PLC在火電廠化學水處理監控系統的應用

1 引言
隨著火力發電廠單機容量的不斷增大，系統越來越復雜性，出于機組安全性和使用壽命的考慮，對水汽品質的要求越來越嚴。實現化學水處理設備的自動化，是當今電廠化學技術發展的必然趨勢。
火電廠水處理監控系統隨著自動化控制技術的發展而發展。目前，火電廠水處理系統的控制手段各異。大致可分為:(1)手動操作，機械勞動強度大，已逐步淘汰;(2)有繼電器觸點控制系統，接線復雜，維護工作重大;(3)以計算機為基礎的專用工業計算機-PC程序控制。這一技術目前在火電廠中應用量最為廣泛，基本上能滿足生產需要，也是當今乃至今后研究發展的方向。
水處理系統的控制朝著高程度、高可靠性、智能化和無人值班方向發展，目前在生產現場運用得比較好的為數不多。電廠大多采用步序操作方式，少數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、人力資源的浪費和水質合格率不高。
為了解決這個問題，本文提出一種對原有水處理系統進行改造的方案，將PLC控制與現場總線技術相結合，全面提高了該系統的自動化程度，使更有效更可靠更安全的運行。
2 補給水處理系統的工藝流程
天然水經過混凝沉淀處理后，雖然已經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小的懸浮顆粒，所以還需進一步對其進行處理，否則，當進行離子交換處理時，會污染交換劑，影響出水水質。
水經混凝和過濾處理后，雖然可除去其中的懸浮物和膠態物質，但硬度并沒有改變，且堿度一般仍然較高，即使在水的預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到鍋爐補給水的要求，還必須作進一步的軟化、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 化學水處理程控系統的軟件實現
漢川電廠補給水處理控制系統由下位機和上位機構成兩級集散控制系統(DCS)。現場的數據采集、預處理、過程控制及向上位機傳送數據等任務由下位機完成，上位機負責全系統的控制、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場設備，依次為過濾器單元及泵、化學儀表等數據;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，軟件開發平臺選用亞控公司的組態王6.02。組態王是一種能完成數據采集及控制、報警、圖形數據顯示等功能的完整工業自動化軟件，具有很高的可靠性，是目前中國市場應用最多的組態軟件。
該方案配置體現了分散控制系統的優點。即控制功能分散、操作管理集中。控制功能分散意味著系統實時響應快和系統危險分散、操作管理集中便于集中管理，方案配置還具有冗余特性。
PROFIBUS總線是當今國際上比較流行的一種現場總線，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要求，因此選擇了PROFIBUS-DP方案作為現場通信方式。PROFIBUS現場總線將工業設備(傳感器、開關、可編程控制器等)通過標準接口連接到工業控制網絡上，從而減少了繁瑣的硬接線，而且現場總線改善了設備間和通信以及提高了系統的精度及實時性，提供了相當重要的設備級診斷功能。

