本電廠廢水處理控製係統項目所在地位於山西省霍州市。霍州發電廠於1967年1月由水利電力部批準籌建，采用火力發電，裝機容量40萬千瓦
，年發電量25億千瓦・時，主要擔負著山西中南部地區工農業生產及人民生活用電
，是山西電網的主力電廠。

霍州發電廠建設時正處於中國發展的特殊年代，在選廠、設計、設備選購、施工、anzhuanghetouchanfadiandengfangmianzhuiqiujianyifadian，geianquanjingjishengchanliuxiaxiantianquexian。youyuhuolifadianchangshigongyeyongshuidahu
，yincimeitiandegongyefeishuiruguozhijiepaifang，bujinlangfeishuiziyuan，erqiehuizaochengyanzhongdehuanjingwuran。

以(yi)往(wang)的(de)廢(fei)水(shui)處(chu)理(li)係(xi)統(tong)采(cai)用(yong)人(ren)工(gong)手(shou)動(dong)控(kong)製(zhi)
，造(zao)成(cheng)人(ren)員(yuan)工(gong)作(zuo)強(qiang)度(du)大(da)，控(kong)製(zhi)效(xiao)率(lv)低(di)，控(kong)製(zhi)工(gong)藝(yi)落(luo)後(hou)。本(ben)次(ci)項(xiang)目(mu)采(cai)用(yong)全(quan)新(xin)的(de)自(zi)動(dong)控(kong)製(zhi)係(xi)統(tong)和(he)監(jian)控(kong)技(ji)術(shu)可(ke)以(yi)克(ke)服(fu)以(yi)前(qian)人(ren)工(gong)控(kong)製(zhi)精(jing)度(du)低(di)

、運行操作繁瑣、誤(wu)操(cao)作(zuo)可(ke)能(neng)性(xing)大(da)等(deng)缺(que)點(dian)
，該(gai)係(xi)統(tong)的(de)廢(fei)水(shui)處(chu)理(li)工(gong)藝(yi)流(liu)程(cheng)具(ju)有(you)一(yi)定(ding)的(de)先(xian)進(jin)性(xing)，達(da)到(dao)了(le)電(dian)廠(chang)廢(fei)水(shui)零(ling)排(pai)放(fang)，大(da)大(da)提(ti)高(gao)了(le)水(shui)的(de)利(li)用(yong)率(lv)。同(tong)時(shi)可(ke)以(yi)通(tong)過(guo)網(wang)絡(luo)把(ba)監(jian)控(kong)數(shu)據(ju)融(rong)入(ru)整(zheng)個(ge)電(dian)廠(chang)的(de)自(zi)動(dong)化(hua)管(guan)理(li)中(zhong)
，節(jie)省(sheng)人(ren)力(li)物(wu)力(li)，便(bian)於(yu)集(ji)中(zhong)管(guan)理(li)。通(tong)過(guo)本(ben)自(zi)動(dong)控(kong)製(zhi)係(xi)統(tong)把(ba)處(chu)理(li)過(guo)的(de)廢(fei)水(shui)再(zai)納(na)入(ru)整(zheng)個(ge)電(dian)廠(chang)的(de)水(shui)循(xun)環(huan)中(zhong)
，提(ti)高(gao)電(dian)廠(chang)用(yong)水(shui)的(de)效(xiao)率(lv)，節(jie)約(yue)成(cheng)本(ben)
，提(ti)高(gao)了(le)整(zheng)體(ti)的(de)經(jing)濟(ji)效(xiao)益(yi)。使(shi)電(dian)廠(chang)的(de)自(zi)動(dong)化(hua)管(guan)理(li)和(he)自(zi)動(dong)化(hua)控(kong)製(zhi)生(sheng)產(chan)方(fang)麵(mian)達(da)到(dao)一(yi)個(ge)新(xin)的(de)高(gao)度(du)。

 

