施耐德PLC在火电厂工业水处理系统的应用

    1．系统概述    电厂（2×135MW机组）控制系统的工业水处理系统部分采用集中监控方式，实现锅炉补给水系统、净水站系统的监控，并通过水集中控制系统网络对各个工艺参数和设备运行状况进行数据采集，向运行人员提供充分、准确的实时数据和信息；及时给出声光报警；自动或根据操作员的指令控制各工艺系统的运行；跟踪、记录各工艺的运行信息，并向相关人员提供所需的数据和信息。    工业水处理集中控制系统采用上位机网络和Schneider公司PLC相结合的方式，主PLC设在锅炉补给水车间里，净水站设置一个PLC站。    整个锅炉补给水系统主要包括：清水系统、软化系统、阴阳离子交换系统、二级除盐系统、除盐水箱系统、压缩空气系统、阴阳树脂擦洗系统，废水排放系统、综合水泵房等，涉及绝大部分设备的控制和回路控制，所有测点均可在系统中显示、报警、数据分析和控制。    净水站系统包括净水站、综合泵房、循环水加药间和生活污水处理站设备系统。    2．工艺过程    火电厂工艺流程如图8-6所示。
    图8-6    火电厂工艺流程示意图    为了让读者更好的理解和实现工艺要求，现对火力发电厂控制系统中的子系统一工业水网控制系统工艺进行简略介绍。    火力发电厂生产过程用水系统如图8-7所示。    (1)在锅炉补给水系统中，通过水的离子交换除盐，以除去水中溶解性盐类，目前主要有3种方法：离子交换法、膜分离法和蒸馏法。在火电厂锅炉给水处理领域内以离子交换法最为普遍。离子交换法是指某些物质遇水时，能将本身具有的离子与水中带同类电荷的离子进行交换反应的方法。这些物质称为离子交换剂，其中普遍应用的有机类离子交换剂简称树脂。采用离子交换法可制得软化水、除碱水和除盐水。树脂是一类带有活性基团的网状结构高分子化合物，网状结构称为骨架，活性基团由固定离子和带H+、Na+、或OH-的可交换离子组成，其中能与水中同类离子进行交换反应的就是H+、Na+、或OH-可交换离子。
    图8-7    火力发电厂生产过程用水系统图    一级复床除盐：经H+交换后，水中各种阳离子都被交换成H+，阴离子转变成相应的酸，其中的HCO3转变成游离的CO2，连同水中原有的游离CO2由除碳器去除，以减轻OH交换器的负担；在原水碱度很低时或水的预处理中设置石灰处理时，系统可不设除碳器，水中这部分碱度经H+交换后生成的CO2，由强碱OH交换器去除。    经过一级复床除盐处理过的水，虽然水质已经很好，但通常还达不到非常纯的程度，其主要原因是处于系统首位的H+离子交换器的出水中有强酸，离子交换的逆反应倾向比较显著，以致出水中仍残留少量Na+；当水质要求更高时，尽管可以采用增加级数的办法来提高水质，但增加了设备的台数和系统的复杂性。为解决这一问题，现在通常采用在一级除盐后增加混合床的办法。    锅炉补给水及凝结水处理工艺如图8-8所示。    (2)净水站系统按照装机容量2×135MW所需补充水量设计。净化水源取自一根补给水管，进入机械加速澄清池，经澄清处理后，一部分进入工业水池，其余部分进入无阀滤池，进行过滤处理。滤池出水一部分进入化学水池，另一部分流入生活消防水池，然后再经各泵送入各自管网。
