1 引言 除鹽水站作為萊鋼銀山型鋼公司25MW發(fā)電工程的主要設施，擔負著供應三臺130t鍋爐和四臺150t除氧器用水的重要任務。過去除鹽水生產(chǎn)自動化監(jiān)控程度低，絕大部分的水泵是人工操作控制，在新的改造項目中需要在原先生產(chǎn)工藝上增加多介質(zhì)、活性炭過濾器以及陰陽離子置換器等高新技術(shù)生產(chǎn)設備，所以更加需要對整個除鹽水站進行自動化控制的改造，從而可以節(jié)約能源，降低工人勞動強度，大大提高生產(chǎn)水平。 2 工藝簡介 除鹽水改造后的生產(chǎn)線主要設備有6個多介質(zhì)和6個活性炭過濾器，超濾裝置，反滲透裝置，脫碳風機，陰離子和陽離子交換器，以及生水泵3臺（1臺變頻），高壓泵6臺，4臺除鹽水泵（1臺變頻），反滲透出水泵3臺（1臺變頻）等。生產(chǎn)工藝圖如圖1所示。 3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 根據(jù)工藝的要求，萊鋼銀山型鋼公司25MW發(fā)電工程除鹽水站PLC控制系統(tǒng)采用一套西門子的SIMATIC的S7-400主站外掛ET200遠程I/O模塊從站結(jié)構(gòu)，由一個主站、三個從站和兩個PC站（上位機）組成。主站通過PROFIBUS總線電纜和接口模塊與從站通訊，這樣的構(gòu)架既保證了PLC系統(tǒng)的先進性又為用戶節(jié)省了成本。主站是由一個支持冗余的底板和S7-400系列電源模塊、CPU模塊、CP模塊組成，模塊支持熱插拔。從站是ET200M分布式系統(tǒng)，是在工業(yè)現(xiàn)場經(jīng)常使用的PROFIBUS DP現(xiàn)場總線上的從站，用于連接工業(yè)控制系統(tǒng)中的各種現(xiàn)場裝置。 3.1 硬件配置 本系統(tǒng)是建立在S7-400控制器、DELL的Pentium工控機平臺之上的分布式系統(tǒng)。S7-400是模塊化PLC系統(tǒng)，采用標準的以太網(wǎng)通訊，每個控制器可以控制64個回路，最大的可處理131072個I/O點，其中模擬量I/O點數(shù)為168個，邏輯掃描率為1.25MB/s。S7-400與上位機采用工業(yè)以太網(wǎng)，通訊速率為100Mbps。系統(tǒng)配置結(jié)構(gòu)如圖2所示。 除鹽水生產(chǎn)線自動化控制系統(tǒng)設計由兩級網(wǎng)絡組成，一級是過程控制級，二級是基礎控制級。 第一級——過程控制。以S7-400PLC系統(tǒng)作為主要控制核心,由兩臺上位機、PLC控制單元加以太網(wǎng)卡等組成工業(yè)以太網(wǎng)，監(jiān)控站利用組態(tài)軟件Wincc實現(xiàn)對工作現(xiàn)場進行監(jiān)督控制，中央處理器采用CPU416，I/O系統(tǒng)采用ET200M，通過ET200分布I/O通訊對流量、液位、pH值、出口壓力等參數(shù)進行采集，上位機將實時數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)送到服務器的關系數(shù)據(jù)庫中，進行保存和數(shù)據(jù)處理。過程控制級通過工業(yè)以太網(wǎng)將上位機系統(tǒng)和現(xiàn)場監(jiān)測與控制點緊密的結(jié)合為一個整體，從而實現(xiàn)對整個控制系統(tǒng)的計算機在線遠程診斷功能。 第二級——基礎自動化。Profibus-DP網(wǎng)絡是網(wǎng)絡集成的最底層，主要是連接現(xiàn)場設備。