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1、电厂废水水处理控控制系统统的设计计与研究究一、项目目简介本电厂废废水处理理控制系系统项目目所在地地位于山山西省霍霍州市。霍霍州发电电厂于119677年1月由水水利电力力部批准准筹建，采采用火力力发电，装装机容量量40万千千瓦，年年发电量量25亿千千瓦时，主主要担负负着山西西中南部部地区工工农业生生产及人人民生活活用电，是是山西电电网的主主力电厂厂。霍州发电电厂建设设时正处处于中国国发展的的特殊年年代，在在选厂、设设计、设设备选购购、施工工、安装装和投产产发电等等方面追追求简易易发电，给给安全经经济生产产留下先先天缺陷陷。由于于火力发发电厂是是工业用用水大户户，因此此每天的的工业废废水如果果直接
2、排排放，不不仅浪费费水资源源，而且且会造成成严重的的环境污污染。以 往的的废水处处理系统统采用人人工手动动控制，造造成人员员工作强强度大，控控制效率率低，控控制工艺艺落后。本本次项目目采用全全新的自自动控制制系统和和监控技技术可以以克服以以前人工工控制精精度 低低、运行行操作繁繁琐、误误操作可可能性大大等缺点点，该系系统的废废水处理理工艺流流程具有有一定的的先进性性，达到到了电厂厂废水零零排放，大大大提高高了水的的利用率率。同时时可以通通过网络络把 监监控数据据融入整整个电厂厂的自动动化管理理中，节节省人力力物力，便便于集中中管理。通通过本自自动控制制系统把把处理过过的废水水再纳入入整个电电厂
3、的水水循环中中，提高高电厂用用水的效效率，节节 约成成本，提提高了整整体的经经济效益益。使电电厂的自自动化管管理和自自动化控控制生产产方面达达到一个个新的高高度。图1霍霍州发电电厂污水水处理池池外景二、系统统介绍1项目目工艺简简介本次项目目的主要要任务包包括含煤煤废水的的回放、化化学再生生废水收收集、主主厂房内内系统优优化消防防、生活活水系统统隔离、生生活污水水及工业业废水回回用工程程。采用用一定的的污水处处理工艺艺，并通通过自动动化控制制达到预预期规定定的控制制指标。整整个废水水处理系系统由收收集池、调调节水池池、净化化器、污污泥池、清清水池等等部分组组成，在在废水处处理过程程中，我我们将系
4、系统划分分为五个个子系统统来处理理，分别别为：净净水系统统、储药药系统、过过渡调节节系统、清清水回用用系统以以及污泥泥浓缩系系统。电厂的废废水处理理系统工工艺流程程图如图图2所示：图中的的圆代表表收集水水泵；长长方形代代表集水水池；长长圆罐代代表一体体化净化化器，系系统中共共有四个个净化器器，其余余三个在在图中省省略。箭箭头的指指向代表表废水的的流向，其其流向为为从左往往右。图2 电厂废废水处理理系统工工艺流程程图2项目目方案为保证废废水处理理系统安安全稳定定的运行行，该项项目中控控制器、执执行器、监监控组态态部分均均采用西西门子系系列产品品，主要要有以下下几部分分：a.负载载电源模模块(PP
5、S)：PS 3077 b.接口口模块(IM)：IM3360，IM3361c.中央央处理单单元(CCPU)：CPUU3155-2DDP d.信号号模块(SM)：数字字量输入入模块SSM3221，数数字量输输出模块块SM3322，模模拟量输输入模块块SM3331，模模拟量输输出模块块SM3332e.执行行器：MMicrroMaasteer4330/4420变变频器f.监控控组态软软件：WWINCCC(WWinddowss Coontrrol Cennterr)6.0三、控制制系统构构成控制系统统的设计计包括PPLC控控制系统统部分，系系统采集集与执行行器控制制部分以以及上位位机的监监控系统统部分。
6、系系统结构构设计图图如图33所示。图3 系统结结构设计计图1系统统硬件配配置在电厂污污水处理理控制系系统中，根根据用户户要求及及实际情情况分析析，我们们采用西西门子公公司的SS7-3300系系列产品品来完成成此项目目。参照照西门子子公司提提供的产产品技术术参数，以以S7-3000系列中中的CPPU3115-22DP实实现控制制功能，由由于该系系统模拟拟及数字字输入输输出量较较多，采采用接口口模块IIM3660、IM3361（主主机架使使用IMM3600，扩展展机架使使用IMM3611）连接接扩展的的信号模模块满足足系统要要求，其其中信号号模块包包括若干干数字量量输入模模块 SSM3221，数数
