（控制理论与控制工程专业论文）电厂废水处理控制系统的设计与研究.pdf

南京理工大学硕士学位论文 电厂废水处理控制系统的设计与研究 摘要 本论文是依托某发电厂废水处理项目设计与实现展开研究讨论的。该项目的主 要任务是设计一套符合废水处理要求、采用现场总线技术实现监控功能的p l c 控制 系统。该系统克服了人工控制精度低、操作运行繁琐、误操作可能性大等缺点，该 系统的废水处理工艺流程具有定的先进性，达到了电厂废水零排放，大大提高了 水的利用率。论文着重研究探讨了p l c 控制系统及现场总线监控部分的设计思想和 具体实现，并对其中的工程问题作了较详细的讨论。 针对现场总线监控部分的报表及打印工程问题，作者提出了用外部应用程序 a c t iv e x 技术进行扩展设计的方案并在工程中得到了实现。 最后，作者对用户局域网远程监控技术进行了研究讨论，提出一套基于局域网 和数据库技术的远程监控方案并通过实验证明了该方案的可行性。 关键词：废水处理控制系统，p l c ，w l n c c ，p r o f j b u s ，a c t i v e x ：d e l p m ! 璺! 堡垒望： 堡主鲎苎 a b s t i t a c t t h isp a p e rr e s e a r c h e s a n dd i s c u s s e st h ed e s i g na n dr e a li z a t i o no ft h e p r o j e c t ，n a m e dt h e1 i q u i dw a s t ep r o c e s s i n gs y s t e mo fap o w e rp l a n t t h i 8 p r o j e c ti sd e s i g n e d m a i n l yt oa p l cc o n t r o l l i n gs y s t e m w h i c ha c c o r dw j t h1 i q u i d w a s t e sr e q u e s ta n dr e a l i z em o n i t o r i n gw i t hf i e l db u s h i ss y s t e mo v e r c o m e s l o wa c c u r a c yo fa r t i f i c i a lc o n t r o l ，c o m p l e xo p e r a t i n ga n dh i g ho d d so f i n a c c u r a t eo p e r a t i o n t h i sp r o j e c tt a k e so ra d v a n c e dc r a f to ft h e1 i q u i dw a s t e p r o c e s s i n g ，a n da c h i e v e sz e r oe x h a u s to fp o w e rp l a n t si i q u i dw a s t e t h i s p r o j e c ti m p r o v e st h eu t i li z a t i o no fw a t e r t h i sp a p e rd i s c u s s e st h ed e s i g n i n g a n dr e a l i z i n go ft h ep l cc o n t r o l l i n gs y s t e ma n dm o n i t o t i n gw i t hf i e l db u s w ea r g u eo r ls o m ec r u c i a lp r o b l e m so ft hjsp r o j e c t t oa i ma tt h ep r o b l e mo fw i n c cr e p o r tf o r m sa n dp r i n t ，w ed e s i g nab ll i e p r i n tw h i c hi su s e de x t e r np r o g r a mi nw i n c ct h r o u g ha na c t i v e x ，a n dw ec o m e t r u et h i s b l u ep r i n t l a s t ，a u t h o rr e s e a r c ht h er e m o t es u r v e i i l a n c ei nl a n w ed e s i g nab l u ep r i n t o fr e m o t es u r v e i l l a n c ew i t hd a t a b a s ea n dl a n ，a n dw ep r o v ei t i nl a b k e yw o r d s ：t h e l i q u i dw a s t ep r o c e s s i n gs y s t e m ，p l c ，w i n c c ，p r o f i b u s ，a c t i v e x ，d e l p h i y7 6 3 4 5 0 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在 本学位论文中，除t a n 以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发 表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学 历而使用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均 已在论文中作了明确的说明。 