基于PLC的污水处理系统设计.docx

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基于PLC的污水处理系统设计

基于PLC的污水处理系统设计

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。

尤其是在中小城市，新建或扩建污水处理厂已成为当地政府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控制水平也相应的提高。

而PLC控制器以其技术的成熟、通用性好、可靠性高、安装灵活、扩展方便、性价比高等一系列优点、在工业控制领域中得到了越来越广泛的应用。

本文主要介绍污水处理厂自动控制系统的组成、功能、及如何利用PLC实现污水处理自动控制。

系统采用层次化控制设计，分为管理层，监控层，与控制层。

该系统还介绍了基于PLC的污水处理系统自控工程的实现以及在实施中可能遇到的若干问题和解决措施。

该污水处理系统不仅减轻了工作人员的劳动强度与难度，而且提高了污水处理的运行效率和效益，实现了污水管理的科学性。

关键词：

污水处理，PLC,控制系统

ABSTRACT

Inrecentyears,sewagetreatmentplanthasbecomeoneofthemostimportantinfrastructureofthecities.Especiallyinsmallandmedium-sizedcities,thenewlybuiltorexpandedsewagetreatmentplanthasbecomeatoppriorityforlocalgovernmentstoimprovethepeople'slivingstandard.Withtheunceasingdevelopmentofautomationtechnologyandcomputertechnology,thelevelofautomationofthesewagetreatmentplantsalsoimprove.AndPLCcontrollerhavebeenappliedmoreandmoreinaseriesofindustrialcontroladvantageswithitstechnologymaturityanduniversalperformance,highreliability,flexible,convenientinstallation,highperformance-to-priceexpansionThispapermainlyintroducesthesewagetreatmentplantinautomaticcontrolsystemcomposition,functionandhowtomakeuseofPLCrealizeautomaticcontrolofthesewagetreatment.Thesystemusehierarchicalcontroldesign,makeupfrommanagementlayer,monitoringlayerandcontrollayer.ThesystemintroducetherealizationofautomaticcontrolengineeringofsewagetreatmentsystembasedonPLCandalsorefertosomeproblemsencounteredinsystemimplementationandcountermeasures.Thesewagetreatmentsystemnotonlyreducetheintensityanddifficultyoftheworkers,butalsoimprovetheoperationefficiencyandsewagetreatmentefficiencyandachievethesewagemanagementscientific.

Keywords:

Sewagetreatment,PLC,Controlsystem

第1章绪论

1.1工业污水的特点

工业污水的特点是种类繁多，成份复杂，常含有不同数量的原材料、中间产品、成品、半成品等。

例如，用汞电极电解食盐工业污水中含有汞；重金属冶炼回收废水中含有各种重金属；电镀废水中含有氰化物和各种重金属；煤焦和石油炼制废水中含有酚；农药工业废水中含有各种农药；造纸、纤维、制糖、食品等工业废水中含有大量有机物，虽然工业废水中成分复杂，但仍可以通过生化需氧量、化学耗氧量、混浊度、悬浮固体等参考指标统一衡量。

工业用水主要分为两个部分：

一种是工艺用水，一种是循环用水，如冷却水。

工艺用水指的是和反应物或中间产物直接相接触的水。

工艺用水常含有油类、硫化物、酚、氰化物和其他有机化合物。

循环用水是指在生产过程用过又回用于本生产过程的水，这些水在循环使用过程中不断与原料、反应生成物、中间产品和副产品接触。

为了保持循环用水和工艺用水的水质，一般都要采取处理打措施，去除水中杂质。

1.2控制系统的发展与现状

自动控制技术，在人类控制自然界、提高劳动生产率的过程中起了重要作用，在现代工业生产中，自动控制技术是保证工业生产高质、高效、安全、连续运行的重要手段。

随着现代科学技术的迅猛发展，自动控制技术也日新月异。

自动控制理论和应用技术在工业生产中的应用大致经历了三个发展阶段。

从40年代到50年代是经典控制理论阶段，采用传递函数进行数学描述，以根轨迹法和频率法作为分析和综合系统的基本方法，很大程度上依靠人工和经验进行系统分析和综合，设计过程中，一般将复杂的生产过程人为分解为若干个简单过程，最终实现单输入单输出系统，属于局部自动控制的范畴。

自动控制水平还处于比较低级阶段。

60年代是第一阶段，现代控制理论产生，并在某些尖端领域取得成功。

现代控制理论以状态空间分析方法为基础，包括以最小一乘法为基础的系统辨识、以极大值原理和动态规划为主要方法的最优控制和以卡尔曼滤波理论为核心的最佳估计三部分内容，现代控制理论对控制系统进行综合和分析时，深入提示系统内在规律性，从局部简单控制进入一定意义下的全局最优控制。