7、字量输输出模块块SM3322，模模拟量输输入模块块SM3331，模模拟量输输出模块块SM3332。现场多台台工作泵泵采用西西门子MMicrroMaasteer4330变频频器，MMicrroMaasteer4330变频频器除了了具有第第四代变变频器的的特点以以外，还还具有应应用于风风机和泵泵类的硬硬件和软软件特征征，尤其其适合用用于风机机和水泵泵负载的的控制。使使用此种种型号的的变频器器可以节节约能源源消耗，降降低运行行噪声，对对环境起起到很好好的保护护作用。电厂污水水处理控控制系统统的输入入输出信信号主要要分成44个部分分，放在在三个相相连的导导轨上：l 模拟量量输入：一站集集水池液液位，二
8、二站集水水池液位位，清水水池液位位，污泥泥池液位位，过渡渡水池液液位，溶溶药箱液液位，流流量计和和四个进进化器的的浊度和和压差。l 模拟量量输出：四个控控制变频频器（一一站收集集水泵、回回用水泵泵、加药药计量泵泵a、加药药计量泵泵b）。l 数字量量输入：分为各各个水泵泵风机的的运行，故故障反馈馈信号，手手/自动选选择信号号；各个个阀门的的手动开开，关控控制信号号，故障障反馈信信号和手手/自动选选择信号号。l 数字量量输出：分别为为对各个个水泵、风风机的开开、关、复复位输出出控制信信号；各各个阀门门的开，关关输出控控制信号号；变频频器的启启动，复复位控制制信号。系统配置置了操作作员站和和工程师师
9、站，操操作员站站的上位位机采用用研华科科技的6610HH工控机机，监控控系统使使用西门门子WIINCCC监控组组态软件件，它不不仅能很很好的支支持S77系列的的CPUU，还集集成了多多种网络络连接方方式，使使上位机机与自动动化系统统的连接接工作非非常方便便。而且且它提供供了适用用于工业业的图形形显示、消消息报警警、过程程值归档档以及报报表打印印等模块块，具有有高性能能的过程程耦合、快快速的画画面更新新、以及及可靠的的数据管管理功能能。图44所示为为WINNCC组组态示意意图。图4 WINNCC组组态示意意图2控制制方案选选择在采用本本系统实实施方案案前，客客户拟采采用CPPU3115模块块及通
10、信信处理器器模块CCP3443-11实现系系统要求求，由于于CP3343-1有其其自身的的处理器器可连接接SIMMATIICSS7-3300和和工业以以太网等等，可独独立处理理数据通通信，这这样使得得系统可可扩展性性增强。由由于考虑虑到项目目总体预预算及成成本，本本方案将将前方案案中CPPU3115模块块换为CCPU3315-2DPP，并省省去通信信处理器器模块CCP3443-11，这样样既满足足了系统统要求，又又减少了了系统模模块，综综合计算算后为项项目开发发节约了了不少硬硬件开支支。四、控制制系统完完成的功功能1控制制系统功功能及指指标（1）软软件实现现根据工艺艺，整个个系统的的程序由由下
11、列几几个部分分组成：1#集水水池、22#集水水池、清清水池、调调节水池池、净化化器正洗洗、净化化器反洗洗、加药药、净化化器停止止。每个个程序都都可以单单独控制制和单独独运行，同同时每个个程序又又是系统统的组成成部分，它它们之间间互相有有数据的的传输。它它们组合合在一起起动作就就构成了了完整的的PLCC控制系系统程序序。下图图5为工业业部分现现场图：图5 工业业现场程序中编编程采用用STEEP 77软件。这这套软件件不仅是是一个简简单的程程序编写写软件，还还集成了了硬件组组态、网网络组态态、系统统调试、项项目管理理等各种种功能，使使项目的的实施更更加方便便。在本本控制系系统的完完成过程程中，主主
