基于PLC的城市污水处理控制系统设计（开环） - 图文

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设计题目：基于PLC的城市污水处理控制系统设计

系 别： 信息工程系 班 级： 电子信息工程 姓 名： 指 导 教 师：

年月 日

基于PLC的城市污水处理控制系统设计

摘 要

随着城市现代化建设步伐的加快，城市污水处理控制系统也日益发展和完善。城市污水处理控制系统是城市现代化建设的重要组成部分，对提高城市形象，改善人民生活，保护环境具有重要的意义。

本文论述了PLC控制系统在城市污水处理中的重要应用，详细介绍了SBR污水处理法自动控制系统的设计过程。本系统包括梯形图设计和监控组态设计两个方面，实现了中小型城市的污水处理自动控制和远程监控。系统主要由PLC、液位传感器、进水泵、滗水器、进泥泵及抽泥泵组成，分为手动和自动两种控制方式，使用梯形图语言完成系统对现场的控制；使用MCGS监控组态软件设计监控界面，不仅可以模拟演示系统工作状况，而且还可以对现场工作情况进行实时监控，并对系统进行远程控制，完成SBR污水处理法的自动运行。当系统发生状况时，能够及时发现，并停止系统，进行检修，减少污水处理过程中事故的发生。

关键词：PLC 城市污水处理 MCGS组态软件 SBR

The Design of Urban Sewage Treatment Controlled System Based on PLC

Abstract

With the quickening pace of urban modernization, urban sewage treatment control system has increasingly been developed and improved. The urban sewage treatment control system is a very important part of the urban modernization. It has the vital significance to improve the image of cities ,to improve people’s life and to protect the environment.

The paper discusses the important application of the PLC control system in the urban sewage treatment system. And the process of the design named SBR sewage treatment automatic control system is introduced in detail in the paper. The system which consists of the design of ladder diagram and the design of configuration, has realized the automatic control and the remote monitoring of the small and medium cities. The system mainly includes the PLC、the liquid level sensor、the water pump、the water decanter、the pump into the mud and the mud pump. The system has two control mode including the manual and the automatic ones to control the field on the ladder language. The system design the monitoring interface by the MCGS configuration, which can not only simulate the working condition of the demo system, but also monitor the working condition at a real-time. Besides, the interface can control the system remotely and finish the automatic operation of the method named the SBR sewage treatment. Problem can be found in time when the system goes wrong, and the system will stop working, then maintenance is needed to reduce the accidents in the process of the sewage treatment.

Keywords：PLC; urban sewage treatment; MCGS configuration software; SBR

目 录

1 绪 论.......................................................................................................................... 1 1.1 设计背景 ............................................................................................................. 1 1.2 研究目的和意义 ................................................................................................. 1 1.3 污水处理现状 ..................................................................................................... 2 1.4 主要设计内容 ..................................................................................................... 3 2 污水处理工艺流程.................................................................................................... 4 2.1 常用的污水处理工艺 ......................................................................................... 4 2.2 SBR法过程阐述 .................................................................................................. 7 3 硬件设计.................................................................................................................... 8 3.1 PLC的介绍 .......................................................................................................... 8 3.1.1 PLC的结构 ................................................................................................... 8 3.1.2 PLC的工作原理 ........................................................................................... 9 3.1.3 PLC I/O口分配 ........................................................................................... 11 3.2 SBR法的总体设计 ............................................................................................ 12 3.2.1 方案设计..................................................................................................... 12 3.2.2 硬件电路设计............................................................................................. 13 3.3 其他资源配置 ................................................................................................... 15 3.3.1 接触器选型................................................................................................. 15 3.3.2 液位计选型................................................................................................. 15 3.3.3 滗水器选型................................................................................................. 15 4 软件设计.................................................................................................................. 17 4.1 PLC程序设计分析 ............................................................................................ 17 4.1.1 整体设计流程............................................................................................. 17 4.1.2 手动设计流程............................................................................................. 17 4.1.3 自动设计流程............................................................................................. 18 4.2 上位机界面设计 ............................................................................................... 24 4.2.1 组态软件的介绍......................................................................................... 24 4.2.2 设计要求及效果......................................................................................... 25 4.2.3 定义数据对象............................................................................................. 26 4.2.4 主界面的设计............................................................................................. 26 4.2.5 实时报警..................................................................................................... 28 4.2.6 设备连接..................................................................................................... 29 4.2.7 脚本程序介绍............................................................................................. 32

