1 題目 題目 SBRSBR 法污水處理實驗裝置法污水處理實驗裝置 PLCPLC 控制系統設計控制系統設計 一 工藝簡介 一 工藝簡介 SBR 是序列間歇式活性污泥法 Sequencing Batch Reactor Activated Sludge Process 的簡稱 是一種按間歇曝氣方式來運行的活性污泥污水處理 技術 又稱序批式活性污泥法 SBR 法污水處理實驗裝置如下圖所示 1 5 12 均為水箱 2 為水泵 3 11 為電磁閥 4 為水流量計 用于檢測注水 流量情況 產生模擬量電流信號 6 為攪拌電機 7 為曝氣頭 有三個 8 為 充氣泵 9 為氣體流量計 用于檢測充氣流量情況 產生模擬量電流信號 10 為排水斗 主要工藝過程簡介如下 1 注水 此時 3 打開 2 工作 將 1 內的污水泵入 5 內有活性污泥 4 可以 檢測水流量 其余裝置均處于不工作狀態 注水過程持續一定時間 預先設定 好或由人實時控制 后結束 3 閉合 2 停止工作 下面進入曝氣階段 2 曝氣 此時 8 工作 通過 7 將空氣泵入 5 9 可以檢測空氣流量 其余裝置 均處于不工作狀態 曝氣過程持續一定時間 預先設定好或由人實時控制 后 結束 8 停止工作 下面進入攪拌階段 3 攪拌 此時 6 工作對 5 中物質進行攪拌 其余裝置均處于不工作狀態 攪拌 過程持續一定時間 預先設定好或由人實時控制 后結束 6 停止工作 下面 進入沉淀階段 4 沉淀 此時所有裝置均處于不工作狀態 讓 5 水中的雜質沉淀 沉淀過程持 續一定時間 預先設定好或由人實時控制 后結束 下面進入排水階段 5 排水 此時 11 打開 5 上部的清水可由 10 排入 12 然后再排向別處 其 余裝置均處于不工作狀態 排水過程持續一定時間 預先設定好或由人實時控 制 后結束 11 閉合 下面又進入注水階段 開始新的循環 2 2 硬件系統配置 硬件系統配置 根據污水處理系統的電氣控制系統的功能要求 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 系列作為污水處理系統的電氣控制系 統的控制主機 由于污水處理電氣控制系統涉及較多的輸入 輸出端口 其控制 過程相對復雜 因此采用 CPU226 作為該控制系統的主機 在污水處理系統中使用的數字量輸入點和輸出點都比較多 因此除了 PLC 自帶的 I O 外 還需擴展一定數量的 I O 擴展模塊 在此 采用 EM223 輸入 輸 出混合擴展模塊 8 點 DC 輸入 8 點 DC 輸出型 正好可以滿足控制系統的 I O 需求 在該控制系統中 還需要采集模擬量并利用模擬量控制功能的要求 因此需 要再擴展一個模擬量輸入 輸出擴展模塊 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 統的功能要求 1 數字量輸入配置 在此控制系統中 所需要的輸入量基本都屬于數字量 主要包括各種按鈕控 制 旋鈕控制及數字輸入 如下圖 2 數字量輸出 在這個控制系統中 主要輸出控制的設備有各種接觸器 閥門等 其具體分 配 如圖 輸出地址輸出設備 Q0 1進水電磁閥線圈 Q0 2水泵接觸器 輸入地址輸入設備 I0 1自動控制按鈕 I0 2停止按鈕 I0 3手動控制按鈕 I0 4手動控制注水按鈕 I0 5手動控制曝氣按鈕 I0 6手動控制攪拌按鈕 I0 7手動控制排水按鈕 3 