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基于工业以太网的污水厂计算机控制系统研发
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  • 论文编号:el2021081908344422760
  • 日期:2021-09-08
  • 来源:上海论文网
本文是计算机论文,该控制系统设计合理,可以提高污水处理的工作效率,降低作业人员的劳动强度,在污水处理中取得了很好的效果。本文完成的工作主要包括以下几点:(1)根据污水处理厂实际需求和污水处理工艺流程特点,逐一介绍分析各个工艺过程的功能和控制需求;(2)根据统计到的现场控制变量点数,选用工业以太网PROFINET和PROFIBUS-DP总线相结合的网络架构方式,构成主从式控制系统;(3)进行控制系统的硬件功能设计,包括硬件部分的总体框架设计,进行了上位机工控机和显示器的选型,PLC控制器选型以及各类传感器的选型;(4)根据PH值具有非线性、迟滞后的特点,设计串级控制策略。基于中和反应机理和加药控制研究,对传统PID控制方式进行改进,控制结果达到了实际生产要求;(5)利用WinCC软件进行上位机界面开发,利用STEP7编程环境完成西门子S7-300PLC的硬件组态和程序设计,利用WinCCFlexible2008软件实现HMI应用开发。本文设计的自动控制系统具有以下几个优点:1)将自动控制系统与实际的污水处理过程充分结合,实现对污水处理过程中水质酸碱度的精准控制,提高污水处理厂的污水处理质量。2)通过选用不同通讯手段进行不同控制层之间的连接,实现控制系统上下层之间的实时数据传输,提高通讯功能方面的可靠性。由于系统能够保存历史记录,因此方便工作人员对监控系统的进行定期的维护。3)控制系统采用“集中管理、分散控制”的主从式监控方式,能够大大降低污水处理自动控制系统的故障风险,提高系统可靠性。4)选用以西门子S7-300PLC为核心控制器,同时实现系统内部不同功能配置的模块化,从而满足灵活的现场实际需求。

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第一章绪论

 

污水处理研究是目前解决水资源减少的重要手段,未来针对污水处理自动控制系统的研究会越来越多。由于传统污水处理系统存在可靠性低、故障频发、处理效率低等缺点,因此很难达到目前环保部门对于污水处理的现实需求。本文依据某污水处理厂的实际控制需求,使用德国西门子公司生产的S7-300PLC作为核心控制器,使用研华工业控制计算机作为控制系统上位机,使用西门子公司的WinCC组态软件进行上位机监控界面设计。设计的控制系统能够满足污水处理过程的基本控制要求,实现对污水处理系统工艺运行状况的监控。而且还能实现中央监控室与现场设备之间的远程通讯,根据用户的不同需求对现场采集到的实时监控数据和设备运行状况信息进行数据存储。污水监控系统在设计中将下位机控制器跟污水处理设备通过PROFINET方式相连,不仅可以控制执行器设备的动作,还可以将现场传感器采集到的数据信息反馈给上位机监控系统使用。PROFINET协议是德国西门子公司在2001年时为实现工业控制需求发布的一款通信协议,该协议通过将原来的互联网技术与MODBUS技术结合,形成PROFINET网络实现方案。它基于组件对象模型建立分布式自动化控制系统,规定标准以太网和PROFINET现场总线之间透明、开放的通信方式,提供包括设备层和系统层在内的系统模型。工业以太网经常会被应用在单元级和管理级的网络通信领域,选用工业以太网作为污水处理控制系统的通信架构能够满足污水处理控制对于数据通讯的要求。考虑到工业以太网技术具有通信速率高、价格低廉、软硬件产品丰富、稳定可靠、应用广泛和技术支持成熟等优点,因此选用工业以太网作为污水处理的通信方式非常合适。
计算机论文格式
阜平县城南污水处理厂

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第二章污水处理工艺流程及设计方案

 

