毕业设计（论文）-基于组态王的小型污水处理厂的电气控制系统设计.doc

本科毕业论文（设计、创作） 题目： 基于组态王的小型污水处理厂的电气控制系统设计 学生姓名： 随青松 学号： 1002114 所在系院：信息与通信技术系 专业： 电气工程及其自动化 入学时间： 2010 年 9 月 导师姓名：朱晓骏 吴剑威 职称/学位：工程师 /本科 副教授 /硕 士 导师所在单位： 安徽三联学院安徽三联学院 完成时间： 2014 年 5 月 安徽三联学院教务处 制 安徽三联学院毕业论文 0 基于组态王的小型污水处理厂的电气控制系统设计 摘要：本文研究的是基于组态王的小型污水处理厂的电气控制系统。对该系统 的设计分为三个部分：一是下位机部分，完成现场设备的实时数据采集功能； 二是现场总线部分，完成现场设备的实时数据的传输功能；三是上位机部分， 实时数据处理分析和对设备运行的状态监控、实现电气设备的远程控制。基本 框架思路：以单片机为主的现场智能控制器即下位机，对电机等的参数进行采 集，采集的数据经 RS485 总线通过 MODBUS 协议传输到上位机中，上位机对数 据进行分析和处理再经过数据传输模块将命令下达到下位机中，以实现对现场 设备的控制。按照污水处理相关工艺要求用组态软件对电气系统进行控制。 关键词关键词：污水处理；组态王；电气控制 安徽三联学院毕业论文 1 Based on kingview small sewage treatment plant of electrical control system design Abstract：This paper research is based on Kingview small sewage treatment plant of electric control system. The design of the system is divided into three parts: First, the lower machine part, real time data acquisition function to do the field devices; Second, field bus parts, complete field equipment real-time data transmission function; Third, PC part, real-time data processing analysis and the equipment running condition monitoring and the realization of the remote control of electrical equipment. The basic framework idea is, lower machine is mainly composed of single chip microcomputer, and the intelligent controller that is lower machine, on the parameters of the motor, such as acquisition, acquisition of data transmission through the MODBUS protocol by the RS-485 bus to the PC, PC for data analysis and processing through the data transmission module will be under orders to lower machine, in order to realize the control of the field device. In accordance with the relevant sewage treatment process requirement to control electrical system with configuration software. Keywords: Sewage Treatment; Kingview; Electric Control 安徽三联学院毕业论文 目 录 第一章 前言.1 1.1 课题背景 .1 1.1.1 选题背景 .1 1.1.2 