污水廠粗格柵自動控制系統(tǒng)設計及應用

1、吉林化工學院畢業(yè)設計說明書污水廠粗格柵自動控制系統(tǒng)設計及應用Wastewater Treatment Plant Coarse Grid Design and Application of Automatic Control Systems學生學號： 08550106 學生姓名： 專業(yè)班級： 電氣0801 指導教師： 曹玉波 職 稱： 副教授 起止日期： 2012.2.272012.6.12 吉 林 化 工 學 院Jilin Institute of Chemical Technology吉林化工學院畢業(yè)設計說明書摘 要為了解決粗格柵污水處理生產(chǎn)效率低、需要大量的人工操作和維護復雜等問題，本設

2、計提出了應用可編程控制器實現(xiàn)無人監(jiān)守、自動控制的系統(tǒng)方案。本文介紹了粗格柵污水處理工藝原理和控制要求，采用簡易的邏輯控制、硬件和軟件互鎖的方法實現(xiàn)自控要求。闡述了粗格柵系統(tǒng)的電氣控制系統(tǒng)設計和自控系統(tǒng)設計。電氣控制系統(tǒng)設計根據(jù)污水處理廠承擔的負荷和尖峰電流選擇低壓開關、斷路器和熔斷器等設備型號。自動控制系統(tǒng)部分包含下位機項目的創(chuàng)建、編寫和仿真調(diào)試，繪制控制系統(tǒng)流程圖和二次回路接線圖；上位機部分有現(xiàn)場監(jiān)控畫面、歷史趨勢曲線畫面、報警畫面和PID變頻控制畫面。本系統(tǒng)可實現(xiàn)自動、手動、遠程控制，改善污水處理系統(tǒng)操作環(huán)境。最后對系統(tǒng)的調(diào)試與運行結果分析得知，粗格柵系統(tǒng)設計基本達到預期的要求。關鍵詞：污

3、水處理；粗格柵；電氣控制；可編程控制器- I -AbstractIn order to solve the coarse grid of sewage treatment and low production efficiency, requires a lot of manual operation and maintenance of complex issues such as the present design of the application of programmable controllers nobody probation program of automatic co

4、ntrol systems.This article describes the coarse grid sewage treatment process principle and control requirements, the use of simple logic control, hardware and software interlock to achieve self-control requirements. The coarse grid system electrical control system design and automatic control syste

5、m design. Electrical control system design based on bear the load and the peak current of the sewage treatment plant to select the device model of the low-voltage switchgear, circuit breakers and fuses. Part of the automatic control system includes the creation of the next bit machine, the preparati

6、on and simulation debugging, draw control system flow chart and the secondary circuit wiring diagram; live monitor screen of the host computer part of the historical trend curve screen, alarm screens and PID frequency conversion control screen. This system can achieve automatic, manual, remote contr

7、ol, to improve the sewage treatment system operating environment. Finally, system commissioning and operation results of the analysis of the coarse grid system, the basic design to meet expectations.Key Words：Sewage treatment；Coarse grid；The power electricity system design; PLC - 45 -目 錄摘 要IAbstract

8、II第1章 緒論11.1 本課題設計背景11.2 本課題設計目的及意義21.3 本課題設計的內(nèi)容2第2章 系統(tǒng)控制方案32.1 粗格柵系統(tǒng)控制的概述32.1.1 污水處理工藝32.1.2 粗格柵系統(tǒng)組成32.2 系統(tǒng)方案42.2.1系統(tǒng)控制方式42.2.2 污水一級處理工藝5第3章 電氣控制系統(tǒng)設計63.1 粗格柵供電系統(tǒng)概況63.2 粗格柵系統(tǒng)負荷計算和尖峰電流計算63.2.1 用電設備負荷計算63.2.2 用電設備尖峰電流的計算73.3 低壓一次設備選擇83.3.1 熔斷器選擇與校驗83.3.2 低壓斷路器選擇與校驗93.3.3 低壓隔離開關選擇103.4 變頻器的選型及應用113.4.1

9、 變頻器簡介113.4.2 變頻器的選型與接線設計123.5 電氣主接線及設計123.5.1 一次回路主接線設計123.5.2 配電系統(tǒng)接線設計133.5.3 二次回路接線設計14第4章 自動控制系統(tǒng)設計164.1 PLC的結構與工作原理164.2自控系統(tǒng)I/O點表164.3自控系統(tǒng)設備選型184.4自控系統(tǒng)工程創(chuàng)建204.5自控系統(tǒng)梯形圖設計214.6自控系統(tǒng)流程圖設計25第5章 人機界面設計及系統(tǒng)仿真通訊275.1 WinCC簡介275.2 WinCC人機界面設計275.2.1 創(chuàng)建項目275.2.2 創(chuàng)建變量285.2.3 組態(tài)系統(tǒng)變量305.2.4 創(chuàng)建報警畫面和歷史趨勢曲線畫面315

10、.3 PLCSIM與WINCC仿真調(diào)試325.3.1 建立PLCSIM與WINCC連接325.3.2下載載程序及仿真調(diào)試335.3.3 程序運行過程調(diào)試34結 論38參考文獻39致 謝40第1章 緒論1.1 本課題設計背景我國污水處理產(chǎn)業(yè)發(fā)展起步較晚，但改革開放以來，國民經(jīng)濟快速發(fā)展，人民生活水平的顯著提高，拉動了污水處理的需求，進入二十一世紀，我國污水處理產(chǎn)也進入快速發(fā)展期，污水處理需求的增速遠高于全球水平。隨著社會經(jīng)濟的快速發(fā)展以及城市化進程的不斷加快，城市生活廢水的排放量也隨之日益增多。作為改善城市生活環(huán)境的重要項目之一-城市污水處理項目無論是對于保護城市水環(huán)境及水資源的利用，還是改善居

