毕业论文 基于PLC的污水处理系统

无锡职业技术学院

毕业设计（论文）说明书

分类号：

无锡职业技术学院

毕业设计（论文）

题目基于PLC的校园污水处理监控系统设计

英文并列题目the monitoring system of campus sewage treatment based on PLC

院系控制学院自控班级

学生姓名学号

指导老师职称

答辩委员会主任主答辩人

二零一四年四月

学生姓名学号班级

所属

院系

专业

电气自

动化

指导教师职称副教授

所在

部门

毕业

设计

（论

文）

题目

基于PLC的校园污水处理监控系统设计

题目

类型

工程设计（项目）□论文类 作品设计类□其他□

一、选题简介、意义

1.简介：

随着我国经济的迅速发展，环境污染的治理及保护已经被例如十八大专题。在环境污染中，污水无可厚非的是造成环境污染的来源之一。这个污染源的出现引起了世界各国政府的关注，治理水污染环境的课题被列入世界环保组织的工作日程。我国是一个严重缺水的国家，水资源的匾乏和水资源的污染，已经严重的影响了人民的日常生活，严重的影响了我国的经济建设和发展。因此建设符合我国国情的污水厂自动控制系统对降低污水处理成本、改善环境、建立可持续发展社会和和谐社会、保持我国经济高速发展具有重要意义。

目前，国外发展比较成熟的污水处理方法有以下三种：生物降解法;隔膜吸附过滤法;电磁化法。而国产化污水处理设备具有品种不全,结构不合理,技术水平比较低,产品质量不稳定的特点。我国自主生产的设备在很大程度上是依托国外相关设备的构造,再经过自我消化、研发和生产实践,逐步填补国内空白并在此基础上不断发展壮大的。因此,国产化设备将会在未来相当长时间内在技术水平上处于劣势,特别是先进设备的技术保密与知识产权保护意识的加强,其竞争力将在未来市场中不断接受考验。目前在水污染治理技术上，我国已能提供下列工艺技术传统活性污泥法技术、各种新型活性污泥工艺如：SBR法和氧化沟技术等、酸化水解好氧技术和多种类型的稳定塘技术等，这些污水治理技术已经在水体污染、改善水体环境方面发挥了突出的作用，标志着我国工业污水处理事业发展到了一个崭新的阶段。现阶段，我国工业污水处理的工作重点已经从工艺技术的研究转移到具体项目的实施。

2.意义：

未来10年，中国工业污水处理项目工程建设投资将超过2500亿元，其中工业污水处理设备投入约300亿元。采用先进、实用的技术改造传统工艺，在环保工程中广泛采用先进的自动控制技术，是推动环保产业升级，实现环保发展战略的重要环节。在这种形势下工业污水处理自动化控制系统无疑是一个具有巨大的社会效益、环境效益及经济效益的研究课题。

对于环境保护问题，国务院明确规定所有工业污染源都必须达到排放标。其中处理过的污水还可以循环再利用，由于我国是一个水资源匮乏的国家，而且时空分布上极不均匀，许多地区和城市严重缺水。所以水资源也是一种保护。因此，从环保、注水等多方面的因素考虑，对于工业污水处理非常有必要。因此，有效的结合目前最新的工艺状况、计量自控检测仪表使用、PLC 控制系统技术和组态监控软件，将为当前工业污水处理控制系统提供有效的自控、监控方法。

二、研究/设计的目标

1.用PLC控制实现对污水水位的控制；

2.用传感器实现对污水中所包含的各种有害物质的检测及其水位的控制；

3.用PLC控制实现对污水中所包含的各种有害物质的自动清除；

4.用PLC实现对现场仪表采集数据进行分析，当超过设定报警值时发出报警信号提醒操作人员注意；

5.用组态软件将现场污水处理流程仿真模拟出来。

三．设计方案（研究/设计方法、理论分析、计算、实验方法和步骤等）

工业污水处理系统的电气控制系统总框图如图所示，PLC为核心控制器，通过检测操作面板按钮的输入、各类传感器的输入，以及相关模拟量的输入，完成相关设备的运行、停止和调速控制。

