基于S7-300和WinCC的水处理厂全流程自动控制系统.pdf

2 0 1 6 年第2 期有色金属 选矿部分 8 5 d o i 1 0 ．3 9 6 9 ／j ．i s s n ．1 6 7 1 - 9 4 9 2 ．2 0 1 6 ．0 2 ．0 1 9 基于S 7 ．3 0 0 和W i n C C 的水处理厂 全流程自动控制系统 仓冰南1 ，李小生2 ，王庆凯1 ，梁骏2 ，彭秀云1 ，周绍良2 ，祁超2 1 ．北京矿冶研究总院矿冶过程自动控制技术北京市重点实验室，北京1 0 2 6 2 8 ； 2 ．江铜集团德兴铜矿精尾厂，江西德兴3 3 4 2 0 0 摘要采用D C S 和F C S 相结合的方式，以西门子S 7 - 3 0 0 P L C 作为下位机，西门子W i n C C 组态软件作为上位机，搭建r 德兴铜矿H D S 处理二厂的自动化系统，采用基于专家系统和传统的P I D 算法相结合的方式控制工艺中最关键的参数中 和反应池酸碱度。自动化系统投用后，提高了生产效率，降低了工人劳动强度，可以实现无人值守和全流程自动控制，取得了 较好的使用效果。 关键词H D S ；水处理；专家系统；W i n C C ；P L C ； 7 - 3 0 0 ；自动化 中图分类号T D 4 6 3文献标志码A 文章编号1 6 7 1 - 9 4 9 2 2 0 1 6 0 2 - 0 0 8 5 - 0 5 T h eW h o l eP r o c e s sA u t o m a t i o nC o n t r o lS y s t e mo fD e x i n gC o p p e rS e c o n d W a t e rP r o c e s s i n gP l a n t C A N GB i n g n a n 。，L IX i a o s h e n 9 2 ，W A N GQ i n g k a i 。，H A N GJ u n 2 ， P E N GX i u y u n 7 ，Z H O US h a o l i a n 9 2 ，Q tC h a 0 2 J 『．B e i n gK e yL a b o r a t o r yo f5 矗n i n ga n dM e t a l l u r g yP r o c e s sA u t o m a t i o n ，B e i j i n gG e n e r a lR e s e a r c hI n s t i t u t eo f 施n i n g a n dM e t a l l u r g y ，B e i n g1 0 2 6 2 8 ，C h i n a ；2 ．D e x i n gC o p p e rF i n eT a i lF a c t o r yo fJ i a n g x iC o p p e r C o r p o r a t i o n ，D e x i n gJ i a n g x i3 3 4 2 0 0 ，C h i n a A b s t r a c t W ee s t a b l i s h e dt h ea u t o m a t i o ns y s t e mi nt h eD e x i n gc o p p e rs e c o n dH D Sp r o c e s s i n gp l a n tc o m b i n g w i t hD C Sa n dF C Sw h i c hW ee s t a b l i s h e di tu s i n gS i e m e n sS 7 - 3 0 0 P L Ca st h el o w e rc o m p u t e ra n dS i e m e n sW i n C C c o n f i g u r a t i o ns o f t w a r ea st h eu p p e rm o n i t o r ．W ec o n t r o lp Ho ft h en e u t r M i z a t i o nr e a c t i o nc e l lw h i c hi s t h em o s t c r i t i c a lp a r a m e t e r su s i n gt h em e t h o dt h a tb a s e do nb o t he x p e r ts y s t e ma n dc o n v e n t i o n a lP I Da l g o r i t h m ．