基于S7200PLC的SBR污水处理控制系统设计Word文件下载.docx
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通过增设的好(厌)氧池进行相关的化学反应(硝化-反硝化),这样能大大提高氮的利用率。
(3)生物降解法,该方法分为A和B两段,初期的时候没有沉淀的,曝气也分为高低负荷两个段。
在高负荷的时间段,以生物的吸附为主要手段,不发生化学反应,缓冲比较好。
B段为低负荷段,和一般的活性污泥法差不多,稳定性比较优良。
但是该方法的污泥产量比较大,后期的费用会增加很多,氮的利用率也不是很高。
2.2 SBR法的原理及特点
本课题比较合适选用SBR法。
SBR使用分时运行代替用传统方式进行的空间分割,能拥有在污水处理高峰期的持续工作能力。
SBR工艺法的基本组成[3]是粗网格的去污池、蓄水池、污泥储存池、水泵和风机等主要设备,可以在各个反应池的相应位置都安置好相应的液位传感器,用来测量各个水池中的液位。
SBR法跟传统人工的污水处理工艺具有很明显的几个优点[1]:
(1)通俗易懂,操作灵活,资金成本不高。
(2)处理效果好,出水可靠。
(3)除磷脱氧的效果也很好。
(4)污泥沉降的性能也比较好。
(5)对于各种污水也有比较强的适应能力。
但是SBR也有其局限:
(1)对反应池容量的利用率不是太充足。
(2)水头的损失很大。
(3)高峰处理期间的时候需氧量很大。
(4)没有将相关设备做到最合理的利用。
(5)只适合中小型却不适合大型的污水处理厂。
2.3 工艺流程
基本工艺流程[3]如下所示:
(1)进水
进水阀门打开,同时回流泵与风机都开始正常运行。
污水一般要经由两次过滤,才能通过进水泵送入蓄水池,按照系统控制需求,把蓄水池里面的水按照一定顺序分别送到各大反应池,直至液位到达池中设定的上限位。
(2)反应
反应这一步是SBR工艺最核心的步骤。
当污水注入达到池中液位上限位的时候,进水的电磁阀关闭,无水进入,但是回流泵与风机一直工作着,搅拌机也开始运行,反应开始,主要就是对氮磷无机物之类的吸收[7]。
以控制要求所需要实现的目的为依据,来确定和调整曝气方式、程度,以及反应时间的长短。
风机与搅拌机同时运作,这样加大了充氧量,可以让反应进行的更充分,有效防止沉淀,提高了利用率,节约资源。
(3)沉淀
反应一定时间之后,反应池里面的风机停止工作,风机开关断开,与此同时搅拌机跟回流泵都停止工作。
静置一段时间将上层液体与下层污泥沉淀物慢慢地分开。
(4)排水
SBR池中水位到达上限位,并且沉淀过一段时间,上清液与污泥分层隔开之后,滗水器会下潜将上清液慢慢排到反应池外面。
当液位到达池中下限位之后,滗水器立刻就停止工作。
与此同时,沉淀下来的污泥将被排放到储泥池,工艺流程如图2.1所示。
图2.1SBR工艺流程图
3 硬件系统设计
3.1 PLC的特点及发展
PLC是为了把原来传统继电器控制所具备的操作简单、成本低等优势与电脑所具备的性能优良、兼容性好等特点完美地糅合在一起,同时也是将硬件上面的问题转化成软件上面的编程。
在20世纪60年代末期的时候,美国就已经研发出了PLC历史上意义重大的PDP-14[4],产生了比较深远的影响,它的问世代表了真正意义上跨入了PLC的研究领域。
自从PLC诞生以来,发展速度极为惊人。
日本与欧洲各国都已经竞相将其投入生产,但我国是从70年代中期才刚刚研发。
到目前为止PLC已经被许多国家当作比较成熟的技术产品投入到生产中,几乎一枝独秀般霸占了电气控制行业市场的大量份额。
迄今为止,PLC已经发生了三次比较大的改革[5]:
PLC对于广大用户来说,是一种比较简单的设备,只要改变其中一段程序就能改变整个工作的流程。
迄今为止,到了自动化程度越来越高的现在,可编程控制器对于许多厂家来说是十分重要的渠道,因此它被普遍的推广[4]:
(1)第一代1969年-1972年,1位微处理器,主要用来逻辑运算、定时、记数。
