PLC在火電廠化學(xué)水處理監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用

1 引言
隨著火力發(fā)電廠單機(jī)容量的不斷增大，系統(tǒng)越來越復(fù)雜性，出于機(jī)組安全性和使用壽命的考慮，對水汽品質(zhì)的要求越來越嚴(yán)。實現(xiàn)化學(xué)水處理設(shè)備的自動化，是當(dāng)今電廠化學(xué)技術(shù)發(fā)展的必然趨勢。
火電廠水處理監(jiān)控系統(tǒng)隨著自動化控制技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展。目前，火電廠水處理系統(tǒng)的控制手段各異。大致可分為:(1)手動操作，機(jī)械勞動強(qiáng)度大，已逐步淘汰;(2)有繼電器觸點控制系統(tǒng)，接線復(fù)雜，維護(hù)工作重大;(3)以計算機(jī)為基礎(chǔ)的專用工業(yè)計算機(jī)-PC程序控制。這一技術(shù)目前在火電廠中應(yīng)用量最為廣泛，基本上能滿足生產(chǎn)需要，也是當(dāng)今乃至今后研究發(fā)展的方向。
水處理系統(tǒng)的控制朝著高程度、高可靠性、智能化和無人值班方向發(fā)展，目前在生產(chǎn)現(xiàn)場運(yùn)用得比較好的為數(shù)不多。電廠大多采用步序操作方式，少數(shù)好一點的采用半自動方式，是不得已而為之，其直接后果是造成部分控制功能閑置、人力資源的浪費(fèi)和水質(zhì)合格率不高。
為了解決這個問題，本文提出一種對原有水處理系統(tǒng)進(jìn)行改造的方案，將PLC控制與現(xiàn)場總線技術(shù)相結(jié)合，全面提高了該系統(tǒng)的自動化程度，使更有效更可靠更安全的運(yùn)行。
2 補(bǔ)給水處理系統(tǒng)的工藝流程
天然水經(jīng)過混凝沉淀處理后，雖然已經(jīng)將其中大部份懸浮物除掉，從外觀上看也常常是透明的，但實際上水中免不了殘留少量細(xì)小的懸浮顆粒，所以還需進(jìn)一步對其進(jìn)行處理，否則，當(dāng)進(jìn)行離子交換處理時，會污染交換劑，影響出水水質(zhì)。
水經(jīng)混凝和過濾處理后，雖然可除去其中的懸浮物和膠態(tài)物質(zhì)，但硬度并沒有改變，且堿度一般仍然較高，即使在水的預(yù)處理中采用了沉淀軟化，水中殘留的硬度和含鹽量仍無法達(dá)到鍋爐補(bǔ)給水的要求，還必須作進(jìn)一步的軟化、除鹽處理。陰、陽離子交換除鹽是最常用的處理方法，工藝流程圖如圖1所示。

3 化學(xué)水處理程控系統(tǒng)的軟件實現(xiàn)
漢川電廠補(bǔ)給水處理控制系統(tǒng)由下位機(jī)和上位機(jī)構(gòu)成兩級集散控制系統(tǒng)(DCS)。現(xiàn)場的數(shù)據(jù)采集、預(yù)處理、過程控制及向上位機(jī)傳送數(shù)據(jù)等任務(wù)由下位機(jī)完成，上位機(jī)負(fù)責(zé)全系統(tǒng)的控制、管理和信息綜合。
基本方案采用3臺西門子公司的SIMATIC S7-300可編程序控制器控制現(xiàn)場設(shè)備，依次為過濾器單元及泵、化學(xué)儀表等數(shù)據(jù);一級除鹽單元;混床單元。改造方案見圖2。

操作站選用1臺研華工控機(jī)，軟件開發(fā)平臺選用亞控公司的組態(tài)王6.02。組態(tài)王是一種能完成數(shù)據(jù)采集及控制、報警、圖形數(shù)據(jù)顯示等功能的完整工業(yè)自動化軟件，具有很高的可靠性，是目前中國市場應(yīng)用最多的組態(tài)軟件。
該方案配置體現(xiàn)了分散控制系統(tǒng)的優(yōu)點。即控制功能分散、操作管理集中。控制功能分散意味著系統(tǒng)實時響應(yīng)快和系統(tǒng)危險分散、操作管理集中便于集中管理，方案配置還具有冗余特性。
PROFIBUS總線是當(dāng)今國際上比較流行的一種現(xiàn)場總線，具有很好的靈活性和可靠性，在性能價格比上也有很大的優(yōu)勢。PROFIBUS-DP具有快速、即插即用、效率高、成本低等特性更適合本系統(tǒng)要求，因此選擇了PROFIBUS-DP方案作為現(xiàn)場通信方式。PROFIBUS現(xiàn)場總線將工業(yè)設(shè)備(傳感器、開關(guān)、可編程控制器等)通過標(biāo)準(zhǔn)接口連接到工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)上，從而減少了繁瑣的硬接線，而且現(xiàn)場總線改善了設(shè)備間和通信以及提高了系統(tǒng)的精度及實時性，提供了相當(dāng)重要的設(shè)備級診斷功能。

