基于WINCC的污水處理系統(tǒng)

1、姓名姓名學(xué)號學(xué)號任務(wù)任務(wù)王磊090610201污水處理系統(tǒng)簡介、集散控制系統(tǒng)設(shè)計何亞利090610203下位機控制系統(tǒng)的總體設(shè)計李倩090610204上位機監(jiān)控界面的設(shè)計崔曉紅090610205網(wǎng)絡(luò)通訊設(shè)計 近年來，隨著我國工業(yè)化程度不斷提高和城市人口密度的不斷增加，污水處理廠規(guī)模不斷擴大，污水處理廠的管理和設(shè)備的控制面臨嚴(yán)峻的考驗。集散控制系統(tǒng)運用于污水處理廠可以最大限度提高污水處理廠運行可靠性，提高出水水質(zhì)，降低能耗和工人勞動強度，達(dá)到提高經(jīng)濟效益的目的。 本報告研究了基于WinCC的水處理集散控制系統(tǒng)的實現(xiàn)。本系統(tǒng)的下位機選用PLC作為現(xiàn)場控制設(shè)備，上位機監(jiān)控界面設(shè)計以西門子組態(tài)軟件Wi

2、nCC作為開發(fā)平臺，其中監(jiān)控界面主要包括登錄界面、總體流程圖界面，預(yù)處理參數(shù)界面和反應(yīng)池參數(shù)等界面。1.1 國內(nèi)外污水處理廠自動化現(xiàn)狀：國內(nèi)外污水處理廠自動化現(xiàn)狀：(1) 大部分新建污水廠開始采用計算機集散式控制系統(tǒng)，但在大量的現(xiàn)有和改造的污水廠中控制系統(tǒng)仍然延續(xù)著巡檢和人工方式。(2)開始大量采用可靠性高、維護簡便的各種檢測儀表和在線水質(zhì)分析儀表，但目前使用的大多是進口儀器、儀表，在使用和維護方面仍存在許多問題。(3)各種新的污水處理工藝不斷出現(xiàn)，單元控制系統(tǒng)已經(jīng)逐漸開始采用自動控制方式。(4)污水處理廠控制系統(tǒng)的監(jiān)控和通訊功能在硬件和軟件開發(fā)利用方面存在極大不足，妨礙了處理過程的高效、經(jīng)濟

3、運行。(5)許多控制系統(tǒng)的設(shè)計和實際工藝不相符，軟件漢化比較差，給系統(tǒng)正常運行造成困難。(6)國產(chǎn)自控系統(tǒng)、儀表、設(shè)備的質(zhì)量、成套和系列化急需進一步提高。1.2 本報告主要研究內(nèi)容：本報告主要研究內(nèi)容：(1)如何根據(jù)工藝要求，實現(xiàn)對工藝設(shè)備的自動控制，提高污水處理廠的自動化水平。(2)如何把大量的各種國產(chǎn)檢測儀表和在線水質(zhì)分析儀表引入到集散控制系統(tǒng)中，提高控制系統(tǒng)的可靠性、準(zhǔn)確性和可維護性，同時降低控制系統(tǒng)的成本。(3)如何利用PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)污水處理廠的現(xiàn)場設(shè)備與PLC的通訊，以及PLC與上位PC機的通訊，提高集散控制系統(tǒng)的實時性和穩(wěn)定性。(4)如何利用組態(tài)軟件進行監(jiān)控界面的設(shè)計，改

4、進系統(tǒng)的監(jiān)控功能。2.1 集散控制系統(tǒng)一般由四部分組成：集散控制系統(tǒng)一般由四部分組成：過程輸入輸出裝置、過程控制裝置、操作接口和數(shù)據(jù)通訊系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)組成結(jié)構(gòu)圖：二、集散控制系統(tǒng)設(shè)計二、集散控制系統(tǒng)設(shè)計圖2 - 1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成圖 完整的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成圖如下圖所示：完整的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成圖如下圖所示：圖2 2 完整的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成圖 2.2 集散控制系統(tǒng)的設(shè)計：集散控制系統(tǒng)的設(shè)計：本集散控制系統(tǒng)采用PC機作為操作員站；采用需求分析以及集散控制系統(tǒng)設(shè)計PLC作為現(xiàn)場控制站；現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)主要采用PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)。這個結(jié)構(gòu)具有易擴展性以及高的穩(wěn)定性，不會因為一個節(jié)點的失效導(dǎo)致整個網(wǎng)絡(luò)的癱

