PLC和上位机软件在电厂中水回用中的应用.pdf

第 4 7卷第 1期 2 0 1 1年 2月 石油化工 自 动化 AUT0M AT1 0N I N PETR CH EM I C AI I NDUS TRY Vo 1 ． 4 7 ，No ． 1 Fe br u a r y，201 1 P L C和上位机软件在电厂 中水 回用 中的应用 王 荣 ，帅 军 南京 中电联 自动化公司 ， 南京2 1 1 1 0 2 摘要 华能营口热电厂再生水深度处理后的中水用作全厂锅炉补给水、 厂区工业用水、 辅机冷却水等， 此套中水回用在全 厂有着 十分 重要 的作用 。简单 阐述该 厂再生水 深度处 理系统的工艺流程 ， 并通过逻 辑框图介绍 中水回用 的主要 控制程序 。主 要从 P L C， S C AD A， 通信三个方 面简单介绍 了控制 系统 的组成 ； P I c双 机热备 的硬件配置 、 软件组 态及设 置， 上位机监 控系统 编程 软件 、 工业 控制计算机 以及 网络冗余 。介绍 P L C和 S C AD A数据 交换及与上 一级计 算机传递数 据 的网络通信方 式 ， 通过 本套控制 系统实现 的再生水深度处理 系统 ， 投用一 次成 功 ， 效 果良好 。 关键词 可编程控制器； 硬件； 软件； 冗余； 通信 中图分类号 T P 2 7 3 文献标 志码 B 文章编号 1 0 0 7 7 3 2 4 2 0 1 1 0 1 0 0 6 1 0 4 Th e App l i c a t i o n o f PLC，Up pe r Po s i t i o n Co mpu t e r a n d So f t wa r e i n Re c l a i me d W a t e r Re u s e i n t he Po we r Pi a nt W a n g Ro n g，S h u a i J u n T h e Na n j i n g C E C Au t o ma t i o n C o ．L t d ． ，Na n j i n g ，2 1 1 1 0 2 ， C h i n a Ab s t r a c t The Re c l a i me d wa t e r i n t h e H ua n e ng g r o up，Yi ng kou Po w e r Pl a n t ha s be e n de e pl y t r e a t e d a n d u s e d a s t h e r a w wa t e r o f ma k e u p wa t e r o f t h e wh o l e p l a n t r e b o i l e r ，i n d u s t r i a l wa t e r ，a u x i l i a r y c o o l i n g wa t e r ，e t c ．Th e r e c l a i me d wa t e r s y s t e m p l a y s a v e r y i mp o r t a n t r o l e i n t h e p l a n t ．Th e p r o c e s s f l o w s h e e t of t he s ys t e m i s br i e f l y d e s c r i be d，t he ma i n c o nt r o l pr o c e d ur e i s i n t r od uc e d wi t h t he l o gi c d i a g r a ms ．Th e c o mpo s i t i on o f t he c on t r ol s y s t e m ，h a r dwa r e c o nf i gu r a t i o n，s of t wa r e c o nf i gu r a t i o n a nd s e t t i ng s o f du a l ho t s t a nd by c o m pu t e r s ；p r o g r a m me d s o f t wa r e of u pp e r pos i t i on c o m p ut e r mo ni t or i n g s y s t e m ，i ndu s t r i a l c o nt r o l c ompu t e r a nd r e du nd a nt ne t wo r k a r e i nt r od uc e d wi t h t hr e e a s p e c t s o f PLC， SCADA a nd c o mmu n i c a t i o n ．