西子S7-400在工業(yè)除鹽水改造中的開發(fā)與應(yīng)用
| 摘要：本文主要介紹了萊鋼25MW發(fā)電機(jī)項(xiàng)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(jì)原理，及如何充分應(yīng)用S7-400可編程控制器的功能塊實(shí)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(dòng)控制；變頻調(diào)速 Development and Application of Siemens S7-400 in industry desalinization water reforming in Laigang 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(tái)130t鍋爐和四臺(tái)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(dòng)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(xiàng)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(gè)除鹽水站進(jìn)行自動(dòng)化控制的改造，從而可以節(jié)約能源，降低工人勞動(dòng)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(gè)多介質(zhì)和6個(gè)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(tái)（1臺(tái)變頻），高壓泵6臺(tái)，4臺(tái)除鹽水泵（1臺(tái)變頻），反滲透出水泵3臺(tái)（1臺(tái)變頻）等。 3 系統(tǒng)組成及軟件設(shè)計(jì) 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(gè)主站、三個(gè)從站和兩個(gè)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(gè)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(tái)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(gè)控制器可以控制64個(gè)回路，******的可處理131072個(gè)I/O點(diǎn)，其中模擬量I/O點(diǎn)數(shù)為168個(gè)，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。 除鹽水生產(chǎn)線自動(dòng)化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)由兩級(jí)網(wǎng)絡(luò)組成，一級(jí)是過程控制級(jí)，二級(jí)是基礎(chǔ)控制級(jí)。 第一級(jí)——過程控制。以S7-400PLC系統(tǒng)作為主要控制核心,由兩臺(tái)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(shí)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(shí)時(shí)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(jí)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(gè)整體，從而實(shí)現(xiàn)對整個(gè)控制系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)在線遠(yuǎn)程診斷功能。 第二級(jí)——基礎(chǔ)自動(dòng)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(dòng)裝置；另一方面?zhèn)鲃?dòng)裝置的電機(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(dòng)化系統(tǒng)的高速數(shù)據(jù)傳送，實(shí)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(jí)控制系統(tǒng)與分散式I/O的通訊，是計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)通訊向現(xiàn)場級(jí)的延伸。 3.2 軟件設(shè)計(jì) 計(jì)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(shí)現(xiàn)。 3.2.1操作系統(tǒng)軟件Windows 2000 Professional中文版提供了一個(gè)快速、高效的多用戶、多任務(wù)操作系統(tǒng)環(huán)境， 3.2.2是目前使用廣泛的工控系統(tǒng)。 3.2.3Wincc 6.0監(jiān)控軟件實(shí)現(xiàn)了對整個(gè)系統(tǒng)的開關(guān)量、模擬量的采集和處理， 3.2.4并顯示在監(jiān)控畫面上， 3.2.5在對多臺(tái)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， 3.2.6有無故障等都實(shí)時(shí)顯示在系統(tǒng)畫面上，3.2.7方便操作人員及時(shí)掌握系統(tǒng)的運(yùn)行情況。 3.2.8采用Step7 對西門子可編程序控制器進(jìn)行配置、編程， 3.2.9它可以利用IEC-1131標(biāo)3.2.10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(shí)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(shí)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(gè)子系統(tǒng)。 