PLC在净化水厂的运用.pdf

第 4 7卷第 2期 2 0 1 1年 4月 石油化工 自 动化 AUTOM ATI ON I N PETR _ CHEM I CAL I NDUSTRY Vo I _ 4 7 ，NO ． 2 Ap r i I ，2 01 1 P L C在净化水厂的运用 王建军 1 ， 李艳 丽2 ， 习超3 1 ．濮 阳中油工程管理有限公司 ， 河南 濮 阳4 5 7 0 0 1 ； 2 ．中原油 田普光分公司 天然气净化厂 ，四川 达州 6 3 5 0 0 0 ； 3 ．中原油 田建设集团公 司 ， 河南 濮 阳4 5 7 0 0 0 摘 要 针对不同的控制环境 、 条件 ， 尤其在参数较多 ， 控制环交错的系统中， 如何对 P L C控 制系统 的总体设置 以及合理 地 选择控制系统单元 ， 使整个控制过程成 为一个更有机 、 更完善 的系统 ； 针对控制对 象 ， 灵活 地设置 单元 的大 、 小 以及控 制过程 的简 、 繁 ， 达到适应 各种不同规模 、 不 同功能要求的控制系统要求 ， 这是 P L C在应 用 中面I临的重 大课题 。介 绍和分 析 了净化 水厂的 P L C控制 系统， 在控制 系统 中控 制 单元 根据 现 场控 制量 进行 灵 活设 置 ， 这将 更 适应 计 算机 控 制技 术 在 实际 中 的 应 用。 关键 词 可编程控制器 ； 净化水 ； 中央控制室 ； 控制站 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 2 0 0 3 6 0 3 The Appl i c a t i o n o f PLC i n Pu r i f i e d W a t e r Fa c t o r y Wa n g J i a n j u n 。L i Ya n l i ，Xi Ch a o 。 1 ．Pu y a n g P e t r o Ch i n a P r o j e c t Ma n a g e me n t Co ．L t d ． ，Pu y a n g，4 5 7 0 0 1 ， Ch i n a ； 2 ． Zh on gy ua n Oi l f i e l d Pugu a n g Br a nc h Ga s Pur i f i c a t i o n Pl a nt ，Da z h o u，6 3 5 0 00，Chi n a； 3 ．Z h o n g y u a n Oi l f i e l d Co n s t r u c t i o n Gr o u p Co ．，P u y a n g，4 5 7 0 0 0，Ch i n a Ab s t r a c t Fo r d i f f e r e n t c o nt r o 1 e nv i r o n m e nt s a nd c on d i t i o ns ，e s p e c i a l l y i n s y s t e m wi t h m u l t i pa r a me t e r s a nd c r o s s e d c o nt r o l l o o ps ， ho w t o m a ke a ge ne r a l s e t t i n g on PLC c on t r o l s ys t e m ， a n d t o s e l e c t t h e c o n t r o l u n i t r e a s o n a b l y i n o r d e r t o a c h i e v e a mo r e me c h a n i c a l a n d p e r f e c t s y s t e m i s t h e i mp o r t a n t t a s k i n t he PLC a p pl i c a t i on ． Th e PLC c on t r o l