基于PLC的电厂化学水处理程控系统设计.docx
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基于PLC的电厂化学水处理程控系统设计
基于PLC的电厂化学水处理程控系统设计
摘要
化学水处理控制系统是电厂中非常重要的一部分，自然水中含有大量对电厂设备有腐蚀性的成分，直接使用会对设备造成极大的破坏，因此必须经过严格的处理才能使用。
本课题先分析了传统控制方式和现代控制方式的优缺点，然后分析自然水的成分及其对化学水处理的影响，再分析选择化学水处理工艺，并完成此次设计的系统硬件配置和软件设计。
根据分析，本次设计选择的工艺为反渗透（RO）—混床工艺流程，选择双滤料过滤器、反渗透装置以及混床等为主体装置，进行了PLC输入/输出分配、外部接线图的设计及控制系统的流程图的设计，并用STEP7编译软件编制了控制系统的梯形图并转换为指令语句。
该系统经过模拟调试，可有效实现过滤器的运行与反洗，反渗透的运行和混床的运行、反洗和再生功能。
关键词工艺，PLC，梯形图，模拟调试
ABSTRACT
Thesystemofchemicalwatertreatmentisanimportantauxiliarysystemofpowerplant，naturalwatercontainscorrosiveingredientsinalargenumberofpowerplantequipment.usingitdirectlycancauseagreatdamagetotheequipment,soitmusttobetreatedbeforeusingit.First，theprojectanalysesthequalityofnaturalwaterandtheinfluenceofimpurityonchemicalwatertreatment,andthenchoosesthechemicalwatertreatmenttechnicsofpowerplant.Onthebasis,itcompleteshardwareconfigurationandsoftwaredesignofchemicalwatertreatmentcontrolsystem.Accordingtotheanalysis,theprojectchoosesthecraftofreverseosmosis（RO）-mixedbed,usingdual-mediafilters,reverseosmosisdevicesandmixedbedsandsoon.AfterthedesignofPLCI/Oassignmentandtheexteriordiagramsandtheflowchartsofthecontrolsystem,itcompilersLadderDiagramofcontrolsystemwithSTEP7andtransformsitintodirectivestatements.Throughsimulativedebugging,Thissystemcanefficientlyrealizetheoperationandbackwashingoffilters,therunningofreverseosmosisandtheoperation,backwashingandregenerationofmixedbeds.
KeywordsCraft,PLC,Ladderdiagram,Simulationdebugging
1绪论
本章主要讨论电厂化学水处理控制系统存在的必要性和研究该课题的意义，并总结对于化学水控制系统传统的研究方式和现代研究方式两种研究方式的优缺点和其中存在的问题。
