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)。過去除鹽水生產(chǎn)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(duì)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 工藝簡(jiǎn)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。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(yuǎn)程I/O模塊從站結(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。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(chǎng)經(jīng)常使用的PROFIBUS DP現(xiàn)場(chǎng)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(chǎng)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，最大的可處理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。系統(tǒng)配置結(jié)構(gòu)如圖2所示。 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(duì)工作現(xiàn)場(chǎng)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(duì)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(kù)的數(shù)據(jù)送到服務(wù)器的關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)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(chǎng)監(jiān)測(cè)與控制點(diǎn)緊密的結(jié)合為一個(gè)整體，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)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(chǎng)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(chǎng)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)。 （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，是目前使用廣泛的工控系統(tǒng)。 （2）Wincc 6.0監(jiān)控軟件實(shí)現(xiàn)了對(duì)整個(gè)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(duì)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，有無故障等都實(shí)時(shí)顯示在系統(tǒng)畫面上，方便操作人員及時(shí)掌握系統(tǒng)的運(yùn)行情況。 （3）采用Step7對(duì)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 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(duì)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)，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(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(duì)故障進(jìn)行實(shí)時(shí)診斷。 4.2 數(shù)據(jù)處理功能 對(duì)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 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(duì)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)表與歷史趨勢(shì)功能 生產(chǎn)中的一些參數(shù)需要及時(shí)打印形成報(bào)表。報(bào)表分為班報(bào)、日?qǐng)?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(duì)其進(jìn)行歷史數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，形成歷史趨勢(shì)，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 控制設(shè)計(jì) 5.1 控制方式 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。 （1）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(duì)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。 （2）遠(yuǎn)程手動(dòng)。操作人員可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)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。 （3）機(jī)旁手動(dòng)。作為單機(jī)檢修或現(xiàn)場(chǎng)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?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5.6MPa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5.4MPa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。 5.3 超濾裝置的控制 超濾裝置的運(yùn)行主要是對(duì)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。 （1）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； （2）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； （3）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。現(xiàn)在的超濾反洗一般采用定時(shí)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(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(duì)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。 （1）運(yùn)行。當(dāng)超濾水箱水位高于低液位，阻垢劑計(jì)量泵自動(dòng)位，還原劑計(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。 （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。 （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。 6 先進(jìn)技術(shù)應(yīng)用 6.1 雷達(dá)式液位檢測(cè)水箱 現(xiàn)場(chǎng)水箱采用VEGAPULS雷達(dá)式液位計(jì)，主要對(duì)生水箱、超濾水箱、反滲透水箱和除鹽水箱進(jìn)行液位測(cè)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(duì)水箱內(nèi)的液位進(jìn)行精確測(cè)量和控制。雷達(dá)液位計(jì)采用一體化設(shè)計(jì)，在測(cè)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(cè)量，不受槽內(nèi)液體的密度、濃度等物理特性的影響。測(cè)量范圍大，最大的測(cè)量范圍可達(dá)0～35m，可用于高溫、高壓的液位測(cè)量。參數(shù)設(shè)定方便，可用液位計(jì)上的簡(jiǎn)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。 6.2 多級(jí)模糊控制算法 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(duì)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)。 6.3 水質(zhì)在線神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)檢測(cè) 水的污泥指數(shù)測(cè)定是一個(gè)非常有效的水質(zhì)在線檢測(cè)技術(shù)，通過測(cè)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（污染指數(shù)）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(cè)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。在除鹽水處理過程中，測(cè)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(cè)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(cè)的目的。控制原理圖見圖5。 7 結(jié)束語 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(jiǎn)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。