電廠廢水處理控制系統(tǒng)的設計與研究
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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(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，關控制信號，故障反饋信號和手/自動選擇信號。
l 數(shù)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(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(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
l 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，F(xiàn)B12，F(xiàn)B13。對于每個凈化器來說只要分別調用相同的函數(shù)塊就行，對于每個凈化器中不同狀態(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(xiàn)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(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(shù)一樣，參數(shù)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(jīng)能夠滿足現(xiàn)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(xiàn)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(shù)可以通過輸入?yún)?shù)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。
?。?）硬件實現(xiàn)
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(shù)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(xiàn)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(shù)字量和模擬量，連接方法的不同可以有效地防止現(xiàn)場的干擾，保證數(shù)據(jù)的正確性。
對于SM321的數(shù)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(xiàn)場的執(zhí)行器也是發(fā)出的直流信號，因此把其直接和現(xiàn)場的開關設備連接來接收開關信號量，圖8給出了的數(shù)字量輸入模塊接口示意圖。
圖8 數(shù)字量輸入接線原理圖
數(shù)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(xiàn)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(xiàn)場負載。這樣使控制器與現(xiàn)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(shù)字量輸出模塊接口示意圖。
圖9 數(shù)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(shù)據(jù)。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(xiàn)監(jiān)控與管理，為生產與安全帶來極大的方便。
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