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毕业设计论文污水处理站的电气自控系统设计

更新时间:2023-10-29 13:32:01 阅读：评论：0

喀斯特地貌的特点-花叶假连翘

2023年10月29日发(作者：梦女孩)

南京工业大学

毕业设计

题目：xx污水处理装置的电气自

控系统工程设计

学生姓名：xx

学号：xx

专业：xx

班级：xx

指导教师：xx

2012年6月

xx污水处理装置的电气自控系统工程设计

摘要

本文的主要目的是为江苏久吾高科技股份有限公司三桥新厂区的污水处理站设计一

套电气自控系统。首先先为水处理站进行工艺系统设计和控制方案设计。本系统采用生化

系统工艺和陶瓷膜系统工艺相结合，主要控制方案是基本的单回路反馈控制，气动调节阀

采用PID控制使得控制效果更好。电气控制系统由一台计算机、一个PLC主站，两个现场

控制子站构成。主站采用西门子ET200S作为控制核心，两个现场控制子站用于控制现场

设备、采集动态工艺参数和设备工作情况。计算机和PLC主站位于中心控制室，现场子站

位于前级处理池区，陶瓷膜设备区。计算机和PLC主站之间通过MPI协议通讯，PLC主

站和现场子站之间通过PROFIBUS-DP协议通讯。通过现场实践证明，该处理系统不仅具

有较强的并行协调处理能力，而且具有高可靠性、灵活性和可扩展性，以及高速处理能力

等优点。充分证明自动化控制系统对提高生产效率和安全性具有良好效果。

关键词：污水处理；陶瓷膜；自动化控制系统；PLC；PID控制

The design of a automatic control system for xx

Abstract

The main purpo of this Graduation Thesis is to design a t of electri-cal automatic

control system for the Sewage treatment station of the new fac-tory Jiang Su Jiuwu high-tech Co.,

Ltd..First ,designing a Process System and control program for the Sewage treatment station. The

system us a combinat-ion of biochemical systems and ceramic membrane system. Single-loop

feedback control system is the main control program. By using the method of PID, it makes the

pneumatic controlled better. The electrical control system consist-sf a computer, a PLC master

station and two-site of control sub-stations. The master station takes the Siemens ET200S as the

control core, and two-site of control sub-stations are ud to the field devices, dynamic process

parameters and equipment acquisition. Computer and the PLC master station is located in the

central control room. The two site sub-stations are located in pre-treatment pond area and

ceramic membrane equipment area parately. The communic-ation between the computer and

PLC master station are by the u of MPI prot-ocol. The communication between the PLC

master station and the two-site of control sub-stations are by the u of PROFIBUS-DP protocol.

According to the running situation of the scene, the treatment system not only has a strong

processing capacity of parallel coordination，but also has the advantages of highly reliability,

flexibility and scalability, and high-speed processin-g capability. It fully proves that the

automatic control system has a good effect to production efficiency and curity.

Keywords: Sewage treatment; Ceramic membrane; Automation control system; Programmable Logic

Controller; PID control

摘要 ........................................................................................................................ I

Abstract ................................................................................................................... II

第一章绪论 ......................................................................................................... 1

1.1概述 ................................................................................................................................... 1

1.2国内外的研究现状 ........................................................................................................... 2

1.3 PLC简介 ........................................................................................................................... 3

1.4 STEP 7和WinCC软件简介 ............................................................................................ 4

1.5本文的主要工作 ............................................................................................................... 5

第二章污水处理站工艺简介 ................................................................................. 6

2.1主要污水处理设备 ........................................................................................................... 6

2.2工艺流程及主要内容 ....................................................................................................... 6

2.3污水处理流程 ................................................................................................................... 7

2.3.1污水处理工艺部分 ................................................................................................ 7

2.3.2陶瓷膜清洗工艺部分 ............................................................................................ 7

第三章污水处理站的控制方案设计 ..................................................................... 8

3.1 系统控制方式 .................................................................................................................. 8

3.2主要污水处理装置的控制方式 ....................................................................................... 8

3.2.1格栅井、调节池、提升泵的设备控制 ................................................................ 8

3.2.2缺氧池、好氧池、二沉池、污泥池和鼓风机房的设备控制 ............................ 9

3.2.3中间水池、陶瓷膜设备、清液罐的控制 ............................................................ 9

3.2.4 清洗罐的温度控制 ............................................................................................. 12

3.2.5 陶瓷膜设备的压力控制 ..................................................................................... 12

第四章污水处理站的电气自控系统设计 ........................................................... 15

4.1 系统概述 ........................................................................................................................ 15

4.1.1 控制室 ................................................................................................................. 16

4.1.2 PLC主站控制系统 .............................................................................................. 16

4.1.3分现场生产过程PLC控制系统......................................................................... 17

III

4.2 PLC设备及仪表选型 ..................................................................................................... 17

4.2.1 PLC选型要求 ...................................................................................................... 17

4.2.2 PLC选型 .............................................................................................................. 18

4.2.3 仪表选型 ............................................................................................................. 20

