基于组态王的小型污水处理厂的电气控制系统设计学位论文学位论文.docx
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基于组态王的小型污水处理厂的电气控制系统设计学位论文学位论文
本科毕业论文（设计、创作）
题目：
基于组态王的小型污水处理厂的电气控制系统设计
学生姓名：
随青松学号：
1002114
所在系院：
信息与通信技术系专业：
电气工程及其自动化
入学时间：
2010年9月
导师姓名：
朱晓骏∥吴剑威职称/学位：
工程师/本科∥副教授/硕士
导师所在单位：
安徽三联学院∥安徽三联学院
完成时间：
2014年5月
安徽三联学院教务处制
基于组态王的小型污水处理厂的电气控制系统设计
摘要：
本文研究的是基于组态王的小型污水处理厂的电气控制系统。
对该系统的设计分为三个部分：
一是下位机部分，完成现场设备的实时数据采集功能；二是现场总线部分，完成现场设备的实时数据的传输功能；三是上位机部分，实时数据处理分析和对设备运行的状态监控、实现电气设备的远程控制。
基本框架思路：
以单片机为主的现场智能控制器即下位机，对电机等的参数进行采集，采集的数据经RS－485总线通过MODBUS协议传输到上位机中，上位机对数据进行分析和处理再经过数据传输模块将命令下达到下位机中，以实现对现场设备的控制。
按照污水处理相关工艺要求用组态软件对电气系统进行控制。
关键词：
污水处理；组态王；电气控制
Basedonkingviewsmallsewagetreatmentplantofelectricalcontrolsystemdesign
Abstract：
ThispaperresearchisbasedonKingviewsmallsewagetreatmentplantofelectriccontrolsystem.Thedesignofthesystemisdividedintothreeparts:
First,thelowermachinepart,realtimedataacquisitionfunctiontodothefielddevices;Second,fieldbusparts,completefieldequipmentreal-timedatatransmissionfunction;Third,PCpart,real-timedataprocessinganalysisandtheequipmentrunningconditionmonitoringandtherealizationoftheremotecontrolofelectricalequipment.Thebasicframeworkideais,lowermachineismainlycomposedofsinglechipmicrocomputer,andtheintelligentcontrollerthatislowermachine,ontheparametersofthemotor,suchasacquisition,acquisitionofdatatransmissionthroughtheMODBUSprotocolbytheRS-485bustothePC,PCfordataanalysisandprocessingthroughthedatatransmissionmodulewillbeunderorderstolowermachine,inordertorealizethecontrolofthefielddevice.Inaccordancewiththerelevantsewagetreatmentprocessrequirementtocontrolelectricalsystemwithconfigurationsoftware.
