電廠化學(xué)水處理控制系統(tǒng)中PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與預(yù)測(cè)控制研究

原銘良 宗學(xué)軍 何戡 常江 孫昂

（沈陽(yáng)化工大學(xué)信息工程學(xué)院）

電廠化學(xué)水處理控制系統(tǒng)中PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與預(yù)測(cè)控制研究

原銘良 宗學(xué)軍 何戡 常江 孫昂

（沈陽(yáng)化工大學(xué)信息工程學(xué)院）

采用PLC與工業(yè)控制計(jì)算機(jī)共同構(gòu)成控制系統(tǒng)的方法，解決了化學(xué)水處理控制系統(tǒng)自動(dòng)化程度低的問(wèn)題。實(shí)際運(yùn)行表明，化學(xué)水處理過(guò)程可通過(guò)PLC控制系統(tǒng)進(jìn)行有效的自動(dòng)監(jiān)控。針對(duì)再生后出水中磷酸鹽含量過(guò)高問(wèn)題，本文首先在Matlab/simulink環(huán)境下，對(duì)化學(xué)水處理系統(tǒng)進(jìn)行建模仿真，其次本文采用模型預(yù)測(cè)控制算法，對(duì)出水磷酸鹽濃度進(jìn)行控制，并與傳統(tǒng)PID算法進(jìn)行對(duì)比，仿真結(jié)果證明模型預(yù)測(cè)控制（Model Predictive Control，MPC）算法控制效果優(yōu)于傳統(tǒng)PID，使出水磷酸鹽達(dá)到了工藝出水水質(zhì)要求。

化學(xué)水處理；ControlLogix系列；MPC

0 引言

化學(xué)水處理是電廠發(fā)電過(guò)程中的重要環(huán)節(jié)[1]，特別在大型電廠及供熱電廠的化學(xué)水處理車間，水處理量大、工藝復(fù)雜、水質(zhì)要求高，其運(yùn)行的好壞直接關(guān)系到電廠的安全性。隨著現(xiàn)代企業(yè)生產(chǎn)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，企業(yè)對(duì)生產(chǎn)工藝的可靠性和生產(chǎn)效率提出了更高的要求，因此，實(shí)行自動(dòng)化控制生產(chǎn)成為企業(yè)的必然選擇。PLC是一種數(shù)字運(yùn)算的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)，已廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制的各個(gè)領(lǐng)域。PLC控制應(yīng)用于化學(xué)水處理的工業(yè)過(guò)程，不僅能實(shí)現(xiàn)安全有效的控制，而且能提高精度和效率，降低工業(yè)成本和能源消耗。最終達(dá)到合理利用人力資源，迅速提高整體運(yùn)營(yíng)水平，降低故障率，提高維護(hù)反應(yīng)速度的目的。

1 系統(tǒng)工藝處理要求

電廠化學(xué)水處理過(guò)程主要在混床中完成，混床再生過(guò)程的原理是將陰、陽(yáng)樹(shù)脂按一定比例混合裝在同一個(gè)交換器里，水通過(guò)混合床時(shí)就完成了多次陽(yáng)、陰離子樹(shù)脂交錯(cuò)排列而組成的多級(jí)復(fù)床除鹽系統(tǒng)[2]。在混合床中，由于陽(yáng)、陰樹(shù)脂是均勻混合的，所以陽(yáng)、陰離子交換反應(yīng)幾乎同時(shí)進(jìn)行，即水的陽(yáng)離子交換和陰離子交換多次交錯(cuò)進(jìn)行，交換過(guò)程所產(chǎn)生的H＋和OH－都不能積累起來(lái)，基本上消除了反離子對(duì)交換反應(yīng)的影響，這就避免了逆反應(yīng)，使交換反應(yīng)徹底進(jìn)行?；旌洗矘?shù)脂失效后，應(yīng)先將陽(yáng)、陰兩種樹(shù)脂分離，然后分別進(jìn)行再生、清洗和凈化?；齑步粨Q器是一個(gè)圓柱型密閉容器，裝有上部進(jìn)水裝置和下部配水裝置，在其中部還有中間排水裝置，以便將陰、陽(yáng)樹(shù)脂分開(kāi)再生。為了便于陰、陽(yáng)樹(shù)脂分層，混合床中陰、陽(yáng)樹(shù)脂的濕真相對(duì)密度差應(yīng)大于15%～20%。陰、陽(yáng)樹(shù)脂的配比由出水水質(zhì)和周期制水量確定。在鍋爐補(bǔ)給水處理系統(tǒng)中，樹(shù)脂的體積比通常為陰∶陽(yáng)＝2∶1?；齑驳倪\(yùn)行主要分反洗分層、進(jìn)酸堿、置換、陰陽(yáng)樹(shù)脂正洗、混脂、正洗等步驟，工藝復(fù)雜，對(duì)進(jìn)水流速、酸堿濃度、進(jìn)氣量、出水電導(dǎo)率和二氧化硅含量都有較高要求。

