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王兴龙论文

韶关市广播电视大学开放教育本科

毕业设计（论文）

基于WINCC的泵站控制系统设计

姓名：

王兴龙

专业班级：

07秋机械设计制造及其自动化

指导教师：

钟红君

提交日期：

2009年11月25日

摘要

韶关市的排水泵站共有多个，分布在市区的武江沿岸。

它担负着城市雨、污水排放的重要任务。

每逢夏季到来，当污水蓄水池的水位低于长江水位时，污水蓄水池里面的水就必须通过泵站排入长江。

如果排水不及时，致使下水道堵塞和桥下积水过多，就会影响交通和环境，给城市居民的生活带来诸多不便。

随着韶关市城市建设的迅速发展，通过构建泵站监控网络，实现整个过程无人自动化已迫在眉睫。

排水泵站自动监控系统的开发和应用，将大大提高排水泵站的自动化控制水平，增加泵站运行参数记录的可靠性，减轻值班人员的劳动强度，并可对泵站机电设备运行进行实时监控。

罗家路排水泵站监控系统由泵站控制系统、中心控制系统和通信系统组成。

泵站控制系统采用了PLC及相应的模块和通信设备。

PLC通过模板实现就地的数据采集和控制，同时将现场采集到的数据传至中控系统，并接受中控指令，实现远程自动控制。

本文重点讨论监控系统组态界面的开发。

其开发是利用的西门子产品WinCC（WindowsControlCenter，窗口控制中心）组态软件，来实现PLC与监控机之间的通信及监控机监控画面的制作。

关键词：

组态软件；排水泵站；自动监控系统；WinCC

ABSTRACT

TherearesevenmunicipaldrainagepumpingstationsinWuhan,whicharedistributedintheedgeoftheYangtseRiver,undertakingthetaskofmunicipalrainwaterandwastewater.Inthesummer,whichisarainyseason,thewaterleveloftheimpoundingreservoirishigherthantheYangtseRiver,sowemustpumpthewaterwiththemunicipaldrainagepumpingstations.Ifitisn’tpumpedontime,itwillresultindelayofdealingwithemergencies,serioushydrocelebelowtrafficbridgesandalotofinconvenienceoflivingandtraffic.Withtherapiddevelopmentofcityconstruction,thescaleofthemunicipaldrainagepumpingstationisincreasinggradually.Sotheautomatizationofthewholecontrolprocessthroughestablishingthesupervisorynetworkofthedrainagepumpstationisbecomingmoreandmoreurgent.Themodifiedprojectofluojialudrainagepumpingstationistosubstitutethemanualcontrolsystemtoautomationsystem.

Theresearchandapplicationofthepumpingstationautomaticmonitorsystemwillimprovethedegreeofthecontrolsystem,increasethereliabilityoftheoperation,decreasetheintensityofthepersonalondutyandmonitortheequipmentstatusinreal-time.

Luojialudrainagepumpingstationautomaticmonitorsystemiscomposedofpumpingstationcontrolsystem,centralcontrolsystemandcommunicationsystem.ThePLCandrelativemodulescollectsthesampledataandcontrolstheequipments,andtransmittheinformationtothecentralcontrolsystemwhichimplementsremotecontrolsendsthecontrolordertothepumpingcontrolsystem.

TheconcernofthispaperisdiscussthedevelopmentofthesupervisoryinterfacewithsimaticWinCC,whichimplenmentsthecommunicationbetweenthePLCandthesupervisorycomputerandthesupervisoryinterface.

KeyWords:

