PLC设计实例：小型SBR废水处理PLC电气控制系统课程设计

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1、设计实例：小型SBR废水处理PLC电气控制系统课程设计一、小型SBR废水处理电气控制系统设计任务书1SBR 废水处理工艺的技术要求SBR 废水处理技术是一种高效废水回用的处理技术，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，从而达到节约水资源的目 的。SBR 废水处理系统方案要充分考虑现实生活中校园生活区较为狭小的特点，力求达到设备体 积小，性能稳定，工程投资少的目的。废水处理过程中环境温度对菌群代谢产生的作用直接影响 废水处理效果，因此采用地埋式砖混结构处理池以降低温度对处理效果的影响。同时，SBR废水 处理技术工艺参数变化大，硬件设计选

2、型与设备调试比较复杂，采用先进的PLC控制技术可以提 高 SBR 废水处理的效率，方便操作和使用。SBR 废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废水处理系统示意图如图11-1所示。2#清水泵中水风机生物菌泥水位电极图 11-1 SBR 废水处理系统示意图污水处理的第一阶段：当污水池中的水位处于低水位或无水状态时，电动阀会自动开起纳入 污水。当污水池纳入的污水至正常高水位时，电动阀自动关闭，污水池中污水呈微氧和厌氧状态污水处理的第二阶段：采用能降

3、解大分子污染物的曝气法，可使污水脱色、除臭、平衡菌群 的pH值并对污染物进行高效除污，即好氧处理过程。整个好氧（曝气）时间一般需要68h。在 曝气管路上安装了排空电磁阀，当电动阀门自动关闭后，排空电磁阀开起，罗茨风机延时空载起 动，然后排空电磁阀关闭，污水池开始曝气。当曝气处理结束后，排空电磁阀再次开起，罗茨风 机空载停机，然后排空电磁阀延时关闭。曝气风机在无负荷条件下起动和停止，能起到保护电动 机和风机的作用。经过0.5h的水质沉淀，PLC下达起动1#清水泵指令，将沉淀后的水泵入到清水 池。当清水池中的水位升至正常高水位时， 1#清水泵自动停止运行。这时 2#清水泵自动起动向中 水箱泵水，当

4、水箱内达到正常高水位时， 2#清水泵自动停止运行，这时中水箱内的水全部完成处 理过程。如上所示，当中水箱内水位降至低水位时， 2#清水泵又自动起动向中水箱泵水。当污水池中 的水位降至低水位时，电动阀门会自动打开继续向污水池纳入污水。如此循环往复。SBR 废水处理技术针对污水水质不同选用生物菌群不同，工艺要求要求有所不同，电气控制 系统应有参数可修正功能，以满足废水处理的要求。2SBR 废水处理系统动力设备SBR 废水处理系统中所使用的动力设备(水泵、罗茨风机、电动阀)，均采用三相交流异步电 动机，电动机和电磁阀(AC220V选配)选配防水防潮型。1#清水泵：立式离心泵LS50-10-A，扬程1

5、0m,流量29m3/h, lkW。2#清水泵：立式离心泵LS40-32.1，扬程30m，流量16m3/h，3kW。 曝气罗茨风机： TSA-40， 0.7m3/min， 1.1kW。电动阀：阀体 D97A1X5-10ZB-125mm,电动装置 LQ20-1，AC380V，60W。3SBR 废水处理电气控制系统设计要求1) 控制装置选用PLC作为系统的控制核心，根据工艺要求合理选配PLC机型和I/O接口。2) 可执行手动/自动两种方式，应能按照工艺要求编辑程序并可实时整定参数。3) 电动阀上驱动电动机为正、反转双向运行，因此要在PLC控制回路加互锁功能。4) PLC的接地应按手册中的要求设计，并

6、在图中表示或说明。5) 为了设备安全运行，考虑必要的保护措施，入如电动机过热保护、控制系统短路保护等。6) 绘制电气原理图：包括主电路、控制电路、PLC硬件电路，编制PLC的I/O接口功能表。7) 选择电器元件、编制元器件目录表。8) 绘制接线图、电控柜布置图和配线图、控制面板布置图和配线图等。9) 采用梯形图或指令表编制PLC控制程序。二、SBR废水处理电气控制系统总体设计过程1总体方案说明1) SBR 废水处理系统控制对象电动机均由交流接触器完成起、停控制，电动阀电动机要采用 正、反转控制。2) 污水池、清水池、中水水箱水位检测开关，在选型时考虑抗干扰性能，选用电极考虑耐腐 蚀性。3) 电

