电气工程设计报告-SBR污水处理实验装置PLC控制系统设计1.doc

《电气工程设计报告-SBR污水处理实验装置PLC控制系统设计1.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《电气工程设计报告-SBR污水处理实验装置PLC控制系统设计1.doc（18页珍藏版）》请在三一文库上搜索。

1、1 电气工程设计报告电气工程设计报告 SBRSBR 法污水处理实验装置法污水处理实验装置 PLCPLC 控制系统设计控制系统设计 班级：电气班级：电气 08010801 姓名：姓名： 学号：学号：0814013508140135 同组人：同组人： 学号：学号：0814011308140113 2 目录目录 第一章第一章 设计介绍设计介绍 3 1.11.1 题目：题目：SBRSBR 法污水处理实验装置法污水处理实验装置 PLCPLC 控制系统设计控制系统设计 1.21.2 工艺简介：工艺简介： 第二章第二章 总述总述 4 2.2 组态软件概况组态软件概况 2.1 PLC 介绍介绍 第第三三章章

2、SBR 污污水水处处理理电电路路设设计计 4 3.1 SBRSBR 废水处理电气控制原理图设计废水处理电气控制原理图设计 4 4 3.2 硬件系统配置硬件系统配置 6 3.3 软件系统设计软件系统设计 10 3.4 上位机组态设置上位机组态设置 14 第四章第四章 自我评定自我评定 18 第五章第五章 参考文献参考文献 18 3 第一章第一章 设计介绍设计介绍 1.11.1 题目：题目：SBRSBR 法污水处理实验装置法污水处理实验装置 PLCPLC 控制系统设计控制系统设计 1.21.2 工艺简介：工艺简介： SBR 是序列间歇式活性污泥法（Sequencing Batch Reactor

3、Activated Sludge Process）的简称，是一种按间歇曝气方式来运行的活性污泥污水处理 技术，又称序批式活性污泥法。SBR 法污水处理实验装置如下图所示， 1、5、12 均为水箱，2 为水泵，3、11 为电磁阀，4 为水流量计（用于检测注水 流量情况，产生模拟量电流信号） ，6 为搅拌电机，7 为曝气头（有三个） ，8 为 充气泵，9 为气体流量计（用于检测充气流量情况，产生模拟量电流信号） ，10 为排水斗。 主要工艺过程简介如下： 1、注水。此时 3 打开，2 工作，将 1 内的污水泵入 5（内有活性污泥） ，4 可以 检测水流量，其余装置均处于不工作状态，注水过程持续一定

4、时间（预先设定 好或由人实时控制）后结束，3 闭合，2 停止工作。下面进入曝气阶段。 2、曝气。此时 8 工作，通过 7 将空气泵入 5， 9 可以检测空气流量，其余装置 均处于不工作状态，曝气过程持续一定时间（预先设定好或由人实时控制）后 结束，8 停止工作。下面进入搅拌阶段。 3、搅拌。此时 6 工作对 5 中物质进行搅拌，其余装置均处于不工作状态，搅拌 过程持续一定时间（预先设定好或由人实时控制）后结束，6 停止工作。下面 进入沉淀阶段。 4、沉淀。此时所有装置均处于不工作状态，让 5 水中的杂质沉淀，沉淀过程持 续一定时间（预先设定好或由人实时控制）后结束。下面进入排水阶段。 5、排水

5、。此时 11 打开， 5 上部的清水可由 10 排入 12，然后再排向别处，其 余装置均处于不工作状态，排水过程持续一定时间（预先设定好或由人实时控 制）后结束，11 闭合。下面又进入注水阶段，开始新的循环。 4 第二章第二章 总述总述 2.1 PLC 介绍介绍 PLC 即可编程控制器，国际电工委员会(IEC)先后颁布了 PLC 标准的草案 第一稿、第二稿,并在 1987 年 2 月通过了对它的定义：“可编程控制器是一种数 字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。它采用一类可编程的 存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数与算术 操作等面向用户的指令，并通过数字

6、或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或 生产过程。可编程控制器及其有关外部设备，都按易于与工业控制系统联成一 个整体，易于扩充其功能的原则设计。 ” 2.2 组态软件概况组态软件概况 组态软件，又称监控组态软件，译自英文SCADA,即 Supervisory Control and Data Acquisition(数据采集与监视控制 ),组态软件的应用领域很广，它可以应用于电力 系统、给水系统、石油、化工等领域的数据采集与监视控制以及过程控制等诸多领域。 在电力系统以及电气化铁道上又称远动系统 (RTU System,Remote Terminal Unit)。 国国外外组组态态软软件件：