11、民生活環(huán)境等都具有非常積極而深淵的顯示意義。然而，如果城市污水處理項目規(guī)劃不當、處理方案不合理，都會對城市環(huán)境造成很大的影響，并產(chǎn)生相當程度的危害。城市污水是城市地區(qū)范圍內(nèi)的生活污水、工業(yè)廢水和徑流污水的總稱，它通常是由城市管渠匯集排入水體或者通過城市污水處理廠處理后排入水體。隨著城市化水平和人民生活水平的提高，城市生活污水排放量迅速增長，其所占城市污廢水排放量的比例逐年增多，據(jù)統(tǒng)計，到2009年全國生活污水排放量已達504億噸，生活污水排放量首次超過工業(yè)廢水排放量。因此，在工業(yè)廢水逐步得到治理后，生活污水對環(huán)境的影響越發(fā)變得突出，如何加大力度治理城市污水也顯得突出起來。我國是一個嚴重缺水的國

12、家，雖然我國年平均水資源總量為28000億立方米，位居世界第6，人均水資源量為2,220立方米，居于世界第110位，以及被聯(lián)合國列為世界第十三個缺水國家之一。水資源的匱乏和水資源的污染，已經(jīng)嚴重的影響了人民的日常生活，嚴重的影響了我國的經(jīng)濟建設和發(fā)展。特別是我國北方城市，如北京，天津沈陽等城市水資源更為短缺。根據(jù)國家十五發(fā)展綱要，十五期間各縣市都要建立污水處理廠，如何保證處理過程的正常運行，減少運行成本成為環(huán)保部門、城建部門所關注的問題。在我國，隨著城市人口的增加工業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展，污水排放量也日益增加，水體污染相當嚴重而且?guī)缀醣榧叭珖鞯亍５?000年底，全國省市的663個城市中有310個建有污

13、水處理設施，建設務實處理廠427座，年污水處理113.6億立方米，污水處理率只有34.23%。城市內(nèi)河道大都以成為污水退路有的已成為污水溝渠，城市地下水也受到不同程度的污染。嚴重的水污染破壞到生態(tài)環(huán)境，直接威脅人民的生活和身體健康，影響工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，已成為不亞于洪災、旱災等給人們帶來的危害。從總體上看，我國污水處理正在經(jīng)歷由規(guī)模小、水平低、品種單一、嚴重不能滿足需求到具有相當規(guī)模和水平、品種質(zhì)量顯著提高和初步滿足國民經(jīng)濟發(fā)展要求的深刻轉變，污水處理需求逐步實現(xiàn)自給。總之在當前背景下，對污水處理是迫切的而且是必要的。1.2 本課題設計目的及意義污水問題是當今我國面臨比較嚴重的問題之一，為了使出水指

14、標中的主要污染濃度水平對河流和人們等水源中的污染降低到可以接受的水平，使自然資源得到保護和水的生態(tài)資源得到改善，把水體中的有機污染和無極污染物濃度水平降低，達到國家標準然后可以排放或者重復利用。這樣可以有效的保護我國有限的水資源，最大限度的節(jié)約用水和最大化的保護水資源。污水處理在現(xiàn)實生活中應用的相當廣泛，尤其在城市用水我處理方面，粗格柵污水處理環(huán)節(jié)是污水處理過程中的一個環(huán)節(jié)，主要作用是攔截污水中的固體廢物，去除污水中一些粗大的懸浮物，保護水泵等設備不受損害。是污水處理必不可少的一個環(huán)節(jié)，污水處理是將污水中的污染物質(zhì)分離去除，使有害的物質(zhì)轉化為無害的物質(zhì)、有用的物質(zhì)，水得到凈化，并使資源得到充分

15、利用。城市生活污水處理工藝按流程和處理程序劃分可分為預處理工藝、一級處理工藝、二級處理工藝、深度處理工藝和污泥處理工藝，以及最終的污泥處置。預處理工藝：主要是物理處理，通過格柵、沉砂池等將污水中大塊污物攔截出來，保證后續(xù)單元的正常運行。預處理過程就去除污染物質(zhì)而言，可能不起關鍵作用，但是至關重要。在現(xiàn)在的情況下，人力成本逐漸提高，并且污水廠的環(huán)境比較差，不利于人們長期工作。因此設計使用高度自動化設備，使生產(chǎn)效率提高，更加節(jié)約資源和更好的處理污水。1.3 本課題設計的內(nèi)容本課題主要研究內(nèi)容有以下幾點：粗格柵系統(tǒng)電氣設備選型：根據(jù)動力設備進行負荷計算，選擇合理低壓開關和低壓斷路器等設備，粗格柵系統(tǒng)

16、的電氣主接線及設計。PLC控制程序設計：包括系統(tǒng)I/O點統(tǒng)計，西門子PLC設備的選型，項目的創(chuàng)建過程，下位機程序的編寫，運行仿真調(diào)試和繪制二次接線回路等。上位機界面設計：利用WinCC軟件對上位機進行組態(tài)，包括報警、歷史趨勢曲線、現(xiàn)場操作畫面和PID控制畫面等。粗格柵系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理：對PLC程序進行調(diào)試、仿真以及與上位機通訊，對數(shù)據(jù)進行處理分析等。第2章 系統(tǒng)控制方案2.1 粗格柵系統(tǒng)控制的概述污水由進水系統(tǒng)通過粗格柵和螺旋輸送機進行初步排除大塊雜質(zhì)物體，到達沉砂池中。在沉砂池系統(tǒng)中細格柵和行車式吸砂機進一步凈化污水中的細小顆粒物體，將污水中的細小沙粒濾除后進入反應池。格柵單元，作用是用來去除水

