電廠化學水處理控制系統(tǒng)中PLC控制系統(tǒng)設計與預測控制研究

原銘良 宗學軍 何戡 常江 孫昂

（沈陽化工大學信息工程學院）

電廠化學水處理控制系統(tǒng)中PLC控制系統(tǒng)設計與預測控制研究

原銘良 宗學軍 何戡 常江 孫昂

（沈陽化工大學信息工程學院）

采用PLC與工業(yè)控制計算機共同構(gòu)成控制系統(tǒng)的方法，解決了化學水處理控制系統(tǒng)自動化程度低的問題。實際運行表明，化學水處理過程可通過PLC控制系統(tǒng)進行有效的自動監(jiān)控。針對再生后出水中磷酸鹽含量過高問題，本文首先在Matlab/simulink環(huán)境下，對化學水處理系統(tǒng)進行建模仿真，其次本文采用模型預測控制算法，對出水磷酸鹽濃度進行控制，并與傳統(tǒng)PID算法進行對比，仿真結(jié)果證明模型預測控制（Model Predictive Control，MPC）算法控制效果優(yōu)于傳統(tǒng)PID，使出水磷酸鹽達到了工藝出水水質(zhì)要求。

化學水處理；ControlLogix系列；MPC

0 引言

化學水處理是電廠發(fā)電過程中的重要環(huán)節(jié)[1]，特別在大型電廠及供熱電廠的化學水處理車間，水處理量大、工藝復雜、水質(zhì)要求高，其運行的好壞直接關系到電廠的安全性。隨著現(xiàn)代企業(yè)生產(chǎn)規(guī)模的不斷擴大，企業(yè)對生產(chǎn)工藝的可靠性和生產(chǎn)效率提出了更高的要求，因此，實行自動化控制生產(chǎn)成為企業(yè)的必然選擇。PLC是一種數(shù)字運算的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境下應用而設計，已廣泛應用于工業(yè)控制的各個領域。PLC控制應用于化學水處理的工業(yè)過程，不僅能實現(xiàn)安全有效的控制，而且能提高精度和效率，降低工業(yè)成本和能源消耗。最終達到合理利用人力資源，迅速提高整體運營水平，降低故障率，提高維護反應速度的目的。

1 系統(tǒng)工藝處理要求

電廠化學水處理過程主要在混床中完成，混床再生過程的原理是將陰、陽樹脂按一定比例混合裝在同一個交換器里，水通過混合床時就完成了多次陽、陰離子樹脂交錯排列而組成的多級復床除鹽系統(tǒng)[2]。在混合床中，由于陽、陰樹脂是均勻混合的，所以陽、陰離子交換反應幾乎同時進行，即水的陽離子交換和陰離子交換多次交錯進行，交換過程所產(chǎn)生的H＋和OH－都不能積累起來，基本上消除了反離子對交換反應的影響，這就避免了逆反應，使交換反應徹底進行。混合床樹脂失效后，應先將陽、陰兩種樹脂分離，然后分別進行再生、清洗和凈化。混床交換器是一個圓柱型密閉容器，裝有上部進水裝置和下部配水裝置，在其中部還有中間排水裝置，以便將陰、陽樹脂分開再生。為了便于陰、陽樹脂分層，混合床中陰、陽樹脂的濕真相對密度差應大于15%～20%。陰、陽樹脂的配比由出水水質(zhì)和周期制水量確定。在鍋爐補給水處理系統(tǒng)中，樹脂的體積比通常為陰∶陽＝2∶1。混床的運行主要分反洗分層、進酸堿、置換、陰陽樹脂正洗、混脂、正洗等步驟，工藝復雜，對進水流速、酸堿濃度、進氣量、出水電導率和二氧化硅含量都有較高要求。

2 控制系統(tǒng)硬件設計

本系統(tǒng)硬件采用羅克韋爾自動化公司生產(chǎn)的新一代ControlLogix控制系統(tǒng)[3]。ControlLogix控制系統(tǒng)不僅具有先進的通訊能力和最新的I/O技術(shù)，而且同時提供多種控制方法，Logix控制器平臺提供了通用的控制引擎，是一個將高速離散控制、過程控制、協(xié)調(diào)傳動控制、運動控制、批次控制和安全控制融于一體的控制平臺，允許混合使用多個處理器、多種網(wǎng)絡和I/O。

