（控制理论与控制工程专业论文）火电厂化学水处理控制系统设计与开发.pdf

；，“ at h e s i sf o rt h ed e g r e eo fm a s t e ri nc o n t r o lt h e o r ya n dc o n t r o l e n g i n e e r i n g d e s i g n a n d d e v e l o p m e n t o fc h e m i c a lw a t e r t r e a t m e n tc o n t r o ls y s t e mi nt h e r m a l p o w e rp l a n t b ym a y a n g s u p e r v i s o r ：p r o f e s s o rj i n gy u a n w e i n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y m a y 2 0 0 8 独创性声明 。 。j本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得的 j 研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人已经发表或撰写过的 研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工作 的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示诚挚 的谢意。 学位论文作者签名： 弓f 固 签字日期 ：7 叩岳军7 同 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论 文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 作者和导师同意网上交流的时间为作者获得学位后： 半年口一年口一年半口两年口 学位论文作者签名：马尹固 导师签名： 签字 日期 ： 砌g 7 签字日期： 东北大学硕士学位论文摘要 火电厂化学水处理控制系统设计与开发 摘要 论文设计的是一套面向火电厂化学水的控制系统。由于水在火力发电的生产过程中 担负着传递能量和冷却介质的作用，因此在发电过程中，化学水处理占有十分重要的地 位。它们安全、可靠、高效的运行，对火力发电厂中的锅炉、汽机等设备的安全性能及 其使用寿命有重大的影响。因此，对火电厂化学水处理系统的研究一直受到有关专家和 厂家的高度重视。 本文结合铁岭发电厂化学水系统项目的改造，论述了电厂化学水自动控制系统的设 计和基于工控组态软件的计算机监控系统的设计。论文首先分析了电厂化学水处理工艺 流程，按控制系统要求给出了控制设计方案。分别设计了整个控制系统的4 个子系统， 包括预处理消防水系统、补给水系统、中和池系统和凝结水系统，每个子系统都是一套 独立的p l c 控制系统。采用c x p r o g r a m m e r 编程软件分别编制了各个子系统的控制程序。 采用工业以太网技术，将各个子系统连接在一起，构成了水处理局域网。采用i n t o u c h 软件工具，开发了上位机监控人机交互界面。上位监控画面主要包括各子系统监视画面、 趋势画面、报警画面和辅助画面等，给出了各交互界面的功能描述。 针对火电厂加药过程的复杂性，较大的迟延性及难以确切描述的非线性，提出了基 于模糊控制技术的智能控制策略。通过现场实际采集的历史数据，对系统进行仿真分析。 结果表明这种新的控制策略可以很好地处理p h 中和过程的非线性和滞后性问题。 关键词：火电厂；化学水处理；可编程序控制器；模糊控制 一i l 一 知 ，l“l， - 、，j r 、i l 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t d e s i g n a n dd e v e l o p m e n to fc h e m i c a lw a t e r t r e a t m e n tc o n t r o ls y s t e mi nt h e r m a l p o w e rp l a n t a b s t r a c t t h ea u t o m a t i cc o n t r o ls y s t e mf o rc h e m i c a lw a t e ro ft h e r m a lp o w e rp l a n ti sd e s i g n e di n t h i sa r t i c l e b e c a u s ew a t e rp l a y sa ni m p o r t a n tr o l eo ft r a n s f e r r i n gt h ee n e r g ya n dc o o l i n g m e d i