基于PLC的多參數(shù)控制電廠加藥系統(tǒng)設(shè)計(jì)

馮佳瑤，喬越，賀慧勇，蔡啟祥，黃英俊

(1.長沙理工大學(xué) 物理與電子科學(xué)學(xué)院，湖南長沙，410114；2.長沙理工大學(xué) 化學(xué)與生物工程學(xué)院，湖南長沙，410114)

0 引言

在火電廠發(fā)電過程中，由于有時(shí)水質(zhì)不純會(huì)有雜質(zhì)，如果不及時(shí)清理可能會(huì)腐蝕鍋爐引起爆炸，當(dāng)爐水中的pH濃度過高時(shí)，會(huì)出現(xiàn)鍋爐結(jié)垢現(xiàn)象；當(dāng)爐水中的pH濃度過低時(shí)，會(huì)出現(xiàn)鍋爐腐蝕現(xiàn)象[1]，這些現(xiàn)象都對電廠安全造成隱患，由于手動(dòng)控制調(diào)節(jié)pH波動(dòng)大，難以滿足要求，且電廠爐水具有大時(shí)滯、變負(fù)荷的特點(diǎn)[2]，單以一個(gè)或兩個(gè)參數(shù)無法適應(yīng)工況變化的需要，因此有必要開發(fā)多參數(shù)控制的電廠自動(dòng)加藥系統(tǒng)。

本文從原理出發(fā)，研究電廠加藥的控制部分，從硬件以及軟件兩方面闡述了加藥系統(tǒng)的功能以及設(shè)計(jì)思路，使用WinCC實(shí)現(xiàn)監(jiān)控界面的設(shè)計(jì)，通過觸摸屏可以調(diào)整系統(tǒng)參數(shù)并實(shí)時(shí)監(jiān)測pH曲線。

1 電廠加藥控制原理以及控制指標(biāo)

1.1 控制原理

在鍋爐運(yùn)行過程中，爐水的pH會(huì)出現(xiàn)波動(dòng)，會(huì)結(jié)垢或者腐蝕爐壁，通常采取給水加氨、爐水加堿化劑（如磷酸鹽，氫氧化鈉等）的一系列防腐處理手段來解決這種現(xiàn)象[3]。在爐水加藥化學(xué)水處理的過程中，磷酸鹽濃度需要精準(zhǔn)的把控，因此系統(tǒng)需要有自動(dòng)調(diào)整加藥量的能力。在多參數(shù)控制加藥系統(tǒng)中，加藥泵接收來自爐水磷酸根表、電導(dǎo)率表(DD表)、pH表、給水流量表4個(gè)4～20mA的信號(hào)。以多參數(shù)控制加藥系統(tǒng)在某公司的應(yīng)用來介紹系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。某公司共有4臺(tái)600MV燃煤機(jī)組，1#機(jī)組和2#機(jī)組共用一個(gè)控制器，3#機(jī)組和4#機(jī)組共用一個(gè)控制器，它們均有兩個(gè)加藥罐，各有兩臺(tái)攪拌機(jī)、使用三個(gè)加藥泵，其中1#機(jī)與2#機(jī)各使用4#泵與6#泵，5#泵備用，3#機(jī)與4#機(jī)各使用3#泵以及1#泵，2#泵備用，當(dāng)正常使用的加藥泵出故障時(shí)，切換至備用泵。4臺(tái)機(jī)組各配置有磷酸根表、電導(dǎo)率表（DD表）、pH表以及給水流量表。

本裝置采用的多參數(shù)控制方式，將爐水磷酸根表、電導(dǎo)率表（DD表）、pH表、給水流量表同時(shí)接入控制系統(tǒng)，機(jī)組控制手段分為以下兩種。

當(dāng)機(jī)組穩(wěn)定負(fù)荷工作時(shí)：pH值作為主控參數(shù)，電導(dǎo)率、磷酸鹽的值、給水流量作為輔控參數(shù)，在化學(xué)方面計(jì)算出爐水pH的數(shù)學(xué)模型，結(jié)合pH隨時(shí)間變化的微分方程，與pH設(shè)定濃度進(jìn)行比較、計(jì)算后，輸出模擬量控制變頻器，改變加藥量[4]。

當(dāng)機(jī)組負(fù)荷有大幅度變動(dòng)時(shí)：給水流量做為主控參數(shù)，電導(dǎo)率、磷酸鹽的值、pH值為輔控參數(shù)。

圖1 系統(tǒng)控制原理框圖

與國內(nèi)同類技術(shù)相比，本裝置增加了控制指標(biāo)，能最大限度地消除信號(hào)滯后因素的影響，使運(yùn)行平穩(wěn)。圖1所示為本系統(tǒng)控制原理框圖。

