一种污水处理厂TCP/IP局域网自动控制系统及方法

技术领域

本发明属于污水处理技术领域，涉及一种污水处理厂TCP/IP局域网自动控制系统及方 法，具体地说，涉及一种基于PIC单片机的污水处理厂TCP/IP局域网自动控制系统及方法。

背景技术

国外污水处理厂的自动控制技术起步较早，从大型污水处理厂到小型氧化塘，全部采用 计算机自动控制、遥控和闭路电视等现代化工具。我国污水处理厂直到90年代以后才开始 引进自动控制系统，但多是直接引进国外成套自控设备，国产自动控制系统的应用还比较少。 先后设置PID调节、比值、前馈、后馈、FCS(现场总线控制系统)，DCS(集中分散型控 制系统)和最初的以太网技术，经历了几次重大的变革，自动化水平有了较大的提高。目 前我国污水处理厂最为先进的自动化控制系统是用工业以太网配合FCS作为系统网络，也 是世界上最先进的自动化系统，该系统配以高性能、高可靠的PLC控制站，并具有服务器 的最新一代的控制系统。

可编程控制器(PIC)是以计算机技术为核心的通用工业自动化装置。其最大的特点是 从实际出发，重视产品的性能与价格比，靠发展多种型号来满足不同层次的应用要求。而且 PIC单片机可以精简指令使其执行效率大为提高，其引脚具有防瞬态能力，通过限流电阻可以 接至220V交流电源，可直接与继电器控制电路相连，无须光电耦合器隔离，给应用带来极大 方便，同时降低了生产成本。

TCP/IP(Transmission Control Protocol/Internet Protocol)模型也被称作DoD模型 (Department ofDefense Model)。TCP/IP字面上代表了两个协议：TCP(传输控制协议)和IP (网际协议)。1983年1月1日，在因特网的前身(ARPA网)中，TCP/IP协议取代了旧的 网络控制协议(NCP，Network Control Protocol)，从而成为今天的互联网的基石。

现有技术中采用PLC控制系统的污水处理系统，该污水处理系统采用SBR循环处理的 工艺，即序批式间歇活性污泥法，并结合PLC技术。以期实现污水处理过程的实时检测和 控制，保障生产过程的连续性，降低劳动强度。此工艺由4个池组成，每个SBR处理周期 包括进水、生化反应(曝气)、沉淀、排放等工序，污水在SBR中按序列间歇地进入每个反 应工序。曝气使好氧、缺氧和厌氧状态交替进行，最终达到脱碳、脱氨和脱氮的目的。

主控系统采用PLC和微机组成控制系统。PLC选用日本三菱公司FX系列可编程序控 制器。软件变成采用FXGPW1N实现，组态采用MCGS 6.2实现，PLC作为整个系统的控制 中心，在系统过程中完成水泵、各个调节阀的动作，除污机和潜水搅拌机等的启停，液位检 测信号的输入输出。污水处理远程计算机控制系统采用MCGS组态软件来控制和管理。这 是一套用来构造和生成计算机监控系统的组态软件，通过对现场数据的采集显示、报警处理、 流程控制和报表输出等多种直观方式，向用户提供解决实际问题的方案。从而减少人员操作， 提高污水处理系统的自动性和安全性。该技术存在以下缺陷：

1、该主控系统体积较大，可封装性差。

2、PLC(可编程逻辑控制器)的价格昂贵，成本特别高，不适合装置的批量生产。

3、工业控制中，MCGS读取变量的速度非常慢，导致系统无法对污水实时处理。

4、该污水处理系统为滞后系统，影响污水处理的时效性。

发明内容

本发明的目的在于克服上述技术存在的缺陷，提供一种成本低、使用寿命长、可靠性高、 方便维护的污水处理厂TCP/IP局域网自动控制系统及方法。

其具体技术方案为：

一种污水处理厂TCP/IP局域网自动控制系统，PIC16F877A控制器通过SPI通信协议 实现通信芯片W5500实时交换数据，PIC16F877A控制器作为SPI通信的主控，当控制器 在独立实现本终端控制的数据采集和控制指令输出时，PIC16F877A控制器实时将相关寄存 器的数据通信芯片W5500传送并读取局域网上传送来的数据，通信芯片W5500将数据以 TCP/IP协议输送到局域网上，符合数据地址要求的控制器接收到该数据作出相应的动作响 应，实现终端机的数字和模拟量的控制与采集，实现系统自动化。

