SIMATIC PCS7系統(tǒng)在大化熱電廠化學(xué)水處理中的應(yīng)用

王 巍

（西門子（中國(guó)）有限公司大連分公司，遼寧 大連116023）

0 引言

化學(xué)水處理系統(tǒng)是熱電生產(chǎn)非常重要的一部分，確?；瘜W(xué)水處理設(shè)備可靠運(yùn)行和補(bǔ)給水質(zhì)量對(duì)熱電廠的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行起著至關(guān)重要的作用。熱電廠的水汽系統(tǒng)運(yùn)行質(zhì)量不佳，可能造成鍋爐爆管、動(dòng)力設(shè)備腐蝕與結(jié)垢等事故，對(duì)機(jī)組的安全和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行造成直接威脅。本文簡(jiǎn)要介紹了基于西門子PCS7的熱電廠化學(xué)水處理控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)化學(xué)水處理系統(tǒng)水汽品質(zhì)的精確控制，并且減輕了運(yùn)行勞動(dòng)強(qiáng)度及維護(hù)工作量，達(dá)到了提高生產(chǎn)效率、確保安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的要求。

1 化學(xué)水處理工藝概述

大化熱電廠化學(xué)水處理設(shè)計(jì)出力為652t／h，采取的控制方式為自動(dòng)程序控制、遠(yuǎn)方手動(dòng)操作及就地操作箱操作相結(jié)合，能對(duì)化學(xué)水處理系統(tǒng)進(jìn)行集中監(jiān)視、管理、自動(dòng)順序控制，PID自動(dòng)調(diào)節(jié)并實(shí)現(xiàn)運(yùn)行數(shù)據(jù)的采集和歸檔。化學(xué)水處理系統(tǒng)流程如圖1所示。

2 控制系統(tǒng)構(gòu)成

2.1 PCS7的硬件配置及網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

圖1 大化熱電廠化學(xué)水處理系統(tǒng)流程

西門子SIMATIC PCS7系統(tǒng)是一套典型的現(xiàn)代分布式控制系統(tǒng)（DCS），采用了現(xiàn)行局域網(wǎng)（LAN）技術(shù)、成熟可靠的西門子可編程控制器（PLC）和現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)。整個(gè)系統(tǒng)由大量的西門子硬件組件組成，包括自動(dòng)化儀表、執(zhí)行器、模擬量和數(shù)字量信號(hào)模塊，控制器、通信處理器、工程師站和操作員站等。所有這些硬件組件都可由功能強(qiáng)大的各種PCS7軟件工具支持和組態(tài)。該軟件系統(tǒng)功能先進(jìn)，能夠高度滿足各種工業(yè)領(lǐng)域不同自動(dòng)化任務(wù)的設(shè)計(jì)、組態(tài)和調(diào)試方面的要求。大化熱電廠化學(xué)水處理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

本PCS7系統(tǒng)選用了一套西門子冗余型S7－417HCPU，每套系統(tǒng)帶CP443－1通訊模板與工業(yè)以太網(wǎng)相連，通過(guò)CPU內(nèi)部集成的Profibus－DP通訊口與8組ET200M遠(yuǎn)程I／O分站進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊；所有4臺(tái)機(jī)柜都置于中控室，為了保證I／O模板發(fā)生故障時(shí)能帶電熱插拔，不影響生產(chǎn)，所有的I／O模板和ET200M接口模件都采用了有源背板總線連接。2臺(tái)上位機(jī)采用單站形式，CPU417H通過(guò)100M以太網(wǎng)和交換機(jī)與1臺(tái)工程師站（ES）和1臺(tái)操作員（OS）站進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊并實(shí)現(xiàn)工業(yè)以太網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)冗余。西門子工控機(jī)安裝了Windows XP SP2Pro系統(tǒng)及CP1623工業(yè)以太網(wǎng)卡，還配置了網(wǎng)絡(luò)打印機(jī)進(jìn)行操作日志和數(shù)據(jù)報(bào)表的打印。操作畫面按照裝置和工藝進(jìn)行分類。

