PLC控制在電廠化學水處理系統中的應用
摘要：本文介紹了電廠化學水處理系統自動化控制的實現。結合現場總線技術和工業以太網技術，信息層使用工業以太網，控制層使用MODBUS現場總線，完成了基于現場總線和工業以太網的自動化監控和管理功能。
關鍵詞：PLC 現場總線 以太網 冗余
Abstract: The realization of automation system in chemical water treatment in power plant is introduced in this thesis. With Modbus at information level and industrial Ethernet at control level, the automation monitoring, control and management function is fulfilled. Keywords: PLC, field bus, Ethernet, redundancy.
1 引言
近幾年隨著我國經濟建設的快速發展，在能源供應上很多地區都出現電力資源緊缺的狀況，因此許多電廠紛紛進行新建或擴建改造。深圳西部電廠原有4臺（#1—#4）300MW 機組，為提高發電能力又續建#5、#6機組（2×300MW）。西部電廠原有兩列化學水處理系統，續建工程的化學水處理系統擴建一列100~140m3/h化學除鹽系統，其余設備與已有化學水處理系統共用。原有化學水處理系統使用傳統的模擬屏方式進行監控，自動化水平不高并且效率很低。續建2臺機組后，廢除原有化學水處理系統的控制系統，將原有化學水處理系統和擴建的一列化學水處理系統統一采用一套冗余PLC控制系統進行集中控制。
2 化學水處理系統工藝流程
2.1.化學水處理系統流程
原有化學水處理系統流程為：自來水→蓄水池→升壓泵→活性炭過濾器→陽離子交換器→除二氧化碳器→中間水箱→中間水泵→陰離子交換器→混合離子交換器→除鹽水箱→除鹽水泵。通過對現有系統運行狀況的現場調查和對水質分析報告分析，自來水中的懸浮物含量較高，嚴重地污染了活性炭和離子交換樹脂。因此，續建工程增加3臺高效纖維過濾器對自來水進行深度過濾處理。
續建化學水處理系統流程為：自來水→蓄水池→升壓泵→高效纖維過濾器→活性炭過濾器→陽離子交換器→除二氧化碳器→中間水箱→中間水泵→陰離子交換器→混合離子交換器→除鹽水箱→除鹽水泵。
2.2. 續建工程與原有系統的連接及運行方式
原有120t/h出力的一級除鹽+混床設備2列，續建工程僅再擴建1列出力為120t/h的同樣設備。除鹽水泵、再生水泵、壓縮空氣系統、酸堿再生系統和廢液處理系統與原有系統共用。
3臺高效過濾器采用并聯運行方式，正常工況2臺運行，1臺備用。高效過濾器不僅對續建工程所需的自來水進行預處理，而且對原有系統的自來水也進行預處理。
2臺活性炭過濾器和一級除鹽設備構成一個系列，采用串聯運行方式，正常工況2列運行，一列備用。其中每系列的2臺活性炭過濾器，當水質好時1臺運行（去除游離余氯），1臺備用；當進水水質惡化時2臺同時運行（去除有機物）。
混床采用并聯，正常工況2臺運行，1臺備用。
3套一級除鹽單元與3臺混床之間設有切換閥門，受已有系統的限制，僅#1一級除鹽設備和#1混床與#2一級除鹽設備和#2混床可以同時交叉運行，#1一級除鹽設備和#1混床與#3一級除鹽設備和#3混床可以同時交叉運行。機組啟動時，上述3列設備同時投入運行，滿足最大的補給水量。
3 系統配置
系統由兩臺上位計算機和一套冗余PLC系統構成。上位計算機系統采用工業級計算機構成功能強大的監測與控制系統，計算機上安裝Intellutiong公司的FIX7.0工業監測與控制系統軟件，通過合理的系統設計和系統組態，實現對整個化學水處理工藝流程的動態監視和控制。通過上位計算機系統和強大的工業控制傳輸網絡，實現對整個生產工藝工程的自動化管理和控制。
PLC選用德維森公司PPC11冗余控制器，控制系統采用雙機熱備冗余方式，通過遠程I/O的方式連接現場需要監測與控制的點，遠程I/O由通訊處理器和PPC11系列I/O模塊組成。冗余的主控制站可以保證系統的停機維護時間為零，最大限度的減少人對系統的干預。主控制系統熱備系統和遠程I/O控制站之間采用高性能的工業以太網總線傳輸網絡，實現信息的可靠、安全、穩定的傳輸。
系統網絡結構圖
