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化工厂除盐水控制系统设计1.绪 论1.1研究背景 化工行业是国家的基础工业，也是高用水行业。近十几年，在世界化工行业技术和装备水平不断提高的基础上，我国化工公司也朝着工艺装备先进、装备规模扩大的方向迅速发展，更加突出了对水质及供水系统稳定对化工公司生产的重要性。有关资料显示我国化工公司用水量达成每年120亿立方米，由此可见，水解决生产过程控制系统的应用将具有很大的发展前景。 除盐水作为一种重要的生产介质，广泛应用于工业生产中。除盐水生产过程中有机械过滤器、钠离子过滤器、盐过滤器以及反渗透装置等高新技术生产设备，通过传统的控制方法已经远远不能满足生产需求，所以对于整个除盐水生产过程进行自动化监控，可以很好的起到节能环保，提高生产效率的作用。除盐水生产过程中，最重要的应用就是反渗透技术。虽然通过十几年的发展，但先进的控制技术仍然没有得到完全的发挥，这正给了此行业控制技术发挥的巨大空间。 本文以某化工厂除盐水系统为背景，采用超滤和反渗透相结合的工艺来进行解决。生水通过初级过滤后，进入超滤系统，将水中的细菌、铁锈、胶体、悬浮物、大分子有机物等先期除去，再进入到反渗透系统，进一步除去水中的溶解盐、胶体、细菌、病毒和大部分有机物等杂质，以达成为生产设备提供优质除盐水。1.2国内外除盐水技术研究现状当前我国关于除盐水生产过程的控制重要有三种方式: 1)手动操作方式:由操作人员运用仪表采集水解决过程中的流量、水位、温度、浊度、pH值等数据，同时操作现场设备的过程被称为手动操作除盐水解决。由于这个过程中，数据采集是由操作人员完毕，在参数上就会存在较大的误差，因此除盐水的水质就无法得到保证。(2)半自动控制方式:在半自动控制方式下，除盐水生产过程中部分的数据采集是通过传感器，变送器的方式采集，并在控制室内设有用来显示流量、液位、温度、压力、浊度、pH值等数据的显示屏，同时显示屏还可以显示电机、阀门等的运营状态，由操作员通过显示屏上显示的数据及设备状态，对水解决控制过程进行监控。但控制室内操作员只能远程控制部分设备的运营，其它设备的控制仍需要由现场的操作人员完毕，现场数据也通过人工采集。(3)全自动控制方式:整个除盐水生产过程控制不设立具体人员进行现场设备操作及数据采集，而是通过计算机编程和现场总线技术对整个生产过程进行控制。在除盐水生产过程中，通过计算机网络将所有的数据采集入下位机，并以PLC为控制单元，将现场合有设备按照控制算法程序运营，并在控制室实时监控。所有数据参数的采集和远程控制参数也都是通过现场总线进行。这种全自动控制方式是目前除盐水生产控制的重要方向现代化的除盐水生产过程控制系统在欧美发达国家的一些水解决厂中使用日益广泛，甚至达成全自动化无人值守的限度，如美国Iowa水厂在七十年代初就已经实现计算机自动控制除盐水pH值，此外苏联Moscow水厂，日本东京Sunglow水厂等也先后采用计算机自动控制，除盐水的水质控制取得相称抱负的效果。现在，美国的大中型水厂所有采用集散型的自动控制系统，在厂区范围内的不同工艺段，设有若干台现场计算机对整个除盐水生产过程实行多环路控制，过滤生产车间，超滤反渗透生产车间等现场计算机与设在中心控制室内的计算机主机，通过工业以太网连接，将现场数据传输到主控室计算机，并在主控室计算机上显示图表、曲线以及设备动作记录、故障报警等信息，并在自动控制系统发生故障时，可以由操作人员随时将自动控制式过程切换至手动控制方式。就当前除盐水生产过程控制系统而言，重要是根据应用场合的规定，选定水质参数，采用一定的控制算法，设计自动控制系统，实现对水质参数的有效控制，使出水的电导率和pH值达成指标规定。目前，针对除盐水反渗透控制系统，很多控制算法被研究和应用。(1)常规PID控制常规PID控制可以不用导出被控对象精确的数学模型，而从经验和实际调试中大体拟定控制的参数，故此在设计数字控制器时可以运用常规的模拟调节规律，离散化简化数字控制器设计。常规PID闭环控制系统的控制过程是:具有参数可调的PID算法根据设定值和过程反馈变量输入之间的误差，经运算后把输出信号传送给输出附加程序，再输出给控制机构。 