Keywords:
SewageTreatment;Kingview;ElectricControl
目录
第一章前言1
1.1课题背景1
1.1.1选题背景1
1.1.2国内外研究现状1
1.2污水处理的控制方式2
1.3污水处理方法的优缺点2
1.4组态王的优缺点3
第二章污水处理系统总体介绍5
2.1组态王5
2.1.1组态王的概述5
2.1.2组态王的作用6
2.2CASS污水处理工艺6
2.2.1CASS工艺简介6
2.2.2CASS工艺流程7
第三章污水处理电气控制系统概述8
3.1电气控制系统的整体思路8
3.2RS-485简介8
第四章电气控制系统设计10
4.1组态监控界面10
4.2组态电机温度数据库界面12
4.3组态历史曲线界面12
4.4组态报警界面13
4.5控制系统的思路14
4.6系统测试结果15
结论16
致谢17
参考文献18
附录19
第一章前言
1.1课题背景
1.1.1选题背景
近年来，基于单片机的现场智能控制器已广泛应用于许多领域。
大多数考虑投资收益和成本的中小型企业，常会自行研发一些小型的分布式系统作为下位机数据信号处理和监控系统，上位机一般为PC机，下位机一般为基于单片机的现场智能控制器（以下简称现场设备），通过现场设备与PC机的通信，实现了数据的双向传输，从而实现对系统的有效监控。
本设计拟设计开发以组态软件作为上位机监控软件的自动控制系统，对现场智能设备采集的数据进行处理并向它发送控制命令。
上位机采用轮询的方式采集下位机上传的现场设备相关数据，并进行分析处理和控制。
监控人员通过查看实时数据、实时曲线及历史曲线，并对这些数据进行分析判断，确认是否要设置改变运行参数、是否要发出控制命令，最终实现对整个系统的监控。
1.1.2国内外研究现状
一些发达国家虽然早就实现了工业现代化，但也随之出现了很大的水污染问题。
对此这些国家投入了大量的人力和金钱对水污染问题进行深入的研究，并探寻解决水污染问题的办法。
美国有大量的污水处理厂，几乎每5千人有1座污水处理厂，其中二级生物处理厂占绝大多数；英国共有处理厂约8千座污水处理厂，平均7千人l座污水处理厂，几乎全都是二级生物处理厂；日本城市也有较多的污水处理厂，大多数为二级或高级污水处理厂。
[1]
水资源短缺是中国的基本国情之一，中国人口平均水资源量仅为世界平均人口1/4的水资源量。
为了解决这一基本国情，我们必须对污水处理。
在我国，城市污水处理率仍旧很低。
有资料显示，我国有很多的城市污水没有经过任何处理措施就直接把污水流放到周边环境中，直接或间接的污染了周边的水资源。
近年来，在生产、生活中不断发生水资源污染事故。
同时我国和地方政府越来越重视污水处理问题，推出的治理“三河三湖”工程项目并取得了显著的效果。
但是，就现在而言，我国的污水处理厂同发达国家的污水处理厂比较，我国的污水处理厂无论是在在数量上，还是在技术上都有着很大的差距，不是一朝一夕能赶上的，所以我国现在急需要一批的专业性的人才，置身于污水处理建设中，对污水处理技术方式进行全身心的研究，争取早日取得显著的效果。
1.2污水处理的控制方式
①传统的SBR法
SBR工艺是间歇活性污泥法，它由一个或几个曝气池构成，从污水分批次的进入曝气池中,经过活性污泥净化吸收，并将纯化后的上清液排出曝气池外完成一个工艺周期。
工艺流程为进水、反应、沉淀、排放。
②CASS工艺
CASS工艺是对SBR工艺的一种改进，具有SBR工艺的诸多优点：
工艺简单、方式多变的特点，且拥有着不错的氮、磷去除效果。
这是在不同CASS内隔板反应池的功能区，以及在不同处的溶解氧、污泥浓度、有机负荷和生物池也是不一样所体现的功能。
整个过程实现了连续进、出水。
③MSBR法
上世纪下半叶开发了一种MSBR法的污水处理工艺，大量的不断完善与发展后，最终成为了第三代污水处理工艺。
