（化学工程专业论文）电厂化水车间综合化控制系统的研究及开发.pdf

浙江大学硕十学位论文 摘要 火电厂的化水车间是进行化学水处理的场所，为锅炉提供合格的补给水，确 保锅炉补给水处理设备可靠运行和补给水质量对火电厂的安全经济运行起着非 常重要的作用。国内多数电厂的除盐系统普遍存在自动化程度偏低、生产状况落 后的现象。锅炉补给水处理设备往往采用人工控制，酸碱耗量经常超标，经济效 益受到严重影响。化学仪表多为离线采样，准确度低，经常导致制水质量不能稳 定控制而影响锅炉的正常运行，一旦化学除盐水制水量不足将引起锅炉于锅或停 机，后果不堪设想。化水车问的化学中和池p h 值控制存在自动化程度低，控制 效果叫i 佳等问题，造成酸碱中和剂的大量浪费，p h 值超标废水的排放也将对环 境造成严重的影响。 本文在综述了当今工业过程控制系统以及国内外流程 ：业综合自动化发展 状况及趋势后，分析了除盐系统原理、化学水处理系统流程及各种设备的工艺流 程，在此基础上研究单个设各的自动化和除盐系统整个流程的自动化。针对化学 中和池p h 值控制问题，阐述了中和过程的特性，提出了一种中和池结构和工艺 的新型设计，它能显著地减少酸碱充分反应所需的时间，以此为基础设计了一套 基于p l c 的中和池p h 值控制系统。文中还详细介绍了电厂化水车间直接控制层 的设计方法，包括仪控设备的选型、p l c 的选型和配置、七下位机程序设计的方 法及原则等，基于这些原则和方法设计的化水车间控制系统在实际应用中运行稳 定，获得了用户的好评。止u i - 还概述了o p c 技术并探讨了运用o p c 客户端月b 务器技术实现p c s 和s i s 的互连。 本文最后对全文所做的工作进行了总结，并提出了今后值得和需要做的工 作。 灭键词：化水车问；自动控制；除盐系统：p h 值控制；p l c ；o p c 浙江人。学硕士学位论文 a b s t r a c t c h e m i c a lw a t e rw o r k s h o po fp o w e rp l a n ti sap l a c et op e r f o r mc h e m i c a l w a t e r - t r e a t m e n ta n dp r o v i d ee l i g i b l es u p p l y w a t e rf o rb o i l e r i ti sv e r yi m p o r t a n tf o r o p e r a t i n gs e c u r e l ya n de c o n o m i c a l l yo fp o w e rp l a n tt h a tt r e a t m e n te q u i p m e n t so f s u p p l yw a t e rf o rb o i l e rc o u l df u n c t i o ns a f e l ya n ds u p p l yw a t e ri so fh i g hq u a l i t y i n c h i n a , t h ep h e n o m e n o ni st h a ta u t o m a t i z a t i o no fd e s a l t i n gs y s t e mi su s u a l l yl o wa n d p r o d u c t i o nc o n d i t i o ni sd r o p p e db e h i n d p r e s e n t l y , t r e a t m e n te q u i p m e n t so fs u p p l y w a t e rf o rb o i l e ra r em o s t l yu n d e ra r t i f i c i a lc o n t r 0 1 1 e a d i n gt oo v e r - s t a n d a r da n a o u n to f a c i da n da l k a l iu s e da n dr e d u c e de c o n o m i cb e n e f i t c h e m i c a li n s m m a e n t sw h i c ha r e a l w a y ss a m p l el i n e a b s e n th a v el o wa c c u r a c yt h a tu s u a l l ym a k e sq u a l i t yo fw a t e r u n a b l et oc o n t r o js t e a d i l yw h i c hn o to n l ya f f e c tt h ec o r d o no p e r a t i o no fb o i l e rb u t a l s ob r i n gb a dr e s u l t si fb o i l e rh a dn ow a t e ro rs t o p p e do n c es u p p l yw a t e r p r o d u c e db y