尹端玲

(中國聯(lián)合工程公司，浙江 杭州 310022)

0 引言

20世紀(jì)90年代末，現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)就已經(jīng)在國外電廠中得到應(yīng)用。但由于現(xiàn)場總線儀控設(shè)備比常規(guī)儀控設(shè)備價格高，且總線型設(shè)備的選擇范圍還相對較?。?］，這就阻礙了總線技術(shù)在電廠控制中的大量應(yīng)用。

“閥島”來自德語，英文名為“valve terminal”。20世紀(jì)80年代末，德國一家公司首先推出閥島的概念及產(chǎn)品，它由多個氣動閥門、電信號的輸入輸出模塊構(gòu)成，并集成了電信號輸入/輸出及氣信號輸出的控制，猶如一個控制島嶼。隨后，閥島技術(shù)和現(xiàn)場總線技術(shù)相結(jié)合形成了總線式閥島。這大幅度地節(jié)省了接線時間，而且由于連線的減少，設(shè)備所占空間減小，使得設(shè)備維護(hù)更為方便［2］。

總線式閥島一般隨設(shè)備配套，如卷煙機組［3］、軸承自動化清洗線［4］、生產(chǎn)線自動供料系統(tǒng)［5］等設(shè)備控制領(lǐng)域。本文研究的問題是總線式閥島能否應(yīng)用于電廠。

1 閥島在電廠應(yīng)用概述

發(fā)電廠和熱電廠都配有化水車間，由于熱電廠需要供熱，在運行中要補充的除鹽水量一般都比較大，因此，熱電廠的化水車間規(guī)模往往比同等級機組的發(fā)電廠的化水車間規(guī)模大。除鹽水是由普通水經(jīng)過化學(xué)水處理后產(chǎn)生的，這個處理過程的自動化控制系統(tǒng)就是化水程控系統(tǒng)。

在化水程控系統(tǒng)中，需要用到大量的氣動閥，氣動閥的動作全靠電磁閥帶動。因此，采用化水程控方案的化水車間是電廠中電磁閥最為集中的場所?；炭叵到y(tǒng)的控制邏輯雖不復(fù)雜，但由于配置的電磁閥和控制電纜較多，現(xiàn)場安裝、接線和調(diào)試的工作量并不小。此外，由于接線復(fù)雜造成故障隱患點多，將使今后用于維護(hù)檢修的工作量相應(yīng)增加。

如何減少現(xiàn)場安裝、接線和調(diào)試的工作量，提高控制系統(tǒng)的可靠性，并盡量節(jié)省維護(hù)檢修的人力成本和時間成本，這些都是設(shè)計人員在方案制定中需要考慮的問題。

對此，筆者在某熱電廠的化學(xué)水處理控制系統(tǒng)中，嘗試應(yīng)用總線型閥島的技術(shù)。事實證明，總線式閥島在化水程控中的應(yīng)用能有效提高電廠化學(xué)水處理過程自動化控制的可靠性、減少故障率、降低生產(chǎn)維護(hù)成本、明顯提高生產(chǎn)運行效率。該工程從2005年投運至今，系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠。

1.1 工程概況和控制規(guī)模

該工程化水處理系統(tǒng)采用常規(guī)的過濾器+陽床+陰床+混床的工藝方式，制水控制采用程序化全自動控制。整個設(shè)計規(guī)模為每小時制二級除鹽水量為400 t的化學(xué)水處理系統(tǒng)。其中，主要設(shè)備有9臺活性炭過濾器、3臺浮動床陽離子交換器、3個中間水箱、3臺中間水泵、3臺雙室浮動床陰離子交換器、3臺混合離子交換器、2個1000 m3的除鹽水箱、5臺除鹽水泵、2臺再生水泵、2臺反洗水泵和3臺清水泵，以及與本系統(tǒng)相配套的酸堿儲罐、廢堿池、廢酸池、中和池、酸堿泵、廢液泵等。系統(tǒng)采用母管制運行方式。

