基于PLC的尾氣脫硫控制和監(jiān)測系統(tǒng)

胡夢瀅 喬 實 劉 巖

（中國礦業(yè)大學 （北京）機電與信息工程學院，北京市海淀區(qū)，100083）

隨著人們環(huán)保意識的增強和國家環(huán)保標準的日益提高，燃煤和燃油等產(chǎn)生的煙氣對大氣的污染越來越得到關(guān)注。其中，SO2是大氣中最常見的污染廢氣。據(jù)估算，世界每年源于含硫金屬礦的冶煉以及含硫煤和石油的燃燒所產(chǎn)生的SO2排放量已達1.5億t。排放到大氣中的SO2對植物、動物和建筑物都有危害，特別是SO2在大氣中經(jīng)陽光照射以及某些金屬粉塵很容易氧化形成SO3，與空氣中水蒸氣結(jié)合即成硫氨霧，會嚴重地腐蝕金屬制品及建筑物，并使土壤和江河湖泊日趨酸化。對煙氣實行脫硫可以減少SO2的排放和控制酸雨等，煙氣脫硫是目前控制大氣中SO2排放最有效和應(yīng)用最廣的一項脫硫技術(shù)。

雙堿法脫硫是濕法煙氣脫硫工藝的主流發(fā)展趨勢，在煙氣脫硫系統(tǒng)中，控制系統(tǒng)的設(shè)計是十分重要的環(huán)節(jié)，控制系統(tǒng)設(shè)計的是否合理會直接影響到脫硫系統(tǒng)甚至主機系統(tǒng)的長期安全穩(wěn)定運行。本文采用西門子組態(tài)軟件WINCC 及S7-300，通過硬件及軟件系統(tǒng)的設(shè)計，實現(xiàn)對尾氣脫硫整個脫硫系統(tǒng)的集成控制和監(jiān)視。

1 雙堿法煙氣脫硫工藝簡介

本煙氣脫硫系統(tǒng)采用濕法煙氣脫硫中的鈉-鈣雙堿法脫硫，目前世界上常用的工業(yè)化煙氣濕法脫硫技術(shù)主要有濕式石灰石／石膏法、海水吸收法、氫氧化鎂泥漿吸收法和鈉-鈣雙堿法等，濕法脫硫工藝的比較見如表1。

鈉-鈣雙堿法煙氣脫硫技術(shù)實際上是對濕式石灰石／石膏煙氣脫硫技術(shù)的改進和優(yōu)化。利用可溶性的鈉基堿液作為吸收劑吸收尾氣中SO2，然后在另一個反應(yīng)器中用石灰或石灰石做第二堿，將吸收了SO2的鈉基堿液再生回收并循環(huán)利用，而SO2以亞硫酸鈣和石膏的形式析出。因為固體析出的反應(yīng)過程不是發(fā)生在脫硫的氣液兩相反應(yīng)釜內(nèi)，所以避免了濕式石灰石／石膏煙氣脫硫的結(jié)垢問題，并且可以提高SO2的吸收效率。雙堿法脫硫工藝的前期投資和運行費用較低，適合中小型鍋爐的脫硫改造。

表1 濕法脫硫工藝的比較

綜合比較，鈉-鈣雙堿法具有效率高、可靠性好、系統(tǒng)不易結(jié)垢堵塞和運行成本低等優(yōu)點，故本系統(tǒng)采用鈣-鈉雙堿法對煙氣進行脫硫。

2 脫硫監(jiān)控系統(tǒng)總體設(shè)計

尾氣脫硫控制和監(jiān)測系統(tǒng)由上位機監(jiān)控系統(tǒng)和下位機PLC控制站組成。上位機采用德國西門子工業(yè)個人計算機 （IPC），監(jiān)控界面由德國西門子組態(tài)軟件WINCC 7.0繪制。上位機實現(xiàn)的功能包括：監(jiān)控整個脫硫系統(tǒng)的運行狀態(tài)；各項傳感器的數(shù)值顯示；實時曲線的顯示；報警和歷史報警記錄的查詢；報表的編輯和打印等。

由于脫硫系統(tǒng)的PLC需要控制大批數(shù)字量和模擬量，還要完成諸多算法，對硬件的要求較高。故下位機選擇采用德國西門子公司的PLC S7-300。此款PLC采用模塊化結(jié)構(gòu)，易于實現(xiàn)分布和用戶掌握。下位機PLC實現(xiàn)的主要功能有：負責采集各個傳感器數(shù)據(jù)；控制變頻器 （控制各個電機）；實現(xiàn)SO2排放濃度模糊控制算法；將監(jiān)測到的數(shù)據(jù)傳送至上位機，由上位機顯示實時數(shù)據(jù)并對各個工作泵進行控制，從而實現(xiàn)整個脫硫系統(tǒng)的自動控制。尾氣脫硫控制和監(jiān)測系統(tǒng)工藝流程圖見圖1。

