基于S7-200的發(fā)電廠(chǎng)化學(xué)監控系統設計

1 引言
發(fā)電廠(chǎng)化學(xué)監控系統可實(shí)時(shí)自動(dòng)監測火力發(fā)電廠(chǎng)鍋爐給水、鍋爐爐水、蒸汽和凝結水的各項水汽質(zhì)量參數。在連續在線(xiàn)儀表監測的基礎上，提出一種發(fā)電廠(chǎng)化學(xué)監控系統設計，該系統將監測數據傳輸到計算機，控制自動(dòng)采集信號，實(shí)現電廠(chǎng)給水、爐水加藥的自動(dòng)控制，并配置一定裕量以備系統后續擴充。該系統也可應用于化學(xué)加藥系統的在線(xiàn)監控。

2 系統組成和控制方案
2．1 系統組成
整個(gè)系統(包括數據采集及加藥控制)的上位機可由一臺工業(yè)計算機(IPC)完成，實(shí)現數據處理和管理，并與MIS系統等聯(lián)網(wǎng)。圖1為在線(xiàn)監控及診斷系統圖。

2．2 控制方案
該系統集中采集分散在各個(gè)現場(chǎng)的化學(xué)儀表和熱工儀表的各種實(shí)時(shí)數據，及時(shí)準確反映機組運行過(guò)程中熱力系統水汽質(zhì)量、化學(xué)運行工況、給水和爐水加藥自動(dòng)控制及各加藥泵開(kāi)關(guān)狀況，記錄主要運行參數和事件，按一定時(shí)間問(wèn)隔存儲，便于趨勢圖顯示、報表制作，以及專(zhuān)家診斷、處理意見(jiàn)等采集的數據。該系統從在線(xiàn)分析儀表(pH表)中提取4～20 mA信號，根據運行工藝參數進(jìn)行PID運算，輸出送變頻器控制加藥泵加藥量實(shí)現加藥自動(dòng)閉環(huán)調節。圖2為控制系統流程。

3 系統硬件設計
3．1 上位監控部分
該系統的上位監控部分由工業(yè)計算機完成。監控工作人員通過(guò) CRT實(shí)時(shí)監控系統的運行狀況，設定或修改系統的運行參數，同時(shí)通過(guò)CRT遠程控制系統運行。上位機處理和管理數據，并與MIS系統實(shí)現聯(lián)網(wǎng)，并對控制器進(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、設定算法參數、設定控制量的設定點(diǎn)、選擇算法輸入、出量通道等。

3．2 下位監控部分
考慮到化學(xué)監控系統受控規模較小，且大多數為模擬量輸入點(diǎn)，故系統下位監控部分(I／O模塊)選用目前在工業(yè)控制領(lǐng)域應用較普遍的西門(mén)子公司的S7-200系列產(chǎn)品。該控制器具有很強的環(huán)境適應能力，適合于現場(chǎng)控制。通過(guò)選擇不同的I／O模塊l引接收和發(fā)送各種標準信號，并通過(guò)RS-485通訊接口方式與上位工控機實(shí)現數據雙向通訊?？刂破鳛閷?zhuān)門(mén)設計的硬件產(chǎn)品，或直接將控制程序轉移到S7-200 系統，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)現更多功能。S7-200是基于PC的可獨立完成數據采集與控制的可編程控制器，能在惡劣的工業(yè)環(huán)境中可靠運行，還具備通用編程功能，允許運行用C或C++等高級語(yǔ)言編譯的應用程序。系統選用的調節設備為進(jìn)口變頻器，通過(guò)調節加藥泵交流電機的轉速控制加藥量。該控制系統選用上位機軟件WinCC+西門(mén)子PLC的組合方案。PLC系統通過(guò)PorfiBus總線(xiàn)與上位機WinCC相連接。這種配置的擴展性強，開(kāi)放性好，便于實(shí)現整個(gè)化學(xué)監控系統。圖3為爐水監控系統結構。