电气控制系统框图

工作过程

在手动状态下，各类设备的控制是根据操作面板上的按钮输入来控制，无逻辑控制，即可不根据传感器的状态进行控制。在自动方式下进行闭环控制，系统根据检测到外部传感器的状态对设备进行启停控制，其工作过程如下。

(1）接通电源，启动自动控制方式，启动潜水搅拌器和刮泥机。

(2）运行粗、细格栅机，进行间歇运行，即运行一段时间然后停止一段时间，循环进行。

(3）根据反馈回来的液位差状态控制清污机的运行与停止。

(4）进水泵房中的潜水泵根据液面高低进行运行、停止及运行数量的控制。

(5）转碟曝气机根据溶解氧仪反馈的模拟量经PLC运算后进行控制，同时控制分离机的运行与停止。

(6）污泥回流泵的运行与停止根据液面的高低进行控制。

(7）在污泥脱水系统中，离心式脱水机的启动采用顺序控制方式，依次启动其设备。

（8）通过通讯方式将PLC与触摸屏相连，在触摸屏上动态显示。

四、方案的可行性分析

PLC 集顺序控制和过程控制于一体，具有可靠性高，使用方便、灵活，组网简单的特点，是实现中小规模工业自动化的有力工具。在污水处理中，基于 PLC 的控制系统在实时性、可靠性、精确性等方面满足了设计要求。而在显示生活中，污水处理现场的运行情况在现场监控比较困难，于是我采用了触摸屏与PLC通信的方式将污水处理现场运行情况反映在触摸屏上，形成一个动态画面，这样避免了现场监控困难的问题。

五、该设计的创新之处

用PLC 控制的SBR 污水处理法的流入、反应、沉淀、排放、待机五个工序，依次在同一SBR反应池中周期性运行。从废水流入开始到待机时间结束为一个周期，一切过程都在一个设有曝气或搅拌装置的SBR 反应池内进行，具有工艺简单，造价低，运行灵活，自动化程度高等优点。考虑到现场监控困难的问题，我采用了通信方式将PLC与触摸屏相连，将污水处理现场的运行情况反映在触摸屏上，这样实现了真正的污水处理的自动控制和监控。六、时间进程

第一周确定设计题目，查阅相关资料；

第二周搜集相关的资料，规划设计方案，确定设计方案，准备进行毕业设计；

第三周确定设计方案，准备进行毕业设计，PLC的选择

第四周绘制软件流程图；

第五周编写软件程序；

第六周绘制硬件电路图；

第五周用组态软件将污水处理现场情况模拟出来；

第六周掌握系统的软、硬件电路系统的具体工作能力；

第七周对系统各部分功能及参数进行检测，将PLC与触摸屏通讯，将真实情况通过触摸屏反应出来；

第八、九周整理设计内容，馔写设计说明书；

第十周修改设计说明书；

第十一周准备答辩；

七、参考文献

[1]张培山、钟昆，基于PLC的污水处理厂自控系统的实现，控制系统，2006（1）

[2]李英辉、赵豫龙、戴青云，基于PLC的中水处理系统，石家庄职业技术学院学报，2008（4）

[3]何献忠，工业污水处理的PLC控制应用，湖南冶金职业技术学院学报，2004（4）

[4]刘建雄，PLC控制系统在化学水处理系统的应用，工程技术，2008（5）

[5]陈慕君、吴轶、文方，基于PLC的污水处理模糊控制系统设计，江西现代职业技术学院学报，2008（7）

[6]孙卫娜，基于PLC的污水处理系统研究,沈阳航空工业学院学报，2007（6）

[7] A water pumping control system with a programmable logic controller (PLC) and industrial wireless modules for industrial plants—An experimental setup ISA Transactions, In Press, Corrected Proof, Available online 3 December 2010 Ramazan Bayindir, Yucel Cetinceviz