u mi nt h ep r o c e s so fg e n e r a t i n ge l e c t r i c i t y , c h e m i c a lw a t e rt r e a t m e n ti sv e r yi m p o r t a n t i t ss a f e ，r e l i a b l e ，e f f i c i e n tr u n n i n gh a sd e e p l ya f f e c t e dt h es a f e t ya n du s i n gl i f eo fb o i l e r , t u r b i n ea n ds oo n t h es t u d yo fc h e m i c a lw a t e rt r e a t m e n ts y s t e mh a sb e e nh i g h l yr e g a r d e db y t h ec o n c e r n e de x p e r t sa n df a c t o r i e sa l la l o n g t h ep a p e ri n t r o d u c e st h ed e s i g no fa u t o m a t i cc o n t r o ls y s t e ma n dc o m p u t e rs u p e r v i s o r y s y s t e mb ym e a n so fi n d u s t r yc o n t r o 1c o n f i g u r es o f t w a r ei nw a t e rt r e a t m e n to ft h e r m a lp l a n t ， b a s e do nt h er e b u i l d i n go fw a t e rt r e a t m e n ti nt i e l i n gp o w e rp l a n t f i r s t l y , i ta n a l y s e st h e s c h e d u l eo fc h e m i c a lw a t e rt r e a t m e n ts y s t e m t h e ni tp r e s e n t st h ec o n t r o ls c h e m ea c c o r d i n g t ot h er e q u i r e m e n to fc o n t r o ls y s t e m i td e s i g n sf o u rs u b s y s t e m so fw h o l ec o n t r o ls y s t e m ， i n c l u d i n gp r i o rt r e a t m e n tf i r e w a t e rs u b s y s t e m ，s u p p l y i n gw a t e rs u b s y s t e m ，n e u t r a l i z i n gp o o l s u b s y s t e ma n dc o a g u l a t i n gw a t e rs u b s y s t e m e v e r ys u b s y s t e mi s as u i to fa b s o l u t ep l c c o n t r o ls y s t e m t h ep r o g r a m m i n gi sp r o g r a m m e du s i n gc x - p r o g r a m m e rs o f t w a r ef o re a c h s u b s y s t e m t h ew a t e rt r e a t m e n t l o c a la r e an e t w o r ki sf o r m e du s i n ge t h e r n e tn e t w o r k t e c h n o l o g y t h el n t o u c hs o f t w a r ei s u s e dt od r a ws u p e r v i s o r yp i c t u r e s t h es u p e r v i s o r y p i c t u r e si n c l u d es y s t e mp i c t u r e s ，t r e n dp i c t u r e s ，a l a r mp i c t u r e s ，a c c e s s o r i a lp i c t u r e s ，a n ds oo n i tp r e s e n t st h ef u n c t i o n a ld e s c r i p t i o na l s o