s y s t e m i n pu r i f i e d wa t e r f a c t or y i s i nt r o du c e d a nd a na l y z e d ． I n t he c on t r o l s y s t e m ，c on t r o l u ni t i s s e t u p f l e x i bl y a c c o r di n g t o c on t r ol l e d q ua n t i t y on s i t e，w h i c h a d a pt s be t t e r t o t h e pr a c t i c a l a p pl i c a t i on o f c o m pu t e r c on t r oI t e c hn o l o gy ． Ke y wo r d s PLC；pu r i f i e d wa t e r；c e nt r a l c o nt r o 1 r o o m ；c o nt r ol s t a t i o n 0 引 言 随着 计算 机控 制技术 的发 展 ， 过 程控制 理论 及 P L C控制 系统 在 新建 、 扩 建 、 改建 工 程 中 已经 开 始 得 到 了广泛 的应用 ， 就不 同 的控制环 境 、 条 件 ， 尤 其 是 在参 数较 多 ， 控制 环 交错 的 系统 中， 如何 对 P L C 控制系统的总体设置 以及合理地选择控制系统单 元 ， 使整个控制过程成为一个更有机、 更完善 的系 统 。如 何在 系统 中针对 控制对 象 ， 灵 活地设 置单 元 的大 、 小 以及 控制过 程 的简 、 繁 ， 达 到适应 各种不 同 规 模 、 不 同功 能要求 的控 制系 统要求 。该 文通 过胜 利石油勘探局净化水厂 自动化控制系统 ， 讨论控制 系统在各控制单元的灵活设置和应用 问题 。 1 工 程概 况 该 厂净 化水工 程 采用 D e g r e mo n t 公 司 的专 利 技术， 自控系统全部引进 。 工 艺流程 按 生产 流程 划分 为 原水 吸水 井 、 原 水泵房 、 絮凝 沉淀池 、 加氯 加药间、 AQUAZ UR V 型 滤池 以下称 “ V”型滤 池 、 清 水 池 、 清水 吸水井 等 。来 自水库 的黄河 水被 提升 到原水 吸水井 ， 经原 水泵 房输 送到两 个 絮凝沉 淀池 中进行 沉淀 ， 在输送 过程 中进行加氯加药 ， 经过加氯加药沉淀后的水 自 流 到“ V” 型滤 池 ， 在此 有 6 个 滤 池分 别 或 同时 进行 过滤 ， 过 滤后 的水 输送 到 清 水 池 中进 行 储 存 ， 清水 池 的水输 送到 清水 吸水井 ， 经过 清水 泵房输 送到 生 活水 管线 ， 处理 后 的水质达 到 能直接 饮用条 件 。全 流 程实现 无人 化运行 ， 控制 系统 实现 现场 、 操 作站 、 中央控制 室三 地操作 。针 对工 艺要求 ， 控制 系统 中 设置了 5个 P L C站和一个中央控制室。 2 P L C控 制站分 析 a 在原水 泵房 进行 原水 吸水井水 位 、 原水 P H 收稿 日期 2 0 1 1 0 21 5 修 改稿 。 作者简介王建军 ， 男， 本科学历 ， 现工作于濮阳中油工程管理 有限公司 ， 任国家 注册监理工程师。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 2期 王建军等．P I C在净化水厂 的运用 值 、 浊度 、 水 温 、 电压 、 输 送 流 量 等 参 数 的检 测 及 4 台离心 泵 、 2台 真空 泵 、 4条管 线 电 磁 阀 、 2台 格 删 清污机的控制， 这些参数检测点和控制设备较多且 相对 集 中 ， 被 控设 备 、 检测 参 数 之 间 存 在相 互 制 约 关 系 ， 为 此 在 原 水 泵 房 设 置 一 个 P I C 站 C P 1 。 