（计算机应用技术专业论文）火电厂化水处理计算机控制系统的设计与实现.pdf

摘要 p l c 技术、网络技术及数字设备的不断发展，促使工业控制从 传统的模拟控制逐步走向数字控制，从分散控制走向集中控制，从 人工操作发展成为计算机控制。计算机软硬件技术已经渗透到控制 系统的各个环节。 本文对“火电厂化水处理计算机控制系统”进行分层分析、设 计，提出了“p l c + 局域网络+ 监控管理系统”的系统方案。以p l c 技术实现对现场设备的逻辑控制，以工业以太网实现数据的网络传 输，上层监控系统则以“实时数据库”为核心实现对现场生产的“实 时监控”。为保证系统的可靠性，系统采用双网、双 s c a d a ( s u p e r v i s o r y c o n t r o la n dd a t aa c q u i s i t i o n ) 冗余结构。 文章提出了“数理逻辑设计法”及“面向对象的思想”来进行 p l c 编程以简化控制逻辑、规范l d ( 梯形图) 程序的开发，实现各设 备类的封装、继承及功能的模块化。同时，为弥补i f i x 3 5 在数据管 理上的不足，文章研究在管理层采用s q ls e r v e r 技术来加强数据管 理和数据发布，从而实现信息的网络共享。最后，设计实现了语音 报警及报表打印等功能。 本文所设计的实时、可靠、开放型系统结构，将系统各个因素 紧密联系在一起，实现了生产和管理的计算机控制。 本系统最终在广东梅县荷树园火电厂得以成功实施。 关键词火电厂，p l c ，s q ls e r v e r ，数理逻辑，面向对象 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fp l c ，n e t w o r ka n dd i g i t a le q u i p m e n t ，t h e i n d u s t r i a lc o n t r o la d v a n c e sf r o ma n a l o gc o n t r o lt od i g i t a lc o n t r o l ，f r o m d e c e n t r a l i z e dc o n t r o lt oc e n t r a l i z e dc o n t r o l ，f r o mm a n u a lo p e r a t i o nt o c o m p u t e rc o n t r 0 1 t h ec o m p u t e rt e c h n o l o g yo fh a r d w a r ea n ds o f t w a r e h a sp e r f o r m e dw e l li nt h ee v e r yp a r to ft h ec o n t r o ls y s t e m t h et h e s i s a n a l y z e s ，d e s i g n s t h e c o m p u t e rc o n t r o ls y s t e m o f c h e m i c a lw a t e rp r o c e s si nc o a l f i r e dp o w e rp l a n tf r o md i f f e r e n tl a y e r s a n dp r o p o s e st h es c h e m ao f p l c + l a n + m a n a g e m e n ts y s t e m ”p l ci s m a i n l yr e s p o n s i b l ef o r t h el o g i cc o n t r o l ，t h ei n d u s t r i a le t h e r n e tt a k e s c h a r g e o ft h ed a t at r a n s m i s s i o n t h r o u g h t h en e t w o r ka n dt h e m a n a g e m e n ts y s t e mi m p l e m e n t st h er e a l - t i m em o n i t o r i n gb a s e do nt h e r t d b ( r e a lt i m ed a t ab a s e ) t h ec o m p u t e rc o n t r o ls y s t e ma d o p t sd u a l n e t w o r ka n dd u a ls c a d a ( s u p e r v i s o r yc o n t r o la n dd a t aa c q u i s i t i o n ) i no r d e rt oa s s u r et h es y s t e m sr e l i a b i l i t y t h et h e s i sa l s oa d o p t s “t h es y m b o l i cl o g i cd e s i g nm e t h o