基于wincc的排水系统监控设计(终稿)

前言近年来城市发展越来越快，其排水问题也受到了社会广泛的关注。城市排水设施在城市发展中扮演着重要的角色，它主要用于对雨水污水的处理和排放。由于过去传统控制方式存在许多弊端，正在逐步被计算机控制所取代，从而避免了资源的浪费，有利于环境的发展。该系统主要是保证城市排水能够顺畅进行，防止出现堵塞、漫水等情况。由此可见，城市排水系统在城市基础设施中是必不可少的。城市排水工程是城市基础设施的重要组成部分，城市的发展将依赖于排水系统，一个城市要想发展好，就得合理规划好排水系统。但现时期缺乏对城市排水系统的整体布局，严重影响了城市的可持续发展。中国自改革开放以来，经济接连不断呈增长趋势，我国的城市化发展及居住小区如雨后春笋般涌现了出来。因而城市排水系统也得到重视。7月28日，在国务院常务会议上李克强总理说，“目前中国正处在城镇化快速发展时期，但我们的地下管廊建设严重滞后。加快这方面的建设，很有必要！”每次有暴雨降临的时候，很多大城市都变成了“水城”。今年6月份，由于降雨急、汇水面积大、而抽排能力不足，强降雨南京城区出现多处积水。导致交通道路的堵塞，行人都是卷着裤脚在水里行走，有的积水都漫过成年人小腿肚了。对于城市排水系统，还是有多方面的问题的，例如：城市发展地下管道建设与污、雨水收集系统建设不同步；水资源很少能循环使用，其实这点也挺重要的，国内很多城市很少甚至没有做到对水资源合理收集利用的，如果能合理利用好这些水资源，就能够缓解降水所带来的影响。由此可见，国内城市排水问题始终没有什么太大的进展，尽管许多地方部门也采取了相应的预防和解决措施。那么问题的根本对策在哪呢？城市在当初规划的时候就应该将城市排水设施规划作为重点对象，然而很多地方并未对此重视，导致我国年年出现内涝灾害。而德国人100年前在青岛留下的一套系统一直沿用至今，其中雨污分流模式，即使是今天，还有许多国内城市未能做到。还是很有必要借鉴一下国外的技术和经验的。现在国内正处在城镇化快速发展时期，出现了许多工厂、住宅，一方面推动了地区经济的发展，但另一方面也加重了城市的排水负担。而城市地下的管道结构复杂，以往的管理监测方法不能快速准确的监控排水的实时情况，目前看来，引入现代化的自动化监控新技术，建立一个城市排水自动化监控系统是未来的发展趋势。第1章城市排水监控系统概述1.1控制工艺及系统要求设计要求：该系统能够对各点水位的高度检测，并根水位变化控制排水泵动作，合理调控排水，并能在水位超出上限或低于下限时及时显示报警。在泵站运行过程中系统能够收集泵站运行过程中的一些参数。比如水泵的运行状态，格栅机的状态，各个电柜的实时电流电压数据，故障数据等。当水位超过系统设定范围或当格栅机、排水泵、阀门等装置出现问题时，该系统可自动显示报警。在自动模式和手动模式下可选择电机工作模式的设计要求。本监测系统是通过控制台对格栅机，排水泵等设备的运行状态和实时参数进行监测，通过与PLC进行通讯，对线下设备进行控制，包括水泵及控制阀门的启停，格栅机的启停等。并能通过变量模块、报警模块、报表模块和归档模块对现场设备进行全面的监控。主要设备的运行状态显示：整个工艺流程画面实时显示；格栅机、排水泵启停显示；相关参数的变化显示。可采集的动态参数：电机的电流、电压，格栅机的电流、电压，集水池水位，排水泵前后流量，控制阀前后流量等。排水泵及格栅机故障分级报错显示，管道堵塞报警显示，水流量异常报警显示，集水池液位上下限报警显示等（包括发生时间及异常消息文本）。可查询报警历史记录、状态参数曲线等将各种监控参数自动生成实时报表，异常状态及控制状态的报表打印。