基于WINCC監(jiān)控軟件及總線技術實現電廠廢水處理控制系統(tǒng)的設計

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?；糁莅l(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)工農業(yè)生產及人民生活用電，是山西電網的主力電廠。

霍州發(fā)電廠建設時正處于中國發(fā)展的特殊年代，在選廠、設計、設備選購、施工、安裝和投產發(fā)電等方面追求簡易發(fā)電，給安全經濟生產留下先天缺陷。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。同時可以通過網絡把監(jiān)控數據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，提高了整體的經濟效益。使電廠的自動化管理和自動化控制生產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包括含煤廢水的回放、化學再生廢水收集、主廠房內系統(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期規(guī)定的控制指標。整個廢水處理系統(tǒng)由收集池、調節(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。

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(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)構成

控制系統(tǒng)的設計包括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)結構設計圖如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)結構設計圖

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系列產品來完成此項目。參照西門子公司提供的產品技術參數，以S7-300系列中的CPU315-2DP實現控制功能，由于該系統(tǒng)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足系統(tǒng)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，還具有應用于風機和泵類的硬件和軟件特征，尤其適合用于風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 數字量輸入：分為各個水泵風機的運行，故障反饋信號，手/自動選擇信號；各個閥門的手動開，關控制信號，故障反饋信號和手/自動選擇信號。

l 數字量輸出：分別為對各個水泵、風機的開、關、復位輸出控制信號；各個閥門的開，關輸出控制信號；變頻器的啟動，復位控制信號。

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，還集成了多種網絡連接方式，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

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)以太網等 ，可獨立處理數據通信，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

根據工藝，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，它們之間互相有數據的傳輸。它們組合在一起動作就構成了完整的PLC控制系統(tǒng)程序。下圖5為工業(yè)部分現場圖：

圖5 工業(yè)現場

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)、網絡組態(tài)、系統(tǒng)調試、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計（如圖6）：

圖6 項目OB1中程序結構圖

圖6中：DB11-DB14： 對應四個凈化器的正洗背景數據塊

DB15-DB18： 對應四個凈化器的反洗背景數據塊

DB19-DB22： 對應四個凈化器的停止背景數據塊

l 由廢水處理的工藝流程可以知道，廢水在經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用相同的函數塊就行，對于每個凈化器中不同狀態(tài)的數據是利用其不同的數據塊來加以區(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，把有用的數據傳輸給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(tǒng)中程序對水質，濁度的判斷，所以在系統(tǒng)中使用算術平均濾波算法，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，相當于函數一樣，參數的傳遞是Analog_in變量，返回值是Analog_out變量。事實證明這種算法已經能夠滿足現場的實際需要，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)，相關參數可以通過輸入參數進行實時調整。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

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，數字量輸入、輸出，并放在三個相連的導軌上，如圖7所示：

圖7 實際系統(tǒng)的機架結構圖

輸入輸出的硬件接口是也是系統(tǒng)設計的一部分，它反映的是PLC輸入輸出與現場設備之間的連接，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直流電壓以內都能檢測到信號。由于現場的執(zhí)行器也是發(fā)出的直流信號，因此把其直接和現場的開關設備連接來接收開關信號量，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場負載。這樣使控制器與現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給出了數字量輸出模塊接口示意圖。

圖9 數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工控機上實現監(jiān)控與管理，為生產與安全帶來極大的方便。

經過設計，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據實時的在線監(jiān)視，并且生動直觀的反應在監(jiān)控界面上面。系統(tǒng)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(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備手動的單獨控制，而不影響其它設備的正常自動運行。

（3）工藝參數在線實時設定

系統(tǒng)可以提供在線的實時參數修改，當在運行過程中發(fā)現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，以使系統(tǒng)工作在最優(yōu)的控制狀態(tài)中，如圖13。

圖13 工藝參數設定

（4）故障診斷和報警

系統(tǒng)可對以下故障自動診斷，并發(fā)出預防性的報警。

報警高限：實時參數異常偏大，大于設定值，是該監(jiān)測點處于高報警。

報警底限：實時參數異常偏小，小于設定值，是該監(jiān)測點處于低報警。

報警：當實時參數出現異常時，相應的監(jiān)測點通過顏色的變化，提醒操作員注意，進行相關的操作，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，結合本時間各監(jiān)測點的數據，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)將自動生成數據報表，并將數據報表保存在歷史數據庫中，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。也可以設定讓系統(tǒng)自動的根據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)的數字量輸入點為227個

系統(tǒng)的數字量輸出點為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)測數據刷新時間為1秒

歷史數據的保存及報表顯示：根據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

（1） WINCC定時器問題

在定時器的使用過程中，由于設定的定時時間是需要根據實際的工藝來調整的，為此不能在定時器中使用常量定時時間。要新建DB25數據塊，建立變量的參數時間選擇TIME數據類型，它是一個32位的數據，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。使用可變參數是為了和WINCC中通訊，使得現場操作員可以根據當前水質等一系列變化調整時間值，由于在WINCC中沒有TIME這個數據類型，只能用DWORD32位整型類型來操作，這就涉及到了兩個數據類型的轉換的問題。根據實際情況所得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） 數據網上發(fā)布平臺

本項目中設計了系統(tǒng)數據的網上發(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)網上的數據傳送系統(tǒng)；二是利用Delphi軟件來開發(fā)網絡瀏覽系統(tǒng)。由于項目經費限制，我們采取了第二種方案。通過這種方案，界面的設計，和本地化系統(tǒng)的集成就都掌握在設計者手中，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據訪問要求，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，在設計過程中對歸檔數據復雜查詢技術進行了研究。WINCC是一個全面開放的組態(tài)軟件，它可方便地集成標準Windows應用的對象、函數和文檔；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數據庫）訪問歸檔數據庫；通過DDE、OPC接口與其它Windows程序進行數據交換。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。在本項目中應用ActiveX技術實現WINCC歸檔數據復雜查詢解決該工程問題是可行的：根據用戶對控制系統(tǒng)有條件查詢、打印的要求，運用Delphi設計ActiveX控件，然后在WINCC中調用該控件，最終實現WINCC不能完成的復雜歸檔數據訪問任務。

圖ActiveX控件的界面

五、結束語

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、應用體會

在項目進行的過程中，西門子在工控領域中安全、可靠、成熟、高效的產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理念及產品特點，著眼于整個工廠的控制和管理，采用統(tǒng)一的數據管理、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(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)報表的設計等功能。而統(tǒng)一的國際標準編程語言及現場總線技術的應用，以及項目中軟硬件設計的模塊化，更體現了本系統(tǒng)的可擴展性與可維護性。