電氣課程設計--小型sbr廢水處理plc電氣控制系統(tǒng)設計

1、<p>　　東 北 石 油 大 學</p><p>　　課 程 設 計</p><p>　　2013年 12月 15日</p><p>　　東北石油大學課程設計任務書</p><p>　　課程 電氣工程課程設計 </p><p>　　題目

2、 小型SBR廢水處理PLC電氣控制系統(tǒng)設計 </p><p>　　專業(yè) 電氣工程及其自動化 姓名 王小毅 學號 100603140224 </p><p><b>　　主要內容包括：</b></p><p>　　SBR廢水處理技術是一種高效廢水回用的處理技術

3、，采用優(yōu)勢菌技術對校園生活污水進行處理，經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，從而達到節(jié)約水資源的目的。考慮現(xiàn)實生活中校園生活區(qū)較為狹小的特點，應用PLC控制技術，要求SBR廢水處理系統(tǒng)能達到設備體積小，性能穩(wěn)定，工程投資少的目的。</p><p><b>　　主要參考資料：</b></p><p>　　[1]常曉玲.電氣控制系統(tǒng)與可編程控制器&#

4、160;[M].北京：機械工業(yè)出版社，2004. 1. </p><p>　　[2]孫振強，王暉，孫玉峰.可編程控制原理及應用教程 [M].北京：清華大學出版社，2005.2. </p><p>　　[3]唐宇毅.電廠含油工業(yè)污水處理的PLC控制系統(tǒng)設計[D].廣州：廣東工業(yè)大學出版社，2005. </p><p>

5、　　[4]廖常初.PLC編程及應用 [M].北京：機械工業(yè)出版社，2005.2. </p><p>　　[5]張培山，鐘昆.基于PLC的工業(yè)污水處理廠自控系統(tǒng)的實現(xiàn)[J].控制系統(tǒng),2006,5（1）：82-83. 完成期限 2013.12.2至2013.12.15 </p><p>　　指導教師

6、</p><p>　　專業(yè)負責人 </p><p>　　2013年12月15日</p><p><b>　　目錄</b></p><p>　　1．SBR廢水處理工藝的技術要求1</p><p>　　2．SBR廢水處理系統(tǒng)動力設備2</p>

7、;<p>　　3．SBR廢水處理電氣控制系統(tǒng)設計要求2</p><p>　　4．總體方案說明2</p><p>　　5．SBR廢水處理電氣控制原理圖設計3</p><p>　　(1) 主電路設計3</p><p>　　(2) 交流控制電路設計4</p><p>　　(3) 主要參數計算4<

8、;/p><p>　　(4) PLC控制電路設計5</p><p>　　(5) PLC控制程序設計8</p><p>　　6．SBR廢水處理系統(tǒng)電氣工藝設計15</p><p><b>　　7. 結論17</b></p><p><b>　　參考文獻18</b></

9、p><p>　　1．SBR廢水處理工藝的技術要求</p><p>　　SBR廢水處理技術是一種高效廢水回用的處理技術，采用優(yōu)勢菌技術對校園生活污水進行處理，經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，從而達到節(jié)約水資源的目的。</p><p>　　SBR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，力求達到設備體積小，性能穩(wěn)定，工程投資少的

10、目的。廢水處理過程中環(huán)境溫度對菌群代謝產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，SBR廢水處理技術工藝參數變化大，硬件設計選型與設備調試比較復雜，采用先進的PLC控制技術可以提高SBR廢水處理的效率，方便操作和使用。</p><p>　　SBR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、羅茨風機、電動閥門和電磁閥等部分組成，在污水處理池、清水

11、池、中水水箱中分別設置液位開關，用以檢測水池與水箱中的水位。SBR廢水處理系統(tǒng)示意圖如圖1-1所示。</p><p>　　圖1-1 SBR廢水處理系統(tǒng)示意圖</p><p>　　污水處理的第一階段：當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。當污水池納入的污水至正常高水位時，電動閥自動關閉，污水池中污水呈微氧和厭氧狀態(tài)。</p><p>　　

12、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，當電動閥門自動關閉后，排空電磁閥開起，羅茨風機延時空載起動，然后排空電磁閥關閉，污水池開始曝氣。當曝氣處理結束后，排空電磁閥再次開起，羅茨風機空載停機，然后排空電磁閥延時關閉。曝氣風機在無負荷條件下起動和停止，能起到保護電動機和風機的作用。經過

13、0.5h的水質沉淀，PLC下達起動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，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，當水箱內達到正常高水位時，2#清水泵自動停止運行，這時中水箱內的水全部完成處理過程。</p><p>　　如上所示，當中水箱內水位降至低水位時，2#清水泵又自動起動向中水箱泵水。當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

