【正文】 計(jì)說(shuō)明書 28 其他資源配置 要完成系統(tǒng)的控制功能除了需要 PLC 主 機(jī)及其擴(kuò)展模塊之外，還需要各種傳感器、接觸器和變頻器等儀器設(shè)備。 S7200系列的 CPU224 主機(jī)有 — 、 — 共計(jì) 14個(gè)輸入點(diǎn)和— 、 Q10— 10 個(gè)輸出點(diǎn)。 熱繼電器 FR： 熱繼電器是間接斷開(kāi)電路 ， 通過(guò)熱繼電器上的常開(kāi)或者常閉觸點(diǎn)通知控制元件斷開(kāi)接觸 器， 使主電路斷開(kāi)，實(shí)現(xiàn) 電動(dòng)機(jī) 的過(guò)載保護(hù)。 圖 41 電氣控制系統(tǒng)框圖 可編程邏輯控制器PLC 操作面板 液位高度傳感器輸入 液位差傳感器輸入 溶解氧儀反饋值（模擬量） 顯示面板 變頻器 風(fēng)機(jī)運(yùn)行 各類泵運(yùn)行 格柵機(jī)定時(shí)運(yùn)行 河北工程大學(xué)科信學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 19 污水處理系統(tǒng)主電路設(shè)計(jì) 圖 4圖 4圖 44分別 為污水處理系統(tǒng)的 AC1柜、 AC2 柜、 AC3 柜 主回路 原理圖 ，圖 45為 AC3柜控制回路 原理圖。由于在該系統(tǒng)中需要檢測(cè)較多的數(shù)字輸入量，并且還要檢測(cè)模擬量的輸入，根據(jù)設(shè)定的程序進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后，輸出控制信號(hào)，因此系統(tǒng)的控制邏輯與時(shí)序就需要嚴(yán)格按照檢測(cè)信號(hào)的輸入進(jìn)行控制。 （ 6）過(guò)濾泵根據(jù)液位自動(dòng)運(yùn)行，調(diào)節(jié)池高水位關(guān)進(jìn)水電動(dòng)閥門，低水位開(kāi)進(jìn)水電動(dòng)閥門。 開(kāi)始設(shè)計(jì) 控制要求分析 確定輸入輸出設(shè)備 選擇合適的 PLC I/O 點(diǎn)數(shù)分配 PLC 程序設(shè)計(jì) 整理技術(shù)文件 設(shè)計(jì)結(jié)束 河北工程大學(xué)科信學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 17 （ 6）整理技術(shù)文件 這一步主要包括整理與設(shè)計(jì)有關(guān)的文檔，包括設(shè)計(jì) 說(shuō)明書、 I/O接線原理圖、程序清單和使用說(shuō)明書等。 河北工程大學(xué)科信學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 16 圖 33 設(shè)計(jì)步驟示意圖 （ 1）控制要求分析 在設(shè)計(jì) PLC 控制系統(tǒng)之前，必須對(duì)工藝過(guò)程進(jìn)行細(xì)致的分析，詳細(xì)了解控制對(duì)象和控制要求，這樣才能真正明白自己所要完成的任務(wù)，并更好地完成任務(wù)，設(shè)計(jì)出令人滿意的控制系統(tǒng)。 最長(zhǎng)響應(yīng)時(shí)間：在一個(gè)掃描剛完成輸入讀取后才接到輸入信號(hào)，這樣這個(gè)輸入信號(hào)在該掃描周期將不會(huì)發(fā)生變化，要等到下個(gè)掃描周期才能得到響應(yīng)，這時(shí)的響應(yīng)時(shí)間最長(zhǎng)。這一階段執(zhí)行完后，進(jìn)入輸出階段。隨著現(xiàn)代社會(huì)計(jì)算機(jī)技術(shù)的提高，網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)的 不斷發(fā)展，它也將和其他的工業(yè)控制計(jì)算機(jī)組網(wǎng)構(gòu)成大型的控制系統(tǒng)，在工業(yè)及工業(yè)以外的眾多領(lǐng)域發(fā)揮越來(lái)越大的作用 。