小型SBR廢水處理PLC電氣控制系統(tǒng)課程設(shè)計

廢水處理技術(shù)是一種高效廢水回用的處理技術(shù)，采用優(yōu)勢菌技術(shù)對校園生活污水進(jìn)行處理，經(jīng)過處理后的中水可以用來澆灌綠地、花木、沖洗廁所及車輛等，從而達(dá)到節(jié)約水資源的目的。

廢水處理系統(tǒng)方案要充分考慮現(xiàn)實生活中校園生活區(qū)較為狹小的特點，力求達(dá)到設(shè)備體積小，性能穩(wěn)定，工程投資少的目的。廢水處理過程中環(huán)境溫度對菌群代謝產(chǎn)生的作用直接影響廢水處理效果，因此采用地埋式磚混結(jié)構(gòu)處理池以降低溫度對處理效果的影響。同時，廢水處理技術(shù)工藝參數(shù)變化大，硬件設(shè)計選型與設(shè)備調(diào)試比較復(fù)雜，采用先進(jìn)的PLC控制技術(shù)可以提高廢水處理的效率，方便操作和使用。

廢水處理系統(tǒng)分別由污水處理池、清水池、中水水箱、電控箱以及水泵、羅茨風(fēng)機(jī)、電動閥門和電磁閥等部分組成，在污水處理池、清水池、中水水箱中分別設(shè)置液位開關(guān)，用以檢測水池與水箱中的水位。廢水處理系統(tǒng)示意圖如圖1所示。

污水處理的第一階段：當(dāng)污水池中的水位處于低水位或無水狀態(tài)時，電動閥會自動開起納入污水。當(dāng)污水池納入的污水至正常高水位時，電動閥自動關(guān)閉，污水池中污水呈微氧和厭氧狀態(tài)。

污水處理的第二階段：采用能降解大分子污染物的曝氣法，可使污水脫色、除臭、平衡菌群的pH值并對污染物進(jìn)行高效除污，即好氧處理過程。整個好氧（曝氣）時間一般需要6～8h。在曝氣管路上安裝了排空電磁閥，當(dāng)電動閥門自動關(guān)閉后，排空電磁閥開起，羅茨風(fēng)機(jī)延時空載起動，然后排空電磁閥關(guān)閉，污水池開始曝氣。當(dāng)曝氣處理結(jié)束后，排空電磁閥再次開起，羅茨風(fēng)機(jī)空載停機(jī)，然后排空電磁閥延時關(guān)閉。曝氣風(fēng)機(jī)在無負(fù)荷條件下起動和停止，能起到保護(hù)電動機(jī)和風(fēng)機(jī)的作用。經(jīng)過0.5h的水質(zhì)沉淀，PLC下達(dá)起動1#清水泵指令，將沉淀后的水泵入到清水池。當(dāng)清水池中的水位升至正常高水位時，1#清水泵自動停止運行。這時2#清水泵自動起動向中水箱泵水，當(dāng)水箱內(nèi)達(dá)到正常高水位時，2#清水泵自動停止運行，這時中水箱內(nèi)的水全部完成處理過程。

如上所示，當(dāng)中水箱內(nèi)水位降至低水位時，2#清水泵又自動起動向中水箱泵水。當(dāng)污水池中的水位降至低水位時，電動閥門會自動打開繼續(xù)向污水池納入污水。如此循環(huán)往復(fù)。

廢水處理技術(shù)針對污水水質(zhì)不同選用生物菌群不同，工藝要求要求有所不同，電氣控制系統(tǒng)應(yīng)有參數(shù)可修正功能，以滿足廢水處理的要求。

2 ． SBR 廢水處理系統(tǒng)動力設(shè)備

廢水處理系統(tǒng)中所使用的動力設(shè)備（水泵、羅茨風(fēng)機(jī)、電動閥），均采用三相交流異步電動機(jī)，電動機(jī)和電磁閥（AC220V選配）選配防水防潮型。