研究生签名：2 。万年月2 吕日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅 或上网公布本学位论文的全部或部分内容，可以向有关部门或机构送 交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的全部或部分内容a 对 于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名：j 蛑月2 8 日 南京理工大学研士学位论文 电厂废水处理控制系统的设计与研究 1 绪论 1 1 水污染的现状 水，是入类生存、养息、发展的根本条件。然而，人类社会在工业化的进程中 大量消耗水资源的同时，排出污水，污染河湖，危害环境，造成严重后果。英国及 美国都曾在1 9 世纪中发生因引用水资源遭生活污水污染而引起的霍乱大流行，= 十世纪工业迅速发展和城市人口剧增更带来不少河流水质恶化、生物绝迹的恶果。 有资料表明目前第三世界国家每年因水污染而造成2 0 0 万人口的死亡 全世界有1 0 0 多个国家缺水，其中严重的有4 0 多个，水资源的缺乏及水环境的污染已越来越成 为制约发展的重要因素。 近年来，中国经济的迅猛发展，大大促进了世界经济的发展，但是中国的水污 染问题也变得更加突出。据统计，拉丁美洲2 7 9 亿的城市人口仅有4 1 的下水遭普 及率，1 0 的污水处理率；东南亚国家近1 9 亿人口集中在1 0 个特大城市，下水道 普及率不足1 0 。因此水污染问题不仅是中国的问题而且是亚洲乃至世界的严重问 题。 随着人类的发展，水资源越来越不能满足人类发展的需要，主要表现为可供水 资源量不足和水质恶化导致环境污染这两方面。我国改革开放二十年来，国民经济 及城市建设得到高速的发展，城市规模与人口的增加，带来了城市的勃勃生机，也 同样带来了水污染控制及水环境保护问题。j 9 9 7 年，全国污水排放量约4 1 6 亿盹， 其中4 5 来源于城市生活污水，5 5 为工业废水。我国七大水系，湖泊，水库，部分 地区地下水受到不同程度的污染，七大水系的水质继续恶化。水资源的严重匮乏已 成为制约我国国民经济可持续发展的一个重要因素。因此，合理开发利用水资源、 保护环境已成为我国的基本国策。虽然近2 0 年城市污水处理事业有较大的发展， 但是仍然难以满足城市发展的需要。各级政府对此都给予高度重视。e h 于我国污水 处理事业起步较晚，落后于发达国家将近3 0 一4 0 年，这些差距还表现在工艺技术， 设备制造，运行管理等各个方面。此外，运行经费不足，设计经验不足，设备使用 维护不当，完好率低，有经验的工艺及自控技术人员的缺乏。”以上这些都制约了 水处理的发展。随着国家经济的发展，政府部门越来越重视到环境在经济发展中的 分量，要实现经济的可持续发展，就必须要解决在经济发展中造成的环境污染问题， 而水环境的整治又是重中之重。可以预见污水，废水的处理将是我们一直面临的重 要问题。 硕士论文 i 2 水处理的方法 当前国际和国内在水处理的工艺上主要是有两种，即生物处理法和物理化学处 理法。其中水处理生物工艺有：生物膜法处理工艺、好氧生物处理工艺、厌氧生物 处理工艺、活性污泥法生物处理工艺、废水自然净化处理工艺；水处理物理化学工 艺有：吸附法处理工艺、物理控制法处理工艺、离子交换法处理工艺、化学控制法 处理工艺、氧化还原与电解法处理工艺、膜分离法处理工艺等。水污染是由很多种 不同情况造成的，而且水处理要综合考虑投资、运行成本和处理效果等多种因素， 根据要处理的废水水质不同可能选取一种或多种不同的处理工艺。” 电厂工业废水主要来自锅炉排污水、汽机房排水、油库排水、输煤系统冲洗排 水、煤厂排水、厂区办公和生活用水等。由于工、业废水来源复杂，其水质、水量的 变化较大。排水中的常规离子含量及p h 值变化较小，接近于电厂的水源水质，有 机物含量指标c o d c r ( 化学需氧量) 也不高，但有一定的变化，油和悬浮物的变化则 较大。在废水中高含油量出现的概率很小，且一般从源头上就可制止废油大量进入 工业废水。至于悬浮物，在交接班时段的大清扫和大冲洗后会出现高峰值，即水变 混，水量也大。证明只要循环排污水及化学中和池排水不进入工业排水系统，那么 工业废水中的常规离子含量同水源水相近；超标的污染物指标主要是悬浮物，偶尔 油和c o d c r 也会超标。根据火电厂工业废水的特点，工业废水中只要去除悬浮物及 降低部分c o d c r 和油就能满足循环水补充水的要求。目前电厂采用混凝澄清一过 滤工艺对工业废水进行处理，荠回甩冷却水。 