在连续自动控制系统中，不管是闭环控制还是其它类型的复杂控制，最为常用的控制方法仍然采用常规PID控制方法，或者是以常规PID控制方法为基础，再加上其它的复杂的，特殊的控制方法。(2)模糊自适应控制 在除盐水生产过程中，控制目的是使除盐水的电导率和pH值控制在一定范围。这是非常典型的大延迟、非线性时变、多目的系统，反映复杂，难以建立模型。对它的控制，一直是国内外除盐水生产行业的难点。针对以上特点，有科研人员提出了以分阶、预测、自校正为研究基础的模糊控制方案。具体方法为:离线建立模糊控制规则，根据经验，历史和实时数据库，自学习校正控制规则。(3) Fuzzy-PID复合控制模糊控制具有很多优点，对于难以建立精确的数学模型、非线性和大滞后的过程特别适合应用，但在应用中也存在一些问题。例如，基本模糊控制系统的稳态性能较差。由于基本模糊控制器相称于一种非线性PID控制器，缺少积分作用，因此系统的稳态误差不能有效消除。为此，有科研人员尝试将模糊控制(Fuzzy)与PID控制结合在一起。当系统偏差较小时，采用传统的PID控制方法，由于PID控制的稳态精度较高。而当系统出现的偏差较大时，则切换采用模糊控制，由于非线性、大干扰的情况由模糊控制来实现更为现实。 (4)专家控制 美国等发达国家于90年代初开始研究在除盐水生产系统中采用专家系统智能控制技术来实现除盐水生产中的pH控制，取得了相称有效成果。国内研究者于1993年起，也开始了专家智能pH控制系统的研究，并在除盐水生产方面取得初步推广应用。 (5)神经网络控制 神经网络控制是随着神经网络的研究复兴而发展起来的，是神经网络与自动控制系统的一种有效的结合，目前各国学者正致力于将其用于工业生产过程控制。基于神经网络的内模控制系统具有很强的自学习和自适应性，对大滞后、非线性系统可实现预测控制，较传统控制方法有明显的优势。把这一方法应用于除盐水生产中，目前处在探索研究阶段。通过几十年的发展，除盐水生产过程控制已经可以通过计算机控制，并完毕远程监控，信息化管理，使整个生产流程达成自动化控制。在除盐水生产过程控制系统达成自动化限度后，生产效率，生产能力和生产质量都得到有效提高，同时人工成本，设备损耗等也显著减少。虽然现今除盐水生产过程控制系统的自动化控制的应用已经很广泛，但是，总体控制水平仍然不高，所以，设计出高效、低成本的控制方案并应用于实际生产中，仍是目前有待于提高的方面，同时这样的控制方案还要适应现有经济水平，并考虑以后的经济发展，实现低投入，易改造的需求。1.3本文重要工作 针对国内现有的除盐水自动控制系统还处在常规PID控制的现状，本文将着重设计一套电导率和pH值都参与控制的除盐水生产过程控制系统。以下是本文的重要工作内容: (1)介绍除盐水工艺，发展历程，除盐水生产过程控制中的重要问题和特点，以及对除盐水生产过程控制系统进行设计的意义，分析了国内外对电导率和pH值参数控制现状和存在的问题，确立除盐水电导率和pH值为被控参数和相应的控制指标。 (2)对除盐水生产过程控制系统的软，硬件进行设计，并对控制系统进行选择和比较。 (3)针对电导率和pH值控制具有线滞后，非线性，时变性，并且无法建立准确的数学模型的特点，采用PLC结合模糊控制，RBF神经网络控制的技术，对系统进行控制器设计和模拟仿真，并对仿真结果进行分析比较。 (4)对所设计的控制系统进行了编程调试，并于现场应用，对改善后的应用情况与原生产情况进行比较，分析得到了较好的效果。2除盐水生产过程中的工艺和所暴漏出的问题2. 1工艺流程介绍 本文所设计的某钢厂除盐水生产工艺流程如下: 生水进入生水缓冲水箱，经生水泵送到双机双室机械过滤器，除去水中余氯和有机物，减少生水浊度，再将水送入固定床钠离子过滤器，经固定床钠离子过滤器除去钙、镁离子后的软水送出至脱碳塔，除去渗透至清水的co2气体，为了防止低温时减少产水量，北方冬天时，会再通过加热器将清水加热到25左右后，达成反渗透主机的水质规定，进入反渗透主机，反渗透系统将生产的除盐水送至用户，而产生的废水，即反渗透浓水重新回到生产系统中，不能被运用的部分，外排。此外辅以双机双室机械过滤器反洗，固定床钠离子过滤器再生，超滤系统反洗，反渗透膜反洗等设备，进行除盐水生产。 