Configurationsoftware；Drainedpumpingstation；Automaticmonitorsystem；WinCC

目录

摘要I

ABSTRACTII

第一章绪论1

1.1泵站简介1

1.1.1泵站在城市排水中的作用1

1.1.2罗家路排水泵站简介1

1.1.3罗家路排水泵站的特点2

1.2研究泵站监控系统的意义3

1.3泵站监控系统的研究现状及发展趋势3

1.3.1早期的监控系统4

1.3.2集散控制系统4

1.3.3基于现场总线技术的PLC网络5

1.4本文研究内容和重点6

第二章泵站控制系统概述7

2.1控制工艺和功能7

2.1.1泵站主控工艺7

2.1.2泵站监控系统的功能要求7

2.2监控系统的总体设计8

2.2.1监控系统的设计特点8

2.2.2泵站监控系统的总体方案10

第三章泵站控制系统PLC程序设计12

3.1泵站电机和风机程序设计12

3.2PLC程序13

3.3冷却水电机启动15

第四章监控系统WinCC项目的设计17

4.1WinCC组态软件简要介绍17

4.1.1WinCC的系统构成17

4.1.2WinCC的性能特点19

4.2WinCC项目的建立20

4.2.1变量管理20

4.2.2图形的编辑22

4.3图形界面介绍23

4.4过程值归档及报警记录31

4.5用户管理33

4.6与PLC的连接35

第五章系统实现与评估37

5.1系统实现37

5.2系统评估38

5.3未来展望38

论文总结40

致谢41

参考文献42

第一章绪论

1.1泵站简介

1.1.1泵站在城市排水中的作用

泵站建设在我国已有近40年的历史，其功能日趋完善。

供水、灌溉、城市防涝、防洪等各用途的泵站，在各行各业中正起着越来越重要的作用。

按照泵站的各种作用，泵站可以分为供水泵站，排水泵站，调水泵站等。

其中排水泵站有城市防洪的作用，所以在我国各大城市均有排水泵站的身影。

韶关市的排水泵站共有多个，分布在市区的武江沿岸，其主要作用是排放城市的污水。

在冬季，污水蓄水池的水位高于武江水位，因此污水池里面的水可以直接排入武江，而当夏季到来时，一旦污水蓄水池的水位低于长江水位，污水蓄水池里面的水就需要通过泵站排入长江。

如果排水不及时，致使下水道堵塞和桥下积水过多，就会影响交通和环境，给城市居民的生活带来诸多不便[1]。

随着韶关市城市建设的迅速发展，市政污水泵站的规模在不断地扩大，排水泵站的作用也越来越重要。

1.1.2罗家路排水泵站简介

罗家路排水泵站是位于韶关市武江区罗家路江边的泵站，此泵站主要负责武江区周围的污水排放。

和大部分泵站一样，罗家路排水泵站主要以下几个部分组成：

●出水闸门：

此闸门主要是在冬季时用于自动排放集水渠里面的水，此闸门位于排水泵站的右侧，当夏季到来时，此闸门关闭。

●蓄水池：

当夏季到来时，出水闸门关闭，水聚集在蓄水池里，通过泵站抽出。

●供电区：

为了保证泵站的可靠工作，泵站供电直接通过高压输电线提供，其进线是10KV高压，通过几级变压，得到电机的额定电压和220V的低压生活用电电压。

●水泵房：

罗家路排水泵站安装了4台6KW的轴流水泵。

其水泵的电机是用的同步电动机，之所以使用同步电动机是因为大功率同步电动机功率因数高，在运行时，不仅不会使系统的功率因数降低，反而会改善电网的功率因数，另外，同步电动机的体积一般也比异步电动机的要小。

●控制柜房：

控制柜房内装有进线柜，泵开关柜，励磁柜，电压互感器柜，PLC柜，电源柜等。

泵站的控制和监控设备主要安装于控制柜房内。

●冷却水池：

此水池里面的水是干净水，主要用于冷却电机，并且水通过循环管道循环使用。

1.1.3罗家路排水泵站的特点

排水泵站的工作特点是它所抽升的水是不干净的，一般含有大量的杂质，而且来水的流量逐日逐时都在变化。

排水泵站的基本组成包括：

机器间，集水池、格栅、辅助间，有时还附设有变电所。

机器间内设置泵机组和有关的附属设备。

格栅和吸水管安装在集水池内，集水池还可以在一定程度上调节来水的不均匀性，以便泵能较均匀工作。

格栅作用足阻拦水中粗大的固体杂质，以防止杂物阻塞和损坏泵，因此，格栅又叫拦污栅。

辅助间一般包括贮藏室、修理间、休息室和厕所等。

排水泵站按其排水的性质，一般可分为污水（生活污水、生产污水）泵站、雨水泵站、合流泵站和污泥泵站。

按其在排水系统中的作用，可分为中途泵站（或叫区域泵站）和终点泵站（又叫总泵站）。

中途泵站通常是为了避免排水干管埋设太深而设置的。

终点泵站就是将整个城镇的污水或工业企业的污水抽送到污水处理厂或将处理后的污水进行农田灌溉或直接排人水体。

按泵启动前能否自流充水分为自灌式泵站和非自灌式泵站。

按泵房的平面形状，可以分为圆形泵站和矩形泵站。

按集水池与机器间的组合情况，可分为合建式泵站和分建式泵站。

按采用的泵特殊性又有潜水泵站和螺旋泵站。

按照控制的方式又可分为人工控制，自动控制和遥控三类。

罗家路排水泵站的控制系统是用的老的单级继电器控制，其自动化监控程度低，泵站管理全部是手工操作，运行数据全部由人工记录，人员劳动强度大，耗电量大，而且运行数据的采集缺乏科学性，系统不易检修。

