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1、-基于s7-300PLC污水处理系统中的应用毕业论文设计-第 51 页西南科技大学本12电气电2班毕业生毕业论文题 目: 基于s7-300PLC污水处理系统中的应用专业班级： 电气自动化 学生姓名： 学 号： 2014 年 8 月 29 日摘 要随着经济建设的快速发展与人口的急剧增长，我国对环境问题也是越来越重视，污染控制指标日益严格。其中污水处理厂的规模也是相对的变大了许多，污水处理厂的管理和设备的控制面临着严峻的考验。集散控制系统运用污水处理中可以大大的提高污水处理的可靠性，以及出水的水质，降低能耗和工人的劳动强度，达到提高经济效益的目的。根据SBR污水处理工艺要求，本文讲了如何实现集散控
2、制系统对污水处理系统各环节的自动控制，其中主要讲了预处理区、粗细格栅、提升泵、沉淀池这几部分的自动控制。该系统选用S7-300PLC作为控制设备，把DCS系统用于SBR工艺。通过系统软件硬件的设计与调试，进一步实现了用西门子PLC对现场设备的自动控制和数据采集功能，能达到设计要求。关键词：DCS系统，SBR工艺，S7-300PLCABSTRACT With the rapid growth of the rapid development and population of economic construction, our country pay more and more attenti
3、on to environmental problems, pollution control index of increasingly stringent. The size of the sewage treatment plant is relative larger number, control management and equipment of the sewage treatment plant is facing a severe test. Distributed control system applied in sewage treatment can greatl
4、y improve the reliability of sewage treatment, and the effluent quality, reduce the energy consumption and labor intensity of workers, improve the economic benefit.According to the SBR sewage treatment process requirements, this paper explained how toealize the automatic control system of the sewage
5、 treatment system, which is mainly about the pre-processing area, thickness grille, lifting pump, automatic control of sedimentation tank of these parts. The system adopted S7-300PLC as the control device, the SBR technology for DCS system.Through the design and debugging of the hardware and softwar
6、e, further realizes automatic control and data acquisition of field devices with Siemens PLC, can meet the design requirements.Keywords: SBR technology, DCS system, S7-300PLC目 录第一章 绪论11.1 概述11.2 本课题研究背景与意义：11.3 国内外污水控制现状：21.4 国内污水处理分析：4第二章 污水处理工艺及主要构筑物52.1 水处理概述52.2 SBR污水处理工艺52.3 污水处理流程图62.4 污水处理主要构
