中文摘要近年來，污水處理廠已成為各個城市最重要的根底設施之一，尤其是中小城市，新建或擴建污水處理廠已成為當地政府改善人民生活水平的頭等大事。隨著自動化技術、計算機技術的不斷開展、完善，污水處理廠的自動化水平也相應提高。而PLC控制器以其技術成熟、通用性好、可靠性高、安裝靈活、擴展方便、性能價格比擬高等一系列優點，在工業控制中得到了越來越廣泛的應用。本文介紹了工廠處理的根本工藝和流程，并通過研究設計一套基于PLC控制的污水處理系統，文章首先介紹了基于PLC污水處理控制系統的工藝及相關流程，控制系統硬件結構及設計、工作原理以及設計PLC控制系統的根本原那么和步驟，來說明PLC在污水處理過程中的應用。先根據污水處理要求設計了設備的電器控制與自動控制線路，主要包括設備的啟停、狀態信號故障信號，然后按照工藝要求設計PLC控制系統，其他包括PLC的選型、系統資源配置以及按照污水處理工藝編制PLC程序，最后利用組態來實現污水處理的仿真。關鍵詞：PLC污水處理ABSTRACTInrecentyears,sewagetreatmentplanthasalreadybecomeoneofthemostimportantinfrastructuresineverycity,andespeciallyinsmallandmedium-sizedones,tobuildandexpandsuchplantshasbeenonthelocalgovernment’stopagendatoimprovepeoples’life.Withthedevelopmentandimprovementofautomationtechniqueandcomputertechnology,automationlevelofsewagetreatmentplantshasalsomadeacorrespondingleap.WithPLChasseriesofmeritssuchas:maturetechnique,fineuniversalproperty,highreliability,flexibletoinstall,convenienttoexpand,excellentcostperformance,etc,whilehaveenableditgainamoreandmorewidespreadapplicationinindustrialcontrol.Thispaperintroducesthebasictechnologyofprocessingfactoryandprocess,andthroughthestudydesignasetofbasedonPLCcontrolsewagesystemof,thearticlefirstintroducesthesewagetreatmentcontrolsystembasedonPLCtechnologyandrelatedprocesses,controlsystemhardwarestructureanddesign,workingprincipleanddesignPLCcontrolsystem,thebasicprinciplesandsteps,toexplaininwastewatertreatmentprocessofPLCapplication.Accordingtothefirstsewagetreatmentequipmentdesignrequirementfortheelectriccontrolandautomaticcontrolcircuit,mainlyincludingequipmentandstop,statesignalfaultsignal,andthenaccordingtorequirementofprocessdesignPLCcontrolsystem,includingthetypeselection,otherPLCsystemresourcesconfiguration,andaccordingtothesewagetreatmentprocessofPLCprogram,finally,usingtheconfigurationtoimplementthesimulationofthesewagetreatment.Keywords:PLC,Sewagetreatment目錄第一章緒論 51.1設計課題的目的和意義 51.2我國水資源根本情況 51.3

