基于PLC的電廠水處理系統控制方法研究

上海電力建設有限責任公司 吳秉澤

我公司響應國家“一帶一路”號召，承建印尼哥倫打洛2×50MW(凈輸出)燃煤電站項目。#1#2機組共同設置一個集控樓，且使用一個集中控制室。主廠房布置設計采用三列式格局：汽機房、除氧煤倉間、鍋爐房，#1#2機組的電子設備間布置在集控樓10m 層，集中控制室設在本工程主廠房煤倉間10m 層。

本工程輔助車間采用輔助車間（包括水、灰、煤系統）PLC 集中控制方式，在集控室的輔控操作員站，對全廠輔助系統進行集中監視。本文著重介紹基于PLC 的水處理系統的控制方法。

1 概述

1.1 工藝流程

本工程水處理系統采用“海淡預處理+膜法海水淡化+離子交換除鹽”工藝系統，系統流程如下：

海水預處理來水→多介質過濾器→超濾→超濾水箱→超濾水泵→海水反滲透保安過濾器→海水反滲透高壓泵→能量回收裝置（透平）→海水反滲透→淡水箱→淡水反滲透保安過濾器→淡水反滲透高壓泵→淡水反滲透裝置→中間水箱→陽離子交換器→陰離子交換器→混合離子交換器→除鹽水箱→除鹽水泵→用水點。

1.2 子系統介紹

整個系統包含以下子系統：子系統1：預處理系統，包括多介質過濾器（MMF）系統、超濾（UF）系統；子系統2：預除鹽系統，包括海水反滲透（SWRO）系統、淡水反滲透（BWRO）系統；子系統3：除鹽系統，包括陽離子交換系統、陰離子交換系統、混合離子交換系統。

1.3 控制總則

控制模式。自動：完全接受PLC 自動控制，只要條件滿足，按程序執行；步操：在一個步驟內接受PLC 控制，直至完成該步驟，后續步驟需要人為觸發；手動：保護連鎖接受PLC 控制，除此之外不受PLC 控制。

報警動作種類（二級報警）。I 停機報警：報警同時該系統自動轉入停機狀態；II 報警：人為干預處理，對系統無較大影響。控制畫面功能。顯示正在運行的步序；顯示步序連續運行的時間，及至下一步序的剩余時間；顯示所有可開放設置的變量點。系統啟動時，默認優先啟動A 設備，即KKS編碼在前的設備（自用水泵除外，自用水泵B 為自用水泵A 和C 的備泵，即混床再生時，優先啟動自用水泵C）。系統設計時，已考慮兩列互備系統同時運行的情況與條件。但兩列同時運行的情況屬于非正常工況，需人為操作開啟。

僅可在系統停機狀態下進行操作模式的切換。一旦選定操作模式，系統進入運行狀態后，不得再進行切換。

參數調節權限分三個級別。I 操作員級別（O）：可調節基本的運行參數，保證系統按實際工況運轉；II 管理員級別（M）：擁有O 級別所有權限，此外可對性能參數進行調節；III 工程師級別（E）：有且僅有1個，擁有最高權限，可進入程序后臺修改系統程序。

2 水系統集中控制網絡

2.1 上位機系統

控制系統采用國際流行的上位機監控方式，取代傳統的操作盤和模擬盤控制方式，整個系統的運行操作和監視全部在上位機實現[1]。在上位機上不僅能顯示閥門、泵、風機等系統設備的過程參數、運行狀態、報警等，還可以進行各運行方式的選擇和切換，進行自動相控操作，同時還具有模擬量參數顯示、自動打印制表、多類型圖顯示、聲控報警等功能[2]。

水處理局域網控制系統共設置2臺冗余的上位機，通過通訊連在數據通訊網絡上，每臺上位機都是冗余通訊網絡上的一個站，每臺上位機應具有獨立的冗余通訊處理模件，水處理局域網中有一臺上位機配備完善的編程、組態軟件，能夠實現所有相關系統工程師站的功能。

2.2 可編程序控制器PLC

本工程PLC 成套帶有雙機熱備中央處理單元（CPU），冗余的電源模件，冗余的通訊模件，輸入輸出模件，存儲器，外殼，專用連接電纜及連接件和實時操作系統等。PLC 主機和備用機采用完全相同的配置，即雙機架、雙電源、雙CPU、雙通訊模塊，雙機無擾切換。