Th e d a t a e x c h a n g e b e t we e n PL C，S CADA a n d n e t wo r k c o mmu n i c a t i o n me t h o d o f d a t a t r a n s p o r t a t i o n wi t h u p p e r c o mp u t e r t h e o t h e r c o n t r o l s y s t e ms i s i n t r o d u c e d ．Th e r e c l a i me d wa t e r d e e p l y t r e a t e d s y s t e m wi t h t h e c o nt r o l s y s t e m h a s be e n p ut pr o du c t i on s uc c e s s f ul l y a n d r e s u l t i s go o d． Ke y wo r ds PLC；s o f t w a r e ；ha r d wa r e；r e d un da nt ；c o m muni c a t i on 0 引 言 中水 是 指 城市 污水 经 过 深 度净 化 后 达 到 国 家 规定的生活用水水质标准指标 ， 能在一定范围内重 复使用的再生水 。目前许多 电厂 ， 为了节约用水 ， 提高水 的利用率， 陆续采用 中水 回用技术 。华能营 口热电厂新建工程 2 3 3 0 MW 亚临界燃煤发电 机组中水回用工艺和控制系统 已投用一年多 。通 过执行上下微机程序实现对 中水 回用 中的曝气生 物滤池 、 石灰混凝澄清系统及变孔隙过滤池设备进 行操作和监控 ， 并通过交换机及光纤设备与水 网进 行数据交换及传输 。 1 系统概 述 1 ． 1 工艺流 程 该系统 由原 水提 升 系统 、 生物 滤池 系 统 、 机 械加速 澄清池 系统 、 变孔 隙滤 池 系统 、 综合 泵 房 系统 、 污泥脱水 系 统 、 辅助 系统 等组 成 。工 艺操 作 原水经 5台提升水泵 提升到 1 6座 曝气生物 滤池进行 曝气反应 ， 去除水 中的有机 物、 氨 氮 ， 出 水经倒 滤头进 入上部 清水 区域排 到机 械加 速澄 清池系统进 口母 管。实 际运行 中 1 6座曝气生物 滤 池 可 单 台投 入 运 行 ， 也 可 分 两 组 每 组 8座 投 入 运 行 ， 运 行 一 段 时 间 后 ， 需 对 生 物 滤 池 进 行 反 冲洗 ， 反 洗 结 束 后 可 以 进 入 运 行 状 态 或 备 用 状 态 。 曝气生物滤池 出水、 工业废水来水 、 回收水泵 收稿 日期 2 0 1 0 1 2 - 0 1 修改稿 。 作者简介 王 荣 1 9 7 2 一 ， 女 ， 安徽庐 江人 ， 1 9 9 7年毕业于 武汉化 工学院工业 自动化专业 ， 一直从事仪表及 自控设计工作 ， 任 项 目经理 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 石油化工 自动化 第 4 7卷 出水等在母管混合并添加混凝剂流进完成混凝过 程 ； 然后经由导流筒进入分离室 完成泥水分离过 程 。经过 澄清 池 系统 分 离 后 的 污泥 通 过 排 泥 机进 入污 泥浓 缩池 进行 浓缩 处理后 ， 再 通过 污泥输 送泵 输入污泥浓缩脱水机 ， 经脱水机处理后进行泥水分 离 。经石灰混凝澄清系统分离后的水通过 中间水 渠并添加硫酸及杀菌剂流进 8座变孑 L 隙滤池 ， 经过 变孔隙滤床过滤处理 ， 去 除悬 浮物后储存在净水 池 ， 可 以用作锅炉补给水的原水 、 厂区工业用水 、 辅 机冷却水等 。 1 ． 2 控 制系统 该系统 设有 就地 中水 控制 室 ， 控 制室 配置 2台 L C D操作站 ， 互为备用 ， 对 中水控制 的所有设备进 行远程控制及监视 ， 并通过光纤设备送 到水 网程 控 ， 实现集 中监控 ， 分散管理。该系统是 由冗余 的 1 7 5 6一L 6 2控制器组成 ， 能够对各工艺系统的所有 被控对象进行监控 ， 包括 电机启／ 停控制、 阀门开／ 关操作、 设备启／ 停状态、 阀门开／ 关状态 、 远方／ 就 地切换状态和温度 、 压力 、 流量 、 水质分析等主要工 艺参数的监视 ， 并完成设备的联锁保护。控制方式 采用 自动控制 、 远操 、 就地手操等多种方式， 操作人 员可以根据现场情况 自由选择一种控制方式 ， 保证 整个系统 的可靠运行。自动控制方式下 ， 通过执行 与工艺要求 的程序 ， 自动实现整套 设备 的联锁控 制、 显示 、 报警等。远操方式下， 通过操作员的远程 人 工 干预 ， 进 行 点 对点 控 制 。就 地操 作 方 式下 ， 整 个设备不参与远程联锁控制 ， 从就地 阀箱、 操作箱 可以对单 台设备进行就地启／ 停等操作 。