电气控制设计——某污水处理控制系统设计专业：电气工程及其自动化班级：学号:姓名：指导教师：完成日期：目录1.1 研究目的和意义 (3)1.2 课题主要设计的内容 (4)2. 1信号输入 (4)2. 2控制输出信号 (5)3.1主要组成部分 (6)3.2电气控制系统 (6)3.3工业污水处理系统的工作原理 (6)3.3.1控制系统总体框图 (6)3.3.2工作过程 (7)3.3.3工业污水处理系统主电路设计 (8)3.4 PLC选型 (10)3.5 PLC的I/O资源配置 (10)3.5.1数字量输入部分 (10)3.5.2数字量输出部分 (11)3.5.3模拟量输入部分 (12)3.5.4 模拟量输出部分 (12)4.1总体流程设计 (13)4.1.1手动模式 (14)4.1.2自动模式 (14)参考文献 (20)附录Ⅰ控制程序 (21)附录Ⅱ部分主电路图 (23)附录Ⅲ硬件接线图 (24)绪论1.1 研究目的和意义1号磁滤器的滤水工艺流程见图。

1号磁滤器的I／O分配表见图(以三菱系列PLC为例)。

2号和3号磁滤器的I／()分配表与1号相同，只是将输入地址编号X0～X5改为X400～X405和X500～X505，将输出地址编号Y30～Y35改为Y430 ～Y435和Y530～Y535。

按下启动按钮AN1，使X0接通。

“电源信号”是输出端“电源通断”Y30的反馈信号，当PLC的Y30正常接通，则接入电源通路中的控制接点导通，使Xl接通，滤水工艺顺利运行下去。

同理，“进水阀信号”是输出端“进水阀通断”接通时的反馈信号。

这种控制方式提高系统的可靠性，若有某个输出信号不正常，就会立刻停止滤水工序。

本系统要求：三台或二台滤水器应能各自按滤水工艺流程并行工作；反洗时，只能单台工作，其他需反洗者必须等待；在滤水时，只要出现“管压差高”的信号，则立即停止滤水工序，自动进入反洗工序。

1.2 课题主要设计的内容本课题主要设计的内容是工业污水处理工艺及工业污水处理系统的组成和PLC控制系统设计,主要由以下内容组成：（1）介绍了工业污水处理的基本内容，包括工业污水处理的发展现状以及工业污水处理的工艺流程；（2）介绍了PLC的基本结构和工作原理，并对工业污水处理控制系统进行设计分析；（3）具体分析设计工业污水处理的硬件系统；（4）具体分析设计工业污水处理的软件系2. 1信号输入工业污水处理系统信号输入检测方面主要涉及四类信号的监测，主要包括：按钮的输入检测、液位差的输入检测、液位高低的输入检测，以及曝气池中含氧量的输入检测。

（1）按钮输入检测。

大多数为人工方式控制的输入检测，主要有自动按钮、手动按钮、格栅机启动按钮、清污机启动按钮、潜水泵启动按钮、潜水搅拌机启动按钮、污泥回流泵按钮、曝气机工频、变频按钮，以及变频加速减速按钮等。

（2）液位差输入检测。

检测粗细格栅两侧液位差，用来控制清污机的启动与停止。

（3）液位高低输入检测。

检测进水泵房和污泥回流泵房中液位的高低，用来控制潜水泵或污泥回流泵的启动和停止，以及投入运行的潜水泵的数量。

（4）含氧量输入检测。

以上三种都为数字量输入，该输入为模拟量输入。

曝气过程是工业污水处理系统中最重要的环节，为了保证微生物所需要的氧气，必须检测污水中的含氧量，并通过曝气机增加或减少其含氧量。

通过将溶解氧仪设置在适当位置上，将检测值反馈到PLC中，通过运算输出控制曝气机的转速信号。

当溶解氧值偏低时，降低了微生物分解的效果，延长了处理时间，严重时甚至导致处理失效，因此需要增加曝气机转速以增加供氧量；当溶解氧值偏高时，导致微生物过氧化，降低了其活性，也不利于处理，因此减小曝气机转速以减少供氧量，最终使污水中的溶解氧保持在一定的范围内。

2. 2控制输出信号信号输出部分主要包括两个方面：一个是数字量输出，即各类设备的接触器；另外一个是模拟量输出，用来控制曝气机变频器。

（1）数字量输出。

控制各类设备的启动和停止，包括：格栅机启停、清污机启停、潜水泵启停、潜水搅拌器启停、污泥回流泵等设备。

（2）模拟量输出通过PLC中PID运算后的数据，通过其功能模块输出控制信号，该控制信号输入到变频器的控制端子上，改变变频器的输出频率，从而控制曝气机的转速，最后达到控制污水中含氧量的要求。

3 硬件系统配置3.1主要组成部分工业污水处理系统的结构比较复杂，设备较多，在氧化沟中其控制过程及原理大致相同，都是通过控制曝气机的转速来调节污水中的含氧量，其基本组成如图3-1所示。

图3-1工业污水处理系统基本组成示意图3.2电气控制系统电气控制系统主要包括操作面板、显示面板、电气控制柜等单元。

由于在该系统中需要检测较多的数字输入量，并且还要检测模拟量的输入，根据设定的程序进行数据处理后，输出控制信号，因此系统的控制逻辑与时序就需要严格照检测信号的输入进行控制。