1 3 电厂废水处理控制系统的研制背景 火力发电厂是工业用水大户，每天的工业废水如果直接排放的话不仅水资源浪 费严重而且要造成严重的污染。随着国家环境保护政策与法规的不断健全，对环境 保护要求也更加严格。以往的废水处理系统采用人工手动控制，造成入员工作强度 大，控制效率低，控制工艺落后。电厂废水处理中采用全新的自动控制系统和监控 技术可以克服以前人工控制精度低、运行操作繁琐、误操作可能性大等缺点，该系 统的废水处理工艺流程具有一定的先进性，达到了电厂废水零排放，大大提高了水 的利用率。同时可以通过网络把监控数据融入整个电厂的自动化管理中，这样更加 节省人力物力，便于集中管理。通过本自动控制系统把处理过的废水再纳入整个电 厂的水循环中，提高电厂用水的效率，节约成本，提高了整体的经济效益。使电厂 的自动化管理和自动化控制生产方面达到个新的高度。 2 南京理工大学硕士学位论文 电厂废水处理控制系统的设计与研究 1 4 本人所做的主要工作及论文的研究内容 为了实现电厂废水零排放，这个项目所要完成的任务是： 含煤废水的回放 化学再生废水收集 主厂房内系统优化 消防、生活水系统隔离 生活污水及工业废水回用工程 通过自动化控制要求达到下列控制指标： p h ( 水溶液的酸碱度) ：6 5 - 8 5 油： o 5 m g l c o d c r ( 化学需氧量) ： l o m g ls s ( s u s p e n d e ds o l i d s ，悬浮固形物) ： 5 m g l 本论文是基于该工程项目的电气控制系统设计与实现展开的，论文系统地研究 了电厂废水处理系统的工艺流程、设备硬件组成，在此基础上设计了电气控制系统 的硬件和软件及人机交互的监控系统。并对控制算法和网络化的监视系统进行研 究。本人参与完成了整个电气控制系统的软硬件及监控系统设计和实现，并完成了 现场调试。该系统己投入正常运行并产生经济效益。论文所研究的内容分为7 部分。 绪论 废水处理控制系统的总体设计 ，废水处理控制系统中p l c 控制系统的设计与实现 废水处理控制系统中的数据采集与执行器控制的设计与实现 废水处理控制系统中的监控系统的设计与实现。 废水处理控制系统的调试与讨论 总结与展望 废水处理系统的总体设计硕士论文 2 废水处理系统的总体设计 2 1 可编程序控制器介绍 可编程控制器( p r o g r a m m a b l el o g i cc o n t r o l e r ) 简称p l c 或p c ，国际电工委 员会( i e c ) 对可编程控制器是：“可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统， 专为在工业环境下应用而设计。它采用可编程序的存储器，用来在其内部存储执行 逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算数运算等操作的命令，并通过数字式、模拟 式的输入和输出，控制各种类型的机械和生产过程。可编程控制器及其有关设备， 都应按易于与工业控制系统联成一体，易于扩充功能的原则设计。p l c 在现代工业 控制中占有重要地位，是公认的现代工业自动化三大技术支柱( p l c 、c a d d a m 、机 器人) 之一。 p l c 具有以下特点：( 1 ) 可靠性高，抗干扰能力强；( 2 ) 编程简单，使用方便； ( 3 ) 设计安装容易，维护工作量少；( 4 ) 。功能完善，通用性强：( 5 ) 体积小，能耗 低；( 6 ) 性能价格比高。“” 随着技术的发展和市场的增加，p l c 的结构和功能也不断改进。现代p l c 的发 展有两个主要趋势：其一是向体积更小，速度更快，功能更强，价格更低的微小型 p l c 方面发展；其二是向大型网络化，高可靠性，好的兼容性，多功能方面发展“1 ： ( 1 ) 大型网络化：主要是朝d c s 方向发展，使其具有d c s 系统的一些功能。网 络化和强化通信能力是p l c 发展的一个主要方面，向下将多个p l c ，多个i o 框架 相连：向上与工业计算机、以太网、m a p 网等相连构成整个工厂的自动化控制系统， 现场总线技术在工业控制中将会得到越来越广泛的应用。s 7 3 0 0p l c 可以通过多点 接口m p i ( m u l t i p o i n ti n t e r f a c e ) 直接与计算机、编程嚣、操作员面板及其它 p l c 相连，也可通过通信处理器连成更大的，范围更广的s i n e ch 1 以太网络或通过 现场总线构成灵活实用的分布式s i n e cl 2 网络。 圈2 1 $ 7 - 3 0 0p l c 可视图 南京理工大学硕士学位论文电厂废水处理控涮系统的设计与研究 ( 2 ) 多功能：为了适应各种特殊功能的需要，各个公司陆续推出了多种智能模 块，智能模块是以微处理器为基础的功能部件，它们的c p u 与p l c 的c p u 并行工作。 占用主机c p u 的时间很少，有利于提高p l c 的描述度和完成特殊的控制要求。智能 模块主要由模拟量i o ，p i d 回路控制、通信控制、机械运动控制、高速计数、中 断输入等。由于智能i o 的应用，使过程控制的功能和实时型大为增强，某些p l c 的过程控制还具有自适应，参数自整定功能。