摘要
当今社会，随着经济全球化的快速发展，海洋环境保护成为世界各国的重点关注点之一，航运业对海洋环境的 影响已经进入人们的视线，引起人们的关注，于是优化船舶防污染的技术就显得非常重要。本文旨在通过设计一种 较为完善的船舶日常生活污水处理系统，以改善船舶生活污水的处理能力和效率，减少轮机员的劳动强度，从而达 到改善海洋环境的目的。
通过对比分析现如今各类船舶生活污水处理系统的优劣性，其中活性污泥处理法具有设备简单，维修方便，处理效果好，处理效率高，成本低等优势，较为有效的一种船舶生活污水处理方法，因此本文利用活性污泥法的特点，设计一套污水处理过程自动控制系统，主要讨论研究了初沉池污泥沉淀、曝气池溶解氧浓度控制、二沉池污泥 回流、污泥废弃等控制回路的实现。整套控制系统由上位机、PLC，传感器等机构组成，通过PLC通信以及控制工程，实现生活污水处理系统的自动控制。再根据活性污泥法，使用Wincc仿真软件开发设计出符合实际情况的仿真界 面，结合通信技术，实现结果的动态展示。
设计表明利用活性污泥法的船舶污水处理系统设计方案是可靠且适用的，能够带来良好的经济效益和社会效 益，具有一定的应用价值，也对船舶生活污水处理系统的日后发展和研究上有一定的参考价值。
关键词：活性污泥法；污水处理；自动控制；PLC；仿真
ABSTRACT
In today’s society, with the rapid development of economic globalization, marine environmental protection has become one of the key concerns of countries all over the world. The impact of the shipping industry on the marine environment has gradually entered people’s sight and attracted people’s attention. Therefore, it is very important to optimize the technology of ship pollutionprevention. This paper mainly designs a relatively perfect ship domestic sewage treatment control system to improve the treatment capacity of ship domestic sewage, reduce the work intensity of marine engineers, improve the efficiency of sewage treatment and protect the marine environment.
By comparing and analyzing the advantages and disadvantages of various ship domestic sewage treatment systems, among which the activated sludge treatment method has the advantages of simple equipment, convenient maintenance, good treatment effect, high treatment efficiency and low cost. It is a more effective ship domestic sewage treatment method. Therefore, this paper uses the characteristics of activated sludge method to design a set of automatic control system for sewagetreatment process, mainly discusses and studies the sludge sedimentation in primary sedimentationtank The realization of dissolved oxygen concentration control in aeration tank, sludge return insecondary sedimentation tank, sludge waste and other control circuits. The whole control system is composed of upper computer, PLC, sensor and other institutions. Through PLC communication and control engineering, the automatic control of domestic sewage treatment system is realized. Then, according to the activated sludge process, the simulation interface in line with the actual situation is developed and designed by using WinCC simulation software, and the dynamic display of the results is realized by combining with communication technology.
The design shows that the design scheme of ship sewage treatment system using activated sludge method is reliable and applicable, can bring good economic and social benefits, and has certain application value. It also has certain reference value for the future development and research of ship domestic sewage treatment system.
