【毕业论文】基于PLC污水处理控制系统设计
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毕业设计(论文)
题
快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题
目 基于PLC的污水处理控制系统设计
学院(系): 自动化学院
专业班级: 自动化0807
学生姓名: 陈明恩
指导教师: 杨胤铎
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学位论文原创性声明
本人郑重声明:所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包括任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。
作者签名:
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导师签名:
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武汉理工大学本科生毕业设计(论文)任务书
学生姓名 陈明恩 专业班级 自动化0807 指导教师 杨胤铎 工作单位 自动化学院 设计(论文)题目: 基于PLC的污水处理控制系统设计
设计(论文)主要内容:
1. 查阅与本课题相关的国内外文献，掌握相关技术的发展动态。
2. 熟悉PLC原理及其应用、传感检测技术。
3. 掌握PLC编程方法、系统硬件集成技术。
4. 熟悉AutoCAD绘图技术。
要求完成的主要任务:
1. 按照时间安排及时完成外文翻译工作，英文文献不少于20000字符。
2. 对城市污水处理做详细的需求分析，掌握污水处理工艺，提出污水处理系统的总体
方案
气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载
。
3. 设计污水处理系统的输入检测环节，进行PLC设备选型及其扩展。
4. 设计控制系统操作与显示接口。
5. 根据污水处理工艺过程，完成控制系统控制流程设计，并利用PLC编程软件实现，
要求手动与自动控制。
6. 完成污水处理系统的电气硬件电路的绘制，图纸
规范
编程规范下载gsp规范下载钢格栅规范下载警徽规范下载建设厅规范下载
，并不少于三张。
7. 根据武汉理工大学毕业设计工作管理办法，完成论文的撰写工作，制作演示PPT，
做好答辩准备工作。
必读参考资料:
1. 程玉华.西门子S7-200工程应用实例分析.北京:电子工业出版社.2008(01)
2. 张运刚,宋小春,郭武强.从入门到精通-西门子S7-200PLC技术与应用.北京:人民邮
电出版社.2007(06)
指导教师签名 杨胤铎 系主任签名 院长签名(章)
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武汉理工大学本科生毕业设计(论文)开题报告 1、目的及意义(含国内外的研究现状分析)
长期以来,在我国城市建设快速发展的过程中，由于对环境保护基础设施建设重视不够、投入不足，污水直接排入城市水系及相关流域,造成江河湖泊水质和地下水污染,城市水环境污染问题日益突出，污水净化就成为改善城镇居民生活环境、提高人民健康水平的主要手段之一。为保证污水处理工艺可靠、顺利实施，自动控制系统的设计及控制技术的运用要以可靠性为基础，综合考虑控制技术先进性、可扩展性，同时兼顾降低系统造价。
在污水处理控制系统中，除了存在分布区域广、设备分散、控制点多及控制信息复杂等要求外，同时具有控制输入和输出以开关量参数居多，模拟量参数少的特点，而这些都是PLC控制系统的优势所在。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运行效率和运行效益,实现了污水厂生产管理的科学性。
国外的一些发达国家，如美国、日本、西欧等国，由于这些国家经济发达，并较早的实现了工业现代化。这些国家经济发展较早而且较快，环境问题特别是水资源污染的严重性也较早的体现出来，同时也得到了这些国家政府的重视，投入了大量的人力、物力进行水处理的研究。这些国家在研究水处理新理论和工艺的同时，也重视污水处理自控系统的研究。这些国家先后投资研究高效型、智能型、集约型污水处理设备和自动化控制仪表。一些发达国家经过几十年的努力，污水处理率已经达到80%-90%，成功的解决了来自于城市和工业的水污染问题。同时一些国家开始重视污水的回收利用。其特点有:大量采用在线监测的水质分析仪表，对全厂的水质实时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的采用了智能控制，可以根据水质和水源的变化自动的调整相应的控制方式;大量采用遥测、遥控设备，并有效地利用社会资源，如电话网络、移动电话网络、国际互联网、气象信息等。
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目前,国产化污水处理设备具有品种不全,结构不合理,技术水平比较低,产品质量不稳定的特点。
我国自主生产的设备在很大程度上是依托国外相关设备的构造,再经过自我消化、研发和生产实践,逐步填补国内空白并在此基础上不断发展壮大。不过,我国污水处理设备会在相当长的时间内落后于其他国家,还有许多空白,很多设备还停留在仿制的水平上,对于其理论研究尚显不足。因而,国产化设备将会在未来相当长时间内在技术水平上处于劣势,特别是先进设备的技术保密与知识产权保护意识的加强,其竞争力将在未来市场中不断接受考验。 2、基本内容和技术方案
基本内容:掌握多种污水处理工艺，并确定其中一种处理工艺，提出污水处理方案;设计污水处理系统的输入检测环节，进行PLC设备选型及其扩展;设计控制系统操作与显示接口;设计系统控制流程，并利用PLC编程软件实现，要求手动与自动控制;绘制污水处理系统的电气硬件电路。
技术方案:本设计采用氧化沟处理工艺，主要包括:进水系统、除砂系统、氧化沟系统、沉淀系统和污泥脱水系统。其工艺流程图如下图1所示。
转碟曝气机 清污机 细格栅、清污机
污水 氧化沟 潜水泵 粗格栅 沉砂池 反应池
分离机 潜水搅拌机
污泥回
排泥灌 流泵
刮泥机 沉淀池 离心式脱水机
清水排出
污泥脱水
图1 污水工艺流程图
如上图所示，污水由进水系统中的进水管道和潜水泵通过粗格栅和清污机进行初步排除大块杂质物体。在除砂系统中细格栅和清污机进一步净化污水中的细小颗粒物体，将污水中的细小沙粒滤除，并由分离机对沉砂池中的沙粒进
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行排除后进入氧化沟反应池。在该氧化沟系统中进行生化处理，分解污水中的有害物质，此环节用到一些化学药剂来加强处理效果。同时在该系统中设置有溶解氧仪超声波检测器，通过它对污水中的含氧量进行检测，根据其反馈到PLC的值来控制曝气机变频器的运行，改变污水中溶解氧的含量。潜水搅拌机的作用是推进水流，使氧化沟的污水和活性污泥处于剧烈搅拌充分混合接触，使生化反应更加充分，以最大程度地分解污水中的有害成分。污泥回流泵根据污泥回流泵房内由液位传感器检测到液位，进行运行或停止，将剩余的污泥及使用过的污泥进行处理。经处理的污水进入沉淀池中，在刮泥机的作用下进行物理沉淀。污水经沉淀池处理最后到达脱水环节，离心式脱水机作用下进行脱水处理后排出清水。
3、进度安排
第1-2周 及时完成外文翻译工作，英文文献不少于20000字符;
第3周 对城市污水处理做详细的需求分析，掌握污水处理工艺，提出污水处理系统的总体方案;
第4-5周 学习PLC指令的编程，进行PLC设备选型及其扩展，并包括水泵、电机等型号的选定;
第6-7周 设计污水处理系统的输入检测环节，根据污水处理工艺过程，完成控制系统控制流程设计;
第8-9周 根据系统控制流程及相关工艺，绘制程序流程图，编写程序，利用PLC编程软件STEP 7-Micro/WIN，得出梯形图程序，要求手动与自动控制;
第10-11周 设计控制系统操作与显示接口，利用MCGS软件设计界面;
第12-13周 绘制污水处理系统的电气硬件电路，图纸规范，并不少于三张;
第14-15周 根据武汉理工大学毕业设计工作管理办法，完成论文的撰写工作，制作演示PPT，做好答辩准备工作。
4、指导教师意见
指导教师签名:
年 月 日
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目录
摘要 .................................................................................................................................................. I Abstract ......................................................................................................................................... II 绪论 ................................................................................................................................................. 1 1 系统总体方案设计 ..................................................................................................................... 4
1.1 系统主要组成部分 ........................................................................................................... 4
1.2 系统工作原理 ................................................................................................................... 5 2 系统硬件设计 ............................................................................................................................. 7
2.1 PLC的I/O配置 ................................................................................................................ 7
2.1.1 数字量输入输出部分 ............................................................................................. 7
2.1.2 模拟量输入输出部分 ............................................................................................. 8
2.2 设备和器件的选型 ........................................................................................................... 9
2.3 硬件电路 ......................................................................................................................... 12
2.3.1 主电路 ................................................................................................................... 13
2.3.2 PLC及扩展............................................................................................................ 13
2.3.3 PLC输入回路........................................................................................................ 14
2.3.4 PLC输出回路........................................................................................................ 14 3 系统软件设计 ........................................................................................................................... 16
3.1 系统控制信号 ................................................................................................................. 16
3.1.1 输入信号 ............................................................................................................... 16
3.1.2 输出信号 ............................................................................................................... 17
3.2 系统总体控制 ................................................................................................................. 17
3.3 系统手动控制 ................................................................................................................. 17
3.4 系统自动控制 ................................................................................................................. 18
3.4.1 粗格栅系统 ........................................................................................................... 19
3.4.2 细格栅系统 ........................................................................................................... 20
3.4.3 潜水泵系统 ........................................................................................................... 21
3.4.4 曝气系统 ............................................................................................................... 22 DFSGSJDFKGHERUHJKDHKLSHDKJHKSHKFHLKGHDLSFGHDSKLFHGLDKSFHGLKFGDS
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3.4.5 污泥回流系统 ....................................................................................................... 23
3.4.6 污泥脱水系统 ....................................................................................................... 25
3.5 软元件的定义 ................................................................................................................. 26
3.6 PLC梯形图程序.............................................................................................................. 28
3.7 PLC和变频器通讯.......................................................................................................... 29 4 系统的MCGS组态 ................................................................................................................. 31
4.1 软件简介 ......................................................................................................................... 31
4.2 系统组态界面设计 ......................................................................................................... 32
4.3 MCGS与PLC设备的连接控制 .................................................................................... 34 结束语 ........................................................................................................................................... 37 致谢 ............................................................................................................................................... 38 参考文献 ....................................................................................................................................... 39 附录 污水处理硬件连线图 ......................................................................................................... 40
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摘要
世界任何国家的经济发展，都会推进社会进步、促进工农业生产能力，使人民生活得到进一步改善，但是也随之带来不同程序的环境污染。污水也是造成环境污染的来源之一。这个污染源的出现引起了世界各国政府的关注，治理水污染环境的课题被列入世界环保组织的工作日程。
本文详细介绍了一种基于PLC的污水处理控制系统。本系统采用的是氧化沟法污水处理工艺，氧化沟法是活性污泥法的一种变形，属于低负荷、延时曝气活性污泥法。
文章首先介绍了本课题的目的和意义及国内外污水处理自控系统的发展状况，污水处理控制系统的工艺及相关流程，控制系统的总体方案设计，系统硬件结构及设计、工作原理以及系统软件PLC梯形图程序编写，来说明PLC在污水处理过程中的应用。先根据污水处理工艺要求设计了设备的电气控制与自动控制线路，主要包括设备的启停、状态信号、故障信号、信号采集等，最后按照工艺要求设计PLC控制系统，其中包括PLC的选型、系统资源配置以及PLC程序的编写。
最后，本次设计还利用MCGS组态软件，设计了一个反映污水处理工艺流程的显示系统。
关键词: 污水处理 氧化沟法 PLC
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Abstract
Economic development of any country in the world, will promote social progress and to promote industrial and agricultural production capacity and further improve people's lives, but also will bring a different program of environmental pollution. Sewage also contributed to one of the sources of environmental pollution. Attracted the attention of the governments of the world's pollution sources, water pollution environmental topics to be included in the work schedule of the World Environmental Organization.
