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引言
HT-7U超导托卡马克核聚变实验装置是中科院等离子体物理研究所承担的大科学工程项目，其目标是能在装置上对建造稳态先进的托卡马克核聚变堆的前沿性物理问题开展探索性的实验研究。HT－7U低温系统，作为该项目中主要子系统之一，是为HT-7U超导托卡马克的纵向和极向场超导磁体稳定运行提供冷量，该系统的2KW/4K制冷机还用来生产液氦以满足其他实验及用户的需求。低温系统由三部分构成：压缩机站、制冷机冷箱部分、托卡马克磁体冷却部分。采用OMRON公司的CS1GCPU44PLC作为数据采集、控制回路、自动顺序操作和运算的主要设备，其它测量监控设备为辅的方案，实现了压缩机站的实时监测、自动控制和系统运行诊断，满足了系统可靠性、稳定性和实时性的要求，。
1.系统介绍
HT-7U氦低温系统的压缩机站部分包括两级螺杆压缩机组、除油系统等设备，其系统流程图见图1。
压缩机部分由低压级和高压级二级串联组成，低压级为三台LG25Ⅱ型螺杆压缩机并联，将氦气从0.104Mpa(P0)压缩至0.51Mpa(P1)，总的质量liuliang250g/s；高压级为两台LG20Ⅱ螺杆压缩机并联，将氦气从0.51Mpa(P1)压缩至2Mpa(P2)，总的质量liuliang超过360g/s。压缩机站的作用是
图1 压缩机站系统流程图
为制冷机的降温、回温、液化、制冷等各种运行模式提供需要的稳定压力和高纯度的氦气liuliang，它对整个低温系统的稳定性和制冷机的工作效率至关重要。根据制冷机需要的氦气liuliang选择投入或停止压缩机的台数，通过对螺杆压缩机能量滑阀和五个控制阀门的调节使PO、P1、P2稳定在要求的精度范围之内。螺杆压缩机站需要测量的工艺参数主要有：压力、温度、差压、liuliang、液位、转速、真空度、气体纯度、阀门开度、电机电流、压缩机能量滑阀位置，系统共有数字量输入99路,模拟量输入59路, 数字量输出59路,模拟量输出6路；需要控制的主要过程有螺杆压缩机的启动、停车和安全运转，压缩机油温的调节，各设备故障时的处理等。
2.监控系统硬件结构
压缩机组监控系统采用上位机和下位机组成，系统硬件结构图如图2所示。上位机使用两台研华工控机，一台作为操作站实现整个系统的监控和数据检测，另一台作为工程师站完成组态软件的设计和开发、PLC程序的开发以及将软件通过串口传送至PLC的CPU单元。下位机采用功能强大、可靠性高、维护方便且抗干扰能力强的可编程控制器OMRONCS1G-CPU44PLC实现压缩机站大多数参数的采集和控制，一些不参与压力控制的参数如油吸附器压力、缓冲罐压力等信号由研华的ADAN数据采集模块采集，并以串行数据的形式传送给上位机，采用屏蔽电缆作为工控机串口与PLC和ADAM模块串行通信的介质。采用ADAN4520 RS485/232C转换器是为解决RS232C的通讯距离短和干扰较大等问题
图2 压缩机站监控系统硬件结构图
监控系统的硬件配置为：研华工控机，CPU为PIII733，操作站还扩展了Controller bbbb 支持卡3G8F5 CLK01-E,PLC配置的模块有基本I/O单元：3块16点输入单元ID212、6块16点输出单元OC225，高密度I/O单元：2块32点输入单元ID216，特殊I/O单元：4块8路模拟量输入单元AD003、1块8路模拟量输出单元DA004、3块温度传感器单元TS102，Controllerbbbb 通讯单元CS1W CLK21, ADAN模块有4块8通道模块ADAN 4017、2块3通道模块ADAN4013和1块RS485/232 转换器ADAN 4520。