上位計算機系統安裝與PLC控制單元之間采用工業以太網傳輸網絡。以太網屬國際標準，工業以太網已達到高傳輸安全性和可靠性要求，現已廣泛用于程序維護、向MIS和MES系統傳遞工廠數據、監控、連接人機界面、記錄事件和告警。工業以太網具有高傳輸速率（目前達到100M）、集線器技術的確定性、不需考慮網絡的拓撲結構、傳輸物理介質多樣（雙絞線、光纖、同軸電纜）、集線器的應用可不考慮網絡的擴展等優點。
通過以太網絡將上位計算機系統和現場監測與控制點緊密的結合為一個整體，構成一個完整的系統。在這樣高速傳輸網絡上，可以很方便的利用PLC系統所特有的功能，實現對整個控制系統的計算機在線遠程診斷功能。
4 控制功能
水處理系統所有控制閥采用就地和遠程控制方式，即使在程控系統完全故障的情況下還可以通過就地控制實現手動制水，保證機組鍋爐的可靠用水。控制箱上選用3位選擇開關，分別為就地開、就地關、遠程控制。選擇遠程控制時，控制閥由操作員在操作站上控制。操作員可以在操作站對控制閥進行狀態監視和動作控制，對控制閥的控制可分選擇自動和手動方式。在自動方式時控制閥受PLC邏輯程序控制，在手動方式時控制閥由操作員直接在操作界面上點擊控制。
一級除鹽設備的投運和再生由PLC實現自動控制，也可通過鍵盤和鼠標在控制室內的操作站上進行遠方操作。一級除鹽設備的出水導電率超過規定值或周期制水量達規定值時，自動解列并報警，然后自動投入再生程序。混合離子交換器的投運和再生由PLC實現自動控制，或者通過鍵盤和鼠標進行遠方操作。當混合離子交換器出水導
電率和二氧化硅超過規定值，或周期制水量達規定值時，自動解列并報警，然后自動投入再生程序。高效過濾器和活性碳過濾器由PLC實現自動控制，也可采用鍵盤和鼠標在控制室內的操作站上進行遠方操作。當其進出口壓差超過規定值，或周期制水量達規定值時，自動解列并報警，然后自動投入反洗程序。以上操作以前都由操作人員執行，執行新系統后上述操作都可以不需要操作人員干預。
操作界面圖例
中間水箱水位由PLC實現自動控制（通過調節陽床入口調節閥），使一級除鹽系統投運時中間水箱水位穩定在正常位置。中間水泵啟停與中間水位聯鎖，低液位啟泵、高液位停泵，保證中間水泵的安全使用。
閥門、泵等的控制狀態顯示，自動／手動／就地操作和選擇聯鎖。系統所有流量、壓力可在操作界面上實時監視，原水流量、陰床出口流量、混床出口流量顯示積算并作歷史紀錄，可分別查看一級除鹽、混床再生制水量。
系統控制每列除鹽裝置的投運、停止和再生程序、自動加酸加堿程序、自動/半自動啟動另一列除鹽裝置程序等。對于順控設置必要的分步操作、成組操作或單獨操作等，并有跳步、中斷或旁路等操作功能。系統投運以及活性炭清洗、一級除鹽再生和混床再生可由系統自動完成或操作員步延、步進手動干預，在操作站界面上顯示各步驟設定時間和剩余時間以及步進、步延指示等。
5 結束語
深圳西部電廠化學水處理系統全部改造完成后于2003年7月正式投運，經過改造后自動化控制水平明顯提高，制水量由原先的平均每小時120m3提升到平均每小時140—160m3，完全保證了6臺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室由原來的2人值班該為1人值班，大大節約了人力成本。該系統建成后運行可靠，生產效率明顯提高，因此受到用戶的好評，并經常成為其它電廠同行參觀效仿的對象。
參考文獻：陽憲惠《現場總線技術及應用》，清華大學出版社；
鄔寬明《現場總線技術應用選編》，北京航空航天大學出版社；
媽灣發電總廠《化學補給水系統運行規程》。
羅志云 史珺 德維森科技（深圳）有限公司
關鍵詞：PLC 現場總線 以太網 冗余
Abstract: The realization of automation system in chemical water treatment in power plant is introduced in this thesis. With Modbus at information level and industrial Ethernet at control level, the automation monitoring, control and management function is fulfilled. Keywords: PLC, field bus, Ethernet, redundancy.