5 调试.......................................................................................................................... 35 5.1 模拟调试 ........................................................................................................... 35 5.2 硬件功能性调试 ............................................................................................... 40 5.3 系统总体调试 ................................................................................................... 40 6 结论.......................................................................................................................... 42 谢辞.............................................................................................................................. 43 参考文献...................................................................................................................... 44 附录一 PLC程序控制梯形图 ................................................................................... 45 附录二 MCGS脚本程序 ........................................................................................... 55

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4．A/B法。吸附生物降解法简称A/B法，该工艺将曝气池分为高、低负荷两个阶段，并各自拥有独立的污泥回流及沉淀系统，没有初沉池。A段负荷较高，停留时间大约为20到40分钟，主要是生物絮凝吸附发挥作用，与此同时发生不完全的氧化反应，对BOD的去除效率大于50%。B段负荷较低，与常规的活性污泥法基本相同。AB法中A段缓冲能力较强，效率高；B段稳定性较好，严格控制出水品质。对高浓度的城市污水的处理，AB法节能效益高，适应性强。若采用污泥硝化和沼气利用等工艺，优势更加明显。但是，AB法也有缺点， A段污泥中有机物含量高，且处理后污泥量大，因此必须添加污泥后处理工艺，以稳定污泥量，这样无形中就增加了投资和费用。另外，难此法以实现脱氮工艺的要求，其原因在于A段去除了较多的BOD，碳源不充足。而且对污水浓度也有要求，若浓度较低，B段很难发挥优势。

总体而言，AB法对于浓度高的污水处理比较好，具有污泥硝化等后续处理设施且对于有脱氮要求不高的大中规模的城市工业污水处理厂。

5．SBR法。歇式活性污泥法简称SBR法，是一种按照一定的时间顺序间歇式操作的活性污泥污水处理技术，也是一种通过曝气来运行的活性污泥污水处理技术，因此又叫序批式活性污泥处理法。早在1914年，这种处理系统就被采用，但由于当时自动化水平较低，操作困难且工作量大，尤其是后来随着城市和工业污水处理规模的日趋规模化，这一缺点更加凸显，所以曾经连续式活性污泥法一度取代了间歇式活性污泥法。近年来，随着计算机和自动控制技术的飞速发展，SBR法的以上弊端得到较好的解决。SBR以其独特的优点，越来越受到国内外污水处理部门的重视。其滤除污染物的机理与传统的活性污泥法除操作方式外基本相通。SBR法与传统的污水处理工艺相比，其主要以时间分割代替空间分割操作，非稳态生化反应代替稳态生化反应，理想静置沉淀代替动态沉淀等。单个操作单元间歇进行，但通过多个单元组合调度后整个操作过程又是连续的，从而实现有序而间歇的运行。SBR反应池去除有机物的机理与普通活性污泥法相比，在曝气阶段基本相同，不同之处在于SBR反应池集进水、反应、沉淀、排水、待机五个工序于一身。从废水流入开始到待机时间结束为一个操作周期，污水处理过程在一个设有鼓风机的SBR反应池内进行，不需要另设沉淀池和污泥回流系统[5]。

SBR污水处理工艺主要特点如下：

(1) 工艺简单，造价低，运行方式灵活，脱氮除磷效果好； (2) 时间上间歇排水，具有理想的推流式反应器的特性；

(3) 耐冲击负荷能力较强，污泥沉降性能好，不易产生污泥膨胀现象；

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本设计是针对中小型城市的污水处理，无论是从工艺效率，还是从经济方面考虑，SBR污水处理法都非常适合。所以本设计通过PLC程序控制SBR污水处理法，对城市污水进行处理。

2.2 SBR法过程阐述

1．进水

进水阀门打开，进水泵运作，原污水通过粗/细格栅滤除块状污染物，经过抽水泵到达集水池，到达高水位时，进水泵、粗/细格栅、集水池抽水泵停止，SBR反应池抽水泵运作，将集水池中的污水注入两个SBR反应池。

2．反应

反应工序是SBR工艺最重要的一道工序。当污水注入达到SBR反应池预定水位时，停止进水，高水位指示灯亮，空气阀门打开，鼓风机启动，开始曝气，在此同时污泥泵往SBR反应池中打入活性污泥，开始反应，如驱除BOD、硝化、磷的吸收以及反硝化等。设定好曝气时间，时间到达鼓风机与污泥泵停止。

3．沉淀

当SBR池停止曝气以后，空气阀门与污泥阀门关闭，鼓风机与污泥泵停止。开始重力沉淀和泥水分离。

4．排水

SBR池静置一段时间后，污泥完全沉淀至SBR下层，上层清液由滗水器缓慢抽出，排入河道。当池水位达到设定的最低水位时，滗水器停止运行。同时，剩余污泥泵在滗水器停止运行后开始运行，排泥至储泥池[6]。其流程如图2-4所示：

