上位机组态软件WINCC在污水处理系统中的应用.doc

编号本科生毕业设计（论文）题目： 污水处理系统WinCC组态软件应用 物联网工程 学院 自动化专业学 号 学生姓名 李 如 指导教师 马久祥 讲师 二一二年六月摘 要在社会经济快速增长的同时，一些地方的水质已经遭到工业和城市生活污水的污染，从而加剧了水资源的短缺，严重制约社会经济的可持续发展。中国污水处理自控系统相对落后，污水处理成本居高不下，污水厂排放的处理过的污水的水质不稳定，污水处理系统中的曝气过程控制、数据通讯和监控管理是急需解决的主要问题。随着计算机技术、自动化技术和网络通讯技术的发展，先进的污水处理监控系统涌现出来，但大部分系统只是简单的实现一些工艺参数监测，而不能实现在线监控。本文详细描述了污水处理过程监控系统的实现，利用WINCC组态软件虚拟仪器开发人机界面，用户可以在监控室对整个污水处理工艺流程进行直观的监控；现场的流量计、液位计和PH仪负责采集集水井、调节池和MUASB池的流量、液位和PH值，通过PROFIBUS-DP总线和RS-485总线实现工控机与智能仪表的通信连接，把采集到的数据送往智能仪表与PLC，同时各水池的水泵或电机将各自工作状态上传至下位机PLC；WINCC使用CP5611 通讯卡通过PROFIBUS与西门子S7-300 PLC连接。通过WINCC界面，用户可以使污水处理厂的操作实现简单易行、直观清晰。关键词：污水处理； WINCC；界面；PLC；AbstractIn the rapid economic growth, a number of local water quality has been polluted by industrial and urban sewage pollution, adding to the shortage of water resources, severely restricts the sustainable development of social economy. Sewage treatment automatic control system in China is relatively backward, sewage treatment cost remains high, the discharge of wastewater treatment plant with sewage water quality is not stable, sewage treatment system of aeration process control, data communication and monitoring management is the main problems needed to resolve. Along with the computer technology, automation technology and network communication technology development, advanced sewage treatment monitoring system emerged, but most of the system is simply implementing some process parameters of monitoring, and can't realize the online monitoring. This paper describes the detailed online and remote monitoring of sewage treatment control system is realized, using WINCC virtual instrument development platform established man-machine interface, users could monitor the sewage treatment in monitoring room. The scene of the