7、筑物72.5 污水处理厂集散控制系统8第三章 硬件部分设计113.1 PLC工作原理及特点113.2 西门子S7-300PLC123.2.1 选用s7-300的优势123.2.2 s7-300与s7-200s7-400和三菱的比较133.3 传感器的选择143.3.2 PH传感器的选择143.3.3 DO仪的选择（含氧量）153.4 污水处理生产监控系统总体设计15第四章 PLC程序设计164.1 STEP7软件的介绍164.2 预处理区PLC控制程序174.2.1 粗格栅PLC控制程序174.2.2 提升泵PLC控制程序184.2.3 细格栅PLC控制程序204.2.4 沉淀池PLC控制程序
8、214.3 反应池PLC控制程序244.4 污泥处理池PLC控制程序27第五章 污水处理的系统调试305.1 STEP7的编程语言305.2系统组态305.3 用STEP7编程软件调试315.4 显示仿真 CPU 的LED指示灯325.5 PLC软件、硬件的调试325.5.1调试分模拟调试和联机调试325.5 结果33设计小结34致谢35参考文献36附录预处理区PLC控制程序37附录A粗栅格PLC控制程序37提升泵PLC控制程序42沉淀池PLC控制程序44附录B反应池PLC控制程序47第一章 绪论1.1 概述我国是个缺水的国家，人均水资源占有量只为世界人均水资源占有量的1/4。 而且我国的水资
9、源在时空和地域上分布不均匀，更加重了缺水的实际情况。因此 近些年来，我国的城市水资源情况进一步紧张，许多城市严重缺水。与此同时， 水资源的污染日益严重，也因此许多城市都规划和建设了污水处理厂，来改变目 前水资源紧缺且污染的现状。 我国城市污水处理事业是在80 年代初逐步发展起来的，经过几十年的发展已 经初具规模，但是，与国外同期的城市污水处理厂相比，我国的污水处理事业则 呈现出效率低、自动化程度低、能耗高且运行费用高等缺点。 随着全球水资源供应的紧张和对自动化要求的增加，我国的污水处理厂无疑 向着高度自动化和无人职守的方向发展。目前由于PLC 在稳定性和高度自动化程 度不断加强，使PLC 成为
10、在城市自动化污水处理方面的首选。 应用PLC 技术处理污水的意义 污水处理是能源密集(energy intensity)型的综合技术。一段时期以来,由于能 耗大、运行费用高等一系列的不便，在一定程度上阻碍了我国城市污水处理厂的 建设,建成的一些处理厂也因能耗原因处于停产和半停产状态。在今后相当长的一 段时期内,能耗问题将成为城市污水处理的瓶颈。能否解决污水厂的能耗问题，合 理进行能源分配，已成为决定污水处理厂运行效益好坏的关键因素。能耗是否较 低，也是未来新的污水处理厂可行性分析的决定性因素，开发能效较高的污水处 理技术，合理设计及运行污水处理厂，必将是未来污水处理厂设计和运行的必由 之路。1
11、.2 本课题研究背景与意义：随着中国城市化，工业化的迅速发展，水资源的需求也日益增大。首先，水资源的短缺与其过低的利用率正严重的制约着我国城市化的快速进程。其次，对环境保护要求的日益提高，对工业污水的排放和生活污水的处理都在努力的追赶世界上的发达国家，并争取与国际标准接轨。在次，为了人们健康安全的生活环境，饮用水和生活用水的质量要求也在不断地有所提升。我国的污水处理自动化控制起步较晚，进入上世纪90年代以后污水处理厂才开始引入自动控制系统，由于国家和各级政府对环境保护的不断提高，中国污水处理行业正在快速增长，污水处理总量也在逐年上升，城镇污水处理率不断提高，污水处理行业很快成为了新兴产业。但是
12、，中国污水处理行业仍处于发展阶段，一方面，中国目前的的污水处理能力还跟不上用水规模的迅速扩张，管网、污泥处理配套设施建设的严重滞后。另一方面，中国的污水处理率与发达国家相比较，还存在着差距。1.3 国内外污水控制现状：我国城市污水处理在建国四十多年来取得是很大的成就，污水处理技术随着水污染控制与环境治理的实践，在吸取国外技术经验的同时，结合我国国情的特点，逐步改进提高，初步形成了一些适用的技术路线，主要如下：a.对传统活性污泥法进行改造或予以取代后的人工生物净化技术路线b.以自然生物净化为主的人工生物净化与自然生物净化相结合的技术路线；c.以深水扩散排放为主，处理为辅的技术路线；d.以回用为目
