摘要：本文主要介紹了萊鋼25MW發(fā)電機(jī)項目除鹽水生產(chǎn)線的生產(chǎn)工藝和控制系統(tǒng)的功能，S7-400硬件、軟件的組態(tài)設(shè)計原理，及如何充分應(yīng)用S7-400可編程控制器的功能塊實現(xiàn)的各種控制技術(shù)方案。
關(guān)鍵詞：除鹽水工藝；S7-400；Profibus-DP ；自動控制；變頻調(diào)速
Abstract： The article mianly introduce the production craft of the 25MW production electrical machinery project desalinization water product line of Laigang and control system fuction, the S7-400 hardware and software configuration principle of design ,and how applied the S7-400 programmable controller fully the function block realization each kind of control technology plan.
Keywords:desalinization water craft;S7-400 ; Profibus-DP; automatic control; variable frequency regulating speed
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(shè)施，擔(dān)負(fù)著供應(yīng)三臺130t鍋爐和四臺150t除氧器用水的重要任務(wù)。從現(xiàn)場除鹽水生產(chǎn)來看，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(shè)備，所以更加需要對整個除鹽水站進(jìn)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(qiáng)度，大大提高生產(chǎn)水平。
2除鹽水生產(chǎn)工藝簡介
除鹽水改造后的生產(chǎn)線主要設(shè)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(fēng)機(jī)，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)工藝圖見圖1：
3 系統(tǒng)組成及軟件設(shè)計
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S7-4007-400掛ET200結(jié)構(gòu)，由一個主站、三個從站和兩個PC站（上位機(jī)）組成。用S7-400系列模塊做主站，S7-300系列模塊作從站，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(jìn)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(jī)平臺之上的分布式系統(tǒng)。S7-400是模塊化PLC系統(tǒng)，采用標(biāo)準(zhǔn)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(diǎn)，其中模擬量I/O點(diǎn)數(shù)為168個，邏輯掃描率為1.25MB/S。S7-400與上位機(jī)采用工業(yè)以太網(wǎng)，通訊速率為100Mbps。系統(tǒng)主要硬件配置和I/O點(diǎn)數(shù)統(tǒng)計見表1和表2，系統(tǒng)配置結(jié)構(gòu)見圖2：
除鹽水生產(chǎn)線自動化控制系統(tǒng)設(shè)計由兩級網(wǎng)絡(luò)組成，一級是過程控制級，二級是基礎(chǔ)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(jī)、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(jìn)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(jìn)行采集，上位機(jī)將實時數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)送到服務(wù)器的關(guān)系數(shù)據(jù)庫中，進(jìn)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(jī)系統(tǒng)和現(xiàn)場監(jiān)測與控制點(diǎn)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(jī)在線遠(yuǎn)程診斷功能。
第二級——基礎(chǔ)自動化。PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)是網(wǎng)絡(luò)集成的最底層，主要是連接現(xiàn)場設(shè)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(jī)速度設(shè)定、溫度、壓力設(shè)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(jī)轉(zhuǎn)速、傳感器流量、溫度、壓力、接觸器觸點(diǎn)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(shè)備級控制系統(tǒng)與分散式I/O的通訊，是計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)通訊向現(xiàn)場級的延伸。
3.2 軟件設(shè)計
計算機(jī)操作系統(tǒng)采用Windows 2000 Professional 中文版本，上位機(jī)監(jiān)控軟件采用Wincc 6.0組態(tài)軟件來實現(xiàn)。
3.2.1 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(wù)操作系統(tǒng)環(huán)境，是目前使用廣泛的工控系統(tǒng)。
3.2.2 Wincc 6.0監(jiān)控軟件實現(xiàn)了對整個系統(tǒng)的開關(guān)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(yùn)行、頻率設(shè)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(yùn)行情況。
3.2.3 采用Step7 對西門子可編程序控制器進(jìn)行配置、編程，它可以利用IEC-1131標(biāo)準(zhǔn)中八種編程語言中的六種（STL、LAD、FBD、CFC、SFC、SCL）進(jìn)行編程。
4 系統(tǒng)功能實現(xiàn)
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)控主畫面及分系統(tǒng)畫面見圖3、圖4、圖5：
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(jìn)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(yùn)行狀態(tài)、故障和啟/停信號.