    图8-8    锅炉补给水、凝结水处理工艺图    3．控制系统要求    1)控制系统设计的总体目标    ●水集中控制系统网络应易于组态、易于使用、易于扩展；    ●为机组的锅炉提供充足的除盐水；    ●提高锅炉补给水的自动化水平；    ●实现锅炉补给水系统的高品质运行，提高运行经济性；    ●净水站按照装机容量2×135MW所需补充水量设计；    ●提高运行人员工作效率，满足整个系统运行值班要求；    ●提高效益，降低能耗。    2)系统设计思想    (1)功能设计：控制系统可以对整个工艺系统进行集中监视、管理和自动程序控制，体现投运后的自动化程度、处理事故能力（报警、分析、指导、处理等）及先进的控制策略等，以最大限度提高效益，降低能耗为设计思想，以实现“控制分层分布、数据集中管理”。    具体如下：    ①对象控制    ●控制系统按工艺流程的自动化过程协调完成，达到能量平衡。    ●保障系统安全、可靠、高效运行和启停。    ②提高锅炉补给水系统运行的技术经济效益    ●实现高自动化投入率，提高可靠性，减少误操作，降低事故率。    ③方便净水站控制系统的操作    将净水站系统和水集中控制系统的网络连接，以达到正常时在水系统集中控制室监控。    ④完善的操作指导和事故分析手段    ●系统运行工况可由很多监测参数反映出来，当运行工况出现异常时，提供相关参数、    趋势、图表等高效方式通知运行人员及时处理。    ●操作记录打印、报警打印、事故追忆打印、周期性报表等功能，有助于系统日常管理    和事故分析。    ●高效、便捷的系统在线维护。    (2)系统设计：体现PLC的高可靠性、先进性、易维护、易组态等为设计思想。具体如下：    ①可靠性设计    ●所有部件标准化、通用化、模块化。    ●控制系统按分层、分散、自治的原则。    ②冗余设计：通信总线、电源、I/O总线、CPU均为冗余配置。所有I/O模件均为智能化设计，采用隔离措施，具有高共模抑制比和差模抑制比。并具有软件数字滤波和消除偶发干扰的措施。    ⑧维护性设计    ●可带电插拔。    ●系统自诊断至通道级。    ●选用模块化的功能组态软件，提高软件透明度。    ④扩展性设计    ●采用工业以太网网络结构，通信速率100Mb/s，主干网采用冗余环网，各子站通过双    绞电缆挂接在主干网络上，有极强的通信扩展能力。    ●提供与其他系统的通信接口，如工业以太网、PROFIBUS DP或MODBUS。    ⑤开放性设计    ●支持国际标准数据接口，如OPC、ODBC、OLE、DDE、SQL等。    ●标准MIS数据接口站，与厂级MIS互联。    ●支持SIS系统，实现对DCS数据的监控。    4．系统设计    (1)网络设计    该集中控制系统的特点是自动化程度高、数据采集量大、实时性强、可靠性和系统冗余要求高。本集中控制系统采用上位机监控操作、冗余光纤星型以太网( Ethernet)通信和PLC控制工艺设备相结合的方式。    ①上位监控部分：水系统集中监控网络配备二台操作站，其中一台兼为工程师站，互为热备用，作为上位机与PLC之间的通信通道。    ②网络部分：本方案采用监控中心骨干网和就地设备子网结构。监控中心采用骨干网交换机，下层子网为工业型交换机。交换机带2个光纤接口。下层辅控系统分别为补给水处理部分、净水控制系统部分，以及与上层骨干交换机进行冗余链接。层间冗余、层内冗余保证了系统的高可靠性。为了防止网络故障时本车间运行数据的丢失，在硬件配置时，将PLC到就地网络配置为冗余。确保PLC到就地上位机之间的网络可靠，当其中一个网络故障时，另一网络或上位机仍能工作，保证数据不丢失。当上层网络故障时，这些数据能被存储在就地上位机中，等待网络通信恢复正常后，上层网络上位机就能读取就地上位机中的数据。所有PLC与上层网络接口选用冗余100Mb以太网，  采用TCP/IP协议。    网络方案特点：    ●监控中心采用骨干网交换机，交换速率高；    ●提供就地设备的网络接口，可用便携式设备实现就地组网监控和组态调试；    ●根据需要选用不同的网络接口模块，配置灵活，具有良好的可扩展性；    ●使用光纤直接连接，距离远，抗干扰性能好；    ●实现层间和层内通信链路冗余，可靠性高；    ●支持SNMP（简单网络管理协议），网络设备诊断和故障定位，并可接入组态画面；    ●支持VLAN（虚拟局域网）子网划分功能，可实现应用分类和访问控制。    ③下位控制器：水网共2套PLC系统，即锅炉补给水系统和净水站控制系统。    水集中控制系统网络技术要求：水集中控制系统网络应易于组态、易于使用、易于扩展。网络系统应采取有效措施以防止各类计算机病毒的侵害和数据丢失。    系统联接集中监控主干网络为冗余100M以太光纤网络，室外采用铠装光缆。    净水站系统采用PLC加以太网的结构。PLC与上位机之间通信选用100MB冗余以太网，传输介质为光纤。    系统采用标准的工业以太网连接装置，在物理层上采用高防护等级的通信线缆。高速工业以太网是在工业以太网的通信协议的基础上，将通信速率提高到100M/s。高速以太网采用了全双工并行的通信模式，这种模式允许站点同时发送和接收数据，通信速率可提高1倍。系统在高速以太网上还采用交换技术，利用交换机模块将整个网段分成若干子网，每个子网都可以独立地形成一个数据通信网段，可以大大地提高通信效率。普通以太网上由于网段上数据通信阻塞的存在，使得网络上实际通信容量只有40%，采用全双工并行通信技术和交换技术后，使网络的通信能力得以充分利用。    (2) I/O信号点统计如表8-10、表8-11所示。    表8-10    锅炉补给水处理系统I/O信号点表
    表8-11    净水站系统l/O信号点表
    5．系统设计    锅炉补给水处理系统1#柜硬件配置如表8-12所示。    表8-12    锅炉补给水处理系统1#柜硬件配置表
    锅炉补给水处理系统2#柜硬件配置如表8-13所示。    表8-13    锅炉补给水处理系统2#柜硬件配置表

    注：控制屏柜内包括空气开关、走线槽、接线端子、接地线、散热器等。    净水站系统柜硬件配置如表8-14所示。    表8-14    净水站系统柜硬件配置表
    注：控制屏柜内包括空气开关、走线槽、接线端子、接地线、散热器等。    6．系统功能实现图    (1)电厂一次系统图    一次系统图描述的是电厂工业水处理控制系统的总体架构，从一次系统图上可以了解电厂工业水处理控制系统的整体功能和设备运行情况，可对电厂的各项数据实时在线监测，并且生动直观地显示在监控界面上，以准确及时地获得生产现场层的实时数据。一次系统图是电厂工业水处理控制系统的主界面，如图8-9所示。    (2)除盐水箱、废水池控制系统图    在除盐水箱、废水池控制系统图可以显示工艺画面、设备运行情况等，可以在图上对现场设备发出控制指令，进行远方控制操作，如图8-10所示。当然，在控制指令的执行过程中不能进行参数设置，所设置的参数在系统下一个执行周期才生效。
    图8-9    电厂一次系统图
    图8-10    除盐水箱、废水池控制系统图    (3)报表查询    通过报表查询界面，可以查询电厂运行和操作的历史报表数据，如图8-11所示。报表查询既可以生成符合操作员要求的系统报表并打印，又可以设定系统按照固定间隔时间自动实时地打印报表。当生产过程出现不稳定时，该系统可以通过分析历史数据，结合报警数据，寻找问题的根源。    7．系统应用分析    采用Schneider系列PLC产品，提供了火力发电厂工业水处理系统综合自动化的一体化解决方案。上位机可以实现数据采集与处理、安全运行监视、控制与调节、系统诊断、状变监视、监控系统异常监视，且将生产现场相应的数据进行采集、存储并生成数据报表，以使管理层准确及时获得生产现场层的数据。
    图8-11    报表查询