通过在现场级PLC的Controllerbbbb线缆通信单元CLK21和操作站ISA插槽上扩展的通信单元3G8F5-CLK01-E，将上位机和下位机组成OmronController bbbb网络。OMRON公司的Controllerbbbb网络（控制器网）是OMRON主要的FA（工厂自动化）级别的网络，是一种使用令牌总线通信的网络，网络中的每个节点都可作为主站进行数据的发送和接收，通过设置数据链接节点间可以自动交换预置区域那的数据。该网络中控制通信的节点称为发牌单元，它控制令牌，检查网络和执行相关的任务。这种总线型拓扑结构具有大的灵活性，易于扩充和维护，满足了系统可扩展性要求。由于采用了分布式控制技术，可确保Controllerbbbb网络不会因某个站点故障而崩溃，tigao了系统的稳定性。本系统中采用屏蔽双绞线作为Controllerbbbb网络的通信介质，由于各节点距离小于500m，传输速率达2Mbps，可满足系统实时性要求。PLC网络在完成物理连接后,必须对进行必要的参数设置并建立路径表,这是整个网络配置过程中重要的部分。设置的参数包括通信单元的单元号、所在网络的节点号、I/O表、数据链接等。只有在完成这些必要的工作后，才能实现PLC网络的互连。本系统中CLK21和3G8F5CLK01-E模块的参数设置见表1。
表1 Controller bbbb 通信单元参数设置表
3.监控软件结构设计
工业控制组态软件是可以从可编程控制器、各种数据采集卡等设备中实时采集数据，发出控制命令并监控系统运行是否正常的一种软件包，组态软件能充分利用bbbbbbs强大的图形编辑功能，以动画方式显示监控设备的运行状态，方便地构成监控画面和实现控制功能，并可以生成报表、历史数据库等，为工业监控软件开发提供了便利的软件开发平台，从整体上tigao了工控软件的质量。北京亚控公司开发的KingView5.1是运行在bbbbbb98/NT上的一种组态软件，由工程浏览器TouchMAK和画面运行系统TouchVEW两部分组成。TouchMAK是KingView软件的核心部分和管理开发系统,它的功能是建立动画显示窗口。通过它提供的工具箱可方便建立实时曲线图、历史趋势图和报警记录显示。TouchVEW是显示TochMAK中建立的图形窗口的运行环境。在螺杆压缩机监控系统中，工程师站可运行TouchMAK和TouchVEW,而操作站只允许运行TochVEW。图3是监控软件的结构。KingView5.1驱动程序通过Controllerbbbb网络与PLC进行通信，通过串口与ADAN模块进行通信，分别访问相应的寄存器，以获取压缩机现场各工艺参数的实际值或对现场的开关量和模拟量如各控制阀门的开度进行控制。本系统中将PLC的DM0～DM199设置为可读写区，即上位机可对下位机该区域进行读写操作；将DM200～DM399设置为只读区，即上位机只能读出下位机该区域的值而不能改变。
图3 监控软件结构图
螺杆压机站测量和控制系统上位机的组态软件基本实现了螺杆压机站测控的要求。简洁且形象的模拟了压机站的工艺流程，操作人员能在中央控制室的计算机屏幕上了解压机站的全部运行状况，包括各种报警。取得权限的操作人员能在中央控制室实现对任何一台压缩机单独操作或联机操作，所有的自动与半自动之间的切换都是无扰切换。每个控制按钮和每个自动与半自动切换按钮都有的确认或取消，防止误操作。
4.控制系统设计思想
采用低压级和高压级二级串联的大型螺杆压缩机组系统在德国、日本和法国等国家有过成功例证，在国内尚应用不多。这种系统的压力控制方法主要有二种：一为前级控制，二为后级控制。前级控制把压缩机进气压力作为控制依据，这种方法使系统耦合减小，但压缩机排气压力波动较大；后级控制把压缩机排气压力作为控制依据，压缩机排气压力控制精度高，但系统耦合程度大，系统实现复杂。螺杆压缩机依靠被称为能量滑阀的结构元件的增减载（由电磁换向阀的通断实现）来调节压缩机的容积liuliang，。补气阀和收气阀调节系统中的气体liuliang。
压缩机控制系统要求在保证压力稳定的前提下，提供给制冷机在各个工况下不同的气体liuliang，压缩机控制系统要保持氦气循环系统的liuliang平衡；要保证供气压力（二级压力）的稳定性。按照压缩机系统的结构体系，将图1中P0、P1、P2分别单独进行控制，形成串级控制，这种控制方案可降低系统内部的耦合程度，减少控制的复杂性。由于压缩机控制系统属于大滞后强耦合多变量过程控制系统，控制系统的数学模型难以辨识
发电厂化学水系统大致由凝结水处理系统、补给水处理系统、汽水取样监督系统及加药系统构成。在化学水系统中要实现其自动化运行，一直是多少年来，一代又一代人的愿望。但在国内化学水投入自动运行的不多，原因主要有以下几点：
