PLC在火电厂化学水预处理程控系统中的应用.docx

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PLC在火电厂化学水预处理程控系统中的应用

摘要

化学水处理是电厂运行的必要的步骤，由于为电厂供水的原水含有较多的杂质，不经过处理会造成管道的堵塞，设备的腐蚀最终影响生产，浪费人力物力，造成经济损失，降低经济效益。

所以完善的化学水处理系统可以提高电厂的工作质量，提高生产的工作效率。

我的毕业设计的设计方向就是西门子S7-200在化学水预处理系统中的应用，需要使用西门子公司的PLC产品来实现。

在控制领域，化学水处理的控制系统，有DCS控制系统，但和PLC比较，PLC的特点在于软硬件功能强大，编程成熟，及可靠的安全行，还有较好的性价比，所以系统多数是PLC构建的。

用PLC设计时，首先需要选择好程序所要用到的I/O点，并分配好地址。

然后在进行系统设计。

用PLC设计需要实现化学水处理的所有功能。

首先是澄清池的生水在规定范围内的加热，这里需要用到PLC的PID功能来调节澄清池的入口温度，来保证澄清池入出口温差小于2℃。

还有清水箱的液位分段控制澄清池入口调节门开度，需要用到PLC的APR功能块，进行分段设置，然后再进行控制。

出口浊度超标后的自动加药，则需要设置上限，当超过设定的上限时，自动加药。

澄清池的定期排污则用到了PLC的定时功能。

经过设计后，最终实现化学水处理的自动控制，其结果可通过上位机来显示。

同时还可以完成修改和手动操作的功能。

系统运行后，能减少了操作人员的工作量，提高工作效率。

同时还能及时监控，确保生产安全。

关键词PLC，化学水处理，程序控制

Abstract

Watertreatmentisnecessarystepstotheoperationofpowerplant.theplant'srawwatersupplycontainsmoreimpuritiesandnottreatedwillcausepipelineplug,theultimateimpactoftheproductionequipmentcorrosion,awasteofmanpowerandresources,resultingineconomiclossesandlowereconomicefficiency.Therefore,thewatertreatmentsystemcanworktoimproveplantqualityandefficiency.

MygraduatedDesignistheapplicationofprocessingwatertreatmentwithS7-200system,weneedtousethePLCofSimenscompany’sproductstoachievethegoals.

Inthecontrolsystemareas,thecontrolofwatertreatmentsystemshasDCScontrolsystems,andthePLC,butmoreusethePLC.APLCsoftwareandhardwarefeatureispowerful,matureprogramming,andreliablesecurityfirms,therearebetterandcheaper,thePlcsystemmostlybuilt.

UsingPlcdesign,wefirstneedtochoosegoodproceduresI/Opoint,anddistributionofgoodaddress.Thenbegindesigncontrolthesystem.

TheneedforwatertreatmentusingPLCdesignsallfunctions.Thefirstpointistoclarifytherawwaterpondsinthecontextoftheprovisionsoftheheating,thePIDofPLCfunctionusedhereneedstotheentranceofclarifypooltemperatureregulationtoensureclarificationpondintoexporttemperaturelessthantwodegrees.Alsohastheclearwatertankfluidpositionpiggy-backcontrolsettlingpondentranceadjustmentgateopening,needstousePLC‘sAPRfunctionblock,carriesonthepartitionestablishment,thencarriesonthecontrolagain.Afterexportationturbidityexceedingtheallowedfigureautomaticincreasemedicament,thenneedstoestablishtheupperlimit,whensurpassesthehypothesistheupperlimit,automaticincreasemedicament.ThesettlingpondregularpollutiondischargeusedPLCfixedtimethefunction.

Aftertheprocessdesign,finallyrealizesthechemistrywatertreatmentautomaticcontrol,itsresultmayshowthroughonpositionmachine.Simultaneouslyalsomaycompletetherevisionandthemanualoperationfunction.

Duringthesystemworking,itwillreduceoperator'sworkload,enhancedtheworkingefficiency.Simultaneouslyalsocanmonitorpromptly,guaranteestheproductionsafety.