W i t ht h e p u t t i n gi n t ou s eo fa u t o m a t i o ns y s t e m ，i th a si m p r o v e dt h ep r o d u c t i o ne f f i c i e n c ya n dr e d u c e dt h el a b o ri n t e n s i t yo f w o r k e r s ，a n di tc a na c h i e v et h eh i l g hl e v e lo fu n a t t e n d e do p e r a t i o na n df u l lp r o c e s sa u t o m a t i cc o n t r o l ，a n di t h a s a c q u i r e dg o o de f f e c t s ． K e yw o r d s H D S ；w a t e rt r e a t m e n t ；e x p e r ts y s t e m ；W i n C C ；P L C ；S 7 3 0 0 ；a u t o m a t i o n 德兴铜矿环保设施完善工程主要包括工业酸性 废水处理工程和生活污水处理两部分。德兴铜矿精 尾厂H D S 处理二厂工业酸性废水处理工程自动化 系统设有中央控制室，将工业酸性废水处理流程主 要设备运行情况、工艺过程参数等数据送到中央控 制室，中央控制室根据生产状况和要求对工艺参数 和工艺过程进行自动调节和控制。 1 德兴铜矿m | S 水处理；厂工艺流器缃c i 惹 德兴铜矿H D S 水处理二厂 以下简称德铜水处 理二厂 采用两个工艺系列，处理德兴铜矿选矿厂等 排出的酸性废水和碱性废水。每个工艺系列有4 个 中和反应池，加入相应的石灰和絮凝剂等药剂，之后 流入浓缩池进行处理，浓缩池溢流外排，浓缩池底流 排至尾矿输送系统。处理选矿厂排出的酸性废水和 箨萋暑羿i 罂壤甜1 9 1 9 8 5 ． 贺昱挚爱路灾镭圣，高级工程师，国家一级建造师，国家信息系统项目管理师，主要从事矿冶自动化工程设计和自作者简介仓冰南一 ，男，辽宁沈阳人，硕士，高级工程师，国家一级建造师，国家信息系统项目管理师，主要从事矿冶自动化工程设计和目 动化软件开发工作。 万方数据 8 6有色金属 选矿部分2 0 1 6 年第2 期 池 磁。量咖P H 2 蹦 f C lo QI C I 剥削2 引8 剧9 剧篇 酸性废水 盯一外排水 图1 工艺流程图 F i g ．1 P r o c e s sf l o wd i a g r a m 2德兴铜矿H D S 处理；厂自动化系统设计 2 ．1 西门子S 7 _ 3 0 0 系列P L C 简介 西门子P L C 分为S 7 系列、M 7 系列、C 7 系列、 W i n A C 系列等，其中使用最为广泛的产品即为S 7 系 列P L C o 。其中，s 7 2 0 0 为小型P L C ，适合于对P L C 性能要求不高的场合；S 7 ．3 0 0 是模块式中小型P L C ， 最多可以扩展3 2 个模块； 7 - 4 0 0 是大型P L C ，适合 于对P L C 性能要求高，或扩展模块数量较多的场 A [ 1 ] 口 。 西门子 7 - 3 0 0 系列P L C 属于模块式P L C ，主要 由机架、C P U 模块、功能模块、输入和输出信号模块、 接口模块、通信模块、电源模块以及编程计算机组 成，P L C 控制系统结构如图2 所示旧J 。 输 出 模 块 扩展机架 其他设备ll 其他P L C通信网络r _ 汗妻玩 触器 磁阀 示灯 源 图2P L C 控制系统示意图 F i g ．2 S c h e m a t i cd i a g r a mo ft h eP L Cc o n t r o ls y s t e m 西门子S 7 系列P L C 编程开发使用S t e p 7 系列编 程软件，目前最新版本为S t e p 7V 5 ．