海水淡化減溫減壓站自動控制系統(tǒng)研究及改進

曹美杰，孫靜，曲徑幽

（首鋼京唐鋼鐵聯(lián)合有限責(zé)任公司，河北唐山063200）

海水淡化減溫減壓站自動控制系統(tǒng)研究及改進

曹美杰，孫靜，曲徑幽

（首鋼京唐鋼鐵聯(lián)合有限責(zé)任公司，河北唐山063200）

主要對海水淡化減溫減壓站自動化控制系統(tǒng)進行了研究和分析，通過生產(chǎn)實踐找出此控制系統(tǒng)存在的缺陷和不足，并且結(jié)合現(xiàn)場實際情況采取措施對該控制系統(tǒng)硬件和軟件兩方面做了改進和完善，從而消除了隱患，保證了公司的除鹽水用水安全，對公司的節(jié)能減排和降本增效具有重要意義。

海水淡化；減溫減壓；控制系統(tǒng)；改進

1 引言

首鋼京唐公司海水淡化[1]二步工程主要包括兩個海淡主體U3、U4和減溫減壓站系統(tǒng)。其中，減溫減壓站功能主要是對我公司蒸汽管網(wǎng)送來的一次蒸汽的壓力、溫度進行減溫減壓調(diào)節(jié)后，使其二次蒸汽壓力、溫度達到海淡主體生產(chǎn)工藝所需的要求。經(jīng)過調(diào)節(jié)后的二次蒸汽主要為海水淡化主體中海水的蒸發(fā)提供熱源，同時維持海水淡化主體真空度，從而順利生產(chǎn)出我公司主工序生產(chǎn)所需要的蒸餾水。所以減溫減壓站的穩(wěn)定運行對整個海水淡化乃至整個公司的穩(wěn)定生產(chǎn)具有重要作用。

2 減溫減壓站工藝流程及主要參數(shù)

2.1 工藝流程

海水淡化減溫減壓站工藝流程如圖1所示。自蒸汽管網(wǎng)輸送過來的一次蒸汽經(jīng)減溫減壓站對其進行壓力和溫度調(diào)節(jié)達到海淡主體工藝要求后分別送給海淡主體U3和U4。其中，一次蒸汽和二次蒸汽分別安裝有壓力溫度儀表。以海水淡化U4主體為例，其二次蒸汽壓力調(diào)節(jié)是通過主蒸汽調(diào)節(jié)閥WM04V4和旁路蒸汽調(diào)節(jié)閥WM04V2調(diào)節(jié)來實現(xiàn)；二次蒸汽溫度調(diào)節(jié)是通過減溫水調(diào)節(jié)閥WC04V1控制減溫水量來實現(xiàn)；主路和旁路上的開關(guān)閥能夠進一步直接控制蒸汽的通斷，尤其在檢修時起到安全隔離作用；U3二次蒸汽調(diào)節(jié)與U4同理。減溫水泵出口設(shè)有壓力測點，通過變頻水泵的頻率調(diào)節(jié)來維持減溫水的壓力恒定。

2.2 主要參數(shù)

從圖1可以看出，海淡雙減站涉及到的測點主要有來自管網(wǎng)的一次蒸汽壓力和溫度和經(jīng)過減溫減壓后二次蒸汽壓力和溫度，主要工藝參數(shù)標準如下表1所示。其中二次蒸汽的壓力和溫度是重點控制對象。

表1 主要工藝參數(shù)標準

圖1 減溫減壓站流程圖

3 自動控制系統(tǒng)構(gòu)成

3.1 控制思想

減溫減壓站二次蒸汽的溫度和壓力的調(diào)節(jié)和穩(wěn)定是利用PID控制[2]思想通過典型的單閉環(huán)控制系統(tǒng)來實現(xiàn)的，控制系統(tǒng)框圖如下圖2所示。

圖2 單閉環(huán)控制系統(tǒng)框圖

（1）對于控制對象二次蒸汽壓力來說，其對應(yīng)的執(zhí)行機構(gòu)為蒸汽調(diào)節(jié)閥（在實際生產(chǎn)中，主蒸汽調(diào)節(jié)閥起粗調(diào)作用，一般處于手動運行狀態(tài)，旁路調(diào)節(jié)閥起細調(diào)作用，一般處于自動運行狀態(tài)），測量元件為壓力傳感器和變送器；壓力的設(shè)定值sp(n)與壓力的測量反饋值pv(n)比較后得到誤差信號ev(n)，再經(jīng)PID控制器調(diào)節(jié)后得到控制信號最終以4～20 mA的模擬控制信號送給執(zhí)行機構(gòu)蒸汽調(diào)節(jié)閥，通過壓力調(diào)節(jié)閥閥位的控制來實現(xiàn)二次蒸汽壓力的穩(wěn)定并與壓力設(shè)定值一致。

