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本論文是依托某發(fā)電廠廢水處理項目設計與實現(xiàn)展開研究討論的。該項目的主要任務是設計一套符合廢水處理工藝要求、采用現(xiàn)場總線技術(shù)實現(xiàn)監(jiān)控功能的PLC控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)克服了人工控制精度低、操作運行繁瑣、誤操作可能性大等缺點。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。論文著重研究探討了PLC控制系統(tǒng)及現(xiàn)場總線監(jiān)控部分的設計思想和具體實現(xiàn)，并對其中的工程問題作了較詳細的討論。針對現(xiàn)場總線監(jiān)控部分的報表及打印工程問題，作者提出了用外部應用程序ActiveX技術(shù)進行擴展設計的方案并在工程中得到了實現(xiàn)。最后，作者對用戶局域網(wǎng)遠程監(jiān)控技術(shù)進行了研究討論，提出一套基于局域網(wǎng)和數(shù)據(jù)庫技術(shù)的遠程監(jiān)控方案并通過實驗證明了該方案的可行性。
［關(guān)鍵詞］：電廠廢水處理控制系統(tǒng) PLC控制系統(tǒng) 現(xiàn)場總線
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(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包括含煤廢水的回放、化學再生廢水收集、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)設計圖如圖3所示。
圖3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(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：
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。
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）。
數(shù)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(guān)控制信號，故障反饋信號和手/自動選擇信號。
數(shù)字量輸出：分別為對各個水泵、風機的開、關(guān)、復位輸出控制信號；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計（如圖6）：
圖6 項目OB1中程序結(jié)構(gòu)圖
圖6中：DB11-DB14： 對應四個凈化器的正洗背景數(shù)據(jù)塊
DB15-DB18： 對應四個凈化器的反洗背景數(shù)據(jù)塊
DB19-DB22： 對應四個凈化器的停止背景數(shù)據(jù)塊
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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。
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