污水处理厂加药泵房控制系统设计
污水处理厂加药泵房控制系统设计[20200211152811]
摘要
随着中国城市化、工业化的加速，水资源的需求缺口也日益增大。在此的背景下，污水处理行业将变得尤为重要，其中污水处理的核心环节“加药系统”是整个污水处理流程中的重中之重。
本课题设计的是污水处理加药泵房，可以通过上位机组态界面监控，下位机PLC输出指令给执行器执行相应的动作，同时为了达到加药间出药量的稳定加入了PID算法，整个流程工作完成后将配好的药物投加到絮凝沉淀池。根据加药间工艺过程及控制要求，对PLC、输入输出模块和传感器等相关硬件进行合理选型。PLC控制程序采用顺序功能设计方法，OB1、FB1和FC1等多个功能模块构成了完整的污水处理加药泵房控制程序。整个程序结构合理，功能完善。上位机监控系统运行组态软件WinCC设计了组态画面、PID整定画面、登录画面等画面，整个人机界面形象美观、易于操作。并建立了动画连接，使系统运行时能够形象直观的显示整个工艺流程和动态工作过程。
*查看完整论文请 +Q: 3 5 1 9 1 6 0 7 2
关键字:加药泵房S7-300PLCWinCCPID控制
目 录
1. 绪论 1
1.1 课题背景和意义 1
1.2 国内研究与应用现状 1
1.2.1 加药间研究及原理 1
1.2.2 PLC研究及应用现状 1
1.2.3 WinCC组态软件的研究及应用现状 2
1.3 本课题主要任务 2
2. 加药泵房系统总体结构及硬件设计 3
2.1 加药泵房工艺过程分析 3
2.2 加药泵房系统总体结构设计 4
2.3 加药泵房硬件系统设计 5
2.3.1 PLC及I/O模块选型 5
2.3.2 流量计、液位检测计及变频器选型 5
2.3.3 隔膜泵及阀门选型 6
2.3.4 系统总体硬件接线图总体设计 7
2.3.5 系统控制主电路设计 8
3. PID控制算法设计及实现 9
3.1 PID控制算法概述及优点 9
3.2 PID控制器功能块FB41简介 9
3.3 PID控制器程序设计 11
3.3.1 流量闭环控制结构设计 11
3.3.2 流量控制程序设计 11
3.3.3 流量模拟量输入数据转换程序设计 11
3.3.4 PID程序初始化及程序设计 13
4. 下位机S7-300PLC控制系统程序设计 15
4.1 PLC的基本结构及工作过程分析 15
4.2 PLC控制系统设计 16
4.2.1 硬件组态 16
4.2.2 程序结构设计 16
4.2.3 I/O端口分配 17
4.3 加药泵房控制系统程序设计 18
4.3.1 搅拌池的程序设计 18
4.3.2 液位判断程序设计 21
4.3.3电机运行程序设计 22
5. 上位机监控软件系统设计 24
5.1 组态软件WINCC概述 24
5.2 定义变量地址 24
5.2.1 创建工程 24
5.2.2 定义变量地址 24
5.3 系统人机界面设计 25
5.3.1 登陆界面设计 25
5.3.2 加药间画面设计 27
5.3.3 PID整定界面设计 29
6. 系统调试 32
6.1 PLC程序调试 32
6.2 监控系统调试运行 33
6.2.1 PID参数整定 33
6.2.2 报警和报表系统调试 33
7. 总结 35
参考文献 36
附录 37
致 谢 44
1. 绪论
1.1 课题背景和意义
随着中国城市化、工业化步伐的加快，人们对水资源的需求也日趋增大。在这样的背景下，污水处理行业成为新兴产业，现如今的污水处理取得了较大发展，污水处理的中需要一个重要环节就是加药间，可以说它是整个工艺流程的核心。加药系统的性能成为污水处理厂运营成本的高低和污水处理厂出水水质的关键。在污水处理系统中,药物的使用是提高水质的关键措施。因此,为了提高污水处理的出水水质,节约污水处理过程的药剂成本和人工成本需要不断对污水处理加药的优化设定模型和预测模型进行深入的研究,实现加药控制的优化。尽快建立一个自动化程度较高、运行高效稳定的加药泵房已经成为当下紧迫的任务。
