（测试计量技术及仪器专业论文）污水泵站集散测控系统.pdf

硕士论文污水泵站集散钡4 控系统 x 6 2 4 7 3 6 摘要 d c s ( d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m ，集散控制系统) 是七十年代中期在过程控 制领域发展起来的技术，它不仅包括数据采集和处理、基本过程控制，而且包括先 进的高级控制策略、调度和优化等等。d c s 主要体现在管理集中、控制分散。 本文首先介绍了污水泵站工艺系统特点，泵站控制要求，依此设计了集散控制 系统总体结构：然后分析了西门子s 7 2 0 0 系列p l c 在该系统中的应用，着重论述 了基于m o d b u s 协议的p l c 网络组建；探讨了泵站与主控站之间的无线数据传输问 题，针对目前老式电台使用较多的情况，论述了专用无线通讯模块的硬件和软件设 计，以及p e c 与p c 机同无线模块的接口方法；最后分析了集散控制系统监控软件 的特点和功能要求、实时数据库以及人机界面设计等。 关键词：集散控制系统，可编程逻辑控制器网络，监控系统，无线通信 硕士论文污水泵站集散测控系统 a b s t r a c t t h ed c s ( d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m ) i sat e c h n o l o g yi np r o c e s sc o n t r o l f i e i df r o mm i d d l eo f1 9 7 0 s ，i n c l u d i n gd a t aa c q u i s i t i o na n dp r o c e s s i n g ，b a s e p r o c e s sc o n t r o l ，a n da d v a n c e dc o n t r o lt a c t i c sm a n a g e m e n t ，o p t i m i z i n ge t c ， d c sm e a n sc e n t r a l i z e dm a n a g e m e n ta n dd i s t r i b u t e dc o n t r 0 1 f i r s t l y ，t h ep a p e r i n t r o d u c e st h e s p e c i f i c a t i o n s o f s e w a g ep u m p l n g s t a t i o np r o c e s sc o n t r o ls y s t e m ，a n dd e s i g n st h ef r a m e w o r ko fd i s t r i b u t e d c o n t r o ls y s t e mo fs e w a g ep u m p i n gs t a r i o n s e c o n d l y a n a l y s e si m p l e m e n t i n go fs i e m e n ss 7 2 0 0p l c i nt h ec o n t r o l s y s t e ma n de m p h a t i c a l l ye x p o u n d s e s t a b l i s h m e n to fp l cn e t w o r kb a s e do n m o d b u sp r o t o c 0 1 t h i r d l y ，d i s e u s s e st h er r a d i oc o m m u n i c a t i o nb e t w e e nb u m p i n gs t a t i o n s a n dc o n t r o lc e n t e r ，e x p o u n d sh a r d w a r ea n ds o f t w a r ed e s i g no fs p e c i a lr a d i o c o m m u n i c a t i o nm o d u l e ，c o n s i d e r i n gt h a tm o s to l dr a d i o sa r ei nu s e l a s t l y ，a n a l y s e s c h a r a c t e r i s t i ca n df u n c t i o n so fd c s s u p e r v i s o r y c o n t r o ls y s t e m ，r e a l t i m ed a t a b a s e ，a n dm a n m a c h i n ei n t e r f a c ee t c k e yw o r d s ：d c s ，p l cn e t w o r k ，s u p e r v i s o r y c o n t r o l s y s t e m ， r a d i 0 c o m m u n i c a t i o n 2 硕士论文污水泵站集散测控系统 1 概述 1 1 选题背景及意义 城市排污系统是一个复杂系统，由广阔地域的集水井，地下输污支、干管网和大 小泵站组成。