1.2 主要控制對象

1.2.1 活性炭過濾器系統(tǒng)

每臺活性炭過濾器配有6個控制閥門。在活性炭過濾器自動運行中需要程序控制的對象有進(jìn)水門、出水門、反洗進(jìn)水門、反洗排水門、正洗排水門、排氣門、反洗水泵和清水泵。

1.2.2 浮動床陽離子交換器系統(tǒng)

每臺浮動床陽離子交換器配有7個控制閥門。在浮動床陽離子交換器自動運行中，需要程序控制的對象有進(jìn)水門、出水門、酸液進(jìn)口門、再生廢液排液門、排水門、再生清洗門、放空氣門、噴射器進(jìn)酸門、噴射器進(jìn)水門、計量箱進(jìn)液門、酸液池進(jìn)水閥、中和池進(jìn)水閥、再生水泵和清水泵。

1.2.3 雙室浮動床陰離子交換器系統(tǒng)

每臺雙室浮動床陰離子交換器配有7個控制閥門。在雙室浮動床陰離子交換器自動運行中，需要程序控制的對象有進(jìn)水門、出水門、堿液進(jìn)口門、再生廢液排液門、排水門、再生清洗門、放空氣門、噴射器進(jìn)堿門、噴射器進(jìn)水門、計量箱進(jìn)液門、堿液池進(jìn)水閥、中和池進(jìn)水閥、再生水泵和中間水泵。

1.2.4 混合離子交換器系統(tǒng)

每臺混合離子交換器配有11個控制閥門。在混合離子交換器自動運行中，需要程序控制的對象有進(jìn)水門、出水門、壓縮空氣進(jìn)口門、反洗進(jìn)水門、反洗排水門、正洗出口門、堿液進(jìn)口門、中部排水門、酸液進(jìn)口門、放空氣門、放水門、噴射器進(jìn)堿門、計量箱進(jìn)堿門、噴射器進(jìn)酸門、噴射器進(jìn)水門、計量箱進(jìn)酸門、中和池進(jìn)水門和中間水泵。

1.2.5 各類水泵和風(fēng)機

每臺中間水箱帶有除碳風(fēng)機，5臺除鹽水泵配有2臺變頻器。其中一臺泵為定壓運行，另4臺泵兩兩合用一個變頻器。

水箱的3個中間水泵共配有2個變頻器。其中，1#中間水泵單獨使用1個變頻器，2#和3#中間水泵合用一個變頻器。

1.3 控制要求及控制方案

1.3.1 控制要求

化水控制系統(tǒng)采用集中順序控制的方式，完成對化水處理系統(tǒng)的控制。控制室不設(shè)后備儀表及操作按鈕，運行人員通過DCS操作站實現(xiàn)集中監(jiān)控。

1.3.2 控制方案

經(jīng)統(tǒng)計，整個化水系統(tǒng)實際I/O為865點，其中與電磁閥控制相關(guān)的I/O為575點。若考慮15%的備用，則需要為化水程控實際配置的I/O為995點。

就地化水控制室設(shè)有全廠DCS遠(yuǎn)程操作員站和控制站。整個化水控制系統(tǒng)除了自動聯(lián)鎖控制外，還能通過操作員站的鍵盤或鼠標(biāo)分別對每個閥門和水泵進(jìn)行遙控。對于合用變頻器的水泵，可通過操作員站的鍵盤和鼠標(biāo)操作，確定各臺水泵的運行方式。