4.2.4 仪表动力配置 ..................................................................................................... 21

4.2.5 PLC具体配置 ...................................................................................................... 21

4.2.6模块连接图 .......................................................................................................... 24

4.3 PLC程序设计 ................................................................................................................. 25

4.4监控系统设计 ................................................................................................................. 30

4.4.1变量管理和通讯设置 .......................................................................................... 31

4.4.2 WinCC人机画界面设计 ..................................................................................... 31

5.1 现场设备安装 ................................................................................................................ 35

5.2 现场调试 ........................................................................................................................ 35

5.2.1下位机与上位机的通讯调试 .............................................................................. 35

5.2.3现场信号与实时数据换算正确性的调试 .......................................................... 35

5.2.4控制方案调试与算法整定 .................................................................................. 35

5.3 调试结果 ........................................................................................................................ 36

结语 ......................................................................................................................... 37

参考文献 ................................................................................................................. 38

致谢 ......................................................................................................................... 39

附录1：图纸 .......................................................................................................... 40

附录2：PLC 程序 ................................................................................................. 43

1 阀门控制程序 ................................................................................................................... 43

2 电机控制程序 ................................................................................................................... 44

3 仪表信号换算 ................................................................................................................... 45

4 报警功能子程序 ............................................................................................................... 47

5 过滤，清洗，排渣功能程序 ........................................................................................... 48

6 单回路控制程序 ............................................................................................................... 50

南京工业大学本科生毕业设计（论文）

第一章绪论

1.1概述

水处理是长期以来倍受关注的领域之一，它是改善居民生活环境、提高人民健康水平

的重要手段。近年来，污水处理厂已成为各个城市最重要的基础设施之一。我国工业

[1][2]

废水产生来源很多，构成成分复杂，性质多变，按处理等级可分为一级处理、二级处理和

深度处理，目前我国工业废水一般采用生物化学法处理，以厌氧与好氧结合的工艺为主要

处理单元，但存在占地面积大、装置结构复杂、处理周期长等缺点。而无机陶瓷膜具有耐

高温、耐强酸强碱和有机溶剂、耐微生物侵蚀、机械强度高、孔径分布窄等突出优点，在

水处理领域应用具有广阔的发展前景，无机陶瓷膜可以在苛刻的条件下进行长期稳定的分

离操作，特别适合工业废水的处理。尤其对于那些难生物降解的、含有某些特殊污染物质

的工业废水更适宜采用无机陶瓷膜处理。

早在年代食品工业就开始大规模地采用膜技术处理废水。对于含有高浓度难降

1990 ,

[3]

解的有机废水，采用预处理手段，既可以降低或去除部分有毒有害的有机物改善其生物降

解性，又为后续处理创造条件。例如染料工业废水、农药废水、制药废水、焦化废水等除

含有浓度很高的有机污染物外，还含有很强的酸、碱性物质、盐类和色度，在进入生物处

理系统之前应采取预处理措施。

废水传统的二级生物处理存在一些问题，比如抗冲击能力差，占地大，系统不够稳定，

处理后水质不够理想，对有些特殊物质(如N , P) 处理效果差。而用陶瓷膜替代传统的二级

生物处理工艺，具有固液分离效率高、能耗低和工艺简单，易于自动化等特点。主要可应

用于生活污水的处理、低浓度重金属废水以及含油废水等方面的处理。

陶瓷膜在工业废水处理中使用中的最大问题是膜污染。膜污染来源于两个方面，一是

不可逆污染，是由于不可逆吸附、堵塞引起的污染；另一方面是可逆污染，主要是由于可

逆的浓差极化导致凝胶层的形成，二者共同造成运行过程中膜通量的衰减。减轻膜污染的

方法主要包括：料液预处理、优化膜分离操作水力条件、与其它水处理技术相结合减轻膜

的污染等。在我国, 存在人均水资源少, 水需求量大, 水环境污染严重等问题, 陶瓷膜技术

在此问题的解决上可以发挥重要作用,所以, 陶瓷膜技术在水处理领域有着巨大的市场发

展空间。

污水处理设备随着污水处理技术的日益成熟，也在不断的发展和完善。以PLC 为核

心的分布式控制系统在污水处理行业迅速推广，PLC 自动控制系统适应了污水处理厂设

[4]

第一章绪论

备分散、控制点多及控制信息复杂的要求, 成为污水处理厂自动控制系统的首选。PLC

[5]

