PLC在铁岭电厂化学水混床控制系统中的应用

PLC 在铁岭电厂化学水混床控制系统中的应用 1 第一章 引言 1 1 课题背景及选题意义 本文是以我的导师李玉杰高级工程师对铁岭电厂化学水处理系统的改造为背景 论 述了电厂水处理的自动控制系统设计和基于工控组态软件的计算机监控系统的设计 能源是发展社会生产和提高人民生活水平的重要物质基础 在国民经济发展中占有 先决的地位 电能便于集中 分散 传输 控制和转换成其他形式的能源 因此 电能 的使用已遍及国民经济及人民生活的各个领域 成为现代社会的必需品 成为经济发展 的 先行工业 成为国家发达的 生命线 电力工业的发展程度已成为一个国家经济和文 化发达程度的重要标志 保证供给充足的电力 成为各个地区 各个国家发展经济的先 决环境条件 随着经济的日益发展 用电量迅速增大 据统计 从 1920 年以来 世界上 发电设备容量和年民电量一直以大约 10 年增加 1 倍的速度发展 我国电力工业发展迅速 至 1999 年底装机容量已达约 2 8 亿 KW 年发电量约 1 2 万亿 KW 以火力发电为主 约 占全国电厂的 70 左右 近两年 由于全国经济的快速发展 电力需求加大 致使许多 地区出现了电力供应紧张的局面 因此全国开始了电力建设的步伐 由于水在火力发电厂的生产过程中 既担负着传递能量的重要作用 同时又担负着 冷却介质的作用 因此在发电过程中 水处理占有重要地位 但是由于当前全球水资源 匮乏 特别是我国的水资源人均占有量更是低于全球平均水平 水资源十分匮乏 而火 电厂又是一个耗水大户 因此对于水资源的合理利用及分配十分重要 所以有必要设计 开发一种先进的控制系统 从硬件和软件入手 实现电厂的自动化 以保证电厂经济 安全地运行 达到节水的目的 同时由于火电厂中各发电机组的水处理装置多而分散 不便准确操作 很有必要设计开发一种监控系统 对各水处理装置进行监控 既减少了 操作人员的工作量 又提高了电厂的自动化水平 这就使得电厂的水处理系统采用计算 机控制成为一种必然的趋势 1 2 化学水顺序控制的发展现状 先前化学水系统广泛采用的控制方式是模拟盘程控方式 即在模拟盘上启停操作自 沈阳工业大学毕业设计 2 动程序和半自动程序 操作和显示现场设备 化学水系统中有多点过程参数需要监视和 运行记录 先前都采用常规模拟仪表监视状态 监测精度和可靠性很难满足要求 而且随着水处理设备投入使用的时间加长 现场设备 控制设备和模拟盘表计都会有不 同程度的老化 加上控制方式落后 工艺参数的控制只能靠手动进行调整 很难时刻准 确地保证化学水处理的质量 某种程度上会影响机组的经济运行 自动化设备的更新换代 计算机网络技术的普及使用 给工业控制领域的监视控制 手段带来了革命性的变化 由分散控制系统或通用工业 PC 机和可编程序控制器组成的工 业自动化网络以其成熟的网络技术和功能多样化地控制性能被工业各行业所采用 可编 程控制器由于抗干扰能力强 可靠性高 编程简单 性能价格比高 在工业控制领域得 到越来越广泛的应用 目前国内化学水系统都在不同程度的采用 PLC 实现工业过程顺 序控制经历 20 余年的发展 该技术已相当成熟 它的网络化应用也在不同程度被广泛推 广 可以说为工业现场提高控制水平 改善监控环境 安全增效节能起到了不可估量的 作用 该类系统可以实现下列功能 工业控制机作为中央控制单元 配有组态软件 选 用大屏幕实时监视界面 实现各控制点的动态显示 数据修改 故障诊断 自动报警 还可显示查询历史事件记录 系统各主要部件累计运行时间 各装置工艺流程图等 由 于 PLC 对现场进行实时监控具有很高的可靠性 且编程简单 灵活 因此越来越受到人 们的重视 所以铁岭电厂的化学水控制系统的改造采用 PLC 控制系统来处理 1 3 本设计主要内容 本设计完成的主要内容是 根据控制系统的要求 提出具体的控制方案 本人所设 计的是补给水处理设备中混床的控制方案 包括硬件选择和软件开发 在硬件系统中 主要采用工业控制计算机和可编程控制器 PLC 组成的网络结构 其 性能可靠 抗干扰能力强 可以减少开发工作的环节和更好地适应工业控制的要求 在软件开发中 本文采用的是西门子公司的 S7 200 完成对下位机 PLC 的程序控制 上位机监控系统的开发软件采用的是国产的紫金桥软件 该监控系统对电厂水处理设备的运行状态及参数进行实时监控 实时诊断及分析参 数的变化趋势 对各设备实施正确快速控制 从而提高了控制系统中设备运行的经济性 可靠性和安全性 明显降低了运行成本 提高了电厂自动化水平 PLC 在铁岭电厂化学水混床控制系统中的应用 3 第二章 化学水顺序控制系统简介 2 1 火电厂化学水处理工艺简介 火力发电厂的生产过程 是一个能量转化的过程 它是利用燃料 煤 石油或天然 气等 所蕴藏的化学能 通过燃烧变成热能传给锅炉中的水 使水转变成为具有一定压 力和温度的蒸汽 导入汽轮机 在汽轮机中 蒸汽膨胀做功 将热能转变为机械能 推 动汽轮机转子旋转 汽轮机转子带动发电机转子一起高速旋转 将机械能变为电能送至 电网 所以 在火力发电厂的生产过程中 水担负着传递能量的重要作用 另外 水在 火力发电厂的生产过程中 也担负着冷却介质的作用 用以冷却汽轮机排出的蒸汽 冷 却转动机械设备的轴瓦等等 长期的实践使人们认识到 火力发电厂热力系统中水 