三种控制 方式在一定条件下可以实现平滑切换 ， 不会引起控 制 系统 的紊 乱及 工 艺 数据 波动 ， 从 而 实现 无 扰 切 换 。 2 硬 件组成 该 中水控 制 系 统采 用 冗余 I ／ O 网 络、 冗余 C P U， 冗余 通信 网络及冗 余交换 机 的安 全配 置。 如果其 中一条网络通信发生故障时 ， 冗余通信链路 保证数据传输不受影 响； 如果一 台 C P U发生故障 时， 处于热备 的 C P U 将无扰 自动投入运行 ， 保证 整个系统正常运行 ； 如果一台交换机 出现故障， 另 一 台交换机会 自动承担数据传输及交换 ， 不会导致 数据采集及传输 中断 ； 如果某个 ] ／ O 模块发生故 障 ， 系统允许在不断电的情况下对故障的模块进行 热插 拔， 避免不必要 的生产停机 ， 方便系统维护 。 该系统 由 1套双机热备的本地机架及 4套远程 I ／ O机架实现中水的控制 。 2 ． 1 可 编 程控 制器 P L C系统采用双机热备控制器配置分布式 I ／ O机架 的控制模式， P L C采用结构化模块 ， 模块集 中底板供电， 输入／ 输出具有光电隔离和数字滤波 功能 ， 卡件有很好 的防尘 、 耐振及抗干扰性能 ， 便于 高效设计 、 快速更换 系统模块 ， 操作及维护非常方 便。目前火电行业 、 市政污水行业及核电行业运用 比较广泛 。1 7 5 6一L 6 2控制器模块可 以运行在多 任务 、 多处理器过程的操作 系统上 ， 具有先进的通 信能力及最新 的 1 ／ O技术 ， 双机 热备控制方式可 以在一台控制器故障时， 自动无扰切换到另 一台热 备控制器 ， 不影响工艺生产。 远程 I ／ O模块采用小 型化 、 低成本 、 低功耗及 高可靠性的 1 7 5 6系列 ， 通过 C NB R模块可以连接 到冗余的 C o n t r o n e t网， 再通过 E NB T连接到工业 以太网。模拟量 I ／ O模块 主要完成压力、 温度、 流 量 、 频率和水质分析等信号 的数据采集和处理； 数 字量 I ／ O模块主要完成阀门开关 、 阀位反馈和泵／ 风机等设备的启停及数字量的电平转换等。操作 站上的 P AC诊断画面可以通过报警画面向操作人 员提供 P L C运行时的硬件诊断信息 。 2 ． 2上位 机监 控 系统 就地控制室配置 2台工业控制计算机 ， 在调试 结束后对操作系统进行优化处理， 对每台电脑进行 双硬盘对拷备份相应软件及数据， 并对当前使用盘 进行映像文件的制作 ， 并把映像文件制作成光盘交 给业主备份， 同时屏蔽 Wi n d o ws 所有热键 ， 并设置 登录密码 ， 防止用户的非法操作，提高整个系统运 行 的可靠 性和 安全性 。 3 工程 软件 设计 根据现场施工及调试经验 ， 该系统在软件设计 之初就对控制系统的软硬件进行了优化设计 ， 在硬 件及通信上大量采用冗 余配置 ， 提高系统 的可靠 性 ， 在工程 软件 设计 上采 用联 锁保 护 、 软 件滤 波 、 软 件容错技术 ， 一般故 障进行故 障提示并 自行解决 主备泵相互 自动切换等 ， 重要故障采用联锁保护 并进行报警提示 如水池液位与出口泵的实施高开 低停 ， 低液位报警 ， 低低液位联锁停泵 ， 滤池液位与 滤池出水阀开度联锁保护 ， 各池出水水质控制等 ， 另外程序设计对重要 的参数和重要的操作进行历 史趋势及报警记 录， 可 以实现故障的追溯和分析 ， 查 明故障原 因， 便于用户总结经验， 避免故 障重复 出现 ， 同时对重要操作设置相应 的权限保护，避免 非正常用户操作 。 3 ． 1 控 制 系统 逻辑 结构 中水 P L C控制程序 曝气生物滤池制水及反 洗控制 ； 机械加速澄清池澄清及排泥控制 ； 变孑 L 隙 滤池系统制水控制， 三部分之间既相互独立又相互 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 1 期 王荣等．P L C和上位机软件在 电厂 中水 回用中的应用 制约， 具体逻辑如 图 1 ～3所示 。 图 1 曝 气生物 滤池逻 辑控 制 图 2 机械加速澄清池逻辑控制 3 ． 2下 位机 程序 软件 及 设置 下位机编程软件采用 R S L o g i x 5 0 0 0 V1 7 ， 逻辑 程序采用梯形图语言 L AD， 根据实际控制需要， 对 程序段、 变量标签实现详细科学地规划， 首先对变 量标签进行规范命名 ， 并把实现同一功能的不同设 备的程序做成功能块 例如流量累积功能 、 电动阀 门控制、 变频加药泵控制、 脱水机控制 ， 这样通过 主程序调用功能块实现不同设备的控制功能 ， 从而 提高设计效率 ， 便于现场维护工程师的 日常维护。 3 ． 3上位 机监 控软 件及 设 置 上位 机控制软 件采用 I n T o u c h l 0 ． 