系统简介

中国作为世界第一大代工厂国家，欧美等国不断地在中国的土地上建起了一座座的工厂，其中不乏有很多污染程度很高的大中小型轻重工产业，例如车厂、有色金属冶炼厂、电子厂等等，上至上游供给端材料的提纯冶炼，下至中游产品的制造，其中需要消耗大量的水资源且加工过程中排放了大量的污水进入山川河流，造成了土地与水质的严重污染。由于污水处理技术与设备的不成熟，严重的水资源短缺与污染问题正困扰着我国，低效、高投入、高故障率的污水处理设备与欠缺的技术一直是我国的短板，也成为了我国当前发展形势下需要及时、科学、持续解决的一道难题。
本次电气工程及其自动化毕业设计基于解决我国体量庞大的污水无法实现高效的利用的问题，通过设计可编程控制器(PLC-S7-200)与仿真软件（组态王6.55）相结合的形式，对城市内集中排放的污水实现自动化的监控和处理功能。在符合制定的步骤要求下，结合我国当前污水处理技术的工艺特点和系统整体的控制要求，利用SBR技术使城市污水在SBR池的催化作用下实现曝气充氧环节、利用组态王来模拟现场的实时过程并监控反馈数据、利用西门子PLC-S7-200来自动化控制整个城市污水处理系统。在实践过程中，将多学科最新的技术进行了结合，其中涉及到自动化、计算机、信息通讯、故障诊断等专业技术。根据运行结果，展现出所设计的PLC城市污水处理系统具备简易的操作性、较强的适应能力和较高的安全可靠性。实现了系统的自动化管理以及故障的自检、判断、处理方面的功能。基于上述的研究,由组态王的仿真演示得以看出它的功能已经基本满足城市污水处理工程的使用。

