基于GT DESIGNER3软件工业污水处理电气控制系统的设计
摘 要
改革开放以来，中国经济蓬勃发展，中国工业也取得前所未有的发展壮大。随之带来的工业水污染情况日益严重，逐步制约着我国经济的发展。同时，我国也是一个水资源匮乏的大国，人均水资源远低于世界人均水平。为了我国朝着健康可持续道路发展前进，人民生活幸福，工业水污染治理势在必行。
此次设计的工业污水处理电气控制系统主要对污水处理的四项工艺流程实现自动控制，分别是污水流量控制、中和处理、温度处理、水位控制。该系统基于PLC作为控制核心，通过硬件和软件两个方面去设计。硬件设计包括硬件选型、PLC选型、PLC I/O分配、系统硬件连接图设计。硬件设计中用到四个模拟量输出传感器和五个电动阀门，因此需要使用一个FX2n-4AD模块和两个FX2n-4DA模块。软件设计主要包括PLC控制程序设计和三菱触摸屏程序设计。PLC控制程序分为FX2n-4AD模块应用程序、污水处理工艺控制程序、FX2n-4DA模块应用程序。F2n-4AD模块应用程序主要是把传感器传输的4~20mA电流信号转换成数字量信号，并传输到PLC中进行逻辑运算。污水处理工艺控制程序主要是根据控制要求,把采集的信号进行逻辑运算处理，并输出相应的控制信号。FX2n-4DA模块应用程序主要是把PLC传输的数字量信号转换成4~20mA电流，并把4~20mA电流信号传送到电动阀门，电动阀门根据4~20mA电流的大小控制阀门的开度，进行相应的控制。三菱触摸屏程序基于GT DESIGNER3软件来设计，可以通过GT DESIGNER3和GX WORKS2进行联合仿真调试，并对仿真结果进行分析。
关键词：工业污水处理电气控制系统；GT-Designer 3；FX2n-4AD；FX2n-4DA；模拟量控制
Abstract
Since the reform and opening up, China's economy has developed vigorously, and China's industry has also achieved unprecedented growth and development. The resulting industrial water pollution situation has become increasingly serious, gradually restricting the development of China's economy. At the same time, China is also a big country with water scarcity, and the per capita water resources are far below the world average. For China's development towards a healthy and sustainable road, people's lives are happy, and industrial water pollution control is imperative.
The industrial sewage treatment electric control system designed this time mainly realizes automatic control of the four process processes of sewage treatment, namely sewage flow control, neutralization treatment, temperature treatment and water level control. The system is based on PLC as the control core, designed through hardware and software. Hardware design includes hardware selection, PLC selection, PLC I/O distribution, and system hardware connection diagram design. Four analog output sensors and five electric valves are used in the hardware design, so one FX2n-4AD module and two FX2n-4DA modules are required. The software design mainly includes PLC control program design and Mitsubishi touch screen program design. The PLC control program is divided into FX2n-4AD module application, sewage treatment process control program, and FX2n-4DA block application. The F2n-4AD module application mainly converts the 4~20mA current signal transmitted by the sensor into a digital signal and transmits it to the PLC for logic operation. The sewage treatment process control program mainly performs logical operation processing on the collected signals according to the control requirements, and outputs corresponding control signals. The FX2n-4DA module application mainly converts the digital signal transmitted by the PLC into a 4~20mA current signal, and transmits the 4~20mA current signal to the electric valve. The electric valve controls the opening of the valve according to the current of 4~20mA. Take the appropriate controls. The Mitsubishi touch screen program is designed based on GT DESIGNER3 software. It can be co-simulated by GT DESIGNER3 and GX WORKS2, and the simulation results are analyzed.
