（电机与电器专业论文）plc在污水泵站测控系统中的应用.pdf

p i 在污水泵站测控系统中的应用 1 1 1 ea p p l i c a t i o no f p l ci nm e 嬲u r e 锄dc o n t r o ls y s t e mo f p o l l u t e dw a t e r p u m ps t a t i o n t h d i 删i a lp o l l u c c d 咖s y s 锄鸣砌c h 璐e sr e l a yt or e g t l l a t c 锄dc o 曲r o l ，i se a s yt o n o a la n du 舱b l et oi l l t c m 誉：l l c e s oi t 啪、s u r ep l m l ps t a t i 蚰t 0i m m e d i a t e 锄dr e l i a ：b l e 啪v e m 咖，w h i l cm i a 渺舳im 孤蜘【n e b a s e dc ：i l i p p r o c e s s o 玛i s n 、学0 0 d a t 枷- i n t e 疵鼻黜e o o 谢o n a l 鲫v 玉c ec o n d i ：t i o ni sn c c e s 剐孔t h c 彻1 l l i l l gs t a t ea _ b o u t p o l l u 6 e dw a 幻rp m n ps 纽t i o nc a n ，tb ep r o p c r l yh l o w na to n c e t h eu o fp i c 缸m 砒( e s ) r s t c i ns t a b l e ，r e l i a b l e ，u pt 0c o n d i t i o n 自o f r 印a 证 1 k 酬喧c l e ，w h i c ha i m sa tp o l l m e dw 栅p 咖叩s 诅t i o n i s 缸l c t i o na n dp l c s t c c h - c 1 1 乏哦帆s t i l d i e st e s t 觚dc o n 仃o ls y s t c mb 鹊c do nd c 8 t h es y s t 伽w h i c hu 辩sa r i e s o f s t 2 0 0s m n 狲s 锄a l lp l c 勰1 0 n g _ d i g t a i l c et e r l n i n a l ，i so p o i n tt 0m l l l t i 咖i n tm o n i t o r n 或w 】1 i c hu 辩si 1 1 d i i s t r i a lp c 嬲u p p 哪m a c h i i n d u s 伍a lp cs e ti nc e n t r a lc o n ir o o mo f p r o c e s s e dp o l l u l e dw a _ t e ri nm e 自c t o q ，i sb o n lu p p 口m 枷n ea n daw o l 韬n gs t a t i o ni nt t 地 p r o c e s s 协g 翮。哆o fc o m p u t c rl a n ，n l r o u g l l l f 二d e f i i l i t i o n 谢r e l e s sc o m m u n i c a t i o n m o d i l l e ，r e a l i z e sd a t ac o m m m l i 硎o n 、i mp u 埘【ps 嘶o n s ，a l s ob yt i n l ea n da c c i d e m h a p p e i l i n g ，、o f k s0 mb e s tb a l a n c ew a t e fq l l 缸t i t ya i l dc 0 i l d i t i o i l i i l gw a t e f 锄o n gp u m p s t a 五s i ) o w nm a c i i n es e ti l lp l m l ps