電廠(chǎng)廢水處理控制系統的設計與研究

一、項目簡(jiǎn)介

本電廠(chǎng)廢水處理控制系統項目所在地位于山西省霍州市�；糁莅l(fā)電廠(chǎng)于1967年1月由水利電力部批準籌建，采用火力發(fā)電，裝機容量40萬(wàn)千瓦，年發(fā)電量25億千瓦•時(shí)，主要擔負著(zhù)山西中南部地區工農業(yè)生產(chǎn)及人民生活用電，是山西電網(wǎng)的主力電廠(chǎng)。

霍州發(fā)電廠(chǎng)建設時(shí)正處于中國發(fā)展的特殊年代，在選廠(chǎng)、設計、設備選購、施工、安裝和投產(chǎn)發(fā)電等方面追求簡(jiǎn)易發(fā)電，給安全經(jīng)濟生產(chǎn)留下先天缺陷。由于火力發(fā)電廠(chǎng)是工業(yè)用水大戶(hù)，因此每天的工業(yè)廢水如果直接排放，不僅浪費水資源，而且會(huì )造成嚴重的環(huán)境污染。

以往的廢水處理系統采用人工手動(dòng)控制，造成人員工作強度大，控制效率低，控制工藝落后。本次項目采用全新的自動(dòng)控制系統和監控技術(shù)可以克服以前人工控制精度低、運行操作繁瑣、誤操作可能性大等缺點(diǎn)，該系統的廢水處理工藝流程具有一定的先進(jìn)性，達到了電廠(chǎng)廢水零排放，大大提高了水的利用率。同時(shí)可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò )把監控數據融入整個(gè)電廠(chǎng)的自動(dòng)化管理中，節省人力物力，便于集中管理。通過(guò)本自動(dòng)控制系統把處理過(guò)的廢水再納入整個(gè)電廠(chǎng)的水循環(huán)中，提高電廠(chǎng)用水的效率，節約成本，提高了整體的經(jīng)濟效益。使電廠(chǎng)的自動(dòng)化管理和自動(dòng)化控制生產(chǎn)方面達到一個(gè)新的高度。

二、系統介紹

1． 項目工藝簡(jiǎn)介

本次項目的主要任務(wù)包括含煤廢水的回放、化學(xué)再生廢水收集、主廠(chǎng)房?jì)认到y優(yōu)化消防、生活水系統隔離、生活污水及工業(yè)廢水回用工程。采用一定的污水處理工藝，并通過(guò)自動(dòng)化控制達到預期規定的控制指標。整個(gè)廢水處理系統由收集池、調節水池、凈化器、污泥池、清水池等部分組成，在廢水處理過(guò)程中，我們將系統劃分為五個(gè)子系統來(lái)處理，分別為：凈水系統、儲藥系統、過(guò)渡調節系統、清水回用系統以及污泥濃縮系統。

電廠(chǎng)的廢水處理系統工藝流程圖如圖2所示：圖中的圓代表收集水泵；長(cháng)方形代表集水池；長(cháng)圓罐代表一體化凈化器，系統中共有四個(gè)凈化器，其余三個(gè)在圖中省略。箭頭的指向代表廢水的流向，其流向為從左往右。