一种污水处理厂TCP/IP局域网自动控制方法，包括以下步骤：

(1)；系统通电，主机、从机、终端控制器启动。

(2)；主机与从机通过定义串口相连，主机内部程序运行，通过SPI通信协议实现主机 与从机交换实时数据。

(3)从机通过网线与终端控制器相连，从机将命令指令传送给终端控制器，终端控制 器执行命令，对处理对象进行操作，从而实现系统自动化。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

1、本发明采用低成本器件PIC单片机，减少生产和维护成本。

2、本发明将传统网络系统中的软协议用硬协议代替，提高系统运行的可靠性。

3、本发明将系统核心控制板做成插拔卡，方便检修，从而降低设备维护成本。

4、本发明采用TCP/IP局域网自动控制系统，从而实现控制终端的任意扩展。

5、本发明改善主控系统的性能，延长系统的无故障使用寿命。

附图说明

图1为污水处理厂TCP/IP局域网自动控制系统的结构原理图；

图2为PIC16F877A控制器的结构图；

图3为通信芯片W5500的结构图；

图4为污水处理厂TCP/IP局域网自动控制方法的工程流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案作进一步详细地说明。

参照图1，PIC16F877A控制器通过SPI通信协议实现与通信芯片W5500实时交换数 据，在本系统中PIC16F877A控制器作为SPI通信的主控，当控制器在独立实现本终端控制 的数据采集和控制指令输出时，PIC16F877A控制器实时将相关寄存器的数据向通信芯片 W5500传送并读取局域网上传送来的数据，通信芯片W5500将数据以TCP/IP协议输送到局 域网上，符合数据地址要求的控制器接收到该数据作出相应的动作响应，从而实现终端机的 数字和模拟量的控制与采集，实现系统自动化。

如图2所示，控制系统的核心芯片采用美国微芯公司的PIC16F877A单片机。

PIC16F877A的主要特点表现在：指令均为单周期指令；高灌/拉电流高达25mA；14 个通道10位分辨率A/D转换器；带预分频器的16位定时器/计数器；10位PWM输出 转向steering控制，最大频率为20kHz；支持RS-485、RS-232，主同步串行口(Master  Synchronous Serial Port，MSSP)模块支持3线SPI(总共4种模式)，和带有I2C地址屏 蔽功能的I2C主/从模式通信。

单片机具有通信速度快，外部集成功能多，驱动能力强等特点。不仅可以做到系统的驱 动能力强，又可减少外围电路的设计，提高系统的可靠性；可以满足污水处理的多模拟量的 采集和多数字量的控制。

如图3所示，控制板卡系统的通信芯片采用的是W5500。

W5500是一款全硬件TCP/IP嵌入式以太网控制器，为嵌入式系统提供了更加简易的互 联网连接方案。W5500集成了TCP/IP协议栈，10/100M以太网数据链路层(MAC)及物 理层(PHY)，使得用户使用单芯片就能够在控制系统的应用中拓展网络连接，组成局域控 制网络。由于芯片将TCP/IP协议硬件集成化，不仅提高了系统的通信速度。硬的TCP/IP协 议可做到单片机编程简单，代码少，运行稳定可靠，实时性强。

W5500提供了SPI(外设串行接口)从而能够更加容易与外设MCU整合。W5500的 使用了新的高效SPI协议支持80MHz速率，从而能够更好的实现高速网络通讯。为了减 少系统能耗，W5500提供了网络唤醒模式(WOL)及掉电模式供客户选择使用。

