基于PLC與WinCC的污水處理自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)_李建民

1、20工業(yè)儀表與自動(dòng)化裝置2010年第2期基于PLC與WinCC的污水處理自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)李建民,裴永清,董國(guó)軍,李慕潔22(1.蘭州工業(yè)高等?？茖W(xué)校,蘭州730050;2.甘肅百川科技公司,蘭州730050)摘要:闡述了以工控機(jī)和PLC以及檢測(cè)儀表與控制設(shè)備組成污水處理自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法,工控機(jī)以WinCC軟件進(jìn)行組態(tài),PLC作為現(xiàn)場(chǎng)控制單元,配合各種檢測(cè)設(shè)備對(duì)污水處理中的工藝參數(shù)進(jìn)行采集,實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)污水處理過程與設(shè)備運(yùn)行狀態(tài),并對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行相應(yīng)控制;利用現(xiàn)場(chǎng)總線進(jìn)行數(shù)據(jù)交換,完成污水處理的自動(dòng)監(jiān)控與管理。關(guān)鍵詞:污水處理;現(xiàn)場(chǎng)總線;PLC;WinCC;自動(dòng)監(jiān)控中圖分類號(hào):TP273文獻(xiàn)

2、標(biāo)志碼:A文章編號(hào):1000-0682(2010)02-0020-04DesignofautomaticmonitorandcontrolsystemforsewagetreatmentbasedonPLCandWinCC1122LIJianmin,PEIYongqing,DONGGuojun,LIMujie(1.LanzhouPolytechnicalCollege,Lanzhou730050,China;2.GansuBaichuanScienceandTechnology,Lanzhou730050,China)Abstract:Thispapersetforthamethodtodes

3、ignaautomaticmonitorandcontrolsystemforsewagetreatmentwhichconstructedbyindustrialcomputer,PLC,testinstrumentsandcontrolequipments.In-dustrialcomputerisconfiguredwithsoftwareWinCC.AndwithPLCasfieldcontrolunit,itcollectstech-niqueparametersbycooperationofvarioustestinstrument,monitorsandmeasurestreat

4、mentprocessingofthesewageandtheworkingconditionoftheequipmentsinrealtime,andcontrolstheequipmentsinthefield.Finally,automaticmonitorandmeasurementforsewagetreatmentwasaccomplishedbymakinguseofdataexchangewithfieldbus.Keywords:sewagetreatment;fieldbus;PLC;WinCC;automaticmonitorandcontrol理自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。系統(tǒng)

5、以工業(yè)控制計(jì)算機(jī)、可編程邏輯控制器及現(xiàn)場(chǎng)儀表和控制設(shè)備等構(gòu)成;可編程控制器選用西門子公司的S7-300系列PLC,工控機(jī)中用WinCC組態(tài)軟件作為人機(jī)界面,完成污水處理廠自動(dòng)化運(yùn)行的監(jiān)控與管理。0引言隨著經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展和城市化進(jìn)程的加快,城市污水的排放與處理問題日益受到重視,我國(guó)的城市污水處理相對(duì)于發(fā)達(dá)國(guó)家起步較晚,城市污水處理普遍存在效率低、能耗高、自動(dòng)化程度低等問題。因此,設(shè)計(jì)滿足污水處理工藝要求的、采用集中監(jiān)控的具有控制與管理一體化的綜合控制系統(tǒng),完成整個(gè)污水處理廠的過程控制、處理過程參數(shù)顯示、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)顯示及故障報(bào)警等功能的自動(dòng)控制系統(tǒng),具有非?，F(xiàn)實(shí)的意義。該文以某城市日處理污水能力8

