基于PLC的電廠水處理系統(tǒng)控制方法研究

上海電力建設(shè)有限責(zé)任公司 吳秉澤

我公司響應(yīng)國家“一帶一路”號(hào)召，承建印尼哥倫打洛2×50MW(凈輸出)燃煤電站項(xiàng)目。#1#2機(jī)組共同設(shè)置一個(gè)集控樓，且使用一個(gè)集中控制室。主廠房布置設(shè)計(jì)采用三列式格局：汽機(jī)房、除氧煤倉間、鍋爐房，#1#2機(jī)組的電子設(shè)備間布置在集控樓10m 層，集中控制室設(shè)在本工程主廠房煤倉間10m 層。

本工程輔助車間采用輔助車間（包括水、灰、煤系統(tǒng)）PLC 集中控制方式，在集控室的輔控操作員站，對(duì)全廠輔助系統(tǒng)進(jìn)行集中監(jiān)視。本文著重介紹基于PLC 的水處理系統(tǒng)的控制方法。

1 概述

1.1 工藝流程

本工程水處理系統(tǒng)采用“海淡預(yù)處理+膜法海水淡化+離子交換除鹽”工藝系統(tǒng)，系統(tǒng)流程如下：

海水預(yù)處理來水→多介質(zhì)過濾器→超濾→超濾水箱→超濾水泵→海水反滲透保安過濾器→海水反滲透高壓泵→能量回收裝置（透平）→海水反滲透→淡水箱→淡水反滲透保安過濾器→淡水反滲透高壓泵→淡水反滲透裝置→中間水箱→陽離子交換器→陰離子交換器→混合離子交換器→除鹽水箱→除鹽水泵→用水點(diǎn)。

1.2 子系統(tǒng)介紹

整個(gè)系統(tǒng)包含以下子系統(tǒng)：子系統(tǒng)1：預(yù)處理系統(tǒng)，包括多介質(zhì)過濾器（MMF）系統(tǒng)、超濾（UF）系統(tǒng)；子系統(tǒng)2：預(yù)除鹽系統(tǒng)，包括海水反滲透（SWRO）系統(tǒng)、淡水反滲透（BWRO）系統(tǒng)；子系統(tǒng)3：除鹽系統(tǒng)，包括陽離子交換系統(tǒng)、陰離子交換系統(tǒng)、混合離子交換系統(tǒng)。

1.3 控制總則

控制模式。自動(dòng)：完全接受PLC 自動(dòng)控制，只要條件滿足，按程序執(zhí)行；步操：在一個(gè)步驟內(nèi)接受PLC 控制，直至完成該步驟，后續(xù)步驟需要人為觸發(fā)；手動(dòng)：保護(hù)連鎖接受PLC 控制，除此之外不受PLC 控制。

報(bào)警動(dòng)作種類（二級(jí)報(bào)警）。I 停機(jī)報(bào)警：報(bào)警同時(shí)該系統(tǒng)自動(dòng)轉(zhuǎn)入停機(jī)狀態(tài)；II 報(bào)警：人為干預(yù)處理，對(duì)系統(tǒng)無較大影響。控制畫面功能。顯示正在運(yùn)行的步序；顯示步序連續(xù)運(yùn)行的時(shí)間，及至下一步序的剩余時(shí)間；顯示所有可開放設(shè)置的變量點(diǎn)。系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，默認(rèn)優(yōu)先啟動(dòng)A 設(shè)備，即KKS編碼在前的設(shè)備（自用水泵除外，自用水泵B 為自用水泵A 和C 的備泵，即混床再生時(shí)，優(yōu)先啟動(dòng)自用水泵C）。系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，已考慮兩列互備系統(tǒng)同時(shí)運(yùn)行的情況與條件。但兩列同時(shí)運(yùn)行的情況屬于非正常工況，需人為操作開啟。

