基于多种网络的污水自控系统的研究与实现

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3.0 陈辉 2024-11-19 5 4 1.27MB 61 页 15积分

摘要

ABSTRACT

第一章绪论 ....................................................................................................................................... 1

§1.1 课题来源与背景 ................................................................................................................. 1

§1.2 污水处理及其国内外自控系统的现状和发展 ................................................................. 1

§1.3 应用价值 ............................................................................................................................. 3

§1.4 本课题的内容和任务 .......................................................................................................... 3

第二章污水处理厂网络系统设计 ................................................................................................... 5

§2.1 污水处理厂概述 ................................................................................................................. 5

§2.1.1 污水处理方法 ........................................................................................................... 5

§2.1.2 松东污水处理厂污水处理系统概述 ....................................................................... 6

§2.2 污水处理厂网络系统总体设计 .......................................................................................... 7

§2.3 EtherNet/IP 网络设计 .......................................................................................................... 8

§2.3.1 EtherNet/IP 性能及特点 ............................................................................................ 9

§2.3.2 网络主要设备选型 ................................................................................................... 9

§2.3.3 实现方法 ................................................................................................................. 10

§2.4 DH+网络实现 .................................................................................................................... 13

§2.4.1 DH+网络主要性能及特点 .................................................................................... 13

§2.4.2 网络主要设备选型 ................................................................................................. 14

§2.4.3 DH+网络的实现及改进 .......................................................................................... 14

§2.5 Modbus 网络设计 .............................................................................................................. 16

§2.5.1 Modbus 性能及特点 ................................................................................................ 17

§2.5.2 主要设备选型 .......................................................................................................... 17

§2.5.3 网络实现方法 ......................................................................................................... 18

§2.6 GPRS 网络的设计与实现 ................................................................................................. 22

§2.6.1 GPRS 的技术特点 ................................................................................................... 23

§2.6.2 Saro1010P GPRS DTU 技术特性 ............................................................................24

§2.6.3 利用 GPRS 来实现数据传输 ................................................................................. 24

§2.6.4 GPRS 在污水厂的应用 ........................................................................................ 25

§2.7 本章小结 ........................................................................................................................... 28

第三章污水处理自控系统的设计 ................................................................................................. 29

§3.1 控制系统总体设计 ........................................................................................................... 29

§3.1.1 分级控制权限 ......................................................................................................... 29

§3.1.2 中控室监控系统的功能 ......................................................................................... 30

§3.1.3 分控站监控系统的功能 ......................................................................................... 30

§3.2 进水泵房分控站详细设计 ............................................................................................... 30

§3.2.1 进水泵房简介及控制系统组成 ............................................................................. 30

§3.2.2 控制系统的控制过程描述 ...................................................................................... 31

§3.3 MSBR 池分控站详细设计 ................................................................................................ 37

§3.3.1 MSBR 处理工艺 ...................................................................................................... 37

§3.3.2 MSBR 控制系统的实现 ......................................................................................... 39

§3.4 本章小结 ........................................................................................................................... 43

第四章实时数据库设计 ................................................................................................................. 44

§4.1 实时数据库概述 ................................................................................................................ 44

§4.2 实时数据库设计 ................................................................................................................ 45

§4.2.1 工控领域中实时数据库的功能需求 ..................................................................... 45

§4.2.2 设计思想 ................................................................................................................. 45

§4.2.2 层次结构 ................................................................................................................. 46

§4.2.4 数据处理工艺流程 ................................................................................................. 46

§4.3 现场数据采集接口 ............................................................................................................ 47

§4.3.1 OPC 接口 .................................................................................................................47

§4.3.2 DDE 接口 ................................................................................................................ 50

§4.4 数据模型 ............................................................................................................................ 51

§4.5 本章小结 ............................................................................................................................ 55

第五章总结与展望 ......................................................................................................................... 56

参考文献 ........................................................................................................................................... 58

在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 ............................................................... 60

致谢 ............................................................................................................................................... 61

