小型SBR廢水處理PLC電氣控制系統課程設計

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(guò)處理后的中水可以用來(lái)澆灌綠地、花木、沖洗廁所及車(chē)輛等，從而達到節約水資源的目的。

廢水處理系統方案要充分考慮現實(shí)生活中校園生活區較為狹小的特點(diǎn)，力求達到設備體積小，性能穩定，工程投資少的目的。廢水處理過(guò)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構處理池以降低溫度對處理效果的影響。同時(shí)，廢水處理技術(shù)工藝參數變化大，硬件設計選型與設備調試比較復雜，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、電動(dòng)閥門(mén)和電磁閥等部分組成，在污水處理池、清水池、中水水箱中分別設置液位開(kāi)關(guān)，用以檢測水池與水箱中的水位。廢水處理系統示意圖如圖1所示。

污水處理的第一階段：當污水池中的水位處于低水位或無(wú)水狀態(tài)時(shí)，電動(dòng)閥會(huì )自動(dòng)開(kāi)起納入污水。當污水池納入的污水至正常高水位時(shí)，電動(dòng)閥自動(dòng)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(guò)程。整個(gè)好氧（曝氣）時(shí)間一般需要6～8h。在曝氣管路上安裝了排空電磁閥，當電動(dòng)閥門(mén)自動(dòng)關(guān)閉后，排空電磁閥開(kāi)起，羅茨風(fēng)機延時(shí)空載起動(dòng)，然后排空電磁閥關(guān)閉，污水池開(kāi)始曝氣。當曝氣處理結束后，排空電磁閥再次開(kāi)起，羅茨風(fēng)機空載停機，然后排空電磁閥延時(shí)關(guān)閉。曝氣風(fēng)機在無(wú)負荷條件下起動(dòng)和停止，能起到保護電動(dòng)機和風(fēng)機的作用。經(jīng)過(guò)0.5h的水質(zhì)沉淀，PLC下達起動(dòng)1#清水泵指令，將沉淀后的水泵入到清水池。當清水池中的水位升至正常高水位時(shí)，1#清水泵自動(dòng)停止運行。這時(shí)2#清水泵自動(dòng)起動(dòng)向中水箱泵水，當水箱內達到正常高水位時(shí)，2#清水泵自動(dòng)停止運行，這時(shí)中水箱內的水全部完成處理過(guò)程。

如上所示，當中水箱內水位降至低水位時(shí)，2#清水泵又自動(dòng)起動(dòng)向中水箱泵水。當污水池中的水位降至低水位時(shí)，電動(dòng)閥門(mén)會(huì )自動(dòng)打開(kāi)繼續向污水池納入污水。如此循環(huán)往復。

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，電氣控制系統應有參數可修正功能，以滿(mǎn)足廢水處理的要求。

2 ． SBR 廢水處理系統動(dòng)力設備

廢水處理系統中所使用的動(dòng)力設備（水泵、羅茨風(fēng)機、電動(dòng)閥），均采用三相交流異步電動(dòng)機，電動(dòng)機和電磁閥（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：TSA-40， 0.7m 3 /min，1.1kW。

電動(dòng)閥：閥體D 97A 1X5-10ZB -125mm ，電動(dòng)裝置LQ20-1，AC380V，60W。

3 ． SBR 廢水處理電氣控制系統設計要求

1) 控制裝置選用PLC作為系統的控制核心，根據工藝要求合理選配PLC機型和I/O接口。

2) 可執行手動(dòng)/自動(dòng)兩種方式，應能按照工藝要求編輯程序并可實(shí)時(shí)整定參數。

3) 電動(dòng)閥上驅動(dòng)電動(dòng)機為正、反轉雙向運行，因此要在PLC控制回路加互鎖功能。

4) PLC的接地應按手冊中的要求設計，并在圖中表示或說(shuō)明。

5) 為了設備安全運行，考慮必要的保護措施，入如電動(dòng)機過(guò)熱保護、控制系統短路保護等。

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(xiàn)圖、電控柜布置圖和配線(xiàn)圖、控制面板布置圖和配線(xiàn)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總體設計過(guò)程

1 ．總體方案說(shuō)明

1) SBR廢水處理系統控制對象電動(dòng)機均由交流接觸器完成起、�？刂�，電動(dòng)閥電動(dòng)機要采用正、反轉控制。

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

3) 電動(dòng)閥上驅動(dòng)電動(dòng)機，其內部設有過(guò)載保護開(kāi)關(guān)，為常閉觸點(diǎn)，作為電動(dòng)閥過(guò)載保護信號，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)機電動(dòng)機、電動(dòng)閥電動(dòng)機分別采用熱繼電器實(shí)現過(guò)載保護，其熱繼電器的常開(kāi)觸點(diǎn)通過(guò)中間繼電器轉換后，作為PLC的輸入信號，用以完成各個(gè)電動(dòng)機系統的過(guò)載保護。

