一、小型SBR废水处理电气控制系统设计任务书 1．SBR废水处理工艺的技术要求
SBR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。
SBR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，SBR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SBR废水处理的效率，方便操作和使用。
SBR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。SBR废水处理系统示意图如图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1 SBR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。
SBR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．SBR废水处理系统动力设备
SBR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．SBR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机型和I/O接口。
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) 采用梯形图或指令表编制PLC控制程序。 二、SBR废水处理电气控制系统总体设计过程 1．总体方案说明
1) SBR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) PLC选用继电器输出型。
8) 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．SBR废水处理电气控制原理图设计
(1) 主电路设计 SBR废水处理电气控制系统主电路如图2所示。
QFRSTNFU5FU6FU1FU2FU3FU4KM1KM2KM3KM4KM5NL5L63FR13FR23 M3~FR33M4~FR4阀门电动机M2M1~~1#泵（污水）2＃泵（清水）风机
图2 SBR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 SBR废水处理系统交流控制电路如图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3 SBR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
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。SBR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4为SBR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0.7FR0SB6
图4 SBR废水处理系统PLC控制电路原理图
3) KM4和KM5接触器线圈支路，设计了互锁电路，以防止误操作故障。 4) PLC输入回路中，信号电源由PLC本身的24V直流电源提供，所有输入COM端短接后接入PLC电源DC24V的（＋）端。输入口如果有有源信号装置，需要考虑信号装置的电源等级和容量，最好不要使用PLC自身的24V直流电源，以防止电源过载损坏或影响其他输入口的信号质量。
5) PLC采用继电器输出，每个输出点额定控制容量为AC250V，2A。 表1和表2分别为SBR废水处理系统PLC输入和输出接口功能表。
表1 SBR废水处理系统PLC输入接口功能表
序号 工位名称 文字符号 输入口 KA1-1SB81 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 1污水池高水位开关信号 污水池低水位开关信号 清水池高水位开关信号 清水池低水位开关信号 中水箱高水位开关信号 中水箱低水位开关信号 起动按钮（绿色） 停止按钮（红色） 旋钮开关（自动） 旋钮开关（手动） H1 L1 H2 L2 H3 L3 SB1 SB2 SB3-1 SB3-2 X000 X001 X002 X003 X004 X005 X006 X007 X010 X011 手动开电动阀旋钮开关 SB4 X012 手动关电动阀旋钮开关 SB5 X013 1#清水泵手动旋钮开关 SB6 X014 2#清水泵手动旋钮开关 SB7 X015 电动阀门开起限位开关 SQ1 X016 电动阀门关闭限位开关 SQ2 X017 6 17 18 19 20
表2 SBR废水处理系统PLC输出接口功能表
序号 1 2 3 4 5 6 7 8 1#清水泵接触器 2#清水泵接触器 污水池高水位红色指示灯 污水池低水位绿色指示灯 清水池高水位红色指示灯 清水池低水位绿色指示灯 中水箱高水位红色指示灯 中水箱低水位绿色指示灯
KM1 KM2 HL7 HL8 HL9 HL10 HL11 HL12 Y000 Y001 Y002 Y003 Y004 Y005 Y006 Y007 工位名称 文字符号 输入口 输入点备用 X023～X027 曝气风机手动旋钮开关 SB8 X022 电动机热保护器报警 KA1 X021 电动阀电动机故障报警 FR0 X020 （续）
序号 9 10 11 12 13 14 15 16 17 6) 根据上述设计，对照主回路检查交流控制回路、PLC控制回路、各种保
输出口备用 Y020～Y027 上水电磁阀继电器 KA2 Y017 电动机热保护器报警红色指示灯 罗茨风机（曝气风机）接触器 排空电磁阀继电器 KA3 Y016 KM3 Y015 HL6 Y014 关电动阀门接触器 KM5 Y013 开电动阀门接触器 KM4 Y012 电动阀门开起绿色指示灯 电动阀门关闭黄色指示灯 HL13 HL14 Y010 Y011 工位名称 文字符号 输入口 护联锁电路、PLC控制程序等，全部符合设计要求后，绘制出最终的电气原理图。
7) 根据设计方案选择的电气元件，编制原理图的元器件目录表，如表3所示。
表3 SBR废水处理系统元器件目录表
序号 文字符号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 M1～M4 FR1～FR4 FU1～FU4 FU5、FU6 QF TC SB1 SB2 SB3 SB4～SB8 KM1～KM4 12 13 KA1～KA3 HL1～HL15 14 YA1 电磁阀 1 ZCT-50A 线圈电压：AC220V 中间继电器 指示灯 3 15 HH52P AD16-22 线圈电压：AC220V LED显示，AC220V 名 称 电动机 热继电器 熔断器 熔断器 断路器 隔离变压器 起动按钮 停止按钮 转换开关 手动开关 交流接触器 数量 4 4 12 2 1 1 1 1 1 5 4 规格型号 Y系列 JR16B-20/3 RL1-15 RT16-32X C45AD BK-100 LAY37 LAY37 LAY37-D2 LAY37-D2 DJX-9 备 注 三相交流异步电动机 参照电动机整定电流 熔体2～10A 熔体2A 脱扣电流10A 变比1：1，AC220V 绿色 红色 手动/自动转换 黑色 线圈电压：AC220V 15 16 17 YA2 YA3 PLC 电磁阀 电动阀门装置 可编程控制器 1 1 1 ZCT-15A LQA20-1 FX2N-48MR 线圈电压：AC220V AC380，60W 继电器输出 (5) PLC控制程序设计
1) 程序设计。根据控制要求，建立SBR废水处理系统控制流程图，如图5所示，表达出各控制对象的动作顺序，相互间的制约关系。在明确PLC寄存器空间分配，确定专用寄存器的基础上，进行控制系统的程序设计，包括主程序编制、各功能子程序编制、其他辅助程序的编制等。
2) 系统静态调试。空载静态调试时，针对运行的程序检查硬件接口电路中各种逻辑关系是否正确，然后先调试子程序或功能模块程序，然后调试初始化程序，最后调试主程序。调试过程中尽量接近实际系统，并考虑到各种可能发生的情况，作反复调试，出现问题及时分析、调整程序或参数。
3) 系统动态调试及运行。在动态带负载状态下调试，密切观察系统的运行状态，采用先手动再自动的调试方法，逐步进行。遇到问题及时停机，分析产生问题的原因，提出解决问题的方法，同时做好详尽记录，以备分析和改进。
开始选择操作方式N自动？自动操作Y手动操作N污水位 低？Y关电动阀停止纳水曝气沉淀处理开2#泵中水箱纳水打开电动阀污水池纳 入污水手动开机？NY手动控制运行手动操作结束计时7.5h？NY 开1#泵清水池纳水中N水箱水位高？Y停2#泵污水位高？N自动动行结束Y停1#泵自动结束？NY结束
图5 SBR废水处理系统控制流程图
SBR废水处理系统PLC控制程序如图6所示。
图6 SBR废水处理系统PLC控制梯形图程序
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