基于wincc的排水系统监控设计(终稿).doc
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常州信息职业技术学院
学生毕业设计（论文）报告
系别：
电子与电气
专业：
自动化生产设备（机器人应用）
班号：
自动132
学生姓名：
XXX
学生学号：
1306163212
设计（论文）题目：
基于Wincc的城市排水监控系统设计
指导教师：
XX
设计地点：
常州信息职业技术学院
起迄日期：
2015-10-13
毕业设计（论文）任务书
专业自动化设备与应用班级自动姓名XXX
一、课题名称：
基于Wincc的城市排水监控系统设计
二、主要技术指标（或基本要求）：
1.当河水水位低于9mm时，若总集水池水位低于10cm时，3#、4#和5#泵停止运行；若总集水池水位高于90cm时，1#和2#泵停止运行，3#、4#和5#泵同时工作
2.当河水水位高于9mm时，3#、4#和5#泵停止工作，1#、2#泵工作至总集水池到达90cm时停止
三、主要工作内容：
1.可自动监测实时水位
2.根据水位动态自动控制水泵启停
3.在系统运行过程中能够收集并记录设备运行时的数据
4.当设备出现异常时或者水位超出设定值时能够自动显示报警
5.能够生成实时报表并能够打印出来
四、主要参考文献：
_
[1]Wincc组态手册.Volume2.8-1～8-4；
[2]刘锴,周海.深入浅出西门子S7-300PLC[M].北京:
北京航空航天大学出版社,2004；
[3]王晓远，王硕，杨飞.工业组态软件WinCC在雨水泵站监控系统中的应用[J].中国农村水利水电.2006；
[4]邵裕森.戴先中，过程控制工程[M].北京:
机械工业出版社，2000；
学生（签名）20年月日
指导教师（签名）20年月日
教研室主任（签名）20年月日
系主任（签名）20年月日
毕业设计（论文）开题报告
设计（论文）题目
基于Wincc的城市排水监控系统设计
一、选题的背景和意义：
现在国内正处在城镇化快速发展时期，出现了许多工厂、住宅，一方面推动了地区经济的发展，但另一方面也加重了城市的排水负担。
而城市地下的管道结构复杂，以往的管理监测方法不能快速准确的监控排水的实时情况，目前看来，很有必要引入现代化的自动化监控新技术，建立一个城市排水自动化监控系统。
随着城市建设的迅速发展，城市排水显得愈发重要。
城市排水设施在城市发展中扮演着重要的角色，它主要用于对雨水污水的处理和排放。
由于过去传统控制方式存在许多弊端，正在逐步被计算机控制所取代，从而避免了资源的浪费，有利于环境的发展。
该系统主要是保证城市排水能够顺畅进行，防止出现堵塞、漫水等情况。
由此可见，城市排水系统是城市不可缺少的基础设施。
二、课题研究的主要内容：
了解城市排水的监测与控制方法，了解指标要求设计排水监控系统。
以Wincc为主要的监控软件，构成系统的上位机系统进行多方面监控，并能对其进行加温加湿设备进行控制，维持水位平衡指标要求。
测量结果采用液晶屏显示，并给出水位变化曲线；具有报警功能、报表功能和归档功能。
三、主要研究（设计）方法论述：
本控制系统中Wincc提供了一个SIMATICS7ProtocolSuite的驱动程序，通过profibus实现与PLCS7-300之间的通讯，从而实现对水位的实时监控。
当液位传感器得到信号时，则通过PLC程序发送信号给排水泵，使其做出相应动作，同时在Wincc组态画面显示。
当水位超过上限或者低于下限时，通过Wincc中建立的报警变量，使Wincc画面变化，红灯亮，然后控制PLC使排水泵停下或启动。
对于水位需要实时监控，通过PLC对液位进行周期性采集，然后传到Wincc上，通过组态编辑液位变量建立趋势窗口，将液位的变化用曲线图的形式显示在屏幕上，实现液位实时归档。
四、设计（论文）进度安排：
时间（迄止日期）
工作内容
2015-7-15至8-01
定题
2015-8-05至8-15
查阅资料确定目录及内容
2015-8-15至10-7
撰写初稿
2015-10-7至11-16
修改论文
2015-11-16至11-18
准备答辩
2015-11-19
论文
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