b e c a u s eo fc o m p l e x i t y ，m u l t i - i n d e t e r m i n a c ya n da n - d e s c r i b e dn o n l i n e a ro fa u t o m a t i c a d d i n gm e d i c a m e n ts y s t e m ，t h ep a p e ri n t r o d u c e sa n e wc o n t r o ls t r a t e g yi na d d i n gm e d i c a m e n t b yu s i n gf u z z yc o n t r 0 1 s i m u l a t i o ni s s t u d i e db yc o l l e c t i n gt h eh i s t o r i c a ld a t af r o mf i e l d e n g i n e e r i n g a n dt h es i m u l a t i o nr e s u l t si l l u s t r a t et h a tt h em e t h o dc a ns e t t l et h ed e l a ya n d n o n l i n e a rq u e s t i o no fp h n e u t r a l i z i n gp r o c e s se f f e c t i v e l y k e yw o r d s ：t h e r m a lp o w e rp l a n t ；c h e m i c a lw a t e rt r e a t m e n t ；p l c ；f u z z yc o n t r o l -，l h量毒 东北大学硕士学位论文 目录 目录 独创性声明一i 摘要i i a b s t r a c t i i i 第l 章绪论1 1 1 研究背景1 1 2 研究内容及现实意义1 1 3 火电厂化学水处理控制系统研究现状与发展动态2 1 4 火电厂化学水处理控制系统工艺简介3 1 5 论文主要工作6 第2 章化学水处理控制系统总体方案设计一7 2 1 化学水处理控制系统设计思想7 2 1 1 铁岭电厂化学水处理控制系统现状7 2 1 2 化学水处理控制系统方案8 2 1 3 化学水处理控制系统的主要功能1 0 2 2 所需系统软件平台结构1 1 2 2 1p l c 编程软件1 l 2 2 2 监控软件1 2 2 2 3 通讯软件1 3 2 3 小结1 4 第3 章化学水处理控制系统的硬件设计1 5 3 1 上位机硬件设计1 5 3 2p l c 的选型及模块配置1 6 3 2 1 下位机p l c 的选型1 6 3 2 2p l c 的模块配置1 7 3 3 小结1 8 第4 章化学水处理监控系统开发1 9 4 1 化学水处理监控系统的技术要求1 9 4 2 化学水处理监控系统的设计方法2 0 4 3 化学水处理监控系统设计与实现2 l 4 3 1 监控画面组成2 1 一一 东北大学硕士学位论文 目录 4 3 2 监控系统功能实现2 2 4 3 3 监控画面应用效果2 8 4 4 j 、结2 9 第5 章化学水处理控制系统下位机程序设计3 1 5 1 混床自动控制程序设计3 1 h 5 2 混床控制及阀门开关状态设计3 2 l 5 3 运行调试3 3 9 5 4 小结3 4 第6 章加药系统智能控制策略研究3 5 6 1 加药过程分析3 5 6 2 时滞系统控制策略研究3 7 6 2 1 大林控制算法3 7 6 2 2s m i t h 控制算法3 8 6 3 加药系统模糊控制理论研究4 1 6 3 1 模糊控制基本原理4 1 6 3 2 模糊自适应理论基础4 3 6 4 模糊自适应控制在加药系统中的应用4 5 厂 6 4 1 模糊自适应p i d 控制器的设计4 5 6 4 2 系统仿真与分析4 7 6 5 小结5 2 第7 章总结与展望5 3 参考文献5 5 致谢5 7 攻读硕士期间发表的论文5 8k v 一 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 第1 章绪论 随着大型火电机组建设规模的不断扩大，机组参数与容量不断提高，对火电厂化学 水处理过程提出了更高的要求。今后水处理的生产工艺控制过程【1 】应具备人工智能化、 高控制精度、高可靠性、经济投入低等特点，这对于延长机组的寿命，保证机组安全稳 定运行，提高发电效率，节约能源，降低成本，具有重要的意义。 1 1 研究背景 近年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，电力系统生产过程的自动化、 程控化【2 】是电力生产的需要和必然趋势。如化学水处理、输煤、除灰、除渣、旁路控制 等，这些系统的特点是分散广，不集中，采集点众多，涉及工艺流程门类多。 