t a t i o i i ，a c c o r d i n gt ou p p e rm a c h i n so r d e r ，c o n t r o i s p 1 】m p sa n dv a l v e s ，c o n s i s t so fl o c a l c o l l e c t i n g 町咖a c c 0 1 删n gt 0l 蛔【l i t c dg i v e nw a t i td i s p 瞰c h e sw 栅，r e 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e l e s s 删s s i o 玛i m p r o v e ds y s t e m s r e h a b i l i 锣 k e yw o r d s ：p o n u t e dw a t e rp u m ps t a t i o n ，p l c ，d i s t b u t e dc 0 n t m is y s t e m ，w i m i s c o m m u n i c a t i o nm o d u l e i i i 独创性说明 本人郑重声明：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的研究成果，也不包含为获得 沈阳工业大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。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做了明确的说明并表 示了谢意。 关于论文使用授权的说明 加五 ，； 本人完全了解沈阳工业大学有关保留、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。 签名： 导师签名：二牲 日期：御，弓，多 沈阳工业大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 泵站测控系统的选题背景及意义 水是经济发展和社会可持续发展的一个重要因素。目前，我国百分之八十五 以上的污水未经处理直接排入水体，危害人民身体健康和工农业生产，随着城市 规模的不断扩大和人口增加，污水处理问题越来越受到人们的关注。城市污水处 理率已成为一个地区文明与否的重要标志之一。到目前为止，世界各国已经研究 出各种不同的污水处理方法，如何紧跟时代步伐，赶超世界先进水平已是刻不容 缓。城市污水排放系统承担着收集输送城市各类用户排放的生活污水、工业废水 和部分天然降水，由此可见，污水管网的污水流量受人群行为、降雨，乃至管路 泄漏等诸多不可测因素影响，不确定因素严重【1 】：比如下雨，特别是下暴雨时， 由于区域内部分雨水进入污水管网，使之水量陡增。除此之外，污水管网中的污 水流量还受闸、泵等设备影响，非线性严重。 1 1 1 当前污水泵站控制系统存在的问题 ( 1 ) 系统规模大、工艺复杂、控制方式各异，虽然新建的污水厂已经开始采 用计算机监控系统，但是大量现有污水厂仍延续着巡检和人工方式，造成人力资 源浪费，同时也无法保证泵站及时可靠运行。 ( 2 ) 现有的控制策略有的过于复杂，有的过于简单，不能满足控制要求，无 法及时准确掌握污水泵的运行状态，容易导致设备损坏【2 】。 ( 3 ) 污水处理厂的设备都是大功率、大能耗设备，致使能耗较大，输水效率 低下。 ( 4 ) 还不能实现合理调度，从而导致入厂的污水水质不稳定，致使生产工艺 遭受有毒物质或过高的酸碱度的破坏而导致处理过程中断的事故时有发生，甚至 完全停产【3 】。 1 2 课题研究的意义 随着我国经济的飞速发展，城市建设规模越来越大，城市的政治、经济、文 化中心地位越来越重要，为了保障城市各项功能的正常运行，这就对城市的防洪、 防涝、排污水能力提出了更高的要求。这就必须对现有泵站监控和管理进行改造 p l c 在污水泵站测控系统中的应用 和完善，向先进的泵站监控管理方向发展，以达到减员增效、提高管理水平及经 济效益的目的。 我国对污水处理的研究，特别是自动化控制设备方面的研究远远落后于发达 国家。