工业污水处理自动控制系统(毕业设计论文)

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工业污水处理自动控制系统

摘 要

近年来,污水处理厂已成为各个城市最重要的基础设施之一。尤其是中小城市,新建或扩建污水处理厂已成为当地改善人民生活水平的头等大事。随着自动化技术、计算机技术的不断发展、完善,污水处理厂的自动化水平也相应提高。而PLC控制器以其技术成熟、通用性好、可靠性高、安装灵活、扩展方便、性能价格比高等一系列优点，在工业控制中得到了越来越广泛的应用。本文主要介绍了污水处理厂自动控制系统的组成、功能及如何利用PLC实现自动控制,并介绍了在系统实施中遇到的若干问题及其解决措施。在污水处理中采用PLC控制系统改造后，提高了自动控制的可靠性,不仅减轻了工人的劳动强度,而且提高了污水处理厂的运行效率和运行效益,实现了污水厂生产管理的科学性。

关键词：PLC；污水处理；硬件

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Industrial wastewater treatment automatic control system

Abstract

In recent years, sewage treatment plant has already become one of the most important infrastructures in every city, and especially in small and medium-sized ones, to build and expand such plants has been on the local governments’ top agenda to improve peoples’ life. With the development and improvement of automation technique and computer technology, automation level of sewage treatment plants has also made a corresponding leap. While PLC has series of merits such as: mature technique, fine universal property, high reliability, flexible to install, convenient to expand, excellent cost performance, etc, which have enabled it gain a more and more widespread application in industrial control. This paper will mainly introduce the composition and function of the automatic control system in sewage treatment plants and several problems that may occur in the practical use of the system and the possible solutions to them. Since the transformation by employing PLC control system in sewage treatment, the reliability of automatic control has been advanced, which has not only reduced workers’ work intensity, but also improved the operational efficiency of the sewage treatment plants, thus has made the scientific administration of manufacturing in sewage treatment plants possible.

Key words: PLC;Sewage treatment;Hadware

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目录

摘 要............................................................................................................................ I ABSTRACT .................................................................................................................. II 第一章绪论.................................................................................................................... 5 1.1工业污水处理的国内外现状 ............................................................................. 6 1.2课题的背景 ......................................................................................................... 6 1.3研究目的和意义 ................................................................................................. 7 第二章 工业污水处理控制系统工艺流程的介绍...................................................... 9 2.1工业污水处理基本概念 ..................................................................................... 9 2.2常用的工业污水处理工艺 ............................................................................... 10 2.3本设计系统工业污水处理工艺及描述： ....................................................... 12 2.4工业污水处理系统控制形式 ........................................................................... 13 2.5工业污水处理系统的功能要求 ....................................................................... 14 2.5.1信号输入 .................................................................................................... 15 2.5.2控制输出信号 ............................................................................................ 15 第三章 硬件设备配置................................................................................................ 16 3.1主要组成部分 ................................................................................................... 16 3.2电气控制系统 ................................................................................................... 17 3.3工业污水处理自动控制系统的工作原理 ....................................................... 18 3.3.1控制系统总体框图 .................................................................................... 18 3.3.2工作过程 .................................................................................................... 18 3.3.3工业污水处理系统主电路设计 ................................................................ 19 3.4 PLC的应用 ......................................................................................................... 19 3.4.1 PLC简介 ................................................................................................... 19 3.4.2 PLC选型 ...................................................................................................... 22 3.4.3 PLC的I/O资源配置 .................................................................................. 23 3.5其他硬件的选型 ............................................................................................... 25

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3.5.1电动机的选型 ............................................................................................ 25 3.5.2.接触器的选型 ............................................................................................ 27 3.5.3时间继电器选用 ........................................................................................ 28 3.5.4变频器的应用 ............................................................................................ 28 3.5.5液位差计 .................................................................................................... 32 3.5.6软启动器的应用 ........................................................................................ 33 第4章 软件系统设计.............................................................................................. 38 4.1总体流程设计 ................................................................................................... 38 4.1.1手动模式 .................................................................................................... 38 4.1.2自动模式 .................................................................................................... 39 4.2曝气过程控制的任务 ....................................................................................... 45 4.3氯气投加环节 ................................................................................................... 46 4.4絮凝剂投加环 ................................................................................................... 46 4.5 PID控制 ............................................................................................................. 47 4.6 PLC和变频器，软启动器通讯 ......................................................................... 48 第5章 调试和运行结果.......................................................................................... 49 5.1硬件系统的调试 ............................................................................................... 50 5.2软件系统的调试 ............................................................................................... 50 5.3运行结果 ........................................................................................................... 51 结论.............................................................................................................................. 53 参考文献...................................................................................................................... 54 致谢.............................................................................................................................. 55

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第一章绪论

水与人的生活息息相关，特别在现代社会生活及生产中人们对水的需求量与日俱增。然而，水资源是有限的。据报道我国人均拥有淡水量为2400吨，为世界平均值的1/4，在全球149个国家（参与统计国家中），我国人均淡水资源位居110位，属于淡水资源贫乏的国家。而且我国水资源时空分布极不均衡，全国500多个城市缺水，其中多个严重缺水，北方地区缺水现象尤其严重，人均拥有淡水量仅有240吨。令人担忧的是淡水总量日益减少，用水成本不断升高，淡水的浪费非常严重。我国北方地区水资源的超采，己形成漏斗地势、水位下降、湖泊干涸、河水断流、生态恶化。淡水资源的短缺己经成为我国急需解决的问题【1】。

我国淡水资源不断减少，而且污染现象较为严重。随着社会的发展，水资源已经成为影响工业发展的重要因素，现代工业中生产工艺和设备对水质要求越来越高。但是我国工业用水耗费高，重复利用水少，中水使用率不高，有关资料显示，我国的工业用水重复利用率平均为40%~50%【2】。目前全国城市废水的处理率（达排放标准的）仅有10%左右，其余的污废水都直接排入河川、湖泊、海洋。耗水量高、重复利用率低、污染严重是我国工业系统水资源利用的突出问题。严重的环境污染使有限的水资源日益减少、水质日益恶化，无疑是“雪上加霜”。据统计，由于水质污染，我国已有大约3亿人的饮水发生不安全现象，其中1.9亿人的饮水是超标水。气象学家预测，2100年全球变暖加剧，地表将有1/3的面积变为沙漠，那时，干旱将威胁全球一半的人类的生存【3】。这些现象都是水污染产生的严重后果，因此工业污水处理项目的实施已经刻不容缓。众多迹象表明，水资源的短缺无疑将成为制约经济持续协调发展的瓶颈，因此世界各国越来越重视水处理和水的再利用，通过各种技术进一步提高供水质量，提高经济效益。并且工业污水处理过程中，经过厌氧和好氧处理，污水中的热量、沼气等再生能源可以为工业生产提供二次能源，真正实现变废为宝、循环经济的目的。随着环境保护的呼声越来越高，工业污水处理已经体现出其必要性和紧迫性，对于各种污水进行处理后排放成为各企业基本的要求。在工厂的工业污水处理过程中，污水来源的不稳定以及工厂中各种污水的成分的复杂性，对工业污水处理的工艺和控制方式提出了非常高的要求。

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1.1工业污水处理的国内外现状

我国工业污水处理大多经历了以下几个过程20世纪70年代初全国各地陆续建立了“三废治理”和环境保护机构开始了工业污水治理工作与“三同时”（即一切企业，事业单位在进行新建，改建和扩建时，其防止污染和其他公害的设施，必须与主体工程同时设计，同时施工，同时投产）的要求，特别是80年代以来至90年代初，水污染防治法规和标准逐步完善，建设项目环境影响评价，排污收费，排污许可证，限期治理等环境管理制度相继建立，更加速了工业污染治理进程。几十年来全国共投资370多亿元，修建了44861套工业废水处理装置，处理废水能力达到6520万立方米每日，占全国工业污水污染源约60%【4】。在工业产值翻了两倍的情况下，全国工业废水的：酚酞，氰化物，汞，砷，络，镉，铅等其中有害物质的排放量，分别下降了39%—91%。90年代初期，在工业污染防治工作中，又提出了必须实行“三个转变”的方针，即从 末端治理向生产全过程控制推行清洁生产转变；从点源治理向点源治理与集中治理相结合转变；从浓度控制向浓度控制与总量控制相结合转变，从而使工业废水治理工作能够取得更大效益。

国际上，大规模的水污染治理是在第二次世界大战后，随着50年代经济的蓬勃发展带来的60年代日益严重性的环境污染而展开的。工业污水处理设施中，城市排水管线和工业污水处理厂的兴建和运行在水污染控制中发挥着骨干作用。至70年代末，美国投入了数千亿美元兴建了18000余座城市工业污水处理厂，英国、法国、德国更耗费了巨额资金兴建了7000至8000座城市工业污水处理厂

【5】

。这些工业污水处理厂的投入对国家的水体污染改善起了关键的作用，也为人

类治理水污染积累了丰富的经验。现在，这些国家的工业污水处理水平又有了进一步提高，兴建了一批具有脱氮除磷功效的设施，对水体质量改善和水环境保护起了重大的作用。

1.2课题的背景

未来10年，中国工业污水处理项目工程建设投资将超过2500亿元，其中工业污水处理设备投入约300亿元。采用先进、实用的技术改造传统工艺，在环保

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工程中广泛采用先进的自动控制技术，是推动环保产业升级，实现环保发展战略的重要环节。在这种形势下工业污水处理自动化控制系统无疑是一个具有巨大的社会效益、环境效益及经济效益的研究课题。

对于环境保护问题，明确规定所有工业污染源都必须达到排放标。其中处理过的污水还可以循环再利用，由于我国是一个水资源匮乏的国家，而且时空分布上极不均匀，许多地区和城市严重缺水。所以水资源也是一种保护。因此，从环保、注水等多方面的因素考虑，对于工业污水处理非常有必要。因此，有效的结合目前最新的工艺状况、计量自控检测仪表使用、PLC 控制系统技术，将为当前工业污水处理控制系统提供有效的自控方法。

1.3研究目的和意义

世界任何国家的经济发展，都会推进社会进步、促进工农业生产能力，使人民生活得到进一步改善，但是也随之带来不同程度的环境污染，污水也是造成环境污染的来源之一。这个污染源的出现引起了世界各国的关注，治理水污染环境的课题被列入世界环保组织的工作日程。我国是一个严重缺水的国家，虽然我国年平均水资源总最为28000 亿m2，居世界第6位，人均水资源量为2220m2，居世界第110位，已经被联合国列为世界上13个缺水国家之一。目前我国约300个城市缺水，其中严重缺水城市有50个。据中国经济信息网分析统计，全国按目前正常需要，年缺水总里约为300亿～400亿立方米，因缺水造成的经济损失每年达2300亿。超过洪涝灾害。水沟的匮乏和水资源的污染，己经严重的影响了人民的日常生活，严重的影响了我国的经济建设和发展。因此建设符合我国国情的污水厂自动控制系统对降低工业污水处理成本、改善环境、建立可持续发展社会和和谐社会、保持我国经济高速发展具有重要意义。 课题主要设计的内容

