基于PLC和GPRS无线通信的污水厂监控系统设计.pdf

电 气自 动 Zr 2 0 1 0 年 第3 2 卷第5 期 自动控制 系统与装置 Au t o ma t ic Co n t r o l S y s t e ms E q u i p me n t s 基于 P L C和 G P R S无线通信的污水厂 监控 系统设计 庞科旺 王庆 2 梁博宁 1 1 ．江苏科技大学 电子信息学院 ， 江苏 镇江 2 1 2 0 0 3 ； 2 ．镇江市水业总公司 。 江苏 镇江 2 1 2 0 0 2 摘要 利用 I n t e r n e t 和 G P R S远程网络， 实现了污水处理厂的计算机集中监控。针对厂区的分布和污水处理的特点及要求， 对监控系统 的结构 、 通讯方式 、 硬件配置和监控组态软件进行 了设计 。 关键词 污水处理以太 网G P R S 控制系统设计 图分类号 1 T P 2 7 3 ； T P 3 9 3【 文献标识码】 B【 文章编号 】 1 0 0 0 ． 3 8 8 6 2 0 1 0 0 5 - 0 0 3 6 - 0 3 Mo n i t o r i n g a n d Co n t r o l l i n g Sy s t e m De s i g n o f t h e Se wa g e Pl a n t Ba s e d o n PL C a n d G PRS W i r e l e s s Commu n i c a t i o n s P ang K e w a n g Wa n g Q i n g 2 L i a n g B o n i n g 1 ． S c h o o l o fE l e c t r o n i c s a n d I n f o r m a t i o n ，J i a n g s u U n i v e r s i t y o fS c i e n c e a n d T e c h n o l o g y ,Z h e n j i a n g J i a n g s u 2 1 2 0 0 3 ， C h i n a 2 ．Z h e n j i a n g W a t e r I ndu s t r y C o r p o r a t io n ， Z h e n j mn g J i a n g s u 2 1 2 0 0 2 ，C h i n a Ab s t r a c t Us i n g I nt e me t a n d GPRS r e mo t e n e two r k， a c e n t r a l i z e d mo mt o fin g a n d c o nt r o l l i n g o f s e wa g e t r e a t me n t p l an t s wa s a c h i e v e d ．Fo r t h e d i s t r i b uti o n an d s e wa g e t r e a tm e n t f e a tur e s an d r e qu i r e me n t s ， t he s t r u c t ur e o f the mo n i t o rin g a n d c o n t r o lli ng s y s t e m， c o mmu n i c a t i o n s ， h a r d wa r e c o n fig u r a t i o n an d mo n i t o rin g a n d c o ntr o l l i n g c o n f i g u r a t i o n s o ft wa r e b e d e s i g ne d ． Ke y w o r d s s e w ag e t r e a tm e n t e e me t mo mt o rin g a n d c o n t r o l l i n g s y s t e m G P R S O 引言 将现代控制和网络技术运用到污水厂的控制中去，是目前污 水处理领域研究 的重要课题 。 