d e s a l t i n gs y s t e mw a sn o te n o u g h t h ep hv a l h ec o n t r o lf o rc h e m i c a ln e u t r a l i z e dp o o l o fc h e m i c a lw a t e rw o r k s h o pe x i s t st h ep r o b l e mo fl o wa u t o m a t i z a t i o na n db a d c o n t r o le f f e c t w h i c hr e s u l t si nw a s t i n gal o to fn e u t r a l i z e da g e n to fa c i da n da l k a l i f u r t h e r m o r e t h el e t t i n go fp ho v e r s t a n d a r dw a t e rw o a i da 髓c tt h ee n v i r o n m e n t s e r i o u s l y i nt h i sp a p e r , c o n t r o ls y s t e mn o w a d a y sf o ri n d u s t r i a lp r o c e s sa n dd e v e l o p i n g s t a t u sa n dt r e n df o ri n t e g r a t e da u t o m a t i z a t i o no ff l o wi n d u s t r yi nd o m e s t i ca n da b r o a d a r es u m m a r i z e d ，f o l l o w e db y p r i n c i p l eo fd e s a l t i n gs y s t e m ，f l o wo f c h e m i c a l w a t e r - t r e a t m e n ts y s t e ma n dt e c h n i c sf l o wo fv a r i o u se q u i p m e n t sa r ea n a l y z e d ，w h i c h i sb a s e do ni n v e s t i g a t i n gt h ea u t o m a t i z a t i o no fs i n g l ee q u i p m e n ta n dt h ew h o l ef l o w o fd e s a l t i n gs y s t e m a i m i n ga tt h es o l u t i o nt ot h ep r o b l e mo fp hv a l u ec o n t r o lf o r n e u t r a l i z e dp o o l ，c h a r a c t e r i s t i c so fn e u t r a l i z a t i o np r o c e s si s e x p a t i a t e d ，c o i n i n gu p w i t han e wd e s i g no fn e u t r a l i z e dp o o l ss t r u c t u r ea n dt e c h n i c st od e c r e a s et h et i m ef o r s u f f i c i e n t l yr e a c t i o no fa c i dw i t ha l k a l ir e m a r k a b l y , b a s e do nw h i c hap hv a l u e c o n t r o ls y s t e mf o rn e u t r a l i z e dp o o li sd e s i g n e d i nt h i sw o r k t h ed e s i g nm e t h o d so f p r o c e s sc o n t r o ls y s t e mf o rc h e m i c a lw a t e rw o r k s h o p i n c l u d i n gt y p e - s e l e c t i o no fi & c e q u i p m e n t ，t y p e s e l e c t i o na n dc o n f i g u r a t i o no fp l c ，m e t h o d sa n dp r i n c i p l e s f o r p r o g r a md e s i g no fu p p e ra n dn e t h e rc o m p u t e ri si n t r o d u c e di nd e t a i l b a s e do nt h e s e p r i n c i p l e sa n dm e t h o d s