1 引言
近幾年隨著我國經濟建設的快速發展，在能源供應上很多地區都出現電力資源緊缺的狀況，因此許多電廠紛紛進行新建或擴建改造。深圳西部電廠原有4臺（#1—#4）300MW 機組，為提高發電能力又續建#5、#6機組（2×300MW）。西部電廠原有兩列化學水處理系統，續建工程的化學水處理系統擴建一列100~140m3/h化學除鹽系統，其余設備與已有化學水處理系統共用。原有化學水處理系統使用傳統的模擬屏方式進行監控，自動化水平不高并且效率很低。續建2臺機組后，廢除原有化學水處理系統的控制系統，將原有化學水處理系統和擴建的一列化學水處理系統統一采用一套冗余PLC控制系統進行集中控制。
2 化學水處理系統工藝流程
2.1.化學水處理系統流程
原有化學水處理系統流程為：自來水→蓄水池→升壓泵→活性炭過濾器→陽離子交換器→除二氧化碳器→中間水箱→中間水泵→陰離子交換器→混合離子交換器→除鹽水箱→除鹽水泵。通過對現有系統運行狀況的現場調查和對水質分析報告分析，自來水中的懸浮物含量較高，嚴重地污染了活性炭和離子交換樹脂。因此，續建工程增加3臺高效纖維過濾器對自來水進行深度過濾處理。
續建化學水處理系統流程為：自來水→蓄水池→升壓泵→高效纖維過濾器→活性炭過濾器→陽離子交換器→除二氧化碳器→中間水箱→中間水泵→陰離子交換器→混合離子交換器→除鹽水箱→除鹽水泵。
2.2. 續建工程與原有系統的連接及運行方式
原有120t/h出力的一級除鹽+混床設備2列，續建工程僅再擴建1列出力為120t/h的同樣設備。除鹽水泵、再生水泵、壓縮空氣系統、酸堿再生系統和廢液處理系統與原有系統共用。
3臺高效過濾器采用并聯運行方式，正常工況2臺運行，1臺備用。高效過濾器不僅對續建工程所需的自來水進行預處理，而且對原有系統的自來水也進行預處理。
2臺活性炭過濾器和一級除鹽設備構成一個系列，采用串聯運行方式，正常工況2列運行，一列備用。其中每系列的2臺活性炭過濾器，當水質好時1臺運行（去除游離余氯），1臺備用；當進水水質惡化時2臺同時運行（去除有機物）。
混床采用并聯，正常工況2臺運行，1臺備用。
3套一級除鹽單元與3臺混床之間設有切換閥門，受已有系統的限制，僅#1一級除鹽設備和#1混床與#2一級除鹽設備和#2混床可以同時交叉運行，#1一級除鹽設備和#1混床與#3一級除鹽設備和#3混床可以同時交叉運行。機組啟動時，上述3列設備同時投入運行，滿足最大的補給水量。
3 系統配置
系統由兩臺上位計算機和一套冗余PLC系統構成。上位計算機系統采用工業級計算機構成功能強大的監測與控制系統，計算機上安裝Intellutiong公司的FIX7.0工業監測與控制系統軟件，通過合理的系統設計和系統組態，實現對整個化學水處理工藝流程的動態監視和控制。通過上位計算機系統和強大的工業控制傳輸網絡，實現對整個生產工藝工程的自動化管理和控制。
PLC選用德維森公司PPC11冗余控制器，控制系統采用雙機熱備冗余方式，通過遠程I/O的方式連接現場需要監測與控制的點，遠程I/O由通訊處理器和PPC11系列I/O模塊組成。冗余的主控制站可以保證系統的停機維護時間為零，最大限度的減少人對系統的干預。主控制系統熱備系統和遠程I/O控制站之間采用高性能的工業以太網總線傳輸網絡，實現信息的可靠、安全、穩定的傳輸。
系統網絡結構圖