江 苏镇江市丹徒污水处理厂承担着丹徒新区全 区的污水处理 的任务 ， 厂区内除控制设备较分散外 ， 还有一个 3公里左右 的远程 污水收集泵站需要监控。本文是 以此为背景的污水厂监控系统设 计 ， 实现对全厂的全 面 自动化控制改造。 1 污水处理 的控 制工艺流 程 丹 徒污水处理厂的污水处理工艺 主要 由进水泵房 、百乐克污 水处理 系统 和污水排放三部分组 成 ， 如图 1 所示 。 进 水泵房 由粗格栅和进水提升泵站组成 ，粗格栅用于滤除污 水 中大的漂 浮物 ，提升泵站用于调节污水池的水位和向百乐克污 水处理系统输送污水 ； 百乐克污水处理系统 由细格栅 、 百乐克生化 池 、 刮泥桥 、 回流污泥泵和波浪氧化鼓风机组成 ， 完成 污水 的处理 ； 污水排放部分主要由脱水泵 、 滤布滤池和紫外线消毒池组成 ， 用于 完成达标水的排放。 2 控制 系统 的结构 2 ． 1 控制 要求 由于该系统控制设备多且分布广， 传输数据多而分散， 对通信 的安全性和可靠性的要求相对较高 。改造后 的 自动控制系统能对 厂内的所有控制设备具有集 中监控和统一管理 的功能 ，在此前提 下， 整个控制 系统 的结构要求简洁、 流畅 ， 数据管理统一 、 方便 ， 系 统硬件先进 、 可靠 ， 保证 系统长期运行的稳定性 “ 。 2 ． 2 系统网络结构 根据现场设备分布情 况和控制要求 ， 系统组网方案按 “ 无人值 班、 少人值守” 的原则 ， 采用 S i e me n s 可编程控制器 P L C 为数据采 图 1污水处 理控制工艺流程图 3 6 E le c t r i c a l Au t o ma t ion 集器件 ， 结合其 P r o fi b u s D P总线 、 工业 以太网和 G P R S无线 通信， 组成开放的分布式计算机监控系统， 综合应用数据 自 动采集 、 远程控制 、 网络通信 、 数据存储与处理等技术 ， 为污 水 自动化控制提供一个可视化 、 智能化的技术支持平 台。控 制系统网络结构如 图 2所示。 整个系统分 为厂区 内、外两个 部分 ，厂区 内部有 5个 P L C工作站和 1个中央控制室 ， 厂外有一个远程提升泵站 。 厂 内的 5 个 P L C工作站分 别设立在脱水机房 、 细格栅房 百 乐克控制 、 进水泵房 、 滤布滤池和紫外线 消毒池 ， 通过以太 自动 控 制 系统 与装 置 电 气自 动 化 2 0 1 0 年 第3 2 卷第5 期 Au t o ma t ic Con t r o l Sy s t e ms＆ E q u i p me n t s 百 乐 克 污 水 处 理 图 2控 制系统 网络结构图 网交换机与 中央控制室连接 ； 厂 区外远程提升泵站 由 P L C s 7 2 0 0 作为控制单元 R T U ， 由 3 层 网络结构连接 ， 下层通过 R S 4 8 5总线 连接 到 P L C ， 中问层通 过 G P R S网络接入 l n t e r n e t ， 上层经防火墙进 入中央控制室 的以太网。 3 系统硬件配置及功 能 3 ． 1 P L C的 配置 进水泵房 的控制由西门子 s 7 3 0 0 P L C配以 C P 3 7 3 1以太 网模 块组成 ， 主要完成 3台进 水泵 、 电动 阀、 粗格栅等的控制及进水 流 量的监测 。 百乐克系统采用西门子 s 7 3 0 0 P L C ， 选用 C P U 3 1 5 2 D P ， 配 以 C P 3 7 3 1 以太网模块 ， 直接与进水泵房 的以太 网交换机连接 ， 并带 有 2 个远程 I ／ O站 和 1 个变频器控制站。 