文 献 综 述

我国人口的不断增加和工农业的持续发展造成了全国淡水资源的紧张。为了达到节约用水的目的 ,各企业开始采用循环冷却水系统。但是由于受到水质条件、运行控制和成本限制，循环水运行过程中极易发生结垢和腐蚀现象，不仅会导致换热效果降低、运营成本增加，还会造成渗漏以致影响循环水系统的安全稳定运行。因此，提高工业循环冷却水的利用效率，节约水资源， 减少污水排放已成为企业发展的根本。[[i]]

利用缓蚀阻垢剂控制循环水系统缓蚀阻垢现象是常用的方法，由于受水质条件及工艺流程差异的限制，有效药剂评价方法的选择尤为重要。现代工业常用的静态阻垢法、鼓泡法、极限碳酸盐法及旋转缓蚀挂片法均存在自身的局限性，动态模拟试验台可以克服以往试验方法的不足，模拟循环冷却水系统运行工况 ( 包括循环水水质、流速、换热器材质、进出口温度等) ，综合评价循环水水质条件，为药剂的研发和配方调整提供精确参数，在目前工业水处理行业中有着广泛的应用。[[ii]]因此，动态模拟试验台具有很高的研发价值。[[iii]]

动态模拟试验是一种对循环冷却水系统腐蚀、结垢状况进行研究的测试方法。[[iv]]这种试验装置是动态的、有传热面的#8218;为单管或三管式热交换器#8218;模拟生产上冷却器的材质、壁温和水流动状态等#8218;是试验室内评定水稳配方和工艺条件的一种较理想的综合必测试方法#8218;试验数据可为中试及现场使用提供依据。[[v]]

智能双腔监测换热器系统采用了分布式控制系统结构,由上位机和现场设备构成。系统上位机采用 Wi n C C组态软件开发监控界面,能够完成实时监测和数据动态显示、异常报警、报表制作、趋势分析等管理任务,并配有5. 7寸触摸屏, 使监测及控制更便捷。分布于现场的西门子PLC、智能监测仪表及现场传感器,作为该监测系统的下位机,完成换热器实时数据采集及对质量指标进行自动控制的功能。[[vi]]

现场各仪表测量各个检测、输出点的信号(4～20mA),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。[[vii]][[viii]]

监测换热器是一种用于模拟实际工况的小型换热器, 其工作条件较接近于换热器装置的实际运行条件。其特点是有一个传热的金属表面, 能够监测传热面上腐蚀、结垢和沉积的情况。通过测量水的流量、进出口温度和蒸汽温度等, 可计算当前污垢热阻值，取出试管和挂片通过失重法可计算腐蚀率、黏附速度等。监测换热器法是循环冷却水系统进行腐蚀、结垢监测和评价的一种重要方法。[[ix]]

利用电化学线性极化和交流阻抗技术,结合稳态和暂态测量技术,可以设计一套循环水腐蚀在线监测系统。[[x]]系统硬件部分由在线式腐蚀热阻监测仪、探头、数据转换模块、计算机构成，系统运行由软件控制系统支持。腐蚀热阻监测仪可直接安装在现场，与被测探头距离一般不超过50米。数据转换模块RS232／485转换器的作用是延长数据传输距离，监测仪到数据转换模块与计算机的最大距离为1200米。计算机定时向监测仪发出启动测量信号，仪器在识别到测量信号之后便自动采集现场信号，放大、处理、运算、存贮、显示，同时将处理后的数据传递到其CPIJ的串行输出口上，从串口再到达数百米远的计算机。[[xi]]

PLC是一种采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。其工作过程一般分为三个阶段，即输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段。完成上述三个阶段称作一个扫描周期。在整个运行期间，可编程逻辑控制器的CPU以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。[[xii]]

在输入采样阶段，可编程逻辑控制器以扫描方式依次地读入所有输入状态和数据，并将它们存入I/O映象区中的相应的单元内。输入采样结束后，转入用户程序执行和输出刷新阶段。在这两个阶段中，即使输入状态和数据发生变化，I/O映象区中的相应单元的状态和数据也不会改变。因此，如果输入是脉冲信号，则该脉冲信号的宽度必须大于一个扫描周期，才能保证在任何情况下，该输入均能被读入。在用户程序执行阶段，可编程逻辑控制器总是按由上而下的顺序依次地扫描用户程序(梯形图)。在扫描每一条梯形图时，又总是先扫描梯形图左边的由各触点构成的控制线路，并按先左后右、先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运算，然后根据逻辑运算的结果，刷新该逻辑线圈在系统RAM存储区中对应位的状态；或者刷新该输出线圈在I/O映象区中对应位的状态；或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。当扫描用户程序结束后，可编程逻辑控制器就进入输出刷新阶段。在此期间，CPU按照I/O映象区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路，再经输出电路驱动相应的外设。[[xiii]]