原污水 清水排入河道 粗/细格栅机 集水池 SBR池 鼓 风 机 图2-4 SBR法流程图

进泥泵

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3 硬件设计

3.1 PLC的介绍

3.1.1 PLC的结构

PLC的硬件结构基本上与微型计算机基本相同，是一种专用于工业控制的计算机。根据硬件结构的不同，PLC可分为整体式和模块式。

1．整体式PLC

整体式又称单元式或箱体式结构的PLC，其主要由中央处理器（CPU）、存储器、输入/输出（I/O）单元、电源和通信端口等组成在同一机体内。这种结构的特点是结构简单、体积小、价格低、输入/输出点数固定、实现的功能和控制规模固定，但灵活性较低。基本结构框图如图3-1所示。

电源 中央处理器（CPU） 系 统 总 线 输入/输出单元 编程器 图3-1 整体式PLC结构

存储器

2．模块式PLC

模块式（又称组合式）结构的PLC，其中央处理器（CPU）、存储器、输入/输出（I/O）单元、电源电路和通信端口等均做成模块，各模块间通信通过机架上的总线互相联系，应用时根据控制要求将这些模块插在机架上。其中PLC的CPU和存储器设计在一个模块上，有时把电源也放在这一模块上，该模块在总线上的安装位置一般是固定的。模块式的PLC安装完成后，需进行登记，以便PLC对安装在总线上的各模块进行地址确认。模块式的特点是系统构成的灵活性高。可以构成不同控制规模和功能的PLC，但同时价格也比较高。基本结构如图3-2所示。

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编程器 其 它 设 备 现场设备 电 源 模 块 CPU模 块 通信模 块 输入模 块 输 出 模 块 特 殊 功 能 模 块 基 架

图3-2 结构式模块

3.1.2 PLC的工作原理

PLC与继电器构成的控制装置的工作方式不同，继电器控制器采用并行运行方式，即线圈的触点动作与该点通断电同步。而PLC则采用循环扫描技术，每次只能执行一条指令，只有当程序扫描到该线圈，并且该线圈通电时，该线圈触点才会动作，所以PLC的工作方式是“串行”方式，这种工作方式可以避免继电器控制的触点出现竞争或时序失配等问题。也就是说，继电器控制装置根据输入和逻辑控制结构就可以得到输出，而PLC控制器不行，需要输入、执行程序指令、输出3个阶段才能完成整个控制过程[7]。

1．循环扫描技术

循环扫描技术可以分为输入阶段（将外部输入信号的状态传送到PLC）、执行程序阶段和输出阶段（将输出信号传送到外部设备）3个阶段。

（1）输入阶段

进入此阶段，PLC先进行自我诊断，然后与编程器或计算机通信，同时中央处理器扫描各个输入端并读取输入信号状态，采集数据，并将其存入相应的输入存储单元。

（2）执行程序阶段

进入此阶段，PLC由上而下按次序一步一步执行程序指令。从相应的输入存储单元读入输入信号的状态和采集到的数据，然后根据程序内部设定的继电器、定时器、计数器等数据寄存器的状态和数据进行逻辑运算，得到运算结果，存入相应的输出存储器单元。执行完成后，进入输出阶段。在这个程序执行中，输入信号的状态和数据保持不变。

（3）输出阶段

进入此阶段，PLC将相应的输出存储单元的运算结果传送到对应的输出模块

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上，并通过输出模块向外部设备传送输出信号和指令，控制外部设备动作，既而实现通过PLC程序控制外部设备。

2．PLC的I/O响应时间

I/O响应时间是指从某一输入信号变化开始到系统相关输出端信号的改变结束，这段时间就是I/O反应时间。因为PLC采用循环扫描工作方式，所以收到输入信号的时刻不同，输出端信号改变时刻也不对应相同，响应时间的长短也就不同。下面就介绍最短响应时间和最长响应时间。

最短响应时间：上一个扫描周期刚结束就收到输入信号，也就是说收到输入信号与下一个扫描周期同时开始，这时响应时间最短。考虑到输入电路和输出电路的延时，所以最短响应时间应大于一个扫描周期。

最长响应时间：在一个扫描刚完成输入读取后才接到输入信号，这样这个输入信号在该扫描周期将不会发生变化，要等到下个扫描周期才能得到响应，这时的响应时间最长[8]。

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3.1.3 PLC I/O口分配

在此控制系统中，共用到14个输入和22个输出。其具体的输入输出如表3-1。

端口地址 自动开关 集水池高水位信号 SBR1池高水位信号 SBR1池低水位信号 SBR2池高水位信号 SBR2池低水位信号 SBR池手动进水开关 集水池低水位信号