12、要进行行了以下下几部分分的程序序设计（如如图6）：图6 项项目OBB1中程程序结构构图图6中：DB111-DDB144：对应应四个净净化器的的正洗背背景数据据块DB155-DBB18：对应应四个净净化器的的反洗背背景数据据块DB199-DBB22：对应应四个净净化器的的停止背背景数据据块l 由 废水处处理的工工艺流程程可以知知道，废废水在经经过一系系列的水水池后最最终进入入四个废废水净化化器，在在净化器器里经过过工艺的的处理后后排放到到清水池池中。从从程序角角度看，四四个废水水净化 器的控控制流程程一致，因因此没有有必要为为每个净净化器编编写一段段代码，只只需编写写一个函函数块，让让它们都都调
13、用即即可。为为此，对对于在净净化器中中的正洗洗、反洗洗和停止止流程都都编写了了 一个个程序块块，分别别是FBB11，FB112，FB113。对对于每个个净化器器来说只只要分别别调用相相同的函函数块就就行，对对于每个个净化器器中不同同状态的的数据是是利用其其不同的的数据块块来加以以区别的的。这样样在整个个程序中中即保持持了流程程的统一一性，即即减少了了程序代代码，节节约了存存储空间间，又方方便维护护和修改改。l 模拟拟量信号号因为其其在传输输过程中中有可能能会受到到其它信信号的干干扰，而而可能出出现较大大幅度的的瞬间变变化，而而这些值值对于系系统来说说是毫无无用处的的，甚至至有些还还可能引引起系
14、统统的异常常运行。由由于模拟拟量总是是随着时时间连续续变化的的，所以以可以利利用滤波波算法把把瞬间变变化的干干扰信号号过滤掉掉，把有有用的数数据传输输给PLLC控制制系统处处理。在在废水处处理控制制系统中中由于所所要求数数据处理理速度不不快，精精度也是是不要求求太高，只只是为了了防止突突然间信信号的瞬瞬间变化化影响到到系统中中程序对对水质，浊浊度的判判断，所所以在系系统中使使用算术术平均滤滤波算法法，算法法处理简简单，可可靠性高高，程序序编写方方便。在在程序中中定义了了FB221作为为滤波处处理算法法的功能能块，相相当于函函数一样样，参数数的传递递是Annaloog_iin变量量，返回回值是A
15、Anallog_outt变量。事事实证明明这种算算法已经经能够满满足现场场的实际际需要，取取得了良良好的效效果。l 本控控制系统统使用的的CPUU 3115-22DP中中没有集集成相应应的系统统功能块块，故程程序中使使用FBB41“CONNT_CC”作为PIID控制制功能块块。COONT_C可以以在S77系列PLLC中实实现对于于连续输输入输出出变量的的PIDD控制。CCONTT_C中中的PIID控制制环节为为增量式式PIDD环节，相相关参数数可以通通过输入入参数进进行实时时调整。PID控制程序块与模拟量滤波算法一样都放在定时中断OB35中，它们一个是输入滤波，一个是输出控制，这样可以准确地掌
16、握程序运行时间，提高控制精度。（2）硬硬件实现现电厂污水水处理控控制系统统的输入入输出信信号主要要分成44个部分分，分别别为模拟拟量输入入、输出出，数字字量输入入、输出出，并放放在三个个相连的的导轨上上，如图图7所示：图7实际系系统的机机架结构构图输入输出出的硬件件接口是是也是系系统设计计的一部部分，它它反映的的是PLLC输入入输出与与现场设设备之间间的连接接，只有有正确连连接安装装才能使使得PLLC读取取到数字字量和模模拟量，连连接方法法的不同同可以有有效地防防止现场场的干扰扰，保证证数据的的正确性性。对于SMM3211的数字字输入量量模块，在在15-25VV直流电电压以内内都能检检测到信信
17、号。由由于现场场的执行行器也是是发出的的直流信信号，因因此把其其直接和和现场的的开关设设备连接接来接收收开关信信号量，图图8给出了了的数字字量输入入模块接接口示意意图。图8 数字量量输入接接线原理理图数字量输输出选用用晶体管管输出模模块SMM3222，晶体体管输出出的响应应时间短短、寿命命长、输输出口密密度高，但但是其只只能带直直流负载载而且带带载能力力弱。同同时为了了使PLLC的输输出和现现场回路路之间隔隔离，在在输出端端使用了了继电器器，通过过继电器器触点控控制现场场负载。这这样使控控制器与与现场达达到了电电气隔离离的作用用，大大大提高了了系统的的安全性性，同时时也使输输出口带带载能力力得
