基于S7-200的發(fā)電廠化學(xué)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1 引言
發(fā)電廠化學(xué)監(jiān)控系統(tǒng)可實(shí)時(shí)自動(dòng)監(jiān)測(cè)火力發(fā)電廠鍋爐給水、鍋爐爐水、蒸汽和凝結(jié)水的各項(xiàng)水汽質(zhì)量參數(shù)。在連續(xù)在線儀表監(jiān)測(cè)的基礎(chǔ)上，提出一種發(fā)電廠化學(xué)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)，該系統(tǒng)將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)，控制自動(dòng)采集信號(hào)，實(shí)現(xiàn)電廠給水、爐水加藥的自動(dòng)控制，并配置一定裕量以備系統(tǒng)后續(xù)擴(kuò)充。該系統(tǒng)也可應(yīng)用于化學(xué)加藥系統(tǒng)的在線監(jiān)控。

2 系統(tǒng)組成和控制方案
2．1 系統(tǒng)組成
整個(gè)系統(tǒng)(包括數(shù)據(jù)采集及加藥控制)的上位機(jī)可由一臺(tái)工業(yè)計(jì)算機(jī)(IPC)完成，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理和管理，并與MIS系統(tǒng)等聯(lián)網(wǎng)。圖1為在線監(jiān)控及診斷系統(tǒng)圖。

2．2 控制方案
該系統(tǒng)集中采集分散在各個(gè)現(xiàn)場(chǎng)的化學(xué)儀表和熱工儀表的各種實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，及時(shí)準(zhǔn)確反映機(jī)組運(yùn)行過程中熱力系統(tǒng)水汽質(zhì)量、化學(xué)運(yùn)行工況、給水和爐水加藥自動(dòng)控制及各加藥泵開關(guān)狀況，記錄主要運(yùn)行參數(shù)和事件，按一定時(shí)間問隔存儲(chǔ)，便于趨勢(shì)圖顯示、報(bào)表制作，以及專家診斷、處理意見等采集的數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)從在線分析儀表(pH表)中提取4～20 mA信號(hào)，根據(jù)運(yùn)行工藝參數(shù)進(jìn)行PID運(yùn)算，輸出送變頻器控制加藥泵加藥量實(shí)現(xiàn)加藥自動(dòng)閉環(huán)調(diào)節(jié)。圖2為控制系統(tǒng)流程。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
3．1 上位監(jiān)控部分
該系統(tǒng)的上位監(jiān)控部分由工業(yè)計(jì)算機(jī)完成。監(jiān)控工作人員通過 CRT實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)的運(yùn)行狀況，設(shè)定或修改系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)，同時(shí)通過CRT遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)運(yùn)行。上位機(jī)處理和管理數(shù)據(jù)，并與MIS系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)，并對(duì)控制器進(jìn)行組態(tài)，包括有：控制器網(wǎng)絡(luò)地址、控制器時(shí)間、選擇控制算法、設(shè)定算法參數(shù)、設(shè)定控制量的設(shè)定點(diǎn)、選擇算法輸入、出量通道等。

3．2 下位監(jiān)控部分
考慮到化學(xué)監(jiān)控系統(tǒng)受控規(guī)模較小，且大多數(shù)為模擬量輸入點(diǎn)，故系統(tǒng)下位監(jiān)控部分(I／O模塊)選用目前在工業(yè)控制領(lǐng)域應(yīng)用較普遍的西門子公司的S7-200系列產(chǎn)品。該控制器具有很強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)能力，適合于現(xiàn)場(chǎng)控制。通過選擇不同的I／O模塊l引接收和發(fā)送各種標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，并通過RS-485通訊接口方式與上位工控機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)雙向通訊。控制器為專門設(shè)計(jì)的硬件產(chǎn)品，或直接將控制程序轉(zhuǎn)移到S7-200 系統(tǒng)，以使控制器有更好的硬件支持及更少的硬件故障率，并實(shí)現(xiàn)更多功能。S7-200是基于PC的可獨(dú)立完成數(shù)據(jù)采集與控制的可編程控制器，能在惡劣的工業(yè)環(huán)境中可靠運(yùn)行，還具備通用編程功能，允許運(yùn)行用C或C++等高級(jí)語(yǔ)言編譯的應(yīng)用程序。系統(tǒng)選用的調(diào)節(jié)設(shè)備為進(jìn)口變頻器，通過調(diào)節(jié)加藥泵交流電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制加藥量。該控制系統(tǒng)選用上位機(jī)軟件WinCC+西門子PLC的組合方案。PLC系統(tǒng)通過PorfiBus總線與上位機(jī)WinCC相連接。這種配置的擴(kuò)展性強(qiáng)，開放性好，便于實(shí)現(xiàn)整個(gè)化學(xué)監(jiān)控系統(tǒng)。圖3為爐水監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