紧急停车 启动鼓风机 启动进泥泵 手动/自动开关 启动滗水器 启动排泥泵 关闭排泥泵 手动开关 进水泵 粗/细格栅机 排污传送带 集水池进水泵 SBR池进水泵 SBR1池进水阀 SBR2池进水阀

滗水器 SBR1池鼓风机 SBR2池鼓风机 SBR2池出水阀 SBR1池出水阀

进泥泵

表3-1 I/O口分配

元件 I0.0 I0.1 I0.2 I0.3 I0.4 I0.5 I0.6 I0.7 I1.0 I1.1 I1.2 I1.3 I1.4 I1.5 I1.6 I2.0 Q0.0 Q0.1 Q0.2 Q0.3 Q0.4 Q0.5 Q0.6 Q0.7 Q1.0 Q1.1 Q1.2 Q1.3 Q1.4

表3-1续 I/O口分配

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说明 SB0 SB1 SB2 SB3 SB4 SB5 SB6 SB7 SB8 SB9 SB10 SB11 SB12 SB13 SB14 SB15 Q0 Q1 Q2 Q3 Q4 Q5 Q6 Q7 Q10 Q11 Q12 Q13 Q14

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端口地址 SBR1池进泥阀 SBR2池进泥阀

排泥泵 集水池高水位 集水池低水位 SBR1高水位 SBR1低水位 SBR2高水位 SBR2低水位

元件 Q1.5 Q1.6 Q1.7 Q2.0 Q2.1 Q2.2 Q2.3 Q2.4 Q2.5

说明 Q15 Q16 Q17 Q20 Q21 Q22 Q23 Q24 Q25

根据系统功能要求，合理分配PLC各I/O口。

3.2 SBR法的总体设计

3.2.1 方案设计

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。 2．粗/细格栅除污池、集水池、SBR反应池、储泥池等的液位传感器，在选型时考虑抗干扰性能，选用电极考虑耐腐蚀性。

3．粗/细格栅除污机、各个水泵、鼓风机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。

4．鼓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空气阀。

5．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。

6．PLC选用继电器输出型。自身配有24V直流电源，外接负载时考虑其供电容量[9]。

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3.2.2 硬件电路设计

1．主电路设计

SBR污水处理电气控制系统主电路如图3-3所示。

图3-3 SBR污水处理电气控制系统主电路

主回路中交流接触器KM0、KM1、KM2、KM3、KM4、KM7、KM10、KM11、KM14、KM17分别控制进水泵M0、粗/细格栅机M1、排污传送机M2、集水池进水泵M3、SBR池进水泵M4、滗水器M7、SBR1鼓风机M10、SBR2鼓风机M11、污泥泵M14和排泥泵M17。

泵体电机分别通过热继电器FR0、FR1、FR2、FR3、FR4、FR7、FR10、FR11、FR14、FR17实现过载保护。QF为电源总开关，熔断器FU0、FU1、FU2、FU3、FU4、FU7、FU10、FU11、FU14、FU17分别实现各负载回路的短路保护。

2．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。

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。

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3-4为SBR污水处理系统PLC控制外部接线图。

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图3-4 SBR污水处理系统PLC控制外部接线图 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

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

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防止电源过载损坏或影响其他输入口的信号质量 [10]。

3.3 其他资源配置

要完成系统的控制功能除了需要PLC主机及其扩展模块之外，还需要各种传感器、接触器和变频器等仪器设备。

3.3.1 接触器选型

在控制系统中，所有设备是根据控制面板上的按钮情况或者根据传感器的反馈值进行动作的，因此需要PLC根据当前的工作情况，以及按钮的情况来控制所有设备的启停，在此用到了大量接触器：如格栅机接触器、鼓风机接触器、各种泵接触器、电磁阀接触器等。在选择接触器方面，要选选择使用寿命长，适应性强，通用性强的，从而能够适用于较恶劣的污水处理环境[11]。

3.3.2 液位计选型

液位计分为两类：一类为接触式液位计，如单法兰静压/双法兰差压液位计，浮球式液位计，磁性液位计，投入式液位计，电动内浮球液位计等。第二类为非接触式液位计，主要分为超声波液位计，雷达液位计等。

投入式液位计应用十分广泛，在石油化工、冶金、电力、制药、供排水、环保等行业中都有应用。再加之其结构精巧，调校简单和安装方式灵活，用户能够轻松地使用。其有3种标准信号输出方式分别为4～20mA、 0～5v、 0～10mA，用户可根据需要任意选则。图3-5所示为一种投入式液位计。

图3-5 投入式液位计

投入式液位计利用流体静力学原理测量液位，其中间带有通气导管电缆及专门的密封技术，既保证了传感器的水密性，又使得参考压力腔与环境压力相通，从而保证了测量的高精度和高稳定性。因此，本设计选用投入式液位传感器[12]。