4.1 畫面顯示功能:該畫面通過wincc 6.0軟件組態(tài)編輯實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)模擬顯示整個(gè)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(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)動(dòng)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(shí)時(shí)顯示,并對故障進(jìn)行實(shí)時(shí)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(hào),利用各種計(jì)算功能、數(shù)據(jù)變換功能等實(shí)現(xiàn),模擬量信號(hào)有流量、壓力、濃度及PH值,數(shù)字量信號(hào)有水泵的運(yùn)行狀態(tài)、故障和啟/停信號(hào). 4.3系統(tǒng)操作功能:有自動(dòng)和手動(dòng)兩種工作方式，正常運(yùn)行時(shí)采用自動(dòng)方式，故障和調(diào)試時(shí)采用手動(dòng)方式。它由PID控制回路實(shí)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(bào)表功能與歷史趨勢功能:生產(chǎn)中的一些參數(shù)，需要及時(shí)打印，可形成報(bào)表。報(bào)表分為班報(bào)、日報(bào)、月報(bào)，可定時(shí)打印，也可手動(dòng)任意時(shí)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(chǔ)，形成歷史趨勢，可以隨時(shí)進(jìn)行查看。 4.5報(bào)警記錄功能：實(shí)時(shí)地發(fā)出所有發(fā)生故障的參數(shù)的聲光報(bào)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(dòng)/遠(yuǎn)程手動(dòng)/機(jī)旁手動(dòng)三種方式。 自動(dòng)控制：自動(dòng)完成水泵變頻啟動(dòng)的所有相關(guān)過程，壓力傳感器將水泵出口壓力信號(hào)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(shí)際工況設(shè)定），通過PLC對水泵出口壓力信號(hào)變換和處理。為變頻器提供頻率給定，實(shí)現(xiàn)頻率的自動(dòng)調(diào)整. 遠(yuǎn)程手動(dòng)：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(shí)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(dòng)：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?yàn)槌}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。 以生水泵控制為例，生水泵組由三臺(tái)泵及相應(yīng)的出口閥門組成（其中的一個(gè)泵及閥作為備用），適合不同工況下的需要?？刂品绞椒譃闄C(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(dòng)或停止按鈕，通過PLC發(fā)出啟動(dòng)或停止信號(hào)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(dòng)或停止按鈕進(jìn)行點(diǎn)擊操作，包括聯(lián)動(dòng)、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(tái)工作泵中的任意一臺(tái)停運(yùn)時(shí)，備用泵自動(dòng)啟動(dòng)，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(shí)，進(jìn)行第一次報(bào)警；當(dāng)運(yùn)行軟水泵出口壓力低于5.4 MPa時(shí)，進(jìn)行第二次報(bào)警，同時(shí)備用泵及出口電動(dòng)閥自動(dòng)投入；泵事故跳閘后，泵出口電動(dòng)閥自動(dòng)關(guān)閉，當(dāng)每臺(tái)泵及泵出口電動(dòng)閥均不能正常運(yùn)行時(shí)，進(jìn)行緊急報(bào)警。各控制及聯(lián)鎖可解列。 5.2超濾裝置的控制 超濾裝置的運(yùn)行主要是對5個(gè)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(gè)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(shí)反洗和定壓反洗。定時(shí)反洗是根據(jù)超濾運(yùn)行的時(shí)間進(jìn)行固定時(shí)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(shí)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(dòng)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(gè)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(dòng)閥。 5.3.1 運(yùn)行：當(dāng)超濾水箱水位高于低液位，阻垢劑泵 target=_blank>計(jì)量泵自動(dòng)位，還原劑泵 target=_blank>計(jì)量泵自動(dòng)位，超濾/反滲透沖洗泵選擇開關(guān)自動(dòng)位，反滲透水箱的水位低于70%時(shí)，反滲透裝置自動(dòng)投用。 5.3.2備用：當(dāng)反滲透水箱的水位達(dá)到高液位，或者超濾水箱的水位低于低液位時(shí)，反滲透裝置自動(dòng)退出到備用狀態(tài)，同時(shí)停高壓泵 5.3.3反洗：當(dāng)系統(tǒng)停運(yùn)后，并且超濾不在反沖時(shí)，超濾/反滲透反洗泵自動(dòng)開啟，開啟濃水閥，開始反洗。 5.4電動(dòng)閥的控制： 生水箱進(jìn)水閥、蒸汽切斷閥是電動(dòng)開關(guān)閥，控制方式分為機(jī)旁和遠(yuǎn)程控制兩種方式：機(jī)旁控制是利用選擇機(jī)旁的啟動(dòng)或停止按鈕，通過PLC發(fā)出啟動(dòng)或停止信號(hào)；遠(yuǎn)程控制是操作人員在監(jiān)控室根據(jù)畫面上的啟動(dòng)或停止按鈕進(jìn)行點(diǎn)擊操作。 