d ”a n d “o b j e c t - o r i e n t e dt h o u g h t ”t os i m p l i f y t h ec o n t r o l l o g i c ，g u i d et h e d e v e l o p m e n to fl d ( l a d d e rd i a g r a m ) a n dr e a l i z et h ed e v i c ec l a s s e s e n c a p s u l a t i o n ，i n h e r i t a n c ea n dm o d u l a r i z a t i o n b e s i d e st h a t ，t om a k eu p t h ew e a k n e s so f i f i x 3 5t om a n a g ed a t a ，w es t u d yh o wt oa p p l yt h es q l s e r v e rt e c h n o l o g yt om a n a g ed a t aa n dd i s t r i b u t ed a t a ，w h i c hc a nm a k e i n f o r m a t i o ns h a r et h r o u g ht h en e t w o r k a tl a s t ，w er e a l i z et h ef u n c t i o n s o fs o u n da l a r ma n dr e p o r tp r i n ta n ds oo n t h er e a l - t i m e ，r e l i a b l ea n do p e ns y s t e mp r o p o s e db yt h et h e s i sc a l l i n t e g r a t ea l lo ft h ee l e m e n t st o g e t h e ra n dm a k et h ep r o d u c i n gp r o c e s s a n dm a n a g e m e n tu n d e rt h ec o m p u t e rc o n t r o le v e n t u a l l y t h es y s t e mh a sb e e ns u c c e s s f u l l yp u ti np r a c t i c ei nt h eh es h u y u a nc o a l - f i r e dp o w e rp l a n ti ng u a n g d o n g k e yw o r d sc o a l - f i r e dp o w e rp l a n t ，p l c ，s q ls e r v e r , s y m b o l i c l o g i c ，o b j e c t - o r i e n t e d 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名：盘笙日期：丘年上月旦日 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位 论文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论 文；学校可根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。 作者虢妊翩签名鞋吼尘年厶竺日 硕士学位论文 第一章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 工业化经济的发展离不开电力资源，电能的耗费己成为一个国家技术和经 济发展水平高低的重要标志之一。电力工业的发展，对整个国民经济有着直接 的影响。近年来许多地区因为电力不足，出现拉闸限电的现象，严重影响地区 经济发展，因此国家对电力发展进行了积极的调整，投资了不少水电及火电项 目，以弥补各地电力缺口，保证生产生活用电。 目前，我国电力生产仍以火力发电为主，根据统计，2 0 0 5 年火力发电量占 全国总发电量的7 0 以上【l 】。由于科学技术的发展，现代化的火电机组普遍采 用大容量、高参数单元机组。这些单元机组由锅炉、汽轮机发电机组及辅助系 统等庞大的设备群组成。为了保证机组安全可靠运行，提高电厂的经济效益， 对机组的自动化水平的要求自然提高。 随着微电子技术的发展，目前火电厂多采用组装式电子综合控制仪表，这 类仪表采用集成电路，体积小，可靠性高，其功能基本上模块化，而且许多已 经数字化。另外，随着计算机技术的发展，其与工业控制技术结合越来越紧密， 在许多领域内已开始应用小型工业控制计算机代替模拟控制仪表，实现直接数 字控制和监视。 因此，将计算机技术引入火电厂，实现生产自动化和集中管理具有的重要 意义。 1 2 火电生产发展及现状 火电生产是随着工控技术的发展而进步的。工业控制技术又是紧随电子技 术、集成电路技术而发展的，传统的模拟控制逐步走向数字化控制。 