基于PLC的多參數控制電廠加藥系統設計

馮佳瑤，喬越，賀慧勇，蔡啟祥，黃英俊

(1.長沙理工大學 物理與電子科學學院，湖南長沙，410114；2.長沙理工大學 化學與生物工程學院，湖南長沙，410114)

0 引言

在火電廠發電過程中，由于有時水質不純會有雜質，如果不及時清理可能會腐蝕鍋爐引起爆炸，當爐水中的pH濃度過高時，會出現鍋爐結垢現象；當爐水中的pH濃度過低時，會出現鍋爐腐蝕現象[1]，這些現象都對電廠安全造成隱患，由于手動控制調節pH波動大，難以滿足要求，且電廠爐水具有大時滯、變負荷的特點[2]，單以一個或兩個參數無法適應工況變化的需要，因此有必要開發多參數控制的電廠自動加藥系統。

本文從原理出發，研究電廠加藥的控制部分，從硬件以及軟件兩方面闡述了加藥系統的功能以及設計思路，使用WinCC實現監控界面的設計，通過觸摸屏可以調整系統參數并實時監測pH曲線。

1 電廠加藥控制原理以及控制指標

1.1 控制原理

在鍋爐運行過程中，爐水的pH會出現波動，會結垢或者腐蝕爐壁，通常采取給水加氨、爐水加堿化劑（如磷酸鹽，氫氧化鈉等）的一系列防腐處理手段來解決這種現象[3]。在爐水加藥化學水處理的過程中，磷酸鹽濃度需要精準的把控，因此系統需要有自動調整加藥量的能力。在多參數控制加藥系統中，加藥泵接收來自爐水磷酸根表、電導率表(DD表)、pH表、給水流量表4個4～20mA的信號。以多參數控制加藥系統在某公司的應用來介紹系統結構。某公司共有4臺600MV燃煤機組，1#機組和2#機組共用一個控制器，3#機組和4#機組共用一個控制器，它們均有兩個加藥罐，各有兩臺攪拌機、使用三個加藥泵，其中1#機與2#機各使用4#泵與6#泵，5#泵備用，3#機與4#機各使用3#泵以及1#泵，2#泵備用，當正常使用的加藥泵出故障時，切換至備用泵。4臺機組各配置有磷酸根表、電導率表（DD表）、pH表以及給水流量表。

本裝置采用的多參數控制方式，將爐水磷酸根表、電導率表（DD表）、pH表、給水流量表同時接入控制系統，機組控制手段分為以下兩種。

當機組穩定負荷工作時：pH值作為主控參數，電導率、磷酸鹽的值、給水流量作為輔控參數，在化學方面計算出爐水pH的數學模型，結合pH隨時間變化的微分方程，與pH設定濃度進行比較、計算后，輸出模擬量控制變頻器，改變加藥量[4]。

當機組負荷有大幅度變動時：給水流量做為主控參數，電導率、磷酸鹽的值、pH值為輔控參數。

圖1 系統控制原理框圖

與國內同類技術相比，本裝置增加了控制指標，能最大限度地消除信號滯后因素的影響，使運行平穩。圖1所示為本系統控制原理框圖。

系統4個參數以4-20mA電流信號的形式輸入模擬量拓展模塊，經PID控制器處理整定后，通過模擬量拓展模塊將信號輸出至變頻器，從而改變加藥泵加藥量，磷酸根表、電導率表（DD表）、pH表、給水流量表又可以收集當前爐水中磷酸根濃度、電導率值、pH值、給水流量值，并輸入PID控制器，實現閉環調節，使爐水各藥劑保持在設定范圍內。系統自動運行時，只要有一個輔助控制指標超過設定控制范圍上限，系統自動停泵。當輔助控制指標都落回正常范圍，系統可自動恢復加藥。

1.2 主要技術指標

（1）在線儀表：磷酸根表、pH表、電導率(DD表)表、給水流量表、給水流量表。

（2）主要控制指標 ：爐水 pH ：9.2～9.5，爐水磷酸根 ：0.1～0.3 ppm，爐水電導率 ：8～15 μS/cm。

（3）電源：三相四線電源，電壓：380V，頻率：50Hz。

（4）可切換手動、自動模式加藥，并具有顯示功能。

2 控制系統結構組成

自動加藥控制裝置由PLC、化學儀表（磷酸根表、pH值表、電導率表、給水流量表）模擬量拓展模塊、數字量拓展模塊、開關量模塊、繼電器、變頻器、觸摸屏等部件組成，觸摸屏使用WinCC軟件組態監控界面，使用RS485線，通過PPI通信方式與PLC連接。圖2為多參數電廠加藥控制系統結構組成框圖。

圖2 控制系統結構組成框圖

2.1 操作與控制面板

操作與控制面板使用SMART LINE系列人機交互平臺，擁有高端的ARM處理器，通過RS485線連接PLC進行通訊[5]，WinCC可以與PLC集成，操作環境直觀、簡單易懂，因此加藥系統使用WinCC搭建監控頁面，組態爐水、攪拌機、藥箱、加藥泵、液位、系統參數、模式選擇等。

2.2 PLC選型

S7-200功能強大，可以用作工業自動化控制、監測。該控制器以CPU224為核心，該CPU具有14輸入/10輸出，共24個數字量I/O點，滿足多參數的要求，并且在化學電廠，需要有良好的抗腐蝕性，因此加藥系統使用S7-200 PLC作為控制器。

