锅炉水处理自动监控系统的设计


瑞兹科技——优质的水处理药剂生产和技术服务企业

本文介绍了集工业控制计算机、MCGS组态软件、PLC(可编程控制器)、变频器于一体的锅炉水处理自动监控系统。此系统实现了数据的集中管理、自动控制、故障检测等多方面功能,为锅炉的连续、稳定、安全运行提供了保证。

随着现代技术的不断提高,水处理技术在用水过程中也得到了迅猛的发展,目前已日益成为提高锅炉热效率的关键。做好锅炉水处理就是要实现三个基本要求:即防止蒸汽夹带、结垢、腐蚀。蒸汽夹带、结垢、腐蚀严格来说是很难绝对避免的,它们会相互影响、相互作用,所以水处理时必须统一考虑。

只有炉外处理和炉内处理有机结合才能保证锅炉在高质量下运行。炉外处理主要方法为树脂软化及热除氧气。一般以药剂实现,使用的药剂有五部分,即:阻垢剂、淤渣分散剂、除氧剂、消泡剂、蒸汽系统保护剂。由于水处理工艺比较复杂,所以选用自动监控系统进行集中监测、集中控制、集中显示、集中管理、集中保存,融合较先进的自动化技术、计算机技术、通讯技术、故障诊断技术和软件技术。

计算机监控系统广泛应用在化工、供暖、机械、供水、水处理等多个领域,在工业生产中发挥越来越显著的作用。在满足锅炉连续、安全、稳定的前提下,用工业控制计算机、组态软件、PLC(可编程控制器)、变频器于一体的自动监控系统来实现锅炉水处理有效监控。

监控系统工艺流程

锅炉水处理系统的工艺流程简图如图1:

根据工艺流程简图,锅炉水处理自动监控系统包括:PID算法设计;锅炉给水压力的控制;除氧水箱水位的控制;软水箱水位的控制;数据的采集与控制。

1 PID算法设计

为了保证恒压、恒水位供水,系统采用了闭环PID调节算法。

根据大范围变负荷恒压、恒水位供水系统的控制特性,对上述PID算法作了如下改进:

改进一:引入分段积分的思想,并通过在PID框图中改变积分区限的功能来实现。

改进二:在系统设计时,由于不同台数水泵运行时对应的控制压力不同,加入控制回差,以适应快速、平稳切换的要求[1]。

2 锅炉给水压力的控制

锅炉给水压力的控制采用水泵变频恒压供水,通过安装在出水管网上的压力变送器,把管网压力信号变成DC4~20mA的标准信号送入PLC(可编程控制器),PLC通过PID程序运算后,输出转速信号送给变频器,由变频器控制水泵电机的转速,调节水泵的供水量,使供水管网上的压力保持在给定的压力值上。

当用水量超过或少于运行泵的供水量时,通过PLC控制切换进行加泵或减泵,即根据用水量的多少由PLC控制工作泵的数量增减以及变频器对运行泵的转速调节,实现恒压供水的目的[2]。

变频恒压供水原理图如图2:

3 除氧水箱水位的控制

除氧水箱水位的控制采用水泵变频与工频供水,通过安装在除氧水箱上的差压变送器,把水箱水位信号转变成DC4~20mA的标准信号送入PLC,PLC通过PID程序运算后,得出输出信号给变频器,由变频器控制电机的转速,调节水箱给水量,使除氧水箱的水位保持在给定的水位上。

给除氧水箱供水还包括冷凝水箱水位的控制,当冷凝水箱水位高时,启动冷凝水泵,当冷凝水箱水位低时,停止冷凝水泵,防止冷凝水箱出现溢流现象,减少水源浪费。根据除氧水箱水位的高低,由PLC控制软水泵和冷凝水泵数量及变频器对软水泵的转速调节,实现恒水位供水。恒水位变频控制原理图如图3:

4 软水箱水位的控制

软水箱水位的控制采用电磁阀控制,通过安装在软水水箱上的差压变送器,把水箱水位信号变成DC4~20mA的标准信号送入PLC,PLC通过PID运算后输出控制信号,当软水水位低时,增加电磁阀开度,当软水水位高时,可减少电磁阀开度。恒水位电磁阀控制原理图如图4:

5 数据的采集与控制

水处理自动控制系统需要检测和控制的工艺参数主要有:压力、流量、液位、转速、阀门开度、水泵的运行/停止、阀门的开/关、变频器的运行/停止等等,系统共有模拟量输入11路, 模拟量输出4路,数字量输入40路,数字量输出20路。

监控系统硬件配置

锅炉水处理自动监控系统主要由研华工控机、S7-226PLC、EM221、EM235、变频器、伺服放大器、电磁阀、压力变送器、差压变送器、孔板、数显仪表、RS485/RS232转换器、PC/PPI电缆、控制柜、继电器、水泵等组成。该自动监控系统硬件配置图如图5:

上位机采用研华工业控制计算机,具有性能稳定配置高、抗干扰能力强等优点,主要实现整个系统的数据监视和参数设定工作。下位机采用西门子公司的S7 - 200 系列的S7-226可编程控制器(Micro PLC),它具有功能强大、可靠性高、维护方便且抗干扰能力强等多方面优点,本系统主要采用它作为数据采集、控制回路、自动顺序操作和数据运算的功能[3]。

变频器采用芬兰Vacon公司的Vacon-NX系列变频器,具有调速性能好、保护电机,节能效果显著、运行工艺安全可靠等多项优点,具体参数在变频调试时根据电机具体情况设定。

压力、流量、水位信号采用昌晖仪表采集、显示,仪表通过RS485电缆采集通过RS485/RS232转换后进入上位机显示。转速及阀位信号采用PLC模拟量模块采集,经PC/PPI电缆传输由上位机显示。

监控系统软件配置

本监控系统采用Windows 2000操作系统, MCGS组态软件及其在此软件基础上自主开发的锅炉水处理自动监控系统,STEP 7-Micro/WIN32 3.2版编程软件以及水处理PLC编程程序。

1 MCGS组态软件

北京昆仑通态自动化软件科技有限公司开发的MCGS (Monitor and Control Generated System ,通用监控系统) 是用于快速构造和生成计算机监控系统的组态软件[4]。它能够在基于Microsoft 的各种32 位Windows 平台上运行,通过对现场数据的采集处理,以动画显示、报警处理、流程控制和报表输出等多种方式向用户提供解决实际工程问题的方案,在自动化领域有着广泛的应用。

MCGS 系统包括组态环境和运行环境两个部分。其具体的组态过程包括系统菜单和系统参数组态、设备构件组态、用户界面组态、实时数据对象组态和运行策略组态。其具体的组态窗口如图6,运行数显窗口如图7:

图6:组态软件组态窗口

图7:运行中的“数显窗”界面

2 梯形图编程软件

本系统采用STEP 7-Micro/WIN32 3.2版编程软件编程,关键是PLC程序的合理性与可行性,电机控制程序包括启动子程序和运行子程序,运行子程序又包括参与调节子程序和电机切换子程序,电机切换子程序又包括加电机子程序和减电机子程序;模拟量程序包括模拟量数据采集,传送,输出,PID调节等。

3 通讯

工控机与PLC的通讯通过PC/PPI电缆来完成,它将S7 -200 的编程口与计算机的RS232口相连,具体设置是在下位机的编程环境(STEP 7 - Micro/ WIN 编程软件)和MCGS 组态软件的设备窗口中完成的。工控机与数显仪表的通讯采用通用的RS232/RS485转换器,具体设置在仪表和MCGS 组态软件的设备窗口中完成的[5]。

监控系统主要功能

1、显示功能:工艺流程、测量值、设备运行状态、操作模式、报警等显示功能。

2、报警处理和报表生成功能:记录报警发生时间、故障内容等信息,并对报警信息进行管理,系统输出的日报表,并可查询历史报表。

3、历史趋势功能:对现场的压力、流量、水位、转速、阀门开度等以实时曲线显示,并具有历史曲线查询功能。

4、数据库存储与访问功能,实现Access历史数据库在每次系统运行时的自动创建并记录,以及现场数据的存储。

5、系统参数的修改功能,可对PID参数进行修改,并对压力、水位设定值进行修改。

6、管理权限:实现不同级别的系统管理权限,系统操作员可以选择操作模式,查看趋势曲线及报表等。

7、电机保护功能:采用变频控制后,运行可靠,维护方便,精度高、稳定性好,对过流、欠压、过压等变频器故障均能自行诊断,并发出报警信号。

8、手/自动切换功能:在设计电路部分实现手动、半自动、全自动方式,能实现监控系统的自动/半自动/手动操作模式间的无扰切换[6]。

结束语

本文介绍的基于组态软件和PLC的锅炉水处理自动监控系统,利用了工控机组态软件的强大数据处理和图形表现能力,PLC抗干扰能力强、适用于工业现场的特点,以及变频器的调速性能,融合了较先进的自动化技术、计算机技术、通讯技术、故障诊断技术和软件技术,具有可靠性高、维护容易等特点。

此系统实现了数据的集中管理、自动控制、故障检测等多方面功能,为锅炉的连续、稳定、安全运行提供了保证。该系统已在多个厂家及民用设施中应用,得到用户的好评。

(摘编自《电气技术》,原文标题为“锅炉水处理自动监控系统的设计与研究”,作者为谢庆华。)

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