總線型閥島在電廠化水程控中的應(yīng)用

尹端玲

(中國聯(lián)合工程公司，浙江 杭州 310022)

0 引言

20世紀(jì)90年代末，現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)就已經(jīng)在國外電廠中得到應(yīng)用。但由于現(xiàn)場總線儀控設(shè)備比常規(guī)儀控設(shè)備價(jià)格高，且總線型設(shè)備的選擇范圍還相對(duì)較?。?］，這就阻礙了總線技術(shù)在電廠控制中的大量應(yīng)用。

“閥島”來自德語，英文名為“valve terminal”。20世紀(jì)80年代末，德國一家公司首先推出閥島的概念及產(chǎn)品，它由多個(gè)氣動(dòng)閥門、電信號(hào)的輸入輸出模塊構(gòu)成，并集成了電信號(hào)輸入/輸出及氣信號(hào)輸出的控制，猶如一個(gè)控制島嶼。隨后，閥島技術(shù)和現(xiàn)場總線技術(shù)相結(jié)合形成了總線式閥島。這大幅度地節(jié)省了接線時(shí)間，而且由于連線的減少，設(shè)備所占空間減小，使得設(shè)備維護(hù)更為方便［2］。

總線式閥島一般隨設(shè)備配套，如卷煙機(jī)組［3］、軸承自動(dòng)化清洗線［4］、生產(chǎn)線自動(dòng)供料系統(tǒng)［5］等設(shè)備控制領(lǐng)域。本文研究的問題是總線式閥島能否應(yīng)用于電廠。

1 閥島在電廠應(yīng)用概述

發(fā)電廠和熱電廠都配有化水車間，由于熱電廠需要供熱，在運(yùn)行中要補(bǔ)充的除鹽水量一般都比較大，因此，熱電廠的化水車間規(guī)模往往比同等級(jí)機(jī)組的發(fā)電廠的化水車間規(guī)模大。除鹽水是由普通水經(jīng)過化學(xué)水處理后產(chǎn)生的，這個(gè)處理過程的自動(dòng)化控制系統(tǒng)就是化水程控系統(tǒng)。

在化水程控系統(tǒng)中，需要用到大量的氣動(dòng)閥，氣動(dòng)閥的動(dòng)作全靠電磁閥帶動(dòng)。因此，采用化水程控方案的化水車間是電廠中電磁閥最為集中的場所。化水程控系統(tǒng)的控制邏輯雖不復(fù)雜，但由于配置的電磁閥和控制電纜較多，現(xiàn)場安裝、接線和調(diào)試的工作量并不小。此外，由于接線復(fù)雜造成故障隱患點(diǎn)多，將使今后用于維護(hù)檢修的工作量相應(yīng)增加。

如何減少現(xiàn)場安裝、接線和調(diào)試的工作量，提高控制系統(tǒng)的可靠性，并盡量節(jié)省維護(hù)檢修的人力成本和時(shí)間成本，這些都是設(shè)計(jì)人員在方案制定中需要考慮的問題。

對(duì)此，筆者在某熱電廠的化學(xué)水處理控制系統(tǒng)中，嘗試應(yīng)用總線型閥島的技術(shù)。事實(shí)證明，總線式閥島在化水程控中的應(yīng)用能有效提高電廠化學(xué)水處理過程自動(dòng)化控制的可靠性、減少故障率、降低生產(chǎn)維護(hù)成本、明顯提高生產(chǎn)運(yùn)行效率。該工程從2005年投運(yùn)至今，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠。

1.1 工程概況和控制規(guī)模

該工程化水處理系統(tǒng)采用常規(guī)的過濾器+陽床+陰床+混床的工藝方式，制水控制采用程序化全自動(dòng)控制。整個(gè)設(shè)計(jì)規(guī)模為每小時(shí)制二級(jí)除鹽水量為400 t的化學(xué)水處理系統(tǒng)。其中，主要設(shè)備有9臺(tái)活性炭過濾器、3臺(tái)浮動(dòng)床陽離子交換器、3個(gè)中間水箱、3臺(tái)中間水泵、3臺(tái)雙室浮動(dòng)床陰離子交換器、3臺(tái)混合離子交換器、2個(gè)1000 m3的除鹽水箱、5臺(tái)除鹽水泵、2臺(tái)再生水泵、2臺(tái)反洗水泵和3臺(tái)清水泵，以及與本系統(tǒng)相配套的酸堿儲(chǔ)罐、廢堿池、廢酸池、中和池、酸堿泵、廢液泵等。系統(tǒng)采用母管制運(yùn)行方式。