3.3.3 滗水器选型

SBR法由于是周期排水，排水时池内水位是变化的，进水时水位由最低升至最高，出水时水位由最高降至最低，故SBR反应池出水管位置必须设在最低

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水位以下。间歇式出水要求集中大流量排放，能在较短的时间内完成出水任务，如果出水管形状与方向不当，会扰动池中污泥层，出水时会带走大量活性污泥。因而，滗水器是SBR工艺排水的最好选择，它只撇出活性污泥沉淀后的上清水，在水位下降过程中保持水面平稳，不扰动下面的污泥层。

大体上分以下几种滗水器，控制要求不同，可以选择不同的滗水器进行排水处理。

1．固定式滗水器

优点是成本低，运行可靠，缺点是操作繁琐，管路内易吸收表面浮泥和底部沉泥。

2．虹吸式滗水器

优点是成本低，可靠性高，不易故障；缺点是滗水器下端应置于池水要求最低水位处与排水口齐平，为了泥水彻底分离，其沉淀时间比较长。

3．旋转式滗水器

优点是运行可靠、负荷大，适用于大型装置，应用最为广泛。缺点是对机械、电动装置要求较高。

4．套筒式滗水器

多为不锈钢制，造价偏高，且密封件为橡胶制品，寿命有一定限制[13]。 根据设计要求，本设计主要针对中小型城市污水处理厂，所以在滗水器性能合适的同时，降低成本很重要。虹吸式滗水器性能可靠，价格便宜，是本设计的第一选择。

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4 软件设计

4.1 PLC程序设计分析

4.1.1 整体设计流程

根据系统的控制要求，控制过程可以分为手动控制功能和自动运行功能。在手动控制模式下，每个设备可以单独运行，以测试设备的性能，如图4-1所示。

开始 N 自动? Y 自动控制 手动控制 结束

图4-1 PLC整体设计流图

4.1.2 手动设计流程

在手动模式下，可单独调试每个设备的运行，如图4-2所示。在此模式下，可以通过按钮对粗/细格栅机、鼓风机，滗水器，以及各类泵进行控制。

手动控制 粗/细格栅机启动 鼓风机启动 滗水器启动 集水池进水泵启 动 SBR池进水泵启 动 进泥泵启动 排泥泵启动

图4-2手动操作模式流程图

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4.1.3 自动设计流程

原污水 粗/细格 栅机 集水池 SBR池 滗水器 清水排出 皮带运输机 鼓风机 污泥池 图4-3 自动操作模式流程图

根据污水处理的工艺流程图编写PLC程序，在污水进入集水池之前，通过粗/细格栅及皮带运输机子程序，使污水依次经过粗/细格栅，滤除大块垃圾和漂浮物；然后污水进入集水池，到达高水位时，停止泵水，高水位指示灯亮，污水流入SBR处理池，当集水池中水位下降到低水位时，停止排水，低水位指示灯亮2S，再次泵入污水；当SBR池中污水到达高水位时，停止泵入污水，延时程序启动，鼓风机吹风，一定时间后，鼓风机停止运作，上层清水由滗水器排出，当水位下降到低水位时低水位指示灯亮并处理污泥。SBR池及进水、反应、沉淀、排水一体，由两个SBR池构成一组，轮流运转，一池一池地间歇运行。本设计由两个SBR反应池组成。

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1．粗/细格栅流程设计

粗/细格栅系统由粗/细格栅除污机各一台，由时间间隔控制其开或者停。为了调试方便，设置开10S，关10S。粗格栅/细格栅除污机在进水泵开始工作30S后开启，然后开启10S，关闭10S。设计流程图如下：

开始 N 自动运行？ Y 粗/细格栅机运行 N 运行时间到达？ Y 粗/细格栅停止，排污口打开，传送带运行 集水池高水位 手动模式 Y 运行时间到达？ N 结束

图4-4 粗/细格栅设计流图

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根据粗/细格栅设计流图编写梯形图程序如下：

图4-5 粗/细格栅梯形图

粗细格栅机(Q0.1)运行10S停止，排污传送带(Q0.2)运行10S停止，循环运行。

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2集水池设计

污水经过粗/细格栅除污机后进入集水池，当集水池处于低水位时，关闭集水池后面与其相连的所有阀门。集水池中应用2个液位传感器，实时监测集水池中水位的变化，当水位到达高/低水位时，高/低水位指示灯亮。其流程图如下：