本发明所述系统主要进行了以下三个方面的研究：

(1)控制板卡对于执行负载的控制

将每台电机的控制板卡及电机的驱动器(包括：软启动器、变频器等)安装在一个小控 制柜里，并将控制柜与电机就近安装，这样做到驱动动力线缆较短，不易出现动力传输线 路的故障。

系统以带TCP/IP网络通信收发器PIC16F877A为核心控制器，该款单片机具有高的灌/ 拉电流，多功能的端口复用，内置晶振电路，多种集成的功能模块。通信局域网采用W5500 实现TCP/IP网络通信，W5500是一款全硬件TCP/IP嵌入式以太网控制器，为嵌入式系统提 供了更加简易的互联网连接方案，在电气噪声环境下可提供可靠的通信。PIC16F877A有40 个可使用的I/O口，作为控制器的I/O数量充裕，8路模拟端口，可以满足污水处理的多模拟量 的采集和多数字量的控制。

终端板卡内部的核心芯片原理接线图如图1所示。左侧为系统主机模块采用PIC16F877A 单片机，中间部分为系统从机模块TCP/IP协议芯片W5500，右侧为系统通信接口模块采用 RJ45网线接口。运行工作时，主机与从机之间采用SPI通信协议交换实时数据。通过单片机 的端口定义，实现终端机的数字和模拟量的控制与采集，实现系统自动化。

(2)TCP/IP网络通信的实现

各台机组控制柜的控制板卡之间通过TCP/IP通信来交换信息，并实现与PC上位机的数据 通信，真正实现实时分散控制。控制中的每个节点在执行本机组的控制功能是独立完成的， 控制内容的核心也主要是负责本机组的运行控制(启动、停止、加减速)，并通过传感器采 集本机组的运行工况上传到PC机。

参照图4，本系统采用TCP/IP局域网结构，多终端的扩展采用有线路由器实现，如 果路由器的端口数量不够，采用路由续挂，从而实现更大的局域网更多的终端控制。终端和 路由器之间采用网线连接，可实现远距离终端的数据传送。硬的TCP/IP协议可做到单片机编 程简单，代码少，运行稳定可靠，实时性强。

本系统的核心控制器PIC16F877A采用的C语言编程，程序的编辑和可读性强，编程简 单，系统维护升级方便；PLC的五种标准化编程语言：顺序功能图(SFC)、梯形图(LD)、功 能模块图(FBD)三种图形化语言和语句表(IL)、结构文本(ST)两种文本语言编程编程的灵活性 可读性较C语言要差的多；

PLC一般多采用的是控制器的集中控制、集中安装，控制信号的输出输入离终端负载的 距离较远，这样易造成信号的衰减和干扰的引入。本系统采用的是将每台电机的控制板卡及 电机的驱动器(包括：软启动器、变频器等)安装在一个小控制柜里，并将控制柜与电机就 近安装，这样做到驱动动力线缆较短，不易出现动力传输线路的故障，控制和采集的数据信 号更是段距离传送，从而实现数据的保真传送。

从控制的可靠性的要求来看，由于污水处理厂的控制环境相对良好，无灰尘，无辐射， 无强电磁干扰，所以在这种环境下本控制系统完全可以满足稳定的要求。

从维护的成本看，PLC由于需要专业化程度较高的工程技术人员来维护系统的软硬件； 而本系统的核心控制器是低成本板卡式的，当系统出现故障时，非专业人员只需拔掉板卡换 上替代品即可。

从安装的成本看PLC控制系统除核心控制器的安装外，还需要远距离埋设动力线、控 制信号线和采集信号线，安装的成本高，劳动力大。本控制系统的控制柜是安装在终端负载 的旁边，动力和信号线较短。各终端间只需架设一根网线就可以实现数据的传送。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，本发明的保护范围不限于此，任何熟悉本 技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可显而易见地得到的技术方案的简单变化 或等效替换均落入本发明的保护范围内。