鄭 晅

摘 要:根據(jù)煙氣脫硫系統(tǒng)的工藝特點(diǎn),提出了系統(tǒng)的自動(dòng)控制要求和控制方式。采用可編程控制器(PLC)作下位機(jī)、工業(yè)控制計(jì)算機(jī)(PC)作上位機(jī)與參數(shù)測(cè)量傳感器、變送器、操作控制器等組成集散型控制系統(tǒng)(DCS),詳細(xì)設(shè)計(jì)了電源電路、數(shù)據(jù)采集電路以及通信電路等功能模塊。PLC負(fù)責(zé)完成數(shù)據(jù)采集與自動(dòng)控制,PC機(jī)與PLC相互通信,監(jiān)視脫硫系統(tǒng)的運(yùn)行,保證了脫硫系統(tǒng)的安全、經(jīng)濟(jì)與穩(wěn)定運(yùn)行。

關(guān)鍵詞:PLC;煙氣脫硫;自動(dòng)控制;DCS

中圖分類號(hào):TP273文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):1004-373X(2009)19-173-03

Flue Gas Desulphurization Control System with Programmable Logical Controller

ZHENG Xuan

(School of Electronic and Control Engineering,Chang′an University,Xi′an,710064,China)

Abstract:According to the characteristics of Wet Flue Gas Desulphurization(FGD),this paper brings forward the automatic control requirements and the control methods.The automatic control system is composed of a Programmable Logic Controller(PLC) and an industrial control computer(PC).The automatic control system can monitor the operating parameters of FGD system automatically and conduct automatic control and adjustment to FGD system.The PLC is responsible for the data collection and automatic control,while the PC is responsible for the surveillance of FGD system operation and the data processing through mutual communications between PC and PLC,which realizes the communication between human and machine and ensures the safe,stable and economic operation of the FGD system.

Keywords:PLC;flue gas desulphurization;automatic control;DCS

0 引 言

我國(guó)是燃煤大國(guó),煤炭占一次能源消費(fèi)總量的75%。隨著煤炭消費(fèi)的不斷增長(zhǎng),燃煤排放的二氧化硫也不斷增加,致使我國(guó)酸雨和二氧化硫污染日趨嚴(yán)重。為了實(shí)現(xiàn)SO2的減排目標(biāo),國(guó)家制定了一系列的環(huán)保措施。目前國(guó)內(nèi)煙氣脫硫工藝設(shè)備的設(shè)計(jì)、制造、安裝和調(diào)試水平已有了大幅度的提高,已建成、投運(yùn)了一大批大型機(jī)組火電機(jī)組煙氣脫硫系統(tǒng)。但據(jù)了解,目前投運(yùn)的火力發(fā)電廠都還存在著不少這樣或那樣的技術(shù)問題,其中熱工自動(dòng)化投入水平不高是其中的一個(gè)重要技術(shù)問題,如測(cè)量不準(zhǔn),系統(tǒng)自動(dòng)投不上,系統(tǒng)調(diào)節(jié)品質(zhì)差等,致使一些電廠的脫硫系統(tǒng)出現(xiàn)運(yùn)行故障多、不能與發(fā)電機(jī)組完全同步運(yùn)行或運(yùn)行中脫硫效率達(dá)不到設(shè)計(jì)值或系統(tǒng)運(yùn)行成本高等問題。對(duì)于整個(gè)煙氣脫硫系統(tǒng),作為監(jiān)視、控制脫硫系統(tǒng)運(yùn)行的控制系統(tǒng)是重要的組成部分,它既要保證脫硫系統(tǒng)的正常工作和異常工況的系統(tǒng)安全,又要與單元機(jī)組控制系統(tǒng)相協(xié)調(diào),保證鍋爐的安全運(yùn)行。

控制系統(tǒng)采用DCS雖然自動(dòng)化程度大為提高,但由于脫硫工藝系統(tǒng)總的監(jiān)控點(diǎn)數(shù)(一般為600~1 000點(diǎn))遠(yuǎn)低于能滿足單元機(jī)組控制的DCS系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)規(guī)模(一般為5 000~10 000點(diǎn)),造成控制系統(tǒng)造價(jià)偏高,經(jīng)濟(jì)性下降。目前,國(guó)內(nèi)許多電廠在煙氣脫硫控制上己開始嘗試采用可編程控制器PLC作為控制主機(jī),將脫硫控制納入全廠輔助系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)集中監(jiān)控,既保證可靠性,又能大幅度降低系統(tǒng)造價(jià)。