5、瘓。同時網(wǎng)絡(luò)的布線比較簡單容易操作。本課題的集散控制系統(tǒng)的模型如圖2-3所示。圖2 3 DCS體系結(jié)構(gòu)圖部分污水處理工藝采用SBR法即序列間歇式活性污泥法工藝。具體工藝流程圖如下圖所示：圖2-4 SBR工藝流程圖 下位機主要實現(xiàn)對現(xiàn)場設(shè)備的控制以及進行數(shù)據(jù)采集功能。它充當(dāng)集散控制系統(tǒng)中的現(xiàn)場控制站角色，集散控制系統(tǒng)的主要功能由下位機來實現(xiàn)。同時系統(tǒng)的穩(wěn)定性以及可靠性也是由下位機來保證的。 總體功能設(shè)計. 硬件選型 PLC程序設(shè)計3.1 總體功能設(shè)計 本課題集散控制系統(tǒng)上位機采用PC機作為操作員站，主要實現(xiàn)監(jiān)控功能和對現(xiàn)場設(shè)備運行狀態(tài)調(diào)整的功能。下位機采用PLC作為現(xiàn)場控制站，主要實現(xiàn)對現(xiàn)場設(shè)備

6、的控制、數(shù)據(jù)采集和反饋控制功能。本次污水處理主要實現(xiàn)以下功能： 預(yù)處理區(qū) 反應(yīng)池區(qū) 污泥處理區(qū)總體結(jié)構(gòu)圖如圖圖3 1 總體結(jié)構(gòu)圖3.2 硬件選型PLC工作過程上電處理：內(nèi)部處理有硬件初始化、I/O模塊配置運行方式檢查、停電保持范圍設(shè)定及其它初始化處理等。PLC掃描過程：輸入采樣階段，程序執(zhí)行階段，輸出刷新階段。出錯處理：若檢查出異常，CPU面板上的LED及異常繼電器會接通，在特殊寄存器中存入出錯代碼。當(dāng)出現(xiàn)致命錯誤時，CPU被強制為STOP模式，所有的掃描停止。圖32 PLC工作原理3.3 PLC程序設(shè)計3.3.1預(yù)處理區(qū)PLC控制 預(yù)處理區(qū)主要實現(xiàn)機械處理階段，過濾較大的雜質(zhì)，同時調(diào)節(jié)水質(zhì)。

7、3.3.2反應(yīng)池PLC控制程序 反應(yīng)池是SBR工藝的核心設(shè)備，是進行水處理的最關(guān)鍵步驟。其工作方式有手動和自動兩種方式，其中自動工作方式采用時間控制方式。手動工作方式優(yōu)先自動工作方式。具體控制要求如下所述：(1)首先根據(jù)液位高度開啟進水閥門，啟動提升泵，攪拌器。開啟攪拌器主要是進行厭氧反應(yīng)除磷。當(dāng)反應(yīng)池液位達(dá)到一定高度停止提升泵，關(guān)閉進水閥門，停止攪拌器。(2)進水閥門關(guān)閉后開啟鼓風(fēng)機，回流污泥泵。曝氣3h后關(guān)閉鼓風(fēng)機和回流污泥泵。(3)關(guān)閉鼓風(fēng)機后1h，汲水器開始運行抽取上層的清水。當(dāng)液位高度下降到一定程度時候關(guān)閉汲水器。(4)剩余污泥泵在汲水器停止工作后開始運行，排泥到污泥池。剩余污泥泵工