第一章绪论

随着经济和社会的飞速发展，人们认识到环境的污染愈来愈严重，而其中水污染直接威

胁到所有生物的生存。水污染己经引起了世界各国的重视。我国政府对水污染也非常重视，

并将其作为今后一段时期内基本建设投资的重点。加强污水处理技术的研究，以提高我国污

水处理工业的综合竞争力，成为我国工业发展中的重要课题。

§1.1 课题来源与背景

本课题来源于松江东部污水处理厂一，二期工程。为了解决松江东部地区的污水处理问

题，根据松江区排水总体规划，松江区开始建设松江东部污水处理厂。工程总服务面积近 40

平方公里，设计污水日处理量为 7.5×104m3，该污水厂自动化系统包括 8个分站：厂区进水

泵房、鼓风机房、三座 MSBR（Modified Sequencing Batch Reactor）反应池、污泥脱水机房以

及新桥综合泵站，分站负责本地设备的控制并要求与污水厂中控室进行通讯，通讯方式多样

复杂。

§1.2 污水处理及其国内外自控系统的现状和发展

水是人类社会生活中不可缺少的资源，由于水在使用过程中被带进了各类有机物和无机

物，以至水的物理性质和化学性质发生明显变化，变成了污水[1]。随着国民经济的发展和城

市规模的扩大，对水资源的消耗也日趋加大，污水越来越多，水质越来越复杂，水体有限的

自然净化功能已经不能适应城市水污染控制、水环境保护的需求。这不仅加剧了有限的水资

源危机，而且会通过食物链危害人民的身体健康。水污染造成巨大的经济损失，水资源的短

缺制约了城市的可持续性发展。有人预言:二十一世纪的战争将是对水资源争夺的战争。

解决水资源短缺就必须对污水进行处理和再利用。但我国目前城市污水处理率还相当低，

许多城市都设有大中型污水处理厂。根据国民经济和2010年社会发展总体纲要及2008年奥运

申办报告要求，到2010年城市管网普及率要达到50%，污水处理率达到90%。因此必须加速

建设水处理工程，提高其处理出水水质。据统计，我国至少需建三千多座大中型污水处理厂，

而目前建成使用的仅有三百多座。因此从这方面讲，我国的污水处理还处于发展阶段，从自

动控制系统来看，为了降低污水处理成本，达到减员增效的目的，就必须提高污水处理的自

动化水平，一方面提高系统运行的可靠性，另一方面通过自动化水平的提高，将劳动力解放

出来。国外借助网络通讯技术已经实现了一批人同时管理几个污水处理厂，这也为我们提供

基于多种网络的污水自控系统的研究与实现

了借鉴经验，同时由于我国已加入了WTO,随着国外资本的进入，也向我国污水处理行业提出

了挑战。而运营成本的降低，归根到底是管理和高科技的竞争，自动化控制系统是实现这一

竞争的根本保证。

进入 21 世纪，自动化与工业控制技术更深层次的渗透计算机通信与网络技术[2]。首先，

现代工厂与智能传感器、控制器、执行器分布在不同的区域，它们之间的通信需要数据通讯

网络来实现，这是网络环境下典型的计算机控制系统。其次，计算机通信网络的管理与控制

也要求引入更多的控制理论与策略。

以现场总线为代表的网络控制系统得到了前所未有的快速发展和广泛应用。使系统具备

了更加强大的网络通讯功能，正在逐渐被大型生产企业所认识，基于现场总线的过程网络控

制系统得到广泛的推广。但现场总线因为其标准不统一、通信协议不透明、信息难集成等弊

端遇到自身发展的瓶颈。在现场总线系统中，客户应用程序从数据源获取数据时，由于软硬

件的不一致性，不同设备需要不同的驱动程序，两个应用程序通常不能同时访问同一设备，

导致了驱动程序的不一致性。所以一种现场总线仅能在一定应用范围内发挥优势，并不适合

所有控制现场，在工业控制系统中仍存在多种总线并存的现象，用户仍要面临现场总线的选

择、集成以及不同协议系统之间的信息交互问题。因此，在今后一段时间内，实现异构网段

集成，利用多种现场总线共同完成测控任务是现实而必要的。

在设计异构网络化控制系统时也需要考虑多方面的因素。例如大量传感器、启动器、驱

动器、I/0 部件、变送器、变换器、阀门等设备接口开发及转换;各类组态、监控、HMI 以及

SCADA 系统等软件的兼容性及扩展性;异构数据库管理系统之间互访、管理及实时数据动态

