1、 本科 毕业 论文 (设计 ) （二零 届） 基于 PLC 的污水处理控制系统设计 所在学院 专业班级 电气工程及其自动化 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 摘 要 随着城市的快速发展，环境问题显得日益重要。污水处理成为生活中的一个重要问题。本文以 SBR 污水处理工艺为例，来说明 PLC 在污水处理过程中的应用。先根据污水处理要求设计了设备的电气控制与自动控制线路，主要包括设备的启停、状态信号、故障信号和信号采集等。最后按照工艺要求设计 PLC 控制系统，其中包括 PLC 的选型、系统资源配置以及按照污水处理工艺编制 PLC 程序等。 最后通过组态软件 对污水处理系统的功能进
2、行调试和模拟仿真，经过实际仿真表明，污水处理系统工作正常，能够按照设计步骤运行 ， 结果基本符合设计要求。 此控制系统 提高了污水处理的效率和速率，同时节约了大量的人力，节省了污水处理的成本。 关键词： 污水处理； SBR； PLC；控制系统； 设计 Abstract With the rapid development of cities, environmental issues become increasingly important. Sewage treatment become an important issue in the life. The article introdu
3、ces with the SBR wastewater treatment craft. For example, illustrate the sewage treatment process of PLC application. Designed the electricity control of equipments and automatically control circuit according to the sewage treatment request first. Mainly include the start and the stop of equipments,
4、 appearance signal, break down signal and signal to collect etc. Finally design PLC control system according to requirement of process. Including PLC selection, system resources an allocation and draw up PLC procedure according to the sewage treatment craft etc. Finally, function testing and simulat
5、ion to the sewage treatment system by Configuration software. Through practical simulation results show that the normal Sewage treatment system, in accordance with the design steps. Results are consistent with design requirements. This control system has improved the efficiency and rate of sewage tr
6、eatment while saving a lot of manpower and saving the cost of treatment. Key Words: Wastewater treatment； SBR； PLC； Control system； Design 目 录 1引言 . 1 2 设计方案的确定 . 2 2.1基于单片机的设计方案 . 2 2.2基于嵌入式的设计方案 . 4 2.3设计方案的确定 . 5 3系统实现设计 . 8 3.1硬件部分设计 . 8 3.1.1电机的控制电路 . 8 3.1.2阀门的控制电路 . 9 3.2传感器的选择 . 10 3.2.1超 声波
