1 绪论
1.1 研究背景
地球表面虽然被水覆盖的面积超过地球总面积的一半，但能被利用的水资源仅占其中很小很小的一部分。我国的水资源分布不均，人口数目庞大，因此我国的人均淡水资源量远远低于世界淡水人均资源量。
世界上平均每天大约有200吨的垃圾被随意地倒入河流、湖泊和小溪，造成了本就短缺的淡水资源的污染，这对于很多正在面临着严重缺水的国家无非是个大危机。
国家和各地方的管理人员应该逐渐加强在保护环境这块的意识，增加在这一块发展上的投资和建设措施。近年来，我国在污水处理这个行业上得到了快速的发展，每年处理的污水总量在不断地增加，处理的效率也在逐渐得到提高。
由此，我国应制定和完善一系列的法律法规来促进污水处理产业的发展，建立一套较为完整的监控体制来保证这个行业的平稳的发展和扩大，努力将污水处理这个行业发展的更加市场化和产业化。污水处理行业在我国有着很可观的发展前景，未来我国在此行业上的道路令人憧憬[1]。
1.2 研究意义
每个国家在经济得到快速的发展下，各种工业也得到相应的发展来适应人们日常生活中的各种需求，不管是人们日常还是工业生产都离不开水的供应，随之同时也产生了大量的污水。
如果这些污水在没有被净化的状况下排出，必然会给周遭的环境造成一定程度的污染。我国处于缺失状态的城市就有几百个，这几百个城市中有部分是长期处于严重缺水状态的城市，根据有关的分析和统计，全国按照人们日常生活对水的正常需求，每年的缺水总量将达300亿立方米左右，其中因为缺水而导致的经济上的损失就有几千亿人民币之多。水资源的缺乏已经对人民的日常生活造成了严重的负面影响，同时对国家在经济建设方面的也有很大的影响。污水不能随意排放，应该用一定科学的程序净化之后再合理被利用。因此，建设出符合我国发展情况的污水厂自动控制系统，对于降低污水处理成本、改善周围环境、建立可持续发展社会、保持我国经济高速发展都具有重大的意义。
1.3 污水处理的研究现状
随着当今在自动控制技术、信息通讯技术和现场总线技术方面的迅速发展，国外的污水处理厂基本在很早之前就能实现工艺的自动控制生产，也取得了相应地较好的效益。
国外的污水处理工艺主要有以下几个特点：在水质的分析方面采用仪表的在线分析，能够实时地监测到整个系统生产过程中的水质变化，上位机随时将监控到的数据进行记录，水质得到及时的分析和反馈；智能控制整个系统的生产过程，对应的控制方式可以根据水质的变化来进行相应的调整；采用了相应的遥控设备，其中充分利用到了一些相关的
1
社会信息资源。
在国内，污水处理在控制方式方面采用手动和自动两种控制方式并用的方法，同时自制和引用共同发展。国内污水处理方面在最初发展之际主要采用的检测工具是热工仪表，厂中大都采用集中巡检；在中期发展之际主要采用分析仪表和分布式控制系统这两种检测技术；在近些年发展之际，污水处理工艺主要发展方向是自动控制这个方面，并获得了较好的成绩。
国内污水处理工艺主要有以下几个特点：一些新建起的污水处理厂因为引进了国外的新技术，一般都采用了手动和自动两种控制方式相结合的主要控制方法。大部分早起建立的污水处理厂仍然达不到较高的自动化控制水平，并且由于国产的仪表在稳定性方面还没法达到生产的要求，因此国外的仪表被较多的使用着，价格过于贵的原因导致没有得到广泛的运用。目前国内的水质的检测主要还是通过实验人员对水质进行实现的检测来得到结果；污水厂里的每个控制站间没有信息的交换，完全独立完成操作；监控过程中监控系统很少被使用到，没法对全厂的每个部分进行实时监控；报表统计的工作也是由厂里的工作人员到现场手工进行记录后再统计来完成[2]。