14、。如此循環(huán)往復。</p><p>　　SBR廢水處理技術針對污水水質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)應有參數可修正功能，以滿足廢水處理的要求。</p><p>　　2．SBR廢水處理系統(tǒng)動力設備</p><p>　　SBR廢水處理系統(tǒng)中所使用的動力設備（水泵、羅茨風機、電動閥），均采用三相交流異步電動機，電動機和電磁閥（AC220V選配）選配

15、防水防潮型。</p><p>　　1#清水泵：立式離心泵LS50-10-A，揚程10m，流量29m3/h，1kW。</p><p>　　2#清水泵：立式離心泵LS40-32.1，揚程30m，流量16m3/h，3kW。</p><p>　　曝氣羅茨風機：TSA-40，0.7m3/min，1.1kW。</p><p>　　電動閥：閥體D97A1X

16、5-10ZB-125mm，電動裝置LQ20-1，AC380V，60W。</p><p>　　3．SBR廢水處理電氣控制系統(tǒng)設計要求</p><p>　　1) 控制裝置選用PLC作為系統(tǒng)的控制核心，根據工藝要求合理選配PLC機型和I/O接口。</p><p>　　2) 可執(zhí)行手動/自動兩種方式，應能按照工藝要求編輯程序并可實時整定參數。</p><

17、p>　　3) 電動閥上驅動電動機為正、反轉雙向運行，因此要在PLC控制回路加互鎖功能。</p><p>　　4) PLC的接地應按手冊中的要求設計，并在圖中表示或說明。</p><p>　　5) 為了設備安全運行，考慮必要的保護措施，入如電動機過熱保護、控制系統(tǒng)短路保護等。</p><p>　　6) 繪制電氣原理圖：包括主電路、控制電路、PLC硬件電路，編制P

18、LC的I/O接口功能表。</p><p>　　7) 選擇電器元件、編制元器件目錄表。</p><p>　　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。</p><p>　　9) 采用梯形圖或指令表編制PLC控制程序。</p><p><b>　　4．總體方案說明</b></p><

19、;p>　　1) SBR廢水處理系統(tǒng)控制對象電動機均由交流接觸器完成起、?？刂疲妱娱y電動機要采用正、反轉控制。</p><p>　　2) 污水池、清水池、中水水箱水位檢測開關，在選型時考慮抗干擾性能，選用電極考慮耐腐蝕性。</p><p>　　3) 電動閥上驅動電動機，其內部設有過載保護開關，為常閉觸點，作為電動閥過載保護信號，PLC控制電路考慮該信號邏輯關系。</p>

20、<p>　　4) 1#清水泵、2#清水泵、羅茨風機電動機、電動閥電動機分別采用熱繼電器實現(xiàn)過載保護，其熱繼電器的常開觸點通過中間繼電器轉換后，作為PLC的輸入信號，用以完成各個電動機系統(tǒng)的過載保護。</p><p>　　5) 羅茨風機的控制要求在無負載條件下起動或停機，需要在曝氣管路上設置排空電磁閥。</p><p>　　6) 主電路用斷路器，各負載回路和控制回路以及PLC控制

21、回路采用熔斷器，實現(xiàn)短路保護。</p><p>　　7) 電控箱設置在控制室內。控制面板與電控箱內的電器板用BVR型銅導線連接，電控箱與執(zhí)行裝置之間采用端子板連接。</p><p>　　8) PLC選用繼電器輸出型。</p><p>　　9) PLC自身配有24V直流電源，外接負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。</p>

22、<p>　　5．SBR廢水處理電氣控制原理圖設計</p><p>　　(1) 主電路設計 </p><p>　　SBR廢水處理電氣控制系統(tǒng)主電路如圖5-1所示。</p><p>　　圖5-1 SBR廢水處理電氣控制系統(tǒng)主電路</p><p>　　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

23、M2、曝氣風機M3；交流接觸器KM4、KM5控制電動閥電動機M4，通過正、反轉完成開起閥門和關閉閥門的功能。</p><p>　　2) 電動機M1、M2、M3、M4由熱繼電器FR1、FR2、FR3、FR4實現(xiàn)過載保護。電動閥電動機M4控制器內還裝有常閉熱保護開關，對閥門電動機M4實現(xiàn)雙重保護。</p><p>　　3) QF為電源總開關，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

24、用，使用和維修方便。</p><p>　　4) 熔斷器FU1、FU2、FU3、FU4分別實現(xiàn)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。</p><p>　　(2) 交流控制電路設計 </p><p>　　SBR廢水處理系統(tǒng)交流控制電路如圖5-2所示。</p><p>　　圖5-2 SBR廢水處理系

