【導(dǎo)讀】污水處理系統(tǒng)中的曝氣過程控制、數(shù)據(jù)通訊和監(jiān)控管理是急需解決的只要問題。本文介紹了工廠污水處理的基本工藝和流程，并通過研究設(shè)計一套基于PLC控制的污。文章首先介紹了基于PLC污水處理控制系統(tǒng)的工藝及相關(guān)流程，控制系統(tǒng)硬。處理過程中的應(yīng)用。先根據(jù)污水處理要求設(shè)計了設(shè)備的電器控制和自動控制線路，主要包。括設(shè)備的起停、狀態(tài)信號、故障信號和信號采集等，最后按照工藝要求設(shè)計PLC控制系統(tǒng)，其中包括PLC的選型、系統(tǒng)資源配置以及按照污水處理工藝編制PLC程序。選題的目的和意義²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²1. 當(dāng)今國內(nèi)外污水處理自動控制系統(tǒng)發(fā)展?fàn)顩r²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²2. 第2章污水處理概論·············································3

　　

【正文】 泵報警 I/O 分配表 梯形圖程序 根據(jù)控制要求、 I/O 分配表，設(shè)計 PLC 梯形圖，如附錄 C 所示。 第 6 章 組態(tài)軟件對現(xiàn)場狀態(tài)監(jiān)控的實現(xiàn) 組態(tài)王 的特點 組態(tài)王 是運行在 Windows98/NT/2020 上的一種組態(tài)軟件 ， 使用組態(tài)王，用戶可以方便地構(gòu)造適應(yīng)自己需要的 “監(jiān)控與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)”。 它 可用于電力、制冷、化工、機械制造、交通管理等多種工程領(lǐng)域。無論您的應(yīng)用場合如何，您都 可以使用組態(tài)王 構(gòu)造有效的監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。 使用組態(tài)王 ，可以 實現(xiàn) ： (1) 使用清晰準(zhǔn)確的畫面描述工業(yè)控制現(xiàn)場 。 (2) 使用圖形化的控制按鈕實現(xiàn)單任務(wù)和多任務(wù) 。 (3) 設(shè)計復(fù)雜的動畫顯示現(xiàn)場的操作狀態(tài)和數(shù)據(jù) 。 (4) 顯示生產(chǎn)過程的文字信息和圖形信息 。 (5) 為任何現(xiàn)場畫面指定鍵盤命令 。 21 (6) 監(jiān)控和記錄所有報警信息 。 (7) 顯示實時趨勢曲線和歷史趨勢曲線 。 (8) 使用多樣而靈活的方式查詢歷史數(shù)據(jù) 。 (9) 時間驅(qū)動和事件驅(qū)動的報表的打印 。 (10) 設(shè)計多級安全控制和訪問權(quán) 限 。 組態(tài)王還具有以下一些特點： (1) 工程管理 對于系統(tǒng)集成商和用戶來說，一個系統(tǒng)開發(fā)人員可能保存有很多個組態(tài)王工程，對于這些工程的集中管理以及新開發(fā)工程中的工程備份等都是比較煩瑣的事情。組態(tài)王工程管理器的主要作用就是為用戶集中管理本機上的所有組態(tài)王工程。 (2) 畫面制作系統(tǒng) 組態(tài)王 畫面制作系統(tǒng) 中的 調(diào)色板 和繪圖工具都 支持無限色和過渡色 ，并提供大量控制元件的圖庫，降低了設(shè)計界面的難度，縮短了開發(fā)周期。 組態(tài)王 還 支持多種圖形格式，如 Gif、 Jpg、 Bmp 等，并 通過可視化圖形操作，直接完成移動 、旋轉(zhuǎn) 、縮放、閃爍等 動畫連接定義 ，這樣 用戶可以充分利用已有的資源，輕松構(gòu)造自己功能強大且美觀的應(yīng)用系統(tǒng) 。 (3) 控件支持 組態(tài)王 支持 Windows 標(biāo)準(zhǔn)的 Active X 控件 (主要為可視控件 )，包括 Microsoft 提供的標(biāo)準(zhǔn) Active X 控件和用戶自制的 Active X 控件 ， 用戶通過控件的這些屬性、事件、方法來完成工作 。 (4) 通信系統(tǒng) 組態(tài)王 支持與遠程設(shè)備間通過撥號方式進行通訊。組態(tài)王的遠程撥號與組態(tài)王原有驅(qū)動程序無縫連接，硬件設(shè)備端無需更改程序。利用遠程撥號能實時顯示現(xiàn)場設(shè)備運行狀 況，隨時打印，報警和歷史數(shù)據(jù)自動上傳等功能。 除此以外，組態(tài)王 還 全面支持 OPC 標(biāo)準(zhǔn) ，支持網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、 分布式歷史數(shù)據(jù)庫和分布式報警系統(tǒng) ，還提供完整的安全系統(tǒng)和冗余系統(tǒng)，使 系統(tǒng)運行時將更加穩(wěn)定、可靠 。 S7200 系列 PLC 的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議 S7200 系列 PLC 支持多種通信協(xié)議 ， 如點對點接口 (PPI)、多點接口 (MPI)和PROFIBUS。這些協(xié)議基于 7 層開放系統(tǒng)互聯(lián)模型 (OSI)。 PPI 和 MPI 協(xié)議通過 PROFIBUS令牌環(huán)網(wǎng)實現(xiàn)，令牌環(huán)網(wǎng)時遵循 IEC61158 和歐洲標(biāo)準(zhǔn) EN50170 的過程現(xiàn)場 總線。它們都是基于字符的異步通信協(xié)議，帶有起始位、 8 位數(shù)據(jù)、偶校檢和 1 個停止位。通信幀由起始和結(jié)束字符、源和目的站地址、幀長度和數(shù)據(jù)完整性校驗和組成。只要波特率相同，三個協(xié)議可以在網(wǎng)絡(luò)中同時運行，不會相互影響。 點對點接口協(xié)議 (PPI)PPI(PointtoPoint)是主從協(xié)議，網(wǎng)絡(luò)上是 S7200 CPU 均為從站，其它 CPU、 SIMATIC 編程器或 TD200 為主站。如果用戶程序中允許 PPI 主站模式，一些S7200 CPU 在 RUN 模式下可以作 主 站，它們可以用網(wǎng)絡(luò)讀 (NETR)和網(wǎng)絡(luò)寫 (NETW)指令讀寫其他 CPU 中的數(shù)據(jù)。 S7200 CPU 作 PPI 主站時，還可以作為從站響應(yīng)來自其他主站的通信申請。 PPI 沒有限制可以有多少個主站與一個從站通信，但是在網(wǎng)絡(luò)中最多只能有32 個主站。 在 污水處理 控制系統(tǒng)中，控制器 S7200 PLC 將利用點對點 PPI(PointtoPoint)協(xié)議與安裝在上位計算機中的工業(yè)控制組態(tài)軟件進行通信。網(wǎng)絡(luò)上的 S7200 CPU226 PLC作為從站，組態(tài)軟件組態(tài)王 作為主站。在 PLC 控制程序中，將 污水處理 控制系統(tǒng)運行現(xiàn)場的各項參數(shù)放入用戶數(shù)據(jù)存儲區(qū)的指定區(qū)域中，通過組 態(tài)王 中的 I/O 變量采集或刷新 22 這些存放在 PLC 用戶數(shù)據(jù)存儲區(qū)中的數(shù)據(jù)。這樣， PLC 就可以與上位計算機利用通信進行數(shù)據(jù)的交換，為實現(xiàn)上位計算機對 污水處理 控制系統(tǒng)現(xiàn)場數(shù)據(jù)的監(jiān)控創(chuàng)造了條件。 數(shù)據(jù)交換存儲區(qū)的定義 在 S7200 系列 PLC 中，不同的 CPU 模塊有不同長度的數(shù)據(jù)存儲區(qū)。其中 CPU226 模塊有長度為 5120Byte 的用戶數(shù)據(jù)存儲區(qū)。用戶可以自由使用這一數(shù)據(jù)存儲區(qū)，存放用戶程序中涉及到的數(shù)據(jù)、參數(shù)等。 