低溫多效蒸餾海水淡化控制系統(tǒng)的實現(xiàn)

曲徑幽

(首鋼京唐鋼鐵公司能源與環(huán)境部 河北唐山 063200)

1 海水淡化主體工藝流程

海水淡化的基本過程是海水在真空下的蒸餾（低溫蒸發(fā)），蒸發(fā)器內(nèi)換熱管束水平布置，蒸汽在管內(nèi)冷凝放熱，進料海水噴淋至管束頂部，呈膜狀向下流動并吸熱部分蒸發(fā)，因此裝置稱為低溫多效蒸發(fā)器。裝置中低溫蒸發(fā)獨立發(fā)生的一段稱為一效，共七效，第一效為最熱效，第七效為最低溫效。蒸發(fā)器內(nèi)第七效后布置一管式冷凝器，其中海水走管側(cè)升溫但不產(chǎn)生蒸發(fā)，蒸汽走殼側(cè)發(fā)生冷凝。運行時進入裝置介質(zhì)為蒸汽、海水，系統(tǒng)排出介質(zhì)為濃鹽水、冷凝水及成品水，主要工藝流程見圖1 低溫多效海水淡化流程示意圖。

2 控制系統(tǒng)設(shè)計原則

控制系統(tǒng)的設(shè)計是以海水淡化工藝特點和應(yīng)用要求為主要依據(jù)，本著從滿足生產(chǎn)的實際需要出發(fā)，我們立足于建設(shè)高度集成自動化系統(tǒng)的宗旨，在帶熱蒸汽壓縮低溫多效海水淡化生產(chǎn)過程自動化系統(tǒng)的設(shè)計中，堅持著如下原則：

2.1 可靠性

對工業(yè)控制系統(tǒng)最基本的要求就是可靠性高。一旦系統(tǒng)出現(xiàn)故障，將造成整個控制過程的混亂，引起嚴(yán)重的后果，由此造成的損失往往大于控制系統(tǒng)本身的價值[1]。

2.2 實用性

實用性好包括三個含義，既使用方便又要便于維護，同時還能夠最大限度地滿足實際工作要求。對于本套自動控制系統(tǒng)的軟硬件設(shè)備選型、系統(tǒng)配置、人機操作設(shè)計等方面，在滿足生產(chǎn)、管理功能及可靠性需求的前提下，均采用了性能/價格比較優(yōu)的產(chǎn)品與裝置系統(tǒng)。

2.3 通用性

整個控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)具有較好的標(biāo)準(zhǔn)性、開放性與互連性，易于擴展和未來升級，以便使其與快速發(fā)展的自動化及信息化技術(shù)保持同步。在系統(tǒng)設(shè)計時，各設(shè)計指標(biāo)要留有一定的余量，為日后系統(tǒng)的擴充創(chuàng)造了有利的條件[1]。

3 海水淡化控制系統(tǒng)的實現(xiàn)

3.1 海水淡化主體的控制系統(tǒng)硬件組成

圖1 低溫多效海水淡化流程示意圖

（1）可編程序邏輯控制器（PLC）的配置

按照對控制系統(tǒng)高可靠性、實用性及通用性與易維護性的需要，海水淡化主體控制系統(tǒng)采用現(xiàn)今較先進的西門子公司S7-400 系列中的414H，搭配ET200M 分布式遠(yuǎn)程I/O 系統(tǒng) 和Y-LINK 組成了主體的自控系統(tǒng)[2]。每個主體由兩套PLC 柜組成，系統(tǒng)包括一套冗錯功能的西門子CPU414-4-2H，兩個PS407 電源模塊，3 個32 點數(shù)字量輸入模塊6ES7 321 -1BL00 -0AA0，8 個 通 信 模 塊6ES7 153 -2AR03-0XA0，2 個32 點數(shù)字量輸出模塊6ES7 322-1BL00-0AA0,3 個8 點數(shù)字量輸出模塊6ES7 331-5FF00-0AB0,11 個8 點模擬量輸入模塊6ES7 331-7KF02-0AB0,6 個4 點模擬量輸出模塊6ES7 332-5HD01-0AB0 組成，I/O 點數(shù)的對照表見表1。

表1 模塊的類型和數(shù)量

（2）操作員站和工程師站的配置

操作員站是海水淡化廠的監(jiān)測與控制中心，具有數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)恢復(fù)、圖形顯示、參數(shù)處理、報警及打印等功能。配備21 英寸彩色液晶顯示器（LCD）。整個控制系統(tǒng)設(shè)運行配置組態(tài)相同的兩套操作員站，互為備用，即操作人員可以在任一臺操作員站上監(jiān)測與控制整個系統(tǒng)。當(dāng)一臺操作員站故障時，整套系統(tǒng)的操作、監(jiān)測與控制不受影響。操作員站采用ABB 工業(yè)計算機。