Key words: activated sludge process; Sewage treatment; Auto-Control; PLC；
1绪论
1.1研究背景及意义
二十一世纪，可持续发展战略在全球经济一体化进程中扮演了举足轻重的角色，因此，海洋环境问题也随之而日益受到国际社会的关注。
海洋环境保护不分国界，它不仅仅是一个经济的问题，甚至上升到政治层面。1973年，国际海事组织（IMO）在英国伦敦举行了一次以保护海洋环境为主题的国际海洋污染会议，该会议颁布了《国际防止船舶造成污染公约》，旨在预防和约束船舶排放油类和其他有害物质从而污染海洋。公约附录IV中，明确规定了防止船舶生活废水流入海洋的标准。船舶生活污水是影响船舶环境的主要因素之一，近几年来，越来越多的航运公司关注到了这一问题。但是，相对于船舶发电设备的自动化水平，目前对船舶废水的处理还存在一定的局限性。但是，随着全球经济的发展迅速，大量的船舶出现，在运行中所产生的生活废水也随之增加，废水的排放给海洋环境带来了很大的负面影响。
随着科学技术的飞速发展，船舶工业中的计算机技术日益普及，船舶的自动化水平也日益提高。但是，与船舶生活污水处理设备相比，其自动化程度较低，很难适应船舶的现代化需求。随着我国经济一体化的快速发展，入世后，国内航运市场的竞争将会越来越激烈。因此，必须提高船舶工程技术人员的工作效率和技术能力。近几年，随着对国内外废水处理技术的深入研究，研制出了用于船员业务训练的船舶引擎模拟系统和自动机舱。实际上，船员的实船培训方法培训具备周期长、成本高、风险大，很难适应培训需求等不足。采用仿真系统的方法来取代实船的训练，可以克服以上的不足。这一技术已经被证实是一种有效的方式，并且已经被国际海洋组织所接受。目前，船舶安全管理已经成为船舶驾驶员培训与评估的一种主要方式。模拟器训练虽不能完全取代实船的经验，却能帮助船员迅速反应及安全作业，由模拟器熟悉机舱设备及自动控制系统，使学员能在短期内掌握实际作业的实战经验。
1.2国内外研究现状
1.2.1国外研究现状
国外对船舶生活污水处理工艺技术的研究较早，主要是由最先加入MARPOL73/78公约附则IV的一些国家进行的研究。船舶生活污水处理的基本工艺主要源自于城市污水处理技术，现如今污水的生物化学法、电化学法的处理技术是船舶污水处理装置较为常用的工艺手段。相对而言国内在污水处理装置以及处理工艺上的研究较之国外则晚一些[4]。
一些国家经济发达，并较早的实现了工业现代化。环境问题特别是水资源污染的严重性也较早的体现出来，对污水的处理更先进一些，同时也得到了这些国家政府的重视，投入了大量的人力、物力进行污水处理的研究。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。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。由于控制技术、网络通信技术以及现场总线技术的飞速发展，国外的污水厂很早就实现了网络控制，如DCS、FCS系统[5-6]。同时国外较早的SCADA技术引入到了给排水工程当中，并取得了良好的经济效益与社会效益。意大利开发出一系列在线水质监测控制仪，美国艾姆科(EMICO)工艺公司1996年成功开发了多元组合式智能型一体化生活污水处理装置，美国米顿罗(MIDUNRO)公司也相继开发了一系列在线监测控制仪等，荷兰大学开发成功计算机控制内循环式水解生化塔。由于这些水处理设备自动化程度、智能化程度相当高，能连续稳定运行，所以达到令人满意的水处理效果[7-9]。
1.2.2国内研究现状
随着工业的发展，我国主要污水处理设备及配套没备基本实现了国产化，并逐步形成了系列化、规模化，如用于不同条件下的过滤设备、气浮选、压力除油、液—液旋流除油等除油处理设备、药剂投加设备等。水处理的自动化程度有了提高。过滤处理、污泥脱水、气浮装置、加药装置等实现了PLC集成面板自动控制；流量、液位、以及悬浮周体含量等水质指标也实现了实时在线监测。水处理更加重视工艺和化学的有机结合。水处理剂的品种增多、效能提高[10-12]。近些年来，随着科技的飞速发展，我国各大中型企业纷纷对污水处理技术进行了更新换代。崭新的污水处理流程线，世界先进水平的处理设施，都表明了我国污水处理行业正在从最初的品种单一、规格低下、规模小、水平低、质量不够的水平逐渐向多样式、复合结构、大规模、高质量、高要求的方向发展，我国的污水处理技术水平在已基本满足国内的需求情况下，逐渐开始转型污水处理出口，行业发展速度之快居于世界领先水平[13]。其中，PLC控制系统作为一项先进的技术也逐渐应用于污水处理系统中。PLC具有可靠性高、抗干扰能力强、编程简单、使用方便。程序可变，一方面采集数据，一方面进行信息的监控处理，强大的联网功能使得PLC通信更加方便，利用PLC这种“集中管理、分散控制”的特点，可以实现中控室中央监控，可以实现现场生产线自动化流水作业，也可以构建大型集散控制系统。我国发展了适合我国国情、高效、低耗和低成本的污水处理技术[14-15]。