l i z 程 I ／ O子站用 于细 格栅 、 增压泵 、 鼓风机 、 压力阀 、 气 阀、 刮泥桥 、 回泥流泵等的控制和 进水 口 P H值 、 氧化池容氧值 的检测 ， 2 娥重 程 I ／ 0子站用 于氧化池 1 、 2 软起鼓风机 的控制 ， 变频器控制站和 s 7 3 0 0通过 P r o fi b u s 总 线连接 ， 用于控制 3 群 变频鼓风机。 滤布滤池和紫外线消毒池选用 s 7 2 0 0 P L C，配以以太网通信 模块 ， 直接与脱水机房的以太网交换机连接 。 环东路远程 s 7 2 0 0选用 C P U 2 2 4 ，配以 G P R S无线通 信模 块 与中央控制通信 。 3 ． 2 人机 界面 操作 站 中央控制室设有 2个操作员站 ， 其 中一个兼作 工程师站 ， 选用 研华 I P C 一 6 1 0 ／ P 4 2 ． 0 G／ 8 0 G工控机作为控制计算机 ，配置 1 9寸 液晶显示器 、 打印机 、 U P S电源 ， 装有 l n t o c h 8 ． 0组态软件 ， 实现对 整个 系统 的监控功能。 3 ． 3 无线通信设备 环东路泵 站 s 7 2 0 0 系列 P L C采用专 用 的 G P R S无线 数据通 信模块 S I N AU T MD 7 2 0 3， 该 模块 主要 由 G P R S调制 解调 器 、 天线 和 G P R S通信 管 理软 件 S I N A U T Mi c r o S C 集 成 O P C S e r v e r 等 组 成 ， 实现 s 7 2 0 0 P L C的 G P R S无线 连接 。 s 7 2 0 0 P L C通过 传感器 对现场数 据进 行实时采集和处理 ， 把现场采集到 的实时数据通过 F 图 3 控制程序结构 图 G P R S模块 发送 到 G P R S网络 ， 利用 T C P ／ I P 传 输方 式 以 I P包的形 式 由 G P R S网络发送 到 I n t e me t 网上 ， 通 过 A D S L M o d e m信号路 由 器 V P N解 密 后 ， 再 将 解密 后 的数 据包 通过 E t h e me t 转 发到数据 中心服务器 上进行数据 接 收处理 ， 与此 同时数据 中心服 务器担负着 向 s 7 2 0 0 P L C工作站 发送相 应控制 指令数 据 的任务 1 。 作 为客户机 的中央控 制室监控 主机从数据 中心服务器上取得数据在人机操作界面软件上完成对 泵站 的监控 。 防火墙 选用网景达 G a t e P l u s V G W2 0 0 0 ，该设备具有 l 2口交 换机 ， 超强上网管理 ， 带宽绑定功能 ， 强大的防火墙策略 ， 支持 A D S L接人方式。 4 控 制软 件设计 程 序设计采用模块法编程思想 ，根据现场设 备及工艺流程 的 特点 ， 编制各种子程序 功能模块 。 7 - 2 0 0 P L C通过 P C ／ P P I 编程电缆 ，采用 S T E P 7 2 Mi c m／ Wi n 3 2 V 4 ． 0编程软件 ， 将编写 的程序分别下载到 P L C的 C P U中， 完成对紫 外线消毒池 、 滤布滤池和环东路泵站相关数据的采集和设备的控制 等 。s 7 3 0 0 P L C的网络组态和硬件配置及编程在 S T E P 7 V 5 ． 4编程 工具中完成 ， 它全面支持全集成 自动化功能 ， 可将数据管理 、 通信 、 编程同时集成在一个环境中完成 。 下面以进水泵房为例 ， 说明控制 软件的设计方法。 进水泵房是一个相对独立的系统 ， 由 2台格栅 、1台螺旋输送机和 3台排水泵 及出水 阀组成 。 P L C程序的组织结构如图 3所 示 。 