1.1课题研究的背景和意义
随着我国工业的快速发展，对电力能源的需求也急剧增加，电力行业作为经济发展的动力部门，有着良好的发展前景，而就目前我国的电力技术水平而言，火力发电仍然处于重要的位置，因此，提高火力发电厂的自动化水平是提高热电力经济效益的重要发展途径。
化学水处理系统是火力发电厂中非常重要的部分，自然水中含有非常多对设备有害的物质，直接使用会对电力设备产生腐蚀性地破坏。
天然水经过混凝沉淀可以除掉大部分悬浮物，看起来是干净透明的，但是仍然残留细小的悬浮物，会在离子交换时污染交换剂，影响整个出水水质。
且水质硬度并未改变，加上水中含有盐，根本达不到电厂化学水处理要求。
整个水处理系统操作步骤繁多、对水质地要求极高、工艺繁多而且复杂，加上大多是阀门，如果各阀门的操作都由人控制不但会增加运行人员的劳动强度，还可能增加误操作的可能性，很难保证系统的安全及运行稳定性，如果采用传统的常规仪表盘控制方式也很难满足系统的整体控制要求，因此必须研究出新的控制系统来提高化学水处理系统的控制水平。
PLC系统是电厂化学水处理中应用得非常广泛的系统，PLC编程方便，可靠性高，易于使用，没有太多的环境条件限制，而且与其他装置连接方便。
其广泛应用于汽车，轻工业造纸厂，石油化工，电厂等污染领域，其无论是在硬件系统还是软件组态和应用管理上都取得了较为成熟的经验，本课题采用PLC控制方式。
1.2研究现状
1.2.1传统控制方式
传统的化学水处理控制系统大多采用常规仪表盘控制和一些落后的继电器控制方式，这种落后的控制方式仍然使用于一些落后国家的电厂。
很多70、80年代投产的电厂，由于当时技术和经济条件的限制，各化学水处理子系统使用继电器控制设计顺控功能单一，基本上以小型模拟屏指示灯报警光字排监视，用仪器的开关按钮操作，通过各仪表检测数据变化。
依靠时间和中间继电器来控制启动、暂停、步进、正反洗、再生、停止的等功能。
这种方式监测到的数据极少，设备非常容易损坏，维修比较复杂而且消耗时间。
1.2.2现代控制方式
PLC控制方式是目前火电厂中应用最广泛的控制方式。
PLC控制方式综合了计算机技术、通信技术和自动化控制技术。
因为PLC控制系统功能完善，安全可靠，操作简便，所以PLC控制系统是电厂中应用最多的辅助系统，由于其突出的控制优势，也符合自动控制的发展趋势，也因此广泛应用于工业生产控制中，例如：
机械制造、石油化工、汽车、冶金钢铁、造纸厂、轻工业、电厂的污水处理系统。
经过长期地探索和使用，PLC控制无论是硬件组态还是软件组态和管理上都有了比较成熟的经验，所以本课题采用PLC控制方式。
1.2.3存在的问题
总观大多数电厂化学水处理控制系统的情况，存在的问题还很多，主要是PLC或者继电器控制都保留有运行值班岗位，且系统中各部分位置较分散，运行工作量很大，需要巡检的地方过多。
化学仪表不一致，质量得不到保证，易老化，购置开支过大。
控制设备繁多复杂，同时使得资金积压问题严重，技术水平差异也很大。
水处理过程中药品成本大，控制工艺不够完善，自动化水平低。
随着PLC控制技术的广泛使用和推广，尤其是近年来在电厂化学水处理系统中的快速发展使用，很多生产厂家都看到PLC控制技术在电厂化学水处理控制系统中的良好发展前景，纷纷抢入这块市场。
随之而来的问题也增加了，他们的技术水平差异大，生产的产品质量差异也就大了。
在竞争激烈的现代社会，很多企业以较低的价格赢得竞标项目，由于经济的限制，系统往往会出现独立性，维护也会出现相应的难度，系统的兼容性变差，开放性能变差，甚至导致信息资源无法向外传达，导致水处理系统成为整个厂房的死区。