17、中粗大的懸浮物和雜物，以保護后續(xù)處理設施能正常運行的一種預處理方法。一般根據(jù)水源情況分別設有粗格柵和細格柵兩個步序，粗格柵去除的是那些可能堵塞水泵機組及管閥門的較粗大的懸浮物，而細格柵用以去除粗格柵難以去除的呈懸浮物狀的細小纖維。本系統(tǒng)就是這一環(huán)節(jié)。2.1.1 污水處理工藝污水由進水系統(tǒng)通過粗格柵和螺旋輸送機進行初步排除大塊雜質(zhì)物體，到達沉砂池中。沉砂池中細格柵和行車式吸砂機進一步凈化污水中的細小顆粒物體，將污水中的細小沙粒濾除后進入反應池。工藝流程圖如圖2-1所示。圖2-1 工藝流程圖2.1.2 粗格柵系統(tǒng)組成粗格柵污水處理系統(tǒng)主要由進水井系統(tǒng)、格柵系統(tǒng)、螺旋輸送壓榨一體機系統(tǒng)、集水井系統(tǒng)等

18、四部分組成。進水井系統(tǒng)是污水經(jīng)過簡單過濾獲得的污水，粗格柵系統(tǒng)由兩臺粗格柵機和一臺螺旋輸送機組成，集水井是由五臺泵控制的，其中有一臺是有變頻器控制。具體詳細流程圖見上位機畫面。粗格柵系統(tǒng)圖如圖2-2所示。圖2-2 粗格柵系統(tǒng)圖2.2 系統(tǒng)方案2.2.1系統(tǒng)控制方式在污水處理這方面，粗格柵控制系統(tǒng)有以下幾種方式。方案1：完全采用傳統(tǒng)的繼電器控制；方案2：采用可編程控制器PLC控制。第一種方案繼電器控制系統(tǒng)邏輯采用硬件接線，利用繼電器機械觸點的串并聯(lián)組合控制邏輯，其連線多且復雜、體積大、功耗大，系統(tǒng)構成后，想在改變或者擴展功能較為困難；另外，繼電器的觸點數(shù)量有限，所以繼電器控制系統(tǒng)的靈活性和可擴展

19、性受到很大限制。繼電器控制工作頻率低，觸電的開關動作一般在幾十毫秒數(shù)量級，且機械觸點還會出現(xiàn)抖動問題。與第一種方案比較，方案2的PLC控制有許多優(yōu)勢，可編程控制器PLC控制可以實現(xiàn)非常復雜的控制功能，與相同功能的繼電器相比，具有功能強，性價比高的特點；可編程控制器產(chǎn)品已經(jīng)標準化，系列化，模塊化，配備有品種齊全的各種硬件裝置供用戶選用，用戶可以根據(jù)需求選擇相應的模塊；可編程控制器具有可靠性高，抗干擾能力強的特點；系統(tǒng)安裝調(diào)試簡單，工作量少、擴展性強、體積小、功耗低、維修方便、升級方便等優(yōu)點。綜上所述，采用方案2比較合適。從實際經(jīng)驗來看，粗格柵除污機可以采用時間控制和液位差控制兩種方式，螺旋輸送機

20、優(yōu)先的運行模式比較好。運行停止時應先將細格柵停止后再使螺旋輸送機停止，在確保過水量及合理的水頭損失前提下，合理縮短格柵的運行時間，既保證了柵渣的積累，避免無效運行，又減輕設備的磨損和節(jié)約能耗。粗格柵系統(tǒng)控制二種啟動方式，一種為圖2-3 格柵流程圖 圖2-4 集水井流程圖按時間啟動，一種為根據(jù)格柵前后液位差啟動。按時間啟動：啟動間隔時間可調(diào)（小時級），運行時間可調(diào)（分鐘級），二臺格柵機同時啟動，輸送機延時1秒啟動。停車順序為二格柵機先停， 10秒鐘后，輸送機停機，整體停機結束。根據(jù)格柵前后液位差啟動：液位差達到40CM時啟動格柵系統(tǒng)，運行時間為可調(diào)（分鐘級），啟動順序和上條相同。格柵流程圖如上圖

21、2-3所示。集水井水泵系統(tǒng)：根據(jù)液位控制。2.4為停最后一臺泵，2.8啟一臺泵，3.2啟二臺泵 3.6啟三臺泵，4.0啟四臺泵，4.4 啟5臺泵。集水井流程圖如上圖2-4所示。2.2.2 污水一級處理工藝一級處理：一級處理可由篩濾、重力沉淀和浮選等方法串聯(lián)組成，除去廢水中大部分粒徑在100m以上的大顆粒物質(zhì)。篩濾可除去較大物質(zhì)；重力沉淀可除去無機粗粒和比重略大于1的有凝集性的有機顆粒；浮選可除去比重小于1的顆粒物(油類等)。廢水經(jīng)過處理后，一般達不到排放標準。一級處理的常用方法有篩濾法和沉淀法。方案一：格柵篩選法用來分離污水中呈懸浮狀態(tài)污染物。常用設備是格柵和篩網(wǎng)。格柵主要用于截留污水中大于柵

22、條間隙的漂浮物，一般布置在污水處理廠或泵站的進水口，以防止管道、機械設備及其他裝置的堵塞。格柵的清渣，可采用人工或機械方法。本次研究部分是整個系統(tǒng)的一次處理階段，格柵是由一組(或多組)相平行的金屬柵條與框架組成。傾斜安裝在進水的渠道，或進水泵站集水井的進口處，以攔截污水中粗大的懸浮物及雜質(zhì)。格柵所能截留污染物的數(shù)量，隨所選用的柵條間距和水的性質(zhì)而有很大的區(qū)別。一般以不堵塞水泵和水處理廠站的處理設備為原則。粗格柵除污機優(yōu)點適應性強，處理量大，作業(yè)面積大，抓取深度大，結構性好，自動化程度高，使用壽命長，工作環(huán)境好，土建投資少，性價比優(yōu)，維修方便，操作簡單等特點，目前在國內(nèi)外普遍采用此種方法。方案二

