電氣工程設(shè)計報告SBR污水處理實驗裝置PLC控制系統(tǒng)設(shè)計

1、電氣工程設(shè)計報告電氣工程設(shè)計報告 SBRSBR 法污水處理實驗裝置法污水處理實驗裝置 PLCPLC 控制系統(tǒng)設(shè)計控制系統(tǒng)設(shè)計 班級：電氣班級：電氣 08010801 姓名：姓名： 學(xué)號：學(xué)號： 同組人：同組人： 學(xué)號：學(xué)號： 目錄目錄 第一章第一章 設(shè)計介紹設(shè)計介紹 3 1.11.1 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(tǒng)設(shè)計控制系統(tǒng)設(shè)計 1.21.2 工藝簡介：工藝簡介： 第二章第二章 總述總述 4 2.2 組態(tài)軟件概況組態(tài)軟件概況 2.1 PLC 介紹介紹 第第三三章章 SBR 污污水水處處理理電電路路設(shè)設(shè)計計 4 3.1 SBRSBR 廢水

2、處理電氣控制原理圖設(shè)計廢水處理電氣控制原理圖設(shè)計 4 4 3.2 硬件系統(tǒng)配置硬件系統(tǒng)配置 6 3.3 軟件系統(tǒng)設(shè)計軟件系統(tǒng)設(shè)計 10 3.4 上位機組態(tài)設(shè)置上位機組態(tài)設(shè)置 14 第四章第四章 自我評定自我評定 18 第五章第五章 參考文獻參考文獻 18 第一章第一章 設(shè)計介紹設(shè)計介紹 1.11.1 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(tǒng)設(shè)計控制系統(tǒng)設(shè)計 1.21.2 工藝簡介：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

3、式來運行的活性污泥污水處理 技術(shù)，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(chǎn)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(chǎn)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(nèi)的污水泵入 5（內(nèi)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(tài)，注水過程持續(xù)一定時間（預(yù)先設(shè)定 好或由人實時控制）后結(jié)束，3 閉合，2 停止工作。下面進入曝

4、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(tài)，曝氣過程持續(xù)一定時間（預(yù)先設(shè)定好或由人實時控制）后 結(jié)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(zhì)進行攪拌，其余裝置均處于不工作狀態(tài)，攪拌 過程持續(xù)一定時間（預(yù)先設(shè)定好或由人實時控制）后結(jié)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(tài)，讓 5 水中的雜質(zhì)沉淀，沉淀過程持 續(xù)一定時間（預(yù)先設(shè)定好或由人實時控制）后結(jié)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，

5、其 余裝置均處于不工作狀態(tài)，排水過程持續(xù)一定時間（預(yù)先設(shè)定好或由人實時控 制）后結(jié)束，11 閉合。下面又進入注水階段，開始新的循環(huán)。 第二章第二章 總述總述 2.1 PLC 介紹介紹 PLC 即可編程控制器，國際電工委員會(IEC)先后頒布了 PLC 標準的草案 第一稿、第二稿,并在 1987 年 2 月通過了對它的定義：“可編程控制器是一種數(shù) 字運算操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境應(yīng)用而設(shè)計的。它采用一類可編程的 存儲器，用于其內(nèi)部存儲程序，執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、計數(shù)與算術(shù) 操作等面向用戶的指令，并通過數(shù)字或模擬式輸入/輸出控制各種類型的機械或 生產(chǎn)過程?？删幊炭刂破骷捌溆嘘P(guān)外部設(shè)備，

6、都按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)聯(lián)成一 個整體，易于擴充其功能的原則設(shè)計。 ” 2.2 組態(tài)軟件概況組態(tài)軟件概況 組態(tài)軟件，又稱監(jiān)控組態(tài)軟件，譯自英文SCADA,即 Supervisory Control and Data Acquisition(數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制 ),組態(tài)軟件的應(yīng)用領(lǐng)域很廣，它可以應(yīng)用于電力 系統(tǒng)、給水系統(tǒng)、石油、化工等領(lǐng)域的數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制以及過程控制等諸多領(lǐng)域。 在電力系統(tǒng)以及電氣化鐵道上又稱遠動系統(tǒng) (RTU System,Remote Terminal Unit)。 國國外外組組態(tài)態(tài)軟軟件件： 1、InTouch：Wonderware 是 Invensys plc“生產(chǎn)管理

