摘要:着重从化学补给水的系统结构到ＰＬＣ的组态和软件设计等方面做了研究和总结。由于ＰＬＣ具有运行稳定性和高可靠性等特点,它与工业控制计算机连网对于电厂化学水处理系统进行自动控制具有其独特的优势。
水电气传动研究所从事自动化工程项目及控制理论的技术设计和科研开发工作。薛岩男,毕业于西北师范大学计算机系,讲师。现任教于甘肃工业职业技术学院,主要从事电子电器工程技术的开发研究和教学工作。陈启和（１９７０-）,男,兰州大学ＭＢＡ硕士研究生毕业,现在甘肃省企业工委工作,主要从事自动化技术领域的开发设计和现代企业管理的研究工作。
１ 化学补给水系统的结构组成
以国内某电厂为例,先介绍化学补给水处理系统的基本组成。该电厂二期工程装设两台１３．５万千瓦机组,化学补给水处理系统采用中压系统,主要功能是用来将水源地来的清水经过滤器以及反渗透装置等设备预处理,再通过混床二级除盐处理变为适合主厂房锅炉用的除盐水,供主厂房锅炉与汽机使用。整个系统的控制主要以程序自动控制为主,人工参与为辅的方式来完成。化学补给水处理系统由三大系统组成:
1.1水系统
水系统主体设备主要包括双介质过滤器４台,活性炭过滤器４台,精密过滤器两台,反渗透装置两套,除碳器一套,一级混床三台,二级混床两台。所有设备由不同的管道相连构成化学补给水处理系统。从生水泵来的生水首先进入双介质过滤器除去大颗粒悬浮物等杂质,再进入活性碳过滤器处理,使水的浊度和导电度达到一定的标准后经精密过滤器进入反渗透装置,除去大量的含盐离子,此时的水变为淡水,淡水进入除碳器除去ＣＯ２后进入混床进行再次除盐处理,使水的导电度和ＳｉＯ２的含量达到设定标准后才能送入主厂房。水系统主要检测的对象有ＰＨ值、导电度、流量、压力、浊度和ＳｉＯ２含量等,此外,双介质过滤器、活性碳过滤器以及一、二级混床的树脂一旦失效就需要再生处理,反渗透装置每次运行结束后也需要清洗等,这些工作都需要计算机和ＰＬＣ程序控制来完成。
1.2 酸碱再生系统
酸碱再生系统的主要作用是将混床里失效的树脂利用酸碱置换反应还原为合格的树脂,供混床制水使用。在制水过程中,当混床运行时间过长时树脂会吸附大量的含盐离子,导致树脂失效,此时产品水中的导电度和ＳｉＯ２的含量会明显增大,这就需要对树脂加酸加碱做再生处理,通过酸碱置换反应使树脂还原为合格的树脂,这时混床才能参与制水。从酸碱储存槽来的酸和碱分别储存在酸碱罐中,加酸加碱时,酸碱浓度要控制在一定的范围才行,一般酸碱浓度为０．１%～０．１５%,这些都要在系统运行过程中根据现场实际情况来确定,酸碱再生系统主要检测的参数为酸碱浓度、酸碱槽和酸碱箱的液位等。
1.3 气系统
气系统主要是来自主厂房的压缩空气,压缩空气分为程控用气和再生用气两部分,程控用气主要是供给电磁阀箱来控制气动阀门的,而再生用气是供给双介质过滤器和混床再生空气擦洗时使用。气系统要保证有一定的气压,压力范围为０．５～０．６ＭＰａ,压力过高会使管道和床体憋压,压力太低阀门将动作缓慢甚至操作无效,因此气压是本系统的重要参数。
２程控系统
2.1系统构成及控制要求
程控系统是以ＰＬＣ和计算机为核心组成的对化学水处理系统操作实行程序自动控制的装置。系统所有的监控操作都是在计算机上完成的,通过ＣＲＴ监测现场各设备的状态和参数,来分析阀门、水泵以及过滤器、混床和反渗透装置等的运行状态、水质的好坏,如ＰＨ值、导电度、流量、压力、浊度和ＳｉＯ２等。上位机为运行人员提供了极为方便的操作方式和控制对象选择菜单,运行人员选择菜单内容来决定自己所喜欢的操作方式,通过发布操作指令来控制和监测现场运行设备。打印机可随时打印各种报表,从报表上分析运行设备的各种参数,进而分析水质的优劣。音箱是作为系统运行时报警用的,系统运行过程中当检测到有故障时会发出报警声音,提醒运行人员注意并通知
检修人员及时修理故障设备,以免引起更大的事故。系统运行之前过滤器和混床里必须有合格的树脂才能保证有效的出水水质。一旦树脂失效,将影响出水水质,此时必须投运备用过滤器和混床,同时将不合格的树脂进行再生处理。系统流程图如图１所示。
2.2系统的组态
系统的组态对一个控制系统的配置来说相当重要,整个系统的自动化程度与其有着密切关系,它直接影响着整个系统操作功能的顺利实现,所以在对系统进行组态之前,必须搞清楚系统的所有受控对象以及参与控制的所有设备。由于化水处理系统涉及的受控对象比较多,有一百多个气动阀门、电动阀门、除碳风机、反洗水泵、加药泵、搅拌机以及淡水泵、除盐水泵等,还有几十路模拟量的监控,所以必须考虑所有的控制点数,然后给每个输入或输出点指定一个Ｉ／Ｏ位,这样就可以计算出所有的Ｉ／Ｏ点数。
