1、基于WINCC的污水处理集散控制系统,组员：王磊 何亚利 李倩 崔晓红,自动化0902,小组成员分工,一、污水处理系统简介,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。本报告研究了基于WinCC的水处理集散控制系统的实现。本系统的下位机选用PLC作为现场控制设备，上位机监控界面设计以西门子组态软件WinCC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
2、池参数等界面。,1.1 国内外污水处理厂自动化现状：,(1)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，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，单元控制系统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
3、、设备的质量、成套和系列化急需进一步提高。,1.2 本报告主要研究内容：,(1)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。(2)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。(3)如何利用PROFIBUS网络实现污水处理厂的现场设备与PLC的通讯，以及PLC与上位PC机的通讯，提高集散控制系统的实时性和稳定性。(4)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。,2.1 集散控制系统一般由四部分组成：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。控制系统组成结
4、构图：,二、集散控制系统设计,图2-1 控制系统结构组成图,完整的控制系统结构组成图如下图所示：,图2 2 完整的控制系统结构组成图,2.2 集散控制系统的设计：,本集散控制系统采用PC机作为操作员站；采用需求分析以及集散控制系统设计PLC作为现场控制站；现场总线网络主要采用PROFIBUS网络。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2-3所示。,图2 3 DCS体系结构图,部分污水处理工艺采用SBR法即序列间歇式活性污泥法工艺。具体工艺流程图如下图所示：,图2-4 SBR工艺流程图,三、下位
5、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。总体功能设计.硬件选型 PLC程序设计,3.1 总体功能设计,本课题集散控制系统上位机采用PC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PLC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。本次污水处理主要实现以下功能：预处理区 反应池区 污泥处理区,总体结构图如图,图3 1 总体结构图,3.2 硬件选型,PLC工作过程上电处理：内部处理有硬件初始化
6、、I/O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。PLC扫描过程：输入采样阶段，程序执行阶段，输出刷新阶段。出错处理：若检查出异常，CPU面板上的LED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，CPU被强制为STOP模式，所有的扫描停止。,图32 PLC工作原理,3.3 PLC程序设计,3.3.1预处理区PLC控制 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。,3.3.2反应池PLC控制程序,反应池是SBR工艺的核心设备，是进行水处理的最关键步骤。其工作方式有手动和自动两种方式，其中自动工作方式采用时间控制方式。手动工作方式优先自动工作方
7、式。具体控制要求如下所述：(1)首先根据液位高度开启进水阀门，启动提升泵，搅拌器。开启搅拌器主要是进行厌氧反应除磷。当反应池液位达到一定高度停止提升泵，关闭进水阀门，停止搅拌器。(2)进水阀门关闭后开启鼓风机，回流污泥泵。曝气3h后关闭鼓风机和回流污泥泵。(3)关闭鼓风机后1h，汲水器开始运行抽取上层的清水。当液位高度下降到一定程度时候关闭汲水器。(4)剩余污泥泵在汲水器停止工作后开始运行，排泥到污泥池。剩余污泥泵工作1h后关闭。(5)当剩余污泥泵停止工作后一个循环周期结束，开始下一个周期运行,图34 反应池I/O地址分配表,图3-5 反应池PLC工作流程图,3.3.3污泥处理池PLC控制程序