II
基于组态的液位监测系统的设计与实现
目录
摘要 I
Abstract II
前言 1
第1章城市排水监控系统概述 2
1.1控制工艺及系统要求 2
1.2城市排水监控系统的硬件系统 2
1.2.1智能控制器的选择 2
1.2.2相关硬件配置 2
第2章城市排水监控系统的软件系统 4
2.1常用的组态软件介绍 4
2.2组态软件的选择 4
2.2.1WinCC组态软件介绍 5
2.2.2WinCC软件的系统组成 5
2.2.3Wincc软件的性能特点 5
第3章监控系统的组态设计 6
3.1设计过程 6
3.1.1Wincc项目的建立 6
3.1.2添加PLC驱动程序 6
3.1.3设置变量 7
3.2图形界面的编辑 8
3.2.1登陆界面 8
3.2.2主监控界面 8
3.2.3设备状态监控界面 8
3.2.4报警界面 9
3.2.5Wincc与PLC的连接 9
3.3功能模块 9
3.3.1变量模块 9
3.2.2报警模块 10
3.2.3报表模块 11
3.2.4归档模块 12
3.3系统模拟运行 13
3.3.1设备正常运行 13
3.3.2水位超过上限模拟运行 14
3.3.3水位低于下限模拟 15
第4章结束语 16
参考文献
答谢词
摘要
排水泵站在城市中起着重要的作用，它主要是完成城市排水的任务。
自动化系统用于城市排水监控，能够有效提高工作效率，节省大量人力物力等资源，并且受外部环境影响较小，比较稳定。
这个系统主要是对雨水、生活污水进行实时监控，并设置了冗余系统，增加了该系统的稳定性。
泵站中所有设备的工作情况，都是由该系统根据水位等情况来控制的。
该泵站自动化监控系统选用SIEMENSS7-300作为控制器，选用该公司的Wincc7.0作为上位机，模拟了一个城市排水泵站的监控系统。
在这个自动控制系统内，PLC负责采集各个水池水位，并且根据水位做出相应的排水指令，确保水位在安全的范围内，保证城市下水道不出现堵塞或者满水的情况，以确保城市在紧急情况下不出现洪涝等现象。
关键词：
排水系统；WINCC；PLC；组态软件；自动监控；
Abstract
Drainagepumpingstationplaysanimportantroleinthecity,itismainlytocompletethetaskofurbandrainage.Automationsystemforurbandrainagemonitoring,caneffectivelyimprovetheworkefficiency,savealotofmanpowerandresources,etc.,andtheexternalenvironmentinfluenceissmaller,morestable.Thissystemismainlyfortherainwater,sewageforreal-timemonitoring,andsetuptheredundancysystem,increasethestabilityofthesystem.Theworkingconditionofallequipmentinthepumpingstationiscontrolledbythesystemaccordingtothewaterlevel.
S7-300SIEMENSisusedasthecontroller,andtheWincc7.0ischosenasthehostcomputertosimulatethemonitoringsystemofacitydrainagepumpingstation.Inthisautomaticcontrolsystem,PLCisresponsibleforcollectingthewaterlevel,andaccordingtothewaterleveltomakethecorrespondingdrainageinstructions,toensurethatthewaterlevelinthesaferange,ensurethattheurbansewerdoesnotappeartoplugorfullofwater,inordertoensurethatthecitydoesnotappearinthecaseofflooding.