泵站的这些缺点已经不能满足当前城市市政建设高速发展的需要。

通过构建泵站监控网络，实现整个过程无人自动化已迫在眉睫。

1.2研究泵站监控系统的意义

1998年我国遭遇了百年不遇的特大洪水侵袭，包括韶关市在内的各个沿江地区和城市都受到了很大破坏。

在抗洪时各个排水泵站的作用显得格外重要，因此，为了提高城市的防洪排涝能力，韶关市政府决定对各大泵站进行自动化改造。

其改造后的系统集数据采集、过程控制于一身，能够完成工艺流程控制、显示、操作状态监视、过程数据的监测、存储、报表打印等功能，该系统的研究的开发个有很大的意义。

1.提高泵站运行的可靠性。

泵站实现计算机监控后，首先通过各种监测装置能够快速准确和及时的进行监测，并不断地把状态数据送到数据库服务器里。

一旦出现异常状态，系统就能够发出报警信息，而且能够迅速把信息传递给现场工作人员，及时做出处理。

系统还能对事故过程进行历史记录和整理，防止下一次事故的发生，可使设备避免遭受更严重的损坏，从而提高了泵站运行的可靠性。

2.计算机监控系统使水泵合理运行从而节省了电能。

泵站采用计算机监控运行后，在排水泵站的运行过程中，计算机通过检测泵站蓄水池的水位控制调节泵机开停，使水泵效率提高，从而达到节省电能的目的。

3.提高了劳动生产率。

泵站的很多工作都是由自动装置按一定的程序自动完成的，因此减少了人员直接参与操作、控制、监视、检查设备和记录等的工作量，改善了工作条件，减轻了劳动强度，提高了运行管理水平。

同时可减少运行人员，实现少人甚至无人值班，提高了劳动生产率，降低了运行费用和成本。

此外，运行人员的减少还可以降低生活敲诈的消耗，因而也可以减少泵站的抽奖。

4.开发后的自动监控系统能及时准确的采集数据并保存，为泵站的建设和管理提供了可靠有力的科学证据，为摸索城市排水规律，提高管理水平提供了方便条件。

这对城市的防洪排涝有很大的帮助。

1.3泵站监控系统的研究现状及发展趋势

纵观控制系统的发展过程，任何一种新的控制系统的出现都是针对旧的控制系统存在的缺陷而给出的解决方案，并在用户需求和市场竞争等外部因素的推动下占主导地位。

1.3.1早期的监控系统

早期国内大部分泵站的监控和管理还处于相当落后的状况，与国外相比具有很大的差距。

在电气控制上，自动化监控程度低，大部分的泵站仅有单级的常规控制。

在管理水平上，大部分泵站的管理记录和统计都是手工操作。

因此泵站的控制和管理没有形成区域化的网络。

早期泵站自动化监控系统通常彩集中采集中控制系统的工作模式，即现场各处的参数通过统一的模拟信号，例如0.02-0.1Mpa的气压信号，4-20mA的直流电流信号，1-5V直流电压信号等，送往集中监控室。

操作人员可以坐在监控室内观察生产流程各处的状态，可以把各单元仪表的信号按需要组成复杂控制系统。

由于模拟信号的传递需要一对一的物理连接，信号变换缓慢，抗干扰能力差，因此经常出现事故。

韶关市罗家路排水泵站当前的监控系统还是这种比较老的系统，因此存在很多缺点，这也是对其进行改造的主要原因。

1.3.2集散控制系统

目前国内外比较先进的泵站自动化监控系统大多为集散控制系统DCS（Distributedcontrolsystem）[2]。

20世纪70年代初随着单片机的出现和发展，出现了DCS系统，它是以集中管理、分散控制为核心思想。

在集散控制系统中管理于控制相分离，上位机用于集中监视管理功能，多台下位机下放分散到现场实现分布式控制功能，上下位机之间以控制网络互连以实现相互之间的信息传递克服了集中数字控制系统对控制器的处理能力和可靠性要求高的缺点。