汽质量的好与坏 是影响火 力发电厂热力设备 锅炉 汽轮机等 安全 经济运行的重要的因素之一 没有经过净 化处理的天然水含有许多杂质 这种水是不允许进入汽循环系统的 为了保证热力系统 中有良好的水质 必须对天然水进行适当的净化处理和严格的监督水 汽循环系统中的 水 汽质量 否则 就会引起下列危害 热力设备结垢 热力设备腐蚀 过热器和汽轮 机积盐等 火力发电厂的水处理工作 就是为了保证热力系统各部分有良好的水 汽品质 以 防止热力设备的结垢 积盐 和腐蚀 因此 在火力发电厂中 水处理工作对保证发电 厂的安全 经济运行具有十分重要的意义 火电厂化学水处理工艺主要分为预处理 化学除盐系统 酸碱系统和中和系统四个部 分 2 1 1 预处理 一般天然水中含有较多的悬浮物和胶体物质 如不首先除去 将会影响后阶段的锅 炉水处理效果 例如进入离子交换器 将污染树脂 降低其交换容量 甚至影响出水质 量 含有悬浮物和胶体物质的水如直接进入锅炉 易使锅内结泥垢 堵塞管道阀门等 若水中含有有机物的胶体 进入锅炉则易使锅水起泡 从而恶化蒸汽品质 也有的原水 中硬度含量很高 如直接进行锅内加药处理或锅外化学处理 不但难以使水质达到国家 标准 而且很不经济 因此在电厂水处理工艺中 应首先除去悬浮物和胶体物质 使水 沈阳工业大学毕业设计 4 得到澄清 或者预先除去部分硬度 这就是水预处理的目的 水的预处理工艺流程一般包括 混凝 沉淀 软化 澄清和过滤 由于水源直接取 自较混浊的天然水 因此应首先进行混凝处理 水的混凝处理就是通过加入混凝剂 使 水中细小的悬浮物和胶体颗粒转变为大颗粒状沉淀物而下沉 如在民间生活中常用明矾 来澄清混浊的水 实际上就是一种混凝处理 沉淀软化主要是指将高硬度的水用适当的 沉淀剂 使钙 镁离子转变为难溶化物而沉淀析出 从而降低水中的硬度 这种将杂质 经沉淀后澄清的方法统称为沉淀处理 原水经混凝处理后 虽然其中大部分悬浮物和胶体可以被除去 但仍难免会残留少 量细小的悬浮颗粒 需进一步用过滤的方法除去 水的沉淀软化法就是通过在水中加入化学药剂 使钙 镁离子转变为难溶化物而沉 淀析出 从而降低水中的硬度 针对现场所取原水硬度高 碱度低的特点 采用石灰 纯碱处理方法 在离子交换器中完成 经过混凝预处理的水 虽然看起来浊度不大 但常会残留一些有机物 这对下一步 离子交换水处理时的交换树脂很不利 应尽量除去 活性炭过滤器是以活性炭为滤料 由于活性炭是一种吸附力较强的吸附剂 其过滤作用主要以物理吸附为主 因此该过滤 器可以吸附水中的有机物 用活性炭吸附过滤可以降低水中有机物的含量 2 1 2 化学除盐处理 软化处理仅仅是除掉水中的钙 镁离子 而水中的除盐处理则是除掉水中溶解的盐 类 常用的方法是化学除盐 化学除盐就是应用离子交换反应的原理进行除盐 化学除 盐的工艺过程 是将原水通过 H 型阳离子交换器 也称阳床 和 OH 型阴离子交换器 也称阴床 经过离子交换反应 将水中的阴 阳离子除掉 从而制得高纯水 1 阳床离子交换反应 阳床一般采用强酸性阳离子交换树脂作为交换剂 它只与水中的阳离子发生反应 原水经阳床发生交换反应之后 出水是酸性水 即水中的阳离子几乎都等量转变为氢离 子 阳床失效后 一般是用一定浓度的盐酸或硫酸进行再生 2 阴床离子交换反应 阴床一般采用强碱性阴离子交换树脂作为交换剂 在除盐工艺中 它与阳床出水中 的阴离子发生交换反应 由此可知 经阳 阴床交换后的水 基本是除掉了全部阳 阴 离子 所以 阴床出水是纯度很高的水 3 混和床离子交换反应 混合床简称为混床 它是将阴 阳离子交换树脂放在同一交换器内 直接进行化学 除盐的设备 在混床中 由于阴 阳离子交换树脂是均匀混合的 所以在运行中 水中 PLC 在铁岭电厂化学水混床控制系统中的应用 5 的阴 阳离子几乎是同时发生交换反应 2 1 3 酸碱系统 酸碱系统是指化学除盐系统中各离子交换器再生时所使用的酸碱的贮存和计量设备 酸溶液由自卸式酸槽车或卸酸泵打入高位酸液贮存槽 根据需要通过酸计量箱 喷 射器送入阳床和混床 对失效的阳离子交换树脂进行再生 碱溶液由自卸式碱槽车或卸碱泵打入高位碱液贮存槽 根据需要通过碱计量箱 喷 射器送入阴床和混床 对失效的阳离子交换树脂进行再生 2 1 4 中和系统 由于在本系统采用的是化学除盐工艺 再生已经失效的阳 阴离子交换树脂时 所 用的酸 碱液耗量不可能低于或等于理论量 所以除盐工艺的水处理系统再生过程中就 必定产生大量的酸 碱废水 不经处置的废液就直接排放 会污染水域 影响农作物鱼 类正常生长和危及人民群众的健康 这就必须要进行废酸 碱的处理 以使排放水 PH 值 达到允许排放的标准 酸碱中和系统 也称为加药系统 其工作原理就是设置一个中和池 让阴阳离子交 换器再生所产生的废酸碱排放到中和池中 首先让废酸碱液自行中和 并根据需要 加 入适量的酸碱进行中和 然后排放掉废液 为了加快中和速度 这里设置压缩空气管进 行搅拌 使得加入作调节的酸 或碱 与废液能够混合均匀 互相中和 2 2 化学水控制系统的应用现状 自动化设备的更新换代 计算机网络技术的普及使用 给工业控制领域的监视控制 手段带来了革命性的变化 由分散控制系统或通用工业 PC 机和可编程序控制器组成的工 业自动化网络以其成熟的网络技术和功能多样化地控制性能被工业各行业所采用 可编 程控制器由于抗干扰能力强 