2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)硬件采用羅克韋爾自動(dòng)化公司生產(chǎn)的新一代ControlLogix控制系統(tǒng)[3]。ControlLogix控制系統(tǒng)不僅具有先進(jìn)的通訊能力和最新的I/O技術(shù)，而且同時(shí)提供多種控制方法，Logix控制器平臺(tái)提供了通用的控制引擎，是一個(gè)將高速離散控制、過(guò)程控制、協(xié)調(diào)傳動(dòng)控制、運(yùn)動(dòng)控制、批次控制和安全控制融于一體的控制平臺(tái)，允許混合使用多個(gè)處理器、多種網(wǎng)絡(luò)和I/O。

2.1 控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

通過(guò)對(duì)系統(tǒng)需求的分析，選用羅克韋爾自動(dòng)化公司的ControlNet現(xiàn)場(chǎng)總線作為系統(tǒng)的通訊網(wǎng)絡(luò)。根據(jù)硬件特點(diǎn)，系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)可分為設(shè)備層、控制層和信息層。采用工業(yè)個(gè)人計(jì)算機(jī)作為先進(jìn)控制層，由PLC作為基本控制層，組成經(jīng)濟(jì)高效的集散控制系統(tǒng)，從而構(gòu)成上下兩級(jí)控制。圖1為系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)圖。

圖1 控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

設(shè)備層是面向現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的一層，主要接收來(lái)自控制層PLC的控制命令，執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作或提供相應(yīng)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

控制層是整個(gè)控制系統(tǒng)的中心，完成處理器與處理器之間以及處理器與I/O接口之間的信息交互。控制層主要通過(guò)控制器完成各種控制動(dòng)作命令，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的采樣和處理、聯(lián)鎖動(dòng)作的表達(dá)、控制算法的實(shí)現(xiàn)、報(bào)警現(xiàn)象的自動(dòng)處理等功能。

信息層是控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的最高層，也是對(duì)從現(xiàn)場(chǎng)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行管理和處理的一層。信息層主要完成系統(tǒng)關(guān)鍵工藝參數(shù)的調(diào)整設(shè)定、圖形監(jiān)控、動(dòng)態(tài)圖形顯示、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集、運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控、歷史數(shù)據(jù)查看、趨勢(shì)圖和數(shù)據(jù)報(bào)表記錄存儲(chǔ)與打印、越限報(bào)警和故障的提示處理等功能。

整個(gè)系統(tǒng)中，設(shè)備層的各種現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和儀器需要與控制層的I/O模塊進(jìn)行通信，且對(duì)安全性和數(shù)據(jù)采集的實(shí)時(shí)性要求較高。此外，控制層控制器與I/O模塊之間的通信也是整個(gè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，采用傳輸速度快，信息容量大，硬件接線少，抗干擾能力強(qiáng)，方便添加網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)和設(shè)備的ControlNet作為通信網(wǎng)絡(luò)。

2.2 控制系統(tǒng)硬件組建

設(shè)備層組建的主要依據(jù)是現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)的傳輸方式。由于系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備主要由各種泵、電動(dòng)閥門、信號(hào)隔離器等組成，因此采用設(shè)備層專用網(wǎng)絡(luò)DeviceNet。根據(jù)控制要求，選擇合適的現(xiàn)場(chǎng)輸入輸出設(shè)備，如控制按鈕、開(kāi)關(guān)、變送器、信號(hào)隔離器、繼電器等，并統(tǒng)計(jì)系統(tǒng)的I/O點(diǎn)（53個(gè)數(shù)字量輸入點(diǎn)，23個(gè)數(shù)字量輸出點(diǎn)；49個(gè)模擬量輸入點(diǎn)，15個(gè)模擬量輸出點(diǎn)）。

