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基于西门子PLC和SBR的家庭生活污水处理控制系统

论文编号: 所属栏目:智能科学 发布日期:2020年06月28日 论文作者:知乎者也论文网
摘要:近年来,我国的环境问题也越来越突出,特别是水环境污染问题日益严重。许多大城市建立了大型污水处理场基本可以满足城市的污水的处理,但许多的小城镇没有正规的污水处理场和先进的污水处理设备,导致每天生产的大量的生活污水没有得到处理直接排出,这不仅对水环境造成了污染还危害人们的身体,更重要的会阻碍我国城镇的经济发展。因此研究出一套自动化程度高,运行成本低、效率高的家庭生活污水处理系统对城镇的经济发展和人民生活有着重大的意义。本研究是基于西门子S7-300PLC控制器和SBR工艺的家庭生活污水处理自动控制系统的研究,采用的控制器是西门子S7-300PLC,人机交互界面是MCGS,污水处理工艺是序批式活性污泥法(简称SBR)。本课题首先分析国内外的生活污水处理现状,然后介绍生活污水处理的一般工艺,最后结合本项目的污水处理工艺,设计一套以PLC为核心控制器的控制系统。
关键字:PLC; SBR; 污水处理; 自动控制
 
我国的淡水资源空间分布很不均匀,南方的淡水资源多北方的少,而且北方过度开发水资源,出现了河水断流等现象。我国的淡水资源在不断地减少,但是水污染却越来越严重,很多的地方污水没有经过处理直接排放,造成环境污染。人们每天生活产生的大量的生活污水,能经过处理回收利用的很少。目前我国的生活污水利用率和处理率很低,大城市对生活污水采取一定的措施使得大部分的生活污水得到处理和利用,水污染不是很严重。但一些小城市乃至小城镇的生活污水处理就很不容乐观了。小城市由于没有政策和资金的支持,没有比较完善的污水处理政策和处理设备,生活污水大部分直接排放,污染水环境,阻碍城镇的经济发展,甚至严重威胁到人们的健康。因此,绿化水环境,提高污水的利用率和处理率已经成为刻不容缓的问题。研究出高效率、高自动化、低成本、占地少的污水处理控制系统是保护我国淡水资源和促进城镇经济发展的重要途径。    
一、控制系统硬件设计
1.系统的控制框图
控制系统以PLC为控制器,接收MCSG人机界面和各传感器的信号,PLC对这些信号进行处理后,发出信号控制类泵和电机的运转,以模拟量和数字量的形式分别变频器和负载开关。触摸显示将系统运行状态进行显示。总的系统框图如图1所示:

 
   