7、”部的一個運營單位，是 全球工業(yè)自動化軟件的領(lǐng)先供應(yīng)商。 Wonderware 的 InTouch 軟件是最早進入我國的組態(tài)軟件。在80 年代末、90 年 代初，基于 Windows3.1 的 InTouch 軟件曾讓我們耳目一新，并且 InTouch 提供了豐 富的圖庫。但是，早期的 InTouch 軟件采用方式與驅(qū)動程序通信，性能較差， 最新的 InTouch7.0 版已經(jīng)完全基于 32 位的 Windows 平臺，并且提供了 OPC 支持 。 2、IFix：GE Fanuc 智能設(shè)備公司由美國通用電氣公司（ GE）和日本 Fanuc 公司合資組建，提供自動化硬件和軟件解決方案。 Inte

8、llution 公司以 Fix 組態(tài)軟件起家， 1995 年被愛默生收購，現(xiàn)在是愛默生集團 的全資子公司， Fix6.軟件提供工控人員熟悉的概念和操作界面，并提供完備的驅(qū)動 程序（需單獨購買）。 Intellution 將自己最新的產(chǎn)品系列命名為 iFiX，在 iFiX 中，Int ellution 提供了強大的組態(tài)功能，但新版本與以往的6.版本并不完全兼容。原有的 Script 語言改為 VBA（Visual Basic For Application），并且在內(nèi)部集成了微軟的 VBA 開發(fā)環(huán)境。遺憾的是， Intellution 并沒有提供 6.1 版腳本語言到 VBA 的轉(zhuǎn)換工具 。在

9、iFiX 中，Intellution 的產(chǎn)品與 Microsoft 的操作系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)進行了緊密的集成。 I ntellution 也是 OPC（OLE for Process Control）組織的發(fā)起成員之一。 iFiX 的 OP C 組件和驅(qū)動程序同樣需要單獨購買。 3、WinCC：西門子自動化與驅(qū)動集團 (A&D)是西門子股份公司中最大的集團之一 ，是西門子工業(yè)領(lǐng)域的重要組成部分。 第第三三章章 SBR 污污水水處處理理電電路路設(shè)設(shè)計計 3.1 SBRSBR 廢水處理電氣控制原理圖設(shè)計廢水處理電氣控制原理圖設(shè)計 (1)(1) 主電路設(shè)計：主電路設(shè)計： M1 M2 S KM1 KM2 FU

10、1 M3 T KM3 R N N L5 L6 FR1 FR2FR3 1#泵（污水）2泵（清水） 風(fēng)機 M4 FR4 KM4 KM5 FU4FU3 FU2 閥門電動機 FU5 FU6 3 333 QF SBR 廢水處理電氣控制系統(tǒng)主電路 1) 主回路中交流接觸器 KM1、KM2、KM3 分別控制 1#清水泵 M1、2#清水泵 M2、 曝氣風(fēng)機 M3；交流接觸器 KM4、KM5 控制電動閥電動機 M4，通過正、反轉(zhuǎn)完成 開起閥門和關(guān)閉閥門的功能。 2) 電動機 M1、M2、M3、M4 由熱繼電器 FR1、FR2、FR3、FR4 實現(xiàn)過載保護。電 動閥電動機 M4 控制器內(nèi)還裝有常閉熱保護開關(guān)，對閥

