学位论文基于组态监控的污水处理控制系统设计Word格式.docx
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组态软件的应用领域很广，可以应用于电力系统、给水系统、石油、化工等领域的数据采集与监视控制以及过程控制等诸多领域。
在电力系统以及电气化铁道上又称远动系统（RTUSystem,RemoteTerminalUnit）。
2.2组态控制技术的特点
（1）延续性和可扩充性。
用通用组态软件开发的应用程序，当现场（包括硬件设备或系统结构）或用户需求发生改变时，不需作很多修改而方便地完成软件的更新和升级。
（2）封装性（易学易用），通用组态软件所能完成的功能都用一种方便用户使用的方法包装起来，对于用户，不需掌握太多的编程语言技术（甚至不需要编程技术），就能很好地完成一个复杂工程所要求的所有功能。
（3）通用性，每个用户根据工程实际情况，利用通用组态软件提供的底层设备（PLC、智能仪表、智能模块、板卡、变频器等）的I/ODriver、开放式的数据库和画面制作工具，就能完成一个具有动画效果、实时数据处理、历史数据和曲线并存、具有多媒体功能和网络功能的工程，不受行业限制。
2.3组态软件的功能
MCGS即“监视与控制通用系统”，是工业过程控制和实时监测领域服务的通用计算机系统软件，具体功能完善、操作简便、可视性好、可维护性强的特点。
MCGS组态软件的整体结构如图21所示。
MCGS工控组态软件的功能如下：
（1）强大的界面显示组态功能。
目前，工控组态软件大都运行于Windows环境下，充分利用Windows的图形功能完善界面美观的特点，可视化的m风格界面、丰富的工具栏，操作人员可以直接进人开发状态，节省时间。
丰富的图形控仵和工况图库，既提供所需的组件，又是界面制作向导。
提供给用户丰富的作图工具，可随心所欲地绘制出各种工业界面，并可任意编辑，从而将开发人员从繁重的界面设计中解放出来，丰富的动画连接方式，如隐含、闪烁、移动等等，使界面生动、直观。
（2）良好的开放性。
社会化的大生产，使得系统构成的全部软硬仵不可能出自一家公司的产品，“异构”是当今控制系统的主要特点之一。
开放性是指组态软件能与多种通信协议互联，支持多种硬件设备。
开放性是衡量一个组态软件好坏的重要指标。
组态软件向下应能与低层的数据采集设备通信，向上能与管理层通信，实现上位机与下位机的双向通信。
（3）丰富的功能模块。
提供丰富的控潲功能库，满足用户的测控要求和现场需求。
利用各种功能模块，完成实时监控产生功能报表业示历史曲线、实时曲线、提供报警等功能，使系统具有良好的人机界面，易于操作，系统既叫适用于单机集中式控制、DCS分布式控制，也可以是带远程遇信能力的远程测控系统。
（4）强大的数据库。
配有实时数据库，可存储各种数据，如模拟量、离散量、字符型等，实现与外部设备的数据交换。
（5）可编程的命令语言。
有可编程的命令语言，使用户可根据自己的需要编撰程序，增强图形界面
（6）仿真功能．提供强大的仿真功能使系统并行设计，从而缩短开发周期。
多任务
多线程
运行环境
组态环境
组态软件核心
实时数据库
动画显示
现场控制
设备输出
打印报表
报警输出
构建动画
流程控制
报警组态
设计报表
连接设置
图21MCGS组态软件的整体结构
3污水处理系统的设计
3.1污水处理工艺
基于组态监控的污水处理控制系统设计是采用了活性污泥法（SBR法）。
活性污泥法（SequencingBatchReactor），简称SBR污水处理工艺，是近年来国内外被引起广泛重视和研究日趋增多的一种废水处理工艺。
