电站化学水处理仿真系统的研发郑源滨

第25卷第5期电站系统工程Vol.25No.52009年9月PowerSystemEngineering45文章编号：1005-006X(2009)05-0045-03电站化学水处理仿真系统的研发华北电力大学自动化系郑源滨白焰摘要：研发了一套电站化学水处理仿真系统，设计并制造了化学水处理系统仿真模型，应用MC9S12D系列单片机、IIC总线及CAN总线技术开发控制板控制虚拟设备，为连接PLC预留了通信接口。在建立气动执行器数学模型的基础上，通过上位机进行设备的状态配置实现故障仿真，由PLC控制系统实现全程顺控。开发化学水处理系统的仿真软件，具备单片机的控制功能和上位机的配置功能，仿真软件可以由留有的接口进一步开发应用。关键词：水处理；CAN总线；故障仿真；气动隔膜阀中图分类号：TK223.5；TP391.9文献标识码：ADevelopmentofChemicalWaterTreatmentSimulationSysteminPowerPlantZHENGYuan-bin,BAIYanAbstract:AchemicalwatertreatmentsimulationsysteminPowerPlantisdeveloped.TheFreescale'smicrocontrollerMC9S12D,IICandCANbustechnologyareutilizedtodevelopcircuitboardtocontrolvirtualdevices.TheinterfaceforPLCisreservedincircuitboard.Italsosimulatesvariousstatusesofinstrumentsinwatertreatmentsystem.Themathematicalmodelofpneumaticactuatorsismadeinthisdissertationforfailurestatessimulation.ThesimulationmodelcanbecontrolledbyPLC,andthefaultstatuscanbeconfiguredbyhostcomputer.Thesoftwareisdesignedanddevelopedinthisarticle.Itincludesthefunctionofmicrocontrollerandtheconfiguration.Thesoftwarecanbedevelopedtoapplytopracticaloperationsbyinterfaceleft.Keywords:watertreatment;CANBus;faultemulation;pneumaticdiaphragmvalve应用计算机仿真技术，对电站化学水处理系统进行仿真研究，对提高电站化学水处理系统的运行维护水平具有重要意义。现有文献[1]对水处理的研究是通过系统建模和动态模拟，结果由软件仿真实验所得，无法对设备进行实时监控和故障诊断。为弥补上述不足，在充分考虑了可行性的基础上，本文研发了一套化学水处理仿真系统，它基于电站常用“一级除盐加混床”（H-D-OH-H/OH）工艺流程，系统构成如图1所示，由实体仿真模型、虚拟现场设备、PC上位机和PLC三部分组成。PLC控制系统经I/O模件连接单片机，控制虚拟设备。PC上位机通过CAN总线连接虚拟设备，与仿真设备数据通讯，进行故障配置。通过仿真实验可以形象直观地反映水处理系统的工作原理，为技术人员提供良好的培训工具，为化学水处理的科学研究提供实验手段与科学依据。本系统硬件成本低廉，结合PLC或DCS系统，可以很方便地在上层进行优化配置和组态的研究。1系统仿真模型化学水处理基本工艺流程为：生水从生水箱依次经由生水泵、高效过滤器、强酸阳离子交换器、除碳器、中间水箱、中间水泵、强碱阴离子交换器、混合离子交换器、除盐水泵、除盐水箱、凝补水箱等，完成除盐补给水的循环。