基于S7-200的发电厂化学监控系统设计

1 引言
    发电厂化学监控系统可实时自动监测火力发电厂锅炉给水、锅炉炉水、蒸汽和凝结水的各项水汽质量参数。在连续在线仪表监测的基础上，提出一种发电厂化学监控系统设计，该系统将监测数据传输到计算机，控制自动采集信号，实现电厂给水、炉水加药的自动控制，并配置一定裕量以备系统后续扩充。该系统也可应用于化学加药系统的在线监控。

2 系统组成和控制方案
2．1 系统组成
    整个系统(包括数据采集及加药控制)的上位机可由一台工业计算机(IPC)完成，实现数据处理和管理，并与MIS系统等联网。图1为在线监控及诊断系统图。

2．2 控制方案
    该系统集中采集分散在各个现场的化学仪表和热工仪表的各种实时数据，及时准确反映机组运行过程中热力系统水汽质量、化学运行工况、给水和炉水加药自动控制及各加药泵开关状况，记录主要运行参数和事件，按一定时间问隔存储，便于趋势图显示、报表制作，以及专家诊断、处理意见等采集的数据。该系统从在线分析仪表(pH表)中提取4～20 mA信号，根据运行工艺参数进行PID运算，输出送变频器控制加药泵加药量实现加药自动闭环调节。图2为控制系统流程。

3 系统硬件设计
3．1 上位监控部分
    该系统的上位监控部分由工业计算机完成。监控工作人员通过 CRT实时监控系统的运行状况，设定或修改系统的运行参数，同时通过CRT远程控制系统运行。上位机处理和管理数据，并与MIS系统实现联网，并对控制器进行组态，包括有：控制器网络地址、控制器时间、选择控制算法、设定算法参数、设定控制量的设定点、选择算法输入、出量通道等。
3．2 下位监控部分
    考虑到化学监控系统受控规模较小，且大多数为模拟量输入点，故系统下位监控部分(I／O模块)选用目前在工业控制领域应用较普遍的西门子公司的S7-200系列产品。该控制器具有很强的环境适应能力，适合于现场控制。通过选择不同的I／O模块l引接收和发送各种标准信号，并通过RS-485通讯接口方式与上位工控机实现数据双向通讯。控制器为专门设计的硬件产品，或直接将控制程序转移到S7-200 系统，以使控制器有更好的硬件支持及更少的硬件故障率，并实现更多功能。S7-200是基于PC的可独立完成数据采集与控制的可编程控制器，能在恶劣的工业环境中可靠运行，还具备通用编程功能，允许运行用C或C++等高级语言编译的应用程序。系统选用的调节设备为进口变频器，通过调节加药泵交流电机的转速控制加药量。该控制系统选用上位机软件WinCC+西门子PLC的组合方案。PLC系统通过PorfiBus总线与上位机WinCC相连接。这种配置的扩展性强，开放性好，便于实现整个化学监控系统。图3为炉水监控系统结构。

3．3 控制器选型
    该控制系统CPU模块自带数字量的输入／输出，无需单独的D／A转换模块。以西门子的 CPU214作为控制器的核心(CPU模块)，它具有丰富的指令系统，能够进行各种复杂的逻辑运算和算术运算以及各种函数运算，如信号标度变换、信号滤波、PID运算等。在CPU模块内部，由微处理器通过数据总线、地址总线、控制总线以及辅助电路连接存储器、接口及I/O单元。借助编程器接收键入的用户程序和数据；读取并解释执行用户程序；按规定的时序接收输入状态，刷新输出状态，与外部设备交换信息；诊断PC的硬件状态等。A／D转换模块选用 EM235，该器件是高速12位模拟量模块，能在149 ms内将模拟量转换成相应的数字量。输入电压信号或电流信号。一般来说，pH值表都有4~20mA信号输出，因此采用4~20mA标准信号输入。

4 系统软件设计
4．1 上位机控制软件
    上位机采用WinCC系统，WindowsNT32具有的抢先多重任务的特性，确保对过程事件的快速反应并提供多种防止数据丢失的保护。WinCC是基于WindowsNT32位操作系统，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中性系统。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。
    除了这些系统功能外，WinCC还提供开放的界面，用于用户解决方案。这使得WinCC集成复杂、广泛的自动控制解决方案成为可能，可集成以ODBC和SQL方式的归档数据访问，以及通过OLE2．0和ActiveX控件的对象和文档链接。
4．2 下位机控制软件
    STEP 7-Micro／WIN提供3种编辑器来创建程序：梯形图(LAD)、语句表(STL)、和功能块图(FBD)。用任何一种程序编辑器编写的程序，都可用另外一种程序编辑器来浏览和阅读，但要遵循一些输入规则。STEP 7-Micro／WIN项目窗口为创建控制程序提供了一个便利的工作空间。工具栏为常用菜单命令的快捷方式提供按钮；操作栏为访问STEP 7-Micro／WIN不同的程序组件提供一组图标，指令树显示所有项目对象和创建控制程序所需指令；程序编辑器中包括程序逻辑和局部变量表，可以在局部变量表中为临时的局部变量定义符号名。程序编辑器的底部有子程序和中断服务程序的标签。点击这些标签可以在主程序、子程序和中断服务程序之间切换。
4．3下位机控制软件编程实例
4．3．1 采样信号软件滤波
    在现场调试时发现，该系统存在较为严重的信号干扰问题，通过查找问题并采用硬件隔离等措施均不见成效，由于工期较短、时间较急，故采用软件滤波的方法加以处理，这也是工程中常见的处理方式。
4．3．2 比例／积分／微分(PLD)回路控制指令应用
    PID回路指令(包含比例、积分、微分回路)用来进行PID运算。S7-200的PID回路未设置控制方式，只要PID块有效，就可执行PID运算。在这种意义上说，PID运算存在一种“自动”运行方式。当PID运算不被执行时，称之为“手动”方式。同计数器指令相似， PID指令有一个使能位。当该使能位检测到一个信号的正跳变(从0到1)，PID指令执行一系列的动作，使PID指令从手动方式无扰动地切换到自动方式。为了达到无扰动切换，在转变到自动控制前，必须用手动方式把当前输出值填入回路表中的Mn栏。

5 结论
    基于西门子S7-200可编程控制器的发电厂化学监控系统应用计算机网络技术，实现生产过程的控制管理，提高设备运行效率和可靠性。该系统已成功应用于某4x300 WM发电机组。实践证明，该系统不仅满足生产需要，提高化学监控诊断及管理水平，而且为企业创造更高的经济效益。