早在1914年英国学者Arden和Locket发明活性污泥法时，采用的就是这种处理系统虽然这种运行方式效率较高，但由于当时的自动监控水平比较低，而间歇处理的控制阀门比较十分复杂，工作量丈且难以操作，特别是后来随着城市和工业废水处理规模的日趋大型化．间歇式活性污泥法逐渐被连续式活性污泥法所代替。
随着计算机和自动控制技术的飞速发展，解决了活性污泥法开发初期间歇操作中的复杂问题，使该工艺的优势得到了逐步充分的发挥。
而监控技术的自动化程度以及污水处理厂自动化管理要求的日益提高，又为间歇式活性污泥法的再度深入研究和应用，提供了极为有力的先决条件。
SBR工艺的特征艺是按照一定顺序的间歇性操作运行的SBR反应器组成的。
SBR工艺是一个完整的操作过程，SBR反应器在处理废水时的操作过程包括如下五个阶段，进水、反应、沉淀、出水、闲置。
SBR的工艺是以间歇操作为主。
所谓的间歇有两种含义一是运行操作的空间上是按次序排列、间歇的，由于污水大多是连续排放且流量波动大，这时SBR反应器至少为两个池或多个池，污水连续按序列进入每个SBR反应器，它们运行时的相对关系是有次序的、也是间歇的；
二是每个SBR反应器的运行操作，在时间上也是按次序排列的、间歇的，一般可按运行次序分为五个阶段，既进水、反应、沉淀、出水和闲置阶段，称为一个运行周期。
SBR的反应过程主要是以曝气为主，而曝气又有很多种方法，本系统采用的是鼓风机曝气法。
此曝气法用鼓风机让污水涌动，并通过搅拌机的搅拌，让污水和活性污泥充分反映达到曝气的目的。
本系统采用的单个SBR反应器是集储水、曝器和沉淀于一体，间歇排污，而多个SBR反应器并联运行，可以做到连续排污。
按操作顺序依次对每个SBR反应器进行充水，当处理系统中的最后一个反应器充水完成后，第一个反应器完成整个运行周期并接着充水，如此循环往复运行。
3.2污水处理系统的各部组成
（1）格栅池：
格栅池由粗格栅、提升泵、细格栅组成。
当污水流入粗格栅时，粗格栅将较大的悬浮物质以及大块头的杂质阻挡在外面。
经过粗格栅的初步筛选后，污水流入提升泵。
提升泵将污水提升到需要的高度后流入细格栅进行进一步筛滤。
（2）沉砂池：
筛滤过后的污水进入沉砂池中经过气体翻腾搅拌后有重量的物体下沉，如泥沙、煤渣等。
此过程不仅可以进一步增加水的质量而且还可以减轻煤渣等物体对设备的磨损。
沉下的泥沙用车送走。
（3）SBR池：
经过上述流程后，水中的能见污染物以及无机物基本被清除。
之后，再进入SBR池进行间歇式污泥处理法（SBR法），处理过的混合液体经过一段时间的沉淀之后，从上部江清排出，活性污泥则留在池中再次利用。
（4）消毒接触池：
由消毒车间和接触车间组成。
清水进入消毒车间，通过药物对清水进行消毒，以便达到可以再次使用的标准。
消毒后的清水流入接触池储蓄起来，供于使用。
系统工艺流程如图31所示。
图31系统设计的流程
3.3污水处理系统的控制要求
（1）按下开始按钮，系统开始工作。
粗格栅总水泵1开始工作，粗格栅开始蓄水，并进行初步过滤。
（2）当粗格栅水位达到设定的要求时，提升泵开始工作。
将侧格栅的水提升至细格栅，细格栅开始蓄水，进行细致过滤。
至此过后污水中的大块头物体基本清除。
（3）当细格栅液位达到控制要求，细格栅总水泵2开始工作。
将细格栅的水抽送至沉砂池进行泥沙的沉淀。
（4）一段时间的沉淀后，泥沙下沉，水和泥沙分离。
在设定液位处开始往外送水。
下沉的泥沙往外输送用于其他用途。
（5）从沉砂池出来的水流入SBR池中。
SBR池采用鼓风机曝气法，将水进行曝气处理并且进行搅拌，使其充分和池中的活性污泥发生反应。
一段时间后上层水流出，池底的活性污泥留在池中继续使用。
