基于Arduino、PLC的水處理廠SCADA

描述

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抽象的

PLC技術“編程控制系統”是當今工廠和工業中一種非常有趣且至關重要的現代自動化類型。由于這項技術在幾十年前就出現了，但它仍然是世界上最常用和最實用的控制系統之一。

SCADA“監督控制和數據采集”是一種控制系統架構，包括計算機、網絡數據通信和圖形用戶界面，用于對機器和過程進行高級監督。

如今，幾乎所有簡單和復雜的行業都有這些類型的自動化，任何工廠的兩個主要部分是這里使用PLC實現的控制系統和這里由基于計算機的SCADA系統設計的監控或操作部分。

我們可以將此項目應用于任何水處理廠，它是基于其傳感器類型的原型，但如果使用工業傳感器，我們可以控制大規模的水過濾或處理廠。

該項目設計為三層，第一層是控制層，傳感器收集所有物理數據，如液位和溫度，并將它們組合在一起并通過工業協議發送到 PLC，第二層是數據處理和執行的控制層。 PLC 內部的邏輯 所有根據IEC 61131-3 編寫的邏輯和監管層都是通過使用工業協議和SCADA 系統來完成的，以將數據顯示給遠程控制站中的操作員。

該項目是對大型實際工業項目的模仿，我們可以使用此設計來配置和操作甚至維護和排除大型項目的故障。想要從事這個項目的學生將收集到足夠的知識，在他的真實工程生活中成為一名優秀的工程師。

縮寫

• PLC可編程邏輯控制器

• IDE 集成開發環境

• USB 通用串行總線

• SCADA 監控和數據采集

• K1 泵 1 繼電器

• K2 泵 2 繼電器

• L1-L2 超聲波液位傳感器 1 和 2

• LPS 低壓開關

• RTD電阻溫度檢測器

• 肌電圖緊急

• RS485 是定義用于串行通信系統的驅動器和接收器的電氣特性的標準。

• RS232 推薦標準 232 是最初于 1960 年引入的用于數據串行通信傳輸的標準。

• HMI人機界面

• Modbus Modicon（現為施耐德電氣）總線

• RTU 遠程終端單元

• TIA Portal 全集成自動化

• LCD 液晶顯示器

• ACK 確認

• TT 溫度變送器

• NO-NC 常開 – 常閉

介紹

可編程邏輯控制器 (PLC) 或可編程控制器是一種工業計算機，經過加固和調整，可用于控制制造過程，例如裝配線、機器、機器人設備或任何需要高可靠性、易于編程和過程故障診斷的活動. 迪克莫利被認為是 PLC 之父，因為他在 1968 年為通用汽車公司發明了第一臺 PLC，即 Modicon084。

PLC 的范圍從具有數十個輸入和輸出 (I/O) 的小型模塊化設備，與處理器集成在一個外殼中，到具有數千個 I/O 的大型機架式模塊化設備，這些設備通常與其他 PLC 和 SCADA 系統聯網。

問題陳述

當今行業競爭力的高度提高需要具有競爭力價格的高質量和最穩定的產品。為了應對這一挑戰，許多行業都在考慮各種新產品設計和集成制造技術，同時使用自動化設備。

獲得上述挑戰的解決方案的顯著且有影響力的舉措之一是工業自動化。工業自動化有助于提高產品質量、可靠性和生產率，同時通過采用新的、創新的和集成的技術和服務來降低生產和設計成本。

自動化更進一步的機械化，使用特定的機械機制輔助人類操作員執行任務。機械化是使用取決于人類決策的動力機械手動操作任務。

另一方面，自動化通過使用邏輯編程命令和強大的機器取代了人類的參與

工業自動化是用計算機和機器代替人類思維。自動化一詞的含義是“自我指示”或“一種機制自行移動”，源自希臘詞 Auto 和 Matos，其中 auto 表示自我，而 Matos 表示移動。

簡而言之，工業自動化可以定義為使用成套技術和自動控制裝置，實現工業過程的自動運行和控制，無需大量人為干預，并獲得優于手動控制的性能。這些自動化設備包括PLC、PC、PAC等，技術包括各種工業通信系統。