13、标的污水深度处理技术路线，结合该污水处理工程的具体情况分析进行选择。首先，c和d这两种技术路线对于自然环境条件因素要求较高，从而不可取，所以应选a和b两种路线。尤其是以b这种路线应予以推广，因为随着环境状况的日趋严峻，用水问题越发突出，从而对于水的合理使用必将是大家特别重视的课题，所以，下面着重分析以自然生物净化为主与人工生物净化相结合的技术路线和传统活性污泥法进行改造或予以取代后的人工生物净化技术路线。对于大规模污水处理厂来说，主要指氧化塘处理和土地处理法，它们都具有运行费用低，外加能源消耗少及管理简单的优点，在我国一些城市也被因地制宜的采用。氧化塘一般分为好氧氧化塘、厌氧氧化塘、兼性氧化塘
14、及曝气氧化塘，它们所需要的停留时间都很大，一般需要几天到几十天，占地面积很大，而且对周围环境卫生的影响较大，需要慎重考虑，所以，在没有低洼地可利用的情况下若购置、占用大量的良田、平地筑塘是相当不经济的，据本工程的情况不宜采用氧化塘处理。土地处理法，就是按照要对污水达到处理的同时达到对控制渗流污染的要求，有计划的将污水排放到大面积的土地上下渗，利用土壤的过滤、吸附、分解以及土壤微生物的代谢能力等物理、化学、生物化学等作用，使水达到净化，这种方法有利于污水中水肥资源的利用和土壤微粒结构的改善，但是，这种处理需要广阔的土地面积，而且要注意对地下水的污染问题。在我国人均土地面积不足的情况下，土地处理法
15、必须与污水的灌溉利用和污水土地利用处理还有一定差距。人工净化就是人为的创造条件，使微生物大量繁殖，提高污水中微生物对水的净化效率，主要包括活性污泥法与生物膜法，其中以活性污泥法采用较为普遍，是目前国内外城市但是也污水处理的主体工艺。传统活性污泥法净化已有较丰富的实践经验和技术资料，运行可靠，果好，存在能耗较多和费用高等特有以下特点：a.能可靠的运行并保证水质净化的要求；b.不需要占用大面积的土地；c.处理后污水即可用于灌溉、非灌溉季节排放，又不会造成污染；d.为以后在经济条件可以的情况下，进行三级处理供工业回用打下基础。而国外的污水处理控制系统的特点：a.采用集散控制系统和现场总线控制系统，按
16、照企业厂区的自身情况和工艺分成很多个控制站，相互之间一般独立运行。并设有能中央控制室，在中央控制室里进行数据记录和分析。b.在线监测水质和其他因素的传感器被大量采用，实施对水质的实时监控大大的提高了检测精度。c.处理工艺中还采用了智能控制和通信设备，为监控系统的运行提供相应的调整控制方式和信息。与国外的污水处理相比较，我国的污水处理自动化起步较晚还有较多的不足：a.大部分以前建造的污水处理厂自动化程度很低，不能很好地实现。b.我国的在线仪表的稳定性还没达到要求，好需要进一步提高。c.在使用进口的仪表、级仪器的维护方面存在很多的技术问题。d.我国的污水处理厂控制系统的监护和通讯功能在硬件及软件方
17、面存在极大的不足，对处理的效率和经济有很大的影响。1.4 国内污水处理分析：国内污水处理由于资金成本、环保意识等种种原因。污水处理的现状还是与国外存在很大的差距。主要的处理方法有：活性污泥法（最为普遍）、生物膜法、反渗透法、离子交换法。 当然这些方面宗合使用效果更加。以下介绍下最为普遍的活性污泥法：基本原理 A/O是Anoxic/Oxic的缩写，它的优越性是除了使有机污染物得到降解之外，还具有一定的脱氮除磷功能，是将厌氧水解技术用为活性污泥的前处理，所以A/O法是改进的活性污泥法。 A/O工艺将前段缺氧段和后段好氧段串联在一起，A段DO不大于0.2mg/L，O段DO=24mg/L。在缺氧段异养
18、菌将污水中的淀粉、纤维、碳水化合物等悬浮污染物和可溶性有机物水解为有机酸，使大分子有机物分解为小分子有机物，不溶性的有机物转化成可溶性有机物，当这些经缺氧水解的产物进入好氧池进行好氧处理时，提高污水的可生化性，提高氧的效率；在缺氧段异养菌将蛋白质、脂肪等污染物进行氨化（有机链上的N或氨基酸中的氨基）游离出氨（NH3、NH4+），在充足供氧条件下，自养菌的硝化作用将NH3-N（NH4+）氧化为HO3-，通过回流控制返回至A池，在缺氧条件下，异氧菌的反硝化作用将NO3-还原为分子态氮（N2）完成C、N、O在生态中的循环，实现污水无害化处理第二章 污水处理工艺及主要构筑物 2.1 水处理概述 基本概