在整个生产工艺过程中，重要有以下设备:生水箱、生水加压泵、双机双室机械过滤器(石英砂过滤器)、固定床钠离子过滤系统、超滤系统、反渗透系统、pH值控制系统等。 （1）生水箱水箱配置高水位浮球阀和低水位液位开关。其具有了可靠性高，价格低廉，结构简朴，安装方便等优点。当水位处在高位时，浮球阀关闭，停止进水。水位处在低水位时，高水位浮球阀打开，开始向水箱注水。同时，低水位液位开关断开，生水加压泵停止工作。 (2)生水加压泵 四台工频泵，二用二备配置，当选用远程自动控制时，任一台运营泵故障后，备用泵有一台自动投入运营，泵后阀门随泵运营。 (3)双机双室机械过滤器 八台双机双室过滤器同时运营，每隔8小时，其中一台参与反洗，当反洗过滤器反洗结束后，投入到过滤状态，其它到达反洗时间的过滤器依次投入反洗。所有过滤器的过滤及反洗状态都为自动控制，如遇故障情况，由操作员切换到手动操作模式，进行维护。假如过滤状态的过滤器数目低于四台时，提醒重故障报警，由操作人员进行干预操作。 (4)固定床钠离子过滤系统八台固定床钠离子过滤器同时运营，每隔8小时或者蚀度大于设定值时，其中一台参与再生，当反洗过滤器反洗结束后，投入到过滤状态，其它到达反洗时间的过滤器依次投入再生。所有过滤器的过滤及再生状态都为自动控制，如遇故障情况，由操作员切换到手动操作模式，进行维护。假如过滤状态的过滤器数目低于四台时，提醒重故障报警，由操作人员进行干预操作。 固定床钠离子过滤器的反洗部分由浓盐池;浓盐泵;盐过滤器;稀盐池;稀盐泵这些设备组成。 浓盐泵:两台水泵一用一备，一台故障时，另一台自动投入运营。泵后阀门随泵运营。重要起到对将浓盐水注入盐过滤器的用途。 盐过滤器:对浓盐水进行过滤，达成去除盐液杂质的作用。两台盐过滤器同时运营，运营8小时后，其中一台进行反洗，反洗后投入运营。稀盐泵:将稀盐池中的合适浓度稀盐液输送到固定床钠离子过滤器，为固定床钠离子过滤器再生提供稀盐液。两台稀盐泵为一用一备，一台故障时，另一台自动投入运营。泵后阀门随泵运营。(5)超滤系统 四套超滤膜组件为自动控制，同时运营，当检钡到压差过大时，该套超滤膜组件自动投入反洗状态，另三台正常产水，待反洗结束后，投入产水状态。超滤模组的供水由四套保安过滤器，四套超滤给水泵这些设备组成。四台超滤给水泵独立运营，单独为相应的超滤膜组件提供供水任务。对就的四套保安滤器，也与相相应的膜组件同时工作。 反洗水箱为超滤膜组件提供反洗水，由反洗泵将反洗水送至超滤膜组件，当超滤膜组件需要反洗时，反洗泵自动启动，没有超滤膜组件反洗时，则自动停泵。 (6)反渗透系统 四套反渗透膜组件为自动控制，同时运营，当检测到压差过大时，该套反渗透膜组件自动投入反洗状态，另三台正常产水，待反洗结束后，投入产水状态。反渗透产生的浓水的外排量由外排调节阀进行控制，根据电导率检测仪检测到的数据，对浓水外排调节阀进行精确控制，没有外排的反渗透浓水，进入反透浓水箱，进行再次运用。 反渗透模组的供水由除CO2风机，换热器，四台保安过滤器，四套反渗透高压供水泵这些设备组成。 除CO2风机为手动控制，长期运营，当故障时，自动报警。 换热器可设为自动控制，通过对蒸汽调节阀进行PID调节，将水温控制在25 。当夏季气温高于25时，直接通过换热器旁路阀为反渗透系统供水。 四套保安过滤器单独运营，与相应的反渗透膜组件同时工作。四台反渗透高压供水泵为独立运营，自动为相应的反渗透膜组件供水。泵后阀门随泵自动运营。 (7) pH值控制系统 液氨水箱内设有液位检测，当液位过低时，发生报警，由操作员打开阀门，注入己经配置好的氨水。 两台pH计量泵为自动控制，一用一备，根据pH值测量仪测得的管道除盐水pH值，进行精确控制。具体生产流程如图2.1所示。外排调节阀生水箱生水泵机械过滤器钠离子过滤器200软水箱超滤系统软水加压泵除碳风机热互换器反渗透系统150平方米除盐水箱除盐水泵PH值检测仪电导率检测仪反渗透浓水箱浓盐池浓盐泵盐过滤器稀盐池稀盐泵液氮箱计量泵除盐水生产工艺流程图2. 2除盐水生产过程所暴漏出的问题以及特性 在化工厂行业生产中，除盐水重要起用于炼钢、炼铁、连铸等单元关键设备的冷却以及锅炉、蓄热器补等给水，这些设备对水质的规定很高，假如水质无法达成规定，就有也许导致生产损失，以及安全事故。