flowmeter, level gauge and PH instrument is responsible for collecting set well, regulation ponds and MUASB pool of flow, liquid level and PH value, and intelligent instrument communication connection via PROFIBUS-DP bus and RS-485 bus, the collected data sent to the smart meterand PLC, pool pump or motor state each work uploaded to the lower position machine PLC; of WINCC CP5611 communication card via PROFIBUS with Siemens S7-300 PLC connection. Through the the WINCC interface, the user can make the operation of the sewage treatment plant to achieve simple, intuitive and clear.Key word: sewage treatment; WINCC; interface;PLC; 目 录第1章 绪论11.1污水处理系统研究背景11.2国内外污水处理系统研究概况21.3课题内容介绍及可行性分析3第2章 工业污水处理介绍与设备控制要求42.1 工业污水处理基本概念42.2 常用的工业污水处理工艺42.3 现代工业污水处理的功能要求72.4对污水处理系统现场控制设备的要求72.5污水处理系统的介绍92.6 本章小结10第3章 WINCC的体系结构123.1 WINCC的体系结构的作用123.2 WINCC的组态变量及通讯123.2.1 WINCC的变量管理器123.2.2 WINCC的通信原理143.3 WINCC的消息系统153.4 WINCC的报表系统153.5 本章小结17第4章 污水处理系统中WINCC的应用194.1 组态软件WINCC的介绍194.2 污水处理系统中WINCC的作用194.3 污水处理系统中WINCC界面的设计204.3.1 工艺流程界面204.3.2 设备控制界面254.3.3 参数设置显示界面274.3.4 实时曲线以及历史曲线显示界面314.4 本章小结34第5章 结束语345.1 结论345.2 不足之处355.2 展望未来35参考文献36致谢38附录A：40第1章 绪论1.1污水处理系统研究背景我国淡水资源不断减少，而且污染现象较为严重。随着城市规模的不断扩大和人口的增加，水环境污染成了一大难题。城市生活污水是目前江河湖泊水域污染的重要原因，是制约许多城市可持续发展的主要原因之一。目前全国城市废水的处理率(达排放标准的)仅有10%左右，其余90%的污废水都直接排入河川、湖泊、海洋。耗水量高、重复利用率低、污染严重是我国生活用水系统水资源利用的突出问题。气象学家预测，2100 年全球变暖加剧，地表将有1/3 的面积变为沙漠，那时，干旱将威胁全球一半的大陆人类的生存。这些现象都是水污染产生的严重后果，因此污水处理项目的实施已经刻不容缓1。我国污水处理相对于发达国家起步较晚，普遍存在效率低、能耗高、自动化程度低等问题。水处理过程设备种类多、操作步骤繁琐、工艺复杂多样，所以，实现污水处理系统的自动控制是很有必要的，它是保证处理水质、提高水厂工作效率不可缺少的环节。因此，设计满足污水处理工艺要求的、具有集中和远程监控功能、使控制和管理一体化的综合控制系统具有重要意义2。我国现有城市污水处理厂80以上采用的是活性污泥法，其余采用一级处理、强化一级处理、稳定塘法及土地处理法等“七五”、“八五”、“九五”国家科技攻关课题的建立与完成，使我国在污水处理新技术、污水再生利用新技术、污泥处理新技术等方面都取得了可喜的科研成果，某些研究成果达到国际先进水平。