开始 自动运行？ Y 计时30S N 手动运行 集水池进水泵启动 N 集水池是否到达高液位？ Y 集水池高水位指示灯亮2S 结束

图4-6 集水池设计流图

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根据集水池计流程图编写梯设形图如下：

图4-7 集水池梯形图

按下启动开关(I0.0)，30S后集水池进水泵(Q0.3)运作，高水位时指示灯(Q2.0)亮2S，当集水池水降到低水位时，(I0.6)闭合，集水池进水泵(Q0.3)再次运行泵入污水。

3 SBR反应池设计

本设计由2个SBR池，每个池中都有2个液位传感器监测池水的水位。SBR池内进水阀门同时开启，当1#SBR池与2#SBR池水位升到一定液位后集水池阀门，进水泵与粗/细格栅除污机全部停止。

进水阀门关闭后，空气阀门开启，污泥泵同时开启。空气阀门关闭10S后，滗水器开始运行，将池内的上清液排入河道，当SBR池液位下降到一定高度后

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滗水器停止运行，低水位指示灯亮。 剩余污泥泵在滗水器停止运行后开始运行，排泥至储泥池。低水位指示灯灭，SBR池再次进入污水。

开始 自动运行 集水池高水位？ Y SBR池进水泵运作 集水池低水位？ N N N 集水池进水 Y 结束 SBR反应池高水位？ Y 进水泵停止，鼓风机运作 N 到达设定时间？ Y 鼓风机停止，进行静置 N Y 到达设定时间 滗水器运作 N SBR池低水位？ Y 鼓风机停止

图4-8 SBR反应池设计流图

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根据SBR反应池设计流图编写梯形图程序参见附录一Network13-Network34。

集水池高水位指示灯(Q2.0)亮2S后，SBR1池进水阀（Q0.5）打开，进水泵（Q0.4）运作，SBR1池到达高水位时，指示灯（Q2.2）亮，鼓风机(Q1.0)运作，进泥阀(Q1.5)打开，进泥泵(Q1.4)运作，计时1分钟开始，计时到达，鼓风机、进泥泵停止，静置30S后滗水器(Q0.6)运作，到达低水位，低水位指示灯(Q2.1)亮2S后重新进水。SBR1池到达高水位同时I0.2动作，SBR2池开始进水，SBR2池到达高水位时，指示灯（Q2.4）亮，鼓风机(Q1.1)运作，进泥阀(Q1.6)打开，计时1分钟开始，计时到达，鼓风机、进泥泵停止，静置30S后滗水器(Q0.6)运作，到达低水位，低水位指示灯(Q2.5)亮2S后重新进水。

4.2 上位机界面设计

4.2.1 组态软件的介绍

组态软件由组态环境和模拟运行环境两个部分组成。组态环境是工程师根据需要设计自动化工程实施方案必须依赖的工作环境。首先画出控制界面，然后建立一系列用户数据文件，最终将图形与用户数据对应起来，进行编译运行就可以在模拟运行环境中看到运行效果。模拟运行环境是将目标应用程序被装入计算机内存并投入实时运行所依赖的环境。模拟运行环境由图形界面运行程序、实时数据库运行程序等若干个运行程序组成。MCGS系统结构图如图4-9所示。

图4-9 MCGS软件系统结构图

运用MCGS 6.8制作所需运行界面的一般过程：

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1．启动MCGS组态环境，建立新工程。

2．进行设备配置。首先定义连接与驱动设备用的数据变量，其目的是实现上下位机通讯，即通过设备窗口配置数据采集与控制输出设备实现计算机与智能仪表之间的连接。

3．定义数据库。首先在实时数据库窗口建立新的数据库文件，然后按要求定义不同类型和名称的变量，必须与设备要求的数据库完全一致，最后将设备与数据对应起来，从而实现画面的连续动作。

4．制作图形画面。此过程在用户窗口实现，主要用于完成工程中人机交互的界面，如：水池水位变化的动态显示、高低水位报警输出、水位历史数据与曲线图表等。

5．建立主控窗口新工程。主控窗口可以调度和管理一个设备窗口和多个用户窗口的打开或关闭。其主要的组态操作包括：定义工程的名称，设计封面图形，确定自动启动的窗口，设定动画刷新周期，指定数据存盘文件和存盘时间等。

6．链接。动画链接是将图符与数据库变量建立联系，当数据库变量发生变动时图符就表现出来。即水位发生变化时，图符会以动画的形式适时显示出来。

7．调试。当以上步骤完成以后，先进行组态检查通过后就可以进入运行环境进行调试[14]。

4.2.2 设计要求及效果

1．界面设计要求

(1) 污水处理远程计算机控制系统。它采用MCGS组态软件来控制和管理，是一套由组态软件构造和生成计算机监控系统，通过对现场数据进行采集显示、报警处理和报表输出等多种方式，以最直观的方式表现出监控对象状态与参数，从而实现流程控制，当系统出现问题时，向用户提供解决实际问题的方案。

