1、PLC 污水处理控制系统绪论水是人类赖以生存的资源。虽然地球表面的70%被水覆盖，但是淡水资源却仅占其中的2.5%，更有70%的淡水资源固定在南极和格陵兰的冰层中，地球上只有不到1%的淡水可被人类直接利用，对于如此宝贵的水资源人类又是如何对待呢?人们每天都在进行大规模的物质生产，而工业废水却随处排放。工业污水不仅污染了河流，影响了人类的生活环境，更重要的是破坏了生态系统。使水体质量恶化还使饮水水源的质量普遍下降，威胁人类的身体健康，对于如此严峻的水污染问题待我们解决。于是污水处理厂应运而生。建立高度自动化的污水处理站是解决水污染问题的有效途径，所以目前，污水处理的PLC控制系统在国内已经得到广
2、泛应用。设计污水处理控制系统前，必须对污水处理的工艺流程和所需要控制的设备进行分析，研究这一步是非常重要的，并且是难度很大的工作，之后再进行系统的软硬件的设计。为确保污水处理工艺和设备能够长期安全可靠地运行，采用欧姆龙PLC可编程序控制器和智能检测仪表组成下位机。上位机采用欧姆龙组态软件，利用组态软件提供的硬件驱动功能直接访问硬件进行通信，实现整个系统的画面监控，参数设定和指令控制等功能。该系统集过程控制和科学管理于一体，具有可靠性高，控制性能优越，管理功能完善等优点。对指导工艺及设备的正常运行，提高自动化控制和管理水平发挥了重要的作用。 例如实现对现场设备的监控，便于现场工作人员和工厂管理人
3、员都可以看到各种数据。管理人员不需深入生产现场，就可以获得实时和历史数据，优化控制现场作业，提高生产效率和生产质量。可编程序控制器是一台工业控制机，它可以控制单机，也可以很容易地扩展控制整个生产过程。并且能完成各种数字运算和逻辑运算，可以处理各种开关量和模拟量，以及具有较强的可以编程的存储功能，能满足不同用户的需要。可编程控制器具有通信联网的功能，它使PLC与PLC之间、PLC与上位计算机以及其他智能设备之间能够交换信息，形成一个统一的整体，实现分散集中控制。它不仅能实现主机与远程I/O之间的通信，还可以与其它智能设备之间实现通信，连成功能很强的网络系统。多数PLC具有RS-232接口，还有一
4、些内置有支持各自通信协议的接口1。这样，把PLC电气控制系统与组态监控软件设计结合到污水处理的自动控制上去，实现了对污水处理的自动控制以及监控，正是本设计的根本目的所在。另外本系统使用的世纪星组态软件是在PC机上开发的智能型人机接口软件系统，它以Microsft Window98/NT/2000中文平台作为其操作系统，充分利用了国际先进的组态思想，吸收当前国际国内先进组态软件的优秀成果，经过严格的实验测试和各行业众多现场实践，已经充分证明了“世纪星”组态软件的高稳定性，先进性，通用性，方便性。它比以往使用专用机开发的工业控制系统更有通用性，并且利用PC机丰富的软件资源进行第二次开发。1 系统概
5、述1.1 污水处理的目的及意义1.1.1 污水处理的目的尽管地球上的水很丰富，但由于淡水资源数量有限，分布又不均匀，加上人口急骤增长和工农业用水量不断增加，许多地区缺水的现象仍十分严重。尽管地球上的水是可再生和不断循环的，但由于环境污染日趋严重，水质日益恶化。全球性的水资源危机给人类带来了极大的危害。所以我们要学习并掌握PLC应用系统的设计技能，并通过设计PLC在污水处理中的应用，对PLC可编程序有更深一步的了解。1.1.2 污水处理的意义 水资源作为生态环境的一个重要成分对于人类生产生活都具有不言而喻的重要价值，因而将污水整治与处理污水的工艺的开发相结合，明确水环境问题的治理无疑具有重要意义
6、；与此同时对于污水处理的开发利用要实行全流域统筹兼顾的方针 ，生产、生活和生态用水综合处理，做到微观与宏观相结合，促进水环境问题的根本解决。1.2 污水处理的系统结构本系统中的污水处理采用SBR污水生物处理工艺，是按“进水、反应、沉淀、排水”步骤周期性进行生化反应。从开始污水流入到排水结束算一个周期。工艺流程图如图1.1所示。图1.1 SBR污水处理工艺框图当系统启动并且处于自动运行方式下时，反应池进水阀门打开，同时水泵将污水从集水池抽到反映池。当有一个进水阀门打开时开一台水泵，当有两个以上进水阀门打开时开两台水泵。当反应池水位达到高水位的同时，反应池开始反应，即潜水搅拌器开始搅拌，同时鼓风机