2.1 控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

通過對系統(tǒng)需求的分析，選用羅克韋爾自動化公司的ControlNet現(xiàn)場總線作為系統(tǒng)的通訊網(wǎng)絡。根據(jù)硬件特點，系統(tǒng)網(wǎng)絡可分為設備層、控制層和信息層。采用工業(yè)個人計算機作為先進控制層，由PLC作為基本控制層，組成經(jīng)濟高效的集散控制系統(tǒng)，從而構(gòu)成上下兩級控制。圖1為系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)圖。

圖1 控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

設備層是面向現(xiàn)場設備的一層，主要接收來自控制層PLC的控制命令，執(zhí)行相應的動作或提供相應的監(jiān)測數(shù)據(jù)。

控制層是整個控制系統(tǒng)的中心，完成處理器與處理器之間以及處理器與I/O接口之間的信息交互。控制層主要通過控制器完成各種控制動作命令，實時數(shù)據(jù)的采樣和處理、聯(lián)鎖動作的表達、控制算法的實現(xiàn)、報警現(xiàn)象的自動處理等功能。

信息層是控制系統(tǒng)網(wǎng)絡的最高層，也是對從現(xiàn)場采集的數(shù)據(jù)進行管理和處理的一層。信息層主要完成系統(tǒng)關鍵工藝參數(shù)的調(diào)整設定、圖形監(jiān)控、動態(tài)圖形顯示、實時數(shù)據(jù)采集、運行狀態(tài)監(jiān)控、歷史數(shù)據(jù)查看、趨勢圖和數(shù)據(jù)報表記錄存儲與打印、越限報警和故障的提示處理等功能。

整個系統(tǒng)中，設備層的各種現(xiàn)場設備和儀器需要與控制層的I/O模塊進行通信，且對安全性和數(shù)據(jù)采集的實時性要求較高。此外，控制層控制器與I/O模塊之間的通信也是整個網(wǎng)絡設計的一個重要環(huán)節(jié)，采用傳輸速度快，信息容量大，硬件接線少，抗干擾能力強，方便添加網(wǎng)絡節(jié)點和設備的ControlNet作為通信網(wǎng)絡。

2.2 控制系統(tǒng)硬件組建

設備層組建的主要依據(jù)是現(xiàn)場信號的傳輸方式。由于系統(tǒng)的現(xiàn)場設備主要由各種泵、電動閥門、信號隔離器等組成，因此采用設備層專用網(wǎng)絡DeviceNet。根據(jù)控制要求，選擇合適的現(xiàn)場輸入輸出設備，如控制按鈕、開關、變送器、信號隔離器、繼電器等，并統(tǒng)計系統(tǒng)的I/O點（53個數(shù)字量輸入點，23個數(shù)字量輸出點；49個模擬量輸入點，15個模擬量輸出點）。

控制層的組建是系統(tǒng)設計最復雜也是最重要的環(huán)節(jié)，主要工作是建立一個以PLC為中心的控制網(wǎng)絡。系統(tǒng)采用將PLC的CPU模塊和I/O模塊分別裝在不同的機架的方案，CPU模塊采用ControlLogix家族中功能強大的1756-L61控制器，為提高系統(tǒng)整體的可靠性和穩(wěn)定性，采用兩個控制器，一個運行，另一個備用，實現(xiàn)冗余的目的。當主CPU出現(xiàn)故障或通信出現(xiàn)問題時，可直接切換到備用CPU工作，保證系統(tǒng)短時間內(nèi)恢復正常運行狀態(tài)。CPU冗余功能的完成由1756-RM模塊通過EtherNet實現(xiàn)。兩個CPU分別放置在兩個1756-A4機架上，機架的供電由兩個1756-PA72電源完成。根據(jù)控制要求和I/O點數(shù)，選擇合適的數(shù)字量輸入模塊（7個1756-IB16），數(shù)字量輸出模塊（2個1756-OB16E），模擬量輸入模塊（5個1756-IF16，2個1756-IR6I），模擬量輸出模塊（2個1756-OF8）。數(shù)字量模塊和模擬量模塊分別放在兩個不同的1756-A13機架上，機架的供電由兩個1756-PA75電源完成。CPU和I/O模塊的通信由每個機架上的1756-CNBR模塊通過ControlNet網(wǎng)絡完成。

信息層硬件設備主要包括2臺監(jiān)控計算機、2臺DELL 21寸LED顯示屏、組合式主控操作臺等。2臺工控機采用完全相同的配置，分別用作操作員站和工程師站，并通過EtherNet與控制層進行通信。操作員站的任務是在標準畫面上和用戶組態(tài)畫面上匯集和顯示相關的信息，并根據(jù)此情況對運行工況進行監(jiān)視和控制。工程師站用于程序開發(fā)、系統(tǒng)診斷、控制系統(tǒng)組態(tài)、數(shù)據(jù)庫和畫面的編輯修改。