上位計算機系統安裝與PLC控制單元之間采用工業以太網傳輸網絡。以太網屬國際標準，工業以太網已達到高傳輸安全性和可靠性要求，現已廣泛用于程序維護、向MIS和MES系統傳遞工廠數據、監控、連接人機界面、記錄事件和告警。工業以太網具有高傳輸速率（目前達到100M）、集線器技術的確定性、不需考慮網絡的拓撲結構、傳輸物理介質多樣（雙絞線、光纖、同軸電纜）、集線器的應用可不考慮網絡的擴展等優點。
通過以太網絡將上位計算機系統和現場監測與控制點緊密的結合為一個整體，構成一個完整的系統。在這樣高速傳輸網絡上，可以很方便的利用PLC系統所特有的功能，實現對整個控制系統的計算機在線遠程診斷功能。
4 控制功能
水處理系統所有控制閥采用就地和遠程控制方式，即使在程控系統完全故障的情況下還可以通過就地控制實現手動制水，保證機組鍋爐的可靠用水。控制箱上選用3位選擇開關，分別為就地開、就地關、遠程控制。選擇遠程控制時，控制閥由操作員在操作站上控制。操作員可以在操作站對控制閥進行狀態監視和動作控制，對控制閥的控制可分選擇自動和手動方式。在自動方式時控制閥受PLC邏輯程序控制，在手動方式時控制閥由操作員直接在操作界面上點擊控制。
一級除鹽設備的投運和再生由PLC實現自動控制，也可通過鍵盤和鼠標在控制室內的操作站上進行遠方操作。一級除鹽設備的出水導電率超過規定值或周期制水量達規定值時，自動解列并報警，然后自動投入再生程序。混合離子交換器的投運和再生由PLC實現自動控制，或者通過鍵盤和鼠標進行遠方操作。當混合離子交換器出水導
電率和二氧化硅超過規定值，或周期制水量達規定值時，自動解列并報警，然后自動投入再生程序。高效過濾器和活性碳過濾器由PLC實現自動控制，也可采用鍵盤和鼠標在控制室內的操作站上進行遠方操作。當其進出口壓差超過規定值，或周期制水量達規定值時，自動解列并報警，然后自動投入反洗程序。以上操作以前都由操作人員執行，執行新系統后上述操作都可以不需要操作人員干預。
操作界面圖例
中間水箱水位由PLC實現自動控制（通過調節陽床入口調節閥），使一級除鹽系統投運時中間水箱水位穩定在正常位置。中間水泵啟停與中間水位聯鎖，低液位啟泵、高液位停泵，保證中間水泵的安全使用。
閥門、泵等的控制狀態顯示，自動／手動／就地操作和選擇聯鎖。系統所有流量、壓力可在操作界面上實時監視，原水流量、陰床出口流量、混床出口流量顯示積算并作歷史紀錄，可分別查看一級除鹽、混床再生制水量。
系統控制每列除鹽裝置的投運、停止和再生程序、自動加酸加堿程序、自動/半自動啟動另一列除鹽裝置程序等。對于順控設置必要的分步操作、成組操作或單獨操作等，并有跳步、中斷或旁路等操作功能。系統投運以及活性炭清洗、一級除鹽再生和混床再生可由系統自動完成或操作員步延、步進手動干預，在操作站界面上顯示各步驟設定時間和剩余時間以及步進、步延指示等。
5 結束語
深圳西部電廠化學水處理系統全部改造完成后于2003年7月正式投運，經過改造后自動化控制水平明顯提高，制水量由原先的平均每小時120m3提升到平均每小時140—160m3，完全保證了6臺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室由原來的2人值班該為1人值班，大大節約了人力成本。該系統建成后運行可靠，生產效率明顯提高，因此受到用戶的好評，并經常成為其它電廠同行參觀效仿的對象。
參考文獻：陽憲惠《現場總線技術及應用》，清華大學出版社；
鄔寬明《現場總線技術應用選編》，北京航空航天大學出版社；
媽灣發電總廠《化學補給水系統運行規程》。
羅志云 史珺 德維森科技（深圳）有限公司
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