Key words industrial sewage treatment electrical control system; GT-Designer 3; FX2n-4AD; FX2n-4DA; analog control
目 录
1 绪论 1
1.1 工业污水处理电气控制系统概述 1
1.2 工业污水处理电气控制系统的现状及发展 2
1.3 PLC概述 3
2 工业污水处理电气控制系统的总体设计 6
2.1 工业污水处理电气控制系统的控制要求 6
2.1.1 流量控制 6
2.1.2 中和处理 6
2.1.3 温度处理 6
2.1.4 水位控制 7
2.2 工业污水处理电气控制系统的设计方案 7
3 工业污水处理电气控制系统硬件设计 8
3.1 输入、输出设备的选择与介绍 8
3.1.1 流量计的选型 8
3.1.2 PH计的选型 8
3.1.3 温度传感器的选型 9
3.1.4 水位控制传感器的选型 10
3.1.5 阀门的选型 11
3.1.6 搅拌器元件的选型 11
3.2 PLC的优点及选型 11
3.2.1 PLC控制的优点 11
3.2.2 PLC的内部工作方式 12
3.2.4 FX2n模拟量模块介绍及参数设置 14
3.2.3 PLC型号的选择 18
3.2.5 PLC I/0分配 19
3.2.6 元器件清单 20
3.3 系统硬件连接图设计 20
4 工业污水处理电气控制系统软件设计 22
4.1 控制系统流程图 22
4.1.1 流量控制 22
4.1.2 中和控制 23
4.1.3 温度控制 24
4.1.4 水位控制 25
4.2 PLC程序设计及分析 26
4.2.1 FX2n-4AD模块应用程序 26
4.2.2 流量控制程序 26
4.2.3 中和控制程序 27
4.2.4 温度控制程序 28
4.2.5 水位控制程序 28
4.2.6 FX2n-4DA模块应用程序 29
5 工业污水处理电气控制系统仿真设计 30
5.1 组态仿真软件的选择 30
5.2 GT Designer 3仿真软件的介绍 30
5.3 GT Designer 3仿真界面的设计 30
5.4 GT Designer 3仿真调试与结果分析 33
结束语 41
参考文献 42
致 谢 43
附录 44
附录一 工业污水处理电气控制系统的整体接线图（标准CAD图纸） 44
附录二 工业污水处理电气控制系统的程序清单 45
1 绪论
1.1 工业污水处理电气控制系统概述
虽然地球表面被水覆盖的面积占地球总面积的一半以上，但只有一小部分的水资源能够被利用。由于我国土地面积辽阔，有的地方依邻大海，有的地方深处亚洲中心，有的地方高海拔，有的地方靠近西伯利亚，这就导致每个地方水资源拥有量不同，并且存在南方水资源多，有时雨季来临还会发生水灾；北方水资源少，经常出现旱灾;东方面临大海，地势平坦，水资源多；西方深处亚洲中心，海拔高，水资源少。以及我国人口数目庞大，导致我国人均淡水资源拥有量排名远远低于世界人均淡水资源拥有量。
国家和地方管理者应逐步加强环境保护意识，要重视污水处理行业的成长和给它创造一个良好的成长环境，对此行业要多给予资金和政策的帮助我国工业在近几十年里发展迅速，人口也大幅增长，产生的污水也越来越多，污水处理市场巨大。污水处理行业也渐渐得到地方管理者和国家的重视，并得到了大量资金和政策的支持。 同时，我国教育发展取得重大成就，培养了大批人才。由于以上因素，污水处理行业也蓬勃发展，污水处理能力也不断增强。
由于我国污水处理行业发展历程短，各种技术、人才、设备都很欠缺，起步非常晚，发展规模小，污水处理设备比较落后，相比欧美国家污水处理的发展水平，我国尚且还有很大的差距。对此，我国应该针对污水处理行业制定和完备相关的法律、政策，创造良好的培养环境，从而引导污水处理行业健康、快速的向着先进化、规模化、市场化、产业化的方向发展。目前，我国需要处理的污水缺额巨大并且不断增加，因此污水行业有着非常大的发展空间和发展前景。同时，这也会带动我国工业快速发展。
最近几百年间，各国的工业都在高速发展，这也带动了国家经济的发展，也使人们对日常生活水平有了更高的需求。工业生产需要很多水，例如印染、冶金、发电厂等。与此同时，人们的衣食起居、日常生活也需要很多水。而且对水的需求量也是与日俱增。同时，这些行为也产生了大量污水。