控 制 系统结 构如 图 1所示 。 4 台 』 l 进水I J 原水f l 2 台 格 i f 原水输l J4 台管线I l 电压 J f 吸水 I l 2 离心泵i l 浊度l I P H 值i l 栅清污机l i 出流量I I 电磁阀f 『 水压等I l 井液位I f 真空泵 原水泵房P L C 站CP 1 其他 P L C 站 絮凝 沉淀池P L C 站CP 3 加 氯 力 Ⅱ 药 间 PLC 站 CP 2 加药P L C 控制点 其他参 数 检测控 制 加 氯P L C 控制点 沉淀 J l 排污 I f 电磁 f J 参数 J l 刮泥 机P L C 控制点 池切换『 f 泵控制J I 阀控匍 川 检测 『 L_ ／ 一一 6 台隔膜 泵控制 4 台搅 拌机 2 台投 加泵 药液输 送泵 加药 池液 位 氯气管线电磁阀 氯瓶切 换 氯气检测报警 排风 机控制 3 N加 氯机 I 负压i } 电 机f f 行程I i 排量f l 检测l I 控制l I 控制l I 控制I 图 1 原水 泵房 、 加 氯加 药间 、 絮凝 沉淀 池控制 系统 结构 示 意 b 在 加氯 加药 问 见 图 1 对 6台 隔膜 泵 、 2台 投加 泵 、 搅 拌 电机 、 加 药 池液 位 、 加 药输 送泵 和 3台 加 氯机 、 氯瓶切 换 、 氯压检 测 、 泄漏 氯气 报警 、 排风 、 氯 气管线 电磁 阀分 别进行 控 制和检 测 ， 同时 利用 回 路 中各 点 检测 的 P H 值 、 浊 度 、 流 量等 参 数 对 加 药 量、 加氯量进行反馈调整 ， 实现复合环控制 自动投 加 。这些 控制关 系分 析设 定 由一个 P I C站 来 完成 C P 2 ， 在 C P 2下 再设 置 2个 职 能 P L C控 制 点 分 别完成 加 药 、 加 氯 相关 的操 作 控 制 ， 对 反 馈 的参 数 和指令 由 C P 2进 行 处 理 后 传 输 到 下 设 2个 职 能 P I C点 ， 对 相 关 离 散 点 位 的 检 测 和 直 接 控 制 由 C P2完成 。 o 在 絮凝沉 淀池 的操 作 中 见 图 1 要 对 2个 沉淀池分别进行控制和操作 ， 完成 2个絮凝沉淀池 的切换 、 虹 吸式 自动刮 泥机 、 8个排 污泵 、 1 2个 电磁 阀的控制及水位 、 P H 值、 浊度等参数 的检测等操 作 ， 分析检 测 参 数 和控 制 特 点 在 沉 淀 池 设 定 1个 P L C控 制站 C P 3 。 由于 刮 泥 机 的操 作 采 用 了虹 吸原 理 ， 涉 及相 关 的 负压 检 测 、 电机 控 制 等操 作 与 其他控 制相对 独 立 ， 所 以在 刮泥 机部分 设定 单独 的 P L C控 制点 ， 对 刮 泥机 的行 程 、 时 间 间隔 及排 污 泵 控制 、 排污程 序操 作及 相关参 数 测定 和控 制 由 C P 3 完成 。 d “ V” 型滤 池 由 6个 滤 池组 、 反 冲 洗 泵房 、 鼓 风机房 、 滤后 水池 等 组成 ， 控 制 系统 要 对 6个 滤 池 组 分别或 同时 进 行控 制 和 操 作 ， 完 成 滤 池 的 冲洗 、 进 水 、 过 滤 、 排 水 、 反 冲洗 、 废 液 排 出 、 送 风机 、 压 缩 机 、 电磁 阀 、 气动 阀等 流程 控制 和设 备 的操 作 ， 同时 要进 行 滤 后水 池 高 低 液位 、 含氯 量 、 浊 度 、 风 压 、 滤 后水 总 流量 、 反 冲洗流 量等 参数 的检 测 。通 过检 测 对设 备 和流程 的操 作进 行 反馈 ， 在 反 冲洗 泵 房 对 3 台离心泵 、 3台增 压 泵 进 行 控 制 ， 在 鼓 风 机 房 对 3 台罗 茨鼓 风机 、 2台压 缩 机进 行 控 制 。