曹美杰，孙静，曲径幽

（首钢京唐钢铁联合有限责任公司，河北唐山063200）

海水淡化减温减压站自动控制系统研究及改进

曹美杰，孙静，曲径幽

（首钢京唐钢铁联合有限责任公司，河北唐山063200）

主要对海水淡化减温减压站自动化控制系统进行了研究和分析，通过生产实践找出此控制系统存在的缺陷和不足，并且结合现场实际情况采取措施对该控制系统硬件和软件两方面做了改进和完善，从而消除了隐患，保证了公司的除盐水用水安全，对公司的节能减排和降本增效具有重要意义。

海水淡化；减温减压；控制系统；改进

1 引言

首钢京唐公司海水淡化[1]二步工程主要包括两个海淡主体U3、U4和减温减压站系统。其中，减温减压站功能主要是对我公司蒸汽管网送来的一次蒸汽的压力、温度进行减温减压调节后，使其二次蒸汽压力、温度达到海淡主体生产工艺所需的要求。经过调节后的二次蒸汽主要为海水淡化主体中海水的蒸发提供热源，同时维持海水淡化主体真空度，从而顺利生产出我公司主工序生产所需要的蒸馏水。所以减温减压站的稳定运行对整个海水淡化乃至整个公司的稳定生产具有重要作用。

2 减温减压站工艺流程及主要参数

2.1 工艺流程

海水淡化减温减压站工艺流程如图1所示。自蒸汽管网输送过来的一次蒸汽经减温减压站对其进行压力和温度调节达到海淡主体工艺要求后分别送给海淡主体U3和U4。其中，一次蒸汽和二次蒸汽分别安装有压力温度仪表。以海水淡化U4主体为例，其二次蒸汽压力调节是通过主蒸汽调节阀WM04V4和旁路蒸汽调节阀WM04V2调节来实现；二次蒸汽温度调节是通过减温水调节阀WC04V1控制减温水量来实现；主路和旁路上的开关阀能够进一步直接控制蒸汽的通断，尤其在检修时起到安全隔离作用；U3二次蒸汽调节与U4同理。减温水泵出口设有压力测点，通过变频水泵的频率调节来维持减温水的压力恒定。

2.2 主要参数

从图1可以看出，海淡双减站涉及到的测点主要有来自管网的一次蒸汽压力和温度和经过减温减压后二次蒸汽压力和温度，主要工艺参数标准如下表1所示。其中二次蒸汽的压力和温度是重点控制对象。

表1 主要工艺参数标准

图1 减温减压站流程图

3 自动控制系统构成

3.1 控制思想

减温减压站二次蒸汽的温度和压力的调节和稳定是利用PID控制[2]思想通过典型的单闭环控制系统来实现的，控制系统框图如下图2所示。

图2 单闭环控制系统框图

（1）对于控制对象二次蒸汽压力来说，其对应的执行机构为蒸汽调节阀（在实际生产中，主蒸汽调节阀起粗调作用，一般处于手动运行状态，旁路调节阀起细调作用，一般处于自动运行状态），测量元件为压力传感器和变送器；压力的设定值sp(n)与压力的测量反馈值pv(n)比较后得到误差信号ev(n)，再经PID控制器调节后得到控制信号最终以4～20 mA的模拟控制信号送给执行机构蒸汽调节阀，通过压力调节阀阀位的控制来实现二次蒸汽压力的稳定并与压力设定值一致。

（2）对于控制对象二次蒸汽温度，其对应的执行机构为减温水调节阀，测量元件为温度传感器和变送器；二次蒸汽温度的控制思想与上面二次蒸汽压力相同。

（3）在二次蒸汽温度的调节控制过程中，减温水的压力调节也是一个重要控制对象，以保证蒸汽的减温效果。减温水的压力一般应保持在0.7 MPa左右，压力的稳定是通过将PID控制器调节后的控制信号送给执行机构变频器，变频器将控制信号对应的频率送给变频泵来控制变频泵电机的转速，最终使减温水压力稳定在设定值0.7 MPa左右。

3.2 控制系统构成及实现

（1）硬件构成及实现

图2中的虚线框中的控制功能就是通过PLC控制系统来实现的。PLC控制系统的硬件控制网络示意图如下图3所示。从图3中可以看出，海淡主体U3、U4分别使用的是西门子S7-400PLC[3](通信模块采用CP443-1)，主控室设有2个操作员站和1个工程师站，主要负责对海淡主体设备和双减站设备进行集中监控和操作控制；双减站使用的是西门子S7-200PLC（通信模块采用CP243-1），负责对双减站测点和控制点进行信号采集处理，同时将信号通过以太网传给海淡主体S7-400PLC处理使用，并且在主控室上位机能够准确显示。

图3 PLC控制系统示意图

（2）软件实现

S7-400 PLC和S7-200PLC下位编程使用的软件分别是STEP7 v5.4和Micro WIN v4.0，主控室上位软件使用的是WINCC v6.0。双减站二次蒸汽压力、温度和减温水压力的自动调节使用的PID程序模块是在S7-200PLC中编程实现的，仪表反馈信号输送给S7-200PLC与程序中设定值比较经过PID程序处理后发出控制信号给现场执行器使其动作，从而实现压力、温度的自动调节和稳定。双减站和海淡主体的联锁动作程序是在海淡主体S7-400PLC编程实现的，双减站S7-200PLC将联锁点信号通过以太网传到S7-400PLC后，S7-400PLC收到联锁点信号进行程序处理，如果联锁点信号达到联锁值，联锁程序就会将联锁动作命令再通过以太网传给S7-200PLC，S7-200PLC对联锁信号处理后直接通过信号电缆发送给现场对应的执行器从而实现联锁动作，保证设备的生产运行安全。

