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基于西門子PLC和SBR的家庭生活污水處理控制系統

論文編號: 所屬欄目:智能科學 發布日期:2020年06月28日 論文作者:北美代寫論文網
摘要:近年來,我國的環境問題也越來越突出,特別是水環境污染問題日益嚴重。許多大城市建立了大型污水處理場基本可以滿足城市的污水的處理,但許多的小城鎮沒有正規的污水處理場和先進的污水處理設備,導致每天生產的大量的生活污水沒有得到處理直接排出,這不僅對水環境造成了污染還危害人們的身體,更重要的會阻礙我國城鎮的經濟發展。因此研究出一套自動化程度高,運行成本低、效率高的家庭生活污水處理系統對城鎮的經濟發展和人民生活有著重大的意義。本研究是基于西門子S7-300PLC控制器和SBR工藝的家庭生活污水處理自動控制系統的研究,采用的控制器是西門子S7-300PLC,人機交互界面是MCGS,污水處理工藝是序批式活性污泥法(簡稱SBR)。本課題首先分析國內外的生活污水處理現狀,然后介紹生活污水處理的一般工藝,最后結合本項目的污水處理工藝,設計一套以PLC為核心控制器的控制系統。
關鍵字:PLC; SBR; 污水處理; 自動控制
 
我國的淡水資源空間分布很不均勻,南方的淡水資源多北方的少,而且北方過度開發水資源,出現了河水斷流等現象。我國的淡水資源在不斷地減少,但是水污染卻越來越嚴重,很多的地方污水沒有經過處理直接排放,造成環境污染。人們每天生活產生的大量的生活污水,能經過處理回收利用的很少。目前我國的生活污水利用率和處理率很低,大城市對生活污水采取一定的措施使得大部分的生活污水得到處理和利用,水污染不是很嚴重。但一些小城市乃至小城鎮的生活污水處理就很不容樂觀了。小城市由于沒有政策和資金的支持,沒有比較完善的污水處理政策和處理設備,生活污水大部分直接排放,污染水環境,阻礙城鎮的經濟發展,甚至嚴重威脅到人們的健康。因此,綠化水環境,提高污水的利用率和處理率已經成為刻不容緩的問題。研究出高效率、高自動化、低成本、占地少的污水處理控制系統是保護我國淡水資源和促進城鎮經濟發展的重要途徑。    
一、控制系統硬件設計
1.系統的控制框圖
控制系統以PLC為控制器,接收MCSG人機界面和各傳感器的信號,PLC對這些信號進行處理后,發出信號控制類泵和電機的運轉,以模擬量和數字量的形式分別變頻器和負載開關。觸摸顯示將系統運行狀態進行顯示。總的系統框圖如圖1所示:

 
   
