6ES7321-1BH02-0AA0支持验货

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1 电厂化学水处理系统作为电厂重要的辅助车间和辅助系统，特别是大型火电厂利和供热电厂的化水处理车间处理量大，工艺复杂，水质要求高，其运营的好坏直接关系到电厂的运行及性。本文以笔者负责完成的通辽盛发热电厂化学水处理程控系统项目，分析化学水处理程控系统的自动控制。

2 化学水处理系统工艺流程

通辽盛发热电厂作为新建热电厂新建4台机组（4×135MW，分两期完成），化学水处理系统由三部分组成:软化水处理系统、反渗透系统和除盐水系统,系统工艺流程。

系统主工艺流程为：工业水→曝气塔→曝气水箱→升压水泵→叠加式过滤器→阳离子交换器→除二氧化碳器→软化水箱→碱计量泵加碱→软化水泵升压（软化水，可作为厂内生活用水）→加热器→反渗透装置→反渗透水箱→反渗透水泵升压→一级混合离子交换器→二级混合离子交换器→除盐水箱→除盐水泵升压→主厂房。

3 控制系统硬件组成

3．1 PLC控制系统

根据装置工作要求，选用性的AB公司的Controllogix系列可编程控制器构建冗余的控制系统。PLC中CPU采用两套1756－L55 ControlLogix5555 Controller，设置1个主站（CPU模件），5个分站(IO模件)，主站CPU与分站I/O通过ControlNet网络通讯, 开关量输入、输出模件选用32点，模拟量输入模件选用16点，模拟量输出选用8点。PLC系统网络结构图如图2所示。

3．2 监控站

监控站选用两台研华工业控制计算机和工业软件RSView32（视窗控制），与PLC控制单元之间采用工业以太网进行通讯。完成整个系统的工艺流程、设备运行状态的显示和监控、实现曲线的显示、历史数据的保存、权限管理、操作查询、报警、打印等功能。

3．3 仪表系统

仪表系统由压力及温度变送器、流量计、液位计、PH值表、酸度计、碱度计、硅酸根检测仪、导电度检测仪、压力及压差开关等构成，主要完成水箱液位、管道压力、进出水流量、水温度、水质检测，并通过检测值，进行工艺自动控制与调节。

3．4 现场控制设备

现场控制设备由水泵、风机、气动阀门、电动门、调节阀等构成，其中水泵、风机由电机控制，气动门由电磁阀控制。

4自动化软件设计

化学水处理自动化控制系统的软件包括上位机、下位机两部分。

4．1 上位机软件设计

上位机软件采用bbbbbbs2000操作系统，组态平台为RSView32。上位机实现的功能为：数字显示化学水处理系统中的水箱液位、管道压力、进出水流量实时值与累积值、水温度、水质检测，记录这些参数的历史变化，在设定的上限与下限值发出语音报警、记录到报警历史以便查询。各设备的运行、故障等状态显示，各设备的启动、停止操作，并进行操作，以便查询；出现每个设备故障时发出声音报警并记录故障情况（故障时刻、故障类型等），方便进行事故分析。重要参数、报警、故障都可以报表打印。

化学水程控系统上位机监视画面由参数画面、弱酸阳离子交换主画面、曝气水箱系统画面、过滤器A和B画面、弱酸离子交换画面、软化水系统画面、反渗透主画面、反渗透装置画面、反渗透水箱画面、反渗透辅助系统画面、除盐水主画面、一级混床系统画面、二级混床系统画面、酸系统画面、碱系统画面、中和池系统画面、树脂存贮画面、除盐水箱画面、手操器画面、启动方式画面、检修设置画面、历史趋势画面、报警汇总画面、数据汇总画面、记录画面、登录画面和管理员画面组成。

4．2 下位机软件设计

下位机采用AB公司开发的RSLogix 5000软件对PLC进行编程和对PLC配置进行维护。编制的软件主要包括信号处理、流量的累积、运行时间的累积，传到上位机显示，接受上位机的操作、判断自动控制条件对水泵风机、气动阀门进行逻辑控制，完成化学水处理过程。

