PLC在电厂化学水处理系统的应用

　　摘要：本文介绍化学水处理系统和PLC控制系统，并对西门子S7-400系列PLC控制系统在电厂化学水处理系统的应用进行了研究。

　　关键词：化学水处理系统,PLC控制系统,程序设计,STEP7,Profibus总线

　　前言

　　随着计算机网络和控制技术的发展，充分发挥现有装置的功能，实现资源共享，提高劳动生产率和企业安全管理水平。使用开放性、标准化的工业以太网功能将不同厂家的控制系统相互连接已经成为技术发展的必然所在，也是辅控网建设所依托的重要技术平台。控制方式也由原来的分散控制发展为集中控制。正是在这种发展的需求下,可编程控制器应运而生。由于可编程控制器(PLC)具有体积小、抗干扰能力强、组态灵活等优点,因而在电厂控制系统中得到非常广泛的应用。

　　1化学水处理系统工艺简介

　　电厂化学水处理的目的是预防电厂和其它装置的热力设备结垢、腐蚀和结盐。其处理的方法是利用离子交换器中离子交换树脂将水中溶盐的离子吸收。离子交换器包括阳离子交换器(又称阳床)、阴离子交换器(阴床)、混合离子交换器(混床)。离子交换器运行一段时间后交换树脂会失效，必须进行再生(还原)，阳床用盐酸作为再生剂，阴床用液碱(NaOH)作为再生剂，混床的再生则是酸碱同时注入。

　　本公司化学水处理系统由高效过滤器、阳床、阴床、混床及辅助设备组成。整个工艺系统分化学除盐系统和酸碱再生系统。其中化学水的处理分过滤、一级除盐和二级除盐3个阶段。其处理过程为：工业水进入生水罐，后经生水泵进入高效过滤器除去悬浮物等杂质，再经过阳床(阳离子交换器)通过等摩尔的置换反应除去Ca2+、Mg2+、N+等阳离子，后进入真空除气塔利用真空除气的原理即利用水在饱和状态下气体溶解度接近于零的特点，去除水中溶解的CO2和O2等气体，出来经中间泵进入阴床(阴离子交换器)除去Cl-、SO42-、HCO3-、HSiO3-等阴离子，得到一级除盐水，然后再通过混床(混合离子交换器)进行二级除盐，得到高品质的二级除盐水(此时化学水导电度一般小于0.2μs/cm)，二级除盐水进入除盐水箱，经除盐水泵送给电厂锅炉和其它装置。化学水处理系统工艺流程见图1。酸碱再生系统主要是完成离子交换器(阳床、阴床、混床)失效后再生(还原)的酸碱加注任务。

 

　　2 PLC控制系统构成

　　整套PLC控制系统由上位机和下位机组成。上位机与下位机通过专用网卡连接到Profibus总线网，Profibus总线为环形网，由光纤通过适配器相连，DELL Optiplex330、Siemens S7-400均是环形Profibus总线网上的节点。

　　上位机由4台DELL Optiplex330工作站组成，其操作系统为Windows 2000 Professional SP4，每台工作站通过CP5613卡连到Profibus总线网，工作站之间通过Hub构成以太网，目的是用于工程师站绘制监控图的分发。工作站上除了安装操作系统外，还要安装CP5613卡驱动程序、HMI组态软件WinCC、SIMATICManager(STEP7编程软件)以及license文件。

　　下位机由4组S7-400控制器构成，分别负责老厂、新厂、预处理和混床的控制，其CPU型号为414-2DP。每个控制器下挂多个ET-200M远程从站，ET-200M机架上配有S7-300系列I/O模块，I/O约2500点，其中模拟量约300点，开关量约2200点。S7-400控制器通过CP443-5卡连接到Profibus总线网，ET-200M(远程I/O模块)通过IM153卡与S7-400控制器连接并与其构成Profibus-DP网。PLC系统网络配置见图2，可以看出系统由3层网络构成，底层是S7-400控制器与ET-200M构成的Profibus-DP网，中间是连接上下位机的Profibus网，上层是上位机通过Hub连接的以太网。其中上位机中工程师站预留OPC Server接口，用于PLC系统数据上传至公司实时数据库系统或MES系统。

 

　　3硬件组态

　　硬件组态是指PLC系统硬件产品物理连接已完成，应用Simatic Manager进行系统网络配置。组态包括Profibus网的组态和Profibus-DP网的组态。

　　组态Profibus网：打开Simatic Manager，新建工程(project)，项目名称，右键点击项目名，选择插入新对象，选择Simatic 400 Station(该项目共用4个Simatic 400 Station，分别是老厂、新厂、预处理和混床)，然后对每一个站进行配置，选中Simatic 400后，双击窗口右侧Hardware，在新打开的Simatic 400组态窗口，点击右键插入对象，选择Simatic400 UR2机架，在弹出的空白UR2窗口，插入各种用于组态的硬件，硬件包括电源PS407(双电源冗余配置)、CPU控制器414-2DP、通信网卡CP443-5;PLC控制站配置完毕后，点击configurenetwork图标，进入Profibus网组态窗口，双击窗口右侧列表子网下的Profibus(或者点中后拖动到左侧窗口)，将Profibus总线加入到网络配置左侧窗口中，并通过点中拖动的方法将PLC控制站上的通信网卡CP443-5与Profibus总线相连，完成PLC控制站与Profibus总线网的连接工作;接下来为Profibus网添加上位机，同样的方法(双击或拖动)将Profibus网组态窗口右侧列表站(stations)下的PG/PC添加到左侧的配置窗口中，右击PG/PC选择AssignPG/PG，完成上位机与Profibus网的连接。Profibus-DP网的组态：进入Simatic400组态窗口(双击hardware)，右键点击UR2机架上的DP，选择添加主系统，Profibus-DPmaster总线出现在窗口中，点中窗口右侧Profibus-DP下ET200M下的IM153-1，拖动到Profibus-DPmaster总线上，实现ET200M与PLC控制器的连接，完成Profibus-DP网的组态。组态完毕，点击SAVEANDCOMPILE，进行下装。