19、念：简单讲，“水处理”便是通过物理及化学的手段，去除水中一些对生产和生活不需要额的物质的过程。是为了适用于特定的用途而对水进行的沉降及过滤等水质调理的过程。常用的水处理包括：污水处理和应用水处理两种。一般包括一下三级处理：一级处理是通过机械处理，如格栅和沉淀，去除污水中所含的石块、砂石和脂肪、铁离子、锰离子、油脂等。二级处理是生物处理，污水中的污染物在微生物的作用下被降解和转化为污泥。三级处理是污水的深度处理，它包括营养物的去除和通过加氯、紫外辐射或臭氧技术对污水进行消毒。可能会根据处理的目标和水质的不同，有的污水处理过程并不是包含上述所有过程。2.2 SBR污水处理工艺 SBR污水处理工艺即
20、序批式活泥法，全称：序列间歇式活性污泥(Sequencing Batch Reactor Activated Sludge Process),简称SBR间歇式活性污泥法污水处理工艺，SBR工艺。它是近几十年来活性污泥处理系统中较引人注目的一种废水处理工艺。自20世纪80年代起，国外将此工艺逐步应用与工业化生产。近年来，国内对SBR工艺的应用也日益增多。从我国及美国、加拿大等国家的应用情况看，SBR是一种高效、经济、可靠、管理简便、适合中小水量污水处理的工艺，符合我国国情的活性污泥法，有广阔的应用前景。它是基于以悬浮生长的微生物在好氧条件下对污水中的有机物、氨氮等物污染物进行讲解的废水生物处理活
21、性污泥的工艺。按时序来间歇抱起方式运行，改变活性污泥生长环境的，被全球广泛认同和采取的污水处理技术。1.工艺流程一种具有代表性的SBR工艺流程是：通过格栅预处理的废水进入集水井，由潜污泵提升进入SBR反应池，采用水流曝气机充氧，处理后的水又排水管排出，剩余污泥静压后，有SBR池排入污泥井，污泥作为肥料。分批式操作：时间分割的操作方式替代空间分割的 空间操作方式，如SBR运用周期由进水时间、反应时间、沉淀时间、滗水时间、排泥时间和空闲时间，可以适当灵活调节。2.工艺特点SBR工艺优点：污水适应性强，建设费用较低。缺点：运行稳定性差，容易发生污泥膨胀和污泥流失，分离效果不够理想。3.适用范围（1）
22、中小城镇生活污水和厂矿企业的工业污水，尤其是间歇排放和流量变化较大的地方；（2）需要较高出水水质的地方，如风景游览区、湖泊和港湾等，不但要去除有机物还要求出去水中的磷，防止和湖泊的富营养话化；（3）水资源紧缺的地方。SBR系统可在生物处理后进行物化处理，不需要增加设施，便于水资源的回收利用。（4）用地紧张的地方。（5）对以建设的污水处理厂的改造等。4. SBR工艺还有独特的特点。优点：(1)处理工艺流程简单分为五个阶段：进水、曝气、沉淀、排水、待机。(2)构建物数量少、造价低：不需要设出沉池及二沉迟，污泥回流设施，调节池也可省略。便于操作和维护管理。避免了传统厌氧反应器处理效率低、占地大的缺点
23、。(3)结构简单2.3 污水处理流程图首先污水通过总管道进入污水处理系统。污水首先经过粗栅格过滤掉较大的杂质，然后污水经过细栅格过滤掉较小的杂质，由提升泵输送到沉淀池。接下来在沉淀池中进行水质的调节，为下一步的反应池的处理进行准备。污水由提升泵打到反应池中进行岀磷脱氨处理。反应完成后上层的清澈液取出供用户使用。池底的污泥一部分通过剩余污泥泵返回反应池，另一部分送到污泥处理车间进行泥饼的制作。工艺流程图如图2.3.1所示：图2.3.1污水处理流程图2.4 污水处理主要构筑物 1.格栅间在排水工程中，格栅是用来去除可能堵塞水泵机组及管道阀门的较粗大悬浮物，并保证后续处理设施能正常运行，是由一组（或
24、多组）想平行的金属栅条和框架组成，倾斜安装在进水的渠道里，或进水泵站集水井的进口处，以拦截污水中粗大的悬浮物及杂质。其主要由进水井、过水渠组成。格栅采用阶梯式格栅：阶梯式格栅除污是从国外的一种新型格栅除污设备，其运作特点是没有耙斗，使用成排的阶梯式栅条，靠隔排栅条固定，隔排栅条可移动，运作时栅条向上旋转，将截留的栅渣输送至上一个阶梯，一级一级到达顶部的卸料口。阶梯式格栅是一种自清式棒式细格栅，具有去除污物效率高、耐磨损、体积小、结构灵活和可提升出水面维修等优点。常见的其他类型细格栅清污机安装就位后，地面以上部分一般有2m高度，而阶梯式细格栅只需约0.6m，所需净空较低，可降低厂房高度。2.沉淀