即可编程控制器（Programmable logic Controller，是指以计算机技术为基础的新型工业控

制装置，是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它采用可以

编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算

等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。

PLC及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的

原则而设计。原有的污水处理厂其控制部分采用传统的继电器控制，控制线路复杂，继电

器多，长时间运行后，线路老化，频繁出现控制故障。而PLC控制器以其技术成熟、通用

性好、可靠性高、安装灵活、扩展方便、性能价格比高等一系列优点，在工业控制中得到

了越来越广泛的应用，在污水处理中采用PLC控制系统改造后，提高了自动控制的可靠性

不仅减轻了工人的劳动强度而且提高了污水处理厂的行效率和运行效益实现了污水厂生

产管理的科学性。

1.2国内外的研究现状

国外情况：

由于控制技术、网络通讯技术以及现场总线技术的飞速发展，国外的污水处理厂很早

就实现了污水处理厂的网络控制，如DCS/FCS系统，同时国外较早的将 SCADA 技术引

入到了给水排水工程中，并取得了良好的经济效益和社会效益。国外同时注重水处理PLC

的开发，相继研制出了一些智能、稳定、小巧的控制单元，如AB公司的 SLC系列、Siemens

的s7系列、Schneider 的 TSX Quantum DO、化学需氧量COD分析仪。国外污水处理自

控系统主要有以下特点：大量采用在线监控的水质分析仪表，对全厂的水质实行实时的监

测，并有上位机记录下来，提高了测量精度;生产过程中不同程度上采用了智能控制，可以

根据水质和水源的变化自动的调整相应的控制方式;大量采用遥控、遥测设备。

国内情况：

与国外相比，我国污水处理自动化控制起步较晚，70 年代开始采用热工仪表，实行

集中巡检；80年代应用分析仪表和 DCS 系统；到 90 年代，随着一大批利用国际贷款的

大型污水处理厂的建成投产，我国污水处理控制系统的自动化水平有了很大提升。从外国

引进污水厂的自动控制系统已广泛采用集散式计算机监控系统，应用了自动化程度较高的

检测仪表，各种新工艺、新设备的大量出现并得到应用。可以说我国污水处理自动化的现

状是：手动和自动兼备，自制和引用并举。可以看出我国污水处理自控系统有以下特点：

对于新建的污水处理厂，引进了计算机分散控制系统，手动和自动并存的控制方式。大部

南京工业大学本科生毕业设计（论文）

分以前建设的污水处理厂自动化程度仍然很低;国产在线仪表的稳定性还没有达到要求，所

以大部分采用进口的在线仪表，但由于进口仪表价格昂贵，所以应用并不广泛。水质的检

测主要是有实验人员通过实验来测量;各个控制站之间完全独立，无信息交换。并且各个控

制单元由于内部资源的限制，只是实现了简单的时间控制和逻辑控制;上位机监控软件很

少使用，几乎没有中控室，不能对全厂的设备实行实时监控，而一些报表的工作也主要是

有厂里的工作人员手工完成。通过对比，不难看出整体上和国外相比我国污水处理的自控

系统仍然存在很大的差距，但是我国的应用前景却非常广泛、潜力很大。

1.3 PLC简介

PLC（Programmable Logic Controller），即可编程逻辑控制器，于1969年由美国数字

设备公司（DEC）基于集成电路和电子技术的控制装置研制出来，第一代可编程序控制器

简称PC，随着技术的发展和成熟可编程序控制器命名为PLC。

PLC是微机技术和继电器常规控制概念相结合的产物，它的组成部分与一般的微机装

置类似，它主要由中央处理单元、输入接口、输出接口、通信接口等，其中CPU是PLC

核心，I/O部件是连接现场设备与CPU之间的接口电路，通信接口用于与编程器和上位机

连接。对于整体式PLC，所有部件都安装在同一机壳内；对于模块式可编程逻辑控制器，

各功能部件独立封装，各模块通过总线连接，安装在机架或导轨上。

[6]

可编程逻辑控制器的模拟量输入接口为标准信号方式，如1~5V，4~20mA等，因此需

要将现场实际参数进行处理。变送器则是将非标准电信号转换为标准电信号的仪器。变送

器种类很多，总体来说就是由变送器发出一种信号来给二次仪表使二次仪表显示测量数

据，它把传感器采集到的微弱的电信号放大以便转送或启动控制元件，或将传感器输入的

非电量转换成电信号同时放大以便供远方测量和控制的信号源，根据需要还可将模拟量变

换为数字量。一般分为温度变送器，压力变送器，液位变送器等。

[7]

可编程逻辑控制器按结构分为整体型和模块型两类，按应用环境分为现场安装和控制

室安装两类；按CPU字长分为1位、4位、8位、16位、32位、64位等。从应用角度出

发，通常可按控制功能或输入输出点数选型。整体型可编程逻辑控制器的I/O点数固定，

因此用户选择的余地较小，用于小型控制系统；模块型可编程逻辑控制器提供多种I/O卡

件或插卡，因此用户可较合理地选择和配置控制系统的I/O点数，功能扩展方便灵活，一

般用于大中型控制系统。

可编程控制器PLC作为一种多功能智能化的综合控制器具有通用性好、可靠性高、

编程简单、扩展方便、安装灵活和故障率低等诸多特点在工业控制领域得到越来越广泛的

应用。

[8]

第一章绪论

1.4 STEP 7和WinCC软件简介

STEP 7是支持西门子SIMATIC PLC和编程的标准软件包，它不仅从不同层次充分支

持合理的程序结构设计，而且也简化了结构设计的复杂程度。

对于一般系统，STEP 7软件使用前我们需对程序结构进行设计，然后在STEP 7中确

定相关数据结构，之后在程序和数据结构基础上进行编程，最终进行程序调试。STEP 7软

件的使用包括：授权安装、项目创建、硬件组态、网络设置、程序设计、调试下载以及诊

断和运行等步骤。

[9]