针对电站常见的化水处理工艺流程，适当简化设备模型，经由深圳博威仿真控制有限公司加工，成品如图2所示。收稿日期：2009-04-16郑源滨（1986-），男，硕士生。北京，102206图1系统框架结构图图2仿真系统模型图仿真模型系统主要包括阳床、阴床、混床、除碳器、中间水泵及其他辅助设备。罐体采用有机玻璃，阀门为有机玻46电站系统工程2009年第25卷璃雕刻成的手轮，手轮中间安装有红绿双色二极管。设备内部配备发光二极管、接线端子及变压器。若需更换损坏二极管，只要顺势拔下手轮改装即可。拔下手轮，内部3个孔对应二极管的3个引脚。实体模型的罐体及其周边阀门由开发的电路板控制。虚拟现场设备主要仿真阀门行程开关和相关故障状态。2虚拟设备控制电路板硬件设计PCB总体设计如图3所示，均采用贴片元件，形状小巧，可装入仿真模型罐体的内部。MCUPCF8574PCF8574PCF8574PCF8574PCF8574PCF8574IIC总线82C250仿真模型LEDPLC输入模件PLC输出模件上位机PCCAN总线图3PCB设计框图MCU采用Freescale公司HCS12系列单片机，该系列处理器运算速度高，片内外设资源丰富,可以完成上述主从式系统中的全部控制功能，其开发环境支持使用C语言进行程序设计。最小系统辅助电路包括时钟电路、复位电路、BDM调试接口电路、供电电路等。其中，时钟电路设计外接无源晶振，使用并联振荡电路（PierceOscillator）；复位电路利用MAX705监控芯片，监控电源电压和MCU的工作状态；供电电路使用LM2940CS低压差稳压芯片，其压降小，功耗低；BDM接口方便用户进行嵌入式设计。2.1IIC总线电路设计针对MCU自身通用I/O接口不足的缺陷，选用PCF8574芯片设计IIC总线电路，实现与仿真设备的数据通讯。芯片的时钟线SCL和数据线SDA是漏极开路结构，使用中必须加上拉电阻[2]。准双向I/O口可用作输入和输出而无需通过控制寄存器定义数据流的方向。2.2CAN总线电路设计上位机PC通过CAN总线对虚拟设备进行初始化和故障配置。选用吉阳光电公司的CAN232B总线接口卡，转化RS232通信数据与CAN通信数据。硬件上利用MCU自带的mscan模块，结合PCA82C250芯片。CAN232B总线接口卡内部已设置终端电阻。终端电阻的取值是调试CAN总线的关键，其不仅取决接口卡的内部设置，更与单片机mscan模块的相关寄存器设置密切相关，设置可参考文献[3][4]。2.3MCU与PLC通信模块的接口设计为达到MCU与PLC通信的目的，单片机控制板需为PLC预留接口，电路原理图如图4所示。(1)选用MCU的GPIO接收PLC控制指令。继电器连接PLC的输出模块，当该输出模块的某位为高电平时，继电器开关闭合，MCU内部程序即可读取该引脚，获得信息。(2)选用PCF8574扩展I/O芯片实现反馈信号在IIC总线上的传输，利用光耦起开关作用。一般而言，PLC输入模块的输入点一般为低压小电流（24V，7mA）。在环境较差、粉尘较多的场合，其连结部分易发生接触不良故障。若采用小型继电器，则数量多，接线繁杂，不能完全克服弊端。而我们设计光耦电路用于PLC输入回路中，能较好克服上述问题，取得了良好效果。图4MCU与PLC连接电路原理图3虚拟设备的故障仿真3.1气动隔膜阀电站化学水处理设备中，隔膜阀作为结构简单、使用方便的截断阀，得到了广泛的应用。一般的气动隔膜阀都具备断信号和低气压保护功能，但是，若气源压力不足或其产生非线性变化，则需要讨论气源压力与阀门行程的关系。假设：(1)阀门行进过程中，膜片面积变化小，控制腔的体积变化近似与行程成比例关系，气体按等温过程流动；(2)电磁阀开启后，进入控制腔气源气体的质量流量近似正比于气室入口的压差；(3)隔膜在行进过程中的加速度为零，气室气体压力近似于顶轴弹簧压力。