[8]Research and Markets: Marks and Spencer Group plc: The Essential Source For Top-Level Company Data And Information M2 Presswire 2010 Anonymous

[9]Research and Markets: Barclays PLC - SWOT Analysis M2 Presswire 2010 Anonymous

[10]刘琨，污水处理厂自动控制应用及系统建设，应用技术，2006（4）

[11]董淑冷、茅红伟、唐晓俊，PLC在污水泵站控制系统中的应用，制造业自动化，2008（6）

[12]徐庆华，PLC在污水处理厂砂泵自动控制中的应用，技术与应用，2008（3）

[13]赵芳、李从冰，基于PLC的污水处理控制系统，工业控制计算机，2006（4）

[14]任萍、王创新，基于PLC的污水处理模糊控制系统，控制系统，2006（1）

[15]张建根，PLC在中水处理系统中的应用，资源与环境，2008（4）

[16]郭琼，PLC应用技术，技术与应用，2009（4）

指导教师意见：

签字：

年月日院（系）审批意见：

签章：

年月日

毕业设计（论文）任务书

2014年 2 月16 日

毕业设计（论

文）题目

基于PLC的校园污水处理监控系统设计题目来源指导教师职称副教授所在部门控制技术学院学生姓名学号班级所属院系专业控制学院自控系外语翻译要求参考英文资料

课题需要完成的任务 1．采用SBR污水处理法；

2．根据工艺流程设计PLC程序；

3．用MCGS画出污水处理流程；

4.将PLC与触摸屏通信调试，使之完成MCGS监控污水处理动态过程；

5．编写设计说明书（25-35页）。

课题

计划安排

序号内容时间安排1

确定设计题目，查阅相关资料，搜集相关的资料，规

划设计方案，确定设计方案，准备进行毕业设计；

2014年2月16号

~2014年2月23号2

确定设计方案，准备进行毕业设计，PLC的选择，绘

制软件流程图；

2014年2月24号

~2014年3月9号3

编写软件程序，绘制硬件电路图；用组态软件将污水

处理现场情况模拟出来；

2014年3月10号

~2014年3月16号4

掌握系统的软、硬件电路系统的具体工作能力；对系

统各部分功能及参数进行检测，将PLC与触摸屏通讯，

将真实情况通过触摸屏反应出来；

2014年3月17号

~2014年3月30号

5 整理设计内容，馔写设计说明书；修改设计说明书。

2014年3月31号

~2014年4月13号计划答辩

时间

2014年4月13号~2014年4月19号

答辩提交资料

教研室主任审核意见签名：

基于PLC的校园污水处理监控系统设计

摘要：目前，我国大多数污水处理控制系统自动化水平不高、安全性低、管理不当，效率普遍低于世界标准。污水处理系统中的曝气过程控制、数据通讯和监控管理是急需解决的主要问题。本文就以上出现的问题，设计出一套方案即运用可编程控制器（PLC）与MCGS触摸屏对工厂排放的污水进行处理与实时监控，利用MCGS实现现场实时监控，采用可编程控制器（三菱FX2N-64MR）对设备进行通断控制，实现污水处理装置监控系统的自动化管理。该方案成本较低，调试方便，适合像校园生活区这样狭小的区域。

关键词：污水处理；PLC；MCGS

the monitoring system of campus sewage reatment based on PLC Abstract:At present, most of the sewage treatment level of automation control system is not high, low security, mismanagement, efficiency is generally lower than world standards. Sewage treatment system aeration process control, data communication and monitoring and management are the main issues need to be resolved. In this paper, the above problems, design a program that is using programmable logic controller (PLC) with touch screen MCGS discharge of sewage plant for processing and real-time monitoring, the use of the site MCGS achieve real-time monitoring, the use of programmable logic controller (Mitsubishi FX2N -64MR) the equipment off control, automated management of the sewage treatment plant monitoring system. The program is low cost, easy to debug, suitable for living areas on campus such as small area. Keywords: sewage treatment; PLC; MCGS