客觀的

集中式水處理廠基于混凝、絮凝和消毒過程，被發現在處理大量水時最具成本效益。然而，它們需要大量的基礎設施成本，這在發展中國家的農村地區難以籌集，并且通常使用政府資金進行安裝。因此，集中處理只存在于發展中國家的大都市，主要惠及城市人口。水到集中處理廠和從處理廠到個別家庭的運輸成本是另一項主要費用，將其收益限制在遠離處理廠的地區。

因此，集中處理廠一般安裝在淡水資源（河流湖泊）附近，使生活在這些水體附近的人們受益。

項目意義

WaterTreatment Plants 處理來自不同水體的水并對其進行凈化，使其適合飲用以及其他日?；顒?。水處理廠從水中去除化學物質、顆粒物、有機物以及其他雜物并處理水，從而產生可用于烹飪、清潔等的清潔飲用水。水處理廠從事凈化水并使其適用人類消費確保防止任何短期或長期的健康風險，因為污染的水的不利影響。

項目范圍

該項目的主要目標是使用 PLC 和 SCADA 系統開發學生出勤率。該項目將涵蓋四個范圍。首先是設計和實施水處理廠的理念，專門做布線和修復設計的故障，其次是習慣梯形圖編程等PLC邏輯，第三是了解如何使用Modbus等工業協議，最后設計并實現了一個將所有這些方面結合在一個屏幕中的 SCADA 系統。

理論框架：

XG5000 Ls PLC軟件：

LS Industrial Systems (LSIS) 是韓國領先的 PLC 制造商。用PLC系列分為許多不同的段。從緊湊型PLC到模塊化PLC，LS IS越來越多地出現在工業化市場。

今天plc247.com想和大家分享一下XG5000軟件，用于對一些LS PLC進行編程，包括：

+ XGT：XGK CPUU、XGK CPUH、XGK CPUA、XGK CPUS、XGK CPUE、XGI 系列、XGR 系列。

+ XGB、XGT 系列：XBM、XBC、XEC。

2. TIA Portal(WinCC) SCADA軟件：

借助全集成自動化門戶 (TIA Portal)，您不僅可以集成基本軟件（SIMATICSTEP 7、SIMATIC WinCC、SINAMICS Startdrive、SIMOCODE ES 和 SIMOTIONSCOUT TIA），而且還可以通過諸如 TIA Portal Multiuser Engineering 和通過單一界面使用 SIMATIC Energy Suite 進行能源管理。這就是使 TIA Portal 不僅僅是一個工程框架的原因。

3. Modbus MasterData 掃描儀：

ModScan是一個作為 modbus 主機運行的 Windows 應用程序。它允許您使用 RTU 或 ASCII 傳輸模式訪問和更改連接的從設備中的數據點。ModScan 非常適合對 modbus 協議進行快速簡便的一致性測試，其內置的串行流量顯示允許有效地排除現場連接故障。

4. Arduino IDE：

開源的 Arduino 軟件 (IDE) 可以輕松編寫代碼并將其上傳到開發板。該軟件可與任何 Arduino 板一起使用。

有關安裝說明，請參閱入門頁面。

源代碼

Arduino 軟件的積極開發由 GitHub托管。請參閱構建代碼的說明。最新發布的源代碼檔案可在此處獲得。這些檔案是 PGP 簽名的，因此可以使用這個gpgkey 對其進行驗證。

2.2 實用框架

1.阿杜諾：

是一個用于構建電子項目的開源平臺。Arduino 由一個物理可編程電路板（通常稱為微控制器）和一個軟件組成，或在您的計算機上運行的 IDE（集成開發環境），用于將計算機代碼寫入和上傳到物理板。Arduino 平臺在剛開始接觸電子產品的人們中非常受歡迎，并且有充分的理由與大多數以前的可編程電路板不同，Arduino 不需要單獨的硬件（稱為編程器）來將新代碼加載到板上 - 你可以只需使用 USB 電纜。此外，Arduino IDE 使用 C++ 的簡化版本，更易于學習編程。最后，Arduino 提供了一個標準的外形尺寸，將微控制器的功能分解為更易于訪問的封裝 (1)。

