基于S7-300的HPF脫硫工藝控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究

李 強(qiáng)，連 聰

（中國(guó)礦業(yè)大學(xué)化工學(xué)院，江蘇 徐州 221008）

HPF法脫硫工藝置于噴淋式飽和器法生產(chǎn)硫銨的工藝之后，屬濕式催化氧化法脫硫工藝，是PDS脫硫工藝的改進(jìn)工藝。HPF(鈷鐵類(lèi))復(fù)合型催化劑在脫硫和再生過(guò)程中均有催化作用，利用焦?fàn)t煤氣中的氨作吸收劑，煤氣中的H2S等酸性組分由氣相進(jìn)入液相與氨反應(yīng)，轉(zhuǎn)化為硫氫化銨等酸性銨鹽，再在空氣中氧的氧化下轉(zhuǎn)化為硫，最終可使焦?fàn)t煤氣的脫硫效率達(dá)到99%左右[1]。

由于脫硫工段其溫度、壓力、壓差等工藝參數(shù)都需要保持在一定的范圍內(nèi)，否則將影響脫硫效率，因此，設(shè)計(jì)必要的控制回路，采用先進(jìn)的控制理論建立合適的控制系統(tǒng)是十分必要的。

1 控制系統(tǒng)的構(gòu)建

1.1 脫硫塔循環(huán)液溫度控制系統(tǒng)

由于脫硫工段中發(fā)生的主要是脫硫液與煤氣的吸收反應(yīng)過(guò)程，所以脫硫液的溫度需要控制在一定的范圍內(nèi)，以保證脫硫的質(zhì)量和效率。系統(tǒng)選擇脫硫循環(huán)液的溫度為主被控變量，換熱器出口溫度為副被控變量，脫硫塔反應(yīng)液流量為操縱變量，構(gòu)建串級(jí)控制系統(tǒng)，見(jiàn)圖1。

1.2 再生塔單閉環(huán)控制系統(tǒng)

再生塔的操作是脫硫液與氧氣在催化劑的作用下氣液兩相逆流接觸反應(yīng)，其中氧氣來(lái)自空壓站，脫硫液來(lái)自換熱器，反應(yīng)產(chǎn)物是硫的同素異形體[2]。為了節(jié)約原材料，要求化學(xué)反應(yīng)物的流量按照一定的比例進(jìn)入再生塔，因此，系統(tǒng)選擇溶液流量為主流量，空氣流量為副流量，然后再根據(jù)其它操作要求構(gòu)建單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)。見(jiàn)圖2。

圖1 脫硫塔循環(huán)脫硫液的溫度控制回路

圖2 再生塔單閉環(huán)比例控制回路

1.3 控制系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

通過(guò)對(duì)上述脫硫工藝設(shè)備規(guī)范、運(yùn)行要求及參數(shù)的分析解讀，設(shè)計(jì)“IPC+工業(yè)以太網(wǎng)+PLC” 的整體架構(gòu)。該架構(gòu)十分適合脫硫現(xiàn)場(chǎng)工藝復(fù)雜、設(shè)備類(lèi)型多樣、點(diǎn)數(shù)多且分布分散的特點(diǎn)。

系統(tǒng)采用西門(mén)子S7-300系列PLC作為下位機(jī)，以工控機(jī)作為上位機(jī)，以控制柜作為信號(hào)采集和控制輸出裝置。在現(xiàn)場(chǎng)控制層，現(xiàn)場(chǎng)的溫度、壓力、閥門(mén)開(kāi)度等測(cè)量信號(hào)通過(guò)隔離器進(jìn)入PLC。中間控制層由PLC完成基本的邏輯控制功能和模擬量采集處理。管理監(jiān)控層由IPC通過(guò)MPI網(wǎng)絡(luò)與PLC通訊來(lái)獲取生產(chǎn)過(guò)程的數(shù)據(jù)，顯示工藝流程畫(huà)面、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、歷史曲線、報(bào)警數(shù)據(jù)等，完成數(shù)據(jù)處理的任務(wù)，生成各種報(bào)表，同時(shí)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。

系統(tǒng)采用了功能塊設(shè)計(jì)思想[3]，主要由監(jiān)控對(duì)象，現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)采集、PLC、上位監(jiān)控、遠(yuǎn)程通訊等系統(tǒng)功能塊構(gòu)成，見(jiàn)圖3。

圖3 脫硫控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及功能框架圖

2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)與功能

2.1 傳感執(zhí)行機(jī)構(gòu)選型

現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)的測(cè)量是通過(guò)各類(lèi)傳感器、變送器和輔助開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)。傳感器的選擇原則上是在穩(wěn)定可靠的基礎(chǔ)上，考慮現(xiàn)場(chǎng)條件，選擇輸出信號(hào)與可編程控制器輸入模塊信號(hào)要求相匹配的傳感器[4]。系統(tǒng)中選擇PT100鉑熱電阻溫度傳感器測(cè)量各點(diǎn)溫度；輸出信號(hào)為4~20mA直流電流或0~5V直流電壓的振動(dòng)傳感器測(cè)量電機(jī)軸承在徑向和軸向的振動(dòng)；輸出信號(hào)為0~5V直流電壓的電量變送器采集電流、功率等電量信號(hào)；通過(guò)各輔助開(kāi)關(guān)的信號(hào)采集實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)量信號(hào)采集，這些輸出信號(hào)的類(lèi)型都符合西門(mén)子S7-300 PLC的信號(hào)輸入模塊的要求，完全滿足監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的要求。