国内与国外的污水处理在自动控制方面的发展存在着很大的差距，但是国内的自动控制这方面的前景应用非常广泛，也有很大的发展前景。
1.4 本文研究的主要内容与章节安排
本文论述了污水处理系统的基本方式及其流程的组成部分、PLC技术在整个系统中的合理运用，主要由以下内容组成：
1、根据常用污水处理的基本原理，设计了一套污水处理的总体方案。
2、介绍了PLC技术在污水处理工艺上的应用，设计了相关的电气控制图和主电路图。 3、对系统各部分的功能在软件上的设计，及相对应的系统在组态模拟运作上的设计。 本课题以实际课题为背景展开工作，主要完成了污水处理的PLC自动控制和上位机的组态监控画面设计，主要的章节安排如下:
第1章介绍了选择研究本课题的背景和意义，并对此行业在国内外的发展进行了比较。 第2章根据常用的污水处理的基本工作原理，介绍了本文中污水处理工艺的设计，并对流程中各部分的组成进行了详细的功能解说。
第3章介绍了本设计中的PLC选型，描述了本设计中的电气控制系统的设计、主电路图和PLC的I/O资源配置。
第4章介绍了污水处理系统的软件设计部分，总体流程软件方面的设计介绍与各不同部分的软件方面的设计解说。
第5章介绍了组态监控软件在系统开发过程中的应用，概述了组态画面的设计和动画的连接操作。
2
2 系统总体设计方案
2.1 污水处理介绍
污水处理是我国水污染和环境污染的主要原因，这就要求国家将节水和水资源的保护当做环境保护的重要策略，努力完善当前在这个污水处理这个方面上的基本设施的建设。
2.1.1 污水处理总体概念
水资源被使用产生的污水绝大多数情况下都是被直接排放到可利用的水体中，严重污染了环境，同时这些没被处理过的污水中含有很多有害物质，有些甚至会使人生病。被处理过的污水一般有三个排放途径：1、排放至水体；2、灌溉田地；3、重复使用。
未被处理过的污水中好氧的有机物的性质状态稳定，微生物利用自己的新陈代谢的功能将有害的有机物降解为二氧化碳、水、硝酸根离子等稳定状态的无机物。污水中的有机物在处理过程主要是靠微生物的分解作用，因此在此环节中会消耗掉水中大量的溶解氧
2.1.2 常用污水处理基本原理
一般在选择合适的污水处理工艺时要根据处理对象和处理环境的不同这两个方面进行考虑。因此，要根据实际的的污水处理情况和周围环境，来认真考虑决定采用何种处理工艺完成污水的净化处理工作。
污水处理的一般方法主要有物理、化学、生物或几种混合使用的方法。根据污水处理的实际情况，这些处理方法可以独立地被使用，也可以几种一起使用。常用的处理方法主要是生物处理方法占主要部分，化学和物理则是辅助其更充分地完成处理工作[3]。
常用的污水处理中使用的生物处理方法，主要是利用污水中活性污泥所含有的微生物的氧化分解作用达到净化水质的效果。污水中的有机有害物比较不稳定，微生物吸附在有机物的上，消耗水中的溶解氧进行氧化作用，将有机物分解为稳定的无机物，再经过污水的沉淀，水中分解得到的无机物就被清除，起到了净化污水的作用。
2.2 系统的总体设计
2.2.1 工艺总流程设计
本设计中污水处理工艺流程图如图2-1所示。 进水 曝气风机 进水池 （进水泵） 出水 粗格栅 细格栅 曝气池 搅拌机 污泥回流泵 图2-1 本设计污水处理工艺流程图
3
沉淀池