水污染概述 6第二章PLC概念及組態技術簡介 72.1PLC概念 7PLC的根本概念 72.1.2PLC的根本結構 72.1.3PLC的工作原理 72.1.4PLC選型 9第三章基于PLC的工業污水處理系統設計 113.1課題研究的內容 11系統組成 11工藝流程 12控制任務和要求 133.2軟件局部的設計 143.2.1PLC輸入輸出分配 14繪制PLC輸入輸出接線端子圖 153.2.3流程圖 163.2.4軟件的仿真 17第四章組態的設計 204.1組態技術簡介 20組態技術概述 20組態軟件的特點 20組態軟件的設計思想 204.2組態的使用 21新建工程 21建立畫面 21外部設備及I/O變量定義 21定義I/O變量 224.2.5建立動畫連接 22組態仿真 23參考文獻 26附錄A 27致謝 33第一章緒論1.1設計課題的目的和意義可編程序控制器〔PLC〕作為現代化的自動控制裝置已普遍應用于工業企業的各個領域，是生產過程自動化必不可少的智能控制設備。掌握PLC的組成原理及編程方法，熟悉PLC的應用技巧，是每一位機電類專業技術人員必須具備的根本能力之一。隨著國民經濟的開展，國家對環保事業也越來越重視，越來越多的污水處理廠正在興建或待建中，只要稍上規模的污水處理廠，無一例外地都使用了PLC作為其自控系統的主要設備。工業污水處理自動控制近年來一直是控制領域研究的熱點之一。伴隨著技術進步、工藝改良、系統完善的同時，對工業污水處理的控制也提出了更高的要求。環境科學是新興的、綜合性的邊緣科學。它涉及的面廣，綜合性強，表達了科學開展史上的一個新開端。成為當前科學技術重點研究的課題之一。世界任何國家的經濟開展，都會推進社會進步、促進農業生產能力，使人民生活得到進一步改善，但是也隨之帶來不同程度的環境污染。污水也是造成環境污染的來源之一。中國污染源的出現引起了世界各國政府的關注，治理水污染環境的課題被列入世界環保組織日程。建設符合我國國情的污水廠自動控制系統對降低污水處理本錢、改善環境、建立可持續開展社會和和諧社會、保持我國經濟高速開展具有重要意義。1.2我國水資源根本情況與水污染概述〔1〕我國水資源根本情況我國的“水〞存在兩大主要問題：一是水資源短缺，二是水污染嚴重。有資料顯示，我國是一個干旱缺水嚴重的國家。人均淡水資源僅為世界平均水平的1/4、在世界上名列110位，是全球人均水資源最貧乏的國家之一。人均可利用水資源量僅為900立方米，并且分布極不均衡。20世紀末，全國600多座城市中有400多個城市存在供水缺乏問題，其中比擬嚴重的缺水城市達110個，全國城市缺水總量為60億立方米。據監測，全國廢污水排放量由1980年的315億噸增加到2002年的631億噸。多數城市地下水受到一定程度污染，并且有逐年加重的趨勢。嚴重威脅到城市居民的飲水平安和健康。為緩解嚴峻的水形勢：一是節水優先,二是治污為本。我國目前還有大量的工業企業仍然是粗放型的生產模式，工業廢水處理并不理想，還有大量的污染物排入了江河湖泊中，污染程度已經超過了河流湖泊自身的環境容量。三是多渠道開源。另外，現世界各國紛紛轉向非傳統水資源的開發。包括：雨水、再生的污廢水、海水、空中水資源。據介紹，目前我國工業用水重復利用率只有60%，城市廢水利用幾乎沒有。而以色列的城市廢水利用到達90%，美國的洛杉磯也是利用處理過的城市廢水澆灌綠地。城市廢水的再利用不僅減少了污染，還可以緩解水資源緊張的矛盾。另外，隨著技術進步，海水淡化本錢趨低，并且海水可以直接用作工業冷卻用水和沖洗用水。香港很多公用衛生場所的沖洗就是采用海水。中國政府水行政主管部門自1988年?中華人民共和國水法?公布起，就確定每年的7月1～7日為"中國水周"。考慮到"世界水日"與"中國水周"的主旨和內容根本相同，從1994年開始，把"中國水周"的時間改為每年的3月22～28日，進一步提高全社會關心水、愛惜水、保護水和水憂患意識，促進水資源的開發、利用、保護和管理。〔2〕水污染概述水污染是指污染物進入水體，引進水質惡化，使水的使用價值降低的現象。水污染一般指：①水中污染物的數量超過了水體自凈能力；②污染物數量到達破壞水的原有用途的程度；③污染物含量超過了水中該物質的本底值，影響了水的用途。衡量水污染程度一般根據水中某種污染物深度的上下和各種水水質標準進行評價與分類。一、水污染類型劃分水污染類型的方法很多，主要有：①按水存在形式劃分，有地表水污染與地下水污染；②按污染物劃分，有汞污染，酚污染、有機物水污染、熱污染等；③按污染物屬性劃分，有物理水污染、化學水污染和生物水污染；④按水域分類，有河流污染、湖泊污染、水庫污染、海洋污染等。二、污染物來源①工業廢水。廢水中有毒、有害物質成分復雜，是造成目前世界性水污染的主要原因。②農田排水。施用的化肥、農藥，隨農田排水、地表徑流注入水體。③生活污水。成分復雜，以耗氧有機物最多。④城市垃圾和工業廢渣。垃圾和廢渣傾入水中或堆積在水域附近，經水的溶解或浸漬作用，使垃圾和廢渣中有毒有害成分進入水中。⑤大氣的。大氣中污染物種類很多，可以直接降落或溶于雨雪后降落入水體。⑤天然污染物。火山爆發和特殊地層，會使某些有毒物質進入水體。第二章PLC概念及組態技術簡介2.1PLC概念2.1.1PLC的根本概念可編程控制器(Programmable