 
图1系统控制框
2.控制系统工作过程
控制系统以西门子S7-300PLC为控制器,分为手动和自动控制两种控制方式。
手动控制模式下,各个开关独立工作,PLC根据开关的信号输入,独立处理不同环节的电机。控制系统有两个实体开关分别是启动和急停开光,其余的手动开关都集成到了触摸屏里面,这样可省去很多的实体按键,减轻布线的复杂程度,更重要的是可以实现更好的人机交互,便于检查维护。手动模式下可以通过触摸屏单独控制各个电机的启停,没有控制逻辑,可以根据传感器检测到的数据进行人工调节相应的电机。手动模式可以进行系统的调试,当系统出现故障是可以检测排除故障,方便维修和调试。
自动模式的启动由启动实体开关和触摸屏的手动模式按键启动,自动控制模式下各个电机根据程序的设定运转,PLC根据传感器反馈的信息和程序发出信号控制整个系统的运行。一个阶段反应结束后自动运行下一阶段,整个过程是全自动的,当人工按下急停时整个系统停止。
自动模式下每个系统的运行情况如下:
⑴用触摸屏按下手动控制按钮,启动进水泵。
⑵启动运行粗细格栅机,当检测到粗细格栅机两边的液位差超过一定值时自动启动粗细格栅清污机,当液位差值小于一定值时停止运行粗细格栅清污机。
⑶反应池到达反应液位后停止运行进水泵和粗细格栅机,启动潜水搅拌机,PLC根据溶解氧仪反馈的值控制鼓风机的运行
⑷反应结束,沉淀一定时间启动滗水器排出清水
⑸污水回流泵根据剩余污水池的液位启动和停止
3.PLC的简述和选型
根据项目污水处理的工艺要求,从经济性和实用性的角度出发,选择西门子S7-300PLC做为主控制器,CPU为313C-2DP可以适用于本项目比较复杂的控制过程和较多的输入输出接口,CPU自带16数字量I/O输入点数和16数字量I/O输出点数已经符合系统的数字量输入输出接口。控制系统中的溶解氧仪是模拟量输出,变频器的控制也是模拟量控制,因此需要外接一个模拟量输入输出模块SM334,SM334是输入输出混合的模拟量扩展模块,SM334集成两组模拟量输出和四组模拟量输入,该模块有较高的阙东输出和精度,符合系统对模拟量控制的要求。
4.PLC的I/O分配表
PLC的I/O分为数字量和模拟量两部分,根据传感器的输出信号类型选择模拟量接口还是数字量接口。
   (1)数字量输入输出地址分配
生活污水处理控制需要开关还有液位计总共需要12个数字量输入点,电机和报警输出总共需要11个数字输出点,313C-2DP自带16个数字量输入点数和16个数字量输出点数,满足系统控制要求。见表1
表1数字量输入输出地址
输入地址 输入设备 输出地址 输出设备
I0.0 急停 Q0.0 报警
I0.1 手动控制 Q0.1 进水泵
I0.2 自动控制 Q0.2 粗格栅机
I0.3 粗格栅液位差计 Q0.3 粗格栅清污机
I0.4 粗格栅液位上限位 Q0.4 细格栅机
I0.5 细格栅液位差计 Q0.5 细格栅清污机
I0.6 细格栅液位上限位 Q0.6 潜水搅拌机
I0.7 反应池上限位 Q0.7 滗水器
I1.0 反应池反应位 Q1.0 泥水抽出泵
I1.1 反应池最低位 Q1.1 脱水机
I1.2 剩余污水池上限位 Q1.2 污水回流泵
I1.3 剩余污水池下限位    
 
   (2)模拟量输入输出地址分配
根据工艺要求,溶解氧仪输出模拟量,变频器的信号输入端也是模拟量输入,因此,需要用到PLC的模拟量模块,SM334有四组模拟量输入和两组模拟量输出,可以满足控制要求。见表2
表2命令输入输出地址
输入地址 输入设备 输出地址 输出设备
PIW272 溶解氧仪 PQW272 变频器
 
   
二、控制系统软件设计
1.系统总体流程
(1)系统总流程

 
   
根据工艺和系统控制要求,控制系统分为手动控制和自动控制两部分,手自动选择流程如图2所示。系统PLC控制子模块程序如图3所示。
图2模式选择流程图

 
   
图3模式选择PLC程序图
 
   (2)手动控制
系统处于手动控制模式时,各设备单独受控,通过触摸屏手动界面按键可以
 
   
控制进水泵、污水回流泵、滗水器和各个电机的启动和停止,可以通过触摸品输入频率控制鼓风机的频率,方便整个系统的调试和维护。手动控制由于各个电器可以单独运行,PLC
图4手动控制流程图
 
控制程序也单独设立一个程序块,便于单独调用。手动控制工作流程和PLC程序如图4、图5所示。

 
   
图5手动控制PLC程序图
   (3)自动控制
系统处于自动控制模式下,点击启动按钮,整个系统按照程序设定顺序启动,系统启动步骤如下:
①系统上电后,整个系统处于空置状态,用触摸屏点击启动按键,系统启动工作,首先启动进水泵,从原水池中抽水如进水槽。
②启动粗格栅系统
③启动细格栅系统
④启动鼓风机系统
⑤启动滗水器系统
⑥启动污泥脱水系统
⑦启动剩余污水回流系统
各个系统启动顺序由程序和传感器检测的数据设定,不是按照上面顺序启动。启动控制图如图6所示:

