、Fu3、F

42、u4、Fu5、Fu6、Fu7分別實現各負載回路的短路保護。2. 交流控制電路設計 SBR污水處理系統交流控制電路如圖3-2所示。圖3-2 SBR污水處理系統交流控制電路控制電路有電源指示HL。PLC供電回路采用隔離變壓器TC，以防止電源干擾。隔離變壓器TC的選用根據PLC耗電量配置，可以配置標準型、變比1：1、容量100VA隔離變壓器。粗細格柵除污機、潷水器1、潷水器2、潷水器3、潷水器4、鼓風機1、鼓風機2、剩余污泥泵1、剩余污泥泵2、剩余污泥泵3、剩余污泥泵4、回流污泥泵1、回流污泥泵2、回流污泥泵3、回流污泥泵4、潛水攪拌機1、潛水攪拌機2、潛水攪拌機3、潛水攪拌機4、集水池攪拌機，都有

43、運行指示燈HL1HL21，由KM1KM9接觸器常開輔助觸點控制。幾臺電動機M1、M2、M3、M4、M5、M6、M7的過載保護，分別由熱繼電器FR1、FR2、FR3、FR4、FR5、FR6、FR7實現，將其常閉觸點并聯后與中間繼電器KA1連接構成過載保護信號，KA1還起到電壓轉換的作用，將220V交流信號轉換成直流24V信號送入PLC完成過載保護控制功能。3. 攪拌機電路的設計在集水池中要用到攪拌機，主要實現的功能是使集水池的污水中所含物質分布均勻，以便PH檢測傳感器能夠正確的檢測到水池中污水的PH值。攪拌機電路如圖3-3所示。圖3-3 攪拌機電路4. 主要參數計算斷路器QF脫扣電流。斷路器為供

44、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3kW負載電動機兩臺，起動電流較大，其余五臺為1.1kW以下，起動電流較小，而且工藝要求7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：IQF1.7IN=1.76A10.2A10A，選用IQF10A的斷路器。熔斷器FU熔體額定電流IFU。以鼓風機為例，IFU2IN22.5A5A，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2A13。5. PLC控制電路設計 包括PLC硬件結構配置及PLC控制原理電路設計。

45、硬件結構設計。了解各個控制對象的驅動要求，如：驅動電壓的等級、負載的性質等；分析對象的控制要求，確定輸入/輸出接口（I/O）數量；確定所控制參數的精度及類型，如：對開關量的控制、用戶程序存儲器的存儲容量等；選擇適合的PLC機型及外設，完成PLC硬件結構配置。根據上述硬件選型及工藝要求，繪制PLC控制電路原理圖，繪制PLC控制電路，編制I/O接口功能表。圖3-4為SBR污水處理系統PLC控制電路原理圖。圖3-4 SBR廢水處理系統PLC控制電路原理圖PLC輸入回路中，信號電源由PLC本身的24V直流電源提供，所有輸入COM端短接后接入PLC電源DC24V的（）端。輸入口如果有有源信號裝置，需要考

46、慮信號裝置的電源等級和容量，最好不要使用PLC自身的24V直流電源，以防止電源過載損壞或影響其他輸入口的信號質量。PLC采用繼電器輸出，每個輸出點額定控制容量為AC250V，2A。表1和表2分別為SBR污水處理系統PLC輸入和輸出接口功能表。表1 數字量輸入地址分配表X0總開關開啟X1總開關停止X2SQ16X3SQ17X4集水池浮球LT10aX5集水池浮球LT10bX6集水池浮球LT10cX7集水池浮球LT10dX101#SBR池浮球LT20a高液位X112#SBR池浮球LT20b高液位X123#SBR池浮球LT20c高液位X134#SBR池浮球LT20d高液位X141#SBR池浮球LT20a