僅可在系統(tǒng)停機(jī)狀態(tài)下進(jìn)行操作模式的切換。一旦選定操作模式，系統(tǒng)進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)后，不得再進(jìn)行切換。

參數(shù)調(diào)節(jié)權(quán)限分三個(gè)級(jí)別。I 操作員級(jí)別（O）：可調(diào)節(jié)基本的運(yùn)行參數(shù)，保證系統(tǒng)按實(shí)際工況運(yùn)轉(zhuǎn)；II 管理員級(jí)別（M）：擁有O 級(jí)別所有權(quán)限，此外可對(duì)性能參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)；III 工程師級(jí)別（E）：有且僅有1個(gè)，擁有最高權(quán)限，可進(jìn)入程序后臺(tái)修改系統(tǒng)程序。

2 水系統(tǒng)集中控制網(wǎng)絡(luò)

2.1 上位機(jī)系統(tǒng)

控制系統(tǒng)采用國際流行的上位機(jī)監(jiān)控方式，取代傳統(tǒng)的操作盤和模擬盤控制方式，整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行操作和監(jiān)視全部在上位機(jī)實(shí)現(xiàn)[1]。在上位機(jī)上不僅能顯示閥門、泵、風(fēng)機(jī)等系統(tǒng)設(shè)備的過程參數(shù)、運(yùn)行狀態(tài)、報(bào)警等，還可以進(jìn)行各運(yùn)行方式的選擇和切換，進(jìn)行自動(dòng)相控操作，同時(shí)還具有模擬量參數(shù)顯示、自動(dòng)打印制表、多類型圖顯示、聲控報(bào)警等功能[2]。

水處理局域網(wǎng)控制系統(tǒng)共設(shè)置2臺(tái)冗余的上位機(jī)，通過通訊連在數(shù)據(jù)通訊網(wǎng)絡(luò)上，每臺(tái)上位機(jī)都是冗余通訊網(wǎng)絡(luò)上的一個(gè)站，每臺(tái)上位機(jī)應(yīng)具有獨(dú)立的冗余通訊處理模件，水處理局域網(wǎng)中有一臺(tái)上位機(jī)配備完善的編程、組態(tài)軟件，能夠?qū)崿F(xiàn)所有相關(guān)系統(tǒng)工程師站的功能。

2.2 可編程序控制器PLC

本工程PLC 成套帶有雙機(jī)熱備中央處理單元（CPU），冗余的電源模件，冗余的通訊模件，輸入輸出模件，存儲(chǔ)器，外殼，專用連接電纜及連接件和實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)等。PLC 主機(jī)和備用機(jī)采用完全相同的配置，即雙機(jī)架、雙電源、雙CPU、雙通訊模塊，雙機(jī)無擾切換。

系統(tǒng)中所有模件可帶電插拔（包括CPU、電源模塊、通訊模塊、I/0模塊）支持不停機(jī)維修；輸出模塊要求帶預(yù)設(shè)置故障處理功能便于更換。每個(gè)機(jī)柜內(nèi)均應(yīng)提供每種類型I/0總量的15%作備用，所有備用I/0測(cè)點(diǎn)都配置必要的硬件，如端子排等，保證測(cè)點(diǎn)接入就能投入運(yùn)行。機(jī)柜模件插槽留有擴(kuò)充20% I/0的備用余地，備用插槽配置必要的硬件，保證今后插入模件就能投入運(yùn)行。

系統(tǒng)采用適當(dāng)?shù)娜哂嗯渲煤涂稍\斷到通道級(jí)的自診斷技術(shù)，使其具有高度的可靠性。系統(tǒng)內(nèi)任一組件發(fā)生故障，均不會(huì)影響整個(gè)系統(tǒng)的工作[3]。