7、开始暴气。定为3小时以后停止反应，并且开始重力沉淀，沉淀时间定为一小时，1小时以后滗水器开始滗水。当反应池到达低水位时，滗水器停止工作，滗水结束。最后启动污泥泵，开始排泥，排泥时间为1小时，排泥1小时以后整个反应周期结束，系统将进入下一个循环，系统将自动启动，进水阀门也将重新打开，将重复上个周期的过程。格栅一般设置在污水处理流程之首，或泵站集水池的进口处，是污水处理厂的第一道处理设施。在水处理流程中，格栅不是污水处理的主体设备，但位于关键部位，用于过滤污水中大块的呈悬浮或漂浮状态的污物，对后续处理设施具有保护作用。本系统中的格栅除污机有时间间隔来控制其开或者停。一般开20分钟，停1小时。当一台
8、格栅除污机工作时，皮带运输机滞后10秒钟开机2。 2 控制系统的硬件设计2.1 污水处理控制系统的工艺流程及设备要求2.1.1 污水处理的工艺流程只有在充分了解了污水处理的工艺和控制要求之后才能更好的选择与 PLC相匹配的硬件，这个步骤对以后起着十分重要的作用。所以本部分首先介绍污水处理的工艺。本系统的污水处理采用SBR污水生物处理工艺，是按“进水、反应、沉淀、排水”步骤周期性进行生化反应。从污水流入开始到排水结束算做一个周期。基本操作运行过程如下：1、进水 进水阀门打开，污水通过格栅过滤，开启进水阀门并经过水泵到达SBR池。2、反应进水到一定液位后，停止进水，空气阀门打开，鼓风机启动，开始暴
9、气，同时潜水搅拌器运行。3、沉淀当SBR池停止暴气以后，空气阀门关闭，潜水搅拌器停止运动，开始重力沉淀和泥水分离。4、排水SBR池水位达到最高水位，并经过沉淀工艺以后，上面的清液由滗水器缓慢排除池外。当反应池水位达到处理周期开始时的最低水位时，停止滗水。污泥泵在滗水器停止工作以后开始运行，把泥排到储泥池中。2.1.2 设备的控制要求本工程为污水处理厂污水处理工程，所有设备都具有自动和手动功能。当设备处于自动工作方式下时所有设备按PLC程序工作。1、系统组成在中央控制室有一台上位监控机。在值班室设有一个PLC控制箱，负责对所控设备状态监控及有关模拟量的采集工作。上位机与PLC通过通信电缆连接。2
10、、 设备控制原理（1）格栅除污机由时间间隔来控制其开或者停。在程序中，系统启动后格栅除污机自动格栅，一般开10分钟停1小时。 （2）水泵由监控水位和进水阀门控制，只要进水阀门打开水泵便工作，工作的水泵由集水池的水位高低来控制，当水位低时关闭水泵，当水位较高时打开水泵，当水位超高时发出警报。 （3）当格栅机工作时，系统将等待10秒钟自动启动皮带运输机。（4）SBR池内进水阀门开启，当水位达到高水位时关闭进水阀门。（5）进水阀门关闭后，空气阀门开启，同时潜水搅拌器开启。暴气3小时后关闭空气阀门，潜水搅拌器也关闭。（6）当空气阀门关闭1小时以后，滗水器开始运行，当SBR池水位下降到最低处时停止运行。
11、（7）滗水器停止运行后污泥泵同时开启，把泥排到储泥池，1小时后停止运行。（8）当开启空气阀门时也同时开启鼓风机。3、上位监控机PLC将采集SBR池内的液位、总水量、空气流量等参数作为控制用外，还通过通信电缆将其参数传送给上位监控机，通过上位监控机可实时监控有关参数变化，并保留一段时间的数据，形成变化的曲线。同时可以实时监控所控设备工作状态，具有设备故障报警、参数打印等功能。2.2 污水处理控制系统的PLC功能和配置2.2.2 确定首选PLC本系统的设计需要4个输入点和12个输出点，以及内部继电器HR通道等PLC资源。并且输出应选用继电器输出，电压应在DC24V、AC220V。根据上述要求，决定