圖1  霍州發電廠汙水處理池外景

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、主廠房內係統優化消防
、生活水係統隔離、生活汙水及工業廢水回用工程。采用一定的汙水處理工藝，並通過自動化控製達到預期規定的控製指標。整個廢水處理係統由收集池、調節水池、淨化器、汙泥池、清水池等部分組成，在廢水處理過程中，我們將係統劃分為五個子係統來處理，分別為：淨水係統

、儲藥係統、過渡調節係統、清水回用係統以及汙泥濃縮係統。

電廠的廢水處理係統工藝流程圖如圖2所示：圖中的圓代表收集水泵；長方形代表集水池；長圓罐代表一體化淨化器
，係統中共有四個淨化器
，其餘三個在圖中省略。箭頭的指向代表廢水的流向


，其流向為從左往右。

 

圖2  電廠廢水處理係統工藝流程圖

2．項目方案

為保證廢水處理係統安全穩定的運行，該項目中控製器、執行器
、監控組態部分均采用西門子係列產品，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. 執行器：MicroMaster430/420變頻器

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

控製係統的設計包括PLC控製係統部分
，係統采集與執行器控製部分以及上位機的監控係統部分。係統結構設計圖如圖3所示。

 

圖3  係統結構設計圖

1． 係統硬件配置

在電廠汙水處理控製係統中，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係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係列中的CPU315-2DP實現控製功能，由於該係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足係統要求，其中信號模塊包括若幹數字量輸入模塊 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。

現場多台工作泵采用西門子MicroMaster430變頻器，MicroMaster430bianpinqichulejuyoudisidaibianpinqidetedianyiwai
，haijuyouyingyongyufengjihebengleideyingjianheruanjiantezheng，youqishiheyongyufengjiheshuibengfuzaidekongzhi。shiyongcizhongxinghaodebianpinqikeyijieyuenengyuanxiaohao，jiangdiyunxingzaosheng，duihuanjingqidaohenhaodebaohuzuoyong。

電廠汙水處理控製係統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
，汙泥池液位，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：四個控製變頻器（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，關控製信號
，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
、複位輸出控製信號；各個閥門的開，關輸出控製信號；變頻器的啟動，複位控製信號。

係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
，監控係統使用西門子WINCC監控組態軟件，它不僅能很好的支持S7係列的CPU，還集成了多種網絡連接方式，使上位機與自動化係統的連接工作非常方便。而且它提供了適用於工業的圖形顯示、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、快速的畫麵更新、以及可靠的數據管理功能。圖4所示為WINCC組態示意圖。

2．控製方案選擇

在采用本係統實施方案前，客戶擬采用CPU315模塊及通信處理器模塊CP343-1實現係統要求
，由於CP343-1有其自身的處理器可連接SIMATIC S7-300和工業以太網等
，可獨立處理數據通信，這樣使得係統可擴展性增強。由於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
，並省去通信處理器模塊CP343-1，這樣既滿足了係統要求，又減少了係統模塊，綜合計算後為項目開發節約了不少硬件開支。

1．控製係統功能及指標

（1）軟件實現

根據工藝，整個係統的程序由下列幾個部分組成：1#集水池、2#集水池
、清水池
、調節水池、淨化器正洗、淨化器反洗、加藥、jinghuaqitingzhi。meigechengxudoukeyidandukongzhihedanduyunxing

，tongshimeigechengxuyoushixitongdezuchengbufen
，tamenzhijianhuxiangyoushujudechuanshu。tamenzuhezaiyiqidongzuojiugouchenglewanzhengdePLC控製係統程序。下圖5為工業部分現場圖：

 圖5   工業現場

 

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、網絡組態、係統調試
、項目管理等各種功能，使項目的實施更加方便。在本控製係統的完成過程中



，主要進行了以下幾部分的程序設計（如圖6）：

  

 

