電廠廢水處理控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及研究報(bào)告

-.z電廠廢水處理控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究一、工程簡(jiǎn)介

本電廠廢水處理控制系統(tǒng)工程所在地位于**省霍州市?；糁莅l(fā)電廠于1967年1月由水利電力部批準(zhǔn)籌建，采用火力發(fā)電，裝機(jī)容量40萬(wàn)千瓦，年發(fā)電量25億千瓦?時(shí)，主要擔(dān)負(fù)著**中南部地區(qū)工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及人民生活用電，是**電網(wǎng)的主力電廠。

霍州發(fā)電廠建立時(shí)正處于中國(guó)開(kāi)展的特殊年代，在選廠、設(shè)計(jì)、設(shè)備選購(gòu)、施工、安裝和投產(chǎn)發(fā)電等方面追求簡(jiǎn)易發(fā)電，給平安經(jīng)濟(jì)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(fèi)水資源，而且會(huì)造成嚴(yán)重的環(huán)境污染。

以往的廢水處理系統(tǒng)采用人工手動(dòng)控制，造成人員工作強(qiáng)度大，控制效率低，控制工藝落后。本次工程采用全新的自動(dòng)控制系統(tǒng)和監(jiān)控技術(shù)可以抑制以前人工控制精度低、運(yùn)行操作繁瑣、誤操作可能性大等缺點(diǎn)，該系統(tǒng)的廢水處理工藝流程具有一定的先進(jìn)性，到達(dá)了電廠廢水零排放，大大提高了水的利用率。同時(shí)可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)把監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)融入整個(gè)電廠的自動(dòng)化管理中，節(jié)省人力物力，便于集中管理。通過(guò)本自動(dòng)控制系統(tǒng)把處理過(guò)的廢水再納入整個(gè)電廠的水循環(huán)中，提高電廠用水的效率，節(jié)約本錢，提高了整體的經(jīng)濟(jì)效益。使電廠的自動(dòng)化管理和自動(dòng)化控制生產(chǎn)方面到達(dá)一個(gè)新的高度。

二、系統(tǒng)介紹

1．工程工藝簡(jiǎn)介

本次工程的主要任務(wù)包括含煤廢水的回放、化學(xué)再生廢水收集、主廠房?jī)?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(guò)自動(dòng)化控制到達(dá)預(yù)期規(guī)定的控制指標(biāo)。整個(gè)廢水處理系統(tǒng)由收集池、調(diào)節(jié)水池、凈化器、污泥池、清水池等局部組成，在廢水處理過(guò)程中，我們將系統(tǒng)劃分為五個(gè)子系統(tǒng)來(lái)處理，分別為：凈水系統(tǒng)、儲(chǔ)藥系統(tǒng)、過(guò)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)工藝流程圖所示：圖中的圓代表收集水泵；長(zhǎng)方形代表集水池；長(zhǎng)圓罐代表一體化凈化器，系統(tǒng)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?yàn)閺淖笸摇?/p>

2．工程方案

為保證廢水處理系統(tǒng)平安穩(wěn)定的運(yùn)行，該工程中控制器、執(zhí)行器、監(jiān)控組態(tài)局部均采用西門子系列產(chǎn)品，主要有以下幾局部：

a.負(fù)載電源模塊〔PS〕：PS307

b.接口模塊〔IM〕：IM360，IM361

c.中央處理單元〔CPU〕：CPU315-2DP

d.信號(hào)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〔WindowsControlCenter〕6.0

三、控制系統(tǒng)構(gòu)成

控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)包括PLC控制系統(tǒng)局部，系統(tǒng)采集與執(zhí)行器控制局部以及上位機(jī)的監(jiān)控系統(tǒng)局部。

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(shí)際情況分析，我們采用西門子公司的S7-300系列產(chǎn)品來(lái)完成此工程。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(shí)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(jī)架使用IM360，擴(kuò)展機(jī)架使用IM361〕連接擴(kuò)展的信號(hào)模塊滿足系統(tǒng)要求，其**號(hào)模塊包括假設(shè)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(chǎng)多臺(tái)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(diǎn)以外，還具有應(yīng)用于風(fēng)機(jī)和泵類的硬件和軟件特征，尤其適合用于風(fēng)機(jī)和水泵負(fù)載的控制。使用此種型號(hào)的變頻器可以節(jié)約能源消耗，降低運(yùn)行噪聲，對(duì)環(huán)境起到很好的保護(hù)作用。

