基于PLC的循環(huán)流化床鍋爐煙氣脫硫控制系統(tǒng)
由于煙氣脫硫系統(tǒng)的復雜性，對控制系統(tǒng)要求很高。我國火電廠機組脫硫控制系統(tǒng)常采用兩種控制模式，即DCS分散控制系統(tǒng)和PLC控制系統(tǒng)。由于PLC 具有通用性強、靈活性好、功能齊全、性價比高等特點，廣泛應用于鍋爐機組脫硫工程。作者參與設計組態(tài)的巴彥淖爾紫金有色金屬公司電鋅廠4×20t/h循環(huán)流化床鍋爐煙氣脫硫系統(tǒng)采用了西門子S7-300可編程控制器，上位機采用西門子WINCC工業(yè)控制軟件，實現(xiàn)了對整個脫硫系統(tǒng)的監(jiān)控。
一、 脫硫工藝系統(tǒng)簡介
該脫硫系統(tǒng)安裝在空氣預熱器和除塵器之間，采用消石灰或石灰作為脫硫劑，石灰經(jīng)消化器轉(zhuǎn)化成消石灰貯存在料倉內(nèi)，風機將脫硫劑吹入反應器。噴水系統(tǒng)分別為消化器和反應器供水。煙氣從流化床反應器下部風門進入反應器，與懸浮狀的脫硫劑發(fā)生化學反應，同時噴嘴噴入水，以提高吸收率。反應后的煙氣經(jīng)過旋風收塵器后進入電除塵器，煙氣反應未完全的脫硫劑被回收后再吹入反應器循環(huán)使用！ 《、 PLC控制系統(tǒng)的功能
(一)控制范圍
PLC對脫硫系統(tǒng)中的風門系統(tǒng)、消化系統(tǒng)、給料系統(tǒng)、噴水系統(tǒng)、反應器及物料循環(huán)系統(tǒng)、布袋除塵器、煙氣連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)(CEMS)的運行進行監(jiān)視和控制；對各種電動機、風門、電動門、螺旋給料機、變頻器及其設備順序控制；根據(jù)工藝要求實現(xiàn)設備之間的聯(lián)鎖控制和保護，并對一些工藝參數(shù)實施開環(huán)和閉環(huán)控制。
(二)控制系統(tǒng)構(gòu)成
控制系統(tǒng)由一個PLC程控柜、一個上位機監(jiān)控柜和一個CEMS儀表柜組成，均安裝在電除塵器控制室。在程控柜內(nèi)安裝了一套S7-300 PLC、控制開關和指示燈，通過這些開關可以實現(xiàn)自動(聯(lián)鎖)/手動(單機)切換、脫硫煙道風門開關、旁路煙道風門開關、系統(tǒng)緊急停車等操作，指示燈可以指示4個料倉的料位情況。程控柜繼電器控制其他動力柜的接觸器和變頻器，再驅(qū)動電機動作。每臺電機都配有就地操作箱，可以通過轉(zhuǎn)換開關實現(xiàn)程控和就地控制兩種操作，開關在“程控”位置時按照程序自動執(zhí)行，在 “就地”位置時可通過啟動和停止按鈕控制電機。
上位機監(jiān)控柜安裝了一臺研華IPC610工控機、一臺顯示器、一臺打印機、一臺UPS，實現(xiàn)系統(tǒng)的監(jiān)視、控制、數(shù)據(jù)存儲和打印功能。
(三)控制功能
PLC控制系統(tǒng)完成數(shù)據(jù)采集和處理、開關量順序控制和聯(lián)鎖保護、模擬量控制等功能。
1、上位機監(jiān)控
上位機安裝了WINCC監(jiān)控軟件，既是操作站又是工程師站，它與PCS7-300之間通過Prfibus通信方式建立連接，實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。上位機界面顯示內(nèi)容：① 常規(guī)輔機的工作狀態(tài)和故障報警信息；②電動風門開關反饋信號；③電機執(zhí)行機構(gòu)開度反饋信號和故障信號；④粉倉料位計信號；⑤變頻器工作狀態(tài)和故障報警信號；⑥運行參數(shù)實時數(shù)據(jù)、趨勢圖、越限報警。測試量包括煙氣溫度、煙氣壓力、煙氣流量、供水壓力、供水流量、給料量、SO2含量、煙塵含量等。