以上海船舶设备研究所为代表，该所应用生化和物化法先后研制出了WCF型和WCH型的系列船舶污水处理装置，紧接着国内其他公司也相继开发出不同的船舶污水处理装置，通过引进国外先进的设备和技术，研究设计出不同系列的产品。如南京绿洲机器厂生产的ST型系列处理装置以及由重庆大晃康达公司研制的SBT型系列污水处理装置等[16]。重庆市港航管理局的党志胜等人针对船用污水处理装置在实际运行状态中缺乏有效监管等问题,设计了一种船用污水处理运行监测仪。该监测仪通过监测处理装置里的送风压力、箱体的污水水位和其他状态特征等参数的变化，实现对船用污水处理装置运行状态的监测和控制。此外，杨勇等人采用序批法SBR污水处理工艺，通过对PLC控制系统进行优化改进，增强了船用生活污水处理装置运行的可靠性和稳定性[17-18]。
1.2.3研究评述
国内的研究存在以下方面的特点，一是陆上生活污水处理成中水及回用的研究已开展多年，规范要求、指标及工艺比较成熟，但船用方面需求尚不迫切，因此起步较晚，部分规范指标缺少，需要开展研究；二是国内现行的船用处理设备是物化法、电解法和生物法，三种处理工艺各有优缺点。采用上述工艺的设备虽然经过了陆地上实验室的试验，但面临特殊使用条件（体积重量限制、船体摇晃、污水成分指标差异、水量、间隔处理时间要求等）和适装要求（可靠性、维修性、可用性、安全性、保障性、防护性），后续仍然需要实船验证；三是目前虽然在国内部分特殊类船舶（如试验船、科考船）上进行适装性应用，但是依据特殊类船舶任务使命不同，在人员配置、续航力、航行状态部署、航区等方面有着本质的区别，需要结合主流特殊类船舶的任务特点，开展论文的相关研究工作[19]。
国外方面，美国专门研制废水废物综合处理系统，将各种污水和废物采用粉碎机转换成适合泵输送的浆状物，利用变换器使之高温蒸干或水压机将浆状垃圾分离，转化为固体和液体，蒸馏水排放或回用，固体废物焚烧处理。后勤船舶上安装该系统，编队中的其它船舶将各种废水、废物通过海上补给系统运行至后勤船舶进行集中处理，各船舶可以不单独配置或简配相关处理设备，以充分发挥大型废物废水综合处理系统的作用。但这和美国全球部署的战略和海外基地众多、保障能力充足的先决条件密切关联，且焚烧带来的大气污染同样也需关注。现阶段，欧盟国家采取的生活污水处理方式对我国具有一定的参考借鉴意义[20]。
1.3船舶生活污水概述
在设计船舶生活污水处理自动控制系统前，首先要对其组成及对船舶的影响进行研究，并对其进行科学的分析与设计，以达到对废水处理的要求。一般来讲，船舶的生活污水是以船员（船员及旅客）的日常生活用水为主，按其排放的水质可划分为“灰水”与“黑水”。“灰水”指的是来自于浴室、厨房、洗衣房等污染相对比较小的污水。“黑水”是指卫生间的污水，也就是含有大量高污染的粪便污水。在实际船舶中，除有机物、矿物质之外，还存在着许多微生物、寄生虫、病毒、海洋生物等，因此，随意排放的废水会造成一系列的不良后果。
(1)对水环境的影响
船舶生活污水的无差别排放会对海洋环境产生严重影响。一般来说，海洋水环境可以根据生活在水中的微生物和细菌的分解，将水中的有机物转换成无机物，实现水域的自我净化效果。其分解的无机物被海洋植物吸收而生成氧气，使得微生物可以存活下来，慢慢形成稳定的自我净化循环。如果只需要从船舶排出生活排水的话，大量的细菌和其他的污染物质就会被排出到水域，破坏平衡过程。污染物质过多的话，水环境的氧含量急剧下降，海洋植物的生存变得困难，和鱼等水生动物的移动和死亡相连。另一方面，排水中含有大量的营养成分的话，水生植物就会繁殖，根据繁殖环境粗暴地成长，生态系统会再次被破坏，海洋环境会严重地受到破坏。
(2)对人体健康的影响
船舶的生活污水中所含的病原菌大多是由船员日常生活中排出的粪便产生的。每毫升粪水含有数百万细菌，其中大多数是感染性的病原菌，可能引起各种各样的肠道疾病，对海员的身体健康构成威胁。
船舶生活废水中含有大量的细菌，大部分来自于船员的日常生活垃圾。每毫升排泄物中含有数以百万计的细菌，大多数为传染性病原体，会导致多种肠胃疾病，对船员的身体健康构成威胁。
1.4本章小结
本文将从实际情况出发，通过对比不同船舶生活污水处理设备，确定了采用活性污泥工艺的方法在船舶生活污水处理中的应用具有普遍性。本文对船舶污水的实际工作流程进行了分析，对原处理工艺进行了改进，并按照所设计的控制原理，编写了一套可编程控制器的模拟系统，并通过与PLC进行通讯，实现了对船舶污水的自动控制。
2船舶生活污水处理方法的选择及设计
随着科学技术的不断发展，各类污水处理设备已相继研制成功，如今按照船舶废水的排放模式划分，可将其划分为两大类：一是非排放型的处理，二是排放型的处理。无排放型的处理方式有两种：无排放型的处理方法分为简单贮存法和真空收集贮存法。对于排放型的处理方法主要有生物处理法、电化学处理法、物理-化学处理法、高压氧化法等.