47、低液位X152#SBR池浮球LT20b低液位X163#SBR池浮球LT20c低液位X174#SBR池浮球LT20d低液位X20儲泥池浮球LT30a高液位X24SQ12X25SQ13X26SQ14X27SQ15表2 數字量輸出地址分配表Y0粗柵格除污機Y1調節閥7Y2水泵2Y3水泵3Y4細柵格除污機Y5調節閥8Y6皮帶運輸機Y7排泥閥1Y10集水池液位報警Y11調節閥3Y12調節閥4Y13調節閥5Y14調節閥6Y151#SBR池空氣閥門、潛水攪拌機、回流污泥泵Y162#SBR池空氣閥門、潛水攪拌機、回流污泥泵Y173#SBR池空氣閥門、潛水攪拌機、回流污泥泵Y204#SBR池空氣閥門、潛水攪拌機

48、、回流污泥泵Y211#SBR池潷水器Y222#SBR池潷水器Y233#SBR池潷水器Y244#SBR池潷水器Y251#SBR池剩余污泥泵Y262#SBR池剩余污泥泵Y273#SBR池剩余污泥泵Y304#SBR池剩余污泥泵Y311#鼓風機Y322#鼓風機Y33水泵1Y34調節閥2Y35酸液罐無藥液Y36堿液罐無藥液Y37排泥閥2Y40備用Y41PH值6.57.5Y42PH值34Y43PH值45Y44PH值56Y45PH值66.5Y46PH值7.58Y47PH值89Y50PH值910Y51PH值1011 6. 電控箱布置圖和配線圖、控制面板布置圖和配線圖的設計電控箱電器板原件布置圖如圖3-5所示，

49、電控箱電器面板元件布置圖如圖3-6所示。 圖3-5電控箱電器板元件布置圖 圖3-6電控箱電器面板元件布置圖本章小結本章主要是對污水處理系統的主電路和控制電路進行設計，由于條件有限，在完成系統控制要求的前提下，要適當減少輸入輸出點數，盡量選擇一套比較好的設計方案。污水處理系統的軟件設計污水處理系統軟件設計的總體概述為了能對污水處理系統進行集中監控，本次設計采用PLC和微機組成控制系統。PLC選用日本三菱公司FX系列可編程序控制器。軟件變成采用FXGPW1N實現，組態采用MCGS 6.2實現，PLC作為整個系統的控制中心，在系統過程中完成水泵、各個調節閥的動作，除污機和潛水攪拌機等的啟停，液位檢測

50、信號的輸入輸出。圖4-1為設計污水處理系統要編寫的全部子程序，由這些子程序構成了完整的PLC梯形圖設計，然后將PLC與MCGS組態軟件連接，進行模擬調試。圖4-1 污水處理系統子程序設計污水處理各個子程序的設計粗、細格柵除污機控制子程序的設計進站的污水可能含有大件的石頭、木棒等污染物。粗柵格主要是將體積比較大的污染物過濾掉。在自動工作方式下，由時間間隔來控制兩臺粗柵格除污機的開和停。大件的物體被粗柵格過濾掉，還會由部分偏小一點的污染物隨著污水繼續向前流，細柵格主要是將小號的污染物過濾掉。自動工作方式下，由時間間隔來控制兩臺細柵格除污機的開與停。粗細格柵除污機工作流程圖如圖4-2所示，對應的梯形

51、圖如圖4-3所示。 圖4-2粗、細柵格除污機工作流程圖4-3 粗、細柵格除污機梯形圖進水閥門控制子程序的設計當集水池水位高、很高或超高時，開1#SBR池進水閥門，水位上升到高水位后，關閉1#SBR池進水閥門；然后開2#SBR池進水閥門，2#SBR池水位上升一定高度后關閉2#SBR池進水閥門，開3#SBR池進水閥門，依此類推。SBR池進水閥門工作流程圖如圖4-4所示，對應的梯形圖如圖4-5所示。圖4-4 SBR池進水閥門工作流程圖圖4-5 進水閥門控制程序梯形圖空氣閥門、潛水攪拌機、回流污泥泵控制子程序的設計進水閥門關閉后，空氣閥門開啟，潛水攪拌器和回流污泥泵同時開啟。SBR池的水位有限制，水位