STEP 7常见编程语言有LAD（梯形图）、STL（语句表）等,在程序结构设计中，根据

程序要求，可选择组织块（OB）、功能块（FB）或功能（FC）等三种类型的逻辑块，而数

据块DB则用来存储执行用户程序所需的数据。

项目中常用组织块有OB1、OB35、OB100。OB1为主程序循环，是重要的组织块，

当OB1运行后，操作系统将过程映像输出寄存器写到外设模块中，即OB1是程序在硬件

电路上运行的软件接口。利用OB35可以控制程序的执行和中断周期。OB100为启动模块，

即当CPU从STOP到RUN状态时启动，利用OB100可以对一些参数和操作进行开机初始

化设定。

[10]

PLC常用功能编程模块包括FB、FC。FB是一种“带记忆”的逻辑功能块，FC则是

普通编程逻辑功能块，系统在调用FB模块时将给FB分配相应背景DB数据块。

WinCC（Windows Control Center）是HMI/SCADA人机操作软件中的一种，是基于

Microsoft Windows 2000/XP操作系统的组态软件，是第一个使用最新的32位技术的过程

监视系统，具有良好的开放性和灵活性。WinCC是一个真正开放的，面向监控与数据采集

的SCADA（Supervisory Control and Data Acquisition）软件，可在任何标准PC上运行。

WinCC操作简单，系统可靠性高，与STEP 7功能集成，可直接进入PLC的硬件故障系统，

节省项目开发时间。WinCC在数据处理、通讯、监控界面设计、编程语言等方面给用户提

供了简单、方便的使用功能。

[11]

对于一个简单项目，WinCC软件使用步骤为：1.安装及授权；2.建立项目；3.安装通

讯驱动；4.定义变量；5.建立和编辑监控画面；6.激活和运行项目。对于复杂的项目设计，

一般要用到用户归档、脚本编程、SQL数据库等软件功能块。

在工业控制中，西门子S7 PLC一般与WinCC相结合，现场数据和控制信号经PLC

运算处理后，可以利用WinCC进行状态监控，这样既方便工作人员远程操作又可以较好

的掌握现场运行情况。

南京工业大学本科生毕业设计（论文）

1.5本文的主要工作

1）熟悉污水处理的工艺过程，分析污水处理系统的各项功能需求，了解污水处理系

统相关各类仪表参数指标，设计出合理的污水处理系统自动控制方案；

2）熟悉西门子plc的基本结构和工作原理，并对污水处理控制系统进行设计分析；

3）完成污水处理系统的硬件方面，对PLC进行选型，分配I/O接口；

4）练习STEP7编程软件以及WINCC组态软件的使用，完成污水处理系统软件方面

的组态与编程。

5）完成现场污水处理系统的软/硬件安装、调试与运行，使装置及控制过程正常运行。

第二章污水处理站工艺简介

2.1主要污水处理设备

本污水处理系统主要由格栅井、调节池、厌氧池、好氧池、二沉池、污泥池、中间水

池、陶瓷膜过滤设备、清洗罐、清液罐等组成。

2.2工艺流程及主要内容

本废水处理系统主要分为两大处理单元， A/O生物接触氧化和后续陶瓷膜深度处理，

处理后的水可以达标回用。

主要处理流程如下：生活污水及生产废水采用直接自流进入排水管网，污水经管网集

流后自流经格栅除去水中的粗大悬浮物，然后由自流的方式进入调节池进行均合水质、

[12]

水量调节。调节池采用全地下室钢筋混凝土池，有效水力停留时间为8～10小时。

调节池的废水由潜污水泵提升至污水处理系统（活性污泥法），该系统由厌氧池、

[13]

好氧池、沉淀池、中间水池、污泥池等部分组成。

在厌氧池中，废水中大分子有机物水解成小分子有机物，从而降低了好氧池处理负荷，

废水中BOD和CODcr会有一定下降，含氮有机物也会由于细胞的合成而有一些去除，但

NH－N含量没有变化，P的含量因细胞释放而上升。

好氧池为本污水处理的核心部分，分二段，第一段在较高的有机负荷下，通过附着于

填料上的大量不同种类的微生物群落共同参与下的生化降解和吸附作用，去除污水中的各

种有机物质，使污水中的有机物含量大幅度降低。第二段是在有机负荷较低的情况下，通

过硝化菌的作用，在氧量充足的条件下降解污水中的氨氮，同时也使污水中的COD值降

低到更低的水平，使污水得以净化。

好氧池中的污水排放到二沉池，一部分污泥通过污泥提升泵送到厌氧池中作反应物，

一部分排放到污泥池中。污水送到中间水池中进行后续陶瓷膜深度处理。

陶瓷膜系统中采用循环泵来节约能源，经陶瓷膜系统处理后的达标清水一部分送入清

洗罐用于清洗陶瓷膜系统，另外一部分送入清液罐，然后输送到各个使用点。

清洗陶瓷膜系统时，使用清洗罐中的水，清洗后的水送到废水池再做处理。清洗顺序：

停机、排渣、漂洗、排渣、碱洗、排渣、漂洗、排渣。

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2.3污水处理流程

2.3.1污水处理工艺部分

图2-1污水处理工艺

[14]