火电厂控制技术经历了继电器与模拟单元控制阶段，以单板机技术为基础 的控制阶段，以大规模集成电路设计的主机d c s ( 分散控制系统) 及以p l c 控制 为基础的辅机控制阶段【2 】。最近十年来，由于计算机及网络技术的飞速发展， 火电控制系统和管理系统中已大量采用了计算机和网络以加强对电厂运行的监 控和管理。国内外专家也正在积极研究新的网络通信技术以解决现场生产的通 信问题。硬件及软件制造商也已逐步推出能适应大型网络系统的控制产品和网 络版控制软件。 我国自2 0 世纪7 0 年代开始应用计算机控制技术，其与模拟仪表相比计算 机控制系统有着显著的优点。它能实现各种调节算法而且运算精度高，支持直 硕士学位论文第一章绪论 观显示等。但是限于当时的计算机技术水平，控制多采用集中方式，而且性价 比及可靠性都存在问题，难以达到预期的效果。 到9 0 年代，随着微处理器技术的发展，研制出以微处理器为核心的新型仪 表控制系统d c s 系统( 集散控制系统) 。d c s 系统底层硬件通常由微处理 器、r o m 、r a m 、面板接口、a d 、d a 、d i 、d o 通道、通信接口组成，其 通过网络与上层p c 机进行交互；软件系统由操作系统、组态软件等组成以实 现对整个系统的组态、监控等。d c s 控制系统在国内已得到广泛应用，但其主 要用在火电主机( 锅炉、汽机、发电机组) 控制系统中。 与d c s 同时出现的还有p l c ( 可编程逻辑控制器) 技术。在上世纪7 0 年 代g e 通用公司发明了第一个针对汽车流水线制造工业的p l c 后，工业控制就 进入了一个全新的领域，p l c 控制器逐渐取代了传统的继电器控制。由于p l c 的可编程性，其表现出强大的适应性和灵活性。p l c 可用于逻辑控制、运动控 制、过程控制、数据处理、多级控制等。由于p l c 较高的性价比，其也逐步应 用到火电辅助控制系统中来。 此外，新推出的f c s ( f i e l d b u sc o n t r o ls y s t e m ) 现场控制系统技术1 3 4 吲也在 不断发展，日益成熟。f c s 是以智能现场设备和自动化系统的数字式、双向传 输网络为基础的，可完全实现对数字仪表的实时监控。 基于上述各种底层控制，电力企业生产和管理也努力实现信息化， s i s ( s u p e r v i s o r yi n f o r m a t i o ns y s t e m ) 厂级监控信息系统及m i s ( m a n a g e m e n t i n f o r m a t i o ns y s t e m ) ”“j 等也在不断探索发展，以求实现生产、经营管理的智能 化。 目前，我国火电厂主机系统一般采用国内外先进成熟的d c s 系统进行控 制，主机系统指以锅炉、汽机、发电机组等主要发电设备的中心系统。而辅助 系统则逐步采用p l c 技术、计算机技术等进行控制，辅助系统一般指除灰系统、 除渣系统、化水系统、输煤系统等。辅助系统一般是相对分散和独立的控制系 统，主要负责某一部分辅助性的生产工作，比如生产化学水、向锅炉输煤、清 理锅炉产生的灰渣等。 当然也有人提出辅助系统d c s 控制的方案，但鉴于成本和灵活性，其不具 有p l c 控制的优势。而另一种新一代的控制系统f c s 系统，其应用基础是 现场设备的数字化、智能化，而国内现在各类现场设备( 变送器，调节器，分 析仪表) 等型号各异，数字化程度不高，因此限制了f c s 在实际中的应用。但 可以预计在不久的将来随着智能仪表的标准化及大力普及，f c s 系统将成为一 个分散自治性强、交互性强、更开放、更灵活的控制系统。 2 硕士学位论文 第一章绪论 1 3 火电生产辅助系统控制技术简介 前一节已经提到，火电厂控制一般分为主系统和辅助系统两大部分。本文 主要研究火电厂辅助系统，所以将主要介绍辅助系统的各类控制技术。 实际上火电厂辅助工艺子系统约4 0 多个1 8 j ，像化学水处理车间就包括了净 水预处理、补给水处理、凝结水处理、加药、废水处理、净水站、综合泵房、 循环水补水处理等子系统：除灰车问包括炉底除渣、干灰气力输送、石子煤、 电除尘、水力输送、灰库贮存、灰浆泵房、脱水仓、干灰增湿转运等子系统。 因为系统繁多，需要监控的设备也很多，传统的管理方式需要付出很多的 人力去保证系统的正常运行。现在的控制思路就是将这些分散的设备、子系统 通过网络连接起来集中管理。因此，火电厂辅助车间监控网络化和集中控制应 首先按水、煤、灰3 个车间实现网络化集中监控。 1 3 1 辅助系统控制方式 辅助系统的集中控制方式有“单元控制室控制”和“辅助车间控制室控制” 2 种”i 。 1 1 “单元控制室控制”可分为下列2 种方式 a ) 辅助系统信号接入d c s ，通过d c s 操作员工作站直接监控辅助系统运 行。b 1 辅助系统信号不进人d c s ，在单元控制室另设独立的辅助操作员工作站 进行监控。 目前这2 种方式均有应用，前者只在辅助系统采用d c s 组成监控系统时采 用；后者则应用较多。