基于组态软件的污水处理监控系统设计—本科毕业设计论文

基于组态软件的污水处理监控系统设计
摘要：针对污水处理系统的需求，通过组态软件MCGS进行监控管理，用PLC对系统进行控制。

它的应用对整个处理过程实时监控，提高了污水处理效率。

关键词：污水处理；MCGS；PLC；监控
ABSTRACT：Demand for wastewater treatment system, monitoring and management through the configuration software MCGS, PLC control system. Its application for real-time monitoring of the process as a whole, improving the sewage treatment efficiency.
Key words：Sewage Disposal；Programmable Logic Controller；configuration software； Monitor and Control Generated System；monitoring system。

0引言
本文旨在实现污水处理的自动化与便捷化，运用西门子PLC-300，通过设计硬件的组态和软件程序的设计，实现污水处理过程的设备运行参数在线监控，实现污水处理法的流入、反应、沉淀、排放的自动化，方便对生产过程的监控。

1概述
地球虽然有70.8％的面积为水所覆盖，但淡水资源却极其有限，人类真正能够利用的是江河湖泊以及地下水中的一部分，仅占地球总水量的0.26％，而且分布不均。

20世纪50年代以后，全球人口急剧增长，工业发展迅速。

全球
水资源状况迅速恶化，“水危机”日趋严重。

一方面，人类对水资源的需求以惊人的速度扩大；另一方面，日益严重的水污染蚕食大量可供消费的水资源。

课题设计的主要内容有：
(1)介绍了污水处理的基本内容，包括污水处理的发展现状以及工业污水处理的工艺流程；
(2)对污水处理监控系统方案进行设计分析；
(3)污水处理系统的监控系统的设计；
(4)硬件通信的设计；
(5)总结与调试。

2污水处理系统总体方案设计
2.1污水处理基本工艺
SBR污水处理系统分别由污水处理池、清水池、中水水箱、电控箱以及水泵、罗茨风机、电动阀门和电磁阀等部分组成，在污水处理池、清水池、中水水箱中分别设置液位开关，用以检测水池与水箱中的水位。

图1 SBR污水处理工艺流程图
污水处理的第一阶段：当污水池中的水位处于低水位或无水状态时，电动阀会自动开起纳入污水。

当污水池纳入的污水至正常高水位时，电动阀自动关闭，污水池中污水呈微氧和厌氧状态。

污水处理的第二阶段：采用能降解大分子污染物的曝气法，可使污水脱色、除臭、平衡菌群的 pH 值并对污染物进行高效除污，即好氧处理过程。

整个好氧时间一般需要6～8h。

在曝气管路上安装了排空电磁阀，当电动阀门自动关闭后，排空电磁阀开起，罗茨风机延时空载起动，然后排空电磁阀关闭，污水池开始曝气。

当曝气处理结束后，排空电磁阀再次开起，罗茨风机空载停机，然后排空电磁阀延时关闭。

曝气风机在无负荷条件下起动和停止，能起到保护电动机和风机的作用。

经过 1.5h 的水质沉淀，PLC 下达起动 1#清水泵指令，将沉淀后的水泵入到清水池。

当清水池中的水位升至正常高水位时，1#清水泵自动停止运行。

这时2#清水泵自动起动向中水箱泵水，当水箱内达到正常高水位时， 2#清水泵自动停止运行，这时中水箱内的水全部完成处理过程。

如上所示，当中水箱内水位降至低水位时，2#清水泵又自动起动向中水箱泵水。

当污水池中的水位降至低水位时，电动阀门会自动打开继续向污水池纳入污水。

如此循环往复。

2.2监控系统的组成
系统硬件组成：监控系统是整个污水处理控制的重要环节，为保证系统的可靠运行，本系统选择性能可靠的研华工控机最为上位机，并采用山特公司的1kVA UPS（不间断电源）供电，下位机采用SIEMENS
公司S7-300系列PLC。

系统软件组成：PLC编程软件STEP7；上位机组态软件MCGS
3 MCGS污水处理监控系统
3.1 MCGS简介
MCGS(Monitor and Control Generated System)是一套基于Windows平台的，用于快速构造和生成上位机监控系统的组态软件系统，可运行于Microsoft Windows 95/98/Me/NT/2000等操作系统。