6、000t,采用SBR污水處理工藝的污水處理廠為例,介紹污水處收稿日期:2009-09-04作者簡(jiǎn)介:李建民(1961),男,副教授,研究方向?yàn)闄z測(cè)與自動(dòng)1系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)根據(jù)污水處理廠構(gòu)筑物的分布以及SBR法污水處理工藝的特點(diǎn),將監(jiān)控系統(tǒng)分為管理級(jí)、控制級(jí)和現(xiàn)場(chǎng)級(jí),在現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)采集點(diǎn)和電控設(shè)備較為集中的地方設(shè)立3個(gè)現(xiàn)場(chǎng)控制站,現(xiàn)場(chǎng)控制站分別為污水提升泵房站、曝氣池(SBR反應(yīng)池)站、污泥脫水機(jī)房站,將現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)儀表與控制設(shè)備接入各現(xiàn)場(chǎng)控制站,通過現(xiàn)場(chǎng)總線將管理級(jí)上位機(jī)、控制級(jí)PLC與檢測(cè)儀表和控制設(shè)備等進(jìn)行連接,系統(tǒng)硬件組成結(jié)構(gòu)如圖1所示。2010年第2期工業(yè)儀表與自動(dòng)化裝置21圖1污水處理自動(dòng)監(jiān)控系

7、統(tǒng)結(jié)構(gòu)(1)管理級(jí):是整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)的中樞,管理級(jí)提供人機(jī)接口,是整個(gè)控制系統(tǒng)信息交換的界面,主要完成系統(tǒng)組態(tài)、控制參數(shù)在線修改、污水處理工藝參數(shù)顯示、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)顯示和設(shè)備集中控制、超限故障報(bào)警、報(bào)表打印等功能?？紤]到管理層功能結(jié)構(gòu)的層次性和可分割性,采用客戶/服務(wù)器體系結(jié)構(gòu);服務(wù)器選用大型的網(wǎng)絡(luò)關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù),滿足開放、分布式數(shù)據(jù)庫(kù)管理方法的要求。管理級(jí)采用兩臺(tái)工控計(jì)算機(jī),兩臺(tái)計(jì)算機(jī)分別側(cè)重監(jiān)控與管理功能,具有相互通信功能,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換和共享,它們之間的通信協(xié)議是TCP/IP,故障時(shí)互為備用,具有靈活的運(yùn)行方式。這種結(jié)構(gòu)可使生產(chǎn)過程中的信息集中管理,以實(shí)現(xiàn)整體操作、管理和優(yōu)化,同時(shí)也使得控制危險(xiǎn)

8、分散,提高系統(tǒng)的可靠性。(2)控制級(jí):是管理級(jí)與現(xiàn)場(chǎng)級(jí)之間的樞紐層,其主要功能是接受管理級(jí)的參數(shù)或命令,同時(shí)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的采集、數(shù)據(jù)上傳、對(duì)污水處理生產(chǎn)過程進(jìn)行控制等功能。管理級(jí)的計(jì)算機(jī)與控制級(jí)的PLC之間由光纜進(jìn)行連接,PLC配置通信模塊接口,采用工業(yè)以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。(3)現(xiàn)場(chǎng)級(jí):是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能的基礎(chǔ),現(xiàn)場(chǎng)級(jí)主要由傳感器、檢測(cè)儀表、控制設(shè)備等組成,其主要功能是完成其范圍內(nèi)的生產(chǎn)過程、儀表、設(shè)備的檢測(cè)并構(gòu)進(jìn)行控制等;各設(shè)備分區(qū)MCC、現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)儀表等采用ProfibusDP現(xiàn)場(chǎng)總線進(jìn)行連接。2系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)2.1上位機(jī)監(jiān)控軟件監(jiān)控畫面主要實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)工藝流程的實(shí)時(shí)監(jiān)視,顯示全廠各個(gè)工段的工藝參數(shù)值

9、、設(shè)備工作狀態(tài)的電氣參數(shù)值以及各種設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)信息,并具有超限報(bào)警、歷史數(shù)據(jù)查詢、報(bào)警記錄查詢、報(bào)表打印等功能。上位機(jī)需對(duì)各PLC控制站發(fā)送來的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理、儲(chǔ)存、建立數(shù)據(jù)庫(kù),并向各PLC控制圖2上位機(jī)監(jiān)控軟件結(jié)構(gòu)圖22工業(yè)儀表與自動(dòng)化裝置2010年第2期站發(fā)布指令,實(shí)時(shí)控制和調(diào)節(jié)設(shè)備運(yùn)行;由于監(jiān)控系統(tǒng)需覆蓋污水處理的整個(gè)生產(chǎn)流程,過程信息量較多,因此,監(jiān)控軟件的設(shè)計(jì)既要合理安排信息的反映形式,又要突出重點(diǎn)與簡(jiǎn)潔明了,盡可能地提高軟件的易用性;上位機(jī)以WindowsXP為系統(tǒng)平臺(tái),采用SiemensWinCC軟件集成,該軟件除完成一般監(jiān)控組態(tài)軟件的功能外,還加入了各種控件和C腳本編程以實(shí)