(2)第二代1973年-1975年,8位微处理器及存储器,主要用于数据的传送和比较、模拟量的运算,其他产品的相关生产。
(3)第三代1976年-1983年,8位高性能微处理器及存储器,其处理速度大大提高,并且向着多功能及联网通信功能发展。
(4)第四代1984年-现在,16位、32位微处理器及存储器,它已经具备了逻辑、运算、数据处理、联网等诸多复杂的功能。
PLC在工业控制领域的应用十分普遍,这几乎都是得益于其自身所具有的功能特点,其功能如下[5]:
(1)逻辑控制功能。
(2)定时控制功能。
(3)计数控制功能。
(4)步进控制功能。
(5)数据处理功能。
(6)回路控制功能。
(7)通讯联网功能。
(8)监控功能。
(9)停电记忆功能。
(10)故障诊断功能。
PLC是对比较专业的硬件设备开放,相比其他设备有十分明显的优点[5]:
(1)稳定性好,不容易被影响。
(2)编程直观、简单。
(3)适应性好。
(4)功能完善,接口功能强。
S7-200PLC是由基本单元[8](S7-200CPU模块)、个人计算机(PC)或者编程器、相关编程软件与通信电缆等组成。
PLC在工控领域的适用范围十分广,其核心相当于微处理器,因此其组成的基本框架为:
中央处理单元(CPU)、PLC与外部设备的接口、扩展接口与扩展模块等常见的组成。
一个标准的常用PLC的组成结构如图3.1所示。
图3.1PLC的基本组成结构
3.2 PLC的主机选型
根据本课题所设计系统的相关控制要求,本设计适合选择型号为CPU224XP的机子作为主机,其拥有14个数字输入端口,10个数字输出端口,2个模拟输入端口,1个模拟输出端口。
一般情况下,在一些大型的系统里面同样能用这个型号的机子来进行处理控制。
由于其强大的通信功能[10],因此在那些大型的网络控制系统中它一样能够充分正常发挥其该有作用,实物图如3.2所示。
图3.2S7-200CPU224XP
3.3 SBR污水处理系统设备
SBR污水处理控制系统[6]中主要使用的是滗水器、罗茨风机、回流泵、进水泵这四个动力设备,还有液位传感器等感应设备。
3.3.1 进水泵
综合考虑,进水泵还是选择单级离心泵效果较好,它适用于许多场合,例如浇灌、近远距离的输送水、生产生活废水的排放等,而且比较贴合本课题。
本系统中采用的单级离心泵参数[9]如右:
LS50-10-A。
扬程10m,流量29m3/h,1kw。
3.3.2 罗茨风机
在生产生活中用到罗茨风机的地方非常多,但在系统主要用于污水处理曝气,主要由于其在工作的时候产生压力与风量比较大。
其他方面的应用,比如冶金、矿产、纺织、食品等领域,主要是用来输送空气、排出粉尘;
排烟脱硫、改善环境[6];
灰烬处理、液体搅拌;
食品真空包装。
罗茨风机产生的风量大小与其运转速度有关,但总是有小的差距保持在它们的叶轮端面与风扇罩和风扇叶轮之间,以便于风的流通。
风机内壁光滑、耐磨,并且它的使用寿命相对较长[7]。
本系统中选择的罗茨风机具体相关的参数如右:
GRB-100,风量10.61m3/min,风压:
7000mmAq,转速1750r/min,功率:
22kw。
3.3.3 回流泵
回流泵在本系统中的作用是对内部污泥进行循环。
污泥回流泵的作用是要反应池中的污泥始终都处于比较活跃的状态,这样既有利于对污水的反应处理,使其反应的更加充分,同时也有利于曝气,所以曝气的时候保证一定浓度的泥浆是十分必要的。
污泥回流泵有相当广泛的用途,可以作为一个污水处理厂除氨的特殊设备,也可将其作为灌溉设备,可用于地面排水时,泵水净化。
该污泥回流泵的用途就是为了防止在循环处理的过程中发生污泥凝固的情况,让其始终保持着活跃的状态[8]。
本系统里面选择的回流泵具体主要参数如右:
CP5(T)3.7-80,流量:
45m3/h,扬程:
15m,功率:
3.7kw。
3.3.4 滗水器
