由于煙氣脫硫系統(tǒng)的復(fù)雜性，對(duì)控制系統(tǒng)要求很高。我國(guó)火電廠機(jī)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(qiáng)、靈活性好、功能、性價(jià)比高等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于鍋爐機(jī)組脫硫工程。作者參與設(shè)計(jì)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(jī)采用西門子WINCC工業(yè)控制軟件，實(shí)現(xiàn)了對(duì)整個(gè)脫硫系統(tǒng)的監(jiān)控。
一、 脫硫工藝系統(tǒng)簡(jiǎn)介
該脫硫系統(tǒng)安裝在空氣預(yù)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(cāng)內(nèi)，風(fēng)機(jī)將脫硫劑吹入反應(yīng)器。噴水系統(tǒng)分別為消化器和反應(yīng)器供水。煙氣從流化床反應(yīng)器下部風(fēng)門進(jìn)入反應(yīng)器，與懸浮狀的脫硫劑發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，同時(shí)噴嘴噴入水，以提高吸收率。反應(yīng)后的煙氣經(jīng)過旋風(fēng)收塵器后進(jìn)入電除塵器，煙氣反應(yīng)未完全的脫硫劑被回收后再吹入反應(yīng)器循環(huán)使用?！　《?PLC控制系統(tǒng)的功能
(一)控制范圍
PLC對(duì)脫硫系統(tǒng)中的風(fēng)門系統(tǒng)、消化系統(tǒng)、給料系統(tǒng)、噴水系統(tǒng)、反應(yīng)器及物料循環(huán)系統(tǒng)、布袋除塵器、煙氣連續(xù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(CEMS)的運(yùn)行進(jìn)行監(jiān)視和控制；對(duì)各種電動(dòng)機(jī)、風(fēng)門、電動(dòng)門、螺旋給料機(jī)、變頻器及其設(shè)備順序控制；根據(jù)工藝要求實(shí)現(xiàn)設(shè)備之間的聯(lián)鎖控制和保護(hù)，并對(duì)一些工藝參數(shù)實(shí)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(gè)PLC程控柜、一個(gè)上位機(jī)監(jiān)控柜和一個(gè)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(guān)和指示燈，通過這些開關(guān)可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)(聯(lián)鎖)/手動(dòng)(單機(jī))切換、脫硫煙道風(fēng)門開關(guān)、旁路煙道風(fēng)門開關(guān)、系統(tǒng)緊急停車等操作，指示燈可以指示4個(gè)料倉(cāng)的料位情況。程控柜繼電器控制其他動(dòng)力柜的接觸器和變頻器，再驅(qū)動(dòng)電機(jī)動(dòng)作。每臺(tái)電機(jī)都配有就地操作箱，可以通過轉(zhuǎn)換開關(guān)實(shí)現(xiàn)程控和就地控制兩種操作，開關(guān)在“程控”位置時(shí)按照程序自動(dòng)執(zhí)行，在 “就地”位置時(shí)可通過啟動(dòng)和停止按鈕控制電機(jī)。
上位機(jī)監(jiān)控柜安裝了一臺(tái)研華IPC610工控機(jī)、一臺(tái)顯示器、一臺(tái)打印機(jī)、一臺(tái)UPS，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的監(jiān)視、控制、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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(guān)量順序控制和聯(lián)鎖保護(hù)、模擬量控制等功能。
1、上位機(jī)監(jiān)控
上位機(jī)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(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。上位機(jī)界面顯示內(nèi)容：① 常規(guī)輔機(jī)的工作狀態(tài)和故障報(bào)警信息；②電動(dòng)風(fēng)門開關(guān)反饋信號(hào)；③電機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)開度反饋信號(hào)和故障信號(hào)；④粉倉(cāng)料位計(jì)信號(hào)；⑤變頻器工作狀態(tài)和故障報(bào)警信號(hào)；⑥運(yùn)行參數(shù)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、趨勢(shì)圖、越限報(bào)警。測(cè)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(jī)上可以通過鼠標(biāo)點(diǎn)擊或拖動(dòng)滑塊對(duì)系統(tǒng)和設(shè)備進(jìn)行操作?？刂乒δ苡校孩賡實(shí)現(xiàn)自動(dòng)(聯(lián)鎖和手動(dòng)(單機(jī))切換；②啟動(dòng)和停止子系統(tǒng)以及整個(gè)脫硫系統(tǒng)；③對(duì)設(shè)備進(jìn)行單機(jī)操作；④開環(huán)和閉環(huán)控制的參數(shù)設(shè)置。
2、開關(guān)量順序控制
開關(guān)量順序控制是PLC控制的主要工作。在自動(dòng)方式，各設(shè)備根據(jù)聯(lián)鎖條件、時(shí)間條件或上位機(jī)指令實(shí)現(xiàn)啟動(dòng)和停止。主要操作對(duì)象有：①常規(guī)輔機(jī)的振打電機(jī)、星形給料器、消化器、風(fēng)機(jī)；②布袋除塵器的關(guān)風(fēng)器、刮板電機(jī)、低壓泵、風(fēng)機(jī)；③由變頻器控制的電子螺旋秤、螺旋給料器、水泵；④電動(dòng)風(fēng)門； ⑤電動(dòng)閥門。