系統中所有模件可帶電插拔（包括CPU、電源模塊、通訊模塊、I/0模塊）支持不停機維修；輸出模塊要求帶預設置故障處理功能便于更換。每個機柜內均應提供每種類型I/0總量的15%作備用，所有備用I/0測點都配置必要的硬件，如端子排等，保證測點接入就能投入運行。機柜模件插槽留有擴充20% I/0的備用余地，備用插槽配置必要的硬件，保證今后插入模件就能投入運行。

系統采用適當的冗余配置和可診斷到通道級的自診斷技術，使其具有高度的可靠性。系統內任一組件發生故障，均不會影響整個系統的工作[3]。

2.3 PLC 的成套范圍和功能

2.3.1 中央處理單元CPU

為提高控制系統的可靠性，系統PLC 主機設備采用雙機（CPU）在線熱備冗余配置。 即配備2套CPU，2套CPU 裝入相同控制程序，當工作CPU出現故障時，備用CPU 能自動切換至工作狀態，系統的控制或保護功能不因切換而丟失或延遲[4]。

2.3.2 數據通訊系統

水網（水處理及海水淡化系統、海水預處理及綜合水泵房系統、工業廢水處理系統）的冗余的工業交換機安裝于各自系統的PLC 柜內，與雙機熱備PLC 機架上冗余的通訊接口模件進行雙冗余聯接，要求同時滿足設備冗余和連接冗余，以保證可靠和高效的系統通訊[4]。

連接到數據通訊系統上的任一系統或設備發生故障，不會導致通訊系統癱瘓或影響其他聯網系統和設備的工作。所提供的數據通訊網絡是冗余的自愈環網。環網自愈時間應不大于500ms，自愈切換時整個系統無擾動。

數據通訊網絡具備網管功能。通訊故障發生時，網管系統應能夠遠程診斷，故障定位。且自動報警。

3 水系統集中控制系統

3.1 工藝系統

3.1.1 水處理系統

水處理系統由海水淡化和后續的鍋爐補給水除鹽系統兩部分組成，流程為：過濾后海水（添加殺菌劑）→多介質過濾器→超濾→超濾水箱→超濾水泵（添加還原劑、阻垢劑）→海水保安過濾器→海水高壓泵→海水反滲透設備→淡水箱→淡水泵（添加堿）→淡水保安過濾器→淡水高壓泵→淡水反滲透設備→中間水箱→中間水泵→陽床→陰床→混床→除鹽水箱→除鹽水泵→主廠房→中間水箱→工業水補充水泵→工業生活用水點。

混床再生系統配置了酸堿貯存罐、噴射器及相應的設備。同時，相應的反滲透和過濾系統用反洗、清洗和加藥系統隨系統需要配置。

水處理及海淡系統輸入／輸出I/0信號數量如下：AI 172、AO 27、DI 508、DO 258、RTD 18，共983點。信號直接接入水處理系統PLC 控制系統，距離大約200m。水處理系統控制室設置l 套CPU冗余PLC、2臺上位機，配置雙冗余的工業級交換機，并至少滿足每臺2個l00M 單模光口、4個10/l00M電口的要求，從而實現與水局域網控制系統的雙向冗余數據通訊，與水局域網控制系統的通訊接口為光纖以太網接口。

3.1.2 海水預處理及綜合水泵房

海水預處理及綜合水泵房系統共安裝各類水泵共11臺，其中生活水泵3臺，2運1備；電動消防水泵1臺，柴油消防水泵l 臺，電動和柴油消防水泵1運1備；穩壓泵2臺，1運1備；化水原水泵2臺，1運1備；反洗水泵2臺。

綜合水泵房輸入／輸出I/0信號數量如下：AI 30、AO 3、DI 150、DO 70、RTD 10，共263點。海水預處理輸入／輸出I/0信號數量如下：AI 35、A0 6、DI 66、D0 26、RTD 3，共126點。海水預處理及綜合水泵房均作為遠程I/0采用光纖通訊接入布置在水處理控制室的非經常性廢水處理系統PLC，綜合水泵房距離水處理控制室約為200m，海水預處理距離水處理控制室約為500m。