关键词：西门子PLC；组态王6.55；城市污水处理；SBR技术

1 绪论

1.1 课题背景及意义
二十世纪以来，随着工业的崛起。人们在生活中从事各类生产排放的污染物和产品在工业制造过程中，只经过简单处理过后的污泥绝大部分都被排入到了城市的排水系统中，形成了污水。城市污水一般涉及生活与生产污水，其中混杂着大量不利于人体健康的细菌、病毒、微生物，还存在着一些经过生物新成代谢过后的最终产物（例如：尿素和氨）以及动、植物腐烂过后产生的碳水化合物、蛋白质、磷、氮、脂肪等，甚至还有制造业工艺流程中随水带出的各类重金属物质和人们日常清洁中排放出来的合成洗涤剂等物质。目前，我国的污水处理技术要求当前主要表现为以下三种:
1.过滤污水中的破坏水质的杂质和淤泥。
2.为满足生活用水的标准，需要在污水中添加新的化学成分进行人为干预（如：有益于人体的微量元素从而预防疾病）,以至于将污水的化学性质进行改变，最终达到为人类所用的目的。
3.改变水的物理性质（如：水的温度、浑浊度、色度等）。
由21世纪以来关于我国污水处理技术的现状来看，以下四个方面比较符合我国在污水处理方面的大趋势：
1.持续加强对氮、磷、钾等营养物质的处理。
2.在新技术和新设备的加持下，污水处理逐步转向为全自动化过程的高效管理模式，大大解放了劳动力、提高生产力。污水处理设施广泛的应用于污水汇集程度高的各个地方。
3.随着新时期的到来，人类的生活条件和意识水平与以往相比，得到了大大的提升,污水的处理方式也由单独分散转化为集中处理,而对其水质的处理要求也越发严苛，净化指标标准也趋于严格。4.近些年的中国常发生雾霾、沙尘暴等恶劣天气的肆虐现象。因此，国家加强了对环境污染的重视程度，使得污水的治理和再生问题进入到了大家的视野里。
1.2 国内外城市污水处理研究现状
由最新数据得知，国外的城市污水处理技术有着循环率高、故障率低、净化能力强等特点。例如美国全境约有污水处理厂16000座，为3亿人口提供服务，日处理污水量为1.5亿立方米，年产污泥量更有3500万吨。其中约有650座集中厌氧消化处理设施，700座好氧发酵稳定处理设施。可见其涵盖面积之广以及技术成熟度和设备专业化程度高的优势。此外，美国欧洲以及日本等先进国家，在政策上的支持主要体现为，早期就对城市污水的处置设置了安全标准并在之后的数年间多次结合当时的发展现状对其不断进行修改和补充。具体措施主要有土地利用、地表处置、减少病原菌量以及污泥焚烧等方面。其技术上有专门的国家环保部门对当地的污水性质作专门的研究，并制定出适合的污水处置方案和工艺，此后还会定期对污水进行检测，根据改变进行技术上的调整。其设备上主要使用西门子等故障率低、执行程度高、信息处理速度快、自动化程度高、安全性能强的设备为城市污水处理系统在高效率下的运行提供保障。在资金上，多国政府都采取“公益基金的模式”对环保领域的事业进行长周期、大体量的资本助力。
与此同时，我国在政策上、资源上、技术上、观念上以及资金扶持上都仍存在着较大的不足，主要体现为以下几个方面：
1.城市污水处理工程早期没得到重视，开展时间较晚，起步落后且人员专业水平并不高，导致采用原理较为简单、设备处理效率低、运行成本高。
2.政府对城市污水处理基础设施的投入不足，导致老化的沉淀池、格栅池、曝气池等设施无法得到修复和更新换代，运行过程中常出现问题，最终污水处理的效率大打折扣。影响了新工艺、新设备、新技术的推行。
3.由于人员水平的低下，我国的污水处理存在着原理简单，但管理和操作技术却非常复杂的现象，导致设备哪怕处于正常运行的状态下，也只是处在低负荷运行的区间，其操控者无法将其发挥出最大的效能。
4.我国的城市污水处理尚且只是对工业、生活中排放的污水经处理后达到标准即可，大众对水的回收利用特别是再生水有强烈的抵触态度，因此处理后的城市污水最终只能排放于大自然当中，降低了水资源的利用率。
1.3 SBR污水处理工艺介绍
“活性污泥法”在中国的城市污水处理厂具有适用范围广、综合造价低、应用率高等特点。21世纪初，随着世界经济的飞速发展,我国也大规模引进了一大批的新技术和生产设备,先后出现了A/O工艺法、AB法、氧化沟法、SBR法等。随着设备与技术工艺的不断更新，污水处理技术也得到了快速发展，应用前景也更为广泛。
SBR污水处理工艺：全称是序列间歇式活性污泥法。SBR技术与传统处理工艺不同，它以时间分割、非稳态生化反应、静置理想沉淀替代了空间分割、稳态生化反应、传统的动态沉淀等技术工艺。技术核心表现为均化、初沉、生物降解、二沉等功能集合在SBR反应池中进行操作。
SBR法的基本原理:是以序批操作为其基本运行工况。所谓序批式的运行操作，一是空间上按序批方式操作运
行。由于污水的连续排放和流量波动大等特性，污水需要在两个反应器中交替运行，按次序排入不同反应器；二是SBR的运行操作在时间上也是按先后顺序排列序批的。SBR工艺完整的运行周期分为五大阶段，依次为进水、曝气反应、沉淀降解、排水和静置阶段。其技术原理主要是以悬浮微生物为基础，对污水中碳水化合物、蛋白质、尿素、动植物脂肪、氨以及合成洗涤剂等污染物在好氧的条件下激发生化反应从而达到降解的效果。
SBR法的优点：
1.生化反应推流作用强，效率显著提高，池内厌氧、好氧状态处于不断交替过程，净化程度高。
2.运行过程平稳有序，污水在静态下的沉淀时限短、效率高、出水水质好。
3.耐冲击负荷，池内滞留的处理水，不断对污水产生稀释、缓冲的作用，较大程度地降低了有机污物的冲击干扰。
4.工艺流程所涉及的设备量较少，结构和原理相对简单，能耗低的同时占用面积小，便于管理人员后续进行的操作管理。
5.SBR法还可使用组合式构造方法，便于污水处理厂后期随污水量增大而进行的扩建改造工程。
SBR法的缺点：
1.SBR反应器容积可用空间小，利用程度低。
2.对维护人员的技能要求高，控制过程复杂。
3.大规模化程度低。SBR系统的适用场景：
1.间歇排放密集以及流量变化较大的厂区附近。
2.对旅游景点等出水水质高排放标准的地方。
3.取水难度较大，用地用水紧缺的地方。
4.对已建污水处理厂的改造。
1.4 本次毕业设计的主要工作
首先，需要确定设计的方案。其中包括PLC的选型、组态王版本的适配、程序的编写以及城市污水处理设施的模拟。
其次，对课题的控制要求进行分析、确定输入输出的相关元件设备等、I/O点数的分配、PLC程序的设计、组态王画面的设计、系统的模拟调试与仿真、设备运行的流程判断图等，不断完善整体的系统设计，查缺补漏。
最后，将各时期的工作进展及时汇报给指导老师、有不理解的地方及时寻求老师帮助并通过互联网查阅资料自我学习，按时的完成软硬件的设计、毕设相关内容的介绍、模拟演示以及不断改进论文，准备好答辩事宜。