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的质量对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，除了含有大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、p h 表等，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，测量精度要求高。 以往人工控制下的化学水处理设备，所有化学仪表多为离线采样，准确度低，致使 经常导致制水质量不能稳定控制 3 】。酸耗碱耗经常超标，经济效益受到严重影响，还常 因错开阀门引起很多严重事故。因此包括化学水处理在内的所有公用系统设备的程控 化、网络化、企业管理控制一体化已成为当前国内电力行业的迫切需要。 1 2 研究内容及现实意义 课题为火电厂化学水处理系统的设计丌发，化学水系统在火电厂中具有十分重要的 地位。热力发电就是利用热能转变为机械能进行发电的过程，火力发电厂里水汽作为能 量的载体循环运行，水汽质量的好坏直接影响电厂热力设备( 锅炉、汽轮机等) 安全经 济运行。化学水处理工作就是保证各热力系统具有良好的汽水品质，防止热力设备的结 垢、积盐和腐蚀。随着技术进步，计算机控制系统在电力行业中得到了广泛应用。化学 水各子系统均采用上下位机的结构模式：以p c 机作为上位机，p l c 作为下位机。 传统化学水处理工艺过程通常采用程序控制，即按规定的顺序操作，根据制定指令， 一1 一 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 通过执行机构，达到操作目的。它们多数由分立电子元件构成，大量继电器及其配线， 结构复杂，灵敏性及可靠性差【4 1 。水处理设备的控制，水质化验，工质的用量统计全靠 人工操作完成，控制质量差，消耗人力资源。目前国内电厂多靠引进外国先进技术，即 采用p l c 作程序控制器。p l c 应用起来不但体积小，而且修改程序灵活，性能可靠， 抗干扰能力强，容易开发。实践证明，这种基于p l c 的化学水程序控制在减轻运行人 员的劳动强度，准确控制化学水处理系统水质量等方面发挥了很多作用，有较强的实用 性。 采用p l c 和上位机的2 级控制机构利用p l c 和计算机进行通讯来实现电厂水处理 系统的远距离自动控制【5 击】。改造后的控制系统把电厂所有化学水处理的各子系统合为 一套系统，取消了传统的模拟盘，利用p l c 对各个系统中的设备分别进行数据采集和 控制，上位机和p l c 之间通过数据接口进行通信。各个子系统以局域网的总线形式集 中联接在化学主控制室上位机上，从而实现化学水处理相对集中的监视、操作与自动控 制。该系统已在铁岭电厂调试成功，运行状况良好，为今后国内新建电厂水处理程控系 统设计及老电厂水处理技术改造提供了一套理想的解决方案，具有一定的借鉴推广价 值。 1 3 火电厂化学水处理控制系统研究现状与发展动态 目前，对于火电厂化学水处理系统的改造比较成熟的方式有两种：一是采用p l c 进 行控制，二是采用d c s 进行控制。相比之下如果采用一些运算速度高，通信功能强的p l c 进行控制能够满足化学水处理控制系统的要求，投资较少，对现场要求不高，组态及控 制思想实现方便，便于检修人员掌握和维护。采用d c s 控制的系统科技含量较高，控制 效果好，但投资相对较大，对现场要求较高，要有专门的控制室安装，组态及控制思想 较深，不方便检修人员掌握和维护。 国内已建和在建的大型火电厂化学水处理系统基本处于三种状态 7 - 8 1 ： ( 1 ) 落后的继电器控制方式。许多2 0 世纪7 0 8 0 年代投产的电厂，鉴于当时技术与 资金条件，各化学水子系统设计较为简单，顺序功能单一，可监控设备范围较小。基本 是以小型模拟屏指示灯、报警光字排监视，用操作台上的开关、按钮进行操作，通过一 次表、二次仪表、模拟组装式仪表监测参数变化。顺控基本依靠时间发讯器和中间继电 器实现，通过简单的功能键盘进行顺控的启停、暂停、步进、正反洗、再生等功能【8 1 。 方式落后陈旧，监测数据信息少，设备损坏率高，运行维护工作量较大。 ( 2 ) 小型p l c 和盘操共存模式。从9 0 年代开始，p l c 逐渐成熟和广泛应用于电厂顺 控领域，电厂的设备控制手动向自动过渡时期，既保持了硬手操功能，又具有p l c 自动 一2 一 ，fiiffl， 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 的双重手段【9 1 。许多大型机组，在资金允许下进行了技改和新建，但仍局限于单个系统， 保留一些台操作和模拟屏显示。但由于当时技术所限，采用的上位计算机指标极低，速 度较慢，监控软件画面单一，人机接口较差，信息量较少，缺乏相应的趋势、信号、多 媒体报警等功能。