1.2 主要控制對(duì)象

1.2.1 活性炭過濾器系統(tǒng)

每臺(tái)活性炭過濾器配有6個(gè)控制閥門。在活性炭過濾器自動(dòng)運(yùn)行中需要程序控制的對(duì)象有進(jìn)水門、出水門、反洗進(jìn)水門、反洗排水門、正洗排水門、排氣門、反洗水泵和清水泵。

1.2.2 浮動(dòng)床陽離子交換器系統(tǒng)

每臺(tái)浮動(dòng)床陽離子交換器配有7個(gè)控制閥門。在浮動(dòng)床陽離子交換器自動(dòng)運(yùn)行中，需要程序控制的對(duì)象有進(jìn)水門、出水門、酸液進(jìn)口門、再生廢液排液門、排水門、再生清洗門、放空氣門、噴射器進(jìn)酸門、噴射器進(jìn)水門、計(jì)量箱進(jìn)液門、酸液池進(jìn)水閥、中和池進(jìn)水閥、再生水泵和清水泵。

1.2.3 雙室浮動(dòng)床陰離子交換器系統(tǒng)

每臺(tái)雙室浮動(dòng)床陰離子交換器配有7個(gè)控制閥門。在雙室浮動(dòng)床陰離子交換器自動(dòng)運(yùn)行中，需要程序控制的對(duì)象有進(jìn)水門、出水門、堿液進(jìn)口門、再生廢液排液門、排水門、再生清洗門、放空氣門、噴射器進(jìn)堿門、噴射器進(jìn)水門、計(jì)量箱進(jìn)液門、堿液池進(jìn)水閥、中和池進(jìn)水閥、再生水泵和中間水泵。

1.2.4 混合離子交換器系統(tǒng)

每臺(tái)混合離子交換器配有11個(gè)控制閥門。在混合離子交換器自動(dòng)運(yùn)行中，需要程序控制的對(duì)象有進(jìn)水門、出水門、壓縮空氣進(jìn)口門、反洗進(jìn)水門、反洗排水門、正洗出口門、堿液進(jìn)口門、中部排水門、酸液進(jìn)口門、放空氣門、放水門、噴射器進(jìn)堿門、計(jì)量箱進(jìn)堿門、噴射器進(jìn)酸門、噴射器進(jìn)水門、計(jì)量箱進(jìn)酸門、中和池進(jìn)水門和中間水泵。

1.2.5 各類水泵和風(fēng)機(jī)

每臺(tái)中間水箱帶有除碳風(fēng)機(jī)，5臺(tái)除鹽水泵配有2臺(tái)變頻器。其中一臺(tái)泵為定壓運(yùn)行，另4臺(tái)泵兩兩合用一個(gè)變頻器。

水箱的3個(gè)中間水泵共配有2個(gè)變頻器。其中，1#中間水泵單獨(dú)使用1個(gè)變頻器，2#和3#中間水泵合用一個(gè)變頻器。

1.3 控制要求及控制方案

1.3.1 控制要求

化水控制系統(tǒng)采用集中順序控制的方式，完成對(duì)化水處理系統(tǒng)的控制?？刂剖也辉O(shè)后備儀表及操作按鈕，運(yùn)行人員通過DCS操作站實(shí)現(xiàn)集中監(jiān)控。

1.3.2 控制方案

經(jīng)統(tǒng)計(jì)，整個(gè)化水系統(tǒng)實(shí)際I/O為865點(diǎn)，其中與電磁閥控制相關(guān)的I/O為575點(diǎn)。若考慮15%的備用，則需要為化水程控實(shí)際配置的I/O為995點(diǎn)。

就地化水控制室設(shè)有全廠DCS遠(yuǎn)程操作員站和控制站。整個(gè)化水控制系統(tǒng)除了自動(dòng)聯(lián)鎖控制外，還能通過操作員站的鍵盤或鼠標(biāo)分別對(duì)每個(gè)閥門和水泵進(jìn)行遙控。對(duì)于合用變頻器的水泵，可通過操作員站的鍵盤和鼠標(biāo)操作，確定各臺(tái)水泵的運(yùn)行方式。

從運(yùn)行操作的習(xí)慣和維護(hù)便利性考慮，在水處理間、水泵間、酸堿噴射器間、酸堿儲(chǔ)存間和廢液泵間分別設(shè)有就地電磁閥箱。

2 控制系統(tǒng)配置方案比較

傳統(tǒng)的化水程控系統(tǒng)配置有以下兩種方案。

①選用帶電磁閥的氣動(dòng)薄膜閥，由PLC直接控制，氣動(dòng)薄膜閥的位置反饋信號(hào)和電磁閥的驅(qū)動(dòng)信號(hào)直接連接到PLC控制柜。