国内外研究现状 .1 1.2 污水处理的控制方式 .2 1.3 污水处理方法的优缺点 .2 1.4 组态王的优缺点 .3 第二章 污水处理系统总体介绍.5 2.1 组态王 .5 2.1.1 组态王的概述 .5 2.1.2 组态王的作用 .6 2.2 CASS 污水处理工艺.6 2.2.1 CASS 工艺简介.6 2.2.2 CASS 工艺流程.7 第三章 污水处理电气控制系统概述.8 3.1 电气控制系统的整体思路 .8 3.2 RS-485 简介.8 第四章 电气控制系统设计.10 4.1 组态监控界面 .10 4.2 组态电机温度数据库界面 .12 4.3 组态历史曲线界面 .12 4.4 组态报警界面 .13 4.5 控制系统的思路 .14 4.6 系统测试结果 .15 结 论.16 致 谢.17 参考文献.18 附 录.19 安徽三联学院毕业论文 0 第一章 前言 1.1 课题背景 1.1.1 选题背景 近年来，基于单片机的现场智能控制器已广泛应用于许多领域。大多数考 虑投资收益和成本的中小型企业，常会自行研发一些小型的分布式系统作为下 位机数据信号处理和监控系统，上位机一般为 PC 机，下位机一般为基于单片机 的现场智能控制器（以下简称现场设备） ，通过现场设备与 PC 机的通信，实现 了数据的双向传输，从而实现对系统的有效监控。 本设计拟设计开发以组态软件作为上位机监控软件的自动控制系统，对现 场智能设备采集的数据进行处理并向它发送控制命令。上位机采用轮询的方式 采集下位机上传的现场设备相关数据，并进行分析处理和控制。监控人员通过 查看实时数据、实时曲线及历史曲线，并对这些数据进行分析判断，确认是否 要设置改变运行参数、是否要发出控制命令，最终实现对整个系统的监控。 1.1.2 国内外研究现状 一些发达国家虽然早就实现了工业现代化，但也随之出现了很大的水污染问 题。对此这些国家投入了大量的人力和金钱对水污染问题进行深入的研究，并探 寻解决水污染问题的办法。美国有大量的污水处理厂，几乎每 5 千人有 1 座污水 处理厂，其中二级生物处理厂占绝大多数；英国共有处理厂约 8 千座污水处理厂， 平均 7 千人 l 座污水处理厂，几乎全都是二级生物处理厂；日本城市也有较多的 污水处理厂，大多数为二级或高级污水处理厂。1 水资源短缺是中国的基本国情之一，中国人口平均水资源量仅为世界平均人 口 1/4 的水资源量。为了解决这一基本国情，我们必须对污水处理。在我国，城 市污水处理率仍旧很低。有资料显示，我国有很多的城市污水没有经过任何处理 措施就直接把污水流放到周边环境中，直接或间接的污染了周边的水资源。近年 来，在生产、生活中不断发生水资源污染事故。同时我国和地方政府越来越重视 安徽三联学院毕业论文 1 污水处理问题，推出的治理“三河三湖”工程项目并取得了显著的效果。但是， 就现在而言，我国的污水处理厂同发达国家的污水处理厂比较，我国的污水处理 厂无论是在在数量上，还是在技术上都有着很大的差距，不是一朝一夕能赶上的， 所以我国现在急需要一批的专业性的人才，置身于污水处理建设中，对污水处理 技术方式进行全身心的研究，争取早日取得显著的效果。 1.2 污水处理的控制方式 传统的 SBR 法 SBR 工艺是间歇活性污泥法，它由一个或几个曝气池构成，从污水分批次的 进入曝气池中, 经过活性污泥净化吸收，并将纯化后的上清液排出曝气池外完成 一个工艺周期。工艺流程为进水、反应、沉淀、排放。 CASS 工艺 CASS 工艺是对 SBR 工艺的一种改进，具有 SBR 工艺的诸多优点：工艺简单、 方式多变的特点，且拥有着不错的氮、磷去除效果。这是在不同 CASS 内隔板反 应池的功能区，以及在不同处的溶解氧、污泥浓度、有机负荷和生物池也是不一 样所体现的功能。整个过程实现了连续进、出水。 MSBR 法 上世纪下半叶开发了一种 MSBR 法的污水处理工艺，大量的不断完善与发展 后，最终成为了第三代污水处理工艺。 1.3 污水处理方法的优缺点 SBR 工艺的特点，具有一定的调节作用，能改善水质以及水的波动引起的系 统不稳定。工艺处理简单，处理构筑物少，曝气反应池集曝气、沉淀、污泥回流 于一体，可省去初沉池、二沉池及污泥回流系统，且污泥量少，易于脱水，工艺 条件控制能取得较好的除磷效果，但需较高水平的自动控制和连续的在线分析仪 器的要求。2 在对于预先处理污水要求不高的情况下，CASS 工艺的优势得以很好的发挥。 