1、污水处理系统电气控制第 - 1 - 页 共 35 页摘要近年来，为了实现高质量、低消耗、稳定可靠的运行，国内外许多污水处理厂采用了现代先进控制技术和计算机技术，从而构成计算机监督、控制、管理系统，使系统优化运行。而可编程逻辑控制器(PLC)则是以微处理器为核心，综合了计算机技术、自动控制技术和通信技术而发展起来的一种新型、通用的自动控制装置。随着我国经济的高速发展、城市化进程的加速和人民生活水平的不断提高，人们对供水的质量要求也越来越高。与此同时，许多建于六七十年代的水厂，由于设备陈旧、工艺落后及控制手段简单等原因，使得设备损耗大、经济效益低，造成水资源的严重浪费；另一方面，由于国家饮用水标准
2、的进一步提高，大批老水厂都将面临全面改造的问题在水厂改造中采用新工艺新设备和更为先进、可靠、高效的控制手段已成为必然趋势。而 PLC+变频器，其可靠性高、抗干扰能力强，系统配置灵活、编程容易，调试、维护简单等优点，使得它在水处理自动控制中得到广泛应用。关键字：PLC 、变频调速、污水处理第 1章 绪论1.1 课题背景近几年来，随着我国对环境保护力度的加大，生活水平的提高及环境意识的增强，城市污水治理的要求越来越高，人们对自身生活环境的要求也越来越高，对各种污染问题越来越关注。政府部门为了缓解并逐步解决污染问题，要求各个工厂和城镇建立污水处理厂。在现代化的城市污水处理厂中，自动化控制系统是实现工
3、艺要求，维持设备正常运行。提高工作效率的重要保证。如何保证污水处理过程的连续性、可靠性是自动化控制系统重点解决的问题。1.2 课题研究的现状极其目的目前，交流变频调速以其优异的性能而深受各行业的普遍欢迎 ，在电力 、轧钢、造纸、化工、水泥、煤炭、纺织 、铁路、食品、船舶 、机床等传统工业的改造中和航天航空等高新技术的发展应用中无不看到变频调速技术的踪影，变频调速技术取得了显著的经济效益。交流变频调速技术以其卓越的调速性能、显著的节电效果以及在国民经济各领域的广泛适用性，而被公认为是一种最有前途的交流调速方式，代表了电气传动发展的主流方向。变频调速技术为节能降耗、改善控制性能 、提高产 品的产量
4、和质量提供了至关重要的手段。本文根据某污水处理厂的工艺特点，以可编程控制器作为主要控制，实现污水处理系统电气化。通过介绍西门子公司的 S7-200 系列 PLC 和三菱公司的 FR-A540 系列变频器，分析了系统的原理、硬件组成及软件设计等。系统中 PLC 控制变频器的方法稳定可靠，效果良好，实现了自来水污水处理系统的自动化，提高了污水处理的质量。污水处理系统电气控制第 - 2 - 页 共 35 页污水处理系统电气控制第 - 3 - 页 共 35 页第 2章 相关设备的选型及介绍2.1 PLC的基本结构、选型及应用在自动化控制领域，PLC 是一种重要的控制设备。目前，世界上有 200 多厂家
5、生产300 多品种 PLC 产品，应用在汽车（23%） 、粮食加工（16.4%） 、化学/制药（14.6% ） 、金属/矿山（11.5%） 、纸浆/造纸（11.3%）等行业。本章节对本文 PLC 的选型、基本结构、应用等作简介。2.1.1 PLC的基本结构 PLC 的构成：从结构上分，PLC 分为固定式和组合式（模块式）两种。固定式 PLC包括 CPU 板、I/O 板、显示面板、内存块、电源等，这些元素组合成一个不可拆卸的整体。模块式 PLC 包括 CPU 模块、I/O 模块、内存、电源模块、底板或机架，这些模块可以按照一定规则组合配置。（1）CPU 的构成：CPU 是 PLC 的核心，起神经
6、中枢的作用，每套 PLC 至少有一个CPU，它按 PLC 的系统程序赋予的功能接收并存贮用户程序和数据，用扫描的方式采集由现场输入装置送来的状态或数据，并存入规定的寄存器中，同时，诊断电源和 PLC 内部电路的工作状态和编程过程中的语法错误等。进入运行后，从用户程序存贮器中逐条读取指令，经分析后再按指令规定的任务产生相应的控制信号，去指挥有关的控制电路。（2）I/O 模块：PLC 与电气回路的接口，是通过输入输出部分（I/O）完成的。I/O 模块集成了 PLC 的 I/O 电路，其输入暂存器反映输入信号状态，输出点反映输出锁存器状态。输入模块将电信号变换成数字信号进入 PLC 系统，输出模块相