使设计、调试时间减少，控制精度提 高。如s 7 3 0 0 的模拟量输入模块可以直接输入电流、电压、热电偶、热电阻等多 达1 8 种不同类型不同范围的信号，适应性很强。 ( 3 ) 高可靠性：由于控制系统的可靠性日益受到人们的重视，一些公司己将自 诊断技术、冗余技术、容错技术广泛的应用到现有产品中，推出了高可靠性的冗余 系统，并采用热备用或并行工作，多种表决的工作方式。s 7 4 0 0p l c 即使在恶劣、 不稳定的工作环境下，坚固、全部密封的模板依然可正常工作，在操作运行过程中 模板还可热拔插。 ( 4 ) 好的兼容性：现代p l c 已不再是单个的、独立的控制装置，而是整个控制 系统中的一部分或一个环节。好的兼容性是p l c 深层次应用的重要保证。s m a t i c m 7 - 3 0 0p l c 采用与s i m a t i cs 7 3 0 0 相同的构造，能用s i m a t i cs 7 模块，其显著特 点是与通用微型机算机兼容，可运行m s d o s w i n d o w s 程序，适合于处理数据量大， 实时性强的工作任务。 ( 5 ) 小型亿、低成本、简单易用：随着应用范围的扩大和用户投资规模的不同， 小型化、低成本、简单易用的p l c 将广泛应用于各行各业。小型p l c 有整体结构向 小型模块佬结构发展，增如了配置的灵活性。 ( 6 ) 编程语言向高层次发展：，p l c 的编程语言在原有梯形图语言、顺序功能块 语言和指令表语言基础上，不断丰富和向高层次发展。话门子s i m a t i cs 7 3 0 0p l c 的编程语言s t e p7 ，可运行在个人计算机w i n d o w s 环境下，界面极为友好，提供了 强劲的梯形图和语句表两种形式的藕程、调试和诊断等功能。并备有丰富的随机帮 助信息，可支持位、字节、日期、数组、结构等数据类型。s i f t a t i c , 1 7 则使用c 抖 等高级语言进行编程，体现了面向未来的种种特征。 2 ，2 现场总线p r o f i b u s 的介绍 按i e c 和现场总线基金会的定义，现场总线是连接智能现场设备和自动化系统 的数字式、双向传输、多分支结构的通信网络。有通信就必须有协议，从这介意义 上讲，现场总线实质上是一个定义了硬件接口和通信协议的标准”。 现场总线不仅是当今3 c 技术发展的结合点，也是过程控制技术、自动化仪表 废水处理系统的总体设计 硕士论文 技术和计算机网络技术发展的交汇点，是信息技术、网络技术的发展在控制领域的 集中体现，是信息技术、网络技术延伸到现场的必然结果。现场总线不单单是一种 通信技术，它有效实现了智能仪表、通信网络和控制系统的集成。现场总线的本质 原理和技术特征集中表现在：”。 现场通信网络：实现过程控制、加工制造现场仪表或设备的现场数字化通信。 现场设备互连：仅仅用一对传输线( 如双绞线、同轴电缆、光纤或电源线等) 将传感器、变送器和执行器等现场仪表和设备互连起来。 互操作性：现场仪表或设备品种繁多，不可能从一家制造公司购齐。在遵守同 通信协议的前提下，现场总线允许选用各制造商性能价格比最高的产品集成 在一起，实现对不同品牌的仪表或设备互相连接，统一组态。 功能分散：废弃了d c s 的输入输出单元和控制站，将控制功能分散到现场仪表， 从而构成虚拟控制站。因此现场仪表应是智能型多功能仪表。 通信线供电：对于本质安全要求的低功耗现场仪表，允许直接从通信线上摄取 能源。 开放式互连：现场总线作为开放式互联网络，既可与同层网络互连，也可以通 过网络互联设备与不同层次的控制级网络和信息级网络互联，共享资源，统一 调度。 p r o f i b u s ( p r o c e s sf i e l db u s ) 是一种国际性的、开放的、已在世界范围内 得到广泛应用的现场总线。它于1 9 8 9 年成为德国标准d i n1 9 2 4 5 ，于1 9 9 6 年成为 欧洲标准e n5 0 1 7 0y 2 ，于1 9 9 9 年底成为国际标准j e c 6 1 1 5 8 的组成部分( t y p ei n ) 。 目前国际上许多公司的产品支持p r o f i b u s 总线，现场总线仪表系列齐全，市场占 有率第一，德国西门子公司则是p r o f i h u s 产品的主要供应商。哺1 圈2 2p r o f i b u s 现场总线连接图 p r o f i b u s 根据应用特点分为p r o f i b u s d p ，p r o f i b u s - f m s ，p r o f i b u s p a 三个 兼容版本。其中p r o f i b u s d p 是一种经过优化的高速通信连接，专为自动控制系统 和分散i 0 设备之间通信设计，用于分布式控制系统的高速数据传输，其传输速率 6 南京理工大学硕士学位论文 电厂废水处理控制系统的设计与研究 可达1 2 m b it s ，般构成单主站系统：p r c f i b u s f m s 主要解决车间级通用性通信 任务，提供大量的通信服务，完成中等速度的循环和非循环通信任务；p r o f i b u s p a 专为过程自动化设计，提供标准的本质安全传输技术，用于对安全性要求较高的场 合及有总线供电的站点。