由于水、灰、煤3 个系统的信息量都很大，i o 总量多达 20 0 0 60 0 0 点，c r t 画面也很多，直接接入d c s ，不仅经济上不尽含理，对 d c s 安全性也构成一定威胁，加之运行人员管理水平有待提高等原因，因此常 采用另设辅助系统操作员工作站的方式。 2 1 “辅助车间控制室控制”也有2 种方式 a ) 水、灰、煤车问分属独立子系统、独立的网络，通过各自的集中控制室 进行监控。b 12 个或3 个车间作为一个整体通过一个控制室集中监控。 此两种方式各有利弊，前者只需改变现有管理体制，便于管理、维护和检 修，尤具适合老厂改造。后者从理论上讲可以更合理利用监控系统资源和大幅 减人增效。但由于水、灰、煤3 个辅助车间专业性质差别较大地理位置距离较 远、设备冗杂、控制对象操作频繁、现场转动机械和传感器故障、一些项目( 如 煤、灰、水样分析) 需要人工协助等原因，因此在目前传统的工艺设计和管理模 式下有很多不利的因素。 无论是“单元控制室”还是“辅助车间控制室”集中控制，都具有2 个共 硕士学位论文 第一章绪论 同的特点：a ) 控制点上位机均可与挂在网上的各子系统p l c 进行通信，实现信 息共享；b ) 各子系统上位机，可作为调试或监控的自治系统。 1 3 2 辅助系统网络结构 辅助系统结构分为管理层、监控层、控制层、i 0 层 9 1 。 i o 层与控制层之间的网络( 驱动级网络) 由p l c 厂家提供专用网络。 控制层与监控层之间的网络( 控制级网络) 也多数采用p l c 厂家的专用网 络，少数采用以太网。 监控层与管理层之间的网络( 管理级网络) 作为监控系统的主干网通常选 用以太网，根据信息量的多寡选择l o o m b i t s 或1 0 m b i t s 网络。由于每个主要 辅助车问监控对象信息量一般都超过1 0 0 0 点，而且辅助系统操作频繁，信息量 大，采用常规共享以太网易造成网络堵塞；因此宜采用全双工交换式工业控制 以太网m 1 。 当然，网络拓扑结构的选择一般根据辅助车间集中控制的覆盖范围、网络 化是否分步实施、p l c 选型等因素综合考虑。如果一个辅助车间设立一个控制 点、各子系统使用同一型号p l c 时，控制级和管理级网络多采用总线型拓扑结 构，这样网络旌工和维护都比较方便。为提高网络安全性，通常都采用冗余结 构，这对于作为主干网的管理级网络尤为重要。当煤、灰、水3 个车间只设立 一个控制点或各系统使用多种型号的p l c 时网络化要分步实施，控制级和管理 级网络宜采用星形拓扑结构。这是因为星形网络易于检测和隔离故障、易于扩 展和重新配置。而且星形结构多采用交换机技术，以保证网络中各节点有较高 的信息交换速率，对于多辅助车间联网非常适合。星形网络中的主交换机( 管 理级) 是全网信息中心，为保证网络安全一般采用冗余设置1 1 ”。有时还可冗余 配置各子工艺系统的分支交换机( 控制级) 。 1 3 3 操作系统与监控软件 操作系统目前以使用w i n d o w s 居多。其系统开放性强，支持各种硬件平台， 支持多种网络协议标准，采用抢先式多任务多线程调度，具有良好的安全性和 容错能力，特别是支持各种客户端机并具有广泛和成熟的应用经验。除外，也 有采用u n i x 系统作为运行平台的。 应用较多的监控软件有i n t e l l u t i o n 公司的f i x 、i f i x 软件和w o n d e r w a r e 公司的i n t o u c h 软件m 】。此外，像t a 公司的a 1 m a x 软件、我国亚控公司的组 态王、澳大利亚的c i n c h 、美国g e 公司的c i m p l i c i t y 、西门子的w i n c c 等。 无论哪一种监控软件，一般均满足以下的基本原则：保证常规的监控手段，提 4 硕士学位论文第一章绪论 供网络支撑，支持运行管理等。 监控软件一般具有数据采集、制表、报警和数据库访问等功能1 。支持监 控浏览，具有集成化的开发平台，可以集成第三方应用程序，支持多种硬件产 品等。 1 3 4p l c 技术 p l c ( 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 ) 实质上是用于控制的专用计算机， 它与控制对象有更强的接口能力。它的基本结构主要是围绕着适于过程控制的 要求设计的。p l c 主要由背板、电源模块、c p u 模块、通信模块、各种i o 模 块等组成。 现在先进的p l c 运算能力强，存储容量大，采用模块化结构，支持冗余热 备，易于扩展等。而且支持m o d b u s ，p r o f i b u s ，以太网，d e v i c e n e t 等多种通信 网络。 p l c 是按照控制要求根据用户编写的程序进行工作的。程序的编制就是用 一定的编程手段把控制任务描述出来。尽管国内外p l c 生产厂家采用的编程语 言不尽相同，但程序表达方式基本有4 种：梯形图( l a d d e rd i a g r a m ) 、指令表 ( i n s t r u c t i o nl i s t ) 、逻辑功能图和高级语言。绝大部分p l c 使用梯形图和指令表 编程。 p l c 已完全取代继电器控制的作用，其既可用于开关量控制，又可用于模 拟量控制；既可用于单机控制，又可组成多级系统控制【1 4 “5 i 。 