圖2  電廠(chǎng)廢水處理系統工藝流程圖

電廠(chǎng)廢水處理系統工藝流程圖

2．項目方案

為保證廢水處理系統安全穩定的運行，該項目中控制器、執行器、監控組態(tài)部分均采用西門(mén)子系列產(chǎn)品，主要有以下幾部分：

a. 負載電源模塊（PS）：PS 307

b. 接口模塊（IM）：IM360，IM361

c. 中央處理單元（CPU）：CPU315-2DP

d. 信號模塊（SM）：數字量輸入模塊SM321，數字量輸出模塊SM322，模擬量輸入模塊SM331，模擬量輸出模塊SM332

e. 執行器：MicroMaster430/420變頻器

f. 監控組態(tài)軟件：WINCC（Windows Control Center）6.0

三、控制系統構成

控制系統的設計包括PLC控制系統部分，系統采集與執行器控制部分以及上位機的監控系統部分。系統結構設計圖如圖3所示。

圖3  系統結構設計圖

圖3  系統結構設計圖

1． 系統硬件配置

在電廠(chǎng)污水處理控制系統中，根據用戶(hù)要求及實(shí)際情況分析，我們采用西門(mén)子公司的S7-300系列產(chǎn)品來(lái)完成此項目。參照西門(mén)子公司提供的產(chǎn)品技術(shù)參數，以S7-300系列中的CPU315-2DP實(shí)現控制功能，由于該系統模擬及數字輸入輸出量較多，采用接口模塊IM360、IM361（主機架使用IM360，擴展機架使用IM361）連接擴展的信號模塊滿(mǎn)足系統要求，其中信號模塊包括若干數字量輸入模塊 SM321，數字量輸出模塊 SM322，模擬量輸入模塊SM331，模擬量輸出模塊SM332。

現場(chǎng)多臺工作泵采用西門(mén)子MicroMaster430變頻器，MicroMaster430變頻器除了具有第四代變頻器的特點(diǎn)以外，還具有應用于風(fēng)機和泵類(lèi)的硬件和軟件特征，尤其適合用于風(fēng)機和水泵負載的控制。使用此種型號的變頻器可以節約能源消耗，降低運行噪聲，對環(huán)境起到很好的保護作用。

電廠(chǎng)污水處理控制系統的輸入輸出信號主要分成4個(gè)部分，放在三個(gè)相連的導軌上：

模擬量輸入：一站集水池液位，二站集水池液位，清水池液位，污泥池液位，過(guò)渡水池液位，溶藥箱液位，流量計和四個(gè)進(jìn)化器的濁度和壓差。

模擬量輸出：四個(gè)控制變頻器（一站收集水泵、回用水泵、加藥計量泵a、加藥計量泵b）。

數字量輸入：分為各個(gè)水泵風(fēng)機的運行，故障反饋信號，手/自動(dòng)選擇信號；各個(gè)閥門(mén)的手動(dòng)開(kāi)，關(guān)控制信號，故障反饋信號和手/自動(dòng)選擇信號。

數字量輸出：分別為對各個(gè)水泵、風(fēng)機的開(kāi)、關(guān)、復位輸出控制信號；各個(gè)閥門(mén)的開(kāi)，關(guān)輸出控制信號；變頻器的啟動(dòng)，復位控制信號。

系統配置了操作員站和工程師站，操作員站的上位機采用研華科技的610H工控機，監控系統使用西門(mén)子WINCC監控組態(tài)軟件，它不僅能很好的支持S7系列的CPU，還集成了多種網(wǎng)絡(luò )連接方式，使上位機與自動(dòng)化系統的連接工作非常方便。而且它提供了適用于工業(yè)的圖形顯示、消息報警、過(guò)程值歸檔以及報表打印等模塊，具有高性能的過(guò)程耦合、快速的畫(huà)面更新、以及可靠的數據管理功能。圖4所示為WINCC組態(tài)示意圖。

圖4  WINCC組態(tài)示意圖

圖4  WINCC組態(tài)示意圖

2．控制方案選擇

在采用本系統實(shí)施方案前，客戶(hù)擬采用CPU315模塊及通信處理器模塊CP343-1實(shí)現系統要求，由于CP343-1有其自身的處理器可連接 SIMATIC S7-300和工業(yè)以太網(wǎng)等 ，可獨立處理數據通信，這樣使得系統可擴展性增強。由于考慮到項目總體預算及成本，本方案將前方案中 CPU315模塊換為CPU315-2DP，并省去通信處理器模塊CP343-1，這樣既滿(mǎn)足了系統要求，又減少了系統模塊，綜合計算后為項目開(kāi)發(fā)節約了不少硬件開(kāi)支。