4.3 系統(tǒng)操作功能:有自動和手動兩種工作方式，正常運(yùn)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(dá)到期望值。
4.4報表功能與歷史趨勢功能:生產(chǎn)中的一些參數(shù)，需要及時打印，可形成報表。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(jìn)行歷史數(shù)據(jù)存儲，形成歷史趨勢，可以隨時進(jìn)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(yīng)的措施
5 主要生產(chǎn)設(shè)備的控制
生產(chǎn)設(shè)備的主要控制方式為自動/遠(yuǎn)程手動/機(jī)旁手動三種方式。
自動控制： 自動完成水泵變頻啟動的所有相關(guān)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(shè)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.
遠(yuǎn)程手動：操作人員可根據(jù)現(xiàn)場設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)狀況，通過監(jiān)控站進(jìn)行單機(jī)設(shè)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。
機(jī)旁手動：作為單機(jī)檢修或現(xiàn)場調(diào)試用。
5.1 水泵的控制與聯(lián)鎖
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(fù)荷調(diào)整進(jìn)行調(diào)整，所以生產(chǎn)設(shè)備（水泵）的控制方式應(yīng)該能夠適應(yīng)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。水泵控制程序流程圖見圖6：
以生水泵控制為例，生水泵組由三臺泵及相應(yīng)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。控制方式分為機(jī)旁控制和遠(yuǎn)程控制兩種。機(jī)旁控制是利用選擇機(jī)旁的啟動或停止按鈕，通過PLC發(fā)出啟動或停止信號運(yùn)行或停止水泵；遠(yuǎn)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(jìn)行點(diǎn)擊操作，包括聯(lián)動、單機(jī)、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(yùn)行狀態(tài)。 在聯(lián)鎖狀態(tài)下，當(dāng)兩臺工作泵中的任意一臺停運(yùn)時，備用泵自動啟動，停運(yùn)的泵則作為備用泵。當(dāng)生水泵出水管壓力低于5.6 MPa時，進(jìn)行第一次報警；當(dāng)運(yùn)行軟水泵出口壓力低于5.4 MPa時，進(jìn)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(guān)閉，當(dāng)每臺泵及泵出口電動閥均不能正常運(yùn)行時，進(jìn)行緊急報警。各控制及聯(lián)鎖可解列。
5.2 超濾裝置的控制
圖7超濾裝置運(yùn)行簡圖
超濾裝置的運(yùn)行主要是對5個電磁閥控制的閥門進(jìn)行控制：進(jìn)水閥、產(chǎn)水閥、反洗進(jìn)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(yùn)行、備用、反洗。
運(yùn)行：超濾在運(yùn)行狀態(tài)下，首先進(jìn)行正沖操作，正沖完成后超濾裝置的進(jìn)口和出口電磁閥得電，進(jìn)、出口閥門打開，超濾裝置投入運(yùn)行；
備用：超濾裝置在備用狀態(tài)下，超濾裝置的進(jìn)口和出口電磁閥失電，進(jìn)、出口閥門關(guān)閉，超濾裝置投入備用；
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(yùn)行的時間進(jìn)行固定時間間隔的反洗，定壓反洗是根據(jù)超濾裝置的進(jìn)出口壓差進(jìn)行反洗，當(dāng)進(jìn)出口壓差達(dá)到一定數(shù)值則超濾裝置也進(jìn)行反洗?，F(xiàn)在的超濾反洗一般采用定時反洗。
5.3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(yùn)用中，將水中無機(jī)離子、細(xì)菌、病毒、有機(jī)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(yùn)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(jìn)口閥、產(chǎn)水排放閥、濃水排放自動閥。反滲透裝置運(yùn)行簡圖見圖8：
圖8 一套反滲透裝置運(yùn)行簡圖
（轉(zhuǎn)載）
