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1、全日制普通本科生毕业设计 基于PLC在污水处理控制系统中的设计DESIGN OF CONTROL SYSTEM IN SEWAGE DISPOSAL BASED ON PLC由于部分原因，说明书已删除大部分，完整版说明书，CAD图纸等，联系153893706学生姓名：学 号： 年级专业及班级： 2008级机械设计制造及其自动化指导老师及职称：学 部： 提交日期：2012 年 5 月全日制普通本科生毕业设计诚信声明 本人郑重声明：所呈交的本科毕业设计是本人在指导老师的指导下，进行研究工作所取得的成果，成果不存在知识产权争议。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过
2、的作品成果。本文的研究作出重要贡献的个人和集体在文中均作了明确的说明并表示谢意。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 毕业论文作者签名： 2012年 5 月 20 日 目 录摘 要2关键词21 前言21.1研究的目的及意义31.2 国内外现状32.1 方案的对比42.2 设备控制原理63硬件的设计831 PLC选型8311控制系统构成图83.1.2 远程I/O框架配置图93.1.3模块功能概述93.2流程图和时序图构成和相关设置103.2.1程序的流程图和时序图103.2.2 I/O对应的内部寄存器地址124软件的设计134.1 系统资源的分配134.2源程序244.2.1主程序244.
3、2.2 远程I/O程序484.2.3.模拟量输入程序515 污水处理的通信网络556 结束语56参考文献：56致 谢57 基于 PLC 在污水处理控制系统中的设计学 生: 指导老师: 摘 要：随着中国经济的发展和人民生活水平的逐步提高，必然对环境质量出更高的要求，本设计根据污水处理流程进行 PLC编程，实现机械自动化。该系统工艺优势明显，具有较高的可靠性。利于实现紧凑的模块布置，还能节省占地，减少污泥的回流量，达到节能的效果。关键词：污水处理；自动化；PLCDesing of Control System in Sewage Disposal Based on PLCStudent: Zhan
4、g PengTutor : Liu Xuhong（Oriental Science & Technology College of Hunan Agricultural University ,Changsha 410128） Abstract:With the development of Chinas economy and the improvement of peoples living standars,it is certain that more requirements for environment must be put forward.The design based o
5、n automation.The advantage of the system are apparent,with higher credibility.It is benficial to make the tight layout of model come ture,save space,and to reduce the refluence of sludge,in order to achieve the effect of energy-saving.Key words: Sewage disposal;Automation;PLC 1 前言 水是人类生活和国民经济发展不可或缺的
6、重要部分，为建设可靠，稳定，先进，经济以及可扩展的合理的水处理自动化系统成为工程界和城市水行业营运管理部门共同关心的问题。微电子，通信，计算机技术的发展大大提高了水处理控制系统的信息话和智能话程度，与3C技术相结合的PLC以其卓越的可靠性，抗干扰性以及灵活的控制方式成为水处理自动化系统的核心控制器，其与开放的网络通信系统一起，共同推动着水处理自动化系统的智能化程度的发展1。水处理行业主要分为净水处理和污水处理两大部分。净水厂控制系统通常分为水厂调度系统，加药间（加氯间）PLC控制站，滤站PLC控制站，送水泵房PLC控制站等2。各个控制站相对独立工作，通过有线网络进行通讯，将所有的数据信息送的水