四、控制系統完成的功能

1．控制系統功能及指標

（1）軟件實(shí)現

根據工藝，整個(gè)系統的程序由下列幾個(gè)部分組成：1#集水池、2#集水池、清水池、調節水池、凈化器正洗、凈化器反洗、加藥、凈化器停止。每個(gè)程序都可以單獨控制和單獨運行，同時(shí)每個(gè)程序又是系統的組成部分，它們之間互相有數據的傳輸。它們組合在一起動(dòng)作就構成了完整的PLC控制系統程序。下圖5為工業(yè)部分現場(chǎng)圖：

圖5   工業(yè)現場(chǎng)

圖5   工業(yè)現場(chǎng)

程序中編程采用STEP 7軟件。這套軟件不僅是一個(gè)簡(jiǎn)單的程序編寫(xiě)軟件，還集成了硬件組態(tài)、網(wǎng)絡(luò )組態(tài)、系統調試、項目管理等各種功能，使項目的實(shí)施更加方便。在本控制系統的完成過(guò)程中，主要進(jìn)行了以下幾部分的程序設計（如圖6）：

圖6 項目OB1中程序結構圖

圖6 項目OB1中程序結構圖

由廢水處理的工藝流程可以知道，廢水在經(jīng)過(guò)一系列的水池后最終進(jìn)入四個(gè)廢水凈化器，在凈化器里經(jīng)過(guò)工藝的處理后排放到清水池中。從程序角度看，四個(gè)廢水凈化器的控制流程一致，因此沒(méi)有必要為每個(gè)凈化器編寫(xiě)一段代碼，只需編寫(xiě)一個(gè)函數塊，讓它們都調用即可。為此，對于在凈化器中的正洗、反洗和停止流程都編寫(xiě)了一個(gè)程序塊，分別是FB11，FB12，FB13。對于每個(gè)凈化器來(lái)說(shuō)只要分別調用相同的函數塊就行，對于每個(gè)凈化器中不同狀態(tài)的數據是利用其不同的數據塊來(lái)加以區別的。這樣在整個(gè)程序中即保持了流程的統一性，即減少了程序代碼，節約了存儲空間，又方便維護和修改。

模擬量信號因為其在傳輸過(guò)程中有可能會(huì )受到其它信號的干擾，而可能出現較大幅度的瞬間變化，而這些值對于系統來(lái)說(shuō)是毫無(wú)用處的，甚至有些還可能引起系統的異常運行。由于模擬量總是隨著(zhù)時(shí)間連續變化的，所以可以利用濾波算法把瞬間變化的干擾信號過(guò)濾掉，把有用的數據傳輸給PLC控制系統處理。在廢水處理控制系統中由于所要求數據處理速度不快，精度也是不要求太高，只是為了防止突然間信號的瞬間變化影響到系統中程序對水質(zhì)，濁度的判斷，所以在系統中使用算術(shù)平均濾波算法，算法處理簡(jiǎn)單，可靠性高，程序編寫(xiě)方便。在程序中定義了FB21作為濾波處理算法的功能塊，相當于函數一樣，參數的傳遞是 Analog_in變量，返回值是Analog_out變量。事實(shí)證明這種算法已經(jīng)能夠滿(mǎn)足現場(chǎng)的實(shí)際需要，取得了良好的效果。

本控制系統使用的CPU 315-2DP中沒(méi)有集成相應的系統功能塊，故程序中使用FB41 “CONT_C”作為PID控制功能塊。 CONT_C可以在S7系列PLC中實(shí)現對于連續輸入輸出變量的PID控制。CONT_C中的PID控制環(huán)節為增量式PID環(huán)節，相關(guān)參數可以通過(guò)輸入參數進(jìn)行實(shí)時(shí)調整。PID控制程序塊與模擬量濾波算法一樣都放在定時(shí)中斷OB35中，它們一個(gè)是輸入濾波，一個(gè)是輸出控制，這樣可以準確地掌握程序運行時(shí)間，提高控制精度。