到70年代，自动控制理论及其应用技术的发展进入第三个阶段。

这一阶段由于计算机的功能和可靠性的大为提高，而价格却不断下降，尤其是工业用控制机（IPC），在采用冗余技术，软硬件自诊断功能等措施后，其可靠性已提高到基本满足工业控制的需要。

另外，大系统理论和智能控制理论也在这一阶段形成。

目前工业自动控制系统按结构层次基础上可划分为:

直接数字控制系统（DDC）、监督控制系统（SCO）、集散型控制系统（DCS）和现场总线控制系统（PCS）等。

目前，国际上现场总线技术已经呈现出竟争十分激烈的局面。

各大厂商为了自己的利益，都在发展和维护自己的产品，并积极参与和把持标准的制定工作，希望能主导现场总线技术的发展。

这导致在现有的产品结构和应用水平上，现场总线领域已经很难统一。

而且其技术也都不是特别成熟，还需要大量实践和复杂应用环境的检验。

在国内，对科研单位的有利条件是，由于现场总线技术还是一种新兴技术，还处于发展阶段，尤其在高速现场总线领域还有很大的发展空间，只要积极努力，还是能够和国外进行竟争的。

但不利的条件是我国综合技术力量薄弱，科研力量规模小、资金少，无力研制复杂的现场总线专用芯片，在硬件技术上基本上只能采用已有的产品。

因此很难和国外企业进行正面的竟争，只能采取开发具有自己特色产品的策略。

如果采用紧跟策略，则很难开发出具有自己特色的产品，而且产品的发展速度必然落后于国外企业，结果只能是被国外企业所淘汰，或沦为国外企业的技术代理。

另一方面，国内生产企业的情况是:

大多数企业还处于模拟仪表和人工控制的阶段，采用DCS控制系统的企业尚是少数，而且目前现场总线设备和系统还十分昂贵，在相当长的一段时间内，我国大多数企业不可能也没有能力投入大量资金采用现场总线控制系统。

因此，除了新建企业外，我国企业在较长时间内不可能全面采用现场总线技术，而必须走逐步发展、过渡的道路。

从我国的科研单位和生产企业的实际情况看，采取紧跟策略并不适合我国的国情，必须选择适合我国国情的现场总线发展道路，而所谓适合我国国情的发展道路，就是指采用我国的科研单位、企业有能力完成，并且适合我国生产企业实际情况、能够尽快应用的具有自己特色的技术路线。

同时，研究及应用的技术必须能够体现现场总线技术的主要优点，符合现场总线技术的发展方向。

1.3研究背景

环境问题与资源、人口问题已经被国际社会公认是影响可持续发展的三大关键问题。

我国经济高速度连续增长，但污水处理技术却远远低于经济的发展。

我国1990年污水总量为414亿吨，工业废水为298亿吨，2000年污水总量为790亿吨，工业废水为601亿吨。

我国排入水体的总污染量，目前还没得到控制，85%以上的污水未经处理直接排入水体。

尽管近年来我国政府已加大了对污水处理的管理和投资力度，但污染仍日趋严重，80%的水域和45%的地下水已被污染，90%以上城市水域严重污染，水污染的日益加剧，严重影响了我国的经济发展与城乡建设，同时给人民身体健康也带来了极大危害，已引起国家的高度重视。

我国有关部门制定了废水排放标准，要求必须对污水进行综合治理，使其达到允许排入水体的程度，以降低或消除对水体水质的不利影响。

目前现代化自动控制系统，在欧美国家的一些城市污水处理厂中使用日益普遍，甚至实现全自动化无人值守控制模式。

如美国某水厂，在七十年代初开始研究微机自动控制水厂投加药剂，1975年应用直接数字式计算机控制自动加矾，运转一年就降低矾耗20%,并且提高了管理水平和稳定了水质，此外，苏联某水厂、日本某水厂等也先后采用计算机自动控制水厂工艺，取得较理想效果，现在许多美国大中型水厂均由一套集散型的自动控制系统进行控制。