為實現(xiàn) PLC 與組態(tài)軟件之間的通信，完成對上位計算機對控制系統(tǒng)現(xiàn)場數(shù)據(jù)的監(jiān)控功能，組態(tài)王 將定義一系列 I/O 變量來采集或刷新存放在 PLC 數(shù)據(jù)存儲區(qū)中指定區(qū)域內(nèi)的數(shù)據(jù)。這一指定數(shù)據(jù)存儲區(qū)，我們把它稱為“數(shù)據(jù)交換存儲區(qū)”。存放在“數(shù)據(jù)交換存儲區(qū)”中的數(shù)據(jù)輸入映像寄存器 IB0 及中間寄存器 MB10 就和輸出映像寄存器 QB0。“數(shù)據(jù)交換存儲區(qū)”中存放的數(shù)據(jù)和其存放的地址如表所示。 存儲區(qū)地址 VB100 VB101 VB102 VB103 VB104 VB105 VB106 VB107 數(shù)據(jù) QB0 IB0 存儲區(qū)地址 VB108 VB109 VB110 VB111 VB112 VB113 VB114 VB115 數(shù)據(jù) MB10 “數(shù)據(jù)交換存儲區(qū)”中的數(shù)據(jù)和存放地址 組態(tài)軟件與 PLC 的通信設(shè)置 (1) 創(chuàng)建工程路徑 啟動“組態(tài)王”工程管理器 (ProjManager)，選擇菜單“文件 /新建工程”或單擊“新建”按鈕，彈出“新建工程向?qū)б弧睂υ捒?，如圖 6 所示： 新建工程向?qū)D 23 單擊“下一步”繼續(xù)。彈出“新建工程向?qū)е睂υ捒?，如圖所示： 新建工程向?qū)ФD 在工程路徑文本框中輸入一個有效的工程路徑，或 單擊“瀏覽 … ”按鈕，在彈出的路徑選擇對話框中選擇一個有效的路徑。單擊“下一步”繼續(xù)。彈出“新建工程向?qū)е睂υ捒颍鐖D所示： 新建工程向?qū)龍D 在工程名稱文本框中輸入工程的名稱，該工程名稱同時將被作為當(dāng)前工程的路徑名稱。在工程描述文本框中輸入對該工程的描述文字。單擊“完成”完成工程的新建。 (2) 創(chuàng)建組態(tài)畫面 進入組態(tài)王開發(fā)系統(tǒng)后，就可以為每個工程建立數(shù)目不限的畫面?！敖M態(tài)王”采用面向?qū)ο蟮木庉嫾夹g(shù)，使用戶可以方便地建立畫面圖形界面。用戶構(gòu)圖時可以像搭積木那樣 24 利用系統(tǒng)提供的圖形對象完成畫面的生成。 同時支持畫面之間的圖形對象拷貝，可重復(fù)使用以前的開發(fā)結(jié)果。 第一步：定義新畫面，如圖所示： 新建畫面圖 點擊“確定”按鈕進入內(nèi)嵌的組態(tài)王畫面開發(fā)系統(tǒng)，如圖所示： 組態(tài)王開發(fā)系統(tǒng)圖 第二步：在組態(tài)王開發(fā)系統(tǒng)中制作畫面。 選擇“文件 /全部存”命令保存現(xiàn)有畫面。 (3) 定義 I/O 設(shè)備 組態(tài)王把那些需要與之交換數(shù)據(jù)的設(shè)備都作為外部設(shè)備。外部設(shè)備包括：下位機 (PLC，儀表，模塊，板卡，變頻器等 )，它們一般通過串行口和上位機交換數(shù)據(jù)；其他 Windows 25 應(yīng)用程序，它們之間一般通過 DDE 交換數(shù)據(jù)；外部設(shè)備還包括網(wǎng) 絡(luò)上其他的計算機。 只有定義了外部設(shè)備后，組態(tài)王才能通過 I/O 變量和它們交換數(shù)據(jù)。為方便定義外部設(shè)備，組態(tài)王設(shè)計了“設(shè)備配置向?qū)А?，引?dǎo)用戶一步步完成設(shè)備的連接。 