2 设计方案的确定

2.1 PLC的简介
PLC是一种以数字运算操作为基础的可编程逻辑控制器，其服务于大体量、高要求、环境恶劣、复杂程度高的工业环境。它采用一类可编程存储器，有着独特的内部存储程序、较强的逻辑运算、顺序控制、定时、记数与算数操作等用户指令，通过数字或模拟式输入/输出控制着各种类型的机械进行自动化生产过程。在工业生产上有着不可代替的核心地位。
2.2 PLC的设计步骤
PLC控制系统的设计任务要求。任务要求的主要条件是当前现实任务的要求能得到充分满足（即所选的PLC能充分保证污水处理系统各个环节安全、流畅、稳定的运行，并将处理后的污水通过检测净化至符合排放的标准进行排出）。
设计过程中应遵循的主要原则为：
1.尽最大努力将控制系统的设计与控制的要求相匹配，降低花费的时间与经费。
2.充分了解并规划好PLC的可扩展性，要提前准备好扩展模块，以防在应用过程中由于外界环境的变化而导致任务无法进行的情况发生。
3.尽最大努力满足系统任务“简化操作、安全可靠、维护简单”的要求。PLC的具体设计步骤首先应对系统的控制要求进行分析，再确定了控制要求的情况下思考输入输出设备的选型问题，选择合适的PLC为设备提供支持。其次要规划好I/O口的点数分配问题，接着根据I/O口设计的元件和设备的选型对PLC程序进行绘制。最终，先在软件上进行模拟调试，再去现场进行联机调试。将出现的问题整理总结。如下表2-1所示：

图2-1设计步骤图
2.3 城市污水处理系统控制框图
通过观察分析操作台（学校的PLC机柜）各个按钮的输入、输出信号以及各种感应装置的输入、输出信号，并对各环节的设备进行调试来控制系统的起停运行，监测设备的运行情况。如下图2-2所示：

图2-2系统控制框图

3 硬件的设计

3.1 选择PLC
PLC设备的选型合适与否,直接关系到整个污水处理系统的设计能否成功实施，一般情况下，选择PLC主要须关注以下几个方面：
1.I/O端口点号的选取：当I/O端口点数需要合适的容限估算时，一般采用从输入点到输出点的计算，在目前容限的10%到15%的范围内，预留合适的扩充容限，以便最大限度地适应实际情况下的需求；而在实际运用中，我们常常需要针对产品特性，从生产厂商的PLC输入输出点数进行圆加工。
2.所要求的内存容量的大小：使用者程式所要求的储存能力，不但与PLC的功能相关，也与执行方式、程式编制程度相关。当一位资深程式设计师与一位新手程序设计师面临同样的复杂度时，程式数量上至少会产生25%以上的差异，因此，新手在评估储存能力时，应保留更多的余量。在储存能力上，可程式控制装置可以为程式储存装置的大小、程式储存能力所用的储存装置的大小、使用者应用程式的处理，因此该装置的能力比储存能力要少。在进行设计时，因为没有对使用者的应用程式进行编译，所以在程式设计时无法得知其进程，只有在程式进行程式后方能得知。虽然没有一个统一的计算方法，每个计算方法都是不一样的，但是根据I/O值的计算，可以根据以下的计算方法，计算出一个新的存贮器，然后在10-15%之间增加一个余量。存储容量（字节）=开关量I/O点数x10+模拟量I/O通道数x100。
3.2 硬件电路接线图
通过CAD工具对PLC的硬件电路图进行设计。首先，先添加PLC具体模块的硬件框架，接着根据设计好的I/O表对PLC进行I/O口与元件的连线绘制，最后将每个开关对应PLC的何种功能进行注释。如下图3-1所示：

图3-1PLC硬件电路接线图
3.3 PLC扩展模块接线图
由于设计的系统功能众多，导致原PLC设备的I/O接口无法全部容纳，此时需要对PLC扩展模块进行绘制，绘制过程与PLC硬件接线图的绘制一致，分为选型、导入、连线、注释四部分。如下图3-2所示：