本课题主要设计的内容是工业污水处理工艺及工业污水处理系统的组成和PLC控制系统设计,主要由以下内容组成：

（1）介绍了工业污水处理的基本内容，包括工业污水处理的发展现状以及工业污水处理的工艺流程；

（2）介绍了PLC的基本结构和工作原理，并对工业污水处理控制系统进行

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设计分析；

（3）具体分析设计工业污水处理的硬件系统； （4）具体分析设计工业污水处理的软件系统； （5）工业污水处理系统的调试与运行。

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第二章 工业污水处理控制系统工艺流程的介绍

2.1工业污水处理基本概念

城市污水、生产污水或经过工业企业局部处理后的生产污水，往往都排入排水系统。这些污水除含有碳水化合物、蛋白质、氨基酸、动植物脂肪、尿素、氨、肥皂和合成洗涤剂等物质外，还含有细菌、病毒等使人致病的微生物。经处理后的污水，最后出路有三种：①排放水体；②灌溉田地；③重复使用。

污水的污染物按化学成分，污水中的污染物质可分为无机性和有机性两大类，无机污染物有矿粒，酸，碱，无机盐类，氮磷营养物及氰化物，砷化物和重金属离子等。有机物的污染物有碳水化合物，蛋白质，脂肪及农药，芳香族化合物，合成聚合物等。

在污水中有大量的有机物其中一部分在水体中因微生物的作用而进行好氧分解，在微生物的作用下，借助微生物的新陈代谢功能而降解为无机物，如二氧化碳、水、根离子等稳定的无机物。进行好氧分解时水中溶解氧降低，甚至完全缺氧。在无氧是进行厌氧分解，放出恶臭气体，水体变黑，是水中生物灭绝。有机物的种类很多，其共性是在微生物的作用下被降解时，都要消耗水中的溶解氧，所以在工程实际中，采用以下的几个综合污染指标来表述：生物化学需氧量或生化需氧量（Bio-chemical Oxygen Demand, BOD）mg/L、化学需氧量(Chemical Oxygen Demand, COD) mg/L、总有机碳(Total Organic Carbon) mg/L、总需氧量(Total Oxygen Demand) mg/L。

虽然BOD20。能较精确地描述污水的生化需氧量，但其测定的时间太长，需20天。考虑到好氧分解速率一般在开始的几天最快，在20℃温度下，污水五日生化需氧量(BOD5)，约占BOD20的70%～80%，因此把BOD5作为衡量污染水的有机物浓度指标，工业污水的BOD5为比较大有的高达数千mg/L。化学需氧为量(COD)—即高温，有催化剂及强酸环境下，强氧化剂氧化有机物所消耗的氧量，单位为mg/L。对于同类污水化学需氧量一般高于生化需氧量。其特点是能够精确的表示污水中有机物的含量，并且测定时间短，但它不能像BOD那样表示出微生物氧化的有机物量。

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2.2常用的工业污水处理工艺

污水处理任务是采用各种方法和技术措施将污水中所罕有的各种形态的污染物分离出来或将其分解，转化为无害和稳定的物质使污水得到净化， 不同的工业污水处理对象，不同的工业污水处理环境，将需要有不同的工业污水处理工艺来处理。因此，在选择工业污水处理工艺的时候必需要认真考虑当地污水的情况，以及实际的工业污水处理的环境。

工业污水处理的方法主要有物理、化学、物理化学，以及生物等几种。这些方法根据实际情况，可以单一使用，也可以针对不同的污水混合使用。目前，工业污水处理的方法一般以生物处理法为主，辅以物理处理法和化学处理法。常用的工业污水处理工艺有以下几种。

（1）传统活性污泥法。传统活性污泥处理法是一种最古老的工业污水处理工艺，其工业污水处理的关键组成部分为曝气池与沉淀池，主要处理部分关系框图如图2.1所示。

曝气池 原污水 （微生物吸附有机物氧化为沉淀池 （活性泥下沉） 清水排出 回流活性泥 图2.1 传统活性污泥法工艺流程图

将空气连续鼓入含有大量溶解有的有机物在曝气池中，经一段时间，水中即生成繁殖有大量好氧性微生物的絮凝体——活性污泥，活性污泥能够吸附污水中的大部分有机物，生活在活性污泥上的微生物以有机物为食料，获得能量，有机物在曝气池中被氧化成无机物，然后在沉淀池中经过沉淀后的部分活性泥需要回流到曝气池中。该工艺的优点有：有机物去除率高，污泥负荷高，池的容积小，耗电省，运行成本低。该工艺的缺点有：普通曝气池占地多，建设投资大，满足国家标准相关指标范围小、易产生污泥膨胀现象，磷和氮的去除率低。

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（2）A/O法。A/O法是在传统活性污泥法的基础上发展起来的一种工业污水处理工艺，其中A代表Anoxic（缺氧的），O代表OXIC（好氧的）。A/O法是一种缺氧----好氧生物工业污水处理工艺。该工艺通过增加好氧池与缺氧池所形成的硝化----反硝化反应系统，很好的处理了污水中的氮含量，具有明显的脱氮效果。但是此硝化----反硝化反应系统需要得到很好的控制，这样就对该工艺提出了更高的管理要求，这也成为了该工艺的一大缺点。其工艺流程图如下：

图2.2 A/O法工艺流程图

（3）A2/O法。A2/O法也是在传统活性污泥法的基础上发展起来的一种工业污水处理工艺，其中A2，即A-A，前一个A代表Anaerobic（厌氧的），后一个A代表Anoxic（缺氧的）；O代表（好氧的）。A2/O是一种厌氧—缺氧—好氧工业污水处理工艺。A2O法的除磷脱氮效果非常好，非常适合用于对除磷脱氮有要求的工业污水处理。因此，在对除磷脱氮有特别要求的城市工业污水处理厂，一般首选A2/O工艺。其工艺流程图如图2.3所示。 进水 厌氧池（A） 缺氧池（A） 好氧池（0） 混合液回流 活性污泥回流 图2.3 A2/O法工艺流程图

出水

二沉池 （4）A/B法。A/B法是吸附生物降解法的简称，属超高负荷活性污泥法，该工艺没有初沉淀，将曝气池分为高低负荷两段，并分别有的沉淀和污泥回流系统。高负荷段停留时间约为20~40min，以生物絮凝吸附作用为主，同时发生不完全氧化反应，去除BOD达50%以上。B段与常规活性污泥法相识，负荷

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较低。AB法中A段效率很高，并有较强的缓冲能力。B段起到出水把关作用，处理稳定性较好。对于高浓度的工业污水处理，AB法具有很好的适用性，并有较高的节能效益。尤其在采用污泥消化和沼气利用工艺时，优势最为明显。但是，AB法污泥产量较大，A段污泥有机物含量极高，因此必须添加污泥后续稳定化处理，这样就将增加一定的投资和费用。另外，由于A段去除了较多的BOD，造成了碳源不足，难以实现脱氮工艺的要求。对于污水浓度低 的场合，B段也比较困难，也难以发挥优势。

总体而言，AB法工艺较适合于污水浓度高，具有污泥消化等后续处理设施的大中规模的城市工业污水处理厂，且有明显的节能效果，而对于有脱氮要求的城市工业污水处理厂，一般不宜采用。

（5）SBR法。SBR法是歇式活性污泥法的简称，污水流至单一反应池中，按时间通过程序控制各过程。在反应池的一个工作周期，运行程序依次为进水，反应，沉淀，出水和待机等过程，也是一种按间歇曝气方式来运行的活性污泥工业污水处理技术，又称序批式活性污泥法。其反应机理及去除污染物的机理与传统的活性污泥法基本相同，只是运行操作方式不尽相同。SBR法与传统的水处理工艺的最大区别在于它是以时间顺序来分割流程各单元，以时间分割操作代替空间分割操作，非稳态生化反应代替生化反应，静置理想沉淀代替动态沉淀等。整个过程对于单个操作单元而言是间歇进行的，但是通过多个单元组合调度后又是连续的，在运行上实现了有序和间歇操作相结合。该法适用于中小水量和出水水质要求较高的场合，有利于自动化控制；通过对运行的调整，该池可进行除磷脱氮和化学处理有利于污水回用。

2.3本设计系统工业污水处理工艺及描述：

进入污水处理厂的原污水先通过格栅在这里按照格栅两端的水位差，水位差到一定高度的时候格栅开启电动机开始启动，一般设置机械格栅除污机，去除污水中的悬浮物。然后经过沉淀池;是预先沉降分离去除污水中的砂粒，以保护管道、阀门、机泵等设施免受磨损和阻塞，否则会影响后续处理设备的正常运行经过沉砂池的污水进入提升泵房，有五台排污泵，三台启动两台备用，按照水位的高低和运行时间的累计启停排污泵，主要的作用是利用排污泵将提升到较高的

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位置进行处理以免污水回流，经过提升泵房的污水进入初次沉淀池，在这里通过重力沉降去除污水中的悬浮物，残留的可沉淀的并去除液面浮渣，同时去除一部分有机污染物。经过初次沉淀池的污水流入到曝气池中，曝气池中利用微生物进行生物处理，要促进有机物化合物分解为最终的无机物，为此需要大量的活性污泥和提供微生物繁殖的足够氧气，促使有机物降解，在曝气池中禁止有死角存在，经过曝气处理后的污水进入到二次沉淀池，二次沉淀池是分离水和活性污泥的构筑物，在这里靠旋转刮泥桥将沉淀的活性污泥刮入中心泥斗中，这些活性污泥大部分送至曝气池中(回流污泥)另一部分剩余的污泥送到浓缩池中进行浓缩。在二次沉淀池中还要做一项工序是进行酸碱中和。经过二次沉淀池的污水就比较比较干净的了，就进入接触池，接触池的作用是取样间，取出一些水进行化验取样，检验是否达标。然后进入加氯加药间，进行最后的一层消毒就可以回收利用了。 本工业污水处理工艺流程图如下图2.4所示：

