《基于PLC的污水處理控制系統(tǒng)的軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)》5100字

基于PLC的污水處理控制系統(tǒng)的軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)綜述目錄TOC\o"1-2"\h\u29663基于PLC的污水處理控制系統(tǒng)的軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)綜述 1208281.1總體流程設(shè)計(jì) 1136721.1.1手動(dòng)模式 2144471.1.2自動(dòng)模式 2296371.2曝氣過(guò)程控制的任務(wù) 10160461.3氯氣投加環(huán)節(jié) 11185991.4絮凝劑投加環(huán) 1116191.5PID控制 12101061.6PLC和變頻器通訊 1211952（1）USS通訊協(xié)議簡(jiǎn)介 1211645（2）USS通訊協(xié)議庫(kù) 13采用西門(mén)子S7—200PLC，上面介紹了工業(yè)污水處理控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、工作原理和電氣控制部分的結(jié)構(gòu)，硬件結(jié)構(gòu)的總體設(shè)計(jì)基本完成后，就要開(kāi)始軟件部分的設(shè)計(jì)，根據(jù)控制系統(tǒng)的控制要求和硬件部分的設(shè)計(jì)情況及PLC控制系統(tǒng)I/O的分配情況，進(jìn)行軟件編程設(shè)計(jì)。在軟件的設(shè)計(jì)中，首先按照需要實(shí)現(xiàn)的功能要求做出流程框圖，其次按照不同功能編寫(xiě)不同功能模塊。1.1總體流程設(shè)計(jì)根據(jù)系統(tǒng)的控制要求，控制過(guò)程可以分為手動(dòng)控制功能和自動(dòng)運(yùn)行功能。在手動(dòng)控制模式下，每個(gè)設(shè)備可以單獨(dú)運(yùn)行，以測(cè)試設(shè)備的性能，模式選擇流程圖如圖4-1所示。圖4-1模式選擇流程圖1.1.1手動(dòng)模式在手動(dòng)模式下，可以通過(guò)按鈕對(duì)格柵機(jī)、清污機(jī)、轉(zhuǎn)碟曝氣機(jī)、刮泥機(jī)，以及各類(lèi)泵進(jìn)行控制，對(duì)于轉(zhuǎn)碟曝氣機(jī)的控制，可以通過(guò)按鈕增大或減小變頻器的頻率來(lái)改變其速度，以檢測(cè)調(diào)試性能。手動(dòng)操作模式流程圖如圖4-2所示。圖4-2手動(dòng)操作模式流程圖1.1.2自動(dòng)模式處于自動(dòng)方式時(shí)，系統(tǒng)上電后，按下自動(dòng)啟動(dòng)確認(rèn)后系統(tǒng)運(yùn)行，系統(tǒng)開(kāi)始工作，其工作過(guò)程包括以下幾個(gè)方面。（1）系統(tǒng)上電后，按下自動(dòng)啟動(dòng)確認(rèn)按鈕，啟動(dòng)潛水?dāng)嚢杵骱凸文鄼C(jī)。（2）啟動(dòng)粗格柵系統(tǒng)。（3）啟動(dòng)潛水泵。（4）啟動(dòng)細(xì)格柵系統(tǒng)。（5）啟動(dòng)曝氣沉砂系統(tǒng)。（6）啟動(dòng)污泥回流系統(tǒng)。（7）啟動(dòng)污泥脫水系統(tǒng)。自動(dòng)操作模式流程如圖4-3所示。圖4-3自動(dòng)操作模式流程圖在自動(dòng)控制模式流程圖中，調(diào)用了各個(gè)控制系統(tǒng)的程序，主要包括粗格柵系統(tǒng)程序、潛水泵程序、細(xì)格柵系統(tǒng)程序、曝氣沉砂系統(tǒng)程序、污泥回流泵系統(tǒng)程序。