8、,污泥处理池的主要作用是对反应所产生的污泥进行处理。污泥处理池有两种工作方式：手动和自动，手动工作方式优先于自动工作方式。具体控制要求如下所述：(1)当污泥池液面达到一定高度，开启污泥投加泵，把污泥运到污泥浓缩脱水一体机。其中当液面达到高液位开启2台污泥投加泵，若液面达到超高液位则报警。(2)污泥投加泵启动后，延时10s后，浓缩脱水一体机工作。(3)浓缩脱水一体机工作后，然后再延时10s后输送机也开始工作把污泥运往堆泥场。(4)停止时候污泥投加泵先停止工作，然后浓缩脱水一体机停止最后输送机停止工作。(5)自动加药机随同浓缩脱水一体机开始工作，一起结束工作。,图3-6 污泥处理池PLC的I/O地
9、址分配图,图 3-7 污泥处理池PLC硬件接线图,图3-8 污泥处理池PLC工作流程图,四、上位机监控界面的设计,4.1 WinCC 组态软件的介绍 上位机主要实现监控功能，在集散控制系统中充当操作员站的角色。它是集散控制系统可视化部分，完成人机界面的功能。通过网络连接实现对下位机以及现场设备的监控。本课题上位机人机界面采用西门子组态软件 WinCC 来实现监控界面的设计。,国外的专业组态软件主要有美国 Wonderware 公司的 InTouch，澳大利亚 CIT 公司的 Citect 组态软件，德国西门子公司的 WinCC 组态软件。,西门子组态软件与其它组态软件相比主要有以下优点：(1)
10、与自动化系统的无缝集成。(2)与自动化网络的集成。(3)与相应的软硬件系统一起，实现系统级的诊断功能。(4)整个系统通过完整和丰富的编程系统实现了双向的开放性。(5)数据库系统全面开放。(6)WinCC 采用最新的开放性软件技术和标准，面向多种操作平台。,4.2 监控界面的设计原则及构成,为了提高用户界面的易用性和美观程度，监控界面设计一般要遵循以下几个原则：(1)用户界面适合于软件的功能：指界面与软件功能相融洽的程度。(2)容易理解。(3)风格一致。(4)及时反馈信息。(5)出错处理。(6)适应各种用户。(7)合理的布局。(8)和谐的色彩。,4.2.1 登录界面的设计,登录界面是进入监控画面
11、的第一道大门，只有用户输入正确的信息才能登陆到运行画面。本报告监控系统主要分为普通用户级，操作员级以及管理员级三个级别。普通用户级权限是最低，其不允许进行任何相关机器设备的起停，以及报警处理和消息的归档等操作，只有浏览的权力，不能进行任何的修改。主要用于查看机器运转的情况而不需要做任何设置和修改的用户。操作员级权限是第二高的，可以进行机器启停和过程的控制，但是不具有报警处理，消息归档等权限，这个组的成员主要是现场的操作工人。管理员级是最高级别的，除了具有操作员的权限，还具有报警处理，消息归档，权限分配等权限。管理员级别的用户主要是工厂的管理人员。,图 4-1 用户登录界面,登录界面主要实现以下
12、功能：(1)验证用户是否合法。只有输入正确的用户名和密码才能进入运行画面。(2)添加用户和修改用户密码功能。,3.2.2 总体流程图界面设计,总体流程图是登录后默认的界面。主要实现的功能：(1)通过点击界面顶部的按钮实现不同监控页面的切换。(2)可以了解各个机器的运转情况。(3)通过双击界面中的各个机器可以进入相应的机器运转监控界面。(4)为了操作员准确的操作机器。,图 4-2 总体流程图界面,4.2.3 预处理界面设计,预处理界面主要是实现对预处理区的设备的监控以及人工调整。预处理区主要包括粗格栅，提升泵，细格栅和沉淀池四个部分。主要实现以下功能：(1)当操作员进入后可以修改机器的状态，刚刚
13、进入界面中的状态是机器目前所处的状态，点击相应的按钮就可以起动和停止相关的设备。(2)普通用户进入后，若点相关的按钮会提示用户不具有操作权限。(3)点击界面顶部的按钮，可以方便快捷的实现各个界面的切换，但是也必须具有相应的权限才可以操作。,图 4-3 预处理区监控界面,4.2.4 污泥处理界面设计,污泥处理监控界面主要是针对污泥处理池工艺实现在线监控。主要实现以下功能：(1)可以通过手动操作污泥处理池的相关设备的起停，同时还可以在线监控污泥池中的 PH 值。(2)实现视频监控功能。(3)界面顶部按钮可以实现不同的监控界面的切换。,图 4-4 污泥处理池监控界面,4.2.5 报警界面的设计,报警
14、界面主要是当设备发生故障时，记录故障信息的一个界面。报警信息具体可以组态显示何种报警、报警的内容和报警的时间，以便以其期望的形式显示在运行系统中。一般系统默认的预定义了三个消息类别，分别为警告，报警和故障。,图 4-5 组态报警消息监控界面,报警界面实现的功能：(1)可以实时的显示当前产生的报警信息，也可以回查已经确认的报警信息。(2)在报警界面中管理员可利用报警界面窗口上面的按钮实现对报警信息的确认以及报警信息的归档等操作。但是必须具有相关的权限。(3)报警确认可以按组确认以及单个确认。按组确认一次可以处理多条报警。,图 4-6 报警消息监控界面,4.2.7 趋势图界面设计,趋势图界面主要是
