基于PLC的鍋爐煙氣脫硫控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

　1、引言

　　我國是燃煤大國，燃煤排放的SO2成為影響我國城市空氣質(zhì)量的主要污染物。因此，鍋爐煙氣脫硫是減排SO2的重要手段。

　　鍋爐煙氣脫硫系統(tǒng)具有很高的復(fù)雜性，其對(duì)控制系統(tǒng)的要求往往很高。而使用PLC控制已經(jīng)成為一種較先進(jìn)，應(yīng)用勢(shì)頭強(qiáng)勁，應(yīng)用越來越廣泛的一種控制設(shè)備。它具有可靠性極高、能經(jīng)受惡劣環(huán)境的考驗(yàn)、功能齊全、性價(jià)比高等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于鍋爐煙氣脫硫工程。作者參與設(shè)計(jì)山東某熱源廠2×75t/h鍋爐煙氣脫硫控制系統(tǒng)，采用了西門子S7-200可編程控制器，上位機(jī)采用北京亞控公司組態(tài)王KINGVIEW 6.53工業(yè)控制軟件，實(shí)現(xiàn)對(duì)脫硫系統(tǒng)的監(jiān)控。

　　2、脫硫系統(tǒng)工藝流程

　　本熱源廠采用石灰石—石膏濕法煙氣脫硫技術(shù)。該技術(shù)以石灰石漿液作為脫硫劑，在吸收塔內(nèi)對(duì)煙氣進(jìn)行噴淋洗滌，使煙氣中的二氧化硫反應(yīng)生成亞硫酸鈣，同時(shí)向吸收塔的漿液中鼓入空氣，強(qiáng)制使亞硫酸鈣轉(zhuǎn)化為硫酸鈣，脫硫劑的副產(chǎn)品為石膏。該法脫硫效率高（大于95%），工作可靠性高。

　　該系統(tǒng)包括煙氣換熱系統(tǒng)、吸收塔脫硫系統(tǒng)、給料系統(tǒng)、石膏脫水和廢水處理系統(tǒng)。本文設(shè)計(jì)的是給料系統(tǒng)的PLC控制系統(tǒng)。

　　3、鍋爐脫硫系統(tǒng)簡介

　　（1）本系統(tǒng)為2x75t/h鍋爐煙氣脫硫工程，每臺(tái)鍋爐前有三臺(tái)氣動(dòng)雙插板閥，系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)打開，系統(tǒng)停止時(shí)關(guān)閉;可現(xiàn)場(chǎng)操作，控制室操作員站操作，每套系統(tǒng)有一臺(tái)22kw羅茨風(fēng)機(jī)，用于將石灰石粉吹入鍋爐，進(jìn)行脫硫;帶有就地/遠(yuǎn)控轉(zhuǎn)換開關(guān)，可由現(xiàn)場(chǎng)控制柜或控制室操作員站操作，并能與爐前氣動(dòng)閥連鎖，氣動(dòng)閥不能全部打開，羅茨風(fēng)機(jī)不能運(yùn)行。

　　（2）每套系統(tǒng)有一臺(tái)4kw給料機(jī)，可變頻調(diào)速。帶有柜門安裝的控制面板，可由現(xiàn)場(chǎng)控制柜或控制室操作員站操作給料機(jī)的啟停，故障復(fù)位和給料機(jī)轉(zhuǎn)速的控制，并能與羅茨風(fēng)機(jī)連鎖，羅茨風(fēng)機(jī)不運(yùn)行，給料機(jī)亦不能運(yùn)行。

　　（3）兩套系統(tǒng)共用一個(gè)石灰石粉倉，粉倉上安裝有一個(gè)高料位、兩個(gè)低料位三個(gè)射頻導(dǎo)納物位開關(guān)，帶有就地/遠(yuǎn)控轉(zhuǎn)換開關(guān)，可由現(xiàn)場(chǎng)控制柜、現(xiàn)場(chǎng)除塵器操作箱或控制室操作員站操作;現(xiàn)場(chǎng)除塵器操作箱安裝于0m層，石灰石粉倉進(jìn)料口附近，用于進(jìn)料時(shí)操作粉倉除塵器并能檢測(cè)粉倉內(nèi)的石灰石粉的高度。

　　4、PLC控制系統(tǒng)硬件組成

　　（1）中央處理單元

　　S7-200選用CPU226 CN作為中央處理單元，具有24個(gè)數(shù)字量輸入以及16個(gè)數(shù)字量輸出，可擴(kuò)展到248點(diǎn)數(shù)字量和35路模擬量。S7-200 CPU的指令功能強(qiáng)大，可以進(jìn)行數(shù)字量邏輯控制、數(shù)據(jù)處理及閉環(huán)過程控制等。

　　（2）擴(kuò)展模塊

　　數(shù)字量擴(kuò)展模塊包括：EM223 CN，8輸入DC 24V/8繼電器輸出;EM221 CN，8輸入DC24V。

　　模擬量擴(kuò)展模塊：2個(gè)EM231 CN，4路模擬量輸入，12位分辨率;EM232 CN，2路模擬量輸出，12位分辨率。

　　5、PLC控制系統(tǒng)功能

　　PLC控制系統(tǒng)完成數(shù)據(jù)采集、模擬量控制以及順序控制等功能。

　　（1）數(shù)據(jù)采集功能

　　上位機(jī)（工控機(jī)）安裝了組態(tài)王KINGVIEW 6.53監(jiān)控軟件，它與S7-200之間通過自由口通信方式建立連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。