3.1 下位機(jī)控制程序設(shè)計
將控制系統(tǒng)分為四個大的功能塊:整體投運(yùn)、設(shè)備切換、清洗再生和整體停運(yùn)。
(1) 除鹽水箱水位控制在5~10m，當(dāng)水位低于5m時，自動按流程順序投運(yùn)一套制水設(shè)備(包括一臺清水泵、兩臺過濾器、一套一級除鹽設(shè)備和一臺混床);當(dāng)水位低于3m時，自動投運(yùn)另一套制水設(shè)備。當(dāng)水位高于10m時，進(jìn)入設(shè)備的整體停運(yùn)，將所有設(shè)備按嚴(yán)格的操作順序停運(yùn)后，一級除鹽設(shè)備進(jìn)行再生。
(2) 運(yùn)行中機(jī)械過濾器達(dá)到規(guī)定過濾時間要切換到下一臺備用機(jī)械過濾器。一級除鹽的切換為陽床出水Na+>10PPb或陰床出水電導(dǎo)>5us/cm、SiO2>100PPb中的任何一個。混床的切換條件為出水導(dǎo)電度大于0.2qus/cm或SiO2>100PPb。
(3) 一級除鹽運(yùn)行20個周期后要進(jìn)行大反洗再生，設(shè)計為全自動步序進(jìn)行。
(4) 混床再生過程間隔時間長，故設(shè)計為半自動步序進(jìn)行。
機(jī)械過濾器設(shè)備采用并聯(lián)運(yùn)行布置，運(yùn)行及清洗操作實行遙控步序操作。混床設(shè)備采用并聯(lián)運(yùn)行布置，運(yùn)行及再生操作實行遙控點操作。
一級除鹽設(shè)備采用單元連接方式。設(shè)備的運(yùn)行和再生采用西門子S7系列可編程序控制器控制。陽床出口裝有電導(dǎo)表和硅表監(jiān)督終點，其運(yùn)行和再生操作采用遙控手動操作。
再生設(shè)備采用計量箱加噴射器，CTN-1型音頻電磁式酸堿裝置，再生液濃度及中間水箱液位人工調(diào)整。
各項操作由一個轉(zhuǎn)換開關(guān)控制，可實現(xiàn)設(shè)備手動、步操、半自動和全自動四種操作方式，同時也可在監(jiān)控系統(tǒng)上用軟件實現(xiàn)。
3.2 上位機(jī)監(jiān)控程序設(shè)計
本監(jiān)控系統(tǒng)是以微軟公司的Windows98/NT/2000為工作平臺使用組態(tài)王6.02開發(fā)出來的。組態(tài)王是完全基于網(wǎng)絡(luò)的，是一種客戶/服務(wù)器模式，可在在配置其網(wǎng)絡(luò)時綁定TCP/IP協(xié)議，即可利用其網(wǎng)絡(luò)功能實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。操作人員可在控制室向下位機(jī)發(fā)出各種控制命令，同時將生產(chǎn)過程中各種信息數(shù)據(jù)采集過來，反映在屏幕上的各種畫面中，使操作人員一目了然。
我們按工藝過程作出了各幅監(jiān)控畫面，對每一個工藝處理過程都可監(jiān)控及操作;根據(jù)電廠實際操作運(yùn)行需要設(shè)計了四種操作運(yùn)行方式:全自動、半自動、步操和手動。全自動運(yùn)行方式即是無需人員干涉，當(dāng)一個陰、陽床或混床水質(zhì)取樣儀表檢測水質(zhì)失效，程序自動進(jìn)入下一個工藝流程;半自動運(yùn)行方式則是連續(xù)自動地完成一個工藝流程;步操運(yùn)行方式則是對于每一個工藝生產(chǎn)過程可由人工進(jìn)行單個步序的操作;手動方式即是可由人工對每一個受控設(shè)備進(jìn)行一對一的啟/停、開/關(guān)操作，尤其適用于設(shè)備初調(diào)或維修階段。在這四種運(yùn)行方式之間設(shè)計為無擾動切換，這樣極大地方便了工廠運(yùn)行人員的操作維護(hù)。
各監(jiān)控界面可用于監(jiān)視流程狀態(tài)也可在畫面上對流程實施強(qiáng)制操作。將整個工藝流程在監(jiān)控畫面上反映出來，該畫面以虛擬儀表的方式實時顯示現(xiàn)場的信息，具有直觀、動態(tài)、實時的效果。在畫面中，受控件(如閥門等)狀態(tài)及反饋均可在受控件上直接顯示出來，我們通過不同的顏色表明設(shè)備的各個狀態(tài)，畫面流程隨工況的不同而動態(tài)變化。畫面上標(biāo)有系統(tǒng)所有控件，在有模擬量輸入的控件(如陰床電導(dǎo)值、定時器所余時間)旁顯示即時值，供用戶監(jiān)控。還可對現(xiàn)場儀表進(jìn)行參數(shù)設(shè)置。在運(yùn)行過程中發(fā)生異常情況時,操作員可直接在上位機(jī)按下急停按鈕,設(shè)備立即停止運(yùn)行;操作員也可以在現(xiàn)場直接手動操作。