承担收集输送城市各类用户排放的废水和部分天然降水。系统运行特征 不仅具有不确定性、滞后特性，而且又是高能耗系统。因为： 1 污水管网流量来自各类用户排放的废水及降水，其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；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。 2 污水管网中的污水流量受闸、泵等设备影响，非线性严重。 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。 过去泵站采用的是简单的继电器接触器控制，存在如下缺点： 1 难以实现合理调度而使入厂的污水水质稳定，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。 2 由于设备配置落后，致使能耗较大，输水效率低下。 3 无法及时准确掌握污水泵的运行状态，容易导致设备损坏。 4 需工人2 4 小时值守造成人力资源浪费，同时也无法保证泵站及时可靠运 行。 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。 硕士论文污水泵站集散测控系统 1 2 国内外研究现状 现代化城市排水体系的仪表自动化系统基本上都是基于计算机监控和过程数据 采集系统( s c a d a ，s u p e r v i s o r yc o n t r o la n dd a t aa c q u i s i t i o n ) 模式的 “。s c a d a 代表了现代城市排水体系的仪表自动化系统应用的必然趋势，它比传统的集散控制系 统( d c s ，d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m ) 技术更先进。仪表自动化系统经历了从组 合仪表、模拟监控( s c c ) 、直接数字控制( d d c ) 、集散控制( d c s ) ，至现在以现场总 线为基础的s c a d a 的漫长的发展过程：进入9 0 年代以来，基于i n t e r n e t ( 国际互连 网) w e b 应用技术爆炸性发展，同样也引发了工业控制领域深刻的技术变革。这一领 域的专家们长期追求的以实现“企业综合自动化”为目标的“管控一体化”工业流程 生产集成解决方案所遇到的技术标准化问题、用户程序可移植性问题、系统功能可伸 缩性问题、控制设备互操作性问题等，似乎都找到了一个解决方法，这就是在全球范 围内得到了广泛而深层次成功应用的基于t c p i p 协议的网络技术和基于w w w 协议 w e b 技术。也就是说，组成“企业综合自动化”的企业m i s ( 管理信息系统) 和企业 生产过程s c a d a 都以t c p i p 和w e b 技术为基础，实现了企业“管”、“控”数据流之 间的无缝链接。“管控一体化”解决方案变的简捷和现实可行。以开放性、网络化为 特征的立足于w e b 和“i n f r a n e t + i n t r a n e t + i n t e r n e t ”一体化技术的s c a d a 系列产 品，其主要特点表现在如下几个方面： 1 微电子集成技术的进一步发展，促使微机、工作站、服务器等计算机设 备，以及p l c 、智能仪表等控制器设备在硬件上相互兼容，在性能上完全可 以满足w e b 技术应用的条 孛； 2 网络技术：基于t c p i p 协议实现现场总线、非标准控制网络和信息网络的 透明互连，并最终形成“i n f r a n e t + i n t r a n e t + i n t e r n e t ”一体化； 3 操作系统：主要由u n i x 、w i n d o w s n t 及l i n u x 构成相互透明的大系统操作 平台： 。 4 数据库：企业m i s 数据库和生产过程实时数据库无缝连接，并成为s c a d a 的 核心功能之一； 5 基于w e b 技术的分布式入机界面( h m i ) 功能： a ) 在i n f r a n e t 层：由实时数据库、w e b 服务器、操作台浏览器等组成，主 要完成生产过程的实时监控功能；如果实时数据库、w e b 服务器、操作 台浏览器等都基于同一台计算机设备，则可称为w e b 嵌入式控制系统， 这也是当前机电一体化设备控制系统的发展模式； b ) 在i n t r a n e t 层：由数据库服务器、w e b 服务器、办公用户浏览器等组成， 主要完成生产过程的实时监控功能和企业数据管理功能； 硕士论文污水泵站集散测控系统 c ) 在i n t e r n e t 层：由企业i n t e r n e t 网站和用户浏览器( 如家用微机等) 