1#清水泵：立式離心泵LS50-10-A，揚程 10m ，流量 29m 3 /h，1kW。

2#清水泵：立式離心泵LS40-32.1，揚程 30m ，流量 16m 3 /h，3kW。

曝氣羅茨風(fēng)機(jī)：TSA-40， 0.7m 3 /min，1.1kW。

電動閥：閥體D 97A 1X5-10ZB -125mm ，電動裝置LQ20-1，AC380V，60W。

3 ． SBR 廢水處理電氣控制系統(tǒng)設(shè)計要求

1) 控制裝置選用PLC作為系統(tǒng)的控制核心，根據(jù)工藝要求合理選配PLC機(jī)型和I/O接口。

2) 可執(zhí)行手動/自動兩種方式，應(yīng)能按照工藝要求編輯程序并可實時整定參數(shù)。

3) 電動閥上驅(qū)動電動機(jī)為正、反轉(zhuǎn)雙向運行，因此要在PLC控制回路加互鎖功能。

4) PLC的接地應(yīng)按手冊中的要求設(shè)計，并在圖中表示或說明。

5) 為了設(shè)備安全運行，考慮必要的保護(hù)措施，入如電動機(jī)過熱保護(hù)、控制系統(tǒng)短路保護(hù)等。

6) 繪制電氣原理圖：包括主電路、控制電路、PLC硬件電路，編制PLC的I/O接口功能表。

7) 選擇電器元件、編制元器件目錄表。

8) 繪制接線圖、電控柜布置圖和配線圖、控制面板布置圖和配線圖等。

9) 采用梯形圖或指令表編制PLC控制程序。

二、 SBR 廢水處理電氣控制系統(tǒng)總體設(shè)計過程

1 ．總體方案說明

1) SBR廢水處理系統(tǒng)控制對象電動機(jī)均由交流接觸器完成起、�？刂�，電動閥電動機(jī)要采用正、反轉(zhuǎn)控制。

2) 污水池、清水池、中水水箱水位檢測開關(guān)，在選型時考慮抗干擾性能，選用電極考慮耐腐蝕性。

3) 電動閥上驅(qū)動電動機(jī)，其內(nèi)部設(shè)有過載保護(hù)開關(guān)，為常閉觸點，作為電動閥過載保護(hù)信號，PLC控制電路考慮該信號邏輯關(guān)系。

4) 1#清水泵、2#清水泵、羅茨風(fēng)機(jī)電動機(jī)、電動閥電動機(jī)分別采用熱繼電器實現(xiàn)過載保護(hù)，其熱繼電器的常開觸點通過中間繼電器轉(zhuǎn)換后，作為PLC的輸入信號，用以完成各個電動機(jī)系統(tǒng)的過載保護(hù)。

5) 羅茨風(fēng)機(jī)的控制要求在無負(fù)載條件下起動或停機(jī)，需要在曝氣管路上設(shè)置排空電磁閥。

6) 主電路用斷路器，各負(fù)載回路和控制回路以及PLC控制回路采用熔斷器，實現(xiàn)短路保護(hù)。

7) 電控箱設(shè)置在控制室內(nèi)�？刂泼姘迮c電控箱內(nèi)的電器板用BVR型銅導(dǎo)線連接，電控箱與執(zhí)行裝置之間采用端子板連接。

8) PLC選用繼電器輸出型。

9) PLC自身配有24V直流電源，外接負(fù)載時考慮其供電容量。PLC接地端采用第三種接地方式，提高抗干擾能力。

2 ． SBR 廢水處理電氣控制原理圖設(shè)計

(1)主電路設(shè)計 廢水處理電氣控制系統(tǒng)主電路如圖2所示。

1) 主回路中交流接觸器KM1、KM2、KM3分別控制1#清水泵M1、2#清水泵M2、曝氣風(fēng)機(jī)M3；交流接觸器KM4、KM5控制電動閥電動機(jī)M4，通過正、反轉(zhuǎn)完成開起閥門和關(guān)閉閥門的功能。

2) 電動機(jī)M1、M2、M3、M4由熱繼電器FR1、FR2、FR3、FR4實現(xiàn)過載保護(hù)。電動閥電動機(jī)M4控制器內(nèi)還裝有常閉熱保護(hù)開關(guān)，對閥門電動機(jī)M4實現(xiàn)雙重保護(hù)。

3) QF為電源總開關(guān)，既可完成主電路的短路保護(hù)，又起到分?jǐn)嗳�相交流電源的作用，使用和維修方便。

4) 熔斷器FU1、FU2、FU3、FU4分別實現(xiàn)各負(fù)載回路的短路保護(hù)。FU5、FU6分別完成交流控制回路和PLC控制回路的短路保護(hù)。

(2)交流控制電路設(shè)計 廢水處理系統(tǒng)交流控制電路如圖3所示。

1) 控制電路有電源指示HL。PLC供電回路采用隔離變壓器TC，以防止電源干擾。

2) 隔離變壓器TC的選用根據(jù)PLC耗電量配置，可以配置標(biāo)準(zhǔn)型、變比1：1、容量100VA隔離變壓器。

3) 1#清水泵M1、2#清水泵M2、曝氣風(fēng)機(jī)M3分別有運行指示燈HL1、HL2、HL3，由KM1、KM2、KM3接觸器常開輔助觸點控制。

4) 4臺電動機(jī)M1、M2、M3、M4的過載保護(hù)，分別由4個熱繼電器FR1、FR2、FR3、FR4實現(xiàn)，將其常閉觸點并聯(lián)后與中間繼電器KA1連接構(gòu)成過載保護(hù)信號，KA1還起到電壓轉(zhuǎn)換的作用，將220V交流信號轉(zhuǎn)換成直流24V信號送入PLC完成過載保護(hù)控制功能。