2.3.2陶瓷膜清洗工艺部分

图2-2陶瓷膜清洗工艺

第三章污水处理站的控制方案设计

3.1 系统控制方式

污水处理站采用三级控制方式，即现场控制方式、MCC控制方式（电动机控制中心）

和微机控制方式。目前，以MCC控制为基础，PLC控制为主导的控制方式始终处于工

[15]

业自动化控制领域的主战场，为各种各样的自动化控制设备提供了非常可靠的控制应用。

其主要原因，在于它能够为自动化控制应用提供安全可靠和比较完善的解决方案，适合于

当前污水处理站对自动化的需要。

[16]

1）手动控制：优先级最高，当工艺设备或其就地按钮箱的“ 手动/ 自动”转换开关

处于“ 手动”时，PLC 的控制被屏蔽，工艺设备可在就地按钮箱或MCC 上实现开、停

等人工操作。当工艺设备或其就地按钮箱上的“ 手动/ 自动”转换开关处于“ 自动”时，

设备的全部控制过程由PLC 完成。

2）PLC 自动控制：利用PLC 的逻辑控制功能，提供工艺设备的自动及关联设备的联

动、连锁控制及闭环控制，各分站管辖区域的设备以这种控制方式为主。

3）中控室远程控制：中控室通过人机操作界面，对全厂的设备进行远程控制，实现

宏观调控，处理局部的停机事故和紧急状态，维持系统的总体协调。

[17]

3.2主要污水处理装置的控制方式

3.2.1格栅井、调节池、提升泵的设备控制

格栅井、调节池、提升泵的控制分为现场控制和远程控制两种模式。远程控制模式由

PLC和上位机实现，它包括微机手动和微机自动，而微机自动控制方式为：设计一个单回

路控制，通过现场液位变送器（LT101）检测调节池的液位，当调节池液位高于设定控制

上限时，提升泵起动，将污水排入缺氧池，当调节池液位低于设定控制低限时，提升泵停

止。

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图 3-1 调节池液位单回路控制

3.2.2厌氧池、好氧池、二沉池、污泥池和鼓风机房的设备控制

厌氧池潜水搅拌器、好氧池回流泵、污泥提升泵都是由微机手动通过PLC控制。污水

在池中通过微生物的净化作用达到去除有机物的目的。因微生物为好氧菌，如供氧量过少

会造成细菌大量死亡，不利于微生物的生长，之间会影响处理效果，但供氧量过大，不仅

使耗能增高，增大运行费用，而且会形成小而重的易沉淀物，使水质恶化。因此，控制水

中的氧中的氧的含量是污水处理过程中比较关键的任务之一。PLC检测厌氧池、好痒池

[18]

在线溶氧仪的值传送上位机进行数据分析，实时掌握厌氧段与好氧段等状况，及时调整工

艺控制。

[19]