作為工業(yè)控制計(jì)算機(jī)， PLC 能編制各種各樣的控制算法程序，完成閉環(huán)控制。 PLC 的應(yīng)用與發(fā)展趨勢(shì) 可編程控制器的應(yīng)用領(lǐng)域 PLC 在鋼鐵、石油、化工、電力、建材、機(jī)械制造、汽車、輕紡、交通運(yùn)輸、環(huán)保及文化娛樂(lè)等各個(gè)行業(yè)的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛，主要可以歸納為以下幾類： （ 1） 開(kāi)關(guān)量的邏輯控制 可編程控制器可實(shí)現(xiàn)邏輯控制、順序控制，也可用于單臺(tái)設(shè)備的控制，又可用于多機(jī)群控制及自動(dòng)化流水線。 （ 3） 掃描速度數(shù)是指 PLC掃描 1k（ 1k=1024）字用戶程序所需的時(shí)間，通常以 ms/k字為單位，掃描速度越快越好。如果兩種語(yǔ)言都會(huì)使用更好，因?yàn)樗鼈冎g可以相互轉(zhuǎn)換。 4 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、建造工作量小，維護(hù)方便，容易改造 PLC 用存儲(chǔ)邏輯代替接線邏輯，大大減少了控制設(shè)備外部的接線，使控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及建造的周期大為縮短，同時(shí)維護(hù)也變得容易起來(lái)?？梢杂糜诟鞣N規(guī)模的工業(yè)控制場(chǎng)合。 PLC 由于采用現(xiàn)代大規(guī)模集成電路技術(shù)，采用嚴(yán)格的生產(chǎn)工藝制造，內(nèi)部電路采取了先進(jìn)的抗干擾技術(shù)，具有很高的可靠性?；窘Y(jié)構(gòu)框圖如圖 31 所示。產(chǎn)品系列不斷豐富，互通功能得到了較大的發(fā)展，系統(tǒng)性能日趨可靠、完善。由于這些產(chǎn)品主要完成邏輯運(yùn)算功能，因此，被稱為可編程序邏輯控制器（ PLC）。 而通用汽車公司（ GM）公司為了適應(yīng)生產(chǎn)工藝不斷更新的需求，從用戶角度提出了新一代控制器應(yīng)具備的 10 項(xiàng)指標(biāo)： （ 1） 編程方便可現(xiàn)場(chǎng)修改程序 （ 2） 維修方便采用模塊化結(jié)構(gòu) （ 3） 可靠性高于繼電器控制裝置 （ 4） 體積小于繼電器控制組裝置 （ 5） 具有數(shù)據(jù)通信功能數(shù)據(jù)可直接送入計(jì)算機(jī)管理 （ 6） 成本可與繼電器控制系統(tǒng)競(jìng)爭(zhēng) 河北工程大學(xué)科信學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 9 （ 7） 輸入可為市電 （ 8） 輸出可為市電容量要求在 2A 以上，可直接驅(qū)動(dòng)接觸器、電磁閥等 （ 9） 易于擴(kuò)展擴(kuò)展時(shí)原系統(tǒng)改變最小 （ 10） 用戶存儲(chǔ)器大于 4KB 根據(jù)這 10 項(xiàng)指標(biāo)，美國(guó)數(shù)字設(shè)備公司 (DEC 公司 )于 1969 年研制出了世界上第一臺(tái)可編程控制器 PDP14，并在 GM公司的汽車生產(chǎn)線上使用成功，可編程控制器 自此誕生。這種由繼電器構(gòu)成的控制系統(tǒng)存在明顯的缺點(diǎn)，尤其是對(duì)生產(chǎn)工藝多變的系統(tǒng)適應(yīng)性較差。間歇式活性污泥曝氣法在流態(tài)上雖然屬 完全混合式，但在有機(jī)物降解方面，則是時(shí)間上的推流。主要目的是為了滿足高標(biāo)準(zhǔn)的受納水體要求或會(huì)用于工業(yè)等特殊用途，它是城市污水處理未來(lái)發(fā)展的方向。 預(yù)處理：主要包括格柵和沉砂池。 目前我國(guó)新建 及在建的污水處理廠所采用的工藝中，各種類型的活性污泥法仍為主流，占 90%以上，其余則為一級(jí)處理、強(qiáng)化一級(jí)處理、生物膜法及其他處理工藝相結(jié)合的自然生態(tài)凈化法等污水處理工藝技術(shù)。