以及污泥脫水系統(tǒng)程序，以下將分別介紹各個(gè)子程序的工作過(guò)程。粗格柵系統(tǒng)程序主要控制粗格柵機(jī)和清污機(jī)的運(yùn)行，其工作過(guò)程包括以下幾個(gè)方面。（1）自動(dòng)過(guò)程開(kāi)始啟動(dòng)粗格柵機(jī)，定時(shí)20min。（2）定時(shí)到，停止運(yùn)行粗格柵機(jī)2h。（3）2h定時(shí)到，運(yùn)行粗格柵機(jī)20min，循環(huán)進(jìn)行。（4）同時(shí)檢查液面差，若超過(guò)設(shè)定值則啟動(dòng)清污機(jī)。（5）液面差值低于設(shè)定值，停止清污機(jī)運(yùn)行。粗格柵系統(tǒng)工作流程圖如圖4-4所示。圖4-4粗格柵系統(tǒng)工作流程圖潛水泵程序主要控制潛水泵的運(yùn)行和停止，其工作過(guò)程包括以下幾個(gè)方面：（1）自動(dòng)過(guò)程開(kāi)始啟動(dòng)潛水泵。（2）檢測(cè)液面高度，低于最低位傳感器時(shí)，開(kāi)始定時(shí)防止誤判。（3）定時(shí)到后，若仍低于最低位傳感器，則停止?jié)撍眠\(yùn)行，否則潛水泵繼續(xù)運(yùn)行。（4）檢測(cè)液面處于中位和高位傳感器之間時(shí)，開(kāi)始定時(shí)防止誤判。（5）定時(shí)到后，若液面仍持續(xù)處于高位傳感器，則輸出報(bào)警信號(hào)。潛水泵工作流程圖如圖4-5所示。圖4-5潛水泵工作流程圖細(xì)格柵系統(tǒng)程序與粗格柵系統(tǒng)程序相似，主要控制細(xì)格柵機(jī)和轉(zhuǎn)鼓清污機(jī)的運(yùn)行，細(xì)格柵系統(tǒng)工作流程如圖4-6，其工作過(guò)程包括以下幾個(gè)方面：（1）自動(dòng)過(guò)程開(kāi)始，啟動(dòng)細(xì)格柵機(jī)，定時(shí)20min。（2）定時(shí)到，停止運(yùn)行細(xì)格柵機(jī)2h。（3）2h定時(shí)到，運(yùn)行細(xì)格柵機(jī)20min，循環(huán)進(jìn)行。（4）同時(shí)檢測(cè)液面差，若超過(guò)設(shè)定值則啟動(dòng)轉(zhuǎn)鼓清污機(jī)。（5）液面差低于設(shè)定值，停止轉(zhuǎn)鼓清污機(jī)運(yùn)行。圖4-6細(xì)格柵系統(tǒng)工作流程圖曝氣沉砂系統(tǒng)工作流程圖如圖4-7所示。4-7曝氣沉砂系統(tǒng)工作流程圖污泥回流系統(tǒng)程序主要控制污泥回流泵的運(yùn)行和停止，其工作過(guò)程包括以下幾個(gè)方面。（1）自動(dòng)過(guò)程開(kāi)始首先檢測(cè)液面高低，若低于最低位傳感器，啟動(dòng)定時(shí)。（2）定時(shí)到，若液面仍低于最低位傳感器則停止回流泵運(yùn)行。（3）若液面處于最高位和最低位之間，啟動(dòng)污泥回流泵。（4）若液面高于最高位傳感器時(shí)，啟動(dòng)定時(shí)。（5）定時(shí)到，若液面仍處于最高位傳感器時(shí)，輸出報(bào)警信號(hào)。污泥回流系統(tǒng)工作流程圖如圖4-8所示。圖4-8污泥回流系統(tǒng)工作流程圖污泥脫水系統(tǒng)程序主要控制離心式脫水機(jī)，啟動(dòng)定時(shí)。（1）自動(dòng)過(guò)程開(kāi)始首先啟動(dòng)離心式脫水機(jī)，啟動(dòng)定時(shí)。（2）定時(shí)到，啟動(dòng)聚合物泵，啟動(dòng)定時(shí)。（3）定時(shí)到，啟動(dòng)污泥泵和切割機(jī)。污泥脫水系統(tǒng)工作流程圖如圖4-9所示。圖4-9污泥脫水系統(tǒng)工作流程圖設(shè)計(jì)程序過(guò)程中，會(huì)用到許多中間繼電器、寄存器、定時(shí)器等軟元件，為便于編程及修改，在程序編寫(xiě)前應(yīng)先列出可能用到的軟元件設(shè)置如表4-10所示。