主站S7-400 PLC通過Profibus-DP網(wǎng)與從站通信，一方面主站將控制數(shù)據(jù)電機速度設定、溫度、壓力設定、接觸器吸合及斷開等發(fā)送到傳動裝置；另一方面?zhèn)鲃友b置的電機轉(zhuǎn)速、傳感器流量、溫度、壓力、接觸器觸點的通斷等數(shù)據(jù)通過通信傳送到主站PLC指定的寄存器地址。Profibus-DP主要用于工業(yè)自動化系統(tǒng)的高速數(shù)據(jù)傳送，實現(xiàn)調(diào)節(jié)和控制功能，是一種高速低成本通訊，用于設備級控制系統(tǒng)與分散式I/O的通訊，是計算機網(wǎng)絡通訊向現(xiàn)場級的延伸。 3.2 軟件設計 計算機操作系統(tǒng)采用Windows 2000 Professional中文版本，上位機監(jiān)控軟件采用Wincc 6.0組態(tài)軟件來實現(xiàn)。 （1）操作系統(tǒng)軟件Windows 2000 Professional中文版提供了一個快速、高效的多用戶、多任務操作系統(tǒng)環(huán)境，是目前使用廣泛的工控系統(tǒng)。 （2）Wincc 6.0監(jiān)控軟件實現(xiàn)了對整個系統(tǒng)的開關量、模擬量的采集和處理，并顯示在監(jiān)控畫面上，在對多臺重要水泵的控制中的物理量如電流、主回路運行、頻率設定，有無故障等都實時顯示在系統(tǒng)畫面上，方便操作人員及時掌握系統(tǒng)的運行情況。 （3）采用Step7對西門子可編程序控制器進行配置、編程，它可以利用IEC-1131標準中八種編程語言中的六種（STL、LAD、FBD、CFC、SFC、SCL）進行編程。 4 系統(tǒng)功能 根據(jù)除鹽水生產(chǎn)工藝，監(jiān)控系統(tǒng)的功能主要是實現(xiàn)對工業(yè)新水的加藥、過濾、超濾、反滲透技術(shù)、陰陽離子置換、酸堿作用等控制工序，大致可分為過濾系統(tǒng)、超濾系統(tǒng)、反滲透系統(tǒng)、陰陽離子置換系統(tǒng)、與酸或堿結(jié)合系統(tǒng)5個子系統(tǒng)，系統(tǒng)監(jiān)控主畫面如圖3所示。 4.1 畫面顯示功能 該畫面通過Wincc 6.0軟件組態(tài)編輯實現(xiàn)動態(tài)模擬顯示整個除鹽水制備的過程。利用數(shù)據(jù)鏈接技術(shù)使得畫面上的元件實現(xiàn)實時動態(tài)、閃爍、變色等功能,讓畫面上的工藝參數(shù)以數(shù)字、棒圖的形式實時顯示,并對故障進行實時診斷。 4.2 數(shù)據(jù)處理功能 對系統(tǒng)采集的各種類型信號,利用各種計算功能、數(shù)據(jù)變換功能等實現(xiàn),模擬量信號有流量、壓力、濃度及PH值,數(shù)字量信號有水泵的運行狀態(tài)、故障和啟/停信號。 4.3 系統(tǒng)操作功能 自動和手動兩種工作方式，正常運行時采用自動方式，故障和調(diào)試時采用手動方式。它由PID控制回路實現(xiàn)對一些重要的模擬量數(shù)據(jù)的精確控制，以達到期望值。 4.4 報表與歷史趨勢功能 生產(chǎn)中的一些參數(shù)需要及時打印形成報表。報表分為班報、日報、月報，可定時打印，也可手動任意時間打印。一些重要參數(shù)，我們對其進行歷史數(shù)據(jù)存儲，形成歷史趨勢，可以隨時進行查看。 4.5 報警記錄功能 實時地發(fā)出所有發(fā)生故障的參數(shù)的聲光報警，提醒值班人員采取相應的措施。 5 控制設計 5.1 控制方式 生產(chǎn)設備的主要控制方式為自動/遠程手動/機旁手動三種方式。 （1）自動控制。