（机械制造及其自动化专业论文）基于wincc的污水处理集散控制系统的设计.pdf

摘要 摘要 近年来，随着我国工业化程度不断提高和城市人口密度的不断增加，污水处 理厂规模不断扩大，污水处理厂的管理和设备的控制面临严峻的考验。集散控制 系统运用于污水处理厂可以最大限度提高污水处理厂运行可靠性，提高出水水 质，降低能耗和工人劳动强度，达到提高经济效益的目的。 本课题以北京安定垃圾填埋厂的污水处理系统作为背景，研究了基于w i n c c 的水处理集散控制系统的实现。该水处理系统采用s b r ( s e q u e n c i n gb a t c h r e a c t o ra c t i v a t e ds l u d g ep r o c e s s ) 污水处理工艺。根据s b r 污水处理工艺要 求，本课题研究了如何实现集散控制系统对该厂污水处理系统各环节的自动控 制，其中主要包括下位机如何实现对现场设备的控制，上位机如何对现场设备的 运行状态的监控和上下位机如何通讯。 集散控制系统的下位机选用p l c 作为现场控制设备。本课题根据s b r 污水处 理工艺要求对下位机p l c 以及现场各种传感器进行了硬件选型。除此之外，还根 据污水处理的工艺要求，编写了相应的p l c 控制程序，其中主要包括预处理区， 反应区和污泥处理区三个区的p l c 自动控制程序。 集散控制系统的上位机选用p c 机作为监控机实现对现场设备的运行状态的 在线监控以及运行状态的调整。通过上位机监控，工人可以及时了解现场设备的 工作状况并且保证对现场设备出现的故障得到有效的排除。本课题上位机监控界 面设计以西门子组态软件w i n c c 作为开发平台，其中监控界面主要包括登录界 面、总体流程图界面，预处理参数界面和反应池参数等界面。 集散控制系统的通讯选用基于现场总线通讯协议的p r o f i b u s d p 网络和胛i 网络。本课题通过对相关网络进行硬件参数的配置以及编写相应的通讯程序来实 现集散控制系统的通讯。其中下位机p l c 通过p r o f i b u s - d p 网络实现了与现场设 备的通讯。上位机通过i i p i 网络实现与下位机p l c 的通讯，读取了p l c 中现场设 备的运行状态以及现场传感器反馈的数据同时可以对现场设备的运行状态进行 调整。 关键字集散控制系统；组态软件；p l c ；w i n c c ；现场总线 a b s t r a c l a b s t r a c t t h e s ey e a f s ，t h es c a l eo fs e w a g et r e a t m e n tf a c t o r yi sb e c o m i n gb i g g e rt h a ne v e l b yt h ed e v e l o p m e n to fo u ri n d u s t r ya n di n c r e a s eo fp o p u l a t i o nd e n s i t y f o rs e w a g e t r e a t m e n tf a c t o r y , d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e mc a ni m p r o v et h er e l i a b i l i t yo fd e v i c e sa n d t h eq u a l i t yo fw a t e r , b e s i d e s ，i ta l s oc a i ls a v ee n e r g ya n dr e d u c ew o r k e r s p r e s s u r ea t m o s t 1 1 1 ed i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e mc a nb r i n ge c o n o m i c a lb e n e f i tt ot h es e w a g e t r e a t m e n tf a c t o r y u s i n gt h es e w a g et r e a t m e n ts y s t e mo fa n d i n gg a r b a g et r e a t m e n tf a c t o r yi n b c i j i n ga sb a c k g r o u n d , t h i sp a p e ri n t r o d u c eh o wt or e a l i z et h ed i s t r i b u t e dc o n t r o l s y s t e mb a s e do nw i n c c t h ef a c t o r yt r e a t sw a s t i n gw a t e ru s i n gt h ec r a f to fs b r ( s e q u e n c i n gb a t c hr e a c t o ra c t i v a t e ds l u d g ep r o