系統(tǒng)4個(gè)參數(shù)以4-20mA電流信號(hào)的形式輸入模擬量拓展模塊，經(jīng)PID控制器處理整定后，通過模擬量拓展模塊將信號(hào)輸出至變頻器，從而改變加藥泵加藥量，磷酸根表、電導(dǎo)率表（DD表）、pH表、給水流量表又可以收集當(dāng)前爐水中磷酸根濃度、電導(dǎo)率值、pH值、給水流量值，并輸入PID控制器，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)調(diào)節(jié)，使?fàn)t水各藥劑保持在設(shè)定范圍內(nèi)。系統(tǒng)自動(dòng)運(yùn)行時(shí)，只要有一個(gè)輔助控制指標(biāo)超過設(shè)定控制范圍上限，系統(tǒng)自動(dòng)停泵。當(dāng)輔助控制指標(biāo)都落回正常范圍，系統(tǒng)可自動(dòng)恢復(fù)加藥。

1.2 主要技術(shù)指標(biāo)

（1）在線儀表：磷酸根表、pH表、電導(dǎo)率(DD表)表、給水流量表、給水流量表。

（2）主要控制指標(biāo) ：爐水 pH ：9.2～9.5，爐水磷酸根 ：0.1～0.3 ppm，爐水電導(dǎo)率 ：8～15 μS/cm。

（3）電源：三相四線電源，電壓：380V，頻率：50Hz。

（4）可切換手動(dòng)、自動(dòng)模式加藥，并具有顯示功能。

2 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

自動(dòng)加藥控制裝置由PLC、化學(xué)儀表（磷酸根表、pH值表、電導(dǎo)率表、給水流量表）模擬量拓展模塊、數(shù)字量拓展模塊、開關(guān)量模塊、繼電器、變頻器、觸摸屏等部件組成，觸摸屏使用WinCC軟件組態(tài)監(jiān)控界面，使用RS485線，通過PPI通信方式與PLC連接。圖2為多參數(shù)電廠加藥控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成框圖。

圖2 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成框圖

2.1 操作與控制面板

操作與控制面板使用SMART LINE系列人機(jī)交互平臺(tái)，擁有高端的ARM處理器，通過RS485線連接PLC進(jìn)行通訊[5]，WinCC可以與PLC集成，操作環(huán)境直觀、簡單易懂，因此加藥系統(tǒng)使用WinCC搭建監(jiān)控頁面，組態(tài)爐水、攪拌機(jī)、藥箱、加藥泵、液位、系統(tǒng)參數(shù)、模式選擇等。

2.2 PLC選型

S7-200功能強(qiáng)大，可以用作工業(yè)自動(dòng)化控制、監(jiān)測。該控制器以CPU224為核心，該CPU具有14輸入/10輸出，共24個(gè)數(shù)字量I/O點(diǎn)，滿足多參數(shù)的要求，并且在化學(xué)電廠，需要有良好的抗腐蝕性，因此加藥系統(tǒng)使用S7-200 PLC作為控制器。

2.3 數(shù)字量拓展模塊

系統(tǒng)使用EM221模塊輸入數(shù)字量，該模塊具有8點(diǎn)DC24V輸入，可以快速將數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量輸入，在系統(tǒng)中用來反映觸摸屏狀態(tài)的改變，故障監(jiān)測以及變頻器的啟停等。

2.4 模擬量拓展模塊

系統(tǒng)使用EM232模塊輸出模擬量，EM232具有兩路模擬量輸出，可以輸出正負(fù)10V的電壓或者4～20mA的電流給變頻器，變頻器可以控制加藥量的多少。在該系統(tǒng)中，磷酸根表、電導(dǎo)率表（DD表）、pH表、給水流量表都有4～20mA輸出，因此模塊選擇4～20mA標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)輸出。

EM231有四個(gè)數(shù)據(jù)通道用來采集信號(hào)，其中兩通道用于連接熱敏電阻NTC溫度傳感器或熱電阻PT100溫度傳感器，另外兩個(gè)通道用于采集電壓/電流信號(hào)輸入[7]，在系統(tǒng)中使用4~20mA電流信號(hào)的輸入。

2.5 變頻器

系統(tǒng)采用ABB ACS510系列變頻器，三臺(tái)變頻器分別與三臺(tái)加藥泵1#、備用泵2#，3#一一對應(yīng)。接收來自模擬量拓展模塊的信號(hào)，控制加藥泵的加藥量[8]。