25、物其按使用功能分为初次沉淀池和二次沉淀池。初次沉淀池是生物处理法中的预处理，去除30%的BOD5和55%的悬浮物；二次沉淀池是生物处理构筑物后，是生物处理工艺的组成部分。其按水流方向分为平流式沉淀池、竖流式沉淀池和辐流式沉淀池三种。平流式沉淀池的池型是长方形，一端进水，另一端出水，储泥斗在池进口；竖流式沉淀池的池内水流由上而下，而拂柳是沉淀池的水流向四周辐流，他们的池型多位圆形，也有放行或多边形的，在池中央进水，池四周出水，储泥斗在池中央。沉淀池一般有竖流式、平流式、斜管/斜板式、以及辐流式等等。根据位置可分为初沉、中沉和后面的二沉地，初沉主要是出沙和SS（大颗粒悬浮物），中沉和二沉一般是沉降
26、活性污泥或者化学反应产生的其它污泥。其作用是用来处理废水中的固体悬浮物，使进入下一个沉淀池的废水渣滓更少；否则，直接排入二级沉淀池会堵塞过滤通道。无法实现二次果绿的目的。3.曝气池曝气池是生化处理的主反应池，是污水处理的主要工艺阶段。利用活性污泥法进行污水处理的构筑物。池内提供一定污水停留时间，满足好氧微生物所需要的氧量以及污水与活性污泥充分接触的混合条件。曝气池说简单点就是普通的活性污泥池，曝气池利用活性污泥法进行污水处理的构筑物。池内提供一定污水停留时间，满足好氧微生物所需要的氧量以及污水与活性污泥充分接触的混合条件。4.污泥消化池消化污泥是经过好氧消化或厌氧消化的污泥，所含有机物质浓度有
27、一定程度的降低，并趋于稳定，又被熟污泥。在好氧或厌氧条件下进行消化，使污泥中挥发物含量降低到固体相对地不易腐烂和不发恶臭，污泥厌氧消化的目的：减少污泥体积、稳定污泥性质、提高污泥的脱水效果、利用产生的甲烷气体。典型的污泥处理的工艺流程，包括四个处理或处理阶段。第一阶段为污泥浓缩，主要目的是使污泥初步减容，减小后续处理构筑物的容积或设备容量；第二阶段为污泥消化，使污泥中的有机物分解；第三阶段为污泥脱水，是污泥进一步减容；第四阶段为污泥处置，采用某种途径将最终的污泥予以消纳。2.5 污水处理厂集散控制系统DCS是分散控制系统（Distributed Control System）的简称，国内一般习
28、惯称为集散控制系统。集散控制系统是以微处理为基础的对生产过程进行集中监视、操作、管理和分散控制的集中分散控制系统，简称DCS系统。基本思想是分散控制、集中操作、分级管理、配置灵活、组态方便。1.DCS的特点(1)高可靠性：由于DCS将系统控制功能分散在各个计算机上实现，系统结构采用容错设计，以此当一台计算机出错时不会导致系统的其他功能的丧失。此外，由于系统中的各个计算机所承担的任务比较单一，可以针对需要实现的功能采用具体特定结构和软件的专用计算机，从而系统的可靠性大大提高。(2)开放性：DCS采用开放式、标准化、模块化，系统中各个计算机采用局域网方式通信及传输，当需要改变或扩充系统功能时，可将
29、新增计算机便捷的连入系统通信中或从网络中卸载下来，几乎不会影响其它计算机的工作。(3)灵活性：通过组态软件根据不同的流程应用对象进行软件组态，即确定测量与控制信号及相互连接关系、从控制算法库选择适用的控制规律以及从图形库调用基本图形组形成所需的各种监控和报警画面，从而方便地构成所需的控制系统。(4)协调性：各工作站之间通过通信网络传送各种数据，整个系统信息共享，协调工作，以完成控制系统的总体功能和优化处理。2.分散控制系统的结构从结构上划分，DCS包括过程级、操作级和管理级。过程级主要由过程控制站、I/O单元和现场仪表组成，是系统控制功能的主要实施部分。操作级包括：操作员站和工程师站，完成系统
30、的操作和组态。管理级主要是指工厂管理信息系统（MIS），作为DCS更高层次的应用，目前国内纸行业应用到这一层的系统较少。DCS的控制程序：DCS的控制决策是由过程控制站完成的，所以控制程序是由过程控制站执行的。典型的DCS体系结构如图2.5.1所示：图2.5.1典型的DCS体系结构3.分散控制系统过程控制站的组成DCS的过程控制站是一个完整的计算机系统，主要由电源、CPU（中央处理器）、网络接口和I/O组成。I/O：控制系统需要建立信号的输入及输出通道，这就是I/O。DCS中的I/O一般是模块化的，一个I/O模块上有一个或多个I/O通道，用来连接传感器和执行器（调节阀）。I/O单元：通常，一个