圖2 化學(xué)水處理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.2 PCS7軟件程序架構(gòu)

SIMATIC PCS7基于全集成自動(dòng)化（TIA）技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)更快速和精確的控制，可以靈活地?cái)U(kuò)展硬件和軟件功能。在本應(yīng)用案例中，PCS7控制功能庫(kù)的應(yīng)用成為一個(gè)突出亮點(diǎn)。SIMATIC PCS7通過(guò)專門為工藝需求而設(shè)計(jì)的工程組態(tài)工具連續(xù)功能圖（CFC）和順序功能圖（SFC）及預(yù)定義的功能塊和圖表進(jìn)行程序的規(guī)劃、編輯與組態(tài)。由于PCS7擁有統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫(kù)，所以數(shù)據(jù)只需要輸入一次便可以應(yīng)用于整個(gè)系統(tǒng)。

CFC是以圖形方式組態(tài)和調(diào)試連續(xù)自動(dòng)化功能，預(yù)組態(tài)的功能塊能在功能強(qiáng)大的自動(dòng)布線和HMI消息集成組態(tài)的支持下，在CFC內(nèi)部組態(tài)、互聯(lián)和參數(shù)設(shè)置。在本項(xiàng)目化學(xué)水處理程序中應(yīng)用了電機(jī)塊、閥塊及模擬量處理等標(biāo)準(zhǔn)控制塊。

順序控制功能圖（SFC）是以圖形方式對(duì)批生產(chǎn)操作的順序控制進(jìn)行組態(tài)和調(diào)試，方便編輯，并且擁有強(qiáng)大的測(cè)試和調(diào)試功能。SFC類型是可重復(fù)應(yīng)用且訪問(wèn)化學(xué)水生產(chǎn)車間某個(gè)局部工藝的標(biāo)準(zhǔn)化順序控制，極大地縮短了項(xiàng)目開(kāi)發(fā)的周期，簡(jiǎn)化了調(diào)試流程，降低了工程開(kāi)發(fā)的成本，提高了效率。各工藝段設(shè)備的自動(dòng)投入、自動(dòng)反洗等工藝流程都是依托SFC順序控制程序完成。

3 化學(xué)水處理控制系統(tǒng)的功能

（1）化學(xué)水預(yù)處理系統(tǒng)。高效過(guò)濾器對(duì)水中的懸浮物以表面物理吸附為主。PCS7系統(tǒng)控制過(guò)濾器運(yùn)行，使其活動(dòng)多孔板在入口水壓力的作用下上下移動(dòng)，并由此來(lái)調(diào)整改變?yōu)V料的間隙和堆積密度，使濾料順?biāo)鞯姆较蚩紫抖戎饾u變小，從而提高出水水質(zhì)。

（2）陽(yáng)雙室浮動(dòng)床。陽(yáng)雙室浮動(dòng)床的操作程序：成床→運(yùn)行→失效落床→（反洗→）進(jìn)酸再生→置換→清洗→停床備用或投入運(yùn)行。陽(yáng)床的投入過(guò)程是在PCS7系統(tǒng)中實(shí)時(shí)監(jiān)控狀態(tài)由SFC順序控制程序提示下手動(dòng)完成，保證系統(tǒng)絕對(duì)不會(huì)出現(xiàn)誤操作。當(dāng)PCS7系統(tǒng)提醒累計(jì)制水量已接近陽(yáng)床失效終點(diǎn)時(shí)，系統(tǒng)提醒操作人員依據(jù)人工化驗(yàn)結(jié)果判斷是否執(zhí)行反洗等后續(xù)操作，整個(gè)反洗操作完全自動(dòng)執(zhí)行，無(wú)需人工參與。

