1、基于西门子PLC技术的污水处理厂控制系统设计与实现基于西门子PLC技术的污水处理厂控制系统设计与实现第一章 绪论 1.1 引言 随着经济的飞速发展和世界人口数量的持续增加，对水的需要量也在不断增大，但是地球上可用的水资源却在逐渐萎缩，特别是在城市周边，可以开发利用的淡水资源由于污染的原因正急剧减少。为了应对水体污染，最近几年越来越多的城市污水处理厂、城市垃圾无害化处理厂正在如火如茶的建设、投运。为了提高污水处理效率和降低运行成本，将自动控制新技术引入污水处理厂，提高其自动化水平是非常关键的。 应用现场总线技术、PLC、控制仪表、执行装置、上位机监控设备等可以组成一个高效、实时、可靠的网络化全集
2、成自动化系统。由于现场总线多项先进性，注定了这套系统有较好的维护性和实施性。将其应用于污水处理厂的自动控制系统，将带来良好的社会效益和可观的经济效益。1. 2污水处理的现状1. 2. 1我国水资源的概况 水资源是指可以直接被人类利用、能不断更新的天然淡水，主要是陆地上的地表水和地下水的浅层部分。全球水的总储量是比较巨大的，约为，但是可供人类使用的淡水资源只占到2.5%，其中绝大多数分布在高原冰川、两极冰盖、冰冻地带以及以下的地层深处，方便取用的河水、湖水以及浅层地下水只占全球总储量的0.26%。在全球淡水资源的分布也是非常不均衡的65%以上的淡水集中分布在个国家，如美国、哥伦比亚和加拿大等。占
3、世界人口总数量的40%以上的80多个国家为水资源缺乏国家，有近30个国家为严重缺水国家。 水资源的短缺已经成为世界性的问题，我国也同样面临水资源短缺的现实。中国虽然总体上水资源有，但是人均只有，是世界人均占有量的1/4，接近国际公认的缺水警戒线，且分布极为不均，开发利用有相当难度，致使许多地区严重缺水，尤其是三北地区和沿海城市连年闹“水荒”。我国的城市缺水现象更为严重，在300多个大中城市中180个城市缺水，其中50多个城市严重缺水。以北京为例，全市水资源人均占有量仅为全国平均水平的1/6，而年用水量已达，每年缺水约。另外，在时间分布上，我国的水资源也存在不均衡，总的来说是冬春节干旱少雨，夏秋
4、多雨。有时还连续出现干旱枯水年和丰水年现象。水资源的分布不均和口益严重的水资源短缺不但严重困扰国民生产，而且成为制约我国经济发展的主要因素。我国不仅缺水，而且水资源的现状令人担忧。在我国经济快速增长，工业化和城市化进程口益加快的同时，由于基础设施建设的投资有限和管理不善，加之认识所限，江河湖泊及近海海域普遍受到不同程度的污染，尽管部分流域地区的污染得到了有效控制，但是总体来说仍呈连年加重的趋势。水资源的短缺与粗放低效利用的状态并存，水资源及其安全性己经成为中国社会经济发展的瓶颈，是国家安全的重要支持因素之一。1.2.2污水处理的现状 我国的污水处理开始于上世纪七十年代。那时已经开始利用废弃的河
5、道、沼泽以及城市周边洼地构筑成稳定塘，对生活污水和工业废水进行简单的处理。据当时的文献资料介绍，这样的稳定塘共计38座，口处理生活污水173万吨。八十年代，国家政策开始向环保倾斜，推动了一大批城市污水处理设施的兴建，我国第一座大型的城市污水处理厂一口处理26万吨的天津纪庄子污水处理厂也于1984年4月投入运行。“八五”期间，随着城市环境综合治理的深化以及各流域水污染治理力度的加大，城市污水处理设施的建设经历了一个发展高潮时期“九五”期间，我同正式启动对“河”(淮河、海河和辽河)、“湖”(太湖、巢湖、滇池)流域和“环渤海”地区的水污染治理，国家给予相应资金和技术上的支持。据统计，到2000年底，
