摘要：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)庫技術的遠程監(jiān)控方案并通過實驗證明了該方案的可行性。
      關鍵詞：廢水處理控制系統(tǒng)，PLC,，WINCC,，Profibus，ActiveX,，Delphi

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?；糁莅l(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)工農業(yè)生產及人民生活用電，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、安裝和投產發(fā)電等方面追求簡易發(fā)電,，給安全經(jīng)濟生產留下先天缺陷,。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)結構設計圖如圖3所示,。

圖3  系統(tǒng)結構設計圖

    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系列產品來完成此項目,。參照西門子公司提供的產品技術參數(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,、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

      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,。
      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。
      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,。
      （2）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,。
經(jīng)過設計，整個監(jiān)控系統(tǒng)提供了如下的功能：
      （1）在線自動監(jiān)視
      系統(tǒng)可對廢水處理裝置的各項儀表數(shù)據(jù)實時的在線監(jiān)視,，并且生動直觀的反應在監(jiān)控界面上面,。系統(tǒng)的刷新數(shù)據(jù)是1秒，歷史的保存間隔是2分鐘,。圖12為廢水處理系統(tǒng)工藝監(jiān)控界面,。

圖12 廢水處理系統(tǒng)工藝監(jiān)控界面

      （2）在線手動控制
      系統(tǒng)可提供在線實時的對參與控制的各電動閥門和泵的手動控制操作。當系統(tǒng)運行中需要進行維護或執(zhí)行其它控制時,，可以在線實時的對各個設備手動的單獨控制,，而不影響其它設備的正常自動運行。
      （3）工藝參數(shù)在線實時設定
      系統(tǒng)可以提供在線的實時參數(shù)修改,，當在運行過程中發(fā)現(xiàn)工藝需要改進或其它問題,，可以由操作員在線改變系統(tǒng)的參數(shù)，以使系統(tǒng)工作在最優(yōu)的控制狀態(tài)中，如圖13,。    

圖13 工藝參數(shù)設定

      （4）故障診斷和報警
      系統(tǒng)可對以下故障自動診斷,，并發(fā)出預防性的報警。
      報警高限：實時參數(shù)異常偏大,，大于設定值,，是該監(jiān)測點處于高報警。
      報警底限：實時參數(shù)異常偏小,，小于設定值,，是該監(jiān)測點處于低報警。
      報警：當實時參數(shù)出現(xiàn)異常時,，相應的監(jiān)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,。
      故障報警界面如圖14。

圖14 故障報警界面 

      （5）利用歷史曲線查詢分析遠程模擬量的情況
      利用歷史曲線,，可隨時針對各個運行點的情況,，結合本時間各監(jiān)測點的數(shù)據(jù)，分析系統(tǒng)的運行情況,，凈水器的運行狀態(tài),。
      運行過程中，系統(tǒng)將自動生成數(shù)據(jù)報表,，并將數(shù)據(jù)報表保存在歷史數(shù)據(jù)庫中,，以便隨時查詢歷史記錄。圖15所示為趨勢曲線界面,。

圖15  趨勢曲線界面 

      （6）報表的打印
      報表打印可以根據(jù)操作員的要求,，生成符合要求的系統(tǒng)報表,，并且打印,。也可以設定讓系統(tǒng)自動的根據(jù)間隔的時間實時的打印報表。圖16所示為報表打印界面,。