7、厂调度室进行处理，或将一部份数据通过调度系统以无线或有限通讯的方式送到城市的调度中心。对于污水处理来说，要根据污水水源地状况来确定污水处理的工艺流程，由于污水处理工艺的不同而自控系统应用PLC的要求也有所不同。一般讲，整个污水处理厂都有总控制室和多个现场控制站，站与站之间通过控制器层网络或信息层网络相连，这样和现场控制站构成了集中管理，分散控制，高速数据交换的工厂级自动化网络。PLC自控系统是水处理厂的控制核心部分，对其合理的选型和设计，对污水厂能否高效，自动化的运行非常重要。然而，PLC网络又是其中的重中之重，网络的好坏直接影响到污水厂的正常运行。1.1研究的目的及意义随着中国城市化和工业化
8、的加速，水资源的需求也日益增大，城市缺水现象越来越严重。水资源的匮乏已经成为制约经济和社会持续发展的重要因素。为缓解水资源不足，满足经济发展需求和企业需求，使生态建设可持续发展，让污水资源成为第2水源，已经成为城市发展的必经之路3。污水对环境有很大的影响。为了避免对环境的污染，污水必须得到妥善的处理，目前国内各污水的处理基本上都是进行加药，沉降，过滤，回注等处理工序。为了保证污水处理过程中的安全性，可靠性和生产 连续性，需要对污水处理的沉降和过滤过程进行控制。废水处理方案要充分考虑现实生活中实用的特点，力求达到设备体积小，性能稳定，过程投资少的目的。废水处理过程中环境温度对菌群代谢产生的作用直
9、接影响废水处理效果，废水处理技术工艺参数变化大，硬件设计选型与设备调试比较复杂，采用先进的PLC控制技术可以提高废水处理的效率，方便操作和使用。1.2 国内外现状国内外研究经验表明，污水处理方法大致分为三类：生物处理法，物理化学处理法，膜处理法4。具体为：混凝技术，生物技术（分为曝气生物滤池和生物接触氧化法），活性炭吸附技术，臭氧法，膜分离技术，高级氧化法。一般来说，需要根据回用水的水质要求，选择合适的处理方法，才能达到经济合理的处理效果。混凝技术虽然是目前较多国内污水处理企业所采用的方法，但其处理后的水质适应性差，且含有较多量的氨氮，其并不适合在某些地区污水处理企业中推广。生物处理技术目前在
10、国内污水处理企业中的应用越来越广泛，它能有效的将二沉池出水中的大多数物质去除，且可以去除氨氮，亚硝酸盐，铁，锰，臭味，色度等。具有处理经济，操作简便和能耗较低等特点5。另外，该技术具有较高的悬浮物去除效率和脱氮能力，适应性和抗冲击负荷能力强，适应间歇运行，同时该技术占地面积小，适应当前土地资源紧张的现实。活性炭吸附技术可有效去除色度，臭味和水中大多数有机污染物。然而，二级出水中一般含有大量生物絮体和生物残渣若直接采用活性炭吸附柱，易堵塞，且对分子量大于30000的有机物，由于活性炭微孔的大小排斥作用而无效。臭氧法虽然能有效的改善水质，且其脱色效果比活性炭好，还能降低出水浊度，起到良好的絮凝作用
11、，提高过滤的虑速或者延长过滤周期，但由于目前国内的臭氧发生技术和工艺比较落后，所以运行费用过高，在污水处理企业中推广难度较大。膜分离技术虽然已广泛应用于水处理技术，但是二级出水中仍含有一定的有机污染物，很容易污染膜，影响膜的性能包括渗透性和有机物的去除率，对低温适应性差，难以在高寒的北方地区应用。另外，我国的膜技术在深度处理领域的应用与世界先进水平尚有较大的差距。目前还不适用在某些落后的污水处理企业使用。2 设计方案的确定污水处理采用生物处理工艺，按“进水，反应，沉淀，排水”程序周期性进行生化反应，从污水流入开始到排水结束为一个周期，所有设备具有手动和自动功能。当设备处于自动化工作方式下时，所
12、有设备按 PLC程序工作7。2.1 方案的对比方案一：选择德国西门子设备 S7-300，主要设计工艺流程为模拟量信号，阀门、泵运行状态的反馈，阀门、泵运行的控制6。（1） 模拟量信号，水处理系统中涉及到模拟量信号主要有两类。一类是各种变送器采集到现场信号，这类信号主要有：流量记信号，储水池位信号；另一类是阀门阀位的反馈信号。（2） 为了能准确的了解到各个阀门和泵的工作状态，因此系统设计了将各个阀门和泵的工作状态作为输入信号给 PLC,每个虑池有两个电动阀可以返回各自的工作状态，每个电动阀有两个点表示开状态和关状态。（3） 每个滤池共有六个电磁阀可以控制输出，在系统工作过程中必须连续的采集各个传