7、动阀上驱动电动机，其内部设有过载保护开关，为常闭触点，作为电动阀过载保护信号， PLC 控制电路考虑该信号逻辑关系。4) 1#清水泵、 2#清水泵、罗茨风机电动机、电动阀电动机分别采用热继电器实现过载保护， 其热继电器的常开触点通过中间继电器转换后，作为PLC的输入信号，用以完成各个电动机系统 的过载保护。5) 罗茨风机的控制要求在无负载条件下起动或停机，需要在曝气管路上设置排空电磁阀。6) 主电路用断路器，各负载回路和控制回路以及PLC控制回路采用熔断器，实现短路保护。7) 电控箱设置在控制室内。控制面板与电控箱内的电器板用 BVR 型铜导线连接，电控箱与 执行装置之间采用端子板连接。8)

8、PLC 选用继电器输出型。9) PLC自身配有24V直流电源，外接负载时考虑其供电容量。PLC接地端采用第三种接地方 式，提高抗干扰能力。2SBR 废水处理电气控制原理图设计(1)主电路设计SBR废水处理电气控制系统主电路如图11-2所示。ST-fN|UII】U OL5L6FUi匚3MKFU3m ci ciR2M3MKKM1-1HL2g)KM2-1 HLg电源指示1#泵提示（潜水）2#泵提示（清水）L_隔离变压器20 1：1罗茨风机KA2-1 YA1KA2-2 HL5YA2召上水电磁阀上水阀指示KA3-1FR1VFR2yFR3jfFR4y排空电磁阀PLCKA10-注:电动机过载保护丄米用第三种

9、接地方式。图 11-3 SBR 废水处理系统交流控制电路1）控制电路有电源指示HL。PLC供电回路采用隔离变压器TC,以防止电源干扰。2）隔离变压器TC的选用根据PLC耗电量配置，可以配置标准型、变比1：1、容量100VA 隔离变压器。3）1#清水泵M1、2#清水泵M2、曝气风机M3分别有运行指示灯HL1、HL2、HL3，由KM1、 KM2、 KM3 接触器常开辅助触点控制。4）4台电动机M1、M2、M3、M4的过载保护，分别由4个热继电器FR1、FR2、FR3、FR4 实现，将其常闭触点并联后与中间继电器KA1连接构成过载保护信号，KA1还起到电压转换的作 用，将220V交流信号转换成直流2

10、4V信号送入PLC完成过载保护控制功能。5）上水电磁阀YA1和指示灯HL1、排空电磁阀YA2，分别由中间继电器KA2和KA3触点 控制。（3） 主要参数计算1）断路器QF脱扣电流。断路器为供电系统电源开关，其主回路控制对象为电感性负载交流 电动机，断路器过电流脱扣值按电动机起动电流的1.7倍整定。SBR废水处理系统有3kW负载电 动机一台，起动电流较大，其余三台为1.1kW以下，起动电流较小，而且工艺要求4台电动机单 独起动运行，因此可根据3kW电动机选择自动开关QF脱扣电流IqF：IqF=1.7In=1.7X6A=10.2A10A，选用 IQF=10A 的断路器。2）熔断器FU熔体额定电流I

11、FUo以曝气风机为例，Ifu2In=2X2.5A=5A，选用5A的熔体。 其余熔体额定电流的选择，按上述方法选配。控制回路熔体额定电流选用2Ao3）热继电器的选择请参考有关技术手册，自行计算参数。（4） PLC控制电路设计 包括PLC硬件结构配置及PLC控制原理电路设计。1）硬件结构设计。了解各个控制对象的驱动要求，如：驱动电压的等级、负载的性质等；分 析对象的控制要求，确定输入/输出接口（ I/O）数量；确定所控制参数的精度及类型，如：对开关 量、模拟量的控制、用户程序存储器的存储容量等，选择适合的PLC机型及外设，完成PLC硬件 结构配置。2）根据上述硬件选型及工艺要求，绘制PLC控制电路

12、原理图，绘制PLC控制电路，编制I/O 接口功能表。图11-4为SBR废水处理系统PLC控制电路原理图，L6作为PLC输出回路的电源， 分别向输出回路的负载供电，输出回路所有COM端短接后接入电源N端。丄HL8 HL10 HL12 HL14ICOM1Y0AC100224VY1Y2Y3Y4Y5Y6Y7Y10COM2 Y11Y12Y13Y14Y16COM3Y15Y17输岀端FX2N48MR24+*COMDC24VX4X610X12X1X20X22X15X21X14 XX24X26输入端X23 F X25X27X11X7X13X5H*2】X3图 11-4 SBR 废水处理系统 PLC 控制电路原理图