7、反。I/O 分为开关量输入（DI） ，开关量输出（DO） ，模拟量输入（AI） ，模拟量输出（AO）等模块。污水处理系统电气控制第 - 4 - 页 共 35 页开关量是指只有开和关（或 1 和 0）两种状态的信号，模拟量是指连续变化的量。常用的 I/O 分类如下：（1）开关量：按电压水平分，有 220VAC、110VAC、24VDC，按隔离方式分，有继电器隔离和晶体管隔离。（2）模拟量：按信号类型分，有电流型（4-20mA,0-20mA） 、电压型（0-10V,0-5V,-10-10V）等，按精度分，有 12bit,14bit,16bit 等。按 I/O 点数确定模块规格及数量，I/O 模块可
8、多可少，但其最大数受 CPU 所能管理的基本配置的能力，即受最大的底板或机架槽数限制。（3）电源模块：PLC 电源用于为 PLC 各模块的集成电路提供工作电源。同时，有的还为输入电路提供 24V 的工作电源。电源输入类型有：交流电源（ 220VAC 或 110VAC） ，直流电源（常用的为 24VAC） 。（4）底板或机架：大多数模块式 PLC 使用底板或机架，其作用是：电气上，实现各模块间的联系，使 CPU 能访问底板上的所有模块，机械上，实现各模块间的连接，使各模块构成一个整体。2.1.1.1 PLC编程器的介绍编程器是 PLC 开发应用、监测运行、检查维护不可缺少的器件，用于编程、对系统
9、作一些设定、监控 PLC 及 PLC 所控制的系统的工作状况，但它不直接参与现场控制运行。小编程器 PLC 一般有手持型编程器，目前一般由计算机（运行编程软件）充当编程器。在可编程控制器中有多种程序设计语言,它们是梯形图语言、布尔助记符语言、功能表图语言、功能模块图语言及结构化语句描述语言等。梯形图语言和布尔助记符语言是基本程序设计语言，它通常由一系列指令组成，用这些指令可以完成大多数简单的控制功能，例如，代替继电器、计数器、计时器完成顺序控制和逻辑控制等，通过扩展或增强指令集，它们也能执行其它的基本操作。功能表图语言和语句描述语言是高级的程序设计语言，它可根据需要去执行更有效的操作，例如，模
10、拟量的控制，数据的操纵，报表的报印和其他基本程序设计语言无法完成的功能。功能模块图语言采用功能模块图的形式，通过软连接的方式完成所要求的控制功能，它不仅在可编程序控制器中得到了广泛的应用，在集散控制系统的编程和组态时也常常被采用，由于它具有连接方便、操作简单、易于掌握等特点，为广大工程设计和应用人员所喜爱。（1）梯形图（Ladder Diagram）程序设计语言：梯形图程序设计语言是用梯形图的图形符号来描述程序的一种程序设计语言。采用梯形图程序设计语言，程序采用梯形图的形式描述。这种程序设计语言采用因果关系来描述事件发生的条件和结果。每个梯级是一个因果关系。在梯级中，描述事件发生的条件表示在左
11、面，事件发生的结果表示在后面。梯形图程序设计语言是最常用的一种程序设计语言。它来源于继电器逻辑控制系统的描述。在工业过程控制领域，电气技术人员对继电器逻辑控制技术较为熟悉，因此，由这污水处理系统电气控制第 - 5 - 页 共 35 页种逻辑控制技术发展而来的梯形图受到了欢迎，并得到了广泛的应用。梯形图程序设计语言的特点是：1）与电气操作原理图相对应，具有直观性和对应性；2）与原有继电器逻辑控制技术相一致，对电气技术人员来说，易于撑握和学习；3）与原有的继电器逻辑控制技术的不同点是，梯形图中的能流（Power FLow）不是实际意义的电流，内部的继电器也不是实际存在的继电器，因此，应用时，需与原
12、有继电器逻辑控制技术的有关概念区别对待；4）与布尔助记符程序设计语言有一一对应关系，便于相互的转换和程序的检查。（2）功能模块图（Function Block）程序设计语言：功能模块图程序设计语言是采用功能模块来表示模块所具有的功能，不同的功能模块有不同的功能。它有若干个输入端和输出端，通过软连接的方式，分别连接到所需的其它端子，完成所需的控制运算或控制功能。功能模块可以分为不同的类型，在同一种类型中，也可能因功能参数的不同而使功能或应用范围有所差别，例如，输入端的数量、输入信号的类型等的不同使它的使用范围不同。由于采用软连接的方式进行功能模块之间及功能模块与外部端子的连接，因此控制方案的更改
