馬　壯

(唐山學(xué)院 智能與信息工程學(xué)院，河北 唐山 063020)

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一種基于PLC的煙氣脫硫監(jiān)控系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)

馬壯

(唐山學(xué)院 智能與信息工程學(xué)院，河北 唐山 063020)

摘要：設(shè)計(jì)了一種煙氣脫硫監(jiān)控系統(tǒng)：采用濕式石灰石煙氣脫硫工藝作為系統(tǒng)脫硫控制方案；硬件方面采用PLC作為監(jiān)控系統(tǒng)的下位機(jī)，采集實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)與控制現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備；將工控機(jī)作為上位機(jī)，通過組態(tài)軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)下位機(jī)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。經(jīng)實(shí)驗(yàn)室調(diào)試證明：此監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了運(yùn)行參數(shù)與數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，具有控制簡(jiǎn)單、界面友好、維護(hù)性好等特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：PLC；脫硫監(jiān)控系統(tǒng)；組態(tài)軟件

0引言

空氣中硫元素的含量是影響空氣質(zhì)量的一個(gè)非常重要的因素，影響著人們的身體健康。隨著我國(guó)工業(yè)化水平的不斷提升，煤炭作為主要?jiǎng)恿δ茉矗湎牧恐鹉赀f增，2013年超過了42.4億t；盡管近兩年受經(jīng)濟(jì)下滑因素的影響，消耗量有所減少，但2015年也在37億t左右。二氧化硫作為煤炭燃燒后的產(chǎn)物，加劇了空氣污染，嚴(yán)重破壞著自然環(huán)境。因此煙氣脫硫技術(shù)在火電廠、燃煤鋼廠中的應(yīng)用尤為重要[1-3]。

目前國(guó)內(nèi)外對(duì)脫硫技術(shù)理論的研究日趨成熟。不同公司設(shè)計(jì)的脫硫控制系統(tǒng)各有特點(diǎn)，均能達(dá)到一定的控制效果。本文以此為背景，利用西門子中性價(jià)比較高的S7-200系列PLC設(shè)計(jì)了脫硫監(jiān)控系統(tǒng)。

1脫硫工藝概述以及選擇

現(xiàn)今鍋爐的脫硫技術(shù)方式繁多，但總體上可分為三種：①燃燒前脫硫；②爐內(nèi)脫硫；③煙氣脫硫。燃燒前脫硫工藝方式是用物理與生物化學(xué)的方法將煤中的硫分除去，但其最大的缺點(diǎn)是只能去除煤中的無機(jī)硫。爐內(nèi)脫硫是將煤和固硫劑混合送入爐膛燃燒，其最終的燃燒產(chǎn)物硫酸鹽則可以作為化肥用于農(nóng)業(yè)中，但此技術(shù)方式成本較高。而煙氣脫硫技術(shù)則對(duì)煙氣進(jìn)行化學(xué)和物理反應(yīng)處理，最終達(dá)到煙氣排放的標(biāo)準(zhǔn)。表1為常用脫硫方法特點(diǎn)的比較。

表1　常用脫硫方法特點(diǎn)比較

而現(xiàn)階段煙氣脫硫技術(shù)(flue gas desulfurization，簡(jiǎn)稱FGD)不僅在我國(guó)脫硫領(lǐng)域占據(jù)著相當(dāng)大的比例，在國(guó)際上也起著舉足輕重的作用[4-5]。目前，煙氣脫硫技術(shù)可分為濕法、干法和半濕法。本系統(tǒng)確定為濕法煙氣脫硫技術(shù)，方法是將石灰磨碎后和脫硫副產(chǎn)物混合制成脫硫劑，經(jīng)漿液泵升壓送入脫硫塔霧化，其目的是充分與煙氣接觸發(fā)生反應(yīng)，提高脫硫效率。

對(duì)于煙氣脫硫工程技術(shù)而言，不僅要考慮其經(jīng)濟(jì)性，而且要考慮其可靠性、穩(wěn)定性和安全性，因此選擇濕法煙氣脫硫技術(shù)，其脫硫產(chǎn)物——石膏可作為陶瓷廠或者水泥廠的原料。

與其他脫硫方式相比較，濕法煙氣脫硫技術(shù)具有如下特點(diǎn)[6]：①具有高效的脫硫率；②單塔處理煙氣量大、SO2被吸收劑充分吸收；③對(duì)于不同的煤種都適用；④具有高效的反應(yīng)物顆粒傳遞速度；⑤反應(yīng)靈敏，外圍設(shè)備發(fā)生變化能做出回應(yīng)；⑥煙氣凈化程度高；⑦石灰石作為吸收劑，產(chǎn)量豐富，經(jīng)濟(jì)可靠；⑧石膏作為脫硫產(chǎn)物能夠被綜合利用，產(chǎn)生可觀的經(jīng)濟(jì)效益。