7、1、InTouch：Wonderware 是 Invensys plc“生产管理”部的一个运营单位，是 全球工业自动化软件的领先供应商。 Wonderware 的 InTouch 软件是最早进入我国的组态软件。在80 年代末、90 年 代初，基于 Windows3.1 的 InTouch 软件曾让我们耳目一新，并且 InTouch 提供了丰 富的图库。但是，早期的 InTouch 软件采用方式与驱动程序通信，性能较差， 最新的 InTouch7.0 版已经完全基于 32 位的 Windows 平台，并且提供了 OPC 支持 。 2、IFix：GE Fanuc 智能设备公司由美国通用电气公司（

8、GE）和日本 Fanuc 公司合资组建，提供自动化硬件和软件解决方案。 Intellution 公司以 Fix 组态软件起家， 1995 年被爱默生收购，现在是爱默生集团 的全资子公司， Fix6.软件提供工控人员熟悉的概念和操作界面，并提供完备的驱动 程序（需单独购买）。 Intellution 将自己最新的产品系列命名为 iFiX，在 iFiX 中，Int ellution 提供了强大的组态功能，但新版本与以往的6.版本并不完全兼容。原有的 Script 语言改为 VBA（Visual Basic For Application），并且在内部集成了微软的 VBA 开发环境。遗憾的是， In

9、tellution 并没有提供 6.1 版脚本语言到 VBA 的转换工具 。在 iFiX 中，Intellution 的产品与 Microsoft 的操作系统、网络进行了紧密的集成。 I ntellution 也是 OPC（OLE for Process Control）组织的发起成员之一。 iFiX 的 OP C 组件和驱动程序同样需要单独购买。 3、WinCC：西门子自动化与驱动集团 (A&D)是西门子股份公司中最大的集团之一 ，是西门子工业领域的重要组成部分。 第第三三章章 SBR 污污水水处处理理电电路路设设计计 5 3.1 SBRSBR 废水处理电气控制原理图设计废水处理电气控制原理

10、图设计 (1)(1) 主电路设计：主电路设计： M1 M2 S KM1 KM2 FU1 M3 T KM3 R N N L5 L6 FR1 FR2FR3 1#泵（污水）2泵（清水） 风机 M4 FR4 KM4 KM5 FU4FU3 FU2 阀门电动机 FU5 FU6 3 333 QF SBR 废水处理电气控制系统主电路 1) 主回路中交流接触器 KM1、KM2、KM3 分别控制 1#清水泵 M1、2#清水泵 M2、 曝气风机 M3；交流接触器 KM4、KM5 控制电动阀电动机 M4，通过正、反转完成 开起阀门和关闭阀门的功能。 2) 电动机 M1、M2、M3、M4 由热继电器 FR1、FR2、F

11、R3、FR4 实现过载保护。电 动阀电动机 M4 控制器内还装有常闭热保护开关，对阀门电动机 M4 实现双重保 护。 3) QF 为电源总开关，既可完成主电路的短路保护，又起到分断三相交流电源 的作用，使用和维修方便。 4) 熔断器 FU1、FU2、FU3、FU4 分别实现各负载回路的短路保护。FU5、FU6 分 别完成交流控制回路和 PLC 控制回路的短路保护。 (2)(2) 交流控制电路设计：交流控制电路设计： 6 1#泵提示(潜水) L5 N HL1 HL2 HL3 HL4 YA1 HL5 YA2 KA1 FR1 FR2 FR3 FR4 KM1-1 KM2-1 KM3-1 KA2-1 K

12、A2-2 KA3-1 TC 220 隔离变压器 1:1 L N +24V DC COM PLC 注: 电源指示 2#泵提示(清水) 罗茨风机 上水电磁阀 上水阀指示 排空电磁阀 表示采用第三种 接地方式。 220V 电动机过载保护 3.2硬件系统配置：硬件系统配置： 根据污水处理系统的电气控制系统的功能要求，以及其复杂程度，从经济性、 可靠性等方面来考虑，选择西门子 S7-200 系列作为污水处理系统的电气控制系 统的控制主机。由于污水处理电气控制系统涉及较多的输入/输出端口，其控制 过程相对复杂，因此采用 CPU226 作为该控制系统的主机。 在污水处理系统中使用的数字量输入点和输出点都比较

13、多，因此除了 PLC 自带的 I/O 外，还需扩展一定数量的 I/O 扩展模块，在此，采用 EM223 输入/输 出混合扩展模块，8 点 DC 输入/8 点 DC 输出型，正好可以满足控制系统的 I/O 需求。 在该控制系统中，还需要采集模拟量并利用模拟量控制功能的要求，因此需 要再扩展一个模拟量输入/输出扩展模块。西门子公司专门为 S7-200 系列 PLC 配置了模拟量输入/输出 模块 EM235，该模块具有较高的分辨率和较强的输出驱动能力，可满足控制系 统的功能要求。 1、数字量输入配置： 在此控制系统中，所需要的输入量基本都属于数字量，主要包括各种按钮控 制，旋钮控制及数字输入。如下图