11、門電動機 M4 實現(xiàn)雙重保 護。 3) QF 為電源總開關(guān)，既可完成主電路的短路保護，又起到分斷三相交流電源 的作用，使用和維修方便。 4) 熔斷器 FU1、FU2、FU3、FU4 分別實現(xiàn)各負載回路的短路保護。FU5、FU6 分 別完成交流控制回路和 PLC 控制回路的短路保護。 (2)(2) 交流控制電路設(shè)計：交流控制電路設(shè)計： 1#泵提示(潛水) L5 N HL1 HL2 HL3 HL4 YA1 HL5 YA2 KA1 FR1 FR2 FR3 FR4 KM1-1 KM2-1 KM3-1 KA2-1 KA2-2 KA3-1 TC 220 隔離變壓器 1:1 L N +24V DC COM

12、PLC 注: 電源指示 2#泵提示(清水) 羅茨風(fēng)機 上水電磁閥 上水閥指示 排空電磁閥 表示采用第三種 接地方式。 220V 電動機過載保護 3.2硬件系統(tǒng)配置：硬件系統(tǒng)配置： 根據(jù)污水處理系統(tǒng)的電氣控制系統(tǒng)的功能要求，以及其復(fù)雜程度，從經(jīng)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(tǒng)的電氣控制系 統(tǒng)的控制主機。由于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(fù)雜，因此采用 CPU226 作為該控制系統(tǒng)的主機。 在污水處理系統(tǒng)中使用的數(shù)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(shù)量的 I/O 擴展模塊，在此，采

13、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(tǒng)的 I/O 需求。 在該控制系統(tǒng)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(qū)動能力，可滿足控制系 統(tǒng)的功能要求。 1、數(shù)字量輸入配置： 在此控制系統(tǒng)中，所需要的輸入量基本都屬于數(shù)字量，主要包括各種按鈕控 制，旋鈕控制及數(shù)字輸入。如下圖： 輸入地址輸入設(shè)備 I0.1自動控制按鈕 2、數(shù)字量輸出： 在這個控制系統(tǒng)中，主要輸出

14、控制的設(shè)備有各種接觸器，閥門等，其具體分 配，如圖： 輸出地址輸出設(shè)備 Q0.1進水電磁閥線圈 Q0.2水泵接觸器 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(shù)據(jù)，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(shè)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(tǒng)中需要將采集回來的模擬量進行數(shù)據(jù)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(shè)備的運行。如表： 輸出地址輸出設(shè)備 I0.2停止按鈕 I0.3手動控制按鈕 I0.4手動控制注水按鈕

15、 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 AQW0經(jīng) PID 運算輸出 AQW1經(jīng) PID 運算輸出 根據(jù)控制的系統(tǒng)功能要求，根據(jù)上述表的 I/O 分配情況，設(shè)計出污水處理控 制系統(tǒng)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(diào)試系統(tǒng)時 使用，調(diào)試完成后基本處于閑置狀態(tài)。 5、其他硬件資源配置： 接觸器 在此污水處理系統(tǒng)中，所有的設(shè)備是根據(jù)控制面板上的按鈕情況或者根據(jù)傳 感器上的反饋值進行動作的，因此需要 PLC 根據(jù)當前的工作情況，以及按鈕的 情況來控制所有的設(shè)備的啟停狀態(tài)。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

16、器。 變頻器 本次設(shè)計采用的 MM430 系列變頻器是一種風(fēng)機水泵專用變頻器。能適用于 各種變速驅(qū)動系統(tǒng)，尤其適合用于工業(yè)部門的水泵和風(fēng)機。該型變頻器，具有 能源利用率高的特點，優(yōu)化了部分結(jié)構(gòu)與功能，便于工作人員進行操作，實現(xiàn) 其控制功能。 各類按鈕 在這個控制系統(tǒng)的自動操作中，采用三種機械按鈕，控制污水處理系統(tǒng)的自 動啟動，手動啟動，急停的按鈕。 在手動控制的狀態(tài)下，對于每個設(shè)備都對應(yīng)設(shè)置一組按鈕，采用觸電觸發(fā)式 按鈕，即按下接通，松開復(fù)位。 圖 1-1 PLC 與外部連接情況： 3.3軟件系統(tǒng)設(shè)計：軟件系統(tǒng)設(shè)計： 1、總體流程設(shè)計 根據(jù)系統(tǒng)的控制要求，控制過程可分為手動控制功能和自動運行功