（2）對于控制對象二次蒸汽溫度，其對應(yīng)的執(zhí)行機構(gòu)為減溫水調(diào)節(jié)閥，測量元件為溫度傳感器和變送器；二次蒸汽溫度的控制思想與上面二次蒸汽壓力相同。

（3）在二次蒸汽溫度的調(diào)節(jié)控制過程中，減溫水的壓力調(diào)節(jié)也是一個重要控制對象，以保證蒸汽的減溫效果。減溫水的壓力一般應(yīng)保持在0.7 MPa左右，壓力的穩(wěn)定是通過將PID控制器調(diào)節(jié)后的控制信號送給執(zhí)行機構(gòu)變頻器，變頻器將控制信號對應(yīng)的頻率送給變頻泵來控制變頻泵電機的轉(zhuǎn)速，最終使減溫水壓力穩(wěn)定在設(shè)定值0.7 MPa左右。

3.2 控制系統(tǒng)構(gòu)成及實現(xiàn)

（1）硬件構(gòu)成及實現(xiàn)

圖2中的虛線框中的控制功能就是通過PLC控制系統(tǒng)來實現(xiàn)的。PLC控制系統(tǒng)的硬件控制網(wǎng)絡(luò)示意圖如下圖3所示。從圖3中可以看出，海淡主體U3、U4分別使用的是西門子S7-400PLC[3](通信模塊采用CP443-1)，主控室設(shè)有2個操作員站和1個工程師站，主要負責(zé)對海淡主體設(shè)備和雙減站設(shè)備進行集中監(jiān)控和操作控制；雙減站使用的是西門子S7-200PLC（通信模塊采用CP243-1），負責(zé)對雙減站測點和控制點進行信號采集處理，同時將信號通過以太網(wǎng)傳給海淡主體S7-400PLC處理使用，并且在主控室上位機能夠準確顯示。

圖3 PLC控制系統(tǒng)示意圖

（2）軟件實現(xiàn)

S7-400 PLC和S7-200PLC下位編程使用的軟件分別是STEP7 v5.4和Micro WIN v4.0，主控室上位軟件使用的是WINCC v6.0。雙減站二次蒸汽壓力、溫度和減溫水壓力的自動調(diào)節(jié)使用的PID程序模塊是在S7-200PLC中編程實現(xiàn)的，儀表反饋信號輸送給S7-200PLC與程序中設(shè)定值比較經(jīng)過PID程序處理后發(fā)出控制信號給現(xiàn)場執(zhí)行器使其動作，從而實現(xiàn)壓力、溫度的自動調(diào)節(jié)和穩(wěn)定。雙減站和海淡主體的聯(lián)鎖動作程序是在海淡主體S7-400PLC編程實現(xiàn)的，雙減站S7-200PLC將聯(lián)鎖點信號通過以太網(wǎng)傳到S7-400PLC后，S7-400PLC收到聯(lián)鎖點信號進行程序處理，如果聯(lián)鎖點信號達到聯(lián)鎖值，聯(lián)鎖程序就會將聯(lián)鎖動作命令再通過以太網(wǎng)傳給S7-200PLC，S7-200PLC對聯(lián)鎖信號處理后直接通過信號電纜發(fā)送給現(xiàn)場對應(yīng)的執(zhí)行器從而實現(xiàn)聯(lián)鎖動作，保證設(shè)備的生產(chǎn)運行安全。

3.3 控制系統(tǒng)缺陷

從設(shè)計到施工調(diào)試整個過程來說，該減溫減壓站S7-200PLC控制系統(tǒng)設(shè)計簡潔合理，并且易于實現(xiàn)，調(diào)試也比較順利，并且與海淡主體S7-400PLC實現(xiàn)了很好的通信銜接，也給整個海淡二步的調(diào)試和投運帶來了方便，雙減站也于2010年10月份隨海淡主體U3、U4正式投運生產(chǎn)。

但是，經(jīng)過2011年一年左右的實際生產(chǎn)運行，該控制系統(tǒng)存在的問題和隱患也慢慢的暴露出來：（1）兩套海淡主體對應(yīng)雙減站的設(shè)備的控制全都由同一套S7-200PLC來控制，一旦200PLC控制系統(tǒng)出現(xiàn)問題會影響雙減站所有設(shè)備進而會導(dǎo)致兩套海淡主體全部停運。并且只有海水淡化U3、U4兩套主體全停的情況下，才能對雙減站控制系統(tǒng)進行檢修。（2）該系統(tǒng)從設(shè)計之初就沒有備用點，一旦S7-200PLC某一個信號通道出現(xiàn)故障就需要對整個模塊進行更換，這也必會影響到整套系統(tǒng)的正常運行和生產(chǎn)。這些缺陷給我公司的除鹽水用水安全帶來嚴重隱患，所以必須盡快盡早制定技術(shù)改造方案，消除隱患，保證我公司正常生產(chǎn)所需除鹽水用水安全。