Keywords:
drainagesystem;WINCC;automation;PLC;simulation
前言
近年来城市发展越来越快，其排水问题也受到了社会广泛的关注。
城市排水设施在城市发展中扮演着重要的角色，它主要用于对雨水污水的处理和排放。
由于过去传统控制方式存在许多弊端，正在逐步被计算机控制所取代，从而避免了资源的浪费，有利于环境的发展。
该系统主要是保证城市排水能够顺畅进行，防止出现堵塞、漫水等情况。
由此可见，城市排水系统在城市基础设施中是必不可少的。
城市排水工程是城市基础设施的重要组成部分，城市的发展将依赖于排水系统，一个城市要想发展好，就得合理规划好排水系统。
但现时期缺乏对城市排水系统的整体布局，严重影响了城市的可持续发展。
中国自改革开放以来，经济接连不断呈增长趋势，我国的城市化发展及居住小区如雨后春笋般涌现了出来。
因而城市排水系统也得到重视。
7月28日，在国务院常务会议上李克强总理说，“目前中国正处在城镇化快速发展时期，但我们的地下管廊建设严重滞后。
加快这方面的建设，很有必要！
”
每次有暴雨降临的时候，很多大城市都变成了“水城”。
今年6月份，由于降雨急、汇水面积大、而抽排能力不足，强降雨南京城区出现多处积水。
导致交通道路的堵塞，行人都是卷着裤脚在水里行走，有的积水都漫过成年人小腿肚了。
对于城市排水系统，还是有多方面的问题的，例如：
城市发展地下管道建设与污、雨水收集系统建设不同步；水资源很少能循环使用，其实这点也挺重要的，国内很多城市很少甚至没有做到对水资源合理收集利用的，如果能合理利用好这些水资源，就能够缓解降水所带来的影响。
由此可见，国内城市排水问题始终没有什么太大的进展，尽管许多地方部门也采取了相应的预防和解决措施。
那么问题的根本对策在哪呢？
城市在当初规划的时候就应该将城市排水设施规划作为重点对象，然而很多地方并未对此重视，导致我国年年出现内涝灾害。
而德国人100年前在青岛留下的一套系统一直沿用至今，其中雨污分流模式，即使是今天，还有许多国内城市未能做到。
还是很有必要借鉴一下国外的技术和经验的。
现在国内正处在城镇化快速发展时期，出现了许多工厂、住宅，一方面推动了地区经济的发展，但另一方面也加重了城市的排水负担。
而城市地下的管道结构复杂，以往的管理监测方法不能快速准确的监控排水的实时情况，目前看来，引入现代化的自动化监控新技术，建立一个城市排水自动化监控系统是未来的发展趋势。
第1章城市排水监控系统概述
1.1控制工艺及系统要求
设计要求：
该系统能够对各点水位的高度检测，并根水位变化控制排水泵动作，合理调控排水，并能在水位超出上限或低于下限时及时显示报警。
在泵站运行过程中系统能够收集泵站运行过程中的一些参数。
比如水泵的运行状态，格栅机的状态，各个电柜的实时电流电压数据，故障数据等。
当水位超过系统设定范围或当格栅机、排水泵、阀门等装置出现问题时，该系统可自动显示报警。
在自动模式和手动模式下可选择电机工作模式的设计要求。
本监测系统是通过控制台对格栅机，排水泵等设备的运行状态和实时参数进行监测，通过与PLC进行通讯，对线下设备进行控制，包括水泵及控制阀门的启停，格栅机的启停等。
并能通过变量模块、报警模块、报表模块和归档模块对现场设备进行全面的监控。
主要设备的运行状态显示：
整个工艺流程画面实时显示；格栅机、排水泵启停显示；相关参数的变化显示。
可采集的动态参数：
电机的电流、电压，格栅机的电流、电压，集水池水位，排水泵前后流量，控制阀前后流量等。
排水泵及格栅机故障分级报错显示，管道堵塞报警显示，水流量异常报警显示，集水池液位上下限报警显示等（包括发生时间及异常消息文本）。
可查询报警历史记录、状态参数曲线等