23、：離心機沉淀法離心機主要用于將懸浮的固體顆粒與液體分開；或?qū)⑷闈嵋褐袃煞N密度不通，有互不相容的液體分開；它也可用于排除濕固體中的液體，例如洗衣機甩干濕衣服。用于一級處理的沉淀池，通稱初次沉淀池。其作用為：去除污水中大部分可沉的懸浮固體；作為化學或生物化學處理的預處理，以減輕后續(xù)處理工藝的負荷和提高處理效果，其優(yōu)點是工作可靠，連續(xù)工作周期長，但離心機的缺點是效率比較低，適應工作范圍小，由于高速，對材料強度的加工精度和制造量均要求嚴格，自動化程度低，維護比較復雜等。綜上所述采用方案一格柵篩選法。第3章 電氣控制系統(tǒng)設計3.1 粗格柵供電系統(tǒng)概況粗格柵電機供電系統(tǒng)所需的電壓是220V/380V電壓等

24、級，是直接經(jīng)公共低壓電網(wǎng)分配的，無需電力變壓器從610KV電網(wǎng)轉換獲得。在供電系統(tǒng)中常用一根線代表三相線圖，即匯成單線圖的形式。粗格柵強電系統(tǒng)屬于三級負荷，但是短時停電或者較長時間停電會造成一定的紊亂，對企業(yè)帶來麻煩，因此設置工廠備用電源，但是在控制柜方面需要采用不間斷電源，即UPS電源，將會在下章節(jié)介紹。本系統(tǒng)采用220/380V低壓配電方式，其接地方式采用TN-S系統(tǒng)，其中N線與PE線全部分開，設備的外漏可導電部分均接PE線，由于PE線中無電流通過，設備之間不會產(chǎn)生干擾，TN-S系統(tǒng)廣泛用于對安全要求較高的場所，及對抗干擾要求高的數(shù)據(jù)處理和精密檢測等場所，也多用于住宅供電系統(tǒng)。本系統(tǒng)用電設

25、備的工作制是連續(xù)工作制設備，這類設備在恒定負荷下運行，主電動機一般是連續(xù)運行的。3.2 粗格柵系統(tǒng)負荷計算和尖峰電流計算3.2.1 用電設備負荷計算計算負荷是通過負荷的統(tǒng)計求出的、用來按發(fā)熱條件選擇供電系統(tǒng)中各元件的負荷值。根據(jù)計算負荷選擇電氣設備和導線電纜，如果以計算符合連續(xù)運行，其發(fā)熱溫度不超過允許值。計算負荷實際上與從負荷曲線上查得的半小時最大負荷P30是基本相當，有功計算負荷、無功計算負荷、視在計算符合和計算電流相應地表示為P30、Q30、S30和I30。我國目前普遍采用的確定用電設備計算負荷的方法，有需要系數(shù)法和二項式法。本系統(tǒng)采用系數(shù)法計算，其有功計算負荷基本公式為，視在計算負荷為

26、,計算負荷為,其中Kd稱為需要系數(shù)，tan為正切值，cos為平均功率因數(shù)，Pe為設備容量。查附錄知取需要系數(shù)Kd=0.8，cos=0.8，tan=0.75。1 粗格柵機運行（1臺運行） 有功計算負荷：視在計算負荷：計算電流：2 輸送機運行有功計算負荷：視在計算符合：計算電流：3 水泵（1臺運行）有功計算負荷：視在計算符合：計算電流：4 粗格柵機（2臺）、輸送機、水泵（4臺）有功計算負：視在計算符合： 計算電流 ：5 變頻泵運行有功計算負荷：視在計算符合：計算電流：6 動力系統(tǒng)有功計算負荷：視在計算符合 ：計算電流：3.2.2 用電設備尖峰電流的計算尖峰電流是指持續(xù)時間12s的短時最大電流。尖峰

27、電流主要用來選擇熔斷器和低壓斷路器、整定繼電保護裝置及減壓電動機自啟動條件等。多臺用電設備尖峰電流的計算 （3-1）或 （3-2）其中為起動電流，為用電設備的起動電流倍數(shù)。動力柜的尖峰電流 格柵機、輸送機和水泵的尖峰電流 變頻泵的尖峰電流 單臺用電設備尖峰電流的計算 （3-3）3.3 低壓一次設備選擇電氣設備要能可靠性工作，必須按正常工作條件進行選擇，并按短路狀態(tài)來校驗熱穩(wěn)定性和動穩(wěn)定。3.3.1 熔斷器選擇與校驗熔斷器在供配電系統(tǒng)中的配置，應符合選擇性保護的原則，也就是熔斷器要配置得能使故障范圍縮小到最低限度。供電系統(tǒng)中配置的熔斷器數(shù)量要盡量少。低壓配電系統(tǒng)中熔斷器起安全保護作用，當電流超過

28、規(guī)定值一定時間后以它本身產(chǎn)生的熱量使用熔體融化而分斷電流。本系統(tǒng)采用RM10型低壓密閉管式熔斷器，RM10型熔斷器由纖維管、變截面鋅溶片和觸頭底座等部分組成，RM10型低壓熔斷器結構如圖3-1所示。這種熔斷器的滅弧能力很強，屬限流熔斷器。a）熔管 b）熔片圖3-1 RM10型低壓熔斷器1動力柜熔斷器選擇熔體及熔斷器的額定電流：熔體額定電流IN.FE應不小于線路計算電流I30，即IN.FE >I30 =93.3 A，又熔體額定電流IN.FE還應躲過線路的尖峰電流IPK,即IN.FE > IPK=136.3 A,選型RM10-200型低壓熔斷器，其熔體電流IN.FE為160 A, 最大