c e s s ) t m sp a p e rm a i n l yi n t r o d u c e s h o wt or e a l i z et h ec l i e n tc o n t r o l st h ef i e l dd e v i c e s b e s i d e s ，i ta l s od e s i g n sh o wt o r e a l i z et h es e r v e rm o n i t o r st h ed e v i c e sa n dh o wt oc o m m u n i c a t eb e t w e e nt h ec l i e n t a n dt h es c i v e l u s i n gp l ca s t h ec l i e n t d e v i c e , d c sr e a l i z e t oc o n t r o lt h em a c h i n e s a u t o m a t i c a l l y t h i sp a p e rn o to n l yi n t r o d u c e sh o wt oc h o o s ep l c a n d $ e l l s o r sb u ta l s o d e m o n s t r a t eh o wt os e tt h ep a r a m e t e r so fh a r d w a r e ，b a s e do nt h er e q u i r e m e n to fs b r b e s i d e s ，t h i sp a p e rm a k e st h ep l cc o n t r o lp r o g r a mo ft h ef i e l dd e v i c e s , i n c l u d i n gt h e p r e p r o c e s sa r e a , r e a c t i n ga r e aa n dm u dt r e a t m e n ta r e a t h es e r v e rd e v i c eo fd c s ，w h i c hi sp c ，i su s e d 蠲am o n i t o ra st os u p e r v i s et h e c o n d i t i o no f m a c h i n c s t h r o u g ht h em o n i t o r , w o r k e r sc a ne a s i l yl o c a t et h et r o u b l ea n d r e m o v et h ef a u l t t h ei n t e r f a c eo fm o n i t o ri sd e s i g n e d ，u s i n gt h es i e m e n s c o n f i g u r a t i o ns o i l , a r ew i n c ca st o o l s t h ei n t e r f a c e o fm o n i t o ri n c l u d e sl o g i n t e r f a c e ，g e n e r a lf l o wi n t e r f a c e ，p r e p r o c e s sp a r a m e t e ri n t e r f a c e , r e a c t i n gp o o l p a r a m e t e ri n t e r f a c ee t c t h ec l i e n tc a nc o m m u n i c a t ew i t ht h es c y v e r t h r o u g h t h en e t w o r ko f p r o f i b u s d pa n dm p i ，w h i c hb a s eo nf i e l db u sp r o t o c 0 1 t h i sp a p e ri n t r o d u c e s h o wt oc o n f i g u r et h ep a r a m e t e ro fc o m m u n i c a t i o na n dh o wt om a k ep r o g r a m p l c c o m m u n i c a t e sw i t ht h ef i e l d sd e v i c e st h r o u g hp r o f i u s d pa n dp cc o r m o e t i n g w i t hp l ct h r o u g hm p i 啊1 ep a p e ra l s oi n t r o d u c e sh o wt om a k ec o m m u n i c a t i o n p r o g r a m k e y w o r d s d c s ；c o n f i g u r a t i o ns o r w a r e ；p l c ；w m c c ；f i e l db u s 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名： 霹建矽 日期盈型雩 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 第l 章绪论 量曼! 