13、3）KM4和KM5接触器线圈支路，设计了互锁电路，以防止误操作故障。4）PLC输入回路中，信号电源由PLC本身的24V直流电源提供，所有输入COM端短接后接 入PLC电源DC24V的（+ ）端。输入口如果有有源信号装置，需要考虑信号装置的电源等级和 容量，最好不要使用PLC自身的24V直流电源，以防止电源过载损坏或影响其他输入口的信号质 量。5）PLC采用继电器输出，每个输出点额定控制容量为AC250V，2A。表11-1和表11-2分别为SBR废水处理系统PLC输入和输出接口功能表。表 11-1 SBR 废水处理系统 PLC 输入接口功能表序号工位名称文字符号输入口1污水池高水位开关信号H1X

14、0002污水池低水位开关信号L1X0013清水池高水位开关信号H2X0024清水池低水位开关信号L2X0035中水箱高水位开关信号H3X0046中水箱低水位开关信号L3X0057起动按钮（绿色）SB1X0068停止按钮（红色）SB2X0079旋钮开关（自动）SB3-1X01010旋钮开关（手动）SB3-2X01111手动开电动阀旋钮开关SB4X01212手动关电动阀旋钮开关SB5X013131#清水泵手动旋钮开关SB6X014142#清水泵手动旋钮开关SB7X01515电动阀门开起限位开关SQ1X016表 11-2 SBR 废水处理系统 PLC 输出接口功能表序号工位名称文字符号输入口11#清

15、水泵接触器KM1Y00022#清水泵接触器KM2Y0013污水池高水位红色指示灯HL7Y0024污水池低水位绿色指示灯HL8Y0035清水池高水位红色指示灯HL9Y0046清水池低水位绿色指示灯HL10Y0057中水箱高水位红色指示灯HL11Y0068中水箱低水位绿色指示灯HL12Y007续）序号工位名称文字符号输入口9电动阀门开起绿色指示灯HL13Y01010电动阀门关闭黄色指示灯HL14Y01111开电动阀门接触器KM4Y01212关电动阀门接触器KM5Y01313电动机热保护器报警红色指示灯HL6Y01414罗茨风机（曝气风机）接触器KM3Y01515排空电磁阀继电器KA3Y01616上

16、水电磁阀继电器KA2Y01717输出口备用Y020Y0276）根据上述设计，对照主回路检查交流控制回路、PLC控制回路、各种保护联锁电路、PLC电动阀电动机故障报警电动机热保护器报警曝气风机手动旋钮开关输入点备用FROKA1SB8X020X021X022X023 X027控制程序等，全部符合设计要求后，绘制出最终的电气原理图。7） 根据设计方案选择的电气元件，编制原理图的元器件目录表，如表11-3所示。表 11-3SBR废水处理系统元器件目录表序号文字符号名称数量规格型号备注1M1 M4电动机4Y系列三相交流异步电动机2FR1 FR4热继电器4JR16B-20/3参照电动机整定电流3FU1 F

17、U4熔断器12RL1-15熔体210A4FU5、FU6熔断器2RT16-32X熔体2A5QF断路器1C45AD脱扣电流10A6TC隔离变压器1BK-100变比 1： 1, AC220V7SB1起动按钮1LAY37绿色8SB2停止按钮1LAY37红色9SB3转换开关1LAY37-D2手动/自动转换11121314151617KM1 KM4KA1 KA3HL1 HL15YA1YA2YA3PLC交流接触器中间继电器指示灯电磁阀电磁阀电动阀门装置可编程序控制器15DJX-9HH52PAD16-22ZCT-50AZCT-15ALQA20-1FX2N-48MR线圈电压：AC220V线圈电压：AC220VL

18、ED 显示，AC220V线圈电压：AC220V线圈电压：AC220VAC380, 60W继电器输出PLC控制程序设计1) 程序设计。根据控制要求，建立SBR废水处理系统控制流程图，如图11-5所示，表达出 各控制对象的动作顺序，相互间的制约关系。在明确PLC寄存器空间分配，确定专用寄存器的基 础上，进行控制系统的程序设计，包括主程序编制、各功能子程序编制、其他辅助程序的编制等2) 系统静态调试。空载静态调试时，针对运行的程序检查硬件接口电路中各种逻辑关系是否 正确，然后先调试子程序或功能模块程序，然后调试初始化程序，最后调试主程序。调试过程中 尽量接近实际系统，并考虑到各种可能发生的情况，作反