 
   
图6自动控制流程图
自动控制模式下,系统程序有序启动各个子系统主要有粗细格栅系统、鼓风机系统、滗水器系统、剩余污水回流系统。下面将对各个小系统工作过程进行分析。
由于粗格栅机和细格栅机的运行情况基本相同,因此称为粗细格栅系统。粗细格栅系统由粗细格栅机和粗细格栅清污机组成,由粗细格栅系统程序控制它们的运行,工作过程如下:
①自动模式启动后,自动启动粗细格栅机,
②当反应池进水到达反应液位时停止粗细格栅机
③同时对粗细格栅机两边液位差进行检测,当液位差超过设定值时启动粗细格栅清污机
④启动清污机清污后液位差值会变小,当液位差低于设定值时停止运行清污机
粗细格栅系统流程图如图7所示,粗细格栅系统PLC程序如图8所示。

 
   
图7粗细格栅系统工作流程图

 
   
图8手动控制PLC程序图
鼓风机系统主要由鼓风机和潜水搅拌机组成。鼓风机主要用于反应池的溶氧量控制,潜水搅拌机对污水进行搅拌,使反应更加充分。
生活污水处理过程中微生物反应可以分成好氧反应和厌氧反应,因此水中的溶解氧是处理过程的一个重要参数,是决定处理效果的一个关键因数。好氧反应时,根据污水的处理工艺要求水中的溶解氧含量控制在2.0mg/L。含氧量过大,污泥沉降速度变慢,延长反应时间,还会造成资源浪费。含氧量过小反应速度降低,处理时间长,反应不稳定。厌氧反应时,要求反应池的含氧量控制在0.5mg/L甚至更低,这样有利于厌氧菌的充分反应,更快分解水中的污染物。因此反应过程要时刻监测污水中的溶解氧含量,根据溶解氧仪反馈的值,通过PLC处理后发出信号给变频器控制鼓风机的运行,达到控制含氧量的目的。鼓风机系统是整个系统的核心部分。鼓风机系统的工作过程如下:
①反应池进水到达反应位后,反应池的含氧量到达一定值时启动鼓风机;
②鼓风机由变频器控制转速,对反应池进行鼓风,增加水中的溶解氧;
③当反应池液位高过上限位时发出报警。
鼓风机系统工作流程如图9所示。

 
   
图9鼓风机系统工作流程图
剩余污水回流系统把污水从剩余污水池抽回反应池重新处理。其主要工作过程有以下几个方面:
①启动最低模式后,首先检查剩余污水池的液位,当反应为低于感应位时,不启动污水回流泵,
②当液位高过感应位时,启动污水回流泵
③当液位高过上限位时发出报警
剩余污水回流系统工作流程图如图10所示,其PLC控制程序如图11表示。
 

 
   
图10污水回流系统工作流程图

 
   
图11污水回流系统PLC程序图
2.MCGS触摸屏软件编程
触摸屏是控制系统的主要控制面板和显示板,可以用触摸屏控制整个系统的启停,系统的所有操作都可以在触摸屏上进行。触摸屏可以显示系统的所有参数和各个系统的运行情况并有报警功能。触摸屏分主界面、手动处理界面、自动处理界面、报警界面和溶解氧曲线界面五大控制显示界面。
自动控制界面是控制系统的主要界面,界面可以直观显示系统所有泵的运行情况,便于操作人员对整个系统的监控。图12为自动控制界面图:

 
   
 
图12系统自动控制界面
3.STEP7编程软件
 STEP7是专用于西门子PLC编写程序的一款功能强大的编程软件,STEP 7可以对PLC进行参数设定、硬件配置、程序编写、通讯测试、维护诊断等,也可以控制PLC的运行和监控PLC的运行情况。STEP7有丰富的编程语言,为用户提供LAD、FBD、STL和Graph语言,不管是初学者还是熟练的编程人员都有相对应的语言使用。用 STEP7对西门子S7-300PLC进行程序编写和参数设定等。 STEP7编程软件编写过程需要建立很多的OB组织块、FC、FB块和DB数据块等程序模块或数据存储模块,在主程序中可以反复调用这些快,程序编写简便,逻辑性强。图13是生活污水处理系统STEP7编程软件模块图。
 