4 控制系統(tǒng)實現(xiàn)功能

此計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的控制方案是使用工業(yè)計算機(jī)代替原有手動控制系統(tǒng)。上位機(jī)、下位機(jī)與現(xiàn)場之間達(dá)到同步控制，實現(xiàn)遠(yuǎn)距離監(jiān)控及操作，節(jié)約人力資源，提高勞動效率，實現(xiàn)效益最大化，同時在最大程度上保障人員的安全，方便了工廠運(yùn)行人員的維護(hù)。
此系統(tǒng)具體實現(xiàn)以下功能:
(1) 實時監(jiān)視工藝流程
將整個工藝流程在監(jiān)控畫面上直觀實時的反映出來。本系統(tǒng)提供了精美的顯示屏幕、漢字菜單、加速鍵、按鈕等標(biāo)準(zhǔn)的窗口界面對象,對一些重要參數(shù)的輸入提供了漢字提示的填表式輸入對話框。在進(jìn)行重要操作或退出時均會提示確認(rèn)，人機(jī)界面做到人性化。
(2) 趨勢畫面及歷史曲線
各模擬量參數(shù)則用棒狀圖畫面動態(tài)顯示，并有相關(guān)的實時趨勢圖和歷史趨勢圖供操作人員參考，隨時查詢歷史數(shù)據(jù)。
(3) 報警項目及打印
在每幅系統(tǒng)圖上都有報警標(biāo)志，設(shè)備故障、無閥位反饋信號或模擬量參數(shù)報警信息除控制柜有聲光報警外，上位機(jī)畫面上亦有報警信號，同時在配置的報警打印機(jī)中即時打印出來供運(yùn)行人員維修參考。
a) 無閥位反饋報警:根據(jù)用戶要求，無閥位反饋只用報警，不影響程序運(yùn)行。閥位反饋按單步報警，報警項目列出無閥位反饋的成組閥門，操作員應(yīng)到閥門現(xiàn)場查看，確定故障閥門并清除故障。
b) 泵故障:報警項目列出故障泵，提示操作員報修。因各泵均有備用泵，一旦在用泵出現(xiàn)故障則PLC自動將系統(tǒng)切換到備用泵，不影響系統(tǒng)運(yùn)行。
(4) 參數(shù)顯示及參數(shù)設(shè)置
在系統(tǒng)可調(diào)出工藝過程中各種參數(shù)，操作人員可查看并進(jìn)行修改。
(5) 權(quán)限安全設(shè)置
在系統(tǒng)中，對操作人員設(shè)定一定的權(quán)限。操作人員輸入自己的密碼，可進(jìn)行自己權(quán)限以內(nèi)的操作，有效的防止了誤操作。
5 結(jié)束語
本文將PLC控制結(jié)合現(xiàn)場總線技術(shù)應(yīng)用于化學(xué)水處理程控系統(tǒng)上，保證了整套水處理設(shè)備安全、高效、穩(wěn)定運(yùn)行。投入運(yùn)行以來，效果良好，受到用戶的好評。此系統(tǒng)為國內(nèi)新建火電廠水處理程控系統(tǒng)設(shè)計和老火電廠進(jìn)行水處理技術(shù)改造，提供了一種理想解決方案，具有很好的借鑒推廣價值。