鼍曼曼曼! 皇曼曼曼曼曼曼曼曼皇曼曼曼曼! 曼璺皇曼曼鼍ii 曼曼曼蔓曼曼曼皇曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼皇! 曼曼曼曼曼皇曼曼曼 1 1 课题背景及研究意义 1 1 1 课题背景 第1 章绪论 2 0 世纪5 0 年代以后，全球人口急剧增长，工业发展迅速。全球水资源状况 迅速恶化，“水危机 日趋严重。一方面，人类对水资源的需求以惊人的速度扩 大：另一方面，日益严重的水污染蚕食大量可供利用的水资源。我国水资源正面 临着经济社会快速发展与水资源短缺的矛盾相当尖锐，水环境与经济社会发展的 矛盾日益突出，水资源过度开发造成生态环境严重破坏，水资源利用方式粗放等 四方面的严峻挑战。 污水再生利用作为第二水源，与开发其他水源相比：( 1 ) 比远距离引水便宜； ( 2 ) 比海水淡化经济；( 3 ) 能够节约大量的排污费用，改善生态环境；( 4 ) 还能从污 水中回收价值不菲的有用物质。城市污水经过深度处理后，可替代优质水，主要 可用于农业灌溉、市政绿化、工业生产、建筑施工用水、冲洗汽车、街道厕所用 水和补充地表水等方面。在这样的背景下，污水处理行业成为新兴产业，目前与 自来水生产、供水、排水、中水回用行业处于同等重要地位。虽然由于国家和各 级政府对环境保护重视程度的不断提高，中国污水处理行业正在快速增长，污水 处理总量逐年增加，城镇污水处理率不断提高。但目前中国污水处理行业仍处于 发展的初级阶段。 1 1 2 课题研究意义 本文以北京安定垃圾填埋厂的污水处理系统作为研究背景来探讨污水处理 自动控制系统的实现。北京安定垃圾填埋场每年产生大量废水，污水排放的污染 不仅影响北京市生产和人们的生活环境，也直接影响北京市水体环境。合理开发 水资源的重要战略对策，也是实现我国社会经济的可持续发展的重要保证。要解 决水资源问题需要采取合理措施，大规模范围内进行环境治理、推行环保措施、 消除水污染、大力推广清洁生产工艺。采用闭合循环、节水降耗，尽可能把水“归 还一大自然。然而为了提高污水处理效率和减少能耗，提高水质、水情水处理工 艺参数、运行状况的检测和监视水平，提高水处理设备和系统工程自动化水平是 至关重要的。 污水处理具有处理过程工艺复杂，具有连续生产、参数检测困难、干扰多等 北京t 业大学工学硕士学位论文 特点。污水处理集散控制系统可以根据水处理的工艺要求实现污水处理设备的自 动控制。通过该系统可以实现水处理设备的按照预先设定的工艺要求进行运行， 同时可以在线监视设备的运行状况以及在线采集水处理的参数。污水处理集散控 制系统可以减少能耗，最大限度地提高污水处理厂运行的可靠性。除此之外还可 以提高出水水质、降低工人劳动强度达到显著提高经济效益目的。 1 2 国内外污水处理厂自动化现状 从国外的一些大型污水处理厂的情况，可以看到发达国家在二级处理普及以 后投入大量资金和科研力量加强污水处理设施的监测、运行和管理，实现了计算 机控制、计算和瞬时记录。美国在2 0 世纪7 0 年代中期开始实现污水处理厂的自动 控制，已经利用计算机进行数据记录和运行过程控制，甚至实现全自动的无人看 守控制方式。目前主要污水处理厂已经实现了工艺流程中主要参数的自动测试和 控制。例如美国的爱阿华水厂，在七十年代开始研究微机自动控制水厂投加药剂。 1 9 7 5 应用直接数字式计算机控制自动加矾，运行一年就降低矾消耗2 0 ，并且提 高了管理水平和稳定了出水水质。此外，苏联莫斯科水厂、日本东京朝霞等水厂 也先后采取计算机自动控制水厂工艺，取得了较理想的效果。8 0 年代以来在美国 召开了两次水处理仪器和自动化的国际学术会议，会上发表的数百篇论文反映出 水处理自动化已发展到实用水平。现在美国许多大中型水厂都有一套集散型的自 动控制系统进行控制。在厂区范围内对整个水处理过程实行多环路控制，其中包 括沉淀，过滤及反冲洗、臭氧处理、化学药剂投放、泵房等。设在中心控制室的 计算机可以从各个现场计算机中收集信息，并提供图表显示、曲线和各个设备动 作记录、设备的故障报警。 目前，国外污水处理厂自动控制系统已经具有以下特点n 1 ： ( 1 ) 采用分布式计算机控制系统，根据厂区分布情况分设数个分控站，设置 中央控制室，有完善的工业监视系统，操作人员通过控制和通讯网络管理生产过 程实现生产现场无人值守。 ( 2 ) 控制系统采用冗余化设计，单个控制站有独立工作能力，提高了系统的 安全性和可靠性。 ( 3 ) 生产过程在不同程度采用智能化控制，可以根据水源变化自动对工艺过 程进行调整。 ( 4 ) 工艺过程趋于复杂，控制精度要求更高，主要工艺环节必须通过自动控 制才能达到工艺要求，如：混凝、加药、曝气量控制等。 ( 5 ) 大量采用先进的在线式水质分析仪表和智能化仪表，可提供高精度的检 测数据和准确的控制数据。 