摘要：论述以循环水或中水为水源的热电厂化学水处理计算机监控系统的结构、监视控制功能、软件组态功能和特点，解决了化学水处理自动投入困难的问题，保证了电厂用水水质的要求。该化学水处理监控系统技术先进、功能完善、运行可靠，并具有现代化生产管理水平。

关键词：热电厂化学水；监控系统；可编程序控制器

中图分类号：TP277 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2017）07-0024-03

0 引言

化学水处理系统是火电厂的主要辅助系统之一，它与电厂生产过程密切相关，其正常运行是保证机组稳发满发的重要条件，因此如何可靠、有效地对其进行监控十分重要。目前，大型火电厂化学水处理系统大多采用可编程序控制器（PLC）与计算机组成一套监控系统进行控制。由于化学水处理系统设备数量多、操作步骤多、工艺复杂，因此在这种控制模式下，运行人员操作监视不便，系统管理困难。为了提高水处理系统的自动化程度，保证控制精度和制水质量，实现化学水处理系统的计算机监控是很有必要的[1]。为此我们设计出这套化学水处理监控系统，现已完成并成功实施。

1 化学水处理工艺流程简述

该监控系统的工艺系统包括混凝澄清过滤处理系统、微滤/超滤、反渗透、除盐系统、加药系统等的控制。

水处理工艺系统流程如图1所示。

此外，还有为维持上述工艺系统正常运行的加药系统和反洗系统。

此热电厂工程300MW机组化学水处理系统由澄清、过滤、微滤/超滤、反渗透系统及除盐水系统组成。整个工艺系统分化学除盐系统和酸碱再生系统。化学水的处理分过滤、一级除盐和二级除盐三个阶段，除盐原理采用阴阳离子交换法。其处理过程为：水源地来的生水经过滤器除去悬浮物等杂质，再经过阳床（阳离子交换器）除去Ca2+，Mg2+，Na+等阳离子，经除碳风机和中间水箱除去CO2，然后经过阴床（阴离子交换器）除去S042-，HC03-，HSi03-等阴离子，这是一级除盐；然后再通过混床（混合离子交换器）进行二级精除盐，从而得到高品质的除盐水，此时化学水导电度小于0.2us/cm，将此除盐水送入除盐水箱供机炉使用。

2 控制系统的构成

该化学水监控系统是由管理层、控制层、现场层组成的计算机集散控制系统。系统选用施耐德Quantum PLC系列。PLC、操作員站均双机热备，通过以太网卡，交换机组成了扩展性好、通用性强、可靠性高的以太网环路系统。网络结构如图2。

管理层由3台上位监控机、通信系统、网络打印机、UPS电源等组成，其主要功能完成预处理工作站、超滤反渗透工作站、除盐工作站化学水处理系统集中控制与管理。3台上位监控机为1台工程师站和2台操作员站组成互为备用，监视用的CRT为大屏幕彩色显示器。

控制层是自控系统的核心，控制层与管理层通过以太网交换机连接，PLC采用了施耐德Quantum系列具有热备功能的PLC。Quantum Hot Standby是一种工业控制平台，提供适用于各种条件的自动冗余。该系统的主要组件是两个PLC，即一个“主”PLC和一个“备用”PLC。通过编程为检测和响应已定义的系统状况，Quantum Hot Standby系统可自动允许备用控制器接管过程的控制权，从而成为新的主控制器。这种切换的完成时间很短。可提高远程工作站的系统可用性，可以在远程子站继续受控时在主机架中执行维护操作，不会影响系统正常运行。其主要功能对化学水处理各过程进行分散控制。

现场层是实现系统功能的基础，由自动化仪表、控制阀门、控制泵、设备控制箱等组成。主要功能对系统设备的状态进行监测，同时受控于上层所发送指令对执行机构进行控制。

3 PLC化学水处理系统

化学水处理系统有大量阀门、泵、风机等开关量控制，而且要求控制可靠性高。在本系统中，共有各种输入/输出量3000多点。PLC接收管理层的操作指令，自动执行控制程序，并采集现场设备的状态以及就地仪表参数进行处理。

3.1 PLC的工艺步序

PLC所要完成的功能主要有以下几部分。

3.1.1 过滤器的投运、反洗和备用

过滤器人口压差高时，程序投人备用过滤器，同时停运该失效过滤器并进行反洗，直至其出口浊度合格后列人备用。

3.1.2 除盐设备的投运、再生和备用

除盐设备中，强阴床出口导电度高或硅酸根离子浓度高时，投入备用系列，对失效的阴、阳床同时进行再生。

3.1.3 混床的投运、再生和备用

混床出口导电度高或硅酸根离子浓度高时，投入备用系列，对失效的混床进行再生。

3.1.4 中和池排放和酸碱系统

程序根据中和池液位联锁关系及出口pH值，自动启停中和池水泵及酸碱系统。

3.2 变频器在化学水处理监控系统应用

在化学水处理过程中，加药计量泵的药剂的投加方式是直接影响出水水质和药剂消耗的主要因素[2]。在实际操作中，对药剂量要求控制严格，加药量过少，保证不了水的品质；加药 量过大，不仅要造成不必要的浪费，而且会导致环境污染。如果采用自动加药系统，就可以根据实际工况，自动调节加药量，使水的指标保持在最佳范围之内。自动加药系统的核心是变频控制系统，通过现场仪表信号的反馈来调节计量泵的频率从而改变出料的速度，以达到水体测量值的变化，这样一来通过PID控制或模糊控制方式改变变频器的输出达到计量准确、节约能源的目的。化学水处理系统主要耗电设备为风机和水泵，提供优化的变频控制方案，使被损耗的电能降低到额定值的50%到80%。