2.1研究背景及控制要求
近年随着我国城市现代化的迅速发展和城市人口规模的不断扩大,现在已经产生了严峻的污水处理环境问题。本文以富平县城南污水处理厂实际工程项目为研究背景,分析污水处理各个环节的工艺过程。以污水厂酸碱中和反应这一关键工艺过程为研究重点,将串级PID控制算法应用其中,实现对PH值的准确控制。富平县城南污水处理厂如图2-1所示:本文针对污水处理监控系统提出自动化设计方案,根据现场实际需求,结合污水处理工艺流程和实际控制参数要求,重点研究以下几个问题:1)介绍污水处理的工艺流程,分析各个工艺环节的实际控制需求,提出污水处理控制系统的总体实现方案;2)对污水处理控制系统所使用到的各类硬件设备进行选型。包括使用到的各个传感器、不同控制器模块型号以及上位机硬件设备的选型;3)建立上位机与控制器、控制器与分布式I/O设备之间的网络架构。本设计采用主从式网络架构实现数据传输,并且介绍了系统硬件部分的电气接线图;4)将中和调节过程作为控制系统的重点研究对象,制定合理可行的控制策略对水质酸碱度进行行之有效的控制方案;5)根据污水处理过程的特点及控制功能要求,进行上位机监控界面的开发,下位机PLC程序设计以及触摸屏界面的开发。控制系统设计采用西门子公司生产的S7-300PLC作为控制器,软件设计选用STEP-7V5.5作为开发环境,上位机监控功能使用WinCC组态软件进行人机界面的开发,实现对现场设备运行状态的监控,以及中和反应池中各类数据的采集、显示、参数设置和数据存储等。在进行好氧型生物分解的过程中需要不断用鼓风机为好氧池中曝气以增加池水的氧含量,水体中的氧含量可以利用溶解氧传感器实现在线数据监测,经过生物分解过程,可以除去污水中可溶性有机物、悬浮物以及细小的颗粒杂质。

 

2.2污水处理工艺流程
污水处理工艺流程遵循“先易后难”的处理原则。即开始时先使用物理方法除去大块杂物,然后再除去水中悬浮物,最后除掉各类胶体和溶解物。这样的工艺流程决定了污水处理的过程首先要进行物理处理,然后进行化学处理,最后进行生物处理。富平县城南污水处理厂的主要设备包括:进水泵、粗格栅、细格栅、清污机、除沙池、提升泵、厌氧池、好氧池、二次沉淀池、中和调节池、絮凝沉淀池、污泥脱水池、活性炭滤池、氯化曝气装置、出水提升泵、鼓风机房及变配电室等十几个部分。其工艺示意图如图2-2所示:在细格栅间里面设置清污机和孔隙较小的金属格网,该金属格网可以对流入细格栅中的小粒杂质实现进一步的过滤清除,同时清污机会及时地把细格栅截留下来的固体污物清除出去,该工艺过程主要是通过物理过滤的方法实现对池水中杂质进行清除。污水继续流入初沉沙池中实现悬浮物的进一步沉淀分离。随后污水在厌氧池和好氧池中对溶解的有机物和少量悬浮物实现生物分解过程,分别依次进行厌氧型微生物分解和好氧型微生物分解。经过初步处理后的污水进入絮凝沉淀池,在絮凝沉淀池中加相应的化学试剂发生絮凝沉淀反应,随后污水进入中和反应池。在中和反应池中使用PH值变送器检测污水的酸碱度,然后将检测的结果反馈给PLC控制器,PLC控制器通过PID算法输出相应的模拟控制量对加药电磁阀的开度进行控制,实现对中和池中PH值的调节。随后污水继续流入二沉池,然后再使用刮泥机将二沉池底部的沉积泥除掉,再利用回流泵将浊液泵送到细格栅池实现污水循环。最后使用活性炭对即将流出的清水进行物理吸附,经氯化处理后,通过提升泵排出,至此污水处理完成。
计算机论文范文
污水处理工艺示意图

 

第三章污水处理控制系统硬件设计.......................................................................................13
3.1控制系统硬件架构.................................................................13
3.2控制系统硬件选型.................................................14
第四章污水处理系统PH值控制策略....................................................25
4.1中和调节池PH值控制要求............................................25
4.2PID控制......................................................25
第五章污水处理控制系统软件设计.................................................36
5.1上位机监控界面开发....................................................36
5.2PLC程序设计.................................................................42
5.3触摸屏的应用.......................................................47
5.4本章小结..............................................................................50

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第五章污水处理控制系统软件设计

 