可靠性高 编程简单 性能价格比高 在工业控制领域得 到越来越广泛应用 目前国内化学水系统都在不同程度的采用 由于 PLC 对现场进行实 时监控具有很高的可靠性 且编程简单 灵活 因此越来越受到人们的重视 例如吴泾 电厂的补水 凝结水就采用莫迪康 984PLC 公共系统采用莫迪康 PLC 而上位机画面则 采用 FIX 平面图形 各控制站之间用光纤以太网连接 这就构成了主控室集中监控系统 外高桥电厂下位机采用 AB 的双机热备系统 画面采用 INTOUCH 立体图形 这也构成了 沈阳工业大学毕业设计 6 监控系统 元宝山发电厂也采用集控室监控系统 模拟量都进 PLC 集控室上位机操作 从以上实例可以看出通用工业 PC 机和可编程序控制器组成的工业自动化网络已经广泛应 用于火电厂的化学水控制系统 目前铁岭电厂 1 2 3 4 号机公用同一套化学制水系统 该程控系统是在 90 年 代初期由上海国际程控公司和西安热工成套所设计生产的 控制设备采用日本 OMRON 公司的可编程序控制器 补给水系统的控制方式为模拟盘程控方式 即在模拟盘上启停操作自动程序和半自 动程序 操作和显示现场设备 凝结水系统控制方式为模拟盘程控方式和模拟盘一对一手动方式操作及显示现场设 备 由于历史原因 凝结水程控一直没有投入自动 而处于模拟盘一对一手动控制方式 运行 化学水系统中有多点过程参数需要监视和运行记录 目前都采用常规模拟仪表监视 状态 监测精度和可靠性很难满足要求 由于该系统自投入使用到目前已有十余年时间 现场设备 控制设备和模拟盘表计 有不同程度老化 加上控制方式落后 工艺参数的控制只能靠手动进行调整 很难时刻 准确地保证化学水处理的质量 某种程度上会影响机组的经济运行 该系统主要存在如 下缺点 1 操作手段落后 2 程控方式单一 灵活性差 自动投入率低 3 模拟量参数显示 记录功能低级 4 系统结构复杂 运行维护量大 5 管理水平低下 由此可见 对该系统进行全面的技术改造是十分必要的 改造之后的铁岭电厂化学 水控制系统也将采用监控系统 这样就提高了控制系统中设备运行的经济性 可靠性和 安全性 明显降低了运行成本 提高了铁岭电厂自动化水平 2 3 铁岭电厂化学水处理系统构成 下面以铁岭电厂的化学补给水为例来介绍铁岭电厂的化学水处理系统 PLC 在铁岭电厂化学水混床控制系统中的应用 7 高效过滤器清水箱清水泵 阳床 活性炭过滤器 除碳器中间水泵阴床混床 除盐水箱除盐水泵 酸 碱贮存系统再生装置中和系统 原水 主厂房 预处理 除盐系统 酸碱系统 图 2 1 铁岭电厂补给水处理系统图 如图 2 1 所示 铁岭电厂补给水系统工艺流程为 原水经过清水箱 清水泵 高效 过滤器 活性碳过滤器 阳床 除碳器 中间水泵 阴床 混床 除盐水箱 除盐水泵 主厂房 辅助设备包括生水加药 酸碱部分 压缩空气系统及中和池 铁岭发电厂补 给水处理系统由 5 台活性碳过滤器 4 台高效过滤器 三套阴阳床 每套有一个阴床 一 个阳床及一个公用除碳器 六台中间水泵 三台混床 二套中和池 三套酸碱计量系统 组成 沈阳工业大学毕业设计 8 2 4 铁岭电厂化学水处理计算机监控系统的组成 铁岭电厂化学水处理 计算机监控系统的组成如图 2 2 所示 图 2 2 铁岭电厂化学水处理计算机监控系统 该系统采用 3 台操作站 分别完成生活消防水系统 净水室补给水处理系统 净水室凝 结水系统的监控功能 基本控制站实现上述 3 大部分的控制任务 铁岭电厂 4 300MW 机 组的化学水处理系统分预处理生活消防水 补给水处理和凝结水处理两部分 全部水处 理设备按运行控制要求可划分为四部分 即预处理生活消防水系统 补给水处理系统和中 和池排放系统 凝结水 1 2 机处理系统 3 4 机凝结水处理系统 对应四部分分别设置 四套独立的控制系统 每套控制系统在操作员工作站上分别设有自动 手动切换开关 可 生活水 消防水 操作站 补水 中和池 操作站 凝结水 操作站 工程师站 工业以太网 1 控制 站 2 基本控制站 3 基本控制站 4 基本控制站 生活水 消防水 处理设备 化学补水 处理设备 1 2 凝结水 处理设备 3 4 凝结 水处理设 备 汽水化验 站操作站 1 2 汽水 化验站 3 4 汽水 化验站 PLC 在铁岭电厂化学水混床控制系统中的应用 9 使控制系统中的设备处于手动控制方式和自动控制方式 汽水化验系统仅进行监视 补给水处理是处理锅炉运行中的补充水 本文所研究的就是铁岭电厂补给水处理系 统 补给水处理系统中的监控对象主要有 清水箱 清水泵 高效过滤器 四台 活性 碳过滤器 五台 阳浮床 三台 除碳器 三台 中间水泵 六台 阴浮床 三台 混床 三台 除盐水箱 三台 除盐水泵 三台 及其酸碱箱等 本文所研究的是混 床的监控系统的设计和开发 本系统的工作原理是 现场设备的运行状态 阀门的开关状态及工艺参数 如 液 位 压力 流量 温度等 等信号经双绞线直接进入 PLC PLC 再与操作员站进行数据 交换 获取现场设备的数据 上位机监控画面上即可显示现场各设备的状态 操作人员 根据这些状态参数 通过鼠标和键盘就可控制现场设备 PLC 接收到这些指令后 再综 合输入信号 按预先编制好的程序进行逻辑运算 将结果送往输出模块 通过各输出点 信号即可控制现场设备 通过与 PLC 的数据交换 