13、、信号连接的替换等操作可以很方便实现。功能模块图程序设计语言的特点是：1）以功能模块为单位，从控制功能入手，使控制方案的分析和理解变得容易；2）功能模块是用图形化的方法描述功能，它的直观性大大方便了设计人员的编程和组态，有较好的易操作性；3）对控制规模较大、控制关系较复录的系统，由于控制功能的关系可以较清楚地表达出来，因此，编程和组态时间可以缩短，调试时间也能减少；4）由于每种功能模块需要占用一定的程序内存，对功能模块的执行需要一定的执行时间，因此，这种设计语言在大中型可编程控制器和集散控制系统的编程和组态中才被采用。部分可编程序控制器的制造厂商为用户提供了简单的结构化程序设计语言，它与助记符
14、程序设计语言相似，对程序的步数有一定的限制，同时，提供了与可编程序控制器间的接口或通信连接程序的编制方式，为用户的应用程序提供了扩展余地。2.1.2 PLC的选型SIMATIC S7-200 系列 PLC 在集散自动化系统中充分发挥其强大功能。使用范围可覆盖从替代继电器的简单控制到更复杂的自动化控制。应用领域极为广泛，覆盖所有与自动检测，自动化控制有关的工业及民用领域，包括各种机床、机械、电力设施、民用设施、环境保护设备等等。S7-200 CPU 将微处理器、集成电源和数字量 I/O 点集成在一个紧凑的封装中，形成一个功能强大的小型 PLC，如图 2-1 所示。污水处理系统电气控制第 - 6
15、- 页 共 35 页图 2-1 SIMATIC S7-2002.1.2.1 SIMATIC S7-200系列 PLC的技术指标（1）SIMATIC S7-200 系列 PLC 提供多种类型的 CPU 以适应各种应用场合，表 2-1 中对各种 CPU 的电源类型作一简单介绍；表 2-2 中对各种 CPU 的技术指标作一简单介绍。表 2-1 S7-200 CPU 的电源类型：类型 电源电压 输入电压 输出电压 输出电流DC 输出DC 输入 24V DC 24V DC 24V DC0.75A晶体管CPU221继电器输出DC 输入 85-264V AC 24V DC24V DC24-230V AC 2
16、A 继电器DC 输出 24V DC 24V DC 24V DC 0.75A晶体管CPU222CPU224CPU224XPCPU226 继电器输出 85-264V AC 24V DC24V DC24-230V AC 2A 继电器表 2-2 S7-200 CPU 的特性：特性 CPU221 CPU222 CPU224 CPU226外形尺寸（mm） 908062 908062 120.58062 1908062程序存储区 2048 字 2048 字 4096 字 4096 字数据存储区 1024 字 1024 字 2560 字 2560 字掉电保持时间 50 小时 50 小时 190 小时 190
17、小时本机 I/O 6 入/4 出 8 入/6 出 14 入/10 出 24 入/16 出扩展模块数量 0 2 7 7高速计数器单相双相4 路 30KHz2 路 20KHz4 路 30KHz2 路 20KHz6 路 30KHz4 路 20KHz6 路 30KHz4 路 20KHz脉冲输出（DC） 2 路 20KHz 2 路 20KHz 2 路 20KHz 2 路 20KHz模拟电位器 1 1 2 2实时时钟 配时钟卡 配时钟卡 内置 内置通讯口 1 RS-485 1 RS-485 1 RS-485 2 RS-485浮点数运算 有I/O 映象区 256（128 入/128 出）污水处理系统电气控制