3.3 控制系统缺陷

从设计到施工调试整个过程来说，该减温减压站S7-200PLC控制系统设计简洁合理，并且易于实现，调试也比较顺利，并且与海淡主体S7-400PLC实现了很好的通信衔接，也给整个海淡二步的调试和投运带来了方便，双减站也于2010年10月份随海淡主体U3、U4正式投运生产。

但是，经过2011年一年左右的实际生产运行，该控制系统存在的问题和隐患也慢慢的暴露出来：（1）两套海淡主体对应双减站的设备的控制全都由同一套S7-200PLC来控制，一旦200PLC控制系统出现问题会影响双减站所有设备进而会导致两套海淡主体全部停运。并且只有海水淡化U3、U4两套主体全停的情况下，才能对双减站控制系统进行检修。（2）该系统从设计之初就没有备用点，一旦S7-200PLC某一个信号通道出现故障就需要对整个模块进行更换，这也必会影响到整套系统的正常运行和生产。这些缺陷给我公司的除盐水用水安全带来严重隐患，所以必须尽快尽早制定技术改造方案，消除隐患，保证我公司正常生产所需除盐水用水安全。

4 控制系统改进完善

鉴于以上缺陷隐患，结合我公司2012年9月份全系统停运检修安排，决定利用这个难得的U3、U4全部停运检修机会对海淡二步双减站控制系统实施控制分离改造工作。

4.1 硬件系统改进

根据制定好的技术改造方案，决定将二步双减站S7-200PLC控制系统硬件设备全部取消，利用U3、U4控制系统现有的备用硬件资源，直接将两海淡主体对应的双减站设备的控制引入到相应的S7-400PLC系统中，以实现U3、U4各主体PLC对双减站相应设备的独立控制，互不影响。改造后的硬件系统如下图4所示。

图4 改造完善后硬件网络

由图4可以看出，双减站对应U3、U4的设备状态监控和控制信号的输入和输出全都由S7-400PLC来实现，控制系统进一步简化，双减站控制的分离使得U3、U4主体运行独立性更强，同时也减少了设备故障点，便于以后的硬件设备维护。

4.2 软件系统完善

与硬件系统改造相对应，与海水淡化主体U3、U4对应的减温减压站的设备的控制程序包括二次蒸汽温度和压力的PID控制和调节程序等也都分别由U3、U4的S7-400PLC来编程实现。即U3、U4对应双减站的二次蒸汽温度和压力的调节和相关调节阀的控制全都由各自的S7-400PLC来实现，软件编程和控制上也实现了完全独立，互不影响，这也更为U3、U4主体独立运行提供了保证，也为双减站的稳定运行，更好的服务于海淡主体的生产提供了保证。

4.3 改进效果

本海水淡化减温减压站控制系统自2012年9月实施完成技术改进后投运至今，没有出现过一次设备运行故障，彻底消除了原来控制系统存在的隐患，而且对二次蒸汽的压力和温度的调节效果更加准确稳定，下图5是改造完成后10月份到11月份减温减压站一次蒸汽和二次蒸汽的温度和压力趋势图，上面两条曲线分别是一次蒸汽的压力和温度运行趋势，下面四条曲线分别是进U3、U4的二次蒸汽的压力和温度的运行趋势。从图中可以看到二次蒸汽压力和温度基本控制在0.3 MPa、150℃左右且非常稳定。

图5 改进后双减站温度、压力运行趋势图

双减站控制系统的控制分离改造进一步优化了整个海淡二步的控制系统，实现了海淡U3、U4主体PLC对双减站相应设备的单独控制，这不仅为以后U3、U4主体的单独检修带来方便，而且更保证了海淡主体U3、U4运行的独立性和稳定性，为我公司除盐水用水安全提供了保证，同时更换下来的S7-200PLC控制设备可以重新利用，这都对我公司的增收节支和降本增效具有重要意义。

[1]赵国华等.海水淡化工程技术与工艺[M].北京：化学工业出版社，2012.04

[2]胡寿松.自动控制原理[M].北京：科学出版社，2007.06

[3]廖常初.S7-300/400PLC应用技术[M].北京：机械工业出版社，2008.09.

Research and Improvement Automatic Control System of Temperature and Pressure Reducing Station of Sea Water Desalination

CAO Mei-jie,SUN Jing,QU Jing-you
(Shougang Jingtang Iron&Steel United Co.,Ltd.,Tangshan,Hebei 063200,China)

The control system of temperature and pressure reducing station of sea water desalination is researched and analyzed.The defects and shortcomings in the control system found out by production practice.Based on the actual situation,the automatic control system is improved from the hardware and the software to eliminate the hidden trouble.It ensures use safety of the company’s desalinated water and has important significance in energy saving and consumption reducing and cost decreasing and benefit increasing.

sea water desalination;temperature and pressure reducing;control system; improvement

TP273

B

1006-6764（2013）07-0073-05

2012-12-18

曹美杰（1983-），男，毕业于安徽工业大学电气信息学院自动化专业，大学本科学历，助理工程师，现从事自动化专业管理工作。