t h ed e s i g no fc o n t r o ls y s t e mf o rc h e m i c a lw a t e rw o r k s h o p w h i c hc o u l dr u ns t e a d i l yi n a p p l i c a t i o nr e c e i v e dg o o de v a l u a t i o n f r o mu s e r s m o r e o v e r , t h e0 p ct e c h n i q u ei ss u m m a r i z e da n dt h ei n t e r l i n k a g eb e t w e e np c sa n d s i sa c h i e v e db yu s i n g0 p cc l i e n t s e r v e rt e c h n i q u ei sd i s c u s s e d f i n a l l y , t h ew o r ki nt h i sp a p e ri sc o n c l u d e da n dt h ed e s e r v e da n dn e e d e dw o r kt o d of o rt h ef u t u r ei sa l s ob r o u g h tu p k e yw o r d s ：c h e m i c a lw a t e rw o r k s h o p ；a u t o c o n t r o l ；d e s a l t i n gs y s t e m ；p hv a l u e c o n t r o l ；p l c ；o p c 第一章绪论 第一章绪论 1 1p l c 、d c s 、f c s 三大控制系统的特点 连续型流程生产自动控制( p a ) 或习惯称为工业过程控制，有三大控制系 统，即p l c 、d c s 和f c s 1 1 。 i i 1 可编程序控制器( p l c ) 可编程序控制器( p r o g r a m m a b l el o g i cc o n t r o l l e r 简称p l c ) 是6 0 年代发展起 来的一种自动控制装置，其目的是为取代继电器逻辑控制来用于开关控制，具有 逻辑运算、计时、计数等顺序控制功能“。进入7 0 年代之后，p l c 的功能己不限 于逻辑运算，具有连续模拟量处理、高速计数、远程i o 和网络通信等功能。 国际电工委员会( i e c ) 于1 9 8 7 年2 月颁布可编程控制器标准草案第三稿， 该草案中对可编程控制器给出定义是：可编程控制器是一种数字运算操作系统， 专为工业环境f 应用而设计。它采用了可编程序的存储器，用来在其内部存储执 行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字式或 模拟式的输入和输出，控制各种类型机械的生产过程。可编程控制器及其有关外 围设备，都按易于与工业系统联成一个整体、易于扩充其功能的原则设计口1 。 p l c 作为一种工业控制装置具有控制程序可变；柔性良好；编程方便快捷； 功能完善；扩展灵活：系统构成简单；安装调试工作量少和可靠性高等特点。 1 1 2 集散控制系统( i ) c s l 7 0 年代工业的发展使生产过程日益复杂，规模更加扩大，在生产中采用原 来的集中控制系统，可靠性差，出现事故时会中断生产，为提高可靠性，满足生 产过程控制要求，7 0 年代初，美国、r 本和欧洲等崮开始研制集散型控制系统 ( d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m 简称d c s ) 。d c s 是利用计算机技术对生产过程进行 集一i 监测、操作、管理和分散控制的一种新型控制技术，是由计算机技术 ( c o m p m e r ) 、控制技术( c o n t r 0 1 ) 、通信技术( c o m m u n i c a t i o n ) 、图形显示技术( c r t ) 1 第一章绪论 等相互渗透发展而广：生的”i 。d c s 既不同于分散的仪表控制，又不同于集中式计 算机控制系统，而是克服了_ 者的缺陷而集中了二者的优势，其特点为：控制功 能强，可实现复杂的控制规律，如串级、前馈、解耦、自适应、最优和非线性控 制等，也可实现顺序控制；系统可靠性高；采用c r t 操作站有良好的人机交互 接口；软硬件采用模块化积木式结构：系统容易开发；用组态软件，编程简单， 操作方便：具有良好的性价比“。d c s 是以微处理器为核一t l , ，实现地理上和功能 上相对分敖的控制系统。通过数据通道把各个分散点的信息集中起来，进行集中 的监视和操作，它具有事故分析、性能计算、历史数据存储与分析、各种报表生 成与打印等功能，目前已经在国内外得到非常广泛的应用i 。在d c s 系统中， 测量变送，执行器一般由模拟仪表来完成，它们与控制室的监控计算机共同构成 控制系统，是模拟和数字混合系统，可实现高级复杂规律的控制。 1 1 3 现场总线控制系统( r c s l 现场总线是t 业控制系统的新型通讯标准。