表4-10軟元件設(shè)置1.2曝氣過(guò)程控制的任務(wù)工業(yè)污水處理后的水質(zhì)是否達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)，其中生化需氧量（BOD）和化學(xué)需氧量（COD）是重要的水質(zhì)指標(biāo)。BOD是指在有氧條件下，降解有機(jī)物所需的氧量。COD是指在酸性條件下，用強(qiáng)氧化劑將有機(jī)物氧化成CO2、H2O所消耗的氧量。BOD測(cè)定結(jié)果易受多種因素影響，誤差較大。COD的檢測(cè)比較精確，但方法繁瑣。雖然有COD濃度在線檢測(cè)儀可以在線檢測(cè)，但仍存在滯后，測(cè)量結(jié)果嚴(yán)重滯后于實(shí)際運(yùn)行時(shí)間，不能及時(shí)反映實(shí)際情況。另外，COD檢測(cè)儀的價(jià)格也較昂貴，增加了控制系統(tǒng)的成本。在好氧反應(yīng)過(guò)程中，參與污水處理的是以好氧菌為主體的微生物，決定其處理效果的關(guān)鍵因素是反應(yīng)池中溶解氧的含量。為了使微生物的活動(dòng)最佳化，應(yīng)該使供氧量與消耗的氧量相等，或稍大一些。如果供氧量少，處理的水質(zhì)和污泥的活化就要降低如果供氧量過(guò)多，污泥的沉降性差，處理水質(zhì)也差，另外也不經(jīng)濟(jì)。由此可見(jiàn)，混合液中溶解氧濃度(DO)是好氧反應(yīng)中一個(gè)重要的控制參數(shù)。如果控制曝氣設(shè)備的最佳溶解氧濃度，就能使處理水質(zhì)優(yōu)化，也能節(jié)約動(dòng)力費(fèi)用，并且由于DO的在線檢測(cè)簡(jiǎn)單、可靠，因此把DO作為污水處理過(guò)程的控制參數(shù)。1.3氯氣投加環(huán)節(jié)氯氣投加消毒效果的好壞與原水PH值、水溫、濁度和接觸時(shí)間有直接的關(guān)系。氯氣投加系統(tǒng)具有大慣性、大滯后的特點(diǎn)，其過(guò)渡過(guò)程和純滯后時(shí)間均較長(zhǎng)，并且系統(tǒng)的干擾因素較多，對(duì)這樣一個(gè)系統(tǒng)，使用一般的PID調(diào)節(jié)很難滿足控制要求。為了精確控制投加的氯量，運(yùn)用模糊自整定PID參數(shù)控制器對(duì)氯氣投加系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)控制。氯氣投加自動(dòng)控制系統(tǒng)如圖4-11所示。圖4-11氯氣投加自控原理圖1.4絮凝劑投加環(huán)在污泥脫水過(guò)程中為增加沉淀效果，使污水中懸浮顆粒能夠形成具有良好沉淀性能的絮凝體，達(dá)到泥水充分分離的處理效果，需進(jìn)行絮凝劑投加。其控制過(guò)程主要是通過(guò)污泥濃度、污水流量、絮凝劑濃度等因素控制來(lái)完成的。其PID調(diào)節(jié)的模糊控制過(guò)程與上述兩個(gè)非線性控制環(huán)節(jié)類(lèi)似，具有大時(shí)滯、非線性的特點(diǎn)。由于混凝過(guò)程的復(fù)雜性和多變性，混凝投藥的自動(dòng)控制一直受到控制行業(yè)和污水行業(yè)專(zhuān)家的普遍關(guān)注。1.5PID控制對(duì)于工業(yè)控制過(guò)程,PID控制器具有原理簡(jiǎn)單、使用方便、穩(wěn)定可靠等優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)控制領(lǐng)域仍具有強(qiáng)大的生命力。常規(guī)的PID控制器的描述如式（1.1）所示：nni=0Un=kpEn+ki∑Ei+KdECn（1.1）其中Un：控制器的輸出En：控制器偏差輸入ECn：系統(tǒng)誤差變化率kp：比例增益ki：積分增益kd：微分增益比例增益kp使控制器的輸入輸出成一一對(duì)應(yīng)比例關(guān)系。