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污水处理系统课程设计 组态王


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第 1 章 前言 .................................................................................................................................... 1 1.1 组态王简介......................................................................................................................... 1 1.2 组态王特点......................................................................................................................... 1 1.3 组态王与智能仪表通信 ..................................................................................................... 2 第 2 章 污水处理系统组成............................................................................................................. 3 2.1 系统组成............................................................................................................................ 3 2.2 测控方式............................................................................................................................ 4 2.3 系统配置特点.................................................................................................................... 4 2.4 系统功能............................................................................................................................ 4 第 3 章 系统实施............................................................................................................................. 6 3.1 设备配置............................................................................................................................ 6 3.2 图形界面的设计................................................................................................................ 6 3.3 定义数据变量.................................................................................................................... 9 3.4 建立动画连接.................................................................................................................. 10 3.5 运行调试.......................................................................................................................... 11 第 4 章 总结 .................................................................................................................................. 12 参考文献 ........................................................................................................................................ 13

第 1 章 概述
在城市污水处理厂的管理方面,早期主要是由技术人员现场检测、调试,由于 处理厂的处理构筑物较多,需要进行实时检测的项目指标多而复杂,例如:进出水 pH 值、进水流量、曝气池溶解氧量等等,如要对这些指标逐一实时检测,无疑 会耗费大量的人力物力。随之我国工业化进程的迅速发展,自动控制系统渐渐应 用到污水处理工艺过程监测过程当中,并且取得了相当好的效果,既节省了人力 资源又节约了能源,有着广阔的发展前景。近年来,各地相继利用外资建设了一 批城市污水处理厂,将先进的工艺及设备引进国内,在提高工艺设备技术水平的 同时,控制系统和管理水平也有了很大的提高。结束了以往污水处理全部用人工 或简单的电器控制的落后局面。 发达国家在二级处理普及以后投入大量资金和科研力量加强污水处理设施 的监测、运行和管理,实现了计算机控制、报警、计算和瞬时记录。美国在 20 世纪 70 年代中期开始实现污水处理厂的自动控制,目前主要污水处理厂已实现 了工艺流程中主要参数的自动测试和控制。80 年代以来在美国召开了两次水处 理仪器和自动化的国际学术会议, 会上发表的数百篇论文反映出水处理自动化已 发展到实用水平。与国外相比,我国污水处理自动化控制起步较晚,进入 90 年 代以后污水处理厂才开始引入自动控制系统,但多是直接引进国外成套自控设 备,国产自动控制系统在污水处理厂应用很少。 1.1 组态王简介 组态王(Kingview)是由北京亚控公司开发,在 PC 机上建立工业控制对象 人机接口的一种智能软件包, 它以 Window2000/WindowXP/WindowNT 中文操作 系统作为其操作平台,充分利用了 Windows 图形功能设备,界面一致性好,易 学易用等特点,具有功能完备的人机接口界面和面向对象的图形开发环境,便于 高效,快捷地把整个工艺过程构成监控画面,以动画的形式显示各个控制设备的 状态,在报警和历史趋势方面的功能,方便了对系统的监控,具有较强的网络功 能。组态王图形界面开发功能使用方便,对 I/O 设备广泛支持。它所使用的 PC 机开发的系统工程,比以往使用专用机开发的工业控制系统更有通用性,大大减 少了工控软件开发者的重复性工作,还可以运用 PC 机丰富的软件资源进行二次 开发。 1.2 组态王特点 组态王软件特点:包括了大量常用硬件的驱动程序,使繁杂的硬件接口方面
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的工作由组态王软件去完成,用户只需简单安装驱动程序,并按指定格式读取或 输出数据即可,无须在控制过程中去考虑硬件的使用和设置,因此,用户在使用 前,一定要仔细阅读与本硬件相关驱动及使用说明,并按指定方式配置,设置变 量,才能顺利地实现数据的读取和输出。 1.3 组态王与智能仪表通信 组态王支持多种通信方式:串口通信,数据采集板,DDE 通信,人机界面 卡和网络模块。 数据库是“组态王”最核心的部分,是联系上位机和下位机的桥梁。在数据 库中存放的是变量的当前值, 构造实时数据库需要定义相应的外部设备及数据变 量。在定义数据库变量时,只要把 I/O 变量连接到外部设备上,按照设备安装向 导的提示就可以完成设备的配置工作,就可以和组态王交换数据了。 1.4 建立动画连接 动画连接就是建立画面的图素与数据库变量的对应关系。在系统运行过程 中,使现场信号动态地反映到图形界面上,从而实现了图形地动画效果。如对吹 灰器进行动画连接,当吹灰器开启时,用绿灯显示。吹灰器停止运转时,用红灯 显示。建立动画连接时,用到了大量的命令语言进行程序的编制,通过对程序的 编写,很好的完成了画面动态显示。