（2）硬件實(shí)現

電廠(chǎng)污水處理控制系統的輸入輸出信號主要分成4個(gè)部分，分別為模擬量輸入、輸出，數字量輸入、輸出，并放在三個(gè)相連的導軌上，如圖7所示：

圖7   實(shí)際系統的機架結構圖

圖7   實(shí)際系統的機架結構圖

輸入輸出的硬件接口是也是系統設計的一部分，它反映的是PLC輸入輸出與現場(chǎng)設備之間的連接，只有正確連接安裝才能使得PLC讀取到數字量和模擬量，連接方法的不同可以有效地防止現場(chǎng)的干擾，保證數據的正確性。

對于SM321的數字輸入量模塊，在15-25V直流電壓以?xún)榷寄軝z測到信號。由于現場(chǎng)的執行器也是發(fā)出的直流信號，因此把其直接和現場(chǎng)的開(kāi)關(guān)設備連接來(lái)接收開(kāi)關(guān)信號量，圖8給出了的數字量輸入模塊接口示意圖。

圖8  數字量輸入接線(xiàn)原理圖

圖8  數字量輸入接線(xiàn)原理圖

數字量輸出選用晶體管輸出模塊SM322，晶體管輸出的響應時(shí)間短、壽命長(cháng)、輸出口密度高，但是其只能帶直流負載而且帶載能力弱。同時(shí)為了使 PLC的輸出和現場(chǎng)回路之間隔離，在輸出端使用了繼電器，通過(guò)繼電器觸點(diǎn)控制現場(chǎng)負載。這樣使控制器與現場(chǎng)達到了電氣隔離的作用，大大提高了系統的安全性，同時(shí)也使輸出口帶載能力得到了大大的增強。在繼電器旁邊加二極管泄放反電勢能量，起到保護輸出口的作用。圖9給出了數字量輸出模塊接口示意圖。

圖9  數字量輸出接線(xiàn)原理圖

圖9  數字量輸出接線(xiàn)原理圖

SM331采用4-20mA電流輸入連接到傳感器上，采集系統模擬量數據。圖10給出了模擬量輸入模塊接口示意圖。

圖10 模擬量輸入接線(xiàn)原理圖

圖10 模擬量輸入接線(xiàn)原理圖

SM332輸出0-10v電壓連接到變頻器直接給控制信號。圖11給出了模擬量輸出模塊接口示意圖。

圖11  模擬量輸出接線(xiàn)原理圖

圖11  模擬量輸出接線(xiàn)原理圖

2．系統的監控與管理

系統采用WINCC5.2監控組態(tài)軟件在研華科技的610H工控機上實(shí)現監控與管理，為生產(chǎn)與安全帶來(lái)極大的方便。

經(jīng)過(guò)設計，整個(gè)監控系統提供了如下的功能：

（1）在線(xiàn)自動(dòng)監視

系統可對廢水處理裝置的各項儀表數據實(shí)時(shí)的在線(xiàn)監視，并且生動(dòng)直觀(guān)的反應在監控界面上面。系統的刷新數據是1秒，歷史的保存間隔是2分鐘。圖12為廢水處理系統工藝監控界面。

圖12 廢水處理系統工藝監控界面

圖12 廢水處理系統工藝監控界面

（2）在線(xiàn)手動(dòng)控制

系統可提供在線(xiàn)實(shí)時(shí)的對參與控制的各電動(dòng)閥門(mén)和泵的手動(dòng)控制操作。當系統運行中需要進(jìn)行維護或執行其它控制時(shí)，可以在線(xiàn)實(shí)時(shí)的對各個(gè)設備手動(dòng)的單獨控制，而不影響其它設備的正常自動(dòng)運行。

（3）工藝參數在線(xiàn)實(shí)時(shí)設定

系統可以提供在線(xiàn)的實(shí)時(shí)參數修改，當在運行過(guò)程中發(fā)現工藝需要改進(jìn)或其它問(wèn)題，可以由操作員在線(xiàn)改變系統的參數，以使系統工作在最優(yōu)的控制狀態(tài)中，如圖13。