12、选用欧姆龙公司生产的CPM2A型号PLC设计系统。 本系统采用了日本OMRON公司研制的CPM2A PLC，其特点是价格低廉但具有较高的性能，高达20kHz的高速计数器能方便地测量高速运动的加工件。具有同步脉冲控制功能，可方便地调整输入输出的脉冲频率比值。带4点快速响应或高速中断输入点。可方便地与OMRON的可编程序终端(PT)相连接，为机器操作提供一个可视化界面。该公司生产的PLC存储器种类为RAM型，安装的方式有直接插入的集成块、存储器板、IC卡等，这里采用的是集成块安装方式。它们主要用于存放系统程序、用户程序和工作状态数据。欧姆龙CPM2A PLC提供的是RS-232通信口，通过COM1
13、和COM2与电脑相连。并在主控模块中通常配有锂电池，用于在掉电时，保存用户程序和数据。2.2.3 器件的选用 本污水处理控制系统性能稳定、可靠。并且它还可以按照控制要求，自动、连续控制并监视整个污水处理反应过程。实现实时监控功能，由于污水处理控制系统工程的庞大及控制的具体要求，需要用工控机作为上位机、PLC系统作为下位机的两级控制模式。PLC控制系统是该控制系统的核心，工控机作为监控整个系统的运行状态使用。1、上位机计算机作为上位机，用于完成状态显示、向PLC发送分类控制信号等功能，从而实现对控制机的运行速度、灵敏度、稳定性以及世纪星组态软件等方面的要求，故上位机选用以Microsoft Wi
14、ndows 2000中文平台作为其操作系统的台式计算机，这样可以利用Windows图形功能完善、界面一致性好、易学易用的特点来辅助污水处理控制系统的设计。它比以往使用专用机开发的工业控制系统更具有通用性，并且可以利用计算机丰富的软件资源进行二次开发。这样等直观的监控现场，在此计算机上可完成组机与PLC的CPU单元之间的通信任务。由于世纪星组态软件7.12是一个32位Windows应用软件，基于组态软件考虑，上位机采用采用安装Windows 2000操作系统的普通计算机，并配以COM接口用做与下位机通信使用。将世纪星组态软件7.12和CX-Programmer编程软件安装于上位机，为以后组态画面
15、的界面设计和PLC控制部分的编程操作时使用。2、下位机PLC作为下位机，用来完成状态判别、输出控制等工作。它直接控制电磁阀、继电器，从而实现对各执行原件的控制。本系统采用价格适中、可靠性高、维护方便且抗干扰能力强的可编程序控制器欧姆龙CPM2A型PLC来实现污水处理中的设备要求的。欧姆龙PLC是由电源、中央处理器和I/0元件组成的严密高速的程序控制器，配有丰富的指令系统，易于用户编程，具有丰富的特殊模块和通信能力，可以满足生产自动化的多级要求。由于污水处理控制过程不断需要更先进的功能和处理速度，本系统采用CPM2A就是这样一种功能功能完善的紧凑型PLC，大程序容量和存储单位。另外CPU单元带R
16、S-232C接口，具有PPI、MPI等通信协议可实现程序传送，数据通信等功能。为了使系统工作稳定可靠，控制系统核心部分PLC应选用进口器件。由于工作过程的复杂程度考虑，故PLC选用日本欧姆龙公司C系列的小型机CPM2A-30CDR-型PLC，配有CX-Programmer软件用于控制部分编程时使用。3、 通信方式CPM2A CPU支持多样的通信协议：点到点（Point-to-Point）接口（PPI）、多点接口（Multi-point）(MPI)。这些都基于系统内通信结构模型，都是异步、基于字符的协议其中PPI方式是非常简单方便的通信协议，只需要一根RS-232C线进行数据信号的传递，不需要额
17、外再配置模块或软件。因此，本系统选择PPI方式，简单且能满足通信要求。CPM2A型PLC上配有RS-232C的通信接口，因此在不增加任何硬件的情况下，可以很方便地将PLC和计算机互联。上位机与下位机之间通过RS-232连接构成HOST LINK协议进行通信。RS-232又称为EIA-232C或RS-232C，是最通用的一种串行通讯标准。它是一种点到点的通信方式，只能连接两个通信设备。19200波特率时，最大距离为75米；9600波特率时，最大距离为900米。计算机的串口即为标准的RS-232接口。使用RS-232转换器可以免掉一个RS-422串行接口板3-5。系统结构图如图2.1所示。 图2.