（6）从SBR池中流出的水基本污染已经消除，此时，流入消毒车间，对水进行下一步消毒，让水达到循环使用的标准。
该池中的药物消毒采用无毒无公害产品。
（7）从消毒池流出的水流入接触池中，让水中药物的气味和作用完全消失后打开总水阀，让清水流出。
3.4软硬件的选择
3.4.1水泵的选型
水泵通常由工艺设计人员根据要求选择，电气工程师需要了解水泵的参数，以便设计控制电路，配备控制器件。
本系统选用50SG-10-15型水泵，该水泵的主要参数如下：
水泵的流量：
10m3/h
水泵量程：
15m
水泵功率：
0.75kW
水泵电压：
~380V，50Hz
水泵转数：
2800r/min
水泵口径：
50mm
水泵的外观如图32所示。
图3250SG-10-15型水泵
3.4.2水阀的选型
本系统的水阀只要求能进行通断控制即可，因此选择电磁阀即可满足要求。
如图33所示是ZCW型液用电磁阀外观，表31是ZCW型液用电磁阀的属性。
图33ZCW型电磁阀
表31ZCW型液用电磁阀属性
型号
ZCW-1
ZCW-2
工作性质
水、空气、油、瓦斯、煤气
热水、低压蒸汽
介质温度（℃）
=<
80
125
工作压力
0-1.0
0-1.6
额定压力（V）
AC:
380、220、110、50HZ/60HZ、DC:
220、36、24、12
功率（W）
15
使用流体粘度
20CST以下
使用电压范围
+10%
阀体材料
黄铜和不锈钢
密封材料
NBR或VIION
防护等级
IP65
3.4.3压力传感器选型
本系统采用DBYG型扩散硅压力变送器，该变送器主要指标如下：
输出电流：
4～20mADC二线制传输
供电电压：
DC24±
2.4V
负载电阻：
0～250Ω（另加导线电阻100Ω）
精度等级：
±
0.2％FS（25℃±
5℃时）
0.5％FS（25℃±
环境温度：
-20℃～+80℃
相对湿度：
≤95％
接液温度：
≤100℃
外磁场强度：
≤400A/m
周围空气中不含有对铬，镍度层有色金属及其合金起腐蚀作用的介质也不应含有爆炸性混合物（防爆型除外）注：
本型号变送器为本介质安全型，无迁移；
可带指针式表头或液晶数显表头；
外部调节零点和满度。
表32为压力变送器的参考数据。
表32DBYG型扩散硅压力变送器参考数据
序号
测量范围（MPa）
精度等级
1
DBYG-3000A/STXX1
0～0.017-0～0.105连续可调
0.2
2
DBYG-4000A/STXX1
0～0.06-0～0.35连续可调
3
DBYG-4000A/STXX2
0～0.12-0～0.7连续可调
4
DBYG-5000A/STXX1
0～0.6-0～3.5连续可调
5
DBYG-5000A/STXX2
0～1.2-0～7.0连续可调
0.5
6
DBYG-6000A/STXX1
0～6.0-0～35连续可调
根据压力公式P=ρgh可知，水位测量可以转换为压力测量。
经过计算可得本系统选择DBYG-4000A/STXX2型的变送器，使用前必需保证液位为0时，变送器输出4mA；
液位为100时，变送器输出20mA。
变送器的外观及其电气连接线路图如图34所示：
图34扩散硅压力变送器外观及其接线图
3.4.4鼓风机的选型
本系统采用的鼓风机是来自南通源泰鼓风机的BK型罗茨鼓风机。
该鼓风机输送时介质不含油。
结构简单、维修方便、使用寿命长、整机振动小。
罗茨鼓风机的转速为150～3000转/分钟，流量为0.15～1200立方米/分钟，压力为9.8～196千帕，功率为0.75～1000千瓦，单机重量为100～9000千克。
其外观如图35所示：
图35BK型罗茨鼓风机