仅仅需要加设一定大小间隙的机械格栅和沉砂池即可。CASS 反应池是整个工艺的 处理核心，用生物方式在 CASS 反应池内一步完成了去除氮、磷、分解吸收有机 安徽三联学院毕业论文 2 物和悬浮物等，从 CASS 池中流出的水可达污水排放标准。 以 MSBR 工艺为系统的污水处理厂可以不间断的进水，提高了厌氧反应率和 系统的稳定性，同时也增加了系统的抗压能力。MSBR 系统可以提高水质稳定、效 率，有着很好的处理污水的能力。 通过对比以上三种污水处理工艺的特点并根据实际情况，决定将本系统污水 处理的工艺最终定为 CASS 法污水处理工艺。 1.与传统活性污泥法相比 建设费用低。简易的工艺流程，污水处理厂只要建设紧密的集水池、沉 砂池、曝气池、污泥池即可，减少了建地面积。 运行费用省。由于间接曝气的需要，所以在池中溶解氧的浓度也需要周 期改变，在前两个阶段的低溶解氧浓度和曝气时的高溶解氧浓度，根据对溶解氧 浓度的特点进行调节溶解氧浓度，不仅降低了成本而且还达到节能的效果。 提升了有机物分解的效率，处理后的水况好。不仅有机物得以分解，而且 去除氮、磷的效果也非常好。 控制简单，运转性能稳定。很难发生污泥膨胀，而且所需设备数目和种 类都相对少，控制起来容易，系统运行性时的稳定性高。 污泥产量低，性质稳定，便于进一步处理与处置。 2.与 SBR 相比 CASS 反应池内含预反应区和主反应区，为提高降解污染物的效率我们要 将控制预反应区一直处于含氧量较低的状态； CASS 进水是不间断的，因此进水管道上只需要简单地控制水阀，而 SBR 是断续的进水，在生产现场中要多个交替着使用，这增加了控制系统的复杂性。 由于条件限制，本设计仅考虑对结合工艺过程的电气设备的控制问题。 1.4 组态王的优缺点 组态王有很多好处，首先组态王是通用的组态软件，可以兼容很多 Windows 操作系统；其次，组态王软件独立性高，它可以独立于具体设备而存在；再次， 使用组态王开发方便快捷，开发人员可以直接在 PC 机上进行工程项目的开发， 回避了开发过程中软件调试要先等待硬件搭建连接好才能进行的条件限制，软件 安徽三联学院毕业论文 3 调试的过程中，软件编写人员不再受硬件条件的限制；最后，组态王软件具有可 移植性能强的特点，在开发一个新的工程项目时，开发人员可以把以前开发过的 工程项目中的某一模块直接添加到新的工程项目中，可直接复制原来的画面和原 来设置的变量。 安徽三联学院毕业论文 4 第二章 污水处理系统总体介绍 2.1 组态王 2.1.1 组态王的概述 当前市场上很多的工企业自动控制系统是由组态王为开发平台的，它拥有 适应性强、开放性好、易于快速搭建、开发一个新工程的时间短等诸多优点。 一般的监控系统可以分为监控层、控制层和管理层三个层次结构。3 监控层在控制层和管理层起到中间过渡的作用。监控层在于实时对现场设 备进行监测，把接受到的实时信号通过处理显示到监控界面中，监控人员通过 监控画面所反映的信息进行相应的操作控制和对整个系统进行整体管理。在监 控层中要考虑三个方面的问题：数据、图片、动画，恰巧组态王软件完美的解 决了这些方面的问题，能够达到监控系统和功能处理分析的要求，利用组态王 软件，开发人员能够组态出一个监控界面，监控人员可在界面上直接的对现场 设备的运行情况进行掌握。组态王还具有报警窗口、实时趋势曲线等，可方便 的帮助操控人员生成各种报表。 1.使用组态王实现控制系统实验仿真的基本方法： (1)图形界面的设计； (2)构造数据库； (3)建立动画连接； (4)运行和调试。 2.使用组态王软件开发具有以下几个特点： (1)实验时可全部用软件实现。只需利用现有的计算机可以完成实验的自动 控制系统,从而大大降低实验仪器的资金投入。 (2)中文的开发系统。对于使用者来说,本系统简单易学很容易入手，可以 灵活的对参数进行修改,具有强大的仿真运行功能，通过插入实时/历史曲线控 件可直观观察到系统的趋势曲线，在自动控制系统实验中因组态王软件的这些 安徽三联学院毕业论文 5 强大的辅助功能，达到很好的效果，受到广泛的认同。 3.在使用组态王软件开发系统时应注意： (1)图形,是用抽象的图形和线条来模拟现场设备。 (2)数据,是创建一个具体的数据库,并用其中的数据来描述现场设备的性能 参数。 (3)连接,是在进行仿真时画面上的各元素按照什么方式动作，尽量和现场 设备的动作一致，并使操控者以怎样的动作来控制现场设备。 