低温多效蒸馏海水淡化控制系统的实现

曲径幽

(首钢京唐钢铁公司能源与环境部 河北唐山 063200)

1 海水淡化主体工艺流程

海水淡化的基本过程是海水在真空下的蒸馏（低温蒸发），蒸发器内换热管束水平布置，蒸汽在管内冷凝放热，进料海水喷淋至管束顶部，呈膜状向下流动并吸热部分蒸发，因此装置称为低温多效蒸发器。装置中低温蒸发独立发生的一段称为一效，共七效，第一效为最热效，第七效为最低温效。蒸发器内第七效后布置一管式冷凝器，其中海水走管侧升温但不产生蒸发，蒸汽走壳侧发生冷凝。运行时进入装置介质为蒸汽、海水，系统排出介质为浓盐水、冷凝水及成品水，主要工艺流程见图1 低温多效海水淡化流程示意图。

2 控制系统设计原则

控制系统的设计是以海水淡化工艺特点和应用要求为主要依据，本着从满足生产的实际需要出发，我们立足于建设高度集成自动化系统的宗旨，在带热蒸汽压缩低温多效海水淡化生产过程自动化系统的设计中，坚持着如下原则：

2.1 可靠性

对工业控制系统最基本的要求就是可靠性高。一旦系统出现故障，将造成整个控制过程的混乱，引起严重的后果，由此造成的损失往往大于控制系统本身的价值[1]。

2.2 实用性

实用性好包括三个含义，既使用方便又要便于维护，同时还能够最大限度地满足实际工作要求。对于本套自动控制系统的软硬件设备选型、系统配置、人机操作设计等方面，在满足生产、管理功能及可靠性需求的前提下，均采用了性能/价格比较优的产品与装置系统。

2.3 通用性

整个控制系统的结构具有较好的标准性、开放性与互连性，易于扩展和未来升级，以便使其与快速发展的自动化及信息化技术保持同步。在系统设计时，各设计指标要留有一定的余量，为日后系统的扩充创造了有利的条件[1]。

3 海水淡化控制系统的实现

3.1 海水淡化主体的控制系统硬件组成

图1 低温多效海水淡化流程示意图

（1）可编程序逻辑控制器（PLC）的配置

按照对控制系统高可靠性、实用性及通用性与易维护性的需要，海水淡化主体控制系统采用现今较先进的西门子公司S7-400 系列中的414H，搭配ET200M 分布式远程I/O 系统 和Y-LINK 组成了主体的自控系统[2]。每个主体由两套PLC 柜组成，系统包括一套冗错功能的西门子CPU414-4-2H，两个PS407 电源模块，3 个32 点数字量输入模块6ES7 321 -1BL00 -0AA0，8 个 通 信 模 块6ES7 153 -2AR03-0XA0，2 个32 点数字量输出模块6ES7 322-1BL00-0AA0,3 个8 点数字量输出模块6ES7 331-5FF00-0AB0,11 个8 点模拟量输入模块6ES7 331-7KF02-0AB0,6 个4 点模拟量输出模块6ES7 332-5HD01-0AB0 组成，I/O 点数的对照表见表1。

表1 模块的类型和数量

（2）操作员站和工程师站的配置

操作员站是海水淡化厂的监测与控制中心，具有数据存储、数据恢复、图形显示、参数处理、报警及打印等功能。配备21 英寸彩色液晶显示器（LCD）。整个控制系统设运行配置组态相同的两套操作员站，互为备用，即操作人员可以在任一台操作员站上监测与控制整个系统。当一台操作员站故障时，整套系统的操作、监测与控制不受影响。操作员站采用ABB 工业计算机。

配备1 台工程师站。工程师站的功能包括现场编程、调试和数据管理等，工程师站是承担从系统开发到系统保养等工程技术工作的多功能站，工程师站具有与操作员站一样操作运行的画面，在操作员站故障时，可代替操作员站使用。

（3）通讯设备的配置

考虑到与海水淡化整个系统的联网，每套海水淡化主体配备一台德国赫斯曼公司的RS20-0800M2M2SDAUHC 交换机一台，具备4 个光口和6个电口，用于与工程师站、操作员站、两套主体之间相互通讯。同时为了实现与低压电气系统的通讯，每套主体配备一个ANYBUS 网关，主要用来DP 网与低压电气系统DeviceNet 网络协议转换，确保PLC与电气低压系统MCC 之间的网络通讯畅通。

3.2 海水淡化主体控制系统软件平台

3.2.1 监控软件平台

在选择海水淡化主体上下位软件时，考虑到与硬件系统的兼容性及维护人员对软件的熟习程度，上位监控软件选择了西门子公司SIMATIC WinCC 6.0 系统。WinCC 是在生产和过程自动化中解决可视化和控制任务的工业技术系统，它提供了适用于工业的图形显示、消息、归档以及报表的功能模块。高性能的过程耦合、快速的画面更新、以及可靠的数据使其具有高度的实用性。采用WINCC 6.0 作为上位监控软件既能满足控制功能的需要，又与西门子S7-400H 系统相匹配，同时维护人员对该软件掌握的比较熟练，便于维护[3]。

3.2.2 编程软件平台

在编程软件的选择上，要求与监控软件要求一样，既要与硬件系统相匹配，又要选择维护人员熟习，便于掌握的编程软件，编程软件采用STEP7 V5.4，STEP7 是针对西门子S7-300/400 的组态和编程软件。它能完成基础自动化部分的功能，对应于控制系统的现场级和车间级。在首钢各生产厂中得到广泛的应用，可使用梯形图逻辑、功能块图和语句表进行编程操作。

3.3 海水淡化的网络结构

海水淡化区域主要由海水淡化主体，供配电系统、海水淡化预处理及加药系统以及泥处理等四部分。通过对星型、环形、双星型和双环形网络结构优缺点比较（见表2），确定了海水淡化区域选择环型网络拓扑结构，为了便于网络管理，各个系统的交换机进行统一选型，各个分系统的交换机均选择德国赫斯曼公司的RS20-0800M2M2SDAUHC 交换机一台，用于连接能源中心的交换机选择德国赫斯曼公司可扩展的模块化交换机MS20 系列，交换机由MS20-2400、MM2-4TX1 和MM3-4FXM2 三个模块组成。海水淡化区域网络见图2。

表2 网络拓扑结构优缺点

图2 海水淡化区域网络图

4 结束语

海水淡化控制系统是一个涉及设备较多、控制种类复杂的控制系统，综合运用了通信、网络、PLC、工业控制机、模糊控制、智能检测及自动控制等现代化信息和控制技术，实现对整个海水淡化生产过程的高度集成自动化控制。自从投入使用以来，生产运行平稳可靠，自动化控制效果良好，提高了生产效率、降低运行成本和劳动强度，取得了显著的经济效益和社会效益。

[1]郭巧菊.计算机分散控制系统[M]，北京：中国电力出版社，2008，33-35.

[2]陈章平.西门子S7-300/400 PLC 控制系统设计与应用[M]，北京：清华大学出版社2008，46-58.

[3]刘华波等.组态软件WINCC 及其应用[M]，北京：机械工业出版社，2009，77-81.