 
圖1系統控制框
2.控制系統工作過程
控制系統以西門子S7-300PLC為控制器,分為手動和自動控制兩種控制方式。
手動控制模式下,各個開關獨立工作,PLC根據開關的信號輸入,獨立處理不同環節的電機。控制系統有兩個實體開關分別是啟動和急停開光,其余的手動開關都集成到了觸摸屏里面,這樣可省去很多的實體按鍵,減輕布線的復雜程度,更重要的是可以實現更好的人機交互,便于檢查維護。手動模式下可以通過觸摸屏單獨控制各個電機的啟停,沒有控制邏輯,可以根據傳感器檢測到的數據進行人工調節相應的電機。手動模式可以進行系統的調試,當系統出現故障是可以檢測排除故障,方便維修和調試。
自動模式的啟動由啟動實體開關和觸摸屏的手動模式按鍵啟動,自動控制模式下各個電機根據程序的設定運轉,PLC根據傳感器反饋的信息和程序發出信號控制整個系統的運行。一個階段反應結束后自動運行下一階段,整個過程是全自動的,當人工按下急停時整個系統停止。
自動模式下每個系統的運行情況如下:
⑴用觸摸屏按下手動控制按鈕,啟動進水泵。
⑵啟動運行粗細格柵機,當檢測到粗細格柵機兩邊的液位差超過一定值時自動啟動粗細格柵清污機,當液位差值小于一定值時停止運行粗細格柵清污機。
⑶反應池到達反應液位后停止運行進水泵和粗細格柵機,啟動潛水攪拌機,PLC根據溶解氧儀反饋的值控制鼓風機的運行
⑷反應結束,沉淀一定時間啟動潷水器排出清水
⑸污水回流泵根據剩余污水池的液位啟動和停止
3.PLC的簡述和選型
根據項目污水處理的工藝要求,從經濟性和實用性的角度出發,選擇西門子S7-300PLC做為主控制器,CPU為313C-2DP可以適用于本項目比較復雜的控制過程和較多的輸入輸出接口,CPU自帶16數字量I/O輸入點數和16數字量I/O輸出點數已經符合系統的數字量輸入輸出接口。控制系統中的溶解氧儀是模擬量輸出,變頻器的控制也是模擬量控制,因此需要外接一個模擬量輸入輸出模塊SM334,SM334是輸入輸出混合的模擬量擴展模塊,SM334集成兩組模擬量輸出和四組模擬量輸入,該模塊有較高的闕東輸出和精度,符合系統對模擬量控制的要求。
4.PLC的I/O分配表
PLC的I/O分為數字量和模擬量兩部分,根據傳感器的輸出信號類型選擇模擬量接口還是數字量接口。
   (1)數字量輸入輸出地址分配
生活污水處理控制需要開關還有液位計總共需要12個數字量輸入點,電機和報警輸出總共需要11個數字輸出點,313C-2DP自帶16個數字量輸入點數和16個數字量輸出點數,滿足系統控制要求。見表1
表1數字量輸入輸出地址
輸入地址 輸入設備 輸出地址 輸出設備
I0.0 急停 Q0.0 報警
I0.1 手動控制 Q0.1 進水泵
I0.2 自動控制 Q0.2 粗格柵機
I0.3 粗格柵液位差計 Q0.3 粗格柵清污機
I0.4 粗格柵液位上限位 Q0.4 細格柵機
I0.5 細格柵液位差計 Q0.5 細格柵清污機
I0.6 細格柵液位上限位 Q0.6 潛水攪拌機
I0.7 反應池上限位 Q0.7 潷水器
I1.0 反應池反應位 Q1.0 泥水抽出泵
I1.1 反應池最低位 Q1.1 脫水機
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)模擬量輸入輸出地址分配
根據工藝要求,溶解氧儀輸出模擬量,變頻器的信號輸入端也是模擬量輸入,因此,需要用到PLC的模擬量模塊,SM334有四組模擬量輸入和兩組模擬量輸出,可以滿足控制要求。見表2
表2命令輸入輸出地址
輸入地址 輸入設備 輸出地址 輸出設備
PIW272 溶解氧儀 PQW272 變頻器
 
   
二、控制系統軟件設計
1.系統總體流程
(1)系統總流程

 
   
根據工藝和系統控制要求,控制系統分為手動控制和自動控制兩部分,手自動選擇流程如圖2所示。系統PLC控制子模塊程序如圖3所示。
圖2模式選擇流程圖

 
   
圖3模式選擇PLC程序圖
 
   (2)手動控制
系統處于手動控制模式時,各設備單獨受控,通過觸摸屏手動界面按鍵可以
 
   
控制進水泵、污水回流泵、潷水器和各個電機的啟動和停止,可以通過觸摸品輸入頻率控制鼓風機的頻率,方便整個系統的調試和維護。手動控制由于各個電器可以單獨運行,PLC
圖4手動控制流程圖
 
控制程序也單獨設立一個程序塊,便于單獨調用。手動控制工作流程和PLC程序如圖4、圖5所示。

 
   
圖5手動控制PLC程序圖
   (3)自動控制
系統處于自動控制模式下,點擊啟動按鈕,整個系統按照程序設定順序啟動,系統啟動步驟如下:
①系統上電后,整個系統處于空置狀態,用觸摸屏點擊啟動按鍵,系統啟動工作,首先啟動進水泵,從原水池中抽水如進水槽。
②啟動粗格柵系統
③啟動細格柵系統
④啟動鼓風機系統
⑤啟動潷水器系統
⑥啟動污泥脫水系統
⑦啟動剩余污水回流系統
各個系統啟動順序由程序和傳感器檢測的數據設定,不是按照上面順序啟動。啟動控制圖如圖6所示:

 
   
圖6自動控制流程圖
自動控制模式下,系統程序有序啟動各個子系統主要有粗細格柵系統、鼓風機系統、潷水器系統、剩余污水回流系統。下面將對各個小系統工作過程進行分析。
由于粗格柵機和細格柵機的運行情況基本相同,因此稱為粗細格柵系統。粗細格柵系統由粗細格柵機和粗細格柵清污機組成,由粗細格柵系統程序控制它們的運行,工作過程如下:
①自動模式啟動后,自動啟動粗細格柵機,
②當反應池進水到達反應液位時停止粗細格柵機
③同時對粗細格柵機兩邊液位差進行檢測,當液位差超過設定值時啟動粗細格柵清污機
④啟動清污機清污后液位差值會變小,當液位差低于設定值時停止運行清污機
粗細格柵系統流程圖如圖7所示,粗細格柵系統PLC程序如圖8所示。

 
   
圖7粗細格柵系統工作流程圖

 
   
圖8手動控制PLC程序圖
鼓風機系統主要由鼓風機和潛水攪拌機組成。鼓風機主要用于反應池的溶氧量控制,潛水攪拌機對污水進行攪拌,使反應更加充分。
生活污水處理過程中微生物反應可以分成好氧反應和厭氧反應,因此水中的溶解氧是處理過程的一個重要參數,是決定處理效果的一個關鍵因數。好氧反應時,根據污水的處理工藝要求水中的溶解氧含量控制在2.0mg/L。含氧量過大,污泥沉降速度變慢,延長反應時間,還會造成資源浪費。含氧量過小反應速度降低,處理時間長,反應不穩定。厭氧反應時,要求反應池的含氧量控制在0.5mg/L甚至更低,這樣有利于厭氧菌的充分反應,更快分解水中的污染物。因此反應過程要時刻監測污水中的溶解氧含量,根據溶解氧儀反饋的值,通過PLC處理后發出信號給變頻器控制鼓風機的運行,達到控制含氧量的目的。鼓風機系統是整個系統的核心部分。鼓風機系統的工作過程如下:
①反應池進水到達反應位后,反應池的含氧量到達一定值時啟動鼓風機;
②鼓風機由變頻器控制轉速,對反應池進行鼓風,增加水中的溶解氧;
③當反應池液位高過上限位時發出報警。
鼓風機系統工作流程如圖9所示。

 
   
圖9鼓風機系統工作流程圖
剩余污水回流系統把污水從剩余污水池抽回反應池重新處理。其主要工作過程有以下幾個方面:
①啟動最低模式后,首先檢查剩余污水池的液位,當反應為低于感應位時,不啟動污水回流泵,
②當液位高過感應位時,啟動污水回流泵
③當液位高過上限位時發出報警
剩余污水回流系統工作流程圖如圖10所示,其PLC控制程序如圖11表示。
 

 
   
圖10污水回流系統工作流程圖

 
   
圖11污水回流系統PLC程序圖
2.MCGS觸摸屏軟件編程
觸摸屏是控制系統的主要控制面板和顯示板,可以用觸摸屏控制整個系統的啟停,系統的所有操作都可以在觸摸屏上進行。觸摸屏可以顯示系統的所有參數和各個系統的運行情況并有報警功能。觸摸屏分主界面、手動處理界面、自動處理界面、報警界面和溶解氧曲線界面五大控制顯示界面。
自動控制界面是控制系統的主要界面,界面可以直觀顯示系統所有泵的運行情況,便于操作人員對整個系統的監控。圖12為自動控制界面圖:

 
   
 
圖12系統自動控制界面
3.STEP7編程軟件
 STEP7是專用于西門子PLC編寫程序的一款功能強大的編程軟件,STEP 7可以對PLC進行參數設定、硬件配置、程序編寫、通訊測試、維護診斷等,也可以控制PLC的運行和監控PLC的運行情況。STEP7有豐富的編程語言,為用戶提供LAD、FBD、STL和Graph語言,不管是初學者還是熟練的編程人員都有相對應的語言使用。用 STEP7對西門子S7-300PLC進行程序編寫和參數設定等。 STEP7編程軟件編寫過程需要建立很多的OB組織塊、FC、FB塊和DB數據塊等程序模塊或數據存儲模塊,在主程序中可以反復調用這些快,程序編寫簡便,邏輯性強。圖13是生活污水處理系統STEP7編程軟件模塊圖。
 