同时，借助于外贷城市污水处理工程项目的建设，国外许多新技术、新工艺、新设备被引进到我国，AB法、氧化沟法、A/O工艺、A/A/O工艺、SBR法在我国城市污水处理厂中均得到应用。污水处理工艺技术由过去只注重去除有机物发展为具有除磷脱氮功能。国外一些先进、高效的污水处理专用设备也进入了我国污水处理行业市场，如格栅机、潜水泵、除砂装置、刮泥机、曝气器、鼓风机、污泥泵、脱水机、沼气发电机、沼气锅炉、污泥消化搅拌系统等大型设备与装置。 我国80年代以前建设的城市污水处理厂大部分采用普通曝气法活性污泥处理工艺，由于该工艺主要以去除BOD和SS为主要目标，对氮磷的去除率非常低。为了适应水环境及排放要求，一些污水处理厂正在进行改造，增加或强化脱氮和除磷功能。AB法污水处理工艺于80年代初开始在我国应用于工程实践。由于其具有抗冲击负荷能力强、对pH值变化和有毒物质具有明显缓冲作用的特点，故主要应用于污水浓度高、水质水量变化较大，特别是工业污水所占比例较高的城市污水处理厂。目前氧化沟工艺是我国采用较多的污水处理工艺技术之一。应用较多的有奥贝尔氧化沟工艺，由我国自行设计、全套设备国产化，已有成功实例。DE型氧化沟和三沟式氧化沟在中高浓度的中小型城市污水处理中也有应用3。随着现代控制理论的发展，现场总线技术、网络通讯技术等高新技术也被不断地引进到污水处理自动领域当中，使一些新建的污水处理厂实现了集散控制、远程监控等功能，逐渐减少操作人员对系统的影响，把水处理单元的控制参数编进程序中，实现完全自动控制，降低对操作人员知识和经验的依赖。现阶段，我国污水处理厂的建设重心逐渐由大城市向中小城市转移，呈现单体小型化、区域分散化的发展趋势。在这种情况下，先前的一些处理技术反而找到了得以充分发挥作用的空间。比如氧化沟技术，就是在国外大规模的污水处理厂建成以后，逐渐开发的适合于中小型污水处理厂的处理技术。对于大型的污水处理厂，由于设备台套数不可能无限制地增加，氧化沟处理法存在一定的局限性。反而很多小型污水处理厂，处理量不是很大，设备台套数也不需要很多，通过变频调节，可以在一定范围内满足处理需求，其运营管理的难度也相对较低，因此采用这类处理方法就是合理的。此外，考虑到小型污水厂很难为污泥处理建设一套单独的设施，氧化沟还能与污泥处理结合起来，长泥龄的氧化沟可以使污泥基本稳定，为后续处理处置带来方便，节约建设和运营成本。工控领域面向污水处理的仪器仪表的不断推出，也为污水处理行业的发展增加了一定的推动力。比如防腐蚀传感器探头的研制、在线COD仪的推出、高精度溶氧仪的应用等，都为污水处理的数据采集提供了极大地便利性4。我国污水处理相对于发达国家起步较晚，普遍存在效率低、能耗高、自动化程度低等问题。水处理过程设备种类多、操作步骤繁琐、工艺复杂多样，所以，实现污水处理系统的自动控制是很有必要的，它是保证处理水质、提高水厂工作效率不可缺少的环节。因此，设计满足污水处理工艺要求的、具有集中和远程监控功能、使控制和管理一体化的综合控制系统具有重要意义。1.2国内外污水处理系统研究概况我国污水处理相对于发达国家起步较晚，普遍存在效率低、能耗高、自动化程度低等问题。水处理过程设备种类多、操作步骤繁琐、工艺复杂多样，所以，实现污水处理系统的自动控制是很有必要的，它是保证处理水质、提高水厂工作效率不可缺少的环节。因此，设计满足污水处理工艺要求的、具有集中和远程监控功能、使控制和管理一体化的综合控制系统具有重要意义。国外的一些发达国家，如美国、日本、西欧等国，由于这些国家经济发达，并较早的实现了工业现代化。这些国家经济发展较早而且较快，环境问题特别是水资源污染的严重性也较早的体现出来，同时也得到了这些国家政府的重视，投入了大量的人力、物力，进行水处理的研究。这些国家在研究污水处理新理论和工艺的同时，也重视污水处理自控系统的研究。这些国家先后投资研究高效型、智能型、集约型污水处理设备和自动化控制仪表。一些发达国家经过十几年的努力，污水处理率几经达到了80%90%，成功地解决了来自于城市和工业的点源污染问题。同时一些国家开始重视污水的回用，如以色列的污水回用率达到了90%5。