5 。S t e p 7 可采用 的编程语言有顺序流程图 S F C 、梯形图 L A D 、语 句表 S T L 、功能块图 F B D 、结构文本 s T 等。其 L 一⋯系统 中梯形图编程直观易懂，适合于数字量逻辑控制；语 句表多采用汇编语言中的堆栈思想，编程功能比梯 形图或功能块强，适合于有汇编语言基础的开发者； 结构文本在S t e p 7 中为S C L 语言 结构化控制语 言 ，符合E N 6 1 1 3 1 3 标准，适合于熟悉高级编程语 言 如c 语言 的开发者使用。 2 ．2 西门子W i n C C 组态软件简介 西门子公司的W i n C C 组态软件集成了数据采 集、画面组态、脚本语言、O P C 通讯等多种功能，可与 W i n d o w s 环境下各种通用软件进行交互旧引。 W i n C C 包含内外部变量管理、组态画面编辑、历 史数据存储、用户脚本、用户名管理等多种功能。可 以通过标准接口或编程接口实现与P L C 或现场传感 器的连接，从而实现现场数据采集和存储，可以将现 场工艺过程可视化，并实现数据的存档、报警、报表 编辑和输出等功能。6 。7o 。 W i n C C 有单用户系统、多用户系统、分布式系统 等多种系统搭建方式。 2 ．3 基于S 7 - 3 0 0 P L C 和W i n C C 组态软件的德兴铜 矿H D S 水处理二厂自动化系统设计 德铜水处理二厂自动化工程包含变频器、电机 保护器、电机软启动器等低压电气设备和电磁流量 计、超声波液位计、p H 检测仪、电动调节阀、电动开 关阀、浊度仪、界面仪等自动化仪表。自动化系统采 用D C S 和F C S 相结合的方式搭建。自动化仪表均 采用4 2 0m A 硬接线方式集成；低压电气设备的启 停和变频器调速控制采用4 2 0m A 硬接线方式，低 压电气设备的信号集成采用F C S 技术通过现场总线 集成，由于森兰变频器自带通讯接口为M o d b u sR T U J 霉圈睇 匪 钮关关源 开开择位 按选限电 万方数据 2 0 1 6 年第2 期仓冰南等基于S 7 3 0 0 和W i n C C 的水处理厂全流程自动控制系统 8 7 格式，而西门子P L C 对于M o d b u s 通讯协议支持度不 高，因此在每台变频器上安装一个D P M o d b u s 转换 卡，将M o d b u sR T U 通讯协议转换为西门子P L C 支 持的P r o f i b u sD P 通讯协议集成到P L C 中。 自动化系统采用D C S 和F C S 相结合的方式搭 建。采用一个C P U3 1 9 - 3 P N ／D P 作为主站，利用 E T M 2 0 0I M l 5 3 - 2 接口模块下挂2 个I O 从站。由于 既有进入P L C 的模拟量输入信号 A I 、离散量输入 信号 D I ，又有P L C 输出的模拟量输出信号 A O 、 离散量输出信号 D O ，还要通过P r o f i b u sD P 总线集 成森兰变频器的各种状态信号和反馈频率。因此 P L C 选型中既要包含A I 、A O 、D I 、D O 模块，又要能够 实现P r o f i b u sD P 总线集成。此外，P L C 和组态软件 W i n C C 之间通过工业以太网通讯方式连接，所以 P L C 系统又应该具备以太网接口。 西门子S 7 3 0 0 系列P L C 的C P U 模块C P U3 1 9 ． 3 P N ／D P 自带一个M P I ／D P 接口、一个专用D P 接口 以及一个可以连接以太网的P r o f i n e tI O 接口。可以 利用C P U3 1 9 - 3 P N ／D P 自带的D P 总线接口集成 P r o f i b u sD P 总线，利用P r o f i n e tI O 接口通过以太网协 议和W i n C C 组态软件进行通讯。 E T M 2 0 0I M l 5 3 - 2 接口模块为分布式I ／O 系统 的接口模块，分布式I ／O 系统为S I M A T I CS 7 自动化 系统的组成部分。