8、作1h后關(guān)閉。(5)當(dāng)剩余污泥泵停止工作后一個循環(huán)周期結(jié)束，開始下一個周期運行圖34 反應(yīng)池I/O地址分配表圖3-5 反應(yīng)池PLC工作流程圖3.3.3污泥處理池PLC控制程序 污泥處理池的主要作用是對反應(yīng)所產(chǎn)生的污泥進行處理。污泥處理池有兩種工作方式：手動和自動，手動工作方式優(yōu)先于自動工作方式。具體控制要求如下所述：(1)當(dāng)污泥池液面達(dá)到一定高度，開啟污泥投加泵，把污泥運到污泥濃縮脫水一體機。其中當(dāng)液面達(dá)到高液位開啟2臺污泥投加泵，若液面達(dá)到超高液位則報警。(2)污泥投加泵啟動后，延時10s后，濃縮脫水一體機工作。(3)濃縮脫水一體機工作后，然后再延時10s后輸送機也開始工作把污泥運往堆泥場。

9、(4)停止時候污泥投加泵先停止工作，然后濃縮脫水一體機停止最后輸送機停止工作。(5)自動加藥機隨同濃縮脫水一體機開始工作，一起結(jié)束工作。圖3-6 污泥處理池PLC的I/O地址分配圖圖 3-7 污泥處理池PLC硬件接線圖圖3-8 污泥處理池PLC工作流程圖4.1 WinCC 組態(tài)軟件的介紹 上位機主要實現(xiàn)監(jiān)控功能，在集散控制系統(tǒng)中充當(dāng)操作員站的角色。它是集散控制系統(tǒng)可視化部分，完成人機界面的功能。通過網(wǎng)絡(luò)連接實現(xiàn)對下位機以及現(xiàn)場設(shè)備的監(jiān)控。本課題上位機人機界面采用西門子組態(tài)軟件 WinCC 來實現(xiàn)監(jiān)控界面的設(shè)計。 國外的專業(yè)組態(tài)軟件主要有美國 Wonderware 公司的 InTouch，澳大利

10、亞 CIT 公司的 Citect 組態(tài)軟件，德國西門子公司的 WinCC 組態(tài)軟件。西門子組態(tài)軟件與其它組態(tài)軟件相比主要有以下優(yōu)點：(1)與自動化系統(tǒng)的無縫集成。(2)與自動化網(wǎng)絡(luò)的集成。(3)與相應(yīng)的軟硬件系統(tǒng)一起，實現(xiàn)系統(tǒng)級的診斷功能。(4)整個系統(tǒng)通過完整和豐富的編程系統(tǒng)實現(xiàn)了雙向的開放性。(5)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)全面開放。(6)WinCC 采用最新的開放性軟件技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)，面向多種操作平臺。4.2 監(jiān)控界面的設(shè)計原則及構(gòu)成 為了提高用戶界面的易用性和美觀程度，監(jiān)控界面設(shè)計一般要遵循以下幾個原則：(1)用戶界面適合于軟件的功能：指界面與軟件功能相融洽的程度。(2)容易理解。 (3)風(fēng)格一致 。(4

11、)及時反饋信息。(5)出錯處理 。(6)適應(yīng)各種用戶。(7)合理的布局。(8)和諧的色彩。4.2.1 登錄界面的設(shè)計 登錄界面是進入監(jiān)控畫面的第一道大門，只有用戶輸入正確的信息才能登陸到運行畫面。 本報告監(jiān)控系統(tǒng)主要分為普通用戶級，操作員級以及管理員級三個級別。 普通用戶級權(quán)限是最低，其不允許進行任何相關(guān)機器設(shè)備的起停，以及報警處理和消息的歸檔等操作，只有瀏覽的權(quán)力，不能進行任何的修改。主要用于查看機器運轉(zhuǎn)的情況而不需要做任何設(shè)置和修改的用戶。 操作員級權(quán)限是第二高的，可以進行機器啟停和過程的控制，但是不具有報警處理，消息歸檔等權(quán)限，這個組的成員主要是現(xiàn)場的操作工人。 管理員級是最高級別的，除