圖13 STEP7編程軟件模塊圖
4.西門子S7-300 PLC與MCGS觸摸屏通訊
西門子S7-300 PLC與MCGS觸摸屏采用MPI協議進行通訊,是西門子研究出的一種用于PLC之間的通訊協議,西門子S7-300 PLC數據接口是MPI,而MCGS觸摸屏數據接口是RS232 ,MCGS觸摸屏要讀取西門子S7-300 PLC各個寄存器的數據,要用到MPI適配器,并且要設置相關的參數,使得PLC與觸摸屏采用統一的數據傳輸速率才能經進行通訊。
MCGS觸摸屏參數設置如圖14:

 
   
圖14MCGS觸摸屏參數
設置步驟如下:
在工作態中雙擊設備窗口進入設備窗口屬性頁面,雙擊通用串口父設備,在基本屬性中設置如上圖的參數。設置好后返回設備窗口屬性頁面,雙擊設備0進入設備0屬性頁面把網絡傳輸率改為0-19.2Kbps。到此完成了觸摸屏的參數設置。
PLC要與觸摸屏通訊CPU的MPI網絡傳輸速率和觸摸屏的網絡傳輸率必須一致,否則觸摸屏指令將無法傳到PLC,無法用觸摸屏控制PLC進行系統的遠程人工控制。PLC參數設置如圖15:

 
圖15PLC參數設置
設置步驟如下:
在主窗口中雙擊硬件選項進入硬件屬性頁面,雙擊CPU313C-2DP進入CPU屬性頁面,在基本屬性中設置如上圖的參數。即可完成PLC參數設置。
三、運行結果
首先在手動模式下,用觸摸屏單獨對各個電氣設備控制。系統上電,進入手動模式,手動啟動和停止各個設備,檢查各個設備的運行情況。檢查結束后關閉電源等待自動污水處理。
自動模式時,PLC根據傳感器反饋的值對整個系統進行閉環控制。自動過程開始后,啟動進水泵和粗細格柵機,污水被抽到進水槽,經過粗格柵機過濾掉大顆粒的雜質后,經過細格柵機把細小顆粒雜質過后進入反應池。進水過程中粗細格柵清污機由格柵機兩邊的液位差控制。
當進水到達反應水位后停止進水,開始反應。首先啟動潛水攪拌機。接著檢測水中的溶解氧含量。溶解氧儀檢測后發出模擬量信號反饋到跑流程中,PLC經過處理輸出模擬量信號到變頻器,通過變頻器來控制鼓風機的運行,達到控制水中溶解氧的含量。反應結束后開始沉淀,使得污泥和水分成,沉淀完成上清液有潷水器由上而下抽出。抽水完成檢測泥水水位,水位太高影響下次反應,由泥水抽出泵抽出泥水進行泥水脫水,脫水完成后泥餅直接外運。系統啟動時檢測剩余污水池液位,如果高出感應液位則啟動污水回流泵,把剩余污水抽入進水槽。到此一個反應階段結束,系統將自動進行下次的自動污水處理。
整個控制過程無需認為控制,只需根據傳感器反饋信息自動處理。各個處理系統都能實現相應的功能,達到了控制系統的設計要求。
結語:
本課題是基于西門子PLC和SBR的家庭生活污水處理控制系統的設計,主要包括硬件和軟件兩部分,通過實驗調試本系統可以實現以下幾個主要功能:自動控制模式下,家庭生活污水自動處理,無需人工參與;手動控制過程可以對系統各個電氣設備單獨調試和系統整體調試;可通過觸摸屏設置排放標準,使處理后的污水達到直接排放標準或者循環使用;本課題設計以PLC為核心控制器,可以實現污水處理的全自動化管理,提高生活污水處理的效率,PLC的PID控制為控制系統提供穩定無靜差的控制。本課題的控制系統具有成本低,占地小的優點,可以適用于家庭、小區或者城鎮范圍內的生活污水處理,使生活污水達到排放標準或循環使用的標準。
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