f m s 和d p 一般可混合使用。“。 p r o f i b u s 总线的主要优点：( 1 ) 1 2 1 b p s 的通信速率和可靠的通信质量( 海明距 离= 4 ) ；( 2 ) 适用多种通信介质( 电、光、红外、导轨以及混合方式) ：( 3 ) 灵活的拓 扑结构，支持线型、树型、环型结构以及冗余的通信模型；( 4 ) 强大的通信功能， 支持基于总线的驱动技术和符合i e c 6 1 5 0 8 的总线安全通信技术；( 5 ) 先进的网络 规模( 最多支持1 2 6 个总线站，网络规格可达9 0 公里) 。 p r o f i b u s 定义了串行现场总线系统的技术特征。串行现场总线可以从现场级到 单元级使分散的数字p i 。c 形成网络。p r o f i b u s 是一个多主站系统，它允许若干个带 各自分散外设的自动化系统、工程系统或可视化系统在一条总线上联合运行。 p r o f b u s 系统中的设备类型分为主站和从站。主站决定总线上的数据通信。当 主站持有总线存取权( 令牌，t o k e n ) 时，它可以发送报文，而不需有外部请求。主 站也称为主动站。从站是外围设备，如i 0 设备、阀门、驱动器和测量变送器等。 它们没有总线存取权，它们只能应答接牧到的报文或当主站请求时向主站回发报 文。从站也称为被动站。由于从站只需要实现总线协议的- - 4 部分，因此实现起来 较简单。7 1 2 3 电厂废水处理控镪系统的工艺流程分析 电厂的废水处理系统整个结构如图2 3 所示：图中的圆代表收集水泵：长方形 代表集水池；长圆罐代表一体化净化器，系统中共有四个净化器，在图中还有三个 省略了a 箭头的指向代表废水的流向，它是从左往右流的。 电厂的废水从不同的地方进入一站和二站两个收集水池，其中一站集水池高 2 0 m ( 更可以说是一个集水罐) ；二站集水池深7 m ，一站为主集水池。它们总共有5 个水泵用来向调节水池( 即过渡水池) 输入工业废水。这五个水泵的启动不仅和本 集水池液位高度有关，而且还和调节水池的水位高度有关，即两个水池的水要在最 低线以上，而调节水池的水不能超过最高线。 调节水池起到一个过滤的作用，除去和沉淀些杂质。并且为4 个体化净化 器提供足够的工业废水。哩个净化器，一般有三个在工作，一个备用。当其中的 个要求反洗的时候，备用的那台就启动，保证在同一时刻有三台挣水器工作。在整 个废水系统运行的过程中，一定要保证出水量，因为净化后的清水是送给工业母水 管的，如果水量不足，将导致水压的下降，那么在整个电厂循环系统中将出现严藿 废水处理系统的总体设计硕士论文 的问题。 图2 3 废水处理系统整体结构图 清水池中是从净化器中出来的清水，它有三个输出水泵，用来给工业母水管输 出工业用水，保证电厂循环用水水压不下降。同时还要保证清水池中有足够的水能 够提供一体化净化器的反洗作业。 图2 4 是单个的一体化净化器系统的工作图，中央的一个大罐就是净化器。其 中有9 个电动阀门( 图中标注m 字样的) ，一个是水泵( 右边一个电机) ，箭头表示的 是水流的方向。另外还有一个压差计( 用来计量进水管和出水管之间的压差) 和浊度 仪( 图中s 标记的，用来测量水的浊度) ，在这个系统上工作的主要是两种状态，系 统废水的正洗操作和清洗净化器时的反洗操作。下面将分别介绍它们的工艺流程。 假设一开始所有的阀门都是闭合的，所有的水泵和风机郡是在关闭状态的。 净化器的正洗：1 打开净化器1 # 阀门，7 # 阀门；打开废水净化器# l 阀门。 2 开启废水净化泵，开始从池里抽水。先排除净化器中的空气。 然后关闭7 # 阀门；打开5 # 阀门。 3 加药系统开始运作。开始处理废水，由于一开始的水质无法 达到要求而需要排放掉，这就褥要定时，直到水质满足要求才 可以放出清水，具体的时间有现场实际决定。 4 现在水质达到了要求就可以关掉5 # 阀门，打开2 # 阀门排放出 清水了。 8 南京理i 大学硕士学位论文电广废水处理控黜系统的没计与研究 5 同时开始采集浊度仪和压差，当浊度仪和压差采集值达到对 应的设定值时说明净化器中污染超标，需要重新清洗后才能净 化废水。这时就需要启动反洗。 图2 4 单个净化器系统国 净化器的反洗：1 打开净化器3 # ，6 # ，7 # 阀门，开启废水净化泵# 2 阀门： 2 开启废水净化泵，使得清水池的清水流迸来： 3 先清水反洗一定的时间后，开扁风机的阀门，然后开启风机 ( 由于图有限，罗茨风机不在图串) ，开启净化器4 ；! 阀门； 4 ，关掉7 # 排空气阀门，进行一段曩毫闻的汽水联合反洗，在有水 压又有气压的情况下，使得净化器能被充分清洗干净。 5 停掉风机，关掉废水净化泵的# 2 阀门，打开# 1 阀门，进行一 个流程的正洗。 6 完成正洗后净化器停止工作，处于等待状态，直到有另一台 净化器开始反洗，该台净化器取代反洗的净化器进入难洗工 作。 