Controller)是計算機家族中的一員，是為工業控制應用而設計制造的。早期的可編程控制器稱作可編程邏輯控制器(Programmable

Logic

Controller)，簡稱PLC，它主要用來代替繼電器實現邏輯控制。隨著技術的開展，這種裝置的功能已經大大超過了邏輯控制的范圍，因此，今天這種裝置稱作可編程控制器，簡稱PC。但是為了防止與個人計算機(Personal

Computer)的簡稱混淆，所以將可編程控制器簡稱PLC。2.1.2PLC的根本結構PLC實質是一種專用于工業控制的計算機，其硬件結構根本上與微型計算機相同。由如下幾局部組成：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，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和數據，并分別存入I/O映象區，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定執行邏輯或算數運算的結果送入I/O映象區或數據存放器內。等所有的用戶程序執行完畢之后，最后將I/O映象區的各輸出狀態或輸出存放器內的數據傳送到相應的輸出裝置，如此循環運行，直到停止運行。

為了進一步提高PLC的可靠性，近年來對大型PLC還采用雙CPU構成冗余系統，或采用三CPU的表決式系統。這樣，即使某個CPU出現故障，整個系統仍能正常運行。

b、存儲器

存放系統軟件的存儲器稱為系統程序存儲器。

存放應用軟件的存儲器稱為用戶程序存儲器。

c、電源

PLC的電源在整個系統中起著十分重要得作用。如果沒有一個良好的、可*得電源系統是無法正常工作的，因此PLC的制造商對電源的設計和制造也十分重視。一般交流電壓波動在+10%(+15%)范圍內，可以不采取其它措施而將PLC直接連接到交流電網上去。 2.一、