圖16  報表打印界面

      （7）系統(tǒng)指標
      系統(tǒng)的數(shù)字量輸入點為227個
      系統(tǒng)的數(shù)字量輸出點為125個
      系統(tǒng)的模擬量輸入點為15個通道
      系統(tǒng)的模擬量輸出點為4個通道
      系統(tǒng)監(jiān)測數(shù)據(jù)刷新時間為1秒
      歷史數(shù)據(jù)的保存及報表顯示：根據(jù)硬盤存儲器的大小來決定保存的時間,。保存的間隔為2分鐘，初步估計可以有效存儲13年左右,。
    3．項目亮點及難點實現(xiàn)
      （1）WINCC定時器問題
      在定時器的使用過程中,，由于設定的定時時間是需要根據(jù)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(shù)據(jù)塊,，建立變量的參數(shù)時間選擇TIME數(shù)據(jù)類型，它是一個32位的數(shù)據(jù),，T#1D_1H_1M_1S_1MS,，前面是一個標準的例子,，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(shù)是為了和WINCC中通訊,，使得現(xiàn)場操作員可以根據(jù)當前水質等一系列變化調整時間值,，由于在WINCC中沒有TIME這個數(shù)據(jù)類型，只能用DWORD32位整型類型來操作,，這就涉及到了兩個數(shù)據(jù)類型的轉換的問題,。根據(jù)實際情況所得TIME中的1s=1000（DWORD型）。為了減少STEP7中數(shù)據(jù)的處理量,，在WINCC中使用C腳本對數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)網(wǎng)上發(fā)布平臺
      本項目中設計了系統(tǒng)數(shù)據(jù)的網(wǎng)上發(fā)布平臺,，在這里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(fā)網(wǎng)上的數(shù)據(jù)傳送系統(tǒng),；二是利用Delphi軟件來開發(fā)網(wǎng)絡瀏覽系統(tǒng),。由于項目經(jīng)費限制，我們采取了第二種方案,。通過這種方案,，界面的設計，和本地化系統(tǒng)的集成就都掌握在設計者手中,，使得最后的系統(tǒng)能過符合客戶的要求,，人性化，易用性都比較高,，而開發(fā)成本也在控制之中,。
      （3）WINCC中動態(tài)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(shù)據(jù)訪問要求,，但不能完成該廢水處理工程項目提出的復雜數(shù)據(jù)處理要求（如：進行有條件的查詢和打印，任意時間,、任意區(qū)段的查詢等）,。因此，在設計過程中對歸檔數(shù)據(jù)復雜查詢技術進行了研究,。WINCC是一個全面開放的組態(tài)軟件,，它可方便地集成標準Windows應用的對象、函數(shù)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(shù)據(jù)庫）訪問歸檔數(shù)據(jù)庫；通過DDE,、OPC接口與其它Windows程序進行數(shù)據(jù)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(xiàn)WINCC歸檔數(shù)據(jù)復雜查詢解決該工程問題是可行的：根據(jù)用戶對控制系統(tǒng)有條件查詢,、打印的要求，運用Delphi設計ActiveX控件,，然后在WINCC中調用該控件,，最終實現(xiàn)WINCC不能完成的復雜歸檔數(shù)據(jù)訪問任務。

圖ActiveX控件的界面 

五,、結束語
      系統(tǒng)于2004年10月投入運行,，兩年來系統(tǒng)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。
六,、應用體會
      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,，著眼于整個工廠的控制和管理,，采用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)管理、統(tǒng)一的編程組態(tài)平臺,、統(tǒng)一的通訊規(guī)范和靈活的結構配置,，從另一側面保證了項目的順利完成。
      本項目使用了WINCC監(jiān)控軟件,，由于軟件優(yōu)越的開放性,，解決了項目中的監(jiān)控方面的難點問題，如WINCC中動態(tài)報表的設計等功能,。而統(tǒng)一的國際標準編程語言及現(xiàn)場總線技術的應用,，以及項目中軟硬件設計的模塊化,，更體現(xiàn)了本系統(tǒng)的可擴展性與可維護性,。
附：參考文獻
1  肖萍．火電廠排放廢水的處理與回用．江蘇環(huán)境科技．1998（3）：18-19
2  STEP 7 V5.2 編程手冊．SIEMENS AG．2002
3  S7-300可編程序控制器硬件和安裝手冊．SIEMENS AG．2004
4  WINCC編程指南．SIEMENS AG．1998
5  求是科技．Visual Basic 6.0數(shù)據(jù)庫開發(fā)技術與工程實踐．人民郵電出版社，2004