This thesis describes a sewage treatment control system based on PLC. The system uses the oxidation ditch sewage treatment process, oxidation ditch is a deformation of the activated sludge process, a low load, extended aeration activated sludge process.
The thesis first introduces the purpose and significance of this topic, the state of development of the automatic control system at home and abroad sewage treatment, sewage treatment process control system and related processes, the overall control system design, system hardware architecture and design, working principle and system software PLC ladder programming, to illustrate the application of PLC in the sewage treatment process. First design of electrical control and automatic control circuit according to the sewage treatment process requirements, including start and stop equipment, status signal fault signal, the signal acquisition, the final design of PLC control system in accordance with the process requirements, including the selection of the PLC, the system allocation of resources, as well as the preparation of the PLC program.
Finally, this design use the MCGS configuration software, and designs a reflection of the display system of the sewage treatment process.
Key Words:Sewage treatment Oxidation Ditch PLC
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绪论
1)课题目的及意义
我国是一个水资源匮乏的国家，而且时空分布上极不均匀，许多地区和城市严重缺水。与此同时，在我国大部分城市和地区，本已极为有限的水资源还受到水质恶化和水生态系统破坏的严重威胁。尤其伴随着城市化和工业化进程的加速，需水量和污染物排放量迅速增长，水危机不仅会长期存在，而且有迅速加剧的趋势。水资源短缺和水环境污染造成的水危机已经成为我国社会经济发展的重要制约因素。国内外水环境恢复与再生的实践表明，污水深度处理与再利用是通向健康水循环的桥梁，推进污水深度处理和普及再生水，利用人类与自然兼容协调，创造良好水环境，促进人类可持续发展的重要举措。
目前，我国大多数污水处理控制系统自动化水平不高、安全性低、管理不当，效率普遍低于世界标准。污水处理系统中的曝气过程控制、数据通讯和监控管理是急需解决的主要问题。中国污水处理自控系统相对落后，污水处理成本居高不下，污水厂排放的处理过的污水的水质不稳定，所以如何建立有效的自控系统，优化运行效果，减少运行费用，具有重要意义。
2)国外发展状况
国外的一些发达国家，如美国、日本、西欧等国，由于这些国家经济发达，并较早的实现了工业现代化。这些国家经济发展较早而且较快，环境问题特别是水资源污染的严重性也较早的体现出来，同时也得到了这些国家政府的重视，投入了大量的人力、物力，进行水处理的研究。这些国家在研究水处理新理论和工艺的同时，也重视污水处理自控系统的研究。这些国家先后投资研究高效型、智能型、集约型污水处理设备和自动化控制仪表。国外污水处理自控系统主要存在以下几个特点:
(1)采用集散控制系统DCS和现场总线控制系统FCS。按照厂区的自身情况和工艺段来划分若干个控制站，站与站之间可以平级关系也可以是上下级关系，站与站之间一般独立运行。设立中控室，中控室有操作员和工程师站，负责全厂的数据管理与记录、报表等工作。
(2)采用在线监测的水质分析仪表，对全厂的水质实行实时监测，并由上位机记录下来，提高了测量精度。
(3)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地调整相应的控制方式。
(4)大量采用遥测、遥控设备，并开始有效地利用社会信息资源，如电话网DFSGSJDFKGHERUHJKDHKLSHDKJHKSHKFHLKGHDLSFGHDSKLFHGLDKSFHGLKFGDS
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络、移动电话网络、国际互联网、气象信息等。
3)国内发展状况
解放初期，我国由于工农业生产刚刚起步，当时的污水污染程度很低，且提倡利用污水进行农业灌溉，特别是北方缺水地区将污水灌溉利用作为经验进行推广，全国仅有几个城市建设了近十座污水处理厂在处理工艺有的还是一级处理，处理的规模也很小，致使污水处理技术和管理水平处于较落后的状态。
与国外相比，我国污水处理自动化控制起步较晚，七十年代开始采用热工仪表，实行集中巡检;八十年代应用分析仪表和DCS系统;至九十年代，随着一大批利用国际贷款的大型污水处理厂的建设投产，我国污水处理控制系统的自动化水平有了很大的提高。从国外引进污水厂的自动控制系统已经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:手动与自动皆备，自制和引用并举。可以看出我国的污水处理自控系统有以下特点:
(1)对于新建的污水处理厂，引进了计算机分散控制系统，手动与自动并存的控制方式。
(2)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，但是由于进口仪表价格昂贵，所以应用并不是很广泛。
(3)各个控制站之间完全独立，没有信息的交换。并且各个控制单元由于其内部资源的限制，只是实现了简单的时间控制和逻辑控制。
通过对比，不难看出整体上和国外相比我国污水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。
4)设计的主要内容和预期目标
本设计的主要内容是:了解污水处理的工艺方法，确定采用其中一种处理工艺(氧化沟法)，根据其工艺要求及相关流程，选定设备的具体型号，设计系统的硬件连线图和PLC梯形图程序，从而完成整个污水处理系统的设计。
所要完成的任务和预期目标:
(1)设计能够实现污水处理的氧化沟系统方案。
(2)利用AutoCAD，绘制污水处理系统的电气硬件连线图。
(3)根据控制流程图，完成系统的PLC梯形图程序。
(4)设计控制系统操作与显示接口，利用MCGS组态软件设计界面。
5)论文结构
根据以上的主要内容和预期目标，本次设计论文通过以下几个方面进行阐述污水控制系统:
(1)绪论。主要概述课题的目的和意义，已及国内外的发展现状。 DFSGSJDFKGHERUHJKDHKLSHDKJHKSHKFHLKGHDLSFGHDSKLFHGLDKSFHGLKFGDS
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(2)第一章 系统总体方案设计。介绍氧化沟系统的组成部分、工作原理和
工作基本过程。
(3)第二章 系统硬件设计。主要介绍PLC的I/O配置、设备选型和硬件电
路连线图。
(4)第三章 系统软件设计。介绍手动自动控制流程和梯形图程序。
(5)第四章 系统的MCGS组态。设计系统的组态界面和MCGS与PLC设备的连接控制。
(6)结束语。对本设计进行总结，并提出需要解决的问题和注意的方面。
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1 系统总体方案设计
1.1 系统主要组成部分
工业污水处理系统的结构比较复杂，设备较多，在氧化沟中其控制过程及原理大致相同，都是通过控制曝气机的转速来调节污水中的含氧量，其基本组成如图1-1所示。
