組態王在化學水處理控制系統中的典型應用

摘要 本文在介紹水處理工藝的基礎上，結合某廠實際設計了一套基于Kingview6.52和PLC的水處理SCADA 系統，使系統的運行和離子交換器的再生達到優化，性能滿足生產要求，出水水質穩定，降低了生產成本。

一、引言

近十年來，隨著科學技術，尤其是電子計算機技術的飛速發展，SCADA控制系統日漸成熟，并已在國內許多大中小型火電廠中得以廣泛應用。使其無論是硬件系統，軟件設計組態，還是在運行管理上都積累了很多成熟可信的經驗，這對保證電廠安全，可靠，經濟，文明運行起到十分重要的作用。電廠機、爐、電主控系統工控水平有了很大提高的同時，對各種輔助系統控制管理水平相應提高也提出新的要求。輔助控制系統是全廠熱工自動化的重要組成部分，依靠先進的計算機技術、網絡通訊技術合理有效地提高輔助系統的控制水平,是提高全廠綜合自動化水平、提高電廠運行經濟性、達到減人增效、增強電廠的市場競爭力的重要保證。

電廠化學水處理系統是為鍋爐供水的一個很重要的輔助系統，所制水質的好壞直接影響鍋爐的效率乃至壽命。由于水處理系統設備數量多、操作步驟多、工藝復雜，如果大量閥門的開關操作以及水質指標的監測均是靠人工就地完成，不僅增加了運行人員的勞動強度，還增加了誤操作的可能性。同時，各工藝段的時間由人為掌握，難以保證系統的安全性和制水的科學性，出水水質受人為因素干擾很大，運行狀態及水質都不能達到最優化。為保證水處理出水品質，減輕人員勞動強度，節約水和化學藥品等資源，提高運行管理水平，使那些頻繁而又有規律的操作由手工操作變為自動控制，更好地利用水處理設備，提高水處理系統的自動化程度，保證控制精度和制水質量，研制開發新型的監控系統很有必要。
本系統結合實際工程，設計了一套基于組態王監控軟件和PLC 的SCADA 補給水控制系統，配備了各種現場儀表，系統穩定可靠，自動化程度高，從而在技術上為出水水質提供保證，使系統的運行和離子交換器的再生實現了優化，性能滿足生產要求，出水水質穩定，降低了生產成本，為鍋爐正常運轉提供了有力的保障。

二、系統工藝過程及監控要求

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

圖1 系統工藝流程

本系統由兩套完全相同的制水設備，即1套中和池及1套酸堿再生系統組成，每套由1臺多介質機械過濾器、一級除鹽系統組成。每個單元的水處理過程皆由投運和再生兩過程組成。正常工藝流程為一單元供水（20t / h），另一單元備用，當供水單元水質或水總流量接近超指標時，啟動備用單元，備用單元啟動完備后，原投運單元停止，并自動轉入再生以便備用。這樣兩單元輪流投運、再生，以實現不間斷供水。

由于化學水處理工藝復雜、水質要求高，其運營的好壞直接關系到電廠的安全運行及可靠性，因此對自動化控制系統要求采用高可靠性能的控制系統，設計了組態王結合PLC的控制方式來實現對其工藝的控制功能。PLC通過現場檢測元件進行數據采集，由不同功能的模塊將數據按要求傳至CPU進行處理，進而完成模擬量的檢測與控制，實現開關量的按鈕、限位開關、電機啟動器、指示燈、報警器等的連接，并通過各自的通訊網絡在計算機上集中信息，統一處理后在操作員站上實現各種畫面顯示，故障 報警，報表打印，數據存儲及各種分析處理，實現化水系統的濾池、澄清池、加藥設備、過濾器、剛床、陰床、混床、水箱、泵、風機、酸堿儲存和計量設備的各項監控功能。

三、系統構成及方案設計

1、系統構成

本系統的配置為PLC 為執行級，工控機為管理級，數據采集由PLC 完成。系統結構框圖如圖2 所示。

圖2 系統結構圖

控制系統主要分為上位機監控管理系統和下位機水處理控制系統兩部分。根據工藝流程和監控要求，PLC 共需要144 點輸入，其中開關量128 點；模擬量16點；72 點開關量輸出，共216 點。作為控制主機的下位機采用了MODICON TSX Premium系列中型PLC，其中64點開關量輸入模塊2塊，16 點模擬量輸入模塊1塊，32點開關量輸出模塊3 塊，另加CPU 模塊1 塊，據此我們選用了8 槽無擴展式機架（帶電源）。該系列PLC 為模塊化結構，系統配置靈活，功能強大，便于擴充，完全滿足控制要求。

2、系統軟件設計

根據工藝流程，系統對設備的控制和操作分運行和再生兩大步。上位機利用組態王軟件編制相應的監控程序，實現對工藝流程圖及測量數據的顯示；上位機設置好過濾器、一級除鹽操作系統的控制界面，通過人機對話方式由人工選定其操作的方式即點操、步操、手動、自動同時工藝管理人員或操作人員可在上位機界面上設定每一步的工作時間、調節參數、給定值、閥門點動的開關界面，并將需控制的各項參數送入下位機的指定地址內。采用MODICON 公司提供的PL Pre V4.2 作為下位機編程軟件。下位機完成數據采集、狀態控制、數據計算、向上位機輸送數據及狀態信號，接受上位機來的相關地址內的數據，通過對應的控制模塊進行處理和輸出，控制閥門的開/ 關及泵和風機的啟/ 停。

PLC 軟件設計:程控系統的軟件設計采用梯形圖，并采取了模塊化的設計，把系統所需完成的功能分成若干模塊，分別進行設計，這樣做的優點是設計方便，便于程序修改，程序條理清楚，用戶容易掌握。