　　4系统程序设计

　　4.1 STEP 7编程

　　STEP 7编程语言即程序块的实现方式有3种：语句表STL、梯形图LAD、功能块FBD。该控制系统主要应用梯形图和语句表进行编程，其中梯形图比较直观、便捷，在系统调试过程中能够快速地发现错误，掌握程序的执行情况。

　　该套系统STEP 7程序设计主要由OB组织块、FC功能块、FB功能块、DB数据块4种程序块组成。其中OB组织块负责整个程序流程的调控，相当于主程序;FC、FB均为功能块，根据程序进行逻辑控制，相当于子程序;DB块为数据块，进行数据的存储，是动态的数据存储库表。

　　以老厂控制器为例，OB组织块用到OB1、OB32、OB353个组织块。OB1主程序调用FC11(模拟量处理)、FC12(流量处理)、FC13(阀门处理)、FC15(通信处理)、FC21(阳床控制)、FC31(1#、2#酸计量箱液位控制)、FC32(在线仪表多流路切换控制)、FC22(阴床控制)、FC33(1#、2#碱计量箱液位控制)、FC23(混床控制)、FC40(泵的控制)等。

　　以混床再生为例介绍程序设计，其步序如下：

　　(1)反洗分层：打开反洗入口阀M1及反洗出口阀M2，反洗。

　　(2)静置1：反洗分层结束后，静置5min。

　　(3)阴树脂再生阳树脂再生(进酸碱)：打开进碱阀M6，排碱阀M7;启动混碱喷射器，进碱阀MJ2;打开进酸阀M8，打开混酸喷射器进酸水阀;将所需碱、酸全部加完;关闭进碱阀MJ2、进酸阀MS2。

　　(4)置换逆洗：关闭混碱、酸喷射器入口阀MJ2、MS2;关闭M8、M6、M7阀。

　　(5)静置排水2：将交换器空气阀M4、排水阀M5打开;排水至中排排水管高度;关闭排水阀M5。

　　(6)空气混合：打开反洗排水阀M2，再打开进气阀M10;对阴阳树脂进行进气混脂5～7min，达到混脂均匀;关闭进气阀M10、反洗排水阀M2。

　　(7)正洗:打开入口水阀M9，略开正洗排水阀M3;待空气阀M4见水后，再逐渐开大排水阀M3，进行综合正洗;关闭M3、M4、M9阀备用。

　　图3混床再生步序流程图

　　每个床都有自动、半自动、手动3种操作模式，自动和半自动再生步序可以通过梯形图实现，每个床的操作模式由操作员在WinCC组态的操作画面上进行选择。以进酸碱步序为例，如果选择自动控制，连到梯形图母线上的自动标识位“自动”置为1，即常开触点导通，如果此时再生标志为1、4号阀，5号阀处于关闭状态，进酸碱之前的静置1步序已执行完毕，该床操作员没有点击停止操作，且进酸碱的后续步序置换、静置2、空气混合、正洗标志位为0，那么执行进酸碱步序。

　　4.2 Win CC编程

　　Win CC编程主要完成：实时监视工艺流程;趋势画面及历史曲线;报警项目及打印;参数显示及参数设置;权限安全设置。

　　打开WinCC，首先制定程序中用到的变量，变量分内存变量和过程变量2种。内存变量是颜色和画面切换时用到的变量，它和下位机无关;过程变量是和下位机相关的变量。变量定义完后组态画面，点击图形编辑器，建立所需的画面。系统在WinCC上设置工况设定、再生操作、系统停运、报警等画面。

　　5 S7-400与 Win CC之间的通信配置实现

　　本系统Win CC需建立与4组S7-400之间的通信。打开上位机组态软件WinCC，新建单用户项目，在标签管理(TagManagement)中选择添加PLC驱动程序，选择支持S7协议的通信驱动程序Simatic S7 Protocol Suite。在变量管理器中选择Profibus项，选择New Driver Connection…输入连接名称Hun C(与混床CPU建立通信连接)，在Prop-erties选项，配置以下属性：Station Address——CP443-5中配置的地址;Segment-ID——网段ID号;Rack Number——CPU的机架号;SlotNumber——CPU的插槽号。参数输入完毕之后，确认。

　　右击Profibus，选择SystemParameter。选择Logical de-vice name:cp5613 Profibus在新建的连接中右击选择New Tag…建立变量。

　　重复上述过程分别建立与其它老厂CPU、新厂CPU、预处理CPU的通信连接。最后，在控制面板中选择Interface Parameter Assignment used为CP5613Profibus。并设定CP613Profibus地址。

　　6结语

　　该控制系统于2008年8月开始投运后，取代了以前完全人工操作的方式，实现了现场设备的远程自动操作与控制，大大地提高了生产效率。

　　参考文献

　　[1]邓广龙，朱明清，田民，等.基于WinCC的锅炉化学水处理系统[J].自动化技术与应用，2008.

　　[2]王书锋，王云，邹益仁.青岛发电厂化学补给水处理计算机监控系统[J].化工自动化及仪表，2001.

　　[3]李鸣.S7-300及工控组态软件WinCC的应用[J].软件技术，2006.

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