格栅 沉砂池 提升泵 初次沉淀池 回用水 污泥回收利用 污泥处理回用 加氯间接触池 二次沉淀池 曝气池 图2.4 工艺流程图

2.4工业污水处理系统控制形式

20世纪60年代以前流水线的自动控制系统基本上都采用传统的继电器控制，但随着电子技术的飞速发展，控制要求的不断提高，继电器控制需要经常的重新设置和安装从而延缓了控制系统的时间，所以人们就想能有一种通用性和灵活性较强的控制系统来替代原有的机电控制系统，，取而代之的是DCS、现场总线控制、PLC等控制方。

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（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，其特点去下：可靠性高，应用灵活使用方便，面向控制过程的编程语言，容易掌握，易于安装，调试，维修，网络功能强大，体积小重量轻。

2.5工业污水处理系统的功能要求

工业污水处理系统的主要功能是完成对城市污水的净化的作用，将城市中排除的污水通过该系统处理后，输出符合国家标准的水质。长期以来，工业污水处理技术虽然经过了迅速发展，但仍滞后于城市发展的需要，工业污水处理率低、设备运转率低等极大地影响了城市发展。为实现工业污水处理技术的简易、高效、低能耗的功能，并且实现自动化的控制过程，采用PLC作为核心控制器是个较好的方案。

PLC作为工业污水处理系统的控制系统使得设计过程变得更加简单，可实现的功能变得更多。与各类人机界面的通信可完成PLC控制系统的监视，同时使用户可通过操作界面功能控制PLC系统。由于PLC的CPU强大的网络通信能

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力，使得工业污水处理系统的数据传输与通信变得可能，并且也可实现其远程监控。

利用PLC作为控制器的工业污水处理系统主要涉及两个方面：一是信号输入；二是控制输出信号。

2.5.1信号输入

工业污水处理系统信号输入检测方面主要涉及四类信号的监测，主要包括：按钮的输入检测、液位差的输入检测、液位高低的输入检测，二沉池中酸碱度的检测

（1）按钮输入检测。大多数为人工方式控制的输入检测，主要有自动按钮、手动按钮、格栅机启动按钮、清污机启动按钮、潜水泵启动按钮、潜水搅拌机启动按钮、污泥回流泵按钮、曝气机工频、变频按钮，以及变频加速减速按钮等。

（2）液位差输入检测。检测格栅两侧液位差，用来控制清污机的启动与停止。

（3）液位高低输入检测。检测进水泵房和污泥回流泵房中液位的高低，用来控制潜水泵或污泥回流泵的启动和停止，以及投入运行的潜水泵的数量。

（4）酸碱度的检测。当污水中含有酸性或碱性物质时，就会使水中的酸碱性不平衡，从而改变水中生物的生活环境，导致水中生物大量灭绝。若用这种水进行灌溉，就会使作物枯萎、死亡。所以必须调整去PH值，由PH值量计测量污水的酸碱值，控制加酸阀、加碱阀进行中和作业。

(1)若为酸性时，PH值量计酸性触点接通，加碱阀门打开。 (2)若为碱性时，PH值量计碱性触点接通，加酸阀门打开。

(3)若酸碱适中时，PH值量计中性触点接通，加碱阀和加酸阀门关闭，安全灯打开。

2.5.2控制输出信号

信号输出部分主要是数字量输出。控制各类设备的启动和停止，包括：格栅机启停、清污机启停、潜水搅拌器启停、排污泵的启停，阀门等设备。

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第三章 硬件设备配置

随着我国的污水处理工艺的超常规建设速度发展，污水处理厂的机械设备也在不断地发展和提高，污水处理厂的设备分为两种即通用机械设备和专用机械设备，通用机械设备指的是水泵类，阀门类，风机类等，专用机械设备是水工业设备自身研制的重点，主要有：拦污机械设备，除砂和沉淀池刮吸泥机械设备，曝气和搅拌设备，投药和消毒设备，污泥浓缩和脱水设备，污泥消化和沼气利用设备。对于不同的结构，其配套的设备也有较大的不同，所以其结构比较复杂，不同的结构对应不同的控制系统，因此需要根据不同的结构特点设计相应的控制系统。

3.1主要组成部分

工业污水处理系统的结构比较复杂，设备较多，在氧化沟中其控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，其基本组成如图3-1所示。

图3.1 工业污水处理系统基本组成示意图

(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，进水泵房主要有五台潜水泵组成。进水管道的主要功能是将污水中的粗大物体排除，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和其几台泵的运行时间决定的，当液位到达一定高度的时候先启动运行时间最短的一台泵，经过一定的

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延时再启动在剩下的四台里面运行时间最短的一台泵，在经过一点时间启动第三台泵。水为到达指定的最小液位时，运行时间最长的一台泵先停机，经一定的延时后另一台泵再停机1经过一定时间另一台在停机 。

(2）除砂系统。除砂系统主要由沉砂池组成，沉砂池的主要设备是分离机。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）曝气池系统。在活性污泥法处理系统中微生物生化需要的氧量需通过曝气的方法，使空气和污水强烈的搅动，并将空气中的氧溶于水中，因此曝气过程是活性污泥法的中心环节，也是在污水处理过程中耗能最大的工序，曝气方法可分为鼓风曝气和机械曝气，。目前活性污泥法工艺中采用鼓风曝气设备较为普遍，鼓风曝气是将带有一定压力的空气通过曝气扩散器送至曝气池混合液中。主要设备有鼓风机及曝气扩散器（曝气器）。

(4）沉淀系统。沉淀系统主要设备为刮泥机，其功能是对进行曝气池处理后的污水进行物理沉淀，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，主要用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。在沉淀系统的持有做个酸碱中和处理使污水中的酸碱度得到酸碱平衡。

(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。

3.2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。由于在该系统中需要检测较多的数字输入量，根据设定的程序进行数据处理后，输出控制信号，因此系统的控制逻辑与时序就需要严格照检测信号的输入进行控制。

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(1）操作面板。操作面板主要包括手动、自动、各类设备的启动按钮等。 (2）显示面板。显示面板由于要显示较多的数据，因此一般采用触摸屏或者人机界面。

(3）电气控制柜。电气控制柜是电气控制的核心设备，主要包括变频器、各类传感器的输入信号、PLC及其扩展模块等。

3.3工业污水处理自动控制系统的工作原理

3.3.1控制系统总体框图

工业污水处理系统的电气控制系统总框图如图4-2所示，PLC为核心控制器，通过检测操作面板按钮的输入、各类传感器的输入，以及相关模拟量的输入，完成相关设备的运行、停止和调速控制。

手动控制运行 液位差计输入 液位传感器输入 格栅机启动 排污泵启动 可编程控制器 PLC 格栅机停机 故障信号输入 排污泵停机 PH测试计 显示面板 酸碱阀运行

图3.2电气控制系统框图

3.3.2工作过程

在手动状态下，各类设备的控制是根据操作面板上的按钮输入来控制，无逻辑控制，即可不根据传感器的状态进行控制。在自动方式下进行闭环控制根据检

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测到外部传感器的输入数据经过一定的处理输出对设备进行启停控制的信号而对各设备进行启停控制，其工作过程如下。

(1）接通电源，启动自动控制方式，启动搅拌机，

(2）当格栅两端的液位差到达设定值时，格栅机启动，清污机也启动，运行一段时间，如果液位差到达指定的最小值是格栅机停止，清污机停止。

(3） 进水泵房中的潜水泵根据液面高低和运行时间进行运行、停止及运行数量的控制。

(6）酸碱阀的开启和关闭按照测试的酸碱程度进行控制 (7）污泥回流泵的运行与停止根据液面的高低进行控制。

3.3.3工业污水处理系统主电路设计

图3-3为工业污水处理系统的主电路及控制回路的部分图。五台电机分别为排污泵（M1）（M2）（M3）（M4）(M5)。M1、M2，M3为用软启动器启动，然后分别用继电器KM1，KM2 ,KM3控制；接触器,,KM4,KM5分别控制M4,M5的变频运行；QF1、主电路的空气开关；FU1为主电路的熔断器。选用的MM430变频器是用来控制电,M4,M5的变频运行。QF2，QF3，QF4，分别为软启动的隔离开关，QF5为变频器的空气隔离开关。

3.4 PLC的应用

3.4.1 PLC简介

以往的顺序控制器主要由继电器组成，由此构成的控制系统都是按预先设定好的时间或条件，顺序的工作，若要改变控制的顺序就必须改变控制器的硬件接线，使用起来不灵活，也很麻烦。1968年，美国最大的汽车制造商—通用汽车公司（GM公司）为了适应生产工艺不断更新的需求，要求寻找一种比继电器更可靠，功能更齐全，响应速度更快的新型工业控制器，并从用户角度提出了新一代控制器应具备的十大条件，立即引起了开发热潮。这十大条件是： （1）编程方便，可现场修改程序； （2）维修方便，采用插件式结构； （3）可靠性高于继电器控制装置； （4）体积小与继电器控制盘；

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（6）成本可与及电气控制盘竞争； （7）输入可为市电；

（8）输出可为市电，容量要求在2A以上，可直接驱动接触器等； （9）扩展时原系统改变最少； （10）用户存储器大于4KB。

1969年，美国数字设备公司（DEC公司）研制出了第一台可编程器PDP—14，在美国通用汽车汽车公司的生产线上试用成功，并取得了满意的效果，可编程器自此诞生。

早期的可编程器主要由分立元件和中小规模集成电路组成，它采用一些计算机技术，但简化了计算机的内部电路，对工业现场环境适应较好，指令系统简单，一般只具有逻辑运算的功能。随着微电子技术和集成电路的发展，特别是微处理器和微计算机的迅速发展，至二十世纪70年代中期，美，日德等国的一些厂家在可编程控制器中开始更多的引入微机技术，微处理器，及其他大规模集成电路芯片成为其核心部件，使可编程器的性能价格比产生了新的突破。现在的可编程器采用微处理器（CPU）,只读存储器（ROM）随机存储器（RAM）或是单片机作为其核心近年来可编程器的发展更为迅速。PLC未来的发展不仅依赖于对新产品的开发，还在于PLC与其他工业控制设备和工厂品的开发，还在于PLC与其他工业控制设备和工厂管理技术的综合。无疑，PLC在今后的工业自动化中将扮演重要角色。

可编程器（Programmable Controller）缩写为PC为了与个人计算机相区别把可编程控制器缩写为PLC。

PLC一直在发展中，因此直到目前为止还未能对其下最后的定义。 IEC（国际电工委员会）与1987年对可编程控制器下的定义为：可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专用工业环境下应用而设计；它采用一种可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算，顺序控制，定时，计数和算术操作等面向用户的指令；并通过数字式或模拟式输入输出控制各种类型的机械或生产过程。PLC及其外部设备，都按易于工业控制系统联成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。

