基于PLC与WinCC的污水处理自动监控系统的设计.pdf

2 O 工业仪表与自动化装置 2 0 1 0年第 2期 基 于 P L C 与 Wi n CC 的 污水 处 理 自动 监 控 系统 的设 计 李建民 ， 裴永清 ， 董国军 ， 李慕洁 1 ．兰州X - ,_lk 高等专科学校， 兰州7 3 0 0 5 0 ； 2 ． 甘肃百川科技公司， 兰州 7 3 0 0 5 0 摘要 阐述 了以工控机和 P L C以及检测仪表与控制设备组成污水处理 自动监控 系统的设计方 法， 工控机以 Wi n C C软件进行组态， P L C作为现场控制单元， 配合各种检测设备对污水处理 中的工 艺参数进行采集， 实时监测污水处理过程与设备运行状态， 并对现场设备进行相应控制； 利用现场 总线进行数据 交换 ， 完成污水处理的 自动监控与管理。 关键词 污水处理 ； 现场总线 ； P L C； Wi n C C； 自动监控 中图分类号 T P 2 7 3 文献标志码 A 文章编号 1 0 0 0 0 6 8 2 2 0 1 0 0 2 0 0 2 0 0 4 De s i g n o f a ut o ma t i c mo n i t o r a nd c o nt r o l s y s t e m f o r s e wa g e t r e a t me nt b a s e d o n PLC a n d W i n CC L I J i a n mi n ， P E I Y o n g q i n g ， D O N G G u u n ， L I Mu j i e 1 ． L a n z h o u P o l y t e c h n i c a l C o l l e g e ， L a n z h o u 7 3 0 0 5 0， C h i n a ； 2 ． G a n s u B a w h u a n S c i e n c e a n d T e c h n o lo g y ，L a n z h o u 7 3 0 0 5 0， C h i n a Ab s t r a c t Th i s p a p e r s e t f o r t h a me t h o d t o d e s i g n a a u t o ma t i c mo n i t o r a n d c o n t r o l s y s t e m f o r s e wa g e t r e a t me n t w h i c h c o n s t r u c t e d b y i n d u s t ri a l c o mp u t e r ，P L C，t e s t i n s t rume n t s a n d c o n t r o l e q u i p me n t s ．I n d u s t r i a l c o mp u t e r i s c o n f i g u r e d wi t h s o f t wa r e W i n CC．An d wi t h PL C a s fie l d c o n t r o l u ni t ，i t c o l l e c t s t e c h n i q u e p a r a me t e r s b y c o o pe r a t i o n o f v a rio us t e s t i n s t rume n t ，mo n i t o r s a n d me a s u r e s t r e a t me n t pr o c e s s i n g o f t h e s e w a g e a n d t h e wo r k i n g c o n d i t i o n o f t h e e q u i p me n t s i n r e a l t i me ，a n d c o n t r o l s t h e e q u i p me n t s i n t h e fi e l d ．