3 系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)軟件程序流程圖

加藥系統(tǒng)的軟件是根據(jù)工程的實(shí)際情況跟加藥系統(tǒng)的現(xiàn)狀設(shè)計(jì)而成，控制程序下載在PLC中，上位WinCC實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的監(jiān)控、參數(shù)設(shè)定等功能。PLC控制程序通過STEP-7Micro/WIN編寫設(shè)計(jì)，使用的是梯形圖式的編程方式，修改起來比較方便[9]。PLC里的控制程序包括主程序與一些子程序，主程序流程圖如圖3所示。

圖3 主程序流程圖

系統(tǒng)啟動(dòng)開始運(yùn)行，參數(shù)初始化，設(shè)置泵的頻率，PID參數(shù)初始值等，接下來檢查系統(tǒng)是否有故障，如果有故障，系統(tǒng)就執(zhí)行報(bào)警操作，如果沒有故障，詢問加藥箱內(nèi)是否需要攪拌，如果需要就啟動(dòng)攪拌控制，如果不需要就進(jìn)行選泵操作，1#藥箱對應(yīng)1#泵，2#藥箱對應(yīng)3#泵，2#為備用泵。選泵后采集爐水中的磷酸根濃度、電導(dǎo)率、pH值、給水流量信號(hào)，選定模式為自動(dòng)還是手動(dòng)。如果是手動(dòng)模式，就可以設(shè)定加藥頻率為固定值，判定輸入的頻率是否在有效范圍內(nèi)（系統(tǒng)有效輸入頻率范圍為0~45Hz）；如果在有效范圍內(nèi)，就輸出模擬量，如果不在有效范圍內(nèi)，就報(bào)錯(cuò)并重新輸入頻率。設(shè)置模式為自動(dòng)模式時(shí)，通過下載在PLC里的PID算法計(jì)算后接到模擬量輸出頻率。

3.2 WinCC設(shè)計(jì)

WinCC為西門子控制系統(tǒng)的人機(jī)界面組建，組態(tài)實(shí)現(xiàn)了監(jiān)測及參數(shù)顯示與設(shè)置功能、時(shí)間顯示與設(shè)置功能、模式選擇功能、故障記錄功能、趨勢圖顯示功能，監(jiān)控畫面如圖4所示。

圖4 監(jiān)控畫面

操作觸摸屏?xí)r首先需要輸入正確的密碼，監(jiān)控畫面能夠顯示3#爐、4#爐磷酸根濃度、爐水pH值、電導(dǎo)率值、給水流量參數(shù)；實(shí)時(shí)監(jiān)控1#、2#加藥藥箱液位，控制藥箱攪拌機(jī)啟停。動(dòng)畫模擬1#泵、2#泵（備用泵）、3#泵的運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)時(shí)顯示泵的運(yùn)行頻率；當(dāng)手動(dòng)模式運(yùn)行時(shí)，按鈕顯示為手動(dòng)，觸按手動(dòng)按鈕后可以切換至自動(dòng)模式運(yùn)行，此時(shí)按鈕顯示模式為自動(dòng)。監(jiān)控界面左側(cè)還設(shè)置有3#爐參數(shù)、4#參數(shù)、趨勢圖、故障記錄、時(shí)間設(shè)定、系統(tǒng)設(shè)置按鈕，按下可跳轉(zhuǎn)至對應(yīng)功能的頁面。

4 系統(tǒng)調(diào)試

通過觸摸屏或者上位計(jì)算機(jī)中的監(jiān)測功能可以實(shí)時(shí)觀察爐水的pH值并記錄下來，直觀反映控制系統(tǒng)的控制效果。早7：00～8：30為某廠發(fā)電高負(fù)荷時(shí)段，圖5為某電廠多參數(shù)控制加藥系統(tǒng)高負(fù)荷時(shí)段2#爐pH值歷史曲線圖。

圖5 2#爐pH值歷史曲線圖

從圖5可以看出，在高負(fù)荷時(shí)段，多參數(shù)自動(dòng)加藥系統(tǒng)運(yùn)行效果良好，pH值穩(wěn)定在9.3左右，波動(dòng)小，滿足控制要求。

5 結(jié)論

對電廠加藥系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)化的設(shè)計(jì)，以PLC為核心，接收來自pH表、電導(dǎo)率表（DD表）、給水流量表、磷酸根表的信號(hào)，通過下載在PLC中的控制程序，連接各器件，形成閉環(huán)控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有友好的顯示界面，可以直觀看到爐水的控制參數(shù)以及液位，能夠在觸摸屏上修改各控制參數(shù)指標(biāo)，記錄故障，采用PID控制技術(shù)，可靠性高、穩(wěn)定性好，運(yùn)行控制指標(biāo)平穩(wěn)、可靠，符合鍋爐水質(zhì)監(jiān)控要求。

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