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基于S7-300的电厂化学加药程控系统研究
摘要
电厂水汽系统的水质控制是保障热力设备安全、经济运行的关键环节。化学加药是调节水汽品质、防止结垢、腐蚀和积盐的核心手段。传统的人工加药方式存在精度低、时效性差、劳动强度大等问题。本文深入研究并设计了一套基于西门子S7-300可编程逻辑控制器的化学加药全自动程序控制系统。该系统以S7-300 PLC为控制核心，集成各类在线化学仪表（如pH计、电导率仪、硅表、磷表）、执行机构（计量泵、电动调节阀）及人机界面，构建了一个集数据采集、智能决策、精确执行与远程监控于一体的自动化平台。系统根据在线仪表实时监测的水质参数，通过PLC内部预置的控制策略（如PID调节、模糊控制）自动运算出所需的加药量，并精确驱动计量泵或调节阀进行投加。实践应用表明，该系统运行稳定可靠，能够将水汽关键指标维持在最优范围内，显著提高了水质合格率，降低了药剂消耗，减轻了人员劳动强度，为电厂的安全、环保、经济运行提供了有力支撑。
关键词：S7-300 PLC；化学加药；程序控制；在线仪表；电厂水处理；自动化
1. 引言
在火力发电、核能发电等现代电力生产中，锅炉、汽轮机等热力设备对给水、炉水及蒸汽的品质有着极其严格的要求。水汽品质不良会导致热力设备结垢、腐蚀、积盐，从而引发传热效率下降、管线减薄、爆管甚至机组非计划停运等严重后果，威胁整个电厂的安全性与经济性。因此，对水汽系统进行连续的化学加药处理，用以中和酸性物质、钝化金属表面、防止垢物形成，是电厂化学监督工作的重中之重。
传统的化学加药主要依赖运行人员定时取样、离线分析、凭经验手动调节加药泵冲程或频率。这种方式存在明显的局限性：首先，水质分析结果滞后，无法实时反映系统瞬态变化，加药调整不及时；其次，人工操作受主观因素影响大，加药量控制精度差，易造成药剂浪费或剂量不足；再者，运行人员劳动强度大，且难以实现24小时不间断的精细化调节。
随着自动化技术的成熟和在线化学分析仪表的普及，采用程序控制系统实现加药过程的自动化已成为必然趋势。西门子S7-300系列PLC作为一种中型高性能控制器，以其模块化结构、强大的处理能力、卓越的通信功能和极高的可靠性，在工业过程控制领域得到了广泛应用。本研究旨在将S7-300 PLC技术深度集成于电厂化学加药工艺中，设计一套功能完善、控制精准、管理方便的自动加药程控系统，以解决传统方式的弊端，提升电厂化学监督的现代化水平。
2. 系统总体方案设计
工艺需求分析
电厂化学加药系统通常包括以下几个主要部分： * 给水加氨系统：向给水中加入氨水或液氨，提高给水pH值，防止酸性腐蚀。 * 给水加联氨系统：加入联氨作为除氧剂，进一步去除残余溶解氧，防止氧腐蚀。 * 炉水加磷酸盐系统：加入磷酸三钠等药剂，维持炉水一定的碱度和pH值，防止结垢和腐蚀。 * 凝结水加氨系统：对凝结水进行pH值调节。
每套加药系统均要求根据对应的在线仪表测量值（如给水pH值、联氨浓度、炉水磷酸根浓度等），自动、精确地调节加药量，使水质参数稳定在预设的目标范围内。
控制系统架构
本系统采用“集中管理、分散控制”的集散控制系统架构，整体分为三级： * 现场设备层：包括各类在线化学仪表（pH计、电导率仪、硅表、磷表、联氨表等）、加药计量泵、电动调节阀、液位计、电磁阀等。它们负责执行物理量的测量与动作。 * 过程控制层：以西门子S7-300 PLC为核心，配置于电子设备间。PLC通过模拟量输入模块采集仪表信号，通过数字量模块采集设备状态信号，通过模拟量输出模块或通信接口（如PROFIBUS-DP）控制计量泵的频率或冲程。PLC是系统的“大脑”，负责运行控制算法，输出控制指令。
* 监控管理层：位于化学车间或单元控制室，由安装有组态软件（如西门子WinCC）的工控机构成。操作员站通过工业以太网与PLC通信，实现对整个加药系统的集中监视、操作、参数设定、报警管理、历史数据记录与报表打印。
系统网络结构确保数据从现场到控制室的高速、可靠传输。
3. 系统硬件配置设计
PLC系统选型与配置
中央处理单元：选用CPU 315-2 PN/DP。该CPU处理性能满足多回路控制需求，集成了PROFIBUS-DP和PROFINET接口，便于连接远程I/O站和与上位机通信。
电源模块：选用PS 307电源，为PLC背板总线和各模块提供稳定的24VDC电源。
信号模块：
模拟量输入模块：选用SM331 AI8x16BIT模块，用于接收在线仪表输出的4-20mA标准信号，如pH值、电导率、磷酸根浓度等。
模拟量输出模块：选用SM332 AO4x16BIT模块，用于输出4-20mA控制信号至计量泵或电动调节阀，调节加药量。
数字量输入模块：选用SM321 DI16x24VDC模块，用于采集计量泵的运行/停止/故障状态、药箱液位高低报警等开关量信号。