现场总线技术的采用将带来工业 控制系统技术的革命。采用现场总线技术可以促进现场仪表的智能化、控制功能 的分散化、控制系统的开放化，这些都符合工业控制系统领域的技术发展趋势”i 。 作为连接生产现场的仪表、控制器等自动化装置的通讯网络，现场总线是九 十年代在国际上兴起的新一代全分布式控制系统的核心技术。伴随着数字化时代 的来临，现场总线控制系统( f i e l d b u sc o n t r o ls y s t e m 简称r c s ) 必将成为自动控 制系统的发展趋势【8 】。现场总线技术起源于用，o 现场控制信息传递、维护管理等 方面的要求，6 0 年代- - 7 0 年代，处于企业生产过程底层的传统测控自动化系统， 采用两线制电压电流模拟信号进行测量控制。7 0 年代中期，形成了集散控制系 统d c s ，采用三层结构模式，存在线路多；维护管理麻烦；且各开发商的d c s 遵循各自的标准，不能互联；系统与外界之间的信息交换困难等问题，严重制约 了系统本身的发展。随着计算机网络及通信技术的迅速发展，现场有越来越多的 信息需要往上传，通信技术越来越往下延伸到现场，信息沟通联络的范围不断扩 大。为实现食业的信息集成，实施综合自动化，使模拟仪表向智能化仪表发展、 工业控制分立设备向共享设备发展、计算机网络从t o p 、m a p 向现场级网络发 展，最终用户需要一种适应工业现场环境运行、可靠性高、实时性强、造价低廉、 2 第一章绪论 结构简单、维护方便的控制系统，以形成工j 的底层网络，完成现场自动化设备 之间的多点数字通信，以及自动化系统与外界的信息交换1 。现场总线就是在这 种实际需求的驱动下产生的。它是以自动控制、自动化仪表、计算机、通信、微 电子为辛要内容的一门综合技术，是当今技术发展的结果。 现场总线把专用微处理器植入传统的测量控制仪表，使它们各自都具有了独 立承担某些控制、数字计算和数字通信能力”。提高了信号的测量、控制、传输 精度和速度，同时丰富信息的内容。现场总线可采用多种传输介质，如用普通电 缆、双绞线、光纤、红外线、甚至电力传输线等，把多个测量控制仪表、计算机 等作为节点连接成的网络系统。在现场总线的环境下，借助现场总线网段以及与 之有通信连接的其它网段，实现数据传输与信息共享，实现异地远程控制。现场 总线设备与传统自控设备相比，拓宽了信息内容，提供传统仪表所不能提供的如 阀门开关动作次数、故障诊断等信息，便于操作管理人员更好、更深入地了解生 产现场和自控设备的运行状态。 1 2p l c 、d c s 、f c s 三大控制系统的发展趋势 当计算机网络技术，特别足互联网技术得到广泛应用后，人们对企业生产 过程的控制提出了更高的要求。企业与外界信息沟通的范同不断扩大，这就需要 把大量的现场信息送到外面，又需要远程对现场进行诊断、维护和服务，实现从 现场控制到监控、管理、决策等各层次的信息交换和集成。现场总线顺应了这种 要求的发展。 作为丌放互连系统的现场总线，首先必须有统的技术标准，但由于诸多原 因，已经在不同领域形成了颇具影响的几大总线系列，如基金会现场总线( f f ) 、 l o n w o r k s 、p r o f i b u s 、c a n 、h a r t 等l 。当然，多种现场总线之间的良 性竞争，有利于f c s 技术的提高和发展，也有利于产品价格的降低和_ = j 户系统 投资成本的减小，但是，发展共同遵从的统一的围际标准，是现场总线的发展方 向，也是广大用户的要求。现场总线是工、i p 过程控制技术的发展丰流，可以说 f c s 的发展应用是自动化领域的、。场革命，既要取代传统仪表，同时也向传统 d c s 发出了挑战。 对于d c s 的发展过程，因为受计算机系统早期存在的一些缺陷影响，造成 第一章绪论 结构简单、维护方使的撺制系统，以形成工厂的底层嘲络，完成现场自动化谩备 之间的多点数字通信，以及自动化系统与外界的信息交换。现场总线就是在这 种实际需求的驱动下产生的。它是以a 动控制、r l 动化仪表、计算机、通信、微 电子为j = ：要内容的一门综合技术，是当今技术发展的结果。 现场总线把专用微处理器植入传统的测量控制仪表，使它们各自都具有，独 立承担某些控制、数字计算和数字通信能力”j 。提高了信号的测量、控制、传输 精度和速度，同时丰富信息的内容。现场总线可采用多种传输介质，如用普通电 缆、双绞线、光纤、红外线、甚垒电力传输线等，把多个测量控制仪表、计算机 等作为节点连接成的网络系统。存现场总线的环境下，借助现场总线网段以及与 之有通信连接的其它网段，实现数据传输与信息共享，实现异地远程摔制。现场 总线设备与传统自控设备相比，拓宽了信息内容，提供传统仪表所小能提供的如 阀门开关动作次数、故障渗断等信息，便于操作管理人员更好、更深入地了解生 产现场和自控设备的运行状态。 1 2p l c 、d c s 、f c s 三大控制系统的发展趋势 当计算机网络技术，特别是互联网技术得到广泛应用后，人们对企业生产 过程的控制提出了更高的要求。企业与外界信息沟通的范围4 i 断扩大，这就需要 把大量的现场信息送到外面，义需要远程对现场进行诊断、维护和服务，实现从 现场控制到监控、管理、决策等各层次的信息交换和集成。