5系统实现功能

水处理程控系统具有：运行方式选择；设备故障自动报警；实现了现场信息、处理、操作显示等完善的功能。并且保留了就地控制功能。在控制室，运行人员通过控制系统能对整个工艺系统进行集中监视、管理和顺序控制，并可实现远方手操。提供就地手操、远方手动操作、自动顺序控制三种控制方式，工艺系统中被控对象的状态在CRT上显示。

5．1 就地手操控制

所有气动阀、电动门、水泵和风机都保留就地控制方式，即使在程控系统故障的情况下还可以通过就地控制实现手动水处理，保证机组锅炉的用水。

5．2 远方手操控制

在选择远控方式时，操作人员可以在操作员站远程一对一操作气动阀、电动门、水泵和风机。

5．3 水处理过程自动控制

警、阀门位置信号故障报警、水泵/风机启动/停止时故障报警、水泵/风机控保装置事故跳闸/失电报警等。

化学水处理系统中的工艺参数和的累积参数都归档，可以通过历史趋势画面对所有运行参数查看、打印，并按照电厂要求打印成报表。

系统还通过交换机与全厂的辅助控制网络系统相联，实现了远程运行参数监视与管理。

   目前，中国PLC市场的95％以上被国外产品。国内曾有研究单位开发PLC产品，后因种种原因没有发展起来。值得欣慰的是，国内已有具有较强实力的公司开始拓展PLC业务，并在中国PLC市场有了一定声音，如和利时公司、德维森公司、安控公司。

    我国工业企业的自动化程度普遍较低，PLC产品有很大的应用空间，如机械行业80%以上的设备仍采用传统的继电器和接触器进行控制。因此，PLC在我国的应用潜力远没有得到充分发挥。

我国大中型企业普遍采用了的自动化系统对生产过程进行控制，但绝大部分小型企业尚未应用自动化系统和产品对生产过程进行控制。随着竞争的日益加剧，越来越多的小型企业将采用经济、实用的自动化产品对生产过程进行控制，以提高企业的经济效益和竞争实力。

自2001年以来，作为基础工业之一的机械工业成为我国工业发展新的增长点，年均增长率过20%。与流程工业对模拟量的反馈调节不同，机械工业需对开关量进行连锁及顺序控制，因此PLC成为其控制产品的。机械的高速增长和自动化现状为PLC应用提供了的市场空间。

我国在“十五”规划中已明确提出了“用信息化带动工业化”的发展计划，大量传统产业的自动化改造将为PLC的应用提供的发展空间。

我国的工业发展及自动化应用水平与工业发达国家相比有几十年的滞后，按目前的经济形势分析，我国将迎来一个PLC市场高速增长的时期。

中国加入WTO后越来越多的公司把其制造基地转移到中国。同时，中国的国有企业和民营企业也在利用难得的历史机遇大力发展制造业。中国正在努力成为世界新的制造业基地。制造业的控制主要以离散控制为主，PLC是该领域控制系统的。制造企业为提高劳动生产率和产品质量，必然会大量采用PLC，从而为PLC的应用提供广阔的应用前景。

基于上述原因和高速增长的现状，今后若干年内中国PLC市场将保持持续高速增长。综合相关资料提供的数据，并分析目前中国PLC市场主要厂商的经营数据，初步估计目前在我国本土销售的PLC总量为30~40亿元人民币（不含随进口主设备配套的PLC），年增长率为15~20%。

的市场需求为发展PLC业务提供了难得的历史机遇，国内有实力的自动化公司应充分利用在市场、技术、行业影响和等方面的积累，大力拓展PLC业务，使国产PLC早日成为中国PLC市场的主要参与者之一。

目前中国PLC市场主要厂商为Siemens、Mitsubishi、Omron、Rockwell、Schneider、GE-Fanuc等大公司，欧美公司在大、中型PLC领域占有优势，日本公司在小型PLC领域占据十分重要的位置，韩国和中国的公司在小型PLC领域也有一定市场份额，PLC厂商的市场份额几乎可以忽略。