31、过程控制站由几个机架组成，每一个机架可以摆放一定数量的模块。CPU所在的机架被称为CPU单元，同在一个过程站中只能有一个CPU单元，其他只用来摆放I/O模块的机架就是I/O单元。第三章 硬件部分设计 3.1 PLC工作原理及特点 国际电工委员会IEC对对PLC的定义：是一种数字运算操作的电子系统，是专门为在工业环境下应用而设计的。不仅可以进行逻辑控制，也可以对模拟量进行控制。它采用一类可编程的存储器，由于其内部存储程序，执行逻辑运算，顺序控制、定时、计数与算数操作等面向用户的指令，并通过数字量或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。PLC及其有关外部设备，都按易于与工业控制系统联成一个
32、整体，易于扩冲其功能的原则设计。1.基本工作模式PLC分为停止和运行模式(1)停止模式：当处于停止工作模式时PLC只进行内部处理和通信服务等内容。(2)运行模式：分为内部处理、通信操作、输入处理、程序执行、输出处理五个阶段。2.PLC的工作方式集中采样、集中输出、周期性循环扫描，“串行”工作方式。(1)扫描周期：PLC是以循环扫描来工作的，每一次扫描所用的时间称为扫描周期。与CPU的运算速度、I/O点的情况、程序的长短等有关。一般1-10ms/K。(2)输出滞后：指从PLC的外部输入信号发生变化至它所控制的外部信号发生变化的时间间隔。一般由输入模块的滤波时间、输出模块的滞后时间、扫描方式引起。
33、(3)由于PLC是集中采样，在程序处理阶段即使发生了变化，输入映像寄存器中的内容也不会变化，要到下一个周期的输入采样阶段才会发生改变。3.PLC的特点(1)高可靠性：大量的开关动作由无触点的半导体电路来完成，另外还采取了屏蔽和滤波等抗干扰措施，平均故障时间3-5万小时。(2)丰富的I/O借口：对不同的工业信号（如交流、直流、电压、电流、开关量、模拟量、脉冲等）都有相应的I/O模块与工业现场的器件或设备（如按钮、行程开关、接近开关、传感器、变送器、电磁线圈、电机的启动等）直接连接。(3)灵活性：不必为每套设备配置专用的控制装置，只需改变程序就可。(4)采用模块化结构(5)便于改进和修正(6)节点
34、利用率高(7)模拟调试(8)对现场进行监视(9)快速动作(10)体积小、质量轻、功耗低(11)编程简单、使用方便3.2 西门子S7-300PLC 西门子S7可编程主要包括300/400两个系列，S7-300是中型的PLC，S7-400是大型的PLC。S7-300PLC功能强、速度快、扩展灵活，它具有紧凑的无槽位限制的模块化结构。S7-300采用U下背板总线将各个模块连接起来，可利用MPI、PROFIBUS和工业以太网组成网络。1.S7-300的系统结构S7-300PLC是模拟是中小型的PLC，电源CPU盒其他模块都是独立的，可以通过U形总线把电源（PS）、CPU和其他模块紧密的固定在S7-30
35、0的标准导轨上。每一个模块都有一个总线连接器，后者插在各模块的背后。电源模块总是在最左边然后紧跟CPU过后是IM接口模块（如果只用主架导轨就不用选择IM模块）2.S7-300CPU模块CPU模块是控制系统的核心，负责系统的中央控制责任，存储并执行程序，实现通信功能，为U形总线提供5V电源。CPU有4种操作模式：STOP（停机），STARUP(启动),RUN(运行)和HOLD(保持)。在所有的模式中，都可以通过MPI接口与其他设备通信。3.2.1 选用s7-300的优势本设计选用的是西门子的SIMATIC系统PLC的S7-300。SIMATIC控制器提供了面向未来的投资，可以做到主动、柔性、经济
36、的响应新挑战，能给用户带来如下好处：1.高速CPU和强大的工艺功能可以带来更高的生产率。2.强大的CPU和超大的内存容量可以集成新的功能。3.控制器尺寸减小，大量的集成功能和无机柜操作可以减小机器体积。4.高效的工程软件，全集成自动化带来的集成性和应用程序的可重用性可以带来更低的市场响应时间。5.分布式自动化可以减少安装和调试的时间和费用。6.对于标准和故障安全要求的应用可以共用一套系统。强大的诊断功能可以提高机器和工厂的可靠。7.全球190个国家和全面的SIMATIC支持可以增加机器和工程的出口机会。S7-300属于模块式PLC，主要由机架、CPU模块、信号模块、功能模块、接口模块、通信处理