3.2.3中间水池、陶瓷膜设备、清液罐的控制

中间水池、供料泵、陶瓷膜、循环泵的控制分为现场控制和远程控制两种模式。远程

控制模式由PLC和上位机实现，它包括微机手动和微机自动，而微机自动控制方式为：

（1）点击操作界面“过滤”按钮，设备自动打开相应的阀门，起动供料泵、循环泵，

在运行的过程中，监测中间水池液位(LT103)，设备压力（PT102，PT104），浓液侧流量

（FT101），清液侧流量（FT102）。当中间水池液位低于设定控制低限时或设备压力（PT102）

大于设定控制高限，系统自动停机；设备压力（PT104）可根据调节气动调节阀的开度来

第三章污水处理站的控制方案设计

实现控制。点击操作界面“停止”按钮，则设备停止过滤。如图3-2所示。

（2）点击操作界面“清洗”按钮，设备自动打开相应的阀门，起动清洗泵、循环泵，

在运行的过程中，监测清洗罐液位(LT102)，设备压力（PT102，PT104），浓液侧流量（FT101），

清液侧流量（FT102）。当清洗罐液位低于设定控制低限时或设备压力（PT102）大于设定

控制高限，系统自动停机；设备压力（PT104）可根据调节气动调节阀的开度来实现控制。

点击操作界面“停止”按钮，则设备停止清洗。如图3-3所示。

（3）点击操作界面“排污”按钮，设备自动打开相应的阀门，开始排污。当达到设

定的排污时间，或者点击 “停止”按钮，则设备停止排污。如图3-4所示。

开始过滤

停止过滤

检查中间水池

液位是否满足

停止循环泵

停止供料泵

关闭过滤所需阀门

打开过滤所需阀门

运行供料泵

回监控主程序

起动循环泵

正常过滤

图3-2 过滤程序流程图

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开始清洗

停止清洗

检查清洗罐液位

是否满足

停止循环泵

停止清洗泵

关闭清洗所需阀门

打开清洗所需阀门

运行清洗

回监控主程序

起动循环泵

正常清洗

图3-3 清洗程序流程图

开始排污

打开浓液侧排污相关阀门

达到系统设定的

浓液排污时间

打开清液侧

排污相关阀门

达到操作界面设定的排污时间手动停止排污

关闭排污相关的所有阀门

图3-4 排污程序流程图

第三章污水处理站的控制方案设计

3.2.4 清洗罐的温度控制

本处理站中，加入了陶瓷膜设备来进行水处理，陶瓷膜设备是需要定期清洗的，所以，

这就涉及到了清洗液的温度控制。清洗液是在清洗罐中进行加热的，因此，设计一个串级

回路控制电加热系统来进行温度的调节。串级回路中，主环为出口液体温度调节，副环为

罐内液体温度调节。

图3-5 清洗罐串级控制回路

3.2.5 陶瓷膜设备的压力控制

本系统中通过PID调节来调节气动调节阀的开度来进行控制。

PID（proportional-integral-derivative）控制是比例-积分-微分的简称。在生产过程自

[20]

动控制的发展历程中，PID控制是历史最久、生命力最强的一种基本控制方式。在计算机

用于生产过程以前，过程控制中采用的气动、液动和电动的PID调节器一直占垄断地位，

它具有原理简单、易于实现、鲁棒性强和适用面广等优点。下面对常规PID控制算法和参

数整定分别加以介绍。

1）PID控制算法

在过程控制系统中，常规PID控制算法被广泛使用，一般采用两种调节器：模拟式PID

调节器和数字式PID调节器。模拟式PID控制器通过运算放大电路、电阻以及电容等元件

来实现，在实际中的使用越来越少。针对电极控制器所采用的控制算法，在这里主要介绍

数字式PID调节器。

如图3-4所示，控制系统由PID控制器和被控对象组成。常规PID控制器由比例（P）、

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积分（I）、微分（D）三个部分组成。

ke

控制对象

kedt



kT

图3-6 PID控制系统框图

PID控制器根据给定值与被控量构成偏差，即，构造模拟量连续控制函

yery

数为：

uk(eedtT)

1de



Tdt

(3.1.1)

或写成传递函数形式：

U(s)1

k(1Ts)

E(s)Ts

(3.1.2)

其中：——比例增益；——积分时间；——微分时间；——控制量。

由于计算机控制技术的发展非常迅速，数字化PID控制算法得到了大量应用。采用如

下转换公式即可由模拟算法近似得到数字化控制算法：



e(t)dtTe(i)







i0



de(t)e(k)e(k1)







Tdt



(3.1.3)

其中为采样周期。根据式（3.1.3）和式（3.1.1）可以推导出目前常用的二种控制算

法形式：位置型算式和增量型算式。

由于模拟仪表调节器的调节动作是连续的，任何瞬间的控制量输出都对应于执行机

构（如调节阀）的位置。因此数字PID控制器的输出要和阀位对应，故位置型算式为：

u(k)k{e(k)e(i)[e(k)e(k1)]}

(3.1.4)



i0

对上式位置型算法进一步推导即得到增量型算式为：

u(k)k{[e(k)e(k1)]e(k)[e(k)2e(k1)e(k2)]}

第三章污水处理站的控制方案设计

u(k)u(k1)u(k)

(3.1.5)

由于上式中的对应于第时刻阀门的增量，故称此式为增量型算式。在实际PID

u(k)

控制算法的选择与所使用执行器的形式有关系，两种控制算法但无本质区别。从执行器形

式来看，位置型算法输出一般经数模（D/A）转换，变为模拟量，并经保持电路输出。而

增量型算法的输出则可通过步进电动机等具有零阶保持特性的累计机构，转化为模拟量。

2）参数整定

PID控制算式参数整定就是选取式（3.1.4）或式（3.1.5）中、、和的值，使

TTT

ids

系统输出满足控制性能指标。如何选择一组较好的PID参数的初始值是PID参数整定

u(k)

中的关键问题。

PID控制参数的选择首先要考虑采样周期（）对系统的影响。从执行机构的特性要

求来看，由于过程控制中常采用电动调节阀或气动调节阀，如果采样周期过短，那么执行

机构来不及响应，仍达不到控制目的，因此实际采样周期的选择受多方面因素的制约。

在选取适当的采样周期值后，然后选取、、的参数值，以下介绍几种常用

参数整定方法。

稳定边界法：先设置一个比例度，确定出系统振荡周期，然后根据被控过程的特点，

当采用PI控制时，设置；对温度、成分等，可采用PID控制，设置

T(0.5~1)T

T(0.25~0.5)T

。

TTT

sid

扩充临界比例法：该法是稳定边界法的推广，是闭环整定法。首先选取采样周期，控

制器纯比例控制；其次增大比例，使系统出现振荡，得到临界振荡周期；然后根据对象

控制效果选择控制度；最后根据控制度查表获得、、值。

衰减曲线法：该法和稳定边界法相似，首先选取纯比例控制，给定值做阶跃扰动，

逐渐减少比例度，直到达到要求的衰减过程为止，这时得到比例度，相邻波峰时间，最

后按照经验公式计算、、值。

南京工业大学本科生毕业设计（论文）

第四章污水处理站的电气自控系统设计

4.1 系统概述

污水处理站自控系统遵循“集中管理，分散控制，数据共享”的原则，设计选型先进，

安全可靠，经济合理，并能保证系统长期稳定高效地运行。PLC控制系统满足污水处理

[21]