由于我国经济发展水平还比较低、资金匮乏、投资力度不足等诸多因素， 导致目前发达国家大批水处理企业大举进军我国水处理市场。由此可见对于我国 这样一个污染严重、资源短缺的国家，研制出一批能满足排放要求、处理效果好、 运行费用低和国产化程度高、且具有先进自动控制系统的污水处理设备迫在眉 睫。 为了解决上述问题，对各污水收集泵站进行了自动化改造，引入了p l c 控制、 无线网络和远程监控，设计了污水收集泵站集散控制系统。污水处理是水资源保 护和可持续发展战略中的一个重要环节，污水收集泵站p l c 控制、无线远程监控 及优化调度系统投入使用后，可以 ( 1 ) 实现高新区各污水泵站的中央控制，实现污水的科学合理调度，确保污 水排放的通畅。 ( 2 ) 实现污水泵站的污水流量、液位、储量的精确近、远程自动测量，减少 经济损失。 ( 3 ) 由于泵站改成远程监控、无人值班、定时巡逻的运行方式，减少了中控 值班和巡视工人，从而大大降低了污水收集泵站的运行成本。 ( 4 ) 输入到处理厂的污水的水量和水质平稳，使得低成本的生化处理工艺能 在工业废水占的比例较高的工业区废水处理中也能安全运行，从整体上来看，大 大降低了污水处理成本。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 国外污水泵站测控系统的研究现状 经济发达的美国、日本和西欧等国家除了非常重视研究污水处理的新理论和 新技术之外，更重视污水处理自动控制问题，先后研究开发出了各种高效型、智 能型和集约型的污水处理设备和自动控制仪表，并采用计算机自动控制水厂工 艺，取得了较理想的效果。而欧美国家的一些城市污水处理厂甚至已经用计算机 进行数据记录和运行过程控制，实现了全自动无人职守控制模式【4 】。从国外和国 沈阳工业大学硕士学位论文 内引进的一些大型污水处理厂的情况可以看到，目前国外污水处理厂监控系统普 遍具有一下特点【习； ( 1 ) 采用分布式计算机监控系统，操作人员通过控制和通讯网络管理生产过 程，实现生产现场无人职守。 ( 2 ) 监控系统采用冗余化设计，各分控站有独立工作能力，提高了系统的安 全性和可靠性。 ( 3 ) 污水处理的各生产过程在不同程度上采用多环路智能化控制，可以根据 水源变化自动对工艺过程进行调整。在电子自动控制系统发生故障时，每一个自 动控制过程都可切换成手动控制。 一 ( 4 ) 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。 ( 5 ) 大量采用遥测、遥控设备，并开始有效地利用现有的公共信息资源，如 电话、因特网等。 1 2 2 国内污水泵站测控系统的研究现状 我国的水污染严重已是不争的事实，国家先后启动了很多治理工程。并已取 德了明显的效果，但环保单元设备和自动控制系统与国外差距很大。从监控系统 的总体结构来讲，目前国内污水厂的计算机监控系统通常采用以下几种形式： ( 1 ) s c a d a 系统 s c a d a 系统由一个主控单元( m t u ) 和若干远程终端站( r t u ) 组成，m t u 与 r t u 之间用物理链路层或数据链路层联系。系统最初用于通讯，联网通讯功能较 强，可实现连续及顺序控制i 侧重于监测和少量控制，适用于被测点地域分布较 广的场合。该系统的特点是组网范围大，通讯方式灵活，与其它网络的互联功能 强。但是其远程终端站控制能力很小，使系统实时性较差，并且在安全性方面风 险较大，无法实现大规模和复杂的控制功能，因此在国内已很少使用。 ( 2 ) 传统的d c s 系统 d c s 集散监控系统，是由多台计算机和现场终端连接组成。通过网络将现场 控制站、检测站和操作管理站、控制管理站及工程师站连接起来，共同完成分散 控制和集中操作、管理的综合监控系统。d c s 系统侧重于连续性生产过程控制， p l c 在污水泵站测控系统中的应用 采用分级分布式控制，实时性好，系统软、硬件资源丰富，具有较好的扩展能力。 但d c s 系统造价较高，特别是软件开发比较困难，各种系统自成体系，因此应用 前景不好。目前d c s 系统在污水处理厂的应用已有一些成熟的经验旧。 ( 3 ) 以p l c 为基础的d c s 系统 d c s 是从过程控制工业发展起来的大系统概念产品，随着技术的发展，它已 经成为一种普遍使用的系统模式。