2.3 PLC 的成套范圍和功能

2.3.1 中央處理單元CPU

為提高控制系統(tǒng)的可靠性，系統(tǒng)PLC 主機(jī)設(shè)備采用雙機(jī)（CPU）在線熱備冗余配置。 即配備2套CPU，2套CPU 裝入相同控制程序，當(dāng)工作CPU出現(xiàn)故障時(shí)，備用CPU 能自動(dòng)切換至工作狀態(tài)，系統(tǒng)的控制或保護(hù)功能不因切換而丟失或延遲[4]。

2.3.2 數(shù)據(jù)通訊系統(tǒng)

水網(wǎng)（水處理及海水淡化系統(tǒng)、海水預(yù)處理及綜合水泵房系統(tǒng)、工業(yè)廢水處理系統(tǒng)）的冗余的工業(yè)交換機(jī)安裝于各自系統(tǒng)的PLC 柜內(nèi)，與雙機(jī)熱備PLC 機(jī)架上冗余的通訊接口模件進(jìn)行雙冗余聯(lián)接，要求同時(shí)滿足設(shè)備冗余和連接冗余，以保證可靠和高效的系統(tǒng)通訊[4]。

連接到數(shù)據(jù)通訊系統(tǒng)上的任一系統(tǒng)或設(shè)備發(fā)生故障，不會(huì)導(dǎo)致通訊系統(tǒng)癱瘓或影響其他聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)和設(shè)備的工作。所提供的數(shù)據(jù)通訊網(wǎng)絡(luò)是冗余的自愈環(huán)網(wǎng)。環(huán)網(wǎng)自愈時(shí)間應(yīng)不大于500ms，自愈切換時(shí)整個(gè)系統(tǒng)無擾動(dòng)。

數(shù)據(jù)通訊網(wǎng)絡(luò)具備網(wǎng)管功能。通訊故障發(fā)生時(shí)，網(wǎng)管系統(tǒng)應(yīng)能夠遠(yuǎn)程診斷，故障定位。且自動(dòng)報(bào)警。

3 水系統(tǒng)集中控制系統(tǒng)

3.1 工藝系統(tǒng)

3.1.1 水處理系統(tǒng)

水處理系統(tǒng)由海水淡化和后續(xù)的鍋爐補(bǔ)給水除鹽系統(tǒng)兩部分組成，流程為：過濾后海水（添加殺菌劑）→多介質(zhì)過濾器→超濾→超濾水箱→超濾水泵（添加還原劑、阻垢劑）→海水保安過濾器→海水高壓泵→海水反滲透設(shè)備→淡水箱→淡水泵（添加堿）→淡水保安過濾器→淡水高壓泵→淡水反滲透設(shè)備→中間水箱→中間水泵→陽床→陰床→混床→除鹽水箱→除鹽水泵→主廠房→中間水箱→工業(yè)水補(bǔ)充水泵→工業(yè)生活用水點(diǎn)。

混床再生系統(tǒng)配置了酸堿貯存罐、噴射器及相應(yīng)的設(shè)備。同時(shí)，相應(yīng)的反滲透和過濾系統(tǒng)用反洗、清洗和加藥系統(tǒng)隨系統(tǒng)需要配置。

水處理及海淡系統(tǒng)輸入／輸出I/0信號(hào)數(shù)量如下：AI 172、AO 27、DI 508、DO 258、RTD 18，共983點(diǎn)。信號(hào)直接接入水處理系統(tǒng)PLC 控制系統(tǒng)，距離大約200m。水處理系統(tǒng)控制室設(shè)置l 套CPU冗余PLC、2臺(tái)上位機(jī)，配置雙冗余的工業(yè)級(jí)交換機(jī)，并至少滿足每臺(tái)2個(gè)l00M 單模光口、4個(gè)10/l00M電口的要求，從而實(shí)現(xiàn)與水局域網(wǎng)控制系統(tǒng)的雙向冗余數(shù)據(jù)通訊，與水局域網(wǎng)控制系統(tǒng)的通訊接口為光纖以太網(wǎng)接口。