控制層的組建是系統(tǒng)設(shè)計(jì)最復(fù)雜也是最重要的環(huán)節(jié)，主要工作是建立一個(gè)以PLC為中心的控制網(wǎng)絡(luò)。系統(tǒng)采用將PLC的CPU模塊和I/O模塊分別裝在不同的機(jī)架的方案，CPU模塊采用ControlLogix家族中功能強(qiáng)大的1756-L61控制器，為提高系統(tǒng)整體的可靠性和穩(wěn)定性，采用兩個(gè)控制器，一個(gè)運(yùn)行，另一個(gè)備用，實(shí)現(xiàn)冗余的目的。當(dāng)主CPU出現(xiàn)故障或通信出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)，可直接切換到備用CPU工作，保證系統(tǒng)短時(shí)間內(nèi)恢復(fù)正常運(yùn)行狀態(tài)。CPU冗余功能的完成由1756-RM模塊通過(guò)EtherNet實(shí)現(xiàn)。兩個(gè)CPU分別放置在兩個(gè)1756-A4機(jī)架上，機(jī)架的供電由兩個(gè)1756-PA72電源完成。根據(jù)控制要求和I/O點(diǎn)數(shù)，選擇合適的數(shù)字量輸入模塊（7個(gè)1756-IB16），數(shù)字量輸出模塊（2個(gè)1756-OB16E），模擬量輸入模塊（5個(gè)1756-IF16，2個(gè)1756-IR6I），模擬量輸出模塊（2個(gè)1756-OF8）。數(shù)字量模塊和模擬量模塊分別放在兩個(gè)不同的1756-A13機(jī)架上，機(jī)架的供電由兩個(gè)1756-PA75電源完成。CPU和I/O模塊的通信由每個(gè)機(jī)架上的1756-CNBR模塊通過(guò)ControlNet網(wǎng)絡(luò)完成。

信息層硬件設(shè)備主要包括2臺(tái)監(jiān)控計(jì)算機(jī)、2臺(tái)DELL 21寸LED顯示屏、組合式主控操作臺(tái)等。2臺(tái)工控機(jī)采用完全相同的配置，分別用作操作員站和工程師站，并通過(guò)EtherNet與控制層進(jìn)行通信。操作員站的任務(wù)是在標(biāo)準(zhǔn)畫(huà)面上和用戶組態(tài)畫(huà)面上匯集和顯示相關(guān)的信息，并根據(jù)此情況對(duì)運(yùn)行工況進(jìn)行監(jiān)視和控制。工程師站用于程序開(kāi)發(fā)、系統(tǒng)診斷、控制系統(tǒng)組態(tài)、數(shù)據(jù)庫(kù)和畫(huà)面的編輯修改。

3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

在化學(xué)水處理的工藝過(guò)程中，由于副產(chǎn)品中二氧化硅和有機(jī)鹽含量較高，為獲得品質(zhì)較高的處理水，整個(gè)混床再生過(guò)程要靠人工進(jìn)行操作，工藝要求苛刻，這一過(guò)程危險(xiǎn)性高且效率低?；诖嗽偕^(guò)程現(xiàn)采取高效控制邏輯算法，不需要人工干預(yù)。在順序控制流程中，系統(tǒng)嵌入暫停和急停功能，任何一個(gè)（再生過(guò)程）狀態(tài)都可以暫停，點(diǎn)擊繼續(xù)，時(shí)間繼續(xù)計(jì)時(shí)；再生過(guò)程的急停功能，所有閥門全部關(guān)閉，再生終止，自動(dòng)轉(zhuǎn)到失效狀態(tài)。再生時(shí)，各再生步驟可預(yù)先設(shè)置，可以從任一步驟開(kāi)始再生。當(dāng)系統(tǒng)任何一階段出現(xiàn)異常自動(dòng)報(bào)警時(shí)，操作人員收到信息可立即操作急停按鈕，從而保證生產(chǎn)和人身安全。

混床再生過(guò)程之前，要先檢查開(kāi)關(guān)閥門可控性以判斷再生過(guò)程的條件是否允許，若控制失敗，如給出開(kāi)閥（氣動(dòng)閥）命令后，反饋信號(hào)為關(guān)反饋（氣動(dòng)閥），則開(kāi)關(guān)閥門控制失效，開(kāi)關(guān)閥門發(fā)生故障后暫停再生過(guò)程并報(bào)警；然后檢測(cè)酸、堿計(jì)量箱液位（默認(rèn)值1.1米），作為再生的前提允許條件，若不滿足，不允許進(jìn)行再生。再生過(guò)程中不檢測(cè)液位值，液位低于默認(rèn)值時(shí)，再生不終止。順序控制流程圖如圖2所示。