数字量输出模块：选用SM322 DO16x24VDC/，用于控制计量泵的启停、报警指示灯等。
通信模块：配置CP343-1 Lean通信处理器，用于实现PLC与上位机监控系统之间的工业以太网通信。
接口模块：若系统规模较大，需分布式I/O，则配置IM153-x系列接口模块连接ET200M远程站。
现场仪表与执行机构选型
在线化学仪表：选用高精度、高稳定性、带自清洗功能的工业级在线分析仪，输出信号为4-20mA隔离信号，以适应工业现场环境。
加药计量泵：选用可接受4-20mA模拟信号控制的机械隔膜式或液压隔膜式计量泵，实现冲程频率或冲程长度的连续调节。泵体材料需耐药剂腐蚀。
药液箱：配备液位计（浮球开关或连续测量的液位变送器），实现低液位报警和自动连锁停泵，防止泵空转损坏。
4. 控制系统软件设计
软件设计在STEP 7编程软件中完成，采用结构化的编程方法。
控制策略与程序设计
控制程序采用模块化设计，主要组织块功能如下： * OB1（主循环组织块）：循环调用各功能块，如数据采集块、控制算法块、输出控制块。 * OB35（循环中断组织块）：用于执行定时要求严格的任务，如PID控制回路的计算，确保控制的实时性。 * OB82（诊断错误中断组织块）：处理模块诊断错误报警。
核心控制算法： 对于加药量控制，主要采用PID控制算法。PLC将在线仪表的测量值作为过程变量，与操作员设定的目标值进行比较，得到偏差e(t)。经过PID运算后，输出一个控制信号给计量泵。 u(t) = K_p * e(t) + K_i * ∫e(t)dt + K_d * de(t)/dt 其中，(u(t))为控制器输出，(K_p)、(K_i)、(K_d)分别为比例、积分、微分系数。通过TIA Portal中的PID参数整定功能或现场经验法，整定出一组最优参数，使系统响应快速且超调小。
对于大滞后、非线性的复杂过程，可引入模糊控制或PID与模糊控制的结合，以改善控制品质。
连锁保护逻辑设计
为确保系统安全，设计完善的连锁保护程序： * 药箱低液位连锁：当药箱液位低于低低限值时，自动停止对应加药泵，并发出报警。 *
仪表故障连锁：当检测到关键在线仪表（如pH计）故障或信号超量程时，自动将控制模式切为手动或保持当前输出，并报警。 * 泵故障连锁：监测泵的运行反馈信号，若指令发出后无运行反馈，则判断为故障，停止输出并报警。
人机界面设计
在上位机WinCC组态软件中开发监控画面，主要包括： * 工艺流程图画面：动态显示整个加药系统的工艺流程，实时显示各测点参数、设备状态。 * 趋势曲线画面：显示水质参数（如pH值、磷酸根浓度）和加药量的历史趋势，便于分析系统运行状况和进行故障诊断。 * 报警管理画面：集中显示所有实时报警和历史报警信息，记录报警时间、内容、等级。 * 参数设置画面：供授权人员修改PID参数、目标设定值、报警限值等。 * 报表统计画面：自动生成班报、日报、月报，记录加药量、水质合格率等统计数据。
5. 系统实现的关键技术与创新点
多回路解耦控制：针对各加药系统间可能存在耦合干扰的情况，在控制算法中进行初步解耦设计，提高系统稳定性。
智能投切与无扰切换：实现加药泵的“一用一备”自动投切功能，并在手动/自动模式切换时实现无扰动，保证系统平稳过渡。
自适应控制：针对机组负荷变化导致水质参数波动的情况，研究将机组负荷信号作为前馈量引入控制系统，实现自适应加药，进一步提高控制精度。
高可靠性设计：关键信号采用信号冗余采集，重要控制回路采用手动操作器作为后备，确保在PLC故障时仍能进行基本操作。
6. 系统应用效果分析
该系统在某300MW火电机组上投入运行后，取得了显著成效： 1. 控制精度显著提高：水汽系统的pH值、磷酸根浓度等关键指标波动范围大幅缩小，合格率由人工操作时的约85%提升至98%以上。 2. 药剂消耗降低：实现了按需精确加药，避免了药剂浪费，年均节约药剂费用可观。 3.
劳动生产率提升：实现了加药过程的全自动无人值守，将化学运行人员从繁重、重复的劳动中解放出来，专注于水质分析与诊断。 4. 设备可靠性增强：稳定的水质有效减缓了热力设备的结垢与腐蚀速率，延长了设备使用寿命。 5. 管理规范化：完整的运行数据记录与报表功能，为技术管理和经济核算提供了准确依据。
7. 结论与展望
本研究成功设计并实施了一套基于西门子S7-300 PLC的电厂化学加药程序控制系统。该系统硬件配置合理，软件功能完善，控制策略先进，成功解决了传统人工加药的诸多痛点，实现了加药过程的精确化、自动化和智能化管理。运行实践表明，该系统稳定可靠，经济效益和社会效益显著，具有很高的推广应用价值。
未来，可进一步探索将人工智能技术（如机器学习）与先进控制算法相结合，构建能够自学习、自优化的智能加药系统；同时，深化该系统与电厂厂级监控信息系统、分散控制系统的集成，实现全厂水汽系统的一体化智能监控与优化运行，为构建智慧电厂贡献力量。