针对 整 个操 作控 制 的复杂性 ， 在 “ V” 型滤池 上设 1 个 总 的 P L C 站 C P 4 ， 在 6组 滤 池上 各 设一 个 P L C控 制 点 ， 由 于这 6个 P I c控 制 点 的 操 作 内容是 完 全 相 同 的 ， 又分别 受 C P 4控 制 ， 系 统 中采 用 了一 个 子 网络 将 这 6 个 控 制点汇 集 到 C P 4中。压 缩 机 系统 的操 作 和相关 参数 检测 相对 独立 ， 在鼓 风机 房单 独设 置 了 一 个针 对 压 缩 机 控 制 的 P L C控 制 点 。由 C P 4完 成对 6 个 控 制点 的操作 及切 换指 令传 输 、 压 缩机 系 统 、 其他分设部位的机泵控制、 参数检测等功能， 系 统结 构如 图 2所 示 。分 析 “ V” 型 滤 池 控 制 系 统 的 特点 ， 采 用 了 P L C控 制 点 的灵 活 设 置 及 传 输 网 络 的有 效套 用 ， 使 原来 较为 复 杂的滤 池操 作控 制变 为 有机合理的操作控制系统 ， 将繁杂重复的控制部位 通 过 P I c和 网络 的灵 活 应 用 进 行 分 解 ， 使 复杂 的 操 作变 得简 洁合 理 。 e 在 清 水 泵 房 要 完 成 清水 池 水 位 监 控 ， 6台 外 输 离心泵 、 2台真 空 泵 、 6个 管 道 电磁 阀 的控 制 、 切换 ， 对 废水 池进 行水 位检 测 、 2台排 污泵 的控 制 、 切 换 ， 对 输 出水 P H 值 、 浊 度 、 压 力 、 流 量 等 参 数 的 检测 操作 ， 在清 水 泵房 设 置 P L C操 作站 C P 5 ， 其 中对 2台离心泵采用了变频调速控制技术 ， 选择 了 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 3 8 石油化工 自动化 第 4 7卷 2台变频机柜控制 ， 只要将各变频柜的输出频率 、 启动、 停止时间等参数与 C P 5 设定 的起泵 、 停泵程 序进行互通， 可实现 C P 5对 2台清水输出离心泵 的监 控 。也可 以把 2台变 频 柜看 成 为 C P 5的控 制 点 。C P 5同时完成 另外 4台输 出离心 泵 与 2台 变 频泵 的切 换调 用 ， 以及 其他 机泵 的控 制和有 关参数 的检 测工 作 。系统结 构如 图 3 所 示 。 3 台离心泵 卜 _ 匡 3 台风 压机 I 空压机P L C 1 控制点 储 气 罐 压 其他P L C 站 “ V” 型氯 池P L C 站 C P 4 l 号滤 池P L C 站 F l 2 号滤池 P L C 站 F 2 6 号滤池P L C站F 6 lI蓁II Il萎 l l l l Ii蓁{l熏l l蠢 I1蒌l l蓑l l囊 图 2 “ V” 型 滤池控 制 系统 结构 示意 排 液 控 制 其他P L C 站 清水泵房P L C 站c P 5 ≥ l 变频柜 2 台变频泵 吸 水 井 液 位 l l l l耋i l器}}奏{囊l l差l l蓁l l蓁 4 △ 口 离 J 泵 图 3 清水 泵屠控 制 系统结 构示 意 f 系 统设 置一 个 中 央控 制 室 ， 同 各 控 制 站 之 间采用以太网通信支持 TC P ／ I P和 UDP ／ I P通信 协议 ， 以总线型结构进行数据通信。各 P L C站相 当于现场单元 ， 中央控制室对 5个 P L C控制站及 水厂相关其他部位参数的检测 、 控制量进行综合组 态 ， 形成 一套 D C S ， 实 现 对全 生 产过 程 各部 位 进 行 远 程集 中控制 ， 数 据管理 ， 实 时显示 工艺流 程 、 设 备 状 态 画面 ， 有 关参 数设定 并记 录 、 打 印有关 报表 、 清 单 、 直 方 图等 。 g 系统通信网络结构如图 4所示 。由于分设 在 5 个部位的 P L C站同时执行着各种参数检测和 控制操作指令 ， 各个站指令 的运行对其他 P L C站 的操作 具有 反馈 作用 。