在水质规定中，有两个重要指标，一是出水的电导率，二是出水PH值。 (1)对于出水电导率的控制，重要是使预脱盐水电导率稳定在一定的范围内，不至于因水质差异导致预脱盐水的水质波动。 除盐水生产过程中，反渗透系统中产生的反渗透浓水一部分外排，另一部分回流至反渗透浓水箱，与生水混合，作为预脱盐水再次运用。由于生水的水质随着季节和温度等因素的变化，一直处在实时变化的状态，这样，反渗透浓水回流量的大小，也就起到了调节预脱盐水电导率的作用。在正常生产情况下，反渗透浓水的产生总量基本稳定，外排调节阀开度的大小，决定了回流量的大小。但从反渗透浓水进入反渗透浓水箱与生水棍合，直到除盐水产生，是一个大滞后的过程，不管控制作用如何，在滞后的这个阶段，过程变量对控制作用的响应是不可预测的。并且尚有的问题是，时间的滞后导致了控制信号不能迅速的对过程变量的输出进行干预，这就相称于在滞后的这段时间内，信号的反馈作用主线是无效的，而信号的反馈是除盐水自动控制所必需得到的信息，假如无法得到合适的反馈信号，就也许会导致系统响应超调，更有甚者也许会使系统控制失效。 (2)对于出水pH值的控制，重要是要将出水pH值快速稳定的控制在给定指标范围内，不会由于流量、温度以及水中游离C02的变化等对控制导致大的影响。 除盐水pH值的控制，就是将一定浓度的氨水通过计量泵输入除盐水管道中，与除盐水中的酸性物质(重要是C02)进行反映，从而改变除盐水的pH值。但由于酸碱中和反映的特点，决定了氨水的加入量与除盐水pH的变化不是线性的，当除盐水pH值处在中和点(pH=7)边沿时，酸碱中和反映的pH值会产生突跃，而由于通过阴、阳离子互换器后的除盐水，其中的阴、阳离子已经基本上所有除去，其pH值已经接近纯水，所以，即使在其中加入很少的氨水，也会导致pH值发生很大的变化，相反，当pH值离中和点很远时，即使加入大量的氨水，pH值变化也不会发生很大变化，对于这样一种典型的非线性系统，准确控制加氨量，是一个非常困难的问题由于除盐水供水流量及除碳风机对CO:的清除量经常发生变化，所以除盐水pH值控制又具有时变性。酸碱中和，以及pH值检测都是一个滞后的过程，这也决定了pH值控制具有滞后性。针对以上几点，除盐水的控制很难建立一个良好的数学模型，也很难通过常规PID来控制。3除盐水生产过程中系统硬件平台规划3. 1硬件平台所需要具有的条件初期传统的除盐水生产过程控制系统重要是采用继电器控制电路，运用现场控制箱上的按钮、转换开头等对设备进行启/停，开/关等操作，通过指示灯、指示仪表等来显示现场设备状态，并运用PID调节仪表来控制温度，压力，流量等。初期控制系统中的继电器控制电路，重要是由硬件接线，在工程师设计出电路后，施工人员将继电器机械触点按照电路图进行串联或并联等方式组成控制辑，但由这样的系统连线多且复杂，整个系统体积庞大，系统一旦构成后，假如想要改变方案或者增长功能，都是一件很困难的事。此外，一个继电器的触点数量是固定的，要想扩展系统，就得增长继电器或者增长辅助触点，这就导致系统的灵活性和可扩展性很差。从工作原理上来看，在采用继电器控制的电路中，当电源开关接通时，电路中的所有继电器都在控制状态，设计中应当吸合的继电器基本上都同时吸合，而不该吸合的继电器由于受到某种条件限制就不能吸合，假如没有足够多的时间继电器的话，这种工作原理就不能免使受控继电器的动作依次动作。从控制可靠性来看，继电器控制系统所有依靠继电器的机械触点的动作来实现，而由于继电器机械触点的开关动作一般都要几十毫，并且继电器的机械触点由于电流等因素还会出现抖动问题，因此可靠性就大大减少。从可维护性上来看，由于采用继电器控制电路的系统使用了大量的机械触点，需要大量的连线，并且由于继电器机械触点长期开闭后存在机械磨损、电弧烧伤等现象，就会出现误动作的情况，所以就需要大量的维护工作，给维护人员导致很大的工作量。近十几年来，随着除盐水生产工艺规定不断提高，初期传统的控制系统，由于前述缺陷，早已远远不能满足生产需求。随着PLC技术的快速发展，智能总线型仪表的大量应用，除盐水生产过程控制系统将重要采用现场总线、现场智能仪表和PLC组成的总线型的控制系统。现场智能仪表、PLC和监控设备之间通过一种全数字化、双向、多站的通信网络连接成现场总线控制。