基于S7-200的發(fā)電廠化學監(jiān)控系統設計

1 引言
發(fā)電廠化學監(jiān)控系統可實時自動監(jiān)測火力發(fā)電廠鍋爐給水、鍋爐爐水、蒸汽和凝結水的各項水汽質量參數。在連續(xù)在線儀表監(jiān)測的基礎上，提出一種發(fā)電廠化學監(jiān)控系統設計，該系統將監(jiān)測數據傳輸到計算機，控制自動采集信號，實現電廠給水、爐水加藥的自動控制，并配置一定裕量以備系統后續(xù)擴充。該系統也可應用于化學加藥系統的在線監(jiān)控。

2 系統組成和控制方案
2．1 系統組成
整個系統(包括數據采集及加藥控制)的上位機可由一臺工業(yè)計算機(IPC)完成，實現數據處理和管理，并與MIS系統等聯網。圖1為在線監(jiān)控及診斷系統圖。

2．2 控制方案
該系統集中采集分散在各個現場的化學儀表和熱工儀表的各種實時數據，及時準確反映機組運行過程中熱力系統水汽質量、化學運行工況、給水和爐水加藥自動控制及各加藥泵開關狀況，記錄主要運行參數和事件，按一定時間問隔存儲，便于趨勢圖顯示、報表制作，以及專家診斷、處理意見等采集的數據。該系統從在線分析儀表(pH表)中提取4～20 mA信號，根據運行工藝參數進行PID運算，輸出送變頻器控制加藥泵加藥量實現加藥自動閉環(huán)調節(jié)。圖2為控制系統流程。

3 系統硬件設計
3．1 上位監(jiān)控部分
該系統的上位監(jiān)控部分由工業(yè)計算機完成。監(jiān)控工作人員通過 CRT實時監(jiān)控系統的運行狀況，設定或修改系統的運行參數，同時通過CRT遠程控制系統運行。上位機處理和管理數據，并與MIS系統實現聯網，并對控制器進行組態(tài)，包括有：控制器網絡地址、控制器時間、選擇控制算法、設定算法參數、設定控制量的設定點、選擇算法輸入、出量通道等。

3．2 下位監(jiān)控部分
考慮到化學監(jiān)控系統受控規(guī)模較小，且大多數為模擬量輸入點，故系統下位監(jiān)控部分(I／O模塊)選用目前在工業(yè)控制領域應用較普遍的西門子公司的S7-200系列產品。該控制器具有很強的環(huán)境適應能力，適合于現場控制。通過選擇不同的I／O模塊l引接收和發(fā)送各種標準信號，并通過RS-485通訊接口方式與上位工控機實現數據雙向通訊。控制器為專門設計的硬件產品，或直接將控制程序轉移到S7-200 系統，以使控制器有更好的硬件支持及更少的硬件故障率，并實現更多功能。S7-200是基于PC的可獨立完成數據采集與控制的可編程控制器，能在惡劣的工業(yè)環(huán)境中可靠運行，還具備通用編程功能，允許運行用C或C++等高級語言編譯的應用程序。系統選用的調節(jié)設備為進口變頻器，通過調節(jié)加藥泵交流電機的轉速控制加藥量。該控制系統選用上位機軟件WinCC+西門子PLC的組合方案。PLC系統通過PorfiBus總線與上位機WinCC相連接。這種配置的擴展性強，開放性好，便于實現整個化學監(jiān)控系統。圖3為爐水監(jiān)控系統結構。