2.1无排放类型处理方法
2.1.1简单贮存法
简单贮存法是一种易于实施的方法，它具有结构简单、使用方便、不会对海洋环境造成伤害的优点。但其弊端也十分明显：贮存器容量过大，势必造成货柜的有效载量下降；污水长期存放于集装箱内，不可避免地会产生臭气、细菌等，因此要求轮机员定期投药、消毒，增加了经济效益；另外，靠岸边的污水处理成本也很高，而且还会延长码头的工期，经济效益并不理想。
其工作原理为：收集船员的日常生活污水，并按其存储能力的实际状况，将其排放至岸边的有关设施进行处理。
2.1.2真空收集贮存法
真空收集贮存法将真空箱与厨房、卫生间等产生生活污水的地方进行连接，污水通过真空箱的真空抽气作用，将污水流入到真空箱，将真空箱的固体污染物集中排入焚烧炉进行焚烧处理，生活污水则流入贮存箱中储存，靠岸时统一排出。它与简单贮存法相比，其优势在于每一次的冲水量显著减少，贮存箱的体积也相应地减小，而且固体污染物的集中焚烧处理也能减少投入的药品，节约了费用。但是，在码头停靠时，废水的处置仍是一笔不小的开支，其经济效益并未得到明显改善。
2.2排放类型处理方法
2.2.1生物处理法
生物处理法，就是利用微生物的降解作用，对生活废水进行处理。主要利用微生物的降解作用，通过建立和保持微生物的生存条件，最终将污水中的有机物分解，生成对环境无害的无机物、二氧化碳和水，从而实现对污水的净化。按其生物降解方法，可以将其分为好氧生物法和厌氧生物法。
好氧生物法主要有两类：活性污泥法和生物膜法。活性污泥法是目前应用比较广泛的一种工艺，其工作原理是以活性污泥为主体，在人工充氧的条件下，将废水与活性污泥混合，并注入曝气，通过生物浓缩，吸附，氧化等方式，使废水中的有机物得以降解，再经固液沉淀，再经固液沉淀，再将部分污泥送至曝气池，另一部分则被废弃，经处理后排放。这是一种具有结构简单、费用低廉、使用方便、操作简便、缺点是必须持续进行曝气维持生物活性的优点。
厌氧生物法是在无氧条件下，通过厌氧细菌等微生物的分解作用来分解污染物中的有机物，最终生成以甲烷为主的沼气。
2.2.2电化学处理法
电化学处理法主要用于有毒生物降解的生活和工业废水的处理。它的基本原理是使污染物在电极上直接或间接发生电化学反应，从而达到减少或去除污染物的目的。这种方法既可以单独处理，也可以与其它处理方法联合使用，但是虽然能改善污水的生物可降解性，也有其不足之处，即对操作人员的操作和维护都有很高的要求。
2.2.3物理-化学处理法
物理-化学处理法是利用物理作用和化学反应来处理污水的一套水处理方法。它可以是独立的一套处理方法，也可以配合生物处理进行后继的废水处理。它主要是通过水质调节、离心分离、过滤、热处理等物理方法和吸附、萃取、接近、沉淀、电解、离子交换等化学方法来对污水进行处理，最终将符合要求的污水排出。该方法拥有占地少、水质好、使用灵活、效果稳定等优点，这种方法占地少，水质好，使用灵活，效果稳定，但是成本高，不适宜用作生活污水的处理。
图2.4物理-化学处理法工作原理图
2.2.4高压氧化法
高压氧化法是将船舶生活污水进行集中加热，再将预热好的污水送入高压容器，污水在高压容器中进行氧化反应，最终生成二氧化碳和水，并释放出大量能量，通过压力容器持续加热，温度会进一步升高，废水会被蒸发，二氧化碳和水蒸气被分离出来，沉淀后的固体杂质会被扔进焚烧炉中。由于该工艺是在高温、高压条件下进行的，所以废水中的细菌、细菌等基本都被杀灭，达到了一定的水质标准后，就可以不经过任何的消毒，直接排放到大海中。但是，由于其前期投入巨大，而且存在着很大的安全风险，因此不能作为一种有效的解决方案。
2.3活性污泥法控制系统的设计