3．3 控制器選型
該控制系統(tǒng)CPU模塊自帶數(shù)字量的輸入／輸出，無需單獨(dú)的D／A轉(zhuǎn)換模塊。以西門子的 CPU214作為控制器的核心(CPU模塊)，它具有豐富的指令系統(tǒng)，能夠進(jìn)行各種復(fù)雜的邏輯運(yùn)算和算術(shù)運(yùn)算以及各種函數(shù)運(yùn)算，如信號(hào)標(biāo)度變換、信號(hào)濾波、PID運(yùn)算等。在CPU模塊內(nèi)部，由微處理器通過數(shù)據(jù)總線、地址總線、控制總線以及輔助電路連接存儲(chǔ)器、接口及I/O單元。借助編程器接收鍵入的用戶程序和數(shù)據(jù)；讀取并解釋執(zhí)行用戶程序；按規(guī)定的時(shí)序接收輸入狀態(tài)，刷新輸出狀態(tài)，與外部設(shè)備交換信息；診斷PC的硬件狀態(tài)等。A／D轉(zhuǎn)換模塊選用 EM235，該器件是高速12位模擬量模塊，能在149 ms內(nèi)將模擬量轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的數(shù)字量。輸入電壓信號(hào)或電流信號(hào)。一般來說，pH值表都有4~20mA信號(hào)輸出，因此采用4~20mA標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)輸入。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
4．1 上位機(jī)控制軟件
上位機(jī)采用WinCC系統(tǒng)，WindowsNT32具有的搶先多重任務(wù)的特性，確保對(duì)過程事件的快速反應(yīng)并提供多種防止數(shù)據(jù)丟失的保護(hù)。WinCC是基于WindowsNT32位操作系統(tǒng)，在生產(chǎn)和過程自動(dòng)化中解決可視化和控制任務(wù)的工業(yè)技術(shù)中性系統(tǒng)。它提供了適用于工業(yè)的圖形顯示、消息、歸檔以及報(bào)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(shù)據(jù)使其具有高度的實(shí)用性。
除了這些系統(tǒng)功能外，WinCC還提供開放的界面，用于用戶解決方案。這使得WinCC集成復(fù)雜、廣泛的自動(dòng)控制解決方案成為可能，可集成以O(shè)DBC和SQL方式的歸檔數(shù)據(jù)訪問，以及通過OLE2．0和ActiveX控件的對(duì)象和文檔鏈接。
4．2 下位機(jī)控制軟件
STEP 7-Micro／WIN提供3種編輯器來創(chuàng)建程序：梯形圖(LAD)、語(yǔ)句表(STL)、和功能塊圖(FBD)。用任何一種程序編輯器編寫的程序，都可用另外一種程序編輯器來瀏覽和閱讀，但要遵循一些輸入規(guī)則。STEP 7-Micro／WIN項(xiàng)目窗口為創(chuàng)建控制程序提供了一個(gè)便利的工作空間。工具欄為常用菜單命令的快捷方式提供按鈕；操作欄為訪問STEP 7-Micro／WIN不同的程序組件提供一組圖標(biāo)，指令樹顯示所有項(xiàng)目對(duì)象和創(chuàng)建控制程序所需指令；程序編輯器中包括程序邏輯和局部變量表，可以在局部變量表中為臨時(shí)的局部變量定義符號(hào)名。程序編輯器的底部有子程序和中斷服務(wù)程序的標(biāo)簽。點(diǎn)擊這些標(biāo)簽可以在主程序、子程序和中斷服務(wù)程序之間切換。
4．3下位機(jī)控制軟件編程實(shí)例
4．3．1 采樣信號(hào)軟件濾波
在現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試時(shí)發(fā)現(xiàn)，該系統(tǒng)存在較為嚴(yán)重的信號(hào)干擾問題，通過查找問題并采用硬件隔離等措施均不見成效，由于工期較短、時(shí)間較急，故采用軟件濾波的方法加以處理，這也是工程中常見的處理方式。

4．3．2 比例／積分／微分(PLD)回路控制指令應(yīng)用
PID回路指令(包含比例、積分、微分回路)用來進(jìn)行PID運(yùn)算。S7-200的PID回路未設(shè)置控制方式，只要PID塊有效，就可執(zhí)行PID運(yùn)算。在這種意義上說，PID運(yùn)算存在一種“自動(dòng)”運(yùn)行方式。當(dāng)PID運(yùn)算不被執(zhí)行時(shí)，稱之為“手動(dòng)”方式。同計(jì)數(shù)器指令相似， PID指令有一個(gè)使能位。當(dāng)該使能位檢測(cè)到一個(gè)信號(hào)的正跳變(從0到1)，PID指令執(zhí)行一系列的動(dòng)作，使PID指令從手動(dòng)方式無擾動(dòng)地切換到自動(dòng)方式。為了達(dá)到無擾動(dòng)切換，在轉(zhuǎn)變到自動(dòng)控制前，必須用手動(dòng)方式把當(dāng)前輸出值填入回路表中的Mn欄。

5 結(jié)論
基于西門子S7-200可編程控制器的發(fā)電廠化學(xué)監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程的控制管理，提高設(shè)備運(yùn)行效率和可靠性。該系統(tǒng)已成功應(yīng)用于某4x300 WM發(fā)電機(jī)組。實(shí)踐證明，該系統(tǒng)不僅滿足生產(chǎn)需要，提高化學(xué)監(jiān)控診斷及管理水平，而且為企業(yè)創(chuàng)造更高的經(jīng)濟(jì)效益。