PLC，作为现代控制系统的大脑，己经越来越多的应用于自动化设备上，取代了绝大部分传统继电器控制电路己经成为现实。这是由于PLC具有以下优势:(1)功能强，性价比高即使一台小型PLC，其内部也会集成了成百上千的可供工程师使用的编程元件，涉及继电器，计数器，计时器等，这些编程元件代替了继电器控制电路中的元件，并且可以通过编程，可以实现继电器控制电路中很难实现的复杂功能。因此，PLC控制电路不仅功能比继电器控制电路强，并且可以节省很多电路，具有很高的性价比。(2)硬件配套方便，用户使用简朴如今，常规的可编程序控制器产品已经被广泛应当，市场上常用的可编程控制器己经标准化，同一品牌被提成不同的系列，配以不同的模块，并且有品种齐全的各种型号，品牌的硬件装置供设计人员选择。设计人员可以对控制系统配置进行灵活方便的选择，用不同的系列，组成各种功能、各种规模的系统。对于装配人员来说，可编程序控制器的在安装和接线方面十分方便，基本上连接外部接线都采用接线端子。最重要的是，可编程控制器的部分开关量输出模块具有很强的带载能力，可以直接驱动一般的电磁阀甚至交流接触器。(3) 可靠性高，抗干扰性强 继电器控制电路中要使用大量的中间继电器和时间继电器等。由于继电器的机械触点在长时间的使用过程中，会出现接触不良，最终导致电路出现故障，而在PLC系统中，中间继电器和时间继电器基本上都以软件代替，只有与输入和输出有关的部分，才采用少量硬件，接线要比继电器控制系统少很多，并且由于采用的硬件少，因此，由于硬件导致的故障也大为减少。由于各PLC厂家对硬件和软件都采用了一系列抗干扰措施，使PLC具有很强的抗干扰性，平均无端障时间己经可以达成数万小时，并且特殊设计的系统，可以直接用于电磁干扰强烈的工业生产场合。如今，PLC已经被广大用户认为是最可靠的工业控制设备之一。 (4)系统的设计容易、安装简朴、调试方便 由于PLC将继电器控制系统中大部分的中间继电器、时间继电器、计数器等硬件用软件功能替代了，就会使控制柜中控制电路的设计，硬件的安装、接线等工作量有大幅的减少。相对于传统的继电器控制电路，PLC用梯形图程序替代时，一般使用顺序控制设计方法。顺序控制编程方法具有条理性，设计编程人员很容易掌握。对于复杂的控制系统，由于软件中继电器的数量很多，梯形图的设计时可以大量使用，不需要多考虑辅助点的使用，因此比设计传统继电器控制系统电路图的工作量要少很多。 对于PLC程序，调试人员可以在出厂前模拟仿真，输入信号用按钮等来模拟，通过PLC模块上的显示或者软件监控来观测输出信号的状态，也可以提前做好监控画面，通过监控画面上做好的输入输出来监控状态。完毕了系统的出厂测试后，在现场的调试过程中，假如发现的问题，可以通过修改程序来就地解决，即使工艺有小的修改，也可以通过程序修改来即时调整，因此系统的调试时间比传统继电器控制系统少很多。 (5)编程简朴 梯形图是现今被最广泛应用的可编程序控制器的编程语言，在梯形图中，电路符号和表达方式与传统继电器控制电路原理图基本致，梯形图语言在编程过程中形象直观，易于掌握，对于熟悉传统继电器控制电路图的技术人员来说，只要花费很少的时间就可以熟悉梯形图语言，并可以运用其用来编制程序。 (6)维护工作量少，维修方便现今的PLC的故障率己经很低，并且软件中已有较完善的自诊断功能。PLC或当外部的输入装置或者执行原件出现问题后，可以在PLC编程时，通过充足考虑故障信息，编制故障报警程序，以利于维护人员迅速的查明故障的因素，并通过修改程序或更换PLC模块的方法来快速地排除故障，继续生产。 (7)体积小，能耗低对于复杂的电气控制系统，当使用PLC后，中间继电器和时间继电器的使用量可以大大减少，一般小型PLC的体积都设计的比较小，对于空间规定比较严格的区域，可将箱时设计的很小，以适应现场需求。PLC系统的接线比传统继电器控制系统的接线要少得多，有些厂家已经提供快速接头的方式，所以可以省下大量的接线，也就可以省出大量的端线位，使整个系统的体积减小。 (8)适应科技发展，实现网络通讯现今PLC系统已经大量的实现与电脑及智能仪表等通过网络连接，分散控制，集中管理。通过网络控制后，就可以在远程显示出实时的设备工作状态，对于公司生产管理和人员现场维修带来很大的方便。 