小型废水处理系统PLC控制系统设计

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1、开封大学毕业设计说明书 题目：小型废水处理系统PLC控制系统设计 专业： 机电一体化技术 学号： 姓名： 时间：2013年12月2日 2013年12月31日 指导教师：陈艳红目 录摘要 2一 设计任务书 3（一）技术要求 3（二）动力设备 5（三）设计要求 5二 总体设计过程 6（一）总体方案说明 6（二）原理图设计 6（三）工艺设计 24结论 25参考资料 26摘 要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。小型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

2、，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，小型废水处理技术工艺参数变化大，硬件设计选型与设备调试比较复杂，采用先进的PLC控制技术可以提高小型废水处理的效率，方便操作和使用关键词：废水处理 PLC控制小型废水处理系统PLC控制系统设计 （开封大学 机械与汽车学院机电专业）一 小型SBR废水处理电气控制系统设计任务书（一） SBR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

3、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

4、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。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

5、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

6、有参数可修正功能，以满足废水处理的要求。（二） SBR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10m，流量29m3/h，1kW。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。（三） SBR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

7、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

8、系统总体设计过程（一）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

9、。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 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。（二） SBR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。图11-2 SBR废水处理电气控制系统主电路（1) 主回路中交流接触器KM1、KM2、KM3分别控制1#清水泵M1、2#清水泵M2、曝气风机M3；交流接触器KM

10、4、KM5控制电动阀电动机M4，通过正、反转完成开起阀门和关闭阀门的功能。（2) 电动机M1、M2、M3、M4由热继电器FR1、FR2、FR3、FR4实现过载保护。电动阀电动机M4控制器内还装有常闭热保护开关，对阀门电动机M4实现双重保护。（3) QF为电源总开关，既可完成主电路的短路保护，又起到分断三相交流电源的作用，使用和维修方便。（4) 熔断器FU1、FU2、FU3、FU4分别实现各负载回路的短路保护。FU5、FU6分别完成交流控制回路和PLC控制回路的短路保护。2 交流控制电路设计。 SBR废水处理系统交流控制电路如图11-3所示。图11-3 SBR废水处理系统交流控制电路（1) 控制

11、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24V信号送入PLC完成过载保护控制功能。（5) 上水电磁阀YA1

12、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：IQF1.7IN=1.76A10.2A10A，选用IQF10A的断路器。（2) 熔断器FU熔体额定电流IFU。以曝气风机为例，IFU2IN22.5A5A，选用5A的熔体。其余熔体额

13、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2A。(3) 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PL

14、C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。图11-4 SBR废水处理系统PLC控制电路原理图(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-

15、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H1X0002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

16、泵手动旋钮开关SB7X01515电动阀门开起限位开关SQ1X01616电动阀门关闭限位开关SQ2X01717电动阀电动机故障报警FR0X02018电动机热保护器报警KA1X02119曝气风机手动旋钮开关SB8X02220输入点备用X023X027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

17、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上水电磁阀继电器KA2Y01717输出口备用Y020Y027(6) 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，

18、如表11-3所示。表11-3 SBR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1M1M4电动机4Y系列三相交流异步电动机2FR1FR4热继电器4JR16B-20/3参照电动机整定电流3FU1FU4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10SB4SB8手动开关5LAY37-D2黑色11KM1KM4交流接触器4DJX-9线圈电压：AC2

19、20V12KA1KA3中间继电器3HH52P线圈电压：AC220V13HL1HL15指示灯15AD16-22LED显示，AC220V14YA1电磁阀1ZCT-50A线圈电压：AC220V15YA2电磁阀1ZCT-15A线圈电压：AC220V16YA3电动阀门装置1LQA20-1AC380，60W17PLC可编程序控制器1FX2N-48MR继电器输出5 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

20、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。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。图11-

21、6 SBR废水处理系统PLC控制梯形图程序(2)图11-6 SBR废水处理系统PLC控制梯形图程序(3)图11-6 SBR废水处理系统PLC控制梯形图程序(4)图11-6 SBR废水处理系统PLC控制梯形图程序(5)图11-6 SBR废水处理系统PLC控制梯形图程序(6)图11-6 SBR废水处理系统PLC控制梯形图程序(7)(三) SBR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

22、处理设备现场设计安装的电器元件和动力设备有：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

23、（有机械强度的绝缘板或镀锌板）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。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结论 毕业设计已接近尾声，回顾整个过程，在老师的指导下，顺利的完成了毕业设计，PLC设计作为教学的重要环节，使理论与实践更加接近，加深了理论知识的理解，强化了生产实习中的感性认识。 在作毕业设计的这段日子里，我学到了很多很多的东西，

24、在这个过程中不仅巩固了这三年来所学的知识，而且学到了许多在课本上所没学到的知识。毕业设计使我对理论结合实际有了更深刻的认识，知识理解知识是远远不够的，只有把知识融入到实际中去才是最重要的，只有这样，在今后的的工作中才能解决实际问题。在今后的工作中有所成就，有所突破。使自己在这条路上走得更远。参考文献1曹辉.可编程序控制器系统原理及应用M电子工业出版社,20032路林吉.江龙康等.可编程序控制器原理及应用M清华大学出版社,20023齐从谦、王士兰.PLC技术及运用M机械工业出版社，20004 孙平.电气控制与PLCM.北京：高等教育出版社，2004.5 刘沂.电气控制技术M.大连：大连理工大学出版社，2008.6 许翏 王淑英.电气控制与PLC应用M.北京：机械工业出版社，2007.25