1.3污水处理方法的优缺点
SBR工艺的特点，具有一定的调节作用，能改善水质以及水的波动引起的系统不稳定。
工艺处理简单，处理构筑物少，曝气反应池集曝气、沉淀、污泥回流于一体，可省去初沉池、二沉池及污泥回流系统，且污泥量少，易于脱水，工艺条件控制能取得较好的除磷效果，但需较高水平的自动控制和连续的在线分析仪器的要求。
[2]
在对于预先处理污水要求不高的情况下，CASS工艺的优势得以很好的发挥。
仅仅需要加设一定大小间隙的机械格栅和沉砂池即可。
CASS反应池是整个工艺的处理核心，用生物方式在CASS反应池内一步完成了去除氮、磷、分解吸收有机物和悬浮物等，从CASS池中流出的水可达污水排放标准。
以MSBR工艺为系统的污水处理厂可以不间断的进水，提高了厌氧反应率和系统的稳定性，同时也增加了系统的抗压能力。
MSBR系统可以提高水质稳定、效率，有着很好的处理污水的能力。
通过对比以上三种污水处理工艺的特点并根据实际情况，决定将本系统污水处理的工艺最终定为CASS法污水处理工艺。
1.与传统活性污泥法相比
①建设费用低。
简易的工艺流程，污水处理厂只要建设紧密的集水池、沉砂池、曝气池、污泥池即可，减少了建地面积。
②运行费用省。
由于间接曝气的需要，所以在池中溶解氧的浓度也需要周期改变，在前两个阶段的低溶解氧浓度和曝气时的高溶解氧浓度，根据对溶解氧浓度的特点进行调节溶解氧浓度，不仅降低了成本而且还达到节能的效果。
③提升了有机物分解的效率，处理后的水况好。
不仅有机物得以分解，而且去除氮、磷的效果也非常好。
④控制简单，运转性能稳定。
很难发生污泥膨胀，而且所需设备数目和种类都相对少，控制起来容易，系统运行性时的稳定性高。
⑤污泥产量低，性质稳定，便于进一步处理与处置。
2.与SBR相比
①CASS反应池内含预反应区和主反应区，为提高降解污染物的效率我们要将控制预反应区一直处于含氧量较低的状态；
②CASS进水是不间断的，因此进水管道上只需要简单地控制水阀，而SBR是断续的进水，在生产现场中要多个交替着使用，这增加了控制系统的复杂性。
由于条件限制，本设计仅考虑对结合工艺过程的电气设备的控制问题。
1.4组态王的优缺点
组态王有很多好处，首先组态王是通用的组态软件，可以兼容很多Windows操作系统；其次，组态王软件独立性高，它可以独立于具体设备而存在；再次，使用组态王开发方便快捷，开发人员可以直接在PC机上进行工程项目的开发，回避了开发过程中软件调试要先等待硬件搭建连接好才能进行的条件限制，软件调试的过程中，软件编写人员不再受硬件条件的限制；最后，组态王软件具有可移植性能强的特点，在开发一个新的工程项目时，开发人员可以把以前开发过的工程项目中的某一模块直接添加到新的工程项目中，可直接复制原来的画面和原来设置的变量。
第二章污水处理系统总体介绍
2.1组态王
2.1.1组态王的概述
当前市场上很多的工企业自动控制系统是由组态王为开发平台的，它拥有适应性强、开放性好、易于快速搭建、开发一个新工程的时间短等诸多优点。
一般的监控系统可以分为监控层、控制层和管理层三个层次结构。
[3]
监控层在控制层和管理层起到中间过渡的作用。
监控层在于实时对现场设备进行监测，把接受到的实时信号通过处理显示到监控界面中，监控人员通过监控画面所反映的信息进行相应的操作控制和对整个系统进行整体管理。
在监控层中要考虑三个方面的问题：
数据、图片、动画，恰巧组态王软件完美的解决了这些方面的问题，能够达到监控系统和功能处理分析的要求，利用组态王软件，开发人员能够组态出一个监控界面，监控人员可在界面上直接的对现场设备的运行情况进行掌握。
组态王还具有报警窗口、实时趋势曲线等，可方便的帮助操控人员生成各种报表。
1.使用组态王实现控制系统实验仿真的基本方法：