本文研究采用可編程控制器PLC作為控制主機(jī),進(jìn)行脫硫控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì),給出了具體的設(shè)計(jì)方案及各功能模塊的詳細(xì)設(shè)計(jì)?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)際運(yùn)行結(jié)果證明了設(shè)計(jì)方法的有效性。

1 煙氣脫硫工藝流程

石灰石/石膏濕法煙氣脫硫的基本工藝流程為:鍋爐煙氣經(jīng)過除塵器除塵后,由引風(fēng)機(jī)送入脫硫系統(tǒng),煙氣由進(jìn)口煙道進(jìn)入由增壓風(fēng)機(jī)增壓后,經(jīng)氣氣換熱器(GGH)降溫,進(jìn)入吸收塔。在吸收塔內(nèi),煙氣由下向上流動(dòng),石灰石漿液由上向下洗滌煙氣,在吸收塔底部,鼓入空氣進(jìn)行氧化,生成的石膏由石膏漿液泵送入脫水系統(tǒng),圖1是典型的石灰石/石膏濕法煙氣脫硫工藝流程圖。

圖1 石灰石/石膏濕法煙氣脫硫工藝流程圖

石灰石/石膏濕法脫硫工藝系統(tǒng)(單臺(tái)機(jī)組)主要由八個(gè)子系統(tǒng)組成,分別為煙氣系統(tǒng)、吸收氧化系統(tǒng)、石灰石漿液制備系統(tǒng)、脫水及輸送系統(tǒng),排放系統(tǒng)、工藝和工業(yè)水系統(tǒng)、雜用和儀用空氣系統(tǒng)、廢水處理系統(tǒng)。每個(gè)系統(tǒng)都是一個(gè)完整的子系統(tǒng),當(dāng)以PLC作為系統(tǒng)主控機(jī)時(shí),每個(gè)子系統(tǒng)可以作為PLC的一個(gè)功能模塊。

2 脫硫控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)方案分析

根據(jù)對(duì)脫硫工藝及控制系統(tǒng)功能的要求,目前通常采用的脫硫控制系統(tǒng)有三種:

(1) 采用模擬儀表和工控機(jī)的控制系統(tǒng),這種系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于中、小型電廠,系統(tǒng)配置簡(jiǎn)潔,造價(jià)較低。但在一些大、中型的控制系統(tǒng)中,控制系統(tǒng)要同現(xiàn)場(chǎng)其他電氣設(shè)備實(shí)現(xiàn)各種聯(lián)鎖關(guān)系,在這種情況下,單一依靠工控機(jī)以及模擬儀表無法實(shí)現(xiàn)這些復(fù)雜的控制功能,系統(tǒng)的可靠性較低。

(2) 采用DCS的控制系統(tǒng),充分利用DCS的軟、硬件資源,提高系統(tǒng)的可靠性。但由于DCS系統(tǒng)造價(jià)較高,所以一般在一些有著較為全面規(guī)范的大中型控制系統(tǒng)中使用。

(3) 采用PLC和工控機(jī)的控制系統(tǒng),將PLC作為系統(tǒng)的控制核心,工控機(jī)與PLC結(jié)合,并實(shí)現(xiàn)通訊。PLC是面向工業(yè)發(fā)展起來的一種新型的工業(yè)控制器,具有編程靈活、功能齊全、控制簡(jiǎn)單、使用方便、抗干擾能力強(qiáng)、體積小、重量輕、耗電省等特點(diǎn),在工業(yè)生產(chǎn)過程控制中得到了廣泛的應(yīng)用。近幾年,在脫硫系統(tǒng)中廣泛采用了PLC控制,改善了工人的工作環(huán)境,提高了脫硫的效率,取得了很大的經(jīng)濟(jì)成效。

在分析、比較上述三種脫硫控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的基礎(chǔ)上,構(gòu)建了由工控機(jī)和PLC組成的上下位機(jī)脫硫控制系統(tǒng),其結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。系統(tǒng)以“研華”IPC-6102工業(yè)控制計(jì)算機(jī)(PC)作為系統(tǒng)上位機(jī),配以PHILIPS 21寸彩色顯示器,激光打印機(jī)和鍵盤等;西門子(SIEMENS)SEMATIC S7-300可編程控制器作為系統(tǒng)下位機(jī)。PC通過適配器MPI卡(多點(diǎn)接口卡)與PLC互相通訊、互相聯(lián)系。為確保突然停電時(shí)不影響上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的運(yùn)行,系統(tǒng)配置有UPS(Uninterruptible Power Supply,不間斷電源)。PLC用于現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備參數(shù)和信號(hào)的采集、運(yùn)算、調(diào)節(jié)輸出、控制各設(shè)備運(yùn)行;上位機(jī)主要用于工藝運(yùn)行參數(shù)設(shè)定、系統(tǒng)調(diào)節(jié)參數(shù)設(shè)定、實(shí)時(shí)運(yùn)行曲線檢測(cè)和設(shè)備故障報(bào)警等,實(shí)現(xiàn)脫硫控制過程的自動(dòng)化管理與控制。