如果这些废水未经净化排放，将对我们赖以生存的环境产生很大污染，有的污染可能是不可以通过后期修复而逆转的，这会导致我们子孙后代的生存环境更加恶劣。我国有着数百个缺水城市，其中一些城市处于严重缺水状态且长期得不到解决。据有关分析统计，根据人们日常生活中对水的正常需求，每年缺水总量巨大，缺水总额都快达到一个三峡大坝蓄水的总库容。因为缺水，有着相当一部分城市的经济受到严重阻碍，导致我国每年约有千亿元人民币的经济损失。部分地区水资源的严重匮乏，导致人们日常生活十分不便，使国家整体的经济发展受到阻碍。 污水不能被随意排放。在合理使用前，必须经过一系列科学程序的净化。综合以上因素可知，应该有序地加快建设更多、更好的污水处理厂，加快旧污水处理厂的改造、升级，加快污水处理厂由传统人工操控向自动化智能管控转变。对于污水处理行业核心的自动控制系统要加快研发升级，从而降低企业后期对污水处理厂的管理成本以及提高污水处理效率、质量，使经济高速发展与良好的生活环境两者可以兼得，建立一个良好的循环。
1.2 工业污水处理电气控制系统的现状及发展
自动化控制技术经过几个世纪的发展已经相当成熟以及广泛应用于工业控制领域。同时，近些年来，网络通讯技术发展十分地讯速，结合自动控制技术，再基于大数据，使得工业自动化控制更加精确，更加智能化，监控生产更加方便，后期成本也大幅度降低，处理效率和质量更高。欧美等老工业强国的污水处理厂很早就实现了自动控制工艺过程，不需要太多人工操控，大幅度降低污水处理厂的管理成本，并给企业带来了可观的经济效益。
欧美国家污水处理工艺流程有以下几个鲜明的特征：在水质分析方面，仪表在线分析可以实时监测整个系统生产过程中的水质变化，主机监控的数据可以随时记录，水质可得到及时分析，并反馈给系统。在整个污水处理自动化系统智能管控期间 ，相应的控制模式可以基于水来控制。通过污水性质的定性变化进行相应的调整，采用相应的远程控制设备，充分利用了一部分相关的社会信息资源。
我国污水处理工艺流程监控方式主要有两种，一是由员工把控工艺流程，即人工控制。二是由PLC和各种外接设备构建自动化控制系统，通过传感器采集数据、信号，PLC根据用户程序进行逻辑运算、处理和输出控制信号，然后驱动外接设备去控制污水处理的各项工艺流程，即自动控制。在生活污水处理发展初期，主要检测工具是热仪表。大多数工厂采用集中检查。在开发的中期，主要采用分布式控制系统和分析仪表两种检测技术。近年来，污水处理技术的主要发展方向是自动化控制，并取得了良好的效果。
现阶段，我国污水处理主要有以下几个突出问题：很多早期建立的污水处理厂基本采用人工控制的方式，污水处理效率低，企业管理成本高，生产方式落后，已经不再适应如今的污水处理发展趋势;近几年，部分新建的污水处理厂引进了国外先进的自动化控制技术，使污水处理效率提高了很多倍，同时不需要太多人工去维护和操控机器，使得以后地管理成本降低很多，污水净化后的效果好，更满足当今污水处理的需求。但是，由于构建自化系统所需的相关电气设备，国内做的价格低但可靠性差、功能弱，而国外做的价格高昂，可靠性好，功能丰富且强悍。这就导致我国污水处理厂仍大都停留在传统型上，而污水自动化控制处理并没有得到大泛围应用。目前，我国污水处理各个工艺流程之间也没有相应的信息交流，大都是独立运行，导致处理后的污水净化效果不稳定。同时，水质也大都通过工厂员工进行检测，监测过程中很少使用监测系统，很难实时监控工厂的各个部分。报表统计工作也是由工厂工人手动记录各种数据，然后再统计完成。
国内污水处理与国外相比，在自动控制方面的发展差距很大。可是我国经过数十年高速的发展、高等教育大规模普及和几代人的艰苦奋斗，工业领域取得了令人惊叹的成绩，基础建设也取得巨大成功，高楼林立，道路四通八达，涌现了大量新城市。但是在工业自动化控制领域与发达国家相比仍有很大差距。新城市的涌现和国家快速发展也使污水与日俱增，因而国内自动控制这一领域的前景非常广阔，也有很大的发展空间。
1.3 PLC概述