F i n a l l y，a u t o ma t i c mo n i t o r a n d me a s u r e me n t for s e wa g e t r e a t me n t wa s a c c o mp l i s h e d b y ma k i n g u s e o f d a t a e x c h a n g e w i t h fi e l d b u s ． Ke y wo r d s s e w a g e t r e a t me n t ；fi e l d b u s ；P L C；Wi n CC；a u t o ma t i c mo n i t o r a n d c o n t r o l O 引言 随着经济快速发展和城市化进程的加快 ， 城市 污水的排放与处理问题日益受到重视， 我国的城市 污水处理相对于发达国家起步较晚 ， 城市污水处理 普遍存在效率低 、 能耗高、 自动化程度低等问题。因 此， 设计满足污水处理工艺要求的、 采用集中监控的 具有控制与管理一体化 的综合控制系统 ， 完成整个 污水处理厂的过程控制、 处理过程参数显示、 设备运 行状态显示及故障报警等功能的自动控制系统， 具 有非常现实的意义。 该文以某 城市 日处理污水 能力 8 0 0 0 t ， 采用 S B R污水处理工艺 的污水处理厂为例 ， 介绍污水处 收稿 日期 2 0 0 9 0 9 0 4 作者简介 李建 民 1 9 6 1 ， 男 ， 副教授 ， 研究方 向为检测 与 自动 控制 系统。 理 自动监控系统的设计。系统以工业控制计算机 、 可编程逻辑控制器及现场仪表和控制设备等构成； 可编程控制器选用西 门子公司的 s 7 3 0 0系列 P L C ， 工控机中用Wi n C C组态软件作为人机界面， 完 成污水处理厂 自动化运行的监控与管理。 1 系统硬件设计 根据污水处理厂构筑物的分布 以及 S B R法污 水处理工艺的特点， 将监控系统分为管理级 、 控制级 和现场级， 在现场信号采集点和电控设备较为集中 的地方设立3 个现场控制站， 现场控制站分别为污 水提升泵房站、 曝气池 S B R反应池 站、 污泥脱水 机房站 ， 将现场检测仪表与控制设备接人各现场控 制站， 通过现场总线将管理级上位机、 控制级 P L C 与检测仪表和控制设备等进行连接， 系统硬件组成 结构如图 1 所示。 2 0 1 0年第 2期 工业仪表与 自动化装置 21 城区污水处理厂 自控系统结构图 ． ． ．▲ 一 号S B R反应池 二号S B R反应池 三号S B R反应池 四号S B R反应池 图 1 污水处理 自动监控系统结构 1 管理级 是整个监控系统的中枢 ， 管理级提 供人机接 口， 是整个控制系统信息交换的界面 ， 主要 完成系统组态、 控制参数在线修改 、 污水处理工艺参 数显示 、 设备运行状态显示和设备集 中控制、 超 限故 障报警 、 报表打印等功能。考 虑到管理层功能结构 的层次性 和可分割性 ， 采用客户／ 服务器体系结构 ； 服务器选用大型的网络关系数据库 ， 满足开放 、 分布 式数据库管理方法的要求。管理级采用两台工控计 算机， 两台计算机分别侧重监控与管理功能， 具有相 互通信功能， 实现数据交换和共享， 它们之间的通信 协议是 T C P ／ I P ， 故 障时互为备用 ， 具有灵 活的运行 方式。这种结构可使生产过程中的信息集中管理， 以实现整体操作 、 管理和优化 ， 同时也使得控制危险 分散， 提高系统的可靠性。 2 控制级 是管理级与现场级之间的枢纽层， 其主要功能是接受管理级 的参数或命令 ， 同时实现 现场数据的采集、 数据上传、 对污水处理生产过程进 行控制等 功能。管理级 的计算 机与控制 级 的 P L C 之间由光缆进行连接 ， P L C配置通信模块接 口， 采用 工业以太网实现数据通信。 3 现场级 是实现系统功能的基础， 现场级主 要由传感器、 检测仪表、 控制设备等组成， 其主要功 能是完成其范围内的生产过程、 仪表、 设备的检测并 将检测到的数据上传 ， 接受控制级 的指令对执行机 构进行控制等 ； 各设 备分区 M C C、 现场检测仪表等 采用 P r o fi b u s D P现场总线进行连接。 