13、感器信号，并根据控制要求对各个滤池的电磁阀进行控制。经过分析可知，其优点是水系统简单，能处理大量的污水，但治理的效果不是很好，不能满足受污染严重的水处理要求。方案二：选用国产的编程控制器，其污水处理程序是由华光SU-6B系列支持的指令完成的，正常工作时存放在Flash EPROM存储卡中，若要修改程序，要先将PLC设定在STOP状态下，上位机同PLC采用标准的RS-232串口通信，连接很方便。具体的操作流程（1）进水 进水阀打开，污水通过粗格栅过滤，经过水泵，然后细格栅过滤到达SBR池。（2）反应 进水到一定液位后，停止进水，空气阀门打开，鼓风机启动，开始曝气，同时潜水搅拌器和回流污泥泵运行。
14、（3）沉淀 当SBR（序列间歇式活性污泥法）池停止曝气以后，空气阀门关闭，潜水搅拌器和回流污泥泵停止运行，开始重力沉淀和泥水分离。（4）排水 SBR池水位达到最高水位，并经过沉淀工艺以后，上清液由滗水器缓慢排除池外。当池水位达到处理周期开始时的最低水位时，停止滗水。剩余污泥泵在滗水器停止运行后开始运行，排泥至储泥池。图1 SBR工艺流程Fig.1 The process flow of SBR 经过对比核算，采用国产华光SU-6B系列PLC控制软件性价比较高，能够满足国内大部分污水处理的需要，因此采用第二种方案。2.2 设备控制原理该控制系统中所有设备都具有自动或手动功能。当设备处于自动工作方
15、式下时，所有设备按PLC 程序中设定的时间间隔工作。在值班室设有一个PLC控制箱，负责对所控设备状态监控及有关模拟量的采集工作。PLC 将采集SBR池内液位、总水量参数作为控制。模拟显示屏可以直接地了解格栅除污机、水泵、空气阀门、滗水器、剩余污泥池、脱水机等主要设备的工作状态。（1） 两台粗栅排污机，由时间间隔来控制其开或者停。一般开10分钟，停1小时。（2） 两台水泵，由浮球控制。当集水池处于低水位时，关闭所有泵，当水位较高时，开一台水泵；当水位高时，开两台泵；当水位很高时，发报警信号。（3） 两台细格栅由时间控制其开或停。一般开10分钟，停1小时。（4） 当有一台细格栅工作时，皮带运输机滞
16、后10秒开机。（5） SBR池内进水阀门依次开启，当1号池水位升到一定液位后关闭阀门，然后开2号进水阀门，2号池水位升到一定液位后关阀门，然后开3号阀门，依次类推。（6） 进水阀门关闭后，空气阀门开启，潜水搅拌器和回流污泥泵同时开启。曝气3小时后关闭空气阀，潜水搅拌器和回流污泥泵液随之关闭。（7） 空气阀门关闭1小时后，滗水器开始运行，当SBR液位下降到一定液位后停止运行。（8） 剩余污泥泵在滗水器停止运行后开始运行，排泥至储泥池。储泥池液位达到高液位或者1小时后停止运行。（9） 当开启1个空气阀门时，开启一台鼓风机，当开启2个或3个空气阀门时，开两台鼓风机。（10） 脱水机按水处理工艺要求工
17、作设备与其在工艺中代号的对应关系表如图所示。 表1 控制设备与其在工艺中代号的对应关系Table 1 Control quipment ing process of the code of correspondence between plans代号对应的设备代号对应的设备M1011#粗格栅除污机M1022#M2011#水泵M2022#M2033#水泵M3011#M3022#细格栅除污机M4M5011#沉砂池M5022#M6砂水分离池M7011#SBRM7022#SBR池进水阀门M7033#SBRM7044#SBR池进水阀门M8011#SBRM8022#SBR池潜水搅拌器M8033#SBRM8
18、044#SBR池潜水搅拌器M9011#SBRM9022#SBR池空气阀门M9033#SBRM9044#SBR池空气阀门M10011、M100121#SBRM10021、M100222#SBR池两个滗水器M10031、M100323#SBRM10041、M100424#SBR池两个滗水器M11014#SBRM11022#SBR池剩余污泥泵M11033#SBRM11044#SBR池剩余污泥泵M12011#SBRM12022#SBR池回流污泥泵M12033#SBRM12044#SBR池回流污泥泵M13011#鼓风机M13022#鼓风机M13033#鼓风机M14总的空气电动阀LT101集水池1#浮球开