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第 2 章 污水处理系统
污水处理系统的应用非常广泛, 组态王软件集监视和控制于一体, 操作方便, 运行稳定,很好的实现了粮食发放、接受、测温以及粮情监控、仓储容量自动化 一体管理的要求。 2.1 系统组成 为了保证系统的稳定性和可靠性, 设计中采用了两级控制方案对整套污水处 理系统进行监控,上位机选用两台工业控制计算机,下位机可选用硕人时代的 PAC,系统构成图如下:

上位机提供一个人机交互界面, 使操作人员可以通过 CRT 和模拟屏直观 的了解现场各工艺参数及故障报警,发出相应的控制指令。大容量存储器记录历 史数据。控制核心采用 PAC,编程后的 PAC 能够按照内部程序对系统进行实时 监控,程序启停现场设备。 由于现场监控点多、布局分散,且各工序工艺独立,为简化电缆铺设、降低 系统成本、提高系统稳定性,采用两台 PAC 对生产工艺进行监控。其中 1PAC 控制提升泵站、沉砂池、氧化沟、二沉池、回流污泥泵站的所有设备及传感器。 从 PAC 控制剩余污泥泵站、储泥池、加药间、脱水间的所有设备及传感器。1、 2 号 PAC 数据通过 TCP/IP 进行数据交换,实现数据共享。 操作人员通过上位机向 PAC 发出相应的控制指令后,由 PAC 对现场进 行直接控制。此时即便上位机出现故障(如死机、掉电等) ,也不会影响系统的 正常工作。PAC 能够对现场的设备进行欲处理,此时 PAC 相当于工控机加 PLC
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的优点就表现出来了。

2.2 测控方式 整套污水处理流程可有多个监控点,包括液位、PH 值、溶氧、浊度、频 率、泵运行状态等。各模拟量参数通过相应的变送器输出 4~20mA 的标准信号, 通过屏蔽电缆接至 PAC 的 AI 模块。信号从 PAC 的 AO 模块通过屏蔽电缆接至 相应变频器、启闭阀门。数字输入信号为 24V 直流电信号,通过电缆接至 PAC 的 DI 模块。 数字输出控制信号为 24V 直流电信号, PAC 的 DO 模块通过电缆 从 接至现场设备。 每台现场设备原则在其相应现地箱上输出有三个状态信号: 故障、 运行/停止、手动/自动;和一个启动信号。为了使现场与 PAC 完全隔离,PAC 所 有数字量模块与现地箱中间必须加辅助继电器。所有输出信号(包括模拟量和数 字量)由 PAC 内部程序或上位机指令控制。 2.3 系统配置特点 下位数据采集可通过 PLC 完成,亚太公司的 PLC 就可以,上位采用组态王开 发监控画面并进行监控,已实现实时控制和动态监控。 2.4 系统功能 系统功能 运行方式:自动运行和手动操作结合,实现自动粮情监测,粮食通风、冷却 自动化。 用户界面:系统提供友好界面和方便易用的控制和在线帮助。 实时监控:动态自动作业监控流程,动态显示流程画面、自动控制设备的开 关、温度、压力、速度等相关参数。 报警功能:系统有自动报警功能,并能记录故障时间、原因等信息。 打印输出:系统能定时或实施打印故障信息、系统运行信息、操作员操作等 信息。 保存数据:系统具有自动保存数据和与其它应用程序交换数据的功能,可以

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和各种粮食数据管理系统软件进行数据交换, 使储运监控和信息管理有机的结合 在一起。 在线帮助: 系统提供在线帮助信息, 操作员遇到问题能及时得到帮助和指导。