52、太高會溢出池外，水位太低則不能滿足曝氣的要求， 因此設置水位保護。一定時間后關閉空氣閥門，潛水攪拌器和回流污泥泵也隨之關閉。 其對應的梯形圖如圖4-6所示。圖4-6 空氣閥門、潛水攪拌機、回流污泥泵控制程序梯形圖潷水器控制子程序的設計SBR法由于是周期排水，排水時池內水位是變化的，進水時水位由最低升至最高，出水時水位由最高降至最低，故SBR反應池出水管位置必須設在最低水位以下。間歇式出水要求集中大流量排放，能在較短的時間內完成出水任務，如果出水管形狀與方向不當，會擾動池中污泥層，出水時會帶走大量活性污泥。因而，潷水器是SBR工藝排水的最好選擇，它只撇出活性污泥沉淀后的上清水，在水位下降過程中保

53、持水面平穩，不擾動下面的污泥層。大體上分以下幾種潷水器，控制要求不同，可以選擇不同的潷水器進行排水處理。固定式管理潷水器優點是造價低，運行可靠，缺點是管理較多，操作較為繁瑣，管路內易吸收表面浮泥及底部沉泥。虹吸式潷水器優點是成本低，運行可靠，不易出故障；缺點是由于排水管的下端位于池水要求最低水位處，為了泥水分離徹底，其沉淀和排水時間相應較長。3. 旋轉式潷水器優點是運行可靠、負荷大，適用于大型裝置，應用最為廣泛。缺點是對機械、電動裝置要求較高。4. 套筒式潷水器多為不銹鋼制，造價偏高，且密封件為橡膠制品，壽命有一定限制14。潷水器控制程序梯形圖如圖4-7所示。圖4-7 潷水器控制程序梯形圖本章

54、小結本章主要是對污水處理系統的軟件編寫梯形圖，由于子程序較多，本章節挑出一些比較特殊的子程序進行介紹，并同時介紹了相應的控制設備的工作過程，進一步分析了系統工藝。 MCGS組態軟件在本系統中的應用對上位機監控軟件的要求組態軟件上主要實現以下功能：(1) 對工藝系統進行集中監控，實現自動數據采集、數據處理、以及實時曲線、歷史曲線和報表輸出等；(2) 完成SBR內相關設備的程序啟動、時間啟動等；(3) 實現集水池中酸堿液的自動添加；(4) 實現參數報警，使操作員在線了解各池中液位的變化情況。由于PH檢測傳感器、液位檢測傳感器等檢測到的模擬量不能傳入組態中，因此用數字量分段顯示污水的PH值。用浮球開

55、關檢測污水的上下限值15。對監控軟件的要求主要為：(1) 組態現場工藝流程畫面，要求生動、形象；(2) 在自動方式下，在現場有關條件滿足的情況下，可以通過中控室遠程控制各個開關；(3) 被控對象的參數要求加以范圍限制，超出范圍要求報警；(4) 要求顯示污水PH值的范圍。上位機設計上位機設計包括：(1) 污水處理遠程計算機控制系統。它采用MCGS組態軟件來控制和管理，是一套用來構造和生成計算機監控系統的組態軟件，通過對現場數據的采集顯示、報警處理、流程控制和報表輸出等多種直觀方式，向用戶提供解決實際問題的方案。(2) 整個工程的系統構成及工藝流程，被監控對象的特征，主要監控要求和技術要求等。(3