15、为了实时显示液位高度，PH 值，温度以及反应池氧气的浓度，使操作员可以直观的看清这些模拟量的变化趋势和波动幅度。为了实时显示各种模拟量的变化情况，就必须随时采集模拟量的值，因此首先必须对模拟量进行归档然后再进行模拟量的组态，定义各种模拟量的显示方式以及显示的颜色等方面。,图 4-7 趋势图组态界面,趋势图主要实现的功能：(1)对液位高度，PH 值，氧气浓度和温度等模拟量实现在线监控。(2)通过改变显示方式，可以观察同一模拟量的不同时间的走势。(3)可以对比不同的池子相同的模拟量的变化趋势，可以进行对比，从而判断是否处于正常状态。(4)可以对趋势曲线进行局部放大，以便准确读出具体某一时刻的具体值
16、。,图 4-8 趋势图监控界面,五、网络通讯设计,5.1基于PLC的网络结构选型分析 一个大型自动化项目通常包括若干个控制相对独立的PLC站，PLC站之间通常需要传递一些连锁信号，HMI系统通过网络控制PLC站的运行采集过程信号归档，这些都需要通过PLC的通讯功能来实现。西门子工业通讯网络提供了各种开放的，应用于不同通讯要求的及安装环境的通信网络。从上到下为工业以太网、PROFIBUS/MPI，ASI等网络，通讯数据量由大到小，实时性由弱到强。,PROFIBUS分为PROFIBUS-FMS，PROFIBUS-DP，PROFIBUS-PA三种。PROFIBUS-FMS由于配置和编程比较烦琐，逐渐
17、有被淘汰的趋势。PROFIBUS-PA是主要用于过程自动化和比较苛刻的工业环境，同时它是一种低速传输。PROFIBUS-DP是一种高速低成本的通讯方式，主要用于现场分布式设备的通讯，可以很好的满足水处理厂的网络通讯要求。ASI网络通过AS-I总线电缆连接最底层的执行器及传感器，将信号传输至控制器。通信数据量小，适合于位信号传输，每个从站通常最多带4个位信号。以下选用PROFIBUS-DP网络，即可应用于单元级站点的通讯，又可以与I/O站直接通信。由于数据通信量不是很大，因此采用该网络可以满足SBR理工艺的要求，同时可以保证网络的实时性和稳定性。,5.2基于PLC的网络通讯结构的设计,本次报告下
18、位机通过PROFIBUS-DP网络实现与现场控制设备的通讯。上位机通过MPI网络实现与下位机的通讯。其中MPI网络是多点传输网络，是一种对数据传输速率要求不是太高的简单经济的方式。MPI通讯口集成于每个CPU上面，因此可以节省成本。配置好的总体网络通讯结构图如图5-1所示，配置好的通讯网络硬件图如图5-2所示。,图5-1,图5-2,5.2.1下位机与现场设备的通讯结构设计,下位机PLC与现场设备采用PROFIBUS-DP进行连接。PROFIBUS-DP网络通讯方式为主从结构，主站可以得到令牌轮询扫描从站。污水处理系统因为分为三个区预处理区、反应池区、污泥处理区，因此需要三台PLC分别组成三个主
19、从网络。其中三个PLC主站之间相对独立，没有主从关系。它们独自与其相应的现场设备组成PROFIBUS-DP网络。下面是以预处理区为例介绍网络组态，反应池区以及污泥处理区硬件组态过程基本上类似。首先进行主站硬件的组态。硬件组态是在Step7环境中进行的。硬件配置主要是对主站的CPU，以及输入输出模块进行配置，具体的硬件配置图如图5-3所示。,图 5-3,其次是对主从站网络通讯进行相关的设置。从站网络通讯设置如图5-4所示。,从站设置主要包括从站在主站中的位置，以及选择具体的PROFIBUS-DP网络和网络的传输速率的设置，以及通讯协议选择。下位机网络设置如图5-5所示。,5.2.2下位机与上位机
20、网络通讯设计,下位机PLC与上位PC机相连接，通过MPI网络实现。这时上位PC机在PCI插槽上安装通讯卡，这里选用CP5613通讯卡。CP5613是带有PCI总线接口的通信处理器，适用于台式机，内部集成处理器。与HMI WinCC连接，添“S7ProtocolSuite”驱动，选择连接的通信驱动，按鼠标右键，弹出的连接属性对话框中选择上位机使用的通讯处理器。在“MPI”网络建立与PLC连接时，选择CPU的MPI地址和在机架上的插槽号即可建立通信。MPI网络的设置如图5-6所示。,图5-6,小结,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，水环境与经济社会发展的矛盾，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。本报告的成果如下：(1)根据SBR水处理的工艺要求实现了用西门子PLC对现场设备的自动控制和数据采集功能。(2)根据控制要求用WinCC组态软件设计了上位机监控界面,实现了对预处理区，反应池，以及污泥处理池的机器运转状态的可视化监控功能和调整功能，实现了对现场异常情况的报警功能，对现场监控数据实时采集和显示等功能。(3)设计了集散控制系统的总体架构。实现了下位机PLC与上位PC机的网络通讯，下位机与现场设备的通讯。同时还探讨了如何根据实际情况选择合适的网络,以及PROFIBUS-DP网络和MPI在污水处理控制过程中的如何实现。,