交换;异构现场总线互联的工程要求、设计规范、设计标准及应用协议的统一规划;异构控制系

统实时性、可靠性、稳定性协调以及网络安全性、扩展性和数据的有效隔离等问题。目前基

于工业以太网的 TCP/IP 体系架构已逐渐为众多的工业控制器厂商接受，工业以太网本身的开

放性及其在大多数应用领域中能够满足高传输速率、高可靠性、抗干扰、实时确定传输、可

扩展和维护、标准化和互操作等要求，并且允许在同一网络上运行不同的应用层协议，能够

通过 Internet 实现工业生产过程的远程监控，使企业自动化系统能够在更大范围内实现跨部

门、跨地域的集成，因此成为目前异构网络化控制系统实施的最佳选择。既包含现场总线网

络（设备层），又包含以太网络（信息层）的混合式网络控制系统成为目前工业控制领域应用

的主流。[3]

在数据库方面，能够提供高速、及时的实时数据服务，能够有效地集成异构控制系统，

提供分布式数据服务的实时数据库已经被进一步的被人所研究和拓展。实时数据库系统

(RTDBS)就是其事务和数据都可以有定时特性或显式的定时限制的数据库系统。系统的正确

性不仅依赖于逻辑结果，而且还依赖于逻辑结果产生的时间。实时数据库最早出现在 1988 年

3月的 ACM SIGMOD Record 的一期专刊中。随后，一个成熟的研究群体逐渐出现，这标志

第一章绪论

着实时系统领域与数据库领域的融合，标志着实时数据库这个新兴研究领城的确立。此后，

出现了大批有关实时数据库方面的论文和原型系统。实时数据库技术是实时系统和数据库技

术相结合的产物，研究人员希望利用数据库技术来解决实时系统中的数据管理问题，同时利

用实时技术为实时数据库提供时间驱动调度和资源分配算法。然而，实时数据库并非是两者

在概念、结构和方法上的简单集成。需要针对不同的应用需求和应用特点，对实时数据模型、

实时事务调度与资源分配策略、实时数据查询语言、实时数据通信等大量问题作深入的理论

研究。

§1.3 应用价值

该自控系统针对规模大、监控点数多、控制复杂等特点，在传统分布式控制系统三层结

构上进行扩展，采用分布式网络监控解决方案，应用多种通讯技术，将工业以太网和多种现

场总线揉合在一起，解决了固定和移动设备、远程站点的实时监控，实现了不同设备、不同

子系统之间的数据交换。该系统效率高、功能强、成本低，集成化程度高，开放性强，稳定

性、可靠性好，实现了真正意义上的一体化控制。

自控系统有效解决了大型污水厂建设中涉及的 MSBR 反应、污泥处理等新工艺的优化及

其与控制系统有机融合的技术难题，对新建污水厂有指导意义。该课题对于网络与控制交叉

学科产品的研究与开发，对于异构网络环境下数据通讯的实现，对于分布式网络控制系统的

开发等方面具有一定的参考价值。

异构网络化控制系统的最终目标是在统一的网络平台上实现控制系统之间的水平集成以

及控制系统和信息系统的垂直集成，使测控信息能够纵向快速流动和横向实时交互[4]。这对

企业建立综合决策信息库、实现生产控制过程的实时数据交互、保持数据的一致性和完整性、

实现远程监控诊断，加强企业内外部信息交流都有着重要意义。

§1.4 本课题的内容和任务

本课题研究了污水处理工艺，基于各种现场总线 (Modbus ，DH+) 和工业以太网

（Ethernet/Ip）以及无线数据传输形式，并充分考虑污整个自控系统的可扩展性和兼容性，确

定污水厂综合监控系统的网络实现方案，并在此基础上完成各子系统PLC的编程、监控界面

设计和实现后台数据采集管理系统。

基于多种网络的污水自控系统的研究与实现

本论文主要由三部分组成，

其一：论述了污水处理工艺及污水处理系统的组成和控制方案的实现。

其二：异构网络环境的通信技术：基于全双工工业以太网(Ethernet/Ip)网络的，多种工业

控制网络相连的异构网络化控制系统的方案设计与实现。

其三：实时数据存储访问技术：异构网络现场数据采集接口(OPC,DDE)实现，实时采集

数据模型以及数据压缩策略。

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