在上位機上可以通過鼠標點擊或拖動滑塊對系統(tǒng)和設備進行操作？刂乒δ苡校孩賡實現(xiàn)自動(聯(lián)鎖和手動(單機)切換；②啟動和停止子系統(tǒng)以及整個脫硫系統(tǒng)；③對設備進行單機操作；④開環(huán)和閉環(huán)控制的參數(shù)設置。
2、開關量順序控制
開關量順序控制是PLC控制的主要工作。在自動方式，各設備根據(jù)聯(lián)鎖條件、時間條件或上位機指令實現(xiàn)啟動和停止。主要操作對象有：①常規(guī)輔機的振打電機、星形給料器、消化器、風機；②布袋除塵器的關風器、刮板電機、低壓泵、風機；③由變頻器控制的電子螺旋秤、螺旋給料器、水泵；④電動風門； ⑤電動閥門。
3、聯(lián)鎖保護 (1)4個子系統(tǒng)的啟動順序為：物料循環(huán)系統(tǒng) → 消化系統(tǒng) →給料系統(tǒng) →噴水系統(tǒng)。
停止順序相反。當噴水系統(tǒng)發(fā)生故障時，立即停止給料系統(tǒng)和消化系統(tǒng)。子系統(tǒng)某設備發(fā)生故障時，順序停止子系統(tǒng)內(nèi)的其他設備，然后再根據(jù)聯(lián)鎖關系停止其他子系統(tǒng)。
(2)為了防止物料積壓，給料系統(tǒng)和循環(huán)系統(tǒng)的風機在各子系統(tǒng)中先開后關，時間間隔20s，以便將螺旋給料器供給的物料全部吹到反應器中。
(3)中間料倉(物料回收倉)料位超限報警時，停止脫硫系統(tǒng)運行，同時將控制風門切換到旁路，使煙氣通過旁路煙道直達除塵器排放。
(4)程控柜上設置了旁路煙道風門和脫硫煙道風門手動開關，可以快速控制煙道之間的切換。兩個煙道風門之間互鎖，只有當一個煙道的風門完全打開后才能關閉另一個煙道的風門，保證鍋爐安全運行。
4、 模擬量控制
脫硫系統(tǒng)運行參數(shù)輸入到PLC，利用PLC和PID軟件功能塊控制模擬量輸出，實現(xiàn)自動調(diào)節(jié)功能，主要調(diào)節(jié)項目有：
(1)消化水流量調(diào)節(jié)。向消化系統(tǒng)中的石灰 (CaO)噴水，將其轉(zhuǎn)化成消石灰(Ca(OH)2)，供水量應根據(jù)石灰給料量調(diào)節(jié)，使化學反應盡量完全且物料呈干粉狀。將消化水管水流量測量值與設置值 (根據(jù)石灰量給料量計算得到)比較，經(jīng)PID運算后自動調(diào)節(jié)管路上調(diào)節(jié)閥的開度，使供水流量與設置值接近。
(2)反應器供水壓力調(diào)節(jié)。為了達到噴水霧化效果，噴水壓力必須達到設置值，即恒壓供水。將PLC 運算結(jié)果輸入變頻器，改變變頻器輸出頻率，進而調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速使供水壓力控制在設置值。
(3)反應器給料量控制。反應器鈣劑給藥量信號是通過電子螺旋秤提供的，由于給藥量大小直接影響脫硫率，為了經(jīng)濟運行又達到環(huán)保標準，需要根據(jù)SO2含量控制給藥量。SO2含量設置值可以在上位機上修改，脫硫后的SO2監(jiān)測值與設置值比較，經(jīng)PID運算后調(diào)節(jié)電子螺旋秤電機轉(zhuǎn)速進而控制給藥量。
(4)物料循環(huán)量的控制。根據(jù)反應器出口、入口壓差控制螺旋給料器的物料循環(huán)量。
三、PLC的硬件組成