下位机p l c 的选型偏小、偏杂，存在着扩展性差、通用性低、数据处 理能力低及老型产品缺设备等缺点。 ( 3 ) 化学水子系统的2 级控制模式。进入9 0 年代中期，经数年改进和提高，控制系统 逐步成为完善的c r t 与p l c 2 级控制站结构。许多改造和筹建电厂控制系统采用全c r t 监控，p l c 热备的双层结构，应用范围已涵括所有化学水子系统，包括净水、补给水、 废水、凝结水精处理、炉内水质分析、循环水等计算机可应用到任何化学水系统中，采 用子系统集中控制，符合未来联网趋势【l0 1 。这种监控方式极大地提高了自动化水平。 电厂水处理自动化水平的提高，较大幅度地减员增效，提高了生产效率、提高了经 济效益，增强了电厂竞争力。人机接口的完善，操作方便，便于维护、培训、管理。药 耗的合理使用，水质的调，降低了生产成本，保证了电厂安全生产。电厂水处理的综合 控制，将是国内电厂未来一定时期化水控制系统发展的必然趋势。 1 4 火电厂化学水处理控制系统工艺简介 热力发电就是利用热能转变为机械能进行发电的过程。在火力发电厂，水汽作为能 量的载体循环运行。为了保证机组的j 下常运行，对生产用水有着较高的要求，而且机组 中蒸汽的参数越高对其要求也越严格。为了维持发电厂热力系统的汽水循环正常运行， 实际中的汽水损失要由补充水来补偿。但是作为补充水的天然水没有经过净化处理含有 很多杂质，这种天然水如果进入汽水循环系统将会造成很多危害，如设备结垢、腐蚀， 过热器和汽轮机的积盐等【1 1 j2 1 ，所以如何高效处理水中杂质是必须解决的问题之一。 铁岭电厂化水改造项目全部水处理设备按运行控制要求可划分为四部分，即预处理 生活消防水系统，补给水处理系统和中和池排放系统，凝结水j f j 1 、2 机处理系统，j j 3 、4 机凝结水处理系统。四部分分别设置四套独立的控制系统，每套控制系统在操作员工作 站上分别设有自动手动切换开关，可使控制系统中的设备处于手动控制方式和自动控制 方式。汽水化验系统仅进行监视。 ( 1 ) 预处理 一般天然水中含有较多的悬浮物和胶体物质，如不首先除去，将会影响后阶段的锅 炉水处理效果，例如进入离子交换器，将污染树脂，降低其交换容量，甚至影响出水质 量；含有悬浮物和胶体物质的水如直接进入锅炉，易使锅内结泥垢，堵塞管道阀门等； 若水中含有有机物的胶体，进入锅炉则易使锅水起泡，从而恶化蒸汽品质；也有的原水 一气一 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 中硬度含量很高，如直接进行锅内加药处理或锅外化学处理，不但难以使水质达到国家 标准，而且很不经济 1 3 - 1 4 】。因此在电厂水处理工艺中，应首先除去悬浮物和胶体物质， 使水得到澄清，或者预先除去部分硬度，这就是水预处理的目的。 水的预处理工艺流程一般包括：混凝、沉淀( 软化) 、澄清和过滤。由于水源直接 取自较混浊的天然水，因此应首先进行混凝处理。水的混凝处理就是通过加入混凝剂， 使水中细小的悬浮物和胶体颗粒转变为大颗粒状沉淀物而下沉，如在民间生活中常用明 矾来澄清混浊的水，实际上就是一种混凝处理。沉淀软化主要是指将高硬度的水用适当 的沉淀剂，使钙、镁离子转变为难溶化物而沉淀析出。从而降低水中的硬度。这种将杂 质经沉淀后澄清的方法统称为沉淀处理。 天然水经混凝处理后，虽然其中大部分悬浮物和胶体可以被除去，但仍难免会残留 少量细小的悬浮颗粒，需进一步用过滤的方法除去。水的沉淀软化法就是通过在水中加 入化学药剂，使钙、镁离子转变为难溶化物而沉淀析出。从而降低水中的硬度。针对现 场所取原水硬度高、碱度低的特点，采用石灰一纯碱处理方法1 5 d 6 1 ，在离子交换器中完 成。 经过混凝预处理的水，虽然看起来浊度不大，但常会残留一些有机物，这对下一步 离子交换水处理时的交换树脂很不利，应尽量除去。活性炭过滤器是以活性炭为滤料， 由于活性炭是一种吸附力较强的吸附剂，其过滤作用主要以物理吸附为主，因此该过滤 器可以吸附水中的有机物，用活性炭吸附过滤可以降低水中有机物的含量。 预处理工艺流程：生水一生水加热器( 二个) 一澄清池( - - 座) 一澄清水箱( - - 台) 一澄清水泵( 五台) ，分别至生活消防水系统及锅炉补给水除盐系统。生水采用加凝聚 剂和助凝剂进行处理。 生活消防水系统工艺流程：澄清水箱一过滤器( 二个) 一蓄水池一生活和低压消防 管网。此部分包括2 台高效过滤器、蓄水池、清水泵至生活水池电动调节门、电动消防 泵及其出口电动门、稳压泵、柴油机及出口电动门、变频泵、定速泵。 ( 2 ) 化学除盐处理 软化处理仅仅是除掉水中的钙、镁离子，而水中的除盐处理则是除掉水中溶解的盐 类，常用的方法是化学除盐。化学除盐就是应用离子交换反应的原理进行除盐。化学除 盐的工艺过程，是将原水通过h 型阳离子交换器( 也称阳床) 和o h 型阴离子交换器( 也 称阴床) ，经过离子交换反应，将水中的阴、阳离子除掉，从而制得高纯水。 