格 栅和螺旋输送机控制 工艺为 只 要进水 阀门没有关闭 ， 格栅必须运行 ， 螺 旋输送机 随格栅联动 ； 格栅停运后 ， 螺旋 输 送机 延时停止 。 控制程 序流程图如图 4 所示 。 3台排水泵用 于将污水 提升到 污水 处理系统。 其控制工艺为 污水池的液位 决定排水泵 的开启 台数 ； 3台泵等时轮值 工作 。 出水阀与排水泵联动 ， 排水泵启动 后， 对应的出水阀延时打开， 排水泵停运 后 ， 延 时关 闭出水 阀。 决定某 1 台排水泵 工作与否的条件为 1 该排水泵是否处于工作组中， 如 {启动螺旋输送机j ◆ 延 时停 螺旋 输送 机 图 4 格栅控制 程序流程图 E l e c t r ic a I Au t o ma t io n 3 7 ‘ 电 气自 动 化 2 0 1 0 年 第3 2 卷第5 期 自动 控 制 系统 与装 置 Au t o ma t i c Co n t r o l S y s t e ms＆ E q u i p me n t s 果“ 是” ， 用⋯ 1 ’ 表示， 否则用⋯ 0’ 表示。 3台排水泵， 采用3位二进制数 表示工作组的状态， 如 l O 1 表示第 1 、 3台水排水泵处于工作组中。 2 当时液位所处 的状态 ， 即液位条 件。此条件用 以确定排水 泵的开启 台数 。 3 该排水泵 当时的状态 ， 即排水泵是否有故障 。当某台排水 泵出现机械故障 、电机故 障或控制器故障等异常情况 时则不能投 入运行 。 在编程时，根据液位条件字和工作组控制字即可对排水泵进 行等时轮值控制。将液位 h 分为 3 个等级 低液位 液位 0 、 中液 位 液位 1 和高液位 液位 2 ， 控制程序流程 图如图 5 所示 。 5 上位机设计 上位机软件采用 Wo n d e r w a r e 公 司的 I n t o u c h 9 ． 0版本 ，I n t o u c h 是专 门为过程控制和现场监控开发的监控 系统软件 ，支持 T C P ／ I P 协议和 O P C标准。 l n t o u c h是采用面向对象 的软件编程技术 ， 具有强 大的数据处理能力和友好 的用户界面 ，并提供了强大 的数据库功 能、 在线帮助功能 、 诊断功能 、 安全保护功能、 事故追忆功能等， 另 外， 利用 P C A C C E S S软件 ， 通过 O P C ， 可与 s 7系列 P L C建立连接。 利用 I n t o u c h 组 态软件完成上位机所需 的现场设 备监控 画面， 包括系统设备运行状态图 、 工艺参数报警 、 液位 等模拟量趋势 、 操 作日志、 报表输出等。可直观、 动态地显示出现场各部位重要参数 的变化 ， 实现人性化 的信息交换 。 6 结语 本设计利用功能强大、 可靠性高的西门子 P L C 对现场设备进 行控制，同时综合运用了I n t e r n e t 和先进的移动 G P R S网络， 解决 了整个污水处理厂数据的采集 和远距离传输问题 ，融合了较先进 的现场 总线技术 、 计算机技术 、 通信技术和软件技术 ， 实现测 、 控 、 管一体化 的污水处理厂综合 自动化功能 。本设计在现场已成功应 用 ， 运行效果 良好 。 参考文献 【 1 】 赖源平等． 南溯水 厂 自动化综合监控系统 【 J 】 ． 中国给水排水 ， 2 0 0 6， 2 2 入口 N N 拜 水泵故 、 ＼数 1 ／ N r仑 值 时 间 、 丽 泵 控 制 字1 ]一 手动控 工作组 控制 字 右移1 位 图 5 排水泵控制程序流程图 2 0 ． 【 2 】 李冬玲 ， 马爱龙． 换热站 自动控制和 G P R S远程数据传输 系统的设计与 开发 【 J 】 ． 低压 电器 ， 2 0 0 7 2 4 [ 3 】 冯 冬芹 ， 黄文 君． 工业 通信 网络与 系统集 成 【 M】 ． 北京 科学 出版社 ， 2 0 0 5 【 4 ] 崔坚． 