1> 運行和再生過程自動控制模塊

該模塊是程控系統梯形圖程序的主要部分，包括運行過程自動控制和再生過程自動控制。執行運行流程時，操作者只要按下“運行確認”鍵，系統便按照運行流程自動執行相應操作，直至按“結束”鍵結束該過程或經過系統檢測判斷交換器需要再生時為止。執行再生流程時，操作者需按下“再生確認”鍵，系統便按照再生流程自動執行相應操作，直至再生過程結束或按“結束”鍵結束該過程為止。該模塊的程序框圖如圖3、4、5 所示。

圖3 系統運行流程圖

圖4 過濾再生系統圖

圖5 離子交換器再生流程圖

2> 手動操作模塊

由于運行和再生自動控制模塊是自動執行的順序過程，它們在執行時需要一些必要的反饋信號，如閥門是否開（關）到位、電導率是否合格、時間是否到等，以此作為執行下一步操作的依據。有時因故障反饋信號不能正常發出，就需要手動操作，操作者按照運行或再生流程每執行一步發出一個指令。該模塊分為幾個相對獨立的部分。在設計手動操作模塊的程序時，為保證設備的安全，程序設置了必要的閉鎖條件。如某閥門正在執行打開命令時，即使操作者誤按下該閥門的關閉鍵，系統也不會發出關閉信號。

3> 模擬量處理模塊

當溫度、液位、電導率等信號進入系統以后，一方面系統把該信號與預置值進行比較，將結果作為自動執行模塊的依據，另一方面PLC 對該信號進行簡單處理，然后傳送給上位機進行顯示。

4> 與上位機的通信模塊

系統采用上、下位機結構。通過上下位機通信模塊，PLC 把現場數據送給上位機處理，并從上位機處接收命令和數據，啟動自動過程或直接控制現場設備。

5> 報警模塊

系統發出驅動某個閥門的命令后，如果該閥門經過相應時間的延時還未到達位置，將發出報警信號，提醒運行人員采取措施，排除故障。

上位機軟件設計：原水通過多介質過濾器進行預處理，然后通過陽床、陰床進行一級除鹽處理，凈化水質。所有這些操作都在上位機上進行。上位機選用工業級控制計算機（IPC），全金屬外殼，防磁，防震，抗干擾能力強，適合熱電廠的特殊環境使用。

1> 組態軟件介紹

該系統的上位機監控程序選用了組態王軟件進行開發，畫面為256 色，操作系統采用Windows 平臺，根據工藝流程設計系統監控畫面，并實現系統中工控機和PLC 之間的數據通信，對采集的數據進行處理，具有數據存儲、查詢、生成趨勢曲線，報警提示、存儲、查詢以及報表的生成和輸出等功能。

2> 監控畫面組態

對于一個工業過程監控系統來說，設計一套形象、直觀、生動、簡捷的畫面是重要的。在軟件的開發過程中，人機界面的友好性顯得至關重要，因為它直接和操作人員交流信息。良好的人機界面不僅要直觀、生動，而且還要能準確地實時再現被控對象的真實狀態，如閥門的開關、泵的啟停等。根據現場運行的實際情況，在訪問期間并考慮到操作的方便性和高效性，該系統利用組態王軟件強大的繪圖功能設計了主畫面和6 個子畫面。每個畫面都可以通過鼠標或鍵盤相互切換。所有的被控對象都設置了動態屬性，如閥門開關狀態的變化就會引起其顏色的變化。

3> 控制方式

根據水處理系統中各設備運行有很強的時序性這一特點，PLC 又設置了點操、步操及自動等3 種操作方式。點操是通過計算機用鼠標對單個的可控設備（閥門、泵及風機等）執行遠方開/ 關控制；步操是指成組操作，即根據系統運行的時序相關性成組地操作某一步序所涉及的所有相關設備；自動方式則指某一個系統從啟動、運行、失效到再生后重新投運的整個過程自動運行及在線監視。而所有的控制均可以組態系統中進行方便的設置，工作人員只需要用鼠標對控制方式進行設定，便可以將命令發給PLC執行相應的控制程序，同時對于點操和步操，每個控制設備均設計有單獨控制窗口，設置確認項，保證了系統的安全操作。

四、系統主要功能介紹

上位機監控系統根據系統工藝設計模擬畫面，并根據PLC所采集的各種數據進行顯示、報警、打印以及發送各種命令。上位機具有以下主要功能：

1、畫面監控功能：顯示工藝系統的模擬流程畫面，畫面上有相應參數的實時數據及設備的運行狀態(全開或運行時為紅色，全關或停止時為綠色，故障時為黃色)。畫面動點的更新速率為1s。在流程畫面上，可通過屏幕彈出窗口，手動控制畫面上的被控設備。

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

3、系統報警功能：任一參數報警時，畫面的報警指示燈亮，同時在報警畫面上自動顯示相應報警信息，顯示內容包括報警發生的時間、名稱、當前值、報警屬性、報警屬性對應的限值及單位。報警出現時報警條閃爍，確認后停止閃爍。報警按優先級順序顯示報警信息，同一優先級內，以時間順序顯示報警信息。另外配有報警一覽畫面，可以看到全部報警信息及對歷史報警進行自定義查詢。

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

5、報表生成與輸出：報表具有定時制表、隨機自動打印及請求打印報表三種方式。滿足工作人員對多種數據報表形式的需求，并且監控畫面、歷史趨勢、報表均可以通過運行人員自定義操作進行打印輸出。

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

五、結束語

該電廠化學水處理系統正式投入運行后，使該廠水處理系統自動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電機組的用水需要。由于控制水平的提高，制水過程中產生的廢水量明顯減少，起到了一定環保節能效果。系統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。