在厂区范围内设有若干台现场计算机，对整个水处理过程实行多环路控制，其中包括沉淀、过滤及反冲洗、臭氧处理、化学药剂投放、泵房等。

设在中心控制室内的计算机主机从各个现场计算机中收集数据，并提供图表显示、曲线、各个设备动作记录、设备故障报警等。

在电子自动控制系统发生故障时，每一个自动控制过程都可切换成手动控制。

我国污水处理厂自动化、信息化管理水平相对偏低，大都是依靠手工操作，通过复杂的电控柜监测和控制设备运行，工艺的运行状况直观性很差，对运行人员的经验依赖性较大。

随着污水处理工艺的不断改进，工程的复杂程度也越来越大，传统的依靠运行人员人工操作和判断的方式越来越不能适应污水处理的要求。

因此，开发和应用先进的自动控制系统，不仅可以提高污水处理和监控的自动化程度、减轻监测人员与现场运行人员的劳动强度，也提高了对排污企业监测的连续性，其意义是十分明显的。

第2章可编程控制器的概述

2.1PLC的简介及定义

2.1.1PLC的简介

PLC是以CPU为核心，综合了计算机技术和通信技术发展起来的一种通用的工业自动控制装置，是现代工业控制的三大支柱（PLC、机器人和CAD/CAM）之一。

目前，世界上生产PLC的主要厂家有65个，其中最有名气的厂家在日本、美国和德国。

日本的几个厂家为三菱、富士。

日立、东芝、横河、立石、光洋、夏普等公司。

美国的几个厂家为德州食品公司、通用电器公司、歌德公司、数字设备公司等。

还有德国的西门子，荷兰的飞利浦，香港的鹰达等公司也是很有名气的。

2.1.2PLC的定义

PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。

它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。

PLC及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。

2.2PLC的发展与应用

2.2.1PLC的发展趋势

目前PLC技术发展总的趋势是系列化、通用化和高性能化，主要表现在:

（1）在系统构成规摸上向大、小两个方向发展

（2）功能不断增强，各种应用模块不断推出

（3）产品更加规范化、标准化

2.2.2PLC的应用

随着微电子技术的快速发展,PLC的制造成本不断下降，而其功能却大大增强。

目前在先进工业国家中PLC已成为工业控制的标准设备，应用面几乎覆盖了所有工业企业，诸如钢铁、冶金、采矿、水泥、石油、化工、轻工、电力、机械制造、汽车、装卸、造纸、纺织、环保、交通、建筑、食品、娱乐等各行各业。

特别是在轻工行业中，因生产门类多，加工方式多变，产品更新换代快，所以PLC广泛应用在组合机床自动线、专用机床、塑料机械、包装机械、灌装机械、电镀自动线、电梯等电气设备中。

PLC已跃居现代工业自动化三大支柱（PLC,ROBOT,CAD/CAM）的主导地位可编程控制器所具有的功能，使它既可用于开关量控制，又可用于模拟量控制既可用于单机控制，又可用于组成多级控制系统既可控制简单系统，又可控制复杂系统，甚至实现整个工厂生产的自动化。

它的应用可大致归纳为如下几类:

（1）逻辑控制

（2）运动控制

（3）过程控制

（4）数据处理

（5）多级控制

2.3PLC的特点

（1）可靠性高，抗干扰能力强

PLC用软件代替大量的中间继电器和时间继电器，仅剩下与输入和输出有关的少量硬件，接线可减少到继电器控制系统的1/10~1/100，因触点接触不良造成的故障大为减少。

高可靠性是电气控制设备的关键性能。

PLC由于采用现代大规模集成电路技术，采用严格的生产工艺制造，内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性。

例如三菱公司生产的F系列PLC平均无故障时间高达30万小时。

一些使用冗余CPU的PLC的平均无故障工作时间则更长。

从PLC的机外电路来说，使用PLC构成控制系统，和同等规模的继电接触器系统相比，电气接线及开关接点已减少到数百甚至数千分之一，故障也就大大降低。

此外，PLC带有硬件故障自我检测功能，出现故障时可及时发出警报信息。

在应用软件中，应用者还可以编入外围器件的故障自诊断程序，使系统中除PLC以外的电路及设备也获得故障自诊断保护。

这样，整个系统具有极高的可靠性也就不奇怪了。

（2）硬件配套齐全，功能完善，适用性强

PLC发展到今天，已经形成了大、中、小各种规模的系列化产品，并且已经标准化、系列化、模块化，配备有品种齐全的各种硬件装置供用户选用，用户能灵活方便地进行系统配置，组成不同功能、不同规模的系统。