PCS7-300型PLC功能強速度快、擴展靈活，具有緊湊、無槽位限制的模塊化結(jié)構(gòu)，適合于大、中、小工程。該系統(tǒng)除了CPU主機架外，另外擴展了1個機架，每個機架分配8個信號模塊。
1、 中央處理單元
PCS7-300選用CPU315-2PD作為中央處理器單元，具有Profibus和MPI兩種網(wǎng)絡通信方式。位操作時間為0.3μs，字操作時間為1μs。最大數(shù)字量I/O可達1024點。最大模擬量I/O可達128通道。具有48KB的 RKB，80KB的裝載存儲器，裝載存儲器的容量可用存儲卡擴充，最大可擴充至1MB。
2、 信號模塊
信號模塊包括：
(1)數(shù)字量輸入模塊。為SM321 32點直流24V輸入模塊；
(2)數(shù)字量輸出模塊。為SM322 16點交流220V繼電器輸出模塊；
(3)模擬量輸入模塊。為SM331 8通道模塊，直接接入壓力變送器、溫度變送器、流量變送器的模擬量信號或其他標準電壓、電流信號；
(4)專用測溫模塊。為SM331 8通道熱電阻模塊，直接接入熱電阻傳感器；
(5)模擬量輸出模塊為SM332 4通道模塊，直接驅(qū)動電動執(zhí)行機構(gòu)、變頻器等設備。
3、 其他模塊
機架擴展接口模塊選用IM360和IM361。電源模塊選用PS307-1E5A，專用于PCS7-300CPU供電。
四、控制軟件的設計思路
煙氣脫硫控制系統(tǒng)程序設計采用了結(jié)構(gòu)化編程方式，利用編程軟件STEP7建立一些通用指令塊(功能塊 FB、FC)，實現(xiàn)同類設備的操作(如泵和電機)。結(jié)構(gòu)化程序反復調(diào)用這些功能塊，將實際存儲區(qū)地址參數(shù)傳遞給功能塊的形式參數(shù)，實現(xiàn)對具體設備的控制。結(jié)構(gòu)化編程的特點是程序?qū)哟吻逦、程序通用化和標準化，易于修改和調(diào)試。
(一) 電機控制
1、 電機控制功能塊
脫硫系統(tǒng)中包括很多相似的電機設備，它們的控制原理相同，因此，在程序中建立了一個電機功能塊FB1，以便在組織塊中調(diào)用，來控制具體的電機設備。
FB1的功能：①手動方式時上位機手動啟停電機；②自動方式時通過聯(lián)鎖關系控制電機啟停；③監(jiān)視電機的運行狀態(tài)。
在電機控制輸出狀態(tài)下，定時器開始計時，定時時間結(jié)束后，如果電機接觸器觸點接通，說明電機工作正常。如果接觸器未接通，可能是繼電器保護或其他故障，則發(fā)出故障報警。當操作員在上位機確認故障后，故障報警取消。
2、 FB1形式參數(shù)
FB1的形式參數(shù)包括：手動(#start)、聯(lián)鎖控制(#latching)、電機輸出(#motor)、定時器 (#time～no)、定時時間(#response～time)、接觸器反饋信號(#response)、故障(#fault)。
3、 LAD功能塊調(diào)用程序
在循環(huán)組織塊OB1中調(diào)用FB1(motor)，以實際參數(shù)替代形式參數(shù)，實現(xiàn)主粉倉振打電機的操作和監(jiān)控，LAD程序見圖2，其中V2是其背景數(shù)據(jù)塊。其他電機設備均采用上述方式調(diào)用FB1功能塊，但因每個電機設備有不同的聯(lián)鎖條件，需將各自的聯(lián)鎖條件傳輸給Latching，以控制電機的運行。
(二)、閉環(huán)控制
1、PID調(diào)節(jié)器
脫硫控制系統(tǒng)包括多個相似的模擬量控制賄賂。 STEP7編程軟件編制了可供調(diào)用的PID功能模塊FB41。圖3為實現(xiàn)恒壓供水的反應器噴水壓力調(diào)節(jié)閉環(huán)控制框圖。