7、传感器 . 10 3.2.2溶解氧传感器 . 11 3.3 元件具体控制要求 . 12 3.4 系统软件设计 . 13 3.5 程序流程图 . 14 3.6 上位机与下位机的设计 . 15 3.6.1上位机设计 . 15 3.6.2 下位机设计 . 16 4 程序设计及仿真调试 . 17 4.1主程序设计 . 17 4.2 PLC控制实现的 MCGS组态软件仿真调试 . 26 4.3 调试结果说明和结论 . 29 5 总结 . 30 6 致 谢 .错误 !未定义书签。 参考文献 . 31 附录 I/O分配表 . 32 1 引言 我国是一个水资源匮乏的国家，时空分布上极不均匀，许多地区和城市严重
8、缺水。而且大部分城市和地区，本已极为有限的水资源还受到水质恶化和水生态系统破坏的威胁。据调查，我国 1/3 以上的 河段受到污染， 90%以上的城市水域严重污染，近 50%的重点城镇水源不符合饮用水标准，其原因是由于 80%以上的污水未经有效处理就直接投进水域。尤其伴随着城 市化和工业化进程的加速需水量和污染物排放量迅速增长，水危机不仅会长期存在，而且有迅速加剧的趋势。水资源短缺和水环境污染造成的水危机已经成为我国社会经济发展的重要制约因素 1、 2。国内外水环境恢复与再生的实践经验表明，污水深度处理与再利用是通向健康水循环的桥梁，推进污水深度处理和普及再生水利用是人类与自然兼容协调，创造良好
9、水环境，促进人类可持续发展的重要 举措。 PLC 是 Programmable logic Controller 英文的缩写， 是指以计算机技术为基础的新型工业控制装置 。 它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程 。 PLC 是以嵌入式 CPU为核心，加上输入、输出等模块。 PLC 的程序设计大多采用类似于继电器控制线路的梯形语言 。所以我们可以很方便的根据所要实现的功能，来编写出程序语言。由于 PLC 以上的特性，基于 PLC 控制技术的污水处理 系统，具有成本合适
10、，耗能底，性能好和外围扩展能力强等特点，因此采用 PLC 控制核心的污水处理系统具有比采用其他控制核心更大的优势 3。 工业污水处理控制近年来一直是控制领域研究的热点之一。伴随着技术进步、工艺改进、系统完善的同时 ,对工业污水处理的控制也提出了更高的要求。本系统构建了基于 PLC的污水处理控制网络 ,采用 PC机和 PLC组成网络控制现场设备运行，从而实现污水处理过程的自动控制功能。同时与中央监控系统进行通信，上传数据的同时接受中央监控系统的控制命令。整个控制系统最终达到无人或少人值守的目的。本系统大 大提高了污水处理的自动化水平 4。 2 设计方案的确定 目前的污水处理控制系统一般是基于单片
11、机以及 PLC 等控制系统。 下面简要介绍一下基于这两种实现污水处理的控制方案，并在此基础上确定采用基于 PLC污水处理控制系统的设计方案。 2.1 基于单片机的设计方案 单片机是一种集成在电路芯片上构成的一个小而完善的计算机系统 ，它是通过 程序运行的，并且 这个程序 可以修改 ， 通过不同的程序 可以 实现不同的功能 。所以通过 编写的程序可以 让单片机 实现高智能，高效率，以及高可靠性 。以P87LPC769单片机为例，其系统硬件结构如图 2 1所示。 该系统主要硬件由 P87LPC769单片机， PH传感器， COD传感器，变频器 1、2，显示电路，键盘输入电路等组成。 P87LPC7
12、69单片机是整个控制系统的核心，PH传感器， COD传感器输出信号经输入信号调理电路后分别加到 P87LPC769单片机的两路 A/D转换器输入通道，经单片机处理后的信号经片内 D/A转换器输出，然后通过输出信号调理电路控制变频器。 PH 传感器 COD 传感器 输入信号调理电路 A/D D/A A/D D/A P87 LPC769 单片机 输出信号调理电路 变频器 变频器 关闭控制 图 2-1 系统硬件结构图 键盘显示 主程序流程图如图 2-2 所示。 系 统通电后，先进行初始化，将各个子程序进行激活。单片机检测是否有信号，有则程序开始工作并将工作状态显示出来。在程序工作时，各种传感器以及电
13、压状态的监视都在工作，并进行各种控制算法的运算。当出现问题时。程序自动停下并返回到初始状态并待命。如果在运行过程中各个设备一切正常，则最后完成程序并复位。 系统初始化 上位机有控制信号？ 通信子程序 数据采集 PH 值控制算法 COD 值控制算 法 采样周期时间到？ PH 值控制周期到？ COD值控制周期到？ D/A 输出控制量 Y Y Y Y N N N N 图 2-2 主程序流程图 基于 P87LPC769单片机和个人 PC机的二级分布污水监控与处理系统工作稳定、成本低、效率高。 但是污水处理控制系统工作环境极其恶劣，就算在设计时加上种种保护，也难以避免故障的出现，造成日后维护费用过高。