3.4.5计算机的选型
可选择研华ARK-5280嵌入式工控机。
3.4.6系统I/O设备的选型
选择研祥PCL-818L作为本系统的I/O接口设备。
3.5系统监控软件的设计与调试
3.5.1数据变量的定义
本系统的I/O点的基本情况如表33所示。
表33系统I/O点基本情况
名称
功能
性质
总液位1输出信号
检测总液位1水位
AI
总液位2输出信号
检测总液位2水位
总液位3输出信号
检测总液位3水位
总液位4输出信号
检测总液位4水位
总液位5输出信号
检测总液位5水位
总液位6输出信号
检测总液位6水位
7
总消毒泵控制信号
控制总消毒泵的通断
DO
8
总消毒泵2控制信号
控制总消毒泵2的通断
9
总提升泵控制信号
控制总提升泵的通断
10
总水泵控制信号
控制总水泵的通断
11
总水泵2控制信号
控制总水泵2的通断
12
总搅拌机控制信号
控制总搅拌机的通断
13
总鼓风机控制信号
控制总鼓风机的通断
14
总液位3出水控制信号
控制总液位3出水的通断
总液位4出水控制信号
控制总液位4出水的通断
16
总液位5出水控制信号
控制总液位5出水的通断
17
总阀门控制信号
控制总阀门的通断
系统的I/O分配如表34所示。
表34系统的I/O分配表
PCL-818L
总液位1
总液位1水位的检测
ADS0
总液位2
总液位2水位的检测
ADS1
总液位3
总液位3水位的检测
ADS2
总液位4
总液位4水位的检测
ADS3
总液位5
总液位5水位的检测
ADS4
总液位6
总液位6水位的检测
ADS5
总消毒泵
控制总消毒泵通断的控制
DO0
总消毒泵2
控制总消毒泵2通断的控制
DO1
总提升泵
控制总提升泵通断的控制
DO2
总水泵
控制总水泵通断的控制
DO3
总水泵2
控制总水泵2通断的控制
DO4
总搅拌机
控制总搅拌机通断的控制
DO5
总鼓风机
控制总鼓风机通断的控制
DO6
总液位3出水
控制总液位3出水通断的控制
DO7
总液位4出水
控制总液位4出水通断的控制
DO8
总液位5出水
控制总液位5出水通断的控制
DO9
总阀门
控制总阀门通断的控制
DO10
3.5.2工程的建立
（1）双击进入MCGS组态环境，单击“文件”→“新建工程”。
（2）单击“文件”→“另存为”。
（3）在单出的对话框内填入“污水处理系统”。
3.5.3变量的定义
单击工作台中的“实时数据库”选项卡，进入“实时数据库”窗口页即可进行变量定义。
本系统所需主要变量如表35所示。
表35系统主界面所需的变量数据库
初始值
信号类型
数值型
开关型
3.5.4画面的制作和编辑
污水处理的监控界面是本系统的主界面，详见图36。
整个系统设计有7个取反的水泵，六个水池，一个搅拌器，一个药桶，水管若干，两个鼓风机，11个状态指示灯，水阀一个以及文字说明构成。
每个水泵都选择对应的数据对象值，每个水池的颜色变化都能显示出水的进一步变化，搅拌器设定合理的动画连接，流动管道能表现出水的流动，指示灯正确显示数值单位的状态变化。
整个系统处于相对平衡状态，环环相扣，缺一不可。
水阀设定为手动开启或者关闭。
活性污泥可持续使用，只要一定的时间恢复，活性污泥可再次利用。
图36系统监控界面的示意图
如图37所示是系统的报表，左边的是实时报表，右边的是历史报表。
图37实时报表和历史报表
实时报表的制作：
首先点击工具箱里的自由表格，在界面中拉出一个大小合适的表格，双击此表格，单击右键，根据需要对行列进行增减，然后在A列双击，输入要监测的名称，最后在B列单击右键连接，再打击右键，选择要连接的对象。
历史报表的制作：
首先单击工具箱里的历史表格，后面同上。