10、現(xiàn)復(fù)雜功能,上位機(jī)監(jiān)控軟件結(jié)構(gòu)如圖2所示。2.2PLC控制軟件程語(yǔ)言供編程時(shí)使用。程序編寫采用模塊化設(shè)計(jì),增強(qiáng)了程序的可讀性,便于維護(hù)。如格柵提升泵房控制中根據(jù)集水井前后的水位差設(shè)計(jì)了OB1、OB20、OB21、OB22、FB1、FB2、FB3、FB4、DB1DB7,共15個(gè)邏輯塊,其控制流程如圖3所示。3主要監(jiān)控功能3.1流程監(jiān)控為能及時(shí)地掌握整個(gè)污水處理系統(tǒng)的運(yùn)行情況,方便、準(zhǔn)確地實(shí)施運(yùn)行控制,上位機(jī)軟件中建立了工藝流程、污水提升泵房、曝氣池(SBR反應(yīng)池)、污泥脫水機(jī)房等一系列監(jiān)控畫面,工藝流程監(jiān)控畫面如圖4所示。實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)顯示工藝流程中的主要工藝參數(shù)值,包括對(duì)污水處理中的主要工藝參數(shù)(p

11、H值、進(jìn)水濁度、溶解氧濃度、化學(xué)需氧量、污泥濃度、氧化還原電位、液位等)。3.2過程監(jiān)控通過點(diǎn)擊流程監(jiān)控畫面中的控制按鈕,操作界面可分別進(jìn)入污水提升泵房、曝氣池、污泥脫水機(jī)房監(jiān)控畫面,在各分畫面中,動(dòng)態(tài)顯示了實(shí)時(shí)檢測(cè)數(shù)據(jù)與設(shè)備的工作狀態(tài),形象地反映了各現(xiàn)場(chǎng)的工作情況和控制設(shè)備的啟停或故障狀態(tài),曝氣池監(jiān)控畫面如圖5所示。3.3監(jiān)控功能(1)查看運(yùn)行情況:從上位機(jī)的監(jiān)控畫面可直觀的看到現(xiàn)場(chǎng)各站的運(yùn)行情況,各種設(shè)備的工作狀態(tài)。(2)數(shù)據(jù)采集:可以實(shí)時(shí)顯示水位、溫度、流量、電機(jī)電流、流量累計(jì)、流量電流比等來自現(xiàn)場(chǎng)的各種相關(guān)數(shù)據(jù)和參數(shù)。(3)遠(yuǎn)程控制:實(shí)現(xiàn)對(duì)各站的集中控制,從上位機(jī)可以控制現(xiàn)場(chǎng)各種電動(dòng)設(shè)

12、備的開啟、關(guān)閉和停止以及電機(jī)的調(diào)速控制等。圖3污水提升泵房控制流程圖系統(tǒng)控制點(diǎn)多,所以首先進(jìn)行了各控制部分的劃分,根據(jù)對(duì)該污水處理廠控制功能的劃分,將現(xiàn)場(chǎng)PLC的控制分為3個(gè)功能塊,即格柵提升泵房控制、SBR池控制和污泥處理控制。PLC控制軟件采用STEP7V5.3軟件包進(jìn)行設(shè)計(jì),該軟件包中集成了通過以太網(wǎng)口進(jìn)行在線操作的以太網(wǎng)驅(qū)動(dòng),可對(duì)I/O設(shè)備進(jìn)行組態(tài)和參數(shù)化,能對(duì)任何連接到控制總線的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試和啟動(dòng),可在線修改系統(tǒng)中任一點(diǎn)的用戶程序。該軟件具有梯形圖(LD)、功能塊(4)報(bào)警:一旦發(fā)生超限或設(shè)備故障都會(huì)引起系統(tǒng)的報(bào)警,并能顯示短時(shí)期內(nèi)的報(bào)警情況(包括報(bào)警單位、報(bào)警款項(xiàng)及是否自動(dòng)消除等)