滗水器是SBR法经常用来净水的设备,它可以在保证池底沉淀物不会被影响到的情况下,将处理过的清水缓慢排出反应池。
因为SBR工艺法采用间歇反应的工作方式,将各个步骤放到同一个池子里面完成,没有必要多次沉淀,所以该方法具有占地面积小、成本低、周期短等许多优点。
当反应池内的液位到达上限位,滗水器就会开始下潜排水,下潜一段距离就停下排水,如此循环,直至水位降至下顶点;
水排完之后,滗水器又会迅速上升到液位上限位,待到水位涨到上限位时,滗水器又开始下潜排水,如此反复。
当滗水器完成一次排水与上升阶段,就是一个工作的循环周期。
本课题选取的滗水器具体参数如右:
BSQ200悬臂式,滗水量:
200m3/h,功率:
1.1kw。
3.3.5 液位传感器
液位传感器在本系统中的作用就是检测与报警。
液位传感器是通过测量反应容器中的液位压力,将其压力转化成电信号[9],然后再利用其他方式的校正,才能将其转变为能够识别的电信号。
压力的大小跟水位是相关的,一般来说都是正比关系。
当反应池中的液位没有到达所设置的液位传感器的位置时,进水泵仍然正常进水,一直到池内水位达到所设的上限位。
到达上限位的时候,进水泵停止,上限位的液位传感器闪烁,上限位报警灯也开始报警。
这个时候滗水器开始下潜排水,直到池内液位下降至下限位水位,滗水器停止运行,上限位的液位传感器闪烁,同时下限位报警灯报警。
3.4 硬件电路接线图
根据PLC的相关结构组成[10],再通过控制要求以及I/O分配表,设计出I/O设备接线如图3.3所示。
图3.3I/O接线图
根据控制要求设计出SBR污水处理主电路[10]如图3.4所示。
图3.4SBR污水处理主电路
根据现场的设备的状况,以及已设计好的I/O分配表、I/O接线图、主电路接线图,就能对PLC的相关模块与本设计中用到的设备进行连接,并且跟电脑相连接,实现控制要求[11]。
根据本课题的控制要求设计系统硬件模拟连线如图3.5所示。
图3.5硬件模拟接线图
4 软件系统设计
4.1 I/O分配表
根据系统相关的控制要求,设计出I/O设备地址分配如表4.1所示。
图4.1I/O分配表
输入信号
输出信号
I0.0
复位
Q0.0
下潜滗水器
I0.1
自动状态
Q0.1
上升滗水器
I0.2
滗水器下潜限位
Q0.2
起停回流泵
I0.3
滗水器上升限位
Q0.3
起停风机
I0.4
风机故障
Q0.4
起停进水泵
I0.5
进水泵故障
I0.6
滗水器故障
I0.7
回流泵故障
I1.0
手动自动切换
I1.1
下潜滗水器手动
I1.2
上升滗水器手动
I1.3
回流泵手动
I1.4
风机手动
I1.5
进水泵手动
4.2 程序流程图及控制要求
本系统以一个SBR池的单周期为例加以说明:
第一步:
进水+曝气+回流。
从进水泵开始向SBR池进水时算起,用电动阀门来控制进水,一直持续进水2h,进水的时候,风机和回流泵都同时一起运行,由于时间的限制,将此步骤中的2h改为10s。
第二步:
在2h之后,控制进水的电动阀门关闭,进水停止,与此同时回流泵也停止运行,只剩风机在持续运转。
由于时间的限制,将此步骤中的2h改为10s。
第三步:
从进水的时候开始算起,风机一直连续曝气到3h的时候,风机才停止运行。
由于时间的限制,将此步骤中的3h改为30s。
第四步:
静置期是1h。
SBR反应池静置1h之后,上层液体与沉淀污泥分层,然后再用滗水器将上层液体排出。
将此步骤中的1h改为10s
第五步:
排水时间为1h。
静置1h之后,反应池内的滗水器从水位上限位开始缓慢向下移动,(可以设定:
下潜一定距离后停住,滗水一定时间,如此重复),开始排水;
滗水器下潜到下限位,滗水结束后,迅速升回到上限位停止。
到这里,滗水1h结束。
第六步:
滗水1h完成后,到这,第一个周期就结束了,可以开始循环下一个周期进水、曝气、回流等步骤。
以后各周期依次类推。
根据控制要求及步骤,设计单周期的SBR污水处理控制流程如图4.2所示。