Uno 是 Arduino 家族中比較受歡迎的板子之一，也是初學者的絕佳選擇。我們將在本教程后面討論它的內容以及它可以做什么。

1)超聲波傳感器 HC-SR04

UltrasonicSensor HC-SR04 是一款可以測量距離的傳感器。它會發射 40 000 Hz (40kHz) 的超聲波，該超聲波在空氣中傳播，如果其路徑上有物體或障礙物，它將反彈回模塊。考慮到傳播時間和聲音的速度，您可以計算距離。

HC-SR04 的配置引腳為 VCC(1)、TRIG (2)、ECHO (3) 和 GND (4)。VCC 的電源電壓為 +5V，您可以將 TRIG 和 ECHO 引腳連接到 Arduino 板上的任何數字 I/O。

2)液晶顯示器 (LCD)

液晶庫允許您控制與 Hitachi HD44780 驅動程序兼容的 LCD 顯示器。那里有很多，你通?？梢酝ㄟ^ 16 針接口告訴他們。

在 16x2 LCD 上輸出草圖

LCD 具有并行接口，這意味著微控制器必須同時操作多個接口引腳來控制顯示器。該接口由以下引腳組成：

一個寄存器選擇 (RS) 引腳，用于控制您在 LCD 內存中寫入數據的位置。您可以選擇保存屏幕內容的數據寄存器或指令寄存器，這是 LCD 控制器查找下一步操作指令的地方。

一個讀取/寫入（R/W）引腳，用于選擇讀取模式或寫入模式

啟用寫入寄存器的Enablepin

8個數據引腳 (D0 -D7) 。這些引腳的狀態（高或低）是您在寫入時寫入寄存器的位，或者是您在讀取時讀取的值。

還有一個顯示對比度引腳（Vo）、電源引腳（+5V 和 GND）和LEDBacklight（Bklt+ 和 BKlt-）引腳，可用于為 LCD 供電、控制顯示對比度以及打開和關閉 LED 背光，分別。

3) MAX485 TTLRS485

RS-485 是一種異步串行通信協議，因為沒有與數據一起傳輸的同步時鐘信號。RS-485 使用差分信號將二進制數據從一個設備傳輸到另一個設備。差分信號通過使用5V正負產生差分電壓來工作。這種差分信號方法具有抑制共模噪聲的優勢。

RS-485 支持的最大數據傳輸速率為 30 Mbps。RS-485 還支持具有單個主站的多個從站。RS-485 協議最多可以連接 32 個設備。

在這個項目中，我們將使用 MAX485 模塊在兩個 Arduino 之間的通信中實現 RS-485 協議。該模塊使用 5V 作為操作

電壓并具有如下表所示的引腳配置。

RS-485 模塊作為發射器

為了用作發送器，RE 腳和 DE 腳必須接 5V，DI 腳接 TX。數據從 Arduino TXpin 發送到模塊 DI 引腳，然后數據將通過 AB 發送。

RS-485 模塊作為接收器

為了用作接收器，RE 引腳和 DE 引腳必須連接到 GND，RO 引腳連接到 RX。AB 接收到的數據將被發送到連接到 Arduino RX 引腳的 RO 引腳，以便 Arduino 可以讀取數據。

RS-485 可以實現為三種類型的串行通信系統：單工、半雙工和全雙工。但是在這個項目中，我們只實現了單工和半雙工。

2.PLC _

1)特點

XGB系統的特點如下。

(1) 系統保證以下高性能。

(a) 處理速度快

(b) 最大。支持中小型系統實施的384I/O控制

(c) 足夠的方案能力

(d) 支持浮點的擴展應用

2)輸入輸出接線術語

接收器邏輯

對于匯邏輯，NPN 晶體管為電氣負載提供接地路徑。為了使 NPN 晶體管電路工作，它必須連接到 PNP 晶體管電路。換言之，接收邏輯電路需要連接到源邏輯電路。

圖 1 顯示了連接到源數字輸入的漏數字輸出。輸入電路連接在正電源側 (Vcc) 和 NPN 晶體管之間。

源邏輯

對于源邏輯，PNP 晶體管為電氣負載提供電壓路徑。要使 PNP 晶體管電路工作，它必須連接到 NPN 晶體管電路。換言之，源邏輯電路需要連接到接收邏輯電路。

圖 2 顯示了一個源數字輸出，它連接到一個漏數字輸入。輸入電路連接在 PNP 晶體管和電源 GND (0v) 之間。

3) XBG系統配置

XGB 系列系統配置如下。擴展 I/O 模塊和特殊模塊可用于

“S”型最多連接7級，“H”型最多連接10級?？蓴U展通信模塊

最多連接 2 個階段

4)下載線

PLC 通信可能需要從 RS232 串行到 Micro USB 到 Cat5e 以太網的各種電纜和連接。一系列專用 PLC 通信電纜可用于 PLC 編程和 I/O 擴展。由于 CPU 提供了許多不同的通信端口可能性，因此準確了解所需的通信電纜會很有幫助。LS PLC XGB 系列 PMC-310SLoader 電纜連接電纜（PC 到 PLC），9pin-6pin。

