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一、項目簡介
本電廠廢水處理控制系統(tǒng)項目所在地位于山西省霍州市。霍州發(fā)電廠于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40萬千瓦，年發(fā)電量25億千瓦·時，主要擔負著山西中南部地區(qū)工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及人民生活用電，是山西電網(wǎng)的主力電廠。
霍州發(fā)電廠建設(shè)時正處于中國發(fā)展的特殊年代，在選廠、設(shè)計、設(shè)備選購、施工、安裝和投產(chǎn)發(fā)電等方面追求簡易發(fā)電，給安全經(jīng)濟生產(chǎn)留下先天缺陷。由于火力發(fā)電廠是工業(yè)用水大戶，因此每天的工業(yè)廢水如果直接排放，不僅浪費水資源，而且會造成嚴重的環(huán)境污染。
以往的廢水處理系統(tǒng)采用人工手動控制，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控制系統(tǒng)和監(jiān)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，該系統(tǒng)的廢水處理工藝流程具有一定的先進性，達到了電廠廢水零排放，大大提高了水的利用率。同時可以通過網(wǎng)絡(luò)把監(jiān)控數(shù)據(jù)融入整個電廠的自動化管理中，節(jié)省人力物力，便于集中管理。通過本自動控制系統(tǒng)把處理過的廢水再納入整個電廠的水循環(huán)中，提高電廠用水的效率，節(jié)約成本，提高了整體的經(jīng)濟效益。使電廠的自動化管理和自動化控制生產(chǎn)方面達到一個新的高度。
圖1 霍州發(fā)電廠污水處理池外景
二、系統(tǒng)介紹
1． 項目工藝簡介
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、主廠房內(nèi)系統(tǒng)優(yōu)化消防、生活水系統(tǒng)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，并通過自動化控制達到預(yù)期規(guī)定的控制指標。整個廢水處理系統(tǒng)由收集池、調(diào)節(jié)水池、凈化器、污泥池、清水池等部分組成，在廢水處理過程中，我們將系統(tǒng)劃分為五個子系統(tǒng)來處理，分別為：凈水系統(tǒng)、儲藥系統(tǒng)、過渡調(diào)節(jié)系統(tǒng)、清水回用系統(tǒng)以及污泥濃縮系統(tǒng)。
電廠的廢水處理系統(tǒng)工藝流程圖如圖2所示：圖中的圓代表收集水泵；長方形代表集水池；長圓罐代表一體化凈化器，系統(tǒng)中共有四個凈化器，其余三個在圖中省略。箭頭的指向代表廢水的流向，其流向為從左往右。
圖2 電廠廢水處理系統(tǒng)工藝流程圖
2．項目方案
為保證廢水處理系統(tǒng)安全穩(wěn)定的運行，該項目中控制器、執(zhí)行器、監(jiān)控組態(tài)部分均采用西門子系列產(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(shù)字量輸入模塊SM321，數(shù)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(zhí)行器：MicroMaster430/420變頻器
f. 監(jiān)控組態(tài)軟件：WINCC(Windows Control Center)6.0
三、控制系統(tǒng)構(gòu)成
控制系統(tǒng)的設(shè)計包括PLC控制系統(tǒng)部分，系統(tǒng)采集與執(zhí)行器控制部分以及上位機的監(jiān)控系統(tǒng)部分。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計圖如圖3所示。
圖3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計圖
1． 系統(tǒng)硬件配置