電廠污水處理控制系統(tǒng)的輸入輸出信號(hào)主要分成4個(gè)局部，放在三個(gè)相連的導(dǎo)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(jì)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(jì)量泵a、加藥計(jì)量泵b〕。

數(shù)字量輸入：分為各個(gè)水泵風(fēng)機(jī)的運(yùn)行，故障反響信號(hào)，手/自動(dòng)選擇信號(hào)；各個(gè)閥門的手動(dòng)開(kāi)，關(guān)控制信號(hào)，故障反響信號(hào)和手/自動(dòng)選擇信號(hào)。

數(shù)字量輸出：分別為對(duì)各個(gè)水泵、風(fēng)機(jī)的開(kāi)、關(guān)、復(fù)位輸出控制信號(hào)；各個(gè)閥門的開(kāi)，關(guān)輸出控制信號(hào)；變頻器的啟動(dòng)，復(fù)位控制信號(hào)。

系統(tǒng)配置了操作員站和工程師站，操作員站的上位機(jī)采用研華科技的610H工控機(jī)，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(jī)與自動(dòng)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(bào)警、過(guò)程值歸檔以及報(bào)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(shù)據(jù)管理功能。

2．控制方案選擇

在采用本系統(tǒng)實(shí)施方案前，客戶擬采用CPU315模塊及通信處理器模塊CP343-1實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)要求，由于CP343-1有其自身的處理器可連接SIMATICS7-300和工業(yè)以太網(wǎng)等，可獨(dú)立處理數(shù)據(jù)通信，這樣使得系統(tǒng)可擴(kuò)展性增強(qiáng)。由于考慮到工程總體預(yù)算及本錢，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(jì)算后為工程開(kāi)發(fā)節(jié)約了不少硬件開(kāi)支。

四、控制系統(tǒng)完成的功能

1．控制系統(tǒng)功能及指標(biāo)

〔1〕軟件實(shí)現(xiàn)

根據(jù)工藝，整個(gè)系統(tǒng)的程序由以下幾個(gè)局部組成：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、凈化器停頓。每個(gè)程序都可以單獨(dú)控制和單獨(dú)運(yùn)行，同時(shí)每個(gè)程序又是系統(tǒng)的組成局部，它們之間互相有數(shù)據(jù)的傳輸。它們組合在一起動(dòng)作就構(gòu)成了完整的PLC控制系統(tǒng)程序。

程序中編程采用STEP7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(tǒng)調(diào)試、工程管理等各種功能，使工程的實(shí)施更加方便。在本控制系統(tǒng)的完成過(guò)程中，主要進(jìn)展了以下幾局部的程序設(shè)計(jì)

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(shù)塊，讓它們都調(diào)用即可。為此，對(duì)于在凈化器中的正洗、反洗和停頓流程都編寫(xiě)了一個(gè)程序塊，分別是FB11，F(xiàn)B12，F(xiàn)B13。對(duì)于每個(gè)凈化器來(lái)說(shuō)只要分別調(diào)用一樣的函數(shù)塊就行，對(duì)于每個(gè)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(lái)加以區(qū)別的。這樣在整個(gè)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(chǔ)空間，又方便維護(hù)和修改。

模擬量信號(hào)因?yàn)槠湓趥鬏斶^(guò)程中有可能會(huì)受到其它信號(hào)的干擾，而可能出現(xiàn)較大幅度的瞬間變化，而這些值對(duì)于系統(tǒng)來(lái)說(shuō)是毫無(wú)用處的，甚至有些還可能引起系統(tǒng)的異常運(yùn)行。由于模擬量總是隨著時(shí)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(hào)過(guò)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(hào)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(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(dāng)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(shí)證明這種算法已經(jīng)能夠滿足現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際需要，取得了良好的效果。