19、复调试，出现问题及时分析、调整程序 或参数。3) 系统动态调试及运行。在动态带负载状态下调试，密切观察系统的运行状态，采用先手动 再自动的调试方法，逐步进行。遇到问题及时停机，分析产生问题的原因，提出解决问题的方法 同时做好详尽记录，以备分析和改进。开始选择操作方式水箱水位污水池纳 入污水:关电动阀停 止纳水打开电动阀曝气沉淀处理开1#泵清水池纳水自动操作开2#泵中水箱纳水停2#泵自动动行结束图 11-5 SBR 废水处理系统控制流程图SBR废水处理系统PLC控制程序如图11-6所示。 1J TrJ7 7S-!ryJtolLT5LI 6LI mtH3-r 卜7;一卜 r - TH XH M-M

20、：iUHHI1 卜 vonLb附汨1it!MS31f?srM5311.5眈箋1rrmjo1rsr mjo ( ：0D3 ；JITMil1f&TMil T7HIT1HIM5HI跖9HIiuiHI臓HIT0KliXTJK2MH .M9I- 删H Rsr观2册W&HIK1 I_wiyo1 .S(M93卜 SET羽 J173iraISOX)22MJM5HIkFU山IM一(T3KJiKT9KJ 50-PFMKi21-SLTM-1Sft5TM-1SMfiB 函II-KinKisn(HIK2OD:t腑ltST能 5K100K2OO刘怡210212217釘2201!他厢MB7TOT卜.冊I阳I 卄 Y0I5

21、:239T8*TJOT卜卿了 卄Jt003 JiKl2y-TW-.昨TF4-_1:TM：IJtiTM：L：i TM：LJ1-iftiTMJJ1 YOM :图 11-6 SBR 废水处理系统 PLC 控制梯形图程序（续 3 ）图 11-6 SBR 废水处理系统 PLC 控制梯形图程序（续 5 ）3SBR 废水处理系统电气工艺设计按设计要求设计绘制电气装置总体配置图、电器板电器元器件平面图、控制面板电器平面图 及相关电气接线图。1）先根据控制系统要求和电气设备的结构，确定电器元器件的总体布局以及电控箱内装配板 与控制面板上应安装的电器元件。本系统除电控箱外，在污水处理设备现场设计安装的电器元件 和

22、动力设备有：电磁阀、水位开关、电动机、电动阀（含阀位控制器）等。电控箱内电器板上安 装的电器元件有：断路器、熔断器、隔离变压器、PLC、接触器、中间继电器、热继电器和端子板 等。在控制面板上设计安装的电器元件有：控制按钮、旋钮开关、各色指示灯等。2）依据用户要求满足操作方便、美观大方、布局均匀对称等设计原则，绘制电控箱电器板元 件布置图、电器面板元件布置图、电气接线图等，如图11-7图11-8所示。进出引线采用接线端 子板连接，接线图略。3）依据电器元件布置图及电器元器件的外形尺寸、安装尺寸，绘制电器板（绝缘板、镀锌铁 板或架）、控制面板（有机玻璃板、铝板或铁板等）、垫板（有机械强度的绝缘板或

23、镀锌板）等零 部件加工图。图中应注明外形尺寸、安装孔径、定位尺寸与公差、板材厚度以及加工要求等。本 设计所涉及的钣金加工技术图从略。4）依据电器安装板、控制面板尺寸设计电控箱，绘制电控箱安装图。本设计从略。至此，基本完成了 SBR废水处理系统要求的电气控制原理设计和工艺设计任务。Q 冋 pFU pFU pFU4|槽槽闻AK K EC-Pf线槽KM1km2KM3I |km4| kms线槽fFRH IRFRH PR4线槽HLiHL13HL14HL6送容HL11凶hl7hl9hl4HL8XHL10XHL12AHL5氷送SB3HL2HL3SB8e厂、,_,sb4SB5SB6sb7SBiSB2JDO-端

24、子板图 11-7 电控箱电器板元件布置图图 11-8 电控箱电器面板元件布置图4编写设计说明书、使用说明书和项目设计小结1) 依据原理设计的过程，编写设计说明书，说明书包括如下主要内容： 总体设计方案的选择说明。 原理电路的设计说明，各控制要求如何实现。 电气系统中主要参数的计算，主要元件的选择及说明，编制元件明细表。 附上原理图及规定完成的工艺图。2) 依据原理设计图及控制要求编写使用说明书，说明书包括如下主要内容： 本设备的实际用途、功能特点。 系统工作原理简介。 使用与维护注意事项。 5设计用参考资料 工厂电气控制设备 电气控制与可编程序控制器 电气工程手册 三菱微型可编程序控制器手册 工厂常用电气设备手册 其他有关产品使用手册