基于PLC与WinCC的污水处理自动监控系统的设计_李建民

1、20工业仪表与自动化装置2010年第2期基于PLC与WinCC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22(1.兰州工业高等专科学校,兰州730050;2.甘肃百川科技公司,兰州730050)摘要:阐述了以工控机和PLC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WinCC软件进行组态,PLC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;PLC;WinCC;自动监控中图分类号:TP273文献

2、标志码:A文章编号: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理自动监控系统的设计。系统

5、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S7-300系列PLC,工控机中用WinCC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。0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

6、000t,采用SBR污水处理工艺的污水处理厂为例,介绍污水处收稿日期:2009-09-04作者简介:李建民(1961),男,副教授,研究方向为检测与自动1系统硬件设计根据污水处理厂构筑物的分布以及SBR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(SBR反应池)站、污泥脱水机房站,将现场检测仪表与控制设备接入各现场控制站,通过现场总线将管理级上位机、控制级PLC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。2010年第2期工业仪表与自动化装置21图1污水处理自动监控系

7、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TCP/IP,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

8、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PLC之间由光缆进行连接,PLC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、设备的检测并构进行控制等;各设备分区MCC、现场检测仪表等采用ProfibusDP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

9、、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PLC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PLC控制图2上位机监控软件结构图22工业仪表与自动化装置2010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WindowsXP为系统平台,采用SiemensWinCC软件集成,该软件除完成一般监控组态软件的功能外,还加入了各种控件和C脚本编程以实

10、现复杂功能,上位机监控软件结构如图2所示。2.2PLC控制软件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OB1、OB20、OB21、OB22、FB1、FB2、FB3、FB4、DB1DB7,共15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(SBR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

11、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

12、备的开启、关闭和停止以及电机的调速控制等。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PLC的控制分为3个功能块,即格栅提升泵房控制、SBR池控制和污泥处理控制。PLC控制软件采用STEP7V5.3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(LD)、功能块(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)

13、。(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:监控画面上设有总停按钮,用来应付紧急情况(停止所有设备的运行)。2010年第2期工业仪表与自动化装置2326工业仪表与自动化装置2010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/OS-II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。3结论该文采用了基于ARM7的32位微处理器LPC2290和实时多任务操作系统C/

14、OS-II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,2003,(3):1-4.2张翌翀.基于DSP的太阳跟踪控制系统研究D.上海交通大学,2008.3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,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,2004.7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,2004.8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,2000,33(5):29-31.9王晓峰.步进电机的细分驱动技术研究J.井冈山学院学报,2007,28(10):10JeanJ.Labrosse,著.嵌人式实时操作系统C/OS-IIM.(第2版).邵贝贝,等译.北京:北京航空航天大学出版社,2003.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RS-232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“DXXXXX#”(XXXXX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