通过对生活污水处理方法的对比分析，可以知道每一种处理方法都有其独特的特点和原理，它们存在各自的优劣性，这也决定了不同的处理方法，对船舶的实用性上面也大不相同。相对而言，无排放类型的污水处理方式空间占用较大，站在经济效应的角度上看明显不适用于目前的船舶生活污水处理。对于排放类型的生活污水处理方式，由于其灵活性和高效性，已经成为现如今船舶最主要的处理方式。其中，电化学处理法操作难度大，管理要求高；物理-化学处理法和高压氧化法所需要投入的资金较为昂贵。由于这些方法都有一定的局限性，性价比不高，使得其在船舶上的使用得到一定的限制。相对而言，虽然活性污泥法存在着需要向曝气池不断注入氧气的缺点，但随着科学技术和船舶航运业的发展，对曝气的控制逐渐成熟。并且对比其他的处理方法，活性污泥法在结构方面比较简便、资金耗费少，性价比高，所以无论是在实用性还是经济性上，活性污泥法是最优选，因此活性污泥法处理系统非常适用于船舶污水的处理。
2.3.1活性污泥法
活性污泥法是利用悬浮微生物的絮体来处理有机污水的一种好氧生物法处理方式。为了设计出适用于船舶的污水处理系统，我们必须对活性污泥法处理机制有着一定的认识，下面讲重点讲解活性污泥法的基本理论、原理以及处理流程。
如图3.1所示，在厨房、卫生间等地方产生的生活污水流到初沉池，在初沉池中初步沉淀，分离出不易沉淀的固体杂质并排出，沉淀一段时间后，将初步沉淀后的污水排到曝气池。曝气池是整套活性污泥法中最关键的环节，在曝气池中，污水与二沉池中返回的活性污泥混合，并连续向曝气池中提供足够的氧气，从而使池中的曝气池和活性污泥发生一定的生物反应。在该反应过程中，首先，活性污泥将废水中的有机污染物吸附到菌胶团表面，并在微生物酶的作用下，部分大分子有机物被降解成小分子有机物；第二个步骤是，在足够的氧条件下，微生物将小分子有机物氧化，最后生成二氧化碳和水，并且由于其生化作用，使自身也得到了一定的增值繁衍，通过曝气池净化作用后的混合液进入二沉池中进行二次沉淀，污水中的活性污泥等固体物质与水之间进行沉淀分离，沉淀后的污泥从二沉池排出，其中一部分作为回流污泥回流至曝气池，以保证曝气池中的悬浮固体和微生物浓度，剩余部分作为废弃物排出系统。它与自然界的“水体自净功能”过程相似，只不过被人为地加强了而已，所以其净化效果更好！
2.3.2初沉池污泥泵的控制
初沉池的最主要的作用是对生活污水中的固体和有机污染物进行初步沉淀，初步沉淀的污泥经过刮泥机的作用刮到池底泥斗内，当所沉淀的污泥量达到所设定的上限值（根据池子的规格设定）启动污泥泵，将污泥排到污泥废弃箱中，当污泥含量下降到所设定的下限值时，停止污泥泵。废弃箱中的污泥不定时进行烘干废弃（非系统重点此处不做重点阐述）。初沉池的控制流程如图3.2所示。
2.3.3曝气池溶解氧DO和风机的控制
在活性污泥法的整套装置中，曝气池是其中最为核心、最为重要的一部分。它的主要作用是分解生活污水中的有机杂物，控制污水中的BOD5值（生化需氧量），使污水在曝气池中与二沉池回流的活性污泥发生生化作用，最终将经过分解净化后的污水排入二沉池。
溶解氧DO的浓度直接影响到污水处理的结果，当浓度过低时，活性污泥中的好氧菌不能得到充足的氧气来维持细胞活性，最终导致无法形成絮体沉淀，大大降低了污水处理的效果；而当浓度过高时，容易导致曝气池中好氧菌的生化反应后絮体分离，无法形成沉淀，并且过高会增加设备的功耗，经济效益也大大降低。
本文设计中，曝气池内安装了氧气浓度测量仪，将当前氧含量浓度的模拟量信号反馈到PLC上，经过 转换，在PLC中对当前氧含量的浓度与设定浓度进行PID计算，PID计算后的结果经过 转换后由PLC将控制信号发送到风机，PLC输出的模拟量控制信号为风机变频器的频率模拟量。