利用E T M 2 0 0I M l 5 3 - 2 可以将分 布式I O 站作为D P 从站，通过D P 总线网络和作为 D P 主站的C P U 连接。 根据现场所需控制功能和I O 点数，本工程采用 C P U 3 1 9 - 3 P N ／D P 模块作为C P U ，并通过D P 总线连 接2 个分布式I O 从站，每个I O 从站上再挂设A I 、 A O 、D I 、D O 等输人输出模块，用来集成或控制外部 设备；同时，该D P 总线上还连接其他2 1 台D P 总线 通讯电气设备。 德铜水处理二厂自动化工程采用W i n C C 组态 软件作为上位机系统，上位机采用W I n C C 单用户系 统。由1 台用于程序开发的工程师站和1 台供操作 工进行工艺操作的操作员站组成。 篓| 犏酬翟弦一 哆。 ．，．‰划 “，■L ●霉霹嚣} | { Il ；。 卜_晰 卜嚣} 璧每矗蔫} |l0 。飞≮I 螽aj i 茹幺一⋯ l ；』；二喾西蜜瞧 ■_ I 碉_ 寥嘲一t 文踟“p ；，赣等一季’斛捌j ；_ 蛳 l 一’ } 一，一 图3 工艺流程主画面 F i g ．3 M a i ns c r e e no ft h ep r o c e s sf l o w W i n C C 通过变量管理功能中的S I M A T I CS 7 P R O T O C O LS U I T E 驱动实现和P L C 之间的通讯。本 项目P L C 和W i n C C 之间采用T C P ／I P 方式通讯，因 此选择S I M A T I CS 7P R O T O C O LS U I r I E 驱动中的 T C P ／I P 驱动模块，新建一个变量组，通过配置P L C 以太网通讯模块相应的机架号、插槽号、I P 地址，即 嚣。。矗。．。 ‘皿m * 可将W i n C C 连接上P L C 。 通过图形编辑器功能，可以绘制人机界面，用户 可在人机界面上进行生产流程观察和操作。通过变 量记录功能可以将集成的变量数据自动存人历史数 据库中，W i n C C 采用M SS Q L 数据库。此外，通过报 警记录功能、用户管理器功能、W e b 浏览器功能可分 万方数据 8 8 有色金属 选矿部分2 0 1 6 年第2 期 别实现数据报警、用户名添加和管理、W e b 发布等常 用相关功能。在S t e p 7 和W i n C C 中分别进行程序开 发和画面绘制后，德铜水处理二厂自动化系统即搭 建完成，用户可通过人机画面进行生产状态观看、生 产工艺操作、生产数据报表查询等相关工作。 3德兴铜矿H D S 处理二厂自动化系 统主要控制功能 浓 3 ．1 浓密机底流和泥层自动控制 该功能通过安装在浓密机底流管道上的流量计 和安装在浓密机池顶的界面仪分别实时检测浓密机 底流流量值和浓密机泥层厚度，通过P I D 算法自动 调节浓密机底流变频输送泵的频率，使浓密机底流 流量和浓密机泥层控制在设定工艺范围内。如图4 和图5 所示。 浓密机 图4 浓密机底流自动控制示意图 F i g ．4 S c h e m a t i cd i a g r a mo fA u t o m a t i cc o n t r o lo ft h et h i c k e n e ru n d e r t l o w 图5 浓密机泥层自动控制示意图 F i g ．5 S c h e m a t i cd i a g r a mo fA u t o m a t i cc o n t r o lo ft h et h i c k e n e rs l u d g el a y e r 3 ．2 反应池p H 自动控制 水处理站外排水的酸碱度是整个工艺流程最重 要也是最终需要控制的参数，而外排水的酸碱度和 反应池进人浓密机污水的酸碱度有着直接关系，因 此，控制水处理站外排水酸碱度实际上就是控制反 应池进入浓密机池污水的酸碱度。这是整个工艺流 程最重要的参数控制系统。 每个系列共有4 个中和反应池，3 台p H 计分别 安装在第2 、3 、4 三个反应池中，为保证浓密机外排 溢流水酸碱值为7 左右，需要控制反应池中p H 。本 工程工艺中采用往第1 个反应池中添加石灰乳的方 式来控制反应池中酸碱度，在添加石灰的管道上安 装有流量计实时检测石灰添加量。