现代工业生产多种多样，他们对控制的要求也各不相同，PLC由于具有以下

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特点而深受欢迎

（1）可靠性高，抗干扰能力强； （2）适应性强，应用灵活； （3）编程方便，易于使用；

（4）控制系统设计，安装，调试方便； （5）维修方便，维修工作量小； （6）功能完善。

PLC的类型多，型号各异，各生产厂家的规格也各不相同，如何进行分类存在不少困难，一般按以下原则考虑：按I/O点容量分PLC可分为小型机，中型机和大型机。按照结构形式可以分为整体式结构和模块式结构。

小型PLC输入输出总点数一般在256点以下，其功能以开关量控制为主，用户程序存储器容量在4K字以下，小型PLC的特点是体积小，价格低，适用于控制单台设备，开发机电一体化产品。典型的小型机有SIEMENS公司的S7-200系列，OMRON公司的C200H系列，三菱F-40,MODICONPC-085等整体式PLC产品。

中型PLC的输入输出总点数一般在256-2048点之间，用户程序容量达到2-8K字，中型PLC不仅具有开关量和模拟量的控制功能，还有更强的数字计算能力，它的通讯功能和模拟量处理能力更强大，适用于复杂的逻辑控制系统以及连续生产过程控制场合。典型的中型机有SIEMENS公司的S7-300系列，OMRON公司的C200H系列，AB公司的SLC500系列模块式PLC等产品。

大型PLC的输入输出总点数在2048点以上，用户程序存储容量达到8-16K字，它具有计算，控制和调节的功能，还具有强大的网络结构和通讯联网能力。它的监视系统采用CRT显示，能够表示过程的动态流程。大型机适用于设备自动化控制，过程自动化控制和过程监控系统。典型的大型PLC有SIEMENS公司的S7-400，OMRON公司的CVM1和CS1系列AB公司的SLC5/05系列等产品。

整体式结构的又叫单元式或箱体式，它的体积小，价格低，小型PLC一般采用整体式结构，整体式结构的特点是将PLC的的基本部件，如CPU模块，I/O模块和电源等紧凑的安装在一个标准的机壳内，组成PLC的一个基本单元或扩

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展单元。基本单元上没有扩展端口，通过扩展电缆与扩展单元相连，已构成PLC不同的配置。

模块式结构的PLC是由一些模块单元构成，将这些模块插在框架上或者基板上即可。各模块的功能是的，外形尺寸是统一的，插入什么模块可根据需要灵活配置。目前，中，大型PLC多采用这种结构形式。

PLC的基本组成

PLC实际上是一个工业计算机，只不过它比一般的计算机具有更强的与工业过程相连接的接口和更直接的适用于控制要求的编程语言，故PLC与计算机的组成十分相似。从硬件结构看，它也有硬件处理器（CPU）、存储器、输入输出接口、电源等，如图3.4所示

电源 输入接口处理器 输出接口 存储器

编程器 图3.4 PLC的基本组成

3.4.2 PLC选型

根据工业污水处理自动控制系统对电气控制器的功能要求，以及其复杂程度，从经济性、可靠性等方面来考虑，选择西门子S7—200系列PLC作为工业污水处理系统的电气控制系统的控制主机。由于工业污水处理电气控制系统涉及较多的输入输出端口，其控制过程相对复杂，因此采用CPU226作为该控制系统的主机。

S7-200系统CPU 22X系列PLC的CPU模块包括一个处理单元，点源以及数字I/O点，这些都被集成在紧凑，的设备中，CPU负责执行程序，以便对工业自动化控制任务或过程进行控制。输入部分从现场设备中采集信号，输

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出部分则输出控制信号，控制工业过程中的设备。

从CPU模块的功能来看，S7-200系列小型PLC发展至今，经历了两代：第一代为CPU21X它具有四种不同结构配置的CPU单元 ，另一种是CPU22X它是二十一世纪投放市场的，其速度快具有极强的通讯能力。它具有四种不同结构配置的CPU单元其分别为：

CPU221，CPU221具有6输入4输出，共计十个点的I/O,无扩展能力，有6KB程序和数据存储空间。还具有四个的30kMB高速脉冲输出端，一个RS-485通讯、编程口，具有PPI通讯协议、MPI通讯协议和自由通讯方式。它非常适合于小点数的控制系统。

CPU222。CPU222除了具有CPU221的功能外其不同在于：它具有8输入/6输出，共计14点I/O,可以扩展8路模拟量和最多个I/O，因此是更广泛的全功能控制器。

CPU224。它在CPU222的基础上使主机的输出点数增加为24点，最大扩展为168点数字量或者35点模拟量的输入和输出；存储容量也进一步增加，还增加了一些数学指令和高速计数器的数量，具有较强的控制能力。

CPU226。这种模块在CPU224的基础上功能又进一步增强，主机输入点数和输出点数增到40点，最大可扩展为248点数字量或35点模拟量；增加了通讯口的数量，通讯能力大大曾强，它可用于点数较多，要求较高的小型或中型控制系统。

综上所述根据各类CPU的功能来分析在工业污水处理系统中使用的数字量输入点和输出点都比较多，因此除了PLC主机自带的I/O外，还需要扩展一定数量的I/O扩展模块。因此在这使用CPU226为适合再加一个数字量扩展模块EM222.

在该系统中，还需要采集模拟量并利用模拟量控制的功能要求，因此需要在扩展一个模拟量输入输出扩展模块。西门子公司专门为S7—200系列PLC配置了模拟量输入输出模块EM235，该模块具有较高的分辨率和较强的输出驱动能力，可满足控制系统的功能要求。

3.4.3 PLC的I/O资源配置

根据系统的功能要求，对PLC的I/O进行配置，具体分配如下表。 数字量输入部分

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I0.0 I0.1 I0.2 I0.3 I0.4 I0.5 I0.6 I0.7 I1.0 I1.1 急停 手动或自动方式 手动格栅机运行 手动格栅机故障 手动清污机运行 清污机故障信号 手动排污泵M1运行 排污泵M1故障信号 手动排污泵M2启动 排污泵M2故障信号 I1.2 I1.3 I1.4 I1.5 I1.6 I1.7 I2.1 I2.2 I2.3 I2.4 手动排污泵M3启动 排污泵M3故障信号 手动排污泵M4运行 排污泵M4故障 手动排污泵M5运行 排污泵M5故障信号 搅拌机运行 搅拌机故障信号 液面高位传感器 液面低位传感器 表3.1数字输入量地址分配

数字量输出部分 Q0.0 Q0.1 Q0.2 Q0.3 Q0.4 Q0.5 Q0.6 Q0.7 Q1.0 Q1.1 Q1.2 Q1.3 格栅机启动接触器 格栅机停机接触器 格栅机复位接触器 清污机启动接触器 清污机停机接触器 清污机复位接触器 排污泵M1启动接触器 排污泵MI停机接触器 排污泵M1复位接触器 排污泵M2启动接触器 排污泵M2停机接触器 排污泵M2复位接触器 Q1.4 Q1.5 Q1.6 Q1.7 Q2.1 Q2.2 Q2.3 Q2.4 Q2.5 Q2.6 Q2.7 Q2.8 排污泵M3启动接触器 排污泵M3停机接触器 排污泵M3复位接触器 排污泵M4启动接触器 排污泵M4停机接触器 排污泵M4复位接触器 排污泵M5启动接触器 排污泵M5停机接触器 排污泵M5复位接触器 搅拌机启动接触器 搅拌机停机接触器 搅拌机复位接触器 表3.2数字输出量地址分配

模拟量输入部分

由于需要采集一个溶氧仪所反馈的数据，因此扩展了一个模拟量输入输出模

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块，具体I/O分配，如下表3-6所示。

表3-6 模拟量输入地址分配 输入地址 AIW0 AIW2 输入设备 格栅液面差计 PH值测量计

模拟量输出部分

在此控制系统中需要将采集回来的模拟量进行数据处理，然后，通过模拟输出口对变频器进行控制，进行控制其他设备的运行，如下表3-7所示。

表3-7模拟量输出地址分配 输出地址 AQW0 输出设备 经PID运算输出 根据控制系统的功能要求，设计出工业污水处理控制系统的硬件连线图

如图3-8所示，此控制面板上的手动控制部分主要在调试系统时使用，调试完成后基本处于闲置状态

3.5其他硬件的选型

要完成系统的控制功能除了需要PLC主机及其扩展模块之外，还需要各种传感器、接触器和变频器，各类电机等仪器设备。

3.5.1电动机的选型

电动机的选型主要确定电动机的种类，电动机的型式，电动机的额定电压，额定转速和额定功率等，选择电动机的基本原则如下：

（1）在工作过程中其额定功率应得到充分利用，要求温升高确定但不得超过的规定的允许值。

（2）电动机应满足生产机械需要的有关机械特性的要求。保证一定负载下的转速稳定，有一定的调速范围及具有良好的启动和制动性能。

（3）电动机的结构形式应满足设计提出的安装要求和适应周围的工作环境。

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电动机种类的选用

电力拖动系统是应用电动机来拖动生产机械工作的，由于生产机械种类

繁多，工艺要求不一，因而成为驱动电机的电动机的种类也很多，按电流种类分，有直流电动机和交流电动机，交流电动机又有异步电动机和同步电动机两种。异步电动机又分为笼型和绕线转子，笼型又可分为普通笼型，特殊笼型和多速电动机。从电动机的机械特性，，启动性能，调速性能，点源电动机的经济性等方面考虑用的是三相笼型异步电动机。

电动机电压等级的选用：电动机电压等级要与工厂的供电电压等级一致，

一般重、小型交流电动机的额定电压为220/380V或380/660V,大型交流电动机的是3000V,6000V及10000V高压电动机。所以选用220/380V为最合适不过了。

电动机形式的选用

电动机的安装方式：根据电动机安装要求和机械转动的要求，可选用卧式和立式。卧式电动机的转轴安装以后为水平位置，立式的转轴则为垂直地面的位置。一般情况下应选卧式的，

电动机的防护方式：电动机的结构类型还应根据其周围环境的情况来选用。按照防护方式分，电动机有开启式，防护式，封闭式和防爆式几种。开启式电动机的定子两侧和端盖上都有很大的通风口。防护式的机座下面有通风口。封闭式电动机的机座和端盖上均无通风孔完全是封闭的，防爆式电动机在封闭式的基础上制成隔爆型，机壳有足够的强度，适应于易燃易爆气体的环境。在此设计中发电机常年呆在潮湿的环境于是要用防潮性很好的电动机为宜。所以选用的是普通型电动机加防潮处理的电动机。

电动机额定功率的选用

额定功率的选用必须考虑电动机的发热，过载能力及启动能力三个方面 我们工艺要求的发电机需要转动的排污泵的功率为55KW,所以发电机的负载功率PL=55KW

根据负载功率，预选电动机的额定功率为

PL.

