電廠廢水處理控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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(hào)主要分成4個(gè)部分，放在三個(gè)相連的導(dǎo)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(jì)和四個(gè)進(jìn)化器的濁度和壓差。
l 模擬量輸出：四個(gè)控制變頻器（一站收集水泵、回用水泵、加藥計(jì)量泵a、加藥計(jì)量泵b）。
l 數(shù)字量輸入：分為各個(gè)水泵風(fēng)機(jī)的運(yùn)行，故障反饋信號(hào)，手/自動(dòng)選擇信號(hào)；各個(gè)閥門的手動(dòng)開，關(guān)控制信號(hào)，故障反饋信號(hào)和手/自動(dòng)選擇信號(hào)。
l 數(shù)字量輸出：分別為對(duì)各個(gè)水泵、風(fēng)機(jī)的開、關(guān)、復(fù)位輸出控制信號(hào)；各個(gè)閥門的開，關(guān)輸出控制信號(hào)；變頻器的啟動(dòng)，復(fù)位控制信號(hào)。
系統(tǒng)配置了操作員站和工程師站，操作員站的上位機(jī)采用研華科技的610H工控機(jī)，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(luò)連接方式，使上位機(jī)與自動(dòng)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(bào)警、過程值歸檔以及報(bào)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(shí)施方案前，客戶擬采用CPU315模塊及通信處理器模塊CP343-1實(shí)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(dú)立處理數(shù)據(jù)通信，這樣使得系統(tǒng)可擴(kuò)展性增強(qiáng)。由于考慮到項(xiàng)目總體預(yù)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(jì)算后為項(xiàng)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(biāo)
?。?）軟件實(shí)現(xiàn)
根據(jù)工藝，整個(gè)系統(tǒng)的程序由下列幾個(gè)部分組成：1#集水池、2#集水池、清水池、調(diào)節(jié)水池、凈化器正洗、凈化器反洗、加藥、凈化器停止。每個(gè)程序都可以單獨(dú)控制和單獨(dú)運(yùn)行，同時(shí)每個(gè)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(dòng)作就構(gòu)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(chǎng)圖：
圖5 工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)
程序中編程采用STEP 7軟件。這套軟件不僅是一個(gè)簡(jiǎn)單的程序編寫軟件，還集成了硬件組態(tài)、網(wǎng)絡(luò)組態(tài)、系統(tǒng)調(diào)試、項(xiàng)目管理等各種功能，使項(xiàng)目的實(shí)施更加方便。在本控制系統(tǒng)的完成過程中，主要進(jìn)行了以下幾部分的程序設(shè)計(jì)（如圖6）：
圖6 項(xiàng)目OB1中程序結(jié)構(gòu)圖
圖6中：DB11-DB14： 對(duì)應(yīng)四個(gè)凈化器的正洗背景數(shù)據(jù)塊
DB15-DB18： 對(duì)應(yīng)四個(gè)凈化器的反洗背景數(shù)據(jù)塊
DB19-DB22： 對(duì)應(yīng)四個(gè)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(jìn)入四個(gè)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(gè)廢水凈化器的控制流程一致，因此沒有必要為每個(gè)凈化器編寫一段代碼，只需編寫一個(gè)函數(shù)塊，讓它們都調(diào)用即可。為此，對(duì)于在凈化器中的正洗、反洗和停止流程都編寫了一個(gè)程序塊，分別是FB11，F(xiàn)B12，F(xiàn)B13。對(duì)于每個(gè)凈化器來說只要分別調(diào)用相同的函數(shù)塊就行，對(duì)于每個(gè)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(gè)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(chǔ)空間，又方便維護(hù)和修改。
l 模擬量信號(hào)因?yàn)槠湓趥鬏斶^程中有可能會(huì)受到其它信號(hào)的干擾，而可能出現(xiàn)較大幅度的瞬間變化，而這些值對(duì)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(yùn)行。由于模擬量總是隨著時(shí)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(hào)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(hào)的瞬間變化影響到系統(tǒng)中程序?qū)λ|(zhì)，濁度的判斷，所以在系統(tǒng)中使用算術(shù)平均濾波算法，算法處理簡(jiǎn)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(dāng)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(shí)證明這種算法已經(jīng)能夠滿足現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)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(yīng)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(shí)現(xiàn)對(duì)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(guān)參數(shù)可以通過輸入?yún)?shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整。PID控制程序塊與模擬量濾波算法一樣都放在定時(shí)中斷OB35中，它們一個(gè)是輸入濾波，一個(gè)是輸出控制，這樣可以準(zhǔn)確地掌握程序運(yùn)行時(shí)間，提高控制精度。
?。?）硬件實(shí)現(xiàn)
電廠污水處理控制系統(tǒng)的輸入輸出信號(hào)主要分成4個(gè)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(gè)相連的導(dǎo)軌上，如圖7所示：
圖7 實(shí)際系統(tǒng)的機(jī)架結(jié)構(gòu)圖
輸入輸出的硬件接口是也是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一部分，它反映的是PLC輸入輸出與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)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(chǎng)的干擾，保證數(shù)據(jù)的正確性。
對(duì)于SM321的數(shù)字輸入量模塊，在15-25V直流電壓以內(nèi)都能檢測(cè)到信號(hào)。由于現(xiàn)場(chǎng)的執(zhí)行器也是發(fā)出的直流信號(hào)，因此把其直接和現(xiàn)場(chǎng)的開關(guān)設(shè)備連接來接收開關(guān)信號(hào)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(yīng)時(shí)間短、壽命長(zhǎng)、輸出口密度高，但是其只能帶直流負(fù)載而且?guī)лd能力弱。同時(shí)為了使PLC的輸出和現(xiàn)場(chǎng)回路之間隔離，在輸出端使用了繼電器，通過繼電器觸點(diǎn)控制現(xiàn)場(chǎng)負(fù)載。這樣使控制器與現(xiàn)場(chǎng)達(dá)到了電氣隔離的作用，大大提高了系統(tǒng)的安全性，同時(shí)也使輸出口帶載能力得到了大大的增強(qiáng)。在繼電器旁邊加二極管泄放反電勢(shì)能量，起到保護(hù)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(hào)。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(jī)上實(shí)現(xiàn)監(jiān)控與管理，為生產(chǎn)與安全帶來極大的方便。
評(píng)論