（1）化学水工艺复杂，现实中会出现许多异常情况，实现自动化运行有很大困难。
（2）除新建电厂外，大部分厂只是改造控制系统，就地一次设备，比如电磁阀、阀门、反馈机构、变送器等，不能得到及时的改造，使得自动程序不能正常运行。
（3）化学分析仪表大部分关，不能长期提供一个较稳定的终点信号，制约了自动系统的投入。
（4）各厂对电厂化学水处理的重视程度不够，不舍得在化学水处理系统投资。
（5）部分电厂搞化学水的人力资源配备不高，不能正常很好的领会控制系统的思想也不能很好的维护控制系统，或者根本就不相信控制系统，便得自动化运行人为地不能投入。
2系统改造分析：
元宝山发电厂#1机组30万千瓦，1976年投产发电，采用的是70年代流行的矩阵板配继电器控制方式，经过25年的运行，接线、继电器及执行元件都已经老化。必须进行控制系统的改造才能满足系统的很好运行。如今，对控制系统改造进行改造比较成熟的有两种方式：一种是采用PLC进行控制，另一种是采用DCS进行控制。我们对此进行了对比：
采用PLC控制：采用一些运算速度高，通信功能强的PLC能够满足化学水处理控制系统的应用；投资较少；对现场要求不高；组态及控制思想实现方便，便于检修人员掌握和维护。
采用DCS控制：科技含量较高，能够满足化学水处理控制系统的应用；投资相对较大；对现场要求较高，要有专门的控制室安装；组态及控制思想较深，不方便检修人员掌握和维护。
为此，我们经常多方论证，决定采用MODICON公司的QUANTUM系列的PLC作为下位机控制，上位机采用工控机，在NT平台上采用INbbbLUTION公司的FIX7.0作为操作平台。上位机与下位机之间构成MODBUSPLUS网络，上位机通过网卡与局域网MIS系统之间实现10M以太网。
3系统原理及设计：
3．1工艺系统及自动控制要求：
元宝山发电厂#1机补给水系统是由一台混合器、两台过滤器和两个系列及两个混床构成，混合器及过滤器作为预处理系统主要是除去水中的悬浮物和胶态物，系列由C1、C2、除碳器、A1、A2构成，主要是除去水中的离子，混床在后做为二级除盐，在出口形成高纯水。整个系统分为三块，即过滤器、系列、混床。三个系统以系列为主动系统，即系列启动，过滤器及混床随之启动，系列停止，过滤器及混床相应停止。过滤器反洗有6步，系列再生程序共有12步，混床再生共有11步，以导电度、运行时间和制水量做为周期终点，其他各自有不同的参数进行相应的控制。
l元宝山发电厂#1机补给水工艺系统图：
元宝山发电厂凝结水系统无管式过滤器，由三台凝结水混床构成，处理热力系统中的水，进行除盐后再利用。再生系统采用体外再生，当其中一个床子失效后，传至体外再生罐中进行再生。凝结水运行程序共3步，传脂程序共8步，再生程序共14步。凝结水系统运行周期以导电度、时间为终点。此次改造后系统已经实现氨化运行。
l元宝山发电厂#1机凝结水工艺系统图：
3．2自动控制系统构成及原理：
元宝山发电厂#1机组化学水处理自动控制系统是由辽宁电科院和元宝山发电厂共同开发的具有较高自动化程度的现代化水处理控制系统。
该系统由两台上位机操作站（CRT）、两套MODICON公司的PLC组成的网络式控制系统，对化学水各个部分进行程序控制、智能调节、及监控报警历史等管理功能。
3．2．1PLC控制系统：
本系统由MODICON公司的QUANTUM系列PLC作为核心，其I/O模件具有热插拔功能。由于运行量大，CPU模件选用两块140CPU53414A，（凝结水和补给水各自形成一套相对独立的系统），其处理器选用INbbb586MX133，内存2M，具有较高的模拟量处理、数字量识别和智能调节功能。由于主从站之间距离较远，本系统在通讯上全部设计成冗余通信，即A、B两个通讯通道。采用MB+网。MB＋是一个高性能的工业通讯网，它可以使计算机，PLC或其它数据源经双绞线电缆在工业现场的环境下实现对等通讯，MB＋的数据传送速率是1MBPS。MB＋采用的是令牌通信策略，具有高可靠性和大的吞吐率。MB＋支持网络的状态监测，可以由PLC监视网络的运行状况，在故障时可产生即时报警，MB＋支持例外读写和非清求读写等通信功能。MB+采用的是Modbus协议。Modbus协议已成为事实上的工业标准，采用RS232C的串行通信方式。