②將電磁閥相對(duì)集中地安裝于電磁閥箱，氣動(dòng)薄膜閥的位置反饋信號(hào)先傳送到就近的電磁閥箱，由電磁閥箱匯總位置反饋信號(hào)和電磁閥的驅(qū)動(dòng)信號(hào)后再送PLC機(jī)柜。

將總線式閥島引入化水程控后，又增加了一種方案的選擇。本節(jié)主要針對(duì)在工程設(shè)計(jì)中常用的方案②與總線式閥島+DCS方案(以下簡稱方案③)作技術(shù)比較。

2.1 采用電磁閥箱方案

根據(jù)上述控制要求，在水處理間、水泵間、酸堿噴射器間、酸堿儲(chǔ)存間和廢液泵間通常應(yīng)分別設(shè)有就地電磁閥箱，共計(jì)13個(gè)，其控制系統(tǒng)的連接如圖1所示。

圖1 化學(xué)水處理控制系統(tǒng)(電磁閥箱)Fig.1 Chemical water treatment control system(solenoid valve box)

每個(gè)電磁閥箱內(nèi)分別裝有若干電磁閥，通過安裝于每個(gè)電磁閥箱內(nèi)的接線端子，與DCS遠(yuǎn)程控制站的I/O相連。在電磁閥箱上設(shè)有能控制每個(gè)電磁閥的開關(guān)，只有當(dāng)電源和氣源都存在時(shí)，才能通過操作此旋鈕，完成對(duì)氣動(dòng)薄膜閥的控制。

當(dāng)采用方案②時(shí)，對(duì)單個(gè)氣動(dòng)薄膜閥的控制及反饋信息流程為:DCS指令→DCS機(jī)柜輸出端子→常規(guī)電磁閥箱輸入端子→箱內(nèi)的電磁閥控制回路→現(xiàn)場的氣動(dòng)薄膜閥→氣動(dòng)薄膜閥的位置反饋→常規(guī)電磁閥箱輸入端子→箱內(nèi)電磁閥控制回路→常規(guī)電磁閥箱輸出端子→DCS機(jī)柜輸入端子→DCS運(yùn)算程序。

對(duì)與氣動(dòng)薄膜閥控制密切相關(guān)的、其位置又位于電磁閥箱附近的測點(diǎn)，可以將信號(hào)匯總至常規(guī)電磁閥箱，以減少由現(xiàn)場直接傳送到化水控制室的電纜數(shù)量。但這樣做只是將多根兩芯電纜轉(zhuǎn)換為一根多芯電纜，信號(hào)匯集的作用并未減少電纜芯的總數(shù)。

常規(guī)電磁閥箱對(duì)上有一個(gè)氣源接口、一排電源接線端子、一排與DCS的輸入/輸出信號(hào)對(duì)接的信號(hào)端子，對(duì)下有至各個(gè)氣動(dòng)薄膜閥的氣口、對(duì)閥門位置信號(hào)和測點(diǎn)信號(hào)的采集輸入端子。

電磁閥箱與DCS之間通過出線端子和控制電纜相連，電纜總芯數(shù)與閥門位置信號(hào)和測點(diǎn)信號(hào)數(shù)量有關(guān)。

2.2 采用總線式閥島方案

采用總線式閥島(數(shù)量同樣為13個(gè))，其控制系統(tǒng)的連接如圖2所示。

圖2 化學(xué)水處理控制系統(tǒng)(總線式閥島)Fig.2 Chemical water treatment control system(bus type valve terminal)

每個(gè)閥島根據(jù)需要分別配有兩位三通或兩位五通總線型電磁閥和總線式I/O卡?？偩€式I/O不僅能夠用于采集氣動(dòng)薄膜閥的位置信號(hào)，還能用于采集測點(diǎn)位置位于閥島附近且與氣動(dòng)薄膜閥控制密切的相關(guān)測點(diǎn)信號(hào)。

每個(gè)總線式閥島對(duì)上有一個(gè)氣源接口、一個(gè)電源接口和一個(gè)總線接口，對(duì)下有至各個(gè)氣動(dòng)薄膜閥的氣口以及閥門位置反饋信號(hào)和測點(diǎn)信號(hào)的I/O采集口。閥島不僅具有遠(yuǎn)程I/O功能，還具有氣動(dòng)薄膜閥氣源控制的功能，它能通過Profibus-DP通信接口，將DCS對(duì)氣動(dòng)薄膜閥的控制指令直接轉(zhuǎn)換為控制氣動(dòng)薄膜閥的氣動(dòng)信號(hào)，省略了中間轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)(DCS指令通過DO卡件帶動(dòng)繼電器，由繼電器控制電磁閥箱中的電磁閥，再由電磁閥控制氣動(dòng)薄膜閥)，大大增強(qiáng)了控制系統(tǒng)的可靠性。

