【文章內(nèi)容簡介】 產(chǎn)生污泥膨脹現(xiàn)象 [10]。 基于 PLC 控制的城市污水處理系統(tǒng)設(shè)計 第 18 頁，共 78 頁 第 3 章 設(shè)計方案的確定 PLC 控制系統(tǒng)的設(shè)計分析 PLC 的結(jié)構(gòu) PLC 實質(zhì)是一種專用于工業(yè)控制的計算機，其硬件結(jié)構(gòu)基本上與微型計算機相同。根據(jù)結(jié)構(gòu)形式的不同， PLC 的基本結(jié)構(gòu)分為整體式和模塊式結(jié)構(gòu)兩類。 PLC 整體式（又稱箱體式）結(jié)構(gòu)的 PLC 由中央處理器（ CPU）、存儲器、輸入 /輸出（ I/O）單元、電源電路和通信端口等組成，并將這些組裝在 同一機體內(nèi)。這種結(jié)構(gòu)的特點是結(jié)構(gòu)簡單、體積小、價格低、輸入 /輸出點數(shù)固定、實現(xiàn)的功能和控制規(guī)模固定，但靈活性較低?；窘Y(jié)構(gòu)框圖如圖 31 所示。 圖 31 整體式結(jié)構(gòu) 華北科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 第 19 頁，共 78 頁 PLC 模塊式（又稱組合式）結(jié)構(gòu)的 PLC 是將中央處理器（ CPU）、存儲器、輸入 /輸出（ I/O）單元、電源電路和通信端口等分別做成相應(yīng)的模塊，應(yīng)用時將這些模塊根據(jù)控制要求插在機架上，各模塊間通過機架上的總線互相聯(lián)系。其中 PLC 的 CPU 和存儲器設(shè)計在一個模塊上，有時把電源也放在這一模塊上，該模塊在總線上的安裝位置一般是固定 的。模塊式的PLC 安裝完成后，需進(jìn)行登記，以便 PLC 對安裝在總線上的各模塊進(jìn)行地址確認(rèn)。模塊式的特點是系統(tǒng)構(gòu)成的靈活性高?？梢詷?gòu)成不同控制規(guī)模和功能的 PLC，但同時價格也比較高?；窘Y(jié)構(gòu)如圖 32 所示。 圖 32 結(jié)構(gòu)式模塊 PLC 的工作原理 PLC 與繼電器構(gòu)成的控制裝置的重要區(qū)別之一就是工作方式不同，繼電器控制是并行運行方式，即如果輸出線圈通電或斷電，該線圈的觸點立即動作，只要形成電流通路，就有可能有幾個電器同時動作。而 PLC則不同，它采用循環(huán) 掃描技術(shù)，只有該線圈通電或斷電，并且必須當(dāng)程序掃描到該線圈時，該 線圈觸點才會動作，而且每次只能執(zhí)行一條指令，基于 PLC 控制的城市污水處理系統(tǒng)設(shè)計 第 20 頁，共 78 頁 這也就是 PLC 以“串行”方式工作的，這種工作方式可以避免繼電器控制的觸點競爭和時序失配等問題。也可以說，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 個階段才能完成控制過程。 1．循環(huán)掃描技術(shù) PLC 采用循環(huán)可以分為 3 個階段：輸入階段（將外部輸入信號的狀態(tài)傳送到 PLC）、執(zhí)行程序階段和輸出階段（將輸出信號傳送到外部設(shè)備）。 （ 1） 輸入階段 在這個階段中， PLC 先進(jìn)行自我診斷，然 后與編程器或計算機通信，同時中央處理器掃描各個輸入端并讀取輸入信號的狀態(tài)和數(shù)據(jù)，并把它們存入相應(yīng)的輸入存儲單元。 （ 2）執(zhí)行程序階段 在這個階段中， PLC 按照由上到下的次序逐步執(zhí)行程序指令。從相應(yīng)的輸入存儲單元讀入輸入信號的狀態(tài)和數(shù)據(jù)，然后根據(jù)程序內(nèi)部繼電器、定時器、計數(shù)器數(shù)據(jù)寄存器的狀態(tài)和數(shù)據(jù)進(jìn)行邏輯運算，得到運算結(jié)果，并將這些結(jié)果存入相應(yīng)的輸出存儲器單元。這一階段執(zhí)行完后，進(jìn)入輸出階段。在這個程序執(zhí)行中，輸入信號的狀態(tài)和數(shù)據(jù)保持不變。 （ 3）輸出階段 在這個階段中， PLC 將相應(yīng)的輸出存儲單元的運算結(jié)果傳送到輸出模塊上，并通過輸出模塊想外部設(shè)備傳送輸出信號，開始控制外部設(shè)備。 2． PLC 的輸入 /輸出響應(yīng)時間 I/O 響應(yīng)時間是指某一輸入信號從變化開始到系統(tǒng)相關(guān)輸出端信號華北科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 第 21 頁，共 78 頁 的改變所需要的時間。因為 PLC 的循環(huán)掃描工作方式，所以收到輸入信號的時刻不同，響應(yīng)時間的長短也就不同。下面就給出最短和最長響應(yīng)時間。 最短響應(yīng)時間：一個 掃描周期剛結(jié)束就收到輸入信號，即收到這個輸入信號與開始下一個掃描周期同時，這樣的響應(yīng)時間最短?？紤]到輸入電路和輸出電路的延時，所以最短響應(yīng)時間應(yīng)大于一個掃 描周期。 最長響應(yīng)時間：在一個掃描剛完成輸入讀取后才接到輸入信號，這樣這個輸入信號在該掃描周期將不會發(fā)生變化，要等到下個掃描周期才能得到響應(yīng)，這時的響應(yīng)時間最長。 PLC 控制系統(tǒng)設(shè)計原則和設(shè)計步驟 1．設(shè)計原則 PLC 控制系統(tǒng)是為工藝流程服務(wù)的，所以它首先要能很好地實現(xiàn)工藝提出的控制要求。 PLC 控制系統(tǒng)的設(shè)計應(yīng)遵循以下原則。 （ 1） 根據(jù)工藝流程進(jìn)行設(shè)計，力 求設(shè)計出來的控制系統(tǒng)能最大限度地滿足控制要求。 （ 2） 在滿足控制要求的前提下，盡量減 少 PLC 系統(tǒng)硬件費用。 （ 3）考慮到以后控制要求的變化， 所以控制系統(tǒng)設(shè)計時應(yīng)考 慮 PLC的可擴展性 （ 4） 控制系統(tǒng)使用和 維護方便、安全可靠。 2．設(shè)計步驟 一般 PLC 控制系統(tǒng)的 設(shè)計步驟如圖 33，具體操作如下。 基于 PLC 控制的城市污水處理系統(tǒng)設(shè)計 第 22 頁，共 78 頁 開始設(shè)計控制要求分析確定輸入輸出設(shè)備選擇合適的PLCI/O點 數(shù)分配PLC 程序設(shè)計模擬調(diào)試現(xiàn)場聯(lián)機調(diào)試整理技術(shù)文件設(shè)計結(jié)束 圖 33 設(shè)計步驟示意圖 （ 1）控制要求分析 在設(shè)計 PLC 控制系 統(tǒng)之前，必須對工藝過程進(jìn)行細(xì)致的分析，詳細(xì)了解控制對象和控制要求，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)計出令人滿意的控制系統(tǒng)。 華北科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 第 23 頁，共 78 頁 （ 2）確定輸入 /輸出設(shè)備 根據(jù)控制要求選擇合適的輸入設(shè)備（控制按鈕、開關(guān)、傳感器等）和輸出設(shè)備（接觸器、繼電器）。并根據(jù)所選 用的輸入 /輸出設(shè)備的類型和數(shù)量，確定 PLC 的 I/O 點數(shù)。 （ 3）選擇合適 PLC 確定 PLC 的 I/O 點數(shù)后，就根據(jù) I/O 點數(shù)、控制要求等來進(jìn)行 PLC的選擇。選擇包括機型、存儲器容量、輸入 /輸出模塊、電源模塊和智能模塊等。 （ 4） I/O 點數(shù)分配 點數(shù)分配就是規(guī)定 PLC 的 I/O 端子和輸入 /輸出設(shè)備的對應(yīng)關(guān)系，畫出 I/O 接線原理圖。 （ 5） PLC 程序設(shè)計 本階段就是根據(jù)控制對象和控制要求對 PLC 進(jìn)行編程。首先把工藝流程分為若干階段，確定每一階段的輸入信號和輸出要控制的設(shè)備，還有不同階段之間的聯(lián)系，然后畫出程序流程圖 ，最后再進(jìn)行程序編制。 （ 6）模擬調(diào)試 程序編制好后，可以用按鈕和開關(guān)模擬數(shù)字量，電壓源和電流源代替模擬量，進(jìn)行模擬調(diào)試，使控制程序基本滿足控制要求。 （ 7）現(xiàn)場聯(lián)機調(diào)試 現(xiàn)場聯(lián)機調(diào)試就是將 PLC 與現(xiàn)場設(shè)備進(jìn)行調(diào)試。在這一步中可以發(fā)現(xiàn)程序存在的實際問題，然后經(jīng)過修正后使其滿足控制要求。 （ 8）整理技術(shù)文件 這一步主要包括整理與設(shè)計有關(guān)的文檔，包括設(shè)計說明書、 I/O 接線基于 PLC 控制的城市污水處理系統(tǒng)設(shè)計 第 24 頁，共 78 頁 原理圖、程序清單和使用說明書等 。 污水處理 PLC 控制系統(tǒng)的設(shè)計分析 污水處理的過程 本文中的污水 處理采用 SBR 污水生物處 理工藝，即序 列 間歇 式 活性污泥法。這種工藝是按“進(jìn)水、反應(yīng)（曝氣等）、沉淀、排水”步驟周期性進(jìn)行生化反應(yīng)。從污水 流入開始到排水結(jié)束算做一個周期。工藝流程圖如圖 34 所示。 圖 34 SBR 工藝流程 基本操作運行程序如下。 進(jìn)水閥門 打開，污水通過粗格柵，經(jīng)過水泵，然后細(xì)格柵過濾到達(dá)SBR 池。 反應(yīng)工序是 SBR 工藝最主要的一道工序。當(dāng)污水注入達(dá)到預(yù)定容積后，停止進(jìn)水，空氣閥門打開，鼓風(fēng)機啟動，開始曝氣，同時潛水?dāng)嚢杵骱突亓魑勰啾眠\行，可開始反應(yīng)操作，如驅(qū)除 BOD、硝化、磷的吸收華北科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 第 25 頁，共 78 頁 以及反硝化等。根據(jù)反應(yīng)需要達(dá)到的程度，進(jìn)行曝氣和攪拌，并決定反應(yīng)的時間長短，必要時可投加藥劑。在進(jìn)入沉淀工序前，應(yīng)進(jìn)行短時間的微量曝氣，以吹脫污泥上黏附的氣泡或氮，以保證排泥順利進(jìn)行。 當(dāng) SBR 池停止曝氣以后，空氣閥門關(guān)閉，潛水?dāng)嚢杵骱突亓魑勰啾猛Ｖ惯\行，開始重力沉淀和泥水分離。 SBR 池水位達(dá)到最高水位，并經(jīng)過沉淀工藝以后，上清液（上面的清液）由潷水器緩慢排出池外。當(dāng)池水 位達(dá)到處理周期開始時的最低水位時，停止?jié)?。剩余污泥泵在潷水?停止運行后開始運行，排泥至儲泥池。 設(shè)備控制要求 （ 1）兩臺粗格柵除污機，由時間間隔來控制 其開或者停。一般開10min,停 1h。 （ 2）兩臺水泵，由浮球控制。當(dāng)集水池處于低水位時，關(guān)閉所有泵；當(dāng)水位較高時，開一臺水泵；當(dāng)水位高時，開兩臺水泵；當(dāng)水位很高時，發(fā)報警信號。 （ 3）兩臺細(xì)格柵由時間控制其開或停。一般開 10min,停 1h。 （ 4）當(dāng)有一臺細(xì)格柵工作時，皮帶運輸機滯后 10s 開機。 （ 5） SBR 池內(nèi)進(jìn)水閥門依次開啟，當(dāng) 1池水位升到一定液位后關(guān)閥門，然后開 2進(jìn)水閥門， 2池水位升到一定液位 后關(guān)閥門，然后開 3進(jìn)水閥門，依次類推。 （ 6）進(jìn)水閥門關(guān)閉后，空氣閥門開啟潛水?dāng)嚢杵骱突亓魑勰啾猛瑫r基于 PLC 控制的城市污水處理系統(tǒng)設(shè)計 第 26 頁，共 78 頁 開啟。曝氣 3h 后關(guān)閉空氣閥門，潛水?dāng)嚢杵骱突亓魑勰啾靡搽S之關(guān)閉。 （ 7）空氣閥門關(guān)閉 1h 后，潷水器開始運行。當(dāng) SBR 池液位下降到一定液位后停止運行。 （ 8）剩余污泥泵在潷水器停止運行后開始運行，排泥至儲泥池。儲泥池液位達(dá)到高液位或 1h 后停止運行。 （ 9）當(dāng)開啟 1個空氣閥門時，開啟一臺鼓風(fēng)機，當(dāng)開啟 2 個或 3 個空氣閥門時，開兩臺鼓風(fēng)機。 （ 10）脫水機按水處理工藝要求工作，單體為自動化組。 設(shè)備與其在工藝中代號 的對應(yīng)關(guān)系表如表 1 所示。 （見附錄 C） 上位監(jiān)控管理機 PLC 通過通信電纜將采集參數(shù)傳送給上位監(jiān)控管理機，通過上位監(jiān)控管理機可實時監(jiān)測有關(guān)參數(shù)變化，并保留一段時間的數(shù)據(jù)，形成變化曲線。同時可以實時監(jiān)測所控設(shè)備工作狀態(tài)，具有設(shè)備故障報警、參數(shù)打印等功能 。 模擬顯示評 可以直觀地了解格柵除污機、水泵、空氣閥門、潷水器、剩余污泥泵、脫水機等主要設(shè)備的工作狀態(tài)。 華北科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 第 27 頁，共 78 頁 第 4 章 硬件部分設(shè)計 電機的控制電路 電機控制分為本地控制和遠(yuǎn)程 PLC 自動控制。配電線依次經(jīng)過斷路器 1QF、交流接觸器 1KM,熱繼電器 1KH 對電機進(jìn)行供電。電路圖中元件的功能如下 [11]： 圖 41 電機電氣原理控制圖 斷路器 1QF：斷路器（曾稱自動開關(guān)）在電路中主要起到短路和過載保護作用，還可有欠電壓保護和遠(yuǎn)距離分?jǐn)嚯娫吹裙δ埽部梢灾苯硬僮鞑活l繁起動電動機和電路轉(zhuǎn)換作用。一般情況下，斷路器閉合，只有當(dāng)電機發(fā)生短路或者過載時，短路其動作，斷開線路，停止電機，起到保護作用。 交流接觸器 1KM：接觸器主要控制對象為電動機，也可用來控制其他電力負(fù)載。交流接觸器 的觸頭有主觸頭和輔助觸頭，觸頭又 分為常開基于 PLC 控制的城市污水處理系統(tǒng)設(shè)計 第 28 頁，共 78 頁 觸頭和 常閉觸頭， 當(dāng)交流接觸器線圈動作時，常開觸頭閉合，常閉觸頭斷，對電機的控制還 要通過對交流接觸器線圈的控 制 來實現(xiàn)。 熱繼 電器 1KH：電機過載時，電流變大，熱繼電器 1KH 動作，切斷電路，實現(xiàn)保護作用 ［ 12］ 。 主令開關(guān) SAK：主令開關(guān)主要用于本地控制與 PLC 遠(yuǎn)程控制之間的切換。當(dāng)主令開關(guān)觸點①②接通時，為本地電控柜控制。觸點③④接通時，為遠(yuǎn)程 PLC 控制。主令開關(guān)實現(xiàn)本地控制和遠(yuǎn)程 PLC 控制之間的轉(zhuǎn)換。 由控制原理圖 41 可以看出，當(dāng) L11 和 N 之間加上 220V 的電壓時，紅色電源指示燈 1HR 亮 ，作為控制的電源指示?？刂品譃殡娍毓窬偷乜刂坪?PLC 遠(yuǎn)程控制，主要通過主令開關(guān) SAK 來選擇，當(dāng)主令開關(guān)選擇①②時（電控柜就地控制），按動起動按鈕 1SF，由于停機按鈕 1SS 和熱繼電器 1KH 為常閉狀態(tài)，電路導(dǎo)通，交流接觸器 1KM 通電動作（吸合），1KM 的一個常開觸點也動作（變?yōu)閷?dǎo)通狀態(tài)，即電機的運行狀態(tài)），同時電機運行指示燈 1HG 變亮。此時，松開起動按鈕 1SF，由于 1KM 的一個常開觸點閉合將 1SF 短接，所以交流接觸器 1KM 保持通電狀態(tài)，其主觸頭導(dǎo)通，電機起動。停機時，按動停機按鈕 1SS，由于 1SS 為一常閉按鈕， 所以按動時變?yōu)閿嚅_狀態(tài)，下面的交流接觸器便停止供電，自動斷開，其常開觸點也為斷開狀態(tài)，電機停止運行，運行指示燈 1HG 滅。如果電機運行在過載狀態(tài)下，當(dāng)達(dá)到一定時間時，熱繼電器 1KH 動作，交流接觸器 1KM 由于 電源斷開，電機停止，并且無法自動起動。 電機的遠(yuǎn)程控制是通過控制自控柜中的直流繼電器（ MY2NJ ）的吸合來實現(xiàn)。當(dāng)主令開關(guān)由①②轉(zhuǎn)向③④時，此時，即使電機為運行狀態(tài)，華北科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 第 29 頁，共 78 頁