图13 STEP7编程软件模块图
4.西门子S7-300 PLC与MCGS触摸屏通讯
西门子S7-300 PLC与MCGS触摸屏采用MPI协议进行通讯,是西门子研究出的一种用于PLC之间的通讯协议,西门子S7-300 PLC数据接口是MPI,而MCGS触摸屏数据接口是RS232 ,MCGS触摸屏要读取西门子S7-300 PLC各个寄存器的数据,要用到MPI适配器,并且要设置相关的参数,使得PLC与触摸屏采用统一的数据传输速率才能经进行通讯。
MCGS触摸屏参数设置如图14:

 
   
图14MCGS触摸屏参数
设置步骤如下:
在工作态中双击设备窗口进入设备窗口属性页面,双击通用串口父设备,在基本属性中设置如上图的参数。设置好后返回设备窗口属性页面,双击设备0进入设备0属性页面把网络传输率改为0-19.2Kbps。到此完成了触摸屏的参数设置。
PLC要与触摸屏通讯CPU的MPI网络传输速率和触摸屏的网络传输率必须一致,否则触摸屏指令将无法传到PLC,无法用触摸屏控制PLC进行系统的远程人工控制。PLC参数设置如图15:

 
图15PLC参数设置
设置步骤如下:
在主窗口中双击硬件选项进入硬件属性页面,双击CPU313C-2DP进入CPU属性页面,在基本属性中设置如上图的参数。即可完成PLC参数设置。
三、运行结果
首先在手动模式下,用触摸屏单独对各个电气设备控制。系统上电,进入手动模式,手动启动和停止各个设备,检查各个设备的运行情况。检查结束后关闭电源等待自动污水处理。
自动模式时,PLC根据传感器反馈的值对整个系统进行闭环控制。自动过程开始后,启动进水泵和粗细格栅机,污水被抽到进水槽,经过粗格栅机过滤掉大颗粒的杂质后,经过细格栅机把细小颗粒杂质过后进入反应池。进水过程中粗细格栅清污机由格栅机两边的液位差控制。
当进水到达反应水位后停止进水,开始反应。首先启动潜水搅拌机。接着检测水中的溶解氧含量。溶解氧仪检测后发出模拟量信号反馈到跑流程中,PLC经过处理输出模拟量信号到变频器,通过变频器来控制鼓风机的运行,达到控制水中溶解氧的含量。反应结束后开始沉淀,使得污泥和水分成,沉淀完成上清液有滗水器由上而下抽出。抽水完成检测泥水水位,水位太高影响下次反应,由泥水抽出泵抽出泥水进行泥水脱水,脱水完成后泥饼直接外运。系统启动时检测剩余污水池液位,如果高出感应液位则启动污水回流泵,把剩余污水抽入进水槽。到此一个反应阶段结束,系统将自动进行下次的自动污水处理。
整个控制过程无需认为控制,只需根据传感器反馈信息自动处理。各个处理系统都能实现相应的功能,达到了控制系统的设计要求。
结语:
本课题是基于西门子PLC和SBR的家庭生活污水处理控制系统的设计,主要包括硬件和软件两部分,通过实验调试本系统可以实现以下几个主要功能:自动控制模式下,家庭生活污水自动处理,无需人工参与;手动控制过程可以对系统各个电气设备单独调试和系统整体调试;可通过触摸屏设置排放标准,使处理后的污水达到直接排放标准或者循环使用;本课题设计以PLC为核心控制器,可以实现污水处理的全自动化管理,提高生活污水处理的效率,PLC的PID控制为控制系统提供稳定无静差的控制。本课题的控制系统具有成本低,占地小的优点,可以适用于家庭、小区或者城镇范围内的生活污水处理,使生活污水达到排放标准或循环使用的标准。
参考文献
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