18、到了了大大的的增强。在在继电器器旁边加加二极管管泄放反反电势能能量，起起到保护护输出口口的作用用。图99给出了了数字量量输出模模块接口口示意图图。图9 数字量量输出接接线原理理图SM3331采用用4-220mAA电流输输入连接接到传感感器上，采采集系统统模拟量量数据。图图10给出出了模拟拟量输入入模块接接口示意意图。图10模模拟量输输入接线线原理图图SM3332输出出0-110v电电压连接接到变频频器直接接给控制制信号。图图11给出出了模拟拟量输出出模块接接口示意意图。图11 模拟拟量输出出接线原原理图2系统统的监控控与管理理系统采用用WINNCC55.2监监控组态态软件在在研华科科技的661
19、0HH工控机机上实现现监控与与管理，为为生产与与安全带带来极大大的方便便。经过设计计，整个个监控系系统提供供了如下下的功能能：(1)在在线自动动监视系统可对对废水处处理装置置的各项项仪表数数据实时时的在线线监视，并并且生动动直观的的反应在在监控界界面上面面。系统统的刷新新数据是是1秒，历历史的保保存间隔隔是2分钟。图图12为废废水处理理系统工工艺监控控界面。图12废废水处理理系统工工艺监控控界面(2)在在线手动动控制系统可提提供在线线实时的的对参与与控制的的各电动动阀门和和泵的手手动控制制操作。当当系统运运行中需需要进行行维护或或执行其其它控制制时，可可以在线线实时的的对各个个设备手手动的单单
20、独控制制，而不不影响其其它设备备的正常常自动运运行。(3)工工艺参数数在线实实时设定定系统可以以提供在在线的实实时参数数修改，当当在运行行过程中中发现工工艺需要要改进或或其它问问题，可可以由操操作员在在线改变变系统的的参数，以以使系统统工作在在最优的的控制状状态中，如如图133。图13 工艺参参数设定定(4)故故障诊断断和报警警系统可对对以下故故障自动动诊断，并并发出预预防性的的报警。报警高限限：实时时参数异异常偏大大，大于于设定值值，是该该监测点点处于高高报警。报警底限限：实时时参数异异常偏小小，小于于设定值值，是该该监测点点处于低低报警。报警：当当实时参参数出现现异常时时，相应应的监测测点
21、通过过颜色的的变化，提提醒操作作员注意意，进行行相关的的操作，若若需要可可以配合合声音报报警。故故障报警警界面如如图144。图14故故障报警警界面(5)利利用历史史曲线查查询分析析远程模模拟量的的情况利用历史史曲线，可可随时针针对各个个运行点点的情况况，结合合本时间间各监测测点的数数据，分分析系统统的运行行情况，净净水器的的运行状状态。运行过程程中，系系统将自自动生成成数据报报表，并并将数据据报表保保存在历历史数据据库中，以以便随时时查询历历史记录录。图115所示示为趋势势曲线界界面。图15 趋势势曲线界界面(6)报报表的打打印报表打印印可以根根据操作作员的要要求，生生成符合合要求的的系统报报
22、表，并并且打印印。也可可以设定定让系统统自动的的根据间间隔的时时间实时时的打印印报表。图图16所示示为报表表打印界界面。图16 报表表打印界界面(7)系系统指标标系统的数数字量输输入点为为2277个系统的数数字量输输出点为为1255个系统的模模拟量输输入点为为15个通通道系统的模模拟量输输出点为为4个通道道系统监测测数据刷刷新时间间为1秒历史数据据的保存存及报表表显示：根据硬硬盘存储储器的大大小来决决定保存存的时间间。保存存的间隔隔为2分钟，初初步估计计可以有有效存储储13年左左右。3项目目亮点及及难点实实现(1) WINNCC定定时器问问题在定时器器的使用用过程中中，由于于设定的的定时时时间
23、是需需要根据据实际的的工艺来来调整的的，为此此不能在在定时器器中使用用常量定定时时间间。要新新建DBB25数数据块，建建立变量量的参数数时间选选择TIIME数数据类型型，它是是一个332位的的数据，T#1D_1H_1M_1S_1MS，前面是一个标准的例子，表示定时时间为1天1小时1分1秒1毫秒。使用可变参数是为了和WINCC中通讯，使得现场操作员可以根据当前水质等一系列变化调整时间值，由于在WINCC中没有TIME这个数据类型，只能用DWORD32位整型类型来操作，这就涉及到了两个数据类型的转换的问题。根据实际情况所得TIME中的1s=1000(DWORD型)。为了减少STEP7中数据的处理量