3 控制系統(tǒng)軟件設計

在化學水處理的工藝過程中，由于副產(chǎn)品中二氧化硅和有機鹽含量較高，為獲得品質(zhì)較高的處理水，整個混床再生過程要靠人工進行操作，工藝要求苛刻，這一過程危險性高且效率低。基于此再生過程現(xiàn)采取高效控制邏輯算法，不需要人工干預。在順序控制流程中，系統(tǒng)嵌入暫停和急停功能，任何一個（再生過程）狀態(tài)都可以暫停，點擊繼續(xù)，時間繼續(xù)計時；再生過程的急停功能，所有閥門全部關閉，再生終止，自動轉(zhuǎn)到失效狀態(tài)。再生時，各再生步驟可預先設置，可以從任一步驟開始再生。當系統(tǒng)任何一階段出現(xiàn)異常自動報警時，操作人員收到信息可立即操作急停按鈕，從而保證生產(chǎn)和人身安全。

混床再生過程之前，要先檢查開關閥門可控性以判斷再生過程的條件是否允許，若控制失敗，如給出開閥（氣動閥）命令后，反饋信號為關反饋（氣動閥），則開關閥門控制失效，開關閥門發(fā)生故障后暫停再生過程并報警；然后檢測酸、堿計量箱液位（默認值1.1米），作為再生的前提允許條件，若不滿足，不允許進行再生。再生過程中不檢測液位值，液位低于默認值時，再生不終止。順序控制流程圖如圖2所示。

圖2 順序控制流程框圖

上位機的監(jiān)控系統(tǒng)采用RSView32開發(fā)軟件作為人機界面，該軟件是一種基于Windows平臺設計的、易用的、可集成的HMI控制系統(tǒng)[4]，具有以下特點：① 支持微軟的VBA（Visual Basic For Aplication）功能，可以最大限度地實現(xiàn)項目的自定義和擴展，也可對系統(tǒng)進行二次開發(fā)；② 對于授權(quán)用戶提供了不限客戶連接數(shù)的基于網(wǎng)絡瀏覽器（如HTML）的遠程監(jiān)控方案，可以在遠程看到現(xiàn)場的畫面、參數(shù)值、報警等情況；③ 提供強大的報警、歷史數(shù)據(jù)趨勢查看功能；④ 同時支持OPC的服務器和客戶端模式，既可以通過OPC和硬件通訊，又可以向其它軟件提供OPC的服務。

上層監(jiān)控系統(tǒng)作為OPC的數(shù)據(jù)客戶端，可以在不包含任何通信接口程序的情況下從OPC服務器中取得數(shù)據(jù)，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集和多種系統(tǒng)的集成。

RSView32作為控制系統(tǒng)中OPC的客戶端，結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 基于OPC控制軟件應用框架

除鹽水畫面圖如圖4所示；混床再生過程操作面板如圖5所示。

圖4 除鹽水畫面

圖5 混床再生過程操作面板

4 化學水處理系統(tǒng)的優(yōu)化設計

電廠化學水處理過程水處理量大，且對水質(zhì)要求很高，但因原水、工藝和設備老化等問題，再生后的水中含有大量有機成分，排放后易造成環(huán)境污染。本文建立在活性污泥基礎上，采用工業(yè)中常用的模型預測控制[5-6]，對處理水中有機磷酸鹽進行控制，提高水質(zhì)，并實現(xiàn)化學水處理系統(tǒng)的減污排放。

4.1 模型建立

為定量分析和研究某個對象，需用數(shù)學模型描述將其模型化。當對象較簡單時，可應用有關知識建立對象的機理模型，并達到較高精度。當對象較復雜時，較難建立其機理模型。可通過系統(tǒng)辨識獲得對象的I/O數(shù)據(jù)，并依此建立對象的數(shù)學模型。由于實際建模中存在不確定性，獲取對象數(shù)據(jù)時受條件和環(huán)境的制約，從數(shù)據(jù)獲取到模型的建立經(jīng)反復探索，計算量大，用手工難以完成。故借助Matlab系統(tǒng)辨識工具箱進行建模，可簡化計算過程、提高效率，其圖形功能使建模過程直觀、形象。