國(guó)外一些先進(jìn)、高效的污水處理專用設(shè)備也進(jìn)入了我國(guó)污水處理行業(yè)市場(chǎng)，如柵格機(jī)、潛水泵、除砂裝置、刮泥機(jī)、曝氣器、鼓風(fēng)機(jī)、污泥泵、脫水機(jī)、沼氣發(fā)電機(jī)、沼氣鍋爐、污泥消化攪拌系統(tǒng)等大型設(shè)備與裝置。 課題的主要研究?jī)?nèi)容 本課題論述了污水處理工藝及污水處理系統(tǒng)的組成和 PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，主要由以下內(nèi)容組成： （ 1）介紹了污水處理的基本內(nèi)容，包括污水處理的發(fā)展、現(xiàn)狀以及污水處理的工藝流程； （ 2）介紹了 PLC 的基本結(jié)構(gòu)和工作原理，并對(duì)污水處理控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)分析； （ 3）具體分析設(shè)計(jì)污水處理的部分硬 件系統(tǒng)； （ 4）具體分析設(shè)計(jì)污水處理的部分軟件系統(tǒng)。大部分以前建設(shè)的污水廠自動(dòng)化程度仍然很低，仍采用人工巡檢的方式。 （ 2） 大量采用在線監(jiān)測(cè)的水質(zhì)分析儀表，對(duì)全廠的水質(zhì)實(shí)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并由上位機(jī)記錄下來(lái)，提高了測(cè)量精度。一些發(fā)達(dá)國(guó)家經(jīng)過(guò)幾十年的努力，污水處理率已經(jīng)達(dá)到了 80%～ 90%，成功的解決了來(lái)自于城市和工業(yè)的水源污染問(wèn)題。其中處理過(guò)的污水還可以循環(huán)再利用，由于我國(guó)是一個(gè)水資源匱乏的國(guó)家，而且時(shí)空分布上極不均勻，許多地區(qū)和城市嚴(yán)重缺水。、美國(guó)為 179。居世界第6位，人均水資源量為 2220m178。聯(lián)合國(guó)預(yù)計(jì)，到 2025 年，世界將近一半的人口會(huì)生活在缺少的地區(qū)。由于 80%以上的污水未經(jīng)有效處理就直接投進(jìn)水域，已造成我國(guó) 1/3 以上的河段受到污染， 90%以上的城市水域嚴(yán)重污染，近 50%的重點(diǎn)城鎮(zhèn)水源不符合飲用水標(biāo)準(zhǔn)。 本文介紹了城市污水處理的基本工藝和流程，并通過(guò)研究設(shè)計(jì)一套基于 PLC 控制的污水處理系統(tǒng)。最后按照工藝要求設(shè)計(jì) PLC控制系統(tǒng)，其中包括 PLC 的選型、系統(tǒng)資源配置以及按照污水處理工藝編制 PLC程序等。國(guó)內(nèi)外水環(huán)境恢復(fù)與再生的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明，污水深度處理與再利用是通向健康水循環(huán)的橋梁，推進(jìn)污水深度處理和普及再生水利用是人類與自然兼容協(xié)調(diào)，創(chuàng)造良好水環(huán)境，促進(jìn)人類可持續(xù)發(fā)展的重要舉措?？梢?jiàn)，全球性的水危機(jī)已引起人們的警覺(jué)，現(xiàn)在已經(jīng)到了必須認(rèn)真考慮水問(wèn)題的時(shí)候了。據(jù)中國(guó)經(jīng)濟(jì)信息網(wǎng)分析統(tǒng)計(jì)，全國(guó)按目前正常需要，年缺水總量約為 300 億 ～ 400 億立方米，因缺水造成的經(jīng)濟(jì)損失每年達(dá) 2300 億元，超過(guò)洪澇災(zāi)害。 因此，建設(shè)符合我國(guó)國(guó)情的污水廠自動(dòng)控制系統(tǒng)對(duì)降低污水處理成本、改善環(huán)境、建立可持續(xù)發(fā)展社會(huì)和和諧社會(huì)、保持我國(guó)經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展具有重要意義。