大型PLC的目标用户在选用PLC时一般不会把价格作为要考虑因素，而是关注产品性能、质量和，对价格不是十分敏感，故日本产品很难进入该领域。韩国和中国的产品从一开始就是模日本产品，基本沿袭日本产品的技术路线，其在中国的市场策略、行业影响基本是步日本厂商的后尘，只不过比日本产品滞后一段时间。

对中、小型PLC的目标用户而言，市场上主要厂商的PLC产品均能满足其要求，所以在产品选型时价格是十分重要的因素。因此，日本产品在该领域占有优势。Siemens在推出新一代小型PLC产品S7200后其价格与日本产品相差不大，近几年其小型PLC的市场增长，已经与日本主要产品（Mitsubishi和Omron）在小型PLC领域了类似的市场地位。近年来，由于具有明显的价格优势，中国的部分PLC厂商在小型PLC领域发展势头十分强劲，抢占了原来日本产品的一部分低端市场。

随着电力电子技术以及工业自动控制技术的发展，使得交流变频调速系统在工业电机拖动领域得到了广泛应用。另外，由于PLC的功能强大、容易使用、高性，常常被用来作为现场数据的采集和设备的控制。本设计就是利用变频器和PLC实现水池水位的控制。 变频器技术是一门综合性的技术，它建立在控制技术、电子电力技术、微电子技术和计算机技术的基础上。它与传统的交流拖动系统相比，利用变频器对交流电动机进行调速控制，有许多优点，如节电、容易实现对现有电动机的调速控制、可以实现大范围内的连续调速控制、实现速度的控制。容易实现电动机的正反转切换，可以进行高额度的起停运转，可以进行电气制动，可以对电动机进行高速驱动。完善的保护功能:变频器保护功能很强，在运行过程中能随时检测到各种故障，并显示故障类别(如电网瞬时电压降低，电网缺相，直流过电压，功率模块过热，电机短路等)，并立即封锁输出电压。这种“自我保护”的功能，不仅保护了变频器，还保护了电机不易损坏。

PLC特点：，性高、抗干扰能力强，平均故障时间为几十万小时。而且PLC采用了许多硬件和软件抗干扰措施。二，编程简单、使用方便目前大多数PLC采用继电器控制形式的梯形图编程方式，很容易被操作人员接受。一些PLC还根据具体问题设计了如步进梯形指令等，进一步简化了编程。三，设计安装容易，维护工作量少。四，适用于恶劣的工业环境，采用封装的方式，适合于各种震动、腐蚀、有毒气体等的应用场合。五，与外部设备连接方便，采用统一接线方式的可拆装的活动端子排，提供不同的端子功能适合于多种电气规格。六，功能完善、通用性强、体积小、能耗低、性能价格比高。

在应用PLC系统设计时，应遵循以下的基本原则，才能保证系统工作的稳定。

（1）大限度地满足被控对象的控制要求；

（2）系统结构力求简单；

（3）系统工作要稳定、；

（4）控制系统能方便的进行功能扩展、升级；

（5）人机界面友好。

本系统中，为了实现能源的充分利用和生产的需要，需要对电机进行转速调节，考虑到电机的启动、运行、调速和制动的特性，采用ABB公司的ABB ACS800变频器，系统中由S7-200系列PLC完成数据的采集和对变频器、电机等设备的控制任务。基于S7-200 PLC的编程软件,采用模块化的程序设计方法，大量采用代码重用，减少软件的开发和维护。系统利用对PLC软件的设计,实现变频器的参数设置、故障诊断和电机的启动和停止。

1 本设计的控制要求：

1)系统要求用户能够的直观了解现场设备的工作状态及水位的变化；

2)要求用户能够远程控制变频器的启动和停止；

3)用户可自行设置水位的高低，以控制变频器的起停；

4)变频器及其他设备的故障信息能够及时反映在远程PLC上；

5)具有水位过高、过低报警和提示用户功能；

2 本设计控制结构:

由于现场有一台电机作为被控对象，可以使用单台PLC进行单个对象的控制，只要适当的选用的PLC,能够胜任此功能。系统控制结构如图1所示。

PLC采集传感器、监控电机及变频器等有关的各类对象的信息。本系统中，对电机采用一台变频器来进行频率的调节控制。采用PLC输出的模拟量信号作为变频器的控制端输入信号，从而控制电机转速大小，并且向PLC反馈自身的工作状态信号，当发生故障时，能够向PLC发出报警信号。由于变频调速是通过改变电动机定子供电频率以改变同步转速来实现的，故在调程中从高速到低速都可以保持有限的转差功率，因此具有率、宽范围、的调速性能。

3 设备的选型

（1）PLC及其扩展模块的选型：

目前，存在着种类繁多的大、中、小型PLC，小到作为少量的继电器装置的替代品，大到作为分布式系统中的上位机，几乎可以满足各种工业控制的需要。另外，新的PLC产品还在不断的涌现，那么，如何选择一个合适PLC？

本系统有一台电机、一个液位传感器、一个变频器、五个继电器，共有十八个I/O点，它们构成被控对象。综合分析各类PLC的特点，终选西门子公司的S7系列PLC。 由于CPU226集成24输入/16输出共40个数字量I/O 点，能满足控制要求。此PLC可连接7个扩展模块，大扩展至248路数字量I/O 点或35路模拟量I/O 点。26K字节程序和数据存储空间。6个立的30kHz高速计数器，2路立的20kHz高速脉冲输出，具有PID控制器。2个RS485通讯/编程口，具有PPI通讯协议、MPI通讯协议和自由方式通讯能力。I/O端子排可很容易地整体拆卸。用于较高要求的控制系统，具有多的输入/输出点，强的模块扩展能力，快的运行速度和功能强的内部集成特殊功能。

根据上述分析，参照西门子S7-200产品目录，选用主机为CPU226 PLC一台、另加上一台模拟量扩展模块EM235。

（2）变频器模块的选型：

目前，市场上存在各种各样的变频器，本设计采用ABB公司的ABB ACS800变频器。ACS800系列传动产品大的优点就是在全功率范围内统一使用了相同的控制技术，例如启动向导，自定义编程，DTC控制，通用备件，通用的接口技术，以及用于选型、调试和维护的通用软件工具。内含启动引导程序，令您调试易如反掌；自定义编程：内置可编程模块，犹如PLC令您发挥自如；体积小巧：内置滤波器，斩波器及电抗器、性能。

4 系统的控制流程：

（1）程序设计前准备工作：了解系统概况，形成整体概念，熟悉被控对象、编制出高质量的程序，充分利用手头的硬件和软件工具。

（2）程序框图设计：这步的主要工作是根据软件设计规格书的总体要求和控制系统具体要求，确定应用程序的基本结构、按程序设计标准绘制出程序结构框图，然后在根据工艺要求，绘制出各功能单元的详细功能框图。

（3）编写程序：编写程序就是根据设计出的框图逐条地编写控制程序，这是整个程序设计工作的部分。

（4）程序测试和调试：程序测试和调试不同，软件测试的目的是尽可能多地发现软件中的错误，软件调试的是进一步诊断和正软件中的错误。

（5）编写程序说明书：程序说明书是对程序的综合说明，是整个程序设计工作的总结。

下面是系统设计流程图：

图2 PLC水位控制流程图

5 程序结构：

本程序分为三部分：主程序、各个子程序、和中断程序（见四章）。逻辑运算及报警处理等放在主程序中。系统初始化的一些工作及液位显示放在子程序中完成，用以节省时间。利用定时中断功能实现PID控制的定时采样及输出控制。在本系统中，只用比例积分控制，确定增益和时间常数为：增益Kc=0.25；采样时间Ts=0.1S；积分时间Ti=30S；微分时间Td=0S。

6 PLC编程软件。

本设计使用的是软件是STEP7-Micro/WIN,该软件主要协助用户开发应用程序，除了具有创建程序的相关功能，还有一些文档管理等工具性功能，还可直接通过软件设置PLC的工作方式、参数和运行监控等。

该软件可以工作于联机和离线两种工作方式，所谓联机是指直接与PLC连接，允许两者之间进行通信，如上装或下载用户程序和组态数据等。离线则是指不直接与PLC联系，所有程序及参数暂时存入磁盘，联机后再下载至PLC。