　　數(shù)據(jù)采集功能將按照所要求的采樣速度，模/數(shù)轉(zhuǎn)換精度及掃描周期，對(duì)生產(chǎn)過程的各種信息量（模擬量、開關(guān)量）進(jìn)行采集、處理、運(yùn)算、檢索及儲(chǔ)存等，并以文字、圖表、曲線等形式組態(tài)成各種畫面，通過上位機(jī)的液晶顯示屏顯示出來，向操作員及時(shí)提供機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)的信息。

　　數(shù)據(jù)采集的具體功能：

　　·顯示：包括模擬圖顯示、操作顯示、成組顯示、報(bào)警顯示等。

　　·制表記錄：包括定期記錄、實(shí)時(shí)記錄、事故順序記錄等。

　　·歷史數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與檢索。

　　（2）模擬量控制

　　脫硫系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)輸入到PLC，利用PLC和PID軟件功能控制模擬量輸出，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)節(jié)功能。此模擬量控制的功能將對(duì)給料機(jī)變頻器進(jìn)行頻率控制。脫硫劑石灰石量的多少是由給料機(jī)變頻器進(jìn)行控制的，由于給料量的多少直接影響脫硫的效率，為了經(jīng)濟(jì)運(yùn)行又達(dá)到環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)，需要根據(jù)SO2含量控制給料量。SO2含量設(shè)定值可以在上位機(jī)上進(jìn)行修改，脫硫后的SO2監(jiān)測(cè)值與設(shè)定值進(jìn)行比較，經(jīng)PID運(yùn)算后調(diào)節(jié)給料機(jī)變頻器的頻率進(jìn)而控制給料量。

　　（3）順序控制SCS

　　SCS控制對(duì)象包括機(jī)組的電動(dòng)機(jī)、氣動(dòng)門、電磁閥等，本工程SCS系統(tǒng)，將按可選的功能組級(jí)、子組級(jí)、單項(xiàng)控制方式考慮，各子組級(jí)控制功能的啟、停能獨(dú)立運(yùn)行。運(yùn)行人員能在CRT鍵盤上選擇自動(dòng)程序控制或手動(dòng)操作方式。在程序自動(dòng)執(zhí)行期間，出現(xiàn)任何故障可向運(yùn)行人員發(fā)出中斷信號(hào)，可使正在運(yùn)行的程序中斷并回到安全狀態(tài)，屏幕上可顯示程序中斷的故障原因。當(dāng)選擇手動(dòng)操作方式時(shí)，SCS系統(tǒng)設(shè)置的許可文件，可預(yù)防運(yùn)行人員誤操作。設(shè)備的聯(lián)鎖、保護(hù)指令具有最高優(yōu)先級(jí)，手動(dòng)指令則比自動(dòng)指令優(yōu)先，被控設(shè)備的“啟動(dòng)”、“停止”或“開”、“關(guān)”指令互相閉鎖，且使被控設(shè)備向安全方向動(dòng)作。SCS的保護(hù)和閉鎖功能始終有效，不允許運(yùn)行人員手動(dòng)切除。

　　6、控制軟件的設(shè)計(jì)思路

　　軟件部分是實(shí)現(xiàn)脫硫控制的關(guān)鍵部分。軟件按照模塊化結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，以便達(dá)到較強(qiáng)的移植性和今后的功能擴(kuò)展。

　　（1）程序流程

　　脫硫系統(tǒng)程序流程如圖1所示：

圖1 脫硫系統(tǒng)程序流程圖

　　（2）閉環(huán)控制

　　為了經(jīng)濟(jì)運(yùn)行又達(dá)到環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)，需要根據(jù)SO2含量控制給料量。本脫硫系統(tǒng)PLC模擬量閉環(huán)控制PID功能圖如圖2所示，用SO2濃度傳感器檢測(cè)反應(yīng)爐內(nèi)的SO2濃度，變送器將傳感器輸出的電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)量程的電流信號(hào)，然后送給模擬量輸入模塊，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后得到與SO2濃度成比例的數(shù)字量，CPU將它與SO2設(shè)定值進(jìn)行比較，按照PID控制算法對(duì)誤差值進(jìn)行計(jì)算，將運(yùn)算結(jié)果（數(shù)字量）送給模擬量輸出模塊，經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換后變?yōu)殡娏餍盘?hào)，用來控制給料機(jī)的輸送量的多少，通過它控制鍋爐內(nèi)的SO2濃度，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。

圖2 PID功能框圖

　　S7-200 PLC提供了內(nèi)置的PID運(yùn)算指令。在進(jìn)行模擬量閉環(huán)控制時(shí)，使用模擬量擴(kuò)展模塊（EM231、EM232）來完成PID控制。本文設(shè)計(jì)的PID功能指令如圖3所示，只需設(shè)定好PID參數(shù)，運(yùn)行PID控制指令，就能求得輸出控制值，實(shí)現(xiàn)模擬量閉環(huán)控制。本系統(tǒng)采用了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)整定法，直接在過程控制系統(tǒng)中進(jìn)行參數(shù)整定。在上位機(jī)界面通過SO2實(shí)時(shí)曲線觀察SO2濃度變化并修改PID參數(shù)，來達(dá)到理想的控制值。

圖3 PID控制指令

　　7、結(jié)束語

　　通過應(yīng)用西門子S7-200 PLC，實(shí)現(xiàn)了對(duì)脫硫系統(tǒng)進(jìn)行可靠的、高效的實(shí)時(shí)控制和監(jiān)控，提高了系統(tǒng)的可靠性、安全性和自動(dòng)化的程度。在山東某熱源廠的應(yīng)用實(shí)踐證明，本系統(tǒng)性能可靠，故障率低，具有非常好的環(huán)保效果和經(jīng)濟(jì)效益。