上位监控站可显示整个工艺系统的运 行状态 包括各测点参数的变化 阀门及电动机的状态 且能实时进行语音报警并生成 报警记录 从而使操作员在控制室内就可清楚地知道现场工艺系统运行状态及报警状态 通过操作员站监控现场每一设备 不必再去现场直接对设备进行一对一硬手操 减少了 操作员的工作量 实现了方便可靠的控制室集中监控 该控制系一共分为生活水 消防水 处理设备 化学补给水处理设备 1 2 凝结水处理 3 4 凝结水处理设备四个子系统 每个子系统都是一套独立的 PLC 控制系统 系统的所有控制程序都储存在 PLC 的存储器 中 由 CPU 控制程序运行 重要的运行参数都存储在存储器中 上位工程师站 操作员站 及上层网络通过网络从 PLC 的存储器中读取运行参数 监视其运行状态 当网络发生故 障时 公会造成在上位操作员无法再监控系统 但不会影响各个系统独立的 PLC 中的控 制程序的继续运行 且工艺系统的最新运行参数仍继续存储在 PLC 的存储器中 当网络 恢复正常后 上位操作员站可立即通过网络读取到最新的运行参数 不会造成数据丢失 沈阳工业大学毕业设计 10 第三章 控制设备及软件原理 3 1PLC 原理及使用 随着微处理器 计算机和数字通信技术的飞速发展 计算机控制已经扩展到了几乎 所有的工业领域 当前用于工业控制的计算机可以分为几类 例如可编程序控制器 基 于 PC 总线的工业控制计算机 基于单片机的测控装置 用于模拟量闭环控制的可编程序 调节器 集散控制系统 DCS 和现场总线控制系统 FCS 等 现代社会要求制造业对市场需求作出迅速的反应 生产出小批量 多品种 多规格 低成本和高质量的产品 为了满足这一要求 生产设备和自动生产线的控制系统必须具 有极高的可靠性和灵活性 可编程序控制器 Programmable Logic Controller PLC 正是 顺应这一要求出现的 它是微处理器为基础的通用工业控制装置 PLC 的工作原理 PLC 有两种工作模式 即 RUN 模式与 STOP 模式 在 RUN 模式 通过执行反映控制要求的用户程序来实现控制功能 在 STOP 模式 CPU 不执行用户程序 可以用编程软件创建和编辑用户程序 设置 PLC 的硬件功能 并将用户程序和硬件设置信息下载到 PLC PLC 通电后 需要对硬件和软件作一些初始化的工作 为了使 PLC 的输出及时地响 应各种不同的任务 如图 3 1 这种周而复始的循环工作模式称为扫描工作模式 读取输入 执行用户程序 处理通信请求 自诊断检查 改写输出 改写输出 自诊断检查 处理通信请求 读取输入 RUN 状态 STOP 状态 图 3 1 PLC 工作原理图 PLC 在铁岭电厂化学水混床控制系统中的应用 11 1 读取输入 在 PLC 的存储器中 设置了一片区域来存放输入信号和输出信号的状态 它们分别 称为输入过程映像寄存器和输出过程映像寄存器 在读取输入阶段 PLC 把所有外部数 字量输入电路的 1 0 状态读入输入过程映像寄存器 外部电路闭合时 输入为 1 状态 断开时 为 0 状态 2 执行用户程序 PLC 的用户程序由若干条指令组成 指令在存储器中按顺序排列 在 RUN 工作模式 的程序执行阶段 在没有跳转指令时 CPU 从第一条指令开始 逐条顺序地执行用户程 序 在执行指令时 从 I O 映像寄存器或别的位元件的映像寄存器读出其 0 1 状态 并根 据指令的要求执行相应的逻辑运算 运算的结果写入到相应的映像寄存器中 因此 各 映像寄存器 只读的输入过程映像寄存器除外 的内容随着程序的执行而变化 3 通信处理 在通信请示处理阶段 CPU 处理从通信接口和智能模块接收到的信息 例如读取智 能模块的信息并存放在缓冲区中 在适当的时候将信息传给通信请求方 4 CPU 自诊断测试 自诊断测试包括定期检查 CPU 模块的操作和扩展模块的状态是否正常 将监控定时 器复位 以及完成一些别的内部工作 5 改写输出 CPU 执行完用户程序后 将输出过程映像寄存器的 0 1 状态传送到输出模块并锁存起 来 梯形图中某一输出位的线圈 通电 时 对应的输出过程映像寄存器为 1 状态 信号经 输出模块隔离和功率放大后 继电器型输出模块中对应的硬件继电器的线圈通电 其常 开触点闭合 使外部负载通电工作 若梯形图中输出点的线圈是 断电 对应的输出过程 映像寄存器中存放的二进制数为 0 将它送到继电器型输出模块 对应的硬件继电器的线 圈断电 其常开触点断开 外部负载断电 停止工作 3 1 1 PLC 概述 可编程序控制器是一种数字运算操作的电子系统 专为在工业环境下应用而设计 它采用可编程序的存储器 用来在其内部存储执行逻辑运算 顺序控制 定时 计数和 算术运算等操作的指令 并通过数字式 模拟式的输入和输出 控制各种类型的机械或 生产过程 可编程序控制器及其有关设备 都应按易于使工业控制系统形成一个整体 易于扩充其功能的原则设计 PLC 有以下几个特点 1 编程方法简单易学 沈阳工业大学毕业设计 12 2 功能强 性能价格比高 3 硬件配套齐全 用户使用方便 适应性强 4 可靠性高 抗干扰能力强 5 系统的设计 安装 调试工作量少 6 维修工作量少 维修方便 7 体积小 能耗低 PLC 的应用面广 功能强大 使用方便 是当代工业自动化的主要设备之一 PLC 已经广泛地应用在各种机械设备和生产过程的自动控制系统中 