电能需求的急剧增加导致机组容量增加，化学水处理系统的容量也增加，PLC控制系统的输入输出I/O测点也会随之增加，各类模件增加，机柜数量巨大，系统也就复杂起来了。
可以直接想象的结果就是电厂将花费巨大的资金来建设庞大的PLC硬件系统。
1.3本文设计内容
本文首先讨论电厂化学水处理程控系统的背景和研究意义，然后分析传统控制方式和现代控制方式的优缺点，接着分析自然水和电厂化学水的成分及其对化学水处理的影响，再分析选择化学水处理工艺，然后完成此次设计的系统硬件配置和软件设计。
本次设计选择的工艺为反渗透（RO）—混床工艺流程，在此选择双滤料过滤器、反渗透装置以及混床等为主体装置，进行了PLC的I/O分配、外部接线图的设计及控制系统的流程图的设计，用STEP7编译软件编制了控制系统的梯形图并转换为指令语句。
最后进行程序的模拟调试，经过调试，该系统可有效实现过滤器的运行与反洗，反渗透的运行和混床的运行、反洗和再生功能。
2电厂化学水水质分析及处理
热力系统中水质是影响热力设备安全可靠运行的一个重要因素，由于没有经过严格净化处理的天然水含有很多对设备有害的杂质，直接进入系统会产生较为严重的危害。
最为明显的就是热力设备结垢，如果使用的水没有经过处理或者处理不完善就进入系统，长此以往，设备与水接触的地方会出现一些明显的固体附着物，这种现象是结垢现象，受热面上的固体附着物为水垢。
水垢会使锅炉变形、鼓包甚至引起爆炸。
还会产生热力设备腐蚀的严重后果，水质达不到要求就会使热力设备金属腐蚀，从而使得设备寿命减短。
金属腐蚀产物进入水中使得水中杂，催化了结垢的过程，结垢又让腐蚀加剧，从而形成恶性循环。
故电厂使用的水必须经过严格净化，所以我们必须先对天然水电厂化学水进行水质分析，然后根据水质情况采取相应的净化措施进行处理，达到电厂用水要求。
本章主要对天然水水质和电厂化学水进行分析，针对会损害系统设备的成分进行了相应地处理方法选择。
对目前的四种主要处理工艺进行分析对比，选出本次设计的方案。
2.1天然水中的杂质
2.1.1悬浮物
悬浮物是直径在100nm到1μm间的物质粒子，在水中不稳定，分布不均匀，是需要除去的物质。
2.1.2胶体
胶体是颗粒直径在1nm到100nm之间的粒子，主要是铁铝硅化合物的无机胶体和动植物有机胶体的分解产物、蛋白质、脂肪、腐殖质的有机胶体，往往是分子或离子的集合体。
悬浮物和胶体是造成天然水浑浊的重要因素，故采用混凝、沉淀和过滤的方法进行首先清除。
2.1.3溶解物质
溶解物质通常以离子或分子的形式存在于水中，直径小于1nm，是均匀的分散体系。
这类杂质只能采用蒸馏、膜分离和离子交换的方法除去。
2.2电厂化学水除杂
经过对天然水的成分分析，电厂化学水除杂首先应该对天然水进行预处理，除去天然水中的悬浮物和胶体，这个处理过程会影响后面的处理过程和出水水质。
若该过程不达标，后面的处理不能完成。
然后就是进行有害溶解物质的除去，该部分主要有三类：
一，呈离子状态的物质天然水中的主要阳离子Ca2+、Mg2+，主要阴离子HCO3-；二，溶解气体CO2，该气体对金属设备会产生腐蚀作用；三，主要化合物，碳酸化合物，是锅炉水必须除去的物质，是造成结垢和腐蚀的重要因素。
2.3工艺流程选择
经过对天然水和化学水的分析，选择工艺流程。
目前存在的工艺流程主要有以下几种：
①复床-混床工艺：
主体设备包括过滤器、阴床、阳床、混床。
②电渗析（ED）-混床工艺：
主体设备包括过滤器、电渗析、混床。
③电渗析（ED）-反渗透（RO）工艺：
主体设备包括过滤器、电渗析、反渗透。
④反渗透（RO）-混床工艺：
主体设备包括过滤器、反渗透混床。
其中，第一种工艺是比较传统的工艺，是目前电厂中使用较普遍的工艺，该工艺设备中树脂利用率过低，反洗再生工序特别麻烦，所花时间长，尤其对环境污染很严重。