目录

毕业设计任务书

摘要 (7)

一、概述 (10)

二、 SBR污水处理法 (11)

（一）校园污水系统SBR污水处理法的介绍 (11)

三、校园污水处理系统的PLC设计 (12)

（一）校园污水处理系统总体设计 (12)

（二）校园污水处理系统的控制要求 (12)

（三）硬件设计 (13)

1、硬件及其他电气元件的选择 (13)

2、PLC及I/O端口地址分配 (14)

3、PLC接线 (16)

（四）软件程序的设计 (16)

1、 PLC基本指令 (16)

2、梯形图程序 (17)

四、校园污水处理系统的MCGS (21)

（一）MCGS的工程建立 (21)

（二）校园污水处理系统动态画面的设计要求 (23)

1、MCGS的主要特性和功能 (23)

2、MCGS系统的构成 (23)

（三）校园污水处理系统组态工程的建立 (23)

1、创建校园污水处理系统监控的用户窗口 (23)

2、设置主界面的用户窗口属性 (24)

3、创建和编辑工程图形 (25)

（四）MCGS变量设置 (27)

（五）MCGS组态画面 (28)

1、主界面 (28)

2、运行界面 (28)

3、指示灯界面 (29)

4、按钮界面 (29)

五、校园污水系统的调试与运行 (31)

（一）调试步骤 (31)

（二）常见故障分析 (31)

六、总结与展望 (35)

小结并致谢 (36)

参考文献 (47)

附录 (48)

一、概述

随着我国经济的快速发展，随之带来的问题很多，水污染便是其中之一。而污水处理尤其是校园污水处理已成一大难题。本文主要介绍，利用污水处理装置监控系统通过PLC进行自动控制，MCGS实现监控的系统，避免了人工操作的失误，对污水的处理方案完全可以通过PLC作为中央控制处理，对系统的运行利用组态软件实行实时监控，并反馈到PLC执行机构进行相应的处理。又考虑到校园污水处理范围比较狭小，本文采用小型SBR废水处理电气系统，整个工艺流程通过PLC实现在通过通信的方式在MCGS组态将整个动态画面显示出来，实现异地实时监控。这样避免了人为、环境等主客观因素对整个工艺流程的影响，既提高了了校园污水处理的效率，又方便了使用和操作。

二、SBR污水处理法

（一）校园污水系统SBR污水处理法的介绍

SBR污水处理法是序批式活性污泥法的简称，它是一种连续进水、间歇曝气、间歇排水的工艺。其原理是通过微生物的活动来净化污水(河川的自净原理)。

SBR污水处理系统分别由污水处理池、清水池、中水水箱、电控箱以及水泵、罗茨风机、电动阀门和电磁阀等部分组成，在污水处理池、清水池、中水水箱中分别设置液位开关，用以检测水池与水箱中的水位。

SBR污水处理，采用优势菌技术对校园生活污水进行处理，经过处理后的中水可以用来浇灌绿地、花木、冲洗厕所及车辆等，从而达设备体积小；性能稳定，工程投资少，系统灵敏度高，方便操作和使用。到节约水资源的目的。控制系统充分考虑现实生活中校园生活区较为狭小的特点。

三、校园污水处理系统的介绍及PLC设计

（一）校园污水处理系统总体设计

校园污水处理系统的核心主要由三个部分构成：PLC程序设计、MCGS界面绘制、程序与触摸屏的通信调试。首先根据课题要求再结合实际情况，运用三菱PLC编写好程序，再根据工艺流程和结合本校实际情况绘制MCGS界面。最后一步也是至关重要的一步，就是PLC与触摸屏的通信调试，先将PLC与触摸屏通信，测试是否能程序能否正常运行，最后是根据本课题的要求调试运行。