2.2 PLC選型

根據(jù)脫硫系統(tǒng)的工藝特點(diǎn)，分析其需控變量為120個(gè)左右，系統(tǒng)選擇緊湊型CPU（CPU 314），并在考慮裕量的基礎(chǔ)上，參照S7-300選型手冊(cè)，進(jìn)行數(shù)字量輸入/輸出模塊、模擬量輸入輸出模塊、導(dǎo)軌、IM360、IM361、PS307、遠(yuǎn)程通訊模塊等的選型[5]。最終選型結(jié)果見(jiàn)圖4。

圖4 PLC硬件結(jié)構(gòu)接線圖

3 系統(tǒng)軟件組態(tài)設(shè)計(jì)

為防止設(shè)備運(yùn)行不正常，需對(duì)必要參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控，一些參數(shù)超出其安全范圍，需產(chǎn)生報(bào)警，然后對(duì)PLC采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，從而控制設(shè)備使其正常運(yùn)行，這就要用到STEP7編程軟件。而要讓PLC采集且通過(guò)STEP7編程軟件處理的數(shù)據(jù)在PC機(jī)上顯示出來(lái)，并實(shí)現(xiàn)人工調(diào)節(jié)，這就要用到組態(tài)軟件。

3.1 下位機(jī)組態(tài)

系統(tǒng)選用與西門(mén)子PLC相配套的STEP7 V5.4編程軟件，根據(jù)脫硫工藝控制流程來(lái)設(shè)計(jì)控制程序，判斷該流程的控制條件，利用梯形圖語(yǔ)言進(jìn)行程序編寫(xiě)，完成整個(gè)控制流程。

根據(jù)脫硫系統(tǒng)要求與監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路，在STEP7中建立程序塊，其中，組織塊有OB1一個(gè)，F(xiàn)C功能塊4個(gè)，數(shù)據(jù)塊2個(gè)，模擬量輸入模塊FC105和輸出模塊FC106各一，并在個(gè)程序塊內(nèi)編程，見(jiàn)圖5。主程序通過(guò)循環(huán)組織塊（OB1）完成，是編寫(xiě)程序控制流程的主要塊，除此之外，還可以調(diào)用各種功能或功能塊，實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的控制功能[6]。

圖5 “脫硫液溫度”信號(hào)采集程序

3.2 上位機(jī)組態(tài)

系統(tǒng)選用與Step7通信性能最佳的Wincc組態(tài)軟件，通過(guò)構(gòu)建流程畫(huà)面、設(shè)定變量、編寫(xiě)控制策略，最終實(shí)現(xiàn)控制功能。構(gòu)建的畫(huà)面主要有系統(tǒng)流程控制、系統(tǒng)參數(shù)監(jiān)控、PID控制調(diào)節(jié)、實(shí)時(shí)報(bào)警與處理、歷史數(shù)據(jù)與報(bào)表打印等界面，最終實(shí)現(xiàn)以下功能：

（1）工藝流程畫(huà)面：在畫(huà)面上顯示主要工藝流程，顯示各系統(tǒng)的操作按扭、運(yùn)行狀態(tài)、報(bào)警以及自動(dòng)調(diào)節(jié)的設(shè)定等，使操作人員對(duì)系統(tǒng)有全面清晰的掌握、操作更具備全局觀念，保證生產(chǎn)任務(wù)的順利完成。

（2）趨勢(shì)畫(huà)面：對(duì)主要的參數(shù)進(jìn)行趨勢(shì)記錄。

（3）報(bào)警摘要：顯示所有未被確認(rèn)的報(bào)警。

（4）儀控監(jiān)測(cè)功能：實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集，實(shí)時(shí)曲線記錄，重點(diǎn)數(shù)據(jù)的聯(lián)鎖控制，歷史報(bào)表打印等。

（4）可以在線修改參數(shù)。

（5）實(shí)現(xiàn)用戶管理及登陸、安全保護(hù)、權(quán)限設(shè)定、關(guān)機(jī)和幫助等功能。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)HPF脫硫工藝的分析，設(shè)計(jì)合理的控制回路，設(shè)計(jì)出一套性能可靠、界面友好的脫硫監(jiān)控系統(tǒng)。在實(shí)際調(diào)試應(yīng)用中， PLC信號(hào)采集良好，監(jiān)控軟件調(diào)控正常，系統(tǒng)通信暢通，各項(xiàng)性能指標(biāo)基本達(dá)到要求，對(duì)于提高脫硫工藝的自動(dòng)化程度具有實(shí)際意義。

[1] 黃盼.催化法煙氣脫硫技術(shù)現(xiàn)狀與趨勢(shì)[A].中國(guó)環(huán)境科學(xué)學(xué)會(huì).2009中國(guó)環(huán)境科學(xué)學(xué)會(huì)論文集[C].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2009.843-846.

[2] 裴建川. 中國(guó)煙氣脫硫技術(shù)的研究與發(fā)展[A].中國(guó)環(huán)境科學(xué)學(xué)會(huì).2009中國(guó)環(huán)境科學(xué)學(xué)會(huì)論文集[C].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2009.860-867.

[3] 王啟立,胡亞非,熊建軍.基于可編程控制器的煤礦主通風(fēng)機(jī)監(jiān)控管理系統(tǒng)[J].煤炭工程，2007，（7）：94-95.

[4] 孫洪程，李大宇.過(guò)程控制工程設(shè)計(jì)[M]. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2010.

[5] 王嘯東.PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法解析[J]. 自動(dòng)化與儀器儀表，2011，（1）：43-48.

[6] 曾海燕.基于西門(mén)子PLC的結(jié)構(gòu)化PID控制器設(shè)計(jì)與仿真[J]. PLC與工控機(jī)，2011，（1）：38-40.