選擇工程瀏覽器左側(cè)大綱項“設(shè)備 /COM”，在工程瀏覽器右側(cè)用鼠標(biāo)左鍵雙鍵“新建”圖標(biāo)，運行“設(shè)備配置向?qū)А保鐖D所示： 設(shè)備配置向?qū)б粓D 根據(jù)安裝向?qū)О惭b S7200 CPU226 PLC，安裝時設(shè)定的參數(shù)，如表所示： 生產(chǎn)廠家 西門子 設(shè)備名稱 S7200PPI 邏輯名稱 CPU226 連接的串口 COM1 通信方式 PPI 設(shè)備地址 2 嘗試恢復(fù)間隔 30s 最長恢復(fù)時間 24h 使用動態(tài)優(yōu)化 是 組態(tài)王中 PLC 安裝的參數(shù)表 26 雙擊“ COM1”圖標(biāo)，設(shè)定串行通信口 COM1 的通信參數(shù)，如表所示： 波特率 9600kps 數(shù)據(jù)位 8 停止位 1 奇偶校檢 偶校檢 通信方式 RS232 通信超時 3000ms 使用 Modem 否 串口設(shè)定的通信參數(shù)表 (4) 構(gòu)造數(shù)據(jù)庫 數(shù)據(jù)庫是“組態(tài)王”軟件的核心部分，工業(yè)現(xiàn)場的生產(chǎn)狀況要以動畫的形式反映在屏幕上，操作 者在計算機前發(fā)布的指令也要迅速到達生產(chǎn)現(xiàn)場，所有這一切都是以實時數(shù)據(jù)庫為中介環(huán)節(jié)，所以說數(shù)據(jù)庫是聯(lián)系上位機和下位機的橋梁。在 TouchVew 運行時，它含有全部數(shù)據(jù)變量的當(dāng)前值。變量在畫面制作系統(tǒng)組態(tài)王畫面開發(fā)系統(tǒng)中定義，定義時要指定變量名和變量類型，某些類型的變量還需要一些附加信息。數(shù)據(jù)庫中變量的集合形象地稱為“數(shù)據(jù)詞典”，數(shù)據(jù)詞典記錄了所有用戶可使用的 `數(shù)據(jù)變量的詳細信息。 選擇工程瀏覽器左側(cè)大綱項“數(shù)據(jù)庫 /數(shù)據(jù)詞典”，在工程瀏覽器右側(cè)用鼠標(biāo)左鍵雙擊“新建”圖標(biāo)，彈出“定義變量”對話框如圖所示： 創(chuàng) 建內(nèi)存變量圖 27 (5) 建立動畫連接 定義動畫連接是指在畫面的圖形對象與數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)變量之間建立一種關(guān)系，當(dāng)變量的值改變時，在畫面上以圖形對象的動畫效果表示出來；或者由軟件使用者通過圖形對象改變數(shù)據(jù)變量的值?！敖M態(tài)王”提供了 21 種動畫連接方式，如圖所示： 動畫連接圖 單擊“確定”，再單擊“確定”返回組態(tài)王開發(fā)系統(tǒng)。為了讓矩形動起來，需要使變量能夠動態(tài)變化，選擇“編輯 /畫面屬性”菜單命令，彈出對話框如圖所示： 畫面 屬性圖 單擊“命令語言 ...”按鈕，彈出畫面命令語言對話框。 在編輯筐內(nèi)輸入命令語言。 28 選擇“文件 /全部存”菜單命令。 (6) 運行和調(diào)試 組態(tài)王工程已經(jīng)初步建立起來，進入到運行和調(diào)試階段。在組態(tài)王開發(fā)系統(tǒng)中選擇“文件 /切換到 View”菜單命令，進入組態(tài)王運行系統(tǒng)。然后在組態(tài)運行系統(tǒng)中選擇“畫面 /打開”命令，從“打開畫面”窗口選擇“ Test”畫面。顯示出組態(tài)王運行系統(tǒng)畫面，即可看到動態(tài)變化。 變量和數(shù)據(jù)的定義 變量和數(shù)據(jù)定義如下圖所示： 29 數(shù)據(jù)采集的實現(xiàn) 為了實現(xiàn)在上位計算機上進行對污 水處理控制現(xiàn)場的監(jiān)控，在 PLC 與組態(tài)軟件的數(shù)據(jù)通信中，對 PLC 中的數(shù)據(jù)進行采集或刷新。在組態(tài)王 中，用戶通過定義 I/O 變量，就可以非常方便的實現(xiàn)對數(shù)據(jù)采集。 為實現(xiàn)對 PLC“數(shù)據(jù)交換存儲區(qū)中”數(shù)據(jù)的采集，在組態(tài)王 中定義了 2 個 I/O 整型變量，它們分別是 QB0 和 IB0，它們采集的數(shù)據(jù)分別是來自從站 PLC 用戶數(shù)據(jù)存儲區(qū)中的 VB100 和 VB105 兩個字節(jié)存儲單元。 