KeyWordsPLC,WaterTreatment,Programmingcontrol

目录

摘要I

AbstractII

目录III

1引言-1-

2火电厂化学水处理系统综述-2-

2.1火电厂化学水处理系统发展现状-2-

2.2火电厂化学水处理系统的特点-2-

3PLC可编程序控制器介绍-4-

3.1可编程序控制器的概述-4-

3.2可编程序控制器的基本结构-4-

3.3可编程序控制器各部分的作用-5-

3.3.1中央处理器CPU-5-

3.3.2存储器-5-

3.3.3输入/输出接口-5-

3.3.4电源-6-

3.4可编程序控制器的工作原理-6-

3.5可编程序控制器的优点-7-

3.6可编程序控制器的发展方向-8-

3.7PLC硬件系统设计-8-

3.7.1PLC型号的选择-8-

3.7.2分配输入/输出点-10-

3.8西门子公司的S7-200PLC简介-10-

3.8.1系统设计的主要内容-11-

4上位机监控软件介绍-12-

5化学水预处理系统设计-14-

5.1设计的主要内容-14-

5.2设计目的-14-

5.2.1生水加热器（澄清池加热器）-14-

5.2.2澄清池-14-

5.3设计方法-15-

5.3.1生水加热器（澄清池加热器）-15-

5.3.2澄清池-15-

5.4设计步骤-15-

5.5系统流程图-16-

6梯形图分析-20-

6.1澄清池入口温度调节-20-

6.2澄清池入口调节门开度根据清水箱的液位高度分段控制-20-

6.3澄清池出口浊度超标后加助凝剂-20-

6.4定时排污-21-

结论-22-

致谢-23-

参考文献-24-

附录-25-

A1.1I/O点分配表-25-

A1.2系统梯形图-26-

1引言

一般电厂供水的原水含有较多的杂质，总体分为悬浮物、胶体物和溶解物质。

悬浮物的颗粒较大，由砂子、黏土类无机物和腐殖质等有机物组成。

它们很容易沉淀积聚，容易造成管道的堵塞。

胶体物颗粒是许多分子和离子的集合，它们可以在水温升高，水流速度变化，蒸发使其不断浓缩从而水质恶化产生许多危害，分为以下几类：

水垢的附着、系统设备腐蚀、微生物的繁衍、生物粘泥和污垢。

这些综合起来能够使设备的寿命降低、生产恶化。

当水与空气充分接触，溶解氧达到饱和状态，在设备中与金属接触能够发生氧化还原反应，同时水中的各类离子还能够加速这种反应，使得金属的腐蚀加重。

水中大多含有Ca和Mg离子，在水温升高时能够产生水垢，它们附着在设备表面，影响换热器的传热效率，引起设备垢下腐蚀。

这些危害不但会减少水的流量，降低效率，严重的还会使设备腐蚀穿孔，工艺介质渗漏导致水质恶化，而水质恶化又会加重危害形成恶性循环。

最终影响生产，浪费人力物力，造成经济损失，降低经济效益。

综上所述，化学水处理是提高投资效益，降低运行维护费的关键。

目前国内已建和在建的大型火电厂化学水控制系统基本处于3种状态：

落后的继电器控制方式，小型PLC和盘操共存模式，化学水子系统的2级控制模式。

综合许多电厂化学水控制系统的情况，主要存在以下特点和问题：

无论是继电器或PLC控制，位置均较为分散；保留着多种化学水处理的运行值班岗位；运行工作量较大，巡检点过多；化学仪表应用管理水平落后；系统较多，控制设备繁杂，备品备件种类多，资金积压严重，技术水平差异不等，维护工作量大；制水加药成本过高；控制工艺尚未完善，自动化水平不高。

随着大型火电机组生产规模不断扩大，化学水处理系统生产工艺日趋复杂化，相应的控制系统也发生了日新月异的变化。

面对种类较多的化学水系统，重复的运行管理机构，化学水处理系统相对集中的综合化控制模式将是未来一定时期发展的趋势。

PLC相对DCS等发展迅速应用广泛的系统具有其独特的优势。

从投资、安装、调试、运行、维护看化学水控制不宜进入主机DCS，因为化学水控制系统基本是开关量及逻辑运算，用PLC实现具有可靠性高，同DCS模块相比具有经济方便的特点。

