SIMATIC PCS7系統(tǒng)在大化熱電廠化學水處理中的應用

王 巍

（西門子（中國）有限公司大連分公司，遼寧 大連116023）

0 引言

化學水處理系統(tǒng)是熱電生產(chǎn)非常重要的一部分，確保化學水處理設備可靠運行和補給水質(zhì)量對熱電廠的安全經(jīng)濟運行起著至關重要的作用。熱電廠的水汽系統(tǒng)運行質(zhì)量不佳，可能造成鍋爐爆管、動力設備腐蝕與結垢等事故，對機組的安全和經(jīng)濟運行造成直接威脅。本文簡要介紹了基于西門子PCS7的熱電廠化學水處理控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)實現(xiàn)了對化學水處理系統(tǒng)水汽品質(zhì)的精確控制，并且減輕了運行勞動強度及維護工作量，達到了提高生產(chǎn)效率、確保安全經(jīng)濟運行的要求。

1 化學水處理工藝概述

大化熱電廠化學水處理設計出力為652t／h，采取的控制方式為自動程序控制、遠方手動操作及就地操作箱操作相結合，能對化學水處理系統(tǒng)進行集中監(jiān)視、管理、自動順序控制，PID自動調(diào)節(jié)并實現(xiàn)運行數(shù)據(jù)的采集和歸檔。化學水處理系統(tǒng)流程如圖1所示。

2 控制系統(tǒng)構成

2.1 PCS7的硬件配置及網(wǎng)絡結構

圖1 大化熱電廠化學水處理系統(tǒng)流程

西門子SIMATIC PCS7系統(tǒng)是一套典型的現(xiàn)代分布式控制系統(tǒng)（DCS），采用了現(xiàn)行局域網(wǎng)（LAN）技術、成熟可靠的西門子可編程控制器（PLC）和現(xiàn)場總線技術。整個系統(tǒng)由大量的西門子硬件組件組成，包括自動化儀表、執(zhí)行器、模擬量和數(shù)字量信號模塊，控制器、通信處理器、工程師站和操作員站等。所有這些硬件組件都可由功能強大的各種PCS7軟件工具支持和組態(tài)。該軟件系統(tǒng)功能先進，能夠高度滿足各種工業(yè)領域不同自動化任務的設計、組態(tài)和調(diào)試方面的要求。大化熱電廠化學水處理系統(tǒng)結構如圖2所示。

本PCS7系統(tǒng)選用了一套西門子冗余型S7－417HCPU，每套系統(tǒng)帶CP443－1通訊模板與工業(yè)以太網(wǎng)相連，通過CPU內(nèi)部集成的Profibus－DP通訊口與8組ET200M遠程I／O分站進行數(shù)據(jù)通訊；所有4臺機柜都置于中控室，為了保證I／O模板發(fā)生故障時能帶電熱插拔，不影響生產(chǎn)，所有的I／O模板和ET200M接口模件都采用了有源背板總線連接。2臺上位機采用單站形式，CPU417H通過100M以太網(wǎng)和交換機與1臺工程師站（ES）和1臺操作員（OS）站進行數(shù)據(jù)通訊并實現(xiàn)工業(yè)以太網(wǎng)的網(wǎng)絡冗余。西門子工控機安裝了Windows XP SP2Pro系統(tǒng)及CP1623工業(yè)以太網(wǎng)卡，還配置了網(wǎng)絡打印機進行操作日志和數(shù)據(jù)報表的打印。操作畫面按照裝置和工藝進行分類。

圖2 化學水處理系統(tǒng)結構圖

2.2 PCS7軟件程序架構

SIMATIC PCS7基于全集成自動化（TIA）技術，可以實現(xiàn)更快速和精確的控制，可以靈活地擴展硬件和軟件功能。在本應用案例中，PCS7控制功能庫的應用成為一個突出亮點。SIMATIC PCS7通過專門為工藝需求而設計的工程組態(tài)工具連續(xù)功能圖（CFC）和順序功能圖（SFC）及預定義的功能塊和圖表進行程序的規(guī)劃、編輯與組態(tài)。由于PCS7擁有統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫，所以數(shù)據(jù)只需要輸入一次便可以應用于整個系統(tǒng)。

CFC是以圖形方式組態(tài)和調(diào)試連續(xù)自動化功能，預組態(tài)的功能塊能在功能強大的自動布線和HMI消息集成組態(tài)的支持下，在CFC內(nèi)部組態(tài)、互聯(lián)和參數(shù)設置。在本項目化學水處理程序中應用了電機塊、閥塊及模擬量處理等標準控制塊。