PLC 在其他领域 例如 民用和家庭自动化的应用也得到了迅速的发展 在发达的工业国家 PLC 已经广泛地应用在所有的工业部门 随着其性能价格比的不 断提高 应用范围不断扩大 主要有以下几个方面 1 数字量逻辑控制 2 运动控制 3 闭环过程控制 4 数据处理 5 通信联网 3 1 2PLC 的硬件组成 根据硬件结构的不同 可以将 PLC 分为整体式 模块式和混合式 1 整体式 PLC 整体式又叫做单元式或箱体式 它的体积小 价格低 小型 PLC 一般采用整体式结 构 整体式 PLC 将 CPU 模块 I O 模块和电源装在一个箱形机壳内 S7 200 称为 CPU 模 块 S7 200 系列 PLC 提供多种具有不同 I O 点数的 CPU 模块和数字量 模拟量 I O 扩展 模块供用户选用 整体式 PLC 还配备有许多专用的特殊功能模块 例如模拟量输入 输出 模块 热电偶 热电阻模块和通信模块 使 PLC 的功能等到扩展 2 模块式 PLC 大 中型 PLC 一般采用模块式结构 它由机架和模块组成 模块插在模块插座上 后者焊在机架中的总线连接板上 有不同槽数的机架供用户选用 如果一个机架容纳不 下选用的模块 可以增设一个或数个扩展机架 各机架之间用接口模块和电缆相连 3 1 3 PLC 的软件编程方法 与个人计算机相比 PLC 的硬件 软件的体系结构都是封闭的而不是开放的 PLC PLC 在铁岭电厂化学水混床控制系统中的应用 13 的编程语言的表达方式有 1 顺序功能图 2 梯形图 3 功能块图 4 指令表 5 结构文本 1 顺序功能图 这是一种位于其他编程语言这上的图形语言 用来编制顺序控制程序 顺序功能图 提供了一种组织程序的图形方法 在顺序功能图中可以用别的语言编程 步 转换和动 作是顺序功能图中的三种主要元件 可以用顺序功能图来描述系统的功能 根据它可以 很容易地画出梯形图程序 2 梯形图 梯形图是使用是最多的 PLC 图形编程语言 梯形图与继电器控制系统的电路图很相 似 具有直观易懂的优点 很容易被工厂熟悉继电器控制的电气人员掌握 特别适用于 数字量逻辑控制 有时把梯形图称为电路或程序 梯形图由触点 线圈和用方框表示的 功能块组成 触点代表逻辑输入条件 例如外部的开关 按钮和内部条件等 线圈通常 代表逻辑输出结果 用来控制外部的指示灯 交流接触器和内部的输出条件等 功能块 用来表示定时器 计时器或者数字运算等附加指令 使用编程软件可以直接生成和编辑 梯形图 并将它下载到 PLC 3 功能块图 这是一种类似于数字逻辑门电路的编程语言 有数字电路基础的人很容易掌握 该 编程语言用类似与门 或门的方框来表示逻辑运算关系 方框的左侧为逻辑运算的输入 变量 右侧为输出变量 输入 输出端的小圆圈表示 非 运算 方框被 导线 连接在一起 信号自左向右流动 4 语句表 S7 系列 PLC 将指令表称为语句表 PLC 的指令是一种与微机的汇编语言中的指令相 似的助记符表达式 由指令组成的程序叫做指令表程序或语句表程序 5 结构文本 结构文本是为 IEC61131 3 标准创建的一种专用的高级编程语言 与梯形图相比 它 能实现复杂的数学运算 编写的程序非常简洁和紧凑 沈阳工业大学毕业设计 14 3 2 监控软件构成及功能 无论是美国 Wonderware 公司推出的世界上第一个工控组态软件 Intouch 还是现在的各 类组态软件 从总体结构上看一般都是由系统开发环境 或称组态环境 与系统运行环境两 大部分组成 系统开发环境是自动化工程设计师为实施其控制方案 在组态软件的支持 下进行应用程序的系统生成工作所必须依赖的工作环境 通过建立一系列用户数据文件 生成最终的图形目标应用系统 供系统运行环境运行时使用 系统运行环境是将目标应 用程序装入计算机内存并投入实时运行时使用的 是直接针对现场操作使用的 系统开发 环境和系统运行环境之间的联系纽带是实时数据库 它们三者之间的关系如图 3 2 所示 图 3 2 监控软件的构成 在软件领域内 监控软件是指操作人员根据应用对象及控制任务的要求 配置 包括对 象的定义 制作和编辑 对象状态特征属性参数的设定等 用户应用软件的过程 也就是把 监控软件视为 应用程序生成器 从应用角度讲组态软件是完成系统硬件与软件沟通 建 立现场与监控层沟通的人机界面的软件平台 它们是在自动控制系统监控层一级的软件 平台和开发环境 上位机监控画面上可显示现场各设备的状态 操作人员根据这些状态 参数 通过鼠标和键盘就可控制现场设备 上位监控站还有显示整个工艺系统的运行状 态 且能实时进行语音报警并生成报警记录 从而使操作员在控制室内就可清楚地知道 现场工艺系统运行状态及报警状态 通过操作员站监控现场每一设备 不必再去现场直 接对设备进行一对一硬手操 减少了操作员的工作量 实现了方便可靠的控制室集中监 控 PLC 在铁岭电厂化学水混床控制系统中的应用 15 3 2 1 监控软件的用途及种类 从应用角度讲组态软件是完成系统硬件与软件沟通 建立现场与监控层沟通的人机 界面的软件平台 它的应用领域不仅仅局限于工业自动化领域 而工业控制领域是组态软 件应用的重要阵地 伴随着集散型控制系统 DCS Distributed Control System 的出现监控 软件已引入工业控制系统 在工业过程控制系统中存在着两大类可变因素 