图4.2SBR池单周期的流程图
4.3 梯形图程序
根据本系统的I/O分配表及流程图,设计得到梯形图程序。
按下启动按钮I0.0与自动按钮I0.1,回流泵、风机、进水泵同时开始运行工作,开始计时,在0-10s内,回流泵、风机、进水泵都是处于置位状态的。
在10-30s内,进水泵与回流泵都复位停止了,就风机在持续工作,30-40s内,风机也复位停止工作。
在40-50s内,进水泵、风机、回流泵都是复位状态,下潜滗水器置位开始工作,下潜2s后,停2s排水,如此反复。
在50s-60s之间时,滗水器下潜复位停止,进水泵、风机、回流泵也都复位状态,按下下限位按钮I0.2,滗水器开始上升,直到大于等于60s或者按下上限位按钮的时候,滗水器上升才会停止。
当超过60s的时候,系统开始循环,也可以在未到60s的时候按下上限位按钮开始循环。
当按下复位按钮I0.0就使得系统全部复位。
当按下进水泵故障、风机故障、回流泵故障、滗水器故障中任意一个,都会报警,相应的设备也会停止工作。
按下I1.0手动按钮和启动按钮I0.0,在相应的按下上(下)升(潜)滗水器、回流泵、进水泵、风机的手动按钮,可手动控制其停止运行。
5 组态软件对现场状态监控的实现
5.1 组态王的特点及应用
组态王是一款功能比较齐全的仿真软件,可十分普遍地应用于工业控制领域的生产研发和管理控制。
组态王为大量的系统工程师提供了简单实用的开发环境,并且能比较快地进行相关的自动化元件检测与布置,使得反馈信息的传递变得更加及时,让用户能够实时的监控生产流程,减少不必要的损失[12]。
组态王的简单易用这个特点是十分明显的,它不仅有便于识别的人机界面,可以方便学习使用,而且还拥有海量的图素和图库精灵,这样更是方便了组态的绘制,为用户省下了不少的时间。
组态王的适用性与灵活性也比较强,基本可以满足用户对于开发环境的要求,也可以通过浏览器查看内容。
组态王还拥有较好的可扩展性,它能兼容多种标准,有着能与诸多智能设备连接的功能,能提供绝大多数的设备与相关数据库相通的渠道与策略。
组态王6.53具有以下优点[13]:
(1)快速便捷的应用设计。
(2)丰富的可扩充的图形库。
(3)对于多媒体的支持。
(4)灵活简便的变量定义和管理。
(5)强大的控制语言。
(6)便于采集和显示历史数据。
(7)具有十分优良的步进控制功能。
(8)配方管理方便。
(9)具有强有力的回路控制功能。
(10)强大的通讯能力。
(11)先进的报警和事件处理。
(12)广泛的数据获取和处理。
(13)强大的网络和冗余功能。
组态王6.53便于学习和掌握,适合制作上位机监控动画。
5.2 S7-200系列PLC的网络通信协议
S7-200的通信协议按通信类型大多都可以归为通用协议和公司专用协议,再仔细分一下,它可以分为普通的PPI协议,MPI协议,现场总线协议,自由口协议[14]。
在本设计的SBR污水处理控制系统中,选择PPI协议更符合现状,也是能让S7-200PLC与组态王软件进行更好信息交换。
西门子为了能让PLC更好的应用,所以才开发出了PPI这个协议,用来方便与S7-200相关设备的信息流通交换。
它也可以与相配套的电缆或者网线进行联网,并且支持比较常见的三种波特率。
此协议为主从协议,只有在主站发出相关信息时[15],从站(即S7-200)才能有所动作,其他情况下,从站是不会主动地发出信号或者整理信息的。
在已经完成的程序中,早就把与系统相关的数据存放到储存区里,然后再让组态里的I/O变量收集刷新原始区域里面的数据,如此就是完成了下位机PLC与上位机组态之间的信息交流,为污水处理控制系统的实时监控打下了基础。
5.3 组态软件与PLC的通信设置
(1)创建工程路径
第一步先进行新建,先双击打开“组态王6.53”,点击“新建”,也可以在“文件”菜单里找到“新建工程”的选项,跳出“新建工程向导之一”的提示,如图5.1所示。
图5.1新建工程向导之一