5) 羅茨風(fēng)機的控制要求在無(wú)負載條件下起動(dòng)或停機，需要在曝氣管路上設置排空電磁閥。

6) 主電路用斷路器，各負載回路和控制回路以及PLC控制回路采用熔斷器，實(shí)現短路保護。

7) 電控箱設置在控制室內�？刂泼姘迮c電控箱內的電器板用BVR型銅導線(xiàn)連接，電控箱與執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，外接負載時(shí)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計

(1)主電路設計 廢水處理電氣控制系統主電路如圖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M3；交流接觸器KM4、KM5控制電動(dòng)閥電動(dòng)機M4，通過(guò)正、反轉完成開(kāi)起閥門(mén)和關(guān)閉閥門(mén)的功能。

2) 電動(dòng)機M1、M2、M3、M4由熱繼電器FR1、FR2、FR3、FR4實(shí)現過(guò)載保護。電動(dòng)閥電動(dòng)機M4控制器內還裝有常閉熱保護開(kāi)關(guān)，對閥門(mén)電動(dòng)機M4實(shí)現雙重保護。

3) QF為電源總開(kāi)關(guān)，既可完成主電路的短路保護，又起到分斷三相交流電源的作用，使用和維修方便。

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

(2)交流控制電路設計 廢水處理系統交流控制電路如圖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PLC耗電量配置，可以配置標準型、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M3分別有運行指示燈HL1、HL2、HL3，由KM1、KM2、KM3接觸器常開(kāi)輔助觸點(diǎn)控制。

4) 4臺電動(dòng)機M1、M2、M3、M4的過(guò)載保護，分別由4個(gè)熱繼電器FR1、FR2、FR3、FR4實(shí)現，將其常閉觸點(diǎn)并聯(lián)后與中間繼電器KA1連接構成過(guò)載保護信號，KA1還起到電壓轉換的作用，將220V交流信號轉換成直流24V信號送入PLC完成過(guò)載保護控制功能。

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(diǎn)控制。

(3)主要參數計算

1) 斷路器QF脫扣電流。斷路器為供電系統電源開(kāi)關(guān)，其主回路控制對象為電感性負載交流電動(dòng)機，斷路器過(guò)電流脫扣值按電動(dòng)機起動(dòng)電流的1.7倍整定。廢水處理系統有3kW負載電動(dòng)機一臺，起動(dòng)電流較大，其余三臺為1.1kW以下，起動(dòng)電流較小，而且工藝要求4臺電動(dòng)機單獨起動(dòng)運行，因此可根據3kW電動(dòng)機選擇自動(dòng)開(kāi)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�？刂苹芈啡垠w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。同時(shí)可以查看中國污水處理工程網(wǎng)更多技術(shù)文檔。

(4) PLC 控制電路設計 包括PLC硬件結構配置及PLC控制原理電路設計。

1) 硬件結構設計。了解各個(gè)控制對象的驅動(dòng)要求，如：驅動(dòng)電壓的等級、負載的性質(zhì)等；分析對象的控制要求，確定輸入/輸出接口（I/O）數量；確定所控制參數的精度及類(lèi)型，如：對開(kāi)關(guān)量、模擬量的控制、用戶(hù)程序存儲器的存儲容量等，選擇適合的PLC機型及外設，完成PLC硬件結構配置。

2) 根據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 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(xiàn)圈支路，設計了互鎖電路，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(guò)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(gè)輸出點(diǎn)額定控制容量為AC250V， 2A 。

表1和表2分別為廢水處理系統PLC輸入和輸出接口功能表。

表1 SBR廢水處理系統PLC輸入接口功能表

表2 SBR廢水處理系統PLC輸出接口功能表

（續）

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

7) 根據設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廢水處理系統元器件目錄表

(5) PLC 控制程序設計

1) 程序設計。根據控制要求，建立廢水處理系統控制流程圖，如圖11-5所示，表達出各控制對象的動(dòng)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(zhuān)用寄存器的基礎上，進(jìn)行控制系統的程序設計，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) 系統靜態(tài)調試�？蛰d靜態(tài)調試時(shí)，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，然后先調試子程序或功能模塊程序，然后調試初始化程序，最后調試主程序。調試過(guò)程中盡量接近實(shí)際系統，并考慮到各種可能發(fā)生的情況，作反復調試，出現問(wèn)題及時(shí)分析、調整程序或參數。

3) 系統動(dòng)態(tài)調試及運行。在動(dòng)態(tài)帶負載狀態(tài)下調試，密切觀(guān)察系統的運行狀態(tài)，采用先手動(dòng)再自動(dòng)的調試方法，逐步進(jìn)行。遇到問(wèn)題及時(shí)停機，分析產(chǎn)生問(wèn)題的原因，提出解決問(wèn)題的方法，同時(shí)做好詳盡記錄，以備分析和改進(jìn)。