順序控制功能圖（SFC）是以圖形方式對批生產(chǎn)操作的順序控制進行組態(tài)和調(diào)試，方便編輯，并且擁有強大的測試和調(diào)試功能。SFC類型是可重復應用且訪問化學水生產(chǎn)車間某個局部工藝的標準化順序控制，極大地縮短了項目開發(fā)的周期，簡化了調(diào)試流程，降低了工程開發(fā)的成本，提高了效率。各工藝段設備的自動投入、自動反洗等工藝流程都是依托SFC順序控制程序完成。

3 化學水處理控制系統(tǒng)的功能

（1）化學水預處理系統(tǒng)。高效過濾器對水中的懸浮物以表面物理吸附為主。PCS7系統(tǒng)控制過濾器運行，使其活動多孔板在入口水壓力的作用下上下移動，并由此來調(diào)整改變?yōu)V料的間隙和堆積密度，使濾料順水流的方向孔隙度逐漸變小，從而提高出水水質(zhì)。

（2）陽雙室浮動床。陽雙室浮動床的操作程序：成床→運行→失效落床→（反洗→）進酸再生→置換→清洗→停床備用或投入運行。陽床的投入過程是在PCS7系統(tǒng)中實時監(jiān)控狀態(tài)由SFC順序控制程序提示下手動完成，保證系統(tǒng)絕對不會出現(xiàn)誤操作。當PCS7系統(tǒng)提醒累計制水量已接近陽床失效終點時，系統(tǒng)提醒操作人員依據(jù)人工化驗結果判斷是否執(zhí)行反洗等后續(xù)操作，整個反洗操作完全自動執(zhí)行，無需人工參與。

（3）陰雙室浮動床。陰雙室浮動床的操作程序：成床→運行→失效落床→（反洗→）進堿再生→置換→清洗→停床備用或投入運行。陰床的投入過程與陽床比較相似，同樣是在PCS7系統(tǒng)中實時監(jiān)控狀態(tài)由SFC順序控制程序提示下手動完成的。當PCS7系統(tǒng)提醒累計制水量已接近陰床失效終點時向工程師發(fā)出提示，工程師依據(jù)PCS7提供的陰床出水導電度的結果結合人工化驗決定是否進行反洗等進一步操作。反洗等操作流程完全由SFC程序控制，實現(xiàn)全程無人操作的自動化控制。

（4）混床系統(tǒng)。一級除鹽系統(tǒng)的出水無法滿足鍋爐補給水的要求，因此要在一級除鹽系統(tǒng)后面加混床處理。混床內(nèi)裝陰、陽離子交換樹脂，在運行時陰、陽離子交換樹脂均勻混合在一起，在一臺交換器內(nèi)同時完成陰、陽離子交換過程。其自動控制原理與陰陽離子交換器相同。混床失效終點根據(jù)PCS7提供的混床出水導電度、累計制水量參照人工化驗結果決定。

4 PCS7使用心得

化學水處理各個工藝段的執(zhí)行設備基本相同，在項目開發(fā)前期PCS7采取了多項目的形式建立統(tǒng)一的項目庫，然后將上位機與下位機分別建立單項目，由不同的項目工程師分別開發(fā)上位機監(jiān)控系統(tǒng)和下位機PCS7編程。在開發(fā)工作基本完成時由項目經(jīng)理將2個系統(tǒng)整合，這樣做的好處是可以委派不同的項目工程師同時進行程序的開發(fā)工作，使工程進度大大提前。另外，該項目采用了PCS7集成的功能塊庫及統(tǒng)一的項目數(shù)據(jù)庫，也大大減短了項目前期編程開發(fā)時間。

5 結語

西門子PCS7控制系統(tǒng)結合了傳統(tǒng)DCS和PLC的優(yōu)點，突出了全集成自動化（TIA）先進的技術理念，應用于熱電廠化學水處理系統(tǒng)體現(xiàn)了系統(tǒng)網(wǎng)絡清晰、軟硬件可擴展性好、操作簡單、可靠性高等優(yōu)點，從工程竣工至現(xiàn)在，該系統(tǒng)從未出現(xiàn)由于控制系統(tǒng)故障而導致的停機事故，穩(wěn)定而可靠地保證了合成氨廠、熱電廠乃至整個化工生產(chǎn)用水的供應。本項目是西門子PCS7系統(tǒng)應用于國內(nèi)熱電廠化學水處理控制系統(tǒng)的典型案例，具有一定的參考價值。

［1］張根寶.工業(yè)自動化儀表與過程控制［M］.第3版.西安：西北工業(yè)大學出版社，2007