图3-2PLC扩展模块接线图
3.4 SBR污水处理系统设备介绍
鼓风机：鼓风机在污水处理中的作用主要是将外部空气强制地压缩进SBR池，使得池内的微生物获得足够多的溶解氧来满足其有氧条件下所发生的生化反应，这一过程也通常被称作为曝气。鼓风机种类有很多，此次设计可利用罗茨风机进行曝气。罗茨风机按照构造方面的划分方式，可将它划归为一个“容积式风机”。它的设计原理比较简单，它在两台近似叶形的风机作用下，利用叶形风扇在风机气缸内持续不断地做着相对的运动，在运动的过程中不断的挤压并输送气体，这一过程也使其得名为回旋压缩机。本次设计所使用的罗茨风机规格为：GRB-IOO型号，风嫩是10.61m3/min，转数为1750r/min，最大输出功率是22kw，风压为7000mmAq。
液位差计：本次设计中使用的类型是超声波液位差计,它是液位差计中的其中一类,目前使用以及相当普遍了,在工业以及城市污水的处理领域对酸、碱性等液体的检测方面应用尤为常见。在结构上，主要由一台主机和两个超声波探头构成。在运行过程中利用超声波液位差计的两个测量探头放置于被检测介质的上部，这类探测器能自行实现功率的调节、环境温度的补偿、自动控制的增益,并且由于装置中的超声波检测技术对工作过程中产生的回波干扰也具有抑止作用，从而有效的提高了超声波检测的精确度。另外,由于超声波液位差计拥有这以下优势，在安装操作时无须专门技术人员指导也能顺利完成安装并且在实际应用的过程中,操作也较为简单方便。
沉砂池：沉砂池主要依靠重力分离原理为其基础，通过人为的操作，控制住排入沉砂池的污水流速率，在水流的推动作用下，使重力较大的无机颗粒沉下去,使悬浮的小颗粒随着水流得推动下被带走，以达到清除污水中混入的粒径偏向较小的砂粒来保护管道和阀门等设施得目的,降低系统运行过程中对管道的磨损和阻塞,避免在系统运行过程中泥沙对设备的正常使用和运转造成负面的影响。应用频次较高的沉砂池有曝气沉砂池、旋流沉砂池以及平流沉砂池这三类,而本次设计所使用的沉砂池属于“曝气沉砂池”。
浓缩池：浓缩池目的在于减少污泥含水率和降低污泥体积，采用重力浓缩池和离心浓缩池这两种方式来处理污水。污泥浓缩的三大方法分别为沉降法、离心法和气浮法。其中的“沉降法”在处理初沉淀污泥的时候被利用。而“离心法”则利用污泥自身的比重差（泥的比重远远大于水的比重），致使污泥在离心机中产生不同的离心方向，不同物质循环往复的累计则会出现黑白分明的分层效果，将泥和水成功分离了出来，从而达到了浓缩的目的。“气浮法”在平时使用较少，不太引人注意，也被业界称之为“气浮浓缩法”，其基本原理是将淤泥小颗粒带上小气泡中，有了泡沫在水面上的浮力后,把小颗粒带上到了水面上来，然后利用特殊的刮片把已经浓缩的淤泥刮入安装好的排泥沟中，再经过上述处理过的水泥砂浆将其从池底中除去。
溶解氧检测仪：将空气中的氧经由空气流通和细菌的光合作用溶解在水中，而关于污水中溶解氧浓度的多少方面，工业上则普遍采用溶解氧检测仪对其加以测定。溶解氧仪利用测定氧浓度的结果，利用PID算法对反应、处理过程效果等实现监控或多点监测，其使用场合多用于水产养殖方面、生态化学反应方面、污水的处理方面以及对湖泊、溪流、海洋等水域环境的测试方面。
接触器：本次设计所采用的SBR工艺中的设备使用了大批的机械接触器,例如：格栅机、潜水搅拌机、刮尼机、分离机、清污机等设备的接触器。其选型为额定电压220V,额定电流40A的“正泰CJ0-40A的交流接触器”。
3.5 SBR污水处理设备的流程图
3.5.1 各类池及泵的运行流程判断
1.污水池及进水泵：当操控系统对污水池进电开启后，将根据操作者的选择进行自动与手动模式的判断选择，在选择了自动模式的条件下，将对污水池内污水的高低液位进行判断，当污水池液位大于设置的最高限度时，进水泵开启并进入排水模式，直至污水池液位小于最低限度时停止运行。如下图3-3所示：

图3-3污水池运行流程判断图
2.清污池及清污泵：当操控系统对清污池进电开启后，将根据操作者的选择进行自动与手动模式的判断选择，在选择了自动模式的条件下，将对清污池内污水的高低液位进行判断，当清污池液位大于设置的最高限度时，清污泵开启并进入清除污泥模式，直至清污池液位小于最低限度时停止运行。如下图3-4所示：

图3-4清污池运行流程判断图
3.沉沙池及沉沙泵：当操控系统对沉沙池进电开启后，将根据操作者的选择进行自动与手动模式的判断选择，在选择了自动模式的条件下，将对沉沙池内污水的高低液位进行判断，当沉沙池液位大于设置的最高限度时，沉沙泵开启并进入除砂模式，直至沉沙池液位小于最低限度时停止运行。如下图3-5所示：

图3-5沉沙池运行流程判断图

4 软件部分的设计

4.1 I/O分配表
该设计方案将组态王6.55与西门子PLC相结合，使其运用于城市污水处理系统的设计之中，据相关任务要求，对输入地址进行分类，将输入名称、地址、数据类型添加进表格种，设计出满足条件的I/O口分配表输入地址部分。如下图4-1所示：
图4-1I/O分配表输入地址
与输入表的制作同理，对输出地址进行分类，将输入名称、地址、数据类型添加进表格种，设计出满足条件的I/O口分配表输出地址部分。如下图4-2所示：