进水除砂氧化沟沉淀污泥脱
系统 系统 系统 系统 水系统
图1-1 污水处理系统基本组成示意图
1)进水系统。进水系统主要有进水管道和进水泵房组成，进水管道主要由粗格栅机和清污机组成，进水泵房主要有两台潜水泵组成。进水管道的主要功能是将污水中的大块物体排除，其中的粗格栅是根据程序设定的时间进行间歇工作，而清污机的运行和停止是根据粗格栅两侧的液位差来决定的，当液位差超过某个值时，启动清污机;当液位差小于某个值时停止清污机的运行。进水泵房中的潜水泵运行及停止是通过安装在泵房内的液位传感器来决定的，当液位较低时只启动一台潜水泵，当液位较高时启动两台潜水泵，若液位持续升高时，则输出报警以示意有故障发生。
2)除砂系统。除砂系统主要由细格栅系统和沉砂池组成，细格栅系统是由细格栅机和清污机组成，沉砂池的主要设备是分离机。细格栅系统的主要功能是进一步净化污水中的颗粒物体，将污水中细小的沙粒滤除，其中的细格栅机是根据程序设定时间进行间歇工作，而清污机的运行和停止则根据细格栅两侧的液位差来决定，当液位差超过某个值时，启动清污机;当液位差小于某个值时停止清污机的运行，这和粗格栅系统的运行方式一致。沉砂池中分离机的运行和后续处理中的转碟曝气机的运行同步，即启动转碟曝气机的时候同时启动分离机，对沉砂池中的沙粒进行排除。
3)氧化沟系统。氧化沟系统由氧化沟和污泥回流系统构成，氧化沟是污水处理系统中最重要的环节，因此控制量较多，控制过程较复杂，包括转碟曝气机和潜水搅拌机，污泥回流系统主要有污泥回流泵构成。氧化沟的功能是对污水进行生化处理，分解污水中的有害物质，使其达到一定的水质标准，其中，转碟曝气机是关键设备，在氧化沟中设置有溶解氧仪对污水中的含氧量进行检测，根据其反馈到PLC的值来控制曝气机变频器的运行，改变污水中溶解氧的含量。潜水搅拌机的作用是推进水流，同时使氧化沟的污水和活性污泥处于剧烈的搅拌状态，使他们充分混合接触。使活性污泥的生化反应更加充分，这样才能最大程度地分DFSGSJDFKGHERUHJKDHKLSHDKJHKSHKFHLKGHDLSFGHDSKLFHGLDKSFHGLKFGDS
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解污水中的有害成分。污泥回流系统的污泥回流泵将剩余的污泥及使用过的污泥进行处理，该设备的运行与停止主要根据泵房内液位传感器的状态，当液位低于某个值时停止回流泵的运行;当液位持续高于某个高位时，回流泵停止运行同时输出报警信号;液位处于正常状态时，回流泵正常运行。
4)沉淀系统。沉淀系统主要设备为刮泥机，其功能是对进行氧化沟处理后的污水进行物理沉淀，将污泥和清水分离，刮泥机在整个系统启动后就开始持续运行。
5)污泥脱水系统。污泥脱水系统主要包括离心式脱水机，其主要功能是对氧化池中处理过污水的活性污泥进行脱水处理，由于对污水进行处理后，活性污泥中有新的微生物及其他杂质，因此需要先对活性污泥添加一定量的药物，便于污泥脱水。离心式脱水机主要有聚合物泵、污泥机和切割机构成，以上设备按照顺序控制的方式启动，依次启动聚合物泵、污泥机和切割机，完成对污泥的脱水处理。
1.2 系统工作原理
污水处理系统的电气控制系统总框图如图1-2所示，PLC为核心控制器，通过检测操作面板按钮的输入、各类传感器的输入，以及相关模拟量的输入，完成相关设备的运行、停止和调速控制。
操作面板 执行设备
PLC 传感器输入
变频器
模拟量输入
图1-2 电气控制系统总体框图
在手动状态下，各类设备的控制是根据操作面板上的按钮输入来控制，无逻辑控制，即可不根据传感器的状态进行控制。在自动方式下进行闭环控制，系统根据检测到外部传感器的状态对设备进行启停控制，其工作过程如下。
1)接通电源，启动自动控制方式，启动潜水搅拌器和刮泥机。
2)运行粗、细格栅机，间歇运行，即运行一段时间然后停止一段时间，循环进行。
3)根据反馈回来的液位差状态控制清污机的运行与停止。
4)进水泵房中的潜水泵根据液面高低进行运行、停止及运行数量的控制。 DFSGSJDFKGHERUHJKDHKLSHDKJHKSHKFHLKGHDLSFGHDSKLFHGLDKSFHGLKFGDS
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5)转碟曝气机根据溶解氧仪反馈的模拟量经PLC运算后进行控制，同时控制分离机的运行与停止。
6)污泥回流泵的运行与停止根据液面的高低进行控制。
7)在污泥脱水系统中，离心式脱水机的启动采用顺序控制方式，依次启动其设备。
根据设定程序时启动潜水搅拌 间歇启动粗、细格栅机 间 机和刮泥机
分离机
同步
氧化沟 启动离心式脱水机 变频器 转碟曝气机 溶解氧
反馈 溶解氧仪
采集液
位数据 潜水泵房液面是是 停止潜水泵 液位传感器 否低于设定值 P
L 否
C
启动潜水泵 及 采集液位其 是 差数据 扩液位差是否 启动清污机 液位差计 展 超过设定值
否
停止清污机 采集液
是 位数据 污泥回流液面是液位传感器 停止污泥回流泵 否低于设定值
否
启动污泥回流泵
图1-3 污水处理系统工作示意图 DFSGSJDFKGHERUHJKDHKLSHDKJHKSHKFHLKGHDLSFGHDSKLFHGLDKSFHGLKFGDS
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2 系统硬件设计
以上介绍了污水处理系统的机械结构及其相关设备，根据其工作原理和控制系统的功能要求，本节主要介绍如何设计污水处理系统的控制系统和所需的各种硬件设备，在此控制系统中的核心处理器是PLC，其主要输入和输出量主要为数字量，只有一组模拟量的输入和输出。
2.1 PLC的I/O配置
根据系统的功能要求，对PLC的I/O进行配置，具体分配如下所示。 2.1.1 数字量输入输出部分
在此控制系统中，所需要的输入量基本上都属于数字量，主要包括各种控制按钮、旋钮、传感器输入及过载保护输入，共有49个数字量输入，如表2-1所示。
表2-1 数字输入量地址分配
输入 输入
输入设备 输入设备 地址 地址
I0.0 急停 I3.1 细格栅液位差计
I0.1 手动方式 I3.2 进水泵房液面高位传感器
I0.2 自动方式 I3.3 进水泵房液面中位传感器
I0.3 自动启动确认 I3.4 进水泵房液面低位传感器
I0.4 手动粗格栅机启动 I3.5 污泥回流泵房液面高位传感器
I0.5 手动1#清污机启动 I3.6 污泥回流泵房液面低位传感器
I0.6 手动1#潜水泵启动 I3.7 粗格栅机过载
I0.7 手动2#潜水泵启动 I4.0 细格栅机过载
I1.0 手动细格栅机启动 I4.1 1#清污机过载
I1.1 手动2#清污机启动 I4.2 2#清污机过载
I1.2 手动分离机启动 I4.3 1#潜水泵过载
I1.3 手动1#转碟曝气机工频正转I4.4 2#潜水泵过载
启动
I1.4 手动2#转碟曝气机工频正转I4.5 1#转碟曝气机过载
启动
I1.5 手动1#转碟曝气机变频启动 I4.6 2#转碟曝气机过载
I1.6 手动2#转碟曝气机变频启动 I4.7 分离机过载
I1.7 手动潜水搅拌机启动 I5.0 潜水搅拌机过载
I2.0 手动刮泥机启动 I5.1 污泥回流泵过载 DFSGSJDFKGHERUHJKDHKLSHDKJHKSHKFHLKGHDLSFGHDSKLFHGLDKSFHGLKFGDS
JDFJKDHFKAHGJHLKFHJHAKHFLJKDHFKLJASHDFKJHAKLDFHDLSFHKLDSJ
续表2-1 输入 输入 输入设备 输入设备 地址 地址
I2.1 手动污泥回流泵启动 I5.2 刮泥机过载
I2.2 手动离心式脱水机启动 I5.3 离心式脱水机过载 I2.3 手动聚合物泵启动 I5.4 聚合物泵过载 I2.4 手动污泥机启动 I5.5 污泥机过载
I2.5 手动切割机启动 I5.6 切割机过载
I2.6 手动转碟曝气机加速 I5.7 手动1#转碟曝气机工频反转
启动
I2.7 手动转碟曝气机减速 I6.0 手动2#转碟曝气机工频反转
启动
I3.0 粗格栅液位差计
在这个控制系统中，主要输出控制的设备有各种接触器、报警和指示灯，共有
24个输出点，其具体分配，如表2-2所示。
表2-2 数字输出量地址分配
输出地址 输出设备 输出地址 输出设备 Q0.0 粗格栅机接触器 Q1.4 刮泥机接触器 Q0.1 1#清污机接触器 Q1.5 污泥回流泵接触器 Q0.2 1#潜水泵接触器 Q1.6 离心式脱水机接触器 Q0.3 2#潜水泵接触器 Q1.7 聚合物泵接触器 Q0.4 细格栅机接触器 Q2.0 污泥机接触器 Q0.5 2#清污机接触器 Q2.1 潜水泵房报警 Q0.6 分离机接触器 Q2.2 污泥回流泵房报警 Q0.7 1#转碟曝气机工频正转接触器 Q2.3 手动方式指示灯 Q1.0 2#转碟曝气机工频正转接触器 Q2.4 自动方式指示灯 Q1.1 1#转碟曝气机变频接触器 Q2.5 1#转碟曝气机工频反转接触器 Q1.2 2#转碟曝气机变频接触器 Q2.6 2#转碟曝气机工频反转接触器 Q1.3 潜水搅拌机接触器 Q2.7 切割机接触器