在该工业污水处理系统中需要用到许多电动机，Y2系列三相异步电机是专为欧洲市场设计的三相异步电动机、电机出线盒置于电机机壳顶部、整机结构紧凑、外形美观大方，安装尺寸符合IEC标准，具有高效、节能、起动转矩大，

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使用维护方便等特点。主要性能有：绝缘等级：F；防护等级：IP54或IP55；电压：380V或415V；频率：50Hz或60Hz；冷却方式：IC411。

Y2系列电动机有两种设计，一种是适用于一般机械配套和出口需要，在轻载时有较高效率，在实际运行中有较佳节能效果，且具有较高堵转转矩，此设计称为Y2-Y系列。中心高63～355mm，功率从0.12~315kW。电动机符合JB/T8680.1-1998 Y2系列(1P54)三相异步电动机（机座号63～355）技术条件。 型号含义：如Y2-200L1-2Y：“Y2”表示异步电动机第二次改型设计，“200”表示中心高，“L”表示机座长短号，“1”表示铁心长度序号，“2”表示极数，“Y”表示第一种设计（可省略）。第2种设计是满载时有较高效率，更适用于长期运行和负载率较高的使用场合，如水泵、风机配套，此设计称为Y2-E系列，中心高80～280mm，功率从0.55～90kW。电动机符合JB/T8680.2-1998 Y2系列(1P54)三相异步电动机（机座号80～280）技术条件。 型号含义：如Y2-200L2-6E：“Y2”表示异步电动机第二次改型设计，“200”表示中心高，“L”表示机座长短号，“2”表示铁心长度序号，“6”表示极数，“E”表示第二种设计。

根据上述分析，选择Y2-280M-6即可满足要求。

3.5.2.接触器的选型

接触器是一种自动控制电器，它可以用来频繁的远距离接通或断开交直流电路，它不同于刀开关类的手动切换电器，因为它有手动切换电器所没有的远距离操作功能，同时又具备手动切换电器所没有的失电压保护功能。另外接触器也不同于断路器在控制系统中应用，因为它有一定的过载能力，，但却不能切断短路电流，也不具备过载保护能力。控制交流笼型异步电动机是交流接触器最主要的用途之一，在我们这个设计里所有设备是根据控制面板上的按钮情况或者根据传感器的反馈值进行动作的，因此需要PLC根据当前的工作情况，以及按钮的情况来控制所有设备的启停，在此用到了大量接触器：如格栅机接触器、清污机接触器、排污泵接触器、潜水搅拌机接触器等。在接触器的选用中又可分为交流接触器的选用和直流接触器的选用，而在交流接触器的选用当中又分为一般性任务，重要任务和特种任务，在此设计中用到的各类泵，电机及搅拌机等属于一般任务，适合选用施耐德SD-LC1-0911接触器，其额定电压220V,额定电流9A。其特点有：高标准：符合IEC60947-4-1和GB14048.4标准。长寿命：机械寿命高达2000

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万次；电寿命高达200万次。强适应性：“TH”防护处理，可以在湿热的环境中使用。宽电压：线圈控制电压在70%-120%Uc之间波动，不影响产品正常工作。强通用性：具有50Hz-60Hz通用线圈，可以全世界通用。模块化：产品本体上可以附加辅助触头，通电/断电延时触头，机械闭锁等模块。也可以很方便地组合成可逆接触器、星-三角起动器。

3.5.3时间继电器选用

当继电器的感受部分接受外界信号后，经过一段时间使执行部分动作，这类继电器称为时间继电器（time delay relay）。按其动作原理可分为电磁式，空气阻尼式，电动式，与电子式；按其延时方式可分为通电延时型和断电延时型两种。选用时间继电器要考虑下面三种因素：

（1）根据使用场合和要求来选择时间继电器类型。凡是对延时精度要求不高的场合，宜选用价格较低的空气阻尼是时间继电器。对延时精度要求较高的场合宜选用电动式或晶体管式时间继电器。电源频率波动大的场合，不宜采用电动式，温度变化较大的场合，不宜采用空气阻尼式或晶体管式。

（2）根据控制电路要求确定延时触点的延时方式，延时方式有通电延时和断电延时两大类，延时时间及瞬时动作触点的数目也要根据控制电路的要求来确定。

（3）根据控制电路确定电压等级，时间继电器线圈电压等级要和控制电路的电压相匹配。

本设计使用JS7—2A此代号的意思是J说的意思是继电器，S的意思是时间，7是设计序号，2是基本规格代号，A是结构设计改进代号，JS7—2A型时间继电器其延时范围是60S，触电点额定电流5A，触电额定电压380V，属通电延时型有一个动和一个动断触点。

3.5.4变频器的应用 变频器简介

变频器的功能是将频率固定的(通常为50Hz)的交流电变换成频率连续可调的三相交流电源。变频器的输入端接至频率固定的三相交流电，输出端输出的是频率在一定范围内连续可调的三相交流电。

变频器主要分为间接变频和直接变频两大类，而间接变频又根据中间直流环

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节的主要储能元件的不同可分为电压型和电流型。电压型变频器主回路由相控整流器，中间直流环节和逆变器三个部分组成。

相控整流器将交流电压整流为可控的直流电压，经滤波由电容Cd输出直流电压Vd，逆变器将直流Ud变换成频率可调的交流电源供给电机进行变频调速。由于中间直流环节是Cd低阻抗输出相当于是恒压源，故称电压型。

电流型交-直-交变频器与电压型变频器的差别仅在于中间直流环节中的储能元件用的是电感而不是电容。由于中间直流环节是高阻抗输出相当于电流源，故称电流型。

变频与变压(VVVF)原理

当在实际利用变频器调节电机转速的过程中，当频率f下降时，定子绕组的反电动势E有所下降，定子电流增大，但是转子侧的负载并未增加，故转子段电流不变，根据电流平衡方程可知，励磁电流比增大，因而磁通φm增大。φm增加将导致铁芯的饱和，进而引起励磁电流波形的畸变，这是不希望的结果，因此希望φm可以保持基本不变。要实现这个目标，只要在变频过程中使变频器输出电压Ul/f=const，则磁通φm可保持基本不变。因此变频的同时也要变压，常用VVVF表示。

VVVF实施的基本方法包括：脉幅调制(PAM)和脉宽调制(PWM)。 （1）脉幅调制(PAM)

实现方法就是调节频率的同时，也改变直流电压的振幅值。PAM需要同时调节两个部分：整流部分和逆变部分，两者之间还必须满足一定的关系，故控制电路比较复杂，因此比较少用。

（2）脉宽调制(PWM)

实现方法就是在每半个周期内，把输出电压的波形分割成若干个脉冲波，每个脉冲的宽度为t1，每个脉冲间的间隔宽度为t2，则脉冲的占空比Υ=tl/(t2+tl)。这时电压的平均值和占空比成正比，所以在调节频率时，不改变直流电压的幅值，而是改变输出电压脉冲的占空比，同样可以实现变频也变压的效果。PWM只需控制逆变电路便可实现，与PAM相比电路简化了许多，因此在变频调速中比较常用。

变频调速的基本原理

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（1）异步电动机的等效变换

R1X1R2X2RmIOU2RLU1R1Xm

图3.6 异步电动机的等效变换

异步电动机的电磁转矩公式：

3psr2U12Tm2f1[(sr1r2)2s2(x1x2)2]

其中：P为旋转磁场的磁极对数，S为转差率。 （2）变频调速的原理

（4.1）

异步电动机的电磁转矩是由定子主磁通和转子电流相互作用产生。异步电动机的定子主磁通是以一定的转速旋转，旋转磁场实际是三个交变磁场合成的结果。旋转磁场的转速n0=60f/p，其中f是电流频率，P是旋转磁场的磁极对数。产生转子电流的必要条件是转子绕组切割定子磁场的磁力线。因此转子的转速n1必须低于定子磁场的转速n0 (即所谓的“异步”)。两者之间的差异可由转差率表示，转差率s=( n0- n1)/n0根据n0=60f/p可知，当频率f连续可调时，电动机的同步转速n0也连续可调，而异步电机的转子转速n1，总是比同步转速略低一点，所以当n1连续可调时，n1也是连续可调。

设变频后的频率为fx，电压为Ux，电动机的额定相电压和频率为UN和fN，则有：

fx

＝

kffN （4.2） （4.3）

Ux＝

kuUN

其中kf为频率可调比，ku为电压可调比。将上述两个公式代入异步电动机的电磁转矩公式可得变频后的转矩公式：

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3psr2ku2U12Tm2kffN[(sxr1r2)2sx2kf(x1x2)2]（4.4）

其中：sx为频率为fx时的转差率。

在变频器正常工作情况下，即kf＝km<1时的机械特性如图3.7所示。

nf1 > f2 > f3 > f4n1n2f3f2f1n3f4n4oTk4Tk3Tk2Tk1TM

图3.7 kf＝km<1时的机械特性

由图4-2可知随着f的下降，临界转矩Tkx逐渐减少，电动机的带负载能力也随之下降。这无疑给变频调速带来了瑕点。而针对这种想象一般要采取电压补偿法。新系列的变频器一般都提供了设置自动转矩补偿功能。变频器可以根据电流的大小自动地决定补偿的程度。 变频器选型

该系统选用的变频器是西门子MM430变频器，具有多个继电器输出，具有多个模拟量输出（0~20 mA），2 个模拟输入：AIN1：0~10 V， 0~20 mA 和–10 至+10 V； AIN2：0~10 V， 0~20 mA，6 个带隔离的数字输入，并可切换为NPN/PNP 接线。它是一种风机水泵负载专用变频器，能适用于各种变速驱动系统，尤其是适用于工业部门的水泵和风机。该型变频器，具有能源利用率高的特点，优化了部分结构与功能，便于工作人员进行操作，实现功能强。它们具有很高的运行可靠性和功能的多样性。其脉冲宽度调制的开关频率是可选的，因而降低了电动机运行的噪声。全面而完善的保护功能为变频器和电动机提供了良好的保护。 变频器参数设置

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该工业污水处理系统中的MM430变频器是一种风机水泵负载专用变频器，能适用于各种变速启动系统，尤其适合用于工业部门的水泵和风机。该变频器，具有能源利用率高的特点，优化了部分结构与功能，便于工作人员进行操作，实现其控制功能。在此控制系统中，需要对变频器进行通信控制，因此需先对变频器的参数进行设置，主要对一下几个参数进行调整，如表3-11所示。其主要的原理图如图3.8