圖2 脫硫控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

2.2 可編程控制器選擇

煙氣脫硫自動(dòng)控制系統(tǒng)對(duì)硬件的要求很高,其生產(chǎn)過程中的特點(diǎn)決定了系統(tǒng)必須具備較高的可靠性,較快的速度等,在眾多的PLC產(chǎn)品中,S7-300 PLC功能強(qiáng)、速度快、擴(kuò)展靈活;它具有緊湊、無槽位限制的模塊化結(jié)構(gòu)。本系統(tǒng)選用了SIEMENS公司生產(chǎn)的緊湊模塊式結(jié)構(gòu)的小型SIMATIC S7-300可編程控制器,它是目前國(guó)內(nèi)應(yīng)用較多,性能價(jià)格比較好的高性能PLC。

2.3 電源電路

由于系統(tǒng)沒有專用電源供電,而是由電網(wǎng)供電。與電網(wǎng)相連的晶閘管整流設(shè)備以及脫硫過程中的大功率負(fù)載等,在運(yùn)行時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的高次諧波,而使交流電網(wǎng)造成污染,電壓波形發(fā)生畸變。因此現(xiàn)場(chǎng)用來對(duì)PLC、打印機(jī)和上位機(jī)等進(jìn)行供電的電源帶有隔離變壓器和電源濾波器,以增強(qiáng)抗干擾能力,電路如圖3所示。由于電網(wǎng)中的高頻干擾主要不是通過變壓器的原、副邊線圈的互感耦合,而是靠原副邊繞組之間的分布電容耦合的,為此系統(tǒng)采用了隔離變壓器,隔離變壓器的原副邊繞組之間均有隔離屏蔽層,并將零電位線經(jīng)電容接地,因而該隔離變壓器原副邊繞組之間的分布電容很小,所以抗電網(wǎng)干擾能力很強(qiáng)。

系統(tǒng)的交流電源先經(jīng)凈化穩(wěn)壓電源穩(wěn)壓、交流隔離器隔離后輸出,在交流隔離器的輸出端設(shè)置了交流低通濾波器,用于濾除高次諧波,并使50 Hz的基波能順利通過,改善了電源的電壓波形,防止了高頻干擾和尖峰脈沖干擾。

圖3 電源部分電路

2.4 數(shù)據(jù)采集電路

根據(jù)控制系統(tǒng)的要求,脫硫系統(tǒng)需要采集的主要數(shù)據(jù)為:漿液pH值、煙塵濃度、煙氣壓力、煙氣溫度等。漿液pH值通過pH傳感器測(cè)量,其工作原理是:在一定的范圍內(nèi),酸堿溶液的濃度與其電導(dǎo)率的大小成比例。因而,只要測(cè)出溶液電導(dǎo)率的大小變可得知酸堿濃度的高低。當(dāng)被測(cè)溶液流入專用電導(dǎo)池時(shí),如果忽略電極極化和分布電容,則可以等效為一個(gè)純電阻。在有恒壓交變電流流過時(shí),其輸出電流與電導(dǎo)率成線性關(guān)系,而電導(dǎo)率又與溶液中酸、堿濃度成比例關(guān)系。因此只要測(cè)出溶液電流,便可算出酸、堿、鹽的濃度,即算出溶液的pH值。pH傳感器輸出4~20 mA信號(hào),經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換裝置后送PLC;煙塵濃度主要測(cè)量?jī)x器為煙塵監(jiān)測(cè)儀,煙塵監(jiān)測(cè)儀產(chǎn)品是利用光散射或折射原理工作的,光通過含有煙塵的煙氣時(shí),光強(qiáng)因煙塵的吸收和散射作用而減弱,測(cè)量散射前后光強(qiáng)的變化,即可定量反映煙塵濃度。煙氣溫度的測(cè)量要借助不同類型的溫度傳感器,現(xiàn)在工業(yè)上廣泛使用的是PT100的熱電阻和熱電偶,根據(jù)測(cè)量溫度范圍和安裝要求的限制,有多種類型可供選擇。本設(shè)計(jì)中溫度傳感器選用天津中環(huán)儀表的PT100測(cè)溫組件,溫度信號(hào)通過PT100和相應(yīng)的調(diào)理模塊轉(zhuǎn)換成0~5 V的電壓量,送入A/D轉(zhuǎn)換裝置。壓力測(cè)量傳感器也有很多形式,比如電阻式、電感式壓力傳感器,電容式、壓點(diǎn)式壓力傳感器等,根據(jù)使用環(huán)境、介質(zhì)性能、壓力范圍等的不同,綜合考慮加以選擇。本設(shè)計(jì)選用電感式壓力傳感器。