由于其软硬件功能强大，编程成熟，通信网络的使用性，及可靠的安全性，还有较好的性价比，可以用PLC实现化学水综合控制系统。

设计的目的：

整个澄清池系统包括两个生水加热器，通过控制蒸汽管道上的蒸汽总门控制进入系统的蒸汽量，来保证澄清池入口生水的温度，进而控制澄清池入出口温差小于2℃。

澄清池系统包括三座澄清池，一套凝聚剂和助凝剂加药系统。

每座澄清池包括一个入口调节门、一台机械搅拌器、3个排污阀，加药系统包括3台助凝剂加药泵、两台助凝剂搅拌器和四台凝聚剂加药泵以及一台凝聚剂循环泵。

各个设备的控制均可通过操作站进行远方控制。

清水部分包括3个清水箱、5台清水泵和1个清水泵出口母管联络门。

清水泵及清水泵出口母管联络门的控制可通过操作站远方控制。

设计方法：

利用西门子S7-200系列可编程序控制器，实现上述预处理系统的控制功能，完成控制回路设计，完成PLC硬件配置、软件编程。

2火电厂化学水处理系统综述

2.1火电厂化学水处理系统发展现状

目前国内已建和在建的大型火电厂化学水控制系统基本处于3种状态。

（1）落后的继电器控制方式。

许多70-80年代投产的电厂，鉴于当时技术与资金条件，各化学水子系统设计较为简单，顺控功能单一，可监控设备范围较小。

基本是以小型模拟屏指示灯、报警光字排监视，用操作台上开关、按钮进行操作，通过一次表、二次仪表、模拟组装式仪表监测参数变化。

顺控基本依靠时间发讯器和中间继电器实现，通过简单的功能键盘进行顺控的启停、暂停、步进、正反洗、再生等功能。

方式落后陈旧，监测数据信息少，设备损坏率高，运行维护工作量较大。

（2）小型PLC和盘操共存模式。

从90年代开始，PLC逐渐成熟和广泛应用于电厂顺控领域，电厂的设备控制处于手动向自动过渡时期，既保持了硬操功能，又具有PLC自动的双重手段。

国内化学水行业中，由西南院、西安热工院在首阳山补给水处理顺控系统中首次将PLC组成的控制系统应用于工程设计，并取得成功。

此后，许多大型机组，在资金允许下进行了技改和新建，但仍局限于单个系统，保留一些盘台操作和模拟屏显示。

但由于当时技术所限，采用的上位机指标极低，速度较慢，监控软件画面单一，人机接口较差，信息量较少，缺乏相应的趋势、信号、多媒体报警等功能。

下位机PLC的选型偏小、偏杂，存在着扩展性差、通用性低、数据处理能力低及老型产品缺备件等缺点。

化学仪表品目繁多，许多仪表功能复杂，一些电厂应用在线仪表自动加药装置，取得了较好的经验，但存在着扩展联网性差的特点，仪表维护运行工作困难较多。

因此，这种过渡时期的设备，监测信息不足，仪器仪表应用混乱，运行维护工作量仍较大

（3）化学水子系统的2级控制模式。

进入90年代中期，经数年改进和提高，控制系统逐步成为完善的CRT与PLC2级控制站结构。

许多改造和筹建电厂已意识到未来控制系统发展趋势，控制系统采用全CRT监控、PLC热备的双层结构，应用范围已涵括所有化学水子系统，包括净水、反渗透、补给水、废水、凝水精处理、炉内水质分析、循环水等。

如邹县、湘潭、大庆石化、邵武、武钢自备、扬州二厂等电厂的补给水系统技改与新建，宝钢、石洞口一、二厂、嘉兴等电厂的反渗透技改与新建，青山、嘉兴等电厂的凝水精处理。

大量实践应用结果表明，计算机可应用到任何化学水系统中，采用子系统集中控制，符合未来联网趋势。

这种监控方式极大地提高了自动化水平，但仍存在着制水系统互相牵制，自动功能组不尽合理完善，子系统繁杂分散，设备品种多样等缺点，不利于达到减人增效的实际效果。

2.2火电厂化学水处理系统的特点

综合许多电厂化学水控制系统的情况，主要存在以下特点和问题：

各控制器的位置均较为分散；保留着多种化学水处理的运行值班岗位；运行工作量较大，巡检点过多；化学仪表应用管理水平落后；系统较多，控制设备繁杂，备品备件种类多，资金积压严重，技术水平差异不等，维护工作量大；制水加药成本过高；控制工艺尚未完善，自动化水平不高。

随着大型火电机组生产规模不断扩大，化学水处理系统生产工艺日趋复杂化，相应的控制系统也发生了日新月异的变化。

面对种类较多的化学水系统，重复的运行管理机构，化学水处理系统相对集中的综合化控制模式将是未来一定时期发展的趋势。

PLC相对DCS等发展迅速应用广泛的系统具有其独特的优势。

从投资、安装、调试、运行、维护看化学水控制不宜进入主机DCS，因为化学水控制系统基本是开关量及逻辑运算，用PLC实现具有可靠性高，同DCS模块相比具有经济方便的特点。

