文献综述

一、 研究背景

我国人口众多，是一个干旱缺水严重的国家，且水资源分布极为不平衡,水资源短缺与日益增长的用水量之间的矛盾越来越来占据国家发展的主体地位，城市用水中80%以上是工业用水，工业用水中80%是冷却水，由此可见，工业冷却水用量占总用水量的大部分，冷却水的循环使用是节约用水量、缓解水资源日益紧张矛盾的最有效手段,为了节约用水 ,在我国石油、化工、电力、钢铁、冶金等企业正在逐步采用循环水冷却系统代替了原有的直流冷却水系统^[1]。循环冷却水在循环的过程中 , 因水中盐类和悬浮物的浓缩，以及在冷却塔与大气接触中，水质不同程度被污染,必然会带来结垢 ,金属腐蚀和微生物滋生等问题 , 严重影响了工业生产的正常运行 ,同时循环冷却水的浓缩倍数也呈上升趋势 ,这些问题大大提高了冷却过程的成本，也严重影响了工业生产正常运行，所以准确的对双路冷却水循环系统的出口温度、加热温度、冷凝温度、电导率、PH^[2]、腐蚀率值进行监测是十分必要且重要的^[3]。由于直接使用生产设备进行设计实验成本过高，且实验过程危险较大，所以我们首先进行双路冷却水动态模拟实验，待实验数据稳定后再进行实际开车实验（本次设计只进行动态模拟实验）。

二、 冷却设备形式

冷却设备有敞开式和封闭式之分，因而循环冷却水系统也分为敞开式和封闭式两类。敞开式系统的设计和运行较为复杂，成本较高，且冷却效果并不优于封闭式冷却设备，故我们选用封闭式系统进行设计^[4]。

1. 敞开式

冷却设备有冷却池和冷却塔两类，都主要依靠水的蒸发降低水温。再者，冷却塔常用风机促进蒸发,冷却水常被吹失。故敞开式循环冷却水系统必须补给新鲜水。由于蒸发，循环水浓缩，浓缩过程将促进盐分结垢(见沉积物控制)。补充水有稀释作用，其流量常根据循环水浓度限值确定。通常补充水量超过蒸发与风吹的损失水量，因此必须排放一些循环水（称排污水）以维持水量的平衡。

2. 封闭式

封闭式循环冷却水系统采用封闭式冷却设备，循环水在管中流动，管外通常用风散热。除换热设备的物料泄漏外，没有其他因素改变循环水的水质。为了防止在换热设备中造成盐垢，有时冷却水需要软化（见水的软化）。为了防止换热设备被腐蚀，常加缓蚀剂；采用高浓度、剧毒性缓蚀剂时要注意安全，检修时排放的冷却水应妥善处置。

三、 工艺简介

图1.双回路冷却水工艺流程图

动态模拟试验装置的主要流程如图1所示，水箱1和水箱2里的水经水泵，进入到试验管，在加热炉中实现热量传递，使加热水部分热量传递给试验管中的水，使试管中水的温度保持恒定，试管中升温后的水流进冷却塔顶部，经过冷却塔一和冷却塔二中的填充材料实现水的冷却，从冷却塔中流到水箱，再由水泵实现循环^[5]。流量计可调节并观察水的流速，此装置为双水路循环系统，各自独立。两边的水路可以同时进行试验，也可以单独进行试验。本系统中PH，电导率通过探头检测，经过信号线传输4m A～20m A的模拟信号给PLC，在PLC 中实现A/D转换，使PH，电导率实际值显示在触摸屏和上位机WinCC上，便于监测和调节。

四、 相关研究

目前再循环冷却水系统的设计问题上，最需要解决的问题就是系统长时间运行水质、微生物问题和设备腐蚀、污垢沉积问题。

关于水质问题，目前广泛使用且较成熟的技术为化学药剂处理，大部分循环水系统均采用”缓蚀阻垢剂 氧化性杀菌剂 非氧化性杀菌剂”的处理方案，由于目前国家对环境要求越来越高，水体富营养化严重等原因，药剂处理也得到发展，由以前的无机磷处理发展到有机磷处理及全有机处理方案。同时还有物理处理方法，物理处理方法不仅具有除垢、防垢、缓蚀和杀菌灭藻等多种功能，更主要的是能有效的降低环境污染。虽然目前实际应用走在了理论研究的前面，技术相对不够完善，应用上受到了一定的限制，但随着各项技术的发展必然会作为水处理技术的一个新的发展方向，越来越受到人们的重视和运用。目前处理水质的物理方法主要包括：循环水的磁化处理、高压静电水处理、低压电子水处理、超声波处理这几种方式。

想要更准确更快速的处理好循环系统中的各种问题，首先要有成熟的监测技术，所以循环水现场监测技术也在循环冷却水系统中得到了充分的应用，循环水水质监测可以及时反映系统内部的运行情况，方便有效的监测技术可以快速准确的体现出换热器内部的真实情况，因此，冷却水系统日常的腐蚀、沉积物和微生物的现场监测对于保证冷却水系统的优质运行，对于了解冷却水处理方案的效果及指导冷却水系统的日常运行是必不可少的。