因此，有效的結(jié)合目前最新的工藝狀況、計(jì)量自控檢測(cè)儀表使用、 PLC控制系統(tǒng)技術(shù)，將為當(dāng)前污水處理控制系統(tǒng)提供有效的自控方法。同時(shí)國(guó)外較早的將 SCADA 技術(shù)引入到了給水排水工程中，并取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)效益。 國(guó)內(nèi)污水處理自控系統(tǒng)發(fā)展?fàn)顩r 解放初期由于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)剛剛起步，當(dāng)時(shí)的污水污染程度很低，且提倡利用污水進(jìn)行農(nóng)業(yè)灌溉，特別是北方缺水地區(qū)將污水灌溉利用作為經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行推廣，如著名的沈撫灌渠等，所以全國(guó)僅有幾個(gè)城市建設(shè)了近十座污水處理廠（還包括 1921～ 1926 年間外國(guó)人 興建 3座污水處理廠），在處理工藝有的還是一級(jí)處理，處理的規(guī)模也很小，每天只有幾千立 方米，最大的也只有每天 5萬(wàn)立方米左右，致使污水處理技術(shù)和管理水平處于較落后的狀態(tài)。 （ 3）各個(gè)控制站之間完全獨(dú)立，沒(méi)有信息的交換。經(jīng)處理后的污水，最后出路有三種：（ 1）排放水體；（ 2）灌溉田地；（ 3）重復(fù)使用。 DE 型氧化溝和三溝式氧化溝在中高濃度的中小型城市污水處理中也有應(yīng)用。現(xiàn)代污水處理技術(shù)，按原理可分為物理處理法、化學(xué)處理法和生物化學(xué)處理法三類。目的是將污水中懸浮狀態(tài)的固體污染物質(zhì)盡可育出也沉降去除，經(jīng)過(guò)一級(jí)處理后的污水，可去除 50%左右的懸浮物，污水五日需氧量一般只能去除 30%左右，達(dá)不到排放標(biāo)準(zhǔn)。早在 1914年，這種處理系統(tǒng)就被采用，但由于當(dāng)時(shí)的自動(dòng)化水平較低，操作困難且工作量大，特別是后來(lái)隨著城市和工業(yè)廢水處理規(guī)模的日趨擴(kuò)大，這個(gè)缺點(diǎn)更加突出，間歇式 活性污泥法逐漸被連續(xù)式活性污泥法取代。 河北工程大學(xué)科信學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 8 3 設(shè)計(jì)方案的確定 PLC 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)分析 PLC 的產(chǎn)生背景 可編程控制器是基于微型計(jì)算機(jī)技術(shù)的通用工業(yè)自動(dòng)控制設(shè)備，在其早期主要應(yīng)用于開(kāi)關(guān)量的邏輯控制。此后隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、半導(dǎo)體集成技術(shù)、控制技術(shù)、數(shù)字技術(shù)、通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等高新技術(shù)的不斷進(jìn)步， PLC 也迅速發(fā)展起來(lái)。這些技術(shù)的每次革新，都會(huì)給可編程控制器帶來(lái)功能和特性的新變化，使得可編程控制器技術(shù)的與飛速發(fā)展。 （ 3） 20 世紀(jì) 80 年代初期到 90年代初期 這一階段由于 16位， 32位微處理器的出現(xiàn)和應(yīng)用， PLC 向大規(guī)模、高速度、高性能和網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展，形成了多種系列化產(chǎn)品，出現(xiàn)了結(jié)構(gòu)緊湊、功能強(qiáng)大、性能價(jià)格比搞的新一代產(chǎn)品，并出現(xiàn)多種不同性 能的分布式網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，在功能上， PLC 具有了數(shù)學(xué)運(yùn)算、數(shù)據(jù)采集和處理、運(yùn)動(dòng)控制、閉環(huán)控制、聯(lián)網(wǎng)通信等功能，而且隨著應(yīng)用領(lǐng)域的不斷迅速擴(kuò)大， PLC 已成為構(gòu)成生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)控制系統(tǒng)的主要設(shè)備。典型產(chǎn)品有羅克韋爾自動(dòng)化公司的 PLC5系列、 ControlLogix 系列，西門子公司的 SYMATIC S7 系統(tǒng)，莫迪康公司的 Quantum 系列等。模塊式的 PLC安裝完成后，需進(jìn)行登記，以便 PLC 對(duì)安裝在總線上的各模塊進(jìn)行地址確認(rèn)。從 PLC 的機(jī)外電路來(lái)說(shuō)，使用 PLC 構(gòu)成控制系統(tǒng)，和同等規(guī)模的繼電接觸器系統(tǒng) 相比，電氣接線及開(kāi)關(guān)接點(diǎn)已減少到數(shù)百甚至數(shù)千分之一，故障也就大大降低。加上 PLC 通信能力的增強(qiáng)及人機(jī)界面技術(shù)的發(fā)展，使用 PLC 組成各種控制系統(tǒng)變得非常容易。 5 體積小，重量輕，能耗低 以超小型 PLC為例，新近出產(chǎn)的品種底部尺寸小于 100mm，重量小于 150g，功耗僅數(shù)瓦。編程語(yǔ)言中還有一個(gè)內(nèi)容是指令功能。也有的 PLC 直接用所能存放的程序量表示。 （ 3） 運(yùn)動(dòng)控制 PLC 可以用于圓周運(yùn)動(dòng)或直線運(yùn)動(dòng)的控制?？梢酝瓿蓴?shù)據(jù)的采集、監(jiān)測(cè)、分析和處理。也可以說(shuō)，繼電器控制裝置是根據(jù)輸入和邏輯控制結(jié)構(gòu)就可以直接得到輸出，而 PLC控制則需要出入傳送、執(zhí)行程序指令、輸出 3 個(gè)階段才能完成控制過(guò)程。 2 PLC的輸入 /輸出響應(yīng)時(shí)間 I/O 響應(yīng)時(shí)間是指某一輸入 信號(hào)從變化開(kāi)始到系統(tǒng)相關(guān)輸出端信號(hào)的改變所需要的時(shí)間。 （ 1）根據(jù)工藝流程進(jìn)行設(shè)計(jì)，力求設(shè)計(jì)出來(lái)的控制系統(tǒng)能最大限度地滿足控制要求。 （ 3）選擇合適 PLC 確定 PLC 的 I/O 點(diǎn)數(shù)后，就根據(jù) I/O 點(diǎn)數(shù)、控制要求等來(lái)進(jìn)行 PLC 的選擇。 設(shè)備控制要求 （ 1） 格柵機(jī)以停三分鐘，運(yùn)行一分鐘的節(jié)奏運(yùn)行，將三檔開(kāi)關(guān)撥到中間，關(guān)閉格柵機(jī) 。 1號(hào)供水泵為工頻供水， 2號(hào)供水泵為變頻供水。 (2）顯示面板。選用的 MM430 變頻器是用來(lái)控制電機(jī)1M、 2M 變頻運(yùn)行的。 CPU224 在污水處理系統(tǒng)中使用的數(shù)字量輸入點(diǎn)和輸出點(diǎn)都比較多 ，因此除了 PLC主機(jī)自帶的 I/O 外，還需要擴(kuò)展一定數(shù)量的 I/O 擴(kuò)展模塊。 CPU224PLC 有 6 個(gè)高速計(jì)數(shù)脈沖輸入端（ — ），最快的響應(yīng)速度為 30KHZ，用于捕捉經(jīng) CPU掃描周期更快的脈沖信號(hào)。其機(jī)械壽命高達(dá) 100000 萬(wàn)次，電壽命高達(dá) 100000萬(wàn)次。 適用于交流 50Hz 或 60Hz、電壓至 690V，電流 的 長(zhǎng)期工作或間斷長(zhǎng)期工作的交流 電動(dòng)機(jī) 的過(guò)載與斷相保護(hù)。電動(dòng)閥 控制系統(tǒng) 選用施耐德 C65ND2A/2P 斷路器 ，額定電流為 2A，滅弧方式為空氣