2.1.2 模拟量输入输出部分
由于需要采集一个溶解氧仪所反馈的数据，因此扩展了一个模拟量输入输出
模块，具体I/O分配，如表2-3所示。
DFSGSJDFKGHERUHJKDHKLSHDKJHKSHKFHLKGHDLSFGHDSKLFHGLDKSFHGLKFGDS
JDFJKDHFKAHGJHLKFHJHAKHFLJKDHFKLJASHDFKJHAKLDFHDLSFHKLDSJ
表2-3 模拟量输入地址分配
输入地址 输入设备
AIW0 溶解氧仪
在此控制系统中，需要将采集回来的模拟量进行数据处理，然后，通过模拟输出口对变频器进行控制，进而控制其他设备的运行，如表2-4所示。
表2-4 模拟量输地址分配
输出地址 输出设备
AQW0 经运算输出
2.2 设备和器件的选型
1)PLC及扩展模块。根据污水处理系统的电气控制系统的功能要求，以及其复杂程度，从经济性、可靠性等方面来考虑，选择西门子S7—200系列PLC作为污水处理系统的电气控制系统的控制主机。由于污水处理电气控制系统涉及较多的输入输出端口，其控制过程相对复杂，因此采用CPU226作为该控制系统的主机。
CPU226在污水处理系统中使用的数字量输入点和输出点都比较多，因此除了PLC主机自带的I/O外，还需要扩展一定数量的I/O扩展模块。由于本系统总共有49个数字输入量和24个数字输出量，CPU226具有24个输入点和16个输出点，因此采用4个EM223输入/输出混合扩展模块，8点DC输入8点输出型，可以满足控制系统的I/O需求。
在该系统中，还需要采集模拟量并利用模拟量控制的功能要求，因此需要在扩展一个模拟量输入输出扩展模块。西门子公司专门为S7—200系列PLC配置了模拟量输入输出模块EM235，该模块具有较高的分辨率和较强的输出驱动能力，可满足控制系统的功能要求。
2)变频器。该系统选用的变频器是西门子MM430变频器，它是一种风机水泵负载专用变频器，能适用于各种变速驱动系统，尤其是适用于工业部门的水泵和风机。该型变频器，具有能源利用率高的特点，优化了部分结构与功能，便于工作人员进行操作，实现功能强。它们具有很高的运行可靠性和功能的多样性。其脉冲宽度调制的开关频率是可选的，因而降低了电动机运行的噪声。全面而完善的保护功能为变频器和电动机提供了良好的保护。
在此控制系统中，需要对变频器进行通信控制，因此需先对变频器的参数进行设置，主要对一下几个参数进行调整，如表2-5所示。
DFSGSJDFKGHERUHJKDHKLSHDKJHKSHKFHLKGHDLSFGHDSKLFHGLDKSFHGLKFGDS
JDFJKDHFKAHGJHLKFHJHAKHFLJKDHFKLJASHDFKJHAKLDFHDLSFHKLDSJ
表2-5 变频器参数设置表
参数号 参数值 说明
P0005 21 显示实际频率
P0700 2 由端子排输入
P1000 2 模拟输入
P1300 2 可用于可变转矩负载
P2010 6 9600baud
P2011 1 USS地址
P0300 根据具体电动机设置 电动机类型
P0304 根据具体电动机设置 电动机额定电压
P0305 根据具体电动机设置 电动机额定电流
P0310 根据具体电动机设置 电动机额定频率
P0311 根据具体电动机设置 电动机额定转速
对于此系统中的变频器，在进行手动调试时采用通信控制，因此需要将变频器的参数进行重新设置，通过对已编址的变频器发送控制命令，实现对变频器的控制，即将表2-5所示中的P0700和P1000的参数值都改为5，就可进行通信控制;在自动控制方式下，通过改变变频器的参数值，实现变频器的模拟控制，即如表2-5所示。在此系统中，只是用了一个变频器，因此控制变频器的地址为1。
3)各种电机和泵。格栅机型号选用WL-GS300-1500，标准沟深为1535 mm，粗格栅栅隙:22 mm，细格栅栅隙:6 mm。清污机型号选用回转齿耙式清污机，清污刮板传动装置宜采用回转式输送链。潜水泵型号选用WQ30-20-3，流量:30 m3/h，扬程:20 m，功率:3 kw，额定电压:380 V，同步转速3000 r/min。转碟曝气机型号选用YHG1800-A，经济转速:50 rpm，转碟直径:1800 mm，浸没水深:680 mm。潜水搅拌机型号选用QJB，最高介质温度不超过40?，介质的PH值在5-9间，长期潜水运行，潜水深度一般不超过20 m。污泥回流泵型号选用0JB—W15，电机功率:15 kw，额定电流:41 A，叶轮直径:400 mm。刮泥机型号选用ZBG周边传动刮吸泥机，周边线速度:2.5 m/min，单边功率:0.37 kw，排
3泥管径:300 mm，处理水量:283 m/h。离心式脱水机型号选用SX系列三足式，转速:1000 r/min，电机功率:11 kw，分离因数:560 Fr，工作容积:140 L。
4)溶解氧仪。用于测量锅炉给水、蒸汽、超纯水、凝结水、除氧剂出口，以及工厂使用氧气处理化学过程中的含氧量，并根据设定值进行给养控制，其输出信号主要有两种形式:4~20 mA或0~20 mA(电流形式)，0~5 V或1~5 V DC(电压形式)。在此控制系统中，采用溶解氧仪的电流输出信号，将其通过PLC的扩展模块送入PLC主机进行处理。
DFSGSJDFKGHERUHJKDHKLSHDKJHKSHKFHLKGHDLSFGHDSKLFHGLDKSFHGLKFGDS
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本次选用PH/溶解氧测量仪型号:SA29-MP525。测量范围:pH:(-1.999~19.999)pH mV:?1999.9 mV，溶解氧:(0~40.00)mg/L(ppm);(0~200.0)% 温度:(-10~110)?精确度:pH:?0.002 pH mV:?0.03% FS 溶解氧:?0.10 mg/L 温度:?0.4 ?，自动温度补偿:pH:(0~100)? 溶解氧:(0~45)?，其他参数:数据储存:900组，通讯接口:RS232，电源:DC9V/300mA。其特点是高精度的pH+溶解氧双参数仪表。配用2503型pH电极，可用于离子强度较低、浑浊液体和胶体溶液的测量。可设定高纯水和加氨纯水二种特殊的pH测量模式，适合电力、石化等行业使用。新型的溶氧电极有盐度测试功能，自动实现盐度补偿和温度补偿;仪器内置气压传感器，自动实现气压补偿。极谱型溶氧电极，极化时间短，响应快，测量准确。
5)各类按钮。在这个控制系统的自动操作中，采用三种机械按钮，控制污水处理系统的启动和停止，手动/自动按钮使用旋钮，即旋到一边接通，旋到另外一边就断开;自动启动按钮采用触点触发式按钮;急停按钮使用旋转复位按钮，按下后系统停止，旋转后自动弹起复位。
在手动控制状态时，对于每个设备都对应设置一组按钮，采用触点触发式按钮，即按下接通，松开复位。
6)液位传感器和液位差计。在进水泵房和污泥回流泵房都要安装液位传感器，本系统采用超声波液位传感器，均为数字量输入。对格栅处的清污机进行控制，需要检测格栅两侧的液面差，在该系统中利用液位差计，选用超声波液位差计。本次选用的液位差计也是数字量输入到PLC中的，在液位差计中预先设置好设定值。当液位差超过预设的数值时，数字量信号输入到PLC中，进而控制清污机运行，清除大颗粒的污染物，保障污水流动通畅;在液位差未超过设定值时，清污机处于停止状态，这样就可大大减少设备损耗。
7)接触器。在控制系统中，所有设备是根据控制面板上的按钮情况或者根据传感器的反馈值进行动作的，因此需要PLC根据当前的工作情况，以及按钮的情况来控制所有设备的启停，在此用到了大量接触器:如格栅机接触器、清污机接触器、潜水泵接触器、分离机接触器、转碟曝气机接触器、潜水搅拌机接触器、刮泥机接触器等。为此该系统选用施耐德LC1-D0901M5C交流接触，其额定电压220 V，额定电流9 A。其特点有:高标准:符合IEC60947-4-1和GB14048.4标准。长寿命:机械寿命高达2000万次;电寿命高达200万次。强适应性:“TH”防护处理，可以在湿热的环境中使用。宽电压:线圈控制电压在70%-120%Uc之间波动，不影响产品正常工作。强通用性:具有50Hz-60Hz通用线圈，可以全世界通用。模块化:产品本体上可以附加辅助触头，通电/断电延时触头，机械闭锁等模块。也可以很方便地组合成可逆接触器、星—三角起动器。
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(1)格栅机接触器。格栅机接触器包括两个:一个是置于粗格栅处，控制粗格栅处的格栅机;一个是置于细格栅处，用于控制细格栅处的格栅机。根据程序的执行或者操作面板上按键的情况，控制两个格栅机的运行与停止。
