PLC在工厂化学水处理监控系统的应用

2022-09-10

随着火力发电厂单机容量的不断增大, 系统越来越复杂性, 出于机组安全性和使用寿命的考虑, 对水汽品质的要求越来越严。实现化学水处理设备的自动化, 是当今电厂化学制水技术发展的必然趋势。火电厂水处理监控系统随着自动化控制技术的发展而发展。目前, 火电厂水处理系统的控制手段各异。大致可分为: (1) 手动操作, 机械劳动强度大, 已逐步淘汰; (2) 有继电器触点控制系统, 接线复杂, 维护工作重大; (3) 以计算机为基础的专用工业计算机——PC程序控制。这一技术目前在火电厂中应用量最为广泛, 基本上能满足生产需要, 也是当今乃至今后研究的发展方向。水处理系统的控制朝着高程度、高可靠性、智能化和无人值班方向发展, 目前在生产现场运用得比较好的为数不多。电厂大多采用步序操作方式, 少数好一点的采用半自动方式, 是不得已而为之, 其直接后果是造成部分控制功能闲置、人力资源的浪费和水质合格率不高。为了解决这个问题, 本文提出一种对原有水处理系统进行改造的方案, 将PLC控制与现场总线技术相结合, 全面提高了该系统的自动化程度, 使更有效更可靠更安全的运行。

1 补给水处理系统的工艺流程

天然水经过两台超滤装置, 出水污染指数SDI<2, 保证了后级反滲透R/O进水SDI≤4的要求;大分子颗粒的水被截留, 从外观上看也常常是透明的, 但实际上水中免不了残留少量细小的分子颗粒, 所以还需进一步对其进行处理, 水再经过采用世界上先进的T F C型复合膜作为组件的反渗透装置其初期脱盐率大于9 7%;此时的水已是纯净水了, 因其导电度、水的硬度、硅等一些指标还未达到锅炉补给水的要求, 还必须作进一步的软化、除盐处理。本系统通过电除盐E-C E L L装置, 其是一个电渗析与离子交换相结合的装置, 从而使树脂能够连续地再生。离子交换树脂放在阳阴膜之间, 可以去除水中的杂质离子。由于阴阳膜具有选择性, 从而使交换下来的离子分别通过阴、膜进入浓室而排出。在直流电的作用下水电解产生的H+与O H-分别透过阳膜与阴膜与失效树脂发生置换反应, 从而使再生不断的进行下去。工艺流程图如图1所示。

2 化学水处理程控系统的软件实现电厂补给水处理控制系统由下位机和上位机构成两级集散控制系统 (DCS)

现场的数据采集、预处理、过程控制及向上位机传送数据等任务由下位机完成, 上位机负责全系统的控制、管理和信息综合。基本方案采用两台可编程序控制器西门子公司的SIMATICS7-400系列CPU互为冗余控制, 通过Ethernet以太网与上位机通讯交换数据;通过PROFIBUS周期性地交换I/O模块的数据;现场设备, 依次为预处理单元、超滤单元、反渗透过滤器单元及泵、化学仪表等数据、E-CELL除盐单元。改造方案见图2所示。

操作站选用两台研华工控机, 软件开发平台选用亚控公司的组态王6.02。组态王是一种能完成数据采集及控制、报警、图形数据显示等功能的完整工业自动化软件, 具有很高的可靠性是目前中国市场应用最多的组态软件。该方案配置体现了分散控制系统的优点。即控制功能分散、操作管理集中。控制功能分散意味着系统实时响应快和系统危险分散、操作管理集中便于集中管理, 方案配置还具有冗余特性。PROFIBUS总线是当今国际上比较流行的一种现场总线, 具有很好的灵活性和可靠性, 在性能价格比上也有很大的优势。PROFIBUS-DP具有快速、即插即用、效率高、成本低等特性更适合本系统要求, 因此选择了PROFIBUS-DP方案作为现场通信方式。PROFIBUS现场总线将工业设备 (传感器、开关、可编程控制器等) 通过标准接口连接到工业控制网络上, 从而减少了繁琐的硬接线, 而且现场总线改善了设备间和通信以及提高了系统的精度及实用性, 提供了相当重要的设备级诊断功能。

2.1 下位机控制程序设计

将控制系统分为四个大的功能块:整体投运、设备切换、清洗再生和整体停运

(1) 除盐水箱水位控制在5m~10m, 当水位低于5m时, 自动按流程顺序投运一套制水设备 (包括一台清水泵、两台过滤器、一套一级R/O设备和一套E-CELL电除盐) ;当水位低于3m时, 自动投运另一套制水设备。当水位高于10m时, 进入设备的整体停运, 将所有设备按严格的操作顺序运行。

(2) 运行中超滤的运行与反洗间隔运行, 通过控制相应的阀门来完成, 使SDI减小;R/O的运行是程序自动完成的并且加药系统也自动运行。R/O的出水要求CaCO3<0.5PPm, 电导率<65, PH在5~9可满足下一步的电除盐系统的要求。

(3) 在每次停运前需对R/O进行清洗通过清洗程序完成, 设计为半自动步进程序进行。

(4) E-CELL的运行要求对进水、浓水、产水的流量压力, 以及整流电流都有严格的要求并为此设计了连锁保护, 为全自动运行。运行及再生操作实行遥控点操作采用单元连接方式。设备的运行和再生采用西门子S7系列可编程序控制器控制。产水出口装有电导表和硅表监督终点, 各项操作由一个转换开关控制, 可实现设备手动、步操、半自动和全自动四种操作方式同时也可在监控系统上用软件实现。

