用VC开发污水处理在线控制系统设计与实现

CHINAMEASUREMENTTECHNOLOGYVol130　No15　May,2004　

用VC开发污水处理在线控制系统设计与实现3

蒲　旺　黄大贵

(电子科技大学机械电子工程学院,四川成都610054)

摘　要:针对某一体化氧化沟为主体的污水处理示范工程,构建了基于CAN总线的现场总线自动控制系统。本文分别从污水处理工艺流程、对自动控制系统的要求和控制系统的构建实现等方面进行了详细的阐述,基于

Windows98平台,用VC++610开发了中控室通信与控制程序。

关键词:CAN总线;ADAM5000;在线监测;一体化氧化沟;DeviceNet协议;通信

中图分类号:X70311　　　　文献标识码:A　　　　文章编号:167224984(2004)0520049203

ThedesignandaccomplishmentofsewagetreatmentonlinecontrolsystemwithVC

PUWang,HUANGDa2gui

(CollegeofMechanicalandElectronicEngineering,UniversityofElectroincScienceandTechndogy,Chengdu610054,China)Abstract:ToadvancetheprocesslevelofsewagetreatmentintheIntegratedoxidationditch,WedesignthewholecontrolsystembyusingthemodelofsewagetreatmentDSC,whichisbasedoncontrolareanetwork(CAN)bus1Inthisthesis,Imainlyrespectivelysetforthonartsandcraftsflowofsewagetreatment,requirementoncontrolsystemanddesignofcontrolsystemindetail1AnddevelopthecommunicationandcontrolsoftwareonWindowsplatformusingVC++6101

Keywords:CANbus;ADAM5000;Monitoron2line;Integratedoxidationditch;CanOpenprotocol;Communication

1　前　言

当今世界的水环境面临两大问题:水资源短缺和水污染严重,严峻的水环境形势提高了人们对控制污染的重视,而城市生活污水的排放是造成水污染的原因之一。一体化氧化沟是投资少、站地少、工艺先进的一种城市污水处理方式。其工艺流程图为:

污水处理过程包括以下三个部分:(1)污水站,首先使用粗格栅机过滤去污水中的渣滓,然后用污水泵将过滤后的污水送入沉淀池;(2)一体化氧化沟站,运用活性污泥法去除污水中的有机物,利用生物法净化污水;(3)污泥站,定期将氧化沟中的多于污泥排放入此站。

收稿日期:2004201209;　　收到修改稿日期:2004202210基金项目:四川省重大科技招标项目

作者简介:蒲旺(1973-),男,硕士研究生,主要从事现场控制研究。

整个污水处理系统位置分散,需要监控的状态量和控制量多,从各个站采集的数据送入控制中心要求准确可靠,适合信息社会需要并且安全、高效、舒适、便利和灵活特点的污水处理在线监测系统。CAN总线是德国BOSH公司从80年代初为解决现代汽车中众多的控制与测试仪器之间的数据交换而开发的一种串行数据通信协议,它具有一下特点:

(1)它是一种多主总线,通信介质可以是双绞线、同轴电缆或光导纤维。通信速度可达1Mbps。

(2)CAN总线通信接口中集成了CAN协议的物理层数据链路层功能,可完成对通信数据的成帧处理。包括位填充、数据编码、循环冗余检验、优先级判别等工作。

(3)CAN协议的一个最大特点是废除了传统的站地址编码,而代之以对通信数据块进行编码。采用这种方法的优点可使网络内的节点数在理论上不受限制,数据块的标志码可由211位或229位二进制数组成,因此可以定义211或229个不同的数据

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块。这种按数据块编码的方式,还可使不同的节点同时接受到相同的数据,这一点在分布式控制系统中非常有用。

(4)数据段长度最多为8个字节,可满足通常工业领域中控制命令、工作状态及测试数据的一般要求。同时8个字节不会占用总线时间过长,从而保证了通信的实时性。

(5)CAN协议采用CRC检验并且提供相应的错误处理功能,保证了数据通信的可靠性。CAN卓越的特性、极高的可靠性和独特的设计,特别适合工业过程监控设备的互联,因此,越来越受到工业界的重视,并且已公认为最有前途的现场总线之一。