2系統(tǒng)組成及工藝控制要求

本監(jiān)控系統(tǒng)針對(duì)濕法煙氣脫硫技術(shù)設(shè)計(jì)，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)整體功能框圖

脫硫系統(tǒng)的工藝控制過程為：煙氣先經(jīng)電除塵器或者布袋除塵器進(jìn)行除塵，此過程可除去煙氣中的飛灰以及部分金屬顆粒；氣體再流經(jīng)空氣壓縮機(jī)進(jìn)行增壓，便于煙氣與脫硫劑充分接觸發(fā)生反應(yīng)；增壓后的煙氣通過氣體換熱器進(jìn)行降溫，目的是將煙氣降到一定的溫度后，有利于脫硫塔中的脫硫反應(yīng)；降溫后的煙氣再經(jīng)空氣壓縮機(jī)進(jìn)行加壓后進(jìn)入脫硫吸收塔，在脫硫塔中與漿液吸收劑充分接觸，發(fā)生物理與化學(xué)反應(yīng)，最終在脫硫塔底部析出副產(chǎn)物石膏。循環(huán)漿液是由漿液泵送至脫硫塔中，并且由脫硫塔中的噴漿層噴射到塔內(nèi)與SO2反應(yīng)，從而可以除去SO2，SO3，HCL和HF等酸性氣體。

3PLC選型與I/O分配以及梯形圖程序設(shè)計(jì)

3.1PLC外部I/O分配

根據(jù)系統(tǒng)工藝控制要求，結(jié)合濕法煙氣脫硫技術(shù)的特點(diǎn)，設(shè)置本系統(tǒng)主要輸入點(diǎn)數(shù)為15點(diǎn)，輸出點(diǎn)數(shù)為20點(diǎn)，其分配表見表2，其內(nèi)部元件地址不作說明。本監(jiān)控系統(tǒng)采用西門子S7-200系列PLC，型號(hào)為S7-226XP，同時(shí)需1個(gè)擴(kuò)展模塊EM222，2個(gè)EM235模塊；除塵器選擇靜電除塵方式。

表2　PLC控制系統(tǒng)I/O分配簡(jiǎn)表

3.2梯形圖程序設(shè)計(jì)及上位機(jī)

因篇幅所限，這里僅介紹吸收塔的pH值控制部分。此部分主要采用PID算法，通過對(duì)石灰石漿液的流量控制來達(dá)到控制pH值的目的。

3.2.1控制原理介紹

吸收塔中石灰石漿液的pH值是影響二氧化硫吸收的一個(gè)重要因素，漿液pH值一般要求在5.5～6.2之間。系統(tǒng)將采集上來的pH值與設(shè)定值相比較，并且將偏差值信號(hào)傳送給變頻器，通過變頻器控制閥門開度從而控制漿液的流量，以使煙氣達(dá)到凈化的目的。漿液pH值的PID控制作為主PID控制，而漿液的流量控制為副PID控制，以確保有合適流量的漿液流入吸收塔，維持吸收塔中漿液的pH值在預(yù)定的范圍。

3.2.2PLC系統(tǒng)PID算法實(shí)現(xiàn)

控制器對(duì)數(shù)據(jù)采集、分析、計(jì)算，并保存偏差值，同時(shí)對(duì)積分項(xiàng)前值也要進(jìn)行保存，其數(shù)學(xué)模型簡(jiǎn)化為如下算式：

Mn=KC*en+KI*en+MX+KD*(en-en-1)。

(1)

式中：Mn是在第n個(gè)采樣時(shí)間回路輸出的計(jì)算值；KC是回路增益；en是采樣時(shí)刻n的回路誤差值；en-1是回路誤差的前一個(gè)數(shù)值(在第n-1個(gè)采樣時(shí)間)；KI是積分項(xiàng)的比例常數(shù)；MX是積分項(xiàng)的前一個(gè)數(shù)值(在第n-1個(gè)采樣時(shí)間)；KD是微分項(xiàng)的比例常數(shù)。

在使用PLC的PID指令時(shí)，要注意輸入PID指令的過程變量、給定值和輸出值是0.0和1.0之間的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化了的實(shí)數(shù)值。而設(shè)定值和過程變量的大小、范圍和工程單位都可能不一樣。因此，在設(shè)置值送進(jìn)PID指令之前，需要將輸入實(shí)際值的實(shí)數(shù)值表達(dá)形式轉(zhuǎn)換成0.0～1.0之間的標(biāo)準(zhǔn)化值。