56、) 擬定組建工程的總體規劃和設想，主要包括系統需要實現哪些功能。控制流程采用什么方式實現，需要用什么樣的用戶窗口界面，實現什么樣的動畫效果以及如何在實時數據庫中定義數據變量等環節。同時，還要分析工程中設備的數據采集及輸出通道與實時數據庫中定義的變量的對應關系，要分清哪些變量是要求與設備相連接的，哪些變量是軟件內部用來傳遞數據及用于實現動畫顯示的等。上位機監控畫面的設計：程序運行時首先進入主畫面，顯示污水處理的整個工藝流程，電機狀態畫面顯示各個開關量的狀態，液位報警窗口顯示各個污水池水位的高低，并發出報警信號，PH值顯示窗口顯示集水池中污水的PH值范圍，以便適時加入酸液或者堿液。期間如果用戶想對

57、畫面進行操作，包括控制和更改參數，必須有操作員或者管理員的權限。在登入狀態下，不同的用戶有不同的權限，可以對給予授權的參數進行修改。在中央控制室的操作人員都可以對現場設備進行啟、停控制。定義數據對象數據對象定義前需要對系統進行分析，確定需要的變量。數據對象是構成實時數據庫的基本單元，建立實時數據庫的過程也就是定義數據對象的過程。定義數據對象的內容主要包括：(1) 指定數據變量的名稱、類型等；(2) 確定與數據變量存盤相關的參數，如存盤的周期、存盤的時間范圍和保存期限等。本系統需要的變量如圖5-1所示。（續圖）圖5-1 數據對象的定義主畫面的設計主畫面顯示整個污水處理廠的工藝流程。顯示畫面顯示各

58、個開關量的狀態。如果想了解污水池的液位、電機的狀態等情況，可以切換到某個分畫面。點擊“系統管理”將會出現下拉菜單“用戶窗口管理”、“退出系統”，點擊想要實現的功能。主畫面上還有“PH值顯示窗口”、“液位顯示”、“電機狀態窗口”、“報警數據”、“數據顯示”、“歷史數據”等菜單，點擊可進入相應畫面進行操作。1. 編輯畫面首先進入畫面編輯環境，利用“插入元件”工具從元件庫中選擇所需要的閥門、泵、電機等設備，調整大小及位置，然后保存。畫完后如圖5-2所示。圖5-2 工藝流程主畫面2. 動畫連接(1)液位實時顯示動畫效果的制作插入滑動輸入器，雙擊設置，在操作屬性中設置“對應數據對象的名稱”為液位1，滑塊

59、在最左面時對應的值為0，在右面時對應的值為10。刻度與標注屬性設置如圖5-3所示。運行時，將光標移至液位1滑動輸入的指針處，光標變成手形，按住鼠標想右拖動指針，液位顯示隨之發生變化。用這種方法可以人為模擬液位變化。 圖5-3 刻度與標注屬性設置(2)液位升降動畫效果制作1) 在水位監控畫面中雙擊粗格柵除污池，彈出屬性設置窗口，進入“動畫連接”頁如圖5-4所示。 圖5-4 將水罐進行動畫連接2) 選中“折線”，右端出現的。3)單擊進入屬性設置窗口。在“大小變化”頁按圖5-5進行屬性設置。圖5-5 縮放連接4)單擊“確認”按鈕，完成粗格柵除污池的設置。5)用同樣的方法建立細格柵池與液位2之間的動畫

60、連接。注意設置參數，表達式：液位2；最大變化百分比對應表達式的值：6。6)單擊“保存”按鈕。7)進入允許環境，拖動液位滑動器指針，可觀察到水罐水位的升降變化的動畫效果。同理。可設置其他幾個水池的升降動畫效果。實時報警實際運行時，可能會發生參數越極情況。報警顯示是最基本的安全手段。實時報警可提示操作人員進行及時處理，避免事故發生。歷史報警能對指定時間內的所有參數越限情況進行記錄、顯示和打印，以便對系統運行情況進行分析。特別是在事故發生后，這種分析對于調查事故發生的原因很重要，本系統需設置報警的數據對象是液位組（包括液位1-9）。首先對組對象進行定義，然后雙擊“用戶窗口”中的“水位監控”窗口，進入