C9)提高产品质量，增长产品形象对于复杂的机械设备的控制，假如采用传统的继电器控制电路，对设计人员来说，不仅设计复杂限度增长，还容易出现设计错误，对装配人员来说，不仅大的线路接线难度，还让产品显得低端，因此现在复杂机械设备基本上都采用PLC控制，有PLC控制的机械设备，品质更有保证，同时，假如设计人员对程序进行适当的加密，也会加大同行仿制难度。 (10)对机械设备升级提供方便 对于复杂的机械设备，在生产中，经常会面临不能满足使用需求的情况，这就规定对设备进行升级改造，假如采用传统继电器控制的话，假如有大机械设备升级改造，基本上要把以前的控制电路报废，但是假如采用PLC控制电路的话，只需要扩展出相关的I/O点，增长适当的机架数，再由编程人员修改相关的控制程序就可以满足生产需求了。对于与现场仪器仪表的数据采集，发展趋势是采用现场总线型仪表，将数据采集传输至上位机。现场总线是自动化领域中的一种底层数据通信网络，是将传感器采集数据和现场智能设备的状态与控制与自动控制系统进行传输的总线系统，还可以通过现场总线实现不同的自动控制系统之间的通讯。现场总线是一种数字式、双向传输、多分支结构的通信网络。随着自动化控制系统的快速发展，现场总线技术也在近些年得到很多科研人员的重视，在高速发展的过程中，不同的组织和机构先后提出多种不同的现场总线标准，如由Siemens主导的Prof bus总线、现场总线基金会主导的FF总线、由埃施朗公司主导的LonWorks总线、由BOSCH公司主导的CAN总线、ROSEMOUNT公司主导的HART总线等。在现场总线的发展过程中，由于不同厂家侧重的应用场合不同，发展方向也分头进行，国际上没有形成一个统一的现场总线标准，不同的现场总线在不同的场合和需求下发挥着各自的优势，所以在选择系统所用的现场总线时，就规定设计人员要综合考虑所应用的场合，使所选择的现场总线既能满足现有系统的实际需求，又可以对系统以后的拓展和升级提供方便。在自动控制领域内，Siemens自动化产品线的全面性以及产品的应用的广泛性，使Siemens公司主导的Profibus成为了目前世界上应用最为广泛的现场总线技术之一，多种控制方式都可以由Profibus总线同时实现，并且Profibus总线是很多仪器仪表厂家及智能设备厂家所首选的总线通讯模式，其开放性和可集成性使设计人员有很大的选择余地，在长期的发展中，Profibus总线的可靠性高、可维护性得到大量设计人员的认可，广泛的应用也使其成本得到有效的控制，使其价格优势体现明显。所以本系统的现场仪表采用带Profibus-DP接口的压力传感器、温度传感器等，变频器也选Profibus-DP进行网络连接。由于工业以太网具有全开放、成本低、带宽高、应用广泛等无可争议的优势，所以本系统的主站将采用工业以太网与工业控制计算机相连的方式，不仅可以节约成本，并且提高可靠性和速度。针对越来越多的远程访问的需求，所以本系统将选用远程通讯技术。深圳赛远推出的SY系列远程通信技术产品，可以与具有以太网接口或串行端口的可编程控制器，人机界面和其他系统远程进行在线下载程序，故障诊断和维修等。SY系列通讯技术的产品只需要通过Internet，加上赛远公司的S-Link专有技术，通过工业数据远程安全加密，并转发协议，实现PLC与PC机远程控制之间的互相通信，可以实现数据的采集，程序的下载和在线诊断，维修等。赛远的SY-RSCM302通讯模块，只要在有Internet的地方，就可以控制远程控制PLC，并且，通过匹配远程访问的安全通信模块，可以实现通过控制现场安装的摄像头，采集现场视频，通过视频，来操作现场设备，达成更直观的控制现场设备的效果。通过数年的应用，SY-RSCM302在PLC等控制系统的远程通讯方面，已经得到了设计人员的认可，是一款具有可靠性和安全性的工业级的远程安全通讯模块。在安全面，SY-RSCM302可以通过Internet建立专用S-Link网络，使数据在传输过程中不会被拦截和破坏，并且SY-RSCM302支持Profinet, Ethernet. Ethernet/IP, MODBUS TCP等多种工业网络协议，可以广泛的与多种可编程控制器与行网络通讯。SY-RSCM302具有安全可靠，性价比高，体积小，能耗低，安装方便的等多种优点，是一款优秀的远程通讯产品。