3.1 下位機控制程序設計
將控制系統分為四個大的功能塊:整體投運、設備切換、清洗再生和整體停運。
(1) 除鹽水箱水位控制在5~10m，當水位低于5m時，自動按流程順序投運一套制水設備(包括一臺清水泵、兩臺過濾器、一套一級除鹽設備和一臺混床);當水位低于3m時，自動投運另一套制水設備。當水位高于10m時，進入設備的整體停運，將所有設備按嚴格的操作順序停運后，一級除鹽設備進行再生。
(2) 運行中機械過濾器達到規定過濾時間要切換到下一臺備用機械過濾器。一級除鹽的切換為陽床出水Na+>10PPb或陰床出水電導>5us/cm、SiO2>100PPb中的任何一個。混床的切換條件為出水導電度大于0.2qus/cm或SiO2>100PPb。
(3) 一級除鹽運行20個周期后要進行大反洗再生，設計為全自動步序進行。
(4) 混床再生過程間隔時間長，故設計為半自動步序進行。
機械過濾器設備采用并聯運行布置，運行及清洗操作實行遙控步序操作。混床設備采用并聯運行布置，運行及再生操作實行遙控點操作。
一級除鹽設備采用單元連接方式。設備的運行和再生采用西門子S7系列可編程序控制器控制。陽床出口裝有電導表和硅表監督終點，其運行和再生操作采用遙控手動操作。
再生設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整。
各項操作由一個轉換開關控制，可實現設備手動、步操、半自動和全自動四種操作方式，同時也可在監控系統上用軟件實現。
3.2 上位機監控程序設計
本監控系統是以微軟公司的Windows98/NT/2000為工作平臺使用組態王6.02開發出來的。組態王是完全基于網絡的，是一種客戶/服務器模式，可在在配置其網絡時綁定TCP/IP協議，即可利用其網絡功能實現遠程控制。操作人員可在控制室向下位機發出各種控制命令，同時將生產過程中各種信息數據采集過來，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控畫面，對每一個工藝處理過程都可監控及操作;根據電廠實際操作運行需要設計了四種操作運行方式:全自動、半自動、步操和手動。全自動運行方式即是無需人員干涉，當一個陰、陽床或混床水質取樣儀表檢測水質失效，程序自動進入下一個工藝流程;半自動運行方式則是連續自動地完成一個工藝流程;步操運行方式則是對于每一個工藝生產過程可由人工進行單個步序的操作;手動方式即是可由人工對每一個受控設備進行一對一的啟/停、開/關操作，尤其適用于設備初調或維修階段。在這四種運行方式之間設計為無擾動切換，這樣極大地方便了工廠運行人員的操作維護。
各監控界面可用于監視流程狀態也可在畫面上對流程實施強制操作。將整個工藝流程在監控畫面上反映出來，該畫面以虛擬儀表的方式實時顯示現場的信息，具有直觀、動態、實時的效果。在畫面中，受控件(如閥門等)狀態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備的各個狀態，畫面流程隨工況的不同而動態變化。畫面上標有系統所有控件，在有模擬量輸入的控件(如陰床電導值、定時器所余時間)旁顯示即時值，供用戶監控。還可對現場儀表進行參數設置。在運行過程中發生異常情況時,操作員可直接在上位機按下急停按鈕,設備立即停止運行;操作員也可以在現場直接手動操作。

4 控制系統實現功能

此計算機監控系統的控制方案是使用工業計算機代替原有手動控制系統。上位機、下位機與現場之間達到同步控制，實現遠距離監控及操作，節約人力資源，提高勞動效率，實現效益最大化，同時在最大程度上保障人員的安全，方便了工廠運行人員的維護。
此系統具體實現以下功能:
(1) 實時監視工藝流程
將整個工藝流程在監控畫面上直觀實時的反映出來。本系統提供了精美的顯示屏幕、漢字菜單、加速鍵、按鈕等標準的窗口界面對象,對一些重要參數的輸入提供了漢字提示的填表式輸入對話框。在進行重要操作或退出時均會提示確認，人機界面做到人性化。
(2) 趨勢畫面及歷史曲線
各模擬量參數則用棒狀圖畫面動態顯示，并有相關的實時趨勢圖和歷史趨勢圖供操作人員參考，隨時查詢歷史數據。
(3) 報警項目及打印
在每幅系統圖上都有報警標志，設備故障、無閥位反饋信號或模擬量參數報警信息除控制柜有聲光報警外，上位機畫面上亦有報警信號，同時在配置的報警打印機中即時打印出來供運行人員維修參考。
a) 無閥位反饋報警:根據用戶要求，無閥位反饋只用報警，不影響程序運行。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，操作員應到閥門現場查看，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，一旦在用泵出現故障則PLC自動將系統切換到備用泵，不影響系統運行。
(4) 參數顯示及參數設置
在系統可調出工藝過程中各種參數，操作人員可查看并進行修改。
(5) 權限安全設置
在系統中，對操作人員設定一定的權限。操作人員輸入自己的密碼，可進行自己權限以內的操作，有效的防止了誤操作。
5 結束語
本文將PLC控制結合現場總線技術應用于化學水處理程控系統上，保證了整套水處理設備安全、高效、穩定運行。投入運行以來，效果良好，受到用戶的好評。此系統為國內新建火電廠水處理程控系統設計和老火電廠進行水處理技術改造，提供了一種理想解決方案，具有很好的借鑒推廣價值。