所以现在部分电厂已经在改造，新建的电厂不再采用此工艺。
第二种工艺采用电渗析法，以直流电能为动力，利用离子交换膜的选择透过性，将水中的溶质分离出来的一种膜分离法。
这种方法在我国一小部分电厂作为离子交换化学除盐系统的欲脱盐系统得到应用。
该工艺对水的预处理要求极高，实现有相当程度的难度。
所以本课题不采用此方案。
第三种方法同样也涉及到电渗析法，同理不采用该方案。
第四种方法采用反渗透，反渗透是20世纪60年代发展起来的一种水处理工艺，利用压差为动力进行膜分离过滤，对锅炉等工业用水采用膜分离和离子交换组合，已经在工业废水处理，城市用水和海水淡化等方面取得显著成效，我国新建电厂锅炉补给水系统大多采用这种工艺，故本课题采用这种工艺。
随着世界经济的快速发展，环境受到的破坏也日益严重，地表水和地下水都受到不同程度的污染，使得这些水含盐量增高。
我国的淡水资源稀缺，要减少工业用水量就必须提高水的循环利用率，对废水进行处理利用。
火力发电厂要要压缩实际工业用水量就可以将电厂循环水系统的排水转为锅炉补给水。
但是循环水排污废水的含盐量比循环补充水的含盐量高很多，若将循环水排污废水作为锅炉补充水，工艺上仍采用传统的离子交换，就需要大量的酸碱药剂，长此以往，购买酸碱药剂师一笔非常庞大的开支，同时大量酸碱药水的使用会对环境造成极大的污染。
这个过程再生频繁，程序较多，操作管理也多有不便，故不能单纯使用离子交换除盐。
国内化学水处理系统在一级除盐过程中多数都采用弱阳离子交换器、强阳离子交换器、弱阴离子交换器和强阴离子交换器进行分别除盐。
相比而言，反渗透技术就更加先进和方便，本课题设计的系统采用反渗透技术，采用双料过滤器、反渗透和混床系统对锅炉用水进行处理。
该系统投资较少、运行费用较低、运行操作简单、环境污染极小，具有很大的可行性。
工艺流程图如下图2.1所示：
3系统硬件配置
本章根据前一章选择的工艺，对系统进行系统硬件的配置及相应的配置介绍。
在此拟用双料过滤器五台、反渗透装置两套、除碳器一套、混床两台以及其他一些辅助装置。
本章主要介绍可编程序控制器（PLC）及其特点，同时选择PLC，并对其进行输入输出地址分配，做出外部接线图。
还介绍了双滤料过滤器，反渗透装置和混床等装置的结构、工作原理以及在本系统中的应用以及几种常用的除盐水箱密封技术及其优缺点比较和其它的一些检测装置。
3.1PLC的介绍
可编程序控制器（ProgrammableController）简称PLC，是一种以微处理器为基础的通用工业自动控制装置，综合了自动控制技术、通信网络技术、计算机技术、半导体集成技术和数字技术，面向控制过程和用户，适应工业环境、操作方便、可靠性高，成为现代工业控制最重要的支柱之一。
PLC采用可编程存储器用于内部存储程序，执行逻辑运算，顺序控制，定时计数，算数操作等。
是面向用户的指令，通过数字或模拟式输入输出的方式控制各种机器和生产过程。
可编程序控制器的出现迅速替代了传统的继电器控制，提高了工厂自动化水平。
3.2PLC的特点
目前世界上生产PLC的厂家很多，他们生产的产品也不尽相同，但是产品的基本特征大致相同：
①机型系列化
②采用多个处理器
③存储能力强
④输入输出接口强大
⑤采用智能外围接口，功能强大
⑥编程语言通俗化
⑦便于实现网络化
3.3PLC的选择
经过学习考量，本设计系统选用西门子公司的S7-300系列的PLC。
S7－300是模块化的中小型PLC的硬件系统，能够满足中等性能要求的应用，已成为各种小规模和中等性能要求控制任务中比较方便和经济的解决方案，在各类型专用机床、机械制造、汽车工业、食品和烟草工业、楼宇工程等过程控制工程、生产制造工程、塑料加工、包装等工业领域实现多种多样的自动化控制任务。