圖2 順序控制流程框圖

上位機(jī)的監(jiān)控系統(tǒng)采用RSView32開(kāi)發(fā)軟件作為人機(jī)界面，該軟件是一種基于Windows平臺(tái)設(shè)計(jì)的、易用的、可集成的HMI控制系統(tǒng)[4]，具有以下特點(diǎn)：① 支持微軟的VBA（Visual Basic For Aplication）功能，可以最大限度地實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目的自定義和擴(kuò)展，也可對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)；② 對(duì)于授權(quán)用戶提供了不限客戶連接數(shù)的基于網(wǎng)絡(luò)瀏覽器（如HTML）的遠(yuǎn)程監(jiān)控方案，可以在遠(yuǎn)程看到現(xiàn)場(chǎng)的畫(huà)面、參數(shù)值、報(bào)警等情況；③ 提供強(qiáng)大的報(bào)警、歷史數(shù)據(jù)趨勢(shì)查看功能；④ 同時(shí)支持OPC的服務(wù)器和客戶端模式，既可以通過(guò)OPC和硬件通訊，又可以向其它軟件提供OPC的服務(wù)。

上層監(jiān)控系統(tǒng)作為OPC的數(shù)據(jù)客戶端，可以在不包含任何通信接口程序的情況下從OPC服務(wù)器中取得數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集和多種系統(tǒng)的集成。

RSView32作為控制系統(tǒng)中OPC的客戶端，結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 基于OPC控制軟件應(yīng)用框架

除鹽水畫(huà)面圖如圖4所示；混床再生過(guò)程操作面板如圖5所示。

圖4 除鹽水畫(huà)面

圖5 混床再生過(guò)程操作面板

4 化學(xué)水處理系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

電廠化學(xué)水處理過(guò)程水處理量大，且對(duì)水質(zhì)要求很高，但因原水、工藝和設(shè)備老化等問(wèn)題，再生后的水中含有大量有機(jī)成分，排放后易造成環(huán)境污染。本文建立在活性污泥基礎(chǔ)上，采用工業(yè)中常用的模型預(yù)測(cè)控制[5-6]，對(duì)處理水中有機(jī)磷酸鹽進(jìn)行控制，提高水質(zhì)，并實(shí)現(xiàn)化學(xué)水處理系統(tǒng)的減污排放。

4.1 模型建立

為定量分析和研究某個(gè)對(duì)象，需用數(shù)學(xué)模型描述將其模型化。當(dāng)對(duì)象較簡(jiǎn)單時(shí)，可應(yīng)用有關(guān)知識(shí)建立對(duì)象的機(jī)理模型，并達(dá)到較高精度。當(dāng)對(duì)象較復(fù)雜時(shí)，較難建立其機(jī)理模型?？赏ㄟ^(guò)系統(tǒng)辨識(shí)獲得對(duì)象的I/O數(shù)據(jù)，并依此建立對(duì)象的數(shù)學(xué)模型。由于實(shí)際建模中存在不確定性，獲取對(duì)象數(shù)據(jù)時(shí)受條件和環(huán)境的制約，從數(shù)據(jù)獲取到模型的建立經(jīng)反復(fù)探索，計(jì)算量大，用手工難以完成。故借助Matlab系統(tǒng)辨識(shí)工具箱進(jìn)行建模，可簡(jiǎn)化計(jì)算過(guò)程、提高效率，其圖形功能使建模過(guò)程直觀、形象。

對(duì)化學(xué)水中的有機(jī)鹽進(jìn)行處理時(shí)，選取曝氣量以及進(jìn)水流量為控制變量，有機(jī)磷酸鹽為控制輸出，在正常的外界環(huán)境下（無(wú)雨雪）現(xiàn)場(chǎng)采集數(shù)據(jù)，由系統(tǒng)辨識(shí)工具箱得到一個(gè)雙入單出的線性模型：A=[0.001726 0；0 -0.01826]；B=[0.09667 -0.73；1 1]；C=[0 0；0 1]；D=[0 0 ；0 0]。

4.2 控制器設(shè)計(jì)與仿真

預(yù)測(cè)控制是采用基于脈沖響應(yīng)的非參數(shù)模型作為內(nèi)部模型，根據(jù)歷史信息以及未來(lái)輸入通過(guò)對(duì)性能指標(biāo)：