第l 章绪论 1 皇-,= i o 皇曼鼍曼皇曼舅曼曼皇曼曼曼曼苎皇曼曼曼曼曼曼曼 ( 6 ) 大量采用遥测、遥控设备：并开始有效地利用社会信息资源，如电话网络 等。 从近几年来看我国的环保理论和工艺研究和应用与国外的差距不是很大，差 距比较大的是单元设备的自动控制系统。从监控总体结构来讲，目前国内的污水 厂监控常用s c a d a 系统、i p c + p l c 系统、工业现场总线系统等几种形式。我国污 水处理厂自动控制系统的现状是：手动与自动兼备，自制与引进并举。 从国内引进污水厂的自动控制系统现状来看，应用了自动化程度较高的检测 仪表，各种新工艺、新设备也大量出现并得到应用。水处理自动控制系统主要依 靠进口设备。其中几个大型污水处理厂如天津东郊污水处理厂、沈阳北部污水处 理厂采用法国全套工艺和设备，在系统运行和工艺过程控制等方面都达到了相当 的水准。但就全国范围现状来看，即使在自动化程度较高的处理厂也仍然存在许 多问题。综合来看，我国城市污水处理厂自动控制系统有以下的特点和不足n 3 ： ( 1 ) 各种类型、不同等级的控制系统和控制方式并存。大部分新建污水厂开 始采用计算机集散式控制系统，但在大量的现有和改造的污水厂中控制系统仍然 延续着巡检和人工方式。 ( 2 ) 开始大量采用可靠性高、维护简便的各种检测仪表和在线水质分析仪表， 为进一步提高污水厂自动控制水平提供了基础条件。但目前使用的大多是进口仪 器、仪表，在使用和维护方面仍存在许多问题。 ( 3 ) 各种新的污水处理工艺不断出现，各种控制理论开始得到广泛应用，单 元控制系统( 如混凝剂投加控制、生物滤池控制、曝气控制等) 已经逐渐开始采用 自动控制方式。 ( 4 ) 污水处理厂控制系统的监控和通讯功能在硬件和软件开发利用方面存在 极大不足，妨碍了处理过程的高效、经济运行。 ( 5 ) 许多控制系统的设计和实际工艺不相符，软件汉化比较差，给系统正常 运行造成困难。 ( 6 ) 国产自控系统、仪表、设备的质量、成套和系列化急需进一步提高，特 别是国内一些复杂高效新工艺的出现，对相应的自动控制设备提出了更高的要 求。 纵观污水处理的发展历程，国外污水处理自动化技术已有数十年地发展历 史，先后经历仪表检测、仪表闭环调节、智能单回路( 多回路) 控制、计算机集中 控制、p l c 控制以及d c s 控制等多个发展阶段。从我国已经建成的污水处理厂自动 控制系统的现状看，由中央管理微机和现场p l c 控制单元组成地、两个层次地计 算式监控系统具有很好地适应性，仍为国内污水处理自动化系统应用的主导形 式，同时也是未来污水处理厂自动化控制系统的发展的主要趋势。因此设计和开 发适合我国国情的大中型城市污水处理厂自动控制系统，在吸收国外先进经验和 北京工业大学丁学硕士学位论文 充分了解工艺过程的基础上，研制并开发出高性价比较高的污水处理厂自动控制 系统系统产品十分必要。 1 3 本文主要研究内容 针对国内污水处理厂存在的自动化水平不高、控制系统的设计与实际工艺不 符和控制系统的监控和通讯功能在硬件和软件开发利用方面存在不足等缺点，本 文在引入新理论和新技术基础上，对解决上述缺点进行了深入的探讨。 本文以北京安定垃圾填埋厂的污水处理系统作为背景，主要研究了： ( 1 ) 如何根据工艺要求，实现对现场控制设备p l c 的选型以及各种传感器的 选型。 ( 2 ) 如何根据工艺要求，实现对工艺设备的自动控制，提高污水处理厂的自 动化水平。 ( 3 ) 如何把大量的各种国产检测仪表和在线水质分析仪表引入到集散控制系 统中，提高控制系统的可靠性、准确性和可维护性，同时降低控制系统的成本。 ( 4 ) 如何利用p r o f i b u s 网络实现污水处理厂的现场设备与p l 的通讯，以及 p l c 与上位p c 机的通讯，提高集散控制系统的实时性和稳定性。 ( 5 ) 如何利用组态软件进行监控界面的设计，改进系统的监控功能。 第2 章需求分析以及集散控制系统设计 21 污水处理厂的需求分析 本谍题设讣的集散控制系统用于安定垃圾填埋厂的污水处理系统，实现对污 水处理系统设备的自动控制以及设备状态的髓控和调整。 安定垃圾填坪厂的污水成分相对来说较复杂，有一定量的居民生活污水以及 垃城渗滤液，废水中有机物浓度不是很高。 污水处理主要工艺参数指标包括悬浮固体( s s ) ，总需氧量( t o d ) 。一般二 线污水处理厂都严格控制悬浮固体( s s ) 和生化需氧量( 1 3 0 d 。) 两项指标，把它 们作为出水水质的主要指标。指标悬浮固体( s s ) 指进水或出水中悬浮颗粒的浓 度。s s 为水中物质的存在形志( 胶体物，溶解物) 之。生化需氧量( b o d ) 存 有氧条件下，好氧微生物氧化分解单位体积水中有机物所消耗的游离氧的数量， 表示单位为氧的毫克升( 如，m g 1 ) 。出水工艺参数指标为：b o d 2 0 m g l ，s s 5 m g l 。 安定垃圾填埋厂水处理工艺采用s b r 法即序列间歇式活性污泥法工艺。具体 艺流程图如图22 所示。 口 i 陆m 图2 - 2s b r 工艺流程图 f i g t t r e 2 - 2 t h e f l o w o f c r a f ts b r 主要工艺设备有粗格栅陈污机、细格栅除污机、提升泵、沉淀池，两个反应 而 北京工业大学工字硕士学位论文 池以及污泥处理池。