2系统软件设计 2 ． 1 上位机监控软件 监控画面主要实现生产工艺流程的实时监视 ， 显示全厂各个工段的工艺参数值 、 设备工作状态 的 电气参数值以及各种设备的运行状态信息， 并具有 超限报警、 历史数据查询、 报警记录查询、 报表打印 等功能。上位机需对各 P L C控制站发送来 的数据 进行分析处理、 储存、 建立数据库， 并向各 P L C控制 污 水 处 理 控 制 系 统 图2 上位机监控软件结构图 ～ 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 2 2 工业仪表与自动化装置 2 0 1 0年第 2期 站发布指令 ， 实时控制和调节设备运行； 由于监控系 统需覆盖污水处理的整个生产流程， 过程信息量较 多， 因此， 监控软件的设计既要合理安排信息的反映 形式 ， 又要突出重点与简洁明了， 尽可能地提高软件 的易用性 ； 上位机 以 Wi n d o w s X P为系统平台， 采用 S i e m e n s Wi n C C软件集成 ， 该软件除完成一般监控 组态软件 的功能外， 还加人 了各种控件和 c脚本编 程以实现复杂功能， 上位机监控软件结构如图 2所 示 。 2 ． 2 P L C控制软件 图 3 污水 提升泵房控制流程图 系统控制点多， 所 以首先进行了各控制部分的 划分 ， 根据对该污水处理厂控制功能的划分， 将现场 P L C的控制分为 3个功能块 ， 即格栅提升泵房控制、 S B R池控制和污泥处理控制。P L C控 制软件采用 S T E P ／V 5 ． 3软件包进行设计， 该软件包中集成了通 过以太网口进行在线操作的以太网驱动， 可对 I ／ O 设备进行组态和参数化， 能对任何连接到控制总线 的节点进行测试 和启动 ， 可在线修改 系统 中任一点 的用户 程序。该 软件 具 有梯 形 图 L D 、 功 能 块 D F B 和指令表 I L 及结构化文本语言等多种编 程语言供编程时使用。程序编写采用模块化设计 ， 增强了程序的可读性 ， 便于维护。如格栅提升泵房 控制 中根 据 集 水 井前 后 的水 位 差 设 计 了 O B 1 、 OB2 0 OB 211 OB2 2 FB1 FB2 F B3 F B4 DB1～DB7 ， 共 1 5个逻辑块 ， 其控制流程如图 3所示。 3 主要监控功能 3 ． 1 流程监控 为能及时地掌握整个 污水处理系统 的运行情 况 ， 方便、 准确地实施运行控制 ， 上位机软件 中建立 了工艺流程、 污水提升泵房、 曝气池 S B R反应池 、 污泥脱水机房等一系列监控画面 ， 工艺流程监控画 面如图 4所示 。实时动态显示工艺流程中的主要工 艺参数值， 包括对污水处理中的主要工艺参数 p H 值、 进水浊度 、 溶解氧浓度、 化学需氧量 、 污泥浓度、 氧化还原电位、 液位等 。 3 ． 2过程监控 通过点击流程监控画面中的控制按钮 ， 操作界 面可分别进入污水提升泵房、 曝气池、 污泥脱水机房 监控画面 ， 在各分画面中， 动态显示 了实时检测数据 与设备的工作状态， 形象地反映了各现场的工作情 况和控制设备的启停或故障状态， 曝气池监控画面 如 图 5所示 。 3 ． 3监控功能 1 查看运行情况 从上位机的监控 画面可直 观的看到现场各站的运行情况， 各种设备的工作状 态。 2 数据采集 可 以实时显示水位、 温度 、 流量、 电机电流、 流量累计 、 流量电流比等来 自现场的各种 相关数据和参数。 3 远程控制 实现对各站的集中控制 ， 从上位 机可以控制现场各种 电动设备的开启 、 关闭和停止 以及电机的调速控制等。 4 报警 一旦发生超限或设备故障都会引起 系统的报警 ， 并 能显示短时期 内的报警情况 包括 报警单位、 报警款项及是否 自动消除等 。 5 实时数据记录 可以将一段 时间之 内的水 位、 温度、 含氧量、 流量及流量 累计等实时数据进行 记录， 并可打印。 6 曲线分析 各种数据的趋势显示 ， 直观地看 到数据的变化情况。 7 总停 监控域面上设有总停按钮 ， 用来应付 紧急情况 停止所有设备的运行 。 