組態(tài)王在化學(xué)水處理控制系統(tǒng)中的典型應(yīng)用

摘要 本文在介紹水處理工藝的基礎(chǔ)上，結(jié)合某廠實(shí)際設(shè)計(jì)了一套基于Kingview6.52和PLC的水處理SCADA 系統(tǒng)，使系統(tǒng)的運(yùn)行和離子交換器的再生達(dá)到優(yōu)化，性能滿足生產(chǎn)要求，出水水質(zhì)穩(wěn)定，降低了生產(chǎn)成本。

一、引言

近十年來，隨著科學(xué)技術(shù)，尤其是電子計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，SCADA控制系統(tǒng)日漸成熟，并已在國內(nèi)許多大中小型火電廠中得以廣泛應(yīng)用。使其無論是硬件系統(tǒng)，軟件設(shè)計(jì)組態(tài)，還是在運(yùn)行管理上都積累了很多成熟可信的經(jīng)驗(yàn)，這對保證電廠安全，可靠，經(jīng)濟(jì)，文明運(yùn)行起到十分重要的作用。電廠機(jī)、爐、電主控系統(tǒng)工控水平有了很大提高的同時(shí)，對各種輔助系統(tǒng)控制管理水平相應(yīng)提高也提出新的要求。輔助控制系統(tǒng)是全廠熱工自動(dòng)化的重要組成部分，依靠先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)合理有效地提高輔助系統(tǒng)的控制水平,是提高全廠綜合自動(dòng)化水平、提高電廠運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性、達(dá)到減人增效、增強(qiáng)電廠的市場競爭力的重要保證。

電廠化學(xué)水處理系統(tǒng)是為鍋爐供水的一個(gè)很重要的輔助系統(tǒng)，所制水質(zhì)的好壞直接影響鍋爐的效率乃至壽命。由于水處理系統(tǒng)設(shè)備數(shù)量多、操作步驟多、工藝復(fù)雜，如果大量閥門的開關(guān)操作以及水質(zhì)指標(biāo)的監(jiān)測均是靠人工就地完成，不僅增加了運(yùn)行人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，還增加了誤操作的可能性。同時(shí)，各工藝段的時(shí)間由人為掌握，難以保證系統(tǒng)的安全性和制水的科學(xué)性，出水水質(zhì)受人為因素干擾很大，運(yùn)行狀態(tài)及水質(zhì)都不能達(dá)到最優(yōu)化。為保證水處理出水品質(zhì)，減輕人員勞動(dòng)強(qiáng)度，節(jié)約水和化學(xué)藥品等資源，提高運(yùn)行管理水平，使那些頻繁而又有規(guī)律的操作由手工操作變?yōu)樽詣?dòng)控制，更好地利用水處理設(shè)備，提高水處理系統(tǒng)的自動(dòng)化程度，保證控制精度和制水質(zhì)量，研制開發(fā)新型的監(jiān)控系統(tǒng)很有必要。
本系統(tǒng)結(jié)合實(shí)際工程，設(shè)計(jì)了一套基于組態(tài)王監(jiān)控軟件和PLC 的SCADA 補(bǔ)給水控制系統(tǒng)，配備了各種現(xiàn)場儀表，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，自動(dòng)化程度高，從而在技術(shù)上為出水水質(zhì)提供保證，使系統(tǒng)的運(yùn)行和離子交換器的再生實(shí)現(xiàn)了優(yōu)化，性能滿足生產(chǎn)要求，出水水質(zhì)穩(wěn)定，降低了生產(chǎn)成本，為鍋爐正常運(yùn)轉(zhuǎn)提供了有力的保障。

二、系統(tǒng)工藝過程及監(jiān)控要求

由水源來的生水經(jīng)過過濾除去懸浮物等雜質(zhì)，再經(jīng)過陽床除去K+ 、Ca2 + 、Mg2 + 、Na+ 等陽離子，經(jīng)除碳和中間水箱除去CO2，然后經(jīng)過陰床除去Cl- 、SO2 -4、HCO-3、HSiO-3等陰離子。系統(tǒng)的水處理工藝流程如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)工藝流程