图4-2I/O分配表输出地址
尽管程序运行过程中中间点位并无太大实际意义，其本身是设定在程序之中的，但其预先设定好的参数也决定了设备可否正常运行，与输入输出地址同理绘制程序的中间点位表如下图4-3所示：

图4-3中间点位地址
4.2 PID算法
4.2.1 PID简介
PID三个字母代表的是比例（proportional）、积分（integral）、微分（derivative）的简称，即比例积分微分控制，是一种常见的控制算法。在PID控制中，难度较大的部分是控制器的参数整定部分。所谓参数整定，就是正确理解各参数所代表的物理含义，通过PID的标准化公式对其进行设定，最终将物理量转换为模拟量输出出来，供使用者快速识别检测，方便设备的控制。
4.2.2 PID公式
通过PID的增量型公式，可以进而演化为可以预测设备未来运行走势的曲线趋势图，也可通过对公式中P、I、D三个指标数据的变化，分析得知数据是否符合设计要求的预期。PID公式如下图4-4所示：

图4-4PID增量公式
4.2.3 PID存在的意义
PID的存在，主要是为自动控制系统克服实际运用中出现的误差而服务，其较为可靠的预测能力能对产生的误差起到减小抑制作用，因而被广泛地应用于各大工业控制和智能化的运动控制过程中。
4.3 梯形图的设计
梯形图的介绍：梯形图是一种形象、直观、实用的重要图形编程语言，其在继电器等控制电路的基本形式上，与接触器组和使用，通过简化符号，而逐渐发展起来的一种语言，它使目前应用于PLC进行工作的专业技术人员中使用最广泛的PLC的程序设计方式,被业内誉为“PLC的第一编程语言”。
软继电器：软继电器和PLC映像寄存器的存储单元存在着按照顺序性的逐一相对的关联。假设辅助寄存器里的存储单元发生变化——状态为1，那么在相关的梯形图中与之按照次序相对应的软继电器线圈也将形成一定的情况改变（即通电），此时常开触点将处于接通状况，常闭触点则处于断开状况,由于存储单元发生变化引起的软继电器线圈变化的状况统称为软继电器的1状态又或者是ON状态。相反，如果辅助寄存器里的存储单元发生改变，状态为0，那么在相关的梯形图中与其遵循次序相对的软继电器线圈也将形成一定的改变（即断电），由此引发了常开触点断开，常闭触点接通的现象发生，这种存储单元改变所造成的由软继电器线圈改变形成的情况被统称为软继电器的0状态或OFF状态。
能流：在与梯形图的触点接通后，在观察梯形图的时候我们就可在大脑中假设有一种概念电流或能流，正从梯形图的左边向右边运动，而这种概念幻想的流动顺序也与梯形图逻辑运算的次序一致。但是必须注意的是，在此刻所假想的“能流”只能够沿着刚才规定的顺序由左向右流动，不能有其他计算次序。
母线：简单来说,母线就是梯形图界面左边由上自下延伸的公共线。在对梯形图进行分析时，可将其类比为继电器的电路图，然后模仿对继电器电路图的分析方法来判断梯形图的逻辑关系，程序由母线的最左端开始读取，在其最右端结束执行。由上至下逐步扫描。
逻辑运算：在梯形图中，人们能够从梯形图中得到已显示的各触点状况以及与此相应的逻辑关系，然后再通过观察线圈的输入输出工况从而推理已编程元件的状况，因此人们将这个逻辑称为梯形图的逻辑运算。
对于梯形图的看法：其实在大家初次接触梯形图时，都有可能并不熟悉其工作模式。但是经过逐步了解之后，会发现实际运用起来也并不像我们先前想象的那么复杂、困难。首先，我们要琢磨透梯形图编译的PLC控制系统所要求的设备的基本状况，还有一些必须掌握的基本运行动作以及运行的状态等等。明白输入端哪个部分是启动指令,哪些是终止指令。再由PLC输出端开始，弄懂从输入端到输出端点传递出的输出信号，执行开关命令所代表的含义是什么，比如：何种动作表达的是启动，何种动作表达的又是动作暂停。最后，可将整个梯形图打开来，自上而下的，从左至右的认真阅览，进行梯级的逐一分析，从中找出输入和输出端所隐含的逻辑关系。唯有重复遵循以上四个步骤，不畏惧麻烦和困难，抱着每一遍都是初次浏览的态度，仔细认真的分析，经历从不熟到熟悉的这个过程，才有利于初学设计者弄懂梯形图的逻辑关系。当你熟悉后，就可以依据具体的要求来统筹整个梯形图的编写了。综上所述，梯形图的熟练分析和使用，对一个大学生而言，在学习PLC的程序设计语言方面，有着重要的意义、起着无可比拟的指导作用。