圖6中：DB11-DB14：              對應四個淨化器的正洗背景數據塊

DB15-DB18：              對應四個淨化器的反洗背景數據塊

DB19-DB22：              對應四個淨化器的停止背景數據塊

l     由you廢fei水shui處chu理li的de工gong藝yi流liu程cheng可ke以yi知zhi道dao
，廢fei水shui在zai經jing過guo一yi係xi列lie的de水shui池chi後hou最zui終zhong進jin入ru四si個ge廢fei水shui淨jing化hua器qi，在zai淨jing化hua器qi裏li經jing過guo工gong藝yi的de處chu理li後hou排pai放fang到dao清qing水shui池chi中zhong。從cong程cheng序xu角jiao度du看kan

，四si個ge廢fei水shui淨jing化hua器qi的de控kong製zhi流liu程cheng一yi致zhi，因yin此ci沒mei有you必bi要yao為wei每mei個ge淨jing化hua器qi編bian寫xie一yi段duan代dai碼ma，隻zhi需xu編bian寫xie一yi個ge函han數shu塊kuai，讓rang它ta們men都dou調tiao用yong即ji可ke。為wei此ci，對dui於yu在zai淨jing化hua器qi中zhong的de正zheng洗xi
、反洗和停止流程都編寫了一個程序塊，分別是FB11

，FB12
，FB13。對dui於yu每mei個ge淨jing化hua器qi來lai說shuo隻zhi要yao分fen別bie調tiao用yong相xiang同tong的de函han數shu塊kuai就jiu行xing
，對dui於yu每mei個ge淨jing化hua器qi中zhong不bu同tong狀zhuang態tai的de數shu據ju是shi利li用yong其qi不bu同tong的de數shu據ju塊kuai來lai加jia以yi區qu別bie的de。這zhe樣yang在zai整zheng個ge程cheng序xu中zhong即ji保bao持chi了le流liu程cheng的de統tong一yi性xing，即ji減jian少shao了le程cheng序xu代dai碼ma，節jie約yue了le存cun儲chu空kong間jian，又you方fang便bian維wei護hu和he修xiu改gai。

l     moniliangxinhaoyinweiqizaichuanshuguochengzhongyoukenenghuishoudaoqitaxinhaodeganrao，erkenengchuxianjiaodafududeshunjianbianhua，erzhexiezhiduiyuxitonglaishuoshihaowuyongchude，shenzhiyouxiehaikenengyinqixitongdeyichangyunxing。youyumoniliangzongshisuizheshijianlianxubianhuade，suoyikeyiliyonglvbosuanfabashunjianbianhuadeganraoxinhaoguolvdiao，bayouyongdeshujuchuanshugeiPLC控(kong)製(zhi)係(xi)統(tong)處(chu)理(li)。在(zai)廢(fei)水(shui)處(chu)理(li)控(kong)製(zhi)係(xi)統(tong)中(zhong)由(you)於(yu)所(suo)要(yao)求(qiu)數(shu)據(ju)處(chu)理(li)速(su)度(du)不(bu)快(kuai)，精(jing)度(du)也(ye)是(shi)不(bu)要(yao)求(qiu)太(tai)高(gao)
，隻(zhi)是(shi)為(wei)了(le)防(fang)止(zhi)突(tu)然(ran)間(jian)信(xin)號(hao)的(de)瞬(shun)間(jian)變(bian)化(hua)影(ying)響(xiang)到(dao)係(xi)統(tong)中(zhong)程(cheng)序(xu)對(dui)水(shui)質(zhi)，濁(zhuo)度(du)的(de)判(pan)斷(duan)，所(suo)以(yi)在(zai)係(xi)統(tong)中(zhong)使(shi)用(yong)算(suan)術(shu)平(ping)均(jun)濾(lv)波(bo)算(suan)法(fa)
，算(suan)法(fa)處(chu)理(li)簡(jian)單(dan)，可(ke)靠(kao)性(xing)高(gao)
，程(cheng)序(xu)編(bian)寫(xie)方(fang)便(bian)。在(zai)程(cheng)序(xu)中(zhong)定(ding)義(yi)了(le)FB21作為濾波處理算法的功能塊，相當於函數一樣，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     本控製係統使用的CPU 315-2DP中沒有集成相應的係統功能塊
，故程序中使用FB41 “CONT_C”作為PID控製功能塊。CONT_C可以在S7係列PLC中實現對於連續輸入輸出變量的PID控製。CONT_C中的PID控製環節為增量式PID環節，相關參數可以通過輸入參數進行實時調整。PID控製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，一個是輸出控製，這樣可以準確地掌握程序運行時間，提高控製精度。