3．3 控制器選型
該控制系統CPU模塊自帶數字量的輸入／輸出，無需單獨的D／A轉換模塊。以西門子的 CPU214作為控制器的核心(CPU模塊)，它具有豐富的指令系統，能夠進行各種復雜的邏輯運算和算術運算以及各種函數運算，如信號標度變換、信號濾波、PID運算等。在CPU模塊內部，由微處理器通過數據總線、地址總線、控制總線以及輔助電路連接存儲器、接口及I/O單元。借助編程器接收鍵入的用戶程序和數據；讀取并解釋執(zhí)行用戶程序；按規(guī)定的時序接收輸入狀態(tài)，刷新輸出狀態(tài)，與外部設備交換信息；診斷PC的硬件狀態(tài)等。A／D轉換模塊選用 EM235，該器件是高速12位模擬量模塊，能在149 ms內將模擬量轉換成相應的數字量。輸入電壓信號或電流信號。一般來說，pH值表都有4~20mA信號輸出，因此采用4~20mA標準信號輸入。

4 系統軟件設計
4．1 上位機控制軟件
上位機采用WinCC系統，WindowsNT32具有的搶先多重任務的特性，確保對過程事件的快速反應并提供多種防止數據丟失的保護。WinCC是基于WindowsNT32位操作系統，在生產和過程自動化中解決可視化和控制任務的工業(yè)技術中性系統。它提供了適用于工業(yè)的圖形顯示、消息、歸檔以及報表的功能模塊。高性能的過程耦合、快速的畫面更新、以及可靠的數據使其具有高度的實用性。
除了這些系統功能外，WinCC還提供開放的界面，用于用戶解決方案。這使得WinCC集成復雜、廣泛的自動控制解決方案成為可能，可集成以ODBC和SQL方式的歸檔數據訪問，以及通過OLE2．0和ActiveX控件的對象和文檔鏈接。
4．2 下位機控制軟件
STEP 7-Micro／WIN提供3種編輯器來創(chuàng)建程序：梯形圖(LAD)、語句表(STL)、和功能塊圖(FBD)。用任何一種程序編輯器編寫的程序，都可用另外一種程序編輯器來瀏覽和閱讀，但要遵循一些輸入規(guī)則。STEP 7-Micro／WIN項目窗口為創(chuàng)建控制程序提供了一個便利的工作空間。工具欄為常用菜單命令的快捷方式提供按鈕；操作欄為訪問STEP 7-Micro／WIN不同的程序組件提供一組圖標，指令樹顯示所有項目對象和創(chuàng)建控制程序所需指令；程序編輯器中包括程序邏輯和局部變量表，可以在局部變量表中為臨時的局部變量定義符號名。程序編輯器的底部有子程序和中斷服務程序的標簽。點擊這些標簽可以在主程序、子程序和中斷服務程序之間切換。
4．3下位機控制軟件編程實例
4．3．1 采樣信號軟件濾波
在現場調試時發(fā)現，該系統存在較為嚴重的信號干擾問題，通過查找問題并采用硬件隔離等措施均不見成效，由于工期較短、時間較急，故采用軟件濾波的方法加以處理，這也是工程中常見的處理方式。

4．3．2 比例／積分／微分(PLD)回路控制指令應用
PID回路指令(包含比例、積分、微分回路)用來進行PID運算。S7-200的PID回路未設置控制方式，只要PID塊有效，就可執(zhí)行PID運算。在這種意義上說，PID運算存在一種“自動”運行方式。當PID運算不被執(zhí)行時，稱之為“手動”方式。同計數器指令相似， PID指令有一個使能位。當該使能位檢測到一個信號的正跳變(從0到1)，PID指令執(zhí)行一系列的動作，使PID指令從手動方式無擾動地切換到自動方式。為了達到無擾動切換，在轉變到自動控制前，必須用手動方式把當前輸出值填入回路表中的Mn欄。

5 結論
基于西門子S7-200可編程控制器的發(fā)電廠化學監(jiān)控系統應用計算機網絡技術，實現生產過程的控制管理，提高設備運行效率和可靠性。該系統已成功應用于某4x300 WM發(fā)電機組。實踐證明，該系統不僅滿足生產需要，提高化學監(jiān)控診斷及管理水平，而且為企業(yè)創(chuàng)造更高的經濟效益。