与国外相比，我国污水处理自动化控制起步较晚，七十年代开始采用热工仪表，实行集中巡检；八十年代应用分析仪表和DCS系统；至九十年代，随着一大批利用国际贷款的大型污水处理厂的建设投产，我国污水处理控制系统的自动化水平有了很大的提高。从国外引进污水厂的自动控制系统已经广泛采用集散式计算机监控系统，应用了自动化程度较高的检测仪表，各种新工艺，新设备大量出现并得到应用。目前工业污水处理由于布局分散，监测系统昂贵，经常处于无监督状态，使污水处理效果不理想，各项指标不能达到要求。即使使用了昂贵的监测系统，仅限于传统的有线，本地监控，需要专业人员时刻守候在现场，非常不科学。另外，有关部门的远程监测不方便，需要到现场勘查监督，管理困难。国内的污水处理过程的自动化水平仍相当落后，大多数只停留在数据采集，对于现场处理工艺过程大多数局限于本地监测。许多污水处理自动控制系统大部分只有简单的开关量控制，达不到控制专业集成化、智能化、全过程化的控制程度。运行效率低，能耗大，费用高。1.3课题内容介绍及可行性分析本文主要是介绍在污水处理系统中组态软件WINCC的应用。WINCC能和所有主要厂商的PLC进行通讯，如：AB、GE、Omron等。如果与西门子的PLC系列及STEP 7软件合用，将大幅降低工程时间，因为STEP 7中定义的变量可以在WINCC中直接使用。本文详细描述了WINCC在污水处理系统中的应用，利用WINCC虚拟仪器开发平台建立人机界面，用户可以在监控室对整个污水处理工艺流程进行直观的监控。通过使用CP5611 通讯卡通过PROFIBUS连接西门子S7-300 PLC。组态软件WINCC在污水处理系统中的运用实现了真正意义上的监控管一体化，提升了水处理厂的自动化水平和故障实时处理能力。所需要的技术已经在许多地方得到实际运用并且在许多地方可以检索到相关资料，而且WINCC在以下几个方面具有其他组态软件无法比拟的优点。1.WINCC V6.0采用标准的Microsoft SQL Server 2000数据库进行生产数据的归档，同时具有Web浏览器的功能，管理人员在办公室就可以看到生产流程的动态画面，从而更好地调度指挥生产 6 。2.WINCC与PLC通信：作为SIMATIC全集成自动化系统的重要组成部分，WINCC确保与S7和505系列的PLC连接的方便和通信的高效；WINCC与STEP 7编程软件的紧密结合缩短了项目开发的周期。此外，WINCC还有对SIMATIC PLC进行系统诊断的选项，给硬件维护提供了方便。 3. 人机界面设计：在上位机操作界面中分为工艺流程、设备控制、实时趋势、历史数据及曲线、故障报警和报表输出等部分，用户可在监控室了解当前设备运行状态，现场传感器采集的数据如液位、温度、PH及溶氧等数据在此界面实时显示。 目前许多相关数据表明，水资源的短缺无疑将成为制约经济持续协调发展的瓶颈，因此世界各国越来越重视水处理和水的再利用，通过各种技术进一步提高供水质量，提高经济效益。并且工业污水处理过程中，经过厌氧和好氧处理，污水中的热量、沼气等再生能源可以为工业生产提供二次能源，真正实现变废为宝、循环经济的目的。由此可见，污水处理的监控系统应用前景是非常巨大的。第2章 工业污水处理介绍与设备控制要求2.1 工业污水处理基本概念城市污水、生活污水、生产污水或经过工业企业局部处理后的生产污水，往往都排入排水系统。这些污水除含有碳水化合物、蛋白质、氨基酸、动植物脂肪、尿素、氨、肥皂和合成洗涤剂等物质外，还含有细菌、病毒等使人致病的微生物。经处理后的污水，最后出路有三种：1.排放水体；2.灌溉田地；3.重复使用。污水污染物可根据化学性质和物理形态进行不同的分类。按化学性质，污水中的污染物质可分为无机性物质和有机性物质，其化学元素以炭、氮、磷为主。按物理形态，污水中的污染物质可分为固体悬浮物即呈颗粒状的污染物质、胶体污染物质和溶解性污染物质。好氧有机污染物的性质稳定，在微生物的作用下，借助微生物的新陈代谢功能而降解为无机物，如二氧化碳、水、硝酸根离子等稳定的无机物。有机物的种类很多，其共性是在微生物的作用下被降解时，都要消耗水中的溶解氧，所以在工程实际中，采用以下的几个综合污染指标来表述：生物化学需氧量或生化需氧量（Bio-chemical Oxygen Demand, BOD）mg/L、化学需氧量(Chemical Oxygen Demand, COD) mg/L、总有机碳(Total Organic Carbon) mg/L、总需氧量(Total Oxygen Demand) mg/L7。