图2 4 中给出的是现场的实际阀门名称，为了便于理解表2 1 提供了程序中的 阀门名称，二者之间的关系如下： 9 废水处理系统的总体设计硕士论文 表21 阀门别名与实际命名对照表 序号高效净水器阀门名称电控柜阀门名称 1 净水器正洗进水门净化器阀门1 2 净水器清水出口门净化器阀门2 3狰水器反洗进水门净化器阀门3 4净水器空气进口门净化器阀门4 5净水器排污门 狰化器阀门5 6净水器反洗出口门净化器阀门6 7净水器汽水排口门 净化器阀门7 8废水泵污水门废水净化泵阀门1 # 9 废水泵清水门 废水净化泵阀门2 # 本工程共设计4 套净化装置，每套九只电动阀，计3 6 只，另一只电动阀门为 风机排空阀门，该工程共计3 7 只电动阀。 在整个控制工艺中始终要记住开净化水泵之前总是要把它前后的两个阀门先 打开。总是在关掉净化水泵之后才把它的前后两个阀门关上。而启动水泵是接到启 动控制指令即刻启动，但是打开阀门和关闭阀门不是即刻的，总是在接到控制命令 后的一段时间才能完成开启合关闭动作。所以在工艺上开了阀门后是要求等待一定 的时间后再开水泵的，反过来也是一样。 2 4 电厂废水处理系统控 翻柜的设计 p l c 控制系统是由很多模块组成的，每个模块都需要供电，进行保护。整个系 统如果裸露在外，不但零乱的接线有损美观，无按钮及显示屏也使得工人操作起来 极其不方便，而且按个系统裸露会受到工业现场恶劣环境的影响，从而使得控制系 统损伤或出现使用寿命下降等情况。同时个太系统中除了控制系统外还有电气系 统等，这就要求它们之间进行有效的连接。所有这些使得设计一个系统控制柜变的 非常重要。控制柜设计的优劣也直接影响的整个控制系统的运行效能。 一个控制框往往具有如下方面的作用： 隔离系统运行的嗓音，改善操作入员的工作环境 强电回路与弱电回路的隔离，采集及控制信号的隔离 防止灰尘，静电，电磁辐射等以保护p l c 的正常运行 提供统一的走线，使得将来的检修非常方便 提供和其它控制柜的接口，方便组成更大的系统及将来的扩展 给控制系统提供各种电源，并且进行过流，过压的保护 提供u p s 对系统进行断电保护，最大限度地减少损失 提供系统的开关按钮及报警指示灯，让现场人员最大的了解状况 南京理i 大学硕i 学位论文 电厂废水处理控制系统的设计与研究 提供给操作员操作按钮及显示面板，方便参数设置及控制 图2 5 控制柜内部线路结构图 综上所述，设计了电厂废水处理系统的工业控制柜。以期最大限度地保护控制 电路、方便操作、便于和其它系统的扩展。这个控制柜的内部结构如图2 5 所示。 控制柜采用2 2 0 v 电压供电。在前面板上设计了电压表和电流表以显示当前的 电压电流，为操作员监视系统是否过压和过流。柜子上两盏电灯直接连接在2 2 0 v 线上，由控制柜门的开关来控制电灯，当门打开时灯自动亮，以给现场人员的检修 提供照明，门合上时灯自动关闭以节约用电。风扇也是直接连接在2 2 0 v 电压上任 何时候都在为控制系统进行冷却。系统提供一个隔离变压器，用于对工业现场取电 和p l c 供电的隔离，使得p l c 的运行不受工业用电电压的波动。一个u p s 接在2 2 0 v 线上，用于舐电对对现场进行供电，其控制是从p l c 的输出节点上引氆一个常闭继 电器，当系统运行正常时p l c 给个输出量继电器断开，当断电的时p l c 无输出则常 闭继电器打开，把u p s 接入回路来供电，其功率为2 5 0 0 w ，适合现场的容量。 2 5 电厂废水处理控制系统的总体方案设计 控制系统韵设计包括p l c 控铽系统部分，系统采集与执行器控制部分以及上位 机的监控系统部分。 废水处理系统的总体设计硕士论文 2 5 1p l c 控制系统的设计 不管在机器制造领域还是过程工程领域，要想经济并且柔性地实现工厂自动 化，对于任何一种应用都必须有一个最适宜的方案。现今的市场变化越来越快，生 产的周期也越来越短。对于工程承包商或机器制造商，不论机器的尺寸或型号，对 增加产量，满足安全要求，优化诊断以及维护，用户界面友好等要求在不断提高。 面临竞争对手巨大的压力，就必须减少开发和生产的成本以及开发和运输的时间。 s i 姒t i c 控制器提供了面向未来的投资，可以做到主动，柔性，经济地响应新 挑战，能给用户带来如下好处“： 高速c p u 和强大的工艺功能可以带来更高的生产率 强大的c p u 和超大的内存容量可以集成新的功能 控制器尺寸减小，大量的集成功能和无机柜操作可以减小机器体积 高效的工程软件，全集成自动化带来的集成性和应用程序的可重用性可以 带来更低的市场响应时间 分布式自动化可以减少安装和调试时的时间和费用 对于标准和故障安全要求的应用可以共用一套系统 强大的诊断功能可以提高机器和工厂的可靠性 全球1 9 0 个国家和全面的s i m a t i c 支持可以增加机器和工程的出口机会 s i g a t i cs 7 3 0 0 是一种通用型的p l c ，能适合自动化工程中的各种应用场合， 其模块化，无风扇结构，易于实现分布式的配置以及易于掌握等特性，使得s 7 3 0 0 在实施各种控制任务时，成为一种即经济又切合实际的解决方案。它的主要特点有： ( 1 ) 速度快。极其快速的指令处理大大缩短循环周期。( 2 ) 存储器容量大。( 3 ) 功能 强。极强的计算性能；强劲的内部集成功能；全面的故障诊断功能；用户程序的多 级口令保护：采用不同性能级别的c p u ，适用于任意一应用场合。( 4 ) 趣好的扩展 性能。