6 .關(guān)鍵控制技術(shù)方案的實(shí)現(xiàn) 6.1變頻調(diào)速控制： 變頻調(diào)速控制技術(shù)（variable velocity variable frequency control technology）基本原理是根據(jù)電機(jī)轉(zhuǎn)速與變頻器輸入頻率成正比的關(guān)系：n=60f(1-S)/p (式中n、f、s、p分別表示轉(zhuǎn)速、輸入頻率、電機(jī)轉(zhuǎn)差率、電機(jī)磁極對數(shù))；通過改變電動(dòng)機(jī)工作電源頻率達(dá)到改變電機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。 在對生水泵、反滲透水泵和除鹽水泵的變頻控制中，實(shí)現(xiàn)了對出口壓力的過程單回路控制，能及時(shí)控制參數(shù)偏差，確保生產(chǎn)工藝設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行。。 采用變頻調(diào)速技術(shù)后，變頻器具有手動(dòng)/自動(dòng)轉(zhuǎn)換功能，可根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)進(jìn)行轉(zhuǎn)速的變化。同時(shí)，電機(jī)水泵的轉(zhuǎn)速普遍下降，減少了軸承的磨損和發(fā)熱，延長水泵的使用壽命，降低了設(shè)備維修費(fèi)用。 6.2 雷達(dá)式液位檢測控制： 現(xiàn)場水箱采用VEGAPULS雷達(dá)式液位計(jì)，主要對生水箱、超濾水箱、反滲透水箱和除鹽水箱進(jìn)行液位測量。液位計(jì)采用脈沖微波技術(shù)，可以在極短時(shí)間內(nèi)對水箱內(nèi)的液位進(jìn)行精確測量和控制?？刂屏鞒虉D為： 雷達(dá)液位計(jì)采用一體化設(shè)計(jì)，在測量時(shí)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(diǎn)。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，******的測量范圍可達(dá)0~35m，可用于高溫、高壓的液位測量。參數(shù)設(shè)定方便，可用液位計(jì)上的簡易操作鍵進(jìn)行設(shè)定，也可用HART協(xié)議的手操器或裝有VEGA Visual Operating軟件的PC機(jī)在遠(yuǎn)程或直接接在液位計(jì)的通信端進(jìn)行設(shè)定，十分方便。 6.3 反滲透水處理自動(dòng)控制： 反滲透水處理自動(dòng)控制技術(shù)是一種高科技的水處理技術(shù)，在運(yùn)行過程中實(shí)現(xiàn)自動(dòng)運(yùn)行和手動(dòng)操作無擾動(dòng)切換。系統(tǒng)引入控制脈沖數(shù)偏移量函數(shù)的多級(jí)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(jí)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(fù)雜運(yùn)算，便于在PLC上實(shí)現(xiàn)。 6.4水質(zhì)在線檢測技術(shù) 水的污泥指數(shù)測定是一個(gè)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(diǎn)的SDI及FI值，可以有效的監(jiān)控水處理系統(tǒng)運(yùn)行，可以判斷各個(gè)工藝步驟是否正常。SDI值越低，水質(zhì)越干凈.進(jìn)水水質(zhì)、水量時(shí)刻在變化，是一個(gè)復(fù)雜的、大滯后多變量參數(shù)的動(dòng)態(tài)非線性系統(tǒng)。機(jī)理復(fù)雜，難于建模。采用RBF人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)可以較好的實(shí)現(xiàn)在線實(shí)時(shí)地監(jiān)測進(jìn)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。控制原理圖見圖12。在除鹽水處理過程中，測量進(jìn)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(gè)數(shù)要與SDI輸出有密切相關(guān)的參數(shù)變量，如PH值、電導(dǎo)率、堿度、反應(yīng)時(shí)間，進(jìn)水流量等,采用RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的軟測量技術(shù)，在實(shí)際應(yīng)用中計(jì)算速度快，能夠在線查看，更好的達(dá)到實(shí)時(shí)檢測的目的。 7結(jié)論 除鹽水項(xiàng)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(yùn)行。運(yùn)行后效果良好，目前生產(chǎn)穩(wěn)定，日產(chǎn)合格水最多可達(dá)2000噸，完全達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)要求和生產(chǎn)目標(biāo)。實(shí)踐表明，該監(jiān)控系統(tǒng)的投運(yùn)，有效地提高了除鹽水站的生產(chǎn)水平及供水機(jī)組的自保護(hù)功能，自動(dòng)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(dòng)強(qiáng)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(hù)環(huán)境等方面發(fā)揮了重要作用。 總之，西門子S7-400自控系統(tǒng)的使用，極大地提高了全站的自動(dòng)化水平，為該站的控制設(shè)備并入?yún)^(qū)域網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)管理的遠(yuǎn)程監(jiān)控做好了有利準(zhǔn)備。 |