一是操作人员 需求的变化 二是被控对象状态的变化及被控对象所用硬件的变化 而组态软件正是在保 持软件平台执行代码不变的基础上通过改变软件配置信息 包括图形文件 硬件配置文件 实时数据库等 适应两大不同系统对两大因素的要求 构建新的监控系统的平台软件 以 这种方式构建系统既提高了系统的成套速度 又保证了系统软件的成熟性和可靠性 使用起 来方便灵活 而且便于修改和维护 现在 组态软件已被广泛用于控制对象明确的工厂 纺织 机械等行业 被组态软件的优良特性所吸引 电力部门也已将引入以电量的监测 与控制为主的发电厂和变电站等实时监控系统中 根据本课题的实际情况选用的是紫金 桥软件 因此 采用先进的网络控制技术 实现所有外围系统集中控制 不仅可以在很多方 面解决系统设计和设备存在的问题 而且将为构建统一的企业网 实现管控一体化创造 一个良好的基础 3 2 2 紫金桥软件的功能及基本使用方法 紫金桥监控组态软件是在长期的科研和工程实践中开发的通用工业监控组态软件 以其可靠性 方便性和强大的功能得到用户的高度评价 已经广泛应用于石化 冶金 制药 建材 轻工 环保 电力等多个行业的工业自动化 过程控制 管理监测 远程 监视 远程诊断 企业管理 资源计划等系统 紫金桥软件的基本功能是数据通讯 数据管理 数据交互 具体的说 数据通讯就是从现场获取数据并将它们加工成可利用形式的基本功能 向把需要控 制的信号通过计算机直接发送到现场的执行机构 这样就建立了控制软件所需的双向连 接 数据管理就是根据用户的需要 对数据进行更深层次的加工 如量程变换 报警 统计 分析等 数据交互就是根据不同用户的需求 把数据以不同的形式提交给用户以实现交互 如现场操作工需要监控 管理人员需要数据报表 工艺工程师要对数据进行分析等 紫 金桥为不同的用户提供了多种交互手段 沈阳工业大学毕业设计 16 第四章 铁岭电厂化学水混床计算机监控系统设计 4 1 铁岭电厂化学水混床作用及工艺构成 化学水混床系统的自动化是对离子交换树脂工艺过程及设备进行自动化控制 完成 化学补给水的二次除盐功能 使之安全 可靠 高效地运行 达到系统设计的要求 铁岭电厂的化学水混床系统工艺包括混床除盐装置的投运 停止和再生程序 自动 加酸 加碱程序 自动 半自动启动另一串处理装置程序等 其中再生程序包括排水底位 树脂擦洗 反洗 静置 进酸 进碱 酸 碱置换 正洗 排水低位 混脂 混床充水 最 后清洗 备用等 PLC 在铁岭电厂化学水混床控制系统中的应用 17 4 2 铁岭电厂化学水混床控制步序 铁岭电厂化学水混床程序框图如图 4 1 所示 图 4 1 混床步序框图 树脂擦洗 反洗 静置 静置 进进碱 最后清洗 进酸 进碱 酸 碱置换 正洗 排水低位 混脂 混床充水 混床充水 再循环 1 失效 1 运行 2 失效 2 运行 1 再生2 再生 3 失效 3 运行 3 再生 再循环再循环 1 备用2 备用3 备用 排水低位 沈阳工业大学毕业设计 18 每步程序的操作对应控制的被控设备如表 4 1 所示 可以按如下操作流程在操作员工 作站进行操作 也可以靠自动装置实现自动控制 由手动 自动开关选择 表 4 1 混床的操作步骤 程 名 序 序 号 称 停 止 混 床 预 清 洗 混 床 运 行 混 床 再 生 树 脂 擦 洗 静 置 进 酸 碱 酸 碱 置 换 反 洗 排 水 低 位 混 脂 混 床 充 水 最 后 清 洗 1混床入口门 2混床出口门 3混床酸入口门 4混床碱入口门 5导电度取样门 6混床正洗入口门 7混床正排门 8反洗入口门 9反洗出口门 10进风门 11混床中排门 12混床进排气门 13混床固定水位门 混床酸计量箱入口门 混床酸计量箱出口门 混床碱计量箱入口门 混床碱计量箱出口门 自用水泵 混床再生酸泵 混床再生碱泵 除碳风机 净水室增压机 时间整定 分 天10 510 15 60 654015 3610 PLC 在铁岭电厂化学水混床控制系统中的应用 19 4 3 铁岭电厂化学水混床功能说明 流量 T H 30 48 53213 153230100 沈阳工业大学毕业设计 20 铁岭电厂的化学水混床系统的自动化控制系统是以微处理器为基础的可编程序控制 器 PLC 为核心 进行顺序逻辑控制 程序控制应包括混床除盐装置的投运 停止和再 生程序 自动加酸 加碱程序 自动 半自动启动另一串处理装置程序等 对于程序控制要 设置必要的分步操作 成组操作或单独操作功能 设有必要的步骤时间和状态指示 以 及必须的选择和闭锁功能 采用 CRT 操作站为主进行监视控制 CRT 屏幕应能显示及控 制流程 测量参数及所有被控对象的状态及成组参数 PLC 在铁岭电厂化学水混床控制系统中的应用 21 第五章 铁岭电厂化学水混床计算机监控系统的软件设计 5 1 监控软件设计 上位机监控画面的开发是采用国产的紫金桥软件 在操作员工作站中建立工艺流程 画面 实时动态显示系统的运行状态 各类重要参数及报警信号 在进行监视画面设计 时 充分考虑国家标准 部颁标准及现场操作人员的习惯等因素 力求画面的准确 直 观和美观 例如在画面中用不同颜色区分不同工质 同种颜色的深浅区分处理前后水质 变化 如附录 A1 1 所示 图中所画的是补给水处理系统工艺流程画 在工艺流程画面中 应包含下列要素 1 仪表测量值的显示 