粗格栅，细格栅用于过滤水中的杂质。沉淀池主要用于调节 水质为反应池的反应准备。沉淀池、反应池和污泥处理池配套一些相关辅助设备 以及传感器。 首先污水通过总管道进入污水处理系统。污水首先经过粗格栅过滤掉较大的 杂质，然后污水经过细格栅过滤掉较小的杂质后，由提升泵输送到沉淀池。接下 来在沉淀池中进行水质的调节，为下一步的反应池的处理进行准备。污水由提升 泵打到反应池中进行除磷脱氮处理。反应完成后上层的清夜取出供用户使用。池 底的污泥一部分通过剩余污泥泵返回到反应池，另一部分输送到污泥处理车间进 行泥饼的制作。 2 2 集散控制系统的特点以及设计 2 2 1 集散控制系统的特点 集散控制系统也叫分布式控制系统，是相对于集中式控制系统而言的一种新 型计算机控制系统。集散控制系统一般有四部分组成：过程输入输出装置、过程 控制装置、操作接口和数据通讯系统。过程输入装置主要是一些传感器以及机器 运转的信号输出装置主要是一些控制模块。过程控制一般主要是一些带有计 算和判断功能的微处理器。操作接口主要实现人与控制系统的信息交换。数据通 讯系统主要用于数据的实时传递。完整的控制系统组成结构图口1 如图2 - 3 所示。 图2 - 3 完整的控制系统结构组成图 f i g u r e 2 - 3t h e s u u c u n eo fc o m m o nc o n t r o ls y s t e m 最基本集散控制系统应该包括四个大的组成部分：至少一台现场控制站，至 少一台操作员站，一台工程师站( 也可以利用一台操作员兼做工程师站) ，一条 系统网络。 操作员站主要完成人机界面的功能，一般采用桌面型通用计算机，如图形工 第2 苹需求分析以及集散控制系统设计 作站或个人计算机等。其配置与常规的桌面系统相同，有些系统要求每台操作员 站使用多屏幕，以拓宽操作员的观察范围。为了提高画面显示速度，一般都在操 作员站上配置较大的内存。 现场控制站是集散控制系统的核心，系统主要控制功能由它来完成。系统的 性能，可靠性等重要指标也都依靠现场控制站保证，因此对它的设计，生产以及 安装都有很高要求。现场控制站的硬件一般都采用工业级的计算机系统。 工程师站是d c s 中一个特殊的功能站，主要作用是对d c s 进行应用组态。应 用组态是d c s 应用过程中一个必不可少的环节，因此d c s 是一个通用的控制系统。 只有完成正确的组态，一个通用的d c s 才能够成为一个针对一个具体的控制应用 的可运行的系统。组态工作是在系统运行之前进行的。当系统运行时，工程师站 可以起到一个对d c s 本身的运行状态的监视作用，以及时发现异常，并及时处理。 服务器以及其他功能站主要执行特定功能的计算机，如专门记录历史数据的 历史站；进行高级控制运算功能的高级计算站；进行生产管理的管理站等。这些 站也是通过网络实现与其他各站的连接，形成一个功能完备的复杂的控制系统。 随着d c s 的功能不断向高层扩展，系统已不在局限于直接控制，而是越来越多的 加入了监督控制乃至生产管理等高级功能，虽然控制系统的控制功能主要靠系统 的直接控制部分完成，但是这部分正常工作的条件是生产的工况平稳、控制系统 各部分工作在正常的状态下。而且一旦出现异常情况，就必须人工进行干预，使 系统回到正常状态，这就是s c a d a 功能主要作用。在规模较小，功能简单的d c s 系统中，可以利用操作员站实现系统的s c a d a 功能，而在系统规模较大，功能 复杂时，则必须设立专门的服务器节点。 集散控制系统的另一个重要的组成部分是系统网络，它是连接系统各个站的 桥梁。由于d c s 是由各种功能不同的站的组成的，这些站必须实现有效的数据传 输。因此系统的网络的实时行、可靠性和数据通讯能力关系到则关系到整个系统 的功能，特别是网络的通信规则，关系到网络通讯的效率和系统功能的实现。系 统网络的实时性是衡量系统网络性能的一个指标。系统网络还必须非常可靠，无 论在任何情况下，网络通信都不能中断，因此多数d c s 均采用双总线、环形或双 重星形的网络拓扑结构。为了满足系统扩充性的要求，系统网络上可接入的最大 节点数量应比实际使用的节点数量大，留有余量。一般一套d c s 中要设置现场 i o 控制站，用以分担整个系统的i 0 和控制功能。这样既可以避免由于一个站 点失效造成整个系统的失效，提高系统可靠性。典型的d c s 体系结构图如图2 - 4 所示。 图2 - 4 完整的控制系统结构组成图 f i g u r e 2 - 4t h es t r u c t t 鹏o fc o m m o nc o n t r o ls y s t e m 2 2 2 集散控制系统的设计 常见的集散控制系统主要有以p l c 构成的控制系统监督控制系统，s c a d a 系统，p cb a s e d 监督控制系统。p l c 控制系统的特点是其构成部分完全产品化， 这其中包括p l c 产品、组态工具软件产品、人机界面和监督控制软件产品等。这 类一般由用户自行购买各类产品并自行组成系统，当系统规模比较大、功能较复 杂时，也可以由专业的系统集成商来实现系统的工程实施。