從運行操作的習(xí)慣和維護(hù)便利性考慮，在水處理間、水泵間、酸堿噴射器間、酸堿儲存間和廢液泵間分別設(shè)有就地電磁閥箱。

2 控制系統(tǒng)配置方案比較

傳統(tǒng)的化水程控系統(tǒng)配置有以下兩種方案。

①選用帶電磁閥的氣動薄膜閥，由PLC直接控制，氣動薄膜閥的位置反饋信號和電磁閥的驅(qū)動信號直接連接到PLC控制柜。

②將電磁閥相對集中地安裝于電磁閥箱，氣動薄膜閥的位置反饋信號先傳送到就近的電磁閥箱，由電磁閥箱匯總位置反饋信號和電磁閥的驅(qū)動信號后再送PLC機柜。

將總線式閥島引入化水程控后，又增加了一種方案的選擇。本節(jié)主要針對在工程設(shè)計中常用的方案②與總線式閥島+DCS方案(以下簡稱方案③)作技術(shù)比較。

2.1 采用電磁閥箱方案

根據(jù)上述控制要求，在水處理間、水泵間、酸堿噴射器間、酸堿儲存間和廢液泵間通常應(yīng)分別設(shè)有就地電磁閥箱，共計13個，其控制系統(tǒng)的連接如圖1所示。

圖1 化學(xué)水處理控制系統(tǒng)(電磁閥箱)Fig.1 Chemical water treatment control system(solenoid valve box)

每個電磁閥箱內(nèi)分別裝有若干電磁閥，通過安裝于每個電磁閥箱內(nèi)的接線端子，與DCS遠(yuǎn)程控制站的I/O相連。在電磁閥箱上設(shè)有能控制每個電磁閥的開關(guān)，只有當(dāng)電源和氣源都存在時，才能通過操作此旋鈕，完成對氣動薄膜閥的控制。

當(dāng)采用方案②時，對單個氣動薄膜閥的控制及反饋信息流程為:DCS指令→DCS機柜輸出端子→常規(guī)電磁閥箱輸入端子→箱內(nèi)的電磁閥控制回路→現(xiàn)場的氣動薄膜閥→氣動薄膜閥的位置反饋→常規(guī)電磁閥箱輸入端子→箱內(nèi)電磁閥控制回路→常規(guī)電磁閥箱輸出端子→DCS機柜輸入端子→DCS運算程序。

對與氣動薄膜閥控制密切相關(guān)的、其位置又位于電磁閥箱附近的測點，可以將信號匯總至常規(guī)電磁閥箱，以減少由現(xiàn)場直接傳送到化水控制室的電纜數(shù)量。但這樣做只是將多根兩芯電纜轉(zhuǎn)換為一根多芯電纜，信號匯集的作用并未減少電纜芯的總數(shù)。

常規(guī)電磁閥箱對上有一個氣源接口、一排電源接線端子、一排與DCS的輸入/輸出信號對接的信號端子，對下有至各個氣動薄膜閥的氣口、對閥門位置信號和測點信號的采集輸入端子。

電磁閥箱與DCS之間通過出線端子和控制電纜相連，電纜總芯數(shù)與閥門位置信號和測點信號數(shù)量有關(guān)。

2.2 采用總線式閥島方案

采用總線式閥島(數(shù)量同樣為13個)，其控制系統(tǒng)的連接如圖2所示。

圖2 化學(xué)水處理控制系統(tǒng)(總線式閥島)Fig.2 Chemical water treatment control system(bus type valve terminal)

每個閥島根據(jù)需要分別配有兩位三通或兩位五通總線型電磁閥和總線式I/O卡?？偩€式I/O不僅能夠用于采集氣動薄膜閥的位置信號，還能用于采集測點位置位于閥島附近且與氣動薄膜閥控制密切的相關(guān)測點信號。

每個總線式閥島對上有一個氣源接口、一個電源接口和一個總線接口，對下有至各個氣動薄膜閥的氣口以及閥門位置反饋信號和測點信號的I/O采集口。閥島不僅具有遠(yuǎn)程I/O功能，還具有氣動薄膜閥氣源控制的功能，它能通過Profibus-DP通信接口，將DCS對氣動薄膜閥的控制指令直接轉(zhuǎn)換為控制氣動薄膜閥的氣動信號，省略了中間轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)(DCS指令通過DO卡件帶動繼電器，由繼電器控制電磁閥箱中的電磁閥，再由電磁閥控制氣動薄膜閥)，大大增強了控制系統(tǒng)的可靠性。

