基于PLC的电厂水处理系统控制方法研究

上海电力建设有限责任公司 吴秉泽

我公司响应国家“一带一路”号召，承建印尼哥伦打洛2×50MW(净输出)燃煤电站项目。#1#2机组共同设置一个集控楼，且使用一个集中控制室。主厂房布置设计采用三列式格局：汽机房、除氧煤仓间、锅炉房，#1#2机组的电子设备间布置在集控楼10m 层，集中控制室设在本工程主厂房煤仓间10m 层。

本工程辅助车间采用辅助车间（包括水、灰、煤系统）PLC 集中控制方式，在集控室的辅控操作员站，对全厂辅助系统进行集中监视。本文着重介绍基于PLC 的水处理系统的控制方法。

1 概述

1.1 工艺流程

本工程水处理系统采用“海淡预处理+膜法海水淡化+离子交换除盐”工艺系统，系统流程如下：

海水预处理来水→多介质过滤器→超滤→超滤水箱→超滤水泵→海水反渗透保安过滤器→海水反渗透高压泵→能量回收装置（透平）→海水反渗透→淡水箱→淡水反渗透保安过滤器→淡水反渗透高压泵→淡水反渗透装置→中间水箱→阳离子交换器→阴离子交换器→混合离子交换器→除盐水箱→除盐水泵→用水点。

1.2 子系统介绍

整个系统包含以下子系统：子系统1：预处理系统，包括多介质过滤器（MMF）系统、超滤（UF）系统；子系统2：预除盐系统，包括海水反渗透（SWRO）系统、淡水反渗透（BWRO）系统；子系统3：除盐系统，包括阳离子交换系统、阴离子交换系统、混合离子交换系统。

1.3 控制总则

控制模式。自动：完全接受PLC 自动控制，只要条件满足，按程序执行；步操：在一个步骤内接受PLC 控制，直至完成该步骤，后续步骤需要人为触发；手动：保护连锁接受PLC 控制，除此之外不受PLC 控制。

报警动作种类（二级报警）。I 停机报警：报警同时该系统自动转入停机状态；II 报警：人为干预处理，对系统无较大影响。控制画面功能。显示正在运行的步序；显示步序连续运行的时间，及至下一步序的剩余时间；显示所有可开放设置的变量点。系统启动时，默认优先启动A 设备，即KKS编码在前的设备（自用水泵除外，自用水泵B 为自用水泵A 和C 的备泵，即混床再生时，优先启动自用水泵C）。系统设计时，已考虑两列互备系统同时运行的情况与条件。但两列同时运行的情况属于非正常工况，需人为操作开启。

仅可在系统停机状态下进行操作模式的切换。一旦选定操作模式，系统进入运行状态后，不得再进行切换。

参数调节权限分三个级别。I 操作员级别（O）：可调节基本的运行参数，保证系统按实际工况运转；II 管理员级别（M）：拥有O 级别所有权限，此外可对性能参数进行调节；III 工程师级别（E）：有且仅有1个，拥有最高权限，可进入程序后台修改系统程序。

2 水系统集中控制网络

2.1 上位机系统

控制系统采用国际流行的上位机监控方式，取代传统的操作盘和模拟盘控制方式，整个系统的运行操作和监视全部在上位机实现[1]。在上位机上不仅能显示阀门、泵、风机等系统设备的过程参数、运行状态、报警等，还可以进行各运行方式的选择和切换，进行自动相控操作，同时还具有模拟量参数显示、自动打印制表、多类型图显示、声控报警等功能[2]。

水处理局域网控制系统共设置2台冗余的上位机，通过通讯连在数据通讯网络上，每台上位机都是冗余通讯网络上的一个站，每台上位机应具有独立的冗余通讯处理模件，水处理局域网中有一台上位机配备完善的编程、组态软件，能够实现所有相关系统工程师站的功能。

2.2 可编程序控制器PLC

本工程PLC 成套带有双机热备中央处理单元（CPU），冗余的电源模件，冗余的通讯模件，输入输出模件，存储器，外壳，专用连接电缆及连接件和实时操作系统等。PLC 主机和备用机采用完全相同的配置，即双机架、双电源、双CPU、双通讯模块，双机无扰切换。