Q0 3氣泵接觸器 Q0 4攪拌電動機接觸器 Q0 5機器電磁閥線圈 3 模擬量輸入部分 由于要采集兩個傳感器所反饋的數據 因此擴展一個模擬量輸入 輸出模塊 具體 I O 分配表 如圖 輸入地址輸出設備 AIW0水流計量傳感器 AIW1氣流計量傳感器 4 模擬量輸出部分 在此控制系統中需要將采集回來的模擬量進行數據處理 然后 通過模擬輸 入口對變頻其進行控制 進而控制其他設備的運行 如表 輸出地址輸出設備 AQW0經 PID 運算輸出 AQW1經 PID 運算輸出 根據控制的系統功能要求 根據上述表的 I O 分配情況 設計出污水處理 控制系統的硬件連接圖 如下圖 1 1 此面板上的手動控制部分主要在調試系統 時使用 調試完成后基本處于閑置狀態 5 外部主接線圖 4 6 其他硬件資源配置 接觸器 在此污水處理系統中 所有的設備是根據控制面板上的按鈕情況或者根據傳 感器上的反饋值進行動作的 因此需要 PLC 根據當前的工作情況 以及按鈕的 情況來控制所有的設備的啟停狀態 需要 進氣 進水電磁閥接觸器 水泵接 觸器 氣泵接觸器 攪拌機接觸器 變頻器 本次設計采用的 MM430 系列變頻器是一種風機水泵專用變頻器 能適用于 各種變速驅動系統 尤其適合用于工業部門的水泵和風機 該型變頻器 具有 能源利用率高的特點 優化了部分結構與功能 便于工作人員進行操作 實現 其控制功能 各類按鈕 在這個控制系統的自動操作中 采用三種機械按鈕 控制污水處理系統的自 動啟動 手動啟動 急停的按鈕 在手動控制的狀態下 對于每個設備都對應設置一組按鈕 采用觸電觸發式 按鈕 即按下接通 松開復位 圖 1 1 3 軟件系統設計 軟件系統設計 1 總體流程設計 根據系統的控制要求 控制過程可分為手動控制功能和自動運行功能 在手 5 動控制模式下 每個設備可單獨運行 以測試設備的性能 2 手動模式 在手動模式下 可單獨調用每個設備的運行 在此模式下 可以通過按鈕對水泵 氣泵 電磁閥 攪拌機進行控制 對于 水泵和氣流的控制 可以通過通過變頻器來改變其速度 以檢測調速性能 3 自動控制 處于自動控制時 按下自動啟動按鈕后系統運行 系統開始工作 其工作過 程包括以下幾個方面 系統上電后 啟動進水電磁閥和水泵 啟動氣泵 開始曝氣過程 啟動攪拌機 啟動排水電磁閥排水 以上工作過程調用了各個控制系統的程序 主要包括進水系統程序 曝氣系 統程序 攪拌系統程序 排水系統程序 4 梯形圖設計 在設計過程中 會使用到很多中間繼電器 寄存器 定時器等軟元件 為了 便于編程和修改 在程序編寫前應先列出可能用到的軟元件 如下表 元件意義內容備注 M0 1手動方式標志on 有效 M0 2自動方式標志on 有效 M1 0注水啟動標志on 有效 M1 1曝氣啟動標志on 有效 M1 2攪拌機啟動標志on 有效 M1 3排水啟動標志on 有效 T37注水水泵運行時間20s T38曝氣氣泵運行時間20s T39攪拌機運行時間20s T40沉淀過程時間15s T41排水過程運行時間20s 5 手動控制程序 在系統上電后 控制方式選擇為手動方式時 可以通過面板上的按鈕控制每 個設備的運行 手動控制系統主要是便于在生產線初裝時進行調試 檢測各個 6 設備是否能正常運行 手動控制梯形圖程序如圖 在本系統中 幾個單獨的過程狀態都是互斥的 因此在軟件中采取軟件互 鎖方式 也就是說同一時刻 只能有一個過程在系統中進行 不能同時進行兩 