（2）硬件實現

電廠汙水處理控製係統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，並放在三個相連的導軌上，如圖7所示：

  

 

輸入輸出的硬件接口是也是係統設計的一部分
，它反映的是PLC輸入輸出與現場設備之間的連接，隻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幹擾，保證數據的正確性。

對於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。由於現場的執行器也是發出的直流信號
，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。

 

 

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，但是其隻能帶直流負載而且帶載能力弱。同時為了使PLC的(de)輸(shu)出(chu)和(he)現(xian)場(chang)回(hui)路(lu)之(zhi)間(jian)隔(ge)離(li)，在(zai)輸(shu)出(chu)端(duan)使(shi)用(yong)了(le)繼(ji)電(dian)器(qi)，通(tong)過(guo)繼(ji)電(dian)器(qi)觸(chu)點(dian)控(kong)製(zhi)現(xian)場(chang)負(fu)載(zai)。這(zhe)樣(yang)使(shi)控(kong)製(zhi)器(qi)與(yu)現(xian)場(chang)達(da)到(dao)了(le)電(dian)氣(qi)隔(ge)離(li)的(de)作(zuo)用(yong)，大(da)大(da)提(ti)高(gao)了(le)係(xi)統(tong)的(de)安(an)全(quan)性(xing)

，同(tong)時(shi)也(ye)使(shi)輸(shu)出(chu)口(kou)帶(dai)載(zai)能(neng)力(li)得(de)到(dao)了(le)大(da)大(da)的(de)增(zeng)強(qiang)。在(zai)繼(ji)電(dian)器(qi)旁(pang)邊(bian)加(jia)二(er)極(ji)管(guan)泄(xie)放(fang)反(fan)電(dian)勢(shi)能(neng)量(liang)，起(qi)到(dao)保(bao)護(hu)輸(shu)出(chu)口(kou)的(de)作(zuo)用(yong)。圖(tu)9給出了數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，采集係統模擬量數據。圖10給出了模擬量輸入模塊接口示意圖。

 

 

 

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

  

2．係統的監控與管理

係統采用WINCC5.2監控組態軟件在研華科技的610H工控機上實現監控與管理，為生產與安全帶來極大的方便。

經過設計，整個監控係統提供了如下的功能：

(1) 在線自動監視

係統可對廢水處理裝置的各項儀表數據實時的在線監視，並且生動直觀的反應在監控界麵上麵。係統的刷新數據是1秒，曆史的保存間隔是2分鍾。圖12為廢水處理係統工藝監控界麵。

  

(2)在線手動控製

係xi統tong可ke提ti供gong在zai線xian實shi時shi的de對dui參can與yu控kong製zhi的de各ge電dian動dong閥fa門men和he泵beng的de手shou動dong控kong製zhi操cao作zuo。當dang係xi統tong運yun行xing中zhong需xu要yao進jin行xing維wei護hu或huo執zhi行xing其qi它ta控kong製zhi時shi
，可ke以yi在zai線xian實shi時shi的de對dui各ge個ge設she備bei手shou動dong的de單dan獨du控kong製zhi，而er不bu影ying響xiang其qi它ta設she備bei的de正zheng常chang自zi動dong運yun行xing。

(3)工藝參數在線實時設定

xitongkeyitigongzaixiandeshishicanshuxiugai，dangzaiyunxingguochengzhongfaxiangongyixuyaogaijinhuoqitawenti
，keyiyoucaozuoyuanzaixiangaibianxitongdecanshu，yishixitonggongzuozaizuiyoudekongzhizhuangtaizhong
，rutu13。   

  