1.2 国内研究与应用现状
1.2.1 加药间研究及原理
加药间主要是通过药物聚合氯化镁将污水中的N、P去除。微生物的活性会受到低质量浓度的铝离子促进，但是过量的铝离子又会对其活性产生抑制作用。本课题中所加药物投放到絮凝沉淀池时，向絮凝沉淀池水中投加的PAC质量浓度不宜超过12.5mg／L。目前生物处理法研究较多且新技术层出不穷。由于生物法是利用的微生物的新陈代谢作用，将污染物质作为为食料，将其代谢成转换成CO2、H2O、NH3、SO2等稳定的小分子，其二次污染角小，所以在处理生活污水及与之性质相近的有机污水中有其独特的优势。生物处理法自问世以来，其技术已得到了极大的发展，随着人们生活水平的不断提高，生活污水中的成分也变得日益复杂，因此，生物处理法需从以往的蛋白质，碳水化合物降解的生物处理，提高到合成洗涤剂，脱氮，磷和其他难降解复杂有机化合物处理[1]。
1.2.2 PLC研究及应用现状
目前我国工业自动化水平仍然普遍偏低，PLC产品有很大的应用空间，如机械制造行业70%以上的设备仍采用较为传统的接触器和继电器进行控制。因此，我国的PLC应用潜力远远没有得到充分发挥[2]。
随着科学技术的不断发展，工业控制领域竞争的日益加剧，PLC技术已经广泛应用于各个自动化控制领域，并起到了十分重要的作用。目前，PLC、机器人、数控技术和计算机辅助设计/制造已经发展称为工业自动化的四大支柱。
1.2.3 WinCC组态软件的研究及应用现状
组态软件是计算机技术与控制技术发展的产物，随着计算机技术迅速发展和计算机在工业领域的广泛应用，各种软件和硬件的日渐成熟，人们对工业自动化的要求越来越高。组态软件也越来越多的应用于工业控制领域，它能够很好的解决传统工业控制软件存在的各种问题，用户可以根据具体对象和控制要求任意组态出符合要求的自动化控制工程。[3]
组态软件的监控是系统重要组成部分，其作用是针对不同的监控对象生产不同的数据。组态的过程就是针对需要监控的各个对象进行定义。完成组态后与PLC通信调试。整个系统清晰明了，易于监控。
1.3 本课题主要任务
本课题主要设计的是污水处理工艺流程中的加药间环节，通过上位机组态界面操控下位机PLC进行相应的动作，同时为了达到加药间出药量的稳定所以加入了PID算法，整个流程工作完成后可以将生活污水处理达到国家的最新排放标准。
（1）系统总体方案设计
了解系统的控制要求后，首先对系统的硬件构成进行分析，得出系统的总体框架。然后对系统初步方案的可行性进行分析。接着根据系统该设计要求，得出控制系统的总体设计方案，并对硬件建立连接。
（2）下位机控制系统设计
污水处理加药泵房控制系统的控制器选用西门子S7-300PLC。通过对S7-300PLC的硬件组态及程序编写来控制系统的运行。系统的程序设计采用结构化程序设计方法，将PLC程序分为多个模块，整个程序层次清晰、逻辑性强，便于阅读分析及维护。在出药端为控制出药流量的稳定加入了PID控制系统，通过模拟量输出给变频机再控制电机的转速最后达到控制水泵的出药量稳定。
（3）上位机界面设计
本课题运用WinCC设计出监控界面，用户可以通过上位机界面随时了解、观察并了解并控制整个控制系统的工作状态。画面设计合理完美，功能齐全，控制方便快捷。
本课题设计论文的主要内容为，第1章是概述，介绍本课题的研究背景意义；第2章对加药泵房处理的整个工艺流程总体结构进行设计；第3章是介绍PID控制算法并对出药口的出药量调节的程序设计；第4章是运用STEP7编程软件对下位机S7-300 PLC控制系统设计；第5章是通过WinCC监控软件对上位机组态界面系统设计；第6章是将所有的设计好的上位机和下位机进行实际的调试运行；第7章是对整个毕业设计进行总结。
摘要