虽然BOD20能较精确地描述污水的生化需氧量，但其测定的时间太长，需20天。考虑到好氧分解速率一般在开始的几天最快，在20温度下，污水五日生化需氧量(BOD5)，约占BOD20的70%80%，因此把BOD5作为衡量污染水的有机物浓度指标。化学需氧量(COD)的特点是能够精确的表示污水中有机物的含量，并且测定时间短，但它不能像BOD那样表示出微生物氧化的有机物量。2.2 常用的工业污水处理工艺不同的工业污水处理环境，将需要有不同的工业污水处理工艺来处理。因此，在选择工业污水处理工艺的时候必需要认真考虑当地污水的情况，以及实际的工业污水处理的环境。工业污水处理的方法主要有物理、化学、物理化学，以及生物等几种。这些方法根据实际情况，可以单一使用，也可以针对不同的污水混合使用。目前，工业污水处理的方法一般以生物处理法为主，辅以物理处理法和化学处理法。常用的工业污水处理工艺有以下几种。（1） 传统活性污泥工艺传统活性污泥处理法是一种最古老的工业污水处理工艺，其工业污水处理的关键组成部分为沼气池与沉淀池，主要处理部分关系框图如图2-1所示。沼气池沉淀池图2-1传统活性污泥法工艺流程图污水中的有机物在曝气池停留的过程中，曝气池中的微生物吸附污水中的大部分有机物，并且在曝气池中被氧化成无机物，然后在沉淀池中经过沉淀后的部分活性泥需要回流到曝气池中。该工艺的优点有：有机物去除率高，污泥负荷高，池的容积小，耗电省，运行成本低。该工艺的缺点有：普通曝气池占地多，建设投资大，满足国家标准相关指标范围小、易产生污泥膨胀现象，磷和氮的去除率低。（2）A/O工艺A/O法是在传统活性污泥法的基础上发展起来的一种工业污水处理工艺，其中A代表Anoxic（缺氧的），O代表Oxic（好氧的）。A/O法是一种缺氧-好氧生物工业污水处理工艺。该工艺通过增加好氧池与缺氧池所形成的硝化-反硝化反应系统，很好的处理了污水中的氮含量，具有明显的脱氮效果。但是此硝化-反硝化反应系统需要得到很好的控制，这样就对该工艺提出了更高的管理要求，这也成为了该工艺的一大缺点。其工艺流程图如下：图2-2 A/O法工艺流程图（3）A2/O工艺A2/O法也是在传统活性污泥法的基础上发展起来的一种工业污水处理工艺，其中A2，即A-A，前一个A代表Anaerobic（厌氧的），后一个A代表Anoxic（缺氧的）；O代表（好氧的）。A2/O是一种厌氧缺氧好氧工业污水处理工艺。A2O法的除磷脱氮效果非常好，非常适合用于对除磷脱氮有要求的工业污水处理。因此，在对除磷脱氮有特别要求的城市工业污水处理厂，一般首选A2/O工艺。其工艺流程图如图2.3所示。图2-3 A2/O法工艺流程图（4）A/B工艺A/B法是吸附生物降解法的简称，该工艺没有初沉淀，将曝气池分为高低负荷两段，并分别有独立的沉淀和污泥回流系统。高负荷段停留时间约为2040min，以生物絮凝吸附作用为主，同时发生不完全氧化反应，去除BOD达50%以上。B段与常规活性污泥法相识，负荷较低。AB法中A段效率很高，并有较强的缓冲能力。B段起到出水把关作用，处理稳定性较好。对于高浓度的工业污水处理，AB法具有很好的适用性，并有较高的节能效益。尤其在采用污泥消化和沼气利用工艺时，优势最为明显。但是，AB法污泥产量较大，A段污泥有机物含量极高，因此必须添加污泥后续稳定化处理，这样就将增加一定的投资和费用。另外，由于A段去除了较多的BOD，造成了碳源不足，难以实现脱氮工艺的要求。对于污水浓度低 的场合，B段也比较困难，也难以发挥优势。总体而言，AB法工艺较适合于污水浓度高，具有污泥消化等后续处理设施的大中规模的城市工业污水处理厂，且有明显的节能效果，而对于有脱氮要求的城市工业污水处理厂，一般不宜采用。（5） SBR工艺SBR法是歇式活性污泥法的简称，是一种按照一定的时间顺序间歇式操作的污水生物处理技术，也是一种按间歇曝气方式来运行的活性污泥工业污水处理技术，又称序批式活性污泥法。