目前，许多p l c 产品在网络支持能力和监控性能方面都适用于辅助车问监 控网络化和集中控制“7 i 。火电厂可根据工程的实际情况选择合适的p l c 来实 现控制呻2 “2 “”i 。 1 4 研究内容 生产控制系统的开发不同于计算机应用系统的开发，它涉及到机械设备、 电气控制、网络和应用等多个层次。对于一个庞大的控制系统，采用何种分析、 设计方法，何种计算机技术将对系统开发周期、系统质量等产生很大的影响。 基于这一思考，本文以“广东梅县荷树园火电厂化水处理系统”为研究对 象，研究如何将计算机技术应用到工业控制系统的开发中来，以使系统开发条 理化、规范化、结构化。 1 ) 改进传统梯形图设计的“经验法”法，研究“数理逻辑的l d 设计法” 和“面向对象的p l c 编程思想”在逻辑控制开发上的应用。 2 ) 为弥补i f i x 组态软件在数据管理上的不足，研究采用s q ls e r v e r 技术 硕士学位论文第一章绪论 加强对数据的管理和发布、实现数据的网络共享，从而实现对火电厂化水处理 生产和管理的计算机控制。 3 ) “语音报警”技术增强了系统报警功能；双s c a d a 系统结构保证系统 的可靠性。 文章从化水控制系统的生产要求、现场条件、技术可行性、经济可行性、 实施可行性等角度做了系统分析并提出具体的系统方案，从三个层次对系统进 行了设计和实现。 1 5 论文组织 论文共分六章。 第一章：绪论。简要介绍了论文的研究背景，国内外火电生产的发展及现 状以及火电辅助控制领域的主要技术。 第二章：化水控制系统分析。本章主要是对化水控制系统的工艺、控制特 点及系统性能、功能等做了具体分析。 第三章：化水控制系统总体设计。本章主要是根据系统分析的结果提出了 总体的系统设计方案。系统将从控制层、网络层、监控管理层这三个层次进行 具体的设计。 第四章：关键技术及系统实现。本章主要阐述系统所用到的“数理逻辑设 计法”、“面向对象的p l c 编程”及s q ls e r v e r 等关键技术，及系统相关功能的 实现。 第五章：系统测试。本章主要讲述系统测试三个阶段的主要任务和测试方 法。 第六章：总结及展望。总结了系统设计和实现的主要成果，同时指出了对 系统不足之处。 6 硕士学位论文 第二章化水控制系统需求分析 第二章化水控制系统需求分析 “化水处理系统”是“锅炉辅助系统”中一个很重要的组成部分，其主要 是负责将自然水经过一个水工艺流程处理之后生成合格的化学水，送往锅炉系 统 1 “。整个水处理系统操作步骤多、工艺复杂、阀门等设备数量多。如果各阀 门的开关操作以及水质指标的控制均由人工就地完成，不仅将增加了运行人员 的劳动强度。还将增加误操作的可能性，难以保证系统的安全性和水质的要求。 为提高水处理系统的自动化程度，保证控制要求和制水质量，需要一个生产控 制系统的支持【2 3 。2 4 2 ”。 “梅县荷树园火电厂”一期工程是装机容量为2 x1 3 5 m w 的循环流化床机 组。化水控制系统作为该电厂一个重要的生产辅助系统，其主要是负责“综合 水泵房”，“锅炉补给水离子交换除盐控制系统”和“废水处理系统”等相关子 系统的监控及生产的管理等。 以下将对系统生产要求、现场条件、经济可行性等方面做具体的分析。 2 1 系统现场条件 火电厂建在一个地势较开阔、平坦的地区，在离电厂不远处有当地一条主 要河流渌江经过。其中根据建筑布局的设计，“化水主控室”位于电厂东南 向i 与锅炉、汽机主控楼邻近：“锅炉补给水离子交换除盐控制系统”与“化水 主控室”位于同一建筑物内；而“综合水泵房”则因靠近江边取水，离“化水 主控室”比较远，根据现场考察，“综合水泵房”与“化水主控室”两点直线距 离约为2 0 0 米，通信沟道距离约3 0 0 米。 另外，电厂正式投产后现场电磁辐射将比较大，这影响到传输介质的选择。 同时地理位置的布局将影响到控制系统结构的布局及通信方式。 2 2 生产工艺及控制要求 1 ) 锅炉补给水处理系统流程“8 1 为： 经凝聚、沉淀、过滤的清水( 浊度3 m g l ) 一清水泵一高效纤维过滤器 一无项压逆流再生阳离子交换器一除二氧化碳器一中间水箱一中间水泵一无顶 压逆流再生阴离子交换器一混合离子交换器一除盐水箱一除盐水泵一主厂房用 户。 2 ) 预处理系统：主要通过来水管上检测仪表的流量和浊度，采用p l c 系 统控制排泥时间和排泥周期。正常浊度下沉淀池及过渡段的9 个阀8 小时开l 7 硕士学位论文第二章化水控制系统需求分析 次，每次开3 0 秒，每个阀为依次轮流开关，也可将9 个阀同时启动；反应池的 5 个阀4 8 小时开1 次，每次开3 0 秒，每个阀为依次轮流开关。 3 1 凝聚剂、加药系统：加药是一个连续的过程，每组溶液池设两台计量泵 向混合器投加药液，两台泵每1 2 小时切换一次，轮流使用。加药量根据母管浊 度仪、流量的信号，当浊度、流量发生变化时，系统自动调整加药量。 4 ) 高效过滤器、阳床、阴床及混床的运行及再生均采用人工启动自动化程 序控制；即人工启动运行按钮使设备投入运行，直至达到失效指标，设备自动 退出运行，处于准备再生状态；人工启动再生起动按钮使设备投入再生，按程 序再生完毕后自动停止，使设备处于运行备用状态。 