(4)故障診斷和報警

係統可對以下故障自動診斷，並發出預防性的報警。

報警高限：實時參數異常偏大，大於設定值
，是該監測點處於高報警。

報警底限：實時參數異常偏小，小於設定值，是該監測點處於低報警。

報警：當實時參數出現異常時，相應的監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。

    故障報警界麵如圖14。

 

(5)利用曆史曲線查詢分析遠程模擬量的情況

利用曆史曲線，可隨時針對各個運行點的情況，結合本時間各監測點的數據，分析係統的運行情況，淨水器的運行狀態。

運行過程中，係統將自動生成數據報表，並將數據報表保存在曆史數據庫中，以便隨時查詢曆史記錄。圖15所示為趨勢曲線界麵。

 圖15  趨勢曲線界麵

(6)報表的打印

報表打印可以根據操作員的要求
，生成符合要求的係統報表，並且打印。也可以設定讓係統自動的根據間隔的時間實時的打印報表。圖16所示為報表打印界麵。

  

(7)係統指標

係統的數字量輸入點為227個

係統的數字量輸出點為125個

係統的模擬量輸入點為15個通道

係統的模擬量輸出點為4個通道

係統監測數據刷新時間為1秒

曆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分鍾，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，由於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

，前麵是一個標準的例子，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係列變化調整時間值，由於在WINCC中沒有TIME這個數據類型，隻能用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)   數據網上發布平台

 本項目中設計了係統數據的網上發布平台，在這裏有兩種方案可以考慮，一是利用西門子公司提供的WINCC Web Navigator軟件開發網上的數據傳送係統

；二是利用Delphi軟ruan件jian來lai開kai發fa網wang絡luo瀏liu覽lan係xi統tong。由you於yu項xiang目mu經jing費fei限xian製zhi，我wo們men采cai取qu了le第di二er種zhong方fang案an。通tong過guo這zhe種zhong方fang案an，界jie麵mian的de設she計ji
，和he本ben地di化hua係xi統tong的de集ji成cheng就jiu都dou掌zhang握wo在zai設she計ji者zhe手shou中zhong，使shi得de最zui後hou的de係xi統tong能neng過guo符fu合he客ke戶hu的de要yao求qiu，人ren性xing化hua，易yi用yong性xing都dou比bi較jiao高gao，而er開kai發fa成cheng本ben也ye在zai控kong製zhi之zhi中zhong。

（3）WINCC中動態報表的設計

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複雜數據處理要求（如：進行有條件的查詢和打印，任意時間、任意區段的查詢等）。因此，在設計過程中對歸檔數據複雜查詢技術進行了研究。WINCC是一個全麵開放的組態軟件，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歸檔數據複雜查詢解決該工程問題是可行的：根據用戶對控製係統有條件查詢
、打印的要求，運用Delphi設計ActiveX控件

，然後在WINCC中調用該控件，最終實現WINCC不能完成的複雜歸檔數據訪問任務。

 圖ActiveX控件的界麵

 

係統於2004年10月投入運行，兩年來係統運行良好，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。

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，著眼於整個工廠的控製和管理，采用統一的數據管理、統一的編程組態平台、統一的通訊規範和靈活的結構配置
，從另一側麵保證了項目的順利完成。

本項目使用了WINCC監控軟件，由於軟件優越的開放性，解決了項目中的監控方麵的難點問題

，如WINCC中zhong動dong態tai報bao表biao的de設she計ji等deng功gong能neng。而er統tong一yi的de國guo際ji標biao準zhun編bian程cheng語yu言yan及ji現xian場chang總zong線xian技ji術shu的de應ying用yong，以yi及ji項xiang目mu中zhong軟ruan硬ying件jian設she計ji的de模mo塊kuai化hua，更geng體ti現xian了le本ben係xi統tong的de可ke擴kuo展zhan性xing與yu可ke維wei護hu性xing。

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

2  STEP 7 V5.2 編程手冊．SIEMENS AG．2002

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

4  WINCC編程指南．SIEMENS AG．1998

5  求是科技．Visual Basic 6.0數據庫開發技術與工程實踐．人民郵電出版社，2004