站运行管理和安全处理的要求，即生产过程自动控制和报警、自动保护、自动操作、自动

调节、提高运行效率，降低运行成本，减轻劳动强度，对污水处理站内各系统工艺流程中

的重要参数、设备工作情况等进行计算机在线集中实时监测，重要设备进行计算机在线集

散控制，确保污水处理站的出水水质达到设计排放标准。该系统具有以下几点优点：

[22]

实用性：PLC系统其目的在于满足污水厂生产控制和管理要求，在保证先进的条件下，

设备和系统应符合实际要求；

可靠性：污水处理站的生产过程要求PLC控制系统具有连续可靠性；

经济性：PLC系统的技术含量高，设备复杂，因此，在设计时应进行技术经济比较；

先进性：网络技术、信息技术、PLC控制技术发展迅速。

根据污水处理站的设计规模和陶瓷膜过滤设备的特点，本着技术先进，性价比高，适

用可靠的原则进行设计。依据集中监测为主，分散控制为辅的基本原则，设计采用以PLC

（可编程控制器）为基础的监测控制和数据采集系统（SCADA）,在中央控制室利用PC（工

业级PC）对厂内各工况进行实时监控，并有信号报警和连锁等设施以保证生产正常运行，

生产的工艺过程PLC采用就地独立控制。从安全生产的角度和操作人员技术掌握程度上考

虑，设立三级控制层：设备就地手动、PLC子站现场监控和控制室计算机远程监控（如图

4-1所示）。

电气自控系统是一个利用计算机软硬件资源以及数据库和PLC控制的人—机系统。

[23]

它能使操作者通过计算机来控制各个机器的运转，并且可以实时的对每台设备提供参数监

控。污水处理站PLC控制系统由一台计算机、一个PLC主站，两个现场控制子站、工

[24]

艺仪表、气动开关阀、气动调节阀构成。两个现场控制子站用于控制现场设备、采集动态

工艺参数和设备工作情况。现场控制站根据污水处理站的实际工艺和构筑物的几何分布，

设置在控制对象和信号源相对集中的几个单体中，并考虑在不影响控制功能和设备安全的

前提下，尽量节省投资。计算机和PLC主站位于中心控制室；现场子站位于：前级处理池

区，陶瓷膜设备区。计算机和PLC主站之间通过MPI协议通讯，PLC主站和现场子站

[25]

之间通过PROFIBUS-DP协议通讯。

[26]