自動完成水泵變頻啟動的所有相關過程，壓力傳感器將水泵出口壓力信號送至PLC，作為泵出口壓力單閉環(huán)控制的反饋值（給定值根據(jù)實際工況設定），通過PLC對水泵出口壓力信號變換和處理。為變頻器提供頻率給定，實現(xiàn)頻率的自動調(diào)整。 （2）遠程手動。操作人員可根據(jù)現(xiàn)場設備運轉(zhuǎn)狀況，通過監(jiān)控站進行單機設備操作，實現(xiàn)除鹽水生產(chǎn)的控制工序，作為聯(lián)鎖調(diào)試用。 （3）機旁手動。作為單機檢修或現(xiàn)場調(diào)試用。 5.2 水泵的控制與聯(lián)鎖 水泵控制程序流程如圖4所示。因為除鹽水的生產(chǎn)不是連續(xù)生產(chǎn)方式，并且其產(chǎn)水量經(jīng)常根據(jù)鍋爐系統(tǒng)的負荷調(diào)整進行調(diào)整，所以生產(chǎn)設備（水泵）的控制方式應該能夠適應多種情況下的生產(chǎn)方式，如一用一備、兩用一杯等不同工況。以生水泵控制為例，生水泵組由三臺泵及相應的出口閥門組成（其中的一個泵及閥作為備用），適合不同工況下的需要?？刂品绞椒譃闄C旁控制和遠程控制兩種。機旁控制是利用選擇機旁的啟動或停止按鈕，通過PLC發(fā)出啟動或停止信號運行或停止水泵；遠程控制是操作人員在監(jiān)控室根據(jù)畫面上的啟動或停止按鈕進行點擊操作，包括聯(lián)動、單機、備用三種控制狀態(tài)，三種狀態(tài)可以任意的切換，不影響泵的運行狀態(tài)。在聯(lián)鎖狀態(tài)下，當兩臺工作泵中的任意一臺停運時，備用泵自動啟動，停運的泵則作為備用泵。當生水泵出水管壓力低于5.6MPa時，進行第一次報警；當運行軟水泵出口壓力低于5.4MPa時，進行第二次報警，同時備用泵及出口電動閥自動投入；泵事故跳閘后，泵出口電動閥自動關閉，當每臺泵及泵出口電動閥均不能正常運行時，進行緊急報警。各控制及聯(lián)鎖可解列。 5.3 超濾裝置的控制 超濾裝置的運行主要是對5個電磁閥控制的閥門進行控制：進水閥、產(chǎn)水閥、反洗進水閥、正沖排水閥、反洗排水閥。這5個閥門的狀態(tài)決定了超濾裝置的工作狀態(tài)：運行、備用、反洗。 （1）運行。超濾在運行狀態(tài)下，首先進行正沖操作，正沖完成后超濾裝置的進口和出口電磁閥得電，進、出口閥門打開，超濾裝置投入運行； （2）備用。超濾裝置在備用狀態(tài)下，超濾裝置的進口和出口電磁閥失電，進、出口閥門關閉，超濾裝置投入備用； （3）反洗。超濾反洗有兩種方式，定時反洗和定壓反洗。定時反洗是根據(jù)超濾運行的時間進行固定時間間隔的反洗，定壓反洗是根據(jù)超濾裝置的進出口壓差進行反洗，當進出口壓差達到一定數(shù)值則超濾裝置也進行反洗?，F(xiàn)在的超濾反洗一般采用定時反洗。 5.4 反滲透裝置的控制 反滲透工藝是一種在壓力驅(qū)動下，借助半透膜的選擇截留作 用，將溶液中的溶質(zhì)與溶劑分閃的分離方法。在水處理工藝運用中，將水中無機離子、細菌、病毒、有機物及膠質(zhì)等雜質(zhì)去除，以獲得高質(zhì)量的水。系統(tǒng)對反滲透裝置的控制有三種工作狀態(tài)：運行、備用、沖洗。反滲透裝置有3個由電磁閥控制的閥門，反洗進口閥、產(chǎn)水排放閥、濃水排放自動閥。 （1）運行。當超濾水箱水位高于低液位，阻垢劑計量泵自動位，還原劑計量泵自動位，超濾/反滲透沖洗泵選擇開關自動位，反滲透水箱的水位低于70%時，反滲透裝置自動投用。 （2）備用。當反滲透水箱的水位達到高液位，或者超濾水箱的水位低于低液位時，反滲透裝置自動退出到備用狀態(tài)，同時停高壓泵。 （3）反洗。