在電廠污水處理控制系統(tǒng)中，根據(jù)用戶要求及實際情況分析，我們采用西門子公司的S7-300系列產(chǎn)品來完成此項目。參照西門子公司提供的產(chǎn)品技術(shù)參數(shù)，以S7-300系列中的CPU315-2DP實現(xiàn)控制功能，由于該系統(tǒng)模擬及數(shù)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足系統(tǒng)要求，其中信號模塊包括若干數(shù)字量輸入模塊 SM321，數(shù)字量輸出模塊 SM322，模擬量輸入模塊SM331，模擬量輸出模塊SM332。
現(xiàn)場多臺工作泵采用西門子MicroMaster430變頻器，MicroMaster430變頻器除了具有第四代變頻器的特點以外，還具有應(yīng)用于風(fēng)機和泵類的硬件和軟件特征，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(jié)約能源消耗，降低運行噪聲，對環(huán)境起到很好的保護作用。
電廠污水處理控制系統(tǒng)的輸入輸出信號主要分成4個部分，放在三個相連的導(dǎo)軌上：
l 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，過渡水池液位，溶藥箱液位，流量計和四個進化器的濁度和壓差。
l 模擬量輸出：四個控制變頻器（一站收集水泵、回用水泵、加藥計量泵a、加藥計量泵b）。
l 數(shù)字量輸入：分為各個水泵風(fēng)機的運行，故障反饋信號，手/自動選擇信號；各個閥門的手動開，關(guān)控制信號，故障反饋信號和手/自動選擇信號。
l 數(shù)字量輸出：分別為對各個水泵、風(fēng)機的開、關(guān)、復(fù)位輸出控制信號；各個閥門的開，關(guān)輸出控制信號；變頻器的啟動，復(fù)位控制信號。
系統(tǒng)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(jiān)控系統(tǒng)使用西門子WINCC監(jiān)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，使上位機與自動化系統(tǒng)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、過程值歸檔以及報表打印等模塊，具有高性能的過程耦合、快速的畫面更新、以及可靠的數(shù)據(jù)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
2．控制方案選擇
在采用本系統(tǒng)實施方案前，客戶擬采用CPU315模塊及通信處理器模塊CP343-1實現(xiàn)系統(tǒng)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(shù)據(jù)通信，這樣使得系統(tǒng)可擴展性增強。由于考慮到項目總體預(yù)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，這樣既滿足了系統(tǒng)要求，又減少了系統(tǒng)模塊，綜合計算后為項目開發(fā)節(jié)約了不少硬件開支。
四、控制系統(tǒng)完成的功能
1．控制系統(tǒng)功能及指標
（1）軟件實現(xiàn)
根據(jù)工藝，整個系統(tǒng)的程序由下列幾個部分組成：1#集水池、2#集水池、清水池、調(diào)節(jié)水池、凈化器正洗、凈化器反洗、加藥、凈化器停止。每個程序都可以單獨控制和單獨運行，同時每個程序又是系統(tǒng)的組成部分，它們之間互相有數(shù)據(jù)的傳輸。它們組合在一起動作就構(gòu)成了完整的PLC控制系統(tǒng)程序。下圖5為工業(yè)部分現(xiàn)場圖：
圖5 工業(yè)現(xiàn)場
程序中編程采用STEP 7軟件。這套軟件不僅是一個簡單的程序編寫軟件，還集成了硬件組態(tài)、網(wǎng)絡(luò)組態(tài)、系統(tǒng)調(diào)試、項目管理等各種功能，使項目的實施更加方便。在本控制系統(tǒng)的完成過程中，主要進行了以下幾部分的程序設(shè)計（如圖6）：