圖1 尾氣脫硫控制和監(jiān)測系統(tǒng)工藝流程圖

由圖1可以看出，含有SO2的尾氣經(jīng)過除塵后進入氣液兩相作用釜，由下自上流動，噴淋泵P2將中和處理器中的NaOH 溶液噴入作用釜，以吸收尾氣中的SO2。當液位傳感器檢測到作用釜液位達到設(shè)定值時，開啟泵P10將釜底液體抽回中和處理器中。吸收過SO2的NaOH 溶液的pH 值會持續(xù)降低，當傳感器pH2監(jiān)測到中和液pH 達到額定值，開啟泵P5，將溶液注入沉淀反應(yīng)池，完全注入后開啟P7，將沉淀池中回收所得的NaOH 溶液注入中和處理器，如果液位和pH 值不符合條件，則適當加入水和NaOH 調(diào)配至符合要求，開啟P2繼續(xù)吸收尾氣中的SO2。注入沉淀反應(yīng)池的溶液與從化灰池中注入的石灰水混合，反應(yīng)生成含有少量雜質(zhì)的石膏和再生的NaOH 溶液。充分反應(yīng)后開啟P11，將混合液注入沉淀池，靜置得上層清液（NaOH 溶液）和下層沉淀 （含有少量雜質(zhì)的石膏），NaOH 溶液將會送回中和處理器繼續(xù)吸收SO2，石膏注入堆渣場拋棄或者回收利用。定時啟動P1，清洗反應(yīng)釜以保證系統(tǒng)的正常運行，清洗后的廢液注入廢液罐。

3 硬件設(shè)計

尾氣脫硫控制和監(jiān)測系統(tǒng)的硬件主要有上位機（SIEMENS IPC）、CP5611 通訊板卡、SIEMENS S7-300PLC （包括電源模塊、CPU312-2DP、模擬量輸入輸出模塊、數(shù)字量輸入輸出模塊、Profibus通信模塊、MMC 卡等）、西門子變頻器（Micromaster420與Micromaster430）。

IPC安裝有西門子CP5611通訊板卡，通過該板卡以及通信電纜實現(xiàn)上位機與下位機PLC 的通訊，將所要連接的PLC 的端口設(shè)置為Profibus協(xié)議，用于實現(xiàn)PLC 與各變頻器之間的通訊，根據(jù)Profibus的特點和要求，采用主從結(jié)構(gòu)Profibus-DP方式，其拓撲結(jié)構(gòu)為總線型，即以脫硫控制IPC作為DP主站，PLC和變頻器等作為從站，該系統(tǒng)硬件連接示意圖見圖2。

圖2 系統(tǒng)硬件連接示意圖

本設(shè)計將整個脫硫系統(tǒng)依據(jù)控制要求劃分為4個子系統(tǒng)，分別為尾氣脫硫子系統(tǒng)、再生沉淀子系統(tǒng)、清洗子系統(tǒng)和廢液處理子系統(tǒng)。4個子系統(tǒng)既相對獨立各自完成不同的功能，又相互協(xié)調(diào)共同完成煙氣脫硫的工作，4個子系統(tǒng)運行中的相互關(guān)系見圖3。

圖3 4個子系統(tǒng)運行中的相互關(guān)系

4 軟件設(shè)計

4.1 上位機軟件

上位機的監(jiān)控軟件采用西門子的SIMATIC WINCC組態(tài)開發(fā)平臺。WINCC 是一款通用的應(yīng)用程序，適合所有工業(yè)領(lǐng)域的解決方案，多語言支持，全球通用。可以集成到所有自動化解決方案內(nèi)，內(nèi)置所有操作和管理功能，可簡單、有效地進行組態(tài)。

上位機軟件編寫過程主要包括協(xié)議的選擇 （通訊協(xié)議選擇PROFIBUS）、變量的定義、人機交互界面的設(shè)計、報警系統(tǒng)設(shè)計、用戶歸檔設(shè)計和報表的設(shè)計。其中人機交互界面由畫面編輯器編輯設(shè)計，首先把需要的各個部件按需要繪出，然后按照實際需求布局，編輯屬性并進行變量聯(lián)接，也可以通過C 語言、VB 語言編程以實現(xiàn)比較復(fù)雜的功能。WINCC中的變量地址和PLC定義的變量地址必須是一一對應(yīng)的，以通過通訊系統(tǒng)Profibus總線實現(xiàn)對PLC采集和計算得出的數(shù)據(jù)送到上位機顯示和處理。

本脫硫控制和監(jiān)測系統(tǒng)包含手動控制和自動控制兩個部分。其中手動控制部分主要用于現(xiàn)場參數(shù)的調(diào)試，可以調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速、閥門的開度、報警參數(shù)的上下限設(shè)置等，以達到實際應(yīng)用中的控制要求；自動控制部分就是實際的運行模式，即經(jīng)過手動控制調(diào)節(jié)測試達到實際應(yīng)用需求以后實現(xiàn)的一種全自動控制模式，不需要再進行人工的調(diào)整。