14、2.2 基于嵌入式 的设计方案 根据污水处理装置的性能要求，整个系统由各模拟量传感器（ COD、压力、液位、流量等）、变送器、多路开关。 A/D 转换器及 ARM 等组成。各模拟量传感器，将模拟信号送至信号变送器，使之放大变成标准信号，然后由多路开关逐一送至 A/D 转换器，将模拟信号转换成数字信号，再由单片机对数据进行采集、数据处理、显示、并输出相应的控制信号对执行机构进行控制。其硬件设计图如图2-3 所示。 图 2-3 硬件总体设计图 如上图 2-3 所示，选取 S3C44B0X 为微处理 器， S3C44B0X 为 32位 RISC 处理器。为了降低设计成本， S3C44B0X 提供了丰
15、富的内置外设，包括： 8KB cache，内部 SRAM， LCD 控制器，带自动握手的 2通道 UART， 4 通道 DMA 系统管理器， I/O端口， RTC， 8通道 10 位 ACD。 S3C44B0X 模拟开 关 D/A转换 触摸屏 Flash SDRAM 流速 COD 电磁调节阀 变频器 开关量输入 开关量输出 A/D转换 图 2-4 系统主程序流程图 如图 2-4 所示，在控制系统运行中，各个任务之间都有数据要交换，采用消息机制实现任务间通信。各种数据采集任务发送的消息给投药任务和污水流速控制任务，经过各自适应算法，计算出合理的 流量值以及投药量，发送消息给数字接口的任务，数字接
16、口任务通过接受有 D/A 转换的模拟信号来调节投药泵以及电磁阀的开度，从而调节流速和投药量。排泥渣任务、粗粒化装置反冲洗任务、内循环过滤冲洗任务是定时来执行的，定时发送消息到各个任务，各个任务接收消息执行任务，任务结束后挂起，等待下一个消息。 嵌入式控制器内嵌实时操作系统，具有实时性，低成本、小型化、专用化和高可靠性，克服了传统控制系统功能不足，控制系统非实时性的缺点以及无法实现复杂的算法等不足。 但是污水处理控制系统工作环境极其恶劣，就算在设计时加上种种保护，也 难以避免故障的出现，造成日后维护费用过高。 2.3 设计方案的确定 根据上述两种方案，分析每一种方案的优缺点，操作过程，实现的步骤
17、，每一块功能模块的设置等，结合学习中对 PLC了解以及在对 PLC应用实践中的所学，再根据基于单片机方案中的主要控制流程以及了嵌入式中的控制方式。明确毕业系统初始化 ARMInit0 创建各个任务后启动系统 UC/OS-II 系统调度 污水流速控制任务 内循环过滤装置反 冲洗 数据采集任务 人机界面 报警任务 粗粒化反冲洗任务 排泥渣任务 投药任务 设计任务的要求下，确定了基于 PLC 来实现污水处理控制系统的设计。 根据工艺要求，本系统的电控系统采用以工控机为上位机，显示工艺流程控制、显示报警信号等， PLC 控制为下位机，控制仪表等设备为现场控制单元的三级分布式控制系统，下位机和上位 机之
18、间采用串口通讯， PLC 和控制仪表之间采用标准信号进行数据传送，如图 2-5所示 上位机的主要功能是显示工艺流程、控制和监测各种元器件的运行状态、故障报警、显示故障发生的部位；显示温度、液位、水泵流量、 pH 值等模拟量，并且能将上述数据生成报表，以供查阅及随时打印。驱动程序主要用来构造和生成上位机监控系统。软件采用组态软件，主要用来建立图形、监控画面和各种图形内部的管理。系统包括主画面和分画面，主画面包括所有设备及管线。 画面中各参数的设定都是根据下位机 PLC 的改变而改变的。工作人员 通过这些画面随时监控各个电动机的运行状态，主回路和控制回路的运行状况，而且可随时根据处理污水的状况而直
19、接控制电动机的运行。 下位机采用三菱 FX 系列 PLC，并扩展 4 个机架，放置于中控室。主要用于实现逻辑控制及控制算法，并可直接控制电动机及电磁阀，同时采集现场数据通过 A/D 转换为输入信号。根据控制要求， PLC 将根据液位以及模拟量的状态来决定电动机的启停。当 PLC 得电自检无误后，根据外部传送信号来控制电动机的启停和报警。当电路发生短路、断路或过载时电动机将停止，同时发出报警，或有液位超出警戒线时也报警。 现场控制 单元由控制仪表组成，用于控制系统中的模拟量，主要完成从现场工控机 打印机 三菱 FX系列可编程序控制器（ PLC） 电动机、泵、阀门、控制器 PH 值 控制器 液位控制器 PH 值传感器 液位传感器 图 2-5 系统硬件组成图