25、統(tǒng)交流控制電路</p><p>　　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。</p><p>　　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。</p><p>　　3) 1#清水泵M1、2#清水泵M2、曝氣風機M3分別有運行指示燈HL1、HL2、HL3，由KM1、KM2

26、、KM3接觸器常開輔助觸點控制。</p><p>　　4) 4臺電動機M1、M2、M3、M4的過載保護，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連接構成過載保護信號，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完成過載保護控制功能。</p><p>　　5) 上水電磁閥YA1和指示燈HL1、排空電磁閥YA2，

27、分別由中間繼電器KA2和KA3觸點控制。</p><p>　　(3) 主要參數計算</p><p>　　1) 斷路器QF脫扣電流。斷路器為供電系統(tǒng)電源開關，其主回路控制對象為電感性負載交流電動機，斷路器過電流脫扣值按電動機起動電流的1.7倍整定。SBR廢水處理系統(tǒng)有3kW負載電動機一臺，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臺電動機單獨起動運行，因此可根據3k

28、W電動機選擇自動開關QF脫扣電流IQF：</p><p>　　IQF＝1.7IN=1.7×6A＝10.2A≈10A，選用IQF＝10A的斷路器。</p><p>　　2) 熔斷器FU熔體額定電流IFU。以曝氣風機為例，IFU≥2IN＝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。</p><

29、p>　　3) 熱繼電器的選擇請參考有關技術手冊，自行計算參數。</p><p>　　(4) PLC控制電路設計 </p><p>　　包括PLC硬件結構配置及PLC控制原理電路設計。</p><p>　　1) 硬件結構設計。了解各個控制對象的驅動要求，如：驅動電壓的等級、負載的性質等；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

30、及類型，如：對開關量、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機型及外設，完成PLC硬件結構配置。</p><p>　　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5-3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載供電，輸出回路所有COM端短接后接入電源N端。</p><

31、;p>　　圖5-3 SBR廢水處理系統(tǒng)PLC控制電路原理圖</p><p>　　3) KM4和KM5接觸器線圈支路，設計了互鎖電路，以防止誤操作故障。</p><p>　　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24

32、V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量。</p><p>　　5) PLC采用繼電器輸出，每個輸出點額定控制容量為AC250V，2A。</p><p>　　表5-1和表5-2分別為SBR廢水處理系統(tǒng)PLC輸入和輸出接口功能表。</p><p>　　表5-1 SBR廢水處理系統(tǒng)PLC輸入接口功能表</p><p>　　表5-

33、2 SBR廢水處理系統(tǒng)PLC輸出接口功能表</p><p>　　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。</p><p>　　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5-3所示。</p><p>　　表5-3 SBR廢水處理系統(tǒng)元器件目

34、錄表</p><p>　　(5) PLC控制程序設計</p><p>　　1) 程序設計。根據控制要求，建立SBR廢水處理系統(tǒng)控制流程圖，如圖11-5所示，表達出各控制對象的動作順序，相互間的制約關系。在明確PLC寄存器空間分配，確定專用寄存器的基礎上，進行控制系統(tǒng)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。</p><p>　　2) 系統(tǒng)靜

35、態(tài)調試?？蛰d靜態(tài)調試時，針對運行的程序檢查硬件接口電路中各種邏輯關系是否正確，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，作反復調試，出現(xiàn)問題及時分析、調整程序或參數。</p><p>　　3) 系統(tǒng)動態(tài)調試及運行。在動態(tài)帶負載狀態(tài)下調試，密切觀察系統(tǒng)的運行狀態(tài)，采用先手動再自動的調試方法，逐步進行。遇到問題及時停機，分析產生問題的原

36、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。</p><p>　　圖5-4 SBR廢水處理系統(tǒng)控制流程圖</p><p>　　SBR廢水處理系統(tǒng)PLC控制程序如圖5-5所示。</p><p>　　圖5-5 SBR廢水處理系統(tǒng)PLC控制梯形圖程序</p><p>　　圖5-5 SBR廢水處理系統(tǒng)PLC控制梯形圖程序</

37、p><p>　　圖5-5 SBR廢水處理系統(tǒng)PLC控制梯形圖程序</p><p>　　圖5-5 SBR廢水處理系統(tǒng)PLC控制梯形圖程序</p><p>　　圖5-5 SBR廢水處理系統(tǒng)PLC控制梯形圖程序</p><p>　　圖5-5 SBR廢水處理系統(tǒng)PLC控制梯形圖程序</p><p>　　6．SBR廢水處理系統(tǒng)電