整個設(shè)計界面遵循頁面完整美觀、用戶體驗較好、控制方便、監(jiān)測方便等原則。基于這幾點，本脫硫控制系統(tǒng)的上位機界面包含主界面、電機控制、參數(shù)設(shè)置、報警記錄、數(shù)據(jù)曲線、報表管理。其中主界面包含脫硫工藝流程、各個傳感器采樣數(shù)據(jù)的動態(tài)顯示以及4個子系統(tǒng)的啟停控制等；電機控制界面可以實現(xiàn)各個電機速度的調(diào)節(jié)；參數(shù)設(shè)置界面包含對各個容器液位上下限的設(shè)置以及對噴淋泵噴淋強度的模糊PID 控制參數(shù)的設(shè)定；報警記錄界面顯示包含錯誤的時間、錯誤點以及錯誤發(fā)生時的數(shù)值等，并可以查詢歷史報警記錄；數(shù)據(jù)曲線界面主要是顯示排放氣中的SO2濃度；報表管理界面可以實現(xiàn)對報表的編輯和打印。脫硫控制系統(tǒng)組態(tài)主界面組態(tài)主界面見圖4。

圖4 脫硫控制系統(tǒng)組態(tài)主界面

本脫硫控制系統(tǒng)利用SQL Server實現(xiàn)對數(shù)據(jù)庫的管理、查詢和共享等功能。WINCC 與SQL Server建立連接后即可對數(shù)據(jù)庫進行實時讀寫和歷史數(shù)據(jù)的操作。系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫共設(shè)計有3 張數(shù)據(jù)庫表，分別為排放氣SO2含量檢測表、各傳感器參數(shù)表和報警記錄表。

4.2 下位機軟件

脫硫控制系統(tǒng)的下位機主要負責數(shù)據(jù)的采集與處理、變頻器的控制以及整個自動控制的實現(xiàn)等。本系統(tǒng)采用SIMATIC STEP 7 V5.5 軟件進行編寫，該軟件提供了CP5611通訊卡的通訊硬件驅(qū)動程序。STEP 7具有硬件配置和參數(shù)設(shè)置、通訊組態(tài)、編程、測試、啟動和維護、文件建檔、運行和診斷功能等功能，它的優(yōu)點是便于程序的編寫、調(diào)試以及維護。

下位機的編程采用梯形圖語言，將整個脫硫系統(tǒng)的下位機程序分割成若干不同的功能塊并分別編寫，主要包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、模糊PID 調(diào)節(jié)和故障報警等，下位機系統(tǒng)各功能塊見圖5。采用模塊化的編程方法不僅思路清晰、易于理解、整體較有條理，還利于程序后期的調(diào)試和維護。

在尾氣脫硫子系統(tǒng)中還采用了模糊PID 控制。本系統(tǒng)設(shè)計了2 個模糊PID 控制器，一個是尾氣排放濃度的模糊控制器，用于根據(jù)排放氣中的SO2含量調(diào)節(jié)噴淋泵P2的流量，從而保證排放氣穩(wěn)定達標；另一個是NaOH 配液模糊控制器，用于依據(jù)中和處理器中NaOH 溶液的pH 值改變調(diào)節(jié)P3和P4，從而配制出符合要求的NaOH 溶液。

圖5 下位機系統(tǒng)各功能塊

4 結(jié)語

本文設(shè)計的基于西門子組態(tài)軟件WINCC 和PLC S7-300并結(jié)合SQL Server的尾氣脫硫控制和監(jiān)測系統(tǒng)，不僅實現(xiàn)了尾氣脫硫的自動化控制，還保留了PLC 控制可靠和反應(yīng)靈活的特點。新增加的基于WINCC的控制系統(tǒng)有更強的可視性，可以直觀反應(yīng)整個系統(tǒng)的運行狀態(tài)，并及時將各個傳感器地監(jiān)測數(shù)據(jù)實時反映在監(jiān)控界面上。由于選用了雙堿法脫硫，不但去除率高、可靠性好，還生成了副產(chǎn)物石膏，可以作為建筑材料等再次利用，因此具有較高的經(jīng)濟效益。

［1］ 許紅，劉堯祥.燃煤電廠煙氣脫硫現(xiàn)狀及工藝［J］.中國煤炭，2006 （11）

［2］ 王剛，黨曉利.石油天然氣脫硫技術(shù)的研究和發(fā)展［J］.煤炭技術(shù)，2013 （2）

［3］ 蘇洪光，屈撐囤.主流濕法煙氣脫硫技術(shù)及其發(fā)展趨勢 ［J］.遼寧化工，2012 （11）

［4］ 祝曉松.PLC 在大型熱電廠煙氣脫硫控制系統(tǒng)中的應(yīng)用 ［J］.化學工程與裝備，2009 （8）

［5］ 劉春輝.火力發(fā)電廠煙氣脫硫控制系統(tǒng)設(shè)計及應(yīng)用［D］.北京：華北電力大學，2012

［6］ Wang Fentao et.al.Realization of real-time communication system of PLC with inverter and PC based on profibus［J］.IEIT，2011 （1）