(1）操作面板。

操作面板主要包括手动、自动、各类设备的启动按钮等。

(2）显示面板。

显示面板由于要显示较多的数据，因此一般采用触摸屏或者人机界面。

(3）电气控制柜。

电气控制柜是电气控制的核心设备，主要包括变频器、各类传感器的输入信号、PLC及其扩展模块等。

3.3工业污水处理系统的工作原理3.3.1控制系统总体框图工业污水处理系统的电气控制系统总框图如图4-2所示，PLC为核心控制器，通过检测操作面板按钮的输入、各类传感器的输入，以及相关模拟量的输入，完成相关设备的运行、停止和调速控制。

3-2电气控制系统总框图3.3.2工作过程在手动状态下，各类设备的控制是根据操作面板上的按钮输入来控制，无逻辑控制，即可不根据传感器的状态进行控制。

在自动方式下进行闭环控制，系统根据检测到外部传感器的状态对设备进行启停控制，其工作过程如下。

（1）接通电源，启动自动控制方式，启动潜水搅拌器和刮泥机。

（2）运行粗、细格栅机，进行间歇运行，即运行一段时间然后停止一段时间，循环进行。

（3）根据反馈回来的液位差状态控制清污机的运行与停止。

（4）进水泵房中的潜水泵根据液面高低进行运行、停止及运行数量的控制。

（5）转碟曝气机根据溶解氧仪反馈的模拟量经PLC运算后进行控制，同时控制分离机的运行与停止。

（6）污泥回流泵的运行与停止根据液面的高低进行控制。

（7）在污泥脱水系统中，离心式脱水机的启动采用顺序控制方式，依次启动其设备。

3.3.3工业污水处理系统主电路设计图3-3为工业污水处理系统的主电路图的部分图。

三台电机分别为潜水泵电机（M1）、清污机电机（M2）、转碟曝气机电机（M3）。

接触器KM3、KM2、KM6分别控制M1、M2、M3的工频运行；接触器KM5、KM9分别控制M1、M3的变频运行；FR1、FR2、FR3分别为三台电机过载保护用的热继电器；QF1、主电路的空气开关；FU1为主电路的熔断器。

选用的MM430变频器是用来控制电机M1、M3变频运行的。

图3-3工业污水处理系统变频部分主电路图3.4 PLC选型根据工业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PLC作为工业污水处理系统的电气控制系统的控制主机。

由于工业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。

CPU226在工业污水处理系统中使用的数字量输入点和输出点都比较多，因此除了PLC 主机自带的I/O外，还需要扩展一定数量的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点输出型。

正好可以满足控制系统的I/O需求。

在该系统中，还需要采集模拟量并利用模拟量控制的功能要求，因此需要在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。

3.5 PLC的I/O资源配置根据系统的功能要求，对PLC的I/O进行估算配置，具体分配如下。

3.5.1数字量输入部分首先需要一个紧急制动按钮,运行方式有两种自动和手动，所以有自动运行方式，自动方式启动确认，手动方式。

手动方式针对各个部件，粗细格栅机有手动粗格栅机启动，手动细格栅机启动。

手动清污机、潜水泵、分离机、碟曝气机工频、转碟曝气机变频、潜水搅拌机、刮泥机、污泥回流泵、分离式脱水机、污泥泵、转碟曝气机加速、转碟曝气机减少、粗格栅液位差计、细格栅液位差计、进水泵房液面高位传感器、进水泵房液面低位传感器、污泥回流泵液面高位传感器、污泥回流泵液面低位传感,总共24个数字输入量.表3-4 数字输入量地址分配3.5.2数字量输出部分数字量输出主要是对接触器的启动提供信号,共13个表3-5数字输出量地址分配3.5.3模拟量输入部分由于需要采集一个溶氧仪所反馈的数据，因此扩展了一个模拟量输入输出模块，具体I/O分配，如下表3-6所示。

表3-6 模拟量输入地址分配3.5.4 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，通过模拟输出口对变频器进行控制，进行控制其他设备的运行，如下表3-7所示。

表3-7模拟量输出地址分配根据控制系统的功能要求，设计出工业污水处理控制系统的硬件连线图如图3-8所示，此控制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。

4 软件系统设计采用西门子公司为S7—200系列PLC开发的STEP7—Micro/WIN32作为编程软件，上面介绍了工业污水处理控制系统的结构、工作原理和电气控制部分的结构，硬件结构的总体设计基本完成后，就要开始软件部分的设计，根据控制系统的控制要求和硬件部分的设计情况及PLC控制系统I/O的分配情况，进行软件编程设计。

在软件的设计中，首先按照需要实现的功能要求做出流程框图，其次按照不同功能编写不同功能模块，这样写出的程序条例清晰，既方便编写，也便于调试。

4.1总体流程设计根据系统的控制要求，控制过程可以分为手动控制功能和自动运行功能。

在手动控制模式下，每个设备可以单独运行，以测试设备的性能，如图4-1所示。

4.1.1手动模式在手动模式下，可单独调试每个设备的运行，如图5-2所示。

在此模式下，可以通过按钮对格栅机、清污机、转碟曝气机、刮泥机，以及各类泵进行控制，对于转碟曝气机的控制，可以通过按钮增大或减小变频器的频率来改变其速度，以检测调试性能。

图4-2手动操作模式流程图4.1.2自动模式处于自动方式时，系统上电后，按下自动启动确认后系统运行，系统开始工作，其工作过程包括以下几个方面。

（1）系统上电后，按下自动启动确认按钮，启动潜水搅拌器和刮泥机。

（2）启动粗格栅系统。

（3）启动潜水泵。

（4）启动细格栅系统。

（5）启动曝气沉砂系统。