所以本系统选用深圳赛远的SY-RSCM302为远程监控的通讯模块。 综合以上信息，并对先进除盐水生产中对稳定供水，集中控制，减少维护成本以及环保节能的工艺规定，该控制系统选择工业控制计算机以工业以太网方式与Siemens57-400 PLC控制器连接，以ET-200M为从站，采用总线型检测仪表和变频器，并以SY-RSCM302为远程通讯模块的方式，实现对温度，压力，流量等的监视和控制。这样的系统具有开放性、分散性，在现场总线级实现数字量传输，信号传送精度高，控制灵活性强，易于维护等特点，是此后除盐水生产过程控制硬件系统发展的趋势。根据设计情况，I/O点数记录如表3.1所示。系统I/O点数登记表 D1 DO AI RI AO 915 224 162 63 14 根据记录出来的I/O点数，并按照现场需求15%余量的情况下做出硬件配置如表3.2所示。 系统硬件配置表 序号名称类型描述数量单位1S7-400机架6ES7400IJA010AA0 UR2用于中央控制器和扩展单元，9槽1块2S7-400电源6ES74070KA020AA0PS407电源模块，120、230VAC输入，10A1块3S7-400解决器6ES74162XN050AB0CPU416-2,5.6MBRAM,24VDC,MPI/DP1块4S7-400DP模块6GK74435DX030XE0CP443-5扩展型通讯解决器1块5S7-400以太网模块6GK74431EX200XE0CP443-1通讯解决器1块6PS307电源模块6ES73071KAO10AA0PS307，120/230VAC输入24VDC输出，10A1块7IMI53-X接口模块6ES71531AA030XB0ET 200M, IM153-I DP接口模块16块8开关量输入模块6ES73211BLOOOAAOSM321，32点输入，24VDC65块9开关量输出模块6ES73221BLOOOAAOSM322，32点输出18块10模拟量输入模块6ES73317KF020AB0SM331，8点输入，9/12/14位分辨率23块11热电阻模块6ES73317PFO10AB0SM331, 8点输入，用于热电阻9块12模拟量输出模块6ES73325HFOOOABOSM332, 8点输出2块根据系统选择及以上硬件配置，做出系统网络图如图3.1所示。该系统选用三台工业控制计算机，其中一台作为工程师站，两台作为操作员站，这三台工业控制计算机通过互换机，用工业以太网与Siemens 57-400主站的以太网模块相连，进行通讯。远程I/O选用ET200M，通过Profibus-DP总线与Siemens 57-400主站的PLC自带DP口连接，进行数据通讯。四台生水加压泵由变频器控制，直接通过DP总线连接至Siemens 57-400主站的DP模块，这样可以大大减少I/O模块中AI AO模块的数量，并且可以省略信号线，节约成本的同时，减少故障点。反渗透系统和PH值调节系统都是采用单独的S 7-200系统进行控制，通过EM277，运用DP总线与Siemens 57-400主站的DP模块连接，进行数据互换。流量计，压力变送器，液位计等总线型仪器仪表，也是通过DP总线与Siemens 57-400主站的DP模块连接，将相关的AI点所有省略，减少成本，提高数据传输可靠性。低压泵，阀以及温度传感器等，其I/O与ET200M的I/O通过信号线连接，然后传输至Siemens S7-400主站，进行数据解决。远程通讯方面，分别在主控室和工程师办公室设立一台SY-RSCM302模块，两台模块分别连接至Internet，在主控室内的SY-RSCM302模块的LAN端接入到主控室的互换机上，这样在主控室内的操作员将SY-RSCM302给电后，工程师就可以用工程师办公室内的计算机，并通过赛远的SY-RCS软件进行设立网络，可以达成对现场的多台PLC进行监控的目的。针对工程师无法及时到达现场，并且不在工程师办公室的情况，赛远的SY-RCS软件在本地没有SY-RSCM302模块的情况下，通过设立，对现场的一台PLC进行监控，临时解决部分问题。图3.1除盐水生产过程控制系统网络图3. 