实践证明在自控系统中应该用变频器技术，既可以提高系统的运行经济效益，又可以简化操作程序减轻运行人员工作强度，降低劳动成本提高工作效率。

3.3 运行方式

运行方式主要分为以下几种：

（1）自动方式：在该运行方式下，PLC接收到上位机启动指令后，自动进行制水，制水完成后自动停止。制水过程中，在上位机上可通过暂停、继续按钮控制设备的暂停及继续运行，用中止按钮可停止制水。PLC可根据设备失效情况自动再生，再生过程中，在上位机上可强制停止。由于设备故障或人为因素使步序中断，都要对该步的阀门和泵的开启状态以及该步运行时间进行记忆，一旦排除故障或人为恢复，自动控制程序从原断点开始完成之后的步序。

（2）程序控制设有步进操作，成组操作。根据每天进水水质、水量动态变量进行动态在线分析，将为工艺运行提供关键运行参数，选择步进操作或成组操作完成操作步序，多种运行模式的选择即节约资源，提高经济效益。

（3）软手操方式：在该运行方式下，运行人员通过鼠标在CRT上可对系统所有阀门、水泵、风机进行单独操作控制。在极端情况时，如控制系统出现故障，造成局部设备运行失控，通过手动操作仍可以维持全厂的生产过程。

4 上位监控系统

上位监控系统由一台工程师站和两台操作员站组成，操作员站是运行人员与系统进行交换的平台。运行人员通过操作员站可监视各种动态画面、参数趋势图、历史趋势图及报警画面等，还可依据需要对监视画面进行修改和补充[3]。根据运行情况，运行人员通过操作员界面进行各种控制操作，并根据权限进行控制操作记录。操作员站的主要功能是对现场的监控、存储历史数据、事故追忆记录、打印等。

上位监控系统具有以下主要功能。

4.1 调度管理

化学水处理工艺运行与季节、气候、设备运行状况等因素有关，为实现化学水处理系统达到优化运行的目的，计算出当前最优工作参数，对化学水处理工艺运行进行优化调度，完成的数据监测、统计工作。

4.2 生产监视

操作人员通过操作站的显示终端、显示屏等显示设备对生产过程进行监视，显示设备或仪表的工作状态、工艺数据及其历史趋势、数据图形和列表。

4.3 过程控制

操作人員通过操作站的人机界面监视生产过程，调整工艺参数，操作员始终处于远程监视与可控状态中，实现对现场设备运行的过程控制。

4.4 数据管理

上位监控系统是全厂生产过程的数据、信息中心。上位监控系统数据库中记录由各个现场监控系统上报的现场数据，上位监控系统对这些数据进行处理，装入历史数据库、生成生产报表、统计报表等。利用这些数据库可进行质量、能耗、成本等分析，对设备的运行和维护周期进行管理。

4.5 报警管理

当工艺过程或设备运行出现异常，上位监控系统立即激活报警处理程序，记录报警数据、同时发出声光报警，提示操作管理人员。

4.6 操作记录和事件记录

对运行人员的操作及重要报警信息进行记忆，可方便地进行事故分析和故障寻找。操作分人为操作记录和程序操作记录。人为操作记录记录了操作员所有的操作和操作的时间和级别。程序操作记录记录程序运行的状况，当出现故障或异常时便于判断故障及其原因。此外还可对操作记录打印，对历史操作记录可以查询、打印。

4.7 报表及打印输出

上位监控系统可自动生成班报表、日报表、月报表、季报表、年报表、事件驱动报表、故障报警报表等。报表中有实时数据和统计数据，并可以插入说明文字。系统生成的文本、列表、图形、报表等内容全部可以在打印机上输出。

4.8 自控系统维护、管理

工程师站的主要作用是配置系统硬件、形成控制策略、将生成的各类组态信息下载到操作员站和I/O控制站，使系统成为具有特定功能的监控系统。在系统运行过程中，工程师还在工程师站在线调试系统状态参数，在线修改控制参数等。同时，工程师站也是系统的维护中心。

①系统组态：系统组态功能包括系统硬件配置和控制回路组态两个主要功能。系统硬件配置是通过填表的方式完成对整个系统的硬件配置，包括对PLC控制站的个数配置，每个站的网络地址的配置，及对I/O控制站内的各类I/O模板的型号、数量、模板的位置进行配置。控制回路组态是指用户无需掌握编程语言就可看懂并能够编写自己的控制策略，在编写程序过程中，系统会自动对所编写的程序进行实时的检查，随时提醒修正错误并提在线帮助，直至生成无误的控制策略。

②系统管理、维护功能：系统可进行文件下载，通过上位机软件的PC→ PLC方式将系统配置、数据库、控制回路等信息下载到I/O控制站。并可通过编程电缆，能够在系统运行时，在控制回路组态图上实时监视到策略的输入、输出数据及中间变量，以此来验证控制策略的正确性。

5 化学水处理自控系统特点

化学水处理自控系统特点主要包含以下方面。

（1）采用双控制器的冗余功能，保证系统运行可靠，在全厂各工艺流程段设置了相应的水质监测仪表，中控室设冗余监控管理计算机可以监测到全厂各设备的运行参数和运行状态，随时发现设备故障，并及时报警。

（2）自诊断功能，采用先进的智能化仪表和控制设备，利用其具有的自检、自校和故障隔离功能，进一步提高设备故障的检出率，缩小局部故障的影响范围。