现场总线顺应了这种 要求的发展。 作为丌放互连系统的现场总线，旨先必须有统的技术标准，但由于诸多原 因，已经在不同领域形成了颇具影响的几大总线系列，如基金会现场总线( f f ) 、 l o n w o r k s 、p r o f i b u s 、c a n 、h a r t 等”1 1 。当然，多种现场总线之日j 的良 性竞争，有利于f c s 技术的提高和发展，也有利于产品价格的降低和用户系统 投资成本的减小，但是，发展芪同遵从的统一的田际标准，是现场总线的发展方 向，也是广人片j 户的安求。现场总线是工业过程控制技术的发展主流，可以况 f c s 的发展应用是目动化领域的一场革命，既要取代传统仪表，同时也向传统 d c s 发出了挑战。 对于d c s 的发展过程，因为受计箅机系统早期存在的一些缺陷影响，造成 对于i ) c s 的发展过程，冈为受计算机系统甲期存在的一些缺陷影响，造成 第一章绪沦 各生产开发商的产品自成一体，较难实现互换和互操作，系统也难以与外界进行 信息交换，这样对用户米晚，使企业的信息集成存在定的困难2 】；另外，d c s 的控制分散也并小是彻底的分散，控制功能是通过各个集中的过程控制站如p l c 来完成，许多方而的性能与f c s 相比有较大差距。但是，d c s 在当前情况下仍 具有较强的牛命力，其理由为：f 1 1 近年来d c s 技术的成熟以及广泛应用，d c s 在可靠性、开放性、标准化方而大大前进了一步。( 2 ) d c s 的价格大幅度下降。 ( 3 ) d c s 能够满足目前的生产控制要求，用户习惯容易接受。( 4 ) f c s 正在发展 过程之中，某些方面还不是十分完美。l ：k o l j 说现场总线的线状结构，一旦总线某 支路的电缆断了，这条支路的运行就瘫痪了。又如系统组态较复杂，不易将系统 设置到最佳状态等。f 5 1 目前现场总线仪表与常规仪表相比价格仍然较贵，硬要 去追求潮流，将企业现有的运行良好的传统仪器仪表更新成智能仪器仪表，以及 将d c s 改换成f c s 不是很现实的。基于上述原因，f c s 要想完全替代d c s 尚 须时日1 1 3 1 。f c s 作为一个完整的控制系统，也需要具有类似于d c s 那样的监控 管理系统，f c s 的发展不是对d c s 的绝对否定，既有在它们基础上对优点的继 承，又具有自己特色的变革部分【1 4 】。虽然传统d c s 属非开放式专用网络，但根 据目前的实际情况，将出现通过特殊的嘲关将d c s 挂接在现场总线网段上，或 作为企业网络中的一个特殊的子网，形成现场总线与d c s 并存的局面。传统的 d c s 在一个过渡阶段内，仍会在一个很长的时期内在工业控制领域发挥重要作 用，而且，d c s 如果能融合f c s 的优势技术，将会是有更广阔的发展前景。 在f c s 中，智能仪器仪表代替传统仪表，控制功能下放分散到现场，p l c 的作用将是不能被取代的。p l c 是一种面向工业现场的控制装置，其发展十分迅 速，一方面继续开发简易，价格低廉，超小型产品，另一方面转向大型、多功能、 系列化、标准化、智能化产品的研制【1 5j 。在单台设各自动化、多台设备自动化和 整个工厂的生产过程自动化当中，p l c 都将充当着重要角色。p l c 具有直观、 简单、价格低、易维护、高可靠性等特点，并且现在的p l c 小再是原来只能实 现丌关量控制和p i d 调节等功能的p l c ，随着模糊控制、神经，i 网络、遗传算 法等学科的日益成熟，p l c 可以而且已经不断融合这些及其他先进的技术，且控 制、通信等功能不断增强，现在，模糊控制功能已植入到了p l c 内，产品已经 投放到了市场，控制功能更加强大【1 6 】。再者，在f c s 中，p l c 作为f c s 中的一 4 - 第一章绪论 个节点，可完成现场的一些复杂控制功能，使它不会受到f c s 发展的影响而被 淘汰，所以不管是在f c s 巾还是在d c s 中，p l c 都会作为个重要的角色存在， 而且发展前景将更加广阔。 1 3 国内外流程工业综合自动化发展状况及趋势 流程工业是指在我国国民经济中占有重要经济地位的石化、炼油、化工、冶 金、制药、建材、轻工、造纸、采矿、环保、电力等工业行业m i 。这些行业普遍 存在能耗大、产品质量差、生产过程工岂落后、自动化水平低、管理水平低、信 息集成度低、综合竞争力弱等现状。流程工业综合自动化系统是将先进的工艺装 备技术、现代管理技术和以先进控制与优化技术为代表的信息技术相结合，将企 业的牛产过程控制、优化、运行、计划与管理作为一个整体进行控制与管理，提 供整体解决方案，以实现企业的优化运行、优化控制与优化管理，从而成为提高 企业竞争力的核心高技术。 2 0 世纪9 0 年代以来，随着计算机技术、网络技术和控制技术的迅速发展， 工业控制中出现了多学科间的相互渗透与交叉，信号处理技术、计算机技术、通 讯技术及计算机网络与自动控制技术的结合使工业控制开始突破自动化孤岛模 式，引发了t 业控制技术的一场革命，集中体现在以下两个方面。 ( 1 ) 控制与网络的迅速交融发展 二十世纪七十年代，随着通信技术与递阶技术的发展，促进了分布式( 集散 控制) 系统的发展，而分布控制、分散控制、顺序控制又需要有通信网络的支持， 进而将计算机网络技术全面引入控制系统并带来了控制系统的一场革命。 