S7—300还具有以下特点:
①循环周期很短，处理速度快
②指令集功能强大，可用在功能复杂的场合
③产品设计紧凑，可用在有限空间里
④具有模块化结构，适合密集安装
⑤有各种不同的CPU和各种各样的功能模块和I/O模块可供选择
⑥免维护
根据上一章硬件设计，化学水处理系统中有很多阀门、泵、风机等开关量控制，要求控制可靠性高。
在本系统中，共有各种输入/输出量120点左右，提供I/O总量的1/5备用。
中央处理单元CPU设置足够容量的存储器，考虑1/2作为备用。
通过分析CPU选用CPU312。
系统总图如下图3.1：
图3.1系统总图
3.4PLC程序的I/O地址分配
I/O地址表如下表3.1和表3.2
表3.1输入地址分配表
编程元件输入
I/O端口
电路器件
作用
I/O端口
电路器件
作用
I0.0
S1
系统总启动
I2.5
S15
备用泵启动
I0.1
S2
系统总关闭
I2.6
S16
备用风机启动
I0.2
S3
清水泵启动
I3.0
D1
1#反洗电导率高
I0.3
S4
清水泵关闭
I3.1
D2
2#反洗电导率高
I0.4
S5
1#双滤器启动
I3.2
D3
3#反洗电导率高
I0.5
S6
1#双滤器关闭
I3.3
D4
4#反洗电导率高
I0.6
Y1
1#压差高
I3.4
D5
5#反洗电导率高
I1.0
S7
2#双滤启动
I3.5
FD1
1#反渗电导率高
I1.1
S8
2#双滤关闭
I3.6
FD2
2#反渗电导率高
I1.2
Y2
2#压差高
I4.0
S17
1#高压泵停
I1.3
S9
3#双滤器启动
I4.1
S18
2#高压泵停
I1.4
S10
3#双滤关闭
I4.2
W1
1#保安水位高
I1.5
Y3
3#压差高
I4.3
S19
3#高压泵停
I1.6
S11
4#双滤器启动
I4.4
W2
2#保安水位高
I2.0
S12
4#双滤器关闭
I4.5
S20
4#高压泵停
I2.1
Y4
4#压差高
I4.6
S21
冲洗泵停
I2.2
S13
5#双滤器启动
I5.0
H1
1#混电率<0.5
I2.3
S14
5#双滤器关闭
I5.1
H2
2#混电率<0.5
I2.4
Y5
5#压差高
表3.2输出地址分配表
编程元件输出
I/O端口
电路器件
作用
I/O端口
电路器件
作用
Q8.0
GB
过滤泵
Q13.4
CQ5
5#反洗出气阀
Q8.1
BG
备用过滤泵
Q13.5
FP5
5#反洗排水阀
Q8.2
JF1
1#过滤器进水阀
Q13.6
HF1
1组高压水泵后阀
Q8.3
CF1
1#过滤器出水阀
Q14.0
QF1
1#保安前阀
Q8.4
JF2
2#过滤器进水阀
Q14.1
BH1
1#保安后阀
Q8.5
CF2
2#过滤器出水阀
Q14.2
YB1
1#高压泵
Q8.6
JF3
3#过滤器进水阀
Q14.3
YB2
2#高压泵
Q9.0
CF3
3#过滤器出水阀
Q14.4
BP1
1#保安水箱排水阀
Q9.1
JF4
4#过滤器进水阀
Q14.5
HF2
2组高压水泵后阀
Q9.2
CF4
4#过滤器出水阀
Q14.6
QF2
2#保安前阀
Q9.3
JF5
5#过滤器进水阀
Q15.0
BH2
2#保安后阀
Q9.4
CF5
5#过滤器出水阀
Q15.1
YB3
3#高压泵
Q9.5
CB
冲洗泵
Q15.2
YB4
4#高压泵
Q9.6
BC
备用泵
Q15.3
BP2
2#保安水箱排水阀
Q10.0
GF
风机
Q15.4
CX1
1#冲洗阀
Q10.1
BF
备用风机
Q15.5
CX2
2#冲洗阀
Q10.2
FJ1
1#反洗进水阀
Q15.6
CQ2