本控制系統(tǒng)使用的CPU315-2DP中沒(méi)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(shí)現(xiàn)對(duì)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(guò)輸入?yún)?shù)進(jìn)展實(shí)時(shí)調(diào)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(zhǔn)確地掌握程序運(yùn)行時(shí)間，提高控制精度。

〔2〕硬件實(shí)現(xiàn)

電廠污水處理控制系統(tǒng)的輸入輸出信號(hào)主要分成4個(gè)局部，分別為模擬量輸入、輸出，數(shù)字量輸入、輸出，并放在三個(gè)相連的導(dǎo)軌上。

輸入輸出的硬件接口是也是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一局部，它反映的是PLC輸入輸出與現(xiàn)場(chǎng)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(chǎng)的干擾，保證數(shù)據(jù)的正確性。

對(duì)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(cè)到信號(hào)。由于現(xiàn)場(chǎng)的執(zhí)行器也是發(fā)出的直流信號(hào)，因此把其直接和現(xiàn)場(chǎng)的開(kāi)關(guān)設(shè)備連接來(lái)接收開(kāi)關(guān)信號(hào)量。

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(shí)間短、壽命長(zhǎng)、輸出口密度高，但是其只能帶直流負(fù)載而且?guī)лd能力弱。同時(shí)為了使PLC的輸出和現(xiàn)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(xiàn)場(chǎng)負(fù)載。這樣使控制器與現(xiàn)場(chǎng)到達(dá)了電氣隔離的作用，大大提高了系統(tǒng)的平安性，同時(shí)也使輸出口帶載能力得到了大大的增強(qiáng)。在繼電器旁邊加二極管泄放反電勢(shì)能量，起到保護(hù)輸出口的作用。圖9給出了數(shù)字量輸出模塊接口示意圖。

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)。

SM332輸出0-10v電壓連接到變頻器直接給控制信號(hào)。

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(jī)上實(shí)現(xiàn)監(jiān)控與管理，為生產(chǎn)與平安帶來(lái)極大的方便。

經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)，整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)提供了如下的功能：

〔1〕在線自動(dòng)監(jiān)視

系統(tǒng)可對(duì)廢水處理裝置的各項(xiàng)儀表數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)的在線監(jiān)視，并且生動(dòng)直觀的反響在監(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。

〔2〕在線手動(dòng)控制

系統(tǒng)可提供在線實(shí)時(shí)的對(duì)參與控制的各電動(dòng)閥門和泵的手動(dòng)控制操作。當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行中需要進(jìn)展維護(hù)或執(zhí)行其它控制時(shí)，可以在線實(shí)時(shí)的對(duì)各個(gè)設(shè)備手動(dòng)的單獨(dú)控制，而不影響其它設(shè)備的正常自動(dòng)運(yùn)行。

〔3〕工藝參數(shù)在線實(shí)時(shí)設(shè)定

系統(tǒng)可以提供在線的實(shí)時(shí)參數(shù)修改，當(dāng)在運(yùn)行過(guò)程中發(fā)現(xiàn)工藝需要改進(jìn)或其它問(wèn)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。

〔4〕故障診斷和報(bào)警

系統(tǒng)可對(duì)以下故障自動(dòng)診斷，并發(fā)出預(yù)防性的報(bào)警。

報(bào)警高限：實(shí)時(shí)參數(shù)異常偏大，大于設(shè)定值，是該監(jiān)測(cè)點(diǎn)處于高報(bào)警。

報(bào)警底限：實(shí)時(shí)參數(shù)異常偏小，小于設(shè)定值，是該監(jiān)測(cè)點(diǎn)處于低報(bào)警。

報(bào)警：當(dāng)實(shí)時(shí)參數(shù)出現(xiàn)異常時(shí)，相應(yīng)的監(jiān)測(cè)點(diǎn)通過(guò)顏色的變化，提醒操作員注意，進(jìn)展相關(guān)的操作，假設(shè)需要可以配合聲音報(bào)警。

〔5〕利用歷史曲線查詢分析遠(yuǎn)程模擬量的情況

利用歷史曲線，可隨時(shí)針對(duì)各個(gè)運(yùn)行點(diǎn)的情況，結(jié)合本時(shí)間各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，分析系統(tǒng)的運(yùn)行情況，凈水器的運(yùn)行狀態(tài)。