除传统的d c s 产品外，出现了以p l c 为采集控 制站的集散控制系统和以工业控制计算机( i p c ) 作为采集控制站的集散控制系 统。可编程控制器( p l c ) 具有结构紧凑、模块化、编程方便、使用灵活和耐恶 劣环境等优点，广泛用于离散控制场合。近年来，p l c 技术迅速发展，不断增加 p l c 模拟控制和监视管理功能，采用d c s 系统的分级分散体系结构，将应用范围 扩展到连续过程控制和批量过程控制。从而形成了以p l c 为基础的分散型控制系 统。p l c 为基础的d c s 系统适用于批量控制过程和开关量点数较多的连续控制过 程，其性能价格比优于传统的d c s 系统。 1 3 课题研究的主要内容 ( 1 ) 对污水泵站测控系统功能进行研究，并分析了污水泵站工艺流程。 ( 2 ) 设计了基于p l c 网络、曲u s 协议、无线通讯模块和工控机的集散控制 系统结构。 ( 3 ) 详细分析了p l c 在本系统的应用。 ( 4 ) 组建基于m o d b u s 协议的西门子p l c 网络，并编写p l c 通信部分的程序。 ( 5 ) 设计了无线通讯模块。 ( 6 ) 设计了无线通信模块与p l c 和工业p c 机的接口。 一4 一 2 污水泵站测控系统的要求与建立 2 1 泵站工艺系统简介 城市生活污水和雨水通过收集管网流入各个污水泵站集水池，污水泵站经过 简单处理，通过隔删间过滤掉颗粒大的悬浮物，集水池达到一定液位时，通过污 水泵站输送到污水处理厂r 刀。污水泵站的系统结构如图2 1 所示。 图2 1 污水泵站系统结构 f 蟾2 1t h es y s t e ms 帆l c t i l 阳o f p 0 1 l m e dw a l e rp 啪ps t a t i o n 从图中可以看出，各泵站只负责特定区域的生活污水和雨水排放，因此各泵 站能否根据当地实际情况及时做出应变处理，以及各泵站与泵站之间协作能力的 强弱，都将直接影响城市的防洪、防涝及污水泵站测控系统的整体效能。污水泵 站工艺流程如图2 2 所示。 2 2 泵站测控系统的功能要求 随着社会经济、文化的迅猛发展，污水处理已越来越受到人们的重视。污水 处理率已成为一个地区文明与否的重要标志嗍。城市污水处理系统离不开污水泵 站，因此对污水泵站实现经济可靠的自动监控不仅具有一定的经济价值而且具有 一定的环保意义。系统设中央控制室和泵站现场监控站两级，由中控室统一管理。 p l c 在污水泵站测控系统中的应用 每座泵站为相对独立的监控站，能实现就地控制的各种功能。系统功能还包括能 实现手动控制、就地控制和远程控制的相互切换，当系统出现故障时，各监控站 仍能实现就地控制。及时自我处理，并向系统上位机报警，能够根据实时处理情 况和要求，控制设备的启停和工作强度，达到设备的最优化调度。即使发生最严 重的情况，系统也能采取必要措施将损失降到最低。 图2 2 污水泵站工艺流程 f i g 2 2n 婶t e c t m o l o g i c a lp 1 9 c e 站o f p o i l m e dw a l e rp 岫ps t a l i o n 2 2 1 系统基本要求 ( 1 ) 安全性 对供电系统的电压、电流等参量进行采集，出现故障时及时启动备份发电机， 保证泵站系统不断电。由于电机功率较大，应尽可能在满足排水要求的前提下， 避免水泵机组频繁开、停。在供电系统出现故障的情况下，应严格控制水泵运行 台数，以确保供电系统的安全。监控水泵电机的运行状态，防止水泵机组的启停 必须严格遵循水泵机组操作规程，在避免水泵机组频繁开停的前提下，使水泵机 组轮流运行，以延长水泵机组的使用寿命。 ( 2 ) 经济性 6 一 沈阳工业大学硕士学位论文 监测泵站污水在满足排水要求的前提下，确保水泵机组运行台次最少，以使 泵站在最经济的状态下运行唧。 ( 3 ) 实时性 为充分发挥排水系统的整体能力，应建立实时、方便的调度管理网络，以方 便调度人员实时掌握和控制泵站系统的运行情况。 