组成，主要完成远程数据交互功能和向城市居民公布排水工况及处理结 果； 6 ，编程软件：控制系统的编程软件同样经历了从最初的语句系列、面向对象的 结构化程序，到工业控制组态软件的发展过程；随着i n t e r n e t 的发展，由 m i c r o s o f t 公司基于w i n d o w s 操作系统所提出的c o m ( c o m p o n e n to b j e c t m o d e l ) 、d c o m ( d i s t r i b u t e dc o m p o n e n to b j e c tm o d e l ) 、a c t i v e x 等概念， 事实上引导着世界计算机软件产业界的编程思想和方法，在工控领域这种概 念的一个重要成果就是过程控制中的对象嵌入技术( o p c ，o l ef o rp r o c e s s c o n t r 0 1 ) 规范。基于o p c 技术，从传统的“组态软件”概念，发展到了已 有成熟产品的“组态软件”概念； 7 与地理信息管理系统g i s ( g e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ns y s t e m ) 的接口：鉴于 g i s 在市政管理中日益重要的作用，作为市政系统一部分的城市排水体系， 通过i n t e r n e t ，实现其s c a d a 与市政g i s 的在线连接具有重要的意义。 支持t c p i p 协议以实现三层网络无缝互联，应用w e b 技术实现“企业综合自动 化”，是当前s c a d a 发展的主要方向。国际上一些著名的工控领域软硬件制造商、系 统集成商如：r o c k w e l l 、s i e m e n s 、f o x b r o 、f i s h e r r o s e m o u n t 、s e h n e i d e r 、 i n t e l l u t i o n 、w a n d e r w a r e 、p c s o f t 等，最近2 - - 3 年中所推出的基于“整体自动化” 和“工厂自动化”概念的各种系列产品，基本上都是这种结构的典型范例和事实“标 准”，并且在发达国家城市排水体系中得到了广泛应用。 1 3 本文工作内容简介 本文在前人的基础上，设计了污水泵站集散控制系统： 1 ) 对污水泵站控制结构进行了研究，设计了基于p l c 网络、m o d b u s 协议、无 线通讯模块、工控机的集散控制系统结构。 2 ) 组建了基于m o d b u s 协议的西门子p l c 网络，编写了p l c 通信部分的程序。 3 )设计了基于m s m 7 5 1 2 的无线模块。 4 ) 完成了p l c 、p c 机与无线通信模块的接口。 5 )编制了运行于工控机上的监控软件。 硕士论文污水泵站集散测控系统 2 污水泵站测控系统的要求 2 1 泵站工艺系统简介 污水泵站的系统结构见图2 1 1 ，由分支集水管网络或初级泵站汇集雨、污水， 经格栅除污机去除漂浮物后汇集到进水池中，再由若干台大型雨、污水泵将水抽出， 排入下级排水管网或污水处理厂。 图2 ，1 1 泵站系统结构 从图可以看出，各泵站只负责特定区域或管网系统的雨、污水排放，因此各雨、 污水泵站工作情况的好坏以及泵站与泵站间协同工作能力的强弱，都将直接影响城市 或工业区的防洪、防涝及排污水系统的整体效能。泵站工艺系统见图2 1 2 。 广- 俪西卜僳丽丽丽卜瓶夏稠- 外运 城术亍葶求垮糖甸( 机械格概除污机碡叫采泵葡i 疆_ ；j 丽 摊水管叫比水槊h 承遂( 至污承处理r ) 图2 1 2 泵站工艺系统 2 2 泵站控制要求 当前，城市污水处理已成为一个相当重要的问题。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。 其自动监控系统的设计要求为：在无人值守的情况下对泵站进行综合监控，当发 生故障时，系统能够在一定的范围自我处理，并向系统上位枧报警：即使发生最严重 # 硕士论文污水泵站集散测控系统 的情况，系统也能采取一定的措施减小损失防止情况的进一步恶化。 其基本要求如下： ( 1 ) 供电系统的安全性： 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。 ( 2 ) 水泵机组运行的安全性： 监控水泵电机的运行状态，防止水泵机组带病运行。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。 ( 3 ) 水泵机组运行的经济性： 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。 ( 4 ) 泵站系统的调度： 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。 本系统中风机和隔栅排污机等辅助设备的控制要求比较简单只要求定时地周期 运行。