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第 3 章 系统实施
3.1 设备配置 设备配置就是完成组态王与 PLC 之间的设置。组态王可读取 PLC 监测到的 设备运行状态、模拟量采样数据等信息,根据这些实时数据,在屏幕上动态显示 整个粮食储备运发放系统的运行情况、包括运送带方向、泵阀的开/关状态等。 一旦发现故障报警信息,系统即显示明显报警画面,向 PLC 发出相应动作指令, 保存并记忆故障发生的时间、方位和原因等原始数据,还可根据客户需求保存历 史数据、定时、实时打印数据。 组态王依靠大量的设备驱动可以支持几百上千种 PLC 和仪表驱动,使用户 的硬件选型具有相当大的选择空间,而且这些驱动都是经过实际工程验证,完全 符合实际应用要求的驱动产品,完全免费提供给用户使用。本次采用的较为常见 的 PLC 产品,只需简单配置即可实现组态王和 PLC 设备的通讯,如图 2。

图 2 组态王与 PLC 的连接

3.2 图形界面的设计 组态王里提供了丰富的作图资料,在图库里可以找到自己要用的图案,要对 这些图形进行编辑,这些比较复杂。我们在网上没有找到太多的资料,甚至可以 说资料匮乏!所以遇到了很多问题,导致图形界面粗糙,望老师见谅!
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图 3 组态王中作图截图

组态王可读取 PLC 监测到的设备运行状态、模拟量采样数据等信息,根据 这些实时数据,在屏幕上动态显示整个粮食储存运发放系统的运行情况、包括运 送带方向、泵阀的开/关状态等。一旦发现故障报警信息,系统即显示明显报警

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画面,向 PLC 发出相应动作指令,保存并记忆故障发生的时间、方位和原因等 原始数据,还可根据客户需求保存历史数据、定时、实时打印数据。 3.3 定义数据变量 数据可以描述工控对象属性,数据库是“组态王”软件的核心部分,工业现 场的生产状况要以动画的形式反映在屏幕上, 操作者在计算机前发布的指令也要 迅速送达生产现场,所有这一切都是以实时数据库为中介环节,所以说数据库是 联系上位机和下位机的桥梁。在 TouchVew 运行时,它含有全部数据变量的当前 值。变量在画面制作系统组态王画面开发系统中定义,定义时要指定变量名和变 量类型,某些类型的变量还需要一些附加信息。数据库中变量的集合形象地称为 “数据词典” ,数据词典记录了所有用户可使用的数据变量的详细信息。 组态王定义的各种数据变量读取现场 PLC 的实时数据,为界面的动画连接 提供数据源,软件还提供实时数据和历史数据两种方式进行数据的查询、分析。 对于定义了报警限值的数据,一旦发生报警,系统将自动弹出报警窗口,及时提 示操作人员详尽的报警信息及处理办法。组态软件还支持和关系型数据库(如 ACCESS、SQL SERVER 和 ORACLE)实现数据存储,可以方便进行查询、插 入、删除等操作,对于用户定制自己特殊的数据表格提供了很大的方便。数据变 量的定义直接影响到整个系统的功能和可靠性。是系统开发十分重要的环节。 变量的基本类型共有两类:内存变量、I/O 变量。IO 变量是指可与外部数据 采集程序直接进行数据交换的变量,如下位机数据采集设备(如 PLC、仪表等) 或其它应用程序(如 DDE、OPC 服务器等) 。这种数据交换是双向的、动态的, 就是说:在“组态王”系统运行过程中,每当 I/O 变量的值改变时,该值就会自 动写入下位机或其它应用程序;每当下位机或应用程序中的值改变时, “组态王” 系统中的变量值也会自动更新。所以,那些从下位机采集来的数据、发送给下位 机的指令,比如“反应罐液位”“电源开关”等变量,都需要设置成“I/O 变量” 、 。 内存变量是指那些不需要和其它应用程序交换数据、 也不需要从下位机得到 数据、只在“组态王”内需要的变量,比如计算过程的中间变量,就可以设置成 “内存变量” 。