（3）陰雙室浮動(dòng)床。陰雙室浮動(dòng)床的操作程序：成床→運(yùn)行→失效落床→（反洗→）進(jìn)堿再生→置換→清洗→停床備用或投入運(yùn)行。陰床的投入過(guò)程與陽(yáng)床比較相似，同樣是在PCS7系統(tǒng)中實(shí)時(shí)監(jiān)控狀態(tài)由SFC順序控制程序提示下手動(dòng)完成的。當(dāng)PCS7系統(tǒng)提醒累計(jì)制水量已接近陰床失效終點(diǎn)時(shí)向工程師發(fā)出提示，工程師依據(jù)PCS7提供的陰床出水導(dǎo)電度的結(jié)果結(jié)合人工化驗(yàn)決定是否進(jìn)行反洗等進(jìn)一步操作。反洗等操作流程完全由SFC程序控制，實(shí)現(xiàn)全程無(wú)人操作的自動(dòng)化控制。

（4）混床系統(tǒng)。一級(jí)除鹽系統(tǒng)的出水無(wú)法滿足鍋爐補(bǔ)給水的要求，因此要在一級(jí)除鹽系統(tǒng)后面加混床處理?；齑矁?nèi)裝陰、陽(yáng)離子交換樹脂，在運(yùn)行時(shí)陰、陽(yáng)離子交換樹脂均勻混合在一起，在一臺(tái)交換器內(nèi)同時(shí)完成陰、陽(yáng)離子交換過(guò)程。其自動(dòng)控制原理與陰陽(yáng)離子交換器相同。混床失效終點(diǎn)根據(jù)PCS7提供的混床出水導(dǎo)電度、累計(jì)制水量參照人工化驗(yàn)結(jié)果決定。

4 PCS7使用心得

化學(xué)水處理各個(gè)工藝段的執(zhí)行設(shè)備基本相同，在項(xiàng)目開(kāi)發(fā)前期PCS7采取了多項(xiàng)目的形式建立統(tǒng)一的項(xiàng)目庫(kù)，然后將上位機(jī)與下位機(jī)分別建立單項(xiàng)目，由不同的項(xiàng)目工程師分別開(kāi)發(fā)上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)和下位機(jī)PCS7編程。在開(kāi)發(fā)工作基本完成時(shí)由項(xiàng)目經(jīng)理將2個(gè)系統(tǒng)整合，這樣做的好處是可以委派不同的項(xiàng)目工程師同時(shí)進(jìn)行程序的開(kāi)發(fā)工作，使工程進(jìn)度大大提前。另外，該項(xiàng)目采用了PCS7集成的功能塊庫(kù)及統(tǒng)一的項(xiàng)目數(shù)據(jù)庫(kù)，也大大減短了項(xiàng)目前期編程開(kāi)發(fā)時(shí)間。

5 結(jié)語(yǔ)

西門子PCS7控制系統(tǒng)結(jié)合了傳統(tǒng)DCS和PLC的優(yōu)點(diǎn)，突出了全集成自動(dòng)化（TIA）先進(jìn)的技術(shù)理念，應(yīng)用于熱電廠化學(xué)水處理系統(tǒng)體現(xiàn)了系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)清晰、軟硬件可擴(kuò)展性好、操作簡(jiǎn)單、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，從工程竣工至現(xiàn)在，該系統(tǒng)從未出現(xiàn)由于控制系統(tǒng)故障而導(dǎo)致的停機(jī)事故，穩(wěn)定而可靠地保證了合成氨廠、熱電廠乃至整個(gè)化工生產(chǎn)用水的供應(yīng)。本項(xiàng)目是西門子PCS7系統(tǒng)應(yīng)用于國(guó)內(nèi)熱電廠化學(xué)水處理控制系統(tǒng)的典型案例，具有一定的參考價(jià)值。

［1］張根寶.工業(yè)自動(dòng)化儀表與過(guò)程控制［M］.第3版.西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社，2007