将系统中一些重要的仪表测量值送入模拟量输入模件中 操作员站通过与基本控制 站的通讯获取这些数据 并在工艺流程画面中进行显示 2 设备运行状态的监视 基本控制站将系统中主要设备的运行状态送入操作员工作站 在操作员工作的工艺 流程画面中可以对这些设备的运行状态进行监视 例如在锅炉补水处理系统工艺流程画 面中可监视到各机械过滤器 除盐系列 混床等设备的运行情况 3 报警信号的显示 在操作员工作站中建立与系统的安全运行密切相关的各种报警信号的显示画面 在 画面中应包括以下几种类型的报警信息 运行参数的越限报警 单元运行终点的报警 阀门故障报警 转动极限机械故障报警等 通过操作员工作站的报警显示画面 可以方 便 直观的对报警情况进行监视 3 控制功能 操作员工作站的控制功能包括 1 软手动操作 在操作员工作站中建立软手动操作画面 操作人员可以通过软手操画面对就地设备 进行手动操作 所有设备操作均以窗口的方式实现 与监视画面分开 在设备符号上单 击 将弹出操作窗口 窗口内包括该设备所有可选状态 供操作人员选择 操作窗口弹 出后 可以方便地在窗口内对设备的参数进行修改或改变设备的运行状态 所进行的任 何操作均在确认后方可生效 在远控手动方式下操作员启停电动机 开关阀门及其它设备时 CRT 画面提供操作 指导 现场设备故障 影响程控继续进行时 在满足相关约束下 运行人员干预可进行 沈阳工业大学毕业设计 22 跳步操作 设备处于就地操作方式时 上位机操作无效 2 自动 步进 手动状态的显示及转换操作 系统具有自动 步进 手动三种操作方式 其中的步进方式仅是对自动方式的一种特殊 处理 通过操作员工作站的控制操作画面可以在这三种方式之间进行切换 并且能够保 证切换过程是无扰的 3 记录及报表功能 记录功能是指将生产中需要记录的参数和设备的操作及运行情况形成记录文件存于操 作员工作站中 以便将来进行事故分析和形成报表时使用 需要记录的信息主要包括 主要模拟量参数的测量值 设备运行状态的记录 转动机械的启停记录 系统的运行记 录等 报表功能是指采用通用的报表生成软件 提供强有力的报表功能 通过实时数据 库与报表软件之间的数据交换 完成定时自动打印报表功能 打印周期可为每班 日 月等 也可以即时打印 4 统计功能 实现对现场设备运行参数的自动统计分析 5 安全功能 分别设定操作员和系统员的进入口令 在运行环境下 应屏蔽所有热键 从而锁 定系统自由进出 系统受电后自动恢复运行状态 设定操作站的优先级来保证控制室 内操作站与现场人机接口同时操作的安全性 5 2 PLC 梯形图程序设计 如图 4 1 所示 图中显示的是混床的步序框图 如附录 A1 5 所示 图中的梯形图是 与混床的步序框图一一对应的 它既完成了 PLC 与上位机之间的通信 也完成了 PLC 对 现场设备的步序控制 混床的步序框图显示在上位机的监控画面上 当操作员点击某一 个步序的时候 就相当于给 PLC 输入了一个信号 PLC 就完成相应的动作 即反映出系 统所处的状态 此程序的 I O 表如附录 A1 2 附录 A1 3 所示 铁岭电厂共有三套混床设备 所以本文共有三套程序设计图 1 2 和 3 混床程序 设计图 三套混床的程序设计图基本一致 只不过 I O 点设置不同而已 三套混床的程序 设计如附录 A1 5 附录 A1 6 附录 A1 7 所示 再生程序设计如附录 A1 8 所示 结论 PLC 在铁岭电厂化学水混床控制系统中的应用 23 本文是一篇应用基础性论文 主要以铁岭电厂的化学水处理系统的改造为例 论述 了电厂水处理的自动控制系统和上位监控软件的设计 期间主要完成了以下的工作 1 对电厂水处理的工艺流程进行了分析 主要论述了预处理 除盐系统 酸碱系 统和中和系统的原理 构成及作用 2 对西门子公司的 S7 200 编程软件作了详细的介绍 包括原理 硬件和软件的 组成及应用 并设计了混床的 PLC 下位机程序 3 对紫金桥上位机监控软件作了详细的介绍 并且通过连点把上位机监控软件和 下位机 PLC 联接起来 实现了对铁岭电厂化学水处理中混床的监控 通过本次设计 我基本了解了工业控制系统中的各个程序步骤 对于控制系统的整 体设计也有了比较全面的了解 致谢 沈阳工业大学毕业设计 24 本次设计是在导师李玉杰高级工程师的悉心指导下完成的 从论文的选题 思路 撰写和最后的定稿 李老师都花费了不少的时间和精力 给予了我最大的指导和帮助 李老师一丝不苟的治学态度以及严于律己 宽以待人的品质 无时无刻不在激励着我 令我终生难忘 使我满怀信心的迎接新的挑战 在此 特向恩师表示深深的敬意和由衷 的感谢 同时我也向我的同学致谢 在本次的设计过程中他们给予了我很大的帮助 最后 敬请各位老师对本论文的缺点和不足之处提出宝贵的意见 PLC 在铁岭电厂化学水混床控制系统中的应用 25 参考文献 1 李本高 工业水处理技术 中国石化出版社 2002 年 2 杨文君 何新玲 采用反渗透 混床系统进行锅炉补给水处理 2001 3 3 马国华 监控组态软件及其应用 清华大学出版社 2001 年 4 王平 刘复玉 PLC 自动控制系统可靠性研究 2001 1 5 郑文波 控制网络技术 清华大学出版社 2001 年 6 雷钟存 工业水处理原理及应用 化学工业出版社 2003 年 7 王有会 火力发电厂化学水处理的自动化控制 2004 