表3.3 变频器参数设置表

参数号 P0005 P0700 P1000 P1300 P2010 P2011 参数值 21 2 2 2 6 1 说明 显示实际频率 由端子排输入 模拟输入 可用于可变转矩负载 9600baud USS地址 电动机类型 电动机额定电压 电动机额定电流 电动机额定频率 电动机额定转速 P0300 根据具体电动机设置 P0304 根据具体电动机设置 P0305 根据具体电动机设置 P0310 根据具体电动机设置 P0311 根据具体电动机设置 表3.3 变频器参数设置表

3.5.5液位差计

对格栅机的清污机进行控制，需要监测格栅机两侧的液面差，在该系统中利用液位差计，该系统选用的超声波液位差计型号：XL60-YI4000。粗格栅安装了一台超声波液位差计，通过格栅机前后的液位差来反映格栅机阻塞程度，并传输到PLC控制器，进行分析计算。当液位差超过预设值后，控制格栅机和清污机启动，保障污水流动畅通；在液位差未超过设定值时，清污机处于停止状态，这样就可以大大减少设备损耗。

超声波液位差计精度较高，且有多种量程可供选择，其输出信号有一下三种：

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毕业设计（论文）

可编程继电器输出、高精度4～20mA模拟信号输出、RS-485通信口输出，可根据需要的信号选择输出，作为PLC的输入信号。该系统选用的超声波液位差计型号：XL60-YI4000。工作温度： -20~60℃ ，工作电压：AC220V或 DC24V，工作压力：常压，差值精度：±3mm或0.3％FS（取其较大者），重复精度：1‰，分辨率：1mm ，方 向 角：4°/ 6°（全角），工作频率：13KHz~40KHz（因型号规格而不同），信号输出：RS-485、Modbus、标准的4-20mA电流信号和多路开关量输出。采用先进的嵌入式微处理技术，使其测控仪器达到了高度的数字化和智能化。它集超声波传感器、温度补偿电路、运算主机为一体的非接触式液位差测量仪器。超声波液位差计具有精度高，寿命长，稳定可靠，安装维护方便等特点。

3.5.6软启动器的应用 软启动器简介

软启动器采用三相反并联晶闸管作为调压器，将其接入电源和电动机定子之间。这种电路如三相全控桥式整流电路，使用软启动器启动电动机时，晶闸管的输出电压逐渐增加，电动机逐渐加速，直到晶闸管全导通，电动机工作在额定电压的机械特性上，实现平滑启动，降低启动电流，避免启动过流跳闸。待电机达到额定转数时，启动过程结束，软启动器自动用旁路接触器取代已完成任务的晶闸管，为电动机正常运转提供额定电压，以降低晶闸管的热损耗，延长软启动器的使用寿命，提高其工作效率，又使电网避免了谐波污染。软启动器同时还提供软停车功能，软停车与软启动过程相反，电压逐渐降低，转数逐渐下降到零，避免自由停车引起的转矩冲击。 软启动器的分类

软起动可分为有级和无级两类，前者的调节是分档的；后者的调节是连续的。传统的软起动均是有级的，如星/角变换软起动，自耦变压器软起动，电抗器软起动等等。连续调节的主要有三种：以电解液限流的液阻软起动，以晶闸管（SCR）为限流器件的晶闸管软起动，以磁饱和电抗器（SR）为限流器件的磁控软起动。 变频调速装置也是一种软起动装置，它是比较理想的一种，它可以在限流的同时保持高的起动转矩。价格贵是制约其推广应用的主要因素。人们购置变频调速装置一般都是着眼于调速，所以，常常不把它归类于软起动装置。

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在电动机定子回路，通过串入有限流作用的电力器件实现软起动，叫做降压或限流软起动。它是软起动中的一个主要类别。高压降压软起动又是其中的一个重要类别。

（1）液阻软起动

液阻是一种由电解液形成的电阻，它导电的本质是离子导电。它的阻值正比于相对的二块电极板的距离，反比于电解液的电导率，极板距离和电导率都便于控制。液阻的热容量大。液阻的这两大特点（阻值可以无级控制和热容量大），恰恰是软起动所需要的。加上另一个十分重要的优势即低成本使液阻软起动得到广泛的应用。

液阻软起动也有缺点：

◎液阻箱容积大，其根源在于阻性限流，减小容积引起温升加大。一次软起动后电解液通常会有10°C~30°C的温升，使软起动的重复性差。

◎移动极板需要有一套伺服机构，它的移动速度较慢，难以实现起动方式的多样化。

◎液阻软起动需要维护，液箱中的水，需要定期补充。电极板长期浸泡于电解液中，表面会有一定的锈蚀，需要作表面处理（一般2至3年一次）。 ◎液阻软起动装置不适合于置放在易结冰或颠簸的现场。

近年有所谓的热变液阻软起动装置，通过液阻本身在软起动过程中的温升，借助电解液电导率与温度的正相关性实现无极板伺服机构的软起动。但是，其可行性大可质疑：它的限流器件不具备限流能力易控性，装置对使用环境温度要求高，软起动重复性差。

液阻软起动装置可以串在绕线电动机转子回路实现重载软起动，售价低廉，在软起动过程中不产生高次谐波等等，则是它突出的优点。预言它即将被淘汰，肯定是为时过早。 晶闸管软起动

晶闸管软起动产品问世不过30年左右的时间。它是当今电力电子器件长足进步的结果。10年前，电气工程界就有人指出，闸管软起动将引发软起动行业的一场。目前在低压（380伏）范围内，晶闸管软起动产品价格已经下降到液阻软起动的大约2倍。而其主要性能却大大优于液阻软起动。与液阻软起动相

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比，它的体积小、结构紧凑，几乎免维护，功能齐全，菜单丰富，起动重复性好，保护周全，这些都是液阻软起动难以望其项背的。

但是晶闸管软起动产品也有缺点。一是高压产品的价格太高，是液阻的5~10倍，二是晶闸管引起的高次谐波较严重，三是对于绕线转子异步机无所作为。在这几个缺点中，价格高是制约其发展的主要因素。对于贫者，无力选用它；对于富者，何不直接选用高压变频装置？这就是高压晶闸管软起动比较受冷落的原因。

生产高压晶闸管软起动装置的厂家主要是：Rockwell、Motortronics、Benshaw等三家国外厂家，国内据说某研究所近期会有此类产品问世。据调查，国外厂家截至2001年9月在中国的高压晶闸管软起动装置销售量仅仅为30多台。

磁控软起动

磁控软起动是从电抗器软起动衍生出来的。用三相电抗器串在电动机定子实现降压是两者的共同点。磁控软起动不同于电抗器软起动的主要点是其电抗值可控。总体说来，起动开始时电抗器的电抗值较大，在软起动过程中，通过反馈调节使电抗值逐渐减小，及至软起动完成后被旁路。

电抗值的变化是通过控制直流励磁电流，改变铁芯的饱和度实现的，所以叫做磁控软起动。因为磁饱和电抗器的输出功率比控制功率大几十倍，它也可以称为“磁放大器”。由于它不具有零输入对应零输出的特点，所以，不建议采用“磁放大器”这一词。 磁饱和电抗器有三对交流绕组（每相一对）和三相共有的一个直流励磁绕组。在交流绕组里流过的是电动机定子电流，它必然会在直流励磁绕组上感应出电势。后者会影响励磁回路的运行。用一对交流绕阻的主要原因就是为了抵消这种影响。

显然，电抗值的调节是静止的、无接触的、非机械式的。这就为微电子技术的介入打开了大门。所以，在工作原理上磁控软起动与晶闸管软起动是完全相同的。说磁控软起动能够实现软停止，能够具有晶闸管软起动所具有的几乎全部功能，其原因盖出于此。高压磁饱和电抗器在原理和结构上与低压（380伏）磁饱和电抗器没有本质区别，但是在某些方面采取了一些特殊处理。

磁饱和电抗器具有0.1秒量级的惯性，这使得磁控软起动的快速性比晶闸管

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软起动慢一个数量级。对于电动机系统的大惯性来说，磁控软起动的惯性是不足为虑的。

有人说磁控软起动不产生高次谐波。这是错误的。只要饱和，就一定会有非线性，就一定会引起高次谐波。只是磁饱和电抗器产生的高次谐波会比工作于斩波状态的晶闸管要小一些。磁控软起动装置需要有相对较大功率的辅助电源，噪声较大则是其不足之处。

软起动过程描述参数与软起动装置优劣评分项目 为了能够客观地对软起动过程以及装置做出比较和评价，提出以下15条。不言而喻，所有的比较和评价只有在电网、电动机、负载相同的条件下才有意义。 1. 软起动能否完成，以及起动（完成）时间； 2. 软起动过程中的电动机最大电流（标幺值）； 3. 软起动过程中的最大电网电压降（标幺值）； 4. 软起动过程中电动机有否机电共振等异常现象； 5. 软起动过程中电流的高次谐波含量（标幺值）； 6. 软起动装置的价格（常以单位容量的人民币表示）； 7. 软起动装置允许的连续起动次数； 8. 软起动装置占用的空间大小；

9. 软起动装置限流器件开度的易控性：调节是否平滑、快速； 10. 软起动装置对使用环境要求的裕度；

11. 软起动装置的起动重复性（相连两次软起动“过程描述参数”的守恒性）； 12. 软起动装置所提供的起动和停止方式的多样性；

13. 软起动装置所具备的对于装置本身以及电动机综合保护功能的完备性（包括过流、过载、欠相、起动超时、接地等，包括故障提示和显示、诊断、记忆等）； 14. 软起动装置在起动过程中的噪声大小； 15. 软起动装置所需要的辅助电源功率的大小。

注： 上述项目均属于“装置评分项目”，前五项属于“过程描述参数”。 2 软启动器的选用

（1） 选型：目前市场上常见的软启动器有旁路型、无旁路型、节能型等。根据负载性质选择不同型号的软启动器。

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旁路型：在电动机达到额定转数时，用旁路接触器取代已完成任务的软启动器，降低晶闸管的热损耗，提高其工作效率。也可以用一台软启动器去启动多台 电动机。

无旁路型：晶闸管处于全导通状态，电动机工作于全压方式，忽略电压谐波分量，经常用于短时重复工作的电动机。

节能型：当电动机负荷较轻时，软启动器自动降低施加于电动机定子上的电压，减少电动机电流励磁分量，提高电动机功率因数。

（2）选规格：根据电动机的标称功率，电流负载性质选择启动器，一般软启动器容量稍大于电动机工作电流，还应考虑保护功能是否完备，例如：缺相保护、短路保护、过载保护、逆序保护、过压保护、欠压保护等。