（1）图形界面的设计；
（2）构造数据库；
（3）建立动画连接；
（4）运行和调试。
2.使用组态王软件开发具有以下几个特点：
（1）实验时可全部用软件实现。
只需利用现有的计算机可以完成实验的自动控制系统,从而大大降低实验仪器的资金投入。
（2）中文的开发系统。
对于使用者来说,本系统简单易学很容易入手，可以灵活的对参数进行修改,具有强大的仿真运行功能，通过插入实时/历史曲线控件可直观观察到系统的趋势曲线，在自动控制系统实验中因组态王软件的这些强大的辅助功能，达到很好的效果，受到广泛的认同。
3.在使用组态王软件开发系统时应注意：
（1）图形,是用抽象的图形和线条来模拟现场设备。
（2）数据,是创建一个具体的数据库,并用其中的数据来描述现场设备的性能参数。
（3）连接,是在进行仿真时画面上的各元素按照什么方式动作，尽量和现场设备的动作一致，并使操控者以怎样的动作来控制现场设备。
2.1.2组态王的作用
本方案的监控系统选择了北京亚控科技公司的监控软件组态王KingView，它运行于Windows98/2000/WindowsNT操作系统，Windows图形功能得到充分的发挥，界面直观、形象、简单易学。
采用PC机作为上位机，使用组态王软件组态显示监控界面，实现系统状态的显示及设置、工艺方式的选择及设定、故障报警及记录、实时数据的显示，界面直观，容易理解。
通过组态王的强大功能还可以将异常或所需信息与打印机等其它输入输出设备相连。
系统具有远程监控功能,管理人员通过现场总线可以实时的观测到现场污水处理的状况。
2.2CASS污水处理工艺
2.2.1CASS工艺简介
循环式活性污泥法工艺简称CASS工艺，是SBR工艺的发展改进。
CASS工艺的四个反应阶段为充水-曝气、充水-泥水分离、滗水和充水-闲置。
[4]根据需要在不同的运行阶段调整其运行方式。
由生物选择区、缺氧区和好氧区构成了CASS工艺反应区，污水经过CASS反应区的连续作用，污水中的有机污染物完全得以降解，并实现了对氮、磷的去除。
2.2.2CASS工艺流程
整个CASS处理工艺流程包含粗格栅和细格栅在污水进一步处理前的预处理，利用物理方法把污水中的杂质如树枝树叶等过滤掉；CASS反应池的生化处理；消毒的后续完善处理；以及污泥杂质的收集和除去处理。
其工艺流程图如图2-1所示。
图2-1CASS工艺流程
第三章污水处理电气控制系统概述
3.1电气控制系统的整体思路
经过半年的研究学习，对基于组态王的小型污水处理厂的电气控制系统设计有了基本框架思路。
我们可以将本系统分为三大模块：
①下位机模块；②数据传输模块；③上位机模块。
以单片机为主的现场智能控制器即下位机，对电机等的参数进行采集，采集的数据经RS－485总线通过MODBUS协议传输到上位机中，上位机对数据进行分析和处理再经过数据传输模块将命令下达到下位机中，以实现对现场设备的控制。
按照污水处理相关工艺要求用组态软件对电气系统进行控制。
3.2RS-485简介
现实生活应用中我们比较广泛采用RS-485总线方式进行数据的传输。
RS-485总线采用的是半双工工作方式平衡发送和差分接收数据信号，RS-485总线适用于多点互连时的系统数据传输，简化了数据线的结构。
用RS-485总线进行联网构成分布式系统的设计，我们最多可以在总线上并联32台驱动器和32台接收器。
RS-485总线的最大传输距离约为1219米，最大传输速率约为10Mbps，当对控制系统的速率要求不高时，我们用RS-485总线就可以满足系统线路设计数据传输的要求。
[5]
在本系统中采用了基于MODBUS现场总线的三级分布式SCADA系统。
[6]采取轮询控制方式，即由一个上位机负责整个网络的主从机控制，下位机只有当主机查询到它时才能上传数据，上位机可以用广播方式将广播数据同时发送给所有下位机。