由于其软硬件功能强大，编程成熟，通信网络的使用性，及可靠的安全行，还有较好的性价比，可以用PLC实现化学水综合控制系统。

通过PLC做成的系统具有以下几个特点：

灵活的控制方式；系统具有就地、点操、步操、自动4种控制方式；灵活的运行方式；系统的自动化程度高。

工艺流程图及分系统流程图在上位机上显示，从分系统画面可以控制操作各床体的运行。

可以在上位机上设置各工艺步序时间。

具有数据采集、参数处理、越限报警、制表打印等功能。

3PLC可编程序控制器介绍

3.1可编程序控制器的概述

可编程序控制器（ProgrammableLogicController简称PLC）是一种专为在工业环境应用而设计的数字运算电子系统，它是以微处理机为基础。

综合了计算机技术，自动控制技术和通信技术等现代科技而发展起来的一种新星工业自动控制装置，是当今工业发达国家自动控制的标准设备之一。

由于PLC采用了“三机一体化”的综合技术（即集计算机，仪器仪表，电气控制于一身），具有高可靠性，强抗干扰能力，组合灵活，编程简单，维修方便和低成本等诸多特点，因而与其他控制器相比它更适合工业控制环境和市场的需求；再加上PLC发展过程中产品的系列化、产业化和标准化，使之从早期的逻辑控制，顺序控制迅速扩展到了连续控制，开始进入批量控制和过程控制领域，并迅速成为工业自动系统的支柱。

目前，PLC在小型化、大型化、大容量，强功能等方面有了质的飞跃。

3.2可编程序控制器的基本结构

可编程序控制器是一种以微处理器为核心的用于工业自动控制的工业控制机，其本质是一台工业控制专用计算机。

它的软、硬件配置与计算机极为相似，只不过它比一般的计算机具有更强的与工业过程相连接的接口和更直接的适应于控制要求的编程语言。

PLC主要有中央处理器、存储器、输入单元、输出单元、电源等各部分组成，其组成结构框图如图3.1所示。

图3.1PLC内部结构图

组合式结构PLC，各功能部件分别独立封装，通过总线相互连接，安装在机架的插槽内，其组成结构框图如图3.2所示。

图3.2PLC组成结构图

3.3可编程序控制器各部分的作用

3.3.1中央处理器CPU

中央处理器CPU由运算器、控制器和寄存器等组成，通过地址总线、数据总线和控制总线与存储器、I/O接口电路连接，CPU主要完成以下功能：

从存储器中读取指令、执行指令、处理中断、自诊断功能。

3.3.2存储器

存储器是具有记忆功能的半导体电路，用来存放系统程序和拥护程序。

主要分为只读存储器ROM和随机存储器RAM。

（1）只读存储器ROM中主要存放：

检查程序、键盘输入处理程序、编程语言翻译程序、

监控程序。

（2）随机存储器：

存储单元中的内容可根据需要随时读出和写入，读出时，存储内容不会丢失；写入时，原存储内容被新写入的信息覆盖。

RAM中一般存放拥护程序和逻辑变量。

3.3.3输入/输出接口

输入/输出接口是PLC主机与外部设备之间的连接电路。

为了提高抗干扰能力，一般输入、输出接口均有光电隔离电路，即由发光二极管和光电三极管组成的光电耦合器。

现场的输入信号如按钮开关、行程开关、限位开关以及传感输出的开关量和模拟量（压力、流量、温度、电压、电流）等，都要通过输入模块送到PLC，转换成CPU能够接受和处理的数字信号。

输出模块的作用是接受中央处理器处理过的数字信号，并把它转换成现场执行部件所能接受的控制信号，以驱动如电磁阀、灯光显示、电机等执行机构。

3.3.4电源

PLC的电源包括系统电源和后备。

PLC一般使用220V的交流电源，电源模块的作用就是将外部输入的交流电经过整流、滤波、稳压电路转换成PLC的CPU、存储器、I/O接口等内部电路所需要的直流电源。

