數字化控制方案在海水淡化系統中的應用

李金澤 李兆國 陳方連(青島雙瑞海洋環境工程股份有限公司，山東 青島 266101)

0 引言

目前海水淡化系統的控制中PLC等傳統控制方案已經趨于成熟，應用非常廣泛[1-4],監控管理層和控制層的數字化程度也越來越高。但是受限于現場設備的智能化程度，許多現場級設備的有效信息沒有被采集，使得廠級監控管理平臺的功能沒有最大程度的發揮出來。

隨著信息化產業的不斷發展，自動化系統的結構正在發生變化，分散在現場的PLC控制站和帶通訊功能的智能型組件可以直接測量生產過程中的參數，實現對生產過程的全面監控和保護[1]。現場總線技術在自動化領域的蓬勃發展為海淡系統的智能化、數字化控制提供了基礎。對比傳統技術，總線方案不僅能夠實現對系統全面準確的監控，為管理和決策提供依據，而且能夠明顯減少設計施工的工作量，總線協議的標準化設計也使得系統的運行維護更加方便。本文以國內電廠比較典型的膜法海淡系統為例，探討總線方案的配置及優勢。

1 控制要求

1.1 系統范圍

工程采用“預處理+超濾+反滲透”的膜法處理方案。

主要工藝流程包括預處理、超濾、反滲透、污泥處理、加藥及化學清洗等[2]，系統內配置各類所需的監測儀表、手自動控制閥門、電機及其他輔助系統。按要求配置各類高低壓電機控制中心、電氣控制盤箱柜及各類安裝材料。系統主工藝流程如下：

海水→混凝、澄清設備→清水池→超濾給水泵→超濾裝置→超濾水池→海水反滲透給水泵→海水反滲透高壓泵(含能量回收裝置)→海水反滲透裝置→淡水池→淡水反滲透給水泵→淡水反滲透裝置→水工專業工業水池→水泵→用戶。

1.2 控制要求

整套控制系統的基本架構為“操作員站/工程師站+PLC控制單元+總線設備+總線通訊網絡”，各層級的具體配置應能滿足“分散控制+集中監控+數字化通訊”的整體要求，系統中設備的狀態信號，過程參數及故障信號，包括總線設備、模塊、通道三級診斷信息，都能及時全面地反饋到控制中心。控制系統按控制邏輯自動運行，并可實現遠方手動操作。

1.3 設計原則

系統總的設計原則為“利用PROFIBUS現場總線實現整套系統的數字化控制，所有參數及指令為總線傳遞”。為此，底層設備的配置應滿足以下基本要求：(1)高低壓配電中心、MCC、變頻柜等電控柜的回路設計需要采用帶PROFISBUSDP通訊功能的元器件，主要斷路器和電機的參數及控制指令可以通過DP總線與PLC或是上層的SIS，ECS等系統直接傳遞；(2)溫度計、液位計、流量計、濁度儀、余氯分析儀等系統中所有的需要帶遠傳的傳感器均應采用智能型產品，總線協議為PROFISBUS-PA；(3)對于成組布置的開關型氣動閥門，電磁閥采用具有總線接口的閥島來集中控制，閥島支持PROFISBUS-DP協議；電動開關閥和調節閥均帶DP通訊接口；(4)對于部分離中控室較遠的廠房或是系統，如取水泵房，應單獨設置遠程IO站，通過光纖通訊，將其作為一個DP從站接入海淡系統。

2 控制方案

2.1 整體網絡架構

按照控制要求的說明，系統的整體網絡架構配置如圖1所示。

2.2 上位機部分

海水淡化系統控制室內設置1臺操作員站和1臺工程師站，用于對系統運行狀況的實時監控；控制站內配置工業以太網交換機，用于與上游中央控制室的冗余通訊。

圖1 系統網絡架構示意圖

為了更好地對總線設備進行監控和管理，保證數據的傳遞，可以設置專門的診斷管理軟件和網絡偵聽設備。并可按要求進行冗余配置。

2.3 下位機部分

海水淡化系統控制室內設置PLC控制柜、UPS電源柜等程控設備，UPS電源柜內設雙電源自動轉換開關和不間斷電源系統，用以保證PLC的供電。PLC柜內應設置與上下游網絡的通訊接口，各類IO卡件及總線模塊，用以滿足控制中心與集中控制室和現場設備的通訊。系統中距離較遠的單個設備的信號可采用硬接線的方式接入相應的PLC模擬量或開關量模塊。其它所有的電氣控制柜、電動機、閥門、儀表的控制應按照1.3設計原則的整體要求，以總線的方式接入控制單元。對于部分非常重要的設備，信息采集可冗余配置，信號同時以硬接線和現場總線的形式接入控制系統。

按照本工程海水淡化系統的工藝和電控設計，其控制方案基本配置如表1、表2，總線結構示意圖如圖2所示。

表1 常規硬接線信號硬件

3 對比討論

基于總線的控制方案是在原有PLC/DCS控制的基礎上發展而來的[3-4]，相比點對點的IO接線設計，它最大程度的發揮了總線設備的優勢，使得控制系統能夠獲取到更加全面的現場信息，進而為系統的管理和決策提供依據。除此之外，總線方案大量減少了PLC控制柜以及各類IO模塊和安裝材料的數量，既方便了設計和施工，又減少了運維檢修的工作量。數字化平臺的應用，也使得電廠層面的管理更加高效。

表2 現場總線硬件及網段

圖2 總線結構示意圖

4 結語

“PLC控制系統+總線設備+總線通訊網絡”的系統結構，在一定程度上提升了海淡系統的自動化和數字化程度，使得系統運行維護更加方便，管理者的決策也更加精準高效。但是，由于在現場層大量采用了智能型的控制設計，也提高了對設計人員包括運維人員專業素養的要求。從長遠來看，智能制造和大數據是當今發展的大趨勢。隨著總線技術的不斷成熟和發展壯大，電廠的數字化轉型不再是空談，已成必然趨勢。