软起动器的选型根据上述要求选择了JJR型的软起动器，JJR系列全数字软起动控制器正是以先进的微处理器为核心，控制大功率晶闸管组件，具有限流起动、电压斜坡起动、软停止功能，参数均可根据负载自行设定，并具有过流、过载、缺相等多种保护。软起动装置输出电压按设定规律上升，使受控电机转矩按优化的加速曲线完成启动过程，关掉晶闸管组件后，由旁路交流接触器工作。

采用双单片机全数字自动控制；起动转矩电流、电压、时间可按负载不同灵活设定，取得最佳的电流曲线和最佳的转矩控制特性；对电动机提供了平滑的渐进的起动过程，减少起动电流对电网的冲击，降低设备的振动和噪声，延长了机械传动系统的使用寿命，并改善了工人的劳动环境；启动电流可根据负载调整，减小启起损耗，以最小的电流产生最佳转矩；软停车特性延长电气触点寿命，又满足不同场合下机械需求；具有过流、过载、过热、电源缺相保护（2000系列）；方便的外控接口具有多种功能：数字延时起动控制、瞬停控制输入、起动延时继电器输出、故障继电器输出；对输入电源无相要求；可以自由停车和软停车，软停车时间可调节；全数字设定和外控功能大大方便了用户；自带标准的RS485接口（订货协议）；0~20mA标准模拟电流输出（2000系列）；产品结构新颖、体积小、性能可靠，安装、操作使用简便；采用DSP16位单片机，具有很强的抗干扰能力，保证控制系统不受强电干扰。其主要的原理图如图3—9

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第4章 软件系统设计

西门子公司为S7—200系列PLC的编程采用STEP7—Micro/WIN32，它可以在windows平台上运行，而且提供了一个完整的编程环境，可进行离线编程和在线连接和调试，并能实现梯形图与语句表的相互转换。上面介绍了工业污水处理自动控制系统的结构、工作原理和电气控制部分的结构，硬件结构的总体设计基本完成后，就要开始软件部分的设计，根据控制系统的控制要求和硬件部分的设计情况及PLC控制系统I/O的分配情况，进行软件编程设计。在软件的设计中，首先按照需要实现的功能要求做出流程框图，其次按照不同功能编写不同功能模块，这样写出的程序条例清晰，既方便编写，也便于调试。

4.1总体流程设计

根据系统的控制要求，控制过程可以分为手动控制功能和自动运行功能。在手动控制模式下，每个设备可以单独运行，以测试设备的性能，如图4.1所示。

图4.1模式选择流程图

4.1.1手动模式

在手动模式下，可单独调试每个设备的运行，如图4.2所示。在此模式下，可以通过按钮对格栅机、清污机、搅拌机、以及各类泵进行控制，

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格栅机启停 手动控制 清污机启停 搅拌机启停各排污泵的启停加酸阀 的启停加碱阀的启停 图4.2手动操作模式流程图

4.1.2自动模式

处于自动方式时，系统上电后，按下自动启动确认后系统运行，系统开始工作，其工作过程包括以下几个方面。

（1）系统上电后，按下自动启动确认按钮，启动潜水搅拌器。 （2）启动格栅机以及清污机 （3）启动排污泵。 （4）启动酸碱中和系统 （5）启动污泥回流系统。

以上工作过程并不是顺序控制方式，而是按照PLC检测到传感器状态进行启动如图4.3所示。

在自动控制模式流程图中，调用了各个控制系统的程序，主要包括格栅

和清污机的程序、排污泵的程序、搅拌机的程序、酸碱中和系统的程序。以及污泥脱水系统程序，以下将分别介绍其中几个个子程序的工作过程。

格栅机的工作过程包括以下几个方面： （1）自动过程开始检测格栅两端的液面差，

（2）格栅两端液面差，到达指定值20cm时格栅机启动，同时启动清污机。 （3）运行时间到，再检测一次两端的液面差如果到了指定的最低值的话格栅机停机同时清污机停机运行。

粗格栅系统工作流程图如图4.4所示。

格栅机启停复 自动控制 39 清污机启停复位 毕业设计（论文）

搅拌机启停复位 排污泵的启停复位 加酸碱 阀的启动停机复位污泥回流泵的启停复位排污泵程序主要控制排污泵的运行和停止，其工作过程包括以下几个方面： （1）自动过程开始，五台排污泵按照以运行的时间顺序排列按从运行时间最少到最多排列一次为Ma, Mb ,Mc, M d, Me。

（2）检测液面高度，达到传感器的高位时候启动Ma,经过一定的延时启动Mb，再经过一定的延时启动Mc。

（3）如果Ma，Mb或Mc的一个为故障的话启动Md。 （4）如果Md为故障的话启动Me。

（5）当水位到达传感器最低位置时两个启动着的泵互相比较运行时间，运行时间多的先停机，然后另一个停机。排污泵工作流程图如图4.5所示。排污泵的按时间排列的流程图为图4.6

格栅机的控制 图4.3 自动操作模式流程图

自动过程开始？ N 转手动控制 40

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N N Y Y 两端液面 差20cm? Y 格栅机启动 Y N 清污机启动 运行时间到？ Y 液面差指定的最小值？ N Y 机 停格栅

图4.4格栅机控制的流程图

清污机停机

排污泵的控制 Y 转手动控制 N

自动过程开始？ 41

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Y N 液面到达传感器高位？ Y N 启动Md 启动电机Ma? Y N 启动Me 经过一定的延时启动Mb? N Y 经过一定的延时

图4.5排污泵工作流程图

N 启动Mc?

排列五台排污泵的控制

自动过程开始？

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Y 五台泵进行随机排列，分别为1号，2号，3号，4号，5号 1 1号和5号进行比较，较短的称为X 2号和4号进行比较，较短的称为Y 剩下的一个为Me 剩下的两个进行比较小的为M d X和Y进行比较较短的称为Z Z与3号进行比较 2号和X比较小的为Mc 1号和3号进行比较，较短的为X 运行时间较短的为Ma

1号和4号进行比较，较短的为X 2号和3号进行比较，较短的为Y 图4.6按时间排序的工作流程图

X和Y进行比较 时间较短的为Mb 另外4台重新排列，分别为1号，2号，3号，4号 除了Ma, Mb剩下的三个进行排列分别为1号，2号，3号

搅拌机的控制系统主要控制搅拌机的正反转和搅拌机的启停，

（1）自动过程开始，搅拌机启动。 （2）运行一段时间后停机，

（3）一段时间后启动，再经过一段时间后再启动其流程图如图4.7所示

搅拌机的自动控制 43 毕业设计（论文）

搅拌机启动

图4。7搅拌机的工作流程图 自动过程开始？N N 手动控制 Y Y N 运行时间到？ Y 搅拌机停机 N 到达指定时间？ Y 酸碱中和系统的主要工作就是加酸加碱阀门的打开和关闭其工作过程为： （1）自动过程开启，检测二次沉淀池的酸碱度。

（2）若为酸性时，PH值量计酸性触点接通，加碱灯亮加碱阀门打开。 (3)若为碱性时，PH值量计碱性触点接通，加酸灯亮，加酸阀门打开。 (4)若酸碱适中时，PH值量计中性触点接通，加碱阀和加酸阀门均关闭。

其工作流程图如图4.8所示

中和系统的控制 44

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污水呈中性？ 污水呈酸性？ 自动过程开始？ Y 污水呈碱性？ Y 加酸阀和加碱阀都关，指示灯灭 Y Y Y 加碱灯亮，打开加碱阀门 Y Y 加酸灯亮，打开加酸阀门

图4.8中和池工作流程图

4.2曝气过程控制的任务

工业污水处理后的水质是否达到排放标准，其中生化需氧量（BOD）和化学需氧量（COD）是重要的水质指标。BOD是指在有氧条件下，降解有机物所需的氧量。COD是指在酸性条件下，用强氧化剂将有机物氧化成CO2、H2O所消耗的氧量。BOD的测定需费时5天，且测定结果易受多种因素影响，误差较大。COD的检测比较精确，但方法繁琐，耗时约2小时。虽然有COD浓度在线检测仪可以在线检测，但仍存在滞后（30分钟左右），测量结果严重滞后于实际运行时间，不能及时反映实际情况。另外，COD检测仪的价格也较昂贵，增加了控制系统的成本。所以有必要找出简单、可行的控制参数。

在好氧反应过程中，参与工业污水处理的是以好氧菌为主体的微生物，决定其处理效果的关键因素是反应池中溶解氧的含量。为了使微生物的活动最佳化，应该使供氧量与消耗的氧量相等，或稍大一些。如果供氧量少，处理的水质和污泥的活化就要降低如果供氧量过多，污泥的沉降性差，处理水质也差，另外也不

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经济。由此可见，混合液中溶解氧浓度(DO)是好氧反应中一个重要的控制参数。如果控制曝气设备的最佳溶解氧浓度，就能使处理水质优化，也能节约动力费用，并且由于DO的在线检测简单、可靠，因此把DO作为工业污水处理过程的控制参数。

4.3氯气投加环节

氯气投加消毒效果的好坏与原水PH值、水温、浊度和接触时间有直接的关系。人工进行加氯量控制，不仅对操作工人不安全，而且投加量也难以准确控制。投加量少了，达不到杀菌消毒效果；投加量多了虽杀菌效果得到了保证，但水将呈氯臭味难以饮用，此外管道腐蚀将加剧，生产成本也上升。近年来，人工加氯逐渐被自动方式取代。

氯气投加系统具有大惯性、大滞后的特点，其过渡过程和纯滞后时间均较长，并且系统的干扰因素较多，对这样一个系统，使用一般的PID调节很难满足控制要求。为了精确控制投加的氯量，运用模糊自整定PID参数控制器对氯气投加系统进行自动控制。氯气投加自动控制系统如图4.8所示。

4.4絮凝剂投加环

在污泥脱水过程中为增加沉淀效果，使污水中悬浮颗粒能够形成具有良好沉淀性能的絮凝体，达到泥水充分分离的处理效果，需进行絮凝剂投加。其控制过程主要是通过污泥浓度、污水流量、絮凝剂浓度等因素控制来完成的。其PID调节的模糊控制过程与上述两个非线性控制环节类似，具有大时滞、非线性的特点。由于混凝过程的复杂性和多变性，混凝投药的自动控制一直受到控制行业和污水行业专家的普遍关注。