由于這種特殊電纜不可用，替代選項使用 USB 作為下載電纜

5)部件名稱和功能

項目理念

首先這個項目設計為水處理廠的一部分，如下圖所示，我們在這個項目中有兩個主要的水箱，左邊的水箱叫做 Tank1，右邊的水箱叫做 Tank2，所有的過程都將使用tank1 喜歡聯邦和水平控制。關于右邊的儲水箱，我們可以將處理后的水儲存在Tank2中以供進一步使用。

水平計算

我們使用了兩個超聲波傳感器來計算每個罐的液位，因為 PLC 沒有任何模擬輸入，我們添加了這些傳感器來為我們的項目及其穩定性和敏銳度添加更多選項。

最終安裝如下圖所示

1號傳感器在內置圖紙上稱為Level1或L1，它位于水箱1上以測量其液位，L2是水箱2的液位變送器。根據PLC內部的邏輯，L1確保水箱1充滿水在開始過濾過程之前，L2 確保在啟動泵之前我們有水。這兩個傳感器也參與關閉泵。當水位變淺時，PLC 內部的一些計時器開始計算特定泵的轉動。

水循環過程

水循環過程是該項目的關鍵部分之一，我們使用了兩個泵來填充或從水箱中吸水，它們的位置如下圖所示

連接到 Tank1 的過濾器及其泵是該項目中可用的主要處理單元，它們有一個低壓開關或 LPS，它可以防止泵在處理階段在沒有水的情況下工作。

本地控制面板

任何工業工廠都應該有一個本地控制面板，可以控制現場的一些處理選項，因此在這種情況下，我們添加了這樣一個很酷的控制面板，以便在沒有 SCADA 系統的情況下提供本地控制過程的選項，我們可以通過選擇遠程或本地過程來選擇SCADA 主屏幕上的遠程開關。

這個怎么運作

plc 不斷檢查所有傳感器，如果沒有緊急情況或錯誤，將準備好執行。緊急按鈕的好處是用于對整個工廠進行呼喊，并在緊急情況下一直處于警報狀態，直到緊急情況到達其正常位置。確認按鈕可用于重置 PLC 內的所有程序，如定時器和其他代碼。RUN 指示燈顯示正在執行的過程，但報警指示燈以不同的閃爍速度顯示錯誤和緊急情況。通過使用選擇器，我們可以選擇過濾過程或在選擇適當的過程后重新填充，我們可以按開始執行邏輯并停止以取消邏輯，即使在過程中間也是如此。

PLC會按照里面的邏輯這樣工作

• · 檢查 Tank1 中的水位

• · 檢查選擇器位置

• · 檢查 SCADA 的遠程/本地狀態

• · 如果選擇了本地控制并且沒有警報，泵將啟動

• · 1.5 分鐘后，PLC 將檢查 LPS 的壓力

• · 2.5 分鐘后，PLC 將關閉泵并運行泵1

• · 當 Tank1 中的液位達到淺水位時，泵 1 將關閉

• · 如果選擇器處于 Refill 位置并且操作員按下開始

• · PLC 將儲罐排至 Tank1

• · 如果 PLC 溫度超過 35C 的限制，冷卻風扇將啟動

5. 溫度 – fandiagram

該風扇旨在防止 PLC 過熱，并由連接到 Arduino 的 TT 溫度變送器控制，所有數據通過 Modbus 協議傳輸到 PLC 以控制風扇，如果溫度升至 35C 以上，它將運行冷卻風扇并如果溫度低于或將低于 35 Cit 將關閉它。

PLC 轉 SCADA RS-232

僅使用 3 個引腳將 PLC 與 PC (SCADA) 連接

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