欧姆龙自动化网络在水处理行业中的应用.docx
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欧姆龙自动化网络在水处理行业中的应用
学生毕业设计（论文）报告
系别：
机电工程系
专业：
机电一体化
班号：
学生姓名：
学生学号：
设计（论文）题目：
欧姆龙自动化网络在水处理行业中的应用
指导教师：
设计地点：
起迄日期：
毕业设计（论文）开题报告
设计（论文）题目
欧姆龙自动化网络在水处理行业中的应用
一、选题的背景和意义：
随着经济发展社会的进步，人们对于环境意识越来越强对环境保护的呼声原来越高。
对水资源的保护及再利用也成为我国可持续发展战略的重要组成部分。
但是我过水处理行业起步晚，起初差、任务繁重！
并且效率低、耗能高、自动化程度低，而采用PLC自动控制的水处理系统正有着高效率、低耗能、自动化水平高的特点！
所以PLC自动控制水处理系统在我国还有这广阔的发展前景，所以研究PLC在水处理行业中的应用有很大的现实意义，也是很必要的！
二、课题研究的主要内容：
本课题以污水处理与净化为背景，介绍一种实用性强，技术先进的自动化的水处理系统的设计与应用。
它的核心是CS1/CJ1系列的PLC。
实现水处理净化的高效、低耗能、与高水平的自动化！
文中将详细阐述系统的硬件结构.、软件流程、运行的监测、故障报警解决方法！
体现出本系统的核心优势！
三、主要研究（设计）方法论述：
1．方案确定与论证
2．找资料论证观点的正确性
3．各项指标的概述
4．优点与缺点的比较
5．总结各个阶段结论
四、设计（论文）进度安排：
时间（迄止日期）
工作内容
8.1～8.2
选题，查找、分析资料
8.3～8.4
完成开题报告
8.5～8.7
工作原理、设计方案论证
8.8～8.10
自动控制系统的选定
8.11～8.15
触摸屏的选定
8.16～8.19
系统网络的选定
8.19～8.22
与第三方通信产型接口的确定
8.23～8.25
设计内容汇总，完成初稿，交给指导老师审阅
8.26～8.27
完善初稿
8.27～8.30
完成设计并定稿，答辩
五、指导教师意见：
指导教师签名：
年月日
六、系部意见：
系主任签名：
年月日
欧姆龙自动化网络在水处理行业中的应用
目录
摘要VI
第一章引言1
1.1课题研究的目的与意义1
1.2本课题研究的主要内容1
第二章水处理自动化项目综述2
2.1PLC系统水处理过程概述2
2.2欧姆龙水处理自动化概述2
2.3.选材污水处理厂简介2
2.3.1污水处理厂改建的原因3
2.3.2改造的内容以及要达到的目标3
2.3.3原有工艺图与改进后梯形图比较：
3
第三章硬件系统的选用4
3.1.欧姆龙的PLC4
3.1.1欧姆龙PLC控制系统的优点4
3.1.2CS机型：
4
3.1.3CS1机型基本参数与特征：
5
3.2触摸屏的选择5
第四章处理系统网络的选择6
4.1欧姆龙PLC组成网络的型号：
6
4.2系统网络的分层（梯形图工作过程分析）6
4.3欧姆龙网络优点便捷之处7
4.4污水处理厂网络的选择7
4.5污水处理系统的工业以太网8
4.5.1系统的以太网8
4.5.2以太网的重要特点9
4.5.3系统工业以太网的连接方法9
4.5.4系统工业以太网模块CSIW-ETN11单元号与节点号的设定9
4.6与第三方成套设备或数字控制系统的串行通信网络10
4.6.1通信协议的选择10
4.6.2协议的特点：
10
4.7无线电通信网络10
结束语12
答谢辞13
参考文献13
欧姆龙自动化网络在水处理行业中的应用
摘要
本文介绍了利用欧姆龙PLC中的CS1D/CS1或CJ1系再水处理中的应用,阐述了系统设计方案,同时根据水处理的要求,确定PLC的输入、输出分配,在继电器控制线路的基础上,画出梯形图并进行现场调试。
（在全世界范围内，欧姆龙一直是世界五大PLC生产商之一。
欧姆龙PLC在水处理行业中主要使用CS1D/CS1或CJ1系列。
而由这些PLC组成的欧姆龙网络主要有三层：
工业以太网，ControllerLink网和DeviceNet现场总线。
这三层网络已经被广泛地运用在此行业中。
下面主要以某污水处理厂一期扩建工程项目为例，具体讨论欧姆龙自动化网络在水处理行业中的应用技术）。
关键词：
PLC网络；工业以太网；欧姆龙
Omronautomationnetworkinthewatertreatmentindustry
ABSRACT
ThisarticledescribestheuseofOmronPLCinDepartmentofCS1D/CS1orre-CJ1watertreatmentapplications,thedesignofthesystem,atthesametimeinaccordancewiththerequirementsofwatertreatmenttodeterminethePLCinputandoutputdistribution,inthebasisoftherelaycontrolcircuitonthescenepaintedladderanddebugging.（Worldwide,OmronPLChasbeentheworld'stopfivemanufacturers.OMRONPLCinthewatertreatmentindustry,themainuseorCJ1SeriesCS1D/CS1.AndbytheOmronPLCnetworkcomposedofmainlythree：
IndustrialEthernet,ControllerLinkandDeviceNetfieldbusnetwork.