0软件 ， 此 软件是一个开放且可扩展 的 HMI ， 拥有尖端 的绘 图功能 ， 可满足真实性 、 清晰度和关注度的要求 ， 界 面友好的多用户开发与编辑环境适用于工程协同 ， 提高科学生产力 ， 该人机界面实现如下功能。 图 3 变孔 隙滤池 逻辑控 制 a 数据采集。I n To u c h软件通过高性能高速 I ／ O驱动程序完成与 P L C硬件通信、 错误帧检测、 信号调节 ， 并支持冗余通信功能 。 b 显示 。通 过 I n To u c h完整 的 Ar c h e s t r A 图 形符号利用脚本可 以绘制系统流程图， 显示主要设 备的运行状态 、 主要测量参数的实时数值和报警数 值 、 主要参数的动态图及历史趋势图等。 c 监控。根据生产需要 ， 操作人 员可以在控 制室内通过键盘、 鼠标修改控制值 、 调整工艺控制 参数 ， 并可通过脚本禁止一些非法操作 ， 保护现场 设备 。 d 报警 。提供生产过程 中出现 的故 障、 操作 状态 ， 并根据需要对一些重要参数进行声光报警 ， 提醒操作人员注意 。 e 报表 。通过一定的数据交换协议实时访问 I n T o u c h数 据 ， 根 据 实 际 需 要 建 立 重 要参 数 的 Ex c e l 电子 表格 ， 可 以根 据需 要定期 打 印数据 报 表 ， 也可保存历史数据以便优化 系统控制、 跟踪事 故发生原因以便处理故障。 f 安全管理。可通 过账号管理机 制， 限制不 同人员的访问权 限来实现系统安全。该控制系统 中， 共设置了 3 个级别 的访问权限， 分别为工程师 级 、 仪表工级 、 操作员级， 三级权限登录需要输人操 作密码 ， 从而防止非法操作 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 6 4 石油化工 自动化 第 4 7卷 g 网络连接开放。网络组态实现与生产调度 系统 MI S的数据上传 ， 为生产调度系统提供实 时 数据 ， 供高层管理及全厂决策 。 4网络 通信 该套控制系统 的上位机监控软件 I n T o u c h数 据库通过 OP C开放式客户端 接 口程序连接 P L C 的 RS L I NK O P C服务器程序， 并通过项 目对象的 操作 ， 来存取设备寄存器单元的数据 ， 实现 P L C与 I n T o u c h之间的数据交换， 具体关系如图 4所示。 I 1 n T o u c h 0P CL I NK j e 0P C 服务 器 、 ， 一 1 卜 OP C／] 务器对象 、、广1一 1 0 OP C 组对 象 O P C 项 目对象 ＼ } V ’ P LC 图 4 PL C与 I n To u c h 间 的 数 据 交 换 2台操作站与 P L C之间的数据通信采用开放 的以太 网技术 ， 通信速 率为 1 0 0 0 Mb i t ／ s ， 每台操 作站设为 I NTO UC H 控制下的一个 网络节 点， 通 过分配每台操作站指定 的网络地址 ， 可以实现上下 微机通信及站点之间数据互传 ， 形成一个可靠的双 机热备 网络。现场 I ／ O设备与 C P U 之 问通过冗 余 的 C o n t r o l n e t网络 ， 实时读取和处理现场数据 。 5 结束语 由 P L C和 I n To u c h l 0 ． 0构成的中水冗余控制 系统 ， 有很强的模拟量 、 数字量处理能力和逻辑运 算能力 ， 网络架构简单， 数据通信可靠 ， 操作界面友 好。该套控制系统投运已有一段时间， 总体运行效 果不错 ， 控制系统 日常维护量少， 安全可靠 ， 操作简 单 ， 能很好满足工业生产的需要 ， 值得在 中水 回用 等水处理行业推广 。 参考文献 [ 1] 马正午 ， 周德 兴． 过 程可视 化组 态 软件 I n T o u c h应 用技 术 [ M] ． 北京 机械 工业 出版社 ， 2 0 0 6 ． [ 2] 钱 晓龙． Co n t r o l l o g i x系统 电力 行 业 自动 化应 用培训 教程 [ M] ． 北京 机械Z,J k 出版社 ， 2 0 0 9 ． [3 ] 邓李． C o n t r o l L o g i x系统 实用 手册[ M] ． 北京 机 械工业 出版社 ， 2 0 0 8 ． [4 ] 薛迎成． 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有偿 的基础版扩展包 附带 了与各种型 号的现场 传感 器相 连接 的接 口软件 。升级 版除具备基础 版扩展包 功能外 ， 还增加 了数据库功能及与本公 司的综合设备管理软件包 同步 的功能 ， 因此可 以实现大量现场设备的高效维护 。 横 河电机 中国 有 限公 司 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m