圖6 項目OB1中程序結(jié)構(gòu)圖
圖6中：DB11-DB14： 對應(yīng)四個凈化器的正洗背景數(shù)據(jù)塊
DB15-DB18： 對應(yīng)四個凈化器的反洗背景數(shù)據(jù)塊
DB19-DB22： 對應(yīng)四個凈化器的停止背景數(shù)據(jù)塊
l 由廢水處理的工藝流程可以知道，廢水在經(jīng)過一系列的水池后最終進入四個廢水凈化器，在凈化器里經(jīng)過工藝的處理后排放到清水池中。從程序角度看，四個廢水凈化器的控制流程一致，因此沒有必要為每個凈化器編寫一段代碼，只需編寫一個函數(shù)塊，讓它們都調(diào)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了一個程序塊，分別是FB11，FB12，FB13。對于每個凈化器來說只要分別調(diào)用相同的函數(shù)塊就行，對于每個凈化器中不同狀態(tài)的數(shù)據(jù)是利用其不同的數(shù)據(jù)塊來加以區(qū)別的。這樣在整個程序中即保持了流程的統(tǒng)一性，即減少了程序代碼，節(jié)約了存儲空間，又方便維護和修改。
l 模擬量信號因為其在傳輸過程中有可能會受到其它信號的干擾，而可能出現(xiàn)較大幅度的瞬間變化，而這些值對于系統(tǒng)來說是毫無用處的，甚至有些還可能引起系統(tǒng)的異常運行。由于模擬量總是隨著時間連續(xù)變化的，所以可以利用濾波算法把瞬間變化的干擾信號過濾掉，把有用的數(shù)據(jù)傳輸給PLC控制系統(tǒng)處理。在廢水處理控制系統(tǒng)中由于所要求數(shù)據(jù)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(tǒng)中程序?qū)λ|(zhì)，濁度的判斷，所以在系統(tǒng)中使用算術(shù)平均濾波算法，算法處理簡單，可靠性高，程序編寫方便。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(shù)一樣，參數(shù)的傳遞是Analog_in變量，返回值是Analog_out變量。事實證明這種算法已經(jīng)能夠滿足現(xiàn)場的實際需要，取得了良好的效果。
l 本控制系統(tǒng)使用的CPU 315-2DP中沒有集成相應(yīng)的系統(tǒng)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中實現(xiàn)對于連續(xù)輸入輸出變量的PID控制。CONT_C中的PID控制環(huán)節(jié)為增量式PID環(huán)節(jié)，相關(guān)參數(shù)可以通過輸入?yún)?shù)進行實時調(diào)整。PID控制程序塊與模擬量濾波算法一樣都放在定時中斷OB35中，它們一個是輸入濾波，一個是輸出控制，這樣可以準確地掌握程序運行時間，提高控制精度。
（2）硬件實現(xiàn)
電廠污水處理控制系統(tǒng)的輸入輸出信號主要分成4個部分，分別為模擬量輸入、輸出，數(shù)字量輸入、輸出，并放在三個相連的導(dǎo)軌上，如圖7所示：
圖7 實際系統(tǒng)的機架結(jié)構(gòu)圖
輸入輸出的硬件接口是也是系統(tǒng)設(shè)計的一部分，它反映的是PLC輸入輸出與現(xiàn)場設(shè)備之間的連接，只有正確連接安裝才能使得PLC讀取到數(shù)字量和模擬量，連接方法的不同可以有效地防止現(xiàn)場的干擾，保證數(shù)據(jù)的正確性。
對于SM321的數(shù)字輸入量模塊，在15-25V直流電壓以內(nèi)都能檢測到信號。由于現(xiàn)場的執(zhí)行器也是發(fā)出的直流信號，因此把其直接和現(xiàn)場的開關(guān)設(shè)備連接來接收開關(guān)信號量，圖8給出了的數(shù)字量輸入模塊接口示意圖。
圖8 數(shù)字量輸入接線原理圖
數(shù)字量輸出選用晶體管輸出模塊SM322，晶體管輸出的響應(yīng)時間短、壽命長、輸出口密度高，但是其只能帶直流負載而且?guī)лd能力弱。同時為了使PLC的輸出和現(xiàn)場回路之間隔離，在輸出端使用了繼電器，通過繼電器觸點控制現(xiàn)場負載。這樣使控制器與現(xiàn)場達到了電氣隔離的作用，大大提高了系統(tǒng)的安全性，同時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(shù)字量輸出模塊接口示意圖。