补给水系统由一套电源柜、一个主控制站、一个从控制站、8个就地控制箱构成一个分布式网络控制系统。分别对补给水过滤器、系列、混床进行自动控制。凝结水系统与补给水共用一个电源柜，由一个主控制站、一个从控制站、一个电磁阀柜、3个就地控制箱构成一个分布式网络控制系统。对凝结水处理系统、体外再生系统、一二号机化验站模拟量系统、自动加药系统进行自动控制。
具体分布式网络构成图如下：
3．2．2上位机管理系统：
本系统的上位机选用两台互为冗余的研华PIII866做为工控机，配置PHILIP202P彩显，通过SA85网卡与PLC构成1M的MB+网，以对等方式共享资源，网络多可容纳64个节点，上位机中以MICROSOFT公司的bbbbbbSNT5.0SP6作为操作系统，以MODICON公司的CONCEPT2.2作为编程平台，进行程序的编制、下载、在线监控，以INbbbLUTION公司的FIX7.0作为图形操作平台，由于FIX中集成了对MODICON公司的PLC的支持，可采用MMP或MBP驱动方式通过MB+网直接实现FIX数据库对PLC资源的读取和写入，具有速度快，扩充性强，方便管理等特点。
上位机画面采用了三维绘图方式，使得整个画面立体感极强。由于在改造前我们进行了多方考查，参考了很多先进的控制画面的制作，在操作画面的设计上力求实用、简单、美观。主要操作功能如下：
（1）、自动方式：系统在自动方式下运行不需要任何人为参与，整个系统严格按照系统工艺要求和程序要求自动进行。
（2）、半自动方式：半自动方式是程序控制方式为灵活，包含内容多的一种方式，在半自动方式下设有：程序暂停、干预、跳步、强制启动、紧急停止几种功能
在半自动方式下运行时，只是在几个大的步序设置中断点，此时需要人工参与才能进行下一段程序。典型控制按钮的说明：
暂停健：按暂停键时，在程序暂停时相应系统的所有阀门、转机都将停止运行，程序计时停止，取消干预后，程序重新开始运行。
跳步键：只有按下暂停键后，跳步功能有效，按跳步键程序将在本断程序内循环跳步。当取消暂停时，系统将从跳步后的程序开始运行。
干预键：按干预键时，相应的系统或程序仍然保持原有状态，程序计时停止，但系统内的阀门和转机可以进行手动开关、启停等操作，当取消干预时系统恢复原始运行状态。
强制启动：当运行、反洗或再生等程序启动时，系统要进行外部条件判断，当条件不满足时，不允许启动，但有时外部信号会出现误动或拒动的情况（这些条件会以醒目的红色显示在条件判断对话框里），此时，运行人员经过检查确认此条件已满足时，可按下此按钮启动程序。
紧急停止：当运行、反洗或再生等程序进行中，系统出现紧急情况，此时按下此按钮，系统停止所有转机，关闭所有阀门，停止系统运行，转入停止状态。
通过这些特殊按钮实现的功能，在处理一些紧急和异常情况时，大大方便了运行操作。
（3）数据统计报表功能：#1机所有的在线仪表数据在上位机画面都能显示，并且每点都有实时趋热功能，能观察十分钟内的参数变化。部分数据（如系列入口liuliang、过滤器入口liuliang、阴床入口liuliang、反洗liuliang等）具有累积功能。所有数据通过处理进行统计报表。报表分为日报表、周报表、月报表，这些报表能在微机上长期保存，以便以后查找。
（4）报警功能：所有的转机故障、水位低/高、浓度低/高、liuliang低/高、和一些重要的阀门的开关都设有报警。出现报警时弹出报警信息对话框，经运行复位报警消失。
（5）无扰切换：在任何运行或再生中，可以在全自动/半自动/手动之间切换，对运行结果没有影响，有较高的稳定性和安全性。
具体硬件配置见下表：
5 结束语
本系统基本上是将原来控制系统全部废除后重新构筑的。改造后的效果非常好，由于各个控制终点更jingque了，使得整个系统的自动化水平有了较大的tigao，人为的因素少了，使得我厂#1机组凝结水系统实现了氨化运行，大大降低了生产成本。在改造完成后控制系统的可靠率和自动投入率都有很大的tigao，由于在微机中建立比较完善仪表的数据库，在今后的工作中，可以将#1机组的化学设备的运行参数和数据接入MIS系统，tigao设备的管理水平。