Thisthree-tiernetworkhasbeenwidelyusedinthisindustry.thefollowingtothefirstmajorsewagetreatmentplantexpansionofaprojectasanexample,thediscussionofspecificOmronautomationnetworkinthewatertreatmentindustry,theapplicationoftechnology.
Keywords：
PLCnetwork；IndustrialEthernet；OMRON
第一章引言
1.1课题研究的目的与意义
可编程序控制器（简称PLC）自从1969年由美国数字设备公司（DEC）发明问世以来，在这短短的三十几年的时间里，取得了翻天覆地的变化和发展。
对于自动化技术的发展，PLC是功不可没的。
如今的PLC可以按照要求实现大部分工艺流程的精确和快速的自动化控制。
随着由PLC和计算机构成的工厂自动化网络有了质的飞跃后，在大型系统、工艺相当复杂、控制要求高的场合中，原先用DCS系统的，也渐渐被PLC及其网络所取代。
在这种情况下，PLC网络在水处理行业被越来越广泛地采纳和使用。
PLC自控系统是水处理厂的控制核心部分，对其合理的选型和设计，对污水厂能否高效、自动化的运行非常重要。
其中，PLC网络又是重中之重，网络的好坏直接影响到污水厂的正常运行。
1.2本课题研究的主要内容
在全世界范围内，欧姆龙一直是世界五大PLC生产商之一。
欧姆龙PLC在水处理行业中主要使用CS1D/CS1或CJ1系列。
而由这些PLC组成的欧姆龙网络主要有三层：
工业以太网，ControllerLink网和DeviceNet现场总线。
这三层网络已经被广泛地运用在此行业中。
本文介绍了利用欧姆龙PLC中的CS1D/CS1或CJ1系再水处理中的应用,阐述了系统设计方案,同时根据水处理的要求,确定PLC的输入、输出分配,在继电器控制线路的基础上,画出梯形图并进行现场调试。
本文的主要内容将围绕欧姆龙自动化网在长沙第一污水处理厂的应用来重点讨论，自动化水处理系统的，单片机型的选择，触摸屏的选择，工业以太网的应用，第三方串行通信接口的应用协议，连接方式与无线电通讯等问题。
下面主要以某污水处理厂一期扩建工程项目为例，具体讨论欧姆龙自动化网络在水处理行业中的应用技术。
第二章水处理自动化项目综述
2.1PLC系统水处理过程概述
水处理行业主要分为净水处理和污水处理两大部分。
净水厂控制系统通常分为水厂调度系统、加药间（加氯间）PLC控制站、滤站PLC控制站、送水泵房PLC控制站等。
各个控制站相对独立工作，通过有线网络进行通讯，将所有的数据信息送到水厂调度室进行处理，或将一部分数据通过调度系统以无线（或有线）通讯的方式送到城市的调度中心。
对于污水处理来说，要根据污水水源地状况来确定污水处理的工艺流程，由于污水处理工艺的不同而自控系统应用PLC的要求也有所不同。
一般讲，整个污水处理厂都有总控室和多个现场控制站，站与站之间通过控制器层网络或信息层网络相连，然后全部连接到总控室，总控室的多台计算机、工作站和图形站都用信息层网络连接，这样和现场控制站构成了集中管理，分散控制，高速数据交换的工厂级自动化网络。
PLC自控系统是水处理厂的控制核心部分，对其合理的选型和设计，对污水厂能否高效、自动化的运行非常重要。
然而，PLC网络又是其中的重中之重，网络的好坏直接影响到污水厂的正常运行。
2.2欧姆龙水处理自动化概述
欧姆龙公司是世界PLC的五大生产厂家之一，其PLC产品分为大、中、小三大系列，供几十个机型。
欧姆龙PLC在水处理行业中主要使用CS1D/CS1或CJ1系列。
而由这些PLC组成的欧姆龙网络主要有三层：
工业以太网，ControllerLink网和DeviceNet现场总线。
这三层网络已经被广泛地运用在此行业中。
下面主要以长沙市第一污水处理厂一期扩建工程项目为例，具体讨论欧姆龙自动化网络在水处理行业中的应用技术。
2.3.选材污水处理厂简介
该处理厂建于1982年，占地3.8ha，设计规模为一级污水处理能力60000立方米每天,其中采用普通曝气活性污泥二级处理工艺的处理能力30000立方米每天。