18、第 - 7 - 页 共 35 页布尔指令执行速度 0.37s/指令（2）SIMATIC S7-200 系列 PLC 提供了 4 个不同的基本型号的 8 种 CPU，下面对各种CPU 做一简单介绍：CPU221本机集成6输入/4输出共10个数字量I/O点无I/O扩展能力6K字节程序和数据存储空间4个独立的30kHz高速计数器2路独立20kHz高速脉冲输出1个RS485通讯/编程口具有PPI 通讯协议MPI 通讯协议和自由方式通讯能力。非常适合于小点数控制的微型控制器。CPU222本机集成8输入/6输出共14个数字量I/O点可连接2个扩展模块，最大扩展至78路数字量I/O点或10路模拟量I/O点。
19、6K字节程序和数据存储空间。4个独立的30kHz 高速计数器，2路独立的20kHz 高速脉冲输出具有PID控制器。1个RS485通讯/编程口，具有PPI 通讯协议、 MPI通讯协议和自由方式通讯能力是具有扩展能力的、适应性更广泛的全功能控制器。CPU224本机集成14输入/10输出共24个数字量I/O点。可连接 7个扩展块，最大扩展至168路数字量I/O点或35路模拟量I/O点。16K字节程序和数据存储空间。6个独立的30kHz 高速计数器，2路独立的20KHz 高速脉冲输出，具有PID控制器。1个RS485通讯/编程口，具有PPI 通讯协议、MPI通讯协议和自由方式通讯能力。I/O端子排可很
20、容易地整体拆卸。是具有较强控制能力的控制器。CPU224XP本机集成14输入/10输出共24个数字量I/O点，2输入 /1输出共3个模拟量I/O点，可连接7个扩展模块，最大扩展至168路数字量I/O点或38路模拟量I/O点。 22K字节程序和数据存储空间，6个独立的高速计数器(100KHz)，2个100KHz的高速脉冲输出，2个RS485 通讯/ 编程口，具有PPI通讯协议、MPI 通讯协议和自由方式通讯能力。本机还新增多种功能，如内置模拟量I/O，位控特性，自整定PID功能，线性斜坡脉冲指令，诊断LED，数据记录及配方功能等。是具有模拟量I/O和强大控制能力的新型CPU。CPU226本机集成
21、24输入/16输出共40个数字量I/O点。可连接 7个扩展模块，最大扩展至248路数字量I/O点或35路模拟量I/O点。26K 字节程序和数据存储空间。6个独立的30kHz 高速计数器，2路独立的20kHz高速脉冲输出，具有PID控制器。2个RS485通讯/编程口，具有PPI 通讯协议、MPI 通讯协议和自由方式通讯能力。I/O端子排可很容易地整体拆卸。用于较高要求的控制系统，具有更多的输入/输出点，更强的模块扩展能力，更快的运行速度和功能更强的内部集成特殊功能。可完全适应于一些复杂的中小型控制系统。污水处理系统电气控制第 - 8 - 页 共 35 页2.1.2.2 数字量扩展模块的介绍数字量
22、扩展模块为使用除了本机集成的数字量输入/输出点外更多的输入/ 输出提供了途径。用户使用该模块有下列优势：（1）最佳适应性：用户可分别对 PLC 及任何扩展模块的混合体进行组态以满足应用的实际要求，同时节约不必要的投资费用。可提供 8、16 和 32 个输入/ 输出点的模块供使用。（2）灵活性：很容易地扩展 I/O 点数。当用应范围扩大，需要更多输入/ 输出点数时，PLC 可以增加扩展模块，即可以增加 I/O 点数。SIMATIC S7-200 系列 PLC 提供多种类型的数字量扩展模块，表 2-3 中对各种 CPU的技术指标作一简单介绍。图 2-2 为数字量扩展模块的连接。2-2 数字量扩展模
23、块的连接表 2-3 数字量扩展模块的技术指标：输入扩展模块EM221具有8点DC输入光耦隔离；8点AC输入（120V230V）；16点DC 输入，光耦隔离。输出扩展模块EM 222具有5 种类型，包括：4点24VDC输出；4点继电器输出；8点24V DC输出型，8点继电器输出型，8点AC输出型（120V230V）。输入/输出扩展模块EM 223具有6种类型，包括24V DC4输入/4输出，24V DC4输入/ 继电器4输出。24V DC 8输入 /8输出，24V DC 8输入/继电器8输出， 24V DC16输入/16输出，24V DC16入/继电器16输出。2.1.3 PLC的应用根据本文污