2 6 工业仪表与自动化装置 2 0 1 0年第 2 期 3 ， 主要进行高度、 水平角的计算 ， 控制电机进行相应 的动作 。 2 ． 2 ． 3 系统程序运行流程 根据 C ／ O S I I 实时操作系统的要求， 在主函 数中创建任务 0 ， 在该任务中再创建其他几个任务， 主程序流程如图 3所示 。 R M 处理器初始t I I ／ O口 初 始化l ● L C D口初始化 操作系统初始化 ● l 创建 信号 量l 创建任务T a s k 0 启动整个系统 P 0 ．0 ． P 0 ． 1引脚连接 UA R T 0 ● 串口初始化； 设置波特率； 设置数据格式 包括数据位、 停止位和奇偶校检位 从上位机接收字符串并保存 向串口0发送数据 图3 主程序流程图 图4 发送程序流程图 在该程序 中， 角度传感器通过串口 R S一 2 3 2以 查询方式发送“ D ” 测量命令 ， 再 以中断方式接收 测量到的角度数据 ， 回传数据格式为“ D X X X X X ” X X X X X为角度数据 ， 经过程序换算为脉冲数， 发 送程序流程见图4 ， 接收程序流程见图 5 。 P o ．0 ， P 0 ． 1 引脚连接 U A R T 0 串口初始化 设置波特率； 设置数据格式 包括数据位、停止位和奇偶校检位 I R Q使能中断； 设置中断向量控制器； 分配中断 l 通道号； 设置中断服务程序地址； 使能 U AR T 0 l 垂至 N Y l 向U A R T 0 发 送 接收 到的 数 据，清除r c v 标志l 图5 接收程序流程图 3 结论 该 文采 用 了基 于 A R M7的 3 2位微 处 理 器 L P C 2 2 9 0和实时多任务操作系统p C ／ O S I I 相结合 的方式设计太 阳跟踪控制 系统 ， 该系统通过合理调 度多任务实现管理 ， 并在对系统 中电机和控制环境 所存在问题进行分析的基础上 ， 提出了加入反馈形 成闭环控制的方法 ， 使得该太 阳跟踪 系统实现 了对 太 阳的全天全 自动跟踪 ， 并且具有跟踪范围大、 精度 高、 可靠性高的特点。 参考文献 [ 1 ] 詹华， 姚士洪 ．对我国能源现状及未来发展的几点 思考[ J ] ． 能源工程， 2 0 0 3 ， 3 1 4 ． [ 2 ] 张翌狲 ． 基于 D S P的太阳跟踪控制系统研究[ D] ． 上 海交通大学 ， 2 0 0 8 ． [ 3 ] 高峰， 孙成权， 刘全根 ．太阳能开发利用的现状及 发展趋势[ J ] ． 世界科技研究与发展， 2 0 0 1 ， 2 3 4 3 5 39 ． [ 4 ] D J o h n s t o n ．S o l a r e n e r g y s y s t e ms i n s t a l l e d o n C h i n e s e s t y l e b u i l d i n g s[ J ] ． E n e r g y a n d B u i l d i n g s ， 2 0 0 7 ， 3 9 4 38 53 92 ． [ 5 ] I b r a h i m R e d a， A f s h i n A n d r e a s ．S o l a r p o s i t i o n al g o r i t h m f o r s o l a r r a d i a t i o n a p p l i c a t i o n s[ J ] ．Sol a r E n e r g y ， 2 0 0 4 ， 7 6 5 7 7 5 8 9 ． [ 6 ] 张鹤飞．太阳能热利用原理与计算机模拟[ M] ． 西安 西北工业大学出版社， 2 0 0 4 ． [ 7 ] 郑 飞．碟式太阳能热发电跟踪机构电路优化设计和 实现[ D] ． 中国科学院研究生院， 2 0 0 4 ． [ 8 ] 谢宝昌， 任永德 ， 刘文瑛 ．无传感器电机位置检测策 略综述[ J ] ． 微电机， 2 0 0 0 ， 3 3 5 2 9 3 1 ． [ 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