3、聯(lián)鎖保護(hù) (1)4個(gè)子系統(tǒng)的啟動(dòng)順序?yàn)椋何锪涎h(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(dāng)噴水系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，立即停止給料系統(tǒng)和消化系統(tǒng)。子系統(tǒng)某設(shè)備發(fā)生故障時(shí)，順序停止子系統(tǒng)內(nèi)的其他設(shè)備，然后再根據(jù)聯(lián)鎖關(guān)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(fēng)機(jī)在各子系統(tǒng)中先開后關(guān)，時(shí)間間隔20s，以便將螺旋給料器供給的物料全部吹到反應(yīng)器中。
(3)中間料倉(cāng)(物料回收倉(cāng))料位超限報(bào)警時(shí)，停止脫硫系統(tǒng)運(yùn)行，同時(shí)將控制風(fēng)門切換到旁路，使煙氣通過旁路煙道直達(dá)除塵器排放。
(4)程控柜上設(shè)置了旁路煙道風(fēng)門和脫硫煙道風(fēng)門手動(dòng)開關(guān)，可以快速控制煙道之間的切換。兩個(gè)煙道風(fēng)門之間互鎖，只有當(dāng)一個(gè)煙道的風(fēng)門完全打開后才能關(guān)閉另一個(gè)煙道的風(fēng)門，確保鍋爐安全運(yùn)行。
4、 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軟件功能塊控制模擬量輸出，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)節(jié)功能，主要調(diào)節(jié)項(xiàng)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(yīng)根據(jù)石灰給料量調(diào)節(jié)，使化學(xué)反應(yīng)盡量完全且物料呈干粉狀。將消化水管水流量測(cè)量值與設(shè)置值 (根據(jù)石灰量給料量計(jì)算得到)比較，經(jīng)PID運(yùn)算后自動(dòng)調(diào)節(jié)管路上調(diào)節(jié)閥的開度，使供水流量與設(shè)置值接近。
(2)反應(yīng)器供水壓力調(diào)節(jié)。為了達(dá)到噴水霧化效果，噴水壓力達(dá)到設(shè)置值，即恒壓供水。將PLC 運(yùn)算結(jié)果輸入變頻器，改變變頻器輸出頻率，進(jìn)而調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速使供水壓力控制在設(shè)置值。
(3)反應(yīng)器給料量控制。反應(yīng)器鈣劑給藥量信號(hào)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(jì)運(yùn)行又達(dá)到環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)，需要根據(jù)SO2含量控制給藥量。SO2含量設(shè)置值可以在上位機(jī)上修改，脫硫后的SO2監(jiān)測(cè)值與設(shè)置值比較，經(jīng)PID運(yùn)算后調(diào)節(jié)電子螺旋秤電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)而控制給藥量。
(4)物料循環(huán)量的控制。根據(jù)反應(yīng)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(qiáng)速度快、擴(kuò)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(jī)架外，另外擴(kuò)展了1個(gè)機(jī)架，每個(gè)機(jī)架分配8個(gè)信號(hào)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(luò)通信方式。位操作時(shí)間為0.3μs，字操作時(shí)間為1μs。大數(shù)字量I/O可達(dá)1024點(diǎn)。大模擬量I/O可達(dá)128通道。具有48KB的 RKB，80KB的裝載存儲(chǔ)器，裝載存儲(chǔ)器的容量可用存儲(chǔ)卡擴(kuò)充，大可擴(kuò)充至1MB。
2、 信號(hào)模塊
信號(hào)模塊包括：
(1)數(shù)字量輸入模塊。為SM321 32點(diǎn)直流24V輸入模塊；
(2)數(shù)字量輸出模塊。為SM322 16點(diǎn)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(hào)或其他標(biāo)準(zhǔn)電壓、電流信號(hào)；
(4)專用測(cè)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(dòng)電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)、變頻器等設(shè)備。
3、 其他模塊
機(jī)架擴(kuò)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(shè)計(jì)思路
煙氣脫硫控制系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)同類設(shè)備的操作(如泵和電機(jī))。結(jié)構(gòu)化程序反復(fù)調(diào)用這些功能塊，將實(shí)際存儲(chǔ)區(qū)地址參數(shù)傳遞給功能塊的形式參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)具體設(shè)備的控制。結(jié)構(gòu)化編程的特點(diǎn)是程序?qū)哟吻逦?、程序通用化和?biāo)準(zhǔn)化，易于修改和調(diào)試。