由于總線式閥島本身具有Profibus-DP通信接口，因此它摒棄了傳統(tǒng)的輸入輸出電纜的連接方式，僅僅采用DP總線連接，使大量的輸入輸出電纜被簡潔的通信總線所替代。13個總線式閥島僅通過DP總線與DCS遠(yuǎn)程控制站的Profibus-DP通信接口相連，即能滿足控制要求。

采用方案③后，對單個氣動薄膜閥的控制及反饋信息流程為:DCS的Profibus-DP輸出指令→閥島的Profibus-DP通信接口→閥島的總線型閥→現(xiàn)場的氣動薄膜閥;氣動薄膜閥位置反饋信號→閥島的總線式I/O→閥島的Profibus-DP通信接口→DCS的Profibus-DP輸入指令。

綜上所述，只要通過通信，DCS系統(tǒng)就可以操控閥島動作并采集其反饋信號。

由于閥島本身的每個閥片都設(shè)有就地手動控制旋鈕，當(dāng)系統(tǒng)失電時，只要還有氣源，就能通過人工操作閥島的每個閥片上的旋鈕，完成對各個氣動薄膜閥的開關(guān)控制。

比較圖1和圖2不難看出，采用方案③的接線更為簡潔。

3 現(xiàn)場安裝工作接線量的比較

在整個化水控制系統(tǒng)中，調(diào)節(jié)型和開關(guān)型的氣動薄膜閥共計有165個，其中54個為調(diào)節(jié)型。與氣動薄膜閥控制相關(guān)的I/O為575點，約占總控制I/O點數(shù)的66.5%。若采用方案②，其中121個開關(guān)型閥需要121個電磁閥控制。121個開關(guān)閥的位置DI信號為121×2=242點，54個調(diào)節(jié)閥的閥位AI/AO信號有54×2=108點，調(diào)節(jié)閥還配有開/關(guān)到位的DI信號有54×2=108點。此外，有16個由于位置距離DCS機柜較遠(yuǎn)而離某個閥島(或電磁閥箱)較近的測點。這些測點可以由閥島的I/O卡采集或由電磁閥箱匯總至DCS。因此，13個電磁閥箱共計有I/O信號474點，每點需2個端子，故需要端子數(shù)為474×2=948個。

方案②和方案③的現(xiàn)場施工接線比較如表1所示。

表1 施工接線比較Tab.1 The comparison of wirings in construction

從表1可以看出，方案③優(yōu)于方案②。

4 結(jié)束語

經(jīng)過比較，進(jìn)一步明確了總線式閥島在電廠化水程控中應(yīng)用的優(yōu)越性。它簡化了設(shè)計工作量，減少了DCS系統(tǒng)的I/O模塊數(shù)量，需要接線的端子數(shù)量僅為電磁閥箱方案的39.4%，因而也較大程度上節(jié)省了電纜、電纜橋架等安裝材料，使實際現(xiàn)場控制電纜可減少60%，電纜橋架減少50%［6］。據(jù)該工程的安裝公司現(xiàn)場反饋，采用總線式閥島方案的安裝工作量是常規(guī)電磁閥箱方案的1/3。

總線式閥島方案不僅簡化了電磁閥、傳感器等電纜的接線工作，使現(xiàn)場布線簡化，省去了中間轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，提高了可靠性，更重要的是提高了它的故障自診斷能力［7］，為設(shè)備管理數(shù)字化創(chuàng)造了條件。但對那些數(shù)量很少且分散的氣動閥門場合，應(yīng)用總線式閥島的方案并不經(jīng)濟［8］。

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