29、電流為200A，熔管額定電壓交流500V，直流440V，最大分斷電流10KA，滿足設計需求。2粗格柵機、輸送機、水泵控制柜熔斷器選擇熔體及熔斷器的額定電流：IN.FE >I30 =67.6A，IN.FE > IPK=110.6A,選型RM10-200型低壓熔斷器，其熔體電流IN.FE為125A, 最大電流為200A滿足設計需求。3變頻柜熔斷器選擇熔體及熔斷器的額定電流：IN.FE >I30 =22.8A，IN.FE > KIPK=47.8A,選型RM10-60型低壓熔斷器，其熔體電流為60A, 最大電流為60A滿足設計需求。4粗格柵熔斷器和輸送機熔斷器選擇熔體及熔斷器的

30、額定電流：IN.FE >I30 =11.4A，IN.FE > KIPK=0.35×11.4×3=12.0A,選型RM10-60型低壓熔斷器，其熔體電流為15A, 最大電流為15A滿足設計需求。5水泵熔斷器選擇熔體及熔斷器的額定電流：IN.FE >I30 =8.4A，IN.FE > KIPK=0.35×8.4×2=5.9A,選型RM10-15型低壓熔斷器，其熔體電流為35, 最大電流為60A滿足設計需求。 6室內(nèi)照明和控制柜熔斷器選擇RM10-15，其熔體電流為10A。最大電流為15A，滿足設計要求。 3.3.2 低壓斷路器選擇與校

31、驗低壓斷路器，又稱低壓自動開關，它既能帶負荷通斷電路，又能在短路、過負荷和低電壓下自動跳閘，當線路上出現(xiàn)短路故障時，其過電流脫扣器動作，使開關跳閘，如果出現(xiàn)過負荷時，其串聯(lián)在一次線路的加熱電阻絲加熱，是雙金屬片彎曲，也使開關跳閘。當線路電壓嚴重下降或失壓時，其失壓脫扣器動作，同樣使開關跳閘。低壓斷路器有配電斷路器、電動機保護用斷路器、照明用斷路器和漏電斷路器等。DZ47LE系列斷路器如圖3-2所示和小型斷路器如圖3-3所示。圖3-2 DW系列斷路器 圖3-3 小型斷路器1動力柜斷路器選擇低壓斷路器及其過電流脫扣器規(guī)格：選擇DW16-630型低壓斷路器的過電流脫扣器額定電流IN.OR=160&g

32、t;I30=93.3A,故初步選DW16-630型低壓斷路器，其IN.OR=160A。設瞬時脫扣電流整定為3倍，即IOP=160×3=480A。而KrelIpk=1.35×136.3=184.0A（其中Krel為可靠系數(shù)，DW系列斷路器可取1.35），滿足IOP>KrelIpk的要求，即滿足脫扣電流躲過尖峰電流的要求。2粗格柵機、輸送機、水泵控制柜斷路器選擇低壓斷路器及其過電流脫扣器規(guī)格：選擇DW16-630型低壓斷路器的過電流脫扣器額定電流IN.OR=100>I30=67.6A,故初步選DW16-630型低壓斷路器，其IN.OR=100A。設瞬時脫扣電流整定為

33、3倍，即IOP=100×3=300A。而KrelIpk=1.35×110.6=149.3A，滿足IOP>KrelIpk的要求，即滿足脫扣電流躲過尖峰電流的要求。3變頻柜斷路器選擇小型斷路器，其額定電流（ln）為IN=40A> I30=22.8A，額定絕緣電壓（Ui）為600V，額定沖擊耐受電壓(Uimp)為 4KV，額定短路分斷能力（Icn）均能滿足要求。4粗格柵機斷路器和輸送機斷路器選擇小型斷路器，其額定電流（ln）為IN=20A> I30=11.4A，額定絕緣電壓（Ui）為600V，額定沖擊耐受電壓(Uimp)為 4KV，額定短路分斷能力（Icn）均能

34、滿足要求。5水泵斷路器選擇小型斷路器，其額定電流（ln）為IN=16A> I30=8.4A，額定絕緣電壓（Ui）為600V，額定沖擊耐受電壓(Uimp)為 4KV，額定短路分斷能力（Icn）均能滿足要求。6室內(nèi)照明和控制柜斷路器選擇額定電流（ln）IN=16A額定絕緣電壓（Ui）為600V，額定沖擊耐受電壓(Uimp)為 4KV，額定短路分斷能力（Icn）均能滿足要求。3.3.3 低壓隔離開關選擇低壓隔離開關主要功能是保證電氣設備及裝置在檢修工作時的安全，不能用于切斷、圖3-4 低壓隔離開關投入負荷電流或開斷短路電流，僅可允許用于不產(chǎn)生強大電弧的某些切換操作。本系統(tǒng)只有動力柜和粗格柵機、

35、輸送機、水泵控制柜需要安裝低壓隔離開關，需滿足UN > USN，即電氣設備的額定電壓UN不低于裝置地點電網(wǎng)額定電壓USN的條件選擇，滿足IN應不小于該回路在各種合理運行方式下的最大持續(xù)工作電流Imax，即IN >Imax，滿足動穩(wěn)定及熱穩(wěn)定校驗即可。低壓隔離開關如圖3-4所示。電氣設備控制選型統(tǒng)計表如表3-1所示。表3-1 電氣設備控制選型序號設備名稱型號額定電流熔體電流/脫扣電流備注1動力柜熔斷器RM10-200200A160A2格柵機、輸送機熔斷器RM10-6060A25A3水泵熔斷器RM10-1515A15A5變頻柜熔斷器RM10-6060A60A6動力柜斷路器DW16-63