由假设1得：()()()PtVtmtRT×=××(1)2()()()()()()()VKRTRTPtmtmtmtVtKXtXt××===(2)由假设2得：3()(())dmtKPsPtdt=×−(3)综合上式：23()()()KKPtPsPtdtXt=−∫(4)由假设3得：()()sPtSKXt×=×(5)式中，m(t)——气体质量函数；V(t)——气体体积函数；R——气体相关系数；Kv——体积与行程比例系数；P(t)——气室气体的压力；Ps——气源压力；Ks——顶轴弹簧的弹性系数；X(t)——t时刻隔膜的位移；S——隔膜的受力面积；隔膜位移与气室压力成正比。设比例系数K1为：1sSKK=(6)2311()()[()]()KKXtKPtKPsPtdtXt=×=−∫(7)其中K1、K2、K3均为系统系数，方框图如图5所示。第5期郑源滨等：电站化学水处理仿真系统的研发47图5系统方框图则X2(s)对气源压力Ps(s)的传递函数为：2123()()()1KXsGSSPssKK==+×(8)时域函数：1()(1)tTsXtPKe−=−(9)式9中，231TKK=×为一阶惯性时间常数。利用Matlab绘图，如图6所示，依次设置气源压力Ps为100%、90%、80%和50%，进行对比分析。012345600.10.20.30.40.50.60.70.80.91t/s阀门行程开度/%气源压力Ps与阀门开度关系图Ps=100%Ps=90%Ps=80%Ps=50%图6气源压力与阀门行程关系图定义阀门开度为90%即可视为全开，否则可视为开不足或关不死。如图9所示，Ps=80%时阀门开度超过90%，阀门可到满行程，而在Ps=90%或以下阀门无法达到满行程位置，且Ps值越大，阀门达到90%所需的时间就越短。据此分析，上位机程序可根据气源压力数值来计算阀门行程时间（只针对气动阀门），气源压力的设置采用重定义的标准百分比形式：①气源压力低于标准压力的30%：三断保护阀动作，闭锁工作气源管路，保持阀门工作位置不变；②气源压力设置在标准压力的30%～80%：阀门无法达到满行程，行程中途停滞，中途故障，最终亦为故障状态；③气源压力设置在标准压力的80%～100%：阀门可到达满行程，行程时间长，中途故障，最终转为正常运行状态。3.2设备的故障仿真现场设备的状态主要是开、关、开途中、关途中及故障。本文的基本思想就是通过二极管的状态仿真设备各种状态，如表所示。化学水处理现场设备主要为气动阀门、电动阀门和电机。不同类型的设备具有不同的特性，具有不同的故障状态。常见阀门故障[6]包括：阀门不动作，动作不稳定或迟缓，振动，以及泄漏量大，常常由于工艺参数变化表现为开不足或关不死。常见电机故障有：不能起动，无声音；起动困难，噪音大；转向不对或转速不对；温度过高，电流异常，振动过大等。综合上述现象简化各类故障状态如下：表设备仿真状态表(1)电动阀门故障状态执行机构故障：PLC操作无效，有反馈信号；阀门卡塞：开不足或关不死；行程开关故障：无状态反馈；阀门未上电：节点配置时无状态反馈；就地操作：PLC操作无效，无反馈信号。(2)电机设备的故障状态电机故障：对PLC指令不作反应；反馈节点故障：无状态反馈；电机未上电：节点配置时无状态反馈；控制回路故障：PLC操作无效，有反馈信号；就地操作：PLC操作无效，无反馈信号。(3)气动阀门的故障状态阀门卡塞、行程开关故障与电动阀门类似；气源电磁阀故障：PLC操作无效；气源消失：常开气动阀门处在开位，常闭气动阀门处在关位，PLC操作无效；气源压力不足：当且仅当气源压力大于气动阀门顶轴弹簧的阻力，阀门动作。压力越大阀门行程时间越短，分3种情况：①气源压力不足使阀门动作，即信号消失故障；②气源压力足以使阀门动作，随着执行器顶轴弹簧弹力的增大，阀门停在中间位置；③气源压力足以使阀门到达满行程，但行程时间过长，疑似机械故障。以上状态均由单片机程序设定，模型上显示LED状态，同时PLC人机界面上可给出声、光报警。4软件设计4.1单片机软件设计软件系统由底层单片机的功能实现和PC机上的界