目前腐蚀现场的监测技术主要有：电阻法、电化学噪声法、交流阻抗技术、试片法、试验管法、线性极化电阻法、检测换热器法^[6]。随着计算机技术特别是单片机技术应用的日益广泛和深入,腐蚀监测技术逐渐向智能化方向发展,以计算机技术为核心的智能化在线腐蚀监测仪^[7][8]成为腐蚀监测的重要发展方向。

污垢热阻在线监测一般通过分布在监测换热器各部分的传感器得到测量数据，主要测量值有蒸汽温度、进口温度、进水流量和出口温度，然后监测仪对传感器数据进行处理后显示，并通过计算得到当前污垢热阻值，最后将相应数据传送到 PLC^[9]。

循环冷却水系统在运行的过程中，会有各种物质沉积在换热器的传热管表面，这些物质统称为沉淀物。其中污垢是由颗粒较小的泥沙，尘土，不溶性盐类的泥状物、胶状物、杂物碎屑、腐蚀产物、油污等组成。虽然污垢的质地松软，较易清洗，但在运行中，会严重影响换热器的传热效率。^[10]目前污垢现场的监测技术主要有：监测换热器法和电热式污垢检测仪法。

微生物的现场监测技术，包括微生物测定及粘泥量的测定，其中微生物测定仍是以实验室测定为主，而粘泥量测定主要是依靠生物过滤网现场采集，均为目前的常用方法。

总之，当前循环冷却水水质处理技术的整体发展方向是明确的，即高效、易于管理、经济及环保。但是工厂设计应按照工厂本身的具体情况而综合考虑。任何水质稳定技术，只要被合理的采用，都可以达到较为理想的效果。

五、 可编程控制器（PLC）简介

在工业生产过程中，存在着大量的开关量顺序控制 ，它按照逻辑条件进行顺序动作，并按照逻辑关系进行连锁保护动作的控制及大量离散量的数据来集。传统上，这些功能是通过气动或电气控制系统来实现的。1968 年美国通用汽车公司提出了取代继电气控制装置的要求。第二年，美国数字公司研制出了基于集成电路和电子技术的控制装置，首次采用程序化手段应用于电气控制，这就是第一代可编程序控制器，称Programmable Controller(PC）。个人计算机发展起来后，为了方便，也为了反映可编程控制器的功能特点，可编程序控制器定名为 Programmable Logic Controller(PLC）^[11]。

PLC的定义有许多种。国际电工委员会（IEC）对PLC的定义是；可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专门为在工业环境下应用而设计的。它采用可编程序的存贮器，用来在其内部存贮执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字的或模拟的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程序控制器及其有关设备，都应按照易于与工业控制系统形成一个整体、易于扩充其功能的原则设计。PLC具有通用性强、使用方便、适应面广、可靠性高、抗干扰能力强以及编程简单等优点。PLC在工业自动化控制特别是顺序控制中的地位 ，在可以预见的将来是无法取代的。

六、 西门子S7-1200在双路冷却水系统中的应用

模块化控制器SIMATIC S7-1200 控制器具有模块化、结构紧凑、功能全面等特点，适用于多种应用，能够保障现有投资的长期安全。由于该控制器具有可扩展的灵活设计，符合工业通讯最高标准的通讯接口，以及全面的集成工艺功能，因此它可以作为一个组件集成在完整的综合自动化解决方案中。

5.1 PLC硬件选择

西门子的S-7 1200采用模块化组合结构，可以根据不同的点数需求和模拟量输入输出的需求选择合适的扩展模块，即能节约成本，也可减小工程复杂度。由于本工程所需要的模拟量测量点数较多，有碳钢管进口温度、碳钢管出口温度、碳钢管蒸汽温度、不锈钢管进口温度、不锈钢管出口温度、不锈钢管蒸汽温度、给水pH、给水电导率、补水电导率、循环水电导率、给水浊度、碳钢管腐蚀率、不锈钢管腐蚀率、进水流量、蒸汽压力、电动阀开度等，还有一些外部的数字量输入输出，所以本次工程我初步决定选择 S-7 1200 1214C CPU,这款CPU具有I/O点数14入/10出，和两个模拟输入点数，同时加入一块SB 1232 AQ的模拟量输出信号版，考虑到这些模拟量点数明显不足，所以我还要再挂接两个4通道模拟量输入/2通道模拟量输出模块SM 1234 AI4*14bit/AQ2*14bit 。

5.2 基本工作原理

现场各仪表测量各个检测、输出点的信号 (4 ～ 20 mA),送到PLC的模拟量输入模块 。PLC接受来自仪表的信号并按仪表的量程和仪表的修正系数的不同 ,经梯形图程序转换计算后送到上位机 , WinCC 软件显示与处理 ,同时可按照操作员设置的控制方式来控制现场的流量泵和电磁阀进行补水、排污等工作。使用RJ45接口与WINCC组态软件进行通讯，使上位机可以监控系统运行。主要踊跃监测进口温度、出口温度、蒸汽温度、污垢热阻、沉积速率、垢层厚度等^[12]。