2 2 2 系统控制要求 ( 1 ) 子站的控制要求 通常每个子站都有一个p l c 进行控制，工作方式分自动和手动两种：在自动 方式下各子站由就地的p l c 控制，根据主站预先下载的控制策略实现本工作站的 预处理过程和特殊情况下的紧急事件处理：在入工方式下子站由现场操作员手动 控制。 1 ) 水泵的自动轮值 我们设计任何一个控制系统对当然都希望这个系统高效、可靠、经济。其中 经济又包含运行的经济性和实现的经济性。对于本系统来说，从控制策略上讲， 可靠性要求尽量减少水泵故障的几率，并且即使水泵发生故障也要尽量保持系统 正常运行1 1 。】：高效性要求水泵运行的效率高；经济性要求系统的硬件成本尽量 低，同时要求控制策略不能太复杂，由于污水泵站自动监控系统下位机采用p l c ( 可编程控制器) ，太复杂的控制策略将增加对p l c 主机容量的要求，从而也会 增加硬件成本。所以，实现备用水泵和工作水泵的自动轮值和均衡运行，可实现 无人值守控制的一个重要体现。 具体的控制要求和实现思路如下： 根据水池中水位高低决定开启泵数的多少，我们将水池中的水位分成4 个等 级：最低水位( 计为水位0 ) 、中水位( 水位1 ) 、高水位( 水位2 ) 、最高水 位( 水位3 ) 【l l 】。p l c 通过水位检测传感器检测实际水位( 计为水位卉) 。然后 根据实际水位和设定水位之间的关系做出输出控制：情况，当水位从水位0 时，停止所有泵运行：情况，当水位0 水位承水位l ，投入1 台泵运行；情 况，当水位1 。 方式1 发送：串行接口以方式l 发送时，当c p u 执行一条数据写入发送缓冲 器s 叫f 的指令，数据写入s 叫f 后，启动串行口发送器发送，数据由t x d 端输出， 发送完第一帧信息，置“1 ”发送中断标志t 1 。 方式1 接收：串行接口以方式l 接收时，当r e n 置“1 ”后，就允许接收器 接收。接收器以所设置波特率1 6 倍的速率采样r x d 端的电平变化，当接收到的 8 位数据进入接收缓冲器s b u f ，置位r 1 中断标志，引发串行口中断，进行中断 处理。 ( 3 ) 单片机定时器设置 单片机串行口以方式1 通信时，需要定时器j r l 溢出来产生串行数据发送收 所需要的波特率。因此要对t 1 波特率进行设置。 波特率设置的目的是要找到对应所要求波特率t 1 的初值c i 。为进行计算还 应给定晶振频率f o 和工作方式。 通常情况下，选t 1 工作方式2 ，所得的波特率比较精确，初始值计算也较 方便。 所求波特率为1 2 0 0 b p s ，晶振频率为7 3 7 2 8 删z ，计算可得c i = 2 4 0 ，故t 1 初值应设为f o h 。 p l c 在污水泵站测控系统中的应用 4 2 46 2 6 4 简介 因本模块需要处理并缓存大量数据，单片机本身的r a m 存储器已经不能满足 需要，需要进行扩展。本系统采用常用的静态r a m 芯片6 2 6 4 。6 2 6 4 是8 k 8 位 静态随机存储器芯片，c 伽s 工艺制作，单一+ 5 v 工作电源，额定功耗2 0 0 哪，典 型存取时间为2 0 0 n s ，2 8 管脚双列直插式封装，地址线为a o a 1 2 ，d o d 7 为8 位双向数据线，c e 是片选端，w e 是写允许端，o e 是读允许端，c s 片选信号 输入线，可用于掉电保护。6 2 6 4 与单片机的接口：单片机p 0 口做为地址数据复 用总线，在地址有效周期，p o 传送的低八位8 2 5 1 片选信号，以此来区别对两芯 片的读写操作。6 2 6 4 芯片的工作方式见图4 2 ： 表4 26 2 6 4 芯片的工作方式 t 曲4 21 1 1 ew o 艏i l gp a 地mo f 6 2 6 4c l l i p 5 4 2 57 4 l s 3 7 3 简介 7 4 l s 3 7 3 由八个d 触发器组成，当o e 为低电平时，三态门处于导通状态， 允许q 1 q 8 输出；o e 为高电平时，三态门断开，输出线处于浮空状态。当7 4 l s 3 7 3 用作地址锁存器时，首先应使o e 为低电平，当l e 输入端为高电平时，锁存器 输出q l q 8 状态和输入端d l d 8 状态相同；当l e 从高电平返回低电平( 下降 沿) 时，输入端d 1 d 8 的数据锁入q l q 8 的8 位锁存器中，其中锁存控制端l e 沈阳工业大学硕士学位论文 和0 e 可直接于单片机的锁存控制信号端a l e 相连，即在a l e 下降沿进行地址锁 存【3 卯。 