其反应机理及去除污染物的机理与传统的活性污泥法基本相同，只是运行操作方式不尽相同。SBR法与传统的水处理工艺的最大区别在于它是以时间顺序来分割流程各单元，以时间分割操作代替空间分割操作，非稳态生化反应代替生化反应，静置理想沉淀代替动态沉淀等。整个过程对于单个操作单元而言是间歇进行的，但是通过多个单元组合调度后又是连续的，在运行上实现了有序和间歇操作相结合8-10。（6）CASS工艺CASS生物处理法是周期循环活性污泥法的简称，CASS池分预反应区和主反应区。在预反应区内，微生物能通过酶的快速转移机理迅速吸附污水中大部分可溶性有机物，经历一个高负荷的基质快速积累过程，这对进水水质、水量、PH和有毒有害物质起到较好的缓冲作用，同时对丝状菌的生长起到抑制作用，可有效防止污泥膨胀；随后在主反应区经历一个较低负荷的基质降解过程。CASS工艺集反应、沉淀、排水、功能于一体，污染物的降解在时间上是一个推流过程，而微生物则处于好氧、缺氧、厌氧周期性变化之中，从而达到对污染物去除作用，同时还具有较好的脱氮、除磷功能。2.3 现代工业污水处理的功能要求工业污水处理系统的主要功能是完成对城市污水的净化的作用，将城市中排除的污水通过该系统处理后，输出符合国家标准的水质。为实现工业污水处理技术的简易、高效、低能耗的功能， 并且实现自动化的控制过程，采用PLC作为核心控制器是个较好的方案。 PLC作为工业污水处理系统的控制系统使得设计过程变得更加简单，可实现的功能变得更多。与基于WINCC组态软件的人机界面的通信可完成PLC控制系统的监控，同时使用户可通过操作界面功能控制PLC系统。由于WINCC与PLC之间的通讯十分便捷，使得工业污水处理系统的数据传输与通信变得可能，并且也可实现其远程监控11。 利用PLC作为控制器的工业污水处理系统主要涉及两个方面：一是信号输入；二是控制输出信号。1. 输入信号：工业污水处理系统信号输入检测方面主要涉及四类信号的监测，主要包括：按钮的输入检测、液位差的输入检测、液位高低的输入检测，以及曝气池中含氧量的输入检测。（1）按钮输入检测。大多数为人工方式控制的输入检测，主要有自动按钮、手动按钮、格栅机启动按钮、清污机启动按钮、潜水泵启动按钮、潜水搅拌机启动按钮、污泥回流泵按钮、曝气机工频、变频按钮，以及变频加速减速按钮等。（2）液位差输入检测。检测粗细格栅两侧液位差，用来控制清污机的启动与停止。（3）液位高低输入检测。检测进水泵房和污泥回流泵房中液位的高低，用来控制潜水泵或污泥回流泵的启动和停止，以及投入运行的潜水泵的数量。（4）含氧量输入检测。曝气过程是工业污水处理系统中最重要的环节，为了保证微生物所需要的氧气，必须检测污水中的含氧量，并通过曝气机增加或减少其含氧量。通过将溶解氧仪设置在适当位置上，将检测值反馈到PLC中，通过运算输出控制曝气机的转速信号。当溶解氧值偏低时，降低了微生物分解的效果，延长了处理时间，严重时甚至导致处理失效，因此需要增加曝气机转速以增加供氧量；当溶解氧值偏高时，导致微生物过氧化，降低了其活性，也不利于处理，因此减小曝气机转速以减少供氧量，最终使污水中的溶解氧保持在一定的范围内12。2. 输出信号：信号输出部分主要包括两个方面：一个是数字量输出，即各类设备的接触器；另外一个是模拟量输出，用来控制曝气机变频器。（1）数字量输出。控制各类设备的启动和停止，包括：格栅机启停、清污机启停、潜水泵启停、潜水搅拌器启停、污泥回流泵等设备。（2）模拟量输出通过PLC中PID运算后的数据，通过其功能模块输出控制信号，该控制信号输入到变频器的控制端子上，改变变频器的输出频率，从而控制曝气机的转速，最后达到控制污水中含氧量的要求13。2.4对污水处理系统现场控制设备的要求在实际的污水处理工艺中涉及多个处理单元，比如集水井，调节池，中间水池，曝气池，风机房，加药间，清水池和二沉池等，这些不同的处理单元有不同的控制要求，具体的控制要求如下：（1）集水井泵房与机械格栅提升泵可在HMI（人机界面）上显示集中、故障和运行状态，两台水泵受液位控制。高开低停，高液位和低液位在上位机上随时调整，液位在上位机上显示，并可在HMI上显示每台水泵或电机的工作累计时间；当水位低于保护液位时，两台泵均不允许启动；机械格栅可在HMI上和现场操作。