(2) 要达到预期的监控目标，需要综合考虑系统的整体构成、工艺流程以及被监控对象的具体特征。

(3) 要拟定工程的总体规划和设想，要考虑许多问题如系统需要实现哪些功能，控制流程采用何种方式实现，需要设定何种用户窗口界面，最终达到的动画效果怎样以及怎么定义实时数据库中数据变量等。而且，必须分清变量，如那些变量是与设备相连接的，哪些变量是软件内部用来实现动画显示的等[15]。

2．界面设计效果

程序运行时首先进入主画面，显示污水处理的整个工艺流程，电机状态画面显示各个开关量的状态，液位报警窗口显示各个污水池水位的高低，并且报警灯发光。期间如果用户想对画面进行操作，包括控制和更改参数，必须有操作员或者管理员的权限。在登入状态下，不同的用户有不同的权限，可以对给予授权的

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参数进行修改。在中央控制室的操作人员都可以对现场设备进行启、停控制。

4.2.3 定义数据对象

先对系统进行分析后，再确定需要定义的数据对象。数据对象作为实时数据库的基本单元，因此定义数据对象的过程也就是建立实时数据库的过程。

定义数据对象的内容主要包括： 1．定义数据变量名称与类型；

2．确定数据变量存盘信息，如存盘的周期、存盘的时间和保存期限等。本设计需要的数据变量如图4-10所示。

图4-10 定义数据对象

4.2.4 主界面的设计

主画面显示整个污水处理厂的工艺流程。显示画面显示各个开关量的状态。如果想了解污水池的液位、电机的状态等情况，可以切换到某个分画面。点击“系统管理”将会出现下拉菜单“用户窗口管理”、“退出系统”，点击想要实现的功能。主画面上还有“液位显示”、“报警数据”、“数据显示”等菜单，点击可进入

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相应画面进行操作。

1．编辑界面

首先进入画面编辑环境，利用“插入元件”工具从元件库中选择所需要的阀门、泵、电机等设备，调整大小及位置，然后保存。画完后如图4-11所示。

图4-11 工艺流程主画面

2．动画连接

(1) 在水位监控画面中双击集水池，弹出属性设置窗口，进入“动画连接”页如图4-12所示。

图4-12 将集水池进行动画连接

(2) 选中“折线”，右端出现的〉。

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(3) 单击〉进入属性设置窗口。在“大小变化”页按图4-13进行属性设置。

图4-13 缩放连接

(4) 单击“确认”按钮，完成粗格栅除污池的设置。

(5) 用同样的方法建立SBR1池与液位2及SBR2与液位0之间的动画连接。注意设置参数，表达式：液位2、液位0；最大变化百分比对应表达式的值：100。

(6) 单击“保存”按钮。

(7) 进入允许环境，按下开始按钮，可观察到水罐水位的升降变化的动画效果。

4.2.5 实时报警

实际运行时，可能会发生参数越限情况。报警显示是最基本的安全手段。实时报警可提示操作人员进行及时处理，避免事故发生。历史报警能对指定时间内的所有参数越限情况进行记录、显示和打印，以便对系统运行情况进行分析。特别是在事故发生后，这种分析对于调查事故发生的原因很重要，本系统需设置报警的数据对象是水位1。

首先对组对象进行定义，然后双击“用户窗口”中的“水位监控”窗口，进入该画面。选取“工具箱”中的“报警显示”构件。如图4-14所示。

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图4-14 报警窗口

双击报警窗口，弹出属性设置窗口，如图4-15所示。

图4-15 报警窗口属性设置

4.2.6 设备连接

在工作台“设备窗口”中双击“设备窗口”进入，点击工具条中的“工具箱”图标，点击“设备管理”按钮。在通用设备中选择“通用串口父设备”和“西门子_S700PPI”，点击确认。在设备管理中先双击“通用串口父设备”再双击“西门子_S700PPI”。使“西门子_S700PPI”成为“通用串口父设备”的子目录。双击“通用串口父设备”设置如图4-16所示。

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图4-16 通用串口父设备属性编辑

以上参数设置，要按照所通讯设备的要求来设置，如果设置错误，会导致无法正常通讯。在设置过程中需要注意串口端号的选择，其选择需要与连接PLC的串口端号一致，“数据校验方式”选择“2-偶校验”，否则在需要PLC连接实现实时监控时会出现图4-17显示的界面。