这种监控系统在当时具有一定的先进性，但是还存在很多问题。

它是建立在计算机通信协议基础之上的，无法延伸到现场智能设备，而且DCS多为数模混合系统，满足不了数据通信全数字化的要求。

同时它采用了独家封闭式的通信协议，为一些开发商所志有，给用户系统集成和应用带来许多问题。

DCS系统有以下主要缺点：

1.接线复杂，可维护性差。

由于现场设备相对分散，而所有的信号都要连接到工控机上，这导致施工不便，产生故障后不易查找与排除。

2.精度差。

由于线路上传输的是4-20mA的模拟信号，容易受到工业现场的干扰，造成精度的损失。

3.可靠性不好。

所有的测量功能与采集功能均在工控机上，工控机负担很重。

一旦工控机发生故障，整个系统将失去控制。

4.系统不易扩展。

1.3.3基于现场总线技术的PLC网络

20世纪80年代后期，人们在DCS的基础上开始开发一种适用于工业环境的网络结构和网络协议，并实现传感器、控制器层的通信，这就是现场总线[3]。

由于从根本上解决了网络控制系统的自身可靠性问题，现场总线技术在计算机监控系统中的应用愈发广泛了国际电工委员会IEC61158对现场总线（fieldbus）的定义是:

安装在制造或过程区域的现场装置与控制室内的自动控制装置之间的数字式、串行、多点通信的数据总线称为现场总线。

第2版（Ed2.0）IEC61158-2用于工业控制系统中的现场总线标准一第2部分:

物理层规范（PhysicalLayerSpecification）与服务定义（Serverdefinition）又进一步指出:

现场总线是一种用于底层工业控制和测量设备，如变送器（transducers）、执行器（actuators）和本地控制器（localcontrollers）之IN的数字式、串行、多点通信的数据总线。

对现场总线概念的理解和解释还存在一些不同的表述。

例如，现场总线一般是指“一种用于连接现场设备，如传感器（sensors）、执行器及像PLC、调节器（regulators）、驱动控制器等现场控制器网络.现场总线是应用在生产现场、在微机化测量控制设备之间实现双向串行多节点数字通信的系统，也被称为开放式，数字化、多点能信的底层控制网络；现场总线是一种串行的数字数据通信链路，它沟通了生产过程领域的基本控制设备（现场设备）之间以及更高层次自动控制领域的自动化控制设备（车间级设备）之间的联系；现场总线是连接控制系统中现场装置的双向数字通信网络;现场总线是用于过程自动化和制造自动化（最底层）的现场设备或现场仪表互连的现场数字通信网络，是现场通信网络与控制系统的集成;现场总线是从控制室联结到现场设备的双向全数字通信总线在自动化领域，“现场总线”一词是指安装在现场的计算机、控制器以及生产设备等连接构成的网络。

现场总线是当今3C技术即通信（Communication）技术、计算机（Computer）技术、控制（Control）技术发展的结合点，是网络技术发展在控制领域的体现及其发展到现场的结果。

现场总线是自动化领域技术发展的热点之一，将对传统的工业自动化带来革命，从而开创自动化的新纪元。

它必将逐步取代传统的独立控制系统，集中采集控制系统和集散控制系统，成为本世纪自动控制系统的主流。

现场总线所具有数字化、开放性、分散性、互操作性与互换性及对现场环境适应性等特点[4]，这些特点决定和派生出了一系列优点:

1.线和连接附件大量减少。

2.表和输入/输出转换器（卡件）大量减少。

3.设计、安装和调试费用大大降低。

4.维护开销大幅度下降。

5.提高了系统可靠性。

6.提高了系统测量与控制的精度。

7.系统具有优异的远程监控功能。

8.现场设备更换和系统扩展更为方便。

1.4本文研究内容和重点

本文在参考大量文献资料的基础上，结合韶关市罗家路排水泵站的自动化改造项目，对泵站的计算机监控系统进行了研究，其主要研究内容是利用西门子的人机界面HMI软件WinCC对系统上位机的设计研究。

全文共分五章。

第一章对泵站进行了简单的介绍，并对泵站监控系统研究的意义进行了阐述，然后对泵站监控系统的发展现状及发展趋势进行了分析说明。

第二章主要对系统的工艺要求进行了说明，基本明确了系统的研究方法。

第三章讲对泵站控制系统PLC程序设计。

第四章是本章的重点。

在本章中，对监控系统设计的整个过程和步骤做了详细的介绍和说明，并对重要的图形界面分别做了说明。

第五章是项目实现与评估，主要对本设计的运行实现做了描述和进行简单的总结，并对泵站监控系统和自动化技术的未来拓展做了展望。

第二章泵站控制系统概述

2.1控制工艺和功能

2.1.1泵站主控工艺

污水进入泵站后的工艺流程如下：

泵站进水渠——泵站集水池——提升泵房——出水渠——武江。

根据沿江排水泵站的具体工艺要求，可以确定监控工艺。

设计要求，系统可以通过各种传感设备自动监测集水池水位，根据水位的高低来自动控制泵机的启停，从而使集水池的水位保持在一个合适的位置。

在泵站工作过程中，系统要能够通过与PLC的通讯自动采集和记录泵站工作过程中的各项数据，包括泵站电机的启停工作状态，泵站各个控制柜中的温度和工作电压电流，泵站工作中出现的故障数据等等。