(2)清污机接触器。清污机接触器包括两个:一个是置于粗格栅处，控制粗格栅处的清污机;一个是置于细格栅处，用于控制细格栅处的清污机。根据格栅两侧的液位差或者操作面板上按键的情况，控制两个清污机的运行与停止。
(3)潜水泵接触器。潜水泵接触器包括有两个接触器，分别控制两台潜水泵，通过进水泵房的液面高度或操作面板上按键的情况，控制两台潜水泵的运行或者停止。
(4)转碟曝气机接触器。转碟曝气机接触器包括六个接触器，每个转碟曝气机都有三个接触器，一个是连接到工频正转电网的，一个是连接到工频反转电网的，另外一个是连接到变频器的。根据污水中的溶氧量或操作面板上的按键的情况，控制两台转碟曝气机的运行及停止，以及在运行时是处于变频还是工频运行状态。
(5)分离机接触器。分离机接触器是连接分离机和工频电网的接触器，分离机与转碟曝气机是同步运行，通过对转碟曝气机的控制完成对分离机的控制。
(6)潜水搅拌机接触器。潜水搅拌机接触器是连接潜水搅拌机和工频电网的接触器，通过程序的执行或操作面板上按键的状态，控制潜水搅拌机运行与停止。
(7)刮泥机接触器。刮泥机接触器是连接刮泥机和工频电网的接触器，通过程序的执行或操作面板上按键的状态，控制刮泥机的运行与停止。
(8)污泥回流泵接触器。污泥回流泵接触器是连接污泥回流泵和工频电网的接触器，通过污泥回流泵房中液面的高低或操作面板上按键的状态，控制污泥回流泵的运行与停止。
(9)离心式脱水机接触器。离心式脱水机接触器是连接离心式脱水机和工频电网的接触器，通过程序的执行或操作面板上按键的状态，控制离心式脱水机的运行与停止。
(10)聚合物泵接触器。聚合物泵接触器是连接聚合物泵和工频电网的接触器，通过程序的执行和操作面板上按键的状态，控制聚合物泵的运行与停止。
(11)污泥机及切割机接触器。污泥机及切割机接触器是连接污泥机及切割机和工频电网的接触器，通过程序的执行或操作面板上按键的状态，控制污泥机及切割机的运行与停止。
2.3 硬件电路
根据控制系统的功能要求，如表2-1、表2-2、表2-3、表2-4所示的I/O分配情况，以及图1-2所示的电气控制系统总体框图，设计出污水处理控制系统的硬件DFSGSJDFKGHERUHJKDHKLSHDKJHKSHKFHLKGHDLSFGHDSKLFHGLDKSFHGLKFGDS
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连线图，控制面板上的手动控制部分主要在调试系统时使用，调试完成后基本处于闲置状态。本次硬件连线图是用AutoCAD软件进行绘制的，共绘有16张A4图纸，包括主电路、PLC及扩展、PLC输入回路和PLC输出回路。 2.3.1 主电路
主电路是各个电机和泵与电网的连接。如图2-1所示，为其中一张主电路连线图。
图2-1主电路
四台电机分别为粗格栅机(M1)、1#清污机(M2)、细格栅机(M3)、2#清污机(M4)。接触器KM1、KM2、KM3、KM4分别控制M1、M2、M3、M4的工频运行;FR1、FR2、FR3、FR4分别为四台电机用作过载保护的热继电器;QF1为主电路的开关;FU1为主电路的熔断器。
2.3.2 PLC及扩展
PLC采用的是S7-200系列的CPU226，扩展模块包括数字量扩展模块:4个EM223和模拟量扩展模块:1个EM235。由于PLC和扩展模块的M和L+端子都需输入24V的直流电压，所以需采用一个直流电源DC1。如图2-2所示，为PLC及扩展图。
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图2-2 PLC及扩展
2.3.3 PLC输入回路
如下图2-3所示，为其中一张PLC输入回路图。导线1、2与直流电压24V相连接;SB7~SB14为常开按钮输入。
图2-3 PLC输入回路
2.3.4 PLC输出回路
如图2-4所示，为其中一张PLC输出回路图。
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导线1、2与直流电压24V相连接;导线L12、N为电网导线;HL21、HL22、HL23、HL24分别为潜水泵房报警、污泥回流泵房报警、手动方式指示灯、自动方式指示灯;KM19、KM6、KM8、KM20分别为污泥机接触器、1#转碟曝气机工频反转接触器、2#转碟曝气机工频反转接触器、切割机接触器;HL19、HL6、HL8、HL20分别为污泥机运行指示灯、1#转碟曝气机工频反转运行指示灯、2#转碟曝气机工频反转指示灯、切割机运行指示灯。
图2-4 PLC输出回路
其它详细电路连线图，请查看附录2，包括4张主电路、1一张PLC及扩展、8张PLC输入回路、3张PLC输出回路。
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3 系统软件设计
采用西门子公司为S7—200系列PLC开发的STEP 7—Micro/WIN SP8作为编程软件，上面介绍了污水处理控制系统的结构、工作原理和电气控制部分的结构，硬件结构的总体设计基本完成后，就要开始软件部分的设计，根据控制系统的控制要求和硬件部分的设计情况及PLC控制系统I/O的分配情况，进行软件编程设计。在软件的设计中，首先按照需要实现的功能要求做出流程框图，其次按照不同功能编写不同功能模块，这样写出的程序
条例
事业单位人事管理条例.pdf信访条例下载信访条例下载问刑条例下载新准则、条例下载
清晰，既方便编写，也便于调试。 3.1 系统控制信号
PLC作为污水处理系统的控制系统使得设计过程变得更加简单，可实现的功能变得更多。与各类人机界面的通信可完成PLC控制系统的监视，同时使用户可通过操作界面功能控制PLC系统。由于PLC的CPU强大的网络通信能力，使得污水处理系统的数据传输与通信变得可能，并且也可实现其远程监控。
利用PLC作为控制器的污水处理系统主要涉及的控制信号有:一是输入信号;二是输出信号。
3.1.1 输入信号
污水处理系统信号输入检测方面主要涉及五类信号的监测，主要包括:按钮的输入检测、液位差的输入检测、液位高低的输入检测、电机过载保护的输入检测，以及曝气池中含氧量的输入检测。
1)按钮输入检测。大多数为人工方式控制的输入检测，主要有自动按钮、手动按钮、格栅机启动按钮、清污机启动按钮、潜水泵启动按钮、潜水搅拌机启动按钮、污泥回流泵按钮、曝气机工频、变频按钮，以及变频加速减速按钮等。
2)液位差输入检测。检测粗细格栅两侧液位差，用来控制清污机的启动与停止。
3)液位高低输入检测。检测进水泵房和污泥回流泵房中液位的高低，用来控制潜水泵或污泥回流泵的启动和停止，以及投入运行的潜水泵的数量。
4)电机过载保护的输入检测。电机电路中如果过载，电流过大，则热继电器发出一个信号，输入到控制器中，通过程序来控制电机的停止，以免损坏电机。
5)含氧量输入检测。以上四种都为数字量输入，该输入为模拟量输入。曝气过程是污水处理系统中最重要的环节，为了保证微生物所需要的氧气，必须检测DFSGSJDFKGHERUHJKDHKLSHDKJHKSHKFHLKGHDLSFGHDSKLFHGLDKSFHGLKFGDS
JDFJKDHFKAHGJHLKFHJHAKHFLJKDHFKLJASHDFKJHAKLDFHDLSFHKLDSJ
污水中的含氧量，并通过曝气机增加或减少其含氧量。通过将溶解氧仪设置在适当位置上，将检测值反馈到PLC中，通过运算输出控制曝气机的转速信号。当溶解氧值偏低时，降低了微生物分解的效果，延长了处理时间，严重时甚至导致处理失效，因此需要增加曝气机转速以增加供氧量;当溶解氧值偏高时，导致微生物过氧化，降低了其活性，也不利于处理，因此减小曝气机转速以减少供氧量，最终使污水中的溶解氧保持在一定的范围内。
3.1.2 输出信号
信号输出部分主要包括两个方面:一个是数字量输出，即各类设备的接触器;另外一个是模拟量输出，用来控制曝气机变频器。
1)数字量输出。控制各类设备的启动和停止，包括:格栅机启停、清污机启停、潜水泵启停、潜水搅拌器启停、污泥回流泵等设备。
2)模拟量输出。通过PLC中运算后的数据，通过其功能模块输出控制信号，该控制信号输入到变频器的控制端子上，改变变频器的输出频率，从而控制曝气机的转速，最后达到控制污水中含氧量的要求。
3.2 系统总体控制
根据系统的控制要求，总体控制是选择自动控制还是手动控制，总体控制流程如图3-1所示。
图3-1 总体控制流程图
3.3 系统手动控制
在手动控制模式下，可单独调试每个设备的运行，如图3-2所示。
在此控制模式下，可以通过按钮对格栅机、清污机、污泥回流泵、转碟曝气机、潜水泵、离心式脱水机、潜水搅拌机、刮泥机，以及各类泵进行控制，对于转碟曝气机的控制，可以通过按钮增大或减小变频器的频率来改变其速度，也可DFSGSJDFKGHERUHJKDHKLSHDKJHKSHKFHLKGHDLSFGHDSKLFHGLDKSFHGLKFGDS