s c a d a 系统主要功能 是实现监督控制功能，一般用在对生产过程进行全面的监视，使运行人员全面可 靠掌握生产状况的场合。p cb a s e d 监督控制系统可以说是一个集多种功能于一 身的系统，它既可以成为一个直接控制系统，也可以成为一个监督控制系统，还 可以成为一个既有直接控制、又有监督控制功能的综合性系统。 评价集散控制系统的指标主要有：系统实时性、系统精确性、系统容量、系 统可靠性、系统稳定性、系统安全性、系统的易用性、可维护性、易扩展性系统 的现场接口性能、系统的人机接口性能等若干方面。其中系统实时性、稳定性、 可靠性是关键的指标。 本课题的集散控制系统的操作员站采用p c 机作为操作员站。这样一方面可 以降低成本，另一方面便于实现系统的易扩展性和易用性。现场控制站则采用 第2 章需求分析以及集散控制系统设计 p l c 作为现场控制站。p l c 具有可靠性高、抗干扰能力强、组态比较方便、适应 性强以及体积小、重量轻、功耗低等特点。现场控制站采用p l c 可以保证系统的 实时性、可靠性以及易扩展性。除此之外还具有系统的现场接口性能良好的优点。 p l c 内部的c p u 足以完成现场的各种复杂任务的控制。同时p l c 的输入和输出端 的可扩展性可以满足现场控制设备的扩展要求。 现场总线网络主要采用p r o f i b u s 网络。p r o f i b u s 网络是一种高速低成本的 网络。主要用于现场分布式设备的通讯，可以很好的满足污水处理厂的网络通讯 要求。网络结构采用总线网络拓扑结构。这个结构具有易扩展性以及高的稳定性， 不会因为一个节点的失效导致整个网络的瘫痪。同时网络的布线比较简单容易操 作。本课题的集散控制系统的模型如图2 5 所示。 2 3 本章小结 图2 - 5 本课题i ) c s 体系结构图 f i g u r e 2 - 5t h es l l u c t u r eo fw a s t i n gw a t e rt r e a t m e n to fd c s 本章主要介绍了常见的污水处理工艺，以及如何根据实际情况进行污水处理 工艺的选择与设计。介绍了集散控制系统的概念以及集散控制系统的组成结构。 最后本章还阐述了如何根据本课题具体的工艺要求，以及结合实际情况设计出合 理的、稳定的、经济的集散控系统。通过这章可以从总体上对污水处理工艺以及 集散控制系统有一个清晰的认识。 北京工业大学工学硕士学位论文 第3 章下位机控制系统的总体设计 下位机主要实现对现场设备的控制以及进行数据采集功能。它充当集散控制 系统中的现场控制站角色，集散控制系统的主要功能由下位机来实现。同时系统 的稳定性以及可靠性也是由下位机来保证的。因此对它的设计生产以及安装都有 很高要求。一般都采用专门的工业级计算机系统。本课题的下位机设计主要是在 满足工艺的要求下，系统的稳定性的前提下尽可能降低控制系统的成本。 3 1 总体功能设计 本课题集散控制系统上位机采用p c 机作为操作员站，主要实现监控功能和 对现场设备运行状态调整的功能。下位机采用p l c 作为现场控制站，主要实现对 现场设备的控制、数据采集和反馈控制功能。上位机采用普通的p c 机加c p 5 6 1 3 通讯卡，通过插在p c i 插槽的c p 5 6 1 3 通讯卡实现与下位机p l c 的通讯。由于监 控室没有强的干扰源，因此采用普通的p c 机可以保证与下位机的通讯的稳定性。 同时由于数据传输量不是很大可以满足通讯处理要求。由于p c 机配置比较高， 可以及时处理控制过程中产生的数据，可以满足工艺的要求。 根据本课题s b r 工艺的具体工艺流程的控制要求，污水处理系统主要分为三 个区，即预处理区、反应池区，污泥处理区，其中预处理区主要实现机械处理阶 段，过滤较大的杂质，同时调节水质。反应池区主要是生化处理阶段。污泥处理 区主要针对水处理产生的污泥进行处理，由于工艺是独立的所以单独划分为一个 区。因此采用三台p l c 作为下位机，实现对现场设备的控制。同时p l c 可以适应 严酷的工作环境，同时还能保证工作的稳定性。 其中对预处理区控制主要包括粗格栅、细格栅、提升泵、沉淀池四个主要工 艺设备的自动控制。反应池区主要包括两个s b r 反应池。污泥处理区主要包括对 输送机、浓缩脱水一体机以及一些进出水阀门。 上位机采用西门子组态软件w i n c c 进行监控画面的设计。其中上位机采用两 台p c 机互为备份，一台作为主监控机，另一台作为从监控机。当主操作员站出 现问题可以立即切换到另一台作为主操作员站。当主操作员站修复好了就可以切 换回到主操作员站，这样提高了系统的稳定性。 总体结构图如图3 - 1 所示。 第3 章下位机控制系统的总体设计 3 2 硬件选型 图3 - i 总体结构图 f i g u r e 3 一it h eg e n e r a ls t r u c t u r eo fd c s 3 2 1 西门子p l c 工作原理及特点 由于p l c 具有比计算机更强的与工业过程相连的接口，更适应于控制要求的 编程语言，因此p l c 可以视为一种特殊的工业控制计算机。但由于有特殊的接口 器件以及监控软件，其外形不像计算机，编程语言、工作原理和计算机也有一定 的差别。