近几年随着我国经济建设的快速发展，在能源供应上很多地区都出现电力资源紧缺的状况，许多电厂纷纷进行新建或扩建改造。深圳西部电厂原有4台（#1—#4）300MW机组，为tigao发电能力又续建#5、#6机组（2×300MW）。西部电厂原有两列化学水处理系统，续建工程的化学水处理系统扩建一列100~140m3/h化学除盐系统，其余设备与已有化学水处理系统共用。原有化学水处理系统使用传统的模拟屏方式进行监控，自动化水平不高并且效率很低。续建2台机组后，废除原有化学水处理系统的控制系统，将原有化学水处理系统和扩建的一列化学水处理系统统一采用一套冗余PLC控制系统进行集中控制。
2化学水处理系统工艺流程
2.1.化学水处理系统流程
原有化学水处理系统流程为：自来水→蓄水池→升压泵→活性炭过滤器→阳离子交换器→除二氧化碳器→中间水箱→中间水泵→阴离子交换器→混合离子交换器→除盐水箱→除盐水泵。通过对现有系统运行状况的现场调查和对水质分析报告分析，自来水中的悬浮物含量较高，严重地污染了活性炭和离子交换树脂。续建工程增加3台高效纤维过滤器对自来水进行深度过滤处理。
续建化学水处理系统流程为：自来水→蓄水池→升压泵→高效纤维过滤器→活性炭过滤器→阳离子交换器→除二氧化碳器→中间水箱→中间水泵→阴离子交换器→混合离子交换器→除盐水箱→除盐水泵。
2.2.续建工程与原有系统的连接及运行方式
原有120t/h出力的一级除盐+混床设备2列，续建工程仅再扩建1列出力为120t/h的同样设备。除盐水泵、再生水泵、压缩空气系统、酸碱再生系统和废液处理系统与原有系统共用。
3台高效过滤器采用并联运行方式，正常工况2台运行，1台备用。高效过滤器不仅对续建工程所需的自来水进行预处理，对原有系统的自来水也进行预处理。2台活性炭过滤器和一级除盐设备构成一个系列，采用串联运行方式，正常工况2列运行，一列备用。其中每系列的2台活性炭过滤器，当水质好时1台运行（去除游离余氯），1台备用；当进水水质恶化时2台运行（去除有机物）。混床采用并联，正常工况2台运行，1台备用。
3套一级除盐单元与3台混床之间设有切换阀门，受已有系统的限制，仅#1一级除盐设备和#1混床与#2一级除盐设备和#2混床可以交叉运行，#1一级除盐设备和#1混床与#3一级除盐设备和#3混床可以交叉运行。机组启动时，上述3列设备投入运行，满足大的补给水量。
3系统配置
系统由两台上位计算机和一套冗余PLC系统构成。上位计算机系统采用工业级计算机构成功能强大的监测与控制系统，计算机上安装Inbbblutiong公司的FIX7.0工业监测与控制系统软件，通过合理的系统设计和系统组态，实现对整个化学水处理工艺流程的动态监视和控制。通过上位计算机系统和强大的工业控制传输网络，实现对整个生产工艺工程的自动化管理和控制。
PLC选用德维森公司PPC11冗余控制器，控制系统采用双机热备冗余方式，通过远程I/O的方式连接现场需要监测与控制的点，远程I/O由通讯处理器和PPC11系列I/O模块组成。冗余的主控制站可以保证系统的停机维护时间为零，大限度的减少人对系统的干预。主控制系统热备系统和远程I/O控制站之间采用高性能的工业以太网总线传输网络，实现信息的可靠、安全、稳定的传输。
上位计算机系统安装与PLC控制单元之间采用工业以太网传输网络。以太网属，工业以太网已达到高传输安全性和可靠性要求，现已广泛用于程序维护、向MIS和MES系统传递工厂数据、监控、连接人机界面、记录事件和告警。工业以太网具有高传输速率（目前达到100M）、集线器技术的确定性、不需考虑网络的拓扑结构、传输物理介质多样（双绞线、光纤、同轴电缆）、集线器的应用可不考虑网络的扩展等优点。
通过以太网络将上位计算机系统和现场监测与控制点紧密的结合为一个整体，构成一个完整的系统。在这样高速传输网络上，可以很方便的利用PLC系统所特有的功能，实现对整个控制系统的计算机在线远程诊断功能。
4控制功能
水处理系统所有控制阀采用就地和远程控制方式，在程控系统完全故障的情况下还可以通过就地控制实现手动制水，保证机组锅炉的可靠用水。控制箱上选用3位选择开关，分别为就地开、就地关、远程控制。选择远程控制时，控制阀由操作员在操作站上控制。操作员可以在操作站对控制阀进行状态监视和动作控制，对控制阀的控制可分选择自动和手动方式。在自动方式时控制阀受PLC逻辑程序控制，在手动方式时控制阀由操作员直接在操作界面上点击控制