36、093.3A160A7格柵機、輸送機熔斷器DW16-63067.6100A8水泵熔斷器DZ47-638.415A9變頻柜熔斷器DZ47-6322.840A3.4 變頻器的選型及應用3.4.1 變頻器簡介變頻器是應用變頻技術與微電子技術，通過改變電機工作電源頻率方式來控制交流電動機的電力控制設備。變頻器主要由整流（交流變直流）、濾波、逆變（直流變交流）、制動單元、驅(qū)動單元、檢測單元微處理單元等組成。通過改變電源的頻率來達到改變電源電壓的目的， 根據(jù)電機的實際需要來提供其所需要的電源電壓，進而達到節(jié)能、調(diào)速的目的，隨著工業(yè)自動化程度的不斷提高，變頻器也得到了非常廣泛的應用。下面以這圖3-5 變頻器

37、基本構成圖種常見的交直交型變頻器，交直交變頻器的工作可分為兩個基本過程，其一為交直變換過程：就是先把不可調(diào)的電網(wǎng)的三相(或單相)交流電經(jīng)整流橋整流成直流電；其二是直交變換過程：就是反過來又把直流電 “逆變”成電壓和頻率都任意可調(diào)的三相交流電。變頻器的基本結構由主回路（包括整流器、中間直流環(huán)節(jié)、逆變器）和控制回路組成，其變頻器基本構成圖如上圖3-5所示。3.4.2 變頻器的選型與接線設計本次系統(tǒng)負載為風機、泵類負載應選擇MM430變頻器，選擇變頻器時應以實際電機電流值為變頻器選擇的依據(jù)，電機的額定功率只能作為參考。圖3-6為變頻器接線圖，R、S、T為三相交流電的輸入端，經(jīng)過變頻器整流、逆變由U、

38、V、W端子輸出給水泵。ADC1+、ADC1-為自控頻率輸出端子也就是頻率模擬量采集端（4-20mA時電流信號），+24V、X1為數(shù)字量采集端子，是為現(xiàn)場手自動控制按鈕。U、V、W為輸出控制電機端子，DAC1+、DAC為頻率輸出指示端子，NO、CON為變頻器運行指示輸出和故障報警輸出。圖3-6 變頻器接線圖3.5 電氣主接線及設計3.5.1 一次回路主接線設計圖3-7是格柵機、輸送機和水泵控制的主電路圖，其中KM1、KM2和KM3為控制電機的交流接觸器，改變KM1、KM2和KM3就能改變電機的起動與停止操作。圖中的FR為熱繼電器，在電機過載時，它的常閉觸點斷開，使接觸器的線圈斷電，電機停轉。本次

39、電機使用的是三相交流電，使用了斷路器來保護電機，使之免受損壞。圖3-7 電氣一次接線圖3.5.2 配電系統(tǒng)接線設計主接線圖即主電路圖,是表示供電系統(tǒng)中電能輸送和分配路線的電路圖，亦稱一次電路。圖3-8是配電系統(tǒng)主接線圖，下面以其電源進線、母線和出現(xiàn)的順序?qū)Υ伺潆娧b置作分析介紹。此裝置采用的電源進線是常用的380V工廠用電等級，根據(jù)所有裝置所需的動力符合要求選擇DW16-630-160A/3P斷路器型號，并選擇一定隔離能力的開關。由于系統(tǒng)要求等級不高，采用單母線分配電壓，這種母線方式可保證電源并列工作，又可使任意一條出線都可以從任意一個電源獲得電能。其中斷路器具有開合電器的專用的滅弧裝置，可以開

40、斷或閉合負荷電流和開斷短路電流，顧用來作為接通或切斷電路的控制電器，隔離開關是用來設備停運后退出工作時斷開電路，保證與帶電部分隔離，起隔離電壓作用。在電機的線路中需要設置熱繼電器保護電機，使電機免受損壞。本裝置中有計量裝置、保護裝置、監(jiān)視裝置均為做出介紹。圖3-8 配電系統(tǒng)主接線圖3.5.3 二次回路接線設計二次回路接線圖如圖3-9所示。“SA-手動/自動”是現(xiàn)場手動和PLC自動兩種啟動模式。當選擇現(xiàn)場手動開關，設備將受本身的開停開關控制，這種狀態(tài)主要是為了檢修設備和開啟使用設備時使用；當選者自動模式時，設備受PLC控制，設備將會按照自控要求自動運行?！癒M1”是繼電器是控制電機啟停的設備，“

41、FR”是熱繼電器，保護電機設備的裝置，“HY”是電機運行狀態(tài)指示，主要在自控柜中顯示電氣運行狀態(tài)指示。圖3-9 二次回路接線圖第4章 自動控制系統(tǒng)設計4.1 PLC的結構與工作原理PLC由傳統(tǒng)的生產(chǎn)機械自動裝置即繼電器控制系統(tǒng)發(fā)展成為先進的自動控制裝置，把計算機編程方法和程序輸入方式加以簡化，采用面向控制過程、面向?qū)ο蟮恼Z言編程。PLC是采用“順序掃描，不斷循環(huán)”的方式進行工作的。即在PLC運行時，CPU根據(jù)用戶按控制要求編制好并存于用戶存儲器中的程序，按指令步序號（或地址號）作周期性循環(huán)掃描，如無跳轉指令，則從第一條指令開始逐條順序執(zhí)行用戶程序，直至程序結束。然后重新返回第一條指令，開始下一

42、輪新的掃描。在每次掃描過程中，還要完成對輸入信號的采樣和對輸出狀態(tài)的刷新等工作。PLC工作原理圖如圖4-1所示。圖4-1 PLC工作原理圖4.2自控系統(tǒng)I/O點表表4-1 控制系統(tǒng)數(shù)字量輸入/輸出地址序號設備編號信號名稱類型地址1格柵系統(tǒng)S201-1-T自動轉換DI11.02格柵系統(tǒng)S201-2-T手動轉換DI11.13格柵系統(tǒng)S201-3-T液位控制DI11.24格柵系統(tǒng)S201-4-T時間控制DI11.351#粗格柵S201-1-F故障DI8.062#粗格柵S201-2-F故障DI8.1續(xù)表4-1 控制系統(tǒng)數(shù)字量輸入/輸出地址序號設備編號信號名稱類型地址7輸送機S201-3-F故障DI8.

