电厂废水处理控制系统的设计与研究
电厂污水处理控制系统的输入输出信号主要分成4个部分，放在三个相连的导轨上：
l 模拟量输入：一站集水池液位，二站集水池液位，清水池液位，污泥池液位，过渡水池液位，溶药箱液位，流量计和四个进化器的浊度和压差。
l 模拟量输出：四个控制变频器（一站收集水泵、回用水泵、加药计量泵a、加药计量泵b）。
l 数字量输入：分为各个水泵风机的运行，故障反馈信号，手/自动选择信号；各个阀门的手动开，关控制信号，故障反馈信号和手/自动选择信号。
l 数字量输出：分别为对各个水泵、风机的开、关、复位输出控制信号；各个阀门的开，关输出控制信号；变频器的启动，复位控制信号。
系统配置了操作员站和工程师站，操作员站的上位机采用研华科技的610H工控机，监控系统使用西门子WINCC监控组态软件，它不仅能很好的支持S7系列的CPU，还集成了多种网络连接方式，使上位机与自动化系统的连接工作非常方便。而且它提供了适用于工业的图形显示、消息报警、过程值归档以及报表打印等模块，具有高性能的过程耦合、快速的画面更新、以及可靠的数据管理功能。图4所示为WINCC组态示意图。
图4 WINCC组态示意图
2．控制方案选择
在采用本系统实施方案前，客户拟采用CPU315模块及通信处理器模块CP343-1实现系统要求，由于CP343-1有其自身的处理器可连接SIMATIC S7-300和工业以太网等 ，可独立处理数据通信，这样使得系统可扩展性增强。由于考虑到项目总体预算及成本，本方案将前方案中CPU315模块换为CPU315-2DP，并省去通信处理器模块CP343-1，这样既满足了系统要求，又减少了系统模块，综合计算后为项目开发节约了不少硬件开支。
四、控制系统完成的功能
1．控制系统功能及指标
（1）软件实现
根据工艺，整个系统的程序由下列几个部分组成：1#集水池、2#集水池、清水池、调节水池、净化器正洗、净化器反洗、加药、净化器停止。每个程序都可以单独控制和单独运行，同时每个程序又是系统的组成部分，它们之间互相有数据的传输。它们组合在一起动作就构成了完整的PLC控制系统程序。下图5为工业部分现场图：
图5 工业现场
程序中编程采用STEP 7软件。这套软件不仅是一个简单的程序编写软件，还集成了硬件组态、网络组态、系统调试、项目管理等各种功能，使项目的实施更加方便。在本控制系统的完成过程中，主要进行了以下几部分的程序设计（如图6）：
图6 项目OB1中程序结构图
图6中：DB11-DB14： 对应四个净化器的正洗背景数据块
DB15-DB18： 对应四个净化器的反洗背景数据块
DB19-DB22： 对应四个净化器的停止背景数据块
l 由废水处理的工艺流程可以知道，废水在经过一系列的水池后最终进入四个废水净化器，在净化器里经过工艺的处理后排放到清水池中。从程序角度看，四个废水净化器的控制流程一致，因此没有必要为每个净化器编写一段代码，只需编写一个函数块，让它们都调用即可。为此，对于在净化器中的正洗、反洗和停止流程都编写了一个程序块，分别是FB11，FB12，FB13。对于每个净化器来说只要分别调用相同的函数块就行，对于每个净化器中不同状态的数据是利用其不同的数据块来加以区别的。这样在整个程序中即保持了流程的统一性，即减少了程序代码，节约了存储空间，又方便维护和修改。
l 模拟量信号因为其在传输过程中有可能会受到其它信号的干扰，而可能出现较大幅度的瞬间变化，而这些值对于系统来说是毫无用处的，甚至有些还可能引起系统的异常运行。由于模拟量总是随着时间连续变化的，所以可以利用滤波算法把瞬间变化的干扰信号过滤掉，把有用的数据传输给PLC控制系统处理。在废水处理控制系统中由于所要求数据处理速度不快，精度也是不要求太高，只是为了防止突然间信号的瞬间变化影响到系统中程序对水质，浊度的判断，所以在系统中使用算术平均滤波算法，算法处理简单，可靠性高，程序编写方便。在程序中定义了FB21作为滤波处理算法的功能块，相当于函数一样，参数的传递是Analog_in变量，返回值是Analog_out变量。事实证明这种算法已经能够满足现场的实际需要，取得了良好的效果。
l 本控制系统使用的CPU 315-2DP中没有集成相应的系统功能块，故程序中使用FB41 “CONT_C”作为PID控制功能块。CONT_C可以在S7系列PLC中实现对于连续输入输出变量的PID控制。CONT_C中的PID控制环节为增量式PID环节，相关参数可以通过输入参数进行实时调整。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，这样可以准确地掌握程序运行时间，提高控制精度。
（2）硬件实现
电厂污水处理控制系统的输入输出信号主要分成4个部分，分别为模拟量输入、输出，数字量输入、输出，并放在三个相连的导轨上，如图7所示：
图7 实际系统的机架结构图
输入输出的硬件接口是也是系统设计的一部分，它反映的是PLC输入输出与现场设备之间的连接，只有正确连接安装才能使得PLC读取到数字量和模拟量，连接方法的不同可以有效地防止现场的干扰，保证数据的正确性。
对于SM321的数字输入量模块，在15-25V直流电压以内都能检测到信号。由于现场的执行器也是发出的直流信号，因此把其直接和现场的开关设备连接来接收开关信号量，图8给出了的数字量输入模块接口示意图。
图8 数字量输入接线原理图
数字量输出选用晶体管输出模块SM322，晶体管输出的响应时间短、寿命长、输出口密度高，但是其只能带直流负载而且带载能力弱。同时为了使PLC的输出和现场回路之间隔离，在输出端使用了继电器，通过继电器触点控制现场负载。这样使控制器与现场达到了电气隔离的作用，大大提高了系统的安全性，同时也使输出口带载能力得到了大大的增强。在继电器旁边加二极管泄放反电势能量，起到保护输出口的作用。图9给出了数字量输出模块接口示意图。
图9 数字量输出接线原理图
SM331采用4-20mA电流输入连接到传感器上，采集系统模拟量数据。图10给出了模拟量输入模块接口示意图。
图10 模拟量输入接线原理图
SM332输出0-10v电压连接到变频器直接给控制信号。图11给出了模拟量输出模块接口示意图。
图11 模拟量输出接线原理图
2．系统的监控与管理
系统采用WINCC5.2监控组态软件在研华科技的610H工控机上实现监控与管理，为生产与安全带来极大的方便。
评论