3 污水处理系统的硬件设计
3.1 污水处理的过程和设备控制过程
3.1.1 污水处理的过程
本文是基于SBR污水处理工艺所设计的，按照“进水、反应、沉淀、排水”这四大步骤而进行的污水处理措施。从污水流入开始到排水结束算一个周期[8]。其基本操作运行过程如下图3.1所示。
图3.1SBR工艺流程图
（1）进水：当进水阀门打开，污水会通过污水池排除较大的杂质，而较小的杂质将通过水泵来进行排除，经过以上步骤后，污水才进入到SBR池中。
（2）反应：设定污水在SBR池中的进水液位高度，当污水到达其限定高度后，将入口阀门关闭。罗茨风机、潜水搅拌机和回流污泥泵同时开机。
（3）沉淀：当上述工作完成后，将同时停用潜式搅拌机和回流污泥泵，并进行沉降。并将泥浆和水分分开。
（4）排水：SBR槽内的污泥和污水在SBR槽中完全分开，然后用滗水器将SBR池上方的污水排放出去。而底部存在的污泥在滗水器停止运行后，排到储泥池中。
3.1.2 设备控制过程
本文以SBR池中的设备工作情况为例对污水处理的工作流程进行说明：（1）系统刚开始运行时，这时可以先设置好SBR池中系统开始进水时间，设置为两个小时。此时，电控蝶阀对进水进行了调节，风扇进入了曝气状态，并启动了回流水泵。
（2）在进入预定的入水量后，电动蝶阀及污泥回流泵将会停止运行，而风机继续工作。当其达到设定的六个小时的曝气时间后，风机将停止工作。
（3）当风机停止运行时，这时系统处于静置状态。当SBR池静置时间完成后，污水中的污泥沉降到底部，这时通过滗水器将上层中与污泥分开的污水排出。当上层排水结束后，并将污泥清除。将污泥清除干净后就完成了此次清理污水的工作。
3.2 污水处理控制系统的PLC选型和I/O分配
3.2.1 PLC的选型
本文所选用的是PLC的是西门子S7-200的PLC,主要考虑到S7-200PLC即可单机运行，也可联网运行[9]，有极其丰富的扩展能力、功能齐全的指令系统和较为经济实惠的价格。并且其能满足各种规模的控制要求，使得其覆盖了和自动检测、控制系统有关的诸多领域。西门子S7-200系列PLC是一类实用型的小型，其基本构成包括有CPU、人机界面、编程设备和根据实际需要增加的扩展模块。
3.3 污水处理系统的器件选型
在系统设计完成后，接下来就是系统设备的选型了，本文设计是根据SBR法所设计的污水处理系统。在经过综合多方因素的前提下，最终选定了系统中的动力设备。从而选定了以下几种。
（1）罗茨鼓风机
罗茨鼓风机用于污水处理厂主要为生化反应充氧。在选用风机时，风压取决于水深、管道阻力和水的黏度，风量取决于水的体积，对于小型污水处理设备，罗茨风机的升压一般为34.3～39.2kPa（3500～4000mmH2O），流量为10m3/min以下。但现在也有较大的风机用于污水处理，流量达到60m3/min[10]。系统选用罗茨风机的是GRB-100型号，它的风量可以达到10.61立方米每分钟，风压更是达到了68600帕斯卡，风机转数可以达到1750转每分钟，其正常运行下的最大功率为22千瓦。
（2）回流泵
污泥回流泵是污水处理行业曝气池中常用的污水和污泥回流设备[11]。是在根据当前高新科技的生产技术基础上所研发出来的一种能快速使污泥回流的设备。回流泵主要运用在污水处理中的混合液回流和反消化脱氮，同时其在其它方面的运用也较为常见。比如在地面排水时抽净化水和灌溉和控制水道系统以及废水处理过程中再循环等这些都有着它的身影。系统选用回流泵的型号是CP5(T)3.7-80，流量是45立方米每小时，扬程长达15米，正常电压下的最大功率是3.7千瓦。
（3）滗水器
滗水器是SBR工艺排水的最好选择,它只撇出活性污泥沉淀后的上清水,在水位下降过程中保持水面平稳,不扰动下面的污泥层[12]。系统选用的滗水器型号是BSQ200悬臂式，滗水量达到了200立方米每小时，在电压正常时工作条件下的最大功率是1.1千瓦。系统主要是通过控制电动推杆的伸缩，使得滗水器按程序所设计的那样，使SBR反应池中的上清液被排出，下方污泥进入储泥池进行下一步操作。该设备主要设计为宽堰口和薄层滗水，这样使得堰口下部的污泥不会因为扰动而被带出；该设备材料采用的是不锈钢材质，主要考虑水中污水中可能存在中腐蚀性强的液体；同时根据设备排水要求，可以对滗水量和滗水深度进行一定程度上的规划。使得系统能够完整的运行下来并尽可能的在能源环保上和成本上节约，使其可实现自动化运行。