长江出水渠集水池格栅机过滤雨污混合水 长江出水渠集水池格栅机过滤雨污混合水图1-1工艺流程1.2城市排水监控系统的硬件系统1.2.1智能控制器的选择目前市面上有多种智能控制器，从最开始的继电器控制，到现在的单片机控制和PLC控制，通过查资料可以知道这些控制器各有各的优点。根据本系统的控制要求，选择的是西门子PLC-300控制器。对于这单片机和PLC这两种控制器，我们做了一些简单的比较。单片机控制：目前用的比较广泛，比如家用洗衣机、电冰箱、微波炉等日常生活用品都有着它的身影。它的优点也比较突出，成本相对较低，而且体积较小，易于安装，不会影响产品本身的美观；但是，单片机由于自身或者生产工艺的影响，会出现很多故障，而且抗干扰能力差，环境对它的影响较大，开发单片机需要很长周期。对于PLC，它的抗干扰能力要好得多，而且长时间使用也不会出现很多故障，其用的编程语言大多是“梯形图”，比较简单方便，而且电气接线也很简单，故开工程从开始到结束所需时间较长，唯一的不足之处是费用较高。城市排水监控系统是个大的系统，对于稳定性方面、可靠性和维护方面要求较高，而且运行环境比较复杂，不适合用单片机作为控制器，于是本设计中采用PLC做为主控制器，以保证系统稳定运行。1.2.2相关硬件配置（1）格栅机：考虑到城市中都是污水与雨水混杂的情况，没有什么大的异物，本系统采用高链式粗格栅，该格栅机由机架、驱动机构、除渣机链条等部件组成。其工作原理是：由驱动机构通过传动链条带动除污耙在轨道上来回运动，达到了对污物的清除作用。向上运动将污物聚集，然后将污物提升至除渣口，这时候就完成了第一次除污的过程。它的运行比较稳定，也方便维修，机身多采用不锈钢材质，不易腐蚀。（2）排水泵：根据本系统流量、温度、压力等工艺参数的控制要求等因素的综合考虑，选用离心泵。离心泵的转速高，可快速达到所需转速；体积不大、重量较轻，便于安置；效率高、流量大、结构也不复杂，而且方便维护；性能平稳、容易操作，比较符合本系统的控制要求。（3）液位计：水位检测采用超声波液位计。选用美国弗莱公司的FLOWLINELU30型号超声波液位计，其量程为0m~10m，输出电流信号4mA~20mA。（4）流量计：选用电磁流量计，型号为HW-LDE系列智能电磁流量计，测量范围0m2/h~500m2/h，输出电流信号4mA~20mA。第2章城市排水监控系统的软件系统2.1常用的组态软件介绍（1）FanucIFIX：FanucIFIX的通用软件来监控和管理产品数据的整个范围。在各种工业应用，包括食品饮料、冶金、包装、石化、电力、石油和天然气等，iFIX功能齐全，集成了多种特性，包含安全功能和多种方便用户使用的模块，适应于各种场合的生产作业，能为其提供全面可靠的解决方案。（2）InTouch：HMI软件为用户提供了通用性强的平台，在如今的监测系统中应用很方便。InTouch软件是在分布式客户/服务器架构的瘦客户端应用程序的适用，这是基于分布式客户/服务器架构，在客户端使用服务器的工业应用。将Wonderware投入大量的研究和开发，为用户提供新的，强大的，创新的产品。InTouch软件是在分布式客户/服务器架构的客户端应用程序的适用，分布式客户/服务器架构支持WindowsXP系统认证，用户能通过浏览器看到系统画面。（3）MCGS(Monitor

and

Control

Generated