5.1上位机监控界面开发
控制系统的PID控制过程通过存储在计算机存储器或者寄存器中的PID算法来实现。由于控制系统通常要经过数据采样的过程,将进入到计算机的连续时间信号依据香农采样定理的数据量化后转变为数字量,这样才能将过程数据存储在计算机的寄存器或者存储器里。因此计算机控制系统中的一切数据运算和处理,不论是比例运算、积分运算还是微分运算,都必须利用数值计算的方式进行模拟量的逼近,PID控制规律也必须使用数值逼近的方法,才能在数字计算机中实现。如果采样时间非常短,则可以通过求和的数学方法来近似代替积分,还可以通过使用差分替代微分的数学方法,使得PID算法的数据离散化。这样就能够实现将描述连续—时间方法的PID过程微分算法,转化为描述离散—时间PID过程的差分算法。在这里面经常使用的算法包括两种:位置式PID算法与增量式PID算法。下面分别介绍这两种控制算法:(1)位置式PID控制算法计算机控制过程中采样获得的数据中,积分项和微分项通常不能直接使用。对于变送器传来的数据通常需要进行一定的离散化处理。一般的做法是:按合理的模拟量PID采样算法的数学公式,以时刻点为代表进行一系列数据采样。然后用平均和式替代积分式,用增量式替代微分式。使用这种方法存在以下几个缺点:1)由于使用的数据为全量式输出结果,所有每一次输出结果都与过去的某一时刻相关。因此在计算的时侯通常需要对)(ek的数值进行不断地累加,这样将会使得计算机的CPU运算量大大增加;2)由于计算机输出控制量)(uk对应的数值大小是执行器在实际中的偏差位置。如果位置式传感器产生了故障,则)(uk的数值就可能大幅度变化,进一步会导致执行器的控制位置产生较大幅度的变化。

 

5.2PLC程序设计
选用西门子公司编程软件STEP7V5.5进行下位机S7-300PLC控制器的硬件组态和梯形图程序编写。污水处理工艺过程是按照一定的顺序逐步实现的,在污水处理各个阶段的工艺和控制需求各不相同。因此需要根据不同阶段的控制需求,将各个污水处理工艺用多个控制功能块进行编程实现。下位机程序由一个主程序和多个子程序构成。该程序包括主程序、模拟量数据转换程序、各个控制子程序及控制量数据的输出程序等。STEP7软件的编程规则是在主程序OB的控制下进行用户程序的编写,然后将需要的数据放置在不同的逻辑块中去。S7-300PLC控制器使用循环模式对执行程序进行不断扫描,在程序编程设计时将所用到的逻辑块都存放在OB块里进行循环。OB块里面放置用于循环处理的主程序,使用它来依次调用其它逻辑块,如FB逻辑块、FC逻辑块、SFB逻辑块和SFC逻辑块。首先搭建基于S7-300PLC的主站和ET200M从站,为了能够体现数据信息的实时性,项目选用PROFINET总线实现对连接设备数据实时访问。硬件组态实现的功能包括以下几个方面:1)系统组态。系统组态是在硬件目录中对各个模块分配相应的机架插槽。在遇到多机架系统时,使用接口模块进行多机架的连接,对于网络控制的系统还需要生成网络连接的站点。2)CPU参数设置。需对CPU模块的启动特性和扫描监视时间等属性进行设置。3)各个模块参数设置。需要对各个模块的可调参数进行设置,在组态参数下载之后CPU会设置信息进行自动保存。在之后启动PLC时,CPU模块会将设置参数自动的传送到各个模块。硬件组态图如图5-11所示:本章对系统进行软件部分的设计,介绍了软件总体架构,包括上位组态监控软件、下位机编程软件和现场触摸屏组态软件。

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第六章结论

 

本文的创新点在于:(1)从污水处理厂的实际工艺出发,针对污水控制中水质酸碱度这一重点参数进行研究分析,运用数学和化学模型对污水酸碱度进行理论研究。根据其强滞后性特点,分析讨论了不同PID控制模型的优缺点,最终选取串级PID的控制方式;(2)根据串级PID控制方式,实现STEP-7程序的编程,完成上位机监控软件和触摸屏监控部分的软件开发,基本完成了污水处理控制系统的功能。本设计方案总体上是成功的,控制系统架构设计和仪表选型合理,网络通信稳定可靠,监控界面安全实用。生产效率得到了提高,可以为社会节约大量费用,为保护环境发挥一定的作用。随着对控制参数精度的要求不断提高,控制策略和仪器仪表需要不断改进。该污水处理厂设计的自动控制系统自动化程度高,但由于时间仓促,本文还需要进一步研究其它问题:(1)编程软件只进行了主程序和中和调节工艺的设计,今后应考虑对全部的工艺过程进行程序设计,增加功能设置,进一步美化界面;(2)本文针对的是PH酸碱中和过程进行设计,由于每套水处理工艺各有不同,同时由于不同阀门的结构类型不同,所以该控制系统的推广有待现场实际的不断调试。总而言之,由工业以太网组成生活污水处理监控系统操作简单、容易维护,将来有很好的实际应用前景。通过该系统的设计,使得我对把自动化知识应用到生产实践的能力是一次极大的锻炼,对我将来从事的科研工作很有帮助。
参考文献(略)