(一) 電機(jī)控制
1、 電機(jī)控制功能塊
脫硫系統(tǒng)中包括很多相似的電機(jī)設(shè)備，它們的控制原理相同，因此，在程序中建立了一個(gè)電機(jī)功能塊FB1，以便在組織塊中調(diào)用，來控制具體的電機(jī)設(shè)備。
FB1的功能：①手動(dòng)方式時(shí)上位機(jī)手動(dòng)啟停電機(jī)；②自動(dòng)方式時(shí)通過聯(lián)鎖關(guān)系控制電機(jī)啟停；③監(jiān)視電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。
在電機(jī)控制輸出狀態(tài)下，定時(shí)器開始計(jì)時(shí)，定時(shí)時(shí)間結(jié)束后，如果電機(jī)接觸器觸點(diǎn)接通，說明電機(jī)工作正常。如果接觸器未接通，可能是繼電器保護(hù)或其他故障，則發(fā)出故障報(bào)警。當(dāng)操作員在上位機(jī)確認(rèn)故障后，故障報(bào)警取消。
2、 FB1形式參數(shù)
FB1的形式參數(shù)包括：手動(dòng)(#start)、聯(lián)鎖控制(#latching)、電機(jī)輸出(#motor)、定時(shí)器 (#time～no)、定時(shí)時(shí)間(#response～time)、接觸器反饋信號(hào)(#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(shí)際參數(shù)替代形式參數(shù)，實(shí)現(xiàn)主粉倉(cāng)振打電機(jī)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(jī)設(shè)備均采用上述方式調(diào)用FB1功能塊，但因每個(gè)電機(jī)設(shè)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(jī)的運(yùn)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(gè)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(shí)現(xiàn)恒壓供水的反應(yīng)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(shí)際參數(shù)由所建立的共享數(shù)據(jù)塊提供。在上位機(jī)上將PI 相關(guān)參數(shù)寫入共享數(shù)據(jù)塊，實(shí)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(jìn)而控制水泵轉(zhuǎn)速以達(dá)到所要求的供水壓力。上位機(jī)調(diào)節(jié)器界面設(shè)置了手動(dòng)/自動(dòng)開關(guān)，調(diào)節(jié)器可以在手動(dòng)或自動(dòng)狀態(tài)下工作。
2、控制原理
(1)當(dāng)調(diào)節(jié)器處于手動(dòng)狀態(tài)時(shí)，實(shí)現(xiàn)開環(huán)控制。在上位機(jī)調(diào)節(jié)器界面拖動(dòng)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(dāng)調(diào)節(jié)器處于自動(dòng)狀態(tài)時(shí)，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制?？梢栽谏衔粰C(jī)調(diào)節(jié)器界面修改調(diào)節(jié)器的設(shè)置，如比例增益、積分時(shí)間、微分時(shí)間等參數(shù)。
3、參數(shù)的整定
采用現(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)界面通過壓力實(shí)時(shí)曲線觀察水壓變化趨勢(shì)并修改參數(shù)，以達(dá)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(chǎng)總線技術(shù)。根據(jù) Profibus的特點(diǎn)和要求，采用主從結(jié)構(gòu)Profibus2DP方式，其拓?fù)浣Y(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(cè)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(jī)上，其控制單元是PCS7-300的CPU315-2DP；②監(jiān)控上位機(jī)(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(yùn)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(shí)，完成硬件型號(hào)參數(shù)設(shè)置、通信模式選擇、設(shè)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(jìn)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(duì)DP設(shè)備進(jìn)行描述的所有信息，以便系統(tǒng)對(duì)該設(shè)備進(jìn)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(zhǎng)度、現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備類型等。
六、結(jié)束語(yǔ)
PLC+IPC的控制系統(tǒng)已在巴彥淖爾紫金有色金屬公司4臺(tái)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(yīng)用并投入運(yùn)行兩年時(shí)間，控制系統(tǒng)工作穩(wěn)定、功能完善，能夠滿足工藝對(duì)控制系統(tǒng)的要求。