2.5 PLC與上位機(jī)通信電路

目前,S7-300 PLC的通信是通過專用接口卡5611卡和MPI電纜實(shí)現(xiàn)的。但是,對(duì)于坑口電廠脫硫控制系統(tǒng)這樣的中小型工業(yè)控制系統(tǒng)使用這樣硬件,成本相對(duì)昂貴,同時(shí)對(duì)操作人員的技術(shù)要求也較高。本文提出了通過普通串口,實(shí)現(xiàn)PLC與上位機(jī)的自由通信。

RS 232協(xié)議是控制中經(jīng)常用到的計(jì)算機(jī)串口協(xié)議,基于物理層,直接與硬件打交道。目前,RS 232是通信工業(yè)中應(yīng)用最廣泛的一種串行接口,被定義為一種在低速率串行通訊中增加通訊距離的單端標(biāo)準(zhǔn)。RS 232采取不平衡傳輸方式,即所謂單端通訊。研華(Advantech) IPC610系列工業(yè)控制計(jì)算機(jī)帶有標(biāo)準(zhǔn)的RS 232通信口,而西門子公司的S7-300 PLC可以擴(kuò)展RS 232/485通信模塊,通過普通的9針插頭直接與IPC610連接,進(jìn)行通信,其結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示。

圖4 PLC與上位機(jī)通信電路

3 結(jié) 語

對(duì)脫硫控制系統(tǒng)的硬件電路進(jìn)行了詳細(xì)的分析和設(shè)計(jì),主控制器選用西門子公司的S7-300系列的可編程控制器,上位機(jī)選用研華IPC610系列工業(yè)控制計(jì)算機(jī)。上位機(jī)自身帶有標(biāo)準(zhǔn)的RS 232通信端口,PLC通過擴(kuò)展RS 232/485通信模塊,可直接與上位機(jī)進(jìn)行通信。同時(shí),還對(duì)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的采集電路的具體實(shí)現(xiàn)方法,并對(duì)電源電路的抗干擾,進(jìn)行了詳細(xì)的設(shè)計(jì)。為工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)脫硫控制系統(tǒng)的自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。

參考文獻(xiàn)

[1]Friede H.Present Status of Flue-gas Desulphurization Technology in China[J].VGB Kraftwerks Technique,1999,79(12):82-86.

[2]Zadeh L A.Outline of a New Approach to the Analysis of Complex Systems and Decision Processes[J].IEEE Trans.on Systems,Man and Cybernetics,2003,3(1):28-44.

[3]王順祥.火電廠煙氣濕法脫硫自動(dòng)控制系統(tǒng)探討與改進(jìn)[D].重慶:重慶大學(xué),2006.

[4]邢愛東,曹建軍,郭玉梅,等.DCS控制在VASC脫硫法中的應(yīng)用[J].中國(guó)儀器儀表,2004(9):23-24.

[5]胡蓉.分散控制系統(tǒng)在煙氣脫硫系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].四川電力技術(shù),2003(5):11-12.

[6]徐寶靜,黃燁.發(fā)電廠煙氣脫硫系統(tǒng)的自動(dòng)化控制[J].煤炭工程,2005(1):12-13.

[7]李國(guó)屏.PLC在煤氣爐電解液控制系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2008,31(1):166-167,171.

[8]王永華.現(xiàn)代電氣控制及可編程控制技術(shù)[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2002.

[9]楊錦尊.可編程控制器的特點(diǎn)及其發(fā)展動(dòng)向[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2007,30(14):1-3.

[10]賈榮叢,王劃一.PLC控制系統(tǒng)的抗干擾措施[J].自動(dòng)化信息,2006(8):88.