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以进行正反转动，以检测调试性能。
图3-2 手动控制工艺框图
3.4 系统自动控制
处于自动控制方式时，系统上电后，按下自动启动确认后系统运行，系统开始工作，其工作过程包括以下几个方面。
1)系统上电后，按下自动启动确认按钮，启动潜水搅拌机和刮泥机。
2)启动粗格栅系统。
3)启动潜水泵系统。
4)启动细格栅系统。
5)启动曝气系统。
6)启动污泥回流系统。
7)启动污泥脱水系统。
以上工作过程并不是顺序控制方式，而是按照PLC检测到传感器状态进行启动，如图3-3所示。
在自动控制工艺框图中，调用各个控制系统的子程序，主要包括粗格栅系统程序、潜水泵系统程序、细格栅系统程序、曝气系统程序、污泥回流泵系统程序、DFSGSJDFKGHERUHJKDHKLSHDKJHKSHKFHLKGHDLSFGHDSKLFHGLDKSFHGLKFGDS
JDFJKDHFKAHGJHLKFHJHAKHFLJKDHFKLJASHDFKJHAKLDFHDLSFHKLDSJ 变频器程序、初始化程序，以及污泥脱水系统程序。
图3-3 自动控制工艺框图
3.4.1 粗格栅系统
粗格栅系统程序主要控制粗格栅机和1#清污机的运行，工作过程包括以下几个方面。
1)自动过程开始启动粗格栅机，定时20min。
2)定时到，停止运行粗格栅机2h。
3)2h定时到，运行粗格栅机20min，循环进行。
4)同时检查液面差，若超过设定值则启动1#清污机。
5)液面差值低于设定值，停止1#清污机运行。
粗格栅系统工作流程图如图3-4所示。
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图3-4 粗格栅系统流程图
3.4.2 细格栅系统
细格栅系统程序主要控制细格栅机和2#清污机的运行，工作过程包括以下几个方面。
1)自动过程开始，启动细格栅机，定时20min。
2)定时到，停止运行细格栅机2h。
3)2h定时到，运行细格栅机20min，循环进行。
4)同时检测液面差，若超过设定值则启动2#清污机。
5)液面差低于设定值，停止2#清污机运行。
细格栅系统工作流程图如图3-5所示。
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图3-5 细格栅系统流程图
3.4.3 潜水泵系统
潜水泵程序主要控制2台潜水泵的运行和停止，其工作过程包括以下几个方面。
1)自动过程开始启动1#潜水泵。
2)检测液面高度，低于最低位传感器时，开始定时防止误判。
3)定时到后，若仍低于最低位传感器，则停止1#潜水泵运行，否则1#潜水泵继续运行。
4)检测液面处于中位和高位传感器之间时，开始定时防止误判。
5)定时到后，若液面仍处于中位和高位传感器之间，则启动2#潜水泵。
6)若液面仍持续处于高位传感器，则输出报警信号。
潜水泵系统工作流程图如图3-6所示。
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图3-6 潜水泵系统流程图
3.4.4 曝气系统
曝气系统程序主要对两台转碟曝气机运行、调速及停止的控制，其工作过程包括以下几个方面。
1)启动1#转碟曝气机，进行变频运行。
2)检测含氧量和变频器速度，若含氧量小于设定值且变频器速度大于等于100%，则1#转碟曝气机变频转工频运行，2#转碟曝气机变频运行。
3)若还是含氧量小于设定值且变频器速度大于等于100%，则2#转碟曝气机工频运行。
4)若含氧量大于设定值，则2#转碟曝气机工频转变频运行。
5)若还是含氧量大于设定值，则切除2#转碟曝气机变频运行，并且启动1#转碟曝气机变频运行。
曝气系统工作流程图如图3-7所示。
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图3-7 曝气系统流程图
3.4.5 污泥回流系统
污泥回流系统程序主要控制污泥回流泵的运行和停止，其工作过程包括以下
几个方面。
1)自动过程开始首先检测液面高低，若低于最低位传感器，启动定时。
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JDFJKDHFKAHGJHLKFHJHAKHFLJKDHFKLJASHDFKJHAKLDFHDLSFHKLDSJ
2)定时到，若液面仍低于最低位传感器则停止回流泵运行。
3)若液面处于最高位和最低位之间时，启动污泥回流泵。
4)检测液面处于中位和高位传感器之间时，开始定时防止误判。
5)若液面高于最高位传感器时，启动定时。
6)定时到，若液面仍然处于最高位传感器时，输出报警信号并停止污泥回流
泵。
污泥回流系统工作流程图如图3-8所示。
图 3-8 污泥回流系统流程图
DFSGSJDFKGHERUHJKDHKLSHDKJHKSHKFHLKGHDLSFGHDSKLFHGLDKSFHGLKFGDS
JDFJKDHFKAHGJHLKFHJHAKHFLJKDHFKLJASHDFKJHAKLDFHDLSFHKLDSJ 3.4.6 污泥脱水系统
污泥脱水系统工作流程图如图3-9所示。
图3-9 污泥脱水系统流程图
DFSGSJDFKGHERUHJKDHKLSHDKJHKSHKFHLKGHDLSFGHDSKLFHGLDKSFHGLKFGDS
JDFJKDHFKAHGJHLKFHJHAKHFLJKDHFKLJASHDFKJHAKLDFHDLSFHKLDSJ
污泥脱水系统程序主要控制离心式脱水机等设备的运行和停止，其工作过程
包括以下几个方面。
1)自动过程开始首先启动离心式脱水机，启动定时。 2)定时到，启动聚合物泵，启动定时。
3)定时到，启动污泥机和切割机。
3.5 软元件的定义
在设计程序过程中，会用到许多寄存器、定时器等软元件，为了便于编程及
修改，在程序编写前应先列出可能用到的软元件，如表3-1所示。
表3-1 软元件设置
元件 意义 内容 备注
M0.0 系统停止标志 On有效
M0.1 手动方式标志 On有效
M0.2 自动方式标志 On有效
M0.3 自动方式启动标志 On有效
M0.4 粗格栅机运行标志 On有效
M0.5 1#清污机运行标志 On有效
M0.6 1#潜水泵运行标志 On有效
M0.7 2#潜水泵运行标志 On有效
M1.0 细格栅机运行标志 On有效
M1.1 2#清污机运行标志 On有效
M1.2 分离机运行标志 On有效
M1.3 1#转碟曝气机工频正转运行标志 On有效
M1.4 2#转碟曝气机工频正转运行标志 On有效
M1.5 1#转碟曝气机变频运行标志 On有效
M1.6 2#转碟曝气机变频运行标志 On有效
M1.7 潜水搅拌机运行标志 On有效
M2.0 刮泥机运行标志 On有效
M2.1 污泥回流泵运行标志 On有效
M2.2 离心式脱水机运行标志 On有效
M2.3 聚合物泵运行标志 On有效
M2.4 污泥机运行标志 On有效
M2.5 切割机运行标志 On有效
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续表3-1 元件 意义 内容 备注 M2.6 粗格栅机停止标志 On有效 M2.7 粗格栅机定时脉冲计数 On有效 M3.0 进水泵房液面低于最低位 On有效 M3.1 潜水泵房报警 On有效 M3.2 细格栅机停止标志 On有效 M3.3 细格栅机定时脉冲计数 On有效 M3.4 1#转碟曝气机变频转工频运行标志 On有效 M3.5 2#转碟曝气机变频转工频运行标志 On有效 M3.6 2#转碟曝气机工频转变频运行标志 On有效 M3.7 切除2#转碟曝气机变频运行且1#转碟曝气机 On有效
变频运行标志
M4.0 回流泵房液面低于最低位标志 On有效 M4.1 回流泵房液面低于最高位标志 On有效 M4.2 1#转碟曝气机工频反转运行标志 On有效 M4.3 2#转碟曝气机工频反转运行标志 On有效 M4.4 回流泵房液面高于最高位标志 On有效 M4.5 回流泵房报警 On有效 M5.0 USS_INIT指令执行完成标志 On有效 M5.1 USS_RPM_R指令执行完成标志 On有效 C1 粗格栅机2h定时中间计数器 10 C2 细格栅机2h定时中间计数器 10 T33 时钟脉冲 5 50ms T37 粗格栅机运行时间 12000 20min T38 粗格栅机停止时间定时 7200 12min T39 进水泵房液面低于最低位定时 20 2s T40 进水泵房液面高于中间位定时 20 2s T41 进水泵房液面高于最高位定时 20 2s T42 细格栅机运行时间 12000 20min T43 细格栅机停止时间定时 7200 12min T44 污泥回流泵房液面低于最低位定时 20 2s T45 污泥回流泵房液面高于低位且低于高位定时 20 2s T46 污泥回流泵房液面高于最高位定时 20 2s