掃描技術當PLC投入運行后，其工作過程一般分為三個階段，即輸入采樣、用戶程序執行和輸出刷新三個階段。完成上述三個階段稱作一個掃描周期。在整個運行期間，PLC的CPU以一定的掃描速度重復執行下述三個階段。輸入采樣階段在輸入采樣階段，PLC以掃描方式依次地讀入所有輸入狀態和數據，并將它們存入I/O映象區中的相應得單元內。輸入采樣結束后，轉入用戶程序執行和輸出刷新階段。在這兩個階段中，即使輸入狀態和數據發生變化，I/O映象區中的相應單元的狀態和數據也不會改變。因此，如果輸入是脈沖信號，那么該脈沖信號的寬度必須大于一個掃描周期，才能保證在任何情況下，該輸入均能被讀入。用戶程序執行階段在用戶程序執行階段，PLC總是按由上而下的順序依次地掃描用戶程序(梯形圖)。在掃描每一條梯形圖時，又總是先掃描梯形圖左邊的由各觸點構成的控制線路，并按先左后右、先上后下的順序對由觸點構成的控制線路進行邏輯運算，然后根據邏輯運算的結果，刷新該邏輯線圈在系統RAM存儲區中對應位的狀態；或者刷新該輸出線圈在I/O映象區中對應位的狀態；或者確定是否要執行該梯形圖所規定的特殊功能指令。即，在用戶程序執行過程中，只有輸入點在I/O映象區內的狀態和數據不會發生變化，而其他輸出點和軟設備在I/O映象區或系統RAM存儲區內的狀態和數據都有可能發生變化，而且排在上面的梯形圖，其程序執行結果會對排在下面的但凡用到這些線圈或數據的梯形圖起作用；相反，排在下面的梯形圖，其被刷新的邏輯線圈的狀態或數據只能到下一個掃描周期才能對排在其上面的程序起作用。輸出刷新階段當掃描用戶程序結束后，PLC就進入輸出刷新階段。在此期間，CPU按照I/O映象區內對應的狀態和數據刷新所有的輸出鎖存電路，再經輸出電路驅動相應的外設。這時，才是PLC的真正輸出。同樣的假設干條梯形圖，其排列次序不同，執行的結果也不同。另外，也可以看到：采用掃描用戶程序的運行結果與繼電器控制裝置的硬邏輯并行運行的結果有所區別。當然，如果掃描周期所占用的時間對整個運行來說可以忽略，那么二者之間就沒有什么區別了。一般來說，PLC的掃描周期包括自診斷、通訊等，即一個掃描周期等于自診斷、通訊、輸入采樣、用戶程序執行、輸出刷新等所有時間的總和。二、PLC的I/O響應時間為了增強PLC的抗干擾能力，提高其可靠性，PLC的每個開關量輸入端都采用光電隔離等技術。

為了能實現繼電器控制線路的硬邏輯并行控制，PLC采用了不同于一般微型計算機的運行方式(掃描技術)。

以上兩個主要原因，使得PLC得I/O響應比一般微型計算機構成的工業控制系統滿的多，其響應時間至少等于一個掃描周期，一般均大于一個掃描周期甚至更長。

所謂I/O響應時間指從PLC的某一輸入信號變化開始到系統有關輸出端信號的改變所需的時間。本文仿真是用西門子S7-200系列，針對低性能要求的摸塊化小控制系統，它最多可有7個模塊的擴展能力，在模塊中集成背板總線，它的網絡聯接有RS-485通訊接口和PROFIBUS兩種，可通過編程器PG訪問所有模塊，帶有電源、CPU和I/O的一體化單元設備。

其中的擴展模塊〔EM〕有以下幾種：數字量輸入模塊〔DI〕——24VDC

和

120/230VAC；數字量輸出〔DO〕——24VDC

和

繼電器；模擬量輸入模塊〔AI〕——電壓、電流、電阻和熱電偶；模擬量輸出模塊——電壓和電流。

還有一個比擬特殊的模塊-通訊處理器〔CP〕——該塊的功能是可以把S7-200作為主站連接到AS-接口〔傳感器和執行器接口〕，通過AS-接口的從站可以控制多達248個設備，這樣就可以顯著的擴展S7-200的輸入和輸出點數。