圖9 數(shù)字量輸出接線原理圖
SM331采用4-20mA電流輸入連接到傳感器上，采集系統(tǒng)模擬量數(shù)據(jù)。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 模擬量輸出接線原理圖
2．系統(tǒng)的監(jiān)控與管理
系統(tǒng)采用WINCC5.2監(jiān)控組態(tài)軟件在研華科技的610H工控機上實現(xiàn)監(jiān)控與管理，為生產(chǎn)與安全帶來極大的方便。
經(jīng)過設(shè)計，整個監(jiān)控系統(tǒng)提供了如下的功能：
(1) 在線自動監(jiān)視
系統(tǒng)可對廢水處理裝置的各項儀表數(shù)據(jù)實時的在線監(jiān)視，并且生動直觀的反應(yīng)在監(jiān)控界面上面。系統(tǒng)的刷新數(shù)據(jù)是1秒，歷史的保存間隔是2分鐘。圖12為廢水處理系統(tǒng)工藝監(jiān)控界面。
圖12 廢水處理系統(tǒng)工藝監(jiān)控界面
(2)在線手動控制
系統(tǒng)可提供在線實時的對參與控制的各電動閥門和泵的手動控制操作。當系統(tǒng)運行中需要進行維護或執(zhí)行其它控制時，可以在線實時的對各個設(shè)備手動的單獨控制，而不影響其它設(shè)備的正常自動運行。
(3)工藝參數(shù)在線實時設(shè)定
系統(tǒng)可以提供在線的實時參數(shù)修改，當在運行過程中發(fā)現(xiàn)工藝需要改進或其它問題，可以由操作員在線改變系統(tǒng)的參數(shù)，以使系統(tǒng)工作在最優(yōu)的控制狀態(tài)中，如圖13。
圖13 工藝參數(shù)設(shè)定
(4)故障診斷和報警
系統(tǒng)可對以下故障自動診斷，并發(fā)出預(yù)防性的報警。
報警高限：實時參數(shù)異常偏大，大于設(shè)定值，是該監(jiān)測點處于高報警。
報警底限：實時參數(shù)異常偏小，小于設(shè)定值，是該監(jiān)測點處于低報警。
報警：當實時參數(shù)出現(xiàn)異常時，相應(yīng)的監(jiān)測點通過顏色的變化，提醒操作員注意，進行相關(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
(5)利用歷史曲線查詢分析遠程模擬量的情況
利用歷史曲線，可隨時針對各個運行點的情況，結(jié)合本時間各監(jiān)測點的數(shù)據(jù)，分析系統(tǒng)的運行情況，凈水器的運行狀態(tài)。
運行過程中，系統(tǒng)將自動生成數(shù)據(jù)報表，并將數(shù)據(jù)報表保存在歷史數(shù)據(jù)庫中，以便隨時查詢歷史記錄。圖15所示為趨勢曲線界面。
圖15 趨勢曲線界面
(6)報表的打印
報表打印可以根據(jù)操作員的要求，生成符合要求的系統(tǒng)報表，并且打印。也可以設(shè)定讓系統(tǒng)自動的根據(jù)間隔的時間實時的打印報表。圖16所示為報表打印界面。
圖16 報表打印界面
(7)系統(tǒng)指標
系統(tǒng)的數(shù)字量輸入點為227個
系統(tǒng)的數(shù)字量輸出點為125個
系統(tǒng)的模擬量輸入點為15個通道
系統(tǒng)的模擬量輸出點為4個通道
系統(tǒng)監(jiān)測數(shù)據(jù)刷新時間為1秒
歷史數(shù)據(jù)的保存及報表顯示：根據(jù)硬盤存儲器的大小來決定保存的時間。保存的間隔為2分鐘，初步估計可以有效存儲13年左右。
3．項目亮點及難點實現(xiàn)
(1) WINCC定時器問題