14、： 输入地址输入设备 I0.1自动控制按钮 7 2、数字量输出： 在这个控制系统中，主要输出控制的设备有各种接触器，阀门等，其具体分 配，如图： 输出地址输出设备 Q0.1进水电磁阀线圈 Q0.2水泵接触器 Q0.3气泵接触器 Q0.4搅拌电动机接触器 Q0.5机器电磁阀线圈 3、模拟量输入部分： 由于要采集两个传感器所反馈的数据，因此扩展一个模拟量输入/输出模块， 具体 I/O 分配表，如图： 输入地址输出设备 AIW0水流计量传感器 AIW1气流计量传感器 4、模拟量输出部分： 在此控制系统中需要将采集回来的模拟量进行数据处理，然后，通过模拟输 入口对变频其进行控制，进而控制其他设备的运行

15、。如表： 输出地址输出设备 I0.2停止按钮 I0.3手动控制按钮 I0.4手动控制注水按钮 I0.5手动控制曝气按钮 I0.6手动控制搅拌按钮 I0.7手动控制排水按钮 8 AQW0经 PID 运算输出 AQW1经 PID 运算输出 根据控制的系统功能要求，根据上述表的 I/O 分配情况，设计出污水处理控 制系统的硬件连接图，如下图 1-1，此面板上的手动控制部分主要在调试系统时 使用，调试完成后基本处于闲置状态。 5、其他硬件资源配置： 接触器 在此污水处理系统中，所有的设备是根据控制面板上的按钮情况或者根据传 感器上的反馈值进行动作的，因此需要 PLC 根据当前的工作情况，以及按钮的 情

16、况来控制所有的设备的启停状态。需要：进气、进水电磁阀接触器，水泵接 触器，气泵接触器，搅拌机接触器。 变频器 本次设计采用的 MM430 系列变频器是一种风机水泵专用变频器。能适用于 各种变速驱动系统，尤其适合用于工业部门的水泵和风机。该型变频器，具有 能源利用率高的特点，优化了部分结构与功能，便于工作人员进行操作，实现 其控制功能。 各类按钮 在这个控制系统的自动操作中，采用三种机械按钮，控制污水处理系统的自 动启动，手动启动，急停的按钮。 在手动控制的状态下，对于每个设备都对应设置一组按钮，采用触电触发式 按钮，即按下接通，松开复位。 9 图 1-1 PLC 与外部连接情况： 10 3.3

17、软件系统设计：软件系统设计： 1、总体流程设计 根据系统的控制要求，控制过程可分为手动控制功能和自动运行功能。在手 动控制模式下，每个设备可单独运行，以测试设备的性能。 2、手动模式 在手动模式下，可单独调用每个设备的运行。 在此模式下，可以通过按钮对水泵、气泵、电磁阀、搅拌机进行控制，对于 水泵和气流的控制，可以通过通过变频器来改变其速度，以检测调速性能。 3、自动控制 处于自动控制时，按下自动启动按钮后系统运行，系统开始工作，其工作过 程包括以下几个方面。 系统上电后，启动进水电磁阀和水泵。 启动气泵，开始曝气过程 启动搅拌机 启动排水电磁阀排水 以上工作过程调用了各个控制系统的程序，主要

18、包括进水系统程序，曝气系 统程序，搅拌系统程序，排水系统程序。 4、梯形图设计 在设计过程中，会使用到很多中间继电器，寄存器，定时器等软元件，为了 便于编程和修改，在程序编写前应先列出可能用到的软元件，如下表： 元件意义内容备注 M0.1手动方式标志on 有效 M0.2自动方式标志on 有效 M1.0注水启动标志on 有效 M1.1曝气启动标志on 有效 M1.2搅拌机启动标志on 有效 M1.3排水启动标志on 有效 T37注水水泵运行时间20s T38曝气气泵运行时间20s T39搅拌机运行时间20s T40沉淀过程时间15s T41排水过程运行时间20s 11 5、手动控制程序 在系统上