13、。(5)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)記錄:可以將一段時(shí)間之內(nèi)的水位、溫度、含氧量、流量及流量累計(jì)等實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄,并可打印。(6)曲線分析:各種數(shù)據(jù)的趨勢(shì)顯示,直觀地看到數(shù)據(jù)的變化情況。(7)總停:監(jiān)控畫面上設(shè)有總停按鈕,用來應(yīng)付緊急情況(停止所有設(shè)備的運(yùn)行)。2010年第2期工業(yè)儀表與自動(dòng)化裝置2326工業(yè)儀表與自動(dòng)化裝置2010年第2期3,主要進(jìn)行高度、水平角的計(jì)算,控制電機(jī)進(jìn)行相應(yīng)的動(dòng)作。2.2.3系統(tǒng)程序運(yùn)行流程根據(jù)C/OS-II實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的要求,在主函數(shù)中創(chuàng)建任務(wù)0,在該任務(wù)中再創(chuàng)建其他幾個(gè)任務(wù),主程序流程如圖3所示。3結(jié)論該文采用了基于ARM7的32位微處理器LPC2290和實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)C/

14、OS-II相結(jié)合的方式設(shè)計(jì)太陽(yáng)跟蹤控制系統(tǒng),該系統(tǒng)通過合理調(diào)度多任務(wù)實(shí)現(xiàn)管理,并在對(duì)系統(tǒng)中電機(jī)和控制環(huán)境所存在問題進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上,提出了加入反饋形成閉環(huán)控制的方法,使得該太陽(yáng)跟蹤系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)太陽(yáng)的全天全自動(dòng)跟蹤,并且具有跟蹤范圍大、精度高、可靠性高的特點(diǎn)。參考文獻(xiàn):1詹華,姚士洪.對(duì)我國(guó)能源現(xiàn)狀及未來發(fā)展的幾點(diǎn)思考J.能源工程,2003,(3):1-4.2張翌翀.基于DSP的太陽(yáng)跟蹤控制系統(tǒng)研究D.上海交通大學(xué),2008.3高峰,孫成權(quán),劉全根.太陽(yáng)能開發(fā)利用的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)J.世界科技研究與發(fā)展,2001,23(4):35-39.4DJohnston.Solarenergysystemsi

15、nstalledonChinese-stylebuildingsJ.EnergyandBuildings,2007,39(4):385-392.5IbrahimReda,AfshinAndreas.SolarpositionalgorithmforsolarradiationapplicationsJ.SolarEnergy,2004,(76):577-589.6張鶴飛.太陽(yáng)能熱利用原理與計(jì)算機(jī)模擬M.西安:西北工業(yè)大學(xué)出版社,2004.7鄭飛.碟式太陽(yáng)能熱發(fā)電跟蹤機(jī)構(gòu)電路優(yōu)化設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)D.中國(guó)科學(xué)院研究生院,2004.8謝寶昌,任永德,劉文瑛.無(wú)傳感器電機(jī)位置檢測(cè)策略綜述J.微電機(jī),2000,33(5):29-31.9王曉峰.步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分驅(qū)動(dòng)技術(shù)研究J.井岡山學(xué)院學(xué)報(bào),2007,28(10):10JeanJ.Labrosse,著.嵌人式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)C/OS-IIM.(第2版).邵貝貝,等譯.北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2003.圖3主程序流程圖圖4發(fā)送程序流程圖在該程序中,角度傳感器通過串口RS-232以查詢方式發(fā)送“?D#”測(cè)量命令,再以中斷方式接收測(cè)量到的角度數(shù)據(jù),回傳數(shù)據(jù)格式為“DXXXXX#”(XXXXX為角度數(shù)據(jù)),經(jīng)過程序換算為脈沖數(shù),發(fā)送程序流程見圖4,接收程序流