而实现污水泵站的主要功能的4 台大功率水泵电机的控制却有一些特殊要求， 比如：由于电机的功率大要求采用软启动以减少电流冲击。进水阀、水泵电机和出水 阀的开关顺序必须遵循一定的流程等等。而其中4 台大功率的水泵电机的协调控制和 自动轮值则是其中的一个核心问题，原因如下。 我们设计任何一个控制系统时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的正常运行； 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。 具体的控制要求和实现思路如下。 1 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 ) 。p l c 通过水位检测传感器检测实际水位( 计为水位f ) 然后根据实际 水位和设定水位之间的关系作出输出控制：情况，当水位f 水位0 时， 停止所有泵运行；情况，当水位o 水位f 水位1 ，投入1 台泵运行；情 硕士论文污水泵站集散测控系统 况，当水位l 水位f 水位2 时， 水位f 水位3 时，投入3 台泵运行 台泵运行。 投入2 台泵运行；情况，当水位2 水位3 时，投入3 2 保证系统具有一定的冗系性和容错性4 台水泵中3 台为1 个工作组，另l 台 备用，每1 0 天切换1 次工作组，运行时间最长的泵转为备用。尽量保证每台 水泵运行时间均衡，出功平衡。这样不仅保证了冗余性，而且减少了单个水 泵故障的几率，提高了系统的可靠性。容错性要求在有水泵故障时工作组的 切换和轮值不应被打乱，系统不会出现控制失常。 6 硕士论文污水泵站集散测控系统 3 污水泵站集散测控系统的建立 3 1 集散测控系统的原理和结构 集散控制系统是工业自动控制系统的一种，其全称是微处理机集中分散型综合控 制系统。集散控制系统是以微型计算机作为过程控制工具，完成连续控制和顺序控制 功能l 。用上位计算机实行数据处理、监视、控制。采用c r t ( 操作站) 图像和操作 站为中心的人机联系装置实现集中显示和操作，用数据通信电缆将各设备联系起来。 概括地说，是将控制功能分散开来，构成一些以微型计算机为中心的子系统，然后用 上位计算机来管理( 监视、操作) 这些子系统。集散控制系统通常由过程控制站、操 作站监视计算机和数据通信装景等三个部分组成。集散控制系统( t o t a l d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m ) 的主要特征是它的集中管理和分散控制。它以大系统 理论为指导，以先进的四c ( c o m p u t e r 、c o n t r o l 、c o m m u n i c a t i o n 、c r t ) 技术为物 质基础，采用危险分散的系统设计思想进行设计。集散控制系统将控制功能分散化、 管理操作功能高度集中化并吸收了模拟控制仪表的特点而发展起来的一种新型数字 综合控制系统。 集散控制系统的结构形式基本由上位机c r t 操作站，高速数据链路，过程接口单 元及基本控制单元和外部扩展接口等组成。 首先，集散控制系统是一个集中管理、分散控制的体系，对生产过程进行监视、 管理和分散控制。它是以微处理器( c p u ) 为基础，通过通信链路与操作系统连接起 来的自动控制系统。其充分地将计算机、通信、控制、监视结合起来。分散控制系统 按照分级分散原则组成，纵向分为若干级，而每一级又可在横向上分为若干子系统， 每个子系统是一个独立的自主单元，它可以独立执行整个控制系统总任务中的一项任 务。各个子系统分工协作，并行工作，并可以利用系统的通信网络进行数据交换。共 享系统的资源，使控制系统形成一个完整的整体。从这一意义上来讲，在污水泵站的 管理控制中，运用分散控制系统的现场控制仪表可以实现功能分散、地理位置分散， 同时还可以实现集中显示。从而集散控制系统能较好地适应于污水泵站管理系统中泵 站地理位置分散的情况。同时还可以满足在中心控制室集中显示、打印、控制各系统 的运行状态和参数的要求。因此，鉴于集散控制系统本身的特点，各个控制系统采用 同一硬件的集散控制系统构成，由于集散控制系统本身所具有的内部通信，可使各子 系统之间的硬接线变成软接线，从而提高了系统的安全可靠性。同时系统统一设计， 使其功能合理分配到各子系统中。避免了个独立控制系统之间的控制信号、连锁信号、 运行状态信号都通过硬件接口通道送到各系统的模式，有效的发挥了公用数据库和系 硕士论文污水泵站集散测控系统 统资源的作用，避免了功能重复及各系统间的不兼容，这样使得系统维护方便，减少 了备品各件。给污水泵站运行管理带来了方便，提高了运行效益，同时也提高了管理 效率。 其次，在污水泵站管理中运用集散控制系统减少了泵站现场管理人员，降低了人 力资源成本，同时也减少了因为人工管理造成的疏漏，提高了系统的可靠性。同时， 系统实现了泵站综合调度，提高了处理能力。其报表预警功能可监管设备的运行状况， 提前发现故障隐患，减少了设备的毁坏几率，提高了工作效率，降低了运行成本。 