以可编程序控制器( p l c ) 为例，早期它是为替代继电器系统而产：生的，但随 荇其应用的发展，逐步与信息化、数字化、智能化的世界潮流同步前进，其功能 越来越强大，用户界面越来越友好。如今的p l c 早已不是以前的人们所熟知仅具 有逻辑处理能力，其控制功能( 如函数浮点运算、队列矩阵运算、p i d 运算及超 前滞后补偿、数据文字处理、处方配方批处理、模糊控制、故障检测和自诊断功 能) 己得到大幅度增强，可靠性( 如多c p u 结构、热备份冗余技术、带电插拨、故 障状态预定义) 也大幅度提高，其网络化和得到强化的通讯能力也备受注目。每 一个p l c 供应商都力图给用户提供开放式的结构，将应用能和其它的自动化装 第一章绪论 置、第三方设备和计算机平台连接起来，组成一个整体的控制系统。p l c 系统基 本上在向三层网络层次发展，第一层在全局( 全j 。) 范围内通信的局域删；第一二层 是p l c 主机之间的数据网；第三层是p l c 土机与i o 之间的远程网”。这些网络是 跨平台的丌放式体系结构，以适应连接更多的网络、实现最高级的集成。 集散控制系统( d c s ) 的发展也是如此，在采集企业生产过程数据监视控制 的同时，能通过多功能服务器与企业的管理计算机网络进行信息交换，实现企业 网络环境下的数据实时采集，流程查看，实时趋势浏览，报警记录查看，并能与 i n t e r n e t 相连。 现场总线控制系统( f c s ) 的发展更是得益于网络发展的思路，将分散式智能 控制单元进行网络化处理。目前已有的4 0 多种现场总线，虽然技术标准有待统一， 但这种基于网络基础的现场总线系统的发展对实现面向设备的自动化系统起到 巨大的推动作用。 未来，具有强大控制功能和丰富网络互连兼容性、开放性特点的网络控制系 统将成为控制技术的主要研究对象和方向。 ( 2 ) 企业控制与管理的进一步集成“” 控制的网络化为企业控制管理一体化直接创造了条件，并推动了企业控制管 理一体的深入与发展。企业删络( e n t e r p r i s e n e t w o r k s ) ，泛指企事业单位内的通信 网络，包括信息管理网络及控制网络及其集成，也往往包括企业内部的互连网络。 由于企业i n t e r n e t 技术的普及，在企业网络与控制网实现互连之后，就可以通过 企业信息网络以及i n t e m e t i n t r a n e t 实现对工厂车间、生产线、甚至现场设备的监 控调变、优化等，还能实现一些比较复杂的控制任务，譬如从d c s 系统取得数据 后送到e r p ，经信息的实时分析后，作用于生产管理、设备管理两个子系统，为 调整生产过程、优化资源配置、降低生产成本做出指导决策提供依据。 如今，国际知名公司都在致力于企业管控一体化的研究与开发。国外已有许 多传统的自动化仪器仪表厂家逐步向综合自动化整体解决方案供应商转化，如 h o n e y w e l l 、a b b 、r o c k w e l l 等著名公司。它们都提出了自己特有的综合自动化 解决方案，例女 1 r o c k w e l l 公司提出e m a n u f a c t u r i n g t m 解决方案；a b b 公司提出基 于m e s ( 生产过程制造执行系统) 的综合自动化解决方案，丌发相应的工业i t ； w a y s o ni n d u s t r i a li n c 公司注重基于p c 的开放性控制系统研究，。邑集合了d c s 、 6 第一章绪论 p l c 、f c s 的长处，其突m 的特点就是开放性，表现在操作系统、通信协议及网 络结构方面，都是采用当今通用技术g l j w i n d o w s n t 平台，t c p i p 协议和工业以 太网技术。 我国经过2 0 年的研究和攻关，在流程工业综合自动化领域已积累了大量的 科研成果，产牛了大批具有产业化前景的高技术成果和产品，如集散控制系统 ( d c s ) 、现场总线技术、先进控制软件、实时优化软件、过程管理与优化软件、 企业管理和生产调度系统软件等。己缩短了与国际先进水平的差距，部分成果达 到圈际先进水平，并广泛应用于国内众多石化、化工、医药、冶金、建材、轻_ 丁、 电力等流程企业，产生了巨大的经济效益和社会效益。在以信息化带动工业化的 进程中发挥了重要的作用。但总体而言，我国在流程工业综合自动化技术与系统 的研究与产业化过程中f 刊国外先进技术相比还存在很大的差距，主要体现在技术 深度上不够、应用基础研究不够、相关领域技术借用不够、系统化程度不够、集 成能力不够、产品化程度不够、产业化能力不强等诸多方面。 1 4 本课题的意义 近年以来，随着国家电力系统改革程度的不断深化，人员分流、厂网分开、 多种经济体己经并存，诸多企业对自动化水平提高的要求日趋迫切，在需要将厂 内的化学水处理、输煤、除灰除渣等系统程控化、热工集散控制化的i 刮时，还需 加快实施企业管控一体化实现实时数据共享；图像传输：信息调度分析；通过 m i s e r p 系统实时报电价：优化生产调度等以达到节能降耗；提高质量；提高企 业管理水平；提高企业核心竞争力，从而在当今日趋激烈的电力市场中立于不败 之地。 