PLC的安装接线也很方便，一般用接线端子连接外部接线。

PLC有较强的带负载能力，可直接驱动一般的电磁阀和交流接触器，可以用于各种规模的工业控制场合。

除了逻辑处理功能以外，现代PLC大多具有完善的数据运算能力，可用于各种数字控制领域。

近年来PLC的功能单元大量涌现，使PLC渗透到了位置控制、温度控制、CNC等各种工业控制中。

加上PLC通信能力的增强及人机界面技术的发展，使用PLC组成各种控制系统变得非常容易。

（3）易学易用，深受工程技术人员欢迎

PLC作为通用工业控制计算机，是面向工矿企业的工控设备。

它接口容易，编程语言易于为工程技术人员接受。

梯形图语言的图形符号与表达方式和继电器电路图相当接近，只用PLC的少量开关量逻辑控制指令就可以方便地实现继电器电路的功能。

为不熟悉电子电路、不懂计算机原理和汇编语言的人使用计算机从事工业控制打开了方便之门。

（4）系统设计周期短，维护方便，容易改造

系统的设计、安装、调试工作量小，维护方便，容易改造

PLC的梯形图程序一般采用顺序控制设计法。

这种编程方法很有规律，很容易掌握。

对于复杂的控制系统，梯形图的设计时间比设计继电器系统电路图的时间要少得多。

PLC用存储逻辑代替接线逻辑，大大减少了控制设备外部的接线，使控制系统设计及建造的周期大为缩短，同时维护也变得容易起来。

更重要的是使同一设备经过改变程序改变生产过程成为可能。

这很适合多品种、小批量的生产场合。

（5）体积小，重量轻，能耗低以超小型PLC为例，新近出产的品种底部尺寸小于100mm，仅相当于几个继电器的大小，因此可将开关柜的体积缩小到原来的1/2～1/10。