4 控制系統(tǒng)改進完善

鑒于以上缺陷隱患，結(jié)合我公司2012年9月份全系統(tǒng)停運檢修安排，決定利用這個難得的U3、U4全部停運檢修機會對海淡二步雙減站控制系統(tǒng)實施控制分離改造工作。

4.1 硬件系統(tǒng)改進

根據(jù)制定好的技術(shù)改造方案，決定將二步雙減站S7-200PLC控制系統(tǒng)硬件設(shè)備全部取消，利用U3、U4控制系統(tǒng)現(xiàn)有的備用硬件資源，直接將兩海淡主體對應(yīng)的雙減站設(shè)備的控制引入到相應(yīng)的S7-400PLC系統(tǒng)中，以實現(xiàn)U3、U4各主體PLC對雙減站相應(yīng)設(shè)備的獨立控制，互不影響。改造后的硬件系統(tǒng)如下圖4所示。

圖4 改造完善后硬件網(wǎng)絡(luò)

由圖4可以看出，雙減站對應(yīng)U3、U4的設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控和控制信號的輸入和輸出全都由S7-400PLC來實現(xiàn)，控制系統(tǒng)進一步簡化，雙減站控制的分離使得U3、U4主體運行獨立性更強，同時也減少了設(shè)備故障點，便于以后的硬件設(shè)備維護。

4.2 軟件系統(tǒng)完善

與硬件系統(tǒng)改造相對應(yīng)，與海水淡化主體U3、U4對應(yīng)的減溫減壓站的設(shè)備的控制程序包括二次蒸汽溫度和壓力的PID控制和調(diào)節(jié)程序等也都分別由U3、U4的S7-400PLC來編程實現(xiàn)。即U3、U4對應(yīng)雙減站的二次蒸汽溫度和壓力的調(diào)節(jié)和相關(guān)調(diào)節(jié)閥的控制全都由各自的S7-400PLC來實現(xiàn)，軟件編程和控制上也實現(xiàn)了完全獨立，互不影響，這也更為U3、U4主體獨立運行提供了保證，也為雙減站的穩(wěn)定運行，更好的服務(wù)于海淡主體的生產(chǎn)提供了保證。

4.3 改進效果

本海水淡化減溫減壓站控制系統(tǒng)自2012年9月實施完成技術(shù)改進后投運至今，沒有出現(xiàn)過一次設(shè)備運行故障，徹底消除了原來控制系統(tǒng)存在的隱患，而且對二次蒸汽的壓力和溫度的調(diào)節(jié)效果更加準確穩(wěn)定，下圖5是改造完成后10月份到11月份減溫減壓站一次蒸汽和二次蒸汽的溫度和壓力趨勢圖，上面兩條曲線分別是一次蒸汽的壓力和溫度運行趨勢，下面四條曲線分別是進U3、U4的二次蒸汽的壓力和溫度的運行趨勢。從圖中可以看到二次蒸汽壓力和溫度基本控制在0.3 MPa、150℃左右且非常穩(wěn)定。

圖5 改進后雙減站溫度、壓力運行趨勢圖

雙減站控制系統(tǒng)的控制分離改造進一步優(yōu)化了整個海淡二步的控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了海淡U3、U4主體PLC對雙減站相應(yīng)設(shè)備的單獨控制，這不僅為以后U3、U4主體的單獨檢修帶來方便，而且更保證了海淡主體U3、U4運行的獨立性和穩(wěn)定性，為我公司除鹽水用水安全提供了保證，同時更換下來的S7-200PLC控制設(shè)備可以重新利用，這都對我公司的增收節(jié)支和降本增效具有重要意義。

[1]趙國華等.海水淡化工程技術(shù)與工藝[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2012.04

[2]胡壽松.自動控制原理[M].北京：科學(xué)出版社，2007.06

[3]廖常初.S7-300/400PLC應(yīng)用技術(shù)[M].北京：機械工業(yè)出版社，2008.09.

Research and Improvement Automatic Control System of Temperature and Pressure Reducing Station of Sea Water Desalination

CAO Mei-jie,SUN Jing,QU Jing-you
(Shougang Jingtang Iron&Steel United Co.,Ltd.,Tangshan,Hebei 063200,China)

The control system of temperature and pressure reducing station of sea water desalination is researched and analyzed.The defects and shortcomings in the control system found out by production practice.Based on the actual situation,the automatic control system is improved from the hardware and the software to eliminate the hidden trouble.It ensures use safety of the company’s desalinated water and has important significance in energy saving and consumption reducing and cost decreasing and benefit increasing.

sea water desalination;temperature and pressure reducing;control system; improvement

TP273

B

1006-6764（2013）07-0073-05

2012-12-18

曹美杰（1983-），男，畢業(yè)于安徽工業(yè)大學(xué)電氣信息學(xué)院自動化專業(yè)，大學(xué)本科學(xué)歷，助理工程師，現(xiàn)從事自動化專業(yè)管理工作。