证基于以上因素，中国电力规划设计院已经明确要求在二十一世纪示范电厂 设计中，都必须将d c s 、辅机程控、各类总线制智能设备、m i s 系统纳入统一规 划设计中。 今后十年，电力企业必将随着不可抗拒的潮流加速进入信息网络时代，火电 厂乃至电力系统和电力食业集团将形成管理现代化和生产过程自动化一体的信 息网络架构。 火电j 的化水车间是进行化学水处理的场所，为锅炉提供合格的补给水，确 第一章绪论 保锅炉补给水处理设备可靠运行和补给水质量划火电厂的安全经济运行起着非 常重要的作用。但其控制难度为电厂公用系统之最，除了含有人量复杂的逻辑控 制以外，还包括大量种类繁多的化学仪表如钠离子浓度仪、硅酸根离子浓度仪、 浊度仪、d h 计等，另外还有电动执行机构、液位计、流量孔板等控制测量内容。 一般机组最少配置两列水处理系统以确保冗余备用，采集点和被控制阀门数量众 多，且工艺复杂。 当前，国内多数电厂的除盐系统普遍存在自动化程度偏低、生产状况落后的 现象。锅炉补给水处理设备往往采用人工控制，酸碱耗量经常超标，经济效益受 到严重影响。化学仪表多为离线采样，准确度低，经常导致制水质量不能稳定控 制而影响锅炉的正常运行，旦化学除盐水制水量不足将引起锅炉干锅或停机， 后果不堪设想。化水车间的化学中和池p h 值控制存在自动化程度低，控制效果 不佳等问题，造成酸碱中和剂的大量浪费，p h 值超标废水的排放也会对环境造 成严重的影响。研究和丌发包括化学水处理在内的所有公用系统的自动控制方 法，实现其程控化、网络化、企业管理控制一体化已成为当前困内电力行业发展 的迫切需要。目前，国内电力系统内部项目新建和旧项目改造相当普遍，值此， 对化水车削综合化控制系统进行的深入研究及开发从而实现企业管控一体化具 有重要的现实意义。 8 第一章绪论 1 5 本文的组织形式 本文介绍了化学水处理系统的工艺原理，研究了除盐系统自动控制的实现方 法，针对化水车间的废水处理系统设计了一套中和池p h 值控制系统。在p l c 的 基础上实现了化水车间各个子系统的集中监控，并运用o p c 技术为管控一体化 层提供数据接口，为实现电厂的综合自动化奠定了基础。 第一章绪论 综述了当今工业过程控制的三大控制系统，即p l c 、d c s 和f c s 的特点及 发展趋势，蚓内外流程工业综合自动化发展状况及趋势并介绍了本课题的意义。 第二章除盐系统自动控制研究 在分析除盐系统原理、化学水处理系统流程及各种设备工艺流程的基础上研 究单个设备的自动化和除盐系统整个流程的自动化。 第t 章中和池p h 值控制系统丌发 阐述了中和过程的特性，提出了一种中和池结构和工艺的新型设计，它能显 著地减少酸碱充分反应所需的时间，以此为基础设计了一套基于p l c 的巾和池 p h 值控制系统。 第四章系统设计 主要介绍了电厂化水车间直接控制层的设计方法，探讨了运用o p c 客户端 服务器技术实现p c s 和s i s 的互连。 第五章总结 总结了本文的工作，并提出了今后值得和需要做的：l ：作。 9 第一章除盐系统自动控制研究 2 1 引言 第二章除盐系统自动控制研究 化学水处理是火电厂重要的生产过程，确保化学水处理设备可靠运行和补给 水质量对火电厂的安全经济运行起着非常重要的作用。 当前，国内多数电厂的除盐系统普遍存在自动化程度偏低、生产状况落后的 现象，设备往往采用人工控制的方法，劳动强度大，由于阀门众多，往往会误丌 阀门对生产产生不利影响。这种以人为主的控制方式控制效果不佳，造成酸碱耗 量经常超标且制水质量经常不能稳定控制。为了提高生产效益，实现综合化控制 系统，对除盐系统自动控制的研究非常必要。 要实现除盐系统的自动化，必须在分析除盐系统原理、化学水处理系统流程 及各种设备工艺流程的基础上研究单个设备的自动化和除盐系统整个流程的自 动化。 2 2 一级除盐系统 由一个强酸性阳离子交换器和一个强碱性阴离子交换器所组成的除盐系统， 是除盐系统中最简单的，原水一次相继地经过强酸性阳离子和强碱性阴离子交换 器称做一级，这种形式称为一级除盐系统。 在这种系统中，原水中所有的阴离子都被阴离子树脂所吸着，其中包括有 h c 0 3 一。这种方法不经济，因为当原水通过强酸性阳离子交换后，其中所有的 h c 0 3 - 都转变成游离的c 0 2 ，这就有可能用除碳器将它除去，在上述系统中因不 设除碳器，那么h 2 c 0 3 就被阴离子树脂吸着，这样就需要多量的阴离子树脂， 并且在再生中要消耗更多的再生剂，所以这种系统只适用于供水量很小或进水中 含h c 0 3 一量很小的情况。 在电厂的化学水处理系统中，一级除盐系统包括由强酸性阳离子交换器、除 碳器和强碱性阴离子交换器，如图2 1 所示。 1 0 第二章除盐系统自动控制研究 2 2 1 除盐原理 幽2 1 一级除盐系统 原水在强酸性阳离子交换器中经阳离子交换后，除去了水中所有的阳离子。 被交换下来的h + 与水中的阴离子结合成相应的酸，其中与h c 0 3 - 结合生成的 c 0 2 连同水中原有的c o z 在除碳器中被脱除。水进入强碱性阴离子交换器后，以 酸形式存在的阴离子与强碱性阴离子树脂进行交换反应，除去水中所有的阴离 子，从而将水巾溶解盐类全部除去制得除盐水。 ( 1 ) 除去阳离子的交换反应 在一级除盐系统中，强酸性阳离子交换器总是放在前面，用以除去h 之外 的所有阳离了包括c a 2 + 、m g 扪、n a + 等，由于c a 2 、m 9 2 + 等高价离子的吸着能 力大于n a + 的吸着能力，故在强酸性阳离子交换器的上游处发生如f 的交换反 应。 2 r h + c a ，m g ( h c 0 3 ) 2 叶r 2 c a ，m g + 2 h 2 c 0 3 2 r h + c a ，m g s 0 4 _ r 2 c a ，m g + h 2 s 0 4 2 r h + c a ，m g u 2 r 2 c a ，m g + 2 h c i 水流方向前沿发生的离子交换是强酸性阳离子树脂与水中的n a + 的交换，即 r h + n a h c 0 3 r n a 十h2 c 0 3 2 r h + n a 2 s 0 4 斗2 r “+ h 2 s 0 4 r h + n a c l _ r n a 十h c i 第章除盐系统自动控制刮f 究 经阳离子交换后，水中各种阳离子都被交换成h ，其中的碳酸盐转变成 h 2 c 0 3 ，中性盐转变成相应的强酸。 ( 2 ) 除去c 0 2 水经强酸性阳离子交换后，阴离子转变成相应的酸。其中的h c 0 3 转变为 游离c 0 2 ，连同进水中原有的游离c 0 2 ，u 曼容易地由除碳器除掉，以减轻强碱 性阴离了交换器的负担，这也是除盐系统中设置除碳器的目的。经脱碳处理后水 中游离c 0 2 的含量一般都可降到5 m g l 左右。 ( 3 ) 除去阴离子的交换反应 ， 在一级除盐系统中，强碱性阴离子交换器是用来除去水中o h 一以外所有阴 离子的，包括c 1 一、s 0 4 2 _ 、h c 0 3 一、h s i 0 3 等。强碱性阴离子交换器总是设置 在强酸性阳离子交换器和除碳器之后，此时水中阴离子以酸的形式存在，冈此强 碱性阴离子交换实质上是强碱性阴离子树脂与水中无机酸酸根离子的交换，其交 换反应为 r o h + h c i r a + 2 h 2 0 2 r o h + 2 s ( ) 4 r 2 s 0 4 + 2 h 2 0 r o h + h 2 c 0 3 争r 删0 j + h 2 0 r o h + 2 所q r h s i 0 3 + h 2 0 强碱性阴离子树脂对常见阴离子的选择性顺序为 s 0 4 2 一 c i 一 h c 0 3 一 h s i 0 3 一 由此可见，强碱性阴离子树脂对水中强酸阴离子( s 0 4 2 _ 、c 1 一) 的吸着能力 强于弱酸阴离子的吸着能力，对h s i o l 3 - 的吸着能力最差，因此可知水流方向前 沿发生的离子交换是强碱性阴离子树脂与水中的h s i 0 3 - 的交换。 2 2 2 运行监督 ( 1 ) 进水水质 进水中悬浮物应尽可能在水的预处理中清除干净，进入除盐系统的水，其 浊度应小于规定值。 ( 2 ) 强酸性阳离了交换器出水水质 一1 2 一 第二章除盐系统自动控制研究 强酸性阳离子交换器运行时先后有漏n a + 和漏硬度两种现象。在除盐系统 中，为了要除去水中h + 以外的所有阳离子，必须在出王见漏n a + 现象时就停止运 行，进行再生。强酸性阳离子交换器经再生后，出水水质变化情况如图2 2 所示。 水 质 图2 2 强酸性阳离子交换器 j j 水水质变化 当它再生后冲洗时，出水中各种杂质的含量便迅速下降，当出水水质达到一 定标准时如图2 2 中的a 点就可投入运行或备用，以后水质就保持平稳，当达到 图2 - 2 中的b 点时，开始漏n a + ，出水酸度也丌始减小，就是说应在此时停止运 行，进行再生。强酸性阳离子树脂可以用强酸如h c i 等进行再生。可以通过测 定出水n a + 浓度，对出水n a + 浓度进行监督来衡量强酸性阳离子交换器是否失效。 ( 3 ) 强碱性阴离子交换器出水水质 因为强碱性阴离子交换器常殴在强酸性阳离子交换器的后面，经过未失效的 强酸。i 1 - i j h 离子交换器，除去了水中h + 以外的所有阳离子，所以它的进水中各种 阴离子都以酸的形态存在。强碱性阴离子交换器的出水水质的改变情况如图2 3 所示。 水 质 图2 3 强碱性阴离子交换器出水水质变化 1 3 第二章除盐系统自动控制研究 在强碱性阴离子交换器正常运行中，出水的p h 值，电导率、含硅量( 以s i 0 2 计) 都处于稳定的状态，当强碱性阴离子交换器失效时，由于酸漏过，p h 值下 降，与此同时，集中在交换器树脂层下部的h s i 0 3 - 也开始漏出，致使出水中硅 含量上升。至于电导率，则常常先略微下降，而后上升，其原因正和用电导法滴 定酸碱中和反应相同，即水中h + 和o h 一要比其他离子易导电，所以当出水中这 两种离子的总含量很小时有一电导率最低点，如图2 3 中a 点。在这点之前，由 于o h 含量较大而电导率大，之后由于h + 量多而电导率大。可以通过测定出水 硅含量，对出水硅含量进行监督来衡量强碱性阴离子交换器是否失效。当硅含量 增加时如图2 3 中b 点，就要停止运行，进行再生。强碱性阴离子树脂一般可用 强碱