这一步可以直接根据向导的提示直接点“下一步”,跳出“新建工程向导之二”的提示,如图5.2所示。
图5.2新建工程向导之二
按照向导的提示,想要更换存储地址就左击“浏览…”选项,找到想要存放文件的文件夹或者直接新建一个文件夹,如果不选择就是默认保存在桌面。
比如说保存路径“E:
\”,左击“下一步”,出现的提示,如图5.3所示。
图5.3新建工程向导之三
根据向导的提示,写出本系统的名称(名字要与下面的组态画面一致)“污水处理控制系统”,其他的选项都能够默认或者不填,左击“完成”跳出“新建工程”的提示,左击“是”,就可以完成了新建。
(2)硬件设备的定义与选型
组态王软件可以设计上位机的监控组态,但是想要直接与下位机进行相关的信息交换是不可能的,这时候就需要对外部的硬件设备来进行相关的定义。
双击进入“工程浏览器”,在左侧的大纲栏找到“设备”,如图5.4所示。
图5.4选择接口
双击“设备”中的“COM1”,紧接着就会跳出来对生产厂家、设备名称、通讯方式之类的选择,如图5.5所示。
图5.5选择通信协议
根据向导的提示,一步步操作,直到跳出串口选择的提示,出现“设备配置向导”的提示,如图5.6所示。
图5.6选择串口号
选中“COM1”,不勾虚拟串口,左击“下一步”,根据向导的提示,将设备地址中的“0”改成“2”。
其余按照以提示默认的条件,一步步确认直到,最后点击“完成”,硬件方面的定义到此为止。
除此之外,还应该注意设置一下波特率,将波特率改成“19200”就行了,其他选项默认,左击“确定”,串口的设置就完成了,如图5.7所示。
图5.7设置串口
(2)设计监控组态画面
这一步开始就已经进入了开发系统界面了,在创建好新画面之后,就能用丰富的图素来设计本课题的上位机监控组态画面。
在设计过程中,可以利用软件本来就有的大量的成品图素,如果软件里面没有现成的,也可以按照系统的控制要求设计出符合要求的图素。
(a)在开始定义新画面的时候,先在左边的大纲栏找到“画面”单击,再双击“新建”图标,跳出“新画面”的提示,如图5.8所示。
图5.8新建画面
(b)在跳出来的界面名称那一栏输入“污水处理”,其他的选项基本与默认条件相同,除非系统有特殊的要求。
然后左击“确定”进入组态王开发系统,如图5.9所示。
图5.9组态王开发系统
(c)在开发系统之后,先将本课题中涉及到的一些设备元器件都画出来,如果图库里有的就直接拿出来用,若是没有,那就利用工具箱按照系统控制要求设计出来。
组态画面设计完成之后,必须在退出开发系统之前,将现有的画面全部保存,否则会丢失。
(4)构造数据库
在构造数据库之前,要了解数据库以及变量所代表的意义。
数据库就是作为上位机组态与下位机PLC交流信息的媒介,没有数据库上位机组态与下位机PLC就无法正常的进行数据交换。
更直接地说,数据库就是所有变量的集合体,每一个变量在数据库中都有定义。
从左边的“数据库”中找出“数据词典”并左击,然后再双击“新建”图标,立马跳出“定义变量”的提示,如图5.10所示。
图5.10创建内存变量
内存型变量一般都是只有两个选项可以填写,就是变量名跟变量类型,而且不用连接设备,I/O型变量不仅要对相关的设备PLC模块进行连接,而且还要进行其他方面选择。
同时为了方便下面动画的流畅,一般把频率定为1毫秒。
(5)建立动画连接
定义动画连接是将变量的数值变动,变成了更加直观形象的动画,这样便于确认数据的变动。
组态王软件里面有几十种不同的动画连接方法,可以满足绝大多数的控制要求,具体方式如图5.11所示。
图5.11动画连接
根据提示连续点击两次“确定”就能够跳到开发系统的界面。
偶尔也能利用命令语言(类似C语言的编写)来控制变量,右击画面,选择“画面属性”,左击“命令语言...”,根据跳出的相关提示,在提示的文本编
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