MCGS为用户提供了解决实际工程问题的完整方案和开发平台，能够完成现场数据采集、实时和历史数据处理、报警和安全机制、流程控制、动画显示、趋势曲线和报表输出以及企业监控网络等功能。

使用MCGS，用户无须具备计算机编程的知识，就可以在短时间内轻而易举地完成一个运行稳定，功能全面，维护量小并且具备专业水准的计算机监控系统的开发工作。

MCGS具有操作简便、可视性好、可维护性强、高性能、高可靠性等突出特点，已成功应用于石油化工、钢铁行业、电力系统、水处理、环境监测、机械制造、交通运输、能源原材料、农业自动化、航空航天等领域，经过各种现场的长期实际运行，系统稳定可靠。

3.2 MCGS污水处理监控界面
登录界面的设计：登录界面是进入监控画面的第一道大门，只有用户输入正确的信息才能登陆到运行画面。

登录界面主要实现验证用户是否合法的功能。

只有输入正确的用户名和密码才能进入运行画面。

如图2.
图2 登陆界面
主画面的设计：主界面显示整个污水处理厂的工艺流程，在此处并不显示各个工段的运行状态和各个模拟量实时值，只提供通往各分画面的连接，如果想了解某个工序的现场情况，可以切换到该工序分画面。

点击“用户管理”将出现菜单“用户登录”、“退出登录”、“用户配置”等，点击所想要实现的功能。

画面上还有“参数设置”、“实时数据”、“运行曲线”、“报警系统”、等菜单，点击可进入相应画面进行操作。

如图3。

图3 主控界面
上述内容介绍了上位机监控界面的设计平台，具体介绍了MCGS 组态软件相对其它组态软件的优点。

其次介绍了本课题所设计的监控界面，其中主要包括实现的方法，原则和各个界面所实现的主要功能。

通过本章，可以对本课题的监控界面在总体上有个清晰的认识，了解通常污水处理监控界面的组成。

4硬件通信设计
4.1MPI通信技术简介
MPI(Multi Point Interface)是多点接口的简称，是当通信速率要求不高，通信数据量不大时可以采用的一种简单经济的通信方式。

通过它可组成小型PLC通讯网络，实现PLC之间的少量数据交换，它不需要额外的硬件和软件就可网络化。

每个S7-300 CPU都集成了MPI 通信协议,MPI的物理层是RS-485。

通过MPI，PLC可以同时与多个设备建立通信连接，这些设备包括编程器PG或运行STEP7的计算机PC、
人机界面（HMI）及其它SIMATIC S7，M7和C7。

同时连接的通信对象的个数与CPU的型号有关。

仅用MPI接口构成的网络称为MPI分支网络或（MPI网络）。

两个或多个MPI分支网络由路由器或网间连接器连接起来，就能构成较复杂的网络结构，实现更大范围的设备互连
4.2MCGS与PLC之间的通信
通信实现的条件: 要想实现 plc 的通讯编程，首先所选的 plc 必须有强大的通讯能力，就是说 plc 的操作系统能够支持多种通讯格式，通常一种品牌的 PLC 如果能够提供给用户更多的编程自由度，那么这种品牌的技术开发能力就越强大，大多数品牌只能提供固定格式的通讯格式或协议，这就大大局限了 PLC 与其他智能设备的数据交换。

4.3MCGS与PLC的通信连接
在MCGS系统中，由设备窗口负责建立系统与外部硬件设备的连接，使得MCGS能够从外部设备读取数据并控制外部设备的工作状态，实现对工业工程的实时控制，因此MCGS与PLC设备的连接是通过设备窗口完成的。

图4 通信连接
5结论与展望
污水处理系统是一个庞大的系统工程，涉及的内容广，知识多。

污水的指标参数众多，针对它们的智能控制策略还有待研究。

对一些可靠性要求高，监控区域大而且分散，控制距离较远的污水处理厂在建立自动化监控系统的同时可以建立视频监视系统，对整个厂区重要环节进行视频监控。

系统通过对各重要生产区域的监控，不仅可提高该生产区域的安全防范水平，节约大量的人力、物力，而且能为生产管理提供先进直观的管理手段。

要实现污水处理厂的完全自动化，并使整个系统运行在最优状态，还有许多艰巨的工作要做，有待于将来继续进行更加深入的研究。

参考文献
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