海水預處理及綜合水泵房設備廠家隨工藝設備配供2套小PLC，如下：加助凝劑控制裝置的PLC控制系統，部分重要信號采用硬接線方式接入海水預處理PLC 控制系統，同時采用MODBUS-RS485協議通訊接入海水預處理及綜合水泵房PLC 控制系統，距離大約80m；原水加NaClO2裝置的PLC 控制系統，部分重要信號采用硬接線方式接入綜合水泵房PLC 控制系統，同時采用MODBUS-RS485協議通訊接入綜合水泵房PLC 控制系統，距離大約50m。

3.1.3 非經常性工業廢水處理系統

非經常性工業廢水處理系統共安裝各類泵共27臺，其中廢水輸送泵4臺，廢水泵2臺，清水泵2臺，反洗水泵2臺，非經常性廢水處理系統輸入／輸出I/0信號如下：AI 45、A0 15、DI 262、DO 146、RTD 3；共471點。非經常性廢水處理系統設置1套CPU 冗余PLC，配置雙冗余的工業級交換機，并至少滿足每臺2個l00M 單模光口、4個10/l00M 電口的要求，從而實現與水局域網控制系統的雙向冗余數據通訊，與水局域網控制系統的通訊接口應為光纖以太網接口，系統程控設備均布置在水處理控制室。

此外，還有電解海水制次氯酸鈉系統采用MODBUS-RS485協議通訊接入水網PLC 控制系統，距離大約2km；生活污水處理系統的PLC 控制系統采用MODBUS-RS485協議通訊接入水網PLC控制系統，距離大約500m；含煤廢水處理系統的PLC 控制系統采用MODBUS-RS485協議通訊接入水網PLC 控制系統，距離大約200m。

3.2 系統配置及控制方式

3.2.1 系統配置

水處理系統局域網控制系統采用PLC ＋網絡＋上位機并接入輔助系統集中監控網的分級控制結構方式，其中水處理及海淡系統、海水預處理及綜合水泵房控制系統、非經常性工業廢水處理控制系統共2套CPU 冗余配置的PLC，2套調試操作員站／工程師站（上位機），1臺A3/A4黑白網絡打印機。以上系統和設備通過冗余的以太網交換機連接構成一個完整的網絡控制系統。

3.2.2 控制方式

控制系統通常使用自動控制運行方式。運行人員啟動系統設備后，控制系統按預先編制好的啟動順序、時間順序、聯鎖條件等自動控制全部被控設備的啟停、切換等，并自動停運或人工停運，或某個（控制系統以外的）異常情況導致系統停運。不論哪種方式，急停都是有效的。

4 系統監控功能

控制系統采用可編程控制器PLC 加水局域網上位機并接入全廠輔助系統監控網絡的分級控制結構方式，水局域網控制系統上位機、全廠輔控網上位機能對水系統等系統進行監視和控制。當水局域網上位機進行操作時，發出閉鎖信號，自動閉鎖上級上位機的操作，以保證任何時候，只有一方的操作指令有效，并在上級上位機上顯示。水局域網控制室內運行人員通過水局域網上位機、集中控制室內運行人員通過全廠輔控網上位機對系統設備發出控制命令，同時系統中各設備的運行狀態信息在水局域網控制系統上位機、全廠輔控網上位機和水局域網上位機的LCD 顯示器上直觀、動態地顯示出來。上位機監控網絡和PLC 之間通過光纖以太網接口進行通訊。PLC 通過I/0模件對現場設備進行控制。

綜上，電廠水系統的各控制系統聯成一個網，構成完整的水系統控制系統局域網絡，并連入全廠輔助系統集中監控網，通過水局域網控制系統上位機或者全廠輔助系統監控網絡上位機操作員站實現對整個水系統及設備的監視、操作與控制，并確保其正常、可靠運行，其中全廠輔助系統監控網絡上位機操作員站為電廠主控點，水局域網控制系統上位機為電廠水系統的輔控點。后續仍需對PLC 自動化程序設計升級，達到更好的運行性能。