在定時器的使用過程中，由于設(shè)定的定時時間是需要根據(jù)實際的工藝來調(diào)整的，為此不能在定時器中使用常量定時時間。要新建DB25數(shù)據(jù)塊，建立變量的參數(shù)時間選擇TIME數(shù)據(jù)類型，它是一個32位的數(shù)據(jù)，T#1D_1H_1M_1S_1MS，前面是一個標準的例子，表示定時時間為1天1小時1分1秒1毫秒。使用可變參數(shù)是為了和WINCC中通訊，使得現(xiàn)場操作員可以根據(jù)當前水質(zhì)等一系列變化調(diào)整時間值，由于在WINCC中沒有TIME這個數(shù)據(jù)類型，只能用DWORD32位整型類型來操作，這就涉及到了兩個數(shù)據(jù)類型的轉(zhuǎn)換的問題。根據(jù)實際情況所得TIME中的1s=1000(DWORD型)。為了減少STEP7中數(shù)據(jù)的處理量，在WINCC中使用C腳本對數(shù)據(jù)進行了處理。WINCC中的時間以分為單位，因此1M=1s*60=1000*60=60000(DWORD型)。
(2) 數(shù)據(jù)網(wǎng)上發(fā)布平臺
本項目中設(shè)計了系統(tǒng)數(shù)據(jù)的網(wǎng)上發(fā)布平臺，在這里有兩種方案可以考慮，一是利用西門子公司提供的WINCC Web Navigator軟件開發(fā)網(wǎng)上的數(shù)據(jù)傳送系統(tǒng)；二是利用Delphi軟件來開發(fā)網(wǎng)絡(luò)瀏覽系統(tǒng)。由于項目經(jīng)費限制，我們采取了第二種方案。通過這種方案，界面的設(shè)計，和本地化系統(tǒng)的集成就都掌握在設(shè)計者手中，使得最后的系統(tǒng)能過符合客戶的要求，人性化，易用性都比較高，而開發(fā)成本也在控制之中。
（3）WINCC中動態(tài)報表的設(shè)計
在實際項目中雖然WINCC提供了變量趨勢顯示、報表功能，滿足了簡單的歸檔數(shù)據(jù)訪問要求，但不能完成該廢水處理工程項目提出的復(fù)雜數(shù)據(jù)處理要求（如：進行有條件的查詢和打印，任意時間、任意區(qū)段的查詢等）。因此，在設(shè)計過程中對歸檔數(shù)據(jù)復(fù)雜查詢技術(shù)進行了研究。WINCC是一個全面開放的組態(tài)軟件，它可方便地集成標準Windows應(yīng)用的對象、函數(shù)和文檔；提供了訪問所有WINCC功能的API編程接口；集成了OLE/OCX和ActiveX對象；它允許通過標準接口（標準SQL數(shù)據(jù)庫）訪問歸檔數(shù)據(jù)庫；通過DDE、OPC接口與其它Windows程序進行數(shù)據(jù)交換。這些開放性為自行擴展和進一步豐富WINCC軟件的功能、, 解決, 該工程問題提供了可能。在本項目中應(yīng)用ActiveX技術(shù)實現(xiàn)WINCC歸檔數(shù)據(jù)復(fù)雜查詢解決該工程問題是可行的：根據(jù)用戶對控制系統(tǒng)有條件查詢、打印的要求，運用Delphi設(shè)計ActiveX控件，然后在WINCC中調(diào)用該控件，最終實現(xiàn)WINCC不能完成的復(fù)雜歸檔數(shù)據(jù)訪問任務(wù)。
圖ActiveX控件的界面
五、結(jié)束語
系統(tǒng)于2004年10月投入運行，兩年來系統(tǒng)運行良好，未進行任何維修，電廠廢水達到了零排放，大大提高了水的利用率。
六、應(yīng)用體會
在項目進行的過程中，西門子在工控領(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行提供了保證和保障。西門子的TIA理念及產(chǎn)品特點，著眼于整個工廠的控制和管理，采用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)管理、統(tǒng)一的編程組態(tài)平臺、統(tǒng)一的通訊規(guī)范和靈活的結(jié)構(gòu)配置，從另一側(cè)面保證了項目的順利完成。
本項目使用了WINCC監(jiān)控軟件，由于軟件優(yōu)越的開放性，解決了項目中的監(jiān)控方面的難點問題，如WINCC中動態(tài)報表的設(shè)計等功能。而統(tǒng)一的國際標準編程語言及現(xiàn)場總線技術(shù)的應(yīng)用，以及項目中軟硬件設(shè)計的模塊化，更體現(xiàn)了本系統(tǒng)的可擴展性與可維護性。
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