19、电后，控制方式选择为手动方式时，可以通过面板上的按钮控制每 个设备的运行。手动控制系统主要是便于在生产线初装时进行调试，检测各个 设备是否能正常运行，手动控制梯形图程序如图： 在本系统中，几个单独的过程状态都是互斥的，因此在软件中采取软件互 锁方式，也就是说同一时刻，只能有一个过程在系统中进行，不能同时进行两 个不同的进程。 手动模式的设置主要是为了方便系统的调试和维修工作。在调试时，可以 对不同的设备进行调试，最后整个系统一起调试。在维修方面，如果系统在运 行过程中出现问题，也可以采用手动方式检查，便于维修。而在生产过程中， 12 主要是采用自动方式进行控制，下面就来介绍自动控制过程。 6、

20、自动控制程序 在生产中，大多数采用自动过程进行控制，系统通过传感器的反馈信号来 控制设备的启动和停止，以及调速控制，自动控制梯行图如下图： 13 7、流量传感器模拟量转换 根据比例关系有： (x-0)/(N-6400)=(100-0)/(32000-6400) x=(N-6400)/256 所对应梯形图程序： 14 传感器输入信号为 AIW0，经 CPU 数字处理及 EM235 运算后有 AIW0 输出，气 体传感器和水流传感器原理相同，有 AIW1 及 AQW1 输入/输出，这里不再赘 述。 3.4 上位机组态设置上位机组态设置 1、使用可编程控制器作下位控制站/下位机，使用微计算机上位控制

21、站/上位机， 组成控制系统，实现对 SBR 法污水处理实验装置运行的控制。 使实际工作中各环节过程的实时变化过程可以通过上位机控制机显示在主机 电脑界面上，实现实时控制。 2、使用 STEP7 编程软件对下位机编程，使下位机能够根据外界输入信息及来 自上位机的指令的处理结果来对实验装置进行控制；使用 WINCC 组态软件对 上位机编程，编程控制画面实现对下位机及实验装置的监控。 3、使用 MCGS 编辑显示界面，如下图： 15 MCGS 组态画面组态画面 4、实现控制过程 按下手动控制按钮，系统进入手动控制过程。分别按下水泵、气泵、搅拌机、 排水的控制按钮，分别实现各个功能。各功能过程实现互锁

22、。 按下自动控制按钮，系统进入自动循环过程，此时系统会自定进入工作状态， 分别进行注水、曝气、搅拌、沉淀、排水的功能，并自动循环。直到按下停止 按钮结束。 同时，这两个控制状态都可以随时按下停止按钮结束任意过程。 两个计量显示表可以实时显示出水流量计和气体流量计的测得数据。个部分 功能都可以在上位机显示设备上被体现。 由变量连接的规范，设计合适的图形画面，设计出简单的控制界面 控制界面 16 自动控制界面 手动控制界面 历史趋势曲线 17 第四章第四章 自我评定自我评定 1、仿真效果评定 自动控制方式下，在实现上位机监控界面上，按下启动按钮后，实验设 置即按上述工艺流程自动循环，无须认为干涉，

23、但在上位机监控页面上对其进 行检测，并可随时按下停止按钮停止实验装置的运行。 手动控制方式下，在上位机监控界面上监测实验装置工艺流程，并可认为实 时的控制工艺流程各个阶段的运行与停止。手动控制方式与自动控制方式之间 须存在互锁关系，即在控制方式处于工作状态下时，另一种控制方式被屏蔽。 对谁流量计与气体流量计发出模拟电流信号的处理：由下位机采集，在下位机 内通过程序将其转换为实际的物理量值，并在上位机监控画面中显示出来。 2、方案评定 通过上下位机的控制和执行实现了 SBR 污水处理法的全过程。 3、设计心得 能够进行基本的上位机编程，熟练掌握西门子 S7-200 系列 PLC，MCGS 组 态

24、软件等，在自己的努力和老师的悉心指导下成功实现自动手动控制切换。 通过本次 PLC 系统实训课程设计，是一次很好的锻炼机会，锻炼了理论联 系实际，与具体项目、课题相结合开发、设计的能力，又让我们懂得了在实践 中遇到的问题怎样用理论去解决。通过这次实训锻炼了实际操作的能力，掌握 了简单的 PLC 系统编程及组态监控软件的使用，对课堂上所学习的可编程控制 器的相关知识加深了了解，也为将来的更好的实践应用打下了基础。设计过程 中，总会遇到这样那样的问题，发现问题后通过自己找资料，和老师交流，直 到最后解决问题，为以后的工作积累了经验，增强了信心。也更深刻的体会到 PLC 和实际生产关系的密切。 第五章第五章 参考文献参考文献 1、廖常初. PLC 编程及应用 M. 北京：机械工业出版社, 2008.1 2、西门子（中国）有限公司 .S7-200 可编程控制器系统手册, 2005 3、程玉华.西门子 S7-200 工程应用实例分析 M. 北京：电子工业出版社， 2008.1 18