只是最后连接的对象是在连接到指定表达式里面进行选择。
为了能展现系统各部分工作状态，因此再次设计各个部分的分界面。
如图38所示是系统的格栅池部分，该部分由一个大水池，若干水泵，粗格栅网，细格栅网，管道等组成。
水泵都按照系统逻辑语句来设定，页面的状态显示和水泵都是相辅相成的缺一不可。
界面设计返回和去沉砂池的按钮，方便切换，而且池水采用了颜色的变化，这样能更好的反映出污水在不同阶段的净化程度。
图38粗格栅界面
如图39所示的是系统的沉砂池界面。
该界面由水池，管道，水泵，运送小车，污泥储存罐等构成。
该界面主要展示了对泥沙的处理过程。
同样设定了返回按钮和进入SBR池按钮。
小车由定时器控制实现泥沙外送，而且污泥的沉淀也要经过一定的时间。
图39沉砂池界面
SBR活性污泥法作为系统的主要方法，该界面的设计如图310所示，该界面由搅拌器，鼓风机，管道，水池等构成。
根据设计要求，本系统采用鼓风曝气法，当水位达到设定要求，鼓风机开始运作搅拌器搅拌使污水和池底的活性污泥充分反应实现净水。
界面同样设定返回按钮和进入消毒车间按钮。
池底的活性污泥经过一段时间的间歇以后，可以继续使用。
图310SBR反应池
经SBR法处理后的污水还需进入消毒车间和接触池进行进一步处理。
具体界面如图311所示，界面由2个水池，一个药箱，水泵，水阀等组成。
最后的水阀设计为手动打开，方便控制水的流动量。
界面设计同样采颜色变化的方式来表示污水净化程度。
图311消毒接触池界面
3.5.5组态的流程图
系统整体流程图如图312所示。
图312系统流程图
3.5.6组态脚本程序
组态脚本程序见附录A。
3.6软、硬联调
3.6.1PCL818L板卡的连接
（1）使用PCL-818L板卡做接口设备的系统方框图如图313所示。
研祥PCL-818多功能板卡有16路模拟输出量（AI）,16路数字输出量（DO），16路数字输入量（DI），1路模拟量输出（AO）。
本系统用到6路模拟输出量（AI）、16路数字输出量（DO）。
该板卡插在计算机的ISA插槽上，与外设通过3个插座进行信号沟通，分别进行DI、DO、AI/AO连接。
图313利用PCL-818L板卡做接口设备的系统方框图
（2）PCL-818L与压力变送器的连接。
PCL-818L需要通过接线端子板与外设进行连接，可选择PCLD-880接线端子板。
连接方法如图314所示，模拟输入输出信号接到PCLD-880的接线端子排A、B上，再通过37芯电缆送给PCL-818L。
方框图如图315。
图314PCL-818L与PCLD-880的连接
端子排A、B上的端子号与连接器引脚对应关系如表36所示。
表36PCLD-880端子号与PCL-818L模拟量输入输出通道对应关系
PCLD-880端子排号
PCLD-880CN5连接器引脚号
PCL-818L引脚定义（单端输入）
PCL-818引脚定义（单端输入）
PCL-818L引脚定义
A1
ADH0
B1
VREF
A2
20
ADS8
ADL0
B2
30
DA0OUT
A3
ADH1
B3
S0
A4
21
ADS9
ADL1
B4
31
DA0VREF
A5
ADH2
B5
+12V
A6
22
ADS10
ADL2
B6
32
S1
A7
ADH3
B7
S2
A8
23
ADS11
ADL3
B8
33
S3
A9
ADH4
B9
DGND
A10
24
ADS12
ADL4
B10
34
A11
ADH5
B11
NC
A12
25
ADS13
ADL5
B12
35
EXTTR1G
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