當系統(tǒng)停運后，并且超濾不在反沖時，超濾/反滲透反洗泵自動開啟，開啟濃水閥，開始反洗。 6 先進技術(shù)應用 6.1 雷達式液位檢測水箱 現(xiàn)場水箱采用VEGAPULS雷達式液位計，主要對生水箱、超濾水箱、反滲透水箱和除鹽水箱進行液位測量。液位計采用脈沖微波技術(shù)，可以在極短時間內(nèi)對水箱內(nèi)的液位進行精確測量和控制。雷達液位計采用一體化設計，在測量時發(fā)出的電磁波能夠穿過真空，不需要傳輸媒介，具有不受大氣、蒸氣、槽內(nèi)揮發(fā)霧影響的特點。采用非接觸式測量，不受槽內(nèi)液體的密度、濃度等物理特性的影響。測量范圍大，最大的測量范圍可達0～35m，可用于高溫、高壓的液位測量。參數(shù)設定方便，可用液位計上的簡易操作鍵進行設定，也可用HART協(xié)議的手操器或裝有VEGA Visual Operating軟件的 PC機在遠程或直接接在液位計的通信端進行設定，十分方便。 6.2 多級模糊控制算法 反滲透水處理自動控制技術(shù)是一種高科技的水處理技術(shù)，在運行過程中實現(xiàn)自動運行和手動操作無擾動切換。系統(tǒng)引入控制脈沖數(shù)偏移量函數(shù)的多級模糊控制算法克服了普通模糊控制器連續(xù)變量模糊化為有限的離散值所造成的精度低的問題。加入后對清除穩(wěn)態(tài)誤差與穩(wěn)態(tài)震顫現(xiàn)象的效果明顯；加上多級自修正量化因子和比例因子，可明顯提高系統(tǒng)快速性，且系數(shù)修改無復雜運算，便于在PLC上實現(xiàn)。 6.3 水質(zhì)在線神經(jīng)網(wǎng)絡檢測 水的污泥指數(shù)測定是一個非常有效的水質(zhì)在線檢測技術(shù)，通過測定原水，多介質(zhì)過濾、活性碳過濾前后，離子交換前后等取樣點的SDI（污染指數(shù)）值，可以有效的監(jiān)控水處理系統(tǒng)運行，可以判斷各個工藝步驟是否正常。SDI值越低，水質(zhì)越干凈.進水水質(zhì)、水量時刻在變化，是一個復雜的、大滯后多變量參數(shù)的動態(tài)非線性系統(tǒng)。機理復雜，難于建模。采用RBF人工神經(jīng)網(wǎng)絡技術(shù)可以較好的實現(xiàn)在線實時地監(jiān)測進水水質(zhì)參數(shù)，RBF是三層結(jié)構(gòu)：輸入層、隱含層和單數(shù)輸出層。在除鹽水處理過程中，測量進水淤積指數(shù)SDI是最重要的水質(zhì)處理參數(shù)，輸出層選SDI參數(shù)，輸入量個數(shù)要與SDI輸出有密切相關的參數(shù)變量，如PH值、電導率、堿度、反應時間，進水流量等,采用RBF神經(jīng)網(wǎng)絡的軟測量技術(shù)，在實際應用中計算速度快，能夠在線查看，更好的達到實時檢測的目的。控制原理圖見圖5。 7 結(jié)束語 除鹽水項目于2006年底改造，通過過濾器、反滲透裝置及陰陽離子器等階段的調(diào)試，于2007年3月正式投入運行。運行后效果良好，目前生產(chǎn)穩(wěn)定，日產(chǎn)合格水最多可達2000噸，完全達到了預期的設計要求和生產(chǎn)目標。實踐表明，該監(jiān)控系統(tǒng)的投運，有效地提高了除鹽水站的生產(chǎn)水平及供水機組的自保護功能，自動化控制程度的大大提高，也使得生產(chǎn)操作更加簡便，工人勞動強度小，基本無環(huán)境污染和出水水質(zhì)穩(wěn)定，在降低能耗、高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)、安全生產(chǎn)、保護環(huán)境等方面發(fā)揮了重要作用。