3.4可编程序控制器的工作原理

PLC的CPU连续执行拥护程序，完成控制功能是以扫描方式进行的。

所谓扫描工作方式，即CPU从程序段的第一句顺序读取、顺序执行、直到最后一句，CPU在扫描周期中要完成如下任务：

输入处理阶段、执行程序、处理通讯请求、执行CPU自诊断测试、输出处理阶段。

（1）输入处理阶段

每次扫描周期开始时，先读数字输入点当前值，然后把这些值写到输入映像寄存器中。

（2）执行程序

在扫描周期执行程序阶段里，CPU执行程序是从第一条指令开始，直到最后一条指令结束。

不论在主程序中或中断程序执行过程中，直接I/O指令允许你对输入点和输出点直接存取。

如果在程序中使用了中断与中断时间相关的中断程序就作为程序的一部分存储下来。

中断程序只有在中断发生时才执行。

（3）处理通讯请求

在扫描周期的信息处理阶段，CPU处理从通讯端口接受到任何信息。

（4）执行CPU的自诊断测试

在扫描周期中，CPU检查其硬件，以及用户存储器，它也检查所有的I/O模块的状态。

（5）输出处理阶段

在每个扫描周期的结尾，CPU把存在输出映像寄存器的数据输送给数字输出点。

（6）输入和输出映像寄存器

输入和输出映像寄存器是在PLC的RAM工作区中将一特定区域的存储器单元作为输入映像寄存器和输出映像寄存器的存储区。

输入映像寄存器存储着对应位输入“继电器”的通/断状态，高电平“1”为通，低电平“0”为断。

此处“继电器”是指由系统软件程序赋予其具有继电器功能的“软继电器”，而非真正的物理继电器。

每位输入映像寄存器也对应着PLC每个实际输入端的通/断状态。

输入映像寄存器的内容只能被PLC中的CPU读出，而不能被改写。

输出映像寄存器单元存储着对应位输出“寄存器”的状态。

在执行用户程序时，输出映像寄存器既可被PLC的CPU读入，也可以被CPU改写。

在程序执行的过程中，对于输入或输出点的状态的存取通常是通过映像寄存器，而不是实际的输入/输出（I/O）点，这主要有三个原因：

同步扫描周期的开始采样所有输入，而在扫描周期的执行阶段就有了固定的输入，而当程序执行完后更新输出映像寄存器，这样就可以使系统更加稳定；用户程序存取映像寄存器要比I/O点快得多，因此执行程序更加快捷；I/O点必须按位来存取，而映像寄存器可按字节。

字或双字来存取，因此更有灵活性。

3.5可编程序控制器的优点

（1）配置方便：

可按控制系统的需要确定要使用哪家的PLC，那种类型的，用什么模块，要多少模块，确定后，到市场上定货购买即可。

（2）安装方便：

PLC硬件安装简单，组装容易。

外部接线有接线器，接线简单，而且一次接好后，更换模块时，把接线器安装到新模块上即可，都不必再接线。

内部什么线都不要接，只要作些必要的DIP开关设定或软件设定，以及编制好用户程序就可工作。

（3）编程方便：

PLC内部虽然没有什么实际的继电器、时间继电器、计数器，但它通过程序（软件）与系统内存，这些器件却实实在在地存在着。

其数量之多是继电器控制系统难以想象的。

即使是小型的PLC，内部继电器数都可以千计，时间继电器、计数也以百计。

而且，这些继电器的接点可无限次地使用。

PLC内部逻辑器件之多，用户用起来已不感到有什么限制。

唯一考虑的只是入出点。

而这个内部入出点即使用得再多，也无关紧要。

大型PLC的控制点数可达万点以上，哪有那么大的现实系统？

若实在不够，还可联网进行控制，不受什么限制。

PLC的指令系统也非常丰富，可毫不困难地实现种种开关量，以及模拟量的控制。

PLC还有存储数据的内存区，可存储控制过程的所有要保存的信息。

总之，由于PLC功能之强，发挥其在控制系统的作用，所受的限制已不是PLC本身，而是人们的想象力，或与其配套的其它硬件设施了。

PLC的外设很丰富，编程器种类很多，用起来都较方便，还有数据监控器，可监控PLC的工作。

使用PLC的软件也很多，不仅可用类似于继电电路设计的梯形图语言，有的还可用BASIC语言、C语言，以至于自然语言。

这些也为PLC编程提供了方便。

PLC的程序也便于存储、移植及再使用。

某定型产品用的PLC的程序完善之后，凡这种产品都可使用。

生产一台，拷贝一份即可。

这比起继电器电路台台设备都要接