系统 将 5 个 P L C站 和 中央 控 制室设 置成 一个 主 系统 控 制 网络 。主 系 统 采用 以太网通信 网络进行 系统信息传输和数据交换 。 在 “ V” 型滤 池 P L C站 C P 4 及 6个 滤池 的 P L C控 制点 F 1 ～F 6 之间采用现场总线进行通信 ， 形成 主 网络 中的一个 子 网络 ， 使 整个 “ V” 型滤 池 自成 系 统 。滤池 的信息 由 C P 4与系 统 主 网络进 行 交换 实 现传输。根据现场需要采用不同现场总线网络， 实 现在 中央控制室 D C S工程师站、 各个 P L C操作站 触摸屏上都能对设备相关参数进 行调整、 输入等 操作 。 l 中 央 控 制 计 算 机f 茴 茜 曲 J 图 4 系统 通 信 网络 结 构 示 意 3控制 单元 的灵活设 置 从该控制系统 中可 以看 出， 控制单元 即 P L C 控制 站 、 控制 点 ， 可 以针 对 系统 中 的某 些控 制 过 程 进行 灵 活的设 置 ， 实 现难 点 分 散 ， 可 以 有效 地 避 免 主系统设置复杂化的缺陷。当然， 如果完全用整套 的 D C S来 解决 整个 系统各个 部 位 的控制 问题 应 该 也是可行 的。例如 将系统中的各个控制点和参 数检测点全部设为离散点， 采用 D C S对各离散点 进行集中控制和管理， 同样可以实现系统预期的控 制 目标 。但是系统过于繁杂 ， 运行时需对许多相对 独 立 的控 制 过 程频 繁 检 索 、 采 样 。就该 工 程 而言 ， 采用了 D C S和 P L C控制系统的结合， 如果不要中 央控制室的 D C S ， 在主控制室设置一个主控制站， 整个 控制 系统 同样可 以正常 运行 。再 如 ， 把分 部 的 5 个 P L C站减 成 4个 ， 每 个 P L C站 的控 制量 相 对 增加 ， 整个系统同样可以实现控制 目的。在系统中 设 置 的 P L C控 制 点 也 可 以设 置 成 由 P L C站 来 直 接控制， 只是在系统设置时要显得繁琐 ， 但控制功 能是完全可以实现的。 在 实际工 作 中 ， 可 以针 对 被控 对 象 的 特 点 ， 来 设 置各种 大 、 小 不 同 的控 制 环 节 ， 被 控 对象 可 以是 一 个 点 ， 也可 以是 由若干 个参数 制 约的一个 或几个 点 ， 都 可 以灵 活 地 使 用 一 个 或 几 个 控 制 环 节 来 解 决 。如果控制环较大 ， 可 以将若干个控制点或站进 行分割 ， 形成 一个 控制 网络 或主 网下 的几个子 网形 式 的控 制 网络 。这 种灵 活 有 效 的控 制 方 法 在许 多 企业改 、 扩 建工程 中 ， 往 往会 起 到事半 功倍 的效 果 。 当然 ， 如何合理设置控制系统、 控制单元 ， 往往在整 个控 制系 统设定 的前期 会 有很多 不 同的方 案 ， 要根 据实际情况进行 选择 ， 灵活地使用现有 的系统软 、 硬件， 使繁琐复杂的矛盾得以有效分割 ， 分片化解 ， 使整个控制系统更合理完善 ， 使用更方便 。 下转 第 5 O页 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 5 O 石 油 化 工 自动 化 第 4 7卷 块 的输 出值综合 ， 即从 质量 好 的模 块 中选择 负载需 要 的电压 模块数 并对 其分 配物理 地址 ， 其余 完好 的 模块 处于 非工作 状态 ， 同时把损 坏 的电源模 块信 号 传递 至上 位机 ， 将 其 从 系 统 巾移 出 ； 单 片机 将设 定 好 的主 P W M 的高 、 低 电平 值 高 电平 低 电平 一 脉 冲周 期 ， 高 电平 ／ 高 电平 低 电平 一 占空 比 送 给 E P 1 C 6 Q2 4 0 C 8 ， 来 完成 主 P WM 的生成 ； 最 后主 P WM 信号 与 开关 状 态 生 成 模 块 输 出信 号相 与 之 后 的输 出信号 作 为电源 斩波 的控制 信 号。