4 2 68 2 5 1 简介 8 2 5 1 是常用的串行口扩展芯片，具有接口简便，使用便捷的特点嗍。 ( 1 ) 支持同步和异步串行操作。 ( 2 ) 自动插入同步字符，该字符可以设定，也可以使用内部默认值。 ( 3 ) 支持错误检测，双缓存发送和接收器。 ( 4 ) 串行口波特率：同步d c _ - 6 4 i 【，异步d c 一1 9 2 k 。 8 2 5 l 芯片管脚结构如图4 3 所示： d o。取d d 1 d 2a 磁i y d 3t x c u 【 t 2 。合理选 取模式转换的人为延迟时间t 1 和t 2 ，是提高传输效率的关键所在。采用以上方 案，上位机和下位机之间就可以使用m s m 7 5 1 2 b 正确地进行远程数据的发送和接 收了。 4 3 模块软件功能设计 使用不同的应用，编制不同的软件，就可以在相同的硬件平台上产生不同的 功能。 4 3 1 与p c 机接口的软件设计 无线通讯模块与计算机通过串行口( r s 2 3 2 ) 连接，承担数据的发送和接收 任务。计算机将数据按照一定协议格式封装起来，发送给无线模块，无线模块再 将数据发送给各个下级泵站。同理，无线模块接收下级泵站无线模块传回的信息， 将其交给计算机 ( 1 ) 主程序 主程序流程如图4 6 所示： 沈阳工业大学硕士学位论文 图4 6 与p c 机接口主程序流程图 f i g 4 6 1 h e m a i l l p m g r a m n o w c i 耐o f t h e m 如c e 咖t e d t 0 p c ( 2 ) 无线通信子程序 1 ) 发送：是将发送缓冲区存储的数据发送给下位机，如图4 7 所示： p 【c 在污水泵站测控系统中的应用 图4 7 子程序发送流程图 接收：接收子程序为串行口中断服务子程序，其作用是将串行口接收到 数据存入接收数据缓冲区，如图4 8 所示： ( 3 ) p c 机通信程序 该部分负责与p c 机进行通讯，其流程与无线通讯子程序相似，在此就不一 一赘述。 沈阳工业大学硕士学位论文 l 开始l 工 读取接收数据 上 将数据放入 接收缓冲区 工 l 接收数据计数器加l 工 清除中断标志 上 l 结束l 图4 8 子程序接收流程图 f i g 4 8s 1 岫g r a mr e c e i v e dn o wc h a r t 4 3 2 与p l c 接口的软件设计 无线模块通过串行口( r s 4 8 5 ) 与p l c 组成的m o d b u s 网络相连接。因此，与 同p c 机接口的功能相比，本软件不但要承担数据的发送和接收任务，还要承担 同m o d b u s 总线接口的功能。即需要完成无线数据发送接收控制、无线协议与 m o d b u s 协议之间的转换、m o d b u s 数据的收发控制【4 1 1 。 ( 1 ) 主程序 主程序流程如图4 9 所示： ( 2 ) 无线通信子程序 本程序与上一节所述的无线通信子程序结构相同。 ( 3 ) p l c 通信子程序 本程序与上一节所述的p c 通信子程序结构相同，只是目标变为p l c 。 p l c 在污水泵站测控系统中的应用 图4 9 与p l c 接口主程序流程图 f i g 4 9t h em a mp r o 鲈蛐n o w c h a r to f m ci m e 哟c e 咖e c t 酣t op l c ( 4 ) 协议转换子程序 本程序是与p l c 接口通信模块和与p c 机接口的模块之间最大的不同。该模 块功能是将依照无线通信协议传送的数据分离出来，按照m o 曲u s 协议的格式重 新封装，发送给p l c 。同时，将p l c 发送来的m o d b u s 数据解包，以无线通信协 议的格式发送给上位机，流程分别如图4 1 0 和图4 1l 所示。 沈阳工业大学硕士学位论文 图4 1 0 无线协议转m o d b u s 协议流程图 f i g 4 1 0 n e n o w c h 眦o f w h l e s