3.1.2 海水預(yù)處理及綜合水泵房

海水預(yù)處理及綜合水泵房系統(tǒng)共安裝各類水泵共11臺(tái)，其中生活水泵3臺(tái)，2運(yùn)1備；電動(dòng)消防水泵1臺(tái)，柴油消防水泵l 臺(tái)，電動(dòng)和柴油消防水泵1運(yùn)1備；穩(wěn)壓泵2臺(tái)，1運(yùn)1備；化水原水泵2臺(tái)，1運(yùn)1備；反洗水泵2臺(tái)。

綜合水泵房輸入／輸出I/0信號(hào)數(shù)量如下：AI 30、AO 3、DI 150、DO 70、RTD 10，共263點(diǎn)。海水預(yù)處理輸入／輸出I/0信號(hào)數(shù)量如下：AI 35、A0 6、DI 66、D0 26、RTD 3，共126點(diǎn)。海水預(yù)處理及綜合水泵房均作為遠(yuǎn)程I/0采用光纖通訊接入布置在水處理控制室的非經(jīng)常性廢水處理系統(tǒng)PLC，綜合水泵房距離水處理控制室約為200m，海水預(yù)處理距離水處理控制室約為500m。

海水預(yù)處理及綜合水泵房設(shè)備廠家隨工藝設(shè)備配供2套小PLC，如下：加助凝劑控制裝置的PLC控制系統(tǒng)，部分重要信號(hào)采用硬接線方式接入海水預(yù)處理PLC 控制系統(tǒng)，同時(shí)采用MODBUS-RS485協(xié)議通訊接入海水預(yù)處理及綜合水泵房PLC 控制系統(tǒng)，距離大約80m；原水加NaClO2裝置的PLC 控制系統(tǒng)，部分重要信號(hào)采用硬接線方式接入綜合水泵房PLC 控制系統(tǒng)，同時(shí)采用MODBUS-RS485協(xié)議通訊接入綜合水泵房PLC 控制系統(tǒng)，距離大約50m。

3.1.3 非經(jīng)常性工業(yè)廢水處理系統(tǒng)

非經(jīng)常性工業(yè)廢水處理系統(tǒng)共安裝各類泵共27臺(tái)，其中廢水輸送泵4臺(tái)，廢水泵2臺(tái)，清水泵2臺(tái)，反洗水泵2臺(tái)，非經(jīng)常性廢水處理系統(tǒng)輸入／輸出I/0信號(hào)如下：AI 45、A0 15、DI 262、DO 146、RTD 3；共471點(diǎn)。非經(jīng)常性廢水處理系統(tǒng)設(shè)置1套CPU 冗余PLC，配置雙冗余的工業(yè)級(jí)交換機(jī)，并至少滿足每臺(tái)2個(gè)l00M 單模光口、4個(gè)10/l00M 電口的要求，從而實(shí)現(xiàn)與水局域網(wǎng)控制系統(tǒng)的雙向冗余數(shù)據(jù)通訊，與水局域網(wǎng)控制系統(tǒng)的通訊接口應(yīng)為光纖以太網(wǎng)接口，系統(tǒng)程控設(shè)備均布置在水處理控制室。

此外，還有電解海水制次氯酸鈉系統(tǒng)采用MODBUS-RS485協(xié)議通訊接入水網(wǎng)PLC 控制系統(tǒng)，距離大約2km；生活污水處理系統(tǒng)的PLC 控制系統(tǒng)采用MODBUS-RS485協(xié)議通訊接入水網(wǎng)PLC控制系統(tǒng)，距離大約500m；含煤廢水處理系統(tǒng)的PLC 控制系統(tǒng)采用MODBUS-RS485協(xié)議通訊接入水網(wǎng)PLC 控制系統(tǒng)，距離大約200m。