圖13 工藝參數設定

圖13 工藝參數設定

（4）故障診斷和報警

系統可對以下故障自動(dòng)診斷，并發(fā)出預防性的報警。

報警高限：實(shí)時(shí)參數異常偏大，大于設定值，是該監測點(diǎn)處于高報警。

報警底限：實(shí)時(shí)參數異常偏小，小于設定值，是該監測點(diǎn)處于低報警。

報警：當實(shí)時(shí)參數出現異常時(shí)，相應的監測點(diǎn)通過(guò)顏色的變化，提醒操作員注意，進(jìn)行相關(guān)的操作，若需要可以配合聲音報警。

故障報警界面如圖14。

圖14 故障報警界面

圖14 故障報警界面

（5）利用歷史曲線(xiàn)查詢(xún)分析遠程模擬量的情況

利用歷史曲線(xiàn)，可隨時(shí)針對各個(gè)運行點(diǎn)的情況，結合本時(shí)間各監測點(diǎn)的數據，分析系統的運行情況，凈水器的運行狀態(tài)。
運行過(guò)程中，系統將自動(dòng)生成數據報表，并將數據報表保存在歷史數據庫中，以便隨時(shí)查詢(xún)歷史記錄。圖15所示為趨勢曲線(xiàn)界面。

圖15  趨勢曲線(xiàn)界面

圖15  趨勢曲線(xiàn)界面

（6）報表的打印

報表打印可以根據操作員的要求，生成符合要求的系統報表，并且打印。也可以設定讓系統自動(dòng)的根據間隔的時(shí)間實(shí)時(shí)的打印報表。圖16所示為報表打印界面。

圖16  報表打印界面

圖16  報表打印界面

（7）系統指標

系統的數字量輸入點(diǎn)為227個(gè)

系統的數字量輸出點(diǎn)為125個(gè)

系統的模擬量輸入點(diǎn)為15個(gè)通道

系統的模擬量輸出點(diǎn)為4個(gè)通道

系統監測數據刷新時(shí)間為1秒

歷史數據的保存及報表顯示：根據硬盤(pán)存儲器的大小來(lái)決定保存的時(shí)間。保存的間隔為2分鐘，初步估計可以有效存儲13年左右。

3．項目亮點(diǎn)及難點(diǎn)實(shí)現

（1）WINCC定時(shí)器問(wèn)題

在定時(shí)器的使用過(guò)程中，由于設定的定時(shí)時(shí)間是需要根據實(shí)際的工藝來(lái)調整的，為此不能在定時(shí)器中使用常量定時(shí)時(shí)間。要新建DB25數據塊，建立變量的參數時(shí)間選擇TIME數據類(lèi)型，它是一個(gè)32位的數據，T#1D_1H_1M_1S_1MS，前面是一個(gè)標準的例子，表示定時(shí)時(shí)間為1天1小時(shí)1分 1秒1毫秒。使用可變參數是為了和WINCC中通訊，使得現場(chǎng)操作員可以根據當前水質(zhì)等一系列變化調整時(shí)間值，由于在WINCC中沒(méi)有TIME這個(gè)數據類(lèi)型，只能用DWORD32位整型類(lèi)型來(lái)操作，這就涉及到了兩個(gè)數據類(lèi)型的轉換的問(wèn)題。根據實(shí)際情況所得TIME中的1s=1000（DWORD型）。為了減少STEP7中數據的處理量，在WINCC中使用C腳本對數據進(jìn)行了處理。WINCC中的時(shí)間以分為單位，因此 1M=1s＊60=1000＊60=60000（DWORD型）。