阳浮床一般采用强酸性阳离子交换树脂作为交换剂，它只与水中的阳离子发生反 应。原水经阳浮床发生交换反应之后，出水是酸性水，即水中的阳离子几乎都等量转变 一4 一 叶|l 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 为氢离子。阳床失效后，一般是用一定浓度的盐酸或硫酸进行再生。 阴浮床一般采用强碱性阴离子交换树脂作为交换剂，在除盐工艺中，它与阳床出水 中的阴离子发生交换反应。由此可知，经阳、阴床交换后的水，基本是除掉了全部阳、 阴离子，所以，阴床出水是纯度很高的水。 混合床简称为混床，它是将阴、阳离子交换树脂放在同一交换器内，直接进行化学 除盐的设备，在混床中，由于阴、阳离子交换树脂是均匀混合的，所以在运行中，水中 的阴、阳离子几乎是同时发生交换反应。 补给水除盐处理系统工艺流程：清水箱一清水泵一高效过滤器( 四台) 一活性碳过 滤器( 五台) 一阳浮床( 三台) 一除碳器( 三台) 一中间水泵( 六台) 一阴浮床( 三台) 一混床( 三台) 一除盐水箱( 三台) 一除盐水泵( 三台) 一主厂房。辅助设备包括生水 加药、酸碱部分、压缩空气系统及中和池。 ( 3 ) 凝结水精处理 凝结水和补给水是锅炉给水的最主要组成部分。近年来，随着机组参数不断提高， 对给水水质要求越来越严格。若不对凝结水进行处理，很难达到这样高的给水水质要求。 所以，一般情况下，对于亚临界及以上参数的汽包锅炉和直流锅炉，通常要采用凝结水 精处理装置。 凝结水系统由凝结水处理和体外再生两部分组成 1 7 - 1 8 1 。凝结水处理采用高速混床， 凝结水混床设在两级凝结水泵之间，安装在机零米。每台机组三台混床，两台运行一台 备用。另外树脂通过安装于净水室的体外再生装置再生，再生装置共两套，j | j 1 、2 机公 用一套，撑3 、4 机公用一套。体外再生装置由两台阳树脂再生罐和一台阴树脂再生罐组 成。失效树脂通过传脂自用水泵输送到阳树脂再生罐，首先进行擦洗，将树脂截留的腐 蚀产物和杂物洗净，然后进行再生。阳树脂再生罐的备用树脂需要通过净水室的再生水 泵向混床传脂。 ( 4 ) 加药系统 由于在本系统采用的是化学除盐工艺，再生已经失效的阳、阴离子交换树脂时，所 用的酸、碱液耗量不可能低于或等于理论量。所以除盐工艺的水处理系统再生过程中就 必定产生大量的酸、碱废水。不经处置的废液就直接排放，会污染水域、影响农作物鱼 类正常生长和危及人民群众的健康。这就必须要进行废酸、碱的处理，以使排放水p h 值达到允许排放的标准 1 9 - 2 0 。酸碱中和系统其工作原理就是设置一个中和池，让阴阳离 子交换器再生所产生的废酸碱排放到中和池中，首先让废酸碱液自行中和，并根据需要， 加入适量的酸碱进行中和，然后排放掉废液。为t j h 快中和速度，这里设置压缩空气管 一5 一 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 进行搅拌，使得加入作调节的酸( 或碱) 与废液能够混合均匀、互相中和。 在锅炉给水的处理过程也需要进行加药处理。在给水系统中流动的水，是由汽机凝 结水、化学补给水、各种疏水和生产返回水等组成的，水质较纯，通常不会因为盐类析 出而在管壁上结垢，可能发生的水质问题是金属的电化学腐蚀。这类腐蚀不仅会造成给 水管道及相关设备的损坏，而且由于腐蚀产物随给水进入锅内，导致在锅炉蒸发面上发 生金属腐蚀产物沉积，严重时造成锅炉管的损坏2 1 2 2 1 。由此可见，给水污染及给水系统 金属的腐蚀，对于锅炉机组的安全运行具有重要影响。给水中往往含有0 2 和c 0 2 ，所 以给水系统中的腐蚀主要有溶解氧腐蚀和二氧化碳腐蚀，给水加药主要加氨除二氧化 碳，加联胺除氧，使给水p h 值控制在8 8 9 3 范围之内，给水联胺范围1 0 一3 0 x g l 。 给水加药对象是一个大迟延对象【2 3 1 ，主要由于采样时间，分析处理时间和反馈时间 的滞后，而且给水加药对象很难精确描述，所以对于加药过程这一复杂的控制对象采用 传统p i d 往往达不到满意的控制效果。模糊控制引入了逻辑推理，有较强的自适应能力， 对非线性、大延迟等复杂系统有良好的控制效果【2 4 。2 5 】。因此，本文将模糊控制与p i d 控 制相结合，通过仿真研究证明这种先进的控制策略可以很好地克服p i d 控制的不足，实 现精确控制。并且通过它的自适应环节，随时调节参数，使系统具有较强的适应性和鲁 棒性，从而获得较好的控制效果。 1 5 论文主要工作 论文一共分为六章。第一章主要介绍了火电厂化学水处理控制系统的研究背景、研 究内容、发展动态及水处理系统工艺流程；第二章论述了总体方案选择与设计，从硬件 和软件两个方面分析了化学水系统的总体设计；第三章分析了化学水系统的硬件设计， 主要包括上位机的硬件配置与p l c 选型、模块配置；第四章为监控系统的设计，包括 监控程序的设计方法与具体实现；第五章为下位机程序设计，主要对补给水混床控制进 行了分析与设计；第六章描述了基于模糊控制技术的智能控制策略在自动加药系统中的 应用，进行了仿真研究；第七章结论，总结全文并提出化学水处理控制系统未来的研究 方向。 