低溫多效蒸餾海水淡化控制系統的實現

曲徑幽

(首鋼京唐鋼鐵公司能源與環境部 河北唐山 063200)

1 海水淡化主體工藝流程

海水淡化的基本過程是海水在真空下的蒸餾（低溫蒸發），蒸發器內換熱管束水平布置，蒸汽在管內冷凝放熱，進料海水噴淋至管束頂部，呈膜狀向下流動并吸熱部分蒸發，因此裝置稱為低溫多效蒸發器。裝置中低溫蒸發獨立發生的一段稱為一效，共七效，第一效為最熱效，第七效為最低溫效。蒸發器內第七效后布置一管式冷凝器，其中海水走管側升溫但不產生蒸發，蒸汽走殼側發生冷凝。運行時進入裝置介質為蒸汽、海水，系統排出介質為濃鹽水、冷凝水及成品水，主要工藝流程見圖1 低溫多效海水淡化流程示意圖。

2 控制系統設計原則

控制系統的設計是以海水淡化工藝特點和應用要求為主要依據，本著從滿足生產的實際需要出發，我們立足于建設高度集成自動化系統的宗旨，在帶熱蒸汽壓縮低溫多效海水淡化生產過程自動化系統的設計中，堅持著如下原則：

2.1 可靠性

對工業控制系統最基本的要求就是可靠性高。一旦系統出現故障，將造成整個控制過程的混亂，引起嚴重的后果，由此造成的損失往往大于控制系統本身的價值[1]。

2.2 實用性

實用性好包括三個含義，既使用方便又要便于維護，同時還能夠最大限度地滿足實際工作要求。對于本套自動控制系統的軟硬件設備選型、系統配置、人機操作設計等方面，在滿足生產、管理功能及可靠性需求的前提下，均采用了性能/價格比較優的產品與裝置系統。

2.3 通用性

整個控制系統的結構具有較好的標準性、開放性與互連性，易于擴展和未來升級，以便使其與快速發展的自動化及信息化技術保持同步。在系統設計時，各設計指標要留有一定的余量，為日后系統的擴充創造了有利的條件[1]。

3 海水淡化控制系統的實現

3.1 海水淡化主體的控制系統硬件組成

圖1 低溫多效海水淡化流程示意圖

（1）可編程序邏輯控制器（PLC）的配置

按照對控制系統高可靠性、實用性及通用性與易維護性的需要，海水淡化主體控制系統采用現今較先進的西門子公司S7-400 系列中的414H，搭配ET200M 分布式遠程I/O 系統 和Y-LINK 組成了主體的自控系統[2]。每個主體由兩套PLC 柜組成，系統包括一套冗錯功能的西門子CPU414-4-2H，兩個PS407 電源模塊，3 個32 點數字量輸入模塊6ES7 321 -1BL00 -0AA0，8 個 通 信 模 塊6ES7 153 -2AR03-0XA0，2 個32 點數字量輸出模塊6ES7 322-1BL00-0AA0,3 個8 點數字量輸出模塊6ES7 331-5FF00-0AB0,11 個8 點模擬量輸入模塊6ES7 331-7KF02-0AB0,6 個4 點模擬量輸出模塊6ES7 332-5HD01-0AB0 組成，I/O 點數的對照表見表1。

表1 模塊的類型和數量

（2）操作員站和工程師站的配置

操作員站是海水淡化廠的監測與控制中心，具有數據存儲、數據恢復、圖形顯示、參數處理、報警及打印等功能。配備21 英寸彩色液晶顯示器（LCD）。整個控制系統設運行配置組態相同的兩套操作員站，互為備用，即操作人員可以在任一臺操作員站上監測與控制整個系統。當一臺操作員站故障時，整套系統的操作、監測與控制不受影響。操作員站采用ABB 工業計算機。

配備1 臺工程師站。工程師站的功能包括現場編程、調試和數據管理等，工程師站是承擔從系統開發到系統保養等工程技術工作的多功能站，工程師站具有與操作員站一樣操作運行的畫面，在操作員站故障時，可代替操作員站使用。

（3）通訊設備的配置

考慮到與海水淡化整個系統的聯網，每套海水淡化主體配備一臺德國赫斯曼公司的RS20-0800M2M2SDAUHC 交換機一臺，具備4 個光口和6個電口，用于與工程師站、操作員站、兩套主體之間相互通訊。同時為了實現與低壓電氣系統的通訊，每套主體配備一個ANYBUS 網關，主要用來DP 網與低壓電氣系統DeviceNet 網絡協議轉換，確保PLC與電氣低壓系統MCC 之間的網絡通訊暢通。

3.2 海水淡化主體控制系統軟件平臺

3.2.1 監控軟件平臺

在選擇海水淡化主體上下位軟件時，考慮到與硬件系統的兼容性及維護人員對軟件的熟習程度，上位監控軟件選擇了西門子公司SIMATIC WinCC 6.0 系統。WinCC 是在生產和過程自動化中解決可視化和控制任務的工業技術系統，它提供了適用于工業的圖形顯示、消息、歸檔以及報表的功能模塊。高性能的過程耦合、快速的畫面更新、以及可靠的數據使其具有高度的實用性。采用WINCC 6.0 作為上位監控軟件既能滿足控制功能的需要，又與西門子S7-400H 系統相匹配，同時維護人員對該軟件掌握的比較熟練，便于維護[3]。

3.2.2 編程軟件平臺

在編程軟件的選擇上，要求與監控軟件要求一樣，既要與硬件系統相匹配，又要選擇維護人員熟習，便于掌握的編程軟件，編程軟件采用STEP7 V5.4，STEP7 是針對西門子S7-300/400 的組態和編程軟件。它能完成基礎自動化部分的功能，對應于控制系統的現場級和車間級。在首鋼各生產廠中得到廣泛的應用，可使用梯形圖邏輯、功能塊圖和語句表進行編程操作。

3.3 海水淡化的網絡結構

海水淡化區域主要由海水淡化主體，供配電系統、海水淡化預處理及加藥系統以及泥處理等四部分。通過對星型、環形、雙星型和雙環形網絡結構優缺點比較（見表2），確定了海水淡化區域選擇環型網絡拓撲結構，為了便于網絡管理，各個系統的交換機進行統一選型，各個分系統的交換機均選擇德國赫斯曼公司的RS20-0800M2M2SDAUHC 交換機一臺，用于連接能源中心的交換機選擇德國赫斯曼公司可擴展的模塊化交換機MS20 系列，交換機由MS20-2400、MM2-4TX1 和MM3-4FXM2 三個模塊組成。海水淡化區域網絡見圖2。

表2 網絡拓撲結構優缺點

圖2 海水淡化區域網絡圖

4 結束語

海水淡化控制系統是一個涉及設備較多、控制種類復雜的控制系統，綜合運用了通信、網絡、PLC、工業控制機、模糊控制、智能檢測及自動控制等現代化信息和控制技術，實現對整個海水淡化生產過程的高度集成自動化控制。自從投入使用以來，生產運行平穩可靠，自動化控制效果良好，提高了生產效率、降低運行成本和勞動強度，取得了顯著的經濟效益和社會效益。

[1]郭巧菊.計算機分散控制系統[M]，北京：中國電力出版社，2008，33-35.

[2]陳章平.西門子S7-300/400 PLC 控制系統設計與應用[M]，北京：清華大學出版社2008，46-58.

[3]劉華波等.組態軟件WINCC 及其應用[M]，北京：機械工業出版社，2009，77-81.