2.3 數字量拓展模塊

系統使用EM221模塊輸入數字量，該模塊具有8點DC24V輸入，可以快速將數字量轉換成模擬量輸入，在系統中用來反映觸摸屏狀態的改變，故障監測以及變頻器的啟停等。

2.4 模擬量拓展模塊

系統使用EM232模塊輸出模擬量，EM232具有兩路模擬量輸出，可以輸出正負10V的電壓或者4～20mA的電流給變頻器，變頻器可以控制加藥量的多少。在該系統中，磷酸根表、電導率表（DD表）、pH表、給水流量表都有4～20mA輸出，因此模塊選擇4～20mA標準信號輸出。

EM231有四個數據通道用來采集信號，其中兩通道用于連接熱敏電阻NTC溫度傳感器或熱電阻PT100溫度傳感器，另外兩個通道用于采集電壓/電流信號輸入[7]，在系統中使用4~20mA電流信號的輸入。

2.5 變頻器

系統采用ABB ACS510系列變頻器，三臺變頻器分別與三臺加藥泵1#、備用泵2#，3#一一對應。接收來自模擬量拓展模塊的信號，控制加藥泵的加藥量[8]。

3 系統程序設計

3.1 系統軟件程序流程圖

加藥系統的軟件是根據工程的實際情況跟加藥系統的現狀設計而成，控制程序下載在PLC中，上位WinCC實現系統的監控、參數設定等功能。PLC控制程序通過STEP-7Micro/WIN編寫設計，使用的是梯形圖式的編程方式，修改起來比較方便[9]。PLC里的控制程序包括主程序與一些子程序，主程序流程圖如圖3所示。

圖3 主程序流程圖

系統啟動開始運行，參數初始化，設置泵的頻率，PID參數初始值等，接下來檢查系統是否有故障，如果有故障，系統就執行報警操作，如果沒有故障，詢問加藥箱內是否需要攪拌，如果需要就啟動攪拌控制，如果不需要就進行選泵操作，1#藥箱對應1#泵，2#藥箱對應3#泵，2#為備用泵。選泵后采集爐水中的磷酸根濃度、電導率、pH值、給水流量信號，選定模式為自動還是手動。如果是手動模式，就可以設定加藥頻率為固定值，判定輸入的頻率是否在有效范圍內（系統有效輸入頻率范圍為0~45Hz）；如果在有效范圍內，就輸出模擬量，如果不在有效范圍內，就報錯并重新輸入頻率。設置模式為自動模式時，通過下載在PLC里的PID算法計算后接到模擬量輸出頻率。

3.2 WinCC設計

WinCC為西門子控制系統的人機界面組建，組態實現了監測及參數顯示與設置功能、時間顯示與設置功能、模式選擇功能、故障記錄功能、趨勢圖顯示功能，監控畫面如圖4所示。

圖4 監控畫面

操作觸摸屏時首先需要輸入正確的密碼，監控畫面能夠顯示3#爐、4#爐磷酸根濃度、爐水pH值、電導率值、給水流量參數；實時監控1#、2#加藥藥箱液位，控制藥箱攪拌機啟停。動畫模擬1#泵、2#泵（備用泵）、3#泵的運行狀態，實時顯示泵的運行頻率；當手動模式運行時，按鈕顯示為手動，觸按手動按鈕后可以切換至自動模式運行，此時按鈕顯示模式為自動。監控界面左側還設置有3#爐參數、4#參數、趨勢圖、故障記錄、時間設定、系統設置按鈕，按下可跳轉至對應功能的頁面。

4 系統調試

通過觸摸屏或者上位計算機中的監測功能可以實時觀察爐水的pH值并記錄下來，直觀反映控制系統的控制效果。早7：00～8：30為某廠發電高負荷時段，圖5為某電廠多參數控制加藥系統高負荷時段2#爐pH值歷史曲線圖。

圖5 2#爐pH值歷史曲線圖

從圖5可以看出，在高負荷時段，多參數自動加藥系統運行效果良好，pH值穩定在9.3左右，波動小，滿足控制要求。

5 結論

對電廠加藥系統進行自動化的設計，以PLC為核心，接收來自pH表、電導率表（DD表）、給水流量表、磷酸根表的信號，通過下載在PLC中的控制程序，連接各器件，形成閉環控制系統。該系統具有友好的顯示界面，可以直觀看到爐水的控制參數以及液位，能夠在觸摸屏上修改各控制參數指標，記錄故障，采用PID控制技術，可靠性高、穩定性好，運行控制指標平穩、可靠，符合鍋爐水質監控要求。

參考文獻

[1]鄧永強,肖建群,胡將軍.影響爐水pH值因素的析因試驗研究[J].華中電力,2004(04):20-21.

[2]于希寧,邊立秀.電站直流爐給水加藥調節系統的設計、仿真與研究[J].華北電力技術,1995(06):28-34.

[3]徐娜娜.火電廠聯氨加藥系統的自動控制[J].西北電力技術,2005(06):15-17.

[4]任治民,朱志平,金緒良,等.爐水磷酸鹽多參數協同自動加藥控制系統的構置與應用[J].中國電力,2017(11):180-184.

[5]金晶,王東升,劉寧. PLC觸摸屏配置方案優缺點分析及改進研究[J].自動化儀表,2013(05):34-35.

[6]錢華.一種適用于中小型鍋爐加藥系統智能控制器的研究[D].蘇州大學,2009.

[7]劉彬,羅野.基于PLC的塑料管擴口機控制系統設計[J].電子測試,2017(17):26-27.

[8]高新.ABB公司發布新品信息.ACS510系列交流變頻器既節能又環保[J].自動化儀表,2005(07):53.

[9]萬周政.基于PLC和PID參數自調整的爐溫控制系統[J].機電一體化,2009(02):41-42.