19、关LT102集水池2#浮球开关LT103集水池3#浮球开关LT104集水池4#浮球开关LT301储泥池1#浮球开关LT302储泥池2#浮球开关LT2011#SBR池超声波液位计LT2022#SBR池超声波液位计LT2033#SBR池超声波液位计LT2044#SBR池超声波液位计FT1液体流量计FT2气体流量计AT1011#SBR池DO仪AT1022#SBR池DO仪AT1033#SBR池DO仪AT1044#SBR池DO仪M15脱水机此处已删除 图27 1#剩余污泥泵梯形图Fig.27 the ladder diagram of excess sludge pump 1#3#剩余污泥泵的助记符程序
20、为：LD T36OR I101AND I100ANDN I104ANDN T44 OUT Q36 ；开关3#剩余污泥泵LD Q36LDN I101ARMR T44 K36000所对应的梯形图如图28所示：图28 1#剩余污泥泵梯形图Fig.28 the ladder diagram of excess sludge pump 1#4#剩余污泥泵的助记符程序为：LD T37OR I103AND I102ANDN I104ANDN T46 OUT Q37 ；开关4#剩余污泥泵LD Q37LDN I103ARMR T46 K36000所对应的梯形图如图29所示：图29 1#剩余污泥泵梯形图Fig.2
21、9 the ladder diagram of excess sludge pump 1#(11)集水池液位超高报警 当集水池液位超高时，发出液位超高信号。LD I17OUT Q62 ；集水池液位超高报警所对应的梯形图如图30所示：图30 集水池超高液位报警梯形图Fig.30 set pool ultra-high level warning ladder diagram4.2.2 远程I/O程序（1）远程I/O通信程序 这段程序用来进行U-02RS模块之间通信的程序。由于本工程只有远程I/O输出量而无无输入量，所以输入点数设为KO，输出有64点，设为K64。并且只连接一个远程I/O，所以第二
22、局清零。远程I/O对应的内部寄存器输入/输出首地址分别为R40416和如R40504，如表5-2、表5-3、表5-5所示，它的助记符程序为：LD SP0LDR R40416OUTW R7404 ；输入首地址到R 7404LDS K0OUTW R7405 ；输入点数到R7405LDR R40504OUTW R7406 ；输入首地址到R7406LDS K64OUTW R7407 ；输入点数到R7407LDS K0OUTW R7411OUTW R7413 ；无第二局，将第二局清零SET M670 ；结束标志所对应的梯形图如图31所示：图31 远程I/O通信梯形图Fig.30 the ladder d
23、iagram of long-distance I/o communication(2)远程I/O输入输出程序这段程序用来在模拟屏上现实设备的运行情况，模拟屏上的二极管对应着设备的运行情况，设备运行，模拟屏上相应的二极管亮；设备停止，二极管灭。比如，输入地址I1为“ON”表示粗格栅除污泥的二极管亮。他的助记符程序为：LD I1 OUT Q100 ；1#粗格栅除污机运行LD I3OUT Q101 ；2#粗格栅除污机运行LD I11OUT Q102 ；1#水泵运行LD I12OUT Q103 ；2#水泵运行LD I14OUT Q105 ；集水池低水位LD I15OUT Q106 ；集水池高水位LD
24、 I16OUT Q107 ；集水池很高水位LD I17OUT Q110 ；集水池超高水位 LD I104OUT Q153 ；储泥池1#浮球开关LD I105OUT Q154 ；储泥池2#浮球开关LD I104OUT Q155 ；脱水机运行状态 4.2.3.模拟量输入程序对于LT201、LT203和LT204，由于进水的最大高度是3.75cm，而U-01AD的数据形式采用12位数据（范围是04095），所以采样值要经过处理，即：采样值*3750/4095。模拟量输入模块1对应的输入地址是12001237，所以其通道1对应的通道设定输入地址是1220，通道2、3和4对应的分别是1221、1222和
