西门子6ES7214-2AD23-0XB8质量保障

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1 应用背景
　　电厂化学水处理系统作为电厂辅机程控系统的重要组成部分，其运行关系到整个锅炉的安全性与生产的连续性，并影响着整个电厂的工作安全性和机组的使用寿命。

　　随着化学水处理工艺的不断更新变化，复杂程度越来越高，对系统自动控制的要求也越来越严格。一般电厂化学水处理自动控制系统都采用以PLC（可编程逻辑控制器）为主，结合现场总线网络的控制系统来实现，功能包括对化学水处理过程的自动化控制、状态监视、数据采集、实时报警、统计打印等。
　

　　基于和利时公司LK的化学水处理系统应用解决方案充分发挥了LK在可靠性、易用性、灵活性等方面技术的优势。与常规控制方案相比，具有控制功能更强大、控制水平更高、开放性更等方面特点。
　

2 电厂化学水处理子系统
　　电厂的水处理系统一般包含三个子系统：锅炉补给水系统、凝结水处理系统、综合水（废水）系统。
　　•补给水系统由预处理系统、反渗透预脱盐系统、化学除盐系统、酸碱系统四部分组成，控制范围还包括水工净水站。
　　凝结水系统主要工艺流程包括：凝结水精处理及树脂再生系统、水汽取样分析系统、化学加药系统等几个部分。凝结水精处理及树脂再生系统包括混床、树脂捕捉器、再循环泵、旁路及单元内所有的管道、管件、阀门、就地仪表等；水汽取样分析系统包括热力系统的水汽取样分析系统和凝汽器检漏取样分析系统。热力系统水汽取样分析系统由高温高压架、仪表盘组成。凝汽器检漏取样分析系统由检漏取样架和分析仪表盘组成；化学加药系统由三部分组成：给水及凝结水加氨系统；给水加联氨系统；炉水加磷酸盐系统。
　　•废水系统用来处理电厂的全部废水，包括灰渣废水、化学废水、生活废水和脱硫废水等。

　　1、锅炉补给水处理
　　其主要目的是将天然水在进入汽水系统之前除去水中的杂质,一般流程为:天然水→ 混凝沉淀→ 过滤→ 离子交换→ 补给水。主要的控制过程如下：
　　混凝沉淀：除去水中的小颗粒悬浮物和胶质体物质，有化学混凝和电混凝两种方式。
　　过滤处理：除去混凝处理后的水中残留的少量悬浮物，常采用石英砂或无烟煤或直接过滤。
　　化学除盐：脱除清水含盐(金属离子和酸根)，使之成为可供锅炉使用的无盐水。包括阳离子交换，去CO2，阴离子交换，混合离子交换等。
　　主要控制：滤池、澄清池、加药设备、过滤器、阳床、阴床、混床、水箱、泵、风机、酸碱储存和计量设备等。

　　2、凝结水处理
　　凝结水处理系统包括凝结水精处理系统和体外再生系统。一般由高速混床、阳树脂再生罐、阴树脂再生罐、再循环泵、树脂存储罐、混脂罐、酸碱设备、冲洗水泵、风机等组成。凝结水处理系统中的设备大都是周期性工作的，要求定时进行还原和再生。