37、器、电源模块和编程设备组成。SIMATIC S7-300是一种中型的PLC，能适合自动化工程中的各种应用场合，其模块化，无风扇结构，易于实现分布式的配置以及易于掌握等特性，使得S7-300在实施各种控制任务时，成为一种即经济又切合实际的解决方案。它的主要特点有：1.速度快：极其快速的指令处理大大缩短循环周期。2.存储容量大。3.功能强：极强的计算性能、强劲的内部集成功能、全面的故障诊断功能、用户程序的多级口令保护、采用不同性能级别的CPU，广泛的适用于应用场合。4.良好的扩展性能：一个系统除一个主机架外，根据需要最多可扩展至3个扩展机架，最多可以安装32个模块，每个机架可以插入8个模块；主机架
38、与扩展机架之间通过接口模块连接；每个机架可以远距离独立安装，两个机架之间最长距离可达10米。5.极强的网络通讯能力：可以通过通讯处理器连接AS1接口、PROFIBUS和工业以太网总线系统和点到点的通讯系统，或通过集成在CPU中的多点接口(MPI)连接编程器、PC机、人机界面系统及其它SIMATIC S7/M7/C7等自动化系统。S7-300可以支持过程通讯和数据通讯两种通讯形式。6.采用无限制的模块化结构，便利的连接系统，易于安装维护。3.2.2 s7-300与s7-200s7-400和三菱的比较西门子S7-300与S7-200和S7-400相比：S7-200系列PLC是一种小型PLC，适用于
39、对性能要求不高的场合，通讯功能比较弱，不利于上、下位机的通讯，同时功能比较简单，不能满足要求；S7-400是大型的PLC，可以挂接300多个模块，H系列和HF系列可以完成硬件的冗余，具有极高的处理速度和卓越的通讯性能，可以应用与一些特殊要求的领域，它主要应用于大型集散控制系统中。由于S7-300是模块中小型PLC，在一个系统中最多可扩展32个不同的应用模块，可以满足绝大多数的应用场合，甚至能完成冗余，可以满足工艺控制要求，所以不必选择S7-400来增加成本。西门子S7-300与日本三菱相比：过程控制与通信控制西门子是强项，西门子的模拟量模块价格便宜，程序简单，而三菱的模拟量模块价格昂贵，程序复
40、杂，西门子做通信也容易，程序简单，三菱在这块功能较弱。例如某设备只是些动作控制，如机械手，可选择三菱的PLC，某设备有伺服或步进要进行定位控制，也选三菱的PLC;像中央空调，污水处理，温度控制等这类有很多模拟量要处理的就要选西门子的PLC比较合适，某设备现场有很多仪表的数据要用通信进行采集，选西门子的好控制。所以经对比从实用性、经济性等各个方面来看，选用德国西门子的S7-300完成本次课题设计。3.3 传感器的选择 传感器（transducer/sensor）是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并按一定的规律变换为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制
41、要求。它是实现自动控制和检测的重要环节。3.3.1液位传感器以及液位差传感器的选择超声波液位计是一种非接触式液体液位测量仪。可用于测量各种容器或管道内液体的液位高低和流量大小，也可用于水泵、水库、江河的水位测量尤其适用于污水、有腐蚀性的场合。本系统选择西门子7ML5211-1DA11液位传感器（量程1-5米），作为沉淀池、反应池、污泥处理池的液位高度测量仪器。一方面这个量程可以避免由于盲区导致测量误差，同时可以满足工艺要求。3.3.2 PH传感器的选择本系统PH传感器主要用于检测反应池以及污泥处理池中污水浓度。因为PH值得大小会严重的影响反应程度以及污泥的效果。因此这里选用MTTERTOLED
42、O生产的PH传感器型号为PH2100-PA。该PH传感器可直接与PROFIBUS-DP网络通信可以很方便的实现与集散控制系统的挂接。3.3.3 DO仪的选择（含氧量）污水处理反应池中的氧气的浓度直接影响反应程度以及决定出水质量。因此检测反应池中氧气的浓度是十分必要的，以便保证反应池中的有氧和无氧反应的进行彻底，提高出水质量。本系统选择上海宇策电子有限公司代理的YC6308DTF溶氧仪。该DO仪具有一个RS485接口可以方便的实现PLC进行连接，实现在线的检测。3.4 污水处理生产监控系统总体设计 1.总体功能设计本文的集散控制系统上位机采用PC机作为操作员站，主要实现监控功能和对现场设备状态调