預(yù)測(cè)控制的具體優(yōu)化過(guò)程為：每到新的采樣時(shí)刻都要通過(guò)實(shí)際測(cè)到的磷酸鹽濃度對(duì)基于模型的預(yù)測(cè)輸出[7]進(jìn)行修正，然后再進(jìn)行新的優(yōu)化。根據(jù)系統(tǒng)的實(shí)際輸出對(duì)預(yù)測(cè)輸出值不斷做出修正是滾動(dòng)優(yōu)化的特點(diǎn)，控制不但基于模型，而且利用了反饋信息，構(gòu)成閉環(huán)優(yōu)化。Simulink環(huán)境下仿真模型如圖6所示。

圖6 化學(xué)水系統(tǒng)控制仿真

圖7為PID控制與MPC控制下輸出曲線的對(duì)比。

圖7 PID控制與MPC控制下輸出磷酸鹽濃度

其中PID控制參數(shù)：Kp=0.5，Ki=0.01，Kd=0。兩個(gè)PID控制器參數(shù)一致。MPC控制參數(shù)：預(yù)測(cè)域P=10，控制域M=2，控制變量變化率分在-0.1和0.1之間，輸入權(quán)值分別為0，0；輸出權(quán)值為1，設(shè)定輸出為0.2 mg/l。出水磷酸鹽符合國(guó)家污水排放標(biāo)準(zhǔn)GB8978—1996。

對(duì)比分析可知，MPC控制算法能較快地達(dá)到設(shè)定值。此外模型預(yù)測(cè)控制具有較強(qiáng)的魯棒性和快速性，對(duì)于化學(xué)水處理系統(tǒng)是一個(gè)很好的控制方案，模型預(yù)測(cè)控制已廣泛應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域，為其在化學(xué)水系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用提供了很好的依據(jù)和堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。

5 結(jié)束語(yǔ)

該系統(tǒng)已經(jīng)成功應(yīng)用于遼寧某化工集團(tuán)熱電廠的化學(xué)水處理控制系統(tǒng)，運(yùn)行狀況良好。以PLC自控系統(tǒng)為平臺(tái)應(yīng)用于化學(xué)水處理系統(tǒng)的生產(chǎn)監(jiān)控，工藝基本達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)，設(shè)備運(yùn)行更加平穩(wěn)可靠，效率大大提高，且具有很大的擴(kuò)展性。化學(xué)水系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案的提出與仿真，為未來(lái)進(jìn)一步處理出水污染物提供了理論依據(jù)。

[1] 劉鑫.我國(guó)工業(yè)控制自動(dòng)化技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)[J].電氣時(shí)代,2003,12:46-52.

[2] 俞金壽,蔣慰孫.過(guò)程控制工程[M].北京:電子工業(yè)出版社,2007.

[3] 錢曉龍.ControlLogix系統(tǒng)電力行業(yè)自動(dòng)化應(yīng)用培訓(xùn)教程[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2009.

[4] Ioannides M G.Design and implementation of PLC-based monitoring control system for induction motor[J].IIEE Transactions on Energy Conversion,2004,19(3):469-476.

[5] 錢積新,趙均,徐祖華.預(yù)測(cè)控制[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2007.

[6] 舒迪前.預(yù)測(cè)控制系統(tǒng)及其應(yīng)用[M].北京:機(jī)械出版社,1996.

[7] Brosilow C Zhao G Q. A Linear Programming Approach to Constrained Multivariable Process Control[J].Control Dyn, Syst.,1998,27:141-181.

Application of PLC in Control System of Chemical Water Treatment and the MPC Controller Design

Yuan Mingliang Zong Xuejun He Kan Chang Jiang Sun Ang
（Shenyang University of Chemical Technology, College of Information Engineering）

In order to solve the problem of automation for the chemical water treatment control system, PLC and industrial control computer constitute the control system, which achieves high accuracy and reliability of chemical water treatment system. Aiming at the high level Phosphate in the chemical water after regeneration, the model of chemical water treatment system is established under Matlab/Simluink. Then the controller is designed based on model predictive control algorithm and compared with the traditional PID controller. The results show that MPC controller can get a better result than PID. The MPC is a good control strategy for the system and the effluent meets the water quality requirements well.

Chemical Water Treatment; ControlLogix Series; MPC

原銘良，男，1987年4月22日出生，碩士，研究方向：優(yōu)化控制。E-mail: yuanmingliang1224@163.com。