（4）电动蝶阀
电动蝶阀在污水处理中有着举足轻重的作用，它的安装方式一般是水平安装，在工业方面存在着大量的运用，特别是在自动化控制领域中，电动蝶阀更是其中不可或缺的一部分。该阀的连接方式一般有两种，分别是法兰式与对夹式。本设计系统中所选用电动碟阀的型号是D971，在安全状态下的最大功率是0.55千瓦。
（5）传感器
根据污水处理各环节液体浑浊程度与反应池大小等因素，选用的超声波液位传感器，选用型号为FDU96-RG4AA[13]。它主要利用超声波在水中的特性来将其转换成电信号进行传播。该传感器对液体和固体的穿透性较强，故用作识别污水处理液位高低是最合适不过的，同时其在航天、深海探测等多个领域都发挥着极大的作用。
3.4 PLC接线连接图
根据选择设备的I/O分配表，从而设计出PLC的接线连接图，如下图3.2所示。
图3.2污水处理系统的PLC接线连接图
4 污水处理系统的软件设计
4.1 PLC的程序设计流程图
污水处理系统采用的SBR法处理工艺一个完整的操作过程有五个时期，分别是进水期、反应期、沉淀期、排水排泥期、闲置期[14]。根据这五个时期的运行先后过程从而具体了SBR池的一个周期的流程图。如下图4.1所示。
图4.1SBR池流程图
5 组态王的仿真与模拟
5.1 组态王软件
组态软件是随着当前工业的发展而兴起的模拟工业环境的技术软件，该技术软件特别是在自动化控制领域方面运用得更加深入。该系统无需编制具体的指令代码，只要在配置软件中找出相应的编辑器，并在硬件配置、数据配置、图形图像配置等方面进行设计与调试即可，就可以完成组态设计要求的开发工作。组态软件具有远程监控、数据采集、数据分析、过程控制等强大功能,还具有二次开发简便、开发周期短、通用性强、可靠性高等优点[16]。其中，实时版本对系统的负载进行了自动调整和控制。在对监测系统进行需求和性能的同时，还采用了该软件的图像处理来实现实时监测，并实现基于图形的自动生成和动态空白的显示。同时，组态软件中的各种运行状况可以通过实时动态窗口生成。该系统软件是通过人机界面从而实现全方位控制操作系统，系统中功能简单实用、界面简洁明了，受到广大从事系统仿真的工作人员的欢迎。
5.2 组态软件与PLC的通信设置
（1）创建工程路径
将组态王软件下载到电脑上，然后启动组态王，在它的工程管理工具中，点击“新项目”选项，然后弹出一个新项目向导。如图5.1所示。
图5.1新建工程向导图
5.4 污水处理控制系统监控程序
监控软件的现场运行界面如下图5.10所示。
图5.10污水处理系统动态图
结论
本次毕业设计是基于西门子S7-200PLC所做的污水处理系统设计，根据系统的设计要求，本文从系统的硬件入手，确定了设备的I/O分配，并通过其I\O分配设计出了系统的程序。并在PLC仿真软件上对所设计程序进行了运行分析。同时运用了组态王对所设计的污水处理系统进行了仿真，使设计系统具有了可操作性。
在这次的毕业设计中，我学习到了很多，将老师传授的知识充分的运用到自己的毕业设计，让自己的思维和操作都得到了较大的提升。在论文设计思路方面，我听从老师的建议，阅读了很多和自己毕业设计相关的参考文献，并通过此找到了自己论文的设计思路。通过对系统的设计与仿真中所经历的种种困难，使我更加明白自己的专业知识对自己今后工作的重要性。
本次设计我发现了自己的很多不足之处，如对设计中控制对象的实现考虑的不是很充分，导致自己在程序设计方面未能完整的实现控制要求，同时对组态王软件的运用也不太熟悉，我希望自己在接下来的工作中得到改善。
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