FB41的形式參數(shù)是PID調(diào)節(jié)器的操作變量，實際參數(shù)由所建立的共享數(shù)據(jù)塊提供。在上位機上將PI 相關參數(shù)寫入共享數(shù)據(jù)塊，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸。在中斷組織塊OB35中調(diào)用功能塊FB41，PID輸出操作值控制變頻器，進而控制水泵轉(zhuǎn)速以達到所要求的供水壓力。上位機調(diào)節(jié)器界面設置了手動/自動開關，調(diào)節(jié)器可以在手動或自動狀態(tài)下工作。
2、控制原理
(1)當調(diào)節(jié)器處于手動狀態(tài)時，實現(xiàn)開環(huán)控制。在上位機調(diào)節(jié)器界面拖動滑塊可以改變調(diào)節(jié)器的輸出操作值，即可以人為控制水泵的轉(zhuǎn)速而改變供水壓力。
(2)當調(diào)節(jié)器處于自動狀態(tài)時，實現(xiàn)閉環(huán)控制？梢栽谏衔粰C調(diào)節(jié)器界面修改調(diào)節(jié)器的設置，如比例增益、積分時間、微分時間等參數(shù)。
3、參數(shù)的整定
采用現(xiàn)場實驗整定法，直接在過程控制系統(tǒng)中進行參數(shù)整定。在上位機界面通過壓力實時曲線觀察水壓變化趨勢并修改參數(shù)，以達到理想的控制值。
五、系統(tǒng)通信
(一)通信系統(tǒng)的組成
脫硫控制系統(tǒng)采用Profibus現(xiàn)場總線技術(shù)。根據(jù) Profibus的特點和要求，采用主從結(jié)構(gòu)Profibus2DP方式，其拓撲結(jié)構(gòu)為總線型，即以脫硫控制PLC作為DP 主站，其他系統(tǒng)作為從站。
從站的功能：①煙氣連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)(CEMS)的控制。將脫硫和除塵后的煙氣參數(shù)顯示在上位機上，其控制單元是PCS7-300的CPU315-2DP；②監(jiān)控上位機(IPC)。通過CP5611通信卡與主控PLC建立數(shù)據(jù)通信；③在DCS系統(tǒng)顯示脫硫系統(tǒng)的運行參數(shù)(DCS支持 Profibus通信協(xié)議)。
(二) 軟件的組態(tài)
在軟件組態(tài)時，完成硬件型號參數(shù)設置、通信模式選擇、設定總線地址、傳輸方式、數(shù)據(jù)通信方式等。由于主控PLC、CEMS的PLC和IPC通信模塊都是西門子的產(chǎn)品，因此，可以使用STEP7進行組態(tài)，而 DCS若不是西門子產(chǎn)品，則需要將DCS系統(tǒng)的GSD文件在STEP7中安裝和配置。GSD文件中包含對DP設備進行描述的所有信息，以便系統(tǒng)對該設備進行組態(tài)和操作，確定通信中主站和從站數(shù)據(jù)傳輸遵守的規(guī)則，如：傳輸速率、交換數(shù)據(jù)長度、現(xiàn)場設備類型等。
六、結(jié)束語
PLC+IPC的控制系統(tǒng)已在巴彥淖爾紫金有色金屬公司4臺20t/h循環(huán)流化床燃煤蒸汽鍋爐煙氣脫硫系統(tǒng)中成功應用并投入運行兩年時間，控制系統(tǒng)工作穩(wěn)定、功能完善，能夠滿足工藝對控制系統(tǒng)的要求。
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