当与PLC连接出现图4-17所示的画面时，需要做以下检查：PLC端口连接是否正常；PLC端口设置是否与上述“通用串口父设备属性编辑”中各属性的的设置一致；PLC是否被其它设备占用，在MCGS下载过程中需要停止PLC编程软件“V4.0 STEP 7 MicroWIN SP6”的使用，否则，该软件占用PLC端口，会出现图4-17显示的界面。

图4-17 通信设备初始化失败图

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选择“设备工具箱”添加“西门子_S7200PPI”驱动。本驱动构件用于MCGS软件读写西门子S7200系列(包括S7_21X、S7_22X等)PLC设备的各种寄存器的数据，采用西门子PPI协议，串口子设备，须挂接在“通用串口父设备”下才能工作。添加完成之后双击，对其属性设置，如图4-18所示。

图4-18 添加驱动图

选择“内部属性”可以增加和删除通道，如图4-19所示。

图4-19 通道属性设置

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西门子_S7200PPI驱动可以添加的通道类型如下：I输入映象寄存器、Q输出映象寄存器、M中间存储器、V数据存储器、SM特殊寄存器、AI寄存器、AQ寄存器、T时间寄存器、C计数寄存器、HC寄存器。根据实时数据库中设置的各开关量以及PLC编程中使用的各I/O口，增加合适的通道用来与PLC通信。

4.2.7 脚本程序介绍

打开“运行策略”窗口，单击右侧“新建策略”选择“循环策略”，双击新建的循环策略进入，双击设为：500ms，单击确定。

在策略组态中，右击中的

图标选择“新增策略行”，此时会出现一条策略，

但没有添加脚本程序。如果需要添加脚本程序而没有策略工具箱，请单击工具条

图标，弹出“策略工具箱”，单击“策略工具箱”中的“脚本程序”，把

上，单击鼠标左

鼠标移出“策略工具箱”，会出现一个小手，把小手放在加后如图4-20所示。

图4-20 添加脚本图

图标进入“策略属性设置”，设定“循环时间”

键，出现脚本程序策略行，可以进行脚本程序的添加，脚本程序可添加多个，添

为使界面能够单独运行，所以在集水池、SBR1池、SBR2池进/出水需要用到脚本程序，其中鼓风机运作时间控制需要用到定时器或者延时函数。控制本次设计模拟运行的的脚本程序参见附录二。

经过以上设计，最终设计MCGS手动界面如图2-21所示。

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图4-21 手动界面

在手动模式下，可以对进水泵、进泥泵、鼓风机、滗水器和出泥泵进行单独控制，当集水池到达高/低水位时，进行高/低水位报警。

MCGS自动界面如图4-22所示。

图4-22 自动界面

在自动模式下，首先在输入框输入运行次数，否则不能运行。设定好运行次数，按下start开关，系统自动运行，当到达设定次数时，系统停止。在集水池下方的方框可以显示集水池中的水位情况，两个SBR池间歇进水、反应、出水，当集水池到达低水位时，集水池重新进水，整个系统运行正常。

本设计还设定了，SBR池高低水位报警设定，集水池和两SBR池水位实时曲线、历史曲线显示，如图4-23所示。

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图4-23 报表输出

系统无论进入自动模式还是手动模式，可以根据需要设定两SBR池水位上限和下限，其上下限值初始设定分别为450和50，当到达此水位时，进行报警显示。集水池和两SBR池的实时水位情况可以在图4-23左上角显示，历史水位情况在图4-23右上角显示。

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5 调试

经过长时间的前期准备工作，在电脑上进行模拟仿真，确定程序无误，考虑到软件模拟与现实中存在一定的误差，在模拟调试完成之后需要进入实验室进行实物试验调试。试验调试就是根据工业应用的特定环境对设计进行检查，看它是否能达到预期的目标。然后根据现场各种状况来进一步完善设计，达到设计要求。

5.1 模拟调试

限于实验室条件的限制，需要先利用软件对已经设计好的PLC程序进行模拟调试，本次设计采用S7_200汉化版的软件对PLC程序进行模拟仿真。其主界面如图5-1。限于该软件条件的限制，需修改PLC程序中部分I/O端口再进行模拟仿真。

图5-1 S7_200主界面

可以在“配置”菜单下选择需要的PLC型号。使用该软件模拟之前需要将已经编写好的PLC程序在“V4.0 STEP 7 MicroWIN SP6”软件环境中“编译”并“导出”。将导出的文件装载进S7_200汉化版软件，选择“程序”下的“装载程序”如图5-1。装载完成之后即可启动程序，对已经编写好的PLC程序进行模拟仿真。

启动系统，按下I0.0进水泵Q0.0启动，5秒钟以后粗/细格栅除污机Q0.1、Q0.2及集水池进水泵Q0.3同时启动，如变化如图5-2所示。

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