在设计过程中，提前给主从机的地址进行编号，运行时，每次都由上位机发起按照一定的顺序对从机进行轮询，每次轮询时，主机除了向目标从机发送轮询信号外，还包括主机信息，对应的，在从机接收到目标地址是本从机地址的轮询信息后，立即将自身信息发送给主机，再由主机发至上位机。
MODBUS的应用层采用MODBUS协议，传输层使用TCP协议，网络层采用IP协议，用起来十分方便且连接可靠。
第四章电气控制系统设计
“模拟实时数据”产生的方法有两种，一是从下位机中通过数据传输模块传输上来；二是用数据库中的数据来模拟下位机传输的数据。
[7]显然第一种方法需要下位机与上位机实时连立起来，这样不方便上位机的设计和调试，而第二种将数据库的数据通过结构化查询语言SQL传输到上位机中，满足上位机的设计及调试要求，极大地方便了调试。
鉴于没有下位机相关设备进行试验，只能用数据库人工编写一些供调试的“模拟实时数据”。
4.1组态监控界面
污水处理系统的监控界面如图4-1所示。
监控界面由开水阀、水泵、管道和罐池组成，通过对水阀及水泵的开关来控制各池液体的流动。
图4-1监控界面
水阀开：
粗格栅池液位上升；水泵2开：
粗格栅池液位下降和细格栅池液位下降；水泵3开：
细格栅池液位下降和CASS反应池液位上升；水泵4开：
CASS反应池液位下降和消毒沉淀池液位上升；水泵5开：
消毒沉淀池液位下降。
要想完成该动画效果，这需要我们在组态软件内应用程序命令语言里编写一定的语言程序，如：
if（一号反应池液位>99）{水阀=0;水泵2=1;}
if（一号反应池液位==0）{水阀=1;水泵2=0;}
if（（水阀==1）&&（水泵2==0）&&（一号反应池液位<100））一号反应池液位=一号反应池液位+1;
if（（水阀==0）&&（水泵2==1）&&（一号反应池液位!
=0））一号反应池液位=一号反应池液位-1;
这段程序就是对通过对电气（水阀和水泵2）的控制，从而达到对粗格栅池内液位进行控制，控制液位是上升还是下降。
本系统的详细控制语言编程见附录。
在监控界面中的水阀、水泵和反应池都是从组态王软件中自带的图库管理器中选取来的，水阀开/关和水泵的启动/停止都是以离散量作为变量，通过对离散量的控制达到对水阀和水泵的控制。
反应池中用内存整数的变量来控制液位的高低，当变量最小值为0时，反应池的填充占据百分比为0；当变量最大值为100时，反应池的填充占据百分比为100。
（其中消毒沉淀池的设置为当变量最大值为200时，反应池的填充占据百分比为100。
）
在水阀、水泵和反应池之间连接着管道，要在仿真的时候达到管道内液体动态流动，这需要对管道进行流动设置，流动条件：
10*\\本站点\水泵2；流动条件的值的范围为-10至10时，管道内产生液体动态流动效果；流动条件的值为0时，管道内不产生液体动态流动效果；流动条件的值为-255时，管道内液体动态流动效果停止。
同时，在监控界面内有一红色告警灯，对这个红色告警灯进行了特殊处理：
如果运行过程中存在报警信号，则红色告警灯闪烁；如果运行过程中没有报警信号，则红色告警灯隐含。
设置如下，闪烁条件：
\\本站点\$新报警；每200毫秒红色告警灯闪烁一次。
隐含条件表达式：
\\本站点\$新报警；表达式为真时红色告警灯显示出来，为假时红色告警灯被隐藏。
我们可以设置当按钮弹起时程序执行语句：
ShowPicture（"报警界面"）；\\本站点\$新报警=0；达到鼠标左击红色告警灯并松开鼠标时弹出报警界面的效果。
4.2组态电机温度数据库界面
污水处理系统的电机温度数据库界面如图4-2所示。
在界面中设置了很多按钮，方便于监控人员对数据库的访问查看编写。
对这些按钮我们要对其进行命令语言连接的编写，用到了组态王软件中SQL函数。