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。[[xiv]]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。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。[[xv]]

目前 PLC与上位机PC(计算机) 通信方式主要有以下几种:

1) 通过PLC开发商提供的系统协议与网络适配器，构成特定公司产品的内部网络，其通信协议不公开。互联通信必须使用开发商提供的上位组态软件，并采用支持相应协议的外设。这种方式显示画面和功能往往难以满足不同用户的需要。

2) 购买通用的上位组态软件，实现上位机与PLC 的通信。这种方式除了要增加系统投资外，其应用的灵活性也受到一定的局限。

3) 利用PLC厂商提供的标准通信口或由用户自定义的自由通信口实现上位机与 PLC 互联通信。这种方式不需要增加投资，有较好的灵活性，特别适合小规模控制系统。[[xvi]]

WINCC提供了一个称为 SIMATIC S7 Protocol Suite 的通讯驱动程序。此通讯驱动程序支持多种网络协议和类型。通过它的通道单元提供与各种 SIMATIC S7 －200和 S7－1200 PLC 的通讯。主要方式有MDI通讯和通过 PＲOFIBUS 通道单元建立 WINCC 和 S7－1200 PLC通讯。具体选择通道单元的类型要看WINCC 与自动化系统的连接类型。^[[xvii]]

参考文献：

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[2] 陈维忠, 张晓冬, 徐飞,等. 双水路流程动态模拟试验台设计及应用[J]. 广州化工, 2016, 44(20):127-128

[3] HG /T 2160－2008 冷却水动态模拟试验方法．中华人民共和国化工行业标准［S］

[4] 张强，郑敏聪．发电厂循环水阻垢缓蚀剂动态模拟试验研究［J］．安徽电力．2009，26( 3) : 36－38

[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，201436( 12) : 129－132

[6] 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

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[8] 孟洁. 基于PLC与组态软件的换热站监控系统[D].东北石油大学,2013.

[9] 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

[10] 范国义,曾为民,马玉录. 循环冷却水腐蚀在线监测系统的研究与应用[J]. 化工装备技术,2006,04:49-51.

[11] 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.

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[13] 西门子S7-200 PLC实践与应用. 赵景波, 阿伦, 李杰臣等编著. 机械工业出版社 2012.10

[14] 段智辉. 西门子全集成化软件TIA Portal使用实战[J]. 电气自动化,2016,05:97-98 102

[15] 刘伟杰. 西门子TIA博途V13应用原理与案例设计[J]. 智慧工厂,2016,06:58-60

[16] 张波. 西门子S7-200系列PLC与上位机通信的实现[J]. 煤矿机电,2012,02:68-70.

[17] 苏昆哲主编. 西门子Wincc V6 [M].北京航空航天大学出版社，2004.

[18] 工业生产过程控制/何衍庆，黎冰，黄海燕编著.-2版.-北京：化学工业出版社，2009.8

解决问题：

动态模拟试验装置中是怎样的测量原理以及它的测量方法。双路冷却水动态模拟实验装置设计过程是怎么样的，如何设计装置中的硬件电路。采用西门子S7-1200完成冷却水动态模拟试验装置中的PLC软件设计，编写相应的程序，熟悉上位机和触摸屏软件，并完成相应的调试工作。

研究方法：

首先应了解动态模拟试验装置即监测换热器的测量原理及其方法。通过查询文献，找到关于有关监测换热器的知识，借助网上丰富的资料和图书馆的有关资料，对其测量原理和测量方法进行理解熟悉。

其次通过查阅资料对双路冷却水动态模拟装置的设计熟悉，掌握其硬件电路的设计过程，并将硬件电路设计出来。硬件设计是软件设计的基础，所以要重视。PLC采用西门子s7-1200系列。因输入输出的过多，故采用CPU 1214C，模拟输入量点数不够，挂接SM1231 AI 8*13bit和SM1234 AI 4*13bit的模拟量输入模块。其I/O口分配为:

输入输出接线图为：

最后应该做的是对动态模拟试验装置进行PLC设计。根据其控制功能采用博图软件进行相应的PLC程序的编写并编译下载运行，通过博图软件自己的程序状态监控，对程序进行问题检查，并对问题进行修改，直到完成设计要求。