System)：MCGS是北京昆仑通泰自动化软件公司开发的基于Windows平台，用于构建和生成上位机监控系统的组态软件系统。MCGS5.5通用版是北京昆仑公司历时一年，集中数十位有经验的软件专家所做出的成果。界面友好，强大的内部功能，系统的可扩展性，其用户的使用性和设计思想有一个质的飞跃，在国产组态软件行业是开创了一个新的阶段。MCGS组态软件集成了数据采集、数据处理、报警、趋势曲线和报表等模块，实现了用户的多方面需求。（4）WinCC：WinCC运行在个人计算机环境，它的功能比较全面，几乎适用于所有工业生产方案。用户可以添加自制的图形进去，使过程更加形象准确。它本身自带着变量模块、报警模块、通信模块、报表模块和用户归档等模块，这些模块集成度高，极大方便了用户的使用，缩短了开发周期。它运行于Windows计算机环境，已在欧洲市场成为领军，甚至行业遵循标准。（5）组态王：北京亚控科技发展有限公司简称亚控科技，是中国目前规模最大的从事工业自动化软件研发的高科技专业公司，其自主研发的通用监控组态软件组态王支持1500多种硬件设备（包括PLC、总线设备、办卡、变频器及仪表），在国内，使用它产品的企业有很多，也涉及了很多重要行业。其包含控制层、监控层和管理层，系统也是较完善的，能适应各种行业。但该软件功能过于笼统，细节方面与国外软件还有一定的差距。组态王v6.51全面支持研华科技ADAM智能模块及板卡。组态王是工业级的软件平台，可应用于电力系统、给排水系统、石油、化工等领域的数据采集与监视控制等各种领域。2.2组态软件的选择SIMATICWinCC是第一个使用最新的32位技术的过程监视系统，具有良好的开放性和灵活性。一方面，我在学校学习了这种软件的使用，对这个软件比较熟悉，能独立组态简单的过程画面。另一方面，此软件本身的优点也很多，它提供完善的监控和数据采集功能，支持单用户到多用户系统，具有良好的开放性，它的画面动态组态连接方法多样，可支持C语言、VB语言和变量直连等方法，可用性强。相对于其他软件，它更容易使用。基于以上WinCC的优点，所以本系统采用WinCC软件来组态。2.2.1WinCC组态软件介绍WinCC组态软件以追求性能最全面、技术最先进、系统最开放为核心理念。它是一种西门子SCADA系统，应用于各行各业。Wincc集成了工厂智能，用户可以通过网络查看一些数据和报表。能够精准的满足生产要求，通过开放接口，开发自己的应用软件。Wincc具有丰富的脚本编辑系统，能够增加用户自定义菜单，以任意格式导出图形。拥有强大的实时数据库，比较高效，能够缩短开发周期。是工业企业中首选的组态软件，深受广大Wincc开发者的喜爱。2.2.2WinCC软件的系统组成Wincc主要是由以下几个模块组成的。（1） 变量管理器：是对WinCC中的内部变量、外部变量和通讯驱动程序进行管理。（tagmanagement）（2） 图形编辑器：根据用户要求对各种图形画面进行设计并加入动态效果。(graphicsdesigner)（3） 报警记录：通过数据采集分析，实施有效监控报警，并能够将历时数据储存下来(alarmlogging)（4） 变量归档：负责处理收集的数据信息，将数据信息记录在模块中以便用户查询(taglogging)（5） 报表编辑器：用户可以参照或直接使用模板报表编辑各种所需的报表。(reportdesigner)（6） 用户管理器：用来加密，分层次，使得可操纵性能够得到很好的限制，从而确保了系统的安全性(useradministrator)2.2.3Wincc软件的性能特点WinCC系统软件主要有以下几个特点。（1）其拥有的服务器系统包含所有SCADA功能。最简单的Wincc系统也能最大化的提供画面的基本内容（2）灵活的扩展能力。有大量选件品种及附带的组件，通过它们丰富了系统基本功能，支持了各个工业的要求。（3）全集成自动化（组态变成、数据管理、通讯）的结构分支。（4）使用方便的脚本语言。WinCC可编写C语言和VB脚本语言。（5）系统预设简单的组态步骤，能够指导用户设计并组态，简单实用，调试的时候也很便捷。（6）强大的标准接口，例如：OPC、OLE和ActiveX。第3章监控系统的组态设计3.1设计过程