38、氣工藝設計</p><p>　　按設計要求設計繪制電氣裝置總體配置圖、電器板電器元器件平面圖、控制面板電器平面圖及相關電氣接線圖。</p><p>　　1) 先根據控制系統(tǒng)要求和電氣設備的結構，確定電器元器件的總體布局以及電控箱內裝配板與控制面板上應安裝的電器元件。本系統(tǒng)除電控箱外，在污水處理設備現(xiàn)場設計安裝的電器元件和動力設備有：電磁閥、水位開關、電動機、電動閥（含閥位控制器）等。電控箱

39、內電器板上安裝的電器元件有：斷路器、熔斷器、隔離變壓器、PLC、接觸器、中間繼電器、熱繼電器和端子板等。在控制面板上設計安裝的電器元件有：控制按鈕、旋鈕開關、各色指示燈等。</p><p>　　2) 依據用戶要求滿足操作方便、美觀大方、布局均勻對稱等設計原則，繪制電控箱電器板元件布置圖、電器面板元件布置圖、電氣接線圖等，如圖6-1～圖6-2所示。進出引線采用接線端子板連接，接線圖略。</p><

40、;p>　　3) 依據電器元件布置圖及電器元器件的外形尺寸、安裝尺寸，繪制電器板（絕緣板、鍍鋅鐵板或架）、控制面板（有機玻璃板、鋁板或鐵板等）、墊板（有機械強度的絕緣板或鍍鋅板）等零部件加工圖。圖中應注明外形尺寸、安裝孔徑、定位尺寸與公差、板材厚度以及加工要求等。本設計所涉及的鈑金加工技術圖從略。</p><p>　　4) 依據電器安裝板、控制面板尺寸設計電控箱，繪制電控箱安裝圖。本設計從略。</p&g

41、t;<p>　　至此，基本完成了SBR廢水處理系統(tǒng)要求的電氣控制原理設計和工藝設計任務。</p><p>　　圖6-1 電控箱電器板元件布置圖 圖6-2 電控箱電器面板元件布置圖</p><p><b>　　結論</b></p><p>　　經過這段時間的課程設計，基本上完成了對PLC污水處理系統(tǒng)的設計，達到

42、了預期的設計目標。在這個過程中，使我學到了很多知識，積累了許多寶貴的經驗，鍛煉了自己的獨立思考能力和實踐動手能力。進一步加深了解了PLC在實踐當中的應用。熟悉了PLC硬件的工作原理，完成了整個系統(tǒng)的模擬調試，通過對系統(tǒng)的不斷修改和調試，基本上達到了預期的設計要求。同時我也對SBR廢水處理有了一定的認識，SBR是序批式活性污泥法的簡稱，是一種按間歇曝氣方式來運行的活性污泥污水處理技術。</p><p><b&

43、gt;　　參考文獻</b></p><p>　　[1]常曉玲.電氣控制系統(tǒng)與可編程控制器 [M].北京：機械工業(yè)出版社，2004. 1. </p><p>　　[2]孫振強，王暉，孫玉峰.可編程控制原理及應用教程 [M].北京：清華大學出版社，2005.2. </p><p>　　[3]唐宇毅.電廠含油工

44、業(yè)污水處理的PLC控制系統(tǒng)設計[D].廣州：廣東工業(yè)大學出版社，2005. </p><p>　　[4]廖常初.PLC編程及應用 [M].北京：機械工業(yè)出版社，2005.2. </p><p>　　[5]張培山，鐘昆.基于PLC的工業(yè)污水處理廠自控系統(tǒng)的實現(xiàn)[J].控制系統(tǒng),2006,5（1）：82-83. </p><p>

45、　　[6]李英輝，趙豫龍，戴青云.基于PLC的中水處理系統(tǒng)[J].石家莊職業(yè)技術學院報,2008,6（4）76-78. </p><p>　　[7]何獻忠.工業(yè)工業(yè)污水處理的PLC控制應用[J].湖南冶金職業(yè)技術學院學報，2004，43（4）：86-87. </p><p>　　[8]張燕賓.SPWM變頻調速應用技術（第3版）[M].北京：機械工業(yè)出版社，2006.15

46、3. </p><p>　　[9]程玉華.西門子S7-200工程應用實例分析 [M].北京：電子工業(yè)出版社，2008.1. </p><p>　　[10]陶權，吳尚慶.變頻器應用技術 [M].廣州：華南理工大學出版社.2009.</p><p>　　[11]Ostrirov,VN. Experience of design a

47、nd application of the complete energy saving electric drives in systems of town’s water supply and feculence water pump. Elektrichestvo, 2003(4):68-71</p><p>　　[12]Lewis B W,candello M R.variable frequency d

48、rive(VFD)technology is here and it works:a comparison of prevailing control technologies.Journal of the New England water works Association,1998,112(3):227-240</p><p>　　東北石油大學課程設計成績評價表</p><p>