2 個 I/O 整型變量 QB0 和 IB2 定義時的各項主要參數(shù)如下所示： 變量類型： I/O 整型 初始值： 0 最大值： 99999 連接設(shè)備： SP200PPI 采集頻率： 250ms 數(shù)據(jù)類型： BYTE 讀寫屬性：讀寫 轉(zhuǎn)換方式：線性 在組態(tài)王 中，運用這些采集來的數(shù)據(jù)，通過一種類似 C 語言的“應(yīng)用程序語言”編寫程序，對采集的數(shù)據(jù)進行處理，并將程序語言和組態(tài)軟件中的豐富“動畫連接”功能相結(jié)合，就可以實現(xiàn)對污水處理控制系統(tǒng)現(xiàn)場的監(jiān)控，以生動、直觀的圖像和指示信號顯示在監(jiān)控界面上。 污水處理控制系統(tǒng)監(jiān)控程序 監(jiān)控軟件的現(xiàn)場運行界面如下圖所示 : 污水處理現(xiàn)場運行主界面圖 30 第 7 章 調(diào)試和運行結(jié)果 系統(tǒng)的 調(diào)試 在 STEP7Micro/WIN32 軟件中，通過編程，將編好的程序下載到 PLC 中進行運行調(diào)試，檢查程序是否有錯誤，是否能夠?qū)崿F(xiàn)相應(yīng)的功能控制。調(diào)試時，可根據(jù)功能模塊分類分別調(diào)試，最后進行總體調(diào)試。 在該控制程序中，需要根據(jù)外界輸入的狀態(tài)來控制清污機、潛水泵，以及污泥回流泵的啟停，因此需要按照超聲波液位差計反饋來的信息進行判斷處理，然后再進行輸出控制。 運行結(jié)果 通過系統(tǒng)調(diào)試，能夠?qū)崿F(xiàn) PLC 在系統(tǒng)控制中的手動、自動模式的控制。啟動電源后按下手動或自動模式選擇按鈕。 當(dāng)在手動模式時，可通過各控制按鈕實現(xiàn)對污水處理系統(tǒng)中各電機的控制運行。 當(dāng)在自動模式時，在自動方式下進行閉環(huán)控制，系統(tǒng)根據(jù)檢測到外部傳感器的狀態(tài)對設(shè)備進行啟?？刂啤８髂K程序在仿真軟件上進行調(diào)試時也能實現(xiàn)相應(yīng)功能的控制。基本上達到了系統(tǒng)設(shè)計的目標(biāo)要求。 第 8 章 結(jié)束語 工業(yè)污水處理監(jiān)控系統(tǒng)是一個比較復(fù)雜的綜合系統(tǒng)，它包括與之相關(guān)的生產(chǎn)工藝流程、相關(guān)生產(chǎn)設(shè)備，現(xiàn)場計量自控檢測儀表的選用、控制流程的模型建立、對 PLC 系統(tǒng)軟硬件應(yīng)用研究等。本文詳細闡述了污水處理工藝 流程、監(jiān)控系統(tǒng)總體方案以及具體的軟硬件實現(xiàn)。通過 3 個月的課題設(shè)計和調(diào)試，基本上完成了對 PLC 污水處理系統(tǒng)的設(shè)計，達到了預(yù)期的設(shè)計目標(biāo)。在這個過程中，使我學(xué)到了很多知識，積累了許多寶貴的經(jīng)驗，鍛煉了自己的獨立思考能力和實踐動手能力。進一步加深了解了 PLC 在實踐當(dāng)中的應(yīng)用。熟悉了 PLC 硬件的工作原理，完成了整個系統(tǒng)的模擬調(diào)試，通過對系統(tǒng)的不斷修改和調(diào)試，基本上達到了預(yù)期的設(shè)計要求。在設(shè)計過程中主要從硬件和軟件兩個方面的問題進行，污水處理系統(tǒng)中，主要的硬件問題包括機械結(jié)構(gòu)、硬件選型和 PLC 的外圍電路設(shè)計和接線處。在 PLC 的外圍硬件連線方面，主要是增加一些保護設(shè)備。由于輸出都是何接觸器等元件連接，接觸器的突然斷開和閉合會形成突波對 PLC 的輸出端子造成損壞，因此需要加裝一些保護裝置，例如，續(xù)流二極管等，增加觸點的壽命。軟件方面主要問題在于程序編寫完畢后，需要首先在電腦上對程序進行軟件仿真，主要檢查是否存在各種錯誤，可利用西門子公司配套的仿真軟件。然后通過模擬硬件的方式檢查程序，主要檢查程序是否存在邏輯上的錯誤。 本課題利用組態(tài)王 使用 Siemens 的 PPI 協(xié)議通過 PPI/PC 電纜與 PLC 進行通 信，將污水處理控制系統(tǒng)的控制器 S7200 PLC 的各種數(shù)據(jù)采集到上位計算機，現(xiàn)場 操作人員和管理人員都可以看到各種數(shù)據(jù)。