在水位超出设备设定范围时，或者系统的其它设备出现故障时，系统能够自动报警。

设计要求电机的工作方式可以在自动方式和手动方式中进行选择。

2.1.2泵站监控系统的功能要求

泵站的监控系统是在泵站控制室内的控制台实现对泵站设备的监测、控制功能，实现监视泵站状态和运行参数、接收故障报警信息、通过智能终端设备下达控制信号，并具有分级报警功能、操作权限管理功能、报表统计和打印功能等。

（1）状态采集功能:

能动态采集下列信号:

电机有功功率；电机无功功率；电机电压；电机电流；集水池水位；冷却水池水位；电网参数；水泵的开停等。

（2）状态数据的处理与分析

①能对采集数据进行存储;②能对监控参数进行趋势分析;③能对监控参数进行趋势预报:

④能对监控参数的异常状态进行关联分析。

（3）报警功能

对监控参数能实施报警功能，能进行记录（包括发生时间、监测参数数据，相关参数数据等），自动生成异常状态数据库。

（4）主要设备的运行状态显示

①工艺流程的动态显示;②主要参数的历史曲线及趋势显示;③相关参数的历史曲线及趋势显示;④历史数据及特种一记录显示。

（5）存储功能

①各种监控参数的动态存储;②各种监控参数的异常动态存储;③控制行为的动态存储。

（6）查询功能

①各种监控参数的历史数据;②各种监控参数的曲线及趋势;③异常状态查询;④控制行为查询。

（7）报表及打印功能

①各种监控参数的报表自动生成;②各种监控参数的的指定区段数据打印:

③各种监控参数的报表打印;④异常状态及控制行为的报表打印。

2.2监控系统的总体设计

2.2.1监控系统的设计特点

排水泵站监控系统任务重大，根据其任务及系统要求，监控系统的设计应该具备以下几个特点[5]：

1、运行上的可靠性

这是最基本也是最重要的要求。

由于计算机监测控制系统的运行环境一般都相对恶劣，而且计算机监测控制系统往往负担着重要的任务，它一旦出现故障，将造成整个被监控过程的混乱，引起严重的后果，由此造成的经济损失和对人们生活带来的不便往往远非计算机监测控制系统本身的造价所能比拟的。

对计算机监控系统来说，特别对于泵站，可靠性是最重要的。

计算机要能长期连续工作，要有较强的抗干扰能力和自检、自恢复功能。

为了提高可靠性，要从硬件和软件两方面采取措施。

在硬件方面，微机要选择较高的配置和可靠性较高的操作系统，尽量采用标准化的功能模块，尤其对接口的可靠性要给予特别的重视。

软件方面，也要有一个合理的结构，按模块化的要求设计程序，在可靠性要求特别高的场合，可采用双机或双重化系统。

2、技术上的先进性

计算机监测控制是一个综合性、交叉性强的技术领域，它综合了计算机技术、自动控制、信息处理和通信、检测技术以及生产过程和管理方面的知识，其技术先进性概括来说体现在硬件设备、软件平台和工具、信息处理和控制策略这三个方面。

计算机监测控制系统设计的一个原则应当是不盲目追求新技术，而在技术成熟的前提下尽量采用先进的技术。

一方而，先进的技术可以获得更好的监测控制效果，从而可能获得更高的经济效益，因此在保证可靠性和经济上允许的前提下，应尽可能采用先进的技术;第二，计算机技术发展十分迅速，硬件和软件更新换代的周期越来越短，采用先进的技术意味着延长系统的生命期限:

第三，计算机监测控制系统大多作为整套生产设备的一部分出现，而高技术含量往往又体现在控制系统上，先进技术的采用可以大大提高整套设备的附加值，带来客观的经济和社会效益。

3、使用上的方便性

这包括三方面的含义:

其一，是操作上方便。

尽可能降低对操作人员的专业技术知识的要求，使他们在较短的时间内或通过说明书能掌握和熟悉操作使用。

操作的内容尽可能简单明了，操作的顺序清