18、1 系统结构2.2.4 PLC硬件系统配置在进行主控模板的选择之前，首先应对被控对象和生产过程的生产工艺及PLC的工作环境有足够的了解，明确控制要求，确定控制输入、输出点数和性质等然后才能针对具体的实际情况选择PLC的主控模板。本系统采用了日本OMRON公司研制的CPM2A PLC，其特点是价格低廉但具有较高的性能，高达20kHz的高速计数器能方便地测量高速运动的加工件。具有同步脉冲控制功能，可方便地调整输入输出的脉冲频率比值。带4点快速响应或高速中断输入点。可方便地与OMRON的可编程序终端（PT）相连接，为机器操作提供一个可视化界面。自带两路高达10k的脉冲输出可实现各种基本的位置控制并具
19、有自动加减速或PWM功能。可进行分散控制，模拟两控制，温度控制等复杂应用。CPU单元内置模拟设定电位器并具有PID调节功能。丰富的指令系统，基本指令和应用指令多达185条。PLC内置信号调节和滤波电路，具有良好的抗电子噪声干扰性能。欧姆龙公司生产的CPM2A型号PLC实质上就是一台专用的工业控制计算机，通常都安装有一个或多个的CPU。若是多个CPU，那么其中必定有一个主CPU，其余的为辅助CPU，它们协同工作，大大提高了整个系统的运算速度和功能，缩短程序执行时间。由于生产线工作环境不稳定，外界带来的干扰会比较大，所以在PLC控制系统的软件设计和组态时，还应在软件方面进行抗干扰处理，进一步提高系
20、统的可靠性。高可靠性是电气控制设备的关键性能。PLC由于采用现代大规模集成电路技术，采用严格的生产工艺制造，内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性6。 3 系统的软件设计3.1 编程软件编程软件采用OMRON公司为其生产的PLC而设计的编程软件CX-programer。3.2 系统的流程图和资源分配3.2.1 污水处理工艺流程图程序主要根据SBR反应池的污水处理工艺，其中主要有进水、反应、沉淀、排水这四大步骤，再具体根据各环节设备的运行状况进行编程。污水处理工艺一个周期的流程图如图3.1所示。图3.1 污水处理工艺一个周期流程图3.2.2 资源分配系统的资源分配是很重要同时也很基础的
21、部分，首先要进行PLC编程，必须先设置输入和输出的命令，这样就将复杂烦琐的程序用简单的启动和停止来控制整个流程，本程序所设置的资源分配如表3.1和表3.2所示。表3.1 输入地址分配输入地址对应输入设备输入地址对应输入设备0000系统启动0002反应池高水位0001反应池低水位0006系统停止表3.2 输出地址分配输出地址对应输出设备输出地址对应输出设备1002系统运行指示灯1003格栅指示灯1101粗格栅除污机1102细格栅除污机1106皮带运输机1004水泵1005反应指示灯1103搅拌机1104鼓风机1105反应时间到指示灯1006排水指示灯1007排泥指示灯3.3 控制程序根据污水处理
22、控制系统的工艺流程及设备要求，编写的控制程序如下。3.3.1 系统启动/停止控制程序设计 当系统启动按钮0000按下时1002得电，运行指示灯亮，则表示系统启动。当系统停止按钮0006按下时，启动指示灯1002熄灭，系统将停止运行。如图3.2所示。图3.2 系统起/停控制部分程序3.3.2 时间间隔定时器与格栅除污机的控制程序为了避免设备因为长时间的工作而烧坏，所以需要设计时间间隔定时器。在系统自动工作方式下，每工作3小时停3小时，以实现设备的交换工作。所以说本程序的格栅除污机也是由时间间隔来控制工作的，一般开10分钟停1小时，本程序把运行时间设置为开5秒钟停15秒钟。如图3.3所示。图3.3