将各种监控参数自动生成实时报表，异常状态及控制状态的报表打印。
长江
出水渠
集水池
格栅机过滤
雨污混合水
图1-1工艺流程
1.2城市排水监控系统的硬件系统
1.2.1智能控制器的选择
目前市面上有多种智能控制器，从最开始的继电器控制，到现在的单片机控制和PLC控制，通过查资料可以知道这些控制器各有各的优点。
根据本系统的控制要求，选择的是西门子PLC-300控制器。
对于这单片机和PLC这两种控制器，我们做了一些简单的比较。
单片机控制：
目前用的比较广泛，比如家用洗衣机、电冰箱、微波炉等日常生活用品都有着它的身影。
它的优点也比较突出，成本相对较低，而且体积较小，易于安装，不会影响产品本身的美观；但是，单片机由于自身或者生产工艺的影响，会出现很多故障，而且抗干扰能力差，环境对它的影响较大，开发单片机需要很长周期。
对于PLC，它的抗干扰能力要好得多，而且长时间使用也不会出现很多故障，其用的编程语言大多是“梯形图”，比较简单方便，而且电气接线也很简单，故开工程从开始到结束所需时间较长，唯一的不足之处是费用较高。
城市排水监控系统是个大的系统，对于稳定性方面、可靠性和维护方面要求较高，而且运行环境比较复杂，不适合用单片机作为控制器，于是本设计中采用PLC做为主控制器，以保证系统稳定运行。
1.2.2相关硬件配置
（1）格栅机：
考虑到城市中都是污水与雨水混杂的情况，没有什么大的异物，本系统采用高链式粗格栅，该格栅机由机架、驱动机构、除渣机链条等部件组成。
其工作原理是：
由驱动机构通过传动链条带动除污耙在轨道上来回运动，达到了对污物的清除作用。
向上运动将污物聚集，然后将污物提升至除渣口，这时候就完成了第一次除污的过程。
它的运行比较稳定，也方便维修，机身多采用不锈钢材质，不易腐蚀。
（2）排水泵：
根据本系统流量、温度、压力等工艺参数的控制要求等因素的综合考虑，选用离心泵。
离心泵的转速高，可快速达到所需转速；体积不大、重量较轻，便于安置；效率高、流量大、结构也不复杂，而且方便维护；性能平稳、容易操作，比较符合本系统的控制要求。
（3）液位计：
水位检测采用超声波液位计。
选用美国弗莱公司的FLOWLINELU30型号超声波液位计，其量程为0m~10m，输出电流信号4mA~20mA。
（4）流量计：
选用电磁流量计，型号为HW-LDE系列智能电磁流量计，测量范围0m2/h~500m2/h，输出电流信号4mA~20mA。
第2章城市排水监控系统的软件系统
2.1常用的组态软件介绍
（1）FanucIFIX：
FanucIFIX的通用软件来监控和管理产品数据的整个范围。
在各种工业应用，包括食品饮料、冶金、包装、石化、电力、石油和天然气等，iFIX功能齐全，集成了多种特性，包含安全功能和多种方便用户使用的模块，适应于各种场合的生产作业，能为其提供全面可靠的解决方案。
（2）InTouch：
HMI软件为用户提供了通用性强的平台，在如今的监测系统中应用很方便。
InTouch软件是在分布式客户/服务器架构的瘦客户端应用程序的适用，这是基于分布式客户/服务器架构，在客户端使用服务器的工业应用。
将Wonderware投入大量的研究和开发，为用户提供新的，强大的，创新的产品。
InTouch软件是在分布式客户/服务器架构的客户端应用程序的适用，分布式客户/服务器架构支持WindowsXP系统认证，用户能通过浏览器看到系统画面。
（3）MCGS（Monitor and Control Generated System）：
MCGS是北京昆仑通泰自动化软件公司开发的基于Windows平台，用于构建和生成上位机监控系统的组态软件系统。
MCGS5.5通用版是北京昆仑公司历时一年，集中数十位有经验的软件专家所做出的成果。