由于總線式閥島本身具有Profibus-DP通信接口，因此它摒棄了傳統(tǒng)的輸入輸出電纜的連接方式，僅僅采用DP總線連接，使大量的輸入輸出電纜被簡潔的通信總線所替代。13個(gè)總線式閥島僅通過DP總線與DCS遠(yuǎn)程控制站的Profibus-DP通信接口相連，即能滿足控制要求。

采用方案③后，對(duì)單個(gè)氣動(dòng)薄膜閥的控制及反饋信息流程為:DCS的Profibus-DP輸出指令→閥島的Profibus-DP通信接口→閥島的總線型閥→現(xiàn)場的氣動(dòng)薄膜閥;氣動(dòng)薄膜閥位置反饋信號(hào)→閥島的總線式I/O→閥島的Profibus-DP通信接口→DCS的Profibus-DP輸入指令。

綜上所述，只要通過通信，DCS系統(tǒng)就可以操控閥島動(dòng)作并采集其反饋信號(hào)。

由于閥島本身的每個(gè)閥片都設(shè)有就地手動(dòng)控制旋鈕，當(dāng)系統(tǒng)失電時(shí)，只要還有氣源，就能通過人工操作閥島的每個(gè)閥片上的旋鈕，完成對(duì)各個(gè)氣動(dòng)薄膜閥的開關(guān)控制。

比較圖1和圖2不難看出，采用方案③的接線更為簡潔。

3 現(xiàn)場安裝工作接線量的比較

在整個(gè)化水控制系統(tǒng)中，調(diào)節(jié)型和開關(guān)型的氣動(dòng)薄膜閥共計(jì)有165個(gè)，其中54個(gè)為調(diào)節(jié)型。與氣動(dòng)薄膜閥控制相關(guān)的I/O為575點(diǎn)，約占總控制I/O點(diǎn)數(shù)的66.5%。若采用方案②，其中121個(gè)開關(guān)型閥需要121個(gè)電磁閥控制。121個(gè)開關(guān)閥的位置DI信號(hào)為121×2=242點(diǎn)，54個(gè)調(diào)節(jié)閥的閥位AI/AO信號(hào)有54×2=108點(diǎn)，調(diào)節(jié)閥還配有開/關(guān)到位的DI信號(hào)有54×2=108點(diǎn)。此外，有16個(gè)由于位置距離DCS機(jī)柜較遠(yuǎn)而離某個(gè)閥島(或電磁閥箱)較近的測點(diǎn)。這些測點(diǎn)可以由閥島的I/O卡采集或由電磁閥箱匯總至DCS。因此，13個(gè)電磁閥箱共計(jì)有I/O信號(hào)474點(diǎn)，每點(diǎn)需2個(gè)端子，故需要端子數(shù)為474×2=948個(gè)。

方案②和方案③的現(xiàn)場施工接線比較如表1所示。

表1 施工接線比較Tab.1 The comparison of wirings in construction

從表1可以看出，方案③優(yōu)于方案②。

4 結(jié)束語

經(jīng)過比較，進(jìn)一步明確了總線式閥島在電廠化水程控中應(yīng)用的優(yōu)越性。它簡化了設(shè)計(jì)工作量，減少了DCS系統(tǒng)的I/O模塊數(shù)量，需要接線的端子數(shù)量僅為電磁閥箱方案的39.4%，因而也較大程度上節(jié)省了電纜、電纜橋架等安裝材料，使實(shí)際現(xiàn)場控制電纜可減少60%，電纜橋架減少50%［6］。據(jù)該工程的安裝公司現(xiàn)場反饋，采用總線式閥島方案的安裝工作量是常規(guī)電磁閥箱方案的1/3。

總線式閥島方案不僅簡化了電磁閥、傳感器等電纜的接線工作，使現(xiàn)場布線簡化，省去了中間轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，提高了可靠性，更重要的是提高了它的故障自診斷能力［7］，為設(shè)備管理數(shù)字化創(chuàng)造了條件。但對(duì)那些數(shù)量很少且分散的氣動(dòng)閥門場合，應(yīng)用總線式閥島的方案并不經(jīng)濟(jì)［8］。

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