23、 时间间隔定时器与格栅除污机的控制部分程序3.3.2 皮带运输机的程序 当格栅除污机1101或1102启动5秒钟后皮带运输机1106得电并开始工作。在系自动控制方式下，由格栅除污机来控制皮带运输机的起停。如图3.4所示。图3.4 皮带运输机程序3.3.3 反应池进水程序 水泵是由时间间隔定时器所控制，当反应池低水位时按下0001则1004得电，水泵工作，当反应池处于高水位时，则水泵停止工作。如图3.5所示。图3.5 反应池进水程序3.3.4 反应池搅拌暴气程序 当反应池处于高水位时，按下0002，运行指示灯1002亮，则反应池运行反应指示灯1005亮。同时1103和1104得电，并且搅拌机与鼓
24、风机同时工作。这也是由时间间隔器来控制3小时反应时间到，反应池停止反应，指示灯2100亮。如图3.6所示。图3.6 反应池搅拌暴气程序3.3.5 反应沉淀程序 当反应时间到2100灯亮后，反应池开始沉淀。 如图3.7所示。图3.7 反应沉淀程序3.3.6 排水排泥程序 沉淀时间到后，排水指示灯1006得电，开始自动排水。当排水结束反应池处于低水位时按下0001则排泥指示灯1007亮，排污泵开机，开始排泥。排泥1小时，时间到后，2100灯亮，表示排泥时间到反应结束。一个反应周期结束，系统将重复上一个周期的运行。如图3.8所示。 图3.8 排水排泥程序4 组态软件的设计4.1 组态软件的介绍4.1
25、.1 软件简介世纪星组态软件是在PC机上开发的智能型人机接口（HMI）软件系统，她以 Windows 98/2000/NT 中文平台作为其操作系统，全中文界面。产品在开发和设计过程中，采用国际先进的组态理念，吸收当前国内外先进组态软件的优秀成果，并经过严格的实验测试和众多行业的现场实践。面向市场三年以来，在各行业有许多成功的应用。 世纪星组态软件作为一个实时界面实用程序生成器，可以产生在现场级别和管理级别上的监控和数据采集系统。她全面支持国内国际的各种外部设备，每个用户根据工程实际情况，利用世纪星组态软件提供的底层设备（PLC、智能仪表、智能模块、板卡、变频器等）的 I/O Driver 进行
26、数据交换；支持OLE、OPC、DDE、ODBC、ActiveX、TCP/IP、多种现场总线、Modem拨号连接、Web浏览器、配方管理等。4.1.2 组态软件的组成 世纪星监控组态软件系统由开发系统 CSMaker 和运行系统 CSViewer 两部分组成。 CSMaker 和 CSViewer 是各自独立的32 位应用程序，均可单独使用；两者又相互依存，在开发系统 CSMaker 中设计开发的应用程序必须在 CSViewer 运行环境中才能运行。1、开发系统世纪星监控组态软件开发系统 CSMaker 是其应用程序的集成开发环境。软件开发者在这个环境中完成图形界面的设计、数据库定义、动画连接等
27、。开发系统具有先进完善的图形生成功能；数据库中有多种数据类型，能合理地抽象控制对象的特性，对数据的报警、趋势曲线、历史数据记录、安全防范等重要功能有简单的操作办法。利用图形控件功能可以大大减少设计界面的时间，从整体上提高工控软件的质量。2、运行系统 CSViewer 是世纪星监控组态软件的实时运行环境，用于显示开发系统中建立的动画图形画面，并负责数据库与 I/O 服务程序的数据交换。它通过实时数据库管理从工业控制对象采集到的各种数据，并把数据的变化用动画的方式形象地表示出来，同时完成报警、历史数据记录、趋势曲线等监视功能，并可生成历史数据文件。4.1.3 突出特点（1）先进性 世纪星组态软件作