5 ) 系统还具有“远操”和“就地”电磁阀按钮操作功能。 6 1 酸碱废水均排入中和池，当废液达到一定量以后，通入压缩空气进行循 环搅拌中和，当p h 值达到6 9 时，停止搅拌，如果p h 值达不到要求，视具体 情况加酸或加碱，待d h 值达6 9 时，将中和合格的废液通过中和池排水泵排 至下水道。 7 ) 锅炉补给水处理的气动控制用气压力为0 4 05 m p a 。本工程不单独设压 缩空气系统，而是利用主厂房压缩空气系统。只设二台7 m 3 压缩空气贮存罐。 8 1 预处理斜管沉淀池上的共2 8 个排泥阀要求通过程序控制。排泥阀周期 顺序动作，动作周期分几档设计。 9 ) 设备运行终点控制指标及失效监督：当高效过滤器进出口压差一般 o1 m p a ，最大不得超过o2 m p a 或其制水量达到规定值或进出口压差达到规定 值时，停止运行，进行清洗。其出水浊度不大于1 m g l 。当阳离子交换器出水 导电度达到5 ；或者周期制水量达到规定值时( 经调试确定) ，停止运行，进 行再生。当阴离子交换器出水导电度 一5 9 s c m ；或周期制水量达到规定值时( 经 调试确定) ，停止运行，进行再生。当混合离子交换器的出水导电率 - 02 1 t s c m 时，或s i 0 2 含量 1 2 0 u g ，l 时，或周期制水量达到规定值时( 经调试确定) ，即 停止运行，进行再生。 l o ) 控制电源；2 2 0 v a c 单相二线制5 0 h z 交流电源。 2 3 生产控制特点分析 总的来说，生产控制主要是以单体设备控制为基础，在此基础上建立流程 控制。由于现场设备多是机械操作，所以从向单体设备发出命令到设备完成操 作需要一段动作时间，存在反馈时延。 另外生产工作具有整体间歇性、局部连续性的特点，即化水生产并非连续 不断运转的，它是根据锅炉用水的需求情况，在一定时间内进行生产，其他时 候多处于等待状态的；但对于某一子系统若开始运转则具有一段时问上的持续 硕士学位论文 第二章化水控制系统需求分析 性，比如除盐过程、加药过程等。 同时，为了保证系统的可靠性，要求在自动控制系统外还有一套传统的现 场手动控制系统一电磁阀箱控制系统，其以按钮操作的方式直接控制现场设 备。所以，计算机控制系统需要与之协调。 2 4 控制点统计 化水处理系统的现场控制设备主要是阀门、水泵、风机等。而需要监控的 指标量比较多，主要包括：流量、压力、分析仪表、液位、电机电流、电机转 速、温度、浊度等。 根据设计，除了“斜管沉淀池排泥阀”要求采用电动控制外，其他阀门都 采用气力控制。电机和风机通过“电接触器”实现弱电控制强电。各类设备a i a o 信号一般采用4 2 0 m a 模拟信号，而d i d o 则采用+ 2 4 v 模拟信号。 初步统计后，i o 点数统计如表2 1 所示： 表2 - 1 数据点统计表 补给水程控系统( 点数) 综合水泵房 i o 点类型总点数 ( 包括除盐、酸碱、中和等系统) ( 点数) a i ( 4 2 0 m a ) 8 43 0 1 1 4 a o ( 4 2 0 m a ) 3 47 d i ( + 2 4 v ) 2 4 01 2 l3 6 1 d o ( + 2 4 v ) 1 7 68 62 6 2 总数5 0 32 4 l 7 4 4 2 5 控制系统性能和功能要求 化水处理控制系统的根本目的就是实现对分散在各处的现场设备的集中控 制，实现对各个子系统的集中管理，实现对各类参数指标的集中监控，实现对 生产操作的自动控制。除了要满足23 提到的工艺要求外，还有如下性能和功 能上的要求。 - 1 ) 控制方式 运行人员在操作员站，对锅炉补给水系统进行监视与控制，通过计算机画 面和键盘、鼠标对整个工艺系统设备完成控制和操作，控制室不再设常规控制 仪表盘和其它操作设备。 2 ) 显示功能 可在计算机画面上显示工艺流程及测量参数，控制对象状态，也应能显示 成组参数。 3 ) 数据记录功能 硕士学位论文第二章化水控制系统需求分析 包括定期打印、班报、日报、月报，报警打印、趋势记录打印等。可以查 询任意时间段内的历史数据。 4 1 顺序控制功能 高效过滤器再生顺控、阳离子交换器再生顺控、阴离子交换器再生顺控、 混合离子交换器再生顺控、中和系统顺控等；并具有“联锁保护”功能。 5 1 报警功能 当数据点超过限定值或控制对象出现故障时，除了在界面上显示报警信息 外，还应支持语音报警。 6 1 冗余功能 要求系统具备p l c 、网络、p c 机冗余设置，可在故障状态下自动切换。 7 1 性能要求 任何控制画面的切换均能在2 秒( 或更少) 的时间内完成。所有显示的数据 每秒更新一次。调用任意画面的需操作的次数不多于三次。运行人员通过键盘、 鼠标等手段发出的任何操作指令均在1 秒或更短的时间内被执行。 8 1 系统安全要求 系统设置用户权限，以防止非授权人员擅自改变控制策略、应用程序和 系统数据库等。 9 1 系统接口 为了保证系统扩展及与其他系统的整合；要求具有系统接口软接口和 硬接口。 2 6 经济性分析 一般按电厂的规划，化水处理系统预期投资约y 2 5 0 万左右，其种含括现 场仪表、各类变送器、计算机系统软硬件、工控系统软硬件网络设备等费用。 