4.3.1 S7—200程序梯形图
1.主程序部分：
主程序梯形图涵盖的内容主要是对手动自动模式的选择、采集模拟量信号的调用、模拟量计算换算调用、参数的调用设置等功能进行了编译。通过主程序的定义对子程序进行管理。如下图4-5所示：

5 组态王监控现场的实现

5.1 组态王简介
组态王监控系统为PLC自动化流程的场景仿真提供了解决方案，他以高度的智能化信息技术为基础，面向中低端的自动化市场,是一款具备较高性价比和较强适应性的上位机系统产品。主体构造上分为管理层、控制层和监控层三大层次，其中监控层下接部分是控制层，上连部分是管理层。控制层用于满足现场设施监视管理的要求，具有“承上启下”的作用。
组态王6.55功能符合业界最新技术要求，其全新的开发模式，丰富且提升了产品的运行操作过程。较老一代的组态王版本，其功能上表现得更为实用，操作上表现得更加流畅，取得了莫大的进步。组态王6.55的主要更新内容有以下几点：
1.网页功能：在网络版中，企业的自动监控系统的展示类似于一个门户式的网页，在不同的工作职能中，使用者可通过用户名密码完成登录操作。而操作员则可以通过现场的环境改变，调节设备的开启与停止。其次，全新的仿真场景技术使用户无论在何时何地都可实时控制生产现场的操作流程、通过观察历史数据和趋势曲线的变动、生产报告的变更，以及结果的记录和报警等，时刻作出分析，保证设备的正常运行。最后，新版的组态王在最新的数据压缩和搜索引擎技术的帮助下，支持使用者实现快捷的信息保存和快速的工业过程信息检索功能，其快捷的存储大大节约了用户的成本。
2.多媒体警报功能：用户能及时观测并记录下现场设备的运行工况。可以通过预先设定号码以及简短的报告内容在发生故障时收到警报提醒（当系统发生问题的时候，故障告警程序就会在确定状态后发送至操作人员的手机中），以达到操作员及时知悉现场情况并解决设备异常运行的问题。
3.图像自定义功能：
（1）应用人员能够任意改变图片的尺寸，利用滚动条限制屏幕展示内容。
（2）变量可以替换为单一图形，支持在变量能够替换的情况下自由选取人物画面元素。
（3）操作中,使用者能够使用鼠标和键盘，在图片中选取若干个像素完成排列、组合等。
（4）通过自定义的二级菜单，在对图像信息的文本处理方面，利用图形元素的简单和复合图实现了文字提示信息。
在本次城市污水处理毕业设计中,直白来说组态王为PLC提供重要的监视辅助功能,若是没有组态王的监控，利用PLC所设计出来的功能则无法验证其可行性。不难看出，虽然PLC是污水处理系统中最为关键的一部分,但组态王6.55也在系统的设计与应用中有着无法取代的地位。在PLC程序设计软件中可通过人为的方式设计好功能逻辑，然后可以把已经编写好的程序下发到PLC中与组态王进行联机调试，再从组态王对编译的相关变量实现调控，在画面中直接观察变量的变化，根据外部参量变化所得到的数据，操作人员就可以控制相关设备的启停，加减速等功能，借此实现系统的整体控制。
5.2 此任务下组态王的创建流程
5.2.1 创建新工程
鼠标双击组态王6.55图标，打开软件，进入工程管理器界面，点击文件列表中的新建，弹出“新建工程向导”会话框，点击下一步，创建所要设计的工程。
如下图5-1所示：

图5-1新建工程向导图
接着，按照弹出提示，填写工程名称和与工程有关的相关描述信息。如下图5-2所示：

图5-2工程命名图
最后点击“完成”按钮,于是创建了一个新的工程，如下图5-3所示：

图5-3新工程图
紧接着双击刚才创建的新工程,弹出工程浏览器，单击右侧新建图标，打开组态王6.55的开发系统，如下图5-4所示：

图5-4组态王开发系统图

图5-7画面开发图
经过绘制，城市污水处理系统的完整主界面图如下图5-8所示：
图5-8完整系统图
5.2.3 定义I/O口设备
首先，打开工程浏览器，在页面的左侧选中“设备”选项下的“COM1”标志后，弹出弹窗并按照选型要求选泽西门子S7—200系列下的PPI接口选项。如下图5-9所示：

图5-9设备选择图
接着按照提示，填写相关信息并核查无错后，单击弹窗下侧的“完成”按钮。如下图5-10所示：

图5-10设备选择结束图
5.2.4 构造数据库
先从工程浏览器页面中选定“数据库”选项中的“数据词典”标志，在弹出的“定义变量”弹窗中设定I/O口的具体变量。如下图5-11所示：