第一步，把16位整數(shù)值轉(zhuǎn)換成浮點(diǎn)型實(shí)數(shù)值：

ITDAIW0，AC0//將輸入值轉(zhuǎn)換為雙整數(shù)

DTRAC0，AC0//將32位雙整數(shù)轉(zhuǎn)換為實(shí)數(shù)

第二步，將現(xiàn)實(shí)世界值的實(shí)數(shù)值表達(dá)形式轉(zhuǎn)換成0.0～1.0之間的標(biāo)準(zhǔn)化值：

/R64000.0，AC0//累加器中的標(biāo)準(zhǔn)化值

+R0.5，AC0//加上偏置，使其在0.0～1.0之間

MOVRAC0，VD100//標(biāo)準(zhǔn)化值存入回路表

回路輸出是0.0和1.0之間的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化了的實(shí)數(shù)值。在回路輸出用于驅(qū)動(dòng)模擬輸出之前，回路輸出必須轉(zhuǎn)換成一個(gè)16位的標(biāo)定整數(shù)值。這一過程，是將PV(過程變量)和SP(給定值)轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)值的逆過程。

MOVRVD108，AC0//回路輸出值移入累加器

--R0.5，AC0//僅雙極性有此句

*R64000.0，AC0//在累加器中得到刻度值

第三步，把表示回路輸出的實(shí)數(shù)刻度值轉(zhuǎn)換成16位整數(shù)：

ROUNDAC0，AC0//實(shí)數(shù)轉(zhuǎn)換為32位整數(shù)

DTIAC0，LW0//32位整數(shù)轉(zhuǎn)換為16位整數(shù)

MOVWLW0，AQW0//16位整數(shù)寫入模擬輸出寄存器

經(jīng)過窗口的設(shè)置，增加曲線，以及設(shè)置采樣周期、時(shí)間長(zhǎng)度等，最終系統(tǒng)調(diào)試曲線界面如圖2所示。此系統(tǒng)具有對(duì)趨勢(shì)曲線進(jìn)行實(shí)時(shí)曲線和歷史曲線的轉(zhuǎn)換、進(jìn)行歷史曲線的查詢、設(shè)置曲線的樣式、打印趨勢(shì)曲線以及對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控等特點(diǎn)。

圖2　系統(tǒng)調(diào)試曲線界面

3.2.3上位機(jī)程序設(shè)計(jì)及系統(tǒng)調(diào)試

上位機(jī)程序設(shè)計(jì)主要配合下位機(jī)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的監(jiān)控。通過數(shù)據(jù)線纜可與下位機(jī)PLC進(jìn)行通訊、傳輸數(shù)據(jù)、處理圖像、記錄采集數(shù)據(jù)等。系統(tǒng)控制界面如圖3所示。

圖3　系統(tǒng)整體監(jiān)控界面

4結(jié)論

采用S7-200PLC作為控制器，設(shè)計(jì)了煙氣脫硫監(jiān)控系統(tǒng)。通過實(shí)驗(yàn)室模擬運(yùn)行調(diào)試證明，系統(tǒng)基本符合預(yù)定的控制要求，具有很好的跟蹤性能，穩(wěn)定性較高。但在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用中出現(xiàn)了pH值滯后現(xiàn)象，還有待調(diào)試，關(guān)鍵要設(shè)置比例系數(shù)與積分時(shí)間兩個(gè)參數(shù)，減少微分環(huán)節(jié)，具體情況需根據(jù)調(diào)節(jié)閥的特性進(jìn)行針對(duì)性的調(diào)整。

參考文獻(xiàn)：

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(責(zé)任編校：李秀榮)

The Research and Implementation of a PLC-Based Monitoring System for Flue Gas Desulfurization

MA Zhuang

(College of Intelligence and Information Engineering， Tangshan University， Tangshan 063020， China)

Abstract：The author of this paper has designed a monitoring system for flue gas desulfurization， with the flue gas desulfurization through wet limestone process as a desulfurization system control scheme， PLC as the lower computer of the monitoring system to collect real-time data and control equipment on the spot， and an IPC as the host computer to achieve the real-time monitoring of slave computers through the configuration softwares. The laboratory tests show that the monitoring system is characterized by the real-time monitoring of running parameters and data， simple control， friendly interface， and good maintainability.

Key Words：PLC； desulfurization monitoring system； configuration software

基金項(xiàng)目：2015年度唐山學(xué)院教育科學(xué)研究項(xiàng)目(150271)

作者簡(jiǎn)介：馬壯(1977-)，男，河北遷安人，副教授，碩士，主要從事自動(dòng)控制理論與技術(shù)應(yīng)用研究。

中圖分類號(hào)：TP277.2

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1672-349X(2016)03-0018-03

DOI：10.16160/j.cnki.tsxyxb.2016.03.006