24、，在WINCC中使用C脚本对数据进行了处理。WINCC中的时间以分为单位，因此1M=1s*60=1000*60=60000(DWORD型)。(2) 数数据网上上发布平平台本项目目中设计计了系统统数据的的网上发发布平台台，在这这里有两两种方案案可以考考虑，一一是利用用西门子子公司提提供的WWINCCC WWeb Navvigaatorr软件开开发网上上的数据据传送系系统；二二是利用用Dellphii软件来来开发网网络浏览览系统。由由于项目目经费限限制，我我们采取取了第二二种方案案。通过过这种方方案，界界面的设设计，和和本地化化系统的的集成就就都掌握握在设计计者手中中，使得得最后的的系统能能过符合
25、合客户的的要求，人人性化，易易用性都都比较高高，而开开发成本本也在控控制之中中。（3）WWINCCC中动动态报表表的设计计在实际项项目中虽虽然WIINCCC提供了了变量趋趋势显示示、报表表功能，满满足了简简单的归归档数据据访问要要求，但但不能完完成该废废水处理理工程项项目提出出的复杂杂数据处处理要求求（如：进行有有条件的的查询和和打印，任任意时间间、任意意区段的的查询等等）。因因此，在在设计过过程中对对归档数数据复杂杂查询技技术进行行了研究究。WIINCCC是一个个全面开开放的组组态软件件，它可可方便地地集成标标准Wiindoows应应用的对对象、函函数和文文档；提提供了访访问所有有WINNC
26、C功功能的AAPI编编程接口口；集成成了OLLE/OOCX和和ActtiveeX对象象；它允允许通过过标准接接口（标标准SQQL数据据库）访访问归档档数据库库；通过过DDEE、OPCC接口与与其它WWinddowss程序进进行数据据交换。这这些开放放性为自自行扩展展和进一一步丰富富WINNCC软软件的功功能、解解决该工工程问题题提供了了可能。在在本项目目中应用用ActtiveeX技术术实现WWINCCC归档档数据复复杂查询询解决该该工程问问题是可可行的：根据用用户对控控制系统统有条件件查询、打打印的要要求，运运用Deelphhi设计计ActtiveeX控件件，然后后在WIINCCC中调用用该控
27、件件，最终终实现WWINCCC不能能完成的的复杂归归档数据据访问任任务。图ActtiveeX控件件的界面面五、结束束语系统于220044年10月投投入运行行，两年年来系统统运行良良好，未未进行任任何维修修，电厂厂废水达达到了零零排放，大大大提高高了水的的利用率率。六、应用用体会在项目进进行的过过程中，西西门子在在工控领领域中安安全、可可靠、成成熟、高高效的产产品及解解决方案案为项目目的顺利利进行提提供了保保证和保保障。西西门子的的TIAA理念及及产品特特点，着着眼于整整个工厂厂的控制制和管理理，采用用统一的的数据管管理、统统一的编编程组态态平台、统统一的通通讯规范范和灵活活的结构构配置，从从另
28、一侧侧面保证证了项目目的顺利利完成。本项目使使用了WWINCCC监控控软件，由由于软件件优越的的开放性性，解决决了项目目中的监监控方面面的难点点问题，如如WINNCC中中动态报报表的设设计等功功能。而而统一的的国际标标准编程程语言及及现场总总线技术术的应用用，以及及项目中中软硬件件设计的的模块化化，更体体现了本本系统的的可扩展展性与可可维护性性。附：参考考文献1 肖肖萍火火电厂排排放废水水的处理理与回用用江苏苏环境科科技119988(3)：18-192 SSTEPP 7 V5.2 编编程手册册SIIEMEENS AG200023 SS7-3300可可编程序序控制器器硬件和和安装手手册SSIEMMENSS AGG200044 WWINCCC编程程指南SIEEMENNS AAG199985 求求是科技技Viisuaal BBasiic 66.0数数据库开开发技术术与工程程实践人民邮邮电出版版社，220044