所有数据分别以图形和表格形式存储。所有设备均可现场和上位机控制；（2）调节池提升泵可在HMI上显示集中、故障和运行状态，备用泵不受液位控制，另两台受液位控制。高开低停，高液位和低液位在HMI上随时调整，液位在HMI上显示，并可在HMI上显示每台水泵或电机的工作累计时间。当水位低于保护液位时，两台泵均不允许启动。流量计在HMI上可显示瞬时流量，并可在上位机上显示累计流量；所有数据可分别以图形和表格形式存储和输出。所有设备均可现场和PLC控制；设备如果出现故障，则蜂鸣器报警加上位显示报警信息。（3）中间水池提升泵可在HMI上显示集中、故障和运行状态，不受液位控制。液位在HMI上显示，并可在HMI上显示每台水泵或电机的工作累计时间。液位在HMI正确显示；当水位低于保护液位时，两台泵均不允许启动；所有数据可分别以图形和表格形式存储和输出，所有设备均可现场和PLC控制；（4）曝气池曝气机可在HMI上显示集中、故障和运行状态，可在现场和HMI上控制。刮泥机可在HMI上显示集中、故障或运行状态，可在现场和HMI上控制。（5）风机房用变频器来控制两台罗茨鼓风机的转速，每次只能有一台风机运行；在HMI上显示每台风机的运行状态；在HMI上显示变频器的运行，故障状态；可在HMI上显示每台风机的工作累计时间。所有数据可分别以图形和表格形式存储和输出，所有设备均可现场和PLC控制；（6）加药间污泥回流泵可远程和现场控制，并在HMI上显示其运行或故障或暂停状态；PAC加药泵可远程和现场启停，并在PLC上显示其集中，运行或故障状态；PAC溶解装置可远程和现场启停，并在PLC上显示其集中，运行或故障状态；加药装置根据浮球开关判断有无药剂；当低于低液位，即无药剂时，自动关闭加药泵；所有设备均可现场和PLC控制；（7）清水池清水泵可在现场和HMI控制，可在HMI上显示其集中，运行或故障状态；当低位浮球有效时，两台反冲泵均不能运行；（8）二沉池刮泥机可远程和现场控制，并在HMI上显示其集中，运行或故障状态；（9）控制阀所有的电磁阀均可在现场和HMI控制，并在HMI上显示其集中，运行状态；每个电磁阀要在HMI上显示关到位和开到位两个状态14。2.5污水处理系统的介绍在污水处理工艺流程中，污水由进水系统通过粗格栅和清污机进行初步排除大块杂质物体，到达除砂池中。在该氧化沟系统中进行生化处理，分解污水中的有害物质，此环节用到一些化学药剂来加强处理效果，如复合碱、氯气、油絮凝剂等。对污水进行除油、消毒、调整PH值。同时在该系统中设置有溶解氧仪超声波检测器，通过它对污水中的含氧量进行检测，根据其反馈到PLC的值来控制曝气机变频器的运行，改变污水中溶解氧的含量。潜水搅拌机的作用是推进水流，使氧化沟的污水和活性污泥处于剧烈搅拌充分混合接触，使生化反应更加充分，以最大程度地分解污水中的有害成分。经处理的污水进入沉淀池中，在刮泥机的作用下进行物理沉淀，为了加强沉淀效果，同时加入混凝剂和絮凝剂利用高分子助凝剂的强烈吸附架桥作用更加容易沉降。污水经沉淀池处理最后到达脱水环节，离心式脱水机作用下进行脱水处理后排出清水。污水处理系统基于组态软件WINCC开发平台，连接下位机PLC进行数据通讯，实现数据采集、设备控制、实时曲线显示、历史记录、故障报警等功能，可以在工业现场监控室对整个工艺流程进行实时监控。根据污水处理工艺控制要求，系统控制分为三级，包括现场控制级、中间PLC控制、控制室集中控制级。现场集水井、调节池、事故池等单元安装传感器采集相关参数，传感器采集的数据和各种设备状态参数经过PLC和485总线传送到上位机，上位机和PLC内部程序对采集的数据进行分析处理，发出控制指令至提升泵、搅拌机、鼓风机、加药泵等执行部件，实现对各单元的集中控制15。污水处理系统上位机选用工业控制计算机，基于WINCC组态软件开发环境对污水处理现场工艺和数据信息进行实时显示和对控制系统模式的选择。污水处理系统下位机监控端包括：PLC控制器、数据处理模块、传感器机构和执行机构。其中，传感器机构与数据处理模块相连传输传感器机构采集的现场数据信息，PLC控制器与数据处理模块相连对现场数据信息进行处理，数据处理模块与执行机构相连传输控制信息和处理后的数据信息。