12、了具有操作員的權(quán)限，還具有報警處理，消息歸檔，權(quán)限分配等權(quán)限。管理員級別的用戶主要是工廠的管理人員。圖 4-1 用戶登錄界面登錄界面主要實現(xiàn)以下功能：(1)驗證用戶是否合法。只有輸入正確的用戶名和密碼才能進入運行畫面。(2)添加用戶和修改用戶密碼功能。3.2.2 總體流程圖界面設(shè)計 總體流程圖是登錄后默認(rèn)的界面。主要實現(xiàn)的功能：(1)通過點擊界面頂部的按鈕實現(xiàn)不同監(jiān)控頁面的切換。(2)可以了解各個機器的運轉(zhuǎn)情況。(3)通過雙擊界面中的各個機器可以進入相應(yīng)的機器運轉(zhuǎn)監(jiān)控界面。(4)為了操作員準(zhǔn)確的操作機器。圖 4-2 總體流程圖界面4.2.3 預(yù)處理界面設(shè)計 預(yù)處理界面主要是實現(xiàn)對預(yù)處理區(qū)的設(shè)備

13、的監(jiān)控以及人工調(diào)整。預(yù)處理區(qū)主要包括粗格柵，提升泵，細(xì)格柵和沉淀池四個部分。 主要實現(xiàn)以下功能：(1)當(dāng)操作員進入后可以修改機器的狀態(tài)，剛剛進入界面中的狀態(tài)是機器目前所處的狀態(tài)，點擊相應(yīng)的按鈕就可以起動和停止相關(guān)的設(shè)備。(2)普通用戶進入后，若點相關(guān)的按鈕會提示用戶不具有操作權(quán)限。 (3)點擊界面頂部的按鈕，可以方便快捷的實現(xiàn)各個界面的切換，但是也必須具有相應(yīng)的權(quán)限才可以操作。圖 4-3 預(yù)處理區(qū)監(jiān)控界面4.2.4 污泥處理界面設(shè)計 污泥處理監(jiān)控界面主要是針對污泥處理池工藝實現(xiàn)在線監(jiān)控。 主要實現(xiàn)以下功能：(1)可以通過手動操作污泥處理池的相關(guān)設(shè)備的起停，同時還可以在線監(jiān)控污泥池中的 PH 值

14、。(2)實現(xiàn)視頻監(jiān)控功能。(3)界面頂部按鈕可以實現(xiàn)不同的監(jiān)控界面的切換。圖 4-4 污泥處理池監(jiān)控界面4.2.5 報警界面的設(shè)計 報警界面主要是當(dāng)設(shè)備發(fā)生故障時，記錄故障信息的一個界面。報警信息具體可以組態(tài)顯示何種報警、報警的內(nèi)容和報警的時間，以便以其期望的形式顯示在運行系統(tǒng)中。 一般系統(tǒng)默認(rèn)的預(yù)定義了三個消息類別，分別為警告，報警和故障。圖 4-5 組態(tài)報警消息監(jiān)控界面報警界面實現(xiàn)的功能：(1)可以實時的顯示當(dāng)前產(chǎn)生的報警信息，也可以回查已經(jīng)確認(rèn)的報警信息。(2)在報警界面中管理員可利用報警界面窗口上面的按鈕實現(xiàn)對報警信息的確認(rèn)以及報警信息的歸檔等操作。但是必須具有相關(guān)的權(quán)限。(3)報警確

15、認(rèn)可以按組確認(rèn)以及單個確認(rèn)。按組確認(rèn)一次可以處理多條報警。圖 4-6 報警消息監(jiān)控界面4.2.7 趨勢圖界面設(shè)計 趨勢圖界面主要是為了實時顯示液位高度，PH 值，溫度以及反應(yīng)池氧氣的濃度，使操作員可以直觀的看清這些模擬量的變化趨勢和波動幅度。為了實時顯示各種模擬量的變化情況，就必須隨時采集模擬量的值，因此首先必須對模擬量進行歸檔然后再進行模擬量的組態(tài)，定義各種模擬量的顯示方式以及顯示的顏色等方面。圖 4-7 趨勢圖組態(tài)界面趨勢圖主要實現(xiàn)的功能：(1)對液位高度，PH 值，氧氣濃度和溫度等模擬量實現(xiàn)在線監(jiān)控。(2)通過改變顯示方式，可以觀察同一模擬量的不同時間的走勢。(3)可以對比不同的池子相同