43、整的功能 。下位机采用PLC作为现场控制站，主要实现对现场设备的控制、数据采集和反馈功能。上位机采用普通的PC机加CP5613通信卡，通过插在PCI插槽的CP5613通信卡实现与下位机的通讯。由于监控室没有强的干扰源，以此采用普通的PC机可以保证与下位机的通讯稳定。同时由于数据传输量不是很大可以满足通讯处理要求。由于PC机配置比较高，可以及时处理控制过程中产生的数据，可以满足工艺要求。2.具体结构根据本系统SBR工艺的具体要求工艺流程的控制要求，污水处理系统主要分为三个区，即预处理区、反应池区、污泥处理区，其中预处理区主要实现机械处理阶段，过滤较大的杂质，同时调节水质。反应池区主要是生化处理阶
44、段。污泥处理区主要针对水处理产生的污泥进行处理，由于工艺是独立的所以单独划分为一个区。因此采用三台PLC作为下位机，实现对现场设备的控制。同时PLC可以适应严酷的工作环境，同时还能保证工作的稳定性。其中对预处理区的控制主要包括粗格栅、细格栅、提升泵、沉淀池四个主要工艺设备的自动控制。反应池区主要包括两个SBR反应池。污泥处理区主要包括对输送机、浓缩脱水一体机以及一些经出水阀门。第四章 PLC程序设计4.1 STEP7软件的介绍1. STEP7编程软件STEP7编程软件是一个用于SIMATIC可编程逻辑控制器的组态和编程的标准软件包。STEP7标准软件包中提供一系列的应用工具，如：SIMATIC
45、管理器、符号编辑器、硬件诊断、编程语言、硬件组态、网络组态等。STEP7编程软件可以对硬件和网络实现组态，具有简单、直观、便于修改等特点。该软件提供了在线和离线编程的功能，可以对PLC在线上载或下载。利用STEP7可以方便地创建一个自动化解决方案。如图4.1所示。STEP7中集成三种编程语言：（LAD）梯形图语言，STL语言，FBD语言。编程时可以自由选择。本课题现场控制站（下位机）PLC控制程序主要包括三个区：预处理区、反应池区、污泥处理区。其中预处理区里包括粗格栅、提升泵、细格栅和沉淀池这四个子控制区。反应池区主要是根据SBR工艺要求实现对搅拌机、鼓风机、滗水器以及污泥回流泵等设备的自动控
46、制。污泥处理区也按照污泥处理的工艺要求实现对污泥脱水机、输送机的控制。图4.12. PLC控制系统设计的基本步骤PLC控制系统设计的一般步骤与传统的继电器相比较，组件的选择代替了原来的器件选择，程序设计代替了原来的逻辑电路设计。PLC控制系统设计的基本步骤为：（1）系统规划：根据工艺流程分析控制要求和任务书中的技术条件来明确控制任务；确定所需要的用户输入设备（按钮、开关、传感器等）和输出设备（继电器、接触器、信号灯等）以及由输出设备驱动的控制对象（电动机、电磁阀等），估算PLC的I/O点数；选择合适的PLC类型；特殊模块的选择，包括机型的选择、容量的选择、I/O模块的选择、电源模块的选择等。（
47、2）硬件设计：根据总体方案完成电气控制原理图、连接图等基本图样的设计工作。（3）软件设计：分配、定义PLC的I/O口；根据状态流程图和电气控制原理图进行编程4.2 预处理区PLC控制程序 本系统预处理区PLC控制程序主要包括粗栅格区、提升区、细栅格区和沉淀区四个子区域的自动控制程序。首先在STEP7软件中进行预处理区PLC的I/O地址分配。这只是进行编写的第一步，只有在变量表中给具体的设备分配相应的地址，程序执行时候才可以找到具体的设备。4.2.1 粗格栅PLC控制程序 先于自动方式。具体控制要求如下：(1)自动方式是根据粗栅格前后液位差来启动格栅除污机，当前后液位差低于0.2m（说明污物增多）开启1#格栅除污机。(2)当开启格栅除污机后，粗栅格的作用主要过滤掉水中较大的杂质。有手动和自动两种方式，手动方式优开启压榨机，压榨机与格栅除污机实行联动。(3)压榨机开启后，延时30s开启栅渣输送机。一旦格栅除污机启动至少工作10分钟才允许停机。(4)若液面高度大于0.2m小于0.4则开启2#格栅除污机。(5)若液面高度大于0.4m则报警，同时关闭进水阀门。流程图如图4.2