p l c 工作过程分为3 个阶段：上电处理、p l c 扫描过程和出错处理。 p l c 上电后对p l c 系统进行一次初始化工作，包括硬件初始化、i 0 模块配 置运行方式检查、停电保持范围设定及其它初始化处理等这些是p l c 内部处理 阶段，这些程序是厂家在p l c 出厂时就已经固化好了的，与用户的控制程序无关， 一般比较固定，其运行时间与用户的程序运行时间相比，要短的多。 p l c 上电完成以后进入扫描工作过程。首先完成输入处理，其次完成与外设 的通讯处理，再进行时钟、特殊寄存器的更新。当c p u 处于s t o p 模式时，转入 执行自诊断检查。当c p u 处于r u n 模式时，它将不断重复扫描过程。扫描过程分 为三个阶段：输入采样阶段，程序执行阶段，输出刷新阶段。 输入采样阶段首先扫描所有输入端子，并将各输入端子状态存入内存中对应 的输入映像寄存器。此时，输入映像寄存器被刷新。接着，进入程序执行阶段， 北京工业大学工学硕士学位论文 在程序执行阶段和输出刷新阶段，输入映像寄存器与外界隔离，无论输入信号如 何变化，其内容保持不变，直到下一个扫描周期的输入采样阶段，才重新写入输 入端内容。 程序执行阶段根据p l c 梯形图程序扫描原则，p l c 按先左后右、先上后下的 原则逐句扫描。但是遇到程序跳转指令时，则根据跳转条件决定程序的跳转地址。 当指令中涉及输入、输出状态时，p l c 就从输入映像寄存器“读入 上一个阶段 采入的对应输入端子的状态，从元件映像寄存器“读入一对应元件的当前状态， 然后进行响应的运算，运算结果再存入元件寄存器中。对元件映像寄存器来说， 每一个元件的状态会随着程序执行的过程而变化。 输出刷新阶段是所有指令执行完毕后，元件映像寄存器中所有输出继电器的 状态( 接通断开) 在输出刷新阶段被存到输出锁存器，通过一定方式输出并驱 动外部负载。 在p l c 每个扫描周期都要执行一次自诊断检查，以确定p l c 自身的动作是否 正常，如c p u 、电池电压、程序存储器、i o 、通信等是否异常或出错。若检查 出异常，c p u 面板上的l e d 及异常继电器会接通，在特殊寄存器中存入出错代码。 当出现致命错误时，c p u 被强制为s t o p 模式，所有的扫描停止。 p l c 工作的主要特点是输入信号集中批处理、执行过程集中批处理和输出过 程也集中批处理。p l c 这种串行工作方式，可以避免继电接触器控制系统中触点 竞争和时序失配问题，并增强系统抗干扰能力。由于干扰常常是脉冲式的、短时 的，只要p l c 不是正好工作在输入刷新阶段，就不会受到干扰的影响。因此瞬间 干扰所引起的误动作将会大大减少，从而增加了系统的抗干扰能力。这是p l c 可 靠性高的原因之一。p l c 工作原理如图3 - 2 所示。 p l c 具有能够迅速发展原因，除了工业自动化的客观需求外，还有许多独特 的优点。它较好的解决了工业控制领域中普遍关心的可靠、安全、灵活、方便、 经济等问题。它具有以下主要特点璐】： ( i ) 9 靠性高，抗干扰能力强。高可靠性是p l c 最突出的特点之一。由于工 业生产过程是昼夜连续的，一般的生产装置要几个月、甚至几年才大修一次，这 就对用于工业生产过程的控制器提出了高可靠性的要求。p l c 采用微电子技术， 大量的开关动作由无触点的半导体电路完成，用软件代替大量的中间继电器和时 间继电器。因此具有很强的抗干扰能力。 ( 2 ) 编程、操作简易方便、程序修改灵活p l c 采用面向控制过程、面向问题 的“自然语言一编程，容易掌握。例如目前p l c 大多数均采用梯形图语言编程方 式，既继承了传统控制线路的清晰直观感，又考虑到大多数电器技术人员读图的 习惯及应用微机的水平，很容易被技术人员所接受，易于编程。 ( 3 ) 硬件配套齐全，用户使用方便，适应性强。p l c 产品已经标准化、系列化、 第3 章下位机控制系统的总体设计 模块化，配套有品种齐全的各种硬件装置供用户选用，用户能灵活方便的进行系 统配置，组成不同功能、不同规模的系统。另外p l c 还有通讯模块、特殊功 上 l 也 过 | 整 f j 押如 避 投 弘 图3 - 2p l c 工作原理 f i g u r e 3 - 2t h er t m n i n gp r i n c i p l eo fp l c 能模块等。p l c 的安装接线也很方便，一般用接线端子连接外部接线。p l c 有较 强的带负载能力，可以直接驱动一般的电磁阀和交流接触器。硬件配置完成后， 可以通过修改用户程序，方便快速地适应工艺条件的变化。 ( 4 ) 易于系统的设计、安装、调试和维修。p l c 用户程序可以在实验室模拟调 试，输入信号用小开关来模拟，通过p l c 的发光二级管可观察输出信号的状态。 完成了系统的安装和接线后，在现场的调试过程中发现的问题一般通过修改程序 就可以解决，系统的调试时间大大减少。 ( 5 ) 体积小、重量轻、功耗低、响应快。由于p l c 将微电子技术应用于工业 控制设备的新型产品，其体积小、重量轻、功耗低、响应快。对于复杂的控制系 北京工业大学工学硕士学位论文 统，使用p l c 后，可以减少大量的中间继电器和时间继电器，小型p l c 的体积仅 相当于几个继电器的大小，因此开关柜的体积缩小。 