第四章污水处理站的电气自控系统设计

工业计算机

MPI

PLC主站

PROFIBUS-DP

陶瓷膜设备区子站预处理区子站

预

处

理

区

电

机

控

制

及

反

馈

陶气气陶陶陶污

瓷动动瓷瓷瓷泥

膜开开膜膜膜提

区关关设设设升

电阀阀备备备泵

机位开区区区控

控置关液温流制

制反控位度量

及馈制

反

馈

陶预陶预

瓷处瓷处

膜理膜理

区区设区

气在备液

动线区位

调溶压

节氧力

阀仪

控

制

图4-1 PLC子站现场监控和控制室计算机远程监控

4.1.1 控制室

控制室内设有一台计算机操作站，计算机安装有SIMATIC STEP7 V5.5编程软件和

WINCC 6.0组态软件，程序可方便下载到CPU中，以便在调试过程中随时修改程序。控

制室可对整个分控式控制系统进行系统组态管理、系统监测、实时监测、显示、处理、控

制各PLC子站的状态、通信、数据和信息。

4.1.2 PLC主站控制系统

PLC主站位于低压配电室内，对陶瓷膜区水泵、气动调节阀等设备的运行状态、故障

状态进行监测和控制。通过现场总线把信号送控制室计算机操作站完成指示、记录、报表

南京工业大学本科生毕业设计（论文）

供料泵、清洗泵、循环泵、气动开关阀、气动调节阀

该子站模拟量输入、输出，数字量输入、输出点数

AI：4 AO：4 DI：8 DO：24

4.1.3分现场生产过程PLC控制系统

1）预处理区PLC控制及检测部

预处理区PLC子站位于预处理池区，对工艺专业要求检测的各种工艺参数，水泵等设

备的运行状态、故障状态进行监测和控制。通过DP现场总线把信号送控制室计算机操作

站完成指示、记录、报表和报警等监控管理功能。

其主要设备有：

提升泵、回流泵、潜水搅拌器、污泥提升泵、鼓风机、现场分析仪表

该子站模拟量输入、输出，数字量输入、输出点数

AI：4 DI：8 DO：8

2）陶瓷膜设备区PLC控制及检测部分

陶瓷膜设备区PLC子站位于陶瓷膜厂区内，对工艺专业要求检测的各种工艺参数，气

动开关阀等设备的运行状态、故障状态进行监测和控制。并可在中控室计算机操作站完成

指示、记录、报表和报警等监控管理功能。

其主要设备有：

气动开关阀、现场分析仪表

该子站模拟量输入、输出，数字量输入、输出点数

AI：10 DI：32

4.2 PLC设备及仪表选型

4.2.1 PLC选型要求

利用可编程序控制器（PLC）组成远程自动监测系统时，首先遇到的是PLC的选型问

题。在选用PLC时，除把可靠性、环境适应性放在首位外，还要根据具体应用场合尽量选

用合适的可编程序控制器。

关于可编程控制器选型的一般原则可从以下几方面考虑：

1）明确控制对象要求。本系统要求改善信息管理，把PLC与上位微机的通讯能力远

程I/O与微机通讯方式和手段作为选择的依据。PLC响应时间的影响因素有：输入信息时，

CPU读解用户逻辑网络时间和输出时间。PLC的实时响应性还受到系统中最慢仪器的限

制，与上位机的通讯也将增加服务时间。

第四章污水处理站的电气自控系统设计

2）功能选择要根据不同的控制对象确定。具体有：替代继电器、数学运算、数据传

递、矩阵功能、高级功能、诊断功能以及串行接口。

3）输入输出模块选择。输入/输出模块是PLC与被控对象之间的接口，模块选择得当

直接影响控制系统的可靠性。

4）存储器类型及其容量选择。小型PLC作为单机小规模控制使用时，由于工艺简单、

程序固定，多数使用EPROM或EPROM加RAM。对于中、大规模的PLC，往往用于工

艺比较复杂，且多变的场合，程序改变较多，因此一般都使用CMOSRAM存储器，且有

后备电池，以便关机时保存存储信息。根据控制规模和应用目的，我们按下列公式进行估

算：

（1）代替继电器 M＝Km［（10×DI）＋（5×DO）］

（2）模拟量控制 M＝Km［（10×DI）＋（5×DO）＋（100×AI）］

（3）多路采样控制 M＝Km｛［（10×DI）＋（5×DO）＋（100×AI）］＋（1+采样

点×0．25）｝

式中DI为数字（开关）量输入信号；DO为数字（开关）量输出集中；AI为模拟量

输入信号；Km为每个节点所占存储器字节数；M为存储器容量。

我们还可在编完程序以后精确地计算出存储器实际使用容量。

5）控制系统结构和方式的选择。用PLC构成的控制系统有集中控制、远程I/O控制

和分布式控制等三种方式。

6）支持技术条件。在选用PLC时，有无支持技术条件也是重要的选择依据。支持技

术条件主要有：编程手段、程序文本处理、程序贮存方式和通讯软件包。通讯软件包往往

是和通讯硬件一起使用的，如调制解调器等。

4.2.2 PLC选型

为了保证监控管理控制系统的正常运行，PLC监控系统选用SIEMENS的ET200S系

列产品。其主要设备是：SIEMENS的ET200S系列PLC可编程控制器。

SIMATIC ET200S系列PLC是西门子公司生产的分布式I/O系统，其功能强大，稳定

性高，保护级别为IP 20，完全适合城市污水处理对可编程序控制器功能的要求。其主要有

以下特点：

• 集成PROFIBUS-DP 或PROFINET 以太网接口；

• 灵活的扩展能力，每个站能连接最多63个I/O 模块或高达20个电动机起动器，完

全永久预接线；

南京工业大学本科生毕业设计（论文）

• 大范围外围设备可供选择：数字和模拟I/O；可连接2/4/8/32点模块；

- 技术模块；

- 电机启动器 (达到7.5 kW) 和变频器 (达到4 kW)；

• 集成故障安全；

• 集成Bürkert气动元件

• 可连接称重模块；

• 针对控制柜安装的最优尺寸 (小底座)；

• 由端子模块和电子模块 (电机起动器) 组成的固定配线，设计灵活；

• 预布线导致的简单安装；

• 集成的电压总线，最小的接线成本，使用广泛；

• 独特的分段电源管理机制；

• 通用电势组的单独连接；

• 支持螺钉式、弹簧式或快速连接端子；

• 强健的外壳设计达到5 g 防震 (电动机起动器r: 2 g)；

• 支持热插拔：操作中模块插拔 (包括电动机起动器)；

• 通道级诊断；

PLC性能特点：

1）CPU

硬件组态系统模块数量：63

存储卡：128K

电源电压范围：20.4～28.8VDC

第一接口：MPI

第二接口：6ES7 138-4HA00-0AB0 DP主站

2）电源模块

电压额定值：24VDC

电流载流能力：10A

3）接口模块

I/O模板最大数量：63

最大站宽：2m

DP接口类型：RS485

第四章污水处理站的电气自控系统设计

4）数字量输入模块（DI）

输入点数：4点

输入电压：24VDC

输入电流：7mA