现场总线课程设计

Profibus在污水处理控制系统中的应用

第一章

本次设计题目的分析与方案的选择

废水处理生产工艺流程的各个环节，环节与环节之间、环节内部需检测的参数与各个现场被控设备之间都相对比较分散，且项目（系统）对各个工艺环节的数据集成有较高的要求，除要达到远程操作、诊断、监控、参数化功能外，还必须为CM赐系统提供丰富的现场设备及生产数据，为信息系统提供重要的底层数据。而profibus恰到好处的解决这些问题。

为确保实际应用项目（系统）的成功实施，现场总线PROFIBUS的一些关键性技术能否在水行业得到正常应用，主要是看它在本行业是否有应用先例，经过调研，确认PROFIBUS不仅在制造、电力等方面，在水行业也已有成功的应用，且有相当的业绩。

根据废水处理工艺流程，现场总线PROFIBUS将PLC分为四个工作站，一泵房站、二泵房站、加药站、滤池站及中心控制室、厂长室，并设置为主站，而加药和滤池主站则配置为分别带有8个和12个智能型VO从站的PLC。对四个PLC工作主站，考虑到系统功能的要求及用户的需要，每站分别配置了一台计算机和网卡作监控主站。

废水处理自控系统现场总线结构型式有三种：A型、B型、C型。如图1所示。

图1 现场总线结构型式

以PLC为一类主站，PC机监控为二类主站连接至PROFIBUS总线上，二类主站可完成远程编程、参数化及在线监控功能等。

现场总线PROFIBUS控制系统的结构形式配置，需根据现场设备是否具备PROFIBUS接口及系统本身的实际需要来确定，图2为废水处理厂PROFIBUS控制系统网络结构图。

图2 PROFIBUS控制系统网络结构图

系统控制要求及控制方案的实现：

（1）为使水处理工艺各个环节的生产数据和生产现场设备在调度控制中心被实时监视控制，调度室和厂长室都配有一台电脑连接至PROFIBUS现场总线上，通过WIHNCC组态图形软件既能监视各站点生产状况，又能控制操作现场设备的各种状态，达到非常理想的集中控制功能。

（2）为了维护方便、操作灵活对各个PLC站点的设备均设置有手动、键控和全自动控制方式。一泵房PLC通过PROFIBUS接受二泵房PIE采集的清水池水位，出厂水流量等数据，对一泵房机组进行全自动闭环控制，二泵房则通过网络根据调度室确定的指令及流量、压力、设备状况进行自动控制。

（3）滤池控制PIE站点，在控制室柜中装有西门子CPU315PLC，在每格滤池操作台内装有西门子CPU215-2DPPLC，它们之间通过DP端口利用屏蔽双绞线连

接在一起，构成PROFIBUS——DP总线，其中S7-300是主站，其它12台S7-200是从站，实现对滤池的全自动反冲洗。

（4）加矾加氯及桁车、反应池排泥站点，在控制室柜中装有西门子CPU315PLC为主站，在桁车、反应池排泥处装有S7-200PLC为从站，共8台，它们之间连成PROFIBUS-DP总线，使桁车排泥按时段进行全自动工作，加矾按流量比例前馈、SCD反馈控制，加氯按流量比例、余氯反馈闭环控制。

第二章

系统电路设计

1) 废水处理的电气控制系统 SBR废水处理工艺的技术要求：

SBR废水处理技术是一种高效废水回用的处理技术，采用优势菌技术对校园生活污水进行处理，经过处理后的中水可以用来浇灌绿地、花木、冲洗厕所及车辆等，从而达到节约水资源的目的。

SBR废水处理系统方案要充分考虑现实生活中校园生活区较为狭小的特点，力求达到设备体积小，性能稳定，工程投资少的目的。废水处理过程中环境温度对菌群代谢产生的作用直接影响废水处理效果，因此采用地埋式砖混结构处理池以降低温度对处理效果的影响。同时，SBR废水处理技术工艺参数变化大，硬件设计选型与设备调试比较复杂，采用先进的PLC控制技术可以提高SBR废水处理的效率，方便操作和使用。

SBR废水处理系统分别由污水处理池、清水池、中水水箱、电控箱以及水泵、罗茨风机、电动阀门和电磁阀等部分组成，在污水处理池、清水池、中水水箱中分别设置液位开关，用以检测水池与水箱中的水位。

图3 SBR废水处理系统示意图

污水处理的第一阶段：当污水池中的水位处于低水位或无水状态时，电动阀会自动开起纳入污水。当污水池纳入的污水至正常高水位时，电动阀自动关闭，污水池中污水呈微氧和厌氧状态。

污水处理的第二阶段：采用能降解大分子污染物的曝气法，可使污水脱色、除臭、平衡菌群的pH值并对污染物进行高效除污，即好氧处理过程。整个好氧（曝气）时间一般需要6—8h。在曝气管路上安装了排空电磁阀，当电动阀门自动关闭后，排空电磁阀开起，罗茨风机延时空载起动，然后排空电磁阀关闭，污水池开始曝气。当曝气处理结束后，排空电磁阀再次开起，罗茨风机空载停机，然后排空电磁阀延时关闭。曝气风机在无负荷条件下起动和停止，能起到保护电动机和风机的作用。经过0.5h的水质沉淀，PLC下达起动1#清水泵指令，将沉淀后的水泵入到清水池。当清水池中的水位升至正常高水位时，1#清水泵自动停止运行。这时2#清水泵自动起动向中水箱泵水，当水箱内达到正常高水位时，2#清水泵自动停止运行，这时中水箱内的水全部完成处理过程。

当中水箱内水位降至低水位时，2#清水泵又自动起动向中水箱泵水。当污水池中的水位降至低水位时，电动阀门会自动打开继续向污水池纳入污水。如此循环往复。

2) SBR废水处理系统动力设备

SBR废水处理系统中所使用的动力设备（水泵、罗茨风机、电动阀），均采用三相交流异步电动机，电动机和电磁阀（AC220V选配）选配防水防潮型。

1#清水泵：立式离心泵LS50-10-A，扬程10m，流量29m3/h，1kW。

2#清水泵：立式离心泵LS40-32.1，扬程30m，流量16m3/h，3kW。 曝气罗茨风机：TSA-40，0.7m3/min，1.1kW。

电动阀：阀体D97A1X5-10ZB-125mm，电动装置LQ20-1，AC380V，60W。 3) SBR废水处理电气控制系统总体设计过程

1．总体方案说明

（1）SBR废水处理系统控制对象电动机均由交流接触器完成起、停控制，电动阀电动机要采用正、反转控制。

（2）污水池、清水池、中水水箱水位检测开关，在选型时考虑抗干扰性能，选用电极考虑耐腐蚀性。

（3）电动阀上驱动电动机，其内部设有过载保护开关，为常闭触点，作为电动阀过载保护信号，PLC控制电路考虑该信号逻辑关系。

（4）1#清水泵、2#清水泵、罗茨风机电动机、电动阀电动机分别采用热继电器实现过载保护，其热继电器的常开触点通过中间继电器转换后，作为PLC的输入信号，用以完成各个电动机系统的过载保护。

（5）罗茨风机的控制要求在无负载条件下起动或停机，需要在曝气管路上设置排空电磁阀。

（6）主电路用断路器，各负载回路和控制回路以及PLC控制回路采用熔断器，实现短路保护。

（7）PLC选用继电器输出型。 2．SBR废水处理电气控制原理图设计 （1）主电路设计

SBR废水处理电气控制系统主电路如图4所示。