一期扩建工程占地地面积10.61公顷，位于现有第一污水处理厂内及西北侧。
污水处理厂分为两部分，即污水收集管网及泵站部分和污水处理厂厂区部分。
其中厂区部分工程内容包括：
对该污水处理厂内的污水处理、污泥处理设施及配套的附属设施改建和扩建。
经污水处理厂处理后的水排入天然河道。
2.3.1污水处理厂改建的原因
随着社会的发展，城市规模的迅速扩大，城市所面临水处理压力越来越大，对水处理的质量，效率的要求也越来越高。
但是原有的污水处理系统工艺流程复杂，占地面积大，能耗高，处理成本高，出水SS、PO4-P不能达标，对周边自然环境带来一定负面影响，因此改造原来的水处理系统就势在必行。
2.3.2改造的内容以及要达到的目标
1.扩建的内容：
一期扩建工程包括两部分，即污水收集管网及泵站部分和污水处理厂厂区部分。
其中厂区部分工程内容包括：
对该污水处理厂内的污水处理、污泥处理设施及配套的附属设施改建和扩建。
经污水处理厂处理后的水排入天然河道。
一处将60000m3/d处理能力的初沉池用其一半改造成厌氧池;另一处将原有沉池拆掉改建成周进周出辐流。
2.扩建后系统达到的目标
（1）将现有污水处理厂30000m3/d的二级处理部分完善成带厌氧段的A/O工艺。
（2）在现有3×104m3/d处理的基础上，另扩建150000m3/d的带厌氧段的氧化沟二级处理能力，使该污水处理厂的2010年规模达到180000m3/d。
（3）以达到《污水综合排放标准》GB8978-1996中的以及标准为前提。
2.3.3原有工艺图与改进后梯形图比较：
改建后的污水处理厂，面积将更小，处理效率将大大提高。
系统的自动化水平与远程控制能力，都会提高和增强，，废水的再利用率也会提高很多。
下面是对两个工艺流程的比较。
原有系统工艺图为图1，改建后系统工艺图为图2。
从这里可以看出图2的工艺要比图1完善的多。
增加了配水井、厌氧池、氧化沟、除磷间等许多工艺，加上PLC自动化控制，效果必然增强许多！
图1原有系统功能图
图2改建后的工艺图
第三章硬件系统的选用
3.1.欧姆龙的PLC
3.1.1欧姆龙PLC控制系统的优点
欧姆龙作为一家世界领先水平的PLC产品供应商，其产品货源充足、应用简便应用灵活、安装简便，编程简化，操作方便，维修容易、中文资料丰富、备品备件方便，技术服务方便等优点，在动化领域有着广泛的应用。
3.1.2CS机型：
现场控制站、分控站和远程现场站的PLC采用OMRON公司最新产品CS1机型（如图3）。
CS1作为欧姆龙公司高档的PLC机型，其双机冗余的特性有效的增强了系统的高可靠性、高稳定性，成为降低系统风险的最合适的选择。
它不仅可以实现CPU冗余，而且还可以实现电源单元的双重供电、双ControllerLink网通信、双以太网通信，并且可以实现单元的在线更换，这些冗余能力的选择可适应从机器控制到过程控制的任一系统的需求。
在平锁路项目监控系统中，作为主控的本地控制器，除完成变电站及隧道的区域控制外，还负责对其他区域控制器的控制管理及与监控中心上位机连接的作用。
因此我们选择了CS1用作主控本地控制器。
值得指出的是，与其他品牌冗余PLC在两个机架之间通过光线连接相比，欧姆龙的冗余系统是在一个底板上实现CPU、电源以及网络的冗余，实验证明该种方式的可靠程度更高。
系统开放性和兼容性强，丰富的I/O及高功能模块，完全满足隧道监控系统对信号处理的要求。
图3CS1机型图
3.1.3CS1机型基本参数与特征：
1.高速RISC的CPU（32位），程序容量：
60K，数据容量：
128K，程序存储器带保护开关，锂电池保护程序，快闪存储保护数据，最大IO点数：
5120点（不包括内部继电器位），电源电压范围：
85～132VAC或170～264VAC，基本指令处理速度：
≤0.04us，特殊指令处理速度：
≤0.12us
2．CPU带RS-232C（可达115.2Kbps）端口，通过串行通信设备，每套PLC
最多能提供34个（RS232/422/485）通信口，通信速率可达38.4KBPS，用于连接现场仪表、外围通信设备和触摸屏（PT）
3.于每个串行通信口，具备自定义协议的通讯功能－协议宏功能（ProtocolMacro），能与非本公司产品进行数据交换,便于和现场智能仪表相连