2　一体化氧化沟融解氧控制原理和曝气设

备转速控制原理

211　氧化沟融解氧控制原理

时,它需要通过两个容积以后才会使融解氧DO升

高,故而我们在控制方案中增加了副调节器。由于供气方面的扰动D2很快就能在储气罐压力PA上表现出来,因此把该压力测量出来,送入副调节器,让它来控制调节阀,那么调节动作就提前了许多,加快了对空气方面扰动的反应速度。

为了保持一体化氧化沟中DO不变,副调节器只能起到稳定储气罐压力的作用,而在污水方面扰动D1的情况下,并不能保证DO符合要求,为此我们设计了主控制器,它的任务就是根据DO值的偏差(相对于给定值Q1r)来改变给定值Q2r,便构成了串级调节控制系统。

为了保证污水处理效果,必须严格控制氧化沟中融解氧DO值,为此采用调节阀来改变空气流量。引起融解氧DO变化的扰动因素来自两个方面:在污水方面有它的流量、环境温度和它的物料化学成分;在供气方面有它的的入口温度和调节阀前面的压力值。在下图中,我们分别用D1和D2代表来自污水方面和供气方面的扰动,它们的作用地点不同,因此对氧化沟中融解氧DO的影响也很不一样。

当供气方面发生扰动,比如供气压力突然增高

212　控制系统硬件选择依据和设备布局

污水处理自动控制系统采用CAN总线现场总线技术,控制系统的布局和连线如图3所示。

在污水处理自控系统设计中,硬件选用台湾研华系列,包括通讯适配卡PCL-841,数据采集与控制单元ADAM5000ΠCAN和若干模拟量输入输出模块,数字量输入输出模块,以及若干双绞线等。

3　系统分析与设计

311　污水处理系统功能的控制方式为状态(开关)

和速度控制以及曝气量大小的控制等

在一体化氧化沟站,ADAM5000ΠCAN控制基于曝气推流一体化的超微孔曝气机装置(3台)的起停,水下推动器的起停(2个),回流泵的起停(2台),

以及水下搅拌器的起停(4台),水下推动器转速控制、空气压缩机(1台)的起停。要显示的量有氧化沟中的液位值(1个)、PH值、出水BOD值、悬浮物浓度值(SS)等参数。312　DAM5000数据采集与控制单元简介

(1)模块之间的通信采用CAN总线,可选择使用高级应用层协议DeviceNet或CANOPEN,具有较高的传输速度和较远的传输距离,并具有很强的抗干扰性。

(2)可以采用一对双绞线进行多点通信,不仅降低了网络布线开支,而且是系统配置灵活,构成简单,便于查错。

(3)ADAM5000系列安装灵活,适合于工业现场

第30卷第5期　　

蒲　旺等:用VC开发污水处理在线控制系统设计与实现

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户在安装好适配卡驱动程序后,就可以通过驱动程序提供的DLL实现对适配卡的操作。一般主要的接口函数有以下几个:

(1)canInitHW(UIsegment,BYTEIRQ1,BYTEIRQ2)为适配卡上Port1,Port2设置中断号;(2)canExitHW()为退出CAN卡设置;(3)canReset(BYTEport)重新设置端口;(4)canConfig(BYTEport,CANSTRUCTcan)对适配卡某一个端口进行配置;(5)canNormalRun(BYTEport)设置某一端口为正常运行

壁挂,上导轨等。

(4)所有的ADAM5000模块允许宽供电电源范围,可在10V～30VDC之间,模块的输入输出全部为隔离保护方式,内部具有看门狗电路,提高了系统的可靠性。313　通信方式

模式;(6)canSendMsg(BYTEport,MSGSTRUCTsend

msg)向某一端口发送信息;(7)canReceiveMsg(BYTEport,MSGSTRUCT3msgptr)从某一个端口接受信

息;这是几个常用的接口函数定义,设计者可以根据需要自己定义其它的函数。

设计良好的通信与控制程序是CAN总线控制系统的关键,基于Win32平台,采用VC++610作为开发工具,整个系统软件设计采用模块化结构,集数据存储、报表生成、动态画面显示、参数在线修改于一体,以实现分布式污水处理系统的柔性化,适应不同产品,还可以随时根据生产情况及专家意见修改程序并进行实时监控,对整个车间乃至全厂的生产状况进行动态跟踪和画面显示,利用VC开发上位机软件时,其中注意涉及到的编程技术有以下几点:

中控室主机通过对PCL-841的操作实现与ADAM5000的通信,同时,现场控制模块ADAM5000

之间也能相互通信交换数据,以此来调整自己的输出变量大小。

4　污水处理自动控制系统软件的设计监控室主机是CAN总线上最重要的一个节点,它参与总线通信是通过一块通信适配卡实现的。用

411　实时运行数据的读取和处理

监控软件中设备实时运行状态的显示通过对设

备实时运行数据的读取来实现,使用Windows定时器就可以了,用SetTimer函数来启动一个定时器,用KillTimer函数来结束一个定时器。监控软件启动时

打开定时器,每次定时器被触发以后,发送一条状态请求信号。接受到回应的状态信号后,更新系统运行状态的显示,在下一次定时器被触发之后,再发送一条状态请求信号。不断循环,直到监控软件退出为止。同时在程序中创建一个辅助工作(下转第36页)

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最高测量电压为kV为单位的探头,可以以1000V为间隔,测量不同电压下的直流衰减倍率的变化率,单位为%ΠkV,在测量结果中选取最大值做为探头的直流衰减系数。313　频带宽度

频率响应是检查探头高频特性一个非常重要的指标,在测量探头频带宽度的同时也检测因谐振对探头产生的影响。测量探头的频带宽度应避免走入误区,即测量使用的设备应选用示波器和稳幅信号源按国家计量检定规程中检定示波器频响的方法通过如图1所示电路对探头进行校准,两种仪器的最高频率都应远大于被测探头的标称频带宽度。如通过测量上升时间的方法来计算频带宽度,是无法检测到电路谐振时的电压变化情况;如使用高频电压表来测量频带宽度,则因高频电压表的输入阻抗不

Ω而引入更大的测量误差。是1M

检定规程中检定示波器上升时间的方法对探头进行

校准。这两种仪器的上升时间应远小于被测探头的标称上升时间,如果相近,则必须通过计算得出探头的实际上升时间,这种方式测量误差较大。315　输入阻抗和输入容抗

用高电阻测量仪对探头的输入阻抗进行测量,用高频阻抗电桥对探头的输入容抗进行测量,确定探头的参数是否符合要求。

4　校准过程中应注意的问题

(1)检测前应先检查探头的补偿功能是否正常。

(2)测试过程中应注意阻抗匹配的问题,否则会

给测量结果带来较大的误差。

(3)测试中应尽量使用屏蔽电缆,如无法全部使用,则接地线应尽量短。

(4)测量频响特性时,如出现电压幅值突然变大,应考虑接地线引起的谐振影响。

(5)测试点应尽量覆盖探头的有效范围。

5　结束语本文所探讨的校准方法及校准系统是从多年的实践经验中总结出来的,在应用到实际检测工作中取得较好的效果,具有一定的通用性,校准精度较高,可以广泛地在计量系统中采用。

314　上升时间

参考文献

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量技术,2001,11

测量上升时间同样按图1所示电路进行连接,使用设备为快沿信号发生器和示波器,按国家计量

(上接第51页)

线程专门来监视CAN口的输入,来完成耗时的后台工作。主线程可以完成数据处理和显示工作。412　DLL调用和通讯部分开发

驱动程序安装好后,将driver1h头文件加入到应用程序中,将ADSAPI321LIB链入应用程序中,同时将ADSAPI321DLL放入Windows目录或应用程序目录中。DLL提供了良好的应用程序和底层程序的接口,使得整个程序运行效率高,平且可维护性好,易于实现模块化。413　对采样结果的处理

常用的数字滤波方法有程序判断滤波、算术平均滤波、加权平均滤波、中值滤波、高通滤波等。由于系统所测的量较多,故而,针对不同的控制回路,采用不同的数字滤波方法。故而每个采样周期连续采5次样并将其从大到小排列,然后去掉最大值和最小值,再把剩下的相加取平均值,即得本次采样值,然后根据DO值控制相应曝气装置的起停。

制的系统结构,硬件选用研华的ADAM5000系列,完成了对整个控制系统的设计和实现;软件上按照CanOpen协议编写出功能强大的通信与控制程序,现整个系统正处在调试期间。另外,ADAM5000系列可以通过TCPΠIP协议直接接入局域网与监控主机通信,但需要增加解释和实现TCPΠIP协议的软件和硬件模块,这方面需要做进一步的研究。CAN总线由于其良好的性能,必将在各个领域都有很好的应用前景。

参考文献

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中的应用1合肥工业大学学报,2002,61

5　结　论

本系统采用了基于CAN总线的数据采集与控