PLC可以接收外部各种信号、数据，再根据用户编写的程序对信号进行逻辑运算、处理，最后以一定方式输出信号、数据，从而驱动外接设备实现相应的控制。从本质上来看，PLC工作方式与计算机相差无己，可以看作为一种应用于工业控制，性能丰富、强悍的小型计算机。它的处理器小而强悍，在传统的继电器控制技术基础上融合了近些年来许多成熟的新技术，例如互联网通讯技术，利用计算机编写用户程序技术，数据信号在控制设备间互通技术等等。作为一种新型控制器，用户可以根据PLC内部自带的功能去编写应用于逻辑控制、运算的程序，最后输出数据、信号，从而驱动外部负载实现相应的工业生产控制或者机械运动。
目前，PLC的各种功能不断地被开发与完善，处理速度也不断被提高 。如今互联网通信技术发展十分迅速并且已经大规模应用实际生活，PLC也不例外。随着各种新的通信协议不断产生，基于互联网通信技术的应用，使PLC各个控制模块可以实现信息交流、数据相互传送，从而控制更加精确，系统更加智能。同时也为工业自动化奠定了基础。PLC无论是在工业生产中，还是人们的日常生活中都可以看见它的身影。小的方面，比如十字路口交通信号灯、电梯、自动门等等。大的方面，比如汽车生产线、机械设计等等。
（1）数字量控制
数字量逻辑控制的应用是可编程继电器最为基本的应用领域。它可以实现和传统的继电器控制电路同样的功能，因为它可以根据用户程序对输入信号进行逻辑运算，并把处理好的信号传输给外部驱动设备进行相应的逻辑控制以及顺序控制。PLC应用于覆膜机、撕膜机、组合机床、装配流水线、汽车生产线等等。它不仅可用于多机组控制和自动化流水线，还可用于自动化流水线设备的控制。
（2）模拟量控制
工业生产过程中不断发生变化的压力、出口流量、湿度、亮度、液位、温度和酸碱度等等称为模拟量。这些模拟量信号还需要转换成数字量信号，才能够被PLC接收，运算处理，输出信号，即模数转换或数模转换。PLC生产厂商均生产有配套的模数转换器和数模转换器元件，使PLC的模拟控制功能使用更为简单方便，从而深受设计人员喜爱此功能。
（3）运动控制
在实际工业的生产过程中，机械直线方向的运动或者是圆周方向的运动都是可以通过PLC进行控制。从控制机构配置的角度来看，开关量输入、输出模块在早期阶段直接与动作执行模块和位置传感器相连接。目前，PLC针对机械运动控制方面开发了许多专用的运动控制模块。如今，各种机械臂、装配流水线、数控机床、电梯等一般由PLC控制，并运用了相关专用的运动控制模块。
（4）过程控制
控制系统中会有液位、流量、温度、压力等模拟量发生变化。用户可以根据工艺流程编写对应的控制程序，使这些模拟量按照工艺流程的需要，进行一定变化的闭环控制。现阶段，PID调节法在闭环控制中已经被普遍采用，PID调节过程主要包含测量、比较和执行这三个步骤，通过外部设备实际测量值与用户设定的期望值进行比较，根据比较偏差，PLC发出信号进行相应控制来纠正系统。同时，许多公司生产的PLC也是自带有PID模块功能。在石油开采、污水处理、锅炉等诸多控制方面都可以看见过程控制的作用。
（5）数据处理
现阶段，PLC数据处理能力强悍且体积更小。它与以往相比已经有了质的飞跃，数据处理能力非常强悍，如数据传送、数据比较、数据移位、数据按照一定方式排序、数据进行数学运算等功能。利用上述功能可用于收集数据、分析数据以及处理数据。某些控制操作的完成要求将这些数据同存储在内存中的引用值进行比较。它可以通过网络通信功能，把这些数据传送到电脑端和打印机，进行制表和打印。
数据处理通常不仅应用于过程控制系统（纺织、石油开采、锅炉控制等），同样在比较大的控制系统也能适用，比如自动化污水处理系统。
（6）通信及联网
PLC的信息交流，即通信。主要包括PLC与传感器、触摸屏等智能设备之间的信息交流。目前，计算机控制技术得到快速发展和工厂自动化网络技术的发展也十分迅速。PLC的通信技术已成为不可缺少的功能，各种新的通信协议不断出。除此之外，PLC制造商也发现强大的通信功能成为未来趋势以及使PLC的应用更上一层楼，因此厂商专门对自家产品，加入了相应的网络系统。如今的PLC都带有通信接口，兼容各种通信协议，以方便PLC与其它设备间的信息交流，使控制更为精确，更为简便。
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