3 2 集散测控系统的设计思想及选型原则 在生产过程应用分散控制系统的目的是为了改善生产过程的控制品质，实现安全 生产，将现代控制策略与生产过程结合，实现生产过程的局部和全部优化，将实时生 产信息汇入全厂的信息管理系统，实现全方位的优化管理和控制。在系统设计中遵守 如下原则： 1 可靠性高。过程控制计算机系统的工作环境比较恶劣，一旦系统运行出现故 障影响处理能力，或者造成恶性事故。因此，要将可靠性放在设计工作的首 位。除选购高性能的工业控制机外，还要设置保护性措施，必要时采用后备 装置。事故预测、不间断电源，事故处理等均为常用保护措施。主要控制回 路设置常规控制仪表做后备。重要工艺设备采用双机系统。双机系统可取备 份工作方式或双工作方式。前者，一台主机投入系统运行，另一台为热备份 机。在主机故障时，可自动投入系统运行。后者，两台主机并行工作，当某 台出现故障时，自动切离系统。 2 实时性强。过程控制计算机系统应能够及时响应内部与外部事件，并做出处 理。不丢失信息，不延误处理。定时事件要定时处理，如定时数据采集、控 制运算等。随机事件按照优先级别进行中断处理，如故障报警等。 3 操作性好。操作性首先体现为系统为运行操作人员提供直观的显示，简便的 操作，易学易用。设计工作应考虑到，为不具备计算机专业知识，但习惯于 p i d 调节器的操作人员提供在c r t 上的单回路数字调节器作显示形式。操作 性还体现为可维护性，即对故障应易查找，易排除。配置诊断程序，以利于 减少故障查找时间。采用总线系统及标准模板，便于更好更换故障模板。 4 通用性好。欲使过程控制计算机的研制投资获得较高的效益，应尽量考虑不 同被控装置、不同被控生产过程的共性因素，以求设计过程控制计算机的通 用灵活性。例如：设计硬件模板采用标准总线结构，便于系统扩充功能。软 件设计采用标准模块结构，便于灵活组态成不同规模的系统。 硕士论文污水泵站集散测控系统 5 性价比高。过程控制计算机系统作为一种产品占领市场的重要条件是其性价 比高。作为一种工业控制设备，应为用户创造较高的经济效益。如：降低能 耗、减少耗材、节省人力等状态下提高处理质量。以上面五项原则为指导， 做此套控制系统选型时，选择工控机较为符合本厂的生产条件，这是因为工 控机配有实时操作系统或实时监控程序、各种控制运算软件模块、状态软件 等。所以采用工控机来组建计算机控制系统，不仅能使硬件设计的工作量大 大减少，而且可使系统设计者根据要求，选择所需的模块进行组态。以较短 的时间开发出目标系统软件。 3 3 计算机调度管理系统的建立 污水泵站集散控制系统是以s i e m e n s 的s 7 2 0 0 系列小型p l c 作远程终端，以工 业p c 机作上位机的主从式点对多点监控网络。 工业p c 机安装在污水处理厂的中央控制室，下位机p l c 安装在泵站，根据上位 机的指令控制泵站的水泵、阀f - j a n 格栅机，并配置各种传感器等辅助设备，组成本地 数据采集系统。上位机按照半双工轮询方式，同各泵站通讯。无线通信模块采用透明 方式工作，只起数据传输作用。 系统结构示意如下图： 图3 3 1 污水泵站监控系统结构结构图 硕士论文 污水泵站集散测控系统 图3 3 2 主站硬件结构 图3 ，3 3 子站硬件结构 中央计算机调度管理网络是一个数据处理和控制中心，它主要完成对分布在各处 的泵站数据进行集中存储、显示、制表、打印等的任务，并可通过操作站下达应急操 作指令，完成人工远端遥控操作。该系统由以下两级计算机网络构成。 1 无线电局域网。室外天线、无线m o d e m 、数据通讯管理机组成无限数据通信 网络，与位于泵站的p l c 进行数据交换，为整个系统提供实时数据并提供对 p l c 进行遥控操作的数据通路。数据通信管理模块对数据链路进行分时控制 及管理，最大限度地提高了通信设备的通信能力与质量，实现了一点对多点 的网络布局，从而降低了设备的投资费用。 2 计算机调度管理网络。泵站监控与调度系统用于对1 0 个污水收集泵站的运 行状态进行集中监控和输水量的调度。用于监控的工业p c 机既是泵站兕c 硕士论文污水泵站集散测控系统 的上位机，其本身又是厂部微机局域网的一个工作站。监控p c 机以 w i n d o w s 2 0 0 0 p r o f e s i o n a l 作为操作系统，通过无线通讯模块与各泵站实现数 据通讯。监控画面使用a u t o c a d 和c o l e d r a w 制作。将获取的各泵站运行状 态数据( 如流量、液位、泵韵工作电流、供电系统的运行状态等) ，通过数据 接口送往后台数据库，经过后台数据库系统的处理，生成生产报表，各有关 科室的管理人员可随时调用和打印这些报表。后台数据库的一个专门用于优 化调度的子系统( 由一系列的专门编写的s 钆存储过程和触发器组成) ，通过 时间和事件触发，计算出最佳的平衡水量和各泵站调度水量，泵站的p l c 根 据给定的调度水量，调整开启的水泵台数和工作时间，达到调度水量的目的。 硕士论文污水泵站集散测控系统 4 现场监控功能设计 4 1p l c 功能设计 可编程序控制器( 简称p l c ) 。