4．支持E-mail功能，能以事件触发、定时触发及故障触发方式由PLC向上位机发送电子邮件
5．具有电源出错履历、电源中断时间压栈、电源中断计数等电源维护功能
6．支持以太网（Ethernet）、控制网（ControllerLink）、设备网（DeviceNet），并支持多网配置
7．使用最新的编程软件CX-P和仿真软件CX-Simulator可以实现离线模拟仿真调试。
8．为了便于现场操作，在被控现场配置可编程显示终端，即触摸屏。
3.2触摸屏的选择
触摸屏可以把显示和按键做到一块屏幕上，节省I/O模组、按钮开关、数字设定、指灯等，可以实现打印功能和历史数据显示；触摸通过PPI协议直接与PLC通讯，真正做到现场示、现场控制，有利于操作人员正确掌握系统状和避免错误，利于维修，其界面友好，方便控制，靠性高，并且触摸屏可继承性好，大多数产品可与PC机连接，可实现网络通讯，用触摸屏开发控制系统是可行的。
为了便于现场操作，在被控现场配置可编程显示终端，即触摸屏。
厂区分控站主站（PLC1、PLC2、PLC3）。
触摸屏NT631C特性如下：
1.全中文软件界面，硬件自带中文汉字库
2.彩色显示器件
3.有效显示区域为10.4in（1in=2.54cm）
4.显示分辨率为640x480点
5.画面数量大于等于3000
6.通信接口有RS422A/RS-485口，RS-232C口，打印机口
7.电源电压范围为DC20.4~26.4V
8.采用犯位班SC芯片
9.运行时间大于等于25000小时
第四章处理系统网络的选择
4.1欧姆龙PLC组成网络的型号：
欧姆龙不仅提供品种众多的PLC型号，而且由PLC组成的网络产品也是非常丰富。
在选用的时候要根据不同场合，控制目标，选择不同的网络。
欧姆龙主要的网络有以下几种。
名称
传输介质
传输速率
传输距离
Ethemet以太网
同轴电缆/双绞线
10/100Mbps
500m/段
SYSNET令牌环网
光纤
2Mbps
节点间800m
HOSTLink上位机连接
RS-442/223C
152Kbps
500m
SYSMACLink令牌总线
同轴电缆/光纤
2Mbps
节点间800m
PCLinkPC连接
双绞线
128Kbps
500m
Controllerlink控制器连接
双绞线/光纤
2Mbps
1km/30km
SYSBUS远程I/O系统
双绞线/光纤
187.5Kbps
200m
SYSBUS/2远程I/O系统
双绞线/光纤
1.5Mbps
500m
Compobus/D（DeiceNET）设备网
双绞线
500Kbps
500m
CompoBUS/s器件网
双绞线
750Kbps
100m
Profilbus-DP
双绞线
12Mbps
4800m/段
Modbus
双绞线
38.4Kbps
1.2km
4.2系统网络的分层（梯形图工作过程分析）
可将以上的网络从高到低划分为三个层次：
信息层、控制层和设备层
第一层信息网，包括工业以太网（Ethernet）和SYSNET，主要负责大量信息采集和实时监控，对现场的PLC、检测元器件和执行机构实行中央集中控制，最新的工业以太网技术（CIP技术）在商用以太网的基础上增加了工业级的实时性，已成为最通用最高速的一种信息网络。
第二层为控制层，包括SYSMACLink、PCLink和ControllerLink，控制层网络的特点是高速、高可靠，适合PLC与计算机、PLC与PLC及其它设备之间的大量数据的高速通讯。
最底层网络为设备层，它们有SYSBUS、SYSBUS/2、CompoBus/D（DeviceNet）、CompoBus/S、ProfiBus-DP、Modbus等，这一层用于PLC与现场设备、远程I/O端子及现场仪表或智能设备之间的通讯，设备层网络应是与现场设备连接方便，并能起到省配线的作用，成本低廉。
第三层网络习惯上称之为现场总线。
4.3欧姆龙网络优点便捷之处
1.应用简便应用灵活、安装简便，编程简化，操作方便，维修容易
2.可靠性高，抗电磁干扰性能好，环境适应性强
3.功能完善，成熟的工控网路体系，通信便捷，易于远程实时监控
4.4污水处理厂网络的选择