2.3.4回流污泥与废弃污泥的控制
二沉池是活性污泥处理法必不可少的设施，它通过接收经曝气池中曝气后的混合污水，再将活性污泥进行分解沉淀，最终将沉淀后的一部分活性污泥回流到曝气池中补充好氧菌反应物，一部分随着废气泵排出系统外。（由于随着装置的运行，二沉池中的高度必然会不断地上升，故需要利用污泥泵将其排出系统，使系统提高效率。）它的工作原理是当二沉池中的污泥高度达到所设定的污泥上限值时，同时打开回流泵和废弃泵，回流泵将活性污泥回流到曝气池中，废气泵将污泥排出系统外；相反，当二沉池中的污泥高度下降到制定的下限值时，同时关闭回流泵和废气泵。
3软硬件选型及设计
3.1PLC的定义
PLC，即可编程逻辑控制器，是一种专为工业应用而设计的通过数字运算操作的电子系统。该系统采用可编程序
的存储器，并根据相应的指令，对各种机器进行模拟式和数字式的输入、输出，以达到预定的功能。其核心部件包括中央处理单元（CPU）、电源、存储器、输入/输出接口、拓展接口等部分组成。
现如今，工业生产过程是丰富复杂的，PLC种类也是五花八门，但归根结底，他们都有着相似的特点：（1）抗干扰能力强，可靠性高。
（2）造价低廉，功能强大
（3）编程语言形象直观，易于理解
（4）设计，修改，施工，调试和维护方便，周期短
（5）结构简单，通用性强
3.2PLC的选型
在保证控制需求的情况下，选用PLC时，要根据以下几个方面来选择最优的性价比。
（1）性能与任务相适应；
（2）PLC处理速度应满足实施控制的要求；
（3）合理的PLC应用系统结构、机型系统应统一；
（4）在线编程和离线编程的选择
综合考虑以上几点，本文采用的PLC是西门子的S7-1200，S7-1200是SIMATICS7-1200的简称，它是一种低端的离散自动化系统和独立自动化系统中使用的小型控制器模块，可完成简单的逻辑控制，高级逻辑控制，HMI和网络通信等任务。
S7-1200的组成有：
（1）控制器：具备继承profinet接口，用于编程设备HMI或其他SIMATIC控制器之间的通信；
（2）信号模块：用于扩展控制器的输入和输出通道；
（3）信号板：可直接插入到控制器；
（4）通信模块：用于扩展控制器通信接口；
（5）电源、开关模块及SIMATIC存储卡；
SIMATICS7-200系统有五种不同模块，分别为CPU2C、CPU22C、CPU24C、CPU25C和CPU27C。通过对系统的分析，我们确定系统包括17个开关量输入、12个开关量输出、3个模拟量输入和1个模拟量输出。
我们采用CPU1214DC/DC/DC，订货号为6ES7214-1AG40-0XB0的PLC型号，该型号拥有14个数字量输入和10个数字量输出，2路模拟量输入，故我们需要再接一个扩展模块和一个模拟量输入模块，扩展模块是SM1223DI8D08，订货号为6ES72231BH32-0XB0，该模块拥有8个数字量输入和8个数字量输出；扩展模块是SM1234AI4x13位/AQ2x14位，订货号为6ES7234-4HE32-0XB0，该模块拥有4个模拟量输入和2个模拟量输出。
3.3硬件的电路接线图
硬件的电路接线图接线图是将输入/输出信号分配的地址用接线图的方式表现出来，它包括系统输入输出点与PLC和扩展模块的连接，对信号和地址之间的关系进行了直观、清晰、便于调试、提高故障排除等。本文所提供的信号接线图是根据CAD软件进行设计的，并根据设计图完成硬件的接线工作。
（1）PLC模块接线图
图3.1和图3.2是CPU1214DC/DC/DC的硬件接线图和拓展模块，其中包括开关量输入输出模块和模拟量输出输入模块：I0.0-I2.2是开关量输入，Q0.0-2.1是开关量输出。氧含量信号、沉淀污泥量、二层污泥量是模拟量输入，风机速度是模拟量输出。