17、能。在手 動控制模式下，每個設(shè)備可單獨運行，以測試設(shè)備的性能。 2、手動模式 在手動模式下，可單獨調(diào)用每個設(shè)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(diào)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(tǒng)運行，系統(tǒng)開始工作，其工作過 程包括以下幾個方面。 系統(tǒng)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(diào)用了各個控制系統(tǒng)的程序，主要包括進水系統(tǒng)程序，曝氣系 統(tǒng)程序，攪拌系統(tǒng)程序，排水系統(tǒng)程序。 4、梯形圖設(shè)計 在設(shè)計過程中，會使用到很多

18、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(yīng)先列出可能用到的軟元件，如下表： 元件意義內(nèi)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(tǒng)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(shè)備的運行。手動控制系統(tǒng)主要是便于在生產(chǎn)線初裝時進

19、行調(diào)試，檢測各個 設(shè)備是否能正常運行，手動控制梯形圖程序如圖： 在本系統(tǒng)中，幾個單獨的過程狀態(tài)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(tǒng)中進行，不能同時進行兩 個不同的進程。 手動模式的設(shè)置主要是為了方便系統(tǒng)的調(diào)試和維修工作。在調(diào)試時，可以 對不同的設(shè)備進行調(diào)試，最后整個系統(tǒng)一起調(diào)試。在維修方面，如果系統(tǒng)在運 行過程中出現(xiàn)問題，也可以采用手動方式檢查，便于維修。而在生產(chǎn)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(chǎn)中，大多數(shù)采用自動過程進行控制，系統(tǒng)通過傳感器的反饋信號來 控制設(shè)備的啟動和停止，以及調(diào)速控制，自

20、動控制梯行圖如下圖： 7、流量傳感器模擬量轉(zhuǎn)換 根據(jù)比例關(guān)系有： (x-0)/(N-6400)=(100-0)/(32000-6400) x=(N-6400)/256 所對應(yīng)梯形圖程序： 傳感器輸入信號為 AIW0，經(jīng) CPU 數(shù)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。 3.4 上位機組態(tài)設(shè)置上位機組態(tài)設(shè)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(tǒng)，實現(xiàn)對 SBR 法污水處理實驗裝置運行的控制。 使實際工作中各環(huán)節(jié)過程的實時變化過程可以通過上位機控制

21、機顯示在主機 電腦界面上，實現(xiàn)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(jù)外界輸入信息及來 自上位機的指令的處理結(jié)果來對實驗裝置進行控制；使用 WINCC 組態(tài)軟件對 上位機編程，編程控制畫面實現(xiàn)對下位機及實驗裝置的監(jiān)控。 3、使用 MCGS 編輯顯示界面，如下圖： MCGS 組態(tài)畫面組態(tài)畫面 4、實現(xiàn)控制過程 按下手動控制按鈕，系統(tǒng)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(xiàn)各個功能。各功能過程實現(xiàn)互鎖。 按下自動控制按鈕，系統(tǒng)進入自動循環(huán)過程，此時系統(tǒng)會自定進入工作狀態(tài)， 分別進行注水、曝氣、攪拌、沉淀、排水的功能，并自動循環(huán)。直到按下停止 按鈕結(jié)束。 同時，這兩個控制狀態(tài)都可以隨時按下停止按鈕結(jié)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(shù)據(jù)。個部分 功能都可以在上位機顯示設(shè)備上被體現(xiàn)。 由變量連接的規(guī)范，設(shè)計合適的圖形畫面，設(shè)計出簡單的控制界面 控制界面 自動控制界面 手動控制界面 歷史趨勢曲線 第四章第四章 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(xiàn)上位機監(jiān)控界面上，按下啟動按鈕后，實驗設(shè) 置即按上述工藝流程自動循環(huán)，無須認為干涉，但在上位機監(jiān)控頁面上對其進