個不同的進程 手動模式的設置主要是為了方便系統的調試和維修工作 在調試時 可以 對不同的設備進行調試 最后整個系統一起調試 在維修方面 如果系統在運 行過程中出現問題 也可以采用手動方式檢查 便于維修 而在生產過程中 主要是采用自動方式進行控制 下面就來介紹自動控制過程 6 自動控制程序 在生產中 大多數采用自動過程進行控制 系統通過傳感器的反饋信號來 控制設備的啟動和停止 以及調速控制 自動控制梯行圖如下圖 7 8 7 流量傳感器模擬量轉換 根據比例關系有 x 0 N 6400 100 0 32000 6400 x N 6400 256 所對應梯形圖程序 9 傳感器輸入信號為 AIW0 經 CPU 數字處理及 EM235 運算后有 AIW0 輸出 氣 體傳感器和水流傳感器原理相同 有 AIW1 及 AQW1 輸入 輸出 這里不再贅 述 4 上位機組態設置上位機組態設置 1 使用可編程控制器作下位控制站 下位機 使用微計算機上位控制站 上位機 組成控制系統 實現對 SBR 法污水處理實驗裝置運行的控制 使實際工作中各環節過程的實時變化過程可以通過上位機控制機顯示在主機 電腦界面上 實現實時控制 2 使用 STEP7 編程軟件對下位機編程 使下位機能夠根據外界輸入信息及來 自上位機的指令的處理結果來對實驗裝置進行控制 使用 WINCC 組態軟件對 上位機編程 編程控制畫面實現對下位機及實驗裝置的監控 3 使用 MCGS 編輯顯示界面 如下圖 10 MCGS 組態畫面組態畫面 4 實現控制過程 按下手動控制按鈕 系統進入手動控制過程 分別按下水泵 氣泵 攪拌機 排水的控制按鈕 分別實現各個功能 各功能過程實現互鎖 按下自動控制按鈕 系統進入自動循環過程 此時系統會自定進入工作狀態 分別進行注水 曝氣 攪拌 沉淀 排水的功能 并自動循環 直到按下停止 按鈕結束 同時 這兩個控制狀態都可以隨時按下停止按鈕結束任意過程 兩個計量顯示表可以實時顯示出水流量計和氣體流量計的測得數據 個部分 功能都可以在上位機顯示設備上被體現 5 自我評定自我評定 1 仿真效果評定 自動控制方式下 在實現上位機監控界面上 按下啟動按鈕后 實驗設 置即按上述工藝流程自動循環 無須認為干涉 但在上位機監控頁面上對其進 行檢測 并可隨時按下停止按鈕停止實驗裝置的運行 手動控制方式下 在上位機監控界面上監測實驗裝置工藝流程 并可認為實 11 時的控制工藝流程各個階段的運行與停止 手動控制方式與自動控制方式之間 須存在互鎖關系 即在控制方式處于工作狀態下時 另一種控制方式被屏蔽 對誰流量計與氣體流量計發出模擬電流信號的處理 由下位機采集 在下位機 內通過程序將其轉換為實際的物理量值 并在上位機監控畫面中顯示出來 2 方案評定 通過上下位機的控制和執行實現了 SBR 污水處理法的全過程 3 設計心得 能夠進行基本的上位機編程 熟練掌握西門子 S7 200 系列 PLC MCGS 組 態軟件等 在自己的努力和老師的悉心指導下成功實現自動手動控制切換 通過本次 PLC 系統實訓課程設計 是一次很好的鍛煉機會 鍛煉了理論聯 系實際 與具體項目 課題相結合開發 設計的能力 又讓我們懂得了在實踐 中遇到的問題怎樣用理論去解決 通過這次實訓鍛煉了實際操作的能力 掌握 了簡單的 PLC 系統編程及組態監控軟件的使用 對課堂上所學習的可編程控制 器的相關知識加深了了解 也為將來的更好的實踐應用打下