（2） 數據網(wǎng)上發(fā)布平臺

本項目中設計了系統數據的網(wǎng)上發(fā)布平臺，在這里有兩種方案可以考慮，一是利用西門(mén)子公司提供的WINCC Web Navigator軟件開(kāi)發(fā)網(wǎng)上的數據傳送系統；二是利用Delphi軟件來(lái)開(kāi)發(fā)網(wǎng)絡(luò )瀏覽系統。由于項目經(jīng)費限制，我們采取了第二種方案。通過(guò)這種方案，界面的設計，和本地化系統的集成就都掌握在設計者手中，使得最后的系統能過(guò)符合客戶(hù)的要求，人性化，易用性都比較高，而開(kāi)發(fā)成本也在控制之中。

（3）WINCC中動(dòng)態(tài)報表的設計

在實(shí)際項目中雖然WINCC提供了變量趨勢顯示、報表功能，滿(mǎn)足了簡(jiǎn)單的歸檔數據訪(fǎng)問(wèn)要求，但不能完成該廢水處理工程項目提出的復雜數據處理要求（如：進(jìn)行有條件的查詢(xún)和打印，任意時(shí)間、任意區段的查詢(xún)等）。因此，在設計過(guò)程中對歸檔數據復雜查詢(xún)技術(shù)進(jìn)行了研究。WINCC是一個(gè)全面開(kāi)放的組態(tài)軟件，它可方便地集成標準Windows應用的對象、函數和文檔；提供了訪(fǎng)問(wèn)所有WINCC功能的API編程接口；集成了OLE/OCX和 ActiveX對象；它允許通過(guò)標準接口（標準SQL數據庫）訪(fǎng)問(wèn)歸檔數據庫；通過(guò)DDE、OPC接口與其它Windows程序進(jìn)行數據交換。這些開(kāi)放性為自行擴展和進(jìn)一步豐富WINCC軟件的功能、解決該工程問(wèn)題提供了可能。在本項目中應用ActiveX技術(shù)實(shí)現WINCC歸檔數據復雜查詢(xún)解決該工程問(wèn)題是可行的：根據用戶(hù)對控制系統有條件查詢(xún)、打印的要求，運用Delphi設計ActiveX控件，然后在WINCC中調用該控件，最終實(shí)現WINCC不能完成的復雜歸檔數據訪(fǎng)問(wèn)任務(wù)。

五、結束語(yǔ)

系統于2004年10月投入運行，兩年來(lái)系統運行良好，未進(jìn)行任何維修，電廠(chǎng)廢水達到了零排放，大大提高了水的利用率。

六、應用體會(huì )

在項目進(jìn)行的過(guò)程中，西門(mén)子在工控領(lǐng)域中安全、可靠、成熟、高效的產(chǎn)品及解決方案為項目的順利進(jìn)行提供了保證和保障。西門(mén)子的TIA理念及產(chǎn)品特點(diǎn)，著(zhù)眼于整個(gè)工廠(chǎng)的控制和管理，采用統一的數據管理、統一的編程組態(tài)平臺、統一的通訊規范和靈活的結構配置，從另一側面保證了項目的順利完成。

本項目使用了WINCC監控軟件，由于軟件優(yōu)越的開(kāi)放性，解決了項目中的監控方面的難點(diǎn)問(wèn)題，如WINCC中動(dòng)態(tài)報表的設計等功能。而統一的國際標準編程語(yǔ)言及現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)的應用，以及項目中軟硬件設計的模塊化，更體現了本系統的可擴展性與可維護性。

附：參考文獻

1  肖萍．火電廠(chǎng)排放廢水的處理與回用．江蘇環(huán)境科技．1998（3）：18-19

2  STEP 7 V5.2 編程手冊．SIEMENS AG．2002

3  S7-300可編程序控制器硬件和安裝手冊．SIEMENS AG．2004

4  WINCC編程指南．SIEMENS AG．1998

5  求是科技．Visual Basic 6.0數據庫開(kāi)發(fā)技術(shù)與工程實(shí)踐．人民郵電出版社，2004 來(lái)源：谷騰水網(wǎng)