對化學水中的有機鹽進行處理時，選取曝氣量以及進水流量為控制變量，有機磷酸鹽為控制輸出，在正常的外界環(huán)境下（無雨雪）現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)，由系統(tǒng)辨識工具箱得到一個雙入單出的線性模型：A=[0.001726 0；0 -0.01826]；B=[0.09667 -0.73；1 1]；C=[0 0；0 1]；D=[0 0 ；0 0]。

4.2 控制器設計與仿真

預測控制是采用基于脈沖響應的非參數(shù)模型作為內(nèi)部模型，根據(jù)歷史信息以及未來輸入通過對性能指標：

預測控制的具體優(yōu)化過程為：每到新的采樣時刻都要通過實際測到的磷酸鹽濃度對基于模型的預測輸出[7]進行修正，然后再進行新的優(yōu)化。根據(jù)系統(tǒng)的實際輸出對預測輸出值不斷做出修正是滾動優(yōu)化的特點，控制不但基于模型，而且利用了反饋信息，構(gòu)成閉環(huán)優(yōu)化。Simulink環(huán)境下仿真模型如圖6所示。

圖6 化學水系統(tǒng)控制仿真

圖7為PID控制與MPC控制下輸出曲線的對比。

圖7 PID控制與MPC控制下輸出磷酸鹽濃度

其中PID控制參數(shù)：Kp=0.5，Ki=0.01，Kd=0。兩個PID控制器參數(shù)一致。MPC控制參數(shù)：預測域P=10，控制域M=2，控制變量變化率分在-0.1和0.1之間，輸入權(quán)值分別為0，0；輸出權(quán)值為1，設定輸出為0.2 mg/l。出水磷酸鹽符合國家污水排放標準GB8978—1996。

對比分析可知，MPC控制算法能較快地達到設定值。此外模型預測控制具有較強的魯棒性和快速性，對于化學水處理系統(tǒng)是一個很好的控制方案，模型預測控制已廣泛應用于工業(yè)領域，為其在化學水系統(tǒng)的實際應用提供了很好的依據(jù)和堅實的理論基礎。

5 結(jié)束語

該系統(tǒng)已經(jīng)成功應用于遼寧某化工集團熱電廠的化學水處理控制系統(tǒng)，運行狀況良好。以PLC自控系統(tǒng)為平臺應用于化學水處理系統(tǒng)的生產(chǎn)監(jiān)控，工藝基本達到設計目標，設備運行更加平穩(wěn)可靠，效率大大提高，且具有很大的擴展性。化學水系統(tǒng)優(yōu)化設計方案的提出與仿真，為未來進一步處理出水污染物提供了理論依據(jù)。

[1] 劉鑫.我國工業(yè)控制自動化技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J].電氣時代,2003,12:46-52.

[2] 俞金壽,蔣慰孫.過程控制工程[M].北京:電子工業(yè)出版社,2007.

[3] 錢曉龍.ControlLogix系統(tǒng)電力行業(yè)自動化應用培訓教程[M].北京:機械工業(yè)出版社,2009.

[4] Ioannides M G.Design and implementation of PLC-based monitoring control system for induction motor[J].IIEE Transactions on Energy Conversion,2004,19(3):469-476.

[5] 錢積新,趙均,徐祖華.預測控制[M].北京:化學工業(yè)出版社,2007.

[6] 舒迪前.預測控制系統(tǒng)及其應用[M].北京:機械出版社,1996.

[7] Brosilow C Zhao G Q. A Linear Programming Approach to Constrained Multivariable Process Control[J].Control Dyn, Syst.,1998,27:141-181.

Application of PLC in Control System of Chemical Water Treatment and the MPC Controller Design

Yuan Mingliang Zong Xuejun He Kan Chang Jiang Sun Ang
（Shenyang University of Chemical Technology, College of Information Engineering）

In order to solve the problem of automation for the chemical water treatment control system, PLC and industrial control computer constitute the control system, which achieves high accuracy and reliability of chemical water treatment system. Aiming at the high level Phosphate in the chemical water after regeneration, the model of chemical water treatment system is established under Matlab/Simluink. Then the controller is designed based on model predictive control algorithm and compared with the traditional PID controller. The results show that MPC controller can get a better result than PID. The MPC is a good control strategy for the system and the effluent meets the water quality requirements well.

Chemical Water Treatment; ControlLogix Series; MPC

原銘良，男，1987年4月22日出生，碩士，研究方向：優(yōu)化控制。E-mail: yuanmingliang1224@163.com。