我们首先要在上位机PC机中建立数据源、数据库，然后在SQL访问管理器中新建一一对应的表格模板和记录体，最后还需要分别对按钮设置命令语言。
编写的命令语言如下：
连接温度数据库按钮的命令语言：
SQLConnect（DeviceID,"dsn=mmdb源;uid=;pwd="）；
读取温度数据库按钮的命令语言：
SQLSelect（DeviceID，"Tablea"，"mmdbreadbind"，""，""）；
查询数据库按钮的命令语言：
Ctrlmmmm.Where=""；Ctrlmmmm.FetchData（）；Ctrlmmmm.FetchEnd（）；[8]
图4-2电机温度数据库界面
4.3组态历史曲线界面
污水处理系统的历史曲线界面如图4-3所示。
历史曲线中记录了水泵2、水泵3、水泵4和水泵5的历史温度曲线，通过组态王软件的历史曲线控件直观的将电机历史温度呈现出来。
图4-3历史曲线界面
在历史曲线界面中，插入历史趋势曲线。
在工具箱中找到插入通用控件，再选择历史趋势曲线这样该控件就插入到了历史曲线界面中了。
为区分不同的曲线代表的内容不同，我们需要对控件的属性进行配置，选择我们需要的变量，并用不同颜色的曲线代表的不同的变量。
如图4-4所示。
图4-4历史趋势曲线属性
4.4组态报警界面
污水处理系统的报警界面如图4-5所示。
利用组态王中报警控件，将变量中已设置的电机温度参数进行报警设置，报警类型分低低、低、高和高高四种。
当变量的值符合报警要求时，报警信号就会弹出来，提醒操作人员进行相关的处理，同时报警页面会记录报警的类型、时间等。
图4-5报警界面
4.5控制系统的思路
利用组态王中的SQL函数将Access数据库中的数据与组态监控系统连立起来，再通过上位机组态王软件对数据信息分析和处理结果，完成对整个污水处理电气的控制。
这要求我们要提前人工的构建一个数据库如图4-6所示，用以仿真现场设备传上来的数据信息。
图4-6数据库
当传输上来的数据信息经上位机发现有异时，组态软件会发出相应的报警信号，提示操控人员进行处理故障报警。
4.6系统测试结果
以组态王软件设计本系统的实时监控界面，实现状态显示、系统设置、模式选择、参数设置、时间日期、实时数据显示与报警等功能，操作界面直观易懂。
通过组态王的强大功能还可以将异常或所需信息与打印机等其它输入输出设备相连。
系统具有远程监控功能,管理人员通过现场总线可以实时的观测到现场污水处理的状况及现场电气设备的运行参数。
结论
小型污水处理厂电气控制的系统设计的完成，是建立在组态王软件的强大功能的基础之上的。
把装有组态王软件的PC机作为本监控系统的上位机，采用单片机作为本监控系统的下位机，再利用RS-485总线的方式将上位机与下位机连“在一起”保持通讯畅通，为本监控系统的整体设计思路。
监控人员可以通过上位机对下位机传输上来的数据信号进行分析处理的结果，下达相应的控制指令，以达到对本监控系统中电气的有效控制。
用组态王软件组态出了监控界面、电机温度数据库界面、历史曲线界面以及报警界面，完成了对电气控制系统的设计。
由于经验的不足，对系统的整体设计过程中往往考虑的不够全面。
比如在设计的过程中对电气设备的运行参数采集不足，只考虑到对电气设备运行时的温度进行采集而忽略了对电压、电流等参数的采集。
另一方面，在系统的设计过程中使用的组态王软件属于尚未完全激活的状态，当设计的工程进入演示方式的时候，组态王软件的内部程序会在两小时后将你设计的工程关闭，这会打乱我们的设计思路，迫使我们需要对设计的工程进行重新启动。
在毕业后我会继续优化对本系统的设计，以最终达到这个系统可以直接投入到污水处理厂使用为目的。
本论文所研究设计的电气控制系统方案实现了对电气设备的有效控制。
致谢
虽然本论文
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