本系統(tǒng)由兩套完全相同的制水設(shè)備，即1套中和池及1套酸堿再生系統(tǒng)組成，每套由1臺多介質(zhì)機(jī)械過濾器、一級除鹽系統(tǒng)組成。每個(gè)單元的水處理過程皆由投運(yùn)和再生兩過程組成。正常工藝流程為一單元供水（20t / h），另一單元備用，當(dāng)供水單元水質(zhì)或水總流量接近超指標(biāo)時(shí)，啟動(dòng)備用單元，備用單元啟動(dòng)完備后，原投運(yùn)單元停止，并自動(dòng)轉(zhuǎn)入再生以便備用。這樣兩單元輪流投運(yùn)、再生，以實(shí)現(xiàn)不間斷供水。

由于化學(xué)水處理工藝復(fù)雜、水質(zhì)要求高，其運(yùn)營的好壞直接關(guān)系到電廠的安全運(yùn)行及可靠性，因此對自動(dòng)化控制系統(tǒng)要求采用高可靠性能的控制系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了組態(tài)王結(jié)合PLC的控制方式來實(shí)現(xiàn)對其工藝的控制功能。PLC通過現(xiàn)場檢測元件進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，由不同功能的模塊將數(shù)據(jù)按要求傳至CPU進(jìn)行處理，進(jìn)而完成模擬量的檢測與控制，實(shí)現(xiàn)開關(guān)量的按鈕、限位開關(guān)、電機(jī)啟動(dòng)器、指示燈、報(bào)警器等的連接，并通過各自的通訊網(wǎng)絡(luò)在計(jì)算機(jī)上集中信息，統(tǒng)一處理后在操作員站上實(shí)現(xiàn)各種畫面顯示，故障 報(bào)警，報(bào)表打印，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及各種分析處理，實(shí)現(xiàn)化水系統(tǒng)的濾池、澄清池、加藥設(shè)備、過濾器、剛床、陰床、混床、水箱、泵、風(fēng)機(jī)、酸堿儲(chǔ)存和計(jì)量設(shè)備的各項(xiàng)監(jiān)控功能。

三、系統(tǒng)構(gòu)成及方案設(shè)計(jì)

1、系統(tǒng)構(gòu)成

本系統(tǒng)的配置為PLC 為執(zhí)行級，工控機(jī)為管理級，數(shù)據(jù)采集由PLC 完成。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2 所示。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

控制系統(tǒng)主要分為上位機(jī)監(jiān)控管理系統(tǒng)和下位機(jī)水處理控制系統(tǒng)兩部分。根據(jù)工藝流程和監(jiān)控要求，PLC 共需要144 點(diǎn)輸入，其中開關(guān)量128 點(diǎn)；模擬量16點(diǎn)；72 點(diǎn)開關(guān)量輸出，共216 點(diǎn)。作為控制主機(jī)的下位機(jī)采用了MODICON TSX Premium系列中型PLC，其中64點(diǎn)開關(guān)量輸入模塊2塊，16 點(diǎn)模擬量輸入模塊1塊，32點(diǎn)開關(guān)量輸出模塊3 塊，另加CPU 模塊1 塊，據(jù)此我們選用了8 槽無擴(kuò)展式機(jī)架（帶電源）。該系列PLC 為模塊化結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)配置靈活，功能強(qiáng)大，便于擴(kuò)充，完全滿足控制要求。