冲洗前阀
Q10.3
FC1
1#反洗出水阀
Q16.0
CXB
冲洗泵
Q10.4
JQ1
1#反洗进气阀
Q16.1
HJ1
1#混床进水阀
Q10.5
CQ1
1#反洗出气阀
Q16.2
HC1
1#混床出水阀
Q10.6
FP1
1#反洗排水阀
Q16.3
HR1
1#反洗入水阀
Q11.0
FJ2
2#反洗进水阀
Q16.4
HC1
1#反洗出水阀
Q11.1
FC2
2#反洗出水阀
Q16.5
HP1
1#排水阀
Q11.2
JQ2
2#反洗进气阀
Q16.6
JJ1
1#进碱阀
Q11.3
CQ2
2#反洗出气阀
Q17.0
JS1
1#进酸阀
Q11.4
FP2
2#反洗排水阀
Q17.1
PF1
1#排废液阀
Q11.5
FJ3
3#反洗进水阀
Q17.2
HX1
1#冲洗阀
Q11.6
FC3
3#反洗出水阀
Q17.3
HB
冲洗泵
Q12.0
JQ3
3#反洗进气阀
Q17.4
HF
风机
Q12.1
CQ3
3#反洗出气阀
Q17.5
HJ2
2#混床进水阀
Q12.2
FP3
3#反洗排水阀
Q17.6
HC2
2#混床出水阀
Q12.3
FJ4
4#反洗进水阀
Q18.0
HR2
2#反洗入水阀
Q12.4
FC4
4#反洗出水阀
Q18.1
HC2
2#反洗出水阀
Q12.5
JQ4
4#反洗进气阀
Q18.2
HP2
2#排水阀
Q12.6
CQ4
4#反洗出气阀
Q18.3
JJ2
2#进碱阀
Q13.0
FP4
4#反洗排水阀
Q18.4
JS2
2#进酸阀
Q13.1
FJ5
5#反洗进水阀
Q18.5
PF2
2#排废液阀
Q13.2
FC5
5#反洗出水阀
Q18.6
HX2
2#冲洗阀
Q13.3
JQ5
5#反洗进气阀
3.5PLC外部接线图
下图3.2为PLC外部接线图
图3.2PLC外部接线图
（续）图3.2PLC外部接线图
3.6双料过滤器
3.6.1双料过滤器的概述
双料过滤器含有石英砂和无烟煤两种过滤介质，所以叫双料过滤器，采用雨淋式过滤结构，过滤设备里的滤料在水的作用下呈现分层排列状态，大颗粒在下面，小颗粒在上面。
当水从上向下流过过滤层时，滤料颗粒表面吸附水中的微小悬浮颗粒，被截留下来的微小悬浮颗粒在滤料颗粒表面相互重合，形成另外一层过滤膜。
小于滤料颗粒间间隙的悬浮物则进入排列紧密的滤层内部，水在这样的通道内流动，就有更多机会与滤料颗粒碰撞，这样水中的凝絮和悬浮物就能与滤料相互粘合，被滤料截留吸附，称为渗透过滤。
3.6.2双料过滤器的工作原理
双料过滤器以较大粒径的无烟煤和较小粒径的石英砂为滤料，使滤层分布接近最理想的分布情况，就可以达到最佳截污效果。
滤料比重的不同可以使反洗时滤层不混合。
过滤器的运行是周期性的，每次过滤之后都要反洗，反洗可以清除掉滤层中累积的污物，使得滤料恢复，再次具备截污能力。
反洗常用压缩空气搅拌。
该设备广泛应用于油田、化工、冶金、纺织等行业的工业废水处理中。
3.6.3双料过滤器的优点
①结构较紧凑、运行平稳、操作方便
②设备滤速大、过滤精度高、截污能力强
③反洗比较彻底、维护很方便、自动化程度极高适用于水的深度处理，能较精细地处理水中的悬浮物胶体等物质。
本课题选用双料过滤器作为本系统的预处理装置，除去水中的悬浮物和胶体等。
选用五台双料过滤器，将其中四台分成两组，每组两台，每次每组启动一台，余下的一台作为紧急备用。
3.7反渗透装置
3.7.1反渗透装置的概述
反渗透也成为逆渗透（RO），是20世纪60年代发展起来的一种膜分离技术，其孔径≤10nm，可以去除滤液中的离子和分子直径小的物
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