6、全同己建设城市污水处理厂427座，其中二级处理厂282座，二级处理率约为15%。由此可见，我国的污水处理现状并不理想，城市污水处理率还很低。 2002年之后，国家大力扶持污水处理厂的建设，特别是山西、河北、河南、陕西等中西部地区，每年都有数十座污水处理厂开工建设。拿陕西省为例，截至2009年底，绝大多数县级以上城市都拥有了正常运行的污水处理厂，有的城市还建成了中水厂并已投运。1.2.3城市污水处理的发展趋势我国是一个发展中国家，经济发展水平相对落后。而面对我国口益严重的环境污染，国家正加大力度来进行污水的治理。而解决城市污水污染的根本措施是建设以生物处理为主体工艺的二级城市污水处理厂，但是，建
7、设大批的二级城市污水处理厂需要大量的投资和高额运行费，这对我国来说是一个沉重的负担。目前我国的污水处理厂建设工作，则因为资金的缺乏很难开展，部分已建成的污水处理厂由于运行费用高昂或者缺乏专业的运行管理人员等原因而一直不能正常运行，因此我国的城市污水处理发展趋势应该围绕以下两个方面： 第一，未来的城市污水处理必须是高自动化、高可靠性的。现代污水处理厂采用计算机控制口益普遍。应用计算机控制技术可以实现污水处理工艺的半自动、全自动监控，提高污水处理厂的技术管理水平，合理使用和配置处理设施，具有非常现实的意义。 第二，未来的城市污水处理必须满足“三低一高”条件：即基建投资低、运行成本低、管理要求低、处
8、理效率高。大力发展小城镇是我国城市化过程的必由之路，是具有中国特色的城市化道路的战略性选择。而对于小城镇的污水处理又面临一系列的问题：小城镇污水的特点不同于大城市，小城镇资金短缺；运行管理人员缺乏；技术力量薄弱等。因此，小城镇的污水处理厂应该是基建投资低、运行成本低、运行管理相对容易，处理效率高的工艺。对高效率、低投入、低运行成本、成熟可靠的污水处理工艺的研究是今后的一个重点研究方向。1. 3污水处理厂的控制系统介绍1. 3. 1常见污水处理厂控制系统介绍 上世纪九十年代之前，国内的污水处理厂一般采用手动控制或者小范围的计算机自动控制。九十年代中期，随着计算机技术的突飞猛进，污水处理厂的自动化
9、程度也在不断的提高，PLC、工控机等也逐渐在新建污水处理厂普及开来。特别是最近几年，新建成的污水处理厂一半以上采用了计算机自动控制技术。然而，由于资金不足、技术力量薄弱等原因，还有很多中小型污水处理厂的自动控制水平还很低，导致系统运行效果不够稳定。1.3.2污水处理厂控制系统发展趋势 随着自动化水平的不断提高及其在社会各个方面的应用越来越广泛，自动化系统在污水处理这一方面也发挥了其强大的优势。本文论述了城市污水处理厂自动化系统的结构形式，以及网络化数据监控系统在处理厂自动化监控的基础上，实现处理厂全自动化控制管理。 未来的污水处理厂控制系统，应是一个低运行维护成本、高集成化、高度自动化的系统。
10、是采用“集中管理，分散控制”模式建立的经济、可靠的现场检测、过程控制和计算机管理一体化的系统。利用网络实现信息资源的共享，达到“现场无人值守，中控一人值班”的目标，甚至于通过现有的有线/无线网络，实现远程控制。污水处理自动控制系统不仅要具有良好的安全性、可靠性和稳定性等基本特点，还应该具有系统操作与维护的方便性，并能在传统的自动化控制系统的基础上，加入以优化处理效果和节省运行费用为目标的优化控制。 第二章 西门子PLC及其Prof i Bus现场总线2. 1西门子PLC2. 1. 1 PLC简介 PLC英文全名是Programmable logic controller，即可编程逻辑控制器，指
11、一种面向生产过程控制的数字电子装置，包括逻辑运算、顺序控制、时序、计数以及算术运算等程序。它用一串指令形式存放在存储器中，然后根据存储的控制内容，经过模拟、数字等输入输出部件，对生产设备与生产过程进行控制。它具有控制能力强、操作方便灵活、价格便宜、可靠性高等持点。它不仅可以取代传统的继电器控制系统，还可方便的构成复杂的工业过程控制网络，是一种适应现代工业发展的新型控制器。 一套典型的PLC通常包括CPU模块、电源模块和一些I/0模块，这些模块安装在一块背板上。有些配置还可能包括一个操作员面板、通信模块以及一些可选的特殊功能模块。可编程逻辑控制器不仅容易安装，占用空间小，能源消耗小，大多带有诊断