p l c 在污水处理生产中应用的模式多种多样，但原 理相同，早期污水系统采用模拟调节控制，容易漂移，且不能智能化，而以单片机为 基础的微机控制机由于抗干扰能力差，工作期间调整点容易漂移，接触的拉弧干扰会 使系统死机，要经常到现场服务调节。采用p l c ，系统稳定，运行可靠，基本做到免 维护调整。 泵站p l c 控制系统功能如下： 1 每泵组由一台水泵、一台止回阀和一台电动蝶阀组成。p l c 控制变频器的工 作状态，并将其工作频率、输出电压、故障信号等反馈到p l c 。强电回路接 触器的动作由p l c 控制，实现对泵组的变频启动、运行和工频运行控制以及 对电动蝶阀开、关的控制。强电系统输出的开关量信号( 接触器的辅助触点、 热继电器的控制触点、脉冲电表的脉冲输出) 和模拟量信号( 由互感器测量， 通过数字电流表转换的泵组工作电流信号) 分别通过p l c 的数字量和模拟量 输入接口输入到p l c 。 2 对供电系统电压电流进行监控( 通过互感器测量) ，按照一定的控制逻辑启动 备份发电机，保证泵站运行安全。 4 1 1 西门子$ 7 - 2 0 0 系列p l c s i m a t i cs 7 2 0 0 系列p l c 适用于各行各业，各种场合中的检测、监测及控制的 自动化1 2 1 。s 7 2 0 0 系列的强大功能使其无论在独立运行中，或相连成网络皆能实现复 杂控制功能。因此$ 7 - 2 0 0 系列具有极高的性能价格比。 s 7 2 0 0 系列出色表现在以下几个方面： 术极高的可靠性 极丰富的指令集 易于掌握 便捷的操作 丰富的内置集成功能 $ 实时特性 术强劲的通讯能力 丰丰富的扩展模块 s 7 2 0 0 系列在集散自动化系统中充分发挥其强大功能。使用范围可覆盖从替代 硕士论文污水泵站集散测控系统 继电器的简单控制到更复杂的自动化控制。应用领域极为广泛，覆盖所有与自动检测。 自动化控制有关的工业及民用领域，包括各种机床、机械、电力设施、民用设施、环 境保护设备等等。如：冲压机床，磨床，印刷机械，橡胶化工机械，中央空调，电梯 控制，运动系统。示意图如图4 1 1 。 图4 1 1s 7 2 0 0 p l c s 7 2 0 0 系列p l c 可提供4 个不同的基本型号的8 种c p u 供您使用。 c p u 单元设计：集成的2 4 v 负载电源：可直接连接到传感器和变送器( 执行 器) ，c p u2 2 1 ，2 2 2 具有1 8 0 m a 输出，c p u2 2 4 ，c p u2 2 6 分别输出2 8 0 ，4 0 0 m a 。 可用作负载电源。 。 不同的设备类型：c p u2 2 1 2 2 6 各有2 种类型c p u ，具有不同的电源电压和控 制电压。 本机数字量输入输出点：c p u2 2 1 具有6 个输入点和4 个输出点，c p u2 2 2 具有8 个输入点和6 个输出点，c p u2 2 4 具有1 4 个输入点和1 0 个输出点。 c p u2 2 6 具有2 4 个输入点和1 6 个输出点。 中断输入：允许以极快的速度对过程信号的上升沿作出响应。 。高速计数器：c p u2 2 1 2 2 2 ，4 个高速计数器( 3 0 k h z ) ，可编程并具有复位输 入，2 个独立的输入端可同时作加、减计数，可连接两个相位差为9 0 。的a b 相增量编码器。c p u 2 2 4 2 2 6 ，6 个高速计数器( 3 0 k h z ) ，具有c p u 2 2 1 2 2 2 相 同的功能。c p u2 2 2 2 2 4 2 2 6 ，可方便地用数字量和模拟量扩展模块进行扩展。 硕士论文污水泵站集散测控系统 可使用仿真器( 选件) 对本机输入信号进行仿真，用于调试用户程序。 模拟电位器：c p u 2 2 1 2 2 21 个，c p u 2 2 4 2 2 62 个。 脉冲输出：2 路高频率脉冲输出( 最大2 0 k h z ) ，用于控制步进电机或伺服电 机实现定位任务。 实时时钟：为信息加注时间标记，记录机器运行时间或对过程进行时间控制。 e e p r o m 存储器模块( 选件) ：可作为修改与拷贝程序的快速工具( 无需编程 器) ，并可进行辅助软件归档工作。 电池模块：用于长时间数据后备。用户数据( 如标志位状态，数据块，定时 器，计数器) 可通过内部的超级电容存贮大约5 天。选用电池模块能延长存 贮时间到2 0 0 天( 1 0 年寿命) 。电池模块插在存储器模块的卡稽中。 4 1 2 控制模式 4 1 2 1 手动控制模式 各泵组的启动和停止由操作员操作，当所操作的泵组以变频方式启动时，需设定 泵组的工作频率。若所操作的泵组以工频方式启动，则先将该泵组按自偶变压器起动 方式起动该泵组，之后自动接通全压工频( 3 8 0 v ) 电源，进入工频运行转态。 4 1 2 2 泵站单机自动运行模式 按预先存储在p l c 中的程序，根据当前的液位和来水变化趋势，以节能方式控制 水泵按变频或工频运行，在运行过程中，系统始终是让水位保持在低于最高水位且处 于中偏高的状态，以降低输水能耗。这是恒流节能工作方式。