系统中所有模件可带电插拔（包括CPU、电源模块、通讯模块、I/0模块）支持不停机维修；输出模块要求带预设置故障处理功能便于更换。每个机柜内均应提供每种类型I/0总量的15%作备用，所有备用I/0测点都配置必要的硬件，如端子排等，保证测点接入就能投入运行。机柜模件插槽留有扩充20% I/0的备用余地，备用插槽配置必要的硬件，保证今后插入模件就能投入运行。

系统采用适当的冗余配置和可诊断到通道级的自诊断技术，使其具有高度的可靠性。系统内任一组件发生故障，均不会影响整个系统的工作[3]。

2.3 PLC 的成套范围和功能

2.3.1 中央处理单元CPU

为提高控制系统的可靠性，系统PLC 主机设备采用双机（CPU）在线热备冗余配置。 即配备2套CPU，2套CPU 装入相同控制程序，当工作CPU出现故障时，备用CPU 能自动切换至工作状态，系统的控制或保护功能不因切换而丢失或延迟[4]。

2.3.2 数据通讯系统

水网（水处理及海水淡化系统、海水预处理及综合水泵房系统、工业废水处理系统）的冗余的工业交换机安装于各自系统的PLC 柜内，与双机热备PLC 机架上冗余的通讯接口模件进行双冗余联接，要求同时满足设备冗余和连接冗余，以保证可靠和高效的系统通讯[4]。

连接到数据通讯系统上的任一系统或设备发生故障，不会导致通讯系统瘫痪或影响其他联网系统和设备的工作。所提供的数据通讯网络是冗余的自愈环网。环网自愈时间应不大于500ms，自愈切换时整个系统无扰动。

数据通讯网络具备网管功能。通讯故障发生时，网管系统应能够远程诊断，故障定位。且自动报警。

3 水系统集中控制系统

3.1 工艺系统

3.1.1 水处理系统

水处理系统由海水淡化和后续的锅炉补给水除盐系统两部分组成，流程为：过滤后海水（添加杀菌剂）→多介质过滤器→超滤→超滤水箱→超滤水泵（添加还原剂、阻垢剂）→海水保安过滤器→海水高压泵→海水反渗透设备→淡水箱→淡水泵（添加碱）→淡水保安过滤器→淡水高压泵→淡水反渗透设备→中间水箱→中间水泵→阳床→阴床→混床→除盐水箱→除盐水泵→主厂房→中间水箱→工业水补充水泵→工业生活用水点。

混床再生系统配置了酸碱贮存罐、喷射器及相应的设备。同时，相应的反渗透和过滤系统用反洗、清洗和加药系统随系统需要配置。

水处理及海淡系统输入／输出I/0信号数量如下：AI 172、AO 27、DI 508、DO 258、RTD 18，共983点。信号直接接入水处理系统PLC 控制系统，距离大约200m。水处理系统控制室设置l 套CPU冗余PLC、2台上位机，配置双冗余的工业级交换机，并至少满足每台2个l00M 单模光口、4个10/l00M电口的要求，从而实现与水局域网控制系统的双向冗余数据通讯，与水局域网控制系统的通讯接口为光纤以太网接口。

3.1.2 海水预处理及综合水泵房

海水预处理及综合水泵房系统共安装各类水泵共11台，其中生活水泵3台，2运1备；电动消防水泵1台，柴油消防水泵l 台，电动和柴油消防水泵1运1备；稳压泵2台，1运1备；化水原水泵2台，1运1备；反洗水泵2台。

综合水泵房输入／输出I/0信号数量如下：AI 30、AO 3、DI 150、DO 70、RTD 10，共263点。海水预处理输入／输出I/0信号数量如下：AI 35、A0 6、DI 66、D0 26、RTD 3，共126点。海水预处理及综合水泵房均作为远程I/0采用光纤通讯接入布置在水处理控制室的非经常性废水处理系统PLC，综合水泵房距离水处理控制室约为200m，海水预处理距离水处理控制室约为500m。

