【正文】 膜外有空氣和液體流動，屬紊流狀態(tài)；氣膜和液膜間屬層流狀態(tài)，不存在對流，在一定條件下會出現氣壓梯度和濃度梯度。如果液膜中氧的濃度低于水中氧的飽和濃度，空氣中的氧繼續(xù)向內擴散透過液膜進入水體，因而液膜和氣膜將成為氧傳遞的障，這就是雙膜理論。顯然，克服液膜障最有效的方法是快速變換“氣液”界面。曝氣攪拌正是如此，具體的做法就是：減少氣泡的大小，增加氣泡的數量，提高液體的紊流程度，加大曝氣器的安裝深度，延長氣泡與液體的接觸時間。曝氣設備正是基于這種做法而在污水處理中被廣泛采用的。本設計開發(fā)的意義在于運用西門子PLC對污水處理氧化溝曝氧機控制系統(tǒng)進行控制。使污水處理實現自動化處理，對降低污水處理成本、改善環(huán)境、建立可持續(xù)發(fā)展社會和和諧社會、保持我國經濟高速發(fā)展具有重要意義。 論文的組織本論文主要由八個部分構成。其中，前四個部分為4個章節(jié)，第1章為緒論（即本章），主要介紹本研究課題的來源和學術背景以及理論與實際意義；第2章為系統(tǒng)的總體方案設計，主要進行主控器的分析；第3章為系統(tǒng)的硬件設計，主要是對系統(tǒng)的控制器、變頻器及其他裝置的型號選擇，并且對系統(tǒng)所涉及的模塊化電路的講解；第4章為系統(tǒng)的軟件設計，通過對控制系統(tǒng)的設計思路的完全理解與掌握，得出系統(tǒng)工作時的整體流程圖，再使用西門子PLC的編程軟件來編寫出整個控制系統(tǒng)的梯形圖程序。后四個部分分別為總結、參考文獻、致謝和附錄。34第2章 污水處理氧化溝曝氧機控制系統(tǒng)總體方案設計 污水處理氧化溝曝氧機控制系統(tǒng)的簡介水污染問題是一個遍及全世界的環(huán)境問題，無論是在發(fā)展中國家還是發(fā)達國家，這個問題已越來越引起人們的重視?，F在，各國特別是發(fā)達國家每年都花巨大的人力、財力用于工業(yè)污水的治理。自20世紀60年代以來，各國都研究和發(fā)展了各種控制水體污染的新技術和新方法，對污染的控制也開始進入一個較高級的階段，即綜合防治環(huán)境污染的新階段。對于其控制系統(tǒng)的設計，我們可以利用PLC的模擬量模塊，對數字信號進行采樣處理，通過變頻器控制曝氧機的轉速實現曝氧機對污水處理氧化溝的控制。模擬氧化溝曝氧機的控制系統(tǒng)由可編程序控制器、變頻器、傳感器、曝氧機組成。水流速度傳感器將數據輸入PLC中。通過PLC來控制閥門，從而調節(jié)流速。水含氧量檢測傳感器將檢測到的數字量輸入PLC中。在PLC中實現PID控制算法，通過PID算法來調節(jié)控制變頻器，然后通過變頻器來調節(jié)曝氧機的運轉速度，從而改變污水中的含氧量，保持污水中溶解氧于一定濃度。根據工藝條件要求，編制出相應的控制程序，再在模型設備上進行調試和檢驗，配合計算機實現對可編程序控制器的程序輸入、輸出控制信號及對運行結果的實時監(jiān)控。 系統(tǒng)主控器的比較與選擇 單片機在我國，單片機已不陌生，它的出現是近代計算機技術的里程碑事件，因為單片機的誕生標志著計算機正式形成了通用計算機系統(tǒng)和嵌入式計算機系統(tǒng)兩大分支。在單片機誕生之前，為了滿足工控對象的應用要求，只能將通用計算機進行機械加固、電氣加固后嵌入到對象體系中構成自動駕駛儀、輪機監(jiān)控系統(tǒng)等。由于通用計算機的巨大體積和高成本，無線嵌入到大多數對象體系中，單片機則應運而生。單片機芯片的微小體積和極低成本，廣泛地嵌入到玩具、家用電器、機器人、儀器儀表、汽車電子系統(tǒng)、工業(yè)控制單元、辦公自動化設備、金融電子系統(tǒng)、個人信息終端及通信產品中，成為現代電子系統(tǒng)中最重要的智能化工具。在品種眾多的單片機中，51系列單片機以其結構的系統(tǒng)完整、特殊功能寄存器的規(guī)范化以及指令系統(tǒng)的控制功能等特色，成為單片機中的主流機型。STC89LE52RC+系列單片機是宏晶科技推出的新一代超強抗干擾/高速/低功耗的單片機，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)的8051單片機，12時鐘/機器周期和6時鐘/機器周期可任意選擇，最新的D版本內部集MAX810專用復位電路。