西 门子 s 7 可编程控制器 一 S T E P 7 编程指南 【 M】 ． 北京 机械工业 出 版社 ， 2 0 0 7 【 5 】 马正午 ， 周德兴． 过程可视化组态 软件 I n T o u c h应用技术 【 m1 ． 北京 机 械工业 出版社 ， 2 0 0 6 【 作 者简 介】 庞科 旺 1 9 6 3一 ， 男， 陕西成 阳人 ， 副教授 ， 主要从 事电力电子 与电力传动 方面的教 学和研 究工作 。 王庆 1 9 7 4一 ， 男， 江 苏镇 江 人 ， 工 程 师 ， 主 要 从 事 自动 化 设 备 的 运行 与 管 理 工作 。 梁 博 宁 1 9 7 8一 ， 男， 陕西西安人 ， 讲师 ， 研 究方向为工业 自动化。 上接第 3 5页 且克服了纯滞后环节带来 的影响， 使系统能够有较好 的控制品质， 表现出 良好 的鲁棒性 。 3 上位机监控 系统 本控 制 系统组 态 软件 采用 K i n g v i e w f o r B R 1 ． 0 ． 1版本 。 K i n g i e w fo r B R 1 ． 0 ． 1 是专 门针对 贝加莱 P C C的上位机监控软 件 。系统通过 O P C完成上位机与下位机 的通信 。在 K i n g v i e w fo r B R 1 ． 0 ． 1 监控画面中，可以实现 自动控 制调 节中的手动 ／自动 切换 、给定值输 入、参数输入等功能 ，使操作人员操作管理很方 便。利用组态王软件可以完成监视器显示所需的现场设备监控画 面。如系统状态图、 硬件报警 、 工艺报警 、 模拟量趋势 、 对 比趋势 、 操作 日志 、 报表输 出等 ， 可直观 、 动态地显示 出现场各部位重要参 数 的变化 。以回用加水泵房为例 ， 如 图 6所示 。 4结束语 基于 自适应模糊 控制 的回用水泵房的控制系统 已经在 民勤县 污水处理厂投入使用 ，系统运行稳定。以工控机为核心的污水处 理回用加水泵房 自动控制 系统 ，采用模糊控制技术实时检测回用 出水压力 ， 并 采用变频调速方式控制 电动 阀， 通过控制三 台回用水 3 8 E l e c t r ic a I Au t o ma t i o n 泵的运行从而控制 回用 出水压力 ， 具有成本低 ， 性价 比高的特点 。 从 而提高 了污水处理的效率 。 参考文献 【 1 ] 王永 庆 ． 人 工智能 原理 及其 应用 【 M】 ． 西安 西 安交 通大 学 出版社 ， 1 9 98 ． [ 2 ] 王树东 ， 曹爱红 等．模糊 自调 整 P I D控制在 电厂锅炉水处理 中的应用 [ J ] ． 工业用水 与废水， 2 0 0 5 ， 1 7 0 6 1 0 0 6～4 8 2 6 ． [ 3 】 王 淑青， 谭建军 ， 刘 辉， 张子蓬 ． 自适应模糊控 制器在水 电机组控 制中 的应用[ J 】 ． 湖北工业大学学报， 2 0 0 5 ， 2 0 6 4～ 6 【 4 】 彭 勇真 ． 污水 处理 系统 的在 线模糊 控制 【 J 】 ． 哈 尔滨建 筑大学 学报 ， 1 9 9 9 ， 3 2 4 【 5 】 陈平 ． 基于积分 的锅炉水位 自整定模糊 P I D控制 【 J 】 ． 电子测量技术 ， 2 0 08 ． 1 1． 31～4 0 ． 【 6 】 贾 剑平 ， 徐坤 刚． 基于模糊 自适应整定 P I D 的水 下焊缝跟踪 【 J 】 ． 上海 交通大学学 报， 2 0 0 8 ， 1 1 6 9～7 2 ． [ 7 】 李友善 ， 李军． 模糊 控制理论 及其在过程控制 中的应用 [ M】 ． 上海 上海 交通大学出版社， 1 9 9 7 ． [ 作者 简介 ] 王树 东， 1 9 6 5一 ， 男， 山东省青 岛人 ， 教授， 主要从 事计算机 自动控制技术、 智能检 测技 术的教 学与应用研 究工作。