海水预处理及综合水泵房设备厂家随工艺设备配供2套小PLC，如下：加助凝剂控制装置的PLC控制系统，部分重要信号采用硬接线方式接入海水预处理PLC 控制系统，同时采用MODBUS-RS485协议通讯接入海水预处理及综合水泵房PLC 控制系统，距离大约80m；原水加NaClO2装置的PLC 控制系统，部分重要信号采用硬接线方式接入综合水泵房PLC 控制系统，同时采用MODBUS-RS485协议通讯接入综合水泵房PLC 控制系统，距离大约50m。

3.1.3 非经常性工业废水处理系统

非经常性工业废水处理系统共安装各类泵共27台，其中废水输送泵4台，废水泵2台，清水泵2台，反洗水泵2台，非经常性废水处理系统输入／输出I/0信号如下：AI 45、A0 15、DI 262、DO 146、RTD 3；共471点。非经常性废水处理系统设置1套CPU 冗余PLC，配置双冗余的工业级交换机，并至少满足每台2个l00M 单模光口、4个10/l00M 电口的要求，从而实现与水局域网控制系统的双向冗余数据通讯，与水局域网控制系统的通讯接口应为光纤以太网接口，系统程控设备均布置在水处理控制室。

此外，还有电解海水制次氯酸钠系统采用MODBUS-RS485协议通讯接入水网PLC 控制系统，距离大约2km；生活污水处理系统的PLC 控制系统采用MODBUS-RS485协议通讯接入水网PLC控制系统，距离大约500m；含煤废水处理系统的PLC 控制系统采用MODBUS-RS485协议通讯接入水网PLC 控制系统，距离大约200m。

3.2 系统配置及控制方式

3.2.1 系统配置

水处理系统局域网控制系统采用PLC ＋网络＋上位机并接入辅助系统集中监控网的分级控制结构方式，其中水处理及海淡系统、海水预处理及综合水泵房控制系统、非经常性工业废水处理控制系统共2套CPU 冗余配置的PLC，2套调试操作员站／工程师站（上位机），1台A3/A4黑白网络打印机。以上系统和设备通过冗余的以太网交换机连接构成一个完整的网络控制系统。

3.2.2 控制方式

控制系统通常使用自动控制运行方式。运行人员启动系统设备后，控制系统按预先编制好的启动顺序、时间顺序、联锁条件等自动控制全部被控设备的启停、切换等，并自动停运或人工停运，或某个（控制系统以外的）异常情况导致系统停运。不论哪种方式，急停都是有效的。

4 系统监控功能

控制系统采用可编程控制器PLC 加水局域网上位机并接入全厂辅助系统监控网络的分级控制结构方式，水局域网控制系统上位机、全厂辅控网上位机能对水系统等系统进行监视和控制。当水局域网上位机进行操作时，发出闭锁信号，自动闭锁上级上位机的操作，以保证任何时候，只有一方的操作指令有效，并在上级上位机上显示。水局域网控制室内运行人员通过水局域网上位机、集中控制室内运行人员通过全厂辅控网上位机对系统设备发出控制命令，同时系统中各设备的运行状态信息在水局域网控制系统上位机、全厂辅控网上位机和水局域网上位机的LCD 显示器上直观、动态地显示出来。上位机监控网络和PLC 之间通过光纤以太网接口进行通讯。PLC 通过I/0模件对现场设备进行控制。

综上，电厂水系统的各控制系统联成一个网，构成完整的水系统控制系统局域网络，并连入全厂辅助系统集中监控网，通过水局域网控制系统上位机或者全厂辅助系统监控网络上位机操作员站实现对整个水系统及设备的监视、操作与控制，并确保其正常、可靠运行，其中全厂辅助系统监控网络上位机操作员站为电厂主控点，水局域网控制系统上位机为电厂水系统的辅控点。后续仍需对PLC 自动化程序设计升级，达到更好的运行性能。