图5-11定义I/O口变量过程图
紧跟上一步的操作，将设定好的I/O口变量和数据全部定义，如下图5-12所示：

图5-12I/O口变量图
5.2.5 建立动画连接
动画连接的基本定义为“画面图形"与数据库中设置的数据变量相互联系，预先设定的变量会由于外部环境的变化而发生值的改变,致使组态王画面中的模拟对象显示对应的动画效果，造就了组态王的实时监控功能。
首先，任选开发系统中的项目，打开后对绘制的图形进行选择，然后鼠标右键单击选择对象，选择动画连接选项。弹出弹窗如下图5-13所示：

图5-13设置动画连接过程图
接着，单击“确认”按钮,并在开发系统上方,选中“编辑”,在下拉菜单中选择“画面属性”或是直接利用键盘上的选择快捷键“CTRL+W”打开画面属性,如下图5-14所示：

图5-14设置画面属性过程图
然后选中“命令语言”，在编辑框里输入命令语句。然后点击文件，并选中在“文件”菜单下的“确认”按钮，对命令语言进行保存功能。如下图5-15所示：
图5-15定义命令语言图
5.3 组态王6.55的运行和调试
基于以上的设计，我们还需要在西门子专用的梯形图编程软件Step7中编译“基于PLC控制的城市污水处理系统”的毕设程序，接着通过数据线将PLC机柜与主机连接并存储到PLC-S7-200中进行运行调试。在调试的时候，将各模块分开为单个单元进行调试，直至每个模块确认无误后,最终将各模块整合起来进行统一调试。
在控制程序中，由于各种传感器要处理所收集到的外部环境数据并汇总为反馈信号。因此，我们需要对数据作出处理、判断，并完成对相关环节的输入输出控制，从而取得系统控制的运行结果。进行了以上的调试后,下面我们要从PCL的系统控制方式里选用手动模式进行控制或可转换为自动管理模式进行控制器的自动化管理模式。当系统工作在自动模式下，则控制器会依据从外部传感器采取来的数据，对装置进行自启动或停止状态的管理，这个过程在书面上被称为闭环控制。在手动模式控制下，操作者利用控制室查看到的指示灯的状况，并通过不同状况下实时曲线与历史曲线变化的原因进行分析，操控系统中各装置电机的启停。经过长时间的调试与运行，基于PLC控制的城市污水处理系统最终实现毕业设计任务报告上所设计的功能，达到规定的技术水平。
5.3.1 基于组态王模拟的系统各功能展示
运行的主界面中基于组态王模拟的系统各功能主要有实时曲线、历史曲线、报警页面以及参数页面。
1.实时曲线：当前情况下通过设备内各传感器所收集信息进行整合的实时设备运行工况曲线图。其中包含有污水池、格栅池、调节池、储泥池、SBR池的液位和SBR实际池液位、PH实际值、清污池实际值以及溶解氧的实际值和设定值，以上信息都被采集并以曲线的形式反应到程序中更方便操控者分析工况。如下图5-16所示：

图5-16实时曲线图
2.历史曲线：操作者在设备出现故障时，可以通过实时曲线与历史曲线进行比对，便于操作者快速察觉出何种数值发生了较大的变化，对出现的偏差进行分析，及时修正故障。其中涉及到的参数定义有左右时间、左右数值、平均值、最大最小值等。如下图5-17所示：

图5-17历史曲线图
3.报警页面：当系统在发生故障时，会自动将故障发生的日期时间、变量名、警报类型、报警值、恢复值、界限值以及质量值进行实时呈现。方便操控人员快速获取报警信息。如下图5-18所示：

图5-18报警页面图
4.参数页面：由于主页面的参数较为分散，不利于操控者对参数进行设置管理，所以将参数进行汇总并制作为一个参数页面供操作人员根据近期污水地的污水存有量设置适合设备运行的各环节参数。如下图5-19所示：
图5-19参数页面图
5.3.2 系统运行测试
系统主要有自动模式和手动模式以及急停模式这三种模式，根据模式的不同可以测试对应功能是否满足要求，测试效果如下：
1.手动模式控制：将旋钮旋转至红色部分，确保手动模式开启，手动模式可单独对某个设备进行观察，测试其运行状态是否稳定。在正常情况下运行城市污水处理系统，需按照步骤流程将各个设备依次将操纵杆右下至上推动，直至设备全部开启运行后观察运行流程是否正常。如下图5-20所示：