可实现单个泵站的优化 节能控制。 4 1 。2 3 联网中控优化调度模式 在这种控制模式下，泵站将水位和流量以及其它工作状态变量通过无线网络传到 中控室，中控室将各泵站的状态数据按分段滑动平均取样存入数据库，并依据状态变 量的变化趋势和历史经验时变化曲线，按设定的最优调度数学模型，分配各泵站的输 水量，以实现入厂水量和水质平稳和各泵站节能运行。调度是通过无线网络实现的。 泵站内部的变频和变台数恒流控制和电气安全连锁控制，都是由该泵站的p l c 按预先 编制的软件进行控制的。 4 2p l c 网络组建 集散控制系统是一种分布式控制系统，各控制单元通过计算机网络连接起来。数 据传输与通讯在整个系统中起着重要作用。然而，集散控制系统完成的是工业控制， 因而用于工业控制的计算机网络在很多方面的要求不同于通用计算机网络。 硕士论文污水泵站集散测控系统 l _ 网络实时性。集散控制系统是一个实时网络，必须根据现场通讯实时性的要 求，在确定的时限内完成现场过程信息和操作管理信息的传送。 2 网络可靠性。集散控制系统的通讯系统必须连续运行，通讯系统的任何终端 和故障都有可能造成系统运行失常，甚至引起设备和人身事故。 3 易维护性。集散控制系统网络不同于其它网络，它必须连续运行，不能因为 某一节点的故障造成整个网络的瘫痪。因此，网络必须容易维护。 要构造一个计算机网络通常分为三步：建立计算机网络的逻辑结构，即从功能 上描述计算机网络的结构。这是一种逻辑结构，成为计算机网络体系结构。组织计 算机网络，即采用一定的方法，实现计算机网络的逻辑功能。计算机网络的配置， 即从应用角度配制一定的硬件和软件，是计算机网络为特定的目的服务，例如军事指 挥网络、银行储蓄网等。在这三步中，建立计算机网络体系结构是最关键也是最基础 的一步。 计算机网络体系结构采用分层结构有三方面含义： i 分层结构要求把逻辑功能全集划分成n 层功能子集，每层功能子集要有相对 的独立性，有明确的界定，较高层次建立在较低层次的基础之上，较低层次 向较高层次提供服务。 2 分层结构的层与层之间通过接口相连( 软件接口或硬件接口) 。较低一层的功 能怎样实现，对较高层来说是透明的，较高层将通过层间借口愿与操作 来调用低层提供的服务。 3 ，通信协议是分层结构最关键的问题。通信协议是通信双方为实现正确通信所 作的约定，所制定的规则。 国际标准化组织i s o ( i n t e r n a t i o n a ls t a n d a r do r g n i z a t i o n ) 从1 9 9 7 年开始研 究网络标准化问题，1 9 7 8 年提出了开放系统互联的概念，并提出了0 s t 7 层参考模型。 o s i ( o p e ns y s t e mi n t e r c o n n e c t i o n ) 是“开放系统互联”的缩写。“开放”的含义 是指凡按“o s i 标准”建立的系统，无论哪一家的产品，不管位于世界什么地方，都 是互相开放的，可以互联通信。 两个系统无论表面有多大不同，只要遵守下面3 条，就具有开放系统互联的结构。 1 ) 两个系统完成同样的逻辑功能集合。 2 ) 两个系统的逻辑功能集合被划分成相同的层次，对等层提供相同的功能子集， 而实现这些逻辑功能的方法手段可以各不相同。 3 ) 对等层必须遵守共同的通信协议。 4 2 1o s l 网络模型 根据上述原则i s o 提出了0 s 1 7 层参考模型，如图4 2 1 所示。该模型字上向下 分为7 层，分别是应用层、表示层、会话层、传送层、网络层、数据链路层、物理层， 硕士论文污水泵站集散测控系统 还划分了每层实现的功能子集，层与层通过接口相连，对等层之间建立该层通信协议。 数据流沿虚线流动，实际通信在物理互连媒体上进行。层间流动是一个按协议的包装、 拆装过程。这一包一拆就实现了通信功能，完成了通信过程。 采用这样的网络体系结构模型作为网络标准化的基础是合理的。它从功能全集、 功能分层、功能子集及通信协议上做了要求，而对端点、节点用什么计算机，实现功 能采用什么方法与手段，实现层间接口用什么方法都不做限制，因此很快就为许多国 家与公司接受【3 l 。 应用层 应用层协议 j应用层 表示层 表示层协议 ；表示层 舍话层 会话层协议 会话层 传送层 信送层协议 传送层 网络层 网络层协议 网络层 数据链路层 数据链路层协议 数据链路层 物理层 物理层协议 物理层 i 用户动能 网络通信动能 图4 2 1o s i 网络模型 下面简要介绍一下o s i 模型： 1 ) 物理层：给出了在一个通信信道的物理媒体上传输原始的二进位数据流( 也 称为比特流) 时的协议。其中明确规定了通信双方的连接插头与插座的机械形状与要 求，插针的数量与位置，每个插头引脚的信号涵义，信号的电气要求，电信号传输时 电平上升、下降的时序控制关系，包括可用的信号连线和可以使用的物理介质等。从 物理传输的角度，是通信的双方有一个共同遵循的完整规则。 2 ) 数据链路层：给出了把二进位数据流划分成“数据帧”，并依照一定规则传送 与处理的协议。