CPU設計

有3種手動選擇操作模式：STOP——停機模式，不執行程序；TERM——運行程序，可以通過編程器進行讀/寫訪問；RUN——運行程序，通過編程器僅能進行讀操作。

狀態指示器〔LED〕：SF——系統錯誤或〔和〕CPU內部錯誤；RUN——運行模式，綠燈；STOP——停機模，黃燈；DP——分布式I/O〔僅對CPU-215〕。

存儲器卡——用來在沒電的情況下不需要電池就可以保存用戶程序。PPI口用來連接編程設備、文本顯示器或其他CPU。2.1.4PLC是可編程控制器的簡稱，在本系統中PLC代替了原先的硬接線的控制邏輯電路，實現了生產的自動控制。PLC較原先的繼電器控制有以下有點：(1)控制程序可改變在污水廠生產工藝或流程改變的情況下，不必改變PLC的硬件設備，只要改變相應的程序就可滿足用戶的要求。(2)適用于工業環境，具有高可靠性PLC產品的平均無故障時間達5年以上，因而它是一種高可靠的產品，大大地提高了生產設備的工作效率。(3)PLC功能齊全一般PLC具有開關量及模擬量輸入/輸出、定時、計數、邏輯和算術運算，順序控制，PID調節，通信等功能。除了應用于開關量控制系統外，也可用于連續的流程控制系統，從而使污水處理設備的控制水平大大提高。(4)易掌握，便于維護使用人員只需掌握工程上通用的梯形圖語言就可進行用戶程序的編程和調試。因此，即使不懂計算機的人，也能掌握PLC，又由于PLC具有自珍斷的功能，因而較容易進行維護，查找出故障原因，由于PLC自身的高可靠性，也使其故障率幾乎降至于零。正是PLC具有這么多的優點，才能使越來越多的PLC應用到污水處理廠中。本文采用了西門子S7-200系列。第三章基于PLC的工業污水處理系統設計3.1課題研究的內容系統組成由2臺磁濾器，10只電磁閥和連接管道組成的2臺機組組成，如以下圖3.1-1所示。圖3.1-1污水處理系統的組成

工藝流程該污水處理系統的工藝流程圖，如以下圖3.1-2所示。3.1-2污水處理的工藝流程圖

污水進化處理分為兩道工序，以1號機組為例。〔1〕濾水工序：翻開進水閥和出水閥，污水流經磁濾器，如果磁濾器的線圈一直通電，那么污水的氧化鐵雜質會附著在磁鐵上，使水箱中流出的是凈化水。〔2〕反洗工序：濾水一段時間后，必須清洗附著在磁鐵上的氧化鐵雜質，這時只要切斷磁濾器線圈的電源，關閉進水閥和出水閥，翻開排污閥和空氣壓縮閥，讓壓縮空氣強行把水箱中的水打入磁濾器中沖洗磁鐵，去掉附著的氧化鐵雜質，使沖洗后的污水流入污水池，進行二次處理。控制任務和要求〔1〕兩臺機組的濾水工序，可單獨進行也可同時進行。而反洗工序只允許單臺機組進行工作，一臺機組反洗時，另一臺必須等待，兩臺機組同時要求反洗時，1號機組優先。〔2〕為保證濾水工序的正常進行，在每臺機組的管道上均安裝了壓差檢測儀表，只要出現了“管壓高差〞的信號，那么應立即停止濾水工序，自動進入反洗工序。〔3〕如果某一輸出信號不正常，要立即停止系統工作，這樣可防止發生事故。注：兩臺機組有獨立的啟動、停止按鈕。“管壓高差〞檢測和反洗鈴在每臺機組上均單獨配置。3.2軟件局部的設計PLC輸入輸出分配工業污水處理系統PLC輸入輸出分配表，如表3.2-1所示。表3.2-1工業污水處理系統PLC輸入輸出分配表繪制PLC輸入輸出接線端子圖工業污水處理系統PLC接線圖，如圖3.2-1所示。圖3.2-1工業污水處理系統PLC接線圖

3.2.3流程圖工業污水控制系統流程圖以1號機組為例，如圖3.2-2所示。圖3.2-2工業污水控制系統流程圖梯形圖見附錄A。3.2.41、如果兩機組同時開始工作，進入反洗工序時，1號機組優先工作，2號機組等待。①1號機組進入反洗工序，接通空氣壓縮閥、排污閥和反洗鈴。空氣壓縮閥、排污閥和反洗鈴工作，PLC監控如以下圖3.2-3所示。圖3.2-31號機組進入反洗工序②2號機組等待，1號機組工作時，2號機組不工作，等1號機組反洗工作完成后，再進入反洗工作，PLC監控如以下圖3.2-4所示。圖3.2-42號機組等待2、當出現“管壓差高〞信號時，立即停止濾水工序，自動進入反洗工序。①“管壓差高〞信號出現，Q0.6閃下一下，立即停止正在進行的濾水工作，Q0.0，Q0.2，Q0.4燈滅，PLC監控如以下圖3.2-5所示。圖3.2-5“管壓差高〞信號出現②自動進入反洗工序，Q0.1，Q0.3，Q0.5開始工作，PLC監控如以下圖3.2-6所示。圖3.2-6自動進入反洗工序3、當污水二次處理完后，計數器計滿2次，Q0.7亮，表示工作完成，PLC監控如以下圖3.2-7所示。圖3.2-7工作完成