5.3 WINCC监控组态软件

上位机监控软件（HMI）的开发基于西门子公司的 SIMATICWinCC组态软件 , SIEMENS的工业组态软件WinCC在生产过程自动化中解决可视化和控制任务(我们使用的WinCC监控组态软件集成在博途V13内)。它提供了适用于工业的图形显示、消息、归档以及报表的功能模板。高性能的过程耦合 、快速的画面更新、以及可靠的数据,这使得WinCC具有了高度的实用性^[13]。WinCC还包括所有 SCADA功能在内的客户机 /服务器系统 ,使用 MicrosoftSQLServer2000作为其组态数据和归档数据的存储数据库 , 可以使用 ODBC、DAO、OLE-DB、WinCCOLE-DB和 ADO方便地访问归档数据 ,强大的标准接口 , 如 OLE、ActiveX和 OPC, 可以方便地和其他应用程序交换数据

系统监控部分 ,包括对各系统参数的显示、污垢热阻、pH、温度等的实时曲线和历史曲线的绘制 ,主要功能如下^[14]:

(1)弹出式主菜单 :包括主界面 、参数显示 、流量控制、曲线显示、设置装置参数、打印、校时等功能选项。

(2)流程图及参数显示界面 :用以实时 、动态地反映系统的运行状况。

(3)趋势曲线 :对污垢热阻 、pH、温度等进行实时曲线和历史曲线的绘制。

(4)报警功能 :对超过安全线的各参数进行报警、提醒故障类型、报告故障位置、进行历史记录。

(5)校时功能 :由于系统需不定期的记录碳钢试管和不锈钢试管的污垢热阻计算时间 ,实时性较高 ,为防止可编程控制器的内部时钟由于误差 ,或者掉电造成时间偏差 ,需要进行校时 ,按下校时按钮后会自动将可编程控制器的内部时钟设置为 PC时钟。

七、 西门子TIA博途V13应用介绍

TIA portal(TIA博途)是西门子公司近年推出全集成自动化软件。TIA博途作为一切未来软件工程组态包的基础，可对西门子全集成自动化中所涉及的所有自动化和驱动产品进行组态、编程和调试。TIA博途采用此新型、统一软件框架，可在同一开发环境中组态西门子的所有可编程控制器、人机界面和驱动装置^[15]。在控制器、驱动装置和人机界面之间建立通信时的共享任务，可大大降低连接和组态成本。例如，用户可方便地将变量从可编程控制器拖放到人机界面设备的画面中。然后在人机界面内即时分配变量，并在后台自动建立控制器与人机界面的连接，无需手动组态。

参考文献

[1] 蔡小亮，罗益民，孙峰. 基于PLC和Wincc的智能双腔监测换热器系统[J]化工自动化及仪表,2010,37(2):81～83

[2] 崔令，罗益民.双路PH在线监测与控制[J].仪表技术与传感器，2015.第11期.

[3] 罗益民编.用好监测换热器[J].工业水处理,2007,第27卷第10期:79-81

[4] 谭天恩，李伟.过程工程原理[M]，化学工业出版社，2004.07.

[5] 陈小亮,罗益民，全自动无守候动态模拟试验装置控制系统的设计与应用[J].制造业自动化.2014，12(下).

[6] 张敏，黄红军，李志广等.金属腐蚀监测技术[J]腐蚀科学与防护技术，2007，19（5）:354.

[7] 蔡小亮,罗益民,孙锋,唐新光. 基于Modbus协议的腐蚀在线监测仪的通信设计[J].工矿自动化，2010.2.第2期

[8] 罗益民，薄翠梅.换热器在线监测仪的研制[J].南京工业大学学报,2004.11第26卷第6期.

[9] 徐品政，罗益民，新型污垢热阻在线监测仪的研制[J]. PROCESS AUTOMATION INSTRUMENTATION Vol. 32 No. 8 August 2011.

[10] 郭庆云.工业冷却水腐蚀结垢在线监测系统的开发与应用[D]硕士学位论文，天津大学，2006.

[11] 西门子S7-1200 PLC编程及应用. 廖常初等编著. 机械工业出版社 2010.06

[12] 朱斌,罗益民,钱凌峰,袁启昌. 基于PLC和WinCC的循环冷却水处理智能监控系统[J].工业仪表与自动化装置，2007，第6期.

[13] 王晓远,杜静娟,齐利晓,常斌，基于工业组态软件WinCC的化工工业监控系统[J].化工自动化及仪表，2006，33（5）:41-43.

[14] 苏昆哲主编.西门子WinccV6 [M].北京航空航天大学出版社，2004.

[15] 刘伟杰,西门子TIA博途V13应用原理与案例设计[J]，离散制造，2016.06.

[16] 冯建庆，自动监测系统在循环水场的应用[J].工业水处理，2002.10，第22券第10期.

[17] 何衍庆，黎兵，黄海燕.工业生产过程控制[M]，化学工业出版社.2009，8.