选矿厂等工厂的 外排酸性水和碱性水流入第1 个反应池，和石灰乳、 絮凝剂等中和后再依次流入第2 、3 、4 个反应池，之 后再进入浓密机，如图1 所示。显然，我们最终需要 控制的是进入浓密机的酸碱度，也就是第4 个反应 池的p H ，但是由于石灰是加在了第1 个反应池中， 且4 个反应池都较大，添加的石灰乳从第1 个反应 池中和后将p H 传递到第4 个反应池需要1 5m i n 以 上时间，这显然滞后过大，超出了现有的自动控制理 论范畴了。因此，不能将第4 个反应池的p H 作为自 动控制的反馈值。从最有利于自动控制的角度来 说，将第2 个反应池也就是第1 个安装了p H 计的反 应池的酸碱度作为自动控制的反馈值是相对控制滞 后最小的。经过长期观察，只要将第4 个反应池的 酸碱度控制在一个范围内就不会影响浓密机溢流外 排水的水质，且只需将第2 个反应池的p H 也控制在 一个相对稳定的范围之内则足够保证第4 个反应池 的酸碱度也在可控范围内。因此可以通过控制第2 个反应池的酸碱度来达到间接控制第4 个反应池的 酸碱度的目的。经过长期观察，我们采取通过自动 调节石灰乳添加变频输送泵的频率，将第2 个反应 池的酸碱度控制在设定的稳定范围内的方式来间接 控制反应池的酸碱度值，进而控制浓密机溢流外排 水的酸碱度。如图6 所示。 由于石灰乳为碱性，而外排水需要为中性，因 此，只有当反应池p H 较低时才需要开启石灰乳输送 泵添加石灰乳，如果反应池p H 正常则此时不应加石 灰乳，石灰乳输送泵应停止运行。进入反应池的酸 性水量较大或p H 较低时加大石灰乳添加流量，否则 万方数据 2 0 1 6 年第2 期仓冰南等基于 7 - 3 0 0 和W i n C C 的水处理厂全流程自动控制系统 8 9 图6 反应池P H 自动控制示意图 F i g ．6 S c h e m a t i cd i a g r a mo fA u t o m a t i cc o n t r o lo fP Ho ft h er e a c t i o nc e l l 图7 反应池p H 基于专家系统的控制示意图 F i g ．7 S c h e m a t i cd i a g r a mo fp Hc o n t r o lb a s e d o ne x p e r ts y s t e m 应降低石灰乳添加流量，由于进入反应池1 的酸性 废水和碱性废水流量和p H 没有实时检测，因此应根 据石灰乳添加流量和累计已添加时间及反应池p H 上升下降速率等来间接反映该指标。基于以上这种 情况，不能用常规的P I D 算法对反应池p H 进行控 制。本项目采用基于专家系统的控制算法对反应池 p H 进行控制。如图7 所示。 4结论 本项目采用D C S 和F C S 相结合的方式，以S 7 - 3 0 0P L C 作为下位机，以W i n C C 组态软件作为上位 机，搭建了德铜水处理二厂自动化系统。采用基于 专家系统和传统的P I D 算法相结合的方法控制最关 键的工艺参数中和反应池酸碱度。本项目已于 2 0 1 4 年完成，至今一直稳定运行，德铜水处理二厂自 动化系统的投用，较大地提高了德铜水处理二厂的 生产效率，降低了工人劳动强度，可以实现无人值守 和全流程自动控制，对其他类似项目具有借鉴作用。 参考文献 [ 1 ] 赵洁．西门子P L C 在冷轧钢带中的应用[ J ] ．科技创新 与应用，2 0 1 4 2 7 1 0 9 ． [ 2 ] 西门子 中国 有限公司自动化与驱动集团．深入浅出 W i n C CV 6 [ M ] ．北京北京航空航天大学出版社，2 0 0 4 序． [ 3 ] 马太．加热炉H M I 监控系统仿真研究[ D ] ．沈阳东北 大学，2 0 0 9 3 9 4 1 ． [ 4 ] 谢彤．基于以太网与现场总线的自动化实训系统研究 与实现[ D ] ．北京北京邮电大学，2 0 0 9 3 3 ． [ 5 ] 李晓冬．P R O F I B U S - D P 现场总线A S I C 芯片的开发及应 用[ D ] ．天津河北工业大学，2 0 0 5 3 0 - 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