運(yùn)行過(guò)程中，系統(tǒng)將自動(dòng)生成數(shù)據(jù)報(bào)表，并將數(shù)據(jù)報(bào)表保存在歷史數(shù)據(jù)庫(kù)中，以便隨時(shí)查詢歷史記錄。

〔6〕報(bào)表的打印

報(bào)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(bào)表，并且打印。也可以設(shè)定讓系統(tǒng)自動(dòng)的根據(jù)間隔的時(shí)間實(shí)時(shí)的打印報(bào)表。

〔7〕系統(tǒng)指標(biāo)

系統(tǒng)的數(shù)字量輸入點(diǎn)為227個(gè)

系統(tǒng)的數(shù)字量輸出點(diǎn)為125個(gè)

系統(tǒng)的模擬量輸入點(diǎn)為15個(gè)通道

系統(tǒng)的模擬量輸出點(diǎn)為4個(gè)通道

系統(tǒng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)刷新時(shí)間為1秒

歷史數(shù)據(jù)的保存及報(bào)表顯示：根據(jù)硬盤存儲(chǔ)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(jì)可以有效存儲(chǔ)13年左右。

3．工程亮點(diǎn)及難點(diǎn)實(shí)現(xiàn)

〔1〕WINCC定時(shí)器問(wèn)題

在定時(shí)器的使用過(guò)程中，由于設(shè)定的定時(shí)時(shí)間是需要根據(jù)實(shí)際的工藝來(lái)調(diào)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(shù)據(jù)塊，建立變量的參數(shù)時(shí)間選擇TIME數(shù)據(jù)類型，它是一個(gè)32位的數(shù)據(jù)，T*1D_1H_1M_1S_1MS，前面是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)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(shù)是為了和WINCC中通訊，使得現(xiàn)場(chǎng)操作員可以根據(jù)當(dāng)前水質(zhì)等一系列變化調(diào)整時(shí)間值，由于在WINCC中沒(méi)有TIME這個(gè)數(shù)據(jù)類型，只能用DWORD32位整型類型來(lái)操作，這就涉及到了兩個(gè)數(shù)據(jù)類型的轉(zhuǎn)換的問(wèn)題。根據(jù)實(shí)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(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)展了處理。WINCC中的時(shí)間以分為單位，因此1M=1s＊60=1000＊60=60000〔DWORD型〕。

〔2〕數(shù)據(jù)網(wǎng)上發(fā)布平臺(tái)

本工程中設(shè)計(jì)了系統(tǒng)數(shù)據(jù)的網(wǎng)上發(fā)布平臺(tái)，在這里有兩種方案可以考慮，一是利用西門子公司提供的WINCCWebNavigator軟件開(kāi)發(fā)網(wǎng)上的數(shù)據(jù)傳送系統(tǒng)；二是利用Delphi軟件來(lái)開(kāi)發(fā)網(wǎng)絡(luò)瀏覽系統(tǒng)。由于工程經(jīng)費(fèi)限制，我們采取了第二種方案。通過(guò)這種方案，界面的設(shè)計(jì)，和本地化系統(tǒng)的集成就都掌握在設(shè)計(jì)者手中，使得最后的系統(tǒng)能過(guò)符合客戶的要求，人性化，易用性都比較高，而開(kāi)發(fā)本錢也在控制之中。

〔3〕WINCC中動(dòng)態(tài)報(bào)表的設(shè)計(jì)

在實(shí)際工程中雖然WINCC提供了變量趨勢(shì)顯示、報(bào)表功能，滿足了簡(jiǎn)單的歸檔數(shù)據(jù)要求，但不能完成該廢水處理工程工程提出的復(fù)雜數(shù)據(jù)處理要求〔如：進(jìn)展有條件的查詢和打印，任意時(shí)間、任意區(qū)段的查詢等〕。因此，在設(shè)計(jì)過(guò)程中對(duì)歸檔數(shù)據(jù)復(fù)雜查詢技術(shù)進(jìn)展了研究。WINCC是一個(gè)全面開(kāi)放的組態(tài)軟件，它可