根据对欧姆龙以上网络系统的分析，结合该水处理厂的工艺控制要求，最终选择的典型的网络系统如图4（以太网结构）所示。
图4污水厂自控系统图
该污水处理厂工程控制系统由中央控制室的上位计算机管理控制系统、三个现场控制站（PLC1～PLC3）和两个厂外泵站组成。
采用由工业控制计算机及PLC构成的分散集中控制系统。
该系统集控制、数据采集功能为一体，完成整个水厂的过程控制、工艺流程显示、设备运行状态的监测及故障报警。
中央控制室设置两台SCADA工作站（工控机）为操作站。
以流行的SCADA软件作为系统控制软件，内部集成VBA，并配置高清晰投影仪和大型马赛克模拟屏。
厂区内中央控制室和三个现场控制站组成双环光纤冗余以太网络系统，通讯速率主干线及计算机为100Mbps、PLC为10Mbps。
中央控制室可调用各现场站的全部运行信息，在中央控制室可控制现场主要设备的启动和停止。
本系统中央控制室与现场站PLC之间采用双环光纤冗余工业以太网（Ethernet），其通讯介质为六芯单模光纤（两用四备、10/125μm，）。
环形光纤以太网采用10/100Mbps的通讯方式，即：
主干光环及与计算机连接为100M，与PLC连接为10M。
通讯光纤采用直埋式铠装防雷设计的六芯单模光纤（10/125μm），联接头为国际标准SC连接头。
4.5污水处理系统的工业以太网
4.5.1系统的以太网
本系统中央控制室与现场站PLC之间采用双环光纤冗余工业以太网（Ethernet），其通讯介质为六芯单模光纤（两用四备、10/125μm）。
环形光纤以太网采用10/100Mbps的通讯方式，即：
主干光环及与计算机连接为100M，与PLC连接为10M。
通讯光纤采用直埋式铠装防雷设计的六芯单模光纤（10/125μm），联接头为国际标准SC连接头。
而PLC上的以太网模块选用的是CS1W-ETN11，它支持10BASE-T的以太网标准，通讯速率为10Mbps。
在使用以太网模块前，先要对CS1W-ETN11进行单元号和节点号设定。
单元号设定是对PLC上的总线特殊单元进行区分，给每个总线特殊单元分配相应的地址。
单元号可以从0～F自由设定，假定单元号设为0，则相应的地址分配为CIO1500～1524，D30000~D30099共占用25个字；节点号是设置以太网区域的节点地址，用来区分整个网络中各台的PLC。
三套PLC都先用RJ45双绞线连接后，用RS2-FX-sm的光纤交换机把电口转换成光口，用单模光缆把这些设备连起来构成了光纤环网，不仅可以实现20Km的远距离通讯和100Mbps的高速数据交换，更重要的是它采用了先进的断线自检测逆向流通算法，使得环网本身实现了冗余，而且光纤网络的抗干扰性能优越。
虽然增加了光纤交换机，但是它的协议却是透明的，也就是说光纤交换机只是起到了硬件的转换，而协议并没有改变。
原来数据走的FINS协议，或是标准的TCP/IP协议都是无缝地在这个工业以太网光纤环网中进行透明的传输。
4.5.2以太网的重要特点
1.支持TCP/IP，UDP/IP标准协议，可与其他以太网设
备、工作站、个人电脑及其他生产商提供的以太网产品通信。
2.自带FTP服务功能，从而使工作站或个人电脑能通过
FTP客户功能对PLC进行数据读写，而无需PLC上编程。
3.带有E-mail功能，能向mailserver发送用户自定义信息、故障信息、状态信息等，带RAS功能，支持远程数据访问。
4.带有自诊断功能、节点旁路功能，传输路径具有断线冗余功能。
5.远程站点可执行PING指令，可检测网络连接状态。
具有历史故障履历。
6.传输率：
10/100Mbps。
7.传输协议：
TCP/IP，UDP/IP，FINS，FTP，SMTP。
8.传送距离：
30Km。
9.传送媒体方式：
单模光纤环。
10.通过OMRON网关——ONC或PLC,可与其它控制网
络、现场总线相连。
4.5.3系统工业以太网的连接方法
计算机和PLC采用标准的RJ45接口,然后分别通过RS2-FX-sm模块将RJ45方式转换为200/100M兼容的光纤环网方式。
RS2-FX-sm提供4个光纤接口
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