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续表3-1
元件 意义 内容 备注
T47 离心式脱水机与聚合物泵启动间隔 50 5s
T48 聚合物泵与污泥机和切割机启动间隔 50 5s
VD10 1#变频器速度寄存器
VD20 含氧量反馈值寄存器
VD30 2#变频器速度寄存器
VD100 含氧量标准值寄存器
VD102 变频器速度标准值寄存器 100.0
VD104 USS_INIT指令执行结果
VD106 USS_RPM_R错误状态字节
3.6 PLC梯形图程序
本设计采用西门子公司为S7—200系列PLC开发的STEP 7—Micro/WIN SP8
作为编程软件，采用的编程语言是梯形图程序指令。
由于程序较多，所以在此只对粗格栅系统的梯形图程序进行阐述说明。其中，
所用到的输入输出地址及中间寄存器地址如下表3-2所示。
表3-2地址注释表
地址 注释
M0.3 自动方式启动标志
T37 粗格栅机运行时间
M2.6 粗格栅机停止标志
I3.7 粗格栅机过载
M0.4 粗格栅机运行标志
C1 粗格栅机2h定时中间计数器
M2.7 粗格栅机定时脉冲计数
T38 粗格栅机停止时间定时
I0.0 急停
I3.0 粗格栅液位差机
I4.1 1#清污机过载
M0.5 1#清污机运行标志
Q0.0 粗格栅机接触器
Q0.1 1#清污机接触器
粗格栅系统梯形图程序指令如下图3-10所示。
DFSGSJDFKGHERUHJKDHKLSHDKJHKSHKFHLKGHDLSFGHDSKLFHGLDKSFHGLKFGDS
JDFJKDHFKAHGJHLKFHJHAKHFLJKDHFKLJASHDFKJHAKLDFHDLSFHKLDSJ
;定时20min的粗
;格栅机运行时间
;粗格栅机运行
;定时到，粗格栅
;机停止
;定时12min
;计数10次，
;共定时2h
;当粗格栅液位差
;有输入时，1#清
;污机启动
图3-10 粗格栅系统梯形图程序
3.7 PLC和变频器通讯
(1)USS通讯协议简介。USS协议(Universal Serial Interface Protocol 通用串行接口协议)是SIEMENS 公司所有传动产品的通用通讯协议，它是一种基于串行总线进行数据通讯的协议。USS协议是主-从结构的协议，规定了在USS 总线上可以有一个主站和最多30 个从站;总线上的每个从站都有一个站地址(在从站参数中设定)，主站依靠它识别每个从站;每个从站也只对主站发来的报文做出响应并回送报文，从站之间不能直接进行数据通讯。另外，还有一种广播通讯方式，主站可以同时给所有从站发送报文，从站在接收到报文并做出相应的响应后可不回送报文。在使用USS协议之前，需要先安装西门子的指令库。USS协议指DFSGSJDFKGHERUHJKDHKLSHDKJHKSHKFHLKGHDLSFGHDSKLFHGLDKSFHGLKFGDS
JDFJKDHFKAHGJHLKFHJHAKHFLJKDHFKLJASHDFKJHAKLDFHDLSFHKLDSJ 令在STEP7—MICRO/WIN SP8指令树的库文件夹中，STEP7—MICRO/WIN SP8指令库提供14个子程序、3个中断程序和8条指令来支持USS协议。调用一条指令时，将会自动地增加一个或几个子程序。
(2)USS通讯协议库。编程之前一定要将USS协议库添加进去，编程软件默认安装没有USS协议库的。USS_INIT指令:当EN输入接通时，每一循环都执行该指令。通过Mode输入值可选择不同的通讯协议:输入值为1，指定Port 0为USS协议并使用该协议;输入值为0，指定Port 0为PPI并且禁止USS协议。Baud设置波特率为1200、2400、4800、9600、19200、38400、57600或115200。Active指示哪个驱动激活，有些驱动只支持地址0到30。
在本次系统程序设计中，Mode的输入值为1，指定Port 0为USS协议并使用该协议;Baud设置波特率为9600;Active指示为16;USS_INIT指令完成标志存于M5.0;错误代码存于VB104。如下图3-11所示。
图3-11 USS_INIT指令
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4 系统的MCGS组态
4.1 软件简介
MCGS(Monitor and Control Generated System)是一套基于Windows平台的，用于快速构造和生成上位机监控系统的组态软件系统，可运行于Microsoft Windows
95/98/Me/NT/2000等操作系统。
MCGS为用户提供了解决实际工程问题的完整方案和开发平台，能够完成现场数据采集、实时和历史数据处理、报警和安全机制、流程控制、动画显示、趋势曲线和报表输出以及企业监控网络等功能。
MCGS软件系统包括组态环境和运行环境两个部分。组态环境相当于一套完整的工具软件，帮助用户设计和构造自己的应用系统。运行环境则按照组态环境中构造的组态工程，以用户指定的方式运行，并进行各种处理，完成用户组态设计的目标和功能。
MCGS组态软件(以下简称MCGS)由“MCGS组态环境”和“MCGS运行环境”两个系统组成。两部分互相独立，又紧密相关。
MCGS组态环境是生成用户应用系统的工作环境，由可执行程序McgsSet.exe支持，其存放于MCGS目录的Program子目录中。用户在MCGS组态环境中完成动画设计、设备连接、编写控制流程、编制工程打印报表等全部组态工作后，生成扩展名为.mcg的工程文件，又称为组态结果数据库，其与MCGS 运行环境一起，构成了用户应用系统，统称为“工程” 。
MCGS运行环境是用户应用系统的运行环境，由可执行程序McgsRun.exe支持，其存放于MCGS目录的Program子目录中。在运行环境中完成对工程的控制工作。
MCGS组态软件所建立的工程由主控窗口、设备窗口、用户窗口、实时数据库和运行策略五部分构成，每一部分分别进行组态操作，完成不同的工作，具有不同的特性。
主控窗口:是工程的主窗口或主框架。在主控窗口中可以放置一个设备窗口和多个用户窗口，负责调度和管理这些窗口的打开或关闭。主要的组态操作包括:定义工程的名称，编制工程菜单，设计封面图形，确定自动启动的窗口，设定动画刷新周期，指定数据库存盘文件名称及存盘时间等。
设备窗口:是连接和驱动外部设备的工作环境。在本窗口内配置数据采集与控制输出设备，注册设备驱动程序，定义连接与驱动设备用的数据变量。
用户窗口:本窗口主要用于设置工程中的人机交互界面，诸如:生成各种动画显示画面、报警输出、数据与曲线图表等。
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实时数据库:是工程各个部分的数据交换与处理中心，它将MCGS工程的各个部分连接成有机的整体。在本窗口内定义不同类型和名称的变量，作为数据采集、处理、输出控制、动画连接及设备驱动的对象。
运行策略:本窗口主要完成工程运行流程的控制。包括编写控制程序，选用各种功能构件，如:数据提取、定时器、配方操作、多媒体输出等。 4.2 系统组态界面设计
1)单击“工具”菜单，选中“对象元件库管理”或单击工具条中的“工具箱”按钮，则打开动画工具箱，工具箱中的“插入元件”，则会弹出“对象元件库管理”。从中可以插入各种所需元件，绘制出污水处理系统。
流动的水是由MCGS动画工具箱中的“流动块”构件制作成的。选中工具箱内的“流动块”动画构件。移动鼠标至窗口的预定位置，(鼠标的光标变为十字形状)，点击一下鼠标左键，移动鼠标，在鼠标光标后形成一道虚线，拖动一定距离后，点击鼠标左键，生成一段流动块。再拖动鼠标(可沿原来方向，也可垂直原来方向)，生成下一段流动块。当用户想结束绘制时，双击鼠标左键即可。当用户想修改流动块时，先选中流动块(流动块周围出现选中标志:白色小方块)，鼠标指针指向小方块，按住左键不放，拖动鼠标，就可调整流动块的形状。污水处理系统运行界面如下图4-1所示。
图4-1 污水处理系统组态运行界面
如上图所示，污水由进水系统中的进水管道和潜水泵通过粗格栅和清污机进行初步排除大块杂质物体。在除砂系统中细格栅和清污机进一步净化污水中的细小颗粒物体，将污水中的细小沙粒滤除，并由分离机对沉砂池中的沙粒进行排除后进入氧化沟反应池。在该氧化沟系统中进行生化处理，分解污水中的有害物质，DFSGSJDFKGHERUHJKDHKLSHDKJHKSHKFHLKGHDLSFGHDSKLFHGLDKSFHGLKFGDS