随着中国城市化、工业化的加速，水资源的需求缺口也日益增大。在此的背景下，污水处理行业将变得尤为重要，其中污水处理的核心环节“加药系统”是整个污水处理流程中的重中之重。
本课题设计的是污水处理加药泵房，可以通过上位机组态界面监控，下位机PLC输出指令给执行器执行相应的动作，同时为了达到加药间出药量的稳定加入了PID算法，整个流程工作完成后将配好的药物投加到絮凝沉淀池。根据加药间工艺过程及控制要求，对PLC、输入输出模块和传感器等相关硬件进行合理选型。PLC控制程序采用顺序功能设计方法，OB1、FB1和FC1等多个功能模块构成了完整的污水处理加药泵房控制程序。整个程序结构合理，功能完善。上位机监控系统运行组态软件WinCC设计了组态画面、PID整定画面、登录画面等画面，整个人机界面形象美观、易于操作。并建立了动画连接，使系统运行时能够形象直观的显示整个工艺流程和动态工作过程。
*查看完整论文请 +Q: 3 5 1 9 1 6 0 7 2
关键字:加药泵房S7-300PLCWinCCPID控制
目 录
1. 绪论 1
1.1 课题背景和意义 1
1.2 国内研究与应用现状 1
1.2.1 加药间研究及原理 1
1.2.2 PLC研究及应用现状 1
1.2.3 WinCC组态软件的研究及应用现状 2
1.3 本课题主要任务 2
2. 加药泵房系统总体结构及硬件设计 3
2.1 加药泵房工艺过程分析 3
2.2 加药泵房系统总体结构设计 4
2.3 加药泵房硬件系统设计 5
2.3.1 PLC及I/O模块选型 5
2.3.2 流量计、液位检测计及变频器选型 5
2.3.3 隔膜泵及阀门选型 6
2.3.4 系统总体硬件接线图总体设计 7
2.3.5 系统控制主电路设计 8
3. PID控制算法设计及实现 9
3.1 PID控制算法概述及优点 9
3.2 PID控制器功能块FB41简介 9
3.3 PID控制器程序设计 11
3.3.1 流量闭环控制结构设计 11
3.3.2 流量控制程序设计 11
3.3.3 流量模拟量输入数据转换程序设计 11
3.3.4 PID程序初始化及程序设计 13
4. 下位机S7-300PLC控制系统程序设计 15
4.1 PLC的基本结构及工作过程分析 15
4.2 PLC控制系统设计 16
4.2.1 硬件组态 16
4.2.2 程序结构设计 16
4.2.3 I/O端口分配 17
4.3 加药泵房控制系统程序设计 18
4.3.1 搅拌池的程序设计 18
4.3.2 液位判断程序设计 21
4.3.3电机运行程序设计 22
5. 上位机监控软件系统设计 24
5.1 组态软件WINCC概述 24
5.2 定义变量地址 24
5.2.1 创建工程 24
5.2.2 定义变量地址 24
5.3 系统人机界面设计 25
5.3.1 登陆界面设计 25
5.3.2 加药间画面设计 27
5.3.3 PID整定界面设计 29
6. 系统调试 32
6.1 PLC程序调试 32
6.2 监控系统调试运行 33
6.2.1 PID参数整定 33
6.2.2 报警和报表系统调试 33
7. 总结 35
参考文献 36
附录 37
致 谢 44
1. 绪论
1.1 课题背景和意义
随着中国城市化、工业化步伐的加快，人们对水资源的需求也日趋增大。在这样的背景下，污水处理行业成为新兴产业，现如今的污水处理取得了较大发展，污水处理的中需要一个重要环节就是加药间，可以说它是整个工艺流程的核心。加药系统的性能成为污水处理厂运营成本的高低和污水处理厂出水水质的关键。在污水处理系统中,药物的使用是提高水质的关键措施。因此,为了提高污水处理的出水水质,节约污水处理过程的药剂成本和人工成本需要不断对污水处理加药的优化设定模型和预测模型进行深入的研究,实现加药控制的优化。尽快建立一个自动化程度较高、运行高效稳定的加药泵房已经成为当下紧迫的任务。