2硬件模拟平台根据系统的网络图以及硬件配置和实验室的实际情况，搭建硬件实验平台如图3.2所示。在硬件实验平台搭建中，将实验室现有的两台DP总线型流量计，两台DP总线型压力变送器，两台6SE70变频器等总线设备连接至DP通讯模块;将六套ET200M I/O机架连接至主站的S7-400解决器自带的DP接口上;将两套低压开关箱内的断路器，接触器等信号接入ET200M的DI, DO模块中;将两套PT 100热电阻接入ET200M的AI模块中;将一台调节阀的模拟量输入输出分别接入ET200M的AI, AO模块中;将1#工业控制计算机通过互换机用工业以太网与57-400主站的解决器自带的以太网接口连接，作用程序调试使用;将1# SY-RSCM302模块的Lanl以太网接口连接至互换机上，与57-400解决器进行通讯，Lang以太网接口Internet连接，将2# SY-RSCM302模块的Lan1以太网接口连接至2#工业计算机上，Lang以太网接口与Internet连接，模拟远程数据访问功能。图3. 2除盐水生产过程控制系统硬件实验平台图4除盐水生产过程控制规划4. 1出水电导率控制器规划 反渗透工艺流程是一个相称复杂的控制过程。这是由于影响这个过程的因素很多，如生水取水地的地质环境变化、季节变化以及生产过程中的温度等等，这些因素对系统导致的影响难以掌握规律，所以对其进行控制建模是非常困难的。为了回避控制建模比较困难的问题，可以根据除盐水生产的经验进行分析，并且通过模拟仿真来进行验证，在此基础上，设计出一个二维模糊控制器，对除盐水生产过程进行模糊控制。在进行模糊控制过程中，为了减小电导率检钡(所产生的误差和有助于检测变量的模糊化，将预脱盐水的电导率作为模糊控制的检测对象。在除盐水生产过程中，反渗透浓水的总流量，在正常生产情况下基本为一恒定值，而反渗透浓水一部分回到浓水箱，继续使用，一部分直接排放，所以，只要控制排放流量的大小，就可以达成控制回到浓水箱浓盐水量的目的。同时，控制了回用浓水量也就控制了浓水箱中反渗透浓盐水与生水的混合量，反渗透浓水箱里的混合水作为反渗透进水，其电导率对预脱盐水电导率有直接影响。所以本控制系统设计对反渗透浓盐水排放调节阀进行控制，达成控制反渗透流量的目的。4.1.1模糊控制器介绍 模糊控制是将模糊系统理论与自动控制技术相结合的产物，是以模糊集合理论为基础的一种新兴的控制手段。在近些年来，模糊控制技术通过科研人员的不断探索，取得了很多突破性的研究成果，很多研究成果也在实际应用中被发展出来。 模糊控制的核心就是运用自然语言来描述被控制系统，运用模糊集合理论和模糊规则推理，将系统的模糊知识进行拟人的知识解决，并实现对复杂的，以建模的系统进行优化控制。在控制过程中，以计算机语言描述人类知识，并把计算机语言表达成模糊规则或关系，通过推理、并运用现有知识库，把某些知识与过程状态结合起来，构成一套最优的模糊控制策略。在近几年来，将模糊集合理论应用于自动控制系统中，得到了飞速的发展，对于一些时变的，非线性的的复杂系统，精确的数学模型无法建立，要想得到有效的控制，就可以运用智能化的模糊控制器。例如，在传统工业的炼钢，化工中，有些系统基本难以得到精确的数学模型，而人文系统，经济系统和医学，心理系统等，更是难以建立精确的数学模型。但是，这些系统却有大量的可以用语言来规定的性能指标信息，这些重要的先验信息已能用定性的形式表达。同时，在这类系统中，操作人员在系统中起到重要作用，是这类系统的一个重要组成部分，但是，由于只要有人作为组成部分，就具有不拟定性，所以这样的系统都具有不精确性，很难用常规的控制理论来实现控制。虽然此类系统很难用常规的控制理论来实现控制，但是由系统中的操作人员来控制却是容易做到的，这是由于操作人员具有主观的，长期的经验以及个人的思维，他们可以这些，用语言或者自认为适当的对策来完毕控制任务，于是，控制系统的设计人员就运用这类系统中操作人员的长期积累的经验，并运用模糊集合理论，编制成可以定性描述控制方法的程序，使控制定量化，来模仿系统操作人员的操作策略，由此，以模糊集合理论为基础的模糊控制器就产生了。模糊控制理论是控制思想的一次深刻的变革，标志着人工智能发展到了一个新的阶段。 现今智能化控制领域中模糊控制是最具有发展前程的一种控制方法，在工业控制及其他的