3 2 2 西门子p l c 的选择 任何一种电气控制系统都是为了实现被控对象( 生产设备或生产过程) 的工 艺要求，以提高生产效率和产品质量。因此在设计p l c 控制系统时，应遵循以下 基本原则： ( 1 ) 最大限度地满足被控对象和用户的控制要求。设计前应该深入现场进行 调查研究，收集资料，并与相关部分的设计人员和实际操作人员密切配合，共同 拟订控制方案，协同解决设计中出现的各种问题。 ( 2 ) 在满足控制要求的前提下，力求使控制简单、经济，使用及维修方便。 ( 3 ) 保证控制系统的安全、可靠。 ( 4 ) 考虑到生产的发展和工艺的改进，在选择p l c 容量时，应适当的留有余 量。 其中p l c 的选择包括机型的选择、c p u 的选择、i o 模块的选择、电源模块 选择等。下面具体介绍本课题的p l c 选择： 机型选择：本课题主要选用西门子p l c $ 7 - 3 0 0 系列。主要根据如下： ( 1 ) 选用该机型可以满足s b r 水处理工艺控制要求。 ( 2 ) 西门子p l c 目前应用比较成熟，技术上有保证，且有丰富的成功经验可 以鉴戒。缩短系统开发的周期，降低成本。 ( 3 ) 为了达到p l c 机型统一，原来该污水处理厂有一些西门子的p l c ，选用西 门子p l c 可以达到模块互换的目的，可以减少成本。除此之外由于功能和使用方 法比较类似，便于技术力量的培训和技术水平提高：同时外部设备通用，资源可 以共享，易于联网通信，配上位计算机后容易形成一个多级的分布式控制系统， 扩展比较容易。 ( 4 ) 西门子$ 7 - 2 0 0 通讯功能比较弱，不利于上下位机的通讯，同时功能比较 简单，不能满足控制要求。$ 7 - 4 0 0 主要用于大型的集散控制系统中。由于选用 $ 7 - 3 0 0 就可以满足工艺控制要求，避免大马拉小车的现象。因此没有必要选择 s 7 4 0 0 ，增加成本。 s 7 - 3 0 0 p l c 的c p u 模块选型。西门子p l c $ 7 - 3 0 0 是模块式结构。其中c p u 模块分为紧凑型、标准型，革新型、户外型和故障安全型。其中紧凑型的c p u 用 于要求响应快速并具有许多特殊功能的装备。户外型和故障安全型的主要用于特 殊场合革新型是标准型的改进产品价格比标准型高。因此选用标准型c p u 。其 中标准型c p u 又分为模块具有现场总线扩展功能和不带现场总线扩展功能两种 第3 章下位机控制系统的总体设计 类型。由于本控制系统要与上位进行通讯，同时与现场设备进行通讯因此必须选 用带现场总线扩展功能的。综合性价比与控制要求选用c p u 3 1 5 2 d p 。这种c p u 带有两个p r o f i b u s - d p 接口，可以建立一个d p 网络，实现p l c 与现场设备的通 讯。预处理区、反应池区、污泥处理区都选用该类型的c p u 。 s 7 - 3 0 0 p l c 的输入输出模块的选择。输入模块分为数字量输入模块、模拟量 输入模块；输出模块也分为数字量输出模块和模拟量输出模块；以及数字量输入 输出模块和模拟量输入输出模块。输入模块和输出模块主要根据现场控制设备数 量和类型的要求来选择，在满足现场设备的情况下留有一定的余量。本课题中输 入量主要以模拟量为主，输出量以数字量为主。因此输入模块选择模拟量输入模 块为主，同时利用c p u 上面自带的数字量输入点可以满足输入设备的要求；输出 模块主要选择是数字量输出模块，同时利用c p u 自带的模拟量输入点可以满足输 出设备的控制要求。其中预处理区选择型号为数字量输出模块s m 3 2 3d 1 1 6 d 0 1 6 2 4 v 0 5 a ，定货号为6 e s 7 3 2 3 1 b l 0 0 0 a a 0 ，模拟量输入模块选择型号为 a 1 4 a 0 4 1 4 1 2 b i t ，定货号为6 e s 7 3 3 5 - 7 h g 0 1 一o a b o 。反应池区选择型号为数字 量输入输出模块s m 3 2 3d i1 6 d 0 1 6 2 4 v 0 5 a ，定货号为6 e s 73 2 3 1 b l 0 0 0 从0 ， 模拟量输入模块选择型号为a 1 8 1 2 b i t ，定货号为6 e s 7 3 3 1 7 k f 0 0 一o a b o 。污泥 处理区选择的型号为a 1 4 1 6 b i t ，定货号为6 e s 7 3 3 2 7 n d 0 1 0 a b o ，输出点可以 利用c p u 自带的数字量输出点就可以满足被控制设备的要求。 其他模块的选择。主要包括机架，以及接口模块的选择。接口模块主要实现 主机架与扩展机架的连接。由于主机架上面安装的模块有限，当安装的模块大于 主机架所能允许的模块的数量时候或则设备比较分散不能装在同一个地方就必 须用扩展机架。接口模块主要用来连接主机架和扩展机架，实现主机架与扩展机 架的通讯。这里机架选择型号为p s3 0 75 a 。接口模块使用i m l 5 3 2 ，定货号为 6 e s 7 1 5 3 2 从0 0 0 ) ( b 0