废水处理电气控制系统设计
一、废水处理电气控制系统设计
1．废水处理工艺的技术要求
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。
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，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控制技术可以提高废水处理的效率，方便操作和使用。
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。废水处理系统示意图如图11-1所示。 水位电极上水电磁阀中水箱电动阀排空电磁阀水位电极水位电极~纳入污水空气风机生物菌泥污水处理池清水池 2#清水泵1#清水泵中水
图11-1 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
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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。
如上所示，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。
废水处理技术针对污水水质不同选用生物菌群不同，工艺要求要求有所不同，电气控制系统应有参数可修正功能，以满足废水处理的要求。
2．废水处理系统动力设备
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．废水处理电气控制系统设计要求
1) 控制装置选用PLC作为系统的控制核心，根据工艺要求合理选配PLC机型。 2) 可执行手动/自动两种方式，应能按照工艺要求编辑程序并可实时整定参数。 3) 电动阀上驱动电动机为正、反转双向运行，因此要在PLC控制回路加互锁功能。 4) PLC的接地应按手册中的要求设计，并在图中表示或说明。
5) 为了设备安全运行，考虑必要的保护措施，入如电动机过热保护、控制系统短路保护等。 6) 绘制电气原理图：包括主电路、控制电路、PLC硬件电路，编制PLC的I/O接口功能表。 7) 选择电器元件、编制元器件目录表。
8) 绘制接线图、电控柜布置图和配线图、控制面板布置图和配线图等。 9) 采用梯形图或指令表编制PLC控制程序。
二、废水处理电气控制系统总体设计
1．总体方案
1) 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
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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) 电控箱设置在控制室内。控制面板与电控箱内的电器板用BVR型铜导线连接，电控箱与执行装置之间采用端子板连接。
8) PLC选用继电器输出型。
9) PLC自身配有24V直流电源，外接负载时考虑其供电容量。PLC接地端采用第三种接地方式，提高抗干扰能力。
2．废水处理电气控制原理图设计 (1) 主电路设计 废水处理电气控制系统主电路如图11-2所示。
QFRSTNFU5FU6FU1FU2FU3FU4KM1KM2KM3KM4KM5NL5L63FR13FR23 M3~FR33M4~FR4阀门电动机M2M1~~1#泵（污水）2＃泵（清水）风机图11-2 废水处理电气控制系统主电路
1) 主回路中交流接触器KM1、KM2、KM3分别控制1#清水泵M1、2#清水泵M2、曝气风机M3；交流接触器KM4、KM5控制电动阀电动机M4，通过正、反转完成开起阀门和关闭阀门的功能。
2) 电动机M1、M2、M3、M4由热继电器FR1、FR2、FR3、FR4实现过载保护。电动阀电动
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机M4控制器内还装有常闭热保护开关，对阀门电动机M4实现双重保护。
3) QF为电源总开关，既可完成主电路的短路保护，又起到分断三相交流电源的作用，使用和维修方便。
4) 熔断器FU1、FU2、FU3、FU4分别实现各负载回路的短路保护。FU5、FU6分别完成交流控制回路和PLC控制回路的短路保护。
(2) 交流控制电路设计 废水处理系统交流控制电路如图11-3所示。
L5~220VNHL1KM1-1HL2电源指示1#泵提示(潜水)2#泵提示(清水)罗茨风机上水电磁阀KM2-1HL3KM3-1HL4KA2-1KA2-2KA3-1FR1FR2FR3FR4KA1YA1HL5YA2TC220 ~ N隔离变压器1:1 LDCCOMPLC+24V上水阀指示排空电磁阀注:电动机过载保护表示采用第三种接地方式。 图11-3 废水处理系统交流控制电路
1) 控制电路有电源指示HL。PLC供电回路采用隔离变压器TC，以防止电源干扰。
2) 隔离变压器TC的选用根据PLC耗电量配置，可以配置标准型、变比1：1、容量100VA隔离变压器。
3) 1#清水泵M1、2#清水泵M2、曝气风机M3分别有运行指示灯HL1、HL2、HL3，由KM1、KM2、KM3接触器常开辅助触点控制。
4) 4台电动机M1、M2、M3、M4的过载保护，分别由4个热继电器FR1、FR2、FR3、FR4实现，将其常闭触点并联后与中间继电器KA1连接构成过载保护信号，KA1还起到电压转换的作用，将220V交流信号转换成直流24V信号送入PLC完成过载保护控制功能。
5) 上水电磁阀YA1和指示灯HL1、排空电磁阀YA2，分别由中间继电器KA2和KA3触点控制。
(3) 主要参数计算
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1) 断路器QF脱扣电流。断路器为供电系统电源开关，其主回路控制对象为电感性负载交流电动机，断路器过电流脱扣值按电动机起动电流的1.7倍整定。废水处理系统有3kW负载电动机一台，起动电流较大，其余三台为1.1kW以下，起动电流较小，而且工艺要求4台电动机单独起动运行，因此可根据3kW电动机选择自动开关QF脱扣电流IQF：
IQF＝1.7IN=1.7×6A＝10.2A≈10A，选用IQF＝10A的断路器。
2) 熔断器FU熔体额定电流IFU。以曝气风机为例，IFU≥2IN＝2×2.5A＝5A，选用5A的熔体。其余熔体额定电流的选择，按上述方法选配。控制回路熔体额定电流选用2A。
3) 热继电器的选择请参考有关技术手册，自行计算参数。
(4) PLC控制电路设计 包括PLC硬件结构配置及PLC控制原理电路设计。
1) 硬件结构设计。了解各个控制对象的驱动要求，如：驱动电压的等级、负载的性质等；分析对象的控制要求，确定输入/输出接口（I/O）数量；确定所控制参数的精度及类型，如：对开关量、模拟量的控制、用户程序存储器的存储容量等，选择适合的PLC机型及外设，完成PLC硬件结构配置。
2) 根据上述硬件选型及工艺要求，绘制PLC控制电路原理图，绘制PLC控制电路，编制I/O接口功能表。图11-4为废水处理系统PLC控制电路原理图，L6作为PLC输出回路的电源，分别向输出回路的负载供电，输出回路所有COM端短接后接入电源N端。
HL8HL7KM2KM1HL14HL10HL12HL9HL13HL11KM5-1KM4-1L6NKM4KM5HL6KM3KA3KA2NLAC100~224VCOM1Y0Y1Y2Y3Y4Y5Y6Y7 COM2Y10Y11Y12Y13Y14COM3Y16Y15COM4Y17输出端FX2N-48MRDC24V24+COMX0X1X2X3X4X5X6X7X10X12X11X14X16X13X15X17X20X22X21X24X26输入端X23X25X27SQ1SQ2SB1SB3-1SB3-2SB5H1L1H2L2H3L3SB2SB4SB7电动阀控制器0.7FR0SB6KA1-1SB8 图11-4 废水处理系统PLC控制电路原理图
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