图3.1PLC硬件接线图
3.2PLC拓展模块接线图
（2）控制回路图
图3.3是PLC的控制回路图，PLC带动中间继电器，当对应的中间继电器线圈上电以后，开关闭合，对应的指示灯亮起。KM1、KM2、KM3、KM4分别是污泥泵，风机，回流泵和废气泵的接触器；FU1和FU2为熔断器，起到保护电路的作用；
（3）I/O口分配
根据实现的功能，IO分配表如图所示，其中包括17个开关量输入、12个开关量输出、3个模拟量输入和1个模拟量输出。
表3.1I/O口分配表
| 开关量输入 | 开关量输出 | 模拟量输入 | 模拟量输出 | ||||
| 地址 | 变量 | 地址 | 变量 | 地址 | 变量 | 地址 | 变量 |
| I0.0 | 选择手动 | Q0.0 | 手动指示 | IW64 | 氧含量信号 | QW100 | 风机速度 |
| I0.1 | 选择自动 | Q0.1 | 自动指示 | IW100 | 沉淀污泥量 | ||
| I0.2 | 手动开污泥泵 | Q0.2 | 污泥泵故障灯 | IW102 | 二沉污泥量 | ||
| I0.3 | 手动关污泥泵 | Q0.3 | 风机故障灯 | ||||
| I0.4 | 手动开风机 | Q0.4 | 回流泵故障灯 | ||||
| I0.5 | 手动关风机 | Q0.5 | 废弃泵故障灯 | ||||
| I0.6 | 手动开回流泵 | Q0.6 | 急停按钮灯 | ||||
| I0.7 | 手动关回流泵 | Q0.7 | 自动运行的 | ||||
| I1.0 | 手动开废弃泵 | Q1.0 | 污泥泵运行 | ||||
| I1.1 | 手动关废弃泵 | Q1.1 | 风机运行 | ||||
| I1.2 | 自动启动 | Q2.0 | 回流泵运行 | ||||
| I1.3 | 自动停止 | Q2.1 | 废弃泵运行 | ||||
| I1.4 | 急停按钮 | ||||||
| I1.5 | 污泥泵故障 | ||||||
| I2.0 | 风机故障 | ||||||
| I2.1 | 回流泵故障 | ||||||
| I2.2 | 废弃泵故障 |
3.4软件程序设计
3.3.1TIAPortal
为了更好地体现所设计的控制程序，本文利用TIAPortal软件编制了程序和进行仿真设计，并对其进行了最终效果展示。
TIAPortal全称为TotallyIntegratedAutomationPortal，即全集成自动化软件，是由西门子工业自动化集团推出的一款全新的全集自动化软件。该软件是行业中首款应用了统一的工程组态与软件项目环境的软件，几乎能够适应各种自动化工作。本设计使用了SIMATICSTEPV15的组态软件.
3.3.2设计流程
当系统开始启动时，可以自主选择手动模式和自动模式。当系统位于手动模式时，可以手动启动和停止各个设备的运行状态，包括初沉池污泥泵的启停，曝气池中风机的启停，并且同时可以手动调节风机的转速，二沉池中回流泵与废气泵的启停；当系统位于自动模式时，沉淀池自动检测池内污泥含量，当污泥含量到达上限值时，自动启动污泥泵，到达下限值时停止污泥泵；同时风机运行，风机根据曝气池中的含氧量进行PID计算控制风机速度；为了系统正常运行，当二沉池中的污泥含量到达设定上限值时，回流泵和废气泵同时打开，回流泵将污泥回流到曝气池，废气泵将污泥废弃出系统外，当污泥含量下降至下限值时，回流泵与废气泵关闭。
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