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图 4 在组态王中定义变量

3.4 建立动画连接 动画连接是画面的图形对象和数据词典的数据变量之间建立的一种关系, 当 数据词典里的变量的值发生改变的时候,在画面上会呈现一定的动画效果,或者 由操作人员对画面进行操作,进而实现远程控制。本系统的动画连接包括粮食倒 仓和粮食发放的操作等。 将画面的图形对象与数据词典的变量建立连接并进行适 当的设置,那么组态画面可以完成诸如阀门开关闪烁、警报灯的亮起与关闭等。 动画连接的引入是设计人机接口的一次突破, 它把工程人员从重复的图形编程中 解放出来,为工程人员提供了标准的工业控制图形界面,并且由可编程的命令语 言连接来增强图形界面的功能。图形对象与变量之间有丰富的连接类型,给工程 人员设计图形界面提供了极大的方便。 “组态王”系统还为部分动画连接的图形对 象设置了访问权限,这对于保障系统的安全具有重要的意义。图形对象可以按动 画连接的要求改变颜色、尺寸、位置、填充百分数等,一个图形对象又可以同时 定义多个连接。把这些动画连接组合起来,应用程序将呈现出令人难以想象的图 形动画效果。

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3.5 运行调试 运行调试是为了检查组态画面与实际粮食储备运发放系统系统的双向通讯 功能,检验实际的控制效果。运行调试期间,除了调试系统以满足工艺要求外, 还要对系统测试以保证日后安全可靠地运行。按照流程,需要将系统所有功能都 逐一测试,对于关键的运行参数进行记录备案,这也是系统交工必不可少的一部 分。 系统通过安全稳定的试运行阶段,将进入正式运行。试运行时间依据系统规模和 甲方要求不等。正式投入运行的系统具有: -友好人机界面、动态显示工作流程; -安全可靠、容错性强,系统具备自动的互锁控制,超限报警和误操作保护 等功能; -完整的数据记录,灵活的数据查询和曲线分析功能; -合理的用户权限,防止非法和误操作。

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第 4 章 总结
通过这次实习我熟练的掌握了组态王的应用, 也了解到了污水处理的各个过 程。 组态王系统是中文界面,具有人机界面友好、结果可视化的优点。对用户而 言,操作简单易学且编程简单,参数输入与修改灵活,具有多次或重复仿真运行的 控制能力,可以实时地显示参数变化前后系统的特性曲线,能很直观地显示控制系 统的实时趋势曲线,这些很强的交互能力使其在自动控制系统的实验中可以发挥 理想的效果。 3.在采用组态王开发系统编制应用程序过程中要考虑以下三个方面: (1)图形,是怎样用抽象的图形画面来模拟实际的工业现场和相应的工控 设备。 (2)数据,就是创建一个具体的数据库,并用此数据库中的变量描述工控 对象的各种属性,比如水位、流量等。 (3)连接,就是画面上的图素以怎样的动画来模拟现场设备的运行,以及怎样 让操作者输入控制设备的指令。 从污染源排出的污(废)水,因含污染物总量或浓度较高,达不到排放标准 要求或不适应环境容量要求,从而降低水环境质量和功能目标时,必需经过人工 强化处理的场所。一般分为城市集中污水处理厂和各污染源分散污水处理厂,处 理后排入水体或城市管道。有时为了回收循环利用废水资源,需要提高处理后出 水水质时则需建设污水回用或循环利用污水处理厂。 处理厂的处理工艺流程是有 各种常用或特殊的水处理方法优化组合而成的,包括各种物理法、化学法和生物 法,要求技术先进,经济合理,费用最省系统实现了实时监控、故障报警、历史 数据的存储和查询、报表的显示和打印等多项功能,且用户界面操作良好,易于 学习。系统具有良好的通用性、可扩展性和可维护性。通过以上设计可使,大大 降低了工人的劳动强度,提高了管理水平。该系统为城市污水处理全自动化设计 提供了极好的物质参考

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参考文献
[1] 王力强.组态软件在给水管网运行管理中的应用[M].上海:同济大学论 文,2003. [2] 王业民.工业组态软件使用技术[M].北京:清华大学出版社,2005. [3] 周小明.组态软件设计与开发[M].西安:电子科技大学出版社,2006. [4] 马国华.监控组态软件及其应用[M].北京:清华大学出版社,2001. [5] 金以湖.过程控制[M].北京: 清华大学出版社,2003.

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