使用WinCC软件开发并组态项目的步骤：先建立项目，然后选择并安装通讯驱动程序；在PROFIBUS协议中建立一个驱动连接并组态逻辑连接参数；定义变量，包含所需要的内部变量和外部变量；通过图形编辑器，利用其中的资源对监控画面组态；报警记录并存储、自动生成报表、数据归档、趋势曲线输出及用户管理等功能；指定WinCC运行系统的属性并激活Wincc画面；使用变量模拟器测试报警、报表和画面动态等功能。3.1.1Wincc项目的建立任何的模块都是从项目管理器开始的，首先打开Wincc，进入项目管理器，如图3-1所示。图3-1Wincc项目管理器本项目名称为“Pumping.mcp”,因为本项目并没有联网，所以建立的时候是选单用户项目。由于Wincc版本汉化不是很完善，所以我们创建的时候将它创建在单独一个分区上，以保证运行速度，没有放在系统分区，创建的路径没有包含中文字符。在此之外，还要对运行环境进行一个大概的设计。本项目运行时的显示画面设置为全屏显示。启动了图形运行系统、变量记录运行系统、报警记录运行系统、全局脚本运行系统和文本库运行系统。3.1.2添加PLC驱动程序添加驱动程序以保证系统的正常工作。根据本项目要求，要与PLC进行通讯连接，所以本项目添加了SIMATICS7ProtecolSuite.CHN协议。需要注意的是：在项目没有激活时才可添加驱动程序，如果项目正在激活状态，则需要先取消激活状态，然后在添加。添加步骤如下：图3-2图3-2添加PLC驱动程序3.1.3设置变量（1）系统变量：Wincc提供了一些系统设定好的变量，称为系统变量。每一个系统变量都具有明确的意义和既定的功能，系统变量是由系统创建的，用户可以使用，但不可创建。系统变量均以“@”开头，以示区别。在本系统中用了“年”“月”“日”“时间”类型的系统变量。如图3-3图3-3系统变量（2）内部变量：首先打开资源管理器，然后用鼠标右击“内部变量”，再点击新建变量，然后根据系统参数要求填写变量信息。具体步骤如图3-4图3-4内部变量（3）外部变量：由外部过程为其提供变量值的变量，称为WinCC的外部变量，也称为过程变量。创建过程变量之前，必须安装驱动程序和创建连接，变量智能用命令“复制”和“粘贴”放置到一个连接中，不能拖动到一个连接中。输入变量名称——选择数据类型——选择PLC地址，然后点击确认。如图3-5图3-5创建外部变量3.2图形界面的编辑在wincc中，组态画面是其中的主体部分。一般创建过程画面的步骤为：右击“画面编辑器”，然后点击“新建画面”，然后重命名画面，然后打开画面进行编辑。图形编辑器具有强大、方便且使用的功能，WinCC提供了可插入的各类元器件和图形元素，在图像库里可以找到许多常见的图形，如:油罐、水泵、控制阀、液体容器等。用户还可从基本对象库添加OLE控件、滚动条、按键、应用窗口等等。除此之外，该图形编辑器还提供了更广泛的图形编辑方式，用户自己做出图形存入库中，待使用时从中选取即可。用户还可以导入外部图形和文本数据。这样可以使画面更加生动逼真。3.2.1登陆界面登陆界面通常都是设置为“起始画面”，主要是用于用户登陆和退出界面，内容通常比较简洁。本系统的登陆界面由名称文本和一个按钮组成，用于用户进入到监控系统画面。3.2.2主监控界面这一界面是此系统的主要工艺流程界面，用户在登录界面中点击进入系统以后就进入到这一个界面。这个界面主要是显示雨水从进集水池，然后被排水泵排到江河的一个动态的流程。在这个界面上，用户还可以看到分水池液位、总集水池的液位、水流流向和各个控制阀的启停状态。