43、281#進水泵S201-4-F故障DI8.392#進水泵S201-5-F故障DI8.4103#進水泵S201-6-F故障DI8.5114#進水泵S201-7-F故障DI8.6125#進水泵S201-8-F故障DI8.7131#粗格柵S201-1-S開停狀態(tài)DI9.0141#粗格柵S201-1-T自動轉換DI9.1152#粗格柵S201-2-S開停狀態(tài)DI9.2162#粗格柵S201-2-T自動轉換DI9.317輸送機S201-3-S開停狀態(tài)DI9.418輸送機S201-3-T自動轉換DI9.5191#進水泵S201-4-S開停狀態(tài)DI9.6201#進水泵S201-4-T自動轉換DI9.7212

44、#進水泵S201-5-S開停狀態(tài)DI10.0222#進水泵S201-5-T自動轉換DI10.1233#進水泵S201-6-S開停狀態(tài)DI10.2243#進水泵S201-6-T自動轉換DI10.3254#進水泵S201-7-S開停狀態(tài)DI10.4264#進水泵S201-7-T自動轉換DI10.5275#進水泵S201-5-S開停狀態(tài)DI10.6285#進水泵S201-5-T自動轉換DI10.7291#粗格柵S201-1-F電機運行DO12.0302#粗格柵S201-2-F電機運行DO12.131輸送機S201-3-F電機運行DO12.2321#進水泵S201-4-F電機運行DO12.3332#進

45、水泵S201-5-F電機運行DO12.4343#進水泵S201-6-F電機運行DO12.5354#進水泵S201-7-F電機運行DO12.6365#進水泵S201-8-F電機運行DO12.7371#粗格柵液位LD201液位測量AIPIW256382#粗格柵液位LD202液位測量AIPIW25839集水井液位LD203液位測量AIPIW26040頻率反饋LD204頻率檢測AIPIW26241頻率輸出FO103-1頻率輸出AOPQW2564.3自控系統(tǒng)設備選型本設計題目所選用的是西門子S7-300系列的是PLC。S7-300為模塊化中小型PLC系統(tǒng)，可以滿足中等性能的要求的應用，其大范圍的功能模塊

46、可以非常好的滿足和適應自動控制任務，簡單實用的分散式結構和多界面網(wǎng)絡能力使其具有靈活的適應性，當控制任務增加時可以自由的擴展模塊。1CPU型號選取根據(jù)細格柵污水處理系統(tǒng)的電氣控制系統(tǒng)的要求，以及其復雜程度，從經(jīng)濟型、可靠性等方面來考慮，選擇西門子S7-300系列的PLC作為粗格柵污水處理控制系統(tǒng)的控制主機。由于本次設計系統(tǒng)環(huán)境條件和要求并不苛刻，故選擇標準型CPU，選擇CPU313就能滿足系統(tǒng)需求，CPU313具有擴展程序存儲區(qū)的低成本的CPU，比較適用于需要高速處理的小型設備。訂單號為6ES7 313-1AD00-0AB0。2電源模塊PS選取根據(jù)系統(tǒng)要求電源能力要求選擇PS 307;10A電

47、源模塊。PS307;10A電源模塊屬性有輸出電源為10A，輸出電壓為24VDC和短路和斷路保護，與單相交流電源連接，安全隔離符合EN60 950，可用作負載電源。訂貨號為6ES7 307-1KA00-0AA0。這些要求能夠滿足粗格柵系統(tǒng)要求。3數(shù)字量輸入模塊選取按照系統(tǒng)I/O點表，粗格柵系統(tǒng)有27個數(shù)字量輸入點，再留有20%余量，所有應選擇輸入點大于或等于32點，所以選擇模塊SM321 DI 32 x 24VDC，該模塊接受現(xiàn)場的開關觸點的狀態(tài)(直流24V供電)，并經(jīng)過光電隔離和濾波，將其轉化為S7-300內(nèi)部信號電平。該輸入模塊開始地址為8，結束地址為11，帶硬件中斷和診斷中斷。訂貨號為6E

48、S7 321-1BL00-0AA0。SM 321；DI 32 x DC 24 V內(nèi)部電路及外部端子接線圖如圖4-2所示。圖4-2 DI 32 x DC 24 V內(nèi)部電路及外部端子接線圖4數(shù)字量輸出模塊選取根據(jù)系統(tǒng)I/O點表，粗格柵系統(tǒng)有8個數(shù)字量輸出點，再留有20%余量，所有應選擇輸入點大于或等于10點，所以選擇模塊SM322 DO 16 x 120/230/1A，該模塊16點輸出、帶保險絲和電隔離為8組，輸出電流為1A，額定負載電壓120/230 VAC。該輸入模塊開始地址為12。訂貨號為6ES7 322-1FH00-0AA0。5模擬量輸入模塊選取根據(jù)系統(tǒng)I/O點表，粗格柵系統(tǒng)有4個模擬量輸