其功能示意圖如21所示。STC系列單片機主要特點：①增強型12時鐘/機器周期、6時鐘/機器周期8051CPU；②工作電壓：(5V單片機)/（3V單片機）；③工作頻率范圍：040MHz，相當于普通8051的080MHz,實際工作頻率可達48MHz；圖21 STC單片機功能示意圖④用戶應用程序空間4K/8K/13K/16K/20K/32K/64K字節(jié)；⑤片上集成1280字節(jié)/512字節(jié)RAM；⑥通用I/O口（32/36個），復位后為：P1/P2/P3/P4是準雙向/弱上拉；⑦ISP/IAP，無需專用編程器/仿真器可通過串口（）直接下載用戶程序，8K程序3秒即可完成一片；⑧內部集成MAX810專用復位電路，外部晶體20M以下時，可省外部復位電路。 可編程序控制器可編程序控制器PC(Programmable Controller)，又稱可編程序控制器PLC(Programmable Logic Controller)，是微機技術與繼電器常規(guī)控制技術相接合的產物，是在順序控制器和微機控制器的基礎上發(fā)展起來的新型控制器，是一種以微處理器為核心用作數字控制的專用計算機。它不僅充分利用微處理器的優(yōu)點來滿足各種工業(yè)領域的實時控制要求，同時也照顧到現場電器操作維護人員的技能和習慣，擯棄了微機常用的計算機編程語言的表達形式，獨具風格地形成一套以繼電器梯形圖為基礎的形象編程語言和模塊化的軟件結構，使用戶程序的編制清晰直觀、方便易學，而且調試和查錯都變得很容易。根據PLC實施控制的基本點的分析，PLC采用了典型的計算機結構，主要是由CPU、RAM、ROM和專門設計的輸入輸出接口電路等組成，如圖22所示。㈠ 中央處理機中央處理機是PLC的大腦，它由中央處理器(CPU)和存儲器等組成。中央處理器(CPU)一般由控制電路、運算器和寄存器組成，這些電路一般都集成在一芯片上。CPU通過地址總線、數據總線和控制總線與存儲單元、輸入輸出(I/O)接口電路相連接。 CPU的主要功能： ⑴從存儲器中讀取指令； ⑵執(zhí)行指令；⑶準備取下一條指令；⑷處理中斷。輸入接口中央處理單元存儲器輸入輸出數據存儲輸出接口編程單元電源單元數據總線地址總線控制總線地址總線控制總線其他執(zhí)行裝置或接觸器電磁裝置電動機照明開關或傳感器繼電器觸點行程開關模擬量輸入圖 22 PLC結構示意圖存儲器是具有記憶功能的半導體電路，用來存放系統(tǒng)程序、用戶程序、邏輯變量和其他一些信息。 在PLC中使用的兩種類型存儲器為ROM何RAM，現說明如下： ⑴只讀存儲器ROM中的內容是由PLC的制造廠家寫入的系統(tǒng)程序，并且永遠駐留(PLC去電后再加電，ROM內容不變)。系統(tǒng)程序一般包括下列幾部分：① 檢查程序；②翻譯程序；③監(jiān)控程序。⑵隨機存儲器RAM是可讀可寫存儲器，讀出時，RAM中的內容不被破壞；寫入時，剛寫入的信息就會消除原有的信息。RAM中一般存放以下內容：①用戶程序；②邏輯變量；③供內部程序使用的工作單元。㈡ 電源部件 電源部件將交流電源換成供PLC的中央處理器、存儲器等電子電路工作所需要的直流電源，使PLC能正常工作，PLC內部電路使用的電源是整體的能源供給中心，它的好壞直接影響PLC的功能和可靠性，因此目前大部分PLC采用開關式穩(wěn)壓電源供電。 ㈢ 輸入輸出部分 這是PLC與被控設備相連接的接口電路。用戶設備輸入PLC的各種控制信號，如限位開關、操作按鈕、選擇開關、行程開關以及其他一些傳感器輸出的開關量或模擬量(要通過模數變換進入機內)等，通過輸入接口電路將這些信號轉換成中央處理器能夠接收和處理的信號。輸出接口電路將中央處理器送出的弱電控制信號轉換成現場需要的強電信號輸出，以驅動電磁閥、接觸器、電動機等被控設備的執(zhí)行元件。 主控器的選擇 雖然單片機功能強大，具有先進的工藝和更小的封裝，而且功耗低、電壓低以及價格更為低廉，但是，相對PLC而言，單片機卻存在信號容易被干擾，外圍電路繁多以及控制結構復雜等缺陷。此外，相對而言，PLC也更具有以下的優(yōu)勢：①PLC的軟件簡單易學、使用維護較為方便；②PLC集三電（即電控、電儀、電傳）于一體，適用各種規(guī)模的自動化系統(tǒng)；③PLC可靠性高、抗干擾能力強；④PLC網絡的的性能價格比高。