该界面上有三个指示灯，显示整个系统的运行状态，在最下面还设有四个按钮，方便用户查询进入其他界面。如图3-6图3-6主监控界面3.2.3设备状态监控界面该界面是用于显示格栅机、排水泵的电压、电流等具体参数以及控制阀门的启停状况，还有每个设备的故障状态指示灯。并能连接到操作界面，对格栅机和排水泵进行控制。如图3-7图3-7设备运行状态3.2.4报警界面一般按照以下步骤进行组态报警记录：打开报警记录编辑器，启动项目向导，组态消息文本，使用消息等级类型，设置消息的颜色，组态限制值的监控，在画面中插入消息窗口，设置启动参数，激活项目。3.2.5Wincc与PLC的连接实现与PLC连接的基本条件是计算机上装有CP5611通讯板卡，通过PROFIBUS能够正常连接到PLC。只有WinCC和下位机进行了连接，WinCC才能采集数据并进行相关操作，起到控制作用。Wincc选择合适的通讯模块和通讯处理器建立通讯连接，在WinCC项目上选择通道单元。具体的实现步骤如下：（1）安装通讯处理器CP5611及其驱动程序；（2）在控制面板中打开“PG/PC接口”对话框，设置参数完成访问点和通讯处理器之间的分配；（3）完成通讯处理器的调试；（4）在WinCC的变量管理器中添加驱动程序“SIMATICS7ProtocolSuite.CHN”；（5）在该驱动程序中的Profibus选项中创建连接并设置参数；（6）为WinCC中相应的外部变量赋地址；（7）利用PG/PC接口程序中的诊断功能进行通道连接诊断，若诊断结果显示“OK”，则完成通讯。否则，应根据系统提示进行调试。3.3功能模块3.3.1变量模块本系统共设置了三种变量：系统变量、内部变量和外部变量。包含了几种指示灯的变量”light_”、”gsj_guzhang”、”guzhang_beng”和各个阀门开关的变量”fa_”以及各个监测点的液位变量”yewei_”。详细见下表格：变量表格变量名称类型参数系统变量year无符号16位数F=3,0month无符号16位数F=2,0day无符号16位数F=1,0time文本变量8位字符型F=5,0内部变量light_start二进制变量light_stop二进制变量light_alarm二进制变量gst_guzhang1无符号16位数gst_guzhang2无符号16位数guzhang_beng1无符号16位数guzhang_beng2无符号16位数guzhang_beng3无符号16位数guzhang_beng4无符号16位数guzhang_beng5无符号16位数yewei_1无符号16位数yewei_2无符号16位数yewei_3无符号16位数外部变量fa_1二进制变量DB1，D2.1fa_2二进制变量DB1，D2.2fa_3二进制变量DB1，D2.3fa_4二进制变量DB1，D3.1fa_5二进制变量DB1，D3.2fa_6二进制变量DB1，D3.3fa_7二进制变量DB1，D4.13.2.2报警模块本系统共设置了10个报警，其中有7个报警是开关量报警，分别对应于两台格栅机和五台排水泵状态。剩下3个是模拟量报警，用于总集水池水位和河水水位监控。如图3-8图3-8报警编辑为了方便模拟运行，在系统中把总集水池的水位范围设置在0cm—90cm之间，当水位低于10cm的时候，系统会报“总集水池水位过低”，若水位高于90cm，则报“总集水池水位过高”。同样的，设置河水水位范围为0mm—10mm之间，考虑到河水的一般特性，所以不需要设置下限。在河水水位高于9mm的时候，系统会显示“上限值”报警。如图3-9是模拟运行时的画面。在报警画面中，点击左边的按钮，可以进入相应的界面。