它的重量小于150g，功耗仅数瓦。

由于体积小很容易装入机械内部，是实现机电一体化的理想控制设备。

2.4PLC的系统组成

可编程控制器的结构多种多样，但其组成的一般原理基本相同，都是以微处理器为核心的结构。

通常由中央处理单元（CPU）、存储器（RAM、ROM）、输入输出单元（I/O）、电源和编程器等几个部分组成。

2.4.1中央处理单元（CPU）

CPU作为整个PLC的核心，起着总指挥的作用。

CPU一般由控制电路、运算器和寄存器组成。

这些电路通常都被封装在一个集成电路的芯片上。

CPU通过地址总线、数据总线、控制总线与存储单元、输入输出接口电路连接。

CPU的功能有以下一些：

从存储器中读取指令，执行指令，取下一条指令，处理中断。

2.4.2存储器（RAM、ROM）

存储器主要用于存放系统程序、用户程序及工作数据。

存放系统软件的存储器称为系统程序存储器;存放应用软件的存储器称为用户程序存储器；存放工作数据的存储器称为数据存储器。

常用的存储器有RAM、EPROM和EEPROM。

RAM是一种可进行读写操作的随机存储器存放用户程序，生成用户数据区，存放在RAM中的用户程序可方便地修改。

RAM存储器是一种高密度、低功耗、价格便宜的半导体存储器，可用锂电池做备用电源。

掉电时，可有效地保持存储的信息。

EPROM、EEPROM都是只读存储器。

用这些类型存储器固化系统管理程序和应用程序。

2.4.3输入输出单元（I/O单元）

I/O单元实际上是PLC与被控对象间传递输入输出信号的接口部件。

I/O单元有良好的电隔离和滤波作用。

接到PLC输入接口的输入器件是各种开关、按钮、传感器等。

PLC的各输出控制器件往往是电磁阀、接触器、继电器，而继电器有交流和直流型，高电压型和低电压型，电压型和电流型。

2.4.4电源部分

PLC电源单元包括系统的电源及备用电池，电源单元的作用是把外部电源转换成内部工作电压。

PLC内有一个稳压电源用于对PLC的CPU单元和I/O单元供电。

2.4.5外部设备

（1）编程器

编程器是PLC的最重要外围设备。

利用编程器将用户程序送入PLC的存储器，还可以用编程器检查程序，修改程序，监视PLC的工作状态。

除此以外，在个人计算机上添加适当的硬件接口和软件包，即可用个人计算机对PLC编程。

利用微机作为编程器，可以直接编制并显示梯形图。

（2）其他外部设备

PLC还配有其他的一些外部设备。

①盒式磁带机：

用以记录程序或信息。

②打印机：

用以打印程序或制表。

③EPROM写入器：

用以将程序写入到用户EPROM中。

④高分辨率大屏幕彩色图像监控系统：

用以显示或监视有关部分的运行状态。

2.5PLC的工作原理

PLC采用循环扫描的工作方式，在PLC中用户程序按先后顺序存放，CPU从第一条指令开始执行程序，直到遇到结束符后又返回第一条，如此周而复始不断循环。

PLC的扫描过程分为内部处理、通信操作、程序输入处理、程序执行、程序输出几个阶段。

全过程扫描一次所需的时间称为扫描周期。

当PLC处于停状态时，只进行内部处理和通信操作服务等内容。

在PLC处于运行状态时，从内部处理、通信操作、程序输入、程序执行、程序输出，一直循环扫描工作。

（1）输入处理

输入处理也叫输入采样。

在此阶段，顺序读入所有输入端子的通端状态，并将读入的信息存入内存中所对应的映象寄存器。

在此输入映象寄存器被刷新。

接着进入程序执行阶段。

在程序执行时，输入映象寄存器与外界隔离，即使输入信号发生变化，其映象寄存器的内容也不会发生变化，只有在下一个扫描周期的输入处理阶段才能被读入信息。

（2）程序执行

根据PLC梯形图程序扫描原则，按先左后右先上后下的步序，逐句扫描，执行程序。

遇到程序跳转指令，根据跳转条件是否满足来决定程序的跳转地址。

从用户程序涉及到输入输出状态时，PLC从输入映象寄存器中读出上一阶段采入的对应输入端子状态，从输出映象寄存器读出对应映象寄存器，根据用户程序进行逻辑运算，存入有关器件寄存器中。

对每个器件来说，器件映象寄存器中所寄存的内容，会随着程序执行过程而变化。

（3）输出处理

程序执行完毕后，将输出映象寄存器，即器件映象寄存器中的Y寄存器的状态，在输出处理阶段转存到输出锁存器，通过隔离电路，驱动功率放大电路，使输出端子向外界输出控制信号，驱动外部负载。

2.6PLC的选择

随着PLC技术的发展，PLC产品的种类也越来越多，而且功能也日趋完善。

近年来，从德国、日本、美国等引进的PLC产品和国内厂家组装自行开发的产品，已有几十个、上百种型号。

PLC的品种繁多，其结构形式、性能、容量、指令系统、编程方式、价格等各有不同，适用的场合也各有侧重。

因此，合理的选择PLC，对于提高PLC控制系统技术经济指标有着重要意义。

下面从PLC的机型选择、容量选择、I/O模块选择、电源模块选择等方面分别加以介绍。

2.6.1PLC的机型选择

机型选择的基本原则是在满足功能要求及保证可靠、维护方便的前提下，力争最佳的性能价格比。

（1）合理的结构型式；

（2）安装方式的选择；

（3）相当的功能要求；

（4）响应速度的要求；

（5）系统可靠性的要求；

（6）机型统一。

2.6.2PLC的容量选择

PLC的容量包括I/O点数和用户存储容量两个方面。

（1）I/O点数

通常I/O点数是根据被控对象的输入、输出信号的实际需要，再加上10%—15%的备用量来确定。

（2）用户存储容量

用户存储容量是指PLC用于存储用户程序的存储器容量。

需要的用户存储容量的大小由用户程序的长短决定。

一般可只按下式估算，再按实际需要留适当的余量（20%—30%）来选择。

存储容量=开关量I/O点数*10+模拟量通道数*100

绝大部分PLC均能满足上式要求。

应当注意的是：

当控制系统较复杂、数据处理量较大时，可能会出现存储容量不够的问题，这时应特殊对待。

2.6.3I/O模块的选择

一般I/O模块的价格占PLC价格的一半以上。

不同的I/O模块，其电路及功能也不同，直接影响PLC的应用范围和价格。

下面仅介绍有关开关量I/O模块的选择。

（1）开关量输入模块的选择

PLC的输入模块是用来检测接收现场输入设备的信号，并将输入的信号转换为PLC内部接受的低电压信号。

①输入信号的类型及电压等级的选择常用的开关量模块的信号类型有三种：

直流输入、交流输入和交流/直流输入。

选择时一般根据现场输入信号及周围环境来决定。

按输入信号的电压大小分类有：

直流5V、24V、48V、60V等；交流110V、220V等。

选择时应根据现场输入设备与输入模块之间的距离来决定。

②输入接线方式选择按输入电路接线方式的不同，开关量输入模块可分为汇点式输入和分组式输入两种。

③同时接通的输入点数量对于选用高密度的输入模块，应考虑该模块同时接通的点数一般不要超过输入点数的60%。

（2）开关量输出模块的选择

输出模块是将PLC内部低电压信号转换为外部输出设备所需的驱动信号。

选择时主要应考虑负载电压的种类和大小、系统对延迟时间的要求、负载状态变化是否频繁等。

①输出方式的选择开关量输出模块有三种输出方式：

继电器输出、晶闸管输出和晶体管输出。

②输出接线方式的选择按PLC的输出接线方式的不同，一般有分组式输出和分隔式输出两种。

③输出电流的选择输出模块的输出电流必须大