1.2 国内研究与应用现状
1.2.1 加药间研究及原理
加药间主要是通过药物聚合氯化镁将污水中的N、P去除。微生物的活性会受到低质量浓度的铝离子促进，但是过量的铝离子又会对其活性产生抑制作用。本课题中所加药物投放到絮凝沉淀池时，向絮凝沉淀池水中投加的PAC质量浓度不宜超过12.5mg／L。目前生物处理法研究较多且新技术层出不穷。由于生物法是利用的微生物的新陈代谢作用，将污染物质作为为食料，将其代谢成转换成CO2、H2O、NH3、SO2等稳定的小分子，其二次污染角小，所以在处理生活污水及与之性质相近的有机污水中有其独特的优势。生物处理法自问世以来，其技术已得到了极大的发展，随着人们生活水平的不断提高，生活污水中的成分也变得日益复杂，因此，生物处理法需从以往的蛋白质，碳水化合物降解的生物处理，提高到合成洗涤剂，脱氮，磷和其他难降解复杂有机化合物处理[1]。
1.2.2 PLC研究及应用现状
目前我国工业自动化水平仍然普遍偏低，PLC产品有很大的应用空间，如机械制造行业70%以上的设备仍采用较为传统的接触器和继电器进行控制。因此，我国的PLC应用潜力远远没有得到充分发挥[2]。
随着科学技术的不断发展，工业控制领域竞争的日益加剧，PLC技术已经广泛应用于各个自动化控制领域，并起到了十分重要的作用。目前，PLC、机器人、数控技术和计算机辅助设计/制造已经发展称为工业自动化的四大支柱。
1.2.3 WinCC组态软件的研究及应用现状
组态软件是计算机技术与控制技术发展的产物，随着计算机技术迅速发展和计算机在工业领域的广泛应用，各种软件和硬件的日渐成熟，人们对工业自动化的要求越来越高。组态软件也越来越多的应用于工业控制领域，它能够很好的解决传统工业控制软件存在的各种问题，用户可以根据具体对象和控制要求任意组态出符合要求的自动化控制工程。[3]
组态软件的监控是系统重要组成部分，其作用是针对不同的监控对象生产不同的数据。组态的过程就是针对需要监控的各个对象进行定义。完成组态后与PLC通信调试。整个系统清晰明了，易于监控。
1.3 本课题主要任务
本课题主要设计的是污水处理工艺流程中的加药间环节，通过上位机组态界面操控下位机PLC进行相应的动作，同时为了达到加药间出药量的稳定所以加入了PID算法，整个流程工作完成后可以将生活污水处理达到国家的最新排放标准。
（1）系统总体方案设计
了解系统的控制要求后，首先对系统的硬件构成进行分析，得出系统的总体框架。然后对系统初步方案的可行性进行分析。接着根据系统该设计要求，得出控制系统的总体设计方案，并对硬件建立连接。
（2）下位机控制系统设计
污水处理加药泵房控制系统的控制器选用西门子S7-300PLC。通过对S7-300PLC的硬件组态及程序编写来控制系统的运行。系统的程序设计采用结构化程序设计方法，将PLC程序分为多个模块，整个程序层次清晰、逻辑性强，便于阅读分析及维护。在出药端为控制出药流量的稳定加入了PID控制系统，通过模拟量输出给变频机再控制电机的转速最后达到控制水泵的出药量稳定。
（3）上位机界面设计
本课题运用WinCC设计出监控界面，用户可以通过上位机界面随时了解、观察并了解并控制整个控制系统的工作状态。画面设计合理完美，功能齐全，控制方便快捷。
本课题设计论文的主要内容为，第1章是概述，介绍本课题的研究背景意义；第2章对加药泵房处理的整个工艺流程总体结构进行设计；第3章是介绍PID控制算法并对出药口的出药量调节的程序设计；第4章是运用STEP7编程软件对下位机S7-300 PLC控制系统设计；第5章是通过WinCC监控软件对上位机组态界面系统设计；第6章是将所有的设计好的上位机和下位机进行实际的调试运行；第7章是对整个毕业设计进行总结。
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