24、水处理系统的需要及要求，本文 PLC 选择了 SIMATIC S7-200 CPU226 AC/DC/继电器输出类型；CPU226 的输入输出为 24 个输入，16 个输出，而本文设计使用了 18 个输入点，19 个输出点（如表 2-1 所示）。因此根据设计的需要，需增加一个数字量扩展模块，数字量扩展模块选择了 SIMATIC S7-200 EM222 8 点 24V DC 输出型。表 2-1 PLC 输入输出表输入元件 输入地址 输出地址 输出元件沉淀池上限传感器 B1 I 1.5 Q 0.0 STF 1沉淀池上限报警传感器 B2 I 1.6 Q 0.1 RH 1污水处理系统电气控制第 -
25、9 - 页 共 35 页2.1.3.1 PLC的接线参考 SIMATIC S7-200 使用手册，SIMATIC S7-200 CPU226 的输入输出接线如图 2-3，SIMATIC S7-200 数字量扩展模块 EM222 的输入输出接线如图 2-4。根据图图 2-3，图 2-4 的输入输出接线，本人设计了图 2-5 污水处理系统的 PLC 输入输出接线。图 2-3 CPU 226 AC/DC/继电器 端子连接图 图 2-4 扩展模块端子连接图2.1.3.2 PLC的编程沉淀池下限传感器 B3 I 1.7 Q 0.2 RM 1沉淀池下限报警传感器 B4 I 2.0 Q 0.3 RL 1沉淀
26、池手动启动 SB6 I 0.3 Q 2.0 KA3沉淀池手动停止 SB7 I 0.4 Q 2.4 沉淀池上限光报警 HL1Q 2.5 沉淀池下限光报警 HL2生化池上限传感器 B5 I 2.1 Q 0.4 STF 2生化池上限报警传感器 B6 I 2.2 Q 0.5 RH 2生化池检测水位传感器 B7 I 2.3 Q 0.6 RM 2生化池手动启动 SB8 I 0.5 Q 0.7 RL 2生化池手动停止 SB9 I 0.6 Q 2.6 生化池上限光报警 HL3污泥池上限报警传感器 B8 I 2.4 Q 1.1 STF 3污泥池检测水位传感器 B9 I 2.5 Q 1.2 RH 3污泥池手动启动
27、 SB10 I 0.7 Q 1.3 RM 3污泥池手动停止 SB11 I 1.0 Q 1.4 RL 3Q 2.7 污泥池上限光报警 HL4手/自动转换 S1 I 0.0 Q 2.1 声音报警 F停止 SB4 I 0.1 Q 2.2 电动蝶阀 K自动运行 SB5 I 0.2污水处理系统电气控制第 - 10 - 页 共 35 页SIMATIC S7-200 编程软件 STEP 7-Micro/WIN：STEP 7-Micro/WIN 编程软件为用户开发、编辑和监控应用程序提供了良好的编程环境。为了能快捷高效地开发应用程序，STEP 7-Micro/WIN 编程软件提供了三种程序编辑器，即梯形图（L
28、AD） 、语句表（STL）和逻辑功能图（FBD） 。STEP 7-Micro/WIN 编程软件既可以在计算机上运行，也可以在西门子公司的编程器上运行。（1）SIMATIC S7-200 通讯方式的选择：有两种方式连接 S7-200 和编程设备：一种是是用通讯卡和 MPI 电缆；另一种直接使用 PC/PPI 电缆。1）如果使用 MPI 电缆，必须先在计算机上安装通讯卡。使用这种方式时，可以用较高的波特率进行通讯。2）PC/PPI 电缆比较常用而且成本较低，它将 S7-200 的编程口与计算机的 RS-232 相连。PC/PPI 电缆也可用于其他设备与 S7-200 的连接。内部集成的 PPI 接口为 SIMATIC S7-200 的用户提供了强大的通讯功能。PPI 接口物理特性为 RS485， PPI 通讯协议是西门子专为 S7-200 系列 PLC 开发的一个通讯协议。可通过普通的两芯屏蔽双绞电缆进行联网。波特率为 9.6kbit/s ， 19.2kbit/s 和 187.5kbit/s。S7-200 系列 CPU 上集成的编程口同时就是 PPI 通讯联网接口。利用 PPI 通讯协议进行通讯非常简单方便，可以利用PC/PPI 电缆和自由口通讯功能把 S7-200 CPU 连接到许多和 RS-232 标准兼容的设备。有两种不同型号的 PC/PPI 电缆（如图 2-6）：