系统结构框图如图2-4所示。图2-4 系统结构框图数据库服务器采用关系数据库与内存数据库相结合的方式，对污水处理过程的数据信息进行存储与查询，同时对远程客户端控制指令进行存储与查询。污水处理系统包括现场手动控制系统、上位机手动控制系统和全过程自动控制系统。其中，现场手动控制系统的级别最高，避免因上位机监控端故障而引起的误操作，确保了工艺的可靠性能。控制系统对污水处理工艺参数采用智能算法实现闭环控制，智能化程度高。污水处理系统把组态软件WINCC、PROFIBUS-DP通讯和西门子PLC等技术应用到污水处理过程之中，使污水处理系统实现了真正意义上的自动控制、智能一体化，提升了污水处理厂的自动化水平和故障实时处理能力。能够使污水处理厂真正的实现自动控制、远程监控、智能化。2.6 本章小结在了解了污水处理工艺流程后我设计出了由上下位机构成的污水处理监控系统。下位机由各水池传感器机构，执行器机构以及西门子PLC构成，下位机对现场所有设备进行数据采集，包括流量、液位和PH值等模拟量，各类水泵和电机的启停状态、运行状态和故障状态等数字量。下位机将这些数据通过PROFIBUS-DP总线上传到上位机，再由上位机通过基于WINCC组态软件建设的人机界面直观的了解污水处理工艺现场情况，并且上位机可选择手动或自动控制这些设备16。当选择手动控制时，工作人员需要在上位机设置相关数据对下位机进行操作；当选择自动控制时，上位机向下位机传达自动控制的指令，下位机的PLC控制器对数据进行处理，做出相应操作。第3章 WINCC的体系结构3.1 WINCC的体系结构的作用WINCC的体系结构主要就是介绍WINCC系统控制器中各个模块的功能。为WINCC组态软件的设计提供了框架并且可以逐个介绍它们的基本功能。WINCC体系结构中有图形、全局脚本、报警记录、变量记录、报表设计器、选项等各种功能。体系结构如下图3-1所示。图3-1 WINCC体系结构3.2 WINCC的组态变量及通讯WINCC工程项目与自动化控制系统的通讯及数据交换式通过组态项目中的变量管理器来实现的。WINCC与自动化控制系统间的通讯是通过通讯驱动程序来实现的，而WINCC项目与控制系统的数据交换是通过过程变量来完成的17。3.2.1 WINCC的变量管理器WINCC项目中的变量有外部变量（过程变量）、内部变量、系统变量、脚本变量。在污水处理系统中主要是用内部变量，上位机WINCC与下位机PLC的变量要设置一样。在本系统中需要创建大量的变量，所以根据主题将其分类组成变量组，便于变量的分配和检索。本系统创建的变量组如下图3-2和图3-3所示。图3-2 变量管理图3-3 污水处理系统中变量组变量记录也称为变量归档或过程值归档，主要用于获取、处理和记录工业设备的过程数据归档系统负责运行状态下变量过程值的归档。首先将过程值暂存于运行数据库，然后写到归档数据库中。污水处理系统中的变量组主要有：PH上下限变量组（PH）、酸碱液位上下限变量组（LI）、电机开关变量组（M）、曝气风机变量组（B）、开关变量组（P）等。 图3-4是变量记录的设置界面。在WinCC项目管理器的浏览窗口，双击变量管理器打开变量记录编辑器窗口。在归档中右既归档名称下的“ProcessValueArchive”选择“新建变量”，然后就可以在内部变量中选择你所需要新建的变量。如图3-4、图3-5所示。图3-4 变量记录图3-5 变量建设窗口图3-6 设置好的变量图 3-7 归档组态的属性新设的变量为时间横轴和数值纵轴，完成新设变量之后就将变量归档。左击“变量记录”窗口下的“归档组态”，会在右侧出现归档组态“TagLogging Fast”。然后右击选择属性就会弹出如图3-7的对话窗口。在这个对话窗口中可以设置归档的大小、归档的分段、归档的备份、以及归档的内容。图3-8 变量的设置1图3-9 变量的设置2在变量的设置和下位机通信时，设置变量的不同的变量所用的数据类型不同，图3-5中上半部分为开关变量，只有开和关两种结果所以用二进制变量。其它的变量根据不同的要求选择不同的数据类型。在变量记录中通过归档向导创建过程值归档步骤如下：