一个系统除一个主机架外，根据需要最多可扩展至3 个扩展机架，最多可安 装3 2 个模块，每个机架可以插入8 个模块；主机架与扩展机架之间通过接口模块 连接；每个机架可以远距离独立安装，两个枫架间最长距离可达】0 米；( 5 ) 极强 的网络通讯能力。可以通过通讯处理器连接a s i 接口、p r o f i b u s 和工业以太网总 线系统和点到点的通讯系统，或通过集成在c p u 中的多点接口( m p i ) 连接编程器、 p c 机、人机界面系统及其它s i m a t i cs t m 7 c 7 等自动化控制系统。$ 7 - 3 0 0 可以支 持过程通诋和数据通讯两种通讯形式。( 6 ) 采用无揞位限制的模头化结构，便利的 连接系统，易于安装维护。 s i l k 4 t i cs 7 3 0 0 组成的自动化控制系统由如下模块构成： 中央处理单元( c p u ) 南京理工大学硕士学位论文 电厂废水处理控制系统的设计与研究 各种c p u 有各种不同的性能，例如，有的c p u 上集成有输入输出点，有的c p u 上集 成有p r o f i b u s d p 通讯口。 信号模块( s m ) 数字量和模拟量输a 输出，用于使不同级的过程信号电平和s 7 3 0 0 的内部信号 电平相匹配。 通讯处理器( c p ) 用于连接网络和点对点的连接，降低c p u 的处理任务，使c p u 能够更快的处理其它 重要事务。 功能模块( f m ) 用于时间要求苛刻、存储器容量要求较大的过程信号处理任务，例如高速计数、 定位操作和闭环控制。 负载电源模块( p s ) 将民用交流电( 1 2 0 2 3 0 v a c ) 转换为2 4 v 直流，用于向s 7 3 0 0 和直流2 4 v 负载电路提 供负载电源。 接口模块( i m ) 用于多机架配置时连接主机架( g r ) 和扩展机架( e r ) 。 带s t e p7 软件包的编程器或个人计算机 用于s 7 3 0 0 组态、初始化、编程和测试。 在电厂污水处理控制系统中，根据对工艺流程和控制要求的分析，参照西门子公 司提供的产品技术参数，选用的各模块类型及其技术参数如下： ( 1 ) 负载电源模块( p s ) ：p s3 0 7 在整个控制系统中，所有模块的5 v 底板控制电源乘i i o h 的所需的负载电源 是分开来的。根据图2 7 的计算得出所要选择的电源模块。可以看出都没有超过 5 电流的。故在系统中选用两个b a c k u p s3 0 7 作为控制系统的电源模块，电源 模块的技术指标如表2 2 “。 【坨2 “o ) 电流| 瓣：c 1 1 5 + i 蚪6 0 l i m 3 6 1 x 2 q i 自 3 3 1 3 + a q e ；3 2 x 2 + i h 3 2 1 8 叫) u ： 2 2 6 i 2 + 0 3 54 0 g 蛾1 0 2 6 * 3 t o 3 卑2 o 0 1 5 b 4 0 2 髀6 鹄孵 d c 2 4 v 1 ) i u 漉计箨：d 1 3 2 1 8 0 输入l n 滚，+ 3 2 2 蠕 来实 现。在p l c 控制系统中，和外界的联系就是通过p l c 中的i o 模块来完成的。一个 p l c 控制系统中往往要连接成百上千的外部i 0 点，每一个i o 所代表的含义和在 程序中的地址分配是不一样的。只有当正确的连接了外部的连线，使得每个i o 都 能正确对应，才能保证最后的控制系统的运行成功。 在s 7 3 0 0 中可以对输入输出地址进行分配，有两种地址分配方式：1 面向槽 位编址的地址分配。面向槽位编址的地址分配是s 7 的缺省编址方法，即模板的地 址取决于它所在的机架号和槽位号。2 面向用户编址的地址分配。即在c p u 的地 址范围内，可分配任何地址给任何模板。此种地址分配方式的优点在于：可使可编 址区域实现最优化利用，在模板之间不会出现地址空隙；当生成标准软件时，可以 编制独立于s 7 3 0 0 组态的地址。在实际系统中采用此种地址分配方式。 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： 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。 模拟量输出：四个控制变频器( 站收集水泵、回用水泵、加药计量泵 a 、加药计量泵b ) 数字量输入：分为各个水泵风机的运行，故障，手自动信号；各个阀 门的开，关，故障和手自动信号。 数字量输出：分为各个水泵风机的开，关。复位信号；各个阀门的开， 关信号；变频器的启动，复位信号。 系统的实际r o 在机架模块上的分布如图3 1 所示： 电厂废水处理控制系统中舶p l c 控制系统的设计与实现 硕士论文 图3 1 实际系统的机架结构图 输入输出的硬件接1 ：3 是也是系统设计的一部分，它反映的是p l c 输入输出 与现场设备之间的连接，只有难确连接安装才能使得p l c 读取到数字量和模拟 量，连接方法的不同可以有效的防止现场的干扰，保证数据的正确性。图3 2 给出了的数字量输入模块接口示意图；图3 3 给出了数字量输出模块接口示意 图；图3 4 给出了模拟量输入模块接口示意图；图3 5 给出了模拟量输出模块 的接口示意图。 