5 ) 上水電磁閥YA1和指示燈HL1、排空電磁閥YA2，分別由中間繼電器KA2和KA3觸點控制。

(3)主要參數(shù)計算

1) 斷路器QF脫扣電流。斷路器為供電系統(tǒng)電源開關(guān)，其主回路控制對象為電感性負(fù)載交流電動機(jī)，斷路器過電流脫扣值按電動機(jī)起動電流的1.7倍整定。廢水處理系統(tǒng)有3kW負(fù)載電動機(jī)一臺，起動電流較大，其余三臺為1.1kW以下，起動電流較小，而且工藝要求4臺電動機(jī)單獨起動運行，因此可根據(jù)3kW電動機(jī)選擇自動開關(guān)QF脫扣電流 I QF ：

I QF ＝ 1.7 I N =1.7 × 6A ＝ 10.2A ≈ 10A ，選用 I QF ＝ 10A 的斷路器。

2) 熔斷器FU熔體額定電流 I FU 。以曝氣風(fēng)機(jī)為例， I FU ≥ 2 I N ＝2 × 2.5A ＝ 5A ，選用 5A 的熔體。其余熔體額定電流的選擇，按上述方法選配。控制回路熔體額定電流選用 2A 。

3) 熱繼電器的選擇請參考有關(guān)技術(shù)手冊，自行計算參數(shù)。同時可以查看中國污水處理工程網(wǎng)更多技術(shù)文檔。

(4) PLC 控制電路設(shè)計 包括PLC硬件結(jié)構(gòu)配置及PLC控制原理電路設(shè)計。

1) 硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計。了解各個控制對象的驅(qū)動要求，如：驅(qū)動電壓的等級、負(fù)載的性質(zhì)等；分析對象的控制要求，確定輸入/輸出接口（I/O）數(shù)量；確定所控制參數(shù)的精度及類型，如：對開關(guān)量、模擬量的控制、用戶程序存儲器的存儲容量等，選擇適合的PLC機(jī)型及外設(shè)，完成PLC硬件結(jié)構(gòu)配置。

2) 根據(jù)上述硬件選型及工藝要求，繪制 PLC 控制電路原理圖，繪制 PLC 控制電路，編制 I/O 接口功能表。圖 4 為 SBR 廢水處理系統(tǒng) PLC 控制電路原理圖， L6 作為 PLC 輸出回路的電源，分別向輸出回路的負(fù)載供電，輸出回路所有 COM 端短接后接入電源 N 端。

3) KM4和KM5接觸器線圈支路，設(shè)計了互鎖電路，以防止誤操作故障。

4) PLC輸入回路中，信號電源由PLC本身的24V直流電源提供，所有輸入COM端短接后接入PLC電源DC24V的（＋）端。輸入口如果有有源信號裝置，需要考慮信號裝置的電源等級和容量，最好不要使用PLC自身的24V直流電源，以防止電源過載損壞或影響其他輸入口的信號質(zhì)量。

5) PLC采用繼電器輸出，每個輸出點額定控制容量為AC250V， 2A 。

表1和表2分別為廢水處理系統(tǒng)PLC輸入和輸出接口功能表。

表1 SBR廢水處理系統(tǒng)PLC輸入接口功能表

表2 SBR廢水處理系統(tǒng)PLC輸出接口功能表

（續(xù)）

6) 根據(jù)上述設(shè)計，對照主回路檢查交流控制回路、PLC控制回路、各種保護(hù)聯(lián)鎖電路、PLC控制程序等，全部符合設(shè)計要求后，繪制出最終的電氣原理圖。

7) 根據(jù)設(shè)計方案選擇的電氣元件，編制原理圖的元器件目錄表，如表3所示。

表3 SBR廢水處理系統(tǒng)元器件目錄表

(5) PLC 控制程序設(shè)計

1) 程序設(shè)計。根據(jù)控制要求，建立廢水處理系統(tǒng)控制流程圖，如圖11-5所示，表達(dá)出各控制對象的動作順序，相互間的制約關(guān)系。在明確PLC寄存器空間分配，確定專用寄存器的基礎(chǔ)上，進(jìn)行控制系統(tǒng)的程序設(shè)計，包括主程序編制、各功能子程序編制、其他輔助程序的編制等。

2) 系統(tǒng)靜態(tài)調(diào)試�？蛰d靜態(tài)調(diào)試時，針對運行的程序檢查硬件接口電路中各種邏輯關(guān)系是否正確，然后先調(diào)試子程序或功能模塊程序，然后調(diào)試初始化程序，最后調(diào)試主程序。調(diào)試過程中盡量接近實際系統(tǒng)，并考慮到各種可能發(fā)生的情況，作反復(fù)調(diào)試，出現(xiàn)問題及時分析、調(diào)整程序或參數(shù)。

3) 系統(tǒng)動態(tài)調(diào)試及運行。在動態(tài)帶負(fù)載狀態(tài)下調(diào)試，密切觀察系統(tǒng)的運行狀態(tài)，采用先手動再自動的調(diào)試方法，逐步進(jìn)行。遇到問題及時停機(jī)，分析產(chǎn)生問題的原因，提出解決問題的方法，同時做好詳盡記錄，以備分析和改進(jìn)。