　　i. 凝结水精处理系统：
　　■ 前置过滤器
　　前置过滤器的工作状态有“备用”、“运行”、“冲洗”三种状态。“备用”状态是过滤器处于静止状态，要经投运程序后才具备运行条件。“运行”状态是过滤器正常制水。“冲洗”状态是过滤器运行失效后进行反洗等一系列程序。操作方式分为全自动、步进/ 退、点操三种方式。全自动控制按备用—运行—冲洗—备用的顺序循环进行。步进/ 退可以任意启动某一具体步序，该步结束后自动停止。每台设备只能处于一种状态之下。反洗水泵在反洗时一备一用。当台水泵启动失效时自动启备用泵并报警，程序不中断，当备用泵也失效时，系统报警，程序中断。一次门是带定位器的调节阀，该阀开度大小的调节在CRT/TFT画面上以手操方式实现。
　　■ 混床和再生设备
　　混床和再生设备的工作状态有“备用”、“运行”、“树脂输送”、“再生”。备用状态表示混床处于静止状态，床内为有效树脂。运行状态表示混床经升压、投运等一系列程序后进入稳定制水状态。树脂输送表示混床失效树脂送入阳再生塔，再生好的树脂送回混床。再生表示再生设备内的树脂进行一系列的再生处理。防止树脂输送时混淆两份树脂，保证在充分的条件下开始再生，必须建立以下辅助标志：“允许树脂输送”和“允许再生”。
　　ii. 再生系统：
　　再生系统的控制方式与前置过滤器系统的控制方式基本相同。
　

　　3、综合水（废水）处理
　　废水系统用来处理电厂的全部废水，包括灰渣废水、化学废水、生活废水和脱硫废水等。一般情况下，废水不作为回收利用的对象，只进行达标水处理排放。工艺比锅炉补给水系统、凝结水处理系统简单，不再赘述。

3 化学水处理典型工艺介绍
　　目前发电厂水处理的典型工艺有：
　　离子交换法
　　离子交换法，即利用离子交换树脂将水中溶盐的离子吸收。经过一定时间的运行以后，离子交换树脂会失效，这时就需要停止运行以对树脂进行再生（还原），以便使树脂可以重新使用（阳离子交换树脂失效时，使用酸进行再生，阴离子交换树脂失效时，使用碱进行再生) 。

图1  离子交换法水处理工艺流程图

　　RO（Reverse Osmosis）反渗透技术
　　RO（Reverse Osmosis）反渗透技术，是先进和节能的脱盐技术，其原理是利用高分子材料经过特殊工艺制成的半透膜，它只容许水分子通过，而不容许溶质通过。在高压泵的压力作用下，原水中的水压超过渗透压，水分子则透过半透膜进入另一侧，从而获得除盐水、纯净水。而原水中的溶解和非溶解的无机盐、重金属离子、有机物、菌体、胶体等物质均无法通过半透膜，被截留在浓水中。

图2  反渗透水处理工艺流程图

　　EDI (ElectroDeIonization ) 填充床电渗析
　　EDI (ElectroDeIonization ) 填充床电渗析，又称电去离子法，是一种将离子交换技术、离子交换膜技术和离子电迁移技术相结合的水处理技术。利用离子交换能深度脱盐来克服电渗析极化而导致的脱盐不彻底，利用电渗析极化而发生水电离产生H+和OH-离子实现树脂自再生来克服树脂失效后通过化学药剂再生的缺陷，是20世纪80年代以来逐渐兴起的新技术。经过十几年的发展，EDI技术已经在北美及欧洲占据了相当部分的市场。

图3  电去离子法工艺流程图

　　几种典型工艺的比较
　　表1 给出了离子交换、反渗透、电去离子三种典型化学水处理工艺的比较。从表中可以看到，从处理技术的先进性、处理效果、对环境的污染等方面电去离子法相对于另外两种方法具有明显的优势，发展前景广阔，但由于其项目的前期资金投入比较多，对原水水质要求较高和其他方面的因素，在国内电厂化学水处理工艺上应用范围还很有限。离子交换法和反渗透法需要的项目前期资金投入相对较少，而且在国内应用比较普遍、工艺比较成熟。
　

　　表1 几种典型化学水处理工艺的比较表

4 基于LK PLC自动化控制系统设计
　　目前，离子交换法化学水处理工艺在电厂中应用为普遍，其控制系统主要是通过对水处理设备，以及相关的阀门、水泵等设备的控制，实现整个化学水处理流程的整体投运、设备切换、清洗再生和整体停运等工序的自动控制。
　