一旦輸入輸出有偏差，比例作用會(huì)立即產(chǎn)生控制作用，比例控制是用來(lái)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的靜態(tài)增益的，它是基于偏差進(jìn)行調(diào)節(jié)的，是有差調(diào)節(jié)。為了盡量減小偏差，同時(shí)也為了加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度，縮短系統(tǒng)的調(diào)節(jié)時(shí)間，需要增大kp值。但是因?yàn)閗p值又受到系統(tǒng)穩(wěn)定性的限制，所以kp值不能任意的增大。積分作用ki是為了消除靜差而引入的。然而，ki值的引入使得系統(tǒng)的響應(yīng)的快速性下降，穩(wěn)定性變差。尤其在系統(tǒng)出現(xiàn)大偏差階段時(shí)，積分往往使得系統(tǒng)的響應(yīng)出現(xiàn)過(guò)大的超調(diào)，從而使調(diào)節(jié)時(shí)間變長(zhǎng)。微分作用kt的作用使之能夠根據(jù)偏差變化的趨勢(shì)作出反應(yīng)，它加快了對(duì)偏差變化的反應(yīng)速度，能夠有效地減小超調(diào)，縮小最大動(dòng)態(tài)偏差。但是，同時(shí)又會(huì)使系統(tǒng)容易受到高頻干擾的影響。在實(shí)際的系統(tǒng)設(shè)計(jì)中只有合理地整定上述三個(gè)參數(shù)，才能獲得比較滿意的控制性能。在污水的自動(dòng)控制中，混凝劑投加、氯氣投加和曝氣環(huán)節(jié)由于過(guò)程的復(fù)雜性、多變性、非線性和大滯后的特點(diǎn)，采用的PID控制算法難以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確和高效的控制。為此在常規(guī)的PID控制基礎(chǔ)上，采用模糊推理的方法，對(duì)PID的控制參數(shù)進(jìn)行在線自整定，從而完善PID控制器的性能，使其適應(yīng)控制系統(tǒng)的參數(shù)變化和工作條。1.6PLC和變頻器通訊（1）USS通訊協(xié)議簡(jiǎn)介USS協(xié)議是一種基于串行總線進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊的協(xié)議，是主-從結(jié)構(gòu)的協(xié)議，規(guī)定了在USS總線上可以有一個(gè)主站和最多30個(gè)從站；總線上的每個(gè)從站都有一個(gè)站地址（在從站參數(shù)中設(shè)定），主站依靠它識(shí)別每個(gè)從站；每個(gè)從站也只對(duì)主站發(fā)來(lái)的報(bào)文做出響應(yīng)并回送報(bào)文，從站之間不能直接進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊。另外，還有一種廣播通訊方式，主站可以同時(shí)給所有從站發(fā)送報(bào)文，從站在接收到報(bào)文并做出相應(yīng)的響應(yīng)后可不回送報(bào)文。在使用USS協(xié)議之前，需要先安裝西門(mén)子的指令庫(kù)。USS協(xié)議指令在STEP7—MICRO/WIN32指令樹(shù)的庫(kù)文件夾中，STEP7—MICRO/WIN32指令庫(kù)提供14個(gè)子程序、3個(gè)中斷程序和8條指令來(lái)支持USS協(xié)議。調(diào)用一條指令時(shí)，將會(huì)自動(dòng)地增加一個(gè)或幾個(gè)子程序。（2）USS通訊協(xié)議庫(kù)編程之前一定要將USS協(xié)議庫(kù)添加進(jìn)去