3．3 控制器選型
該控制系統CPU模塊自帶數字量的輸入／輸出，無(wú)需單獨的D／A轉換模塊。以西門(mén)子的 CPU214作為控制器的核心(CPU模塊)，它具有豐富的指令系統，能夠進(jìn)行各種復雜的邏輯運算和算術(shù)運算以及各種函數運算，如信號標度變換、信號濾波、PID運算等。在CPU模塊內部，由微處理器通過(guò)數據總線(xiàn)、地址總線(xiàn)、控制總線(xiàn)以及輔助電路連接存儲器、接口及I/O單元。借助編程器接收鍵入的用戶(hù)程序和數據；讀取并解釋執行用戶(hù)程序；按規定的時(shí)序接收輸入狀態(tài)，刷新輸出狀態(tài)，與外部設備交換信息；診斷PC的硬件狀態(tài)等。A／D轉換模塊選用 EM235，該器件是高速12位模擬量模塊，能在149 ms內將模擬量轉換成相應的數字量。輸入電壓信號或電流信號。一般來(lái)說(shuō)，pH值表都有4~20mA信號輸出，因此采用4~20mA標準信號輸入。

4 系統軟件設計
4．1 上位機控制軟件
上位機采用WinCC系統，WindowsNT32具有的搶先多重任務(wù)的特性，確保對過(guò)程事件的快速反應并提供多種防止數據丟失的保護。WinCC是基于WindowsNT32位操作系統，在生產(chǎn)和過(guò)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。它提供了適用于工業(yè)的圖形顯示、消息、歸檔以及報表的功能模塊。高性能的過(guò)程耦合、快速的畫(huà)面更新、以及可靠的數據使其具有高度的實(shí)用性。
除了這些系統功能外，WinCC還提供開(kāi)放的界面，用于用戶(hù)解決方案。這使得WinCC集成復雜、廣泛的自動(dòng)控制解決方案成為可能，可集成以ODBC和SQL方式的歸檔數據訪(fǎng)問(wèn)，以及通過(guò)OLE2．0和ActiveX控件的對象和文檔鏈接。
4．2 下位機控制軟件
STEP 7-Micro／WIN提供3種編輯器來(lái)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(xiě)的程序，都可用另外一種程序編輯器來(lái)瀏覽和閱讀，但要遵循一些輸入規則。STEP 7-Micro／WIN項目窗口為創(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(fǎng)問(wèn)STEP 7-Micro／WIN不同的程序組件提供一組圖標，指令樹(shù)顯示所有項目對象和創(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名。程序編輯器的底部有子程序和中斷服務(wù)程序的標簽。點(diǎn)擊這些標簽可以在主程序、子程序和中斷服務(wù)程序之間切換。
4．3下位機控制軟件編程實(shí)例
4．3．1 采樣信號軟件濾波
在現場(chǎng)調試時(shí)發(fā)現，該系統存在較為嚴重的信號干擾問(wèn)題，通過(guò)查找問(wèn)題并采用硬件隔離等措施均不見(jiàn)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(jiàn)的處理方式。

4．3．2 比例／積分／微分(PLD)回路控制指令應用
PID回路指令(包含比例、積分、微分回路)用來(lái)進(jìn)行PID運算。S7-200的PID回路未設置控制方式，只要PID塊有效，就可執行PID運算。在這種意義上說(shuō)，PID運算存在一種“自動(dòng)”運行方式。當PID運算不被執行時(shí)，稱(chēng)之為“手動(dòng)”方式。同計數器指令相似， PID指令有一個(gè)使能位。當該使能位檢測到一個(gè)信號的正跳變(從0到1)，PID指令執行一系列的動(dòng)作，使PID指令從手動(dòng)方式無(wú)擾動(dòng)地切換到自動(dòng)方式。為了達到無(wú)擾動(dòng)切換，在轉變到自動(dòng)控制前，必須用手動(dòng)方式把當前輸出值填入回路表中的Mn欄。

5 結論
基于西門(mén)子S7-200可編程控制器的發(fā)電廠(chǎng)化學(xué)監控系統應用計算機網(wǎng)絡(luò )技術(shù)，實(shí)現生產(chǎn)過(guò)程的控制管理，提高設備運行效率和可靠性。該系統已成功應用于某4x300 WM發(fā)電機組。實(shí)踐證明，該系統不僅滿(mǎn)足生產(chǎn)需要，提高化學(xué)監控診斷及管理水平，而且為企業(yè)創(chuàng )造更高的經(jīng)濟效益。