　　化学水处理自动化控制系统由两台操作员站、一台工程师站和三个冗余PLC控制站构成。上位计算机系统采用工业级计算机构成功能强大的监测与控制系统，计算机上安装和利时公司的FacView工业监测与控制系统软件，通过合理的系统设计和系统组态，实现对整个化学水处理工艺流程的动态监视和控制。通过上位计算机系统和强大的工业控制传输网络，实现对整个生产工艺工程的自动化管理和控制。
　

　　PLC选用和利时公司HOLLiAS LK系列PLC冗余控制器，控制系统采用双机热备冗余方式，通过远程I/O的方式连接现场需要监测与控制的点。冗余的主控制站可以保证系统的停机维护时间为零，大限度的减少人对系统的干预。主控制系统热备系统和远程I/O控制站之间采用高性能的冗余PROFIBUS-DP工业总线传输网络，实现信息的可靠、安全、稳定的传输。PROFIBUS-DP是一种高速和便宜的现场总线，它专门设计为自动控制系统和设备级分散的I/O之间进行通信使用。
　

　　上位计算机系统与PLC控制单元之间采用工业以太网传输网络。以太网属，工业以太网已达到高传输安全性和可靠性要求，现已广泛用于程序维护、向MIS和MES系统传递工厂数据、监控、连接人机界面、记录事件和告警。工业以太网具有高传输速率(目前达到100Mbps)、交换机技术的确定性、不需考虑网络的拓扑结构、传输物理介质多样(双绞线、光纤)、网络的扩展等优点。
　

　　通过以太网络将上位计算机系统和现场监测与控制点紧密的结合为一个整体，构成一个完整的系统。在这样高速传输网络上，可以很方便的利用PLC系统所特有的功能，实现对整个控制系统的计算机在线远程诊断功能。

图4  化学水处理自控系统示意图

　　本化学水处理系统控制系统解决方案选用LK 中支持冗余功能的CPU，其基本模块性能如下：
  型号：LK210 支持冗余
  处理器主频：533 MHz
  存储器：用于程序：16MB；用于数据：64MB＋1MB掉电保持
  指令执行时间：位操作，小*3µs；字操作，小：*3µs；浮点数加法，小：0.2µs
  I/O点容量：数字量通道，大57344；模拟量通道，大3584
  通信接口：2路以太网接口、2路PROFIBUS-D总线接口，2路串行接口
  支持冗余、支持带电插拔
  供电电压：20.4～28.8VDC
  支持多任务运行，多支持32个任务
　

　　以某自备电厂的水处理系统中的补给水系统为例，系统采用RO反渗透+离子交换处理工艺，系统包含6组机械过滤器，4组RO，3组混合离子交换器，水泵（清水泵3，反洗泵1，高压泵4，中间泵3，冲洗泵1，卸酸1，卸碱1，除盐2，再生3，清洗1）。控制系统主要设备配置如下：

5 系统功能
　　本软件系统是以微软公司的bbbbbbs 2000/bbbbbbs XP为工作平台使用和利时公司FacView 监控组态软件开发出来的，全中文组态，功能强大，易学易用，完全开放。
　

　　软件系统按工艺过程设计有足够多的监控画面，对每一个工艺处理过程都可监控及操作。各监控界面可用于监视流程状态也可在画面上对流程实施操作，将整个工艺流程在监控画面上反映出来，同时画面以虚拟仪表的方式实时显示现场的信息，具有直观、动态、实时的效果。

　　运行人员可通过计算机对整个化学水处理系统实现生产过程状态监视、数据采集、实时图形监视、实时报警、统计打印等。即运行人员在控制室就可以对报表、图形实时查询，对生产情况进行了解并作出指导，实现生产管理自动化，并可与上位机联网通讯，**全厂自动化水平。
　　化学水处理系统控制方式设计为现场设备就地手动控制、远程手动控制、远程自动控制三种控制模式。即使在程控系统完全故障的情况下还可以通过就地控制实现手动制水，保证机组锅炉的可靠用水。控制箱上选用3位选择开关，分别为就地开、就地关、远程控制。选择远程控制时，控制阀由操作员在操作站上控制。操作员可以在操作站对控制阀进行状态监视和动作控制，对控制阀的控制可分选择自动和手动方式。在自动方式时控制阀受PLC逻辑程序控制，在手动方式时控制阀由操作员直接在操作界面上点击控制。