目标是把不够可靠的传输信道改造成为能可靠地传输帧的数据链路。 这是因为在原始的二进位物理传输过程中，由于外界电磁干扰或噪声等原因，可能会 引起传输内容的差错，当把二进位数据流重组成为数据帧时，规定了个数据帧的哪 些位是地址段，哪些位是控制段，哪些位是数据段以及哪些位是校验码。这样就可能 采用校验接收到的内容、确认帧和重发帧等手段，保证正常接收到数据帧。分成数据 帧后，还可以进行“流量控制”，防止发送方法送得太快，接收方接收过慢引起的数 据丢失现象。 3 ) 网络层：通过把需传送的数据划分成更小的“分组”，规定分组的格式，给出 使分组经过通信子网正确地从源传送到目的地的协议。网络层是控制通信子网正常运 硕士论文污水泵站集散测控系统 行的协议。 4 ) 传输层：也称为运输层。传输层协议可以根据高层用户的请求建立起有效的 网络通信连接( 事实上是通过网络层在通信子网中建立起网络连接路径) ，处理端到 端( 主机到主机) 之间通信的差错控制、恢复处理和流量控制问题，也可以方便地撤 销与拆除网络连接。允许在必要时进行分流( 即建立起多条网络连接支持一条运输层 连接) ，从而提高主机间的吞吐量：也可以进行复用( 即合用一条网络连接来实现多 个运输层通信) 从而节省通信开支。 5 ) 会话层：允许在不同主机上的各种进程之间进行会话，即在两台主机上的用 户之间，建立会话连接，同步与控制会话和结束会话连接。 6 ) 表示层：为应用层提供传输的信息表示在表示方面的规则与协议，即约定信 息的语法( 数据格式) 与语义( 信息解释规则、控制信息与错误处理等) 规则极其表 示时的各类变换规则。涉及到在不同主机上各种数据类型和数据结构的表示方法和相 互理解规则，通常需采用抽象的标准表示方法进行过渡。表示层协议也涉及到为数据 的编码、加密与压缩等提供表示与变换功能。 7 ) 应用层：为各类不同的网络应用提供使用网络环境的手段，具体规定了在用 户级别需要的、带有通信任务的许多常用信息服务的规则与协议。 4 2 2p l c 网络模型 可编程控制器制造厂家常用生产金字塔p p ( p r o d u c t i v i t yp y r a m i d ) 结构来描 述它的产品所提供的功能【3 】。图4 2 2 列举了有代表性的几个厂家的生产金字塔。尽 管这些生产金字塔结构层数不同，各层功能有所差异，但它们都表明p l c 及其网络在 工厂自动化系统中，由上到下，在各层都发挥着作用。这些金字塔的共同特点是：上 层负责生产管理，底层负责现场控制与检测，中间层负责生产过程的监控及优化。 _ b 的生产盒宇塔m o d i c o 哟生产金字塔 s z t m e n s 的生产金宇塔 图4 2 2 金字塔模型 硕士论文污水泵站集散测控系统 国际标准化组织( i s o ) 对企业自动化系统的建模进行了一系列研究，也提出了 一个6 级模型，如图。它的第1 级为检测与执行器驱动，第2 级为设各控制，第3 级为过程监控，第4 级为车间在线作业管理，第5 级为企业短期生产计划及业务管理， 第6 级为企业长期经营决策规划。 比较一下金字塔结构与i s o 模型，就会发现p l c 及其网络发展到现在，已经能够 实现i s o 模型要求的大部分功能，至少可以实现4 级以下的功能。 p l c 要提供金字塔功能或者说要实现i s o 模型要求的功能，采用单层子网显然是 不行的。因为不同层所实现的功能不同，所承担的任务的性质不同，导致它们对通信 的要求就不样。在上层所传送的主要是些生产管理信息，通信报文长，每次传输的 信息量大，要求通信的范围也比较广，但对通信实时性的要求不高。而在底层传送的 主要是些过程数据及控制命令，报文不长，每次通信量不大，通信距离也比较近，但 对实时性及可靠性的要求却比较高。中间层对通信的要求正好居于两者之间。 本文主要讨论的是低层的通信组织结构及规则，按功能划分：完成了i s o 六层模 型中“检测与执行器驱动”、“设备控制”和“过程监控”三层的功能：按通信协议划 分：参照i s o 七层模型的分层方法，以r s 4 8 5 协议作为物理层协议，m o d e b u s 协议作 为数据链路层协议。 4 2 3 物理层协议 r s 4 8 5 协议【9 1 是在工业领域应用广泛的一种物理层协议，相e e 现场总线和r s 2 3 2 协议，它具有成本较低、可靠性较高、应用简便等优点。 r s 4 8 5 的电气特性。逻辑“1 ”以两线间的电压差为+ 2 + 6 v 表示：逻辑“0 ” 以两线间的电压差为一2 一6 v 表示。接口信号电平比r s 2 3 2 c 低，不易损坏接口电 路的芯片，且该电平与t t l 电平兼容，可方便地与t t l 电路连接。 r s 4 8 5 的数据最高传输速率为l o m b p s 。 r s 4 8 5 接口是采用平衡驱动器和差分接收器的组合，抗共模干扰能力强，即抗 噪声干扰性好。r s 一4 8 5 为半双工工作方式，因此可采用一对平衡差分信号线来连接。 在使用时，只要将4 8 5 接口的同名端相连即可。 r s 4 8 5 接口的最大传输距离为1 2 1