故此氧化溝曝氣機控制系統(tǒng)的主控制器采用可編程序控制器(PLC)。 系統(tǒng)的方案分析 基于PLC的曝氧機控制系統(tǒng)自二十世紀六十年代美國推出可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）取代傳統(tǒng)繼電器控制裝置以來，PLC得到了快速發(fā)展，在世界各地得到了廣泛應用。同時，PLC的功能也不斷完善。隨著計算機技術、信號處理技術、控制技術網絡技術的不斷發(fā)展和用戶需求的不斷提高，PLC在開關量處理的基礎上增加了模擬量處理和運動控制等功能。今天的PLC不再局限于邏輯控制，在運動控制、過程控制等領域也發(fā)揮著十分重要的作用。可編程控制器（PLC）是由工業(yè)微型計算機、輸入, 輸出設備、保護及抗干擾隔離電路等構成的微機控制裝置，具有順序、周期性工作的特征，從應用角度看可編程控制器具有如下特點：可靠性高：由于可編程控制器的輸入, 輸出端口均采用繼電器或光電耦合器件，采取了隔離和抗干擾措施，使其具有很高的抗干擾能力，因而能在惡劣環(huán)境下可靠工作。體積小：由于在制造時采用了大規(guī)模集成電路和微處理器，用軟件編程代替了硬連線，便于安裝，實現了小型化。通用性好：由于可編程控制器采用模塊化結構，一般有CPU 模塊、電源模塊、PID模塊、模擬輸入和輸出模塊等，可以用這些模塊靈活的組成各種不同的控制系統(tǒng)，對不同的控制系統(tǒng)，只需選取不同的模塊即可，因而具有很好的適用性。使用方便：對于不同的控制系統(tǒng)，當硬件結構選定后，如果輸入、輸出作很小的變動時，只需修改相應程序即可，無需對系統(tǒng)連線做較大的修改，減少了現場調試的工作量，使用起來靈活方便?；诳删幊炭刂破鞯纳鲜鰞?yōu)點能夠適應和滿足污水處理氧化溝的運行要求，根據工業(yè)污水處理系統(tǒng)的電氣控制系統(tǒng)的功能要求，以及其復雜程度，從經濟性、可靠性等方面來考慮，選擇西門子 S7—200 系列 PLC 作為工業(yè)污水處理系統(tǒng)的電氣控制系統(tǒng)的控制主機。由于工業(yè)污水處理電氣控制系統(tǒng)涉及較多的輸入輸出端口，其控制過程相對復雜，因此采用 CPU224 作為該控制系統(tǒng)的主機。CPU224 在工業(yè)污水處理系統(tǒng)中使用的數字量輸入點和輸出點都比較多，西門子公司專門為 S7—200 系列 PLC 配置了模擬量輸入輸出模塊 EM235，該模塊具有較高的分辨率和較強的輸出驅動能力，可滿足控制系統(tǒng)的功能要求。S7200系列的PLC在各種行業(yè)的檢測及控制的自動化都得到廣泛的應用。由于其具有極高的性價比，在以下幾方面都有優(yōu)越的表現：極高的可靠性、程序易于掌握，實時特性功能、編程語言指令豐富，操作簡便，有豐富的擴展功能。用西門子S7200系列就完全可以滿足電氣控制系統(tǒng)方面的要求。PLC為核心控制器，通過檢測操作面板按鈕的輸入，流速傳感器的輸入，溶氧儀模擬量的輸入完成曝氧機運行，停止和調速?？删幊踢壿嬁刂破鳎≒LC）流速傳感器輸入（數字量）溶氧儀反饋值（數字量）變頻器曝氣機運行PID算法含氧量水流速控制 基于PLC的氧化溝曝氣機控制系統(tǒng)設計。第3章 污水處理氧化溝曝氧機控制系統(tǒng)的硬件設計 本設計的硬件部分主要由可編程控制器（PLC）、變頻器、傳感器與曝氧機的控制以及報警電路五部分組成，其系統(tǒng)控制電路圖見附錄Ⅰ。 可編程序控制器設計 PLC的硬件系統(tǒng) PLC硬件系統(tǒng)中央處理單元（CPU）中央處理單元（CPU）是PLC 的控制中樞。它按照PLC 系統(tǒng)程序賦予的功能接收并存儲從編程器鍵入的用戶程序和數據：檢查電源、存儲器、I/O 以及警戒定時器的狀態(tài)，并能診斷用戶程序中的語法錯誤，當PLC 投入運行時，首先它以掃描的方式接收現場各輸入裝置的狀態(tài)和數據，并分別存入I/O 映象區(qū)，然后從用戶程序存儲器中逐條讀取用戶程序，經過命令解釋后按指令的規(guī)定執(zhí)行邏輯或算數運算的結果送入I/O 映象區(qū)或數據寄存器內。等所有的用戶程序執(zhí)行完畢之后，最后將I/O 映象區(qū)的各輸出狀態(tài)或輸出寄存器內的數據傳送到相應的輸出裝置，如此循