图5-20手动模式图
手动模式测试结果分析：当手动模式开启后，单个设备操纵杆上推后，单个设备启动且运行状态正常。将全部操纵杆上推后，设备没有发生故障，所有功能运行流畅。
2.自动模式控制：观察手动模式模式下单个设备的启停操纵杆是否归位（当操纵杆朝下时为手动模式下设备关闭状态，反之为开启状态）。随后将旋钮旋转至绿色部分，开启自动模式测试设备运行状态。如下图5-21所示：
图5-21自动模式图
自动模式测试结果分析：当自动模式开启后，各个设备统一启动，将根据程序预先设计的技术流程和设置的参数对池内的污水进行排入和排出，此过程可结合实时曲线进行分析，经分析后程序运行状态正常，无故障报错。
3.紧急急停模式控制：系统在发生故障时，可以将紧急急停操作杆上推，操纵杆显示为绿色时，紧急急停模式开启，所有设备立刻停止运行。防止故障对设备进行损毁，保障设备的安全，提高系统在自动化控制下的安全性。如下图5-22所示：

图5-22急停模式图
紧急急停模式测试结果分析：当紧急急停模式开启后，所有设备立刻停止运行，城市污水处理系统处于暂停状态，各个设备均不再进行反应，测试结果正常，符合设计预期。
综上所述，系统设计的所有功能均已实现，各个反应池内的液位上下限均按照程序的设计被严格执行，各设备的液位检测显示功能、系统的手自动控制模式的切换、系统的急停、PH值的检测、PID的输出等都处于正常运行状态。基本符合此次课题关于基于PLC控制的城市污水处理系统的设计。

总结

论文关于城市污水处理的含义及发展部分，起初让人难以找到头绪，但通过在网页上查阅资料以及相关城市污水处理的书籍,使我对城市污水处理在近几年来国内外发展以及其存在的重要意义有了了解。例如：“活性污泥法”在中国的城市污水处理厂中有着最佳广泛的适用范围，而稳定塘法、土地处理法，生物膜法及与其他处理工艺相结合的工艺技术是比较少应用道德。硬件方面对于硬件的选型和PLC的外围扩展电路的接线图以及硬件电路的接线部分安排起来确实需要查阅大量的资料，消耗大量的时间精力去沉下心来研究才得以解决，而软件方面，主要在于PLC梯形图的编写和组态王的仿真部分，在仿真软件上进行程序的代码编写、故障排查、流畅运行也耗费了不少的时间。通过对组态王6.55软件的设计与应用，实现了整个系统与PLC进行通信,通过对系统的不断改进和调试后把城市污水处理控制系统在组态王上得以实现操作演示以及通过PID功能对实时数据进行反馈，监控水质是否符合排放标准，以便于及时的发现设备是否出现故障，在降低故障率的同时还方便进行维护和操作，大大提高了污水处理的效率。综上所述，此次毕业设计工作量巨大，且过程中是自己统筹兼顾，对于我来说也是一次全新的尝试。经过不懈的努力，本次毕业设计的所有功能都符合最初的设计计划且成功实现。
总的来说，通过这次基于PLC的城市污水处理系统的设计，我终于能够自己统筹地把大学三年来所学的知识通过设计出来的各个功能使其相互连接，最终组成一个能够运行的系统，实现它的自动化流程。尽管过程中困难重重，但通过对相关资料的查阅与钻研以及指导老师的指导，还是顺利的完成了此次的基于PLC的城市污水处理系统的设计，经历了这个困难的时期，我还是受益良多、收获颇丰的。此次毕业设计使我明白，要想做好一个项目，光靠学校所掌握的理论知识是根本不够的，还需要了解与之有关联的其他知识，查阅更多的书籍，通过实践的上机过程去发现问题、解决问题、总结问题，得从根本上锻炼自己的独立思考能力与动手实践能力，最终才能习得本PLC控制技术课程的精髓，为日后更加复杂困难的项目打下坚实的基础，使你能够更加有思路、有方向去攻克难关，节省时间与精力。

致谢

大学四年的时光在一朝一夕中逐渐流逝，转眼间已到了大四毕业前的答辩环节。首先。非常感谢四年来各科老师的耐心讲解、循循善诱，正是出于老师们的悉心栽培下，我才可以习得当代大学生所应有的基本素质和社会生活中所应具备的道理以及电气工程及其自动化专业内的基础知识，为日后在日常生活及工作中对于专业知识的进一步的研习与应用之路打下坚实的基础。其次身边的同学与朋友不止步于在学业上耐心为我的疑问答疑更在我的生活处于人生低谷期的时候给了我很大的安慰和帮助，带我走出困境。
在此我对我的指导老师表示由衷的感谢。在毕业设计的开展过程中，老师给予了诸多的帮助，为我提供了很多思路和方向。例如课题初期开题报告的编写，到中期的检测以及初稿的格式及查重等问题，每一步老师都及时提醒，也就我们出现的问题进行指导并督促我们改正。对设计过程中哪些环节需要具备什么样的要求，还需要添加哪些模块才能让毕业设计变得更出色，老师在这些环节真的都用尽了苦心，只为我们能设计出一个更加完美，符合当代现实的、实用性强的毕设。
最后，再一次由衷的感谢我的毕业导师和在场的评审老师们。感谢你们的指导。