系统建立后，经济上最明显的效益的就是提高生产效率、减少人力成本。 若以传统的现场设备直接操作的方式来进行生产的话，对于分散四处的多个子 系统都要安排工作人员协调；而实现自动化控制后，每班只需安排两个运行控 制人员，另外可安排一个检修人员随时协助工作。初步估计，可以节省8 个人 力成本左右【1 9 i 。 另外，其隐形的经济效益在于降低安全生产成本，减少电厂因故障停机而 造成的损失。初步预计2 + 1 35 m w 发电机组的发电投运后，年发电量约为1 4 亿度电，产值约1 2 亿。 因此，在对系统进行设计的时候须考虑系统开发成本，须以最可行的方案 实现最大的收益。 硕士学位论文 第二章化水控制系统需求分析 2 7 生产系统组成 化水生产系统各子系统构成如图2 - 1 所示。 刁i o 图2 - 1 化水生产系统组成图 而从整个系统控制、信息流动角度来看，其a c d ( 结构环境图) 如图2 - 2 所 2 8 本章小结 图2 - 2 化水控制系统结构环境图 随着火电机组生产规模的不断扩大，化水处理系统生产工艺也日趋复杂。 其生产环节比较分散，控制方式也发生了曰新月异的变化。面对种类较多的化 水子系统及重复的运行管理机构，相对集中的综合化控制模式成为发展的趋势。 硕士学位论文 第二章化水控制系统需求分析 它成为电厂实现减人增效，提高生产的经济性、安全性和自动化水平的有效途 径之一。所谓综合化控制，即采用先进的工业控制技术和计算机技术把电厂所 有化学水子系统合为一套控制系统，取消传统的操作模拟盘，采用p l c 和上位 机的2 级控制结构，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 之间通过数据通信接口进行通信。各系统以局域网的总线形式集 中连接在化水控制室p c 机上，从而实现化学水系统相对集中的显示、操作、 自动控制。 本章从现场条件、设备布局、设备类型及系统性能、功能等要求出发，对 “化水控制系统”做了具体的分析，初步勾勒出系统的结构、确定了系统的基 本组成元素，为后续的设计和实现提供根据 硕士学位论文 第三章化水控制系统总体设计 第三章化水控制系统总体设计 3 1 系统总体方案 化水控制系统首先是个生产系统，它的主要功能就是实现化水生产的自动 化，而计算机控制的目的是为了实现生产管理的智能化和集中化。因此，整个 系统是在工业控制的基础上建立计算机控制。根据前章的分析，系统可分为以 下三层。 1 ) 现场控制层：现场设备，p l c ，电气线路。其主要功能就是以p l c 为核 心实现对各设备的逻辑控制，从而进一步实现对生产的自动化控制。 2 ) 网络层：介于现场控制层与监控管理层之间的中间层。负责各层间的数 据交互及与其他系统问的连接。 3 ) 监控管理层：中心监控系统，厂级管理系统。负责生产的集中控制和管 理，实现各系统间的数据共享等。 系统设计方案为：p l c + 局域网络+ 监控管理系统。系统方案结构如图3 一l 所示。 图3 - 1 系统设计方案结构图 3 2 现场控制层设计 化水生产过程是通过众多的阀门、水泵等相关设备完成的。传统的生产控 制是人工现场直接操作，工作人员需要按要求开动这些设备。由于系统分布范 硕士学位论文第三章化水控制系统总体设计 围广，人工操作费力、费时而且不能及时了解现场设备工作状态，对出现的故 障不能及时反应，容易出现操作失误和生产事故。对于流程操作，其整体掌控 性、协调性就更差了。 本系统采用p l c 技术实现对现场所有设备的逻辑控制及流程控制。p l c 要 为每个控制点分配一个y o 地址。从现场设备反馈回来的d i 、a i 等模拟信号( 2 4 v 或者4 - 2 0 m a ) 经过p l c 的a d 转换后变成b o o l 量或者数值量保存在分配的 存储区里。p l c 根据这些输入信号，做出运算或者逻辑判断，输出一个命令信 号到现场设备或者将信息通过网络层传送给监控管理层。 在这一层上有两个方面的工作：一个是现场设备的电气线路的设计；另一 个就是通过p l c 编程，实现对现场各类设备的信号采集、逻辑控制等。 为了保证控制系统的稳定运行，控制层采用双p l c 结构。p l c 热备模块之 间以光纤连接，保证主从p l c 间数据的高速同步。当主p l c 出现故障时，从 p l c 将在极短的时间内接替主p l c 的工作从而实现快速无扰的故障切换。 部分控制点i 0 地址分配及电气线路连接情况如表3 - 1 至表3 _ 4 所示。 