1 8 Robinson The Soft Option industrial PLC replication 1997 3 9 陈进生 大型火电厂化学水处理的技术进展与应用探讨 2004 13 10 吴英海 可编程控制器在化学水处理中的应用 2001 4 11 赵玉辉 赵文杰 刘延泉 火电厂化学水处理计算机监控系统 2004 4 12 赵宁 孙小勇 张保平 化学水处理 PLC 监控系统的设计与实现 1999 4 13 林文峰 张文玉 化学水处理综合控制系统 2000 12 14 席爱民 计算机控制系统 高等教育出版社 2001 年 15 胡寿松 自动控制原理 科学出版社 2001 年 16 廖常初 PLC 编程及应用 17 Per Tan Lund An Advanced Distribution Automation System 2001 4 18 陈霞 使用地表水电厂化学水处理增加反渗透系统的探讨 2005 3 19 李珍芳 锅炉化学水处理系统的自动控制技术 2004 4 20 赵二杰 高曙光 宋丰明 化学水处理装置的优化运行及改进措施 2003 2 21 Manfred Bechtel Cost reduction Achieved By automation 2000 9 22 崔春卫 何灿星 王勇 臧宝花 自动控制在化学水处理系统中的应用 2003 6 23 仲朝霞 单连文 马文军 化学水处理微机监控系统的应用研究 2002 9 24 朱瑞敏 秦守印 丁宏超 电厂化学水处理系统在线分析仪表的优化配置 2002 2 25 Robert Muller Latest www technology For Substation Automation 2000 5 26 于海琴 陶若虹 21 世纪高参数机组电厂化学水处理技术发展探讨 2000 8 27 姜晓光 宁建民 微机监控在电厂化学水处理系统中的应用 1999 3 28 Paniel Gaui De coupling Filters For PLC Applications 2001 8 29 梁首发 李玉杰 电厂化学水处理计算机监控管理系统改造分析 1999 6 沈阳工业大学毕业设计 26 附录 A1 1 化学补给水总图 PLC 在铁岭电厂化学水混床控制系统中的应用 27 附录 A1 2 步序框图 I O 点 序号设备状态I O 点 11 混床运行M0 0 21 混床停止M0 1 31 混床再生M0 2 41 混床再循环状态M10 0 51 混床运行状态M10 1 61 混床失效状态M10 2 71 混床导电度状态M10 3 81 混床再生状态M10 4 91 混床排水底位状态M10 5 101 混床树脂擦洗状态M10 6 111 混床反洗状态M10 7 121 混床静置状态M11 0 131 混床进酸 进碱状态M11 1 141 混床酸 碱转换状态M11 2 151 混床正洗状态M11 3 161 混床排水低位状态M11 4 171 混床混脂状态M11 5 181 混床充水状态M11 6 191 混床最后清洗状态M11 7 201 混床备用状态M12 0 212 混床运行M1 0 222 混床停止M1 1 232 混床再生M1 2 242 混床再循环状态M20 0 252 混床运行状态M20 1 262 混床失效状态M20 2 272 混床导电度状态M20 3 沈阳工业大学毕业设计 28 282 混床再生状态M20 4 292 混床排水底位状态M20 5 302 混床树脂擦洗状态M20 6 312 混床反洗状态M20 7 322 混床静置状态M21 0 332 混床进酸 进碱状态M21 1 342 混床酸 碱转换状态M21 2 352 混床正洗状态M21 3 362 混床排水低位状态M21 4 372 混床混脂状态M21 5 382 混床充水状态M21 6 392 混床最后清洗状态M21 7 403 混床备用状态M22 0 413 混床运行M2 0 423 混床停止M2 1 433 混床再生M2 2 443 混床再循环状态M30 0 453 混床运行状态M30 1 463 混床失效状态M30 2 473 混床导电度状态M30 3 483 混床再生状态M30 4 493 混床排水底位状态M30 5 503 混床树脂擦洗状态M30 6 513 混床反洗状态M30 7 523 混床静置状态M31 0 533 混床进酸 进碱状态M31 1 543 混床酸 碱转换状态M31 2 553 混床正洗状态M31 3 563 混床排水低位状态M31 4 573 混床混脂状态M31 5 583 混床充水状态M31 6 593 混床最后清洗状态M31 7 603 混床备用状态M32 0 PLC 在铁岭电厂化学水混床控制系统中的应用 29 61混床排水底位状态M40 0 62混床树脂擦洗状态M40 1 63混床反洗状态M40 2 64混床静置状态M40 3 65混床进酸 进碱状态M40 4 66混床酸 碱转换状态M40 5 67混床正洗状态M40 6 68混床排水低位状态M40 7 69混床混脂状态M41 0 70混床充水状态M41 1 71混床最后清洗状态M41 2 沈阳工业大学毕业设计 30 附录 A1 3 化学水混床 I O 点 1 号混床入口门开32 00H6801 01Z