界面友好，强大的内部功能，系统的可扩展性，其用户的使用性和设计思想有一个质的飞跃，在国产组态软件行业是开创了一个新的阶段。
MCGS组态软件集成了数据采集、数据处理、报警、趋势曲线和报表等模块，实现了用户的多方面需求。
（4）WinCC：
WinCC运行在个人计算机环境，它的功能比较全面，几乎适用于所有工业生产方案。
用户可以添加自制的图形进去，使过程更加形象准确。
它本身自带着变量模块、报警模块、通信模块、报表模块和用户归档等模块，这些模块集成度高，极大方便了用户的使用，缩短了开发周期。
它运行于Windows计算机环境，已在欧洲市场成为领军，甚至行业遵循标准。
（5）组态王：
北京亚控科技发展有限公司简称亚控科技，是中国目前规模最大的从事工业自动化软件研发的高科技专业公司，其自主研发的通用监控组态软件组态王支持1500多种硬件设备（包括PLC、总线设备、办卡、变频器及仪表），在国内，使用它产品的企业有很多，也涉及了很多重要行业。
其包含控制层、监控层和管理层，系统也是较完善的，能适应各种行业。
但该软件功能过于笼统，细节方面与国外软件还有一定的差距。
组态王v6.51全面支持研华科技ADAM智能模块及板卡。
组态王是工业级的软件平台，可应用于电力系统、给排水系统、石油、化工等领域的数据采集与监视控制等各种领域。
2.2组态软件的选择
SIMATICWinCC是第一个使用最新的32位技术的过程监视系统，具有良好的开放性和灵活性。
一方面，我在学校学习了这种软件的使用，对这个软件比较熟悉，能独立组态简单的过程画面。
另一方面，此软件本身的优点也很多，它提供完善的监控和数据采集功能，支持单用户到多用户系统，具有良好的开放性，它的画面动态组态连接方法多样，可支持C语言、VB语言和变量直连等方法，可用性强。
相对于其他软件，它更容易使用。
基于以上WinCC的优点，所以本系统采用WinCC软件来组态。
2.2.1WinCC组态软件介绍
WinCC组态软件以追求性能最全面、技术最先进、系统最开放为核心理念。
它是一种西门子SCADA系统，应用于各行各业。
Wincc集成了工厂智能，用户可以通过网络查看一些数据和报表。
能够精准的满足生产要求，通过开放接口，开发自己的应用软件。
Wincc具有丰富的脚本编辑系统，能够增加用户自定义菜单，以任意格式导出图形。
拥有强大的实时数据库，比较高效，能够缩短开发周期。
是工业企业中首选的组态软件，深受广大Wincc开发者的喜爱。
2.2.2WinCC软件的系统组成
Wincc主要是由以下几个模块组成的。
（1） 变量管理器：
是对WinCC中的内部变量、外部变量和通讯驱动程序进行管理。
（tagmanagement）
（2） 图形编辑器：
根据用户要求对各种图形画面进行设计并加入动态效果。
（graphicsdesigner）
（3） 报警记录：
通过数据采集分析，实施有效监控报警，并能够将历时数据储存下来（alarmlogging）
（4） 变量归档：
负责处理收集的数据信息，将数据信息记录在模块中以便用户查询（taglogging）
（5） 报表编辑器：
用户可以参照或直接使用模板报表编辑各种所需的报表。
（reportdesigner）
（6） 用户管理器：
用来加密，分层次，使得可操纵性能够得到很好的限制，从而确保了系统的安全性（useradministrator）
2.2.3Wincc软件的性能特点
WinCC系统软件主要有以下几个特点。
（1）其拥有的服务器系统包含所有SCADA功能。
最简单的Wincc系统也能最大化的提供画面的基本内容
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