对于s m 3 2 1 的输入量模块，在1 5 2 5 v 直流电压以内都能检测到信号。因为 现场的执行器也是发出的直流信号，把其直接和现场的开关设备连接来接收开 关信号量。 娄 f 1 ，宣 赛 i 捎8 一 2 4f 焉 j 1 删 r 1 0 蜥 k h 啦q内释谶斋 h v i 1 57 啦w ne l 净水霹奄气避p ij 0 l f f 群礴7 船o f ! 燕 ， 狰求臻空气递l l l 。l i i 拜j 5 粥，f 押 t齄碌 3 i 争水嚣毫。t 进r ￥f 】 强黯l i o 囊k 聱孽，冉鳓 蝌愫泰奎o c 遴i j j ( 1 1 1 7 1 相9l 妣。n “ 丌 磲糠承狰纯聚 霹术 1 0 l 呲h 蝴 啊o j j 篾 埘f ：鸢小挣 乇窳 孪求ii 洲5 盯博1 0 2 m 】t 醴嚣 堪嵌木 争纯浆沌采“ 备拥 圈3 2 数字量输入接线原理图 s m 3 2 2 输出量模块采用的是晶体管输出，晶体管输出的响应时间短、寿命 长，但是其只能带直流负载并且带载能力弱。同时为了使p l c 的输出和现场回 路之闻隔离，在输出端使用了继电器，通过继电器来控制现场数字萤开关。这 样对p l c 的输出口起到了很好的保护作用，同时能够带动更大的负载。有些时 候为了防止出现短路现场在继电器旁边加个二极管，起到保护的作用。 墨墨墨黑 墨置罴 南京理工大学硕士学位论支 电厂废水处理控制系统的设计与研究 2 4 v l i ) 一- o出! 竺! l 卜! ! 垡：幽 蝌o 型竺l 凸幽 幅 型竺l 竺 搬 州r o 长 辑 2 竺竺l 吁竺 船 蟪 m 、；型竺坠( 卜里幽 堪 4 旦竺l 口竺 6 o 旦塑坠( 卜型憋 哪，8 盥幽生 卜必 7 型竺l 凸竺 1 q i t a 1 9 目e 吧 缄 3山弊 矬箍 貅l j | ) t , 1 ：2 4 v l1 ) r l 尊 “j 冷木料l 琦水 j f j r 0 i “ft ，5 f l l 、a 仟 _ l 净嫩黯浦散 j i h z 1 i 瑚ia n fl 挣水料蚺沁r j r 6 8 口i l n i ，6 0 io xh 冲拳辫 ：i r 9 f i 棒采样尘4 t 点 r 7 n 州l z e l 37 0 1 o 忏 拖# jr 垫永雌中l j 盐 j l 4 f 嚏机净纯氟潲 r 7 l 水fj 甚川 r 7 3 图3 3 数字量输出接线原理图 s m 3 3 1 采用4 - 2 0 r n a 电流输入连接到传感器上，采集系统模拟量数据。具体将在 第四章节讨论。 f 搿譬燮? | l ! !铷 3 婶f 。1 q + 2 4 v ( 0 j 0 i il z e t ) i ，* 1i i j l 42 0 m a 站攘取姚液l 讧 0 “i z e 0 7 帮r 4 u 1 4 2 0 r n a 消求墩 1 1 l 澈 0 f z e 0 7f 啊t s oj 批p 跳池水湖瘦俯 符川 图3 4 模拟量输入接线原理图 s m 3 3 2 输出o - 1 0 r 电压连接到变频器直接给控制信号。具体将在第四章节讨论。 9 电厂废水处理控制系统中的p l c 控制系统的设计与实现硕士论文 3 ，2p l c 控制程序的设计 d c 2 4 ( 0 ) 蹙毒鲑尹争撞h 毛聍曲“撩袋“ 图3 5 模拟量输出接线原理图 s 7 3 0 0p l c 的组态和编程由西门子公司提供的s t e p7 标准软件包来完成。 s e t p7 是西门子s i m a t i c1 1 1 业软件中的一员，它是用于对s i m a t i c 可编程逻辑 控制器( p l c ) 进行组态和编程的软件包。s t e p7 提供了几种不同的版本以适应不 同的应用和需求。s e t p7 不是一个单一的应用程序，而是由一系列应用程序构成的 软件包。图3 6 显示了s t e p7 标准软件包中的主要工具m 3 ： 图3 6s t e p7 标注软件包结构 在s t e p7 中，一个自动化应用方案的所有数据是以项目( p r o j e c t ) 的形式来 组织和管理的。一个项目包含了以下三类数据： 硬件结构的组态数据及模块参数 通讯网络的组态数据 用户应用程序 上述数据以对象的形式存储，s t e p7 采用目录式的层次结构管理项目中的所 有对象。对象从上到下有如下所示的三个层次。第层：项目。第二层：通讯子网， p l c 站或者s 7 程序。第三层：第二层下面的具体对象，视第二层而定。 s t e p7 设计完成一项自动化任务的基本步骤如下“： 第一步；要根据学要设计一个自动化解决方案； 第二步：在s t e p 中创建一个项目( p r o j e c t ) ： 南京理工大学硕士学位论文 皂厂废水处理控制系统的设计与研究 第三步：在项目中，可以选择先组态硬件再编程或者先编写程序再组态硬件； 第四步：硬件组态和程序设计完成后，通过编程电缆将组态信息和程序下载到 硬件设备中： 第五步：进行在线调试并最终完成整令自动化项目 3 2 1 硬件结构及通讯网络组态 硬件组态是s t e p7 软件的一项重要功能。s t e p7 软件中的“硬件组态”就是 真实的模拟真实的p l c 硬件系统。将c p u ，电源和信号模块等设备安装到相应的机