2.2 上位机监控程序设计

本监控系统是以微软公司的W i ndows98/NT/2000为工作平台使用组态王6.02开发出来的。组态王是完全基于网络的, 是一种客户/服务器模式, 可在在配置其网络时绑定TCP/IP协议, 即可利用其网络功能实现远程控制。操作人员可在控制室向下位机发出各种控制命令, 同时将生产过程中各种信息数据采集过来, 反映在屏幕上的各种画面中, 使操作员一目了然。我们按工艺过程作出了各幅监控画面, 对每一个工艺处理过程都可监控及操作;根据电厂实际操作运行需要设计了四种操作运行方式:全自动、半自动、步操和手动。全自动运行方式即是无需人员干涉, 当一个水质取样仪表检测水质失效, 程序自动进入下一个工艺流程;半自动运行方式则是连续自动地完成一个工艺流程;步操运行方式则是对于每一个工艺生产过程可由人工进行单个步序的操作;手动方式即是可由人工对每一个受控设备进行一对一的启/停、开/关操作, 尤其适用于设备初调或维修阶段。在这四种运行方式之间设计为无扰动切换, 这样极大地方便了工厂运行人员的操作维护。各监控界面可用于监视流程状态也可在画面上对流程实施强制操作。将整个工艺流程在监控画面上反映出来, 该画面以虚拟仪表的方式实时显示现场的信息, 具有直观、动态、实时的效果。在画面中, 受控件 (如阀门等) 状态及反馈均可在受控件上直接显示出来, 我们通过不同的颜色表明设备的各个状态, 画面流程随工况的不同而动态变化。画面上标有系统所有控件, 在有模拟量输入的控件 (如水的电导值、定时器所余时间) 旁显示即时值, 供用户监控。还可对现场仪表进行参数设置。在运行过程中发生异常情况时, 操作员可直接在上位机按下急停按钮, 设备立即停止运行;操作员也可以在现场直接手动操作。

3 控制系统实现功能

由于化学水处理系统比较复杂庞大, 所涉及的控制对象比较多, 以往的运行方式需要运行人手动操作每个电磁阀, 启动每台泵及风机等来实现系统的运行。此种运行方式:第一、操作不方便;第二、操作过程复杂, 容易出错;第三、需要多人相互配合才能完成工作, 及花费人力又浪费时间。如今随着科学技术的不断发展, 这种操作方式远不能适应大规模的制水生产需要。操计算机监控系统的控制方案是使用工业计算机代替原有手动控制系统。上位机、下位机与现场之间达到同步控制, 实现远距离监控及操作, 节约人力资源, 可由以前一个班需要4~5人, 减少到1~2人, 提高劳动效率, 实现效益最大化, 同时在最大程度上保障人员的安全, 方便了工厂运行人员的维护。

此系统具体实现以下功能: (1) 实时监视工艺流程, 将整个工艺流程在监控画面上直观实时的反映出来。本系统提供了精美的显示屏幕、汉字菜单、加速键、按钮等标准的窗口界面对象, 对一些重要参数的输入提供了汉字提示的填表式输入对话框。在进行重要操作或退出时均会提示确认, 人机界面做到人性化。 (2) 趋势画面及历史曲线各模拟量参数则用棒状图画面动态显示, 并有相关的实时趋势图和历史趋势图供操作人员参考, 随时查询历史数据。 (3) 报警项目及打印在每幅系统图上都有报警标志, 设备故障、无阀位反馈信号或模拟量参数报警信息除控制柜有声光报警外, 上位机画面上亦有报警信号, 同时在配置的报警打印机中即时打印出来供运行人员维修参考。 (1) 无阀位反馈报警:根据用户要求, 无阀位反馈只用报警, 不影响程序运行。阀位反馈按单步报警, 报警项目列出无阀位反馈的成组阀门, 操作员应到阀门现场查看, 确定故障阀确定故障阀门并清除故障。 (2) 泵故障:报警项目列出故障泵, 提示操作员报修。因各泵均有备用泵, 一旦在用泵出现故障则PLC自动将系统切换到备用泵, 不影响系统运行。 (4) 参数显示及参数设置在系统可调出工艺过程中各种参数, 操作人员可查看并进行修。 (5) 权限安全设置。

在系统中, 对操作人员设定一定的权限。操作人员输入自己的密码, 可进行自己权限以内的操作, 有效的防止了误操作。

4 结语

本文将PLC控制结合现场总线技术应用于化学水处理程控系统上, 保证了整套水处理设备安全、高效、稳定运行。我公司化学水处理系统全部改造完成, 经过改造后自动化控制水平明显提高, 制水量由原先的平均每小时120m3/h提升到平均每小时260m3/h, 完全保证了锅炉和化工车间的用水需要。由于设备技术水平的提高, 制水过程中产生的废水量大大减少, 具有环保节能效果。系统高度的可靠性和直观简易的操作性使得控制中心值班室操作人员减少, 大大节约了人力成本。该系统建成后运行可靠, 生产效率明显提高, 将公司的节能环保技术水平向前推进了一大步。此系统为国内新建火电厂水处理程控系统设计和老火电厂进行水处理技术改造, 提供了一种理想解决方案, 具有很好的借鉴推广价值。

摘要：本文介绍了电厂化学水处理系统自动化控制的实现。结合现场总线技术和工业以太网技术, 信息层使用工业以太网, 控制层使用PROFIBUS现场总线, 完成了基于现场总线和工业以太网的自动化监控和管理功能。

关键词：PLC,现场总线,以太网,冗余