ＰＬＣ的型号一般来说由用户自己确定,但是设计人员应当根据系统的大小和控制对象的复杂程度来作出合理的推荐,帮助用户进行系统选型,因为每个系统的大小和控制的对象都不相同,其运行的工艺流程也各不一样,对它们的控制编程方式也不同,因此对ＰＬＣ内存容量的要求也不一样,这就要求进行全面地分析,使整个控制系统的配置更加完善。当所选ＰＬＣ的型号确定时,根据所选ＰＬＣ系统Ｉ／Ｏ单元的点数来确定Ｉ／Ｏ模块的数量,再根据Ｉ／Ｏ模块的数量和所选机架上的槽数来确定所要使用的机架数(包括扩展机架)。一般来说,Ｉ／Ｏ点数最后要留出足够的余量（１５%左右）作为备用,便于将来系统增容扩建或改造。由于该电厂的特殊原因和技术要求,需要配置上位计算机来参与操作和监控,对上位机的要求是能够模拟显示整个系统当前的运行状况、工艺参数趋势及棒形图、实时打印历史记录及报表、实时报警以及显示系统运行程序的步序和运行时间等,操作系统要求鼠标点动每个阀门和各个水泵、风机等,要求提示运行人员操作的步序,而且操作简单易懂,误操作时不会出现安全和技术事故,能够及时解除误操作等意外情况的发生。ＰＬＣ与上位机进行实时通讯,操作并管理整个系统,两台上位机一台运行,一台备用,并且能够同时互相进行切换,因此还需配置通讯模块,网络交换机等使整个系统的运行和操作更加方便。整个系统网络为双ＣＲＴ+ＰＬＣ组成工业控制局域网,两台计算机上有以太网卡,通过双绞线与交换机相连,双绞线接口为ＲＪ-４５,网络拓扑结构为星型连接,网络协议为ＴＣＰ／ＩＰ。ＰＬＣ主机架上安装以太网模块,通过双绞线与交换机相连,ＰＬＣ主机通过同轴电缆与ＲＩＯ各远程站连接。在这样的系统配置中,两台计算机既可以共享数据,互为备用,也可以作为ＰＬＣ的编程器,对ＰＬＣ进行编程和维护。
2.3 系统的操作功能
系统的操作功能要求系统能够在现场设备无故障情况下实现自动化,一般情况下单台设备的启动和停床采用自动、单步操作方式,整组投运时必须选择好床体和连锁设备后再启动和停床。鼠标单操优先,在任何情况下都不受操作方式的限制。操作程序启动时能够自动检测、自动报警,便于运行人员操作、监控。要求计算机对系统的运行状况能够进行实时显示、自动记录历史数据并能够脱机即时打印。要求人机对话灵活、画面显示清晰而且切换灵敏,上下位机通讯迅速且不会出现明显的时间滞后。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,以往的运行办法需要运行人员到现场去操作每个电磁阀和水泵以及风机等来实现系统的运行,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制水生产的需要。第一,操作不方便、不灵活;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操作,既花费人力,又浪费时间。当前要提高经济效益,扩大市场需求,在市场经济大潮的激烈竞争和减员增效的经济运行体制下,这种生产方式已经不能适应新形势发展的要求。为了适应市场经济的不断变化和提高劳动生产率就需要加大科技投入,提高系统配置的科技含量,力争使整个系统的运行和管理系统化、科学化,操作要灵活、方便,运行要稳定,这是我们所要力争实现的目标。由于ＰＬＣ可编程控制器的ＣＰＵ性能强、可选范围广并具有通用的处理结构、梯形图逻辑编程、通用指令系统、高性能的通信网络,允许与其它装置相互连接,这大大增强了应用控制和数据交换能力。Ｉ／Ｏ模块多为槽式或机架安装,控制设备比较集中,便于运行人员操作和维护。自动控制系统的应用,大大减轻了操作人员的劳动强度,提高了生产效率和系统运行的安全性、稳定性,为企业创造了经济效益,提高了企业的竞争力,实现了科学化管理。
３控制软件的设计
⑴化学水处理控制程序包括双介质过滤器的投运和再生程序,活性碳过滤器的投运和再生程序,反渗透装置的启动和停止程序,一级混床的投运和再生程序,二级混床的投运和再生程序。
⑵各个床体的程序一般是独立运行的,单独运行时有自动和单步操作。自动运行时每一步都是按事先设定的步序时间和在线参数进行运行,单步运行时每一步的时间都由运行人员根据现场情况自己掌握,还可以根据现场情况跳过某些不需要的动作步序,因此操作方式要非常灵活。
⑶对于有些床体和其它设备需要同时运行时就需要进行对象选择,选好对象后再整组投运,在停床时也要选择