表3 - 1d i 点表 i o模p i e 机柜 序 i o 点编号 i o 点名称 类块 所属控制器 p l c 号代号 端子 端子号 地址 型号 位置 16 i h v li a c p # l 过滤器进水阀关状态 d id i lb l h s w c k ld i x ll21 0 0 0 0 1 26 1 h v l1 8 0 p # 1 过滤器进水阀开状态 d id i l b l h s 、v c k ld i x 1 341 0 0 0 0 2 36 i h v l 2 a c p # 1 过滤器出水阀关状态 d ld i l b l h s w c k ld i x l 5 61 0 0 0 0 3 4 6 i h v l 2 a o p# 1 过滤器出水阀开状态d id i lb l h - s w c k ld i x 1 7 81 0 0 0 0 4 5 6 l h v l 3 a c p # 1 过滤器反洗进水阀关状态 d id i lb l h s w c k ld i x 191 01 0 0 0 0 5 66 l h v l 3 a 0 p # 1 过滤器反洗进水阀开状态 d id i lb l h s 、“c k ld i x l1 11 21 0 0 0 0 6 2 5 77 7 n 0 1 p l # l 工业水泵电源消失 d id 1 9b l h - s w o c k 3d 1 x 9l21 0 0 2 5 7 2 5 87 7 5 1 0 l p a # l 工业水泵保护动作 d id 1 9b l h s w c k 3 d i x 9 341 0 0 2 5 8 2 5 97 7 n o l r p # l 工业水泵运行 d id 1 9 b l h s w c k 3d i x 9 5 61 0 0 2 5 9 2 6 07 7 n 0 2 p l # 2 工业水泵电源消失 d id 1 9b l h s w c k 3d i x 9 7 81 0 0 2 6 0 表3 - 2d 0 点表 i 0模p i e 机柜 序 i 0 点编号i 0 点名称类块 所属控制器 p l c 号 代号 端子 端子号地址 型号位置 l 6 l h v l l a c d # 1 过滤器进水阀关指令 d od o lb l h - s w c k ld o x l l 0 0 0 0 0 1 2 6 1 h v l t a o d枞过滤器进水阕开指令 d 0d o lb l h - s w - c k ld o x l20 0 0 0 0 2 36 l h v l 2 a c d # 1 过滤器出水阀关指令d od 0 1b l h s w c k ld o x l 3 0 0 0 0 0 3 46 l h v l 2 a 0 d # l 过滤器出水阀开指令 d od o lb l h s w - c k ld o x 140 0 0 0 0 4 硕士学位论文第三章化水控制系统总体设计 56 l h v l 3 a c d # i 过滤器反洗进水阀关指令 d od o lb l h s w c k ld o x l50 0 0 0 0 5 66 l h v l 3 a o d # 1 过滤器反洗进水阀开指令 d od o lb l h s 、v c k ld 0 x 160 0 0 0 0 6 2 0 07 7 n 0 4 t d# i 加药泵跳闸指令d od 0 7b l h s w c k 3d o x 71 51 60 0 0 2 0 0 2 0 l7 7 n 0 4 c r # l 加药泵变频器投入指令 d od 0 7b l h s 、v - c k 3d o x 71 71 80 0 0 2 0 1 2 0 2 7 7 n 0 5 r d # 2 加药泵台闸指令 d 0d 0 7b l h - s w - c k 3d o x 71 92 00 0 0 2 0 2 2 0 37 7 n 0 5 t d# 2 加药泵跳闸指令d o d 0 7b l h s w c k 3 d o x 72 12 20 0 0 2 0 3 2 0 47 7 n 0 5 c r # 2 加药泵变频器投入指令 d od 0 7b l h s w c k 3d o x 72 32 40 0 0 2 0 4 表3 - 3a i 点表 序 i 0 点 i 0模 所届控制器 p l c 机柜 p l c 编号 i 0 点名称 类块 代号 端子 号型号 位置 端子号 地址 l6 l f t 0 3 a # 1 过滤器进口流量 a ia i lb l h s w c k la 卜x ll24 0 0 0 0 1 26 l p t l 3 a # i 过滤器进口压力 a i a 1 1b l h s w c k l a i x l344 0 0 0 0 3 3 6 l p t l 5 a# 1 过滤器出口压力 a i a i lb l h s 、c k la i x l564 0 0 0 0 5 4 6 1 f t 0 3 b# 2 过滤器进口流量 a i a i ib l h s w c k la i x l784 0 0 0 0 7 56 i p t l 3 b# 2 过滤器进口压力 a 1 a i lb l h s w c k la i x 191 04 0 0 0 0 9 66 l p t l 5 b # 2 过滤器出口压力 a ia i lb l h s w c k la i x l1 l1 24 0 0 0 1 1 5 36 1 p t 4 7 自用水母管压力 a la 1 4b l h s w c k 2a i o x 491 04 0 0 1 0 5 5 46 l a t 0 4 主厂房除盐水p h 值 a ia 1 4b l h s w c k 2a i x 41 11 24 0 0 1 0 7 5 5 6 i ( j t d 4主厂房除盐水导电度 a i