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图4.9 氯气投加自控原理图

4.5 PID控制

对于工业控制过程, 常规的 PID 控制器具有原理简单、使用方便、稳定可靠、无静差等优点，因此在控制理论和技术飞跃发展的今天，在工业控制领域仍具有强大的生命力。常规的PID控制器的描述如式（4.1）所示：

n

（4.1） U n=kpEn+ki∑Ei+KdECn i=0

其中各参数代表的意义是： Un：控制器的输出 En：控制器偏差输入 ECn：系统误差变化率 kp：比例增益 ki：积分增益 kd：微分增益

比例增益kp使控制器的输入输出成一一对应比例关系。一旦输入输出有偏差，比例作用会立即产生控制作用，比例控制是用来调节系统的静态增益的，它是基于偏差进行调节的，是有差调节。为了尽量减小偏差，同时也为了加快系统的响应速度，缩短系统的调节时间，需要增大kp值。但是因为kp值又受到系统

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稳定性的，所以kp值不能任意的增大。积分作用ki是为了消除静差而引入的。然而，ki值的引入使得系统的响应的快速性下降，稳定性变差。尤其在系统出现大偏差阶段时，积分往往使得系统的响应出现过大的超调，从而使调节时间变长。微分作用kt的作用使之能够根据偏差变化的趋势做出反应，它加快了对偏差变化的反应速度，能够有效地减小超调，缩小最大动态偏差。但是，同时又会使系统容易受到高频干扰的影响。在实际的系统设计中只有合理地整定上述三个参数，才能获得比较满意的控制氯气投加和曝气环节由于过程的复杂性、多变性、非线性和大滞后的特点，采用的PID控制算法难以实现准确和高效的控制。为此在常规的PID控制基础上，采用模糊推理的方法，对PID的控制参数进行在线自整定，从而完善PID控制器的性能，使其适应控制系统的参数变化和工作条。

4.6 PLC和变频器，软启动器通讯

（1）USS通讯协议简介

USS协议（Universal Serial Interface Protocol 通用串行接口协议）是SIEMENS 公司所有传动产品的通用通讯协议多年来也经历了一个不断发展、完善的过程。最初 USS 用于对驱动装置进行参数化操作，即更多地面向参数设置。在驱动装置和操作面板、调试软件的连接中得到广泛的应用。近来 USS 因其协议简单、硬件要求较低，也越来越多地用于和控制器（如 PLC）的通信，实现一般水平的通信控制。，它是一种基于串行总线进行数据通讯的协议。USS协议是主-从结构的协议，规定了在USS 总线上可以有一个主站和最多30个从站；总线上的每个从站都有一个站地址（在从站参数中设定），主站依靠它识别每个从站；每个从站也只对主站发来的报文做出响应并回送报文，从站之间不能直接进行数据通讯。另外，还有一种广播通讯方式，主站可以同时给所有从站发送报文，从站在接收到报文并做出相应的响应后可不回送报文。在使用USS协议之前，需要先安装西门子的指令库。USS协议指令在STEP7—MICRO/WIN32指令树的库文件夹中，STEP7—MICRO/WIN32指令库提供14个子程序、3个中断程序和指令来支持USS协议。调用一条指令时，将会自动地增加一个或几个子程序。 （2）USS通讯协议库

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编程之前一定要将USS协议库添加进去，编程软件默认安装没有USS协议库的。USS通讯协议的功能，所有的西门子变频器与JJR型的软启动器都带有一个RS485通讯口，PLC作为主站，最多允许31个变频器与软启动器作为通讯连路中的从站，根据各变频器与软启动器的地址或者采用广播方式，可以访问需要通讯的变频器或软启动器，只有主站才能发出通讯请求报文，报文中的地址字符指定要传输数据的从站，从站只有在接到主站的请求报文后才可以向从站发送数据，从站之间不能直接进行数据交换。在使用USS协议之前，需要先安装西门子的指令库。USS协议指令在STEP7—MICRO/WIN32指令树的库文件夹中，STEP7—MICRO/WIN32指令库提供14个子程序、3个中断程序和指令来支持USS协议。调用一条指令时，将会自动地增加一个或几个子程序。USS协议占用PLC的通讯端口0或1，使用USS——INIT指令可以选择PLC的端口是使用USS协议还是PPI协议，选择USS协议后PLC的相应端口不能在做其它用途，包括再与别的驱动器的通讯，只有通过执行另外一条USS指令或将PLC——CPU的模式开关拨到RUN或STOP状态，才能重新再进行PPI通讯，当PLC和与变频器通讯中断时，变频器将停止运行，所以在本例中选择CPU226因为它有两个通讯端口，当第一个口用于控制变频器时，用另一个端口来控制软启动器，USS指令要占用2300～3600字节的程序存储空间和400个字节的变量存储区间

USS_INIT指令：当EN输入接通时，每一循环都执行该指令。通过Mode输入值可选择不同的通讯协议：输入值为1，指定Port 0为USS协议并使能该协议；输入值为0，指定Port 0为PPI并且禁止USS协议。其原理图如图5.1所示

Baud设置波特率为1200、2400、4800、9600、19200、38400、57600或115200。Active指示哪个驱动激活，有些驱动只支持地址0到30。

图5.1USS协议的原理图

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第5章调试和运行结果

工业污水处理厂自动控制系统设计、安装完成后，进行系统的调试和试运行，确定符合实际进水水量和水质的各项控制参数，发现并解决设备、仪表、程序、工艺等方面出现的问题，检验系统是否实现工艺设计目标，即出水各项指标达到设计要求。

5.1硬件系统的调试

按照系统设计要求将各硬件接线接好。调试过程首先检查总供电及各设备供电是否正常，然后检查设备的电气控制是否正常，能否正常开机，各种闸阀能否正常开启和关闭，检查仪表及控制系统是否正常。在对系统进行必要的检查后，开始具体调试。

硬件功能调试主要是测试硬件的功能是否正常，这部分的调试内容包括： （1）供电线路的设置和检验，主要用万用表检测电路的连通是否实现，以及保证接线的正确性，防止220V与24V线路的错位接线发生；

（2）电机直接加三相电源调试，检测电机工作状态； （3）变频器单独调试，检测能否正常进行参数设置；

（4）变频器加电机进行调试，检测能否正常进行变频调速，在外部控制模式下，控制端子是否能正常控制电机启动，调节电机转速等；

（5）PLC单独检测，检查PLC单元能否正常工作，指示灯是否正常，该部分工作实际上在计算机模拟调试前就己经完成；

（6）PLC加变频器联机调试，检查PLC、变频器是否能实现对此系统控制； 经过测试，结果表明上述功能一切正常，可以进行总体调试。

5.2软件系统的调试

在STEP7-Micro/WIN32软件中，通过编程，将编好的程序下载到PLC中进行运行调试，检查程序是否有错误，是否能够实现相应的功能控制。调试时，可

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根据功能模块分类分别调试，最后进行总体调试。 在该控制程序中，需要根据外界输入的状态来控制清污机、排污泵，以及污泥回流泵的启停，还有加酸阀，和加碱阀的控制，因此需要按照液位传感器和液位差计酸碱触点反馈来的信息进行判断处理，然后再进行输出控制。

5.3运行结果

通过系统调试，能够实现PLC在系统控制中的手动、自动模式的控制。启动电源后按下手动或自动模式选择按钮，当在手动模式时，可通过各控制按钮实现对工业污水处理系统中各电机的控制运行同时相应的指示灯亮。

当在自动模式时，在自动方式下进行闭环控制，系统根据检测到外部传感器的状态对设备进行启停控制。自动控制过程包括：粗格栅机、清污机、搅拌机、排污泵、酸碱中和系统。启动自动运行按钮后，自动过程开始，启动潜水搅拌器。运行按照格栅机两端的液位差，也就是当反馈回来的液位差达到液位差计指定的高度时启动格栅机和清污机到达指定的时间（20min）后如果液位反馈回来的液位差为指定值时格栅机停机同时清污机也停机。

进水泵房中的排污泵根据液面高低计运行时间的长短进行运行、停止及运行数量的控制：①自动控制模式开始时，首先按照五台泵的运行时间从底到高的顺序排列。②检测液面高度，到达最高位传感器时，开始启动第一台泵。③经过一定的延时后开启第二台泵。④如果有故障泵则依次启动第三台，第四台泵，第五台泵。⑤检测液面，到达传感器的最底位时按照运行的时间长短先停机运行时间较长的泵然后再停机运行时间比较短的那台泵。

而搅拌机的运行为在排污泵开始运行时搅拌机开始正转同时开始定时，定时时间到的话开始反转，开始定时，定时时间到的话在开始正转当排污泵停机的话搅拌机也跟着停机。

而中和系统的控制则是先测试二次沉淀池的PH值，PH为酸性时传感器的酸性触点闭合，加碱阀门打开，加碱报警灯亮，PH值为碱性时传感器的碱性触电通电，加酸阀门打开，加酸报警灯亮，为中性时加酸阀门和加碱阀门都关闭，指示灯灭。

工艺需要按照液位传感器和液位差计酸碱触点反馈来的信息进行判断处理，

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毕业设计（论文）

然后再进行输出控制。各模块程序在仿真软件上进行调试时也能实现相应功能的控制。基本上达到了系统设计的目标要求。

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结论

工业污水处理控制系统是一个比较复杂的综合系统，它包括与之相关的生产工艺流程、相关生产设备，现场计量自控检测仪表的选用、控制流程的模型建立、对 PLC系统软硬件应用研究等。本文详细阐述了工业污水处理工艺流程、控制系统总体方案以及具体的软硬件实现。

通过四个月的课题设计和调试，基本上完成了对PLC工业污水处理系统的设计，达到了预期的设计目标。在这个过程中，使我学到了很多知识，积累了许多宝贵的经验，锻炼了自己的思考能力和实践动手能力。进一步加深了解了PLC在实践当中的应用。熟悉了PLC硬件的工作原理，完成了整个系统的模拟调试，通过对系统的不断修改和调试，基本上达到了预期的设计要求。

在设计过程中主要从硬件和软件两个方面的问题进行，工业污水处理系统中，主要的硬件问题包括机械结构、硬件选型和PLC的外围电路设计和接线处。在PLC的外围硬件连线方面，主要是增加一些保护设备。由于输出都是何接触器等元件连接，接触器的突然断开和闭合会形成突波对PLC的输出端子造成损坏，因此需要加装一些保护装置，例如，续流二极管等，增加触点的寿命。软件方面主要问题在于程序编写完毕后，需要首先在电脑上对程序进行软件仿真，主要检查是否存在各种错误，可利用西门子公司配套的仿真软件。然后通过模拟硬件的方式检查程序，主要检查程序是否存在逻辑上的错误。调试时，可根据功能模块分类分别调试，最后进行总体调试。在该控制程序中，需要根据外界输入的状态来控制清污机、潜水泵，以及污泥回流泵的启停，因此需要按照液位传感器和液位差计反馈来的信息进行判断处理，然后再进行输出控制。

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致谢

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