至此 ， 完 成 了该 控制器 的 功能 。 2实验 与仿 真测试 该 文 以 Qu a r t u s I I 软 件 作 为 F P GA 的开 发 平 台 ， 采用 VHDI 硬件 描 述 语 言输 入 设 计 图 2所 示 的脉冲 电源控制 器 。将每 个模块 的 VHD L程 序 代 码转 换成 原理 图元件 ， 然 后将各 元件 连接起 来生 成 脉 冲电 源控制器 硬件 原 理 图 。 图 3给 出控 制 器输 出信 号波 形 ， 实 验仿 真 了 2 4路 电压模 块 。 ⋯0 ‘ ” ⋯a⋯ ⋯ 0 圈； 鼬 嘲 螺 ⋯ 嗍 翰 嬲 嘲 n 静 鞫睁 嬲 墓 善 氮 兰 皇 ～f 1一 r 一 ， ]r 1 厂 1 f 飞 一一1 ⋯ r_⋯ 1 』 _ _ 1 』 _ ]』 _ ■ ． 1 乙r1 - _ 乙． _ 一 厂 1一～_ _ 厂 1 一 1 一 广 _ ⋯ 一～ 1 1 一 ， ] 一 广 1 ⋯ l r 1 ～1 到 ， 、 _ ]_舢_] _ ～ -．r 一 f1． 1一 广 l l _ _ L L L』1 m l_ _ r 1 『 - L． 广_ L 爱 一一， 一 L广 L1 1厂1 一_一 厂1一 乙广1． 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。通过 实验 室 的全面仿 真 测 试 ， 验 证 了方 案 的 可行 性 ， 为 原油 电脱 水高 频高压 脉 冲电源 的开发 奠定 了基础 。 参 考 文 献 [1 ]张 建． 高压 脉 冲直 流 电场影 响 原油 乳状 液破 乳 的机 理 口] ． 油气 田地面T程 ， 2 0 0 4 ， 1 2 3 1 3 1 5 ． [ 2] 土 风巢 ． 余一 刚 ， 赵 忠杰． 复 合驱 采出液 电脱 水技 术研究 [ J ] ． 油气 地面工程 ， 2 0 0 2 ， 2 1 4 5 7 6 1 ． [ 3] MAUl AT O，RO CHE M， C OEUR F L，e t a 1 ．Ne w L i n e o f Hi g h Vol t a g e Hi g h Cu r r e nt Pu l s e Ge n e r a t o r s f o r Pl a s ma B a s e d I c o n I mp l a n t a t i o n E J ] ．J Va e S c i T e c h n o l ，1 9 9 9 ，B 1 7 2 8 798 8 2 ． [ 4] B Al i E S P J ， L AR KAI S K I ． An E x p e r ime n t a l I n v e s t ig a t i o n i n t o t h e Us e o f H ig h Vo l t a g e d c Fie l d s f o r Li q uid P h a s e S e p a r a t i o n[ J ] ． F r a n s I ，C h e m，En g ，1 9 8 1 ，5 9 322 92 35 ． [ 5] 王风巢 ， 张建， 崔景 亭． 高频 脉冲脱 水机理 [ J ] ． 石 油规划 没计 ． 1 9 9 8 3 3 63 7 ． [ 6] 梁 志珊． 高频 高压 脉 冲电 源中 国， 2 0 0 6 2 0 0 0 2 3 6 4 ． 4 [ P ] ． 2 0 0 7 03 2 】 ． [ 7] 高 峰． 5 0 0 k W P S M 短波发射机町编程控制功率模块的研 制 E J 3 ． 广 播 与电 视 技 术 ， 2 0 0 4 ， 1 O 3 3 4 1 ． [ 8] 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