3.2 系統(tǒng)配置及控制方式

3.2.1 系統(tǒng)配置

水處理系統(tǒng)局域網(wǎng)控制系統(tǒng)采用PLC ＋網(wǎng)絡(luò)＋上位機(jī)并接入輔助系統(tǒng)集中監(jiān)控網(wǎng)的分級(jí)控制結(jié)構(gòu)方式，其中水處理及海淡系統(tǒng)、海水預(yù)處理及綜合水泵房控制系統(tǒng)、非經(jīng)常性工業(yè)廢水處理控制系統(tǒng)共2套CPU 冗余配置的PLC，2套調(diào)試操作員站／工程師站（上位機(jī)），1臺(tái)A3/A4黑白網(wǎng)絡(luò)打印機(jī)。以上系統(tǒng)和設(shè)備通過冗余的以太網(wǎng)交換機(jī)連接構(gòu)成一個(gè)完整的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)。

3.2.2 控制方式

控制系統(tǒng)通常使用自動(dòng)控制運(yùn)行方式。運(yùn)行人員啟動(dòng)系統(tǒng)設(shè)備后，控制系統(tǒng)按預(yù)先編制好的啟動(dòng)順序、時(shí)間順序、聯(lián)鎖條件等自動(dòng)控制全部被控設(shè)備的啟停、切換等，并自動(dòng)停運(yùn)或人工停運(yùn)，或某個(gè)（控制系統(tǒng)以外的）異常情況導(dǎo)致系統(tǒng)停運(yùn)。不論哪種方式，急停都是有效的。

4 系統(tǒng)監(jiān)控功能

控制系統(tǒng)采用可編程控制器PLC 加水局域網(wǎng)上位機(jī)并接入全廠輔助系統(tǒng)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的分級(jí)控制結(jié)構(gòu)方式，水局域網(wǎng)控制系統(tǒng)上位機(jī)、全廠輔控網(wǎng)上位機(jī)能對(duì)水系統(tǒng)等系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)視和控制。當(dāng)水局域網(wǎng)上位機(jī)進(jìn)行操作時(shí)，發(fā)出閉鎖信號(hào)，自動(dòng)閉鎖上級(jí)上位機(jī)的操作，以保證任何時(shí)候，只有一方的操作指令有效，并在上級(jí)上位機(jī)上顯示。水局域網(wǎng)控制室內(nèi)運(yùn)行人員通過水局域網(wǎng)上位機(jī)、集中控制室內(nèi)運(yùn)行人員通過全廠輔控網(wǎng)上位機(jī)對(duì)系統(tǒng)設(shè)備發(fā)出控制命令，同時(shí)系統(tǒng)中各設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)信息在水局域網(wǎng)控制系統(tǒng)上位機(jī)、全廠輔控網(wǎng)上位機(jī)和水局域網(wǎng)上位機(jī)的LCD 顯示器上直觀、動(dòng)態(tài)地顯示出來。上位機(jī)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)和PLC 之間通過光纖以太網(wǎng)接口進(jìn)行通訊。PLC 通過I/0模件對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行控制。

綜上，電廠水系統(tǒng)的各控制系統(tǒng)聯(lián)成一個(gè)網(wǎng)，構(gòu)成完整的水系統(tǒng)控制系統(tǒng)局域網(wǎng)絡(luò)，并連入全廠輔助系統(tǒng)集中監(jiān)控網(wǎng)，通過水局域網(wǎng)控制系統(tǒng)上位機(jī)或者全廠輔助系統(tǒng)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)上位機(jī)操作員站實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)水系統(tǒng)及設(shè)備的監(jiān)視、操作與控制，并確保其正常、可靠運(yùn)行，其中全廠輔助系統(tǒng)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)上位機(jī)操作員站為電廠主控點(diǎn)，水局域網(wǎng)控制系統(tǒng)上位機(jī)為電廠水系統(tǒng)的輔控點(diǎn)。后續(xù)仍需對(duì)PLC 自動(dòng)化程序設(shè)計(jì)升級(jí)，達(dá)到更好的運(yùn)行性能。