一6 一 东北大学硕士学位论文 第2 章化学水处理 火电厂化学水处理控制系统是一种分布式的控制系统，采用上位机网络和可编程控 制器相结合的控制方式，可以进行集中监控、数据管理、报表打印等操作。 2 1 化学水处理控制系统设计思想 2 1 1 铁岭电厂化学水处理控制系统现状 铁岭电厂挣1 、舵、躬、槲机组公用同一套化学水系统，该程控系统于9 0 年代初期 由上海国际程控公司和西安热工所设计开发，控制设备全部采用日本o m r o n 公司的可 编程序控制器。补给水系统的控制方式为模拟盘程控方式，即在模拟盘上启停操作自动 程序和半自动程序，操作和显示现场设备。凝结水系统控制方式为模拟盘程控方式和模 拟盘一对一手动方式操作及显示现场设备。由于历史原因，凝结水程控一直没有投入自 动，而处于模拟盘一对一手动控制方式运行。 化学水系统中有多点过程参数需要监视和运行记录，目前均采用常规模拟仪表监视 状态，监测精度和可靠性很难满足要求。该系统自投入使用到目前已有十余年时间，现 场设备、控制设备和模拟盘表计有不同程度老化，加之控制方式落后，工艺参数的控制 只能靠手动进行调整，很难时刻准确地保证化学水处理的质量，某种程度上也会影响机 组的安全经济运行。该系统主要存在如下缺点： ( 1 ) 操作手段落后。目前还采用传统的模拟盘操作方式。大型机组化学水程控系统 采用计算机操作监视手段进行数字处理，能有效的减少模拟盘硬件维护量和硬件带来的 故障点，操作界面直观舒适。 ( 2 ) 程控方式单一，灵活性差，自动投入率低。目前补给水程控系统采用模拟盘程 序启停控制，遇有个别设备故障时只能跳步控制，方式灵活性差，危急时刻人的主观操 作无法介入系统。凝结水系统运行仅限于模拟盘一对一手动操作，运行人员操作繁琐， 劳动量大，控制精确度低。 ( 3 ) 模拟量参数显示、记录功能低级。无论是就地一次仪表还是控制室的二次仪表 及记录仪，目前还在使用二十年前的仪表技术，参数显示精确度低，可靠性差，参数记 录运行停留在人工分时记录的落后方式下。 ( 4 ) 系统结构复杂，运行维护量大。庞大的模拟盘给该系统带来了诸多的维护量和 故障点，给运行操作带来了附加的操作。 一7 一 东北大学硕士学位论文第2 章化学水处理控制系统总体方案设计 ( 5 ) 管理水平低下。操作记录和运行参数记录全部人工手写，工作量大，不利于自动 化管理和资源共享。 基于以上系统缺陷及国内外火电厂水处理系统未来的发展方向，我们对铁岭发电厂 化学水计算机监控系统设计提出了以下要求： ( 1 ) 先进性。采用先进并成熟的设计软件，硬件技术，使改造后的系统无论从实际功 能上，还是设备质量及外观上，都要达到国内领先水平，在相当长的一段时间内，不再 改造也不落后。 ( 2 ) 实用性。从实际出发，充分考虑所设计系统与实际生产工艺过程的有机融合， 使控制水平和管理水平上新台阶的同时，提高性能价格比。 ( 3 ) 可靠性。生产过程控制必须具备良好的安全可靠性。在设备选型上，要充分考 虑质量、可靠性以及长期的供货渠道。在系统设计上，重要部分要充分考虑冗余。软件 设计上，要有自检、自恢复和防止误操作等功能。 ( 4 ) 标准化。在系统设计、制图、软件开发、编写说明等方面要遵守国家标准、行 业规范。 综上所述，针对铁岭电厂目前现状及实际需求对水处理系统进行全面的技术改造势 在必行。 2 1 2 化学水处理控制系统方案 化学水处理控制系统设计采用以p l c 为主的自动化控制系统。系统总体方案基于 集散控制系统的思想，以集中控制和分散管理为指导原则。选用计算机和p l c 构成上 下位机的结构形式，从而实现系统控制目标。控制方式采用人工和自动控制相结合，以 自动为主，人工监控为辅。 上位机使用运算能力较强的计算机，进行实时的监控和日常管理之用，具有良好的 用户界面、数据库管理和监控通信的功能。下位机通过r s 4 8 5 通信，进行信息交换， 上层通讯部分是根据组态软件来完成，下层通讯采用p l c 的自由口通讯方式。 现场设备的运行状态、阀门的开关状态及工艺参数进入p l c 后，p l c 通过组态软 件的设备驱动程序( i os e r v e r ) 与上位机进行通讯；上位机获取现场设备的数据后可以 通过监控画面上浏览现场各设备的状态。操作人员根据这些状态参数，用鼠标和键盘就 可控制现场设备，p l c 接收到这些指令后按预先编制好的程序进行逻辑运算，将结果送 往输出模块，通过各输出点信号控制现场设备。一般操作员在控制室就可获取现场工艺 系统运行状态及报警状态，实现了方便可靠的控制室集中监控【1 1 “j 。最上层管理机可以 对整个网络进行监控，进行总体的数据分析，及异常情况下的报警等。