2.1.2 组态王的作用 本方案的监控系统选择了北京亚控科技公司的监控软件组态王 KingView， 它运行于 Windows98/2000/Windows NT 操作系统， Windows 图形功能得到充分 的发挥，界面直观、形象、简单易学。 采用 PC 机作为上位机，使用组态王软件组态显示监控界面，实现系统状态 的显示及设置、工艺方式的选择及设定、故障报警及记录、实时数据的显示， 界面直观，容易理解。通过组态王的强大功能还可以将异常或所需信息与打印 机等其它输入输出设备相连。系统具有远程监控功能,管理人员通过现场总线可 以实时的观测到现场污水处理的状况。 2.2 CASS 污水处理工艺 2.2.1 CASS 工艺简介 循环式活性污泥法工艺简称 CASS 工艺，是 SBR 工艺的发展改进。CASS 工 艺的四个反应阶段为充水-曝气、充水-泥水分离、滗水和充水-闲置。4根据需 要在不同的运行阶段调整其运行方式。由生物选择区、缺氧区和好氧区构成了 CASS 工艺反应区，污水经过 CASS 反应区的连续作用，污水中的有机污染物完 全得以降解，并实现了对氮、磷的去除。 安徽三联学院毕业论文 6 2.2.2 CASS 工艺流程 整个 CASS 处理工艺流程包含粗格栅和细格栅在污水进一步处理前的预处理， 利用物理方法把污水中的杂质如树枝树叶等过滤掉；CASS 反应池的生化处理； 消毒的后续完善处理；以及污泥杂质的收集和除去处理。 其工艺流程图如图 2-1 所示。 图 2-1 CASS 工艺流程 安徽三联学院毕业论文 7 第三章 污水处理电气控制系统概述 3.1 电气控制系统的整体思路 经过半年的研究学习，对基于组态王的小型污水处理厂的电气控制系统设 计有了基本框架思路。我们可以将本系统分为三大模块：下位机模块；数 据传输模块；上位机模块。 以单片机为主的现场智能控制器即下位机，对电机等的参数进行采集，采 集的数据经 RS485 总线通过 MODBUS 协议传输到上位机中，上位机对数据进行 分析和处理再经过数据传输模块将命令下达到下位机中，以实现对现场设备的 控制。按照污水处理相关工艺要求用组态软件对电气系统进行控制。 3.2 RS-485 简介 现实生活应用中我们比较广泛采用 RS-485 总线方式进行数据的传输。RS- 485 总线采用的是半双工工作方式平衡发送和差分接收数据信号，RS-485 总线 适用于多点互连时的系统数据传输，简化了数据线的结构。用 RS-485 总线进行 联网构成分布式系统的设计，我们最多可以在总线上并联 32 台驱动器和 32 台 接收器。RS-485 总线的最大传输距离约为 1219 米，最大传输速率约为 10Mbps，当对控制系统的速率要求不高时，我们用 RS-485 总线就可以满足系统 线路设计数据传输的要求。5 在本系统中采用了基于 MODBUS 现场总线的三级分布式 SCADA 系统。6采 取轮询控制方式，即由一个上位机负责整个网络的主从机控制，下位机只有当 主机查询到它时才能上传数据，上位机可以用广播方式将广播数据同时发送给 所有下位机。在设计过程中，提前给主从机的地址进行编号，运行时，每次都 由上位机发起按照一定的顺序对从机进行轮询，每次轮询时，主机除了向目标 从机发送轮询信号外，还包括主机信息，对应的，在从机接收到目标地址是本 从机地址的轮询信息后，立即将自身信息发送给主机，再由主机发至上位机。 安徽三联学院毕业论文 8 MODBUS 的应用层采用 MODBUS 协议，传输层使用 TCP 协议，网络层采用 IP 协议， 用起来十分方便且连接可靠。 安徽三联学院毕业论文 9 第四章 电气控制系统设计 “模拟实时数据”产生的方法有两种，一是从下位机中通过数据传输模块 传输上来；二是用数据库中的数据来模拟下位机传输的数据。7显然第一种方 法需要下位机与上位机实时连立起来，这样不方便上位机的设计和调试，而第 二种将数据库的数据通过结构化查询语言 SQL 传输到上位机中，满足上位机的 设计及调试要求，极大地方便了调试。鉴于没有下位机相关设备进行试验，只 能用数据库人工编写一些供调试的“模拟实时数据” 。 4.1 组态监控界面 污水处理系统的监控界面如图 4-1 所示。监控界面由开水阀、水泵、管道 和罐池组成，通过对水阀及水泵的开关来控制各池液体的流动。 图 4-1 监控界面 水阀开：粗格栅池液位上升；