25、1223。模块2的通道对应的地址依次是1260和1261。模块3的通道对应的地址依次是1320、1321和1323。模拟量输入模块1的助记符程序为：LD 1220OUTW R2000 ；带LT201的数据存到R2000MULS K3750DIVS K4095 ；处理数据OUTW R2004 ；处理后的数据存到R2004LD I221OUTW R2001 ；将LT202的数据存到R2001MULS K3750DIVS K4095 ；处理数据OUTW R2005 ；处理后的数据要存到R2005LD I222OUTW R2002 ；将LT203的数据存到R2002MULS K3750DIVS K40
26、95 ；处理数据OUTW R2006 ；处理后的数据存到R2006LD I223OUTW R2000 ；将LT204的数据存到R2003MULS K3750DIVS K4095 ；处理数据OUTW R2007 ；处理后的数据保存到R2007 所对应的梯形图如图32表示：图32 模拟量输入模块1梯形图Fig.32 the ladder diagram of nalogue input module 1模拟量输入模块2的助记符程序为：LD I260OUTW R2010 ；将FT1的数据存到R2010LD I260OUTW R2011 ；将FT2的数据存到R2011所对应的梯形图如图33所示：图33
27、 模拟量输入模块2梯形图Fig.33 the ladder diagram of nalogue input moduie 2模拟量输入模块3的助记符程序为：LD I320OUTW R2010 ；将AT101的数据存到R2010LD I321OUTW R2013 ；将AT102的数据存到R2013LD I322OUTW R2014 ；将AT103的数据存到R2014LD I323OUTW R2015 ；将AT104的数据存到R2015所对应的梯形图如图34所示：图34 模拟量输入模块2梯形图Fig.34 the ladder diagram of nalogue input moduie 25
28、 污水处理的通信网络 污水处理厂自控系统一般包括污水厂部分和厂外泵站部分。监控系统通讯网络和PLC是污水处理自动化系统的核心组成部分，它们的性能对污水处理自动化系统会起到决定性的作用。根据污水处理自动化本身的特点和监控需求选择合适的PLC及通讯网络是保证污水处理自动化系统性能的重要因素。在污水处理自动化系统的结构上，国内在管理体制上主要采用三级管理，即监控总中心、区域监控分中心和监控站。由于监控站不直接对污水处理厂的外场设备进行直接监控，因此工程界按照系统结构的划分把监控系统划分为信息层、控制层和设备层。第一层为信息层，主要负责大量信息及不同厂家不同设备之间的信息传输，工业以太网Etherne
29、t为目前较常用的一种信息网络，世界各大PLC生产厂商均支持工业以太网，如欧姆龙和罗克威尔支持的Ethernet/IP，施耐德支持的Modbus-TCP/IP以及西门子支持的ProfiNet等。由于Ethernet的信息量大，因此在污水处理厂自动化系统中以太网主要用于各个控制分站与监控中心的数据传输，包括各种传感器数据等大量历史数据信息。第二层为控制层，主要采用现场总线组成隧道区域控制器网络，其特点是由于采用了标准总线组网，既能满足实时通信的要求，又具有开放协议的标准接口，能在总线上方便的挂接各种外场设备，有利于监控系统的扩展。目前，现场总线有40多种，在污水处理厂自动化系统中应用的现场总线主要
30、有Controller Link、Lon Works、Tnetrtbus、Profibus、Can和Modbus。他们的共同特点是高速、高可靠，适合PLC与计算机、PLC与PLC及其它设备之间的大量数据的高速通讯。为使系统稳定可靠，控制层的网络结构多采用环网的方式组成，包括线缆型和光纤作为传输介质。第三层为设备层，这一层用于PLC与现场设备、远程IO端子及现场仪表之间的通讯，它们有DeviceNet、Modbus以及Profibus/DP等，其中DeviceNet已经成为工业界的标准总线而得到了广泛的应用，而Profibus/DP虽然没有成为标准，但是它的应用也相当广泛。近年来以太网的广泛应用