第四章組態的設計4.1組態技術簡介組態技術概述在傳統的自動化解決方案中，自動化控制實際上是由各種獨立的、別離的技術和不同廠家的產品來搭配起來的，比方一個大型工廠經常是由過程控制系統、可編程控制器、上位監控計算機、SCADA系統和人機界面產品共同進行控制。為了把所有這些產品組合在一起，需要采用各種類型和不同廠商的接口軟件和硬件來連接、配置和調試，這個過程就稱為工業自動系統的組態。簡單來講，組態的概念最早來自英文Configuration，含義是使用軟件工具對計算機及軟件的各種資源進行配置，到達使計算機或軟件按照預先設置，自動執行特定任務，滿足使用者的要求。組態軟件的特點組態軟件最突出的特點是實時多任務。例如，數據采集與輸出、數據處理與算法實現、圖形顯示及人機對話、實時數據的存儲、檢索管理、實時通信等多個任務要同在同一臺計算機上同時運行。下面是組態軟件主要解決的問題。1、如何與采集、控制設備間進行數據交換。2、使來自設備的數據與計算機圖形畫面上的各元素關聯起來。3、處理數據報警及系統報警。4、存儲歷史數據并支持歷史數據的查詢。5、各類報表的生成和打印輸出。6、為使用者提供靈活、多變的組態工具，刊物儀適用不同應用領域的需求。7、最終生成的應用系統運行穩定可靠。8、具有與第三方程序的接口，方便數據共享。組態軟件的設計思想在單任務操作系統環境下〔例如MS-DOS〕，要想讓組態軟件具有很強的實時性，就必須利用中斷技術，這種環境下的開發工具簡單，軟件編制難度大，目前運行于MS-DOS環境下的組態軟件根本上已經退出市場。在多任務環境下，由于操作系統直接支持多任務，組態軟件的性能得到了全面加強。因此組態軟件一般都由假設干組件構成，而且組件的數量在不斷增加，功能不斷加強。各組態軟件普遍使用了“面向對象〞〔ObjectOriented〕的編程和設計方法，使軟件更加易于學習和掌握，功能也更強大。一般組態軟件都由以下組件組成：圖形界面系統、實時數據庫系統、第三方程序接口組件、控制功能組件。4.2組態的使用4.2.1新建工程啟動“組態王〞，選擇菜單“文件\新建工程〞或單擊“新建〞按鈕，單擊“下一步〞繼續，在工程路徑文本框中輸入一個有效的工程路徑，單擊“完成〞完成工程的新建。4.2.2建立畫面進入新建的組態王工程，選擇工程瀏覽器左側大綱項“文件\畫面〞，在工程瀏覽器右側用鼠標左鍵雙擊“新建〞圖標，在“畫面名稱〞處輸入新的畫面名稱，點擊“確定〞按鈕進入內嵌的組態王畫面開發系統。開始畫圖。4.2.3外部設備及I/O變量定義1、選擇工程瀏覽器左側大綱項“設備\COM1”，在工程瀏覽器右側用鼠標左鍵雙擊“新建〞圖標，運行“圖4.2-1設備配置向導2、選擇“S7-200系列〞的“PPO〞項，單擊“下一步〞；3、為外部設備取一個名稱，輸入PLC，單擊“下一步〞；4、為設備選擇連接串口，假設為COM1，單擊“下一步〞；5、填寫設備地址，假設為2，單擊“下一步〞；6、設置通信故障恢復參數(一般情況下使用系統默認設置即可)，單擊“下一步〞；定義