16、的模擬量的變化趨勢，可以進行對比，從而判斷是否處于正常狀態(tài)。 (4)可以對趨勢曲線進行局部放大，以便準(zhǔn)確讀出具體某一時刻的具體值。圖 4-8 趨勢圖監(jiān)控界面五、網(wǎng)絡(luò)通訊設(shè)計5.1基于PLC的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)選型分析 一個大型自動化項目通常包括若干個控制相對獨立的PLC站，PLC站之間通常需要傳遞一些連鎖信號，HMI系統(tǒng)通過網(wǎng)絡(luò)控制PLC站的運行采集過程信號歸檔，這些都需要通過PLC的通訊功能來實現(xiàn)。西門子工業(yè)通訊網(wǎng)絡(luò)提供了各種開放的，應(yīng)用于不同通訊要求的及安裝環(huán)境的通信網(wǎng)絡(luò)。從上到下為工業(yè)以太網(wǎng)、PROFIBUS/MPI，ASI等網(wǎng)絡(luò)，通訊數(shù)據(jù)量由大到小，實時性由弱到強。PROFIBUS分為PROFI

17、BUS-FMS，PROFIBUS-DP，PROFIBUS-PA三種。PROFIBUS-FMS由于配置和編程比較煩瑣，逐漸有被淘汰的趨勢。PROFIBUS-PA是主要用于過程自動化和比較苛刻的工業(yè)環(huán)境，同時它是一種低速傳輸。PROFIBUS-DP是一種高速低成本的通訊方式，主要用于現(xiàn)場分布式設(shè)備的通訊，可以很好的滿足水處理廠的網(wǎng)絡(luò)通訊要求。ASI網(wǎng)絡(luò)通過AS-I總線電纜連接最底層的執(zhí)行器及傳感器，將信號傳輸至控制器。通信數(shù)據(jù)量小，適合于位信號傳輸，每個從站通常最多帶4個位信號。以下選用PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)，即可應(yīng)用于單元級站點的通訊，又可以與I/O站直接通信。由于數(shù)據(jù)通信量不是很大，因此采

18、用該網(wǎng)絡(luò)可以滿足SBR理工藝的要求，同時可以保證網(wǎng)絡(luò)的實時性和穩(wěn)定性。5.2基于PLC的網(wǎng)絡(luò)通訊結(jié)構(gòu)的設(shè)計本次報告下位機通過PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)與現(xiàn)場控制設(shè)備的通訊。上位機通過MPI網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)與下位機的通訊。其中MPI網(wǎng)絡(luò)是多點傳輸網(wǎng)絡(luò)，是一種對數(shù)據(jù)傳輸速率要求不是太高的簡單經(jīng)濟的方式。MPI通訊口集成于每個CPU上面，因此可以節(jié)省成本。配置好的總體網(wǎng)絡(luò)通訊結(jié)構(gòu)圖如圖5-1所示，配置好的通訊網(wǎng)絡(luò)硬件圖如圖5-2所示。圖5-1圖5-25.2.1下位機與現(xiàn)場設(shè)備的通訊結(jié)構(gòu)設(shè)計下位機PLC與現(xiàn)場設(shè)備采用PROFIBUS-DP進行連接。PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)通訊方式為主從結(jié)構(gòu)，主站可以得到

19、令牌輪詢掃描從站。污水處理系統(tǒng)因為分為三個區(qū)預(yù)處理區(qū)、反應(yīng)池區(qū)、污泥處理區(qū)，因此需要三臺PLC分別組成三個主從網(wǎng)絡(luò)。其中三個PLC主站之間相對獨立，沒有主從關(guān)系。它們獨自與其相應(yīng)的現(xiàn)場設(shè)備組成PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)。下面是以預(yù)處理區(qū)為例介紹網(wǎng)絡(luò)組態(tài)，反應(yīng)池區(qū)以及污泥處理區(qū)硬件組態(tài)過程基本上類似。首先進行主站硬件的組態(tài)。硬件組態(tài)是在Step7環(huán)境中進行的。硬件配置主要是對主站的CPU，以及輸入輸出模塊進行配置，具體的硬件配置圖如圖5-3所示。圖 5-3 其次是對主從站網(wǎng)絡(luò)通訊進行相關(guān)的設(shè)置。從站網(wǎng)絡(luò)通訊設(shè)置如圖5-4所示。從站設(shè)置主要包括從站在主站中的位置，以及選擇具體的PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)絡(luò)的