本设计中根据传统活性污泥法的工作原理，主要采用了氧化还原处理工艺来完成对污水的杂质处理，整个流程是按“进水，氧化（空气氧化），出水”周期性的进行处理工艺。本设计工作原理与传统活性污泥法相同，但是又在后者的基础上对其系统的部分功能进行了相应的改进，改进的部分主要是对污泥进行氧化处理这个步骤中，设计中在曝气池处多增加了一个搅拌机和一个曝气风机，在曝气池占地小的前提下达到对一定量污水进行相同的氧化效果；并且在氧化处理前多增加了粗细格栅机的初步处理工序，主要是完成对污水中的固体杂质进行过滤[4]。
从系统的污水进入到处理后清水的排出作为整个污水处理工序的一个完整周期。基本操作运行程序：进水泵开启，污水进入，经过除沙、氧化和沉淀的一系列处理工序，处理完的清水排出，没处理完的污水经过污泥回流到进水池进行二次处理。
此流程中，各个电机的自动控制下的运行都是按一定的系统要求来实现的，本文采用了PLC技术来完成对电机自动控制方面上的技术设计。
2.2.2 系统各部分功能分析
根据上面所述的污水处理工艺流程可以将整个处理流程全过程分为进水系统、除砂系统、氧化系统、沉淀系统和污泥回流系统这五个主要的系统[5]。
1、进水系统：系统的进水主要由水泵组成，水泵的停止与运行是通过安装在进水池中的液位传感器对实际液位的检测来决定的。当检测到进水池中的实际液位低于系统设定要求的最低液面时，进水泵便开始工作；当检测到进水池中的实际液位高于系统设定要求的最高液位时，进水泵就停止工作。
2、除砂系统：除砂系统主要是由粗格栅和细格栅两个部分组成，主要功能是粗格栅除去污水中大块固体状的物体，细格栅更进一步地净化污水中较小颗粒状的物体，将污水中没有被粗格栅去除的更细小的沙粒状杂质滤除。其中两者均是根据程序设定时间进行间歇工作，即根据系统中设定的时间进行停止和工作两个状态进行交替地工作。
3、氧化系统：氧化系统是工业污水处理中最重要的环节，主要由曝气风机和搅拌机组成，主要功能是对污水进行生化处理，分解污水中含有的有害的有机物质，使其能够达到一定的要求水质标准。其中曝气池中装有搅拌机，搅拌机的作用是使污水和活性污泥处于剧烈的搅拌状态，让它们充分混合接触，与此同时曝气风机在整个系统上电运作的全过程中一直持续工作，这样将使得污水中的活性污泥的更加充分地对不稳定的有机物进行氧化分解为稳定的无机物，能够最大限度地除去污水中含有的有害物质。
4、沉淀系统：沉淀系统主要由沉淀池组成，主要功能是对氧化过的污水进行物理沉淀，将污泥和清水分离。
5、污泥回流系统：此系统主要由污泥回流泵组成，主要目的是将没达标的污水输送到流程最开始环节，对污水进行二次处理。污泥回流泵的停止与运行通过安装在沉淀池中的液位传感器对实际液位的检测来决定的。当检测到沉淀池中的实际液位低于系统设定要
4
求的最低液面时，污泥回流泵就停止工作；当检测到沉淀池中实际液位高于系统设定要求的最高液面时，污泥回流泵便开始工作。
系统在自动控制运行模式下，氧化系统中的曝气风机和搅拌机在PLC程序的控制下是持续进行运行；进水系统中的进水泵和污泥回流系统中的污泥回流泵是根据PLC将接收到的传感器反馈频率与程序要求的液位频率进行比较后，向水泵发送运行或停止的信号；除砂系统中的粗细格栅机是根据PLC程序设计中的停止和运行的设定时间值，完成对粗细格栅机间歇运行的控制。
2.3 本章小结
本章叙述了常用的污水处理工艺的基本原理，介绍了系统的总体设计，并对系统各组成部分的功能进行了详细的解说分析。
5
基于PLC的污水处理控制系统设计