图3-9报警运行通过这些报警消息记录，就可以生成报表，能够对这些数据进行存档以便后续工作。3.2.3报表模块通过系统中产生的一些报警消息，并且借助模板在本系统中创建了消息顺序报表。报表的结构和组态几乎是一样的，只是报表的在布局、打印输出及与动态动态对象的连接方面有所不同。通过报表将报警消息文本记录下来，并能够打印出来。3.2.4归档模块本系统主要归档了两个变量”yewei_2”、”yewei_3”，分别对应总集水池水位和河水水位。对于周期的范围，输入下列数值：采集=500ms，归档=1*1s，两个变量将被每秒采集一次作为变量归档。如图3-10通过这两个变量值得归档，本系统还创建了趋势窗口。趋势窗口是以图形的形式显示过程变量。如图3-11，蓝色曲线是总集水池水位，绿色曲线是河水水位，根据实际情况，本系统没有设置河水水位下限。当水位超过上限时，曲线会变为紫红色，当水位低于下限时，曲线会变成深红色。通过曲线能够直观反映出当前水位变化。图3-10过程值变量归档图3-11变量趋势图3.3系统模拟运行3.3.1设备正常运行雨水通过1#阀门和2#阀门分别进入分集水池，每个分集水池中装有一台格栅机用于过滤杂质，3#阀门和4#阀门各自连通着一台排水泵，然后将水排到总集水池，总集水池容量比较大，所以本系统装了3台排水泵为它排水。如图3-12每个水池都装有液位传感器，用于监控当前水位。本系统的主画面上设置了三个指示灯，运行时“运行”指示灯亮绿色。“停止”和“报警”指示灯都是亮红色。如图3-13是系统正常运行时，所有设备的运行状况。包含了2台格栅机、5台排水泵和7个控制阀的参数。并且设置了故障灯。图3-12系统正常运行图3-13设备正常运行3.3.2水位超过上限模拟运行图3-14水位超限模拟运行图3-15水位超限设备状况模拟上图中水位已达到了95，系统设定值时90，所以水位超过了系统设定值，画面中“报警”灯亮，同时3#阀门和4#阀门关闭，1#泵和2#泵停止工作，其他设备继续正常工作。如图3-14、图3-153.3.3水位低于下限模拟图3-16水位低于下限图3-17水位低于下限设备状况模拟运行上图中水位是了5，低于系统设定值时10，系统“报警”指示灯亮，同时关闭了5#阀门、6#阀门和7#阀门，3#泵、4#泵和5#泵业停止了工作，在图3-16和图3-17中可以很清楚的看出。第4章结束语

本文主要介绍了基于西门子WINCC的城市排水泵站监控系统的设计。系统设计包含硬件和软件两个方面，主要在软件方面做了详细的描述。在硬件方面，根据系统要求，对所需硬件例如智能控制器、排水泵、阀门等进行了简单介绍和选型；在软件方面，主要是从软件的介绍、比较和选择方面进行了概述。然后介绍了组态软件设计的方法并组态了城市排水模拟过程，并且进行仿真调试。通过设计和调试，大致完成了用西门子Wincc软件对城市排水监控系统的设计要求，但由于条件的限制，并没能完全达到预期的效果。在Wincc软件组态分集水池中各设置了一台格栅机用于过滤雨水，以减少管道堵塞等问题。每个分集水池各设置一台排水泵用于往总集水池排水。总集水池有着比较重要的位置，所以我们给它配了三台排水泵用于排水，有一台备用，在降水量超过设定值得时候可以用于紧急排水，降低了城市出现涝害的几率。本系统还能够监控各个设备运行时的状态参数并能够实现手自动的切换，比如格栅机和排水泵的电压、电流等参数，便于工作人员查看。而且工作人员能够对设备进行独立控制。在整个毕业设计的过程中，遇到了不少困难，只有通过查阅大量的文献或者请指导老师来解决，整个过程受益匪浅。

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