（二）校园污水处理系统的控制要求

校园污水处理系统的程序设计分为两个部分：一是手动操作，二是自动操作。首先介绍手动操作，手动操作很简单，就是按照要求将电动阀（SB4）打开，将污水纳入污水池中；当污水纳至污水池的最高位（H1）时，即刻关闭电动阀（SB5），与此同时打开曝气风机开关（SB8）开始曝气；爆完气之后，关闭风机的同时打开一号清水泵开关（SB6）将爆完气的水纳入清水池；当清水池的水纳至最高位(H2)时，关闭一号清水泵；与此同时打开二号清水泵（SB7），将清水池的水纳入中水箱。再者则是自动操作，按下启动按钮（SB1），当污水池中的水位处于低水位或污水状态时，电动阀会自动开启纳入污水。当污水池纳入的污水至正常高水位时，电动打自动关闭，然后经曝气处理时间需6～8h。因在曝气管路上安装了排空电磁阀，当电动阀关闭后，排空电磁阀开启，罗茨风机延时空载启动，然后排空电磁阀关闭，污水池开始曝气。曝气处理结束后，排空电磁阀再次开启，罗茨风机空载停机，然后排空电磁阀延时关闭。经0.5h的水质沉淀，PLC启动一号清水泵，将沉淀后的水纳入清水池中。当清水池中的水纳至最高位时，一号清水泵自动停止运行，与此同时二号清水泵自动启动向中水箱中纳水，当水箱中的水纳至最高位时，二号清水泵自动停止运行，自动运行的一次流程结束。整个系统的控制流程图见图1。

开始选择操作方式

自动？自动操作

污水位低？打开电动阀

污水池纳入污水

关闭电动阀停止纳水

曝气沉淀处理

计时7.5h ？开一号清水泵清水池纳水

污水位高？停一号清水泵

开二号清水泵中水箱纳水

中水箱水位高？

停二号清水泵

自动运行结束自动结束结束手动操作

手动开机？手动控制运行

手动操作结束

否

是否

否

否

否

否是是是是是

是

图1 SBR 污水处理系统控制流程

（三）硬件设计

1、 硬件及其他电气元件的选择

PLC 的选择：该系统用到的输入点22个，输出点20个，总的I/O 点数为42个，按照在满足控制要求的前提下力争使用的输入输出点应有适当的冗余，以便今后系统的改造升级，PLC 应选择FX2N-48MR 的基本单元。

PLC 供电电源的选择：本次供电电源选择交流220V ，满足PLC 和各个输入输出电器供电的要求。

其他电气元件的选择：根据各个控制对象的驱动要求，如：驱动电压的等级、负载的性质及工程实践等。

输入方面分别选用：（1）控制按钮：按钮在外力的作用下，首先断开常闭触点。复位时，常开触点先断开，常闭触点后闭合。可以通过按钮来实现系统的起动停止。（2）

接近开关：接近开关又称无触点行程开关，是以不直接控制方式惊醒控制的一种位置开关。它不仅能代替有触电的行程开关完成行程控制和限位保护等，还可以用于高速计数，测速，检测零件尺寸等。由于它具有工作稳定可靠，寿命长，重复定位精确度高以及能适应恶劣的工作环境，因此选用此类开关作为本次系统的限位。（3）主令开关：通过选用主令开关来作为系统水质的选择。

输出分别连接交流接触器：当线圈通电时,静铁芯产生电磁吸力,将动铁芯吸合,由于触头系统是与动铁芯联动的,因此动铁芯带动三条动触片同时运行,触点闭合,从而接通电源。当线圈断电时,吸力消失, 动铁芯联动部分依靠弹簧的反作用力而分离,使主触头断开,切断电源。