28、为一个实时界面实用程序生成器，可以产生在管理级别上的监控和数据采集程序。可视化IE风格界面、丰富的工具栏，使用它，操作人员可以直接进入开发状态，节省宝贵的时间；上百种图形控件，既提供所需的组件，又是画面制作向导；强大的全屏幕编辑功能，提供更大的制作空间；终身技术支持及软件升级服务，使用户系统永远保持最新的技术，有效地保护用户的投资。（2） 方便性 世纪星组态软件的网络功能使企业的基层和其它部门建立起联系，现场操作人员和工厂管理人员都可以看到各种数据。管理人员不需要深入生产现场，就可以获得实时和历史数据，优化控制现场作业，提高生产效率和产品质量。（3） 全面性 世纪星组态软件可用于电力、通讯、制
29、冷、化工、石油、机械制造、钢铁、煤炭、水泥、纺织、造纸、食品、水处理、建材、环保、智能楼宇、实验室、交通等多种工程领域。无论应用场合如何，都可以使用世纪星组态软件构造有效的监控和数据采集系统。（4） 独特性 世纪星组态软件可从屏幕抓取点位图提高该系统的运行效率；用户自定义函数功能能精确的控制应用系统；用户自定义图库功能可以不受限制扩充图库或新建图库，以满足不同行业的需求。4.1.4 世纪星的功能（1） 安全性能 对于不同类型的用户共同使用的大型复杂应用，就需解决好授权与安全性问题。世纪星监控组态软件采用了分级保护策略。应用系统中每一个操作元素都可以被指定保护级别。当操作员登录到系统上后，应用系
30、统将自动禁止操作者的超级别操作。（2） 超强命令语言 世纪星监控组态软件可以快速构造一个完善的“监控和数据采集系统”。除了在定义动画连接时支持连接表达，还允许用户自定义命令语言来驱动应用程序，极大的增强了应用程序的灵活性，既和 C 语言一样简练、灵活，同时又具有 Basic 语言易学易用的特点。（3）设备驱动 世纪星监控组态软件的设备驱动采用OLE自动化（即COM组件）接口技术，使设备驱动程序和世纪星监控组态软件有机的结合在一起，完成数据采集和实时控制。（4）串口通信设备 串口通信设备是指I/O设备通过串口（COM1、COM2等）与世纪星监控组态软件系统进行通信的设备。（5）组态报表 世纪星监
31、控组态软件独有的组态报表功能，可以使开发人员在开发系统中建立组态报表模板，在运行系统中，调用 组态报表模板生成组态报表，用于打印和浏览报表7。 4.1.5 应用行业范围 (1)电 力：变电自动化、配电自动化、电厂监控等。 (2)水处理：工业民用水处理、环保污水处理、城市住宅小区供水、城市集 中供热供水、无塔供水装置等。 (3)机 械：塑料机械、纺织机械、橡胶机械、矿山机械、印刷机械、烟草 机械、制药机械、陶瓷机械、食品机械、包装机械等。 (4)测 温：冷库测量系统、仓储检测、电池温度测量、热网监测系统、空 调火车车箱温度测量系统、发酵池温度测量。 (5)范 围：石化、冶金、粮库、纺织、造纸、建材、市政建设、化学清洗。楼宇控制、电梯、中央空调系统。水泥配料、玻璃窑炉监控。铁路隧道信号监控、交通信号监控。4.2 组态画面的设计4.2.1 工程项目的建立 第一次运行世纪星工业监控组态软件，首先打开组态软件的开发系统，点击菜单栏的文件夹，选择单击“工程项目管理器”，就会出现下面所示的对话框，如图4.1所示。图4.1 工程项目管理器这时就可以为自己的工程项目新建一个工程项目名。在上面的对话框中点击“新建”
