SIMATIC PCS7系統在大化熱電廠化學水處理中的應用

王 巍

（西門子（中國）有限公司大連分公司，遼寧 大連116023）

0 引言

化學水處理系統是熱電生產非常重要的一部分，確保化學水處理設備可靠運行和補給水質量對熱電廠的安全經濟運行起著至關重要的作用。熱電廠的水汽系統運行質量不佳，可能造成鍋爐爆管、動力設備腐蝕與結垢等事故，對機組的安全和經濟運行造成直接威脅。本文簡要介紹了基于西門子PCS7的熱電廠化學水處理控制系統。該系統實現了對化學水處理系統水汽品質的精確控制，并且減輕了運行勞動強度及維護工作量，達到了提高生產效率、確保安全經濟運行的要求。

1 化學水處理工藝概述

大化熱電廠化學水處理設計出力為652t／h，采取的控制方式為自動程序控制、遠方手動操作及就地操作箱操作相結合，能對化學水處理系統進行集中監視、管理、自動順序控制，PID自動調節并實現運行數據的采集和歸檔。化學水處理系統流程如圖1所示。

2 控制系統構成

2.1 PCS7的硬件配置及網絡結構

圖1 大化熱電廠化學水處理系統流程

西門子SIMATIC PCS7系統是一套典型的現代分布式控制系統（DCS），采用了現行局域網（LAN）技術、成熟可靠的西門子可編程控制器（PLC）和現場總線技術。整個系統由大量的西門子硬件組件組成，包括自動化儀表、執行器、模擬量和數字量信號模塊，控制器、通信處理器、工程師站和操作員站等。所有這些硬件組件都可由功能強大的各種PCS7軟件工具支持和組態。該軟件系統功能先進，能夠高度滿足各種工業領域不同自動化任務的設計、組態和調試方面的要求。大化熱電廠化學水處理系統結構如圖2所示。

本PCS7系統選用了一套西門子冗余型S7－417HCPU，每套系統帶CP443－1通訊模板與工業以太網相連，通過CPU內部集成的Profibus－DP通訊口與8組ET200M遠程I／O分站進行數據通訊；所有4臺機柜都置于中控室，為了保證I／O模板發生故障時能帶電熱插拔，不影響生產，所有的I／O模板和ET200M接口模件都采用了有源背板總線連接。2臺上位機采用單站形式，CPU417H通過100M以太網和交換機與1臺工程師站（ES）和1臺操作員（OS）站進行數據通訊并實現工業以太網的網絡冗余。西門子工控機安裝了Windows XP SP2Pro系統及CP1623工業以太網卡，還配置了網絡打印機進行操作日志和數據報表的打印。操作畫面按照裝置和工藝進行分類。

圖2 化學水處理系統結構圖

2.2 PCS7軟件程序架構

SIMATIC PCS7基于全集成自動化（TIA）技術，可以實現更快速和精確的控制，可以靈活地擴展硬件和軟件功能。在本應用案例中，PCS7控制功能庫的應用成為一個突出亮點。SIMATIC PCS7通過專門為工藝需求而設計的工程組態工具連續功能圖（CFC）和順序功能圖（SFC）及預定義的功能塊和圖表進行程序的規劃、編輯與組態。由于PCS7擁有統一的數據庫，所以數據只需要輸入一次便可以應用于整個系統。

CFC是以圖形方式組態和調試連續自動化功能，預組態的功能塊能在功能強大的自動布線和HMI消息集成組態的支持下，在CFC內部組態、互聯和參數設置。在本項目化學水處理程序中應用了電機塊、閥塊及模擬量處理等標準控制塊。

順序控制功能圖（SFC）是以圖形方式對批生產操作的順序控制進行組態和調試，方便編輯，并且擁有強大的測試和調試功能。SFC類型是可重復應用且訪問化學水生產車間某個局部工藝的標準化順序控制，極大地縮短了項目開發的周期，簡化了調試流程，降低了工程開發的成本，提高了效率。各工藝段設備的自動投入、自動反洗等工藝流程都是依托SFC順序控制程序完成。

3 化學水處理控制系統的功能

（1）化學水預處理系統。高效過濾器對水中的懸浮物以表面物理吸附為主。PCS7系統控制過濾器運行，使其活動多孔板在入口水壓力的作用下上下移動，并由此來調整改變濾料的間隙和堆積密度，使濾料順水流的方向孔隙度逐漸變小，從而提高出水水質。

（2）陽雙室浮動床。陽雙室浮動床的操作程序：成床→運行→失效落床→（反洗→）進酸再生→置換→清洗→停床備用或投入運行。陽床的投入過程是在PCS7系統中實時監控狀態由SFC順序控制程序提示下手動完成，保證系統絕對不會出現誤操作。當PCS7系統提醒累計制水量已接近陽床失效終點時，系統提醒操作人員依據人工化驗結果判斷是否執行反洗等后續操作，整個反洗操作完全自動執行，無需人工參與。

（3）陰雙室浮動床。陰雙室浮動床的操作程序：成床→運行→失效落床→（反洗→）進堿再生→置換→清洗→停床備用或投入運行。陰床的投入過程與陽床比較相似，同樣是在PCS7系統中實時監控狀態由SFC順序控制程序提示下手動完成的。當PCS7系統提醒累計制水量已接近陰床失效終點時向工程師發出提示，工程師依據PCS7提供的陰床出水導電度的結果結合人工化驗決定是否進行反洗等進一步操作。反洗等操作流程完全由SFC程序控制，實現全程無人操作的自動化控制。

（4）混床系統。一級除鹽系統的出水無法滿足鍋爐補給水的要求，因此要在一級除鹽系統后面加混床處理。混床內裝陰、陽離子交換樹脂，在運行時陰、陽離子交換樹脂均勻混合在一起，在一臺交換器內同時完成陰、陽離子交換過程。其自動控制原理與陰陽離子交換器相同。混床失效終點根據PCS7提供的混床出水導電度、累計制水量參照人工化驗結果決定。

4 PCS7使用心得

化學水處理各個工藝段的執行設備基本相同，在項目開發前期PCS7采取了多項目的形式建立統一的項目庫，然后將上位機與下位機分別建立單項目，由不同的項目工程師分別開發上位機監控系統和下位機PCS7編程。在開發工作基本完成時由項目經理將2個系統整合，這樣做的好處是可以委派不同的項目工程師同時進行程序的開發工作，使工程進度大大提前。另外，該項目采用了PCS7集成的功能塊庫及統一的項目數據庫，也大大減短了項目前期編程開發時間。

5 結語

西門子PCS7控制系統結合了傳統DCS和PLC的優點，突出了全集成自動化（TIA）先進的技術理念，應用于熱電廠化學水處理系統體現了系統網絡清晰、軟硬件可擴展性好、操作簡單、可靠性高等優點，從工程竣工至現在，該系統從未出現由于控制系統故障而導致的停機事故，穩定而可靠地保證了合成氨廠、熱電廠乃至整個化工生產用水的供應。本項目是西門子PCS7系統應用于國內熱電廠化學水處理控制系統的典型案例，具有一定的參考價值。

［1］張根寶.工業自動化儀表與過程控制［M］.第3版.西安：西北工業大學出版社，2007