2、PLC的I/O端口地址的选择

具体PLC的I/O地址分配见表1、2。

表1：PLC的输入端口状态表

输入设备

输入设备

名称元件文字符号输出地址污水位高水位H1X000

污水位低水位L1 X001

清水池高水位H2 X002

清水池低水位L2 X003

中水箱高水位H3 X004

中水箱低水位L3 X005

启动按钮（绿）SB1 X006

停止按钮（红）SB2 X007

旋钮开关（自动）SB3-1 X010

旋钮开关（手动）SB3-2 X011

手动开电磁门旋钮开关SB4 X012

手动关电磁门旋钮开关SB5 X013

1#清水泵手动旋钮开关SB6 X014

2#清水泵手动旋钮开关SB7 X015

电磁阀门开起限位开关SQ1 X016 电磁阀电动机过热报警SQ3 X017

曝气电动机热保护器报警SQ4 X021

曝气风机手动旋钮开关SB8 X022

电磁阀门关闭限位开关SQ2 X023

排水开关SB10 X025

1#电机热报警SQ5 X026

2#电机热报警SQ6 X027

输入点备用X020、X24

表2：PLC 的输出端口状态表

3、PLC 接线

输出 设备 输出 设备

名称 元件文字符号

输出地址

1#清水泵接触器 KM1 Y000 2#清水泵接触器 KM2 Y001 污水池高水位红色指示灯 HL7 Y002 污水池低水位绿色指示灯 HL8 Y003 清水池高水位红色指示灯 HL9 Y004 清水池低水位绿色指示灯 HL10 Y005 中水箱高水位红色指示灯 HL11 Y006 中水箱低水位绿色指示灯 HL12 Y007 开电动阀门开关绿色指示灯 HL13 Y010 关电动阀门开关黄色指示灯

HL14 Y011 开电动阀门接触器 KM4 Y012 关电动阀门接触器 KM5 Y013 电动机热保护器报警红色指示灯

HL16 Y014 曝气风机接触器 KM3 Y015 排空电磁阀继电器 KA3 Y016 上水电磁阀继电器 KA2 Y017 排水电磁阀继电器 KA4 Y020 曝气风机热保护报警指示灯 HL17 Y021 1#清水泵热保护报警指示灯 HL18 Y023 2#清水泵热保护报警指示灯

HL19 Y024 输出点备用

Y22、Y25～

Y27

下图是根据校园污水处理系统的控制要求，绘制的PLC接线图。

图2 PLC接下图

（四）系统程序的设计

1、 PLC基本指令

（1）LD（取指令）一个常开触点与左母线连接的指令，每一个以常开触点

（2）UT（输出指令）对线圈进行驱动的指令，也称为输出指令。

（3）AND（与指令）一个常开触点串联连接指令，完成逻辑“与”运算。

（4）ANI（与反指令）一个常闭触点串联连接指令，完成逻辑“与非”运

算。

（5）OR（或指令）用于单个常开触点的并联，实现逻辑“或”运算。

（6）SET（置位指令）它的作用是使被操作的目标元件置位并保持。

（7）RST（复位指令）使被操作的目标元件复位并保持清零状态。

2、梯形图程序

如下图按下起动按钮X006，将旋钮开关置手动档X11，系统进入手动状态。将电磁阀门手动开关X12上电，这时电动阀门Y12开启。这时，污水池开始纳入污水。

当注入的污水污水到达污水池高水位时，污水池高水位红色指示灯亮。

这时1#清水泵开始工作，往清水池注入处理好的污水。

当污水池的污水到达污水池低水位时，污水池低水位绿色指示灯亮。

当注入的水到达清水池的高水位时，清水池高水位红色指示灯亮。1#清水泵X14停止工作。这时，2#清水泵开始工作。

当清水池的水到达清水池低水位时，清水池低水位绿色指示灯亮。这时，清水泵向中水箱抽水，当中水箱的水到达中水箱高水位时，中水箱高水位红色指示灯亮。这时，手动关2#清水泵，停止向中水箱抽水。

将旋钮开关打到自动挡X10,这时系统进入自动操作状态。自动状态和手动状态流程一样，唯一的区别在于自动状态的污水处理过程是通过延时实现的，而手动状态是人为计时实现的。