包括系统异常报 一8 一 k ；譬 h飞0；多 东北大学硕士学位论文第2 章化学水处理控制系统总体方案设计 警及工艺参数报警等内容。 整个网络配置4 台操作员站，一个工程师站，就地控制站包括：预处理生活消防水 系统、锅炉补给水处理系统、高效过滤器、撑1 、2 机凝结水系统、群3 、4 机凝结水系统、 凝结水体外再生系统、撑1 、2 机汽水化验站系统、撑3 、4 机汽水化验站系统等8 个控制 站。化学集控室设3 台操作员站，互为备用。并分别完成对预处理、生活消防水、汽水 化验站系统，锅炉补水系统以及凝结水系统的集中监视和控制。控制方案及系统的结构 图如图2 1 所示。 锅炉补给 凝结水体高效过 水处理外再生滤器站 预处理生循环水联1 2 号机凝 活消防水合处理 结水 图2 1 控制方案及系统结构图 3 4 号机凝1 2 号机汽3 1 4 号机汽 结水水化验水化验 f i g 2 1c o n l r o ls c h e m ea n ds y s t e ms t r u c t u r a lp a t t e r n 根据以上的分析和现场情况，本论文所研究的控制系统，在设计中尽量保证其可靠 和稳定，并本着实用的原则，从性价比上综合考虑。上位机设选用适合于工业生产环境 的工控机，可满足系统管理要求。系统中下位机的功能主要是完成生产控制，根据系统 的抗干扰性及控制精度的要求，选用o m r o n 公司c s l 系列的p l c 。软件设计采用 o m r o n 公司p l c 的软件编程c x p r o g r a m m e r 作为开发工具。 化学集中监控系统采用工业以太网和控制网( c o n t r o l n e t ) 的两极网络结构。由于 监控系统需要联网的设备较多，因此我们在硬件的配置上、软件的网络规划管理上充分 考虑了这些因素，可有效的避免由于网络上节点数目的增加而造成的通讯阻塞现象。在 化学集控室设置两台德国赫兹曼模块化网络交换机，7 台p l c 系统、一台工程师站和四 一q 一 东北大学硕士学位论文 第2 章化学水处理控制系统总体方案设计 台操作员站均通过以太网连接到网络交换机上，形成一个冗余的星形通讯网络结构，设 计冗余通讯网络的目的是要充分保证整个监控系统通讯的可靠性。方案中的控制网主要 用来实现主p l c 与扩展p l c 之间( 见监控系统结构图) 、主p l c 与远程p l c 之间( 汽 水化验站) 的通讯连接，c o n t r o l n e t 网络的设计同样采用冗余配置，与以太网结构不同 的是c o n t r o l n e t 网桥模块本身就是冗余配置，无须在一个机架上使用两块网桥通讯模块， 另外c o n t r o l n e t 网络的联结为支干结构。 2 1 3 化学水处理控制系统的主要功能 论文所介绍的化学水处理控制系统是分布式系统，其主要任务是保证进入汽水循环 系统中的水质符合生产要求。水处理系统设计与开发，主要包括以下功能： ( 1 ) 化学水处理系统的自动控制，手动控制功能 全部水处理设备按运行控制要求可划分为四部分，即预处理生活消防水系统，补给水 处理系统和中和池排放系统，凝结水群1 、2 机处理系统，捍3 、4 机凝结水处理系统。对应四 部分分别设置四套独立的控制系统，每套控制系统在操作员工作站上分别设有自动手动 切换开关，可使控制系统中的设备处于手动控制方式和自动控制方式。汽水化验系统仅 进行监视。 手动方式水处理设备中的任一控制设备可在操作员工作站进行一对一操作，手动控 制方式下可无扰切换到自动控制控制方式。 自动控制方式分步进半自动控制和程序控制。步进半自动控制是指水处理设备中的 设备可在操作员工作站进行按程序步单步操作，程序控制是指水处理设备中的设备可在 操作员工作站进行系列启停控制及各程序步的步序显示。控制系统在自动运行方式下还 可人为介入。人为介入一方面可无扰动切换到手动控制方式或步进控制方式，另一方面 还可无扰切换到自动控制方式。 ( 2 ) 联锁、保护功能 联锁、保护功能包括泵与出口门、泵与泵之间的联锁及保护。按工艺过程要求，当 某台泵启动时，在规定的延时内自动开其出口阀门；反之，当泵停止时，泵出口门自动 关闭。系统中有两台互为备用的泵，当运行泵故障跳闸时，备用泵自动启动。 ( 3 ) 全过程系统运行状态监控显示功能 在操作员工作站中建立工艺流程画面，实时动态显示系统的运行状态、各类重要参 数及报警信号。将系统中些重要的仪表测量值送入模拟量输入模件中，操作员站通过 与基本控制站的通讯获取这些数据，并在工艺流程画面中进行显示。基本控制站将系统 中主要设备的运行状态送入操作员工作站，在操作员工作的工艺流程画面中可以对这些 一1 0 一 东北大学硕士学位论文第2 章化学水处理控制系统总体方案设计 设备的运行状态进行监视。例如在锅炉补水处理系统工艺流程画面中可监视到各机械过 滤器、除盐系列、混床等设备的运行情况。 ( 4 ) 设备运行故障状态报警显示 在操作员工作站中建立与系统的安全运行密切