31、使得人们把目光投向了现场总线上来，工业以太网是否最终将取代现场总线依然是一个争论的话题。然而，无论是Ethernet/IP还是Modbus-TCP/IP，以太网在一些重要的性能指标上仍然无法具有现场总线的特点和优势。从本质上讲，以太网的载波侦听冲突监测CSMA/CD的访问方式，实时性并没有现场总线采用的令牌总线和令牌环的访问方式高，不论人们采用何种方式，如协议封装、分时访问控制等，都只能改善以太网的实时性，起不到本质的改变。在当前技术还未完全成熟之前，现场总线应用与控制层，是一个积极和稳妥的选择。监控分中心及上位监控软件：监控分中心一般将设置多台SCADA工作站（工控机）。分别用于水厂调度系统
32、、加药间（加氯间）、滤站、送水泵房等监控，完成污水厂内各种设备的状态显示、自动控制、半自动控制、打印报警、分析报表等工作。同时，监控分中心还将设置多台服务器，为其他计算机提供支援和与监控总中心进行通信。6 结束语从本次设计的系统需求来看，一方面要兼顾系统稳定、可靠与可控，也要反映系统的先进、经济与可扩展，同时也要使操作便捷与维护方便；另一方面，针对不同的区域条件和功能要求确定系统的规模和冗余度的大小，确定系统的合理集成方式、系统网络的构成与拓扑结构形式以力求系统的可靠性、稳定性、先进性与经济性的有机结合；从系统的设计来看，除考虑系统的规模和设计方法外，也要考虑新技术的应用，使整个系统既先进又实
33、用；由于系统的可靠性受主控制器的制约，并不适用于全分布式现场总控线控制。采用对等的自愈网络是今后的一个发展趋势，从系统的控制来看，当前我国污水处理厂监控存在着只监不控，监强控弱的现象，各种控制信息没有得到很好利用，对于污水处理厂控制，要针对不同现象，采用不同的控制方法。今后我国的污水处理厂监控系统的发展是，在原有基础上，按照监测与控制适当分离、最大限度的集中监控、灵活机动的现场监控的总体思想，逐步改进，使得污水处理厂自动化系统的建设更趋合理。参考文献：1孙平. 可编程控制其原理及应用M. 北京：高等教育出版社，2003：45-382华成英. 电子技术M.中央广播电视大学出版社，1996:5-1
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35、BR工艺在小型污水处理厂设计中的运用J. 安徽建筑，2008:4-511赵诚，王中琪，赵丽，等. MSBR法污水处理过程中的节能分析J. 节能，2007:1112李道棠. 间歇式活性污泥法技术特点及应用J. 上海交通大学学报，1996:12-1513朱明权. 循环式活性污泥法在工业废水中的应用J. 中国给水排水，1996：4-914张大群. 王秀朵.SB工艺新DAT-IAT法及新型滗水器J. 中国给水排水，1996:26-2815吴卫国. 连续进水、恒水位的改进型SBR系统J. 中国给水排水，2001:1-516Budeanu C I. Puissances et fictives .Buch
36、arest,Roman is: Inst. Romain de 1Engergie,192717Bis warupDas.Suitable configuration of ASVC for power transmission application.Electric Power Systems Research.1999,49 18许劲.关于城市污水处理厂设计的若干问题讨论.给水排水，2001，27(7):1518 19何献忠.工业污水处理的PLC控制应用.机电产品开发与创新.2004,17(1):77-7820吴凛云,叶献方.基于PLC的SBR法污水处理控制仪.石油仪器.2002,16(5):13-14致 谢本次毕业论文的设计我非常感谢的导师XXX老师。她为人随和热情，治学严谨细心。在闲聊中她总是能像知心朋友一样鼓励你，在论文的写作和措辞等方面她也总会以“专业标准”严格要求你，从选题、定题开始，一直到最后论文的反复修改，刘老师始终认真负责地给予我深刻而细致地指导，帮助我开拓研究思路，精心点拨、热忱鼓励。正是刘老师的无私帮助与热忱鼓励，我的毕业论文才能够得以顺利完成，谢谢刘老师。本次论文设计，总的来说收获了很多，特别是学会了PLC的基本原理，很有成就感。