　　具体控制程序设计包括：
　　正常制水程序控制
　　水箱水位控制
　　制水设备自动切换投运的控制
　　机械过滤器的清洗、自动切换控制
　　除盐与反洗、再生的全自动周期运行控制
　　阴床、阳床的再生程序控制
　　混床再生的自动周期运行控制
　　加酸、加碱系统控制
　　废酸、废碱中和系统控制
　　压缩空气系统控制
　　其他控制功能
　　

　　一级除盐设备的投运和再生由PLC实现自动控制，也可通过键盘和鼠标在控制室内的操作站上进行远方操作。一级除盐设备的出水导电率超过规定值或周期制水量达规定值时，自动解列并报警，然后自动投入再生程序。混合离子交换器的投运和再生由PLC实现自动控制，或者通过键盘和鼠标进行远方操作。当混合离子交换器出水导电率和二氧化硅超过规定值，或周期制水量达规定值时，自动解列并报警，然后自动投入再生程序。高效过滤器和活性碳过滤器由PLC实现自动控制，也可采用键盘和鼠标在控制室内的操作站上进行远方操作。当其进出口压差超过规定值，或周期制水量达规定值时，自动解列并报警，然后自动投入反洗程序。以上操作以前都由操作人员执行，执行新系统后上述操作都可以不需要操作人员干预。
　

　　中间水箱水位由PLC实现自动控制(通过调节阳床入口调节阀)，使一级除盐系统投运时中间水箱水位稳定在正常位置。中间水泵启停与中间水位联锁，低液位启泵、高液位停泵，保证中间水泵的安全使用。
阀门、泵等的控制状态显示，自动/手动/就地操作和选择联锁。系统所有**、压力可在操作界面上实时监视，原水**、阴床出口**、混床出口**显示积算并作历史纪录，可分别查看一级除盐、混床再生制水量。
　

　　系统控制每列除盐装置的投运、停止和再生程序、自动加酸加碱程序、自动/半自动启动另一列除盐装置程序等。对于顺控设置必要的分步操作、成组操作或单独操作等，并有跳步、中断或旁路等操作功能。系统投运以及活性炭清洗、一级除盐再生和混床再生可由系统自动完成或操作员步延、步进手动干预，在操作站界面上显示各步骤设定时间和剩余时间以及步进、步延指示等。
　

　　为便于管理，查找误操作的时间，在控制系统中设有操作记录画面，可以随时反映操作员的工作记录。在参数设置画面中具有工程师级别的人员可以根据情况修改每个步序的时间长度。在打印生产报表画面中操作员可以根据需要随时打印生产报表。由excel在制表方面的特长，所以报表的格式可以随心所欲。

6 系统特点
 系统先进、可靠、性能价格比高
 系统自动化水平高，有利于保证生产连续、稳定和出水水质的稳定性
 系统控制方式多样，具有完善的联锁、保护功能，自适应能力强
 系统运行方式多样，设置有程控、步进、单操、就地手动等功能
 上位监控软件功能丰富、完备，操作灵活、维护方便
 优良的开放性和可扩展性，预留与其他系统的通讯接口

7 结束语
　　作为电厂工艺流程中的重要的环节，化学水处理系统自动控制在整个电厂的自动控制系统中有着举足轻重的地位。它的工作状态将直接影响整个锅炉系统的安全性与经济性，并影响到整个电厂的工作稳定性与可靠性。本文总结了和利时公司 LK 在化学水处理自动控制系统中的项目实践经验，并在此基础上完善了系统设计和功能，为保证整套水处理设备安全、高效、稳定运行提供了更加合理的解决方案，具有很好的借鉴和推广价值。