配備1 臺工程師站。工程師站的功能包括現(xiàn)場編程、調(diào)試和數(shù)據(jù)管理等，工程師站是承擔(dān)從系統(tǒng)開發(fā)到系統(tǒng)保養(yǎng)等工程技術(shù)工作的多功能站，工程師站具有與操作員站一樣操作運行的畫面，在操作員站故障時，可代替操作員站使用。

（3）通訊設(shè)備的配置

考慮到與海水淡化整個系統(tǒng)的聯(lián)網(wǎng)，每套海水淡化主體配備一臺德國赫斯曼公司的RS20-0800M2M2SDAUHC 交換機一臺，具備4 個光口和6個電口，用于與工程師站、操作員站、兩套主體之間相互通訊。同時為了實現(xiàn)與低壓電氣系統(tǒng)的通訊，每套主體配備一個ANYBUS 網(wǎng)關(guān)，主要用來DP 網(wǎng)與低壓電氣系統(tǒng)DeviceNet 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議轉(zhuǎn)換，確保PLC與電氣低壓系統(tǒng)MCC 之間的網(wǎng)絡(luò)通訊暢通。

3.2 海水淡化主體控制系統(tǒng)軟件平臺

3.2.1 監(jiān)控軟件平臺

在選擇海水淡化主體上下位軟件時，考慮到與硬件系統(tǒng)的兼容性及維護人員對軟件的熟習(xí)程度，上位監(jiān)控軟件選擇了西門子公司SIMATIC WinCC 6.0 系統(tǒng)。WinCC 是在生產(chǎn)和過程自動化中解決可視化和控制任務(wù)的工業(yè)技術(shù)系統(tǒng)，它提供了適用于工業(yè)的圖形顯示、消息、歸檔以及報表的功能模塊。高性能的過程耦合、快速的畫面更新、以及可靠的數(shù)據(jù)使其具有高度的實用性。采用WINCC 6.0 作為上位監(jiān)控軟件既能滿足控制功能的需要，又與西門子S7-400H 系統(tǒng)相匹配，同時維護人員對該軟件掌握的比較熟練，便于維護[3]。

3.2.2 編程軟件平臺

在編程軟件的選擇上，要求與監(jiān)控軟件要求一樣，既要與硬件系統(tǒng)相匹配，又要選擇維護人員熟習(xí)，便于掌握的編程軟件，編程軟件采用STEP7 V5.4，STEP7 是針對西門子S7-300/400 的組態(tài)和編程軟件。它能完成基礎(chǔ)自動化部分的功能，對應(yīng)于控制系統(tǒng)的現(xiàn)場級和車間級。在首鋼各生產(chǎn)廠中得到廣泛的應(yīng)用，可使用梯形圖邏輯、功能塊圖和語句表進行編程操作。

3.3 海水淡化的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

海水淡化區(qū)域主要由海水淡化主體，供配電系統(tǒng)、海水淡化預(yù)處理及加藥系統(tǒng)以及泥處理等四部分。通過對星型、環(huán)形、雙星型和雙環(huán)形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)優(yōu)缺點比較（見表2），確定了海水淡化區(qū)域選擇環(huán)型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，為了便于網(wǎng)絡(luò)管理，各個系統(tǒng)的交換機進行統(tǒng)一選型，各個分系統(tǒng)的交換機均選擇德國赫斯曼公司的RS20-0800M2M2SDAUHC 交換機一臺，用于連接能源中心的交換機選擇德國赫斯曼公司可擴展的模塊化交換機MS20 系列，交換機由MS20-2400、MM2-4TX1 和MM3-4FXM2 三個模塊組成。海水淡化區(qū)域網(wǎng)絡(luò)見圖2。

表2 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)優(yōu)缺點

圖2 海水淡化區(qū)域網(wǎng)絡(luò)圖

4 結(jié)束語

海水淡化控制系統(tǒng)是一個涉及設(shè)備較多、控制種類復(fù)雜的控制系統(tǒng)，綜合運用了通信、網(wǎng)絡(luò)、PLC、工業(yè)控制機、模糊控制、智能檢測及自動控制等現(xiàn)代化信息和控制技術(shù)，實現(xiàn)對整個海水淡化生產(chǎn)過程的高度集成自動化控制。自從投入使用以來，生產(chǎn)運行平穩(wěn)可靠，自動化控制效果良好，提高了生產(chǎn)效率、降低運行成本和勞動強度，取得了顯著的經(jīng)濟效益和社會效益。

[1]郭巧菊.計算機分散控制系統(tǒng)[M]，北京：中國電力出版社，2008，33-35.

[2]陳章平.西門子S7-300/400 PLC 控制系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用[M]，北京：清華大學(xué)出版社2008，46-58.

[3]劉華波等.組態(tài)軟件WINCC 及其應(yīng)用[M]，北京：機械工業(yè)出版社，2009，77-81.