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此环节用到一些化学药剂来加强处理效果，如复合碱、氯气、油絮凝剂等。对污水进行除油、消毒、调整PH值。同时在该系统中设置有溶解氧仪超声波检测器，通过它对污水中的含氧量进行检测，根据其反馈到PLC的值来控制曝气机变频器的运行，改变污水中溶解氧的含量。潜水搅拌机的作用是推进水流，使氧化沟的污水和活性污泥处于剧烈搅拌充分混合接触，使生化反应更加充分，以最大程度地分解污水中的有害成分。污泥回流泵根据污泥回流泵房内由液位传感器检测到液位，进行运行或停止，将剩余的污泥及使用过的污泥进行处理。经处理的污水进入沉淀池中，在刮泥机的作用下进行物理沉淀，为了加强沉淀效果，同时加入混凝剂和絮凝剂利用高分子助凝剂的强烈吸附架桥作用更加容易沉降。污水经沉淀池处理最后到达脱水环节，离心式脱水机作用下进行脱水处理后排出清水。
2)在整个污水处理控制系统，最主要的就是对曝气池中溶解氧的控制。所以在这个组态中还设计一个数据显示窗口，用来显示溶解氧浓度，包括实时数据显示和实时曲线显示。这样更能清楚地监测实时的溶解氧浓度。
在MCGS组态软件中实现实时曲线的具体操作如下:
单击“用户窗口”标签，在“用户窗口”中双击“数据显示”进入，在“工具箱”中单击“实时曲线”图标，拖放到适当位置调整大小。双击曲线，弹出“实时曲线构件属性设置”窗口，根据所需的曲线要求进行属性设置。设置好后，按“确认”即可，在运行环境中单击“数据显示”菜单，就可看到实时曲线。
具体界面如下图4-2所示。
图4-2 溶解氧浓度数据显示界面
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4.3 MCGS与PLC设备的连接控制
1)MCGS与PLC设备的连接
在MCGS系统中，由设备窗口负责建立系统与外部硬件设备的连接，使得MCGS能从外部设备读取数据并控制外部设备的工作状态，实现对应工业过程的实时监控。因此，MCGS与PLC设备的连接是通过设备窗口完成的，具体操作如下:
当我们打开MCGS组态环境，新建了一个MCGS工程后，在用户编辑窗口中将会出现一个工作台窗口。
双击工作台窗口中的设备窗口，然后再单击工具栏上的工具箱按钮，将弹出如图4-3所示的设备工具箱窗口，需要说明的是，在MCGS中PLC设备是作为子设备挂在串口父设备下的，因此在向设备组态窗口中添加PLC设备前，必须先添加一个串口父设备，当直接用串口进行本地通讯时，我们添加“串口通讯父设备”，因此双击其中的串口通讯父设备，在设备组态窗口中添加一个串口通讯设备。
图4-3 设备工具箱窗口
现在就可以向设备组态窗口中添加我们所需的PLC设备了，如果所需设备没有出现在设备工具箱中，请按下“设备管理”按钮，在弹出的设备管理对话框中选定所需的设备，然后双击就可以将它添加到设备工具箱中，如下图4-4所示。
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图4-4 设备管理对话框
2)对PLC的数据进行读写
前面我们已经建立了与PLC系统的的连接，因此要对PLC中的数据进行读写操作，只需要在PLC设备的设备属性设置对话框中对其通道属性进行设置，并建立起通道与MCGS实时数据库中的数据的连接就可以了，具体操作如下:
双击设备组态窗口中父设备下的PLC子设备，弹出设备属性设置对话框，再单击“设置设备内部属性”右边的 ，则会出现“西门子S7-200PLC通道属性设置”对话框。然后建立一个对PLC输出寄存器只读操作的通道，单击“增加通道”按钮，弹出如下图4-5所示的增加通道对话框。
图4-5增加通道对话框
按上图所示进行“增加通道”的设置，按“确认”后就设置好了一个PLC通道，如下图4-6所示。
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图4-6 一个通道已设置图
此时所建立的I0.0已出现在PLC通道属性设备对话框中，依此类推可建立其
它的通道，单击“确认”按钮回到设备属性设置对话框，在设备属性设置对话框
单击“通道连接”选项卡，此时设备属性对话框变成如下图4-7所示。
选中通道1，双击“对应数据对象”栏，在其中输入在实时数据库中建立的与
之对应的数据名，单击“确认”按钮就完成了MCGS中的数据对象与PLC内部寄存器间的连接，具体的数据读写将由主控窗口根据具体的操作情况自动完成。
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结束语
本设计在充分了解国内外污水处理自动控制系统现状及发展趋势的基础上，深入查阅污水处理工艺的方法和特点，根据参观的武汉汤逊湖污水厂的设备和过程，采用了氧化沟的污水处理工艺，结合系统功能的要求进行总体方案设计。
污水处理控制系统是一个比较复杂的综合系统，它包括与之相关的生产工艺流程，相关生产设备，现场计量自控检测仪表的选用，控制流程的模型建立，对 PLC系统软硬件应用研究等。本文详细阐述了污水处理工艺流程、控制系统总体方案以及具体的软硬件实现。
通过四个月的课题设计和调试，基本上完成了对PLC污水处理系统的设计，达到了预期的设计目标。在这个过程中，使我学到了很多知识，积累了许多宝贵的经验，锻炼了自己的独立思考能力和实践动手能力，进一步加深了解了PLC在实践当中的应用。我还熟悉了PLC硬件的工作原理，完成了整个系统的模拟调试，通过对系统的不断修改和调试，基本上达到了预期的设计要求。
虽然自己完成了设计，但由于能力条件有限，在本设计中，仍有一些问题需要解决和有些方面需要注意，及工程安装调试方面需谨慎。
由于污水处理系统的机械结构种类较多，而且不同类型的污水处理方法，其控制方法也有很大差异，因此需要首先确定采用什么形式的污水处理法，然后决定控制方式。在电气控制方面的要求比较多，需要检测大量的数字量，而且还需采集模拟量。
(1)硬件方面。污水处理系统中，主要的硬件问题包括机械结构、硬件选型和PLC的外围电路设计和接线处。在PLC的外围硬件连线方面，主要是增加一些保护设备。由于输出都是何接触器等元件连接，接触器的突然断开和闭合会形成突波对PLC的输出端子造成损坏，因此需要加装一些保护装置，以增加触点的寿命。
(2)软件方面。主要问题在于程序编写完毕后，需要首先在电脑上对程序进行软件仿真，主要检查是否存在各种错误，可利用西门子公司配套的仿真软件。然后通过模拟硬件的方式检查程序，主要检查程序是否存在逻辑上的错误。调试时，可根据功能模块分类分别调试，最后进行总体调试。在该控制程序中，需要根据外界输入的状态来控制清污机、潜水泵，以及污泥回流泵的启停，因此需要按照液位传感器和液位差计反馈来的信息进行判断处理，然后再进行输出控制。
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致谢
天下没有不散的宴席，虽然大四的生活多半时间还是呆在学校里，但是论文致谢语写的那一刻也真正标志着我与这所学校就此别离了，没有伤感，更多的是遗憾，但是总归不如意事十有八九，过去的不能挽回，人应该大胆向前看，所以这段文字应该像它的标题一样充满感恩和致谢，感谢四年来在我的成长道路上扶持过我，指点过我的人。
论文得以顺利完成，要感谢的人实在太多了。首先要衷心地感谢我的指导老师杨老师，您严谨的治学态度，开阔的思维，循循善诱的指导一直给我很大的帮助。当我对论文的思路感到迷茫时，您为我理清思路，指导我往一条比较清晰的思路上进行修改。在论文的不断修改中，我也努力做到及时积极地跟杨老师交流，因为我觉得这样可以使得我的论文更加完善。在不断完善和修改的过程中，也让我更加懂得“一分耕耘才有一分收获”的道理。再次对您表示感谢，师恩伟大，无以回报。
然后还要感谢所有在大学期间传授我知识的老师，每一位老师的悉心教导都是我完成这篇论文的基础。老师们一直以来对我们鼓励和支持，跟我们一起讨论我们共同的兴趣爱好，并在我陷入困境的时候给予我最中肯的指点。虽然学生没有能力和胆量去实践自己心中的梦想，但是你们对我的寄语会一直在我的脑海里永存，有理想就有希望，有希望就能看到理想实现的那一天。人生是那么的不确定，学生绝对不会甘于平庸和妥协。
最后要感谢的是我的父母和家人，我永远都不会忘记你们的良苦用心和一如既往的支持与鼓励。四年来，快乐的事情因为有你们的分享而更快乐，失意的日子因为有你们的关怀能忘却伤痛，坚强前行。无论我成功与否，你们总以鼓励的言语告诉我很棒，谢谢你们，我会继续努力。
现在的自己已经不再是刚进大学时的那个小男生了，四年的磨砺让我的肩头多了一份责任和承担，即将踏入社会开始工作的我，面临的抉择和困难也非常之多，但是不管前途多么的未知和艰难，我会毫无畏惧地前行。
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附录 污水处理硬件连线图
1)主电路1
2)主电路2
3)主电路3
4)主电路4
5)PLC及扩展
6)PLC输入回路1
7)PLC输入回路2
8)PLC输入回路3
9)PLC输入回路4
10)PLC输入回路5
11)PLC输入回路6
12)PLC输入回路7
13)PLC输入回路8
14)PLC输出回路1
15)PLC输出回路2
16)PLC输出回路3
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