2、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)工藝流程，系統(tǒng)對設(shè)備的控制和操作分運(yùn)行和再生兩大步。上位機(jī)利用組態(tài)王軟件編制相應(yīng)的監(jiān)控程序，實(shí)現(xiàn)對工藝流程圖及測量數(shù)據(jù)的顯示；上位機(jī)設(shè)置好過濾器、一級除鹽操作系統(tǒng)的控制界面，通過人機(jī)對話方式由人工選定其操作的方式即點(diǎn)操、步操、手動(dòng)、自動(dòng)同時(shí)工藝管理人員或操作人員可在上位機(jī)界面上設(shè)定每一步的工作時(shí)間、調(diào)節(jié)參數(shù)、給定值、閥門點(diǎn)動(dòng)的開關(guān)界面，并將需控制的各項(xiàng)參數(shù)送入下位機(jī)的指定地址內(nèi)。采用MODICON 公司提供的PL Pre V4.2 作為下位機(jī)編程軟件。下位機(jī)完成數(shù)據(jù)采集、狀態(tài)控制、數(shù)據(jù)計(jì)算、向上位機(jī)輸送數(shù)據(jù)及狀態(tài)信號，接受上位機(jī)來的相關(guān)地址內(nèi)的數(shù)據(jù)，通過對應(yīng)的控制模塊進(jìn)行處理和輸出，控制閥門的開/ 關(guān)及泵和風(fēng)機(jī)的啟/ 停。

PLC 軟件設(shè)計(jì):程控系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)采用梯形圖，并采取了模塊化的設(shè)計(jì)，把系統(tǒng)所需完成的功能分成若干模塊，分別進(jìn)行設(shè)計(jì)，這樣做的優(yōu)點(diǎn)是設(shè)計(jì)方便，便于程序修改，程序條理清楚，用戶容易掌握。

1> 運(yùn)行和再生過程自動(dòng)控制模塊

該模塊是程控系統(tǒng)梯形圖程序的主要部分，包括運(yùn)行過程自動(dòng)控制和再生過程自動(dòng)控制。執(zhí)行運(yùn)行流程時(shí)，操作者只要按下“運(yùn)行確認(rèn)”鍵，系統(tǒng)便按照運(yùn)行流程自動(dòng)執(zhí)行相應(yīng)操作，直至按“結(jié)束”鍵結(jié)束該過程或經(jīng)過系統(tǒng)檢測判斷交換器需要再生時(shí)為止。執(zhí)行再生流程時(shí)，操作者需按下“再生確認(rèn)”鍵，系統(tǒng)便按照再生流程自動(dòng)執(zhí)行相應(yīng)操作，直至再生過程結(jié)束或按“結(jié)束”鍵結(jié)束該過程為止。該模塊的程序框圖如圖3、4、5 所示。

圖3 系統(tǒng)運(yùn)行流程圖

圖4 過濾再生系統(tǒng)圖

圖5 離子交換器再生流程圖

2> 手動(dòng)操作模塊

由于運(yùn)行和再生自動(dòng)控制模塊是自動(dòng)執(zhí)行的順序過程，它們在執(zhí)行時(shí)需要一些必要的反饋信號，如閥門是否開（關(guān)）到位、電導(dǎo)率是否合格、時(shí)間是否到等，以此作為執(zhí)行下一步操作的依據(jù)。有時(shí)因故障反饋信號不能正常發(fā)出，就需要手動(dòng)操作，操作者按照運(yùn)行或再生流程每執(zhí)行一步發(fā)出一個(gè)指令。該模塊分為幾個(gè)相對獨(dú)立的部分。在設(shè)計(jì)手動(dòng)操作模塊的程序時(shí)，為保證設(shè)備的安全，程序設(shè)置了必要的閉鎖條件。如某閥門正在執(zhí)行打開命令時(shí)，即使操作者誤按下該閥門的關(guān)閉鍵，系統(tǒng)也不會(huì)發(fā)出關(guān)閉信號。

3> 模擬量處理模塊

當(dāng)溫度、液位、電導(dǎo)率等信號進(jìn)入系統(tǒng)以后，一方面系統(tǒng)把該信號與預(yù)置值進(jìn)行比較，將結(jié)果作為自動(dòng)執(zhí)行模塊的依據(jù)，另一方面PLC 對該信號進(jìn)行簡單處理，然后傳送給上位機(jī)進(jìn)行顯示。