49、入，所以選擇模塊模擬量輸入模塊SM 331；AI 8 x 12 位；輸入點數(shù)4個通道組中4點輸入；分辨率：9 位+符號、12 位+符號、14 位+符號；測量類型：對于每個通道組可編程：電壓、電流、電阻、溫度；測量范圍選擇：任意每通道組；支持可編程診斷；不支持同步模式；診斷中斷：可編程。圖3-4給出了各種接線選項，輸入阻抗取決于量程卡的設置。該輸入模塊開始地址為256，結束地址為271。6模擬量輸出模塊選取根據(jù)系統(tǒng)I/O點表，粗格柵系統(tǒng)有1個模擬量輸出，所以可選擇模塊模擬量輸出模塊SM 332 AO 2 x 12 位；輸出點數(shù)為四輸出通道；分辨率是12位；輸出類型是：每個通道電壓、電流；不支持同

50、步模式；支持可編程診斷；診斷中斷可編程；替換值輸出可編程；電隔離：背板總線接口、負載電壓?？刂葡到y(tǒng)選型統(tǒng)計表如表4-2所示。表4-2 控制系統(tǒng)選型序號名稱訂貨號數(shù)量備注1480cm導軌6ES7390-1AE80-0AA012電源模塊（10A）6ES7 313-1AD00-0AB013CPU3136ES7 307-1KA00-0AA015SIMATIC Micro內(nèi)存卡6ES7 953-8LG10-0AA016開入模塊6ES7 321-1BL00-0AA017開出模塊6ES7 322-1FH00-0AA018模擬量輸入模塊6ES7 331-7F02-0AB019模擬輸出模塊6ES7 332-5H

51、B01-0AB0110CP5611通訊卡IPC56014.4自控系統(tǒng)工程創(chuàng)建1創(chuàng)建工程項目，單擊菜單欄下新建，創(chuàng)建“cu_gruation project”為新項目，把項目建立在E-simatic_sample文件夾S7_300的子文件下，這樣的存儲方式是當系統(tǒng)出現(xiàn)問題時不至于文件丟失。如圖新建項目圖4-3所示。圖4-3 新建項目圖2插入SIMATIC 300站，在新建項目下，在“cu_gruation project”項目內(nèi)插入S7-300工作站，如圖4-4插入SIMATIC 300站圖。圖4-4 插入SIMATIC 300站圖3硬件組態(tài)，根據(jù)模塊的選型進行硬件組態(tài)圖。硬件組態(tài)圖如圖4-5所

52、示。圖4-5 硬件組態(tài)圖4編輯符號表，為了更易讀懂程序，程序人員往往需要編輯符號表來標識其中的變量，下圖4-6為符號表圖。圖4-6 符號表圖5創(chuàng)建功能塊和主程序，在項目中創(chuàng)建功能塊和組織塊，下圖為創(chuàng)建其步驟，創(chuàng)建功能塊和主程序圖如圖4-7所示。圖4-7 創(chuàng)建功能塊和組織塊圖6系統(tǒng)創(chuàng)建的功能塊、背景數(shù)據(jù)塊和組織塊所有塊圖如圖4-8所示。圖4-8 所有塊圖4.5自控系統(tǒng)梯形圖設計 1PLC手自動程序編寫，現(xiàn)場有手自動按鈕，當按鈕在手動位置為現(xiàn)場操作部分，當按鈕在自動位置為PLC自動控制方式，同時中間寄存器“M201.1”也是遠程手動操作寄存器，上位機修改其值就可改變寄存器狀態(tài)。PLC遠程手自動程序

53、圖如圖4-17所示。圖4-9 PLC遠程手自動程序圖2調(diào)用粗格柵系統(tǒng)和集水井程序塊圖4-10中“M201.0、M201.1”是PLC手自動互鎖裝置，當粗格柵系統(tǒng)和集水井系統(tǒng)啟動時就調(diào)用“FC1、FC2”的系統(tǒng)塊。圖4-10調(diào)用粗格柵系統(tǒng)和集水井程序塊圖3粗格柵系統(tǒng)程序模式選擇塊，開始選擇格柵液位控制和格柵時間控制兩種方式。液位控制方式是液位達到一定的水為，格柵自動啟動，當運行時間到，停止格柵系統(tǒng)，下次重復循環(huán)；時間控制方式為根據(jù)啟動時間和運行時間控制格柵系統(tǒng)。格柵模式選擇程序圖如圖4-10所示。4粗格柵系統(tǒng)啟動時間和運行時間控制程序，在時間控制方式里，啟動時間為1M，運行時間為上位機可設定的，

54、在液位控制方式中，當運行時間到時重新檢測，程序進入下個循環(huán)，時間程序段如圖4-11所示。圖 4-10 格柵模式程序選擇圖圖4-11 時間程序段圖 5數(shù)據(jù)轉換模塊，F(xiàn)C105是把WORD字節(jié)型轉換為REAL型，是把量程為027648轉換成060.0，無量綱之間轉換。“M75.0”是上位機輸入標志，當置位1時可以從上位機直接改寫輸入值，為0時是從輸入 “PIW256”直接采集數(shù)據(jù)。“BIPOLAR”是單極性和雙極性控制，當前值為1時是正負兩個極性，當前值為0為正極性。“OUT”為輸出為REAL類型的值，是用戶讀取的液位值。數(shù)據(jù)轉換模塊圖如圖4-12所示。圖4-12 數(shù)據(jù)模塊轉換圖7 集水井程序塊圖如圖4-13所示。圖4-13 集水井程序塊圖4.6自控系統(tǒng)流程圖設計 1系統(tǒng)程序框圖編寫程序是下位機重要一步，是實現(xiàn)對控制對象實現(xiàn)控制的邏輯控制，PLC程序見附頁。格柵系統(tǒng)兩種啟動方式，一種為按時間啟動；一種為根據(jù)格柵前后液位差啟動。圖4-14 系統(tǒng)程序流程框圖集水井水泵系統(tǒng)（1