12、指示器可以帮助故障诊断，而且可以被重复使用到其他的项目中去。现在，尽管PLC的功能、数据处理能力己经获得了很大的提高，但PLC一直保持了最初设计的原则，那就是简单至上的原则。2. 1. 1. 1 PLC的发展 PLC是60年代末，随着现代工业生产自动化水平的口益提高及微电子技术的飞速发展，而发展起来的，并在通用汽车公司的汽车生产线上首次应用成功。随着微电子技术的发展，70年代中期出现了微处理器和微型计算机了，这使得可编程序逻辑控制器实现更大规模的集成化，从而使之工作更为可靠，更适应工业环境，功能也大大加强了。随着成本的大幅度下降，这种控制器逐渐进入了实用阶段，我国于1974年开始研制，1977
13、年开始工业应用。1985年1月，国际电工委员会(IEC)在颁布程序控制器标准草案第二稿时，将其进一步定义为：“可编程序逻辑控制器(PLC)是一种数字运算操作的电子控制系统，专为在工业环境下应用而设计，它采用可编程序的存贮器，在其内部存贮执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数及算术运算等操作的指令。并通过数字式或模拟式的输入、输出接口来控制各种类型的机械或生产过程”。2. 1. 1. 2 PLC分类1. 按照I/0点数分类PLC的输入、输出点数表明PLC可以从外部接收多少个输入量和向外部输出多少个输出量。I/0点数(总数)在256点以下的称为小型机，一般只有逻辑运算、定时、计数、移位等功能，适用于开
14、关量的控制和简单的模拟控制。I/0点数在256点至1024点之间的，称为中型机，它除了具备逻辑运算功能，还增加了多路模拟量处理、算术运算、数据传送、数据通讯等功能，可完成既有开关量、又有模拟量的复杂控制。I/0点数在1024点以上的称为大型机，其功能更加完善，具有数据处理、模拟调节、联网通讯、监视、记录、打印等功能，可以进行中断控制、智能控制、远程控制等，可用于大规模的过程控制，构成分布式控制系统或整个工厂的集散系统。2. 根据结构形状分类 从结构和形状上看，PLC可分为整体式和模块式两种。一般的小型机多为整体式结构。这种结构的PLC，其电源、CPU、I/0部件等都集中配置在一起，有的甚至全部
15、装在一块印刷电路扳上，结构紧凑、体积小、重量轻、价格低、容易装配在工业控制设备的内部，比较适合于生产设备的单机控制。整体式PLC的缺点是主机的I/0点数固定，使用不够灵活，维修也不方便。模块式结构的PLC各部分以单独的模块分开设置，如电源模块、CPU模块、输入模块、输出模块等。这种PLC通常由机架底板联结各模块(也有的PLC为串行联接，没有底板)，底板上有若干插座，使用时，各种模块直接插入机架底板即可。这种结构的PLC配置灵活、装配方便、易于扩展，可根据控制要求灵活配置各种模块，构成功能不同的各种控制系统。一般大中型PLC均采用这种结构。模块式 PLC的缺点是结构较复杂，各种插件比较多，造价也比较高。2. 1. 1. 3 PLC的特点及主要功能1. PLC的特点 虽然PLC的种类不同，规模不同，生产厂家也不一致，但是它们却有很多共同的特点： (1)程序编制简单 PLC一般采用易于理解和掌握的梯形图语言及面向工业控制的简单指令编制程序，非常形象直观。对于小型PLC而言，几乎不需要任何专门的计算机知识，只需要拥有简单的电路或者逻辑知识即可，特别适合现场工程技术人员使用。 (2)控制系统构成简单、通用性强 虽然PLC种类繁多，但由于其产品的系列