4> 與上位機(jī)的通信模塊

系統(tǒng)采用上、下位機(jī)結(jié)構(gòu)。通過上下位機(jī)通信模塊，PLC 把現(xiàn)場數(shù)據(jù)送給上位機(jī)處理，并從上位機(jī)處接收命令和數(shù)據(jù)，啟動(dòng)自動(dòng)過程或直接控制現(xiàn)場設(shè)備。

5> 報(bào)警模塊

系統(tǒng)發(fā)出驅(qū)動(dòng)某個(gè)閥門的命令后，如果該閥門經(jīng)過相應(yīng)時(shí)間的延時(shí)還未到達(dá)位置，將發(fā)出報(bào)警信號，提醒運(yùn)行人員采取措施，排除故障。

上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)：原水通過多介質(zhì)過濾器進(jìn)行預(yù)處理，然后通過陽床、陰床進(jìn)行一級除鹽處理，凈化水質(zhì)。所有這些操作都在上位機(jī)上進(jìn)行。上位機(jī)選用工業(yè)級控制計(jì)算機(jī)（IPC），全金屬外殼，防磁，防震，抗干擾能力強(qiáng)，適合熱電廠的特殊環(huán)境使用。

1> 組態(tài)軟件介紹

該系統(tǒng)的上位機(jī)監(jiān)控程序選用了組態(tài)王軟件進(jìn)行開發(fā)，畫面為256 色，操作系統(tǒng)采用Windows 平臺，根據(jù)工藝流程設(shè)計(jì)系統(tǒng)監(jiān)控畫面，并實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)中工控機(jī)和PLC 之間的數(shù)據(jù)通信，對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，具有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、查詢、生成趨勢曲線，報(bào)警提示、存儲(chǔ)、查詢以及報(bào)表的生成和輸出等功能。

2> 監(jiān)控畫面組態(tài)

對于一個(gè)工業(yè)過程監(jiān)控系統(tǒng)來說，設(shè)計(jì)一套形象、直觀、生動(dòng)、簡捷的畫面是重要的。在軟件的開發(fā)過程中，人機(jī)界面的友好性顯得至關(guān)重要，因?yàn)樗苯雍筒僮魅藛T交流信息。良好的人機(jī)界面不僅要直觀、生動(dòng)，而且還要能準(zhǔn)確地實(shí)時(shí)再現(xiàn)被控對象的真實(shí)狀態(tài)，如閥門的開關(guān)、泵的啟停等。根據(jù)現(xiàn)場運(yùn)行的實(shí)際情況，在訪問期間并考慮到操作的方便性和高效性，該系統(tǒng)利用組態(tài)王軟件強(qiáng)大的繪圖功能設(shè)計(jì)了主畫面和6 個(gè)子畫面。每個(gè)畫面都可以通過鼠標(biāo)或鍵盤相互切換。所有的被控對象都設(shè)置了動(dòng)態(tài)屬性，如閥門開關(guān)狀態(tài)的變化就會(huì)引起其顏色的變化。

3> 控制方式

根據(jù)水處理系統(tǒng)中各設(shè)備運(yùn)行有很強(qiáng)的時(shí)序性這一特點(diǎn)，PLC 又設(shè)置了點(diǎn)操、步操及自動(dòng)等3 種操作方式。點(diǎn)操是通過計(jì)算機(jī)用鼠標(biāo)對單個(gè)的可控設(shè)備（閥門、泵及風(fēng)機(jī)等）執(zhí)行遠(yuǎn)方開/ 關(guān)控制；步操是指成組操作，即根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行的時(shí)序相關(guān)性成組地操作某一步序所涉及的所有相關(guān)設(shè)備；自動(dòng)方式則指某一個(gè)系統(tǒng)從啟動(dòng)、運(yùn)行、失效到再生后重新投運(yùn)的整個(gè)過程自動(dòng)運(yùn)行及在線監(jiān)視。而所有的控制均可以組態(tài)系統(tǒng)中進(jìn)行方便的設(shè)置，工作人員只需要用鼠標(biāo)對控制方式進(jìn)行設(shè)定，便可以將命令發(fā)給PLC執(zhí)行相應(yīng)的控制程序，同時(shí)對于點(diǎn)操和步操，每個(gè)控制設(shè)備均設(shè)計(jì)有單獨(dú)控制窗口，設(shè)置確認(rèn)項(xiàng)，保證了系統(tǒng)的安全操作。

四、系統(tǒng)主要功能介紹

上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)根據(jù)系統(tǒng)工藝設(shè)計(jì)模擬畫面，并根據(jù)PLC所采集的各種數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示、報(bào)警、打印以及發(fā)送各種命令。上位機(jī)具有以下主要功能：

1、畫面監(jiān)控功能：顯示工藝系統(tǒng)的模擬流程畫面，畫面上有相應(yīng)參數(shù)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)及設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)(全開或運(yùn)行時(shí)為紅色，全關(guān)或停止時(shí)為綠色，故障時(shí)為黃色)。畫面動(dòng)點(diǎn)的更新速率為1s。在流程畫面上，可通過屏幕彈出窗口，手動(dòng)控制畫面上的被控設(shè)備。

2、操作事件記錄：對運(yùn)行人員的操作及重要報(bào)警信息進(jìn)行記錄，可方便地進(jìn)行事故分析和故障追憶。

3、系統(tǒng)報(bào)警功能：任一參數(shù)報(bào)警時(shí)，畫面的報(bào)警指示燈亮，同時(shí)在報(bào)警畫面上自動(dòng)顯示相應(yīng)報(bào)警信息，顯示內(nèi)容包括報(bào)警發(fā)生的時(shí)間、名稱、當(dāng)前值、報(bào)警屬性、報(bào)警屬性對應(yīng)的限值及單位。報(bào)警出現(xiàn)時(shí)報(bào)警條閃爍，確認(rèn)后停止閃爍。報(bào)警按優(yōu)先級順序顯示報(bào)警信息，同一優(yōu)先級內(nèi)，以時(shí)間順序顯示報(bào)警信息。另外配有報(bào)警一覽畫面，可以看到全部報(bào)警信息及對歷史報(bào)警進(jìn)行自定義查詢。

4、系統(tǒng)歷史記錄：歷史趨勢畫面可定義16條趨勢曲線，以不同顏色加以區(qū)別，并配有相應(yīng)的變量說明信息和工程單位數(shù)值。而通過趨勢畫面還可在線調(diào)整全程周期和掃描周期，并可在線更改趨勢變量。

5、報(bào)表生成與輸出：報(bào)表具有定時(shí)制表、隨機(jī)自動(dòng)打印及請求打印報(bào)表三種方式。滿足工作人員對多種數(shù)據(jù)報(bào)表形式的需求，并且監(jiān)控畫面、歷史趨勢、報(bào)表均可以通過運(yùn)行人員自定義操作進(jìn)行打印輸出。

6、系統(tǒng)安全配置：系統(tǒng)具有多種級別的口令保護(hù)，提高了系統(tǒng)的安全性，操作上具備了身份驗(yàn)證功能，有效防止了運(yùn)行人員的誤操作。

五、結(jié)束語

該電廠化學